柔性光子材料与器件的研究进展

叶羽婷

封面文章|叶羽婷,马辉,孙春雷,陈泽群,吴江宏,陈怡琦,罗邺,林宏焘,李兰. 柔性光子材料与器件的研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2020, 57(3): 030001.

柔性光子技术，突破了硬质器件本征机械束缚，以一种崭新的形式极大拓展了柔性电子和传统光子器件的功能性，在通信、生物技术、多功能表皮传感等新兴领域都有广泛的应用前景。

然而要在柔性衬底上制备光子器件，存在加工难、机械柔韧性有限、集成化程度低等诸多挑战。为了实现机械性能和光学性能的最优化，柔性光子技术的发展需要综合考虑光学材料的最优选择、结构的精简稳固设计、低成本低难度工艺开发以及相关技术在器件上大规模多功能集成的可拓展性。

针对上述问题，西湖大学李兰教授课题组对柔性光子材料与器件方面取得的研究进展以及相关技术应用前景进行了总结和展望。

柔性光子器件制备材料

 聚合物具有良好的机械柔韧性、电绝缘性、光透明性和稳定性，是柔性光电器件衬底材料的不二选择。此外，聚合物还可以作为核心光学材料，制备光波导、滤波器、激光器等光子器件单元。虽然聚合物在柔性光子领域应用广泛，但也受到一定的限制，如材料折射率小，导致器件结构尺寸偏大，难以实现高密度集成，在较小弯曲半径下表现出明显的光学损耗等。

正因如此，越来越多的团队致力于开发基于折射率更大，光学、电学性质更佳，且化学、热稳定性更好的半导体、玻璃、氧化物等无机光学材料的柔性器件。

考虑到弯曲引起的表面应力与材料厚度呈正相关，高性能硬质无机光学材料的机械柔韧性可以通过减小其厚度来增强。对于单晶半导体材料，通过剥离或者转移法得到的半导体纳米膜（NMs）通常可以维持单晶材料的高载流子迁移率和光学性能，是制备高性能柔性有源光电器件的首要选择。

威斯康星大学麦迪逊分校Zhengqiang Ma团队和德克萨斯大学阿灵顿分校Weidong Zhou团队用转移法制备了基于硅（Si）、锗（Ge）、III-V族等半导体薄膜的高性能柔性光电探测器、光电二极管、光学开关等器件。

无机非晶材料与单晶材料相比，在加工和集成过程中有明显优势，并且可以在不受晶格匹配约束的聚合物衬底上直接生长。多层垂直集成光子结构也可以很容易地通过多个顺序沉积和微纳加工步骤来实现。

目前用来制备光子器件的无机非晶材料包括非晶硅（a-Si）、氮化硅（Si3N4）、氧化物（如TiO2）、玻璃等。硫系玻璃材料在红外波段具有宽透明波段窗口、高可调折射率、化学稳定性、能低温沉积等特点，在器件制备方面具有很大的应用潜力。

麻省理工学院 Juejun Hu团队利用硫系玻璃材料在近室温条件下的有机聚合物基板上直接沉积和加工，实现了首个单模可弯曲、可折叠、可拉伸光子器件。

此外，低维纳米材料也因其独特的电学、光学、热学和力学特性而受到广泛关注，是开发新一代柔性微纳光电子器件的重要材料选择。

柔性光子器件结构设计

无论是柔性聚合物，硬性半导体薄膜或是脆性玻璃只能承受一定程度范围内的机械应力。因此，需要从器件结构设计考虑，确保器件在大变形（小半径弯曲、拉伸、对折、扭曲）下所受拉伸或者压缩最小化，最大程度维持光子材料性能和器件功能。多中性面结构、蜿蜒结构、分立结构、局部硬化处理等常用于提高光子器件的机械弯曲和拉伸性能。

多中性面结构设计实现器件可弯曲性

在多层膜简单弯曲的情况下，可以构建一个“中性面”来实现器件所受应力、应变最小化。这里的中性面是指没有受到应力的平面。

然而光子器件不能简单采取这个方案来实现器件的柔韧性。应变为零的中性面通常在多层薄膜中间部分，光子器件单元如果处于聚合物薄膜深处，光波导倏逝波穿透深度有限，难以与外部环境相互作用，这大大限制了光子器件单元间的耦合和其生物化学传感功能的发挥。另外，柔性聚合物衬底是热的不良导体，厚聚合物包层会阻碍有源光子器件散热进而影响器件光电性能。要实现更大程度上的小半径弯曲而比不影响器件光电性能发挥，就必须要把光学器件层放在中性面位置且同时尽量靠近衬底表面。

2014年麻省理工学院Juejun Hu团队和德克萨斯州大学奥斯汀分校Nanshu Lu团队合作，首次提出了多中性面理论，可用于指导制备实现亚毫米弯曲半径的超柔性光子器件。在多层膜中引入了一层具有低杨氏模量(~MPa)的弹性聚合物层，弯曲的时候，该弹性体层会发生大的剪切变形，可以降低位于其上下层有高杨氏模量（~GPa）的聚合物层中的应变，如图1（a）所示。采用这种机械设计制备了基于硫系玻璃、TiO2、InGaAs的各种光波导、谐振腔、探测器等器件，展示了近乎可以折叠的高品质光子器件（弯曲半径0.25 mm），如图1（b）所示。

