CN1037039A - 光波导器件、制造该器件的零件以及制造该器件和零件的方法 - Google Patents

Abstract

用于连接光纤和集成光学系统的光波导器件，本 发明包括用来制造这种器件和中间元件的基本上是 干法的方法。

Description

本发明涉及光波导器件、制造这种器件的零件以及制造这种器件和零件的方法。这种器件用于集成光学系统中，用来联接光纤、光学元器件和组件。

在光通信系统中，信息是由激光器或发光二极管光源产生的光频载波进行传送的。现在人们把更大的注意力集中到这种光通信系统上，因为这种系统有几个方面优于普通通信系统。例如，大大地增加了通信信道的数目，能够使用除昂贵的铜电缆之外的其他材料来传送信息。把光波从一处传导到另一处的装置称之为光波导。光波导是基于如下原理来工作的，即当一种透光的介质用另外一种折射率更低的介质包围时，沿内介质的轴线导入的光，在外围介质的介面上被高度反射，这样就产生导波效应。最常用的光波导器件的材料是制成特定尺寸的玻璃纤维。

要进行开发光学电路，就必须有一些器件，这些器件能把光波从一个光纤波导到另一个光纤波导进行耦合、分配、转换和调制。

一些光导纤维由切割成一定长度的其他光导纤维来联接起来。这些器件只有两个终端，一头一个。已经有人建议把能装有光波导的光致硬化薄膜用于此，例如美国专利3，809732。然而，该专利披露的这种器件不能很容易地与光纤相连接，也不容易与光纤对准。而且由于它的薄膜不规则的表面，使之不容易保护其暴露的表面免受周围环境的影响。

形成光耦合器件的另外的方法还包括采用标准的光刻和扩散工艺。用这种现有技术的方法，其标准的光刻工艺是在选定的基片的一个限定的图形上沉积一层光刻胶，然后用刻蚀剂刻蚀基片上光刻胶所限定的图形。下一步是用真空沉积法把金属沉积到被刻蚀的区域，然后用适宜的溶剂去掉带有不希望要的金属沉积层的由光刻胶限定的图形。而后对这一结构进行加热，以把沉积在刻蚀区域的金属扩散到基片中去，从而在基片中形成一个导波层。这一技术可参见美国专利4609252。这种方法除了要包含有许多步骤之外，其可能沉积的金属的厚度也有一定限制。首先，因为真空沉积是一个相当慢的过程，沉积一层厚的金属层就需要相当长的时间;其次，当金属沉积得越来越多时，就要形成新的沉积中心，从而导致凹凸不平的沉积层。

为了形成分支，就要用一种具有与光纤的折射率完全匹配的粘结剂，把两根或多根光纤结合于一根公共的光纤接口。光纤的直径很细，操作时要特别小心，有时要扎成捆以加大强度，有时还要附加支撑物。由这些分离的光纤和光器件组成的相当于印制电路板的制作是一种劳动密集型的工作、成本高、速度慢而且乏味，同时还不宜适用自动化生产技术。制造这样一种耦合器的其他方法是把光纤相互熔接起来，以使来自一条光纤的光能通到被连接的另一条光纤。但是，用这种熔接的方法很难控制熔化的程度，也很难保证最终结构的精确几何形状和重复性。

特别有价值的器件是“Y”形耦合器，这是一种把光信号相互耦合或分开的“Y”形器件。用湿法处理方法已经制出了“Y”型器件。这种方法是把液体光活性层通过掩膜曝光于紫外线之下，然后用溶剂把活性层的非聚合部分除去。这种技术例如美国专利4609252。如前所述，这种器件的光波导不能防止外界环境的影响或不容易与光纤相耦合。再者，由于这是一种湿法处理，可能很脏，而且清除用完的溶剂也是个问题。

美国专利4666236披露了另一种“Y”型器件，它有一个输入分支和三个输出分支，这些器件也是用湿法处理的，把液体光聚合物曝光制成光波导，未曝光的液膜被干燥，从而成为这种器件。然后再把这个膜上涂复一层诸如丙烯酸树脂，防止落上灰尘和被污染。另外，这种方法也是湿法处理的，所以仍然是很脏的。

美国专利3，809686展示出的波导是在单层光聚合物膜中把一束光聚焦在膜内，并移动这个膜而制成的。该专利也展示出单个膜内的多路光波导。在一个实施例中，这种多路光波导呈现出波导之间的渐逝光耦合。该专利进一步指出开发全息衍射光栅，并用作光耦合器。但是把光聚焦在一个光膜内形成具有清晰界面的均匀波导是很困难的。

