（光学工程专业论文）聚合物纳米光纤制作及其器件组装.pdf

中山大学博七学位论文聚合物纳米光纤制作及其器件组装 聚合物纳米光纤制作及其器件组装 摘要 控制光信号在亚波长或纳米量级的体积中传输对于实现超紧凑的光子学器件 和高密集的集成光路是十分重要的，这代表着集成光学向集成纳米光子学迈进了 一大步。聚合物纳米光纤具有良好的机械性能，尤其是弹性和柔韧性非常好，而 且可以通过化学设计改变其材料的特性。因此，它是构筑超紧凑的光子学器件和 小型化集成光路的最佳选择之一。本论文集中研究了一种新型的、具有良好的机 械性能和光学性能的聚合物纳米光纤聚对苯二甲酸丙二醇酯( p t t ) 纳米光纤， 并利用i y l 丌纳米光纤组装了一些结构、器件和器件阵列。主要工作和创新点如下： 1 给出了种简单、快速、成本低廉的聚合物纳米光纤制作方法：一步拉制 方法。利用一步拉制方法，从熔融念的p t t 中拉制出机械性能良好的纳米光纤。 获得的p t t 纳米光纤直径小至6 0n l n 、长度可达5 0c m ，具有良好的表面光滑度和 长度均匀性。实验验证了p t t 纳米光纤具有较高的强度、优良的弹性和柔韧性， 可以被任意地放置、弯曲、缠绕和拉伸来组装想要的结构。 2 通过倏逝波耦合的方法，将来自s i 0 2 纳米尖锥的光信号耦合进入p 1 广r 纳 米光纤和器件，观察和分析其光学性能。实验证明了从可见到近红外波段，i y l 广r 纳米光纤和器件具有良好的光学传输性能和低的损耗。 3 给出了一种聚合物纳米光波导耦合分束器的组装方法。利用显微操作缠绕 技术，将机械性能优良的p 1 广r 纳米光纤紧密地缠绕在一起形成“蝴蝶 形状，得 到了一系列结构超紧凑的、具有多个输入输出分支的m x n 光耦合分束器。例如， 将8 条p 1 f r 纳米光纤缠绕在一起组装成一个8 x 8 的分束器。通过倏逝波耦合方法， 将不同波长的可见光耦合进入器件测试和分析其工作性能。结果表明，我们制作 的耦合分束器具有良好的分光性能和低的损耗；器件的附加损耗小于1d b ，本征 损耗小于0 4d b 。 i v 中英文摘要 4 通过显微操作技术，利用p t t 纳米光纤组装了一系列超紧凑的结构、器件 ( 例如：剪刀镊子形状、分束器、耦合器、环形结构和马赫一曾德尔干涉仪( m z i ) 结构) 和器件阵列。实验结果验证p t t 纳米光纤具有很好的器件构筑能力和良好的 导光性能。 关键词：聚合物纳米光纤，集成光路，聚对苯二甲酸丙二醇酯( p t t ) ，一步拉制 技术，显微操作技术，光耦合分束器，环形结构，马赫一曾德尔干涉仪( m z i ) 。 v 中山大学博十学位论文聚合物纳米光纤制作及其器件组装 p o l y m e r - b a s e dn a n o f i b e rd r a w i n ga n d d e v i c ea s s e m b l y a b s t r a c t t h ea b i l i t yt o i n j e c t ，g u i d e ，a n dm a n i p u l a t el i g h t i nas u b w a v e l e n g t h o r n a n o m e t e r - s c a l ev o l u m ei si m p o r t a n tt oa c h i e v eu l t r a c o m p a c tp h o t o n i cd e v i c e sa n d d e n s e p h o t o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ( p i c s ) p o l y m e r - b a s e dn a n o f i b e r sh a v eg o o d m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ，e s p e c i a l l yw i t he x c e l l e n te l a s t i c i t ya n df l e x i b i l i ty m o r e o v e r , t h e p r o p e r t i e so ft h ep o l y m e rm a t e r i a l sc a n b ew i d e l yt u n e db yc h e m i c a ld e s i g n t h e r e f o r e ， p o l y m e r - b a s e dn a n o f i b e rw o u l db eo n eo ft h em o s tp r o m i s i n gc a n d i d a t e si nc o n s t r u c t i n g u l t r a c o m p a c tp h o t o n i cd e v i c e sa n dm i n i a t u r i z e dp i c s t h i st h e s i sf o c u so nan o v e l p