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光波导的制造

2021-12-20 10:35| 发布者：Davis| 查看：957| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文介绍了光波导的制造方法，包括锯齿光波导和阵列光波导的制备流程及材料选择，以及表面浮雕光栅波导的制造挑战和小批量制备工艺流程。同时提到微纳加工技术及半导体制备工艺在光波导制造中的应用。

1. 几何光波导的制造

几何光波导主要分为锯齿光波导和阵列光波导。

1.1锯齿光波导的制造

锯齿光波导的制备材料有很多，例如 N-BK7玻璃、N-F2 玻璃、聚苯乙烯（PS）和聚碳酸酯（PC）等。Zhang 等人基于金刚石车削技术，同时综合考虑折射率、成本以及耐用度等问题后，选择用 Zeonex E48R 环状聚合物作为波导片材料进行设计并加工了一种锯齿光波导，如图 1所示：

图1：锯齿光波导示意图

该锯齿光波导结构被分为上下两个部分，上面结构为补偿部分，下面结构为提取部分。其中S₃₀为反射面，S₆₀为连接面，β₃₀是反射面 S₃₀与水平面之间的角度，β₆₀是连接面 S₆₀与水平面之间的角度。

为了保证光束可以无偏差地通过提取部分，提取部分和补偿部分材料的折射率应该是相同的，并且用于将上下两面粘合的紫外光刻胶黏剂的折射率也应该与上下两部分的材料相匹配。

该方案中锯齿光波导的提取部分和补偿部分的加工流程基本一致，主要分为4 步，分别是预切割、切割、镀膜和二次切割，其提取部分的加工流程如图2所示。

图2：锯齿光波导的加工流程

首先要准备一个基底，然后利用金刚石车削出直槽刻面，使它具有足够的平滑度和较小的阴影区域。

第二步是对反射表面S₃₀进行切割，并控制其倾斜角度为其设计角度，对连接表面 S₆₀进行进一步的预切割处理，即在控制倾斜角度时使它偏离设计倾角−3°∼−2°。控制偏离角度是为了使连接表面 S₆₀具有足够的孔径开口率，否则很可能在反射表面 S₃₀上产生阴影，并在镀膜期间遮挡涂层材料。

为了使光线可以从波导片内耦出，需要在S₃₀表面镀膜，因此第三步是对整个表面镀膜。为了保证反射表面S₃₀上薄膜的均匀性，在利用电子束沉积或其他薄膜制备方式时，沉积方向应为S₃₀ 表面的法线方向。

最后一步为对连接表面S₆₀ 进行二次切割，在去除光学涂料的同时，使它获得设计的倾斜角度和精加工表面。

补偿部分的加工流程等同于上述提取部分的加工流程。

加工完提取部分和补偿部分后需要用紫外光固化胶将上下两部分粘合。

为了获得较好的粘合效果，在设计和制备时上下两部分要很好地匹配，并且在粘合时可以使用光学测角仪来精确调控角度。

图3：所示为锯齿光波导的实物图

图3所示为锯齿光波导的实物图，其光波导的厚度为4. 5 mm。

1.2阵列光波导的制造

图4：阵列光波导的加工流程

如图4所示，阵列光波导的加工流程主要是研磨、抛光、镀膜和胶合。首先通过切割玻璃基材获得各种规格的波导小棱镜，然后对小棱镜进行粗磨、精磨与抛光，之后在小棱镜上分别镀不同膜系的薄膜获得不同的反射/透射比，最后对小棱镜进行胶合将它固定为表面光滑的波导片，并通过测角仪、干涉仪等仪器对波导片进行检测。

2. 表面浮雕光栅波导的制造

表面浮雕光栅可分为一维光栅和二维光栅，进一步可分为矩形光栅、闪耀光栅、倾斜光栅和梯形光栅等。由于AR 光波导主要用于可见光波段，同时光波导结构的特征尺寸一般在数百纳米，甚至几十纳米，其成像质量对加工误差很敏感，所以对微纳加工技术提出了很大的挑战。

MilIer 等人首先尝试用聚焦离子束刻蚀（FocusedIon Beam Etching，FIBE）法加工倾斜光栅，随后他们又尝试用离子束刻蚀（Ion Beam Etching，IBE）和反应离子束刻蚀（Reactive Ion Beam Etching，RIBE）的方法加工倾斜光栅。