本发明的目的是提供形成光导体的一种改进的方法，该光导体用的联接光纤元器件和组件，这种光导体可以具有多个分支和终端。

本发明的目的是提供新的和改进的具有预定几何形状的光波导结构，并提供制造这种光波导结构的方法。这种结构和方法具备先有技术的器件和方法的绝大部分优点，而减弱了上述方法的主要缺点。

为了完成本发明上述总的目的，本发明包括一种基本上是干法的制造光波导器件的方法，这种器件至少具有一条埋入在叠层中并硬化的基体内的通道光波导。这种制造方法的步骤包括：

对具有第一和第二表面的基本上是干的光致硬化膜的第一区进行曝光，该膜带有可去除地粘结到第一表面的支承片，使该膜中的至少一种单体进行聚合，并改变该区域的折射率，从而至少形成第一光波导;

把第一基本上是干的光致硬化层的第一表面重叠到该膜的第二表面，并把可除去的一个支承片粘结到第一层的第二表面;

从膜的第一表面去除该支承片;

把第二基本上是干的光致硬化层的第一表面重叠到该膜的第一表面，并把可除去的一个支承片粘结到第二层的第二表面;

对各层和膜进行硬化处理，以形成一个硬化了的基体，基本上把各层和膜固定下来，并形成至少一个埋入波导。

本发明也可以针对于用来开发光波导器件的光波导元件，这些光波导器件都是本发明的方法的每一步骤所得到的元件组成的，直至形成一个光波导器件。

一种这样的光波导元件包括：

具有第一和第二表面的薄膜，该膜具有用作光波导传输光的第一光致硬化区和基本上干的可光致硬化剩留区;和

可去除地粘结在该第一表面的支承片。

另一种这样的光波导元件包括：

具有第一和第二基本上是平的表面的光致硬化的膜，该膜具有第一区和各剩留区，该第一区适于作为光波导来传输光波，和

可去除地粘结到第一表面的支承片。

本发明还包括用于集成光学系统的光波导器件。一种这样的器件包括：

具有第一和第二表面的光致硬化薄膜，该膜具有第一区和各剩留区，该第一区适合于作为光波导来传输光波;

具有第一和第二表面的第一光致硬化层，该第一层的第一表面重叠在该薄膜的第一表面上，盖住光波导的一个第一边;和

具有第一和第二表面的第二光致硬化层，该第二层的第一表面重叠在该薄膜的第二表面上，盖住光波导的第二边。

从下面的详细描述，并结合构成本申请的一部分的附图，可以更加完整地理解本发明。其中：

图1可去除地粘结到支承片上的光致硬化膜的透视图。

图2a是形成支承片上的薄膜内的波导所组成的光波导元件的第一实施例的示意图。

图2b是形成支承片上的薄膜内的波导组成的光波导元件的第二实施例的示意图。

图2c是形成光波导元件的第三实施例，这种光波导元件由支承片上的薄膜内的波导组成。

图3是描绘用光照射整个支承片上具有光波导的薄膜，而得到一个元件的一种光学步骤。

图4表示一个叠层元件，从上到下包括：支承片、光致硬化层、有波导的薄膜，和另一个支承片。

图5是说明用光照射图4的整个元件的一种光学步骤。

图6是图4或图5所示的去掉一个支承片的元件。

图7是光波导元件的透视图，从上到下包括一个支承片、光致可硬化层或光致硬化层有光波导的膜、光致可硬化层、和另一个支承片。

图8表示用光整个照射方法，对图7所示的元件进行硬化处理的步骤。

图9表示用加热的方法对图7或图8所示的元件进行硬化处理的步骤。

图10是用于集成光学系统的光波导器件的透视图，该器件从上到下包括：第一硬化层、有光波导的硬化的膜、和第二硬化的层。

图11表示用加热方法稳定图10的元件的步骤。

图12表示埋入光通道的光波导器件，该器件将入射到光纤和光波导的光耦合到一条光纤中。

图13a表示在图4的元件中引入相干光，以产生全息衍射光栅。

图13b是把光耦合到埋入层间的光波导的全息光栅的横截面图。

图14是一种叠层器件的断面图，该器件包括一个膜、多个层、端支承件、各光波导和光栅。

下面的整个详细描述中，所有附图上的相同零件都用相同的标号来表示。

参照图1，该图表示在本发明的方法中所用的一个元件，该元件包括可去除地粘结到一个支承片2上是基本上干的可光致硬化膜1。该膜具有第一表面3和第二表面4。同样，该支承片具有第一表面5和第二表面6。支承片2的第一表面5是可去除地粘结到膜1的第一表面3上。在一个优选的实施例中，膜1和支承片2的表面3、4、5和6基本上都是平的。