o l y m e r - b a s e dn a n o f i b e r - - p o l y ( t r i m e t h y l e n et e r e p h t h a l a t e ) ( p t on a n o f i b e rw i t hg o o d m e c h a n i c a la n do p t i c a lp r o p e r t i e s m e a n w h i l e ，av a r i e t yo fs t r u c t u r e s ，p h o t o n i cd e v i c e s a n dd e v i c ea r r a y sh a v eb e e na s s e m b l e db yt h emn a n o f i b e r s t h em a i nc o n t e n t sa t ea s f o l l o w s - 1 as i m p l e ，f a s t ，a n dl o wc o s tp o l y m e r - b a s e dn a n o f i b e rd r a w i n gt e c h n i q u eh a s b e e np r e s e n t e d ，i e o n e - s t e pd r a w i n gp r o c e s s t h ep o l y m e r - b a s e dn a n o f i b e r sw i t h d i a m e t e r sd o w nt o6 0n n la n dl e n g t h su pt o5 0c mh a v eb e e nf a b r i c a t e db yo n e s t e p d r a w i n gp r o c e s sf r o mt h ep t tm e l t e x h i b i t i n gh i g hs u r f a c es m o o t h n e s sa n dl e n g t h u n i f o r m i t y i tw a sd e m o n s t r a t e dt h a tt h ep t rn a n o f i b e r se x h i b i t e dh i g hm e c h a n i c a l s t r e n g t h , e x c e l l e n te l a s t i c i t ya n df l e x i b i l i t y , e n a b l i n gh i g h l yc o n f i g u r a b l ea b i l i t yt h a tc a n b ea r b i t r a r i l yp o s i t i o n e d ，b e n t ，i n t e r t w i n e d ，t w i s t e d ，t e n s e d ，a n da s s e m b l e di n t od e s i r e d s t r u c t u r e s 2 b ye v a n e s c e n tc o u p l i n gm e t h o d ，o p t i c a ls i g n a l sw e r ec o u p l e di n t ot h ep t r n a n o f i b e r sa n dn a n o f i b e rd e v i c e st oo b s e r v et h e i rg ui d i n gp e r f o r m a n c e q u a n t i t a t i v e s t u d i e sd e m o n s t r a t e dt h a tt h emn a n o f i b e r sa n dn a n o f i b e rd e v i c e se x h i b i tg o o d g u i d i n gp r o p e r t i e sw i t hl o wo p t i c a ll o s sf r o mv i s i b l et on e a ri n f r a r e dr e g i o n 3 a na s s e m b l i n gm e t h o do fn a n o s c a l ep h o t o n i cc o u p l i n g s p l i t t e rh a sb e e n p r e s e n t e db yu s i n gp o l y m e r - b a s e dw a v e g u i d e s u s i n gas i m p l em i c r o m a n i p u l a t i n g t e c h n i q u e t h ep t tn a n o f i b e r sw i t hg o o dm e c h a n i c a lp r o p e r t i e