蜿蜒、分立结构设计实现器件可拉伸性

实现器件可拉伸性一般采用两种方法。

第一种方法是通过机械拉伸、热膨胀或者溶剂溶胀等方式获得预拉伸状态的柔性衬底，然后再在上面转移或者加工器件单元，随后通过衬底自然预应变释放，使与衬底保持粘附的器件单元薄膜发生屈曲形成面外蜿蜒连续褶皱结构。

韩国高等科学与技术学院Bumki Min团队采用该方法制备了可拉伸可重构太赫兹（THz）超材料结构单元，通过由预应变释放获得的褶皱布局，蜂窝超材料可以可逆拉伸至52.5%而不破坏器件结构完整性和功能性，如图1（c）所示。

第二种方法是在非拉伸平面衬底上直接制备类似于弹簧的面内蜿蜒结构，如蛇形结构，岛桥结构等，柔性电子技术大多采用这种方法来实现电子电路的拉伸性能。

麻省理工学院Juejun Hu团队基于蛇形蜿蜒结构方案，从光子器件功能性表达和光学传输损耗抑制方面考虑，做了两点改进，如图1（d）所示：第一是对蛇形图案函数进行了优化，采用欧拉螺旋设计减小弧线在每一点的曲率突变，大大降低了光波导在损耗；第二是对器件关键部位进行了局部硬化处理，使对形变敏感的器件单元（如光栅、谐振腔）包覆在刚性“岛屿”上，所以光学器件在大拉伸情况下仍然能正常工作，首次成功制备了分别以SU-8聚合物和硫系玻璃Ge23Sb7S70为芯层的可拉伸单模光波导及谐振腔，独特的光学蜿蜒波导设计和局部硬化处理让器件可以承受3000次重复42%的拉伸，器件光学性能没有明显降低。

另外，器件如果是分立的亚波长光栅、超材料结构等周期性纳米阵列，拉伸变形时大部分会集中在弹性衬底中，由于应变隔离效应，传递到具有高杨氏模量的独立纳米结构单元中的应变已经大大降低。例如，可以通过机械拉伸改变光栅的周期、占空比，对衍射波长进行大带宽空间位置、相位、振幅调控，在光谱仪、空间光场调控等领域都有所应用。

此外，也可以通过机械拉伸改变超材料结构单元的形状、大小和方向来改变电磁波结构，实现柔性超材料器件的可重构性、高灵敏度和线性响应。

2011年波士顿大学Hatice Altug团队用纳米模板法的方法在PDMS衬底直接制作了蝴蝶结形状的纳米天线超材料，该器件具有很高的伸缩柔性，可以紧密贴合在非常规形状物体表面，例如光纤、生物组织，实现特殊场景下的传感增强应用，如图1（e）所示。

图1 柔性光子器件结构设计图。 （a）多中性面结构设计；（b）可折叠的光子器件（弯曲半径小至0.25 mm）; （c）具有褶皱结构的蜂窝形超材料的制备过程；（d）包含蜿蜒波导和局部硬化考虑的可拉伸集成光子设计示意图；（e）基于金有源层和PDMS衬底的柔性蝴蝶形纳米天线阵列超材料薄膜

制备方法

高性能柔性光子器件的实现需兼顾器件加工工艺的可靠性、简便性、低成本等。目前制备柔性光子器件的常用工艺技术有转印、单片集成和混合集成等。

转印

转移印刷，是指光子器件单元从刚性衬底转移到柔性衬底的过程，如图2所示，通过从SOI和其他源衬底释放高质量的薄膜材料并将其转移到新的衬底上。这种技术使得不同材料系统的集成在刚性和柔性衬底上变得可行，具有各自优化的材料结构、节能以及智能化等优点。转移印刷步骤也可以重复，以产生堆叠多层光子结构。除了Si外，III-V半导体、金属、有机半导体等许多材料都可以进行转移印刷加工。

转移印刷可以兼容现有的高温加工技术, 但是也需要非常精确的控制转印结构与供给衬底及接受衬底的粘附力关系。目前此技术已经实现了半自动化, 可满足实验室及小规模量产的需求。

图2 转印的通用过程

单片集成

与转印法相比，直接在柔性衬底上制备光子器件的单片集成方法提供了一种大为简化的替代方案，具有成品率高、可大面积图形化以及与卷对卷工艺兼容等优势。在柔性衬底上制造单片光子器件的典型工艺流程如图3所示：首先将柔性聚合物衬底旋涂到刚性处理衬底上，然后通过物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)或溶液法(旋涂和浸涂)沉积薄膜器件层。

制备过程中需要确保基片和薄膜表面的平整度和粗糙度，因为表面高度变化可能导致光刻期间的离焦和图像失真，或电子束光刻期间的拼接误差。将薄膜图形化为功能性光子结构是通过等离子体蚀刻、剥离、纳米压印或纳米模板光刻来完成的。单片制备法已用于在柔性衬底上制备光波导、谐振器、光栅和等离子体纳米结构等。

