一种新型可调光栅的制作方法*

崔 敏，张斌珍，张 勇

(1.中北大学 电子测试技术重点实验室，山西 太原030051;2.中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原030051)

0 引言

光栅作为一种非常重要的光学元件，被广泛应用于集成光路、光通信、光学互连、光信息处理、光学测量等领域中。与普通光栅相比，可调光栅可以通过改变周期来选择不同波长的光或将某一波长的光偏转不同的角度，可广泛应用于微型光谱仪、扫描仪、光通信等领域中［1～3］。

Park Jung kyu和Chang Tien li等人利用飞秒激光刻写技术在聚甲基硅氧烷(PDMS)上烧蚀出微米级光栅的图形［4，5］。飞秒激光直写法、双光束干涉法可用来制作周期为几百纳米的光栅，但是制作出来的纳米光栅平直性不好，光路复杂，工艺过程不好控制。Li Yigui和Yan Dong等人运用电子束光刻和聚焦离子束刻蚀的方法制造出纳米光栅，基底分别为Si和SoI材料［6，7］。电子束光刻、X射线光刻都可以制作纳米级光栅，但所使用的设备昂贵、复杂、难以控制，而且其工艺方法难以制作出周期可调的光栅结构。由美国麻省理工学院研制的可调谐光栅式光开关，通过静电梳齿驱动光栅改变其光栅常数可达到改变衍射光束方向的目的［1，2］。Shih Weichuan等人利用薄膜压电驱动光栅，从而使得光栅常数改变［8］。运用静电力式和压电式来驱动可调光栅，所需要的模拟电压非常大，对设备的要求很高。可调光栅的制作需要用到刻蚀工艺、电子束光刻工艺等复杂的工艺，制作周期较长，成本高。

本文提出了一种成本低、周期短、工序简单、易于控制的制备可调光栅的方法，克服了传统制作方法所用设备昂贵、工艺条件苛刻复杂、难以控制、制作成本高、周期长的问题，应用前景广泛。

1 可调光栅的制作原理

本文介绍的可调光栅的制作方法，首先在基底上匀胶，通过紫外光刻的方法，制作出周期为8μm的光栅结构，然后配制PDMS，将光栅复制在PDMS薄膜上，并将PDMS固化，形成内嵌式PDMS光栅。利用PDMS薄膜优异的弹性，将此薄膜沿着光栅栅线的方向拉伸，随着栅线的伸长，光栅的沟槽和凸脊逐渐变窄，光栅常数也随之变小。因此，可通过控制PDMS薄膜的拉伸长度来调节该光栅的周期，即光栅常数。

2 工艺流程

2.1 光栅模板的制备

用紫外线光刻技术制作光栅模版，如图1(a)所示。1)备片:按顺序分别用丙酮、酒精、去离子水清洗载玻片;2)甩胶:在载玻片上旋涂一层正性光刻胶EPG533，转速为3 500 rpm，匀胶时间30 s;3)曝光:使用深紫外线光刻机，用接触式曝光的方法进行曝光操作，曝光剂量约为75mJ/cm2;4)显影:将曝光后的载玻片放在显影液中显影，显影时间15 s，显影液是质量分数为0.5%的NaOH;5)后烘:将制作好的光栅放置于100℃的烘盘上烘20 min，取下备用。如图1(b)是制作出来的微米量级的光栅;图1(c)所示为制作PDMS薄膜的示意图;图1(d)为制作出来的PDMS薄膜。本实验所制作的光栅周期为8μm，占空比为1∶1(线宽:槽宽)，如图2所示。

图1 可调光栅工艺流程图Fig 1 Processing flow chart of tunable grating

图2 周期为8μm占空比为1∶1的光栅结构图Fig 2 Grating structure diagram with period of 8μm and duty ratio of 1∶1

2.2 PDMS薄膜的制备

1)为了得到更加柔韧的PDMS薄膜，将预聚物和固化剂按照20∶1的体积比混合(产品说明书上所建议的常规配比原为10∶1)，然后将混合好的PDMS液体放在真空干燥箱中，保持抽真空状态直至液体中无气泡为止，该过程需要约5～15 min;2)将PDMS液体缓慢地倾倒在光栅模版的表面，待无气泡后，在100℃的烘盘上加热固化1 h，取下并冷却后，将PDMS薄膜从光栅模版上剥离下来备用。此时的PDMS薄膜上内嵌有光栅图形，薄膜厚度约为1 mm。如图3为激光共聚焦显微镜拍摄的PDMS薄膜上的光栅图形。

图3 PDMS薄膜上的光栅图形Fig 3 Grating figure on PDMS film

2.3 可调光栅的调谐过程

如图4所示，将PDMS薄膜切成规则的长方形小块，以光栅的栅线方向为长边，然后将其夹持在手动平移台上。本实验所用到的拉伸装置是由实验人员自主设计并制作的，其中用到的手动平移台由北京联英精机科技有限公司生产。转动手动平移台的手轮，平移台沿着光栅栅线的方向移动，此时就是可调光栅的周期连续可调谐的过程。随着PDMS薄膜长度方向的伸长，宽度方向发生一定的收缩，光栅常数也随之变小。

图4 可调光栅的调谐过程Fig 4 Adjusting process of tunable grating

在保证PDMS薄膜不被拉断的情况下，光栅周期最小可变为原来的60%，且是可逆形变。如图5为拉伸PDMS薄膜一定的长度后，将光栅常数变小的光栅转移到NOA73上的光栅图形。NOA73是一种光学性能很好的紫外光敏材料，固化前呈液态，经过紫外线照射后，很快固化，可以完整地将光栅图案复制出来。

图5 NOA73材质的光栅，周期为5μmFig 5 Grating with NOA73 material with period of 5μm

3 测试与分析

3.1 光栅常数与PDMS薄膜伸长量的关系

PDMS是一种弹性材料，弹性模量为360～870 kPa，泊松比为0.5。PDMS薄膜的原始尺寸为2.4 cm×1.6 cm，厚为1 mm。

如图6为拉伸PDMS薄膜时，光栅常数与PDMS薄膜伸长量的关系。平移台的位移与薄膜原长的差就是PDMS薄膜的伸长量。光栅常数与PDMS薄膜伸长量的关系近似为线性:0～10 mm之间，光栅常数基本不发生变化;10 mm以后，光栅常数开始发生显著的变化，且与PDMS薄膜的伸长量呈线性的关系;20 mm以后，光栅常数保持最小量不再变化;当拉伸到23 mm以后，PDMS薄膜有断裂的迹象。

图6 光栅常数与PDMS薄膜伸长量的关系图Fig 6 Relation graph of grating constant and PDMS film elongation volume

3.2 光栅衍射图样的观察

光栅的初始周期为8μm，栅线宽度为4μm，经过拉伸周期变为5μm，有明显的衍射现象，图7所示为它的衍射图样。

4 结论

本文提供了一种制作可调光栅的方法。首先利用紫外光刻的方法制造出光栅，再利用PDMS优异的弹性，运用拉伸的方法实现光栅常数的可调谐，采用此种方法制作的可调光栅成本低、操作简单、制作周期短，可广泛应用于微型光谱仪、扫描仪、光通讯等领域中。

图7 光栅常数为5μm的光栅衍射图样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］顾艳妮，宣艳.基于PDMS金属可调谐光栅的制备工艺研究［J］.材料导报B，2011(11):27－29.

［3］李太平，李晓莹.一种MEMS周期可调光栅衍射特性的实验研究［J］.光子学报，2010，39(4)，618－621.

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［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.

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