用于光互联中的低损耗环氧树脂多模光波导的制备及相关基础研究

短距离光互联是未来互联方向。高带宽、低损耗的聚合物多模光波导是光互联中的重要组成部分。目前，多数采用反应离子刻蚀法或激光直写法制作聚合物光波导，但制作成本高，且传输损耗大。本项目采用光刻方法研制环氧树脂(Epoxy resin)多模光波导。通过研究环氧树脂的紫外光固化特性,特别是对环氧树脂的化学特性以及新型有机溶剂溶解环氧树脂的的机理的研究，获取一种快速有效形成波导芯层形状的有机溶剂显影液。研究非接触暴光波导芯层宽度与距离的关系。通过研究紫外暴光和高温硬化工艺条件对波导热特性的影响来提高波导的热稳定性；尝试把所制作的环氧树脂波导和印刷电路板(PCB)压制在一起来研究波导的老化特性。最终在环氧玻璃纤维板(FR-4)上研制出可靠的、低成本、低损耗（小于0.08dB/cm ，@ 850nm）、热稳定性高的环氧树脂多模光波导，为环氧树脂多模光波导在光互连中的应用奠定坚实基础。

高带宽、低损耗的聚合物多模光波导是光互连中的重要组成部分。目前，多数采用反应离子刻蚀法或者激光直写法制作聚合物光波导，但制作成本高且传输损耗大。本项目采用了低成本的光刻方法在环氧玻璃纤维板（FR-4）衬底上成功研制了传输损耗为0.08dB/cm的环氧树脂多模光波导。.首先采用低折射率环氧树脂制备了下波导层，主要研究了紫外光固化环氧树脂所需的光强及光固化时间，同时也研究了转速及旋转时间与下波导层厚度的关系。获得了制备下波导层的最佳工艺。其次，由于采用光刻方法制备环氧树脂多模光波导的必要条件就是找到一种有效的有机溶剂作为显影液。通过大量的实验，发现丙酮和无水乙醇按一定的比例混合后，能快速有效溶解未经光固化的环氧树脂，并以其作为显影液成功制备了波导芯层。由于采用非接触式曝光的光刻方法制备环氧树脂波导芯层，故制备的波导芯层宽度与光刻掩模版的透光宽度存在差异，而这种差异主要由光刻版和下包层之间的距离决定。为获得50µm宽的光波导芯层，本项目设计了透光宽度为40µm、42.5µm和45µm的光刻版，同时创新性地在光刻版的正面放置数个直径为250µm的金属小球来控制非接触曝光时光刻版和下包层之间的距离。另一方面，为了研制50µm厚的光波芯层，主要研究了湿度、温度、转速和旋转时间对芯层厚度的影响。也研究了曝光固化时间和烘烤时间对波导芯层宽度的影响。最终获得了制作50µm×50µm的光波导芯层的最佳工艺路线。最后用低折射率树脂研究了上波导层的制备。对于弯曲光波导，主要研究了不同弯曲半径和不同的数值孔径（NA）对波导传输损耗的影响。采用“cut-back”法测试了所制备的光波导的传输损耗。对于850nm入射波长，获得的传输损耗为0.08dB/cm。.为了提高波导的热稳定性，重点研究了紫外曝光光强和后烘烤硬化条件对波导热特性的影响。同时也研究不同退火温度对传输损耗的影响，获得了阈值温度为210℃，即所制备的环氧树脂光波导可经受210℃的高温处理。最后把所制备的波导和印刷电路板（PCB）压制在一起构成光电印刷电路板（OPCB），并研究了波导传输损耗的变化，结果表明，压制后波导的传输损耗未变。.此外，本项目还开展了新型铜锌锡硫（Cu2ZnSnS4）薄膜太阳能电池的研究，所制备的铜锌锡硫薄膜太阳能电池的光电转换效率为3.8%，开路电压高达727mv。