目前，衍射光波导的制备基本都是采用半导体制备工艺（如光刻、刻蚀工艺）完成的，但是这些工艺方法流程复杂、生产成本高，不适合用于大批量生产。

2.1小批量表面浮雕光栅波导的制造

图5：表面浮雕光栅模板或小批量制备工艺流程

图5所示为表面浮雕光栅模板的制备和小批量制备工艺流程图与扫描电镜图。矩形光栅的制备工艺较为成熟，如图5所示，首先在基底上旋涂抗蚀剂层，通过干涉曝光或电子束曝光等方法实现光栅的图案化，之后利用反应离子刻蚀（Reaction Ion Etching，RIE）或电感耦合等离子体（Inductively Coupled Plasma，ICP）刻蚀将图案转移到基底，并将抗蚀剂层去除，完成矩形光栅的制备。但是，斜光栅光波导在进行刻蚀时需要将样品倾斜，倾斜后样品不同位置与源的距离不同，反应离子刻蚀、电感耦合等离子体刻蚀的化学刻蚀尺寸均匀性得不到保证，需要采用准直性和均匀性更好的离子束进行刻蚀。因此，制备流程变得更为复杂，需要采用聚焦离子束刻蚀（Focused Ion Beam Etching，FIBE）、离子束刻蚀（Ion Beam Etching，IBE）、反应离子束刻蚀（Reactive Ion Beam Etching，RIBE）等技术进行制备。

综合考虑制备效率和均匀性等因素，反应离子束刻蚀是其中较合适的方案，其制备流程如图5所示。首先在基底上通过物理或化学方法镀一层硬掩模（如 Cr 层），镀膜的方式可以选择磁控溅射，电子束蒸发或热蒸发等工艺方法。第二步在硬掩模上旋涂一层抗蚀剂层。随后同样利用干涉曝光或电子束曝光技术对图案进行曝光，之后采用干法刻蚀工艺将抗蚀剂图案转移到 Cr 层。但在刻蚀工艺后会有剩余的抗蚀剂留在结构表面，因此需要用氧等离子体法剥离剩余的抗蚀剂。接下来利用已加工好的带有硬质掩模的结构，使用基于氟基的反应离子束刻蚀工艺，用电离的氩离子束以倾斜的角度入射基底进行斜光栅的制备。在反应离子束刻蚀之后通过标准的湿法刻蚀工艺去除Cr 掩模，最终获得出色均匀性优良的倾斜光栅。

2.2大批量表面浮雕光栅波导的制造

上述基于半导体工艺的制备方法成本较高，不适合光栅波导的量产，因此开发出衍射光波导的复制工艺以实现大批量生产。而这种大规模的制造工艺依赖于高折射率的光学树脂，目前Magic Leap 和 WaveOptics 已经进行相关工艺的验证。

复制工艺包括热压法、紫外线纳米压印光刻法和微接触压印法（亦称为软光刻）。其中，紫外线纳米压印光刻是表面浮雕光栅波导批量生产的常用方法。

图6：表面浮雕光栅大批量复制量产工艺流程

具体工艺流程如图6所示，该工艺可分为两个阶段，即纳米压印工作模具制备阶段和批量生产阶段。

首先，通过上述模板制备工艺将图案加工到硅晶圆上，为了降低成本以及保证硅晶圆上模板的使用寿命，这里选择将硅晶圆上的结构转印到聚对苯二甲酸乙二醇酯（Polyethylene

Terephthalate，PET）基底上，作为后续压印的母模板。第一步在硅晶片上旋涂转印胶，随后利用机械力将制备好的硅晶圆模板压印到转印胶上，并利用紫外线对压印的结构进行曝光以固定压印胶，从而实现批量生产的第一步，即母模板的制备。下一步将结构转移到相应的玻璃基底上，首先在基底上旋涂一层光刻胶，然后重复上述母模板的制备方法，将结构转印到树脂上，从而得到最终的结构。在批量生产过程中，使用多图案的模具来生产表面浮雕光栅波导，然后使用功能性涂层覆盖波导，并用激光切割技术进行分离，最后将不同结构的波导堆叠完成光学模组的制备。