sc a nb et i g h t l yt w i s t e d i n t oa b u t t e r f l y f g u r e ，a n das e r i e so fu l t r a c o m p a c tm x n p h o t o n i cc o u p l i n gs p l i t t e r s v i 中英文摘要 w i t h m u l t i i n p u t o u t p u tp o r t sh a v eb e e na s s e m b l e d a se x a m p l e s ，a l l8 x 8p h o t o n i c c o u p l i n gs p l i t t e rw e r ea s s e m b l e db yt w i s t i n ge i g h tm n a n o f i b e r s d i f f e r e n tv i s i b l e l i g h t sa r em u n c h e di n t ot h e s es p l i t t e r st oo b s e r v et h e i ro p e a r a t i n gp e r f o r m a n c eb y e v a n e s c e n t c o u p l i n g t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h es p l r t e r so p e r a t e dw e l lw i t hg o o d s p l i t t i n gp e r f o r m a n c ea n dl o wo p t i c a ll o s s t h ee x c e s sl o s so ft h e s es p l i t t e r sw a sl e s s t h a n1d b ，a n dt h ei n t r i n s i cl o s sw a sl e s st h a n0 4d b 4 b yu s i n gt h em i c r o - m a n i p u l a t i n gt e c h n i q u e ，ar a n g eo fu l t r a c o m p a c ts h a p e s ， d e v i c e s ( s u c ha st w e e z e r s c i s s o r - s h a p e ds t r u c t u r e s ，o p t i c a lb e a ms p l i t t e r s ，c o u p l e r s ， r i n g s ，a n dm a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ( m z i ) ) a n dn a n o p h o t o n i cd e v i c ea r r a y sh a v e b e e na s s e m b l e db yt h emn a n o f i b e r s t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e 阿n a n o f i b e r s e x h i b i th i g h l yc o n f i g u r a b l ea b i l i t ya n dg o o dg u i d i n gp r o p e r t i e s k e yw o r d s ：p o l y m e r - b a s e dn a n o f i b e r ，p h o t o n i ci n t e g r a t e dc i r c u i t s ( p i c s ) ， p o l y ( t r i m e t h y l e n et e r e p h t h a l a t e ) ( p 1 田，o n e s t e pd r a w i n gp r o c e s s ，m i c r o m a n i p u l a t i n g t e c h n i q u e ，p h o t o n i cc o u p l i n gs p l i t t e r ，r i n g s ，m a c h - z e h n d e ri n t e r f e r o m e t e r ( m z i ) v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成 果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明 确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 埘龇 日期：谁7 湖j 日 学位论文使用授权声明 一虢研抛翮签名槲 1 日期：啊年，) 月l 了日 日期与b 多年z 月止e l 知识产权保护声明 本人郑重声明：我所提交答辩的学位论文，是本人在导师指 导下完成的成果，该成果属于中山大学物理科学与工程技术学院， 受国家知识产权法保护。