一种柔性可调谐可见‑近红外波段分支光波导器件及其制备方法技术

一种柔性可调谐可见‑近红外波段分支光波导器件及其制备方法，属于电致变色技术和光波导器件领域。在柔性透明衬底的上表面平铺有正常光波导层、电致变色光波导层，正常光波导层、电致变色光波导层在一层，正常光波导层采用Y型二分支结构，即分支前的A条状、分支后的B条状和C条状，正常光波导层Y型分支前的A条状的一侧边和电致变色光波导层一侧边紧密相连；电致变色光波导层还引出有导电电极，导电电极与电致变色光波导层有部分重叠，导电电极用于给电致变色光波导层加载电压的作用，导电电极平铺固定在柔性透明衬底上；导电电极与正常光波导层无直接接触。利用电光调制效应，结合全光反射和透射性实现光调制。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性可调谐可见-近红外波段分支光波导器件及其制备方法
本专利技术属于电致变色技术和光波导器件领域，具体涉及一种柔性可调谐可见-近红外波段分支光波导器件及其制备方法。
技术介绍
电致变色是指材料的光学属性(吸收率、透过率或反射率等)在外加电场的作用下发生稳定、可逆变化的现象,外观上表现为颜色和透明度的可逆变化。电致变色现象的实质是一种电化学反应的过程,随着施加电压的变化,材料的物相发生变化导致材料光学性能(例如光透射率、折射率等)发生变化。电致变色一词最早是在1961年由Piatt提出。直到1969年和1973年Deb详细描述了三氧化钨(WO3)薄膜在一定电压作用下,其颜色可以在无色和蓝色之间相互转变的现象。他第一次使用非晶的WO3薄膜制备了电致变色器件,并且提出了“氧空位色心”的变色机理,标志着电致变色科学与技术研究的开端。从此以后,人们相继发现新的变色材料,包括NiO、Co3O4、TiO2、MoO3等过渡金属氧化物与聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)和聚噻吩(Polythiophene)等一些有机高分子材料。20世纪80年代末以后，新型有机高分子电致变色材料的制备和电致变色器件的组装成为一个日益活跃的研究领域。瑞典科学家C.G.Granqvist和美国科学家C.M.Lampert等提出的一种以电致变色薄膜为基础的新型节能窗，即智能窗(Smartwindow),成为电致变色技术研究的一个里程碑。目前为止，日本、欧洲和美国一些工业强国在电致变色技术应用研究方面处于领先地位。我国在电致变色材料和器件方面的研究起步比较晚,与国外的先进应用研究技术还有一定的差距。目前,浙江大学、吉林大学、清华大学、电子科技大学等高等院校和中国科学院长春应用化学研究所、宁波材料工程所等科研单位取得了一些相对突出的成绩。光波导是一种能够将光限制在其内部或表面附近，引导光波沿着确定的方向传播的导光通道，实用光波导有平面光波导、条形光波导和圆柱形光波导。平面光波导与条形光波导主要用于制作有源和无源的光波导元件，如激光器、调制器和光耦合器等，它们采用半导体薄膜工艺，适合制成平面结构的集成光路。光波导原理与器件广泛应用于信息获取、信息传输、信息处理和生产生活领域。在信息传输方面，可制成有源、无源器件，可构成光纤通信干线，可组成光交换接入网，可实现AON、DWDM、OADM、OTDM和FTTC/B/O/H。光分支波导器件是光通信网络中不可缺少的无源器件之一，光功率可调谐的柔性光分支波导器件是未来的发展趋势。可调谐的柔性光分支波导器件需要达到三个要求：可调谐、柔性和分支波导器件，需要在满足传统光分支波导器的光透明半导体材料和薄膜工艺基础之上，再设计添加两种功能。设计思路：1、利用非晶-纳米晶结构的透明半导体薄膜材料，可适合柔性可弯曲要求；2、利用电压可调谐电致变色材料透射率特性，改变折射光的光功率，将反射光和折射光分别从两个分支通道引出，达到电压定量控制分支光功率的要求。
技术实现思路