图3 柔性光子器件制备单片集成工艺流程

混合集成

多功能的柔性光子链路离不开包含金属、半导体、玻璃、聚合物等多种材料的混合集成。

而不同材料系统的混合集成可以通过晶圆键合过程来完成。晶圆键合分为两种：一种是直接的分子键合，直接分子结合依赖于两个表面之间的范德华相互作用。由于这是一个短程力，需要接触面的表面粗糙度达到亚纳米级。另外一种混合集成的方法就是使用粘合剂把不同材料体系的器件集成在一个柔性衬底上，这种方法主要优点是当粘合剂润湿晶片表面并填满表面沟槽时，对粘接所需的表面质量要求有所降低。

柔性光子的应用

柔性光子在高速传输、信道容量、化学检测、抗电磁干扰、精准刺激、可与任意形状衬底表面共形等方面存在优势，可应用于传感、光互连、光场调控等新兴领域。

光子器件在机械拉伸、压缩或者弯曲作用下，器件承载光信号发生一个或多个光参量（光强度、波长、频率、相位、偏振等）变化，经检测和数据分析可以直接推导出导致光参量变化的机械作用，因此柔性光子器件常用作弯曲、应变、应力等力学相关物理量的传感器。和其他一般普通力学传感器相比，基于光学器件设计的力学传感器具有灵敏度高、响应快、抗电磁干扰等优势，同时超薄机械柔性的特点是可与任意形状衬底表面共形，能广泛应用于智能皮肤、智能机器人、航空航天设备、可植入生物组织表面等。

德国基尔大学Torben Karrock团队制备了一种基于柔性、具有生物相容性衬底的布拉格光栅的变形来测量眼部压力的传感器，如图4（a）所示。

随着云计算、物联网、以及大数据业务的兴起和普及，全球网络流量呈指数增长，这对数据中心的通讯提出更高的要求。其最终解决方案是结合光自身极高带宽、超快传输速率、低能耗等特性，利用光互连来替换电互连来实现芯片间数据传输。

目前正在研究几种创新的光互连设计，如多芯光纤互连、光学印刷电路板、硅光子学和混合方法等，都存在衬底不柔性而使芯片封装有一定挑战性。基于柔性光波导互连的片间光互连方案可以不需要考虑高精度光学校准，波导的两端分别预先耦合到激光器和探测器，再通过电封装连接两个芯片或完成片上互连。

比利时根特大学的Peter Van Daele团队提出了一个完整的光学互连方案的设计和制造。图4（b-c）为该基于柔性聚合物波导光互连方案示意图和成品器件，一个垂直腔面发射激光器（VCSEL）和光电二极管都分别耦合到一个2 cm长的柔性波导的两端。

机械变形为调谐光子器件结构提供了一种独特的方法，因此可以通过大拉伸或者弯曲使器件处在两种截然不同的光学状态（相位、偏振、极化方式、传播模式）下，这种可调谐方式带宽大且具有可重构性，使得柔性光子在新型光场调控、全息成像、虚拟现实/增强现实(VR/AR)技术等前沿领域也有所应用。

超薄柔性光子可以集成在任意几何形状的基底上，对于增强光与基底物质相互作用和实现任意几何形状衬底上的光学调控至关重要，例如可以通过超表面结构、波导、光栅等特殊光学设计改变电磁特性，包括模式约束、极化、散射特性和串扰。

加州大学伯克利分校Xiang Zhang团队通过实验证明了一种超薄的隐身斗篷，如图4（d）所示，可以紧紧包裹在物体上，使被包裹物不可见。这里通过设计超表面结构单元来提供相位补偿，重新引导光线并恢复3D物体的反射光。有了完整的波前和相位恢复，可以使用这种超薄柔性隐身斗篷来隐藏任何形状的物体。另外，柔性光子器件的光场调控还可以用于生物光遗传学领域。

图4 柔性光子在各个领域的应用。（a）基于布拉格光栅变形来测量眼部压力的传感器；（b）包含聚合物波导、反射镜和光电子元件的全嵌入式光学链路的柔性光互连方案示意图和（c）基于此方案的器件照片图（d）超表面皮肤隐身衣的3D图，由一层超薄的纳米天线(金块)组成，可覆盖在任意形状的物体上.

总结

虽然柔性光子技术尚处于起步阶段，但它体现出的高灵敏度、高带宽、低延迟、低功耗、不受电磁干扰等特点，让其在多功能共形传感、光互连、空间光场调控、生物光遗传等新兴领域颇应用中展示出独特的优势。

然而目前阶段研究工作大多集中在单个柔性光子器件光学、机械结构上的设计和器件性能表征，很少涉及包含光信号产生、传感、调控、光信号探测、数据收集和分析等多功能为一体的柔性光子应用系统。未来仍需要在柔性功能性光电芯片上积累更多的理论和技术储备，争取在柔性光子材料、器件的光学机械设计，和多材料多组件器件制备、系统集成上进行创新与探索。

课题组合影：