在学期间与毕业后以任何形式公开发表 论文或申请专利，均须由导师作为通讯联系人，未经导师的书面 许可，本人不得以任何方式，以任何其它单位做全部和局部署名 公布学位论文成果。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承 担。 学位论文作者签名： 研虬渡 日期：该川百年 2 月 砂 日 中山大学博十学位论文聚合物纳米光纤制作及其器件组装 第一章绪论 1 9 5 9 年，在加州理工学院的物理年会上，著名物理学家、诺贝尔奖获得者 f e y n m a n 做了一个富有想象力和前瞻性的报告“t h e r e sp l e n t yo fr o o ma tt h e b o t t o m ”。他预言：“毫无疑问，如果我们可以对细微尺度的事物加以操纵的话， 将大大扩充可能获得的物性范围”。他所指的细微尺度的事物就是现在的纳米材 料，加以操纵就是纳米技术的应用。f e y n m a n 的大胆预言，揭开了人们认识和掌 握纳米科技的序幕。 2 0 世纪7 0 年代，科学家开始从不同角度提出了有关纳米科技的构想。1 9 7 4 年，科学家唐尼古奇最早使用纳米技术一词来描述精密机械加工。1 9 8 2 年，科学 家发明了研究纳米材料的重要工具扫描隧道显微镜，揭开了一个可见的原子、 分子世界，对纳米科技的发展产生了巨大的推动作用。1 9 9 0 年7 月，在美国巴尔 的摩举办了第一届国际纳米科学技术会议，这标志着纳米科技的正式诞生。 2 1 世纪的今天，纳米科技对传统产业的实质性影响和对未来工业的潜在革新 毋庸质疑。因此，人们普遍认为，纳米技术将和信息技术一起成为现代高科技和 新兴学科发展的基础。纳米科技是以许多现代先进科学技术为基础的科学技术， 它是现代科学( 混沌物理、量子力学、介观物理、分子生物学、光学) 和现代技 术( 计算机技术、微电子技术、扫描隧道显微镜技术、核分析技术) 相结合的产 物。纳米科技又引发了一系列新的交叉学科，例如纳米光子学、纳米电子学、纳 米材科学和纳米机械学等。 纳米光子学是一门令人兴奋的新兴前沿科学，己经引起了全世界的关注【1 9 】。 当前，许多国家都投入巨大的资源来研究这一前沿课题。纳米光子学是纳米技术 领域中出现的高科技，也可以说是光子学的分支。m o h t s u 等人将之定义为：“利 用近场光学对纳米器件进行设计、制造和运作的技术 1 0 1 ”。2 0 0 5 年8 月，g l a s e r f o c u sw o r l d 杂志宣称：“具备亚波长光学新概念的近场光学成像、表面等离子激 元天线、负折射率透镜和纳米光纤研究己成为光子学前沿的研究热点【1 1 】。 2 0 0 6 年5 月，j g i l e s 在g n a t u r e 杂志上指出：“纳米线和纳米光纤已经成为当前物理 学的五大研究热点之- - 1 2 】。 第一。章绪论 1 1 光集成 半个世纪以来，迅猛发展的集成电路影响着我们生活的方方面面，尤其促进 了计算机和通信产业的发展。然而，由于进一步微型化所导致的电路阻抗和能量 损耗的增加，使得进一步提高集成电路的运作速度成为一种挑战。此外，由于电 子器件是基于电子在物质中运动的原理，在纳米尺度时，量子效应和热波动使它 的性能变得不可靠了，使电子器件的工作能力已接近极限。光子是一种以光速运 动的粒子，与电子相比，光子受量子效应和热波动的影响远小于电子，这使得以 光子为载体的光子器件有比电子器件具有更高的运行速度和更稳定的工作性能。 光子在电介质中传播每秒可以携带更多的信息，其传输带宽也远大于金属导线。 因而，人们把目光投向光子，提出了用光子作为信息载体代替电子的设想。1 9 6 9 年，美国贝尔实验室的s e m i l l e r 先生提出了光集成这一概念。按照光集成的观 点，对光信号的产生、传输与处理的方式上，用光导纤维代替金属导线，用集成 光路代替集成电路。在集成光路中，首先将各种光学元件集成在一块基片上，再 由晶片内部或表面上的光波导将其互连起来。 光集成研究内容可分为导波光学和集成光路两大类。导波光学主要研究光在 波导介质中的产生、耦合、传播和损耗等；以及与之相应的光波导器件，比如光 耦合器【1 3 1 5 1 、光分束器合波器r 1 6 1 8 、光开关 1 9 1 、光放大器r 2 0 1 和光调制器 【2 1 2 3 等。集成光路则主要研究如何把各种光波导器件集成在同一衬底上，形成 具有一定功能的微型光学系统，以及改进和提高这些微型光学系统的性能等。 光集成拥有高速和器件多样化的优点，在光通信、光信息处理、光测量、生 物和化学传感等领域都有着极其广泛的应用。在集成光路中，光子芯片和模块扮 演着重要的角色，可以实现发送、存储、调制信号数据等功能。信息社会对集成 光路的集成度要求也越来越高，促使人们不断探索能够突破器件尺寸极限的途径。 当材料的尺寸达到纳米量级时，它们显示出独特的光学、电学和力学等特性。显 而易见，这些性能对于构筑小型化的功能器件和模块是十分有用的。