膜1的厚度范围可以是2μm～15μm或更厚，4.5μm至8.0μm为宜，最好是在5.3μm左右。

本发明的方法的第一步骤包括至少把膜1的第一区7进行曝光，至少把膜1的一种单体聚合，并改变该区7的折射率，从而至少形成第一光波导。波导一词按本技术领域的技术人员定义为包括传输辐射能的整个面积，从技术上讲这仅仅包括曝光区的某些面积。然而，为简化起见，基本上就认为曝光区是光波导。理论上讲，波导的形成被认为是由于薄膜材料的自聚焦特性而形成的。由于曝光的作用，在曝了光的区域内引起了聚合反应。人们认为在曝光区和非曝光区之间存在着互相扩散，至少在这两个区域的交界面附近是这样的。这种互相扩散改变了曝光区的密度，一般是使曝光区的密度增加。从而使该区的折射率增加。从而形成了一种像透镜一样的曝光区，该区以自聚焦的方式引导光波，形成一个窄的平滑壁围成的光波导，其尺寸近似等于掩膜的面积或光束宽度。图2a、2b和2c说明了实施这第一个步骤的三个实施例。

在图2a中，聚焦的激光光源8把区7曝光，形成光波导，传送机构9连接到激光光源8和/或支承片2，以便移动激光光源8、支承片2或同时移动两者，产生一个具有所要求的图形和/或预定的图形。这里，曝光区7具有一种长盒形的结构，该结构具有穿过区7的纵向中心的光轴10，垂直于光轴10的曝光区7的物理横切面基本是矩形的，区7的两边是剩留下来的膜1的非曝光区11。

图2b表示把区7′进行曝光的另一个实施例。这里，非聚焦的激光光源8′朝图1的整个元件进行光化学辐照，把不透光的掩膜12设置在激光光源8′和膜1之间，通常是与第二膜表面4相接触，并盖住表面4。掩膜12至少有一个形成图形区13，来自激光光源8′的光化学照射通过图形区13把区7′曝光，形成图形区可以有任意要求的图形，包括图2b所示的Y形结构。通过图形区13将区7′，这就形成了一个具有Y形构形的光波导。更一般地说，这个区可以具有一个终端，该终端适合作为光的入口或出口，这个光的入口或出口连接到适合作为光的入口或出口的多个终端（例如2、3、4）。如图2所示的实施例，在膜1上留下了非曝光区11′。

图2c表示实现本发明方法的曝光步骤的第3个实施例。其中来自光源8″的光化学照射通过不透光的掩膜12′把膜1的第一区7″和第二区7″′曝光，掩膜12具有第一区13′和第二区13″使光通过，分别把区7″和7″′曝光。第二区13″接近并部分地平杏诘谝磺?3′。这样，在曝光之后，曝了光的第二区7″′和相应的光波导就接近并部分地平行于曝了光的第一区7″和相应的光波导。结果，这样设置的两个光波导就呈现出注入一个光波导的光的渐逝耦合效应，逐渐把注入的光泄漏或耦合到另一个光波导中去。

按照这些优选实施例中的每一种方法，在曝光之后，膜1的第一和第二表面3和4基本上仍然是平的，这就有助于在膜的表面依次叠层。这样，图2a、2b和2c表示出了按照本发明的方法来制造的光波导元件，这些元件在制造光波导器件时是很有用的，而这些光波导器件在制造集成光波导系统中也是很有用的。

图3说明了曝光步骤之后的光学步骤。从曝光步骤得到的元件可以用光进行照射，例如用宽带紫外光。从而把膜上的至少一种单体的一部分予以聚合，而通常是把膜上的一种单体的大部分或全部或者全部单体予以聚合。这就可以容易地除去或贴上支承片2。这样来制造的光波导元件可以用来按照本发明的方法类似地制造光波导器件。

下面参照图4，把一个第一基本上干的光致硬化层14层叠到第二膜表面4上，第一层14分别具有第一表面15和第二表面16。第一层14的第一表面15直接与第二膜表面4相接触，层叠在其上，并通过一个辊子可控制地施加压力，排去膜1和层14之间的空气。第一层14是有粘性的，如果不进行图3所示的用光整个进行照射的步骤，则膜1也是有粘性的。这样，膜1和第一层14就很容易相互粘在一起。而后把支承片17可除去地粘在第一层14的第二表面16上。图4说明了按照本发明的另外一种光波导元件，它在制造光波导器件时是很有用的。

