近红外波段堆垛结构三维光子晶体的制备和研究

在光电集成器件中引入光子晶体将是纳电子器件中电子瓶颈效应的重要解决途径之一，但迄今为止仍缺乏一种高效低成本的近红外波段三维光子晶体的构建方法。本项目基于全息光刻－离子束刻蚀技术提出了一种堆垛结构三维光子晶体的新构建方法（其中，全息光刻技术将用于掩模制作，离子束刻蚀技术则用于掩模的图形转移，通过分层制作，构建三维结构），并从实验和理论上对用于近红外波段的堆垛结构光子晶体的构建过程进行分析与研究。一方面，通过对全息干涉光场的模拟研究，获得干涉光场形成的周期结构以及大面积周期性缺陷结构的形成条件，为从实验上确定周期性（缺陷）结构提供依据；另一方面，将从实验上阐明多层干涉曝光过程中的光学莫尔条纹对准问题对光子晶体的影响规律，以及图形转移过程中的沟槽演变特征，找到彼此之间的内在关联，为精确构建三维堆垛结构光子晶体给出依据。该项目的实施将有助于发展我国拥有自主知识产权的三维光子晶体的构建技术。

具有完全带隙的三维光子晶体可以在空间所有方向上对光子的传播进行调制，是光子晶体发展的重中之重，也是未来三维集成光子光路的基础。但是制作可见光和近红外波段的三维光子晶体仍面临很大困难，这限制了光子晶体的发展和广泛应用。本项目基于全息光刻－离子束刻蚀技术提出了一种近红外波段三维光子晶体的新构建方法，该方法充分利用了全息光刻的深亚微米分辨率，以及可以进行大面积均匀曝光制作的优点。其中，全息光刻技术将用于掩模制作，离子束刻蚀技术则用于掩模的图形转移，通过分层制作，构建三维结构。分析了驻波效应对光栅槽形的影响并提出抑制驻波效应的方法，建立了光刻胶曝光显影工艺与光刻胶光栅槽形的联系，提高了工艺稳定性，有效地实现了对光刻胶光栅槽形的控制。建立和完善离子束刻蚀槽形演化数值模型，通过模拟刻蚀过程中光栅槽形演化，结合大量实验验证，发现采用离子束刻蚀和反应离子束刻蚀相结合的方法，有效实现对光栅占宽比的控制；结合刻蚀时间的控制实现光栅槽深的控制，实现对光栅槽形精密控制。并成功研制了光纤光栅相位掩模、高深宽比偏振光栅和闪耀光栅。为了解决逐层制作三维光子晶体中平坦化难题，提出了优化的二步刻蚀抛光法，第一步抛光过程中只倾斜工件台，利用光栅结构自身的遮挡，既实现了抛光效果，又有效的保护了沟槽中的膜层；第二步抛光过程中，既倾斜工件台，又转动工件台，进而实现全局平坦化。为了实现多层结构之间的精确对准，建立和完善了光学莫尔条纹对准系统，进行了莫尔条纹对准技术研究。在此基础之上逐层制作光子晶体。