相应地，许 多国家已经投入巨大的资源来开发新型材料，发展简易的制作工艺，降低光子学 器件的尺寸和制作成本，以及提高器件的集成度 2 4 3 0 1 。 2 中山大学博士学位论文聚合物纳米光纤制作及其器件组装 1 2 构筑纳米光子学器件和模块的技术方法 注入、传输和控制光信号在亚波长或纳米量级的体积中传输对于实现超紧凑 的光子学器件和高密集的集成光路是十分重要的，这代表着集成光学向集成纳米 光子学迈进了一大步 2 6 3 0 。因此，制作亚波长或纳米尺寸的导波结构、构筑结 构超紧凑的纳米光子学器件和模块成为当前的研究热点之一，得到了人们广泛地 关注。目前，基于金属、半导体和聚合物等材料，研究者已经利用各种方法制作 出各种各样的亚波长或纳米量级的光波导结构、器件和功能模块，实现了对光信 号的传输、分离、合成、调制、滤波、缓存和发射等功能 2 6 3 8 1 。 1 2 1 光刻纳米结构 ( 1 ) 基于金属材料的表面等离子体纳米光波导 表面等离子体波是一种可以在金属与介质表面传输的光波模式。最近几年， 通过改变金属( 如金、银、铝等) 的表面结构，研究者已经制作出了各种各样的 亚波长或纳米尺寸的、传导表面等离子体波的光波导结构和器件 2 7 ，3 2 。举例说明， wl b a r n e s 等人报道了一个镶嵌在玻璃基底上的金属条纹表面等离子体波导 【2 7 。图1 1 ( a ) 是金属条纹等离子体波导的扫描电子显微镜( s e m ) 图像；其中， 金属条纹宽度为2 5l x m 、厚度为4 0n m ，属于一维纳米结构【2 7 】。图1 - 1 ( b ) 的光 学扫描隧道显微镜( p s t m ) 图像验证了表面等离子波可以在金属表面传输。由于 金属对其表面传输的光能量的吸收和不必要的耦合所引起的能量发散，使得这一 类光波导的传输损耗相当大，可以达到每毫米几千分贝。后来，s i b o z h e v o l n y i 等人验证了亚波长的金属槽可以用于传输光信号，并且利用这种槽形波导结构制 作了y 形光分束器、马赫一曾德尔干涉仪( m z i ) 和环形谐振腔结构【3 2 】。图1 2 ( a ) 给出了工作波长为1 6 0 0n m 时，扫描近场光学显微镜( s n o m ) 拍摄的y 形 光分束器的光传输图像。图1 2 ( b ) 给出了当工作波长为1 6 0 0n m 时，s n o m 拍 摄的m z i 的光传输图像。图1 2 ( c ) 给出了环形谐振腔的s e m 图像；插图为环形 谐振腔的结构示意图，其中t 和扮别为传输和耦合系数，a e x p ( i 0 ) 指的是沿着环传 输的振幅。 3 第绪论 i , b l l i 图1 - 1 基于金属村料的表面等离于体波导1 2 刀。( a ) 将厚度为4 0n m 、宽度为 2 5u m 的金线镶嵌在玻璃衬底上形成的表面菩离子体波导的扫描电子显微镜 ( s e m ) 图像。( b ) 通过光学扫描隧道显微镜( p s t m ) 观察的金线波导的导 光圈像；延伸的表面等离子体波利用全内反射式照射( 波长= 8 0 0n m ) 产生的 光斑( 由红色的椭删所示) 通过衬底导入较大的区域，用于激发金线的等离子 体本征模之一( 有二个最大的本征模) ：p s t m 图像验证了表面等离子波在金属 表面传输。 固 圈1 - 2 基于懵形金属等离子体波导的器件【3 2 】。( a ) 当x = 1 6 0 0 唧时扫 描近场光学显微镜( s n o m ) 拍摄的y 形光分求器的光传输创像。( b ) 当 x = 1 6 0 0n m 时s n o m 拍摄的m z l 结构的光传输图像。( c ) 环形谐振腔 的s e m 图像：插图给出了环形谐振脏的结构示意图。 聚古物纳米光o t 制作及其# 件蛆装 ( 2 ) 基于平面介质材料的纳米光子线波导 近几年，随着光刻技术的发展，各种各样的基丁平面介质波导的纳水光予学 器什和模块已经被研制出来。在数十微米尺可内，这些器件和模块- ，j 吼实现对光 信的调制、滤波、缓存和发射等功能。举例说明：图l 一3 给出了个结构紧凑的 硅堆高速电光调制器：其中光波导的宽度为4 5 0n m ，耦合间距为2 0 0n m ，环形腔 的直径为1 2i x m 2 9 l 。ex i a 等人报道丁一种在绝缘体l 硅( s 0 1 ) 基片上制作的、 基于纳米光子学延迟线结构的光缓存器，是通过绒联1 0 0 个微环谐振腔形成的耦 台共振结构或争通滤波结构柬实现的【33 1 。圈1 4 ( a ) 和( b ) 5 - g , r l 给了由几个 环形凿振腔级联形成的、基于全通滤波结构和共振谐振结构的光子学延迟线。光 子线波导足通过在硅卜刻蚀出两条、f 行的槽( 一直刻蚀到s i o ：层) 形成的；其中， 波导的横截面为5 1 0n m x 2 2 6n m ，弯曲半径为65 m 。在光通信波段，这种结构 可以保持良好的单模传输和低的损耗，同时最小化了群速度色散。图1 - 4 ( c ) 给 出了个在s o l 基片上制作的慢波谐振结构3 4 1 。该鲇构足存条纳米量级的单模 光子线波导上串联1 0 0 个长方体谐振结构形成的。