图5表示一种用光整个照射的步骤，除了被照射的元件改为图4上的元件外，和图3所说明的方法类似。从第一层叠步骤得到的元件可以用光整个进行照射，例如用宽带紫外光。这就把第一层14内的一种单体的一部分予以聚合（通常是，把一种单体的大部分或全部或全部单体予以聚合），并且进而聚合膜1内的至少一种单体的一部分（如果没有事先用光整个进行照射的话）。在层14内与膜1的单体相毗邻的单体之间发生扩展的交链作用或聚合作用，从而形成了一个扩散边界线或区，由此所得到的光波导元件在用本发明制造光波导器件时也是很有用的。

图6表示从膜1的第一表面3取下支承片2之后的元件。

然后，参照图7，把基本是干的光致硬化层18叠置到膜1的第一表面3上。第二层18分别具有第一表面19和第二表面20，把第二层18的第一表面19叠置在膜的第一表面3上，使它们直接接触，并用辊子可控制地施加压力排除膜1和第二层18之间的空气。第二层18的表面19和20都是有粘性的，所以很容易粘接到膜1上。把支承片21可去除地粘在第二层第二表面20上，这样就得到了另一个光波导元件，该元件在制造光波导器件时是有用的。

图8说明用宽带紫外光整个照射图7描绘的元件使其硬化的步骤。整个申请文件中“宽带紫外光”一词的意思是光谱范围大约为350～400nm。这一步骤进行约数分钟，最好为5分钟，也可以持续更长的时间。如果这是第一个用光整个照射的步骤，则就是对膜1剩下区域11和第一层14、第二层18内至少一种单体的第一次聚合（通常是对一种单体的大部分或全部或者全部单体进行聚合）。这将进一步聚合膜1的区7上的至少一种单体。如果这不是第一次照射的话，则聚合第二层上的至少一种单体，并继续聚合该元件的剩留部分的至少一种单体。在事先聚合好的膜1和第二层18的单体之间发生一些交链作用或聚合作用，就会形成一个边界线或区，这一边界线或区在如果膜1不事先进行光的整个照射情况下会更为明显。结果可以在光致硬化基础上以叠层的形式至少得到一个埋入的通道光波导器件，这种器件在集成光学系统中是有用的。

图9表示用加热法使图7描绘的元件进行光硬化处理的另一种可能的方法。实际上，各层和膜在其组合之前或之后都可以进行加热，来替代用光整个照射的步骤，以硬化元件或进一步硬化器件。这种加热步骤的温度范围取约为50℃～200℃，最好是100℃～150℃，时间约为数分钟，最好是5分钟。

通常光致硬化物在100℃以下的温度敏感性比在100℃以上低，然而，若保持在50℃这样低的温度下，保持足够长的时间，也可能开始硬化，当温度升高超过100℃时，热硬化的速度显著地增加了。

在硬化步骤之后，在膜1中局部的波导区内的折射率的增量达到最大值，其范围是0.001至0.40，这是用“ASUJENA    Interphako”显微镜在456nm波长下测量的。对于本发明来说，这个局部的折射率增量△n是用常规的错位干涉显微技术得到的，并且假设通过膜的折射率的变化是均匀的，也就是实际上△n是一个平均值，这样△n就可以利用下面的公式计算。

fλ＝△nd

f＝ (a)/(b)

(aλ)/(b) ＝△nd

其中：d＝假设的光波导厚度，通常就是膜厚

a＝波导法兰移位

b＝法兰间隔

λ＝0.546μ显微镜光波波长

这种局部的折射率的增加可以与在共同未决专利申请IM-10006中所描述的用全息方法制备的光栅的折射率调制技术相对照，但不要与之混淆。

硬化工序之后，该光波导在0.6～1.6μm的波长范围内是透光的，这对于工作在1.3μm的单模光来说，该光波导透光是最有效的。

也是在硬化工序之后，除了光波导内和光波导附近之外的基体的最大折射率为1.45～1.60的范围，其测量波长为632nm。这一折射率的值取决于化学成分和/或从相邻的层扩散而形成中间层的程度或者所用不同折射率的膜。折射率的确定是用Karl    Zeiss厂制造的ABBE折射计完成的。

