一種新型可調光柵的制作方法*

崔 敏，張斌珍，張 勇

(1.中北大學 電子測試技術重點實驗室，山西 太原030051;2.中北大學 儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，山西 太原030051)

0 引言

光柵作為一種非常重要的光學元件，被廣泛應用于集成光路、光通信、光學互連、光信息處理、光學測量等領域中。與普通光柵相比，可調光柵可以通過改變周期來選擇不同波長的光或將某一波長的光偏轉不同的角度，可廣泛應用于微型光譜儀、掃描儀、光通信等領域中［1～3］。

Park Jung kyu和Chang Tien li等人利用飛秒激光刻寫技術在聚甲基硅氧烷(PDMS)上燒蝕出微米級光柵的圖形［4，5］。飛秒激光直寫法、雙光束干涉法可用來制作周期為幾百納米的光柵，但是制作出來的納米光柵平直性不好，光路復雜，工藝過程不好控制。Li Yigui和Yan Dong等人運用電子束光刻和聚焦離子束刻蝕的方法制造出納米光柵，基底分別為Si和SoI材料［6，7］。電子束光刻、X射線光刻都可以制作納米級光柵，但所使用的設備昂貴、復雜、難以控制，而且其工藝方法難以制作出周期可調的光柵結構。由美國麻省理工學院研制的可調諧光柵式光開關，通過靜電梳齒驅動光柵改變其光柵常數可達到改變衍射光束方向的目的［1，2］。Shih Weichuan等人利用薄膜壓電驅動光柵，從而使得光柵常數改變［8］。運用靜電力式和壓電式來驅動可調光柵，所需要的模擬電壓非常大，對設備的要求很高。可調光柵的制作需要用到刻蝕工藝、電子束光刻工藝等復雜的工藝，制作周期較長，成本高。

本文提出了一種成本低、周期短、工序簡單、易于控制的制備可調光柵的方法，克服了傳統制作方法所用設備昂貴、工藝條件苛刻復雜、難以控制、制作成本高、周期長的問題，應用前景廣泛。

1 可調光柵的制作原理

本文介紹的可調光柵的制作方法，首先在基底上勻膠，通過紫外光刻的方法，制作出周期為8μm的光柵結構，然后配制PDMS，將光柵復制在PDMS薄膜上，并將PDMS固化，形成內嵌式PDMS光柵。利用PDMS薄膜優異的彈性，將此薄膜沿著光柵柵線的方向拉伸，隨著柵線的伸長，光柵的溝槽和凸脊逐漸變窄，光柵常數也隨之變小。因此，可通過控制PDMS薄膜的拉伸長度來調節該光柵的周期，即光柵常數。

2 工藝流程

2.1 光柵模板的制備

用紫外線光刻技術制作光柵模版，如圖1(a)所示。1)備片:按順序分別用丙酮、酒精、去離子水清洗載玻片;2)甩膠:在載玻片上旋涂一層正性光刻膠EPG533，轉速為3 500 rpm，勻膠時間30 s;3)曝光:使用深紫外線光刻機，用接觸式曝光的方法進行曝光操作，曝光劑量約為75mJ/cm2;4)顯影:將曝光后的載玻片放在顯影液中顯影，顯影時間15 s，顯影液是質量分數為0.5%的NaOH;5)后烘:將制作好的光柵放置于100℃的烘盤上烘20 min，取下備用。如圖1(b)是制作出來的微米量級的光柵;圖1(c)所示為制作PDMS薄膜的示意圖;圖1(d)為制作出來的PDMS薄膜。本實驗所制作的光柵周期為8μm，占空比為1∶1(線寬:槽寬)，如圖2所示。

圖1 可調光柵工藝流程圖Fig 1 Processing flow chart of tunable grating

圖2 周期為8μm占空比為1∶1的光柵結構圖Fig 2 Grating structure diagram with period of 8μm and duty ratio of 1∶1

2.2 PDMS薄膜的制備

1)為了得到更加柔韌的PDMS薄膜，將預聚物和固化劑按照20∶1的體積比混合(產品說明書上所建議的常規配比原為10∶1)，然后將混合好的PDMS液體放在真空干燥箱中，保持抽真空狀態直至液體中無氣泡為止，該過程需要約5～15 min;2)將PDMS液體緩慢地傾倒在光柵模版的表面，待無氣泡后，在100℃的烘盤上加熱固化1 h，取下并冷卻后，將PDMS薄膜從光柵模版上剝離下來備用。此時的PDMS薄膜上內嵌有光柵圖形，薄膜厚度約為1 mm。如圖3為激光共聚焦顯微鏡拍攝的PDMS薄膜上的光柵圖形。