由于纳米压印技术最终获得的图案分辨率只与模板的分辨率有关，因此避免了光刻过程中曝光波长、物镜数值孔径、光刻胶的光反射与散射以及显影剂等的影响，在理论上可以突破光学光刻的最短曝光波长的物理极限。另一方面，由于其特殊的压印过程，纳米压印不需要其他光刻技术所需的昂贵的光学系统和镜头，这就为大面积微纳图形结构的大批量制备提供了可能性。

2.3体全息光栅波导的制造

体全息光栅波导的主要制备工艺是干涉曝光。通过使用激光激发的干涉图案附着在基底上的光敏折射材料，材料特性随着光强度分布的不同而变化，最后获得折射率周期性变化的结构。也可以利用飞秒激光脉冲对非光敏玻璃进行加工从而得到体全息光栅，但这种方法并不常用。体全息光栅波导的制备材料主要有卤化银、重铬酸盐明胶、光敏聚合物、全息高分子分散型液晶以及其他更奇特的材料。体全息图的记录过程大都相似，但是一般的曝光仅适用于小批量验证，而对于大批量生产则需要开发更经济的方案。以Sony 和DigiLens 为代表的公司开发了相关体全息光栅波导的加工工艺路线。

图7：体全息光学设计单元

图 7为体全息光栅波导的结构图，耦入和耦出区域的光学全息元件具有相同的周期结构。为了降低对准难度并且减弱颜色之间的串扰，将红光和蓝光传播的波导片设计成一层，将绿光传播的波导片设计成一层。

图8：制备体全息光栅波导的卷对卷工艺流程

图8展示了Sony 公司制备的体全息光栅波导的卷对卷工艺。首先，使用双束干涉曝光法在附着于卷胶上的光敏聚合物膜内形成体全息图案，图9所示为卷对卷的曝光流程示意图；

图9：卷对卷单元曝光过程

第二步，通过注射成型法形成高质量的环烯烃聚合物塑料波导。为了获得合格的图像，对波导的翘曲和厚度变化有严格的规定，对图形畸变最小时的光线进行追迹计算，得知波导的翘曲必须小于 5 μm，并且有效区域的厚度变化应小于 1 μm。之后进行全息光学元件的转移工艺，即将全息波导膜准确地与塑料波导对准粘贴；随后将塑料全息波导进行切割；最后在配色过程中，将红、蓝塑料波导片与绿色塑料波导片对准并用UV 树脂封装固定。塑料基底在加工前后都应保持平坦，这是冲压和配色过程中面临的挑战。图 8右侧的图片展示了带有绿色、红色、蓝色以及全色塑料体全息光栅波导的图片。

虽然卷对卷体全息光栅波导制备流程的生产成本已经大大降低，但为了进一步提高生产效率，DigiLens 公司开发了一种新的体全息光栅波导印刷工艺。其工艺主要分成两个部分，分别是母模板的制作和波导的印刷。超高折射率全息光聚合物是这项工艺的一个核心，其主要成分为光聚合物和液晶。通过设计不同的体全息光栅波导可以获得不同的模板，然后将图案进行印刷，从而得到不同结构的体全息光栅波导。

这种印刷技术的最大优点在于灵活性高，可以实现类似于数字化的模板信息编辑，这种方法适合于制作接触式复印和大幅面的模板。为了将全息图记录到反应性单体液晶混合材料上，首先通过调整计算机生成的衍射元件来设计图案，然后在高光强区域引发光聚合，形成聚合链，单体会扩散到这些明亮的区域并与聚合物链相互连接。液晶通过与单体的混合而扩散到强度较低的区域，使液晶饱和并沉淀出尺寸随着扩散过程的进行而增长的液滴。

最后，当各个部分转移到预定位置时，用均匀的激光照射聚合物分散的液晶，使其完全包围液晶微滴，最终形成固体全息层。这种工艺可以应用于具有高透明度和极低雾度的波导中，并根据所需的衍射效率和带宽进行组合设计，以实现相应光学功能的集成。

参考文献：

《增强现实近眼显示设备中光波导元件的研究进展》