其中单模光子线波导的横截面 尺寸为2 5 0n m x 5 0 0n m 谐振腔的尺寸为15b t m 15p m x 05b t m ，沿着光了线波 导的谐振腔的周期为r = 2 7 5p m 。 - - w i d t h 4 5 0n m ! ! ! 竺竺竺：! ! 竺： 幽l - 3 硅垦皑光侧制器的s e m * l 光学皿徽镜幽像【2 9 】。( a ) 器们俯视幽( s e m 阁像) ，茸耦台区域被做人。( b ) 金属接触屡形成后，环形l * 扳腔的光0 湿微镜 州像。枉环中心的p l o 掺杂医的金属接触层穿过环，在环和金属之间自1 i j m 厚 的s i o z 层。 第4 绪论 h1 4 蕈光子线波导，住s o l 萆片t 制作的延迟线结构1 3 纠( a 、b ) 和慢波营 振结构3 4 j ( c ) 的s e m 幽像。( a ) 延迟线是由儿个环形i * 振腔级联形成的全 通滤波结构( a p f ) 。每个环通过侧边耦台剑公共波导中其耦合k 域 一i s 振腔 雨公共波导之司的间龋为2 0 0 i l m 。( b ) 延迟线士三儿个i 自振腔级戢而成的耦台 共振站杜j 。每个王f = 通过侧面耦台到相邻的环，其中j 禺台问距为2 0 0n m 。( c ) d 一条尊模波导上串蛾1 0 0 个l 自振腔形成的慢波耦台谐振结构( 图中显小了人约 7 0 个谐振腔) 。 ( 3 ) 光了晶体结构 光子晶体也是实现集成光路的一个 分有效的办法。光子晶体是最小化的周 期性介质结构，通过光子带隙( 一个截止频率，光在垓频牢下不能传播，类似于 半导体中的屯子带隙) 束控制光信号。图1 5 ( a ) 给m 丁个未束用于仝光州络的、 基r 光r 品1 ；奉结构的光了芯片 2 8 1 。在平板光子晶体的设计叶1 ，控制光信号的传输 和发射的两个堑奉而义r 分重要的纽件分别是线缺陷波导( 见图1 5 ( b ) ) 和点缺 陷舱( 见图1 5 ( c ) ) 。例如，qhg o n g 研究小组基_ j 有机光了带隙微脏结构，利 用非线性教腑实现了皮秒、低功率的全光丌关1 3 0 。y av l a s o v 等人利用低损耗 的h # 基光子晶体波导把光控制存q 波k 的横截面内，利用i j 凋i 皆的m z i 结构实现丁 群速度的调i n 3 5 1 ，b ss o n g 等人利用小同品格常数的光f 品体实现r 滤波功能 3 6 1 。另外，”r 以通i = ：光r 晶体微腔来史现光的发射和| ；【! 制。例如，rc o l o m b e l l i 等人站台光千和电子带隙结构工程制作了个农m 艇射毓了绒耳芰的微脏激光揣 r l _ m 大学博学位论文聚台物纳米光纤制作及其镕件蛙装 【3 7 】。tt a n a b e 等人给出了商o 值的纳米腔，可以在1n s 时间内实现光子的延迟和 捕获1 3 8 。 可 ! 。 c- 珥13 日 l i i t 。e + 幽l - 5 ( a ) 未来州丁全光网路的光子晶体基的光于芯片【2 8 】。 ( b ) 具有线缺陷 的光f 晶体波导1 2 8 1 。( c ) 光子晶体点缺陷纳米腔【2 8 】。 上述亚波长或纳米量级的等离子体波导、光于线波导和光子晶体波导是通过 自r 而f ( 1 0 p d o w n ) 的方法制作的。但是t o p d o w n 方法通常结合了光刻、刻蚀 和沉积等技术，制作l 艺比较复杂。通常，光到技术能够实现的最小尺寸要受到 曝光波长的限制。要实现极细微的特征尺寸要使用波长相当短的光波3 9 1 。例如， 目前研究的板紫外光到技术使用波长为1 卜1 3i r l m 的远紫外光束曝光。为了应用如 此短波长的光，整个系统必须采用精度极高的反射式光学系统以避免折射系统中 = 蓦薰 日 第一章绪论 强烈的光吸收。另外，如何实现高功率的短波长光源也是一个难点。除了极紫外 光刻之外，比较有前途的还有电子束光刻和接近式x 射线光刻。整个光刻系统的 造价也非常昂贵，而且这些技术都存在一些不足之处，如低产出、模板难以制作 等问题，离工业应用还有一段距离。光刻技术的发展突破了t o p d o w n 方法的限制， 然而每次决定性的改进都带来了相应的制作成本近乎指数形式的增长。t o p d o w n 方法经济上的限制和其他的科学上的问题促使人们去寻找新的技术方法来满足现 今和未来制作纳米结构的需求。 最近几年，人们利用各种技术方法( 例如：两步骤尖端拉伸法1 2 6 、激光烧蚀 法 4 0 1 、静电纺丝技术【4 1 】、化学合成法 4 2 ，4 3 】、激光辅助加热生长法【4 4 】) 从一系 列材料中制作出各种各样的亚微米或纳米量级的线和纤维。这些亚微米或纳米量 级的线和纤维具有独特的电学、光学、热学和力学特性，它们将成为构筑超紧凑 的纳米光电子学器件和模块【4 4 ，4 5 、超密集的集成光路 2 6 ，4 3 】和集成电路1 4 6 1 的基 本元件。 1 2 2 半导体纳米线光纤的制作和器件组装 2 0 0 3 年，哈佛大学e m a z u r 研究小组的lt o n g 等人利用两步骤尖端拉伸法 从普通s i 0 2 光纤中拉制出直径为亚波长或纳米量级的光纤 2 6 1 。