本专利技术目的是专利技术一种柔性可调谐可见-近红外波段分支光波导器件及其制备方法，所得分支光波导器件在柔性衬底弯曲条件下具有较好的光功率调谐性、稳定的光分支作用和较低的损耗率。一种柔性可调谐可见-近红外波段分支光波导器件，其特征在于，包括柔性透明衬底、导电电极、正常光波导层、电致变色光波导层，在柔性透明衬底的上表面平铺有正常光波导层、电致变色光波导层，正常光波导层、电致变色光波导层在一层，正常光波导层采用Y型二分支结构，即分支前的A条状、分支后的B条状和C条状，正常光波导层Y型分支前的A条状的一侧边和电致变色光波导层一侧边紧密相连；电致变色光波导层还引出有导电电极，导电电极与电致变色光波导层有部分重叠，导电电极用于给电致变色光波导层加载电压的作用，导电电极平铺固定在柔性透明衬底上；导电电极与正常光波导层无直接接触。柔性透明衬底为PET或PDMS。导电电极采用层状结构，为金属纳米颗粒层或石墨烯薄膜层。本专利技术的正常光波导层、电致变色光波导层选用常规的正常光波导层、电致变色光波导层均可。进一步优选，正常光波导层为非晶-纳米晶复合结构的透明半导体薄膜材，优选石墨烯掺杂(In2O3)x(ZnO)y(Ga2O3)z薄膜材料(In、Zn、Ga的摩尔比为0.6-0.9:0.2-0.05:0.2-0.05)，电致变色光波导层(区域)材料优选非晶-纳米晶复合结构薄膜材料，更优选(ITO)x(Nb2O5)y(Ga2O3)z薄膜材料，铟、锡、铌、镓的摩尔比为0.54-0.81:0.06-0.09:0.05-0.35:0.05-0.35。导电电极与电致变色光波导层有部分重叠部分，导电电极位于柔性透明衬底和电致变色光波导层之间。电致变色光波导层为长条结构，电致变色光波导层长条结构长边与正常光波导层Y型分支前的A条状的长侧边长度相同，并紧密连接，A条状的长侧边与Y型二分支结构的对称轴平行，如图1俯视图所示。本专利技术的柔性可调谐可见-近红外波段分支光波导器件的制备方法，其特征在于，采用常规的制备方法，单层制备，采用光刻技术在光刻胶中刻蚀出图案，溶胶凝胶旋涂法制备出单层材料薄膜，去除光刻胶保留所需材料图案。电致变色层非晶-纳米晶复合结构(ITO)x(Nb2O5)y(Ga2O3)z薄膜的制备包括以下步骤：步骤1，将氯化铟(InCl3)、四氯化锡(SnCl4)、五氯化铌(NbCl5)和三氯化镓(GaCl3)混合水溶液中加入氨水，调节pH值为8-10，使得阳离子完全转化为氢氧化物沉淀；步骤2，分别用去离子水、醇溶剂反复清洗混合氢氧化物沉淀，固液分离得到氢氧化物前驱体；步骤3，将氢氧化物前驱体与乙醇混合，加入乙醇胺，超声分散成悬浮液，将悬浮液置入高压釜中热处理，得到氧化铟锡镓铌纳米晶分散液，进行旋涂制备非晶-纳米晶复合结构的柔性电致变色光波导层薄膜。进一步地，电致变色层制备步骤1中所述的铟离子、锡离子、铌离子、镓离子的摩尔比为0.54-0.81:0.06-0.09:0.05-0.35:0.05-0.35。进一步地，电致变色层制备步骤3中所述的氢氧化物前驱体与乙醇胺的摩尔比例为1：2，高压釜的热处理温度为200℃-260℃，时间为10-40小时。正常光波导层(即透明光波导层)制备包括以下步骤：步骤1，将氧化石墨烯水溶液超声加热还原成石墨烯纳米片，加热温度和还原剂配比控制石墨烯纳米片尺寸，反复离心洗至中性水溶液，超声打散，并加热至得到石墨烯纳米颗粒备用；步骤2，将InCl3、Zn(OAC)2、GaCl3的试剂溶解在乙二醇溶液里加热搅拌至无色透明，得到铟镓锌氧溶胶混合；步骤3，将石墨烯纳米颗粒与铟镓锌氧溶胶混合，所得无色透明溶液在水浴中超声加热搅拌至溶胶状；步骤4，将步骤3所得透明溶胶通过旋涂仪进行旋涂，然后进行退火，反复进行多次旋涂和退火，制成柔性纳米级透明光波导薄膜。