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微纳光纤直写技术研究

田丰  
【摘要】:本论文在国内外首次提出了利用微纳光纤进行微触式直写曝光的新技术。实验结果表明,微纳光纤直写的分辨率可达350nm,如果是在不充分曝光的情况下,线宽则可达100nm,小于曝光波长(442nm)的四分之一。 直接写入技术是无掩模的表面微纳结构制造方法。目前,开发分辨率更高、工艺更简单、性价比更高的直写新技术是亟待解决的问题。微纳光纤具有极强的光场约束、低的传输损耗、高比例的倏逝场分量、场增强作用等特点,近年来在科研领域引起了广泛关注,而它的这些特点对直写曝光都是非常有利的。首先,极强的光场约束有利于提高曝光分辨率;其次,低传输损耗和场增强作用保证了曝光的光能量;第三,高比例的倏逝场分量可以很容易地被耦合到光刻胶层中。基于这些特点,本论文提出了一种利用微纳光纤进行直写曝光的新技术,微纳光纤通过微接触将光能量导入到光刻胶层中,这就类似于一个装满墨水的钢笔在纸上写字。本文提到的直写用微纳光纤与传统的微纳光纤是有区别的,传统微纳光纤一般被用来制作诸如光纤光栅、Mach-Zehnder干涉仪、滤波器、环形谐振腔、结形激光器等微纳光子器件,它们都是利用了微纳光纤的波导特性,而直写用微纳光纤是一种截断式的微纳光纤,它利用了微纳光纤输出端的点光源特性。另外,直写用微纳光纤与传统的用来做传感、滤波、光镊等的光纤探针也是不同的,直写用微纳光纤的锥角非常小,它的直径是逐渐过渡到亚微米量级的。 本论文详细展示了这一利用微纳光纤点光源特性和微接触模式的直接写入新技术。首先,我们展示了微纳光纤的传播特性和端面光场特性,并利用时域有限差分(FDTD)方法分析了微纳光纤直写模型的光场分布。其次,我们详细说明了微纳光纤直写的实验系统、工艺方法和操作步骤。接着,我们计算了微纳光纤直写的曝光模型,展示和分析了实际的直写实验结果。实验结果表明微纳光纤直写技术具有独特的优势:分辨率高、写入范围大、工艺简单以及线宽可控,另外,通过改变线条的写入方向还可以制作出结构复杂的图形。最后,我们还提出将表面等离子体技术引入到微纳光纤直写中的新方法,模拟分析表明通过激发表面等离子体,微纳光纤直写的分辨率还可以进一步地得到提高。


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