图1 6 是两步骤尖 端拉伸法的示意图。第一步是用火焰或者c 0 2 激光器对标准的s i 0 2 光纤进行加热， 拉出微米量级的s i 0 2 光纤。第二步是用自制的c h 3 0 h 火焰对蓝宝石尖端进行加 热以获得比较均匀的温度分布，然后将微米量级光纤的一端接触蓝宝石尖端，同 时将蓝宝石沿中心轴旋转，使微米量级的光纤均匀缠绕在蓝宝石尖端上。当温度 达到2 0 0 0k 左右时，s i 0 2 光纤处于熔融状态，而这个温度低于蓝宝石的熔点，此 时在水平面上沿与蓝宝石纵轴正交的方向即可拉出直径为纳米或亚微米量级的光 纤。同时，研究者也证实了亚波长或纳米量级直径的s i 0 2 光纤是一种理想的导光 介质。这种直接拉制的方法提供了一种简易、廉价的光子线制作技术。但是，这 种方法需要很好地控制拉制区域的温度分布，而且制作的s i 0 2 纳米光纤长度只有 4m m 。后来，英国南安普顿大学的gb r a m b i l l a 等人利用火焰或者微加热器加热来 回刷的方法直接把s i 0 2 光纤【4 7 】和复合玻璃光纤1 4 8 1 拉制成纳米光纤，长度可达 1 1 0m m 。但是拉制过程中仍然需要严格地控制光纤周围的温度和空气流。 8 j m 丈 博+ 学儡论立 寨骨物纳米光纤制作煦其# 件埘装 ”嚣挈! ：竺2 冲n - = s n w 8 a p 咖 n er 吲1 - 6 火焰加热两步拉伸法示意刚【2 6 后束，浙江人学lt o n g 的研究小组利用j j u 热体玻璃的方法，直接拉制出儿十 个毫米长的纳米线 4 9 1 。图1 7 给出了大块玻璃中直接拉制纳米线的示意图，其中 ( 1 ) 一( 6 ) 分别描述了拉制方法的六个步骤。第步用火焰或者c 0 2 激光器对蓝 宝石纤维进行加热，将要拉制的玻璃靠近蓝宝石纤维；第二步将玻璃局部融化， 蓝宝石纤维插入玻璃块中：第三步将玻璃块移走，部分融化的玻璃附着在纤维的 端；第四步用另一根蓝宝石纤维接触附着在第一根纤维术端上处于熔融忐的玻 璃；第五步降低加热功率，将第二根纤维移走；最后，在纤维尖端拉出了纳米线。 通过上述技术，使用多种材料( 亚碲酸盐、硅酸盐、磷酸盐、硅酸盐等) 均可拉 出长度为几十毫米，直径低至5 0 n m ，长度均匀的纳米线。同样，这样方法也需要 很好地控制拉制区域的温度分枷。 同时，lt 0 n g 等人利用s i 0 2 和玻璃纳米光纤组装了简单的结构和器件 【2 6 ，5 0 ，5 l 】。如嘲l 一8 ( a ) 所示，将直径为5 2 0t i m 的s i 0 2 纳米光纤弯曲打结形成 一个直径为1 5 m 的微环结构【2 6 l 。图1 - 8 ( b ) 给出了一个x 形耦台器，可以实 现3 一d b 分光功能【5 0 。将两条直径为4 8 0r i m 的亚碲酸盐玻璃光纤组装成单级 m z i l 5 1 1 ，图i - 8 ( c ) 给m 了m z i 结构的导光图像。 二二 o r n on 3 n ：rj 厂 厂厂 ga 0 5 厂- 厂 了汀j 7 - 一i l j _ 二a 0 d h e l er 寻了 二。弓 二芦? 一 - i j 456 因 削i ，7 人块玻璃直接 伸法【4 9 】 瞩 ，川l 学陴十学位论文 聚合物纳米光纤制怍厦其g 件组装 c 5 0 1 t m 圈1 8 利崩s i 0 2 和玻璃纳米光纤组装的光子学器件。( a ) 直径为1 5 x m 的徽环 结构的s e m 图像( s i o z 纳米光纤直释为5 2 0r i m ) 2 6 1 。( b ) 由两条直径为4 2 0 n n l 的s i 0 2 纳米光纤组装的x 形耦台器的导光圈像【5 叫。( c ) 利州两条直径为 4 8 0 咖的砸碲酸盐玻璃光纤组装的单级m z i 结构的导光剀像t 5 1 l 。酗( b ) 和( c ) 中的箭头标示光的传输方向。 2 0 0 4 年，ey a n g 研究小组验证了利用化学合成方法获得的s n 0 2 纳米线可以 用于亚波长的导光，并和其他的纳米单元组装在一起形成纳米网络结构和功能器 件【4 3 1 。图1 - 9 ( a ) 给出了蓝光通过两个弯曲半径大约为1 “m 的弯曲结构传输的 黑白暗场图像。发现在弯曲处有一个散射中心，是崮为有一个突然的弯曲，而不 是一个物理的接触。图1 - 9 ( b ) 给出了由3 条s n 0 2 纳米带组装在起形成的定向 耦合器结构：当光信号从分支1 输入时分支3 的输出信号最强。图1 - 9 ( c ) 将 s n 0 2 纳米带和z n o 纳米线组装在一起，图中的箭头为两者之间的连接点：图1 - 9 ( d ) 给出了两者之间连接点的放大图像。研究者用3 8e v 的能量激发z n o 纳米 线，z n o 纳米线发射出柬的激光耦合进入s n 0 2 纳米带传输。如图1 - 9 ( c ) 所示。 同年，cm l i e b e r 研究小组也验证r 利用有游c d s 纳米线町以在亚波长体积内传 输和控制光信号：同时，构筑了交叉结构和尖角结构( 见圉1 - 1 0 ) 并将光信号祸 合进入这些结构进行测试和分析其性能【5 2 】。 