进一步地，光波导层制备步骤中InCl3、Zn(OAC)2、GaCl3的的摩尔比为0.6-0.9:0.2-0.05:0.2-0.05；InCl3、Zn(OAC)2、GaCl3的纯度为99.99％，石墨烯纳米颗粒与InCl3的物质的量之比为1:100-1:700。进一步地，光波导层制备步骤1中所述的超声还原加热温度60℃-95℃，时间为1-本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性可调谐可见‑近红外波段分支光波导器件，其特征在于，包括柔性透明衬底、导电电极、正常光波导层、电致变色光波导层，在柔性透明衬底的上表面平铺有正常光波导层、电致变色光波导层，正常光波导层、电致变色光波导层在一层，正常光波导层采用Y型二分支结构，即分支前的A条状、分支后的B条状和C条状，正常光波导层Y型分支前的A条状的一侧边和电致变色光波导层一侧边紧密相连；电致变色光波导层还引出有导电电极，导电电极与电致变色光波导层有部分重叠，导电电极用于给电致变色光波导层加载电压的作用，导电电极平铺固定在柔性透明衬底上；导电电极与正常光波导层无直接接触。

【技术特征摘要】
1.一种柔性可调谐可见-近红外波段分支光波导器件，其特征在于，包括柔性透明衬底、导电电极、正常光波导层、电致变色光波导层，在柔性透明衬底的上表面平铺有正常光波导层、电致变色光波导层，正常光波导层、电致变色光波导层在一层，正常光波导层采用Y型二分支结构，即分支前的A条状、分支后的B条状和C条状，正常光波导层Y型分支前的A条状的一侧边和电致变色光波导层一侧边紧密相连；电致变色光波导层还引出有导电电极，导电电极与电致变色光波导层有部分重叠，导电电极用于给电致变色光波导层加载电压的作用，导电电极平铺固定在柔性透明衬底上；导电电极与正常光波导层无直接接触。2.按照权利要求1所述的一种柔性可调谐可见-近红外波段分支光波导器件，其特征在于，柔性透明衬底为PET或PDMS。3.按照权利要求1所述的一种柔性可调谐可见-近红外波段分支光波导器件，其特征在于，导电电极采用层状结构，为金属纳米颗粒层或石墨烯薄膜层。4.按照权利要求1所述的一种柔性可调谐可见-近红外波段分支光波导器件，其特征在于，正常光波导层为非晶-纳米晶复合结构的透明半导体薄膜材，电致变色光波导层材料优选非晶-纳米晶复合结构薄膜材料。5.按照权利要求4所述的一种柔性可调谐可见-近红外波段分支光波导器件，其特征在于，正常光波导层为石墨烯掺杂(In2O3)x(ZnO)y(Ga2O3)z薄膜材料，In、Zn、Ga的摩尔比为0.6-0.9:0.2-0.05:0.2-0.05；电致变色光波导层为(ITO)x(Nb2O5)y(Ga2O3)z薄膜材料，铟、锡、铌、镓的摩尔比为0.54-0.81:0.06-0.09:0.05-0.35:0.05-0.35。6.按照权利要求1所述的一种柔性可调谐可见-近红外波段分支光波导器件，其特征在于，导电电极与电致变色光波导层有部分重叠部分，导电电极位于柔性透明衬底和电致变色光波导层之间。7.按照权利要求1所述的一种柔性可调谐可见-近红外波段分支光波导器件，其特征在于，电致变色光波导层为长条结构，电致变色光波导层长条结构长边与正常光波导层Y型分支前的A条状的长侧边长度相同，并紧密连接，A条状的长侧边与Y型二分支结构的对称轴平行。8.制备权利要求1-7任一项所述的柔性可调谐可见-近红外波段分支光波导器件的方法，其特征在于，包括以下步骤：单层制备，采用光刻技术在光刻胶中刻蚀出图案，溶胶凝胶旋涂法制备出单层材料薄膜，去除光刻胶保留所需材料图案；其中电致变色层非晶-纳米晶复合结构(ITO)x(Nb2O5)y(Ga...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏雪琼，邱菊，崔丽彬，赵逸朔，韩笑冬，刘永才，齐永平，田钊源，赵名扬，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京,11