圖3 PDMS薄膜上的光柵圖形Fig 3 Grating figure on PDMS film

2.3 可調光柵的調諧過程

如圖4所示，將PDMS薄膜切成規則的長方形小塊，以光柵的柵線方向為長邊，然后將其夾持在手動平移臺上。本實驗所用到的拉伸裝置是由實驗人員自主設計并制作的，其中用到的手動平移臺由北京聯英精機科技有限公司生產。轉動手動平移臺的手輪，平移臺沿著光柵柵線的方向移動，此時就是可調光柵的周期連續可調諧的過程。隨著PDMS薄膜長度方向的伸長，寬度方向發生一定的收縮，光柵常數也隨之變小。

圖4 可調光柵的調諧過程Fig 4 Adjusting process of tunable grating

在保證PDMS薄膜不被拉斷的情況下，光柵周期最小可變為原來的60%，且是可逆形變。如圖5為拉伸PDMS薄膜一定的長度后，將光柵常數變小的光柵轉移到NOA73上的光柵圖形。NOA73是一種光學性能很好的紫外光敏材料，固化前呈液態，經過紫外線照射后，很快固化，可以完整地將光柵圖案復制出來。

圖5 NOA73材質的光柵，周期為5μmFig 5 Grating with NOA73 material with period of 5μm

3 測試與分析

3.1 光柵常數與PDMS薄膜伸長量的關系

PDMS是一種彈性材料，彈性模量為360～870 kPa，泊松比為0.5。PDMS薄膜的原始尺寸為2.4 cm×1.6 cm，厚為1 mm。

如圖6為拉伸PDMS薄膜時，光柵常數與PDMS薄膜伸長量的關系。平移臺的位移與薄膜原長的差就是PDMS薄膜的伸長量。光柵常數與PDMS薄膜伸長量的關系近似為線性:0～10 mm之間，光柵常數基本不發生變化;10 mm以后，光柵常數開始發生顯著的變化，且與PDMS薄膜的伸長量呈線性的關系;20 mm以后，光柵常數保持最小量不再變化;當拉伸到23 mm以后，PDMS薄膜有斷裂的跡象。

圖6 光柵常數與PDMS薄膜伸長量的關系圖Fig 6 Relation graph of grating constant and PDMS film elongation volume

3.2 光柵衍射圖樣的觀察

光柵的初始周期為8μm，柵線寬度為4μm，經過拉伸周期變為5μm，有明顯的衍射現象，圖7所示為它的衍射圖樣。

4 結論

本文提供了一種制作可調光柵的方法。首先利用紫外光刻的方法制造出光柵，再利用PDMS優異的彈性，運用拉伸的方法實現光柵常數的可調諧，采用此種方法制作的可調光柵成本低、操作簡單、制作周期短，可廣泛應用于微型光譜儀、掃描儀、光通訊等領域中。

圖7 光柵常數為5μm的光柵衍射圖樣Fig 7 Diffraction image of grating constant 5μm

［1］Wong C W，Jeon Y B.MEMS tunable grating with analog actuation［J］.Informat Sci，2003，149(1－3):31.

［2］顧艷妮，宣艷.基于PDMS金屬可調諧光柵的制備工藝研究［J］.材料導報B，2011(11):27－29.

［3］李太平，李曉瑩.一種MEMS周期可調光柵衍射特性的實驗研究［J］.光子學報，2010，39(4)，618－621.

［4］Park Jungkyu，Cho Sunghak.Flexible gratings fabricated in polymeric plate using femtosecond laser irradiation［J］.Optics and Lasers in Engineering，2011，49(5):589－593.

［5］Chang Tienli，Luo Shaowei，Yang Hanping，et al.Fabrication of diffraction grating in polydimethylsiloxane using femtosecondpulsed laser micro－machining［J］.Microelectronic Engineering，2010，87(5－8):1344－1347.

［6］Li Yigui，Chen Di，Yang Chunsheng.Sub－microns period grating couplers fabricated by silicon mold［J］.Optics＆Laser Technology，2001，33(8):623－626.

［7］Yan Dong，Cheng Jing，Apsel Alyssa.Fabrication of SoI－based nano－gratings for Moirémeasurement using focused ion beam［J］.Sensors and Actuators A，2004，115:60－66.

［8］Shih Weichuan，Wong Cheewei，Jeon Yongbae，et al.MEMS tunable gratings with analog actuation［J］.Information Sciences，2003，149(1－3);31－40.