研究发现化学合成的纳米线表面比较粗糙，这导致较大的光损耗，使其在光 子学方面的应用受到很大的限制。另外，山于半导体纳米线光纤相对差的弹性和 柔韧性，不管是直接拉制的s i o z 和玻璃纳米光纤，还是化学合成的s n o z 和c d s 纳米线，构造的器件只是限制在简单的结构内。 第章埔沦 削i - 9 , f l lj l s n 0 2 纳米带壮j 筑的结构和器什4 纠。( a ) 娅圯纤i _ _ s 弯曲后的光豉 发光的黑白晴场吲像：监光埔过两个弯曲半径人约iu m 的弯曲结杜j 进 传输。 捕h 的s e mh 像给i i j ，弯曲结构的放人幽像。赴弯曲处有一个散射中心垲田为 是响个突然的弯曲，而不是一个物理的接触。( b ) 由臻纳米带组装的环彤 定向耦合器，条环形纳求精( 1 3 5l i i t 】k 横截而尺寸为5 4 0n m x 2 5 0n m ) 杖 两条“线n 纳米带连接( 年边：】2 0g mk ，横截面尺j 为5 4 0n m x 2 5 0n m ；l 边：1 2 0 岬民。横截血尺j f 为4 2 0n m x 2 3 5a m ) 。当光从分支1 输入时，端l j3 的光挂垃强。( c ) 将一条z n o 纳米线( 在| 部，5 6g mk 被3 8e v 的能越泵 浦i ) 激发i 扯的光导入s n o ：纳米带传输的真彩咭场雨l 光致发光的幽像；幽t i ，的箭 火为两者的连接点( d ) 纳米线和纳米带连接点艘人的s e m 幽像。 蚓1 1 0 , 6r l qc d s 纳米线组装的, 器- f l 结构1 5 2 1 。( a ) 由曲条c d s 纳米线目【装的交 艾结 的 j 描光学硅微镜( s o m ) 吲像；牺幽为光羊显微镜h 像。( b ) 闪条蚋 求线的s o m 蚓像，占们的术端连接在起形成个尖锐竹角 f f l 刚为光学显微 镜h 像。h 。p 的标j 都址1 0u m 。 中山大学博学位论立举台物蚋米纤制作及其器件组装 1 3 3 聚合物纳米纤维的制作方法 与半导体纳米线和纳米光纤相比，聚合物纳米纤维具有良好的机械性能，尤 其是弹性和柔韧性非常好，而且可以通过化学设计来改变其材料的性能。因此 聚合物纳米纤维对于构筑超紧凄的、结构复杂的光子学器件是十分有利的。利用 不同的高分子材料如聚烯烃、聚酯、聚酰胺、生物高分子、导电高分子等为原料 可以得到不同种类的聚合物纳米纺织纤维、纳米生物纤维、纳米导电纤维等。最 近几年，研究者已经通过化学合成法【4 2 ，5 3 】、激光烧蚀法【4 0 】、静电纺丝技术 4 1 1 、 近场探针或微纳吸管拉制法 5 4 , 5 5 1 、尖端阵列法 5 6 1 等制作了一系列纳米纤维。 ( 1 ) 化学合成法 化学合成法是在合成过程中直接形成纳米纤维的方法。研究者已经利用化学 方法合成了各种各样的聚合物纳米纤维。举例说明：如图1 - 1 1 ( a ) 所示，j h u n g 等人合成了聚乙烯樟脑磺酸纳米纤维 4 2 1 ；如图1 1 1 ( b ) 所示，w “等人合成 了手性聚乙烯纳米纤维 5 3 1 。聚合物纳米纤维的直径为3 0 5 0l t m ，长度只有几个 微米。我们发现这些纳米纤维杂乱无章、直径不均匀、表面粗糙，这将会带来 较大的光损耗。另外由于它们的长度太短也会限制器件的组装。 弋籁 一 学埔沦 幽1l l 化学台成的聚台物纳米纤维。( a ) 聚乙烯膊脑磺酸纳米纤维的透射 u 镜 ( t e m ) 喇像。插幽的s e m h 像给r 条被抖曲的纳米r 维 4 2 1 。( b ) 手性浆 乙烯纳米纤维的t e m 目d 像【5 3 。 ( 2 ) 激光烧蚀法 激光烧蚀法是利用高能量的紫外脉冲激光束照射聚合物材料的特定区域米制 作纳米纤维的方法。当激光强度高于侥蚀削值时，激光加热导致聚合物融化、分 解，形成熔融志的聚台物呻hc z 和c z k 气体及聚合物单体的混合物小球；最后， 高能量的熔融态聚合物冲出小球的表面形成聚合物纳米纤维。如削1 1 2 所示，f w e i b u c h 等人利斤jk r f 准分子激光器发出的单脉冲光照射5 0 0k t m 厚的枭甲基向烯 睦甲酯( p m m a ) 薄膜，烧蚀得到了半径为1 5 0 2 0 0n m 、民度大约1i n m 的纳米 纤维4 0 1 。从图1 1 2 - 以看 r ，利用此方法制作的p m m a 纳米纤维仍然具较大 的长度小均匀性和表面柑糙度。 r p m 大学博学位论女聚物纳术兜 f 制作其g 件m 装 5 5a o x 5 50 0 1 1 ( 1 l i m d i v 圈1 一1 2 通过k r f 澈光烧蚀制作的p m m a 纳米纤维的原子力显微 镜( a f m ) 纵 4 0 1 。 ( 3 ) 静电纺丝技术 静电纺丝技术足2 0f 迁纪3 0 年代出现的一种利用高压静电制备纤维的方 法。图1 1 3 ( a ) 给出了电纺丝技术的装置示意图。设法最先由美国的y o m h a l s 提 出。此后的许多年，人们不断地对这种方法进行研究探索改进设备装置。利用 静电纺丝技术，人们已经制作出丰富多彩的聚合物纳米纤维。例如，msk h i l 等 人制作了聚酯纳米纤维【4 1