如图10所示，可以从硬化工序中得到的器件上把支承片17和21去掉。

可以发现，在每次光照步骤之后和去掉支承片之前和/或接着进行叠层之前，为了有助于中间层的扩散和聚合，需要一段5到120分钟的放置时间，最好是20到30分钟。

图11是表示一种可供选择的，而且是优选的用加热的方法对图10表示的器件进行稳定化处理的步骤，通常是在硬化工序之后进行的。这一步骤也是在大约50℃～200℃温度范围内进行的，最好取100℃～150℃。然而这一稳定步骤比硬化工序要进行更长的时间。稳定工序的时间范围为30分钟到2小时或更长，最好为1小时左右。这种加热能使器件对环境更加稳定，保证周围环境中的水和其他元素不会影响器件的正常工作。另外，这种加热可以使光学和机械性能也更加稳定，使得到的器件能在宽的温度范围工作而不致改变其性能。

在图10或11的器件中，第一和第二层14和18分别具有相等的厚度，剩留区11的尺寸相等，并在区7的两侧对称。这样，这个器件就有一个埋入的通道光波导，该光波导形成的尺寸可以容易地与任何光纤相连接。图12表示图10或图11的器件与一条光纤22相连的情况。该光纤具有一个园柱形芯23和包围在芯23外面的园柱形包层24，标准单模光纤的包层直径约为125μm，芯的直径约为7μm。从上面和下面包含的叠层波导器件，通过使光纤芯23靠近已埋入的光波导部分并对准其光轴，就很简单地将光纤器件与光纤22相互耦合了。如果该器件的尺寸对于专用的光纤是预先选择好的，那么只要在一个平面上把光波导器件安置在光纤的毗邻处，就可以完成这种连接。通过使用具有某一厚度的薄膜的方法，就可以很容易地实现这种对准操作，这一薄膜的厚度基本上限定了大体上为矩形截面的光波导的一个尺寸。为了与标准单模光纤相连接，薄膜厚度应当为5～6μm，最好为5.3μm;而曝光宽度应为5μm左右;第一层和第二层的厚度均应为59.85μm，总的基体厚度可以做成任意尺寸，包括125μm、180μm和200μm。

图12还表示出把来自光源25的光注入并穿过光纤22和埋入的光波导的步骤。

图13a表示出一个可供选择的步骤，这一步骤是把至少两个相干的光束射入，例如从两个激光器26和27射出而在图4所示的元件内的一个区域内相交叉的光束，这两个光束射入就形成了一个合成光强度，这个强度是立体变化的，用这种方法就可以产生一个全息衍射光栅28。这个光栅包括折射率变化区，用以把光波输入到光波导或光波导部分;或是把光从光波导或光波导部分输出。一个光栅可以把光引入到膜内的光波导或从光波导中导出，或者把光引入或导出一个层，或者把光从膜（或多个层中的一层）的一个光波导或一个光波导部分引入到该膜（或该层）的另一个光波导或光波导部分。另外，众所周知在现有际踔校庹さ牟ǔな强梢匝≡竦模梢越鼋錾淙胍桓龌蚨喔鲈は热范ǖ牟ǔぁＭ?3b表示图10或图11所示的器件的横截面，在第一层14和区7中有全息衍射光栅28。光栅28可以在从下列的区域中所选择的一些区内，这些区域是：至少区7的一部分;至少接近区7的一个层的一部分;和这两者的结合。只要膜和/或层没有事先硬化，这些膜和/或层中都可以形成光栅。另外，开发本说明书中所述的器件的其他阶段上也都能进行光射入步骤。

本发明的一个优点是有或没有光波导或光栅，都可以很容易地加上一层或多层基本上是干的光致硬化层或光硬化层。这种通用性在图14说明的器件上可以证明，这种光波导器件在膜1和层14、30和35内分别有曝光区7、29、31和33。还表示出缓冲层18、32、34和36以及一个支承片21。曝光区7有一个全息衍射光栅，把光从曝光区7引导到曝光区29或反之。作为另一种方法是用光栅来改变光波的方向，层30就说明了另外一些可能的方法，例如美国专利4，472020中所披露的一种方法。层34和36之间的断裂部分是为了表示这些器件若需要的话可能具有许多层或几层。当然，不同层或膜中的光波导和同一层内的光波导可以制成呈现其间的渐逝耦合状态。

包括序号为14、18、30、32、34、35和36的所有的层都可以是用同一种材料做成的膜，这样，硬化了的器件的基体除波导内及其附近之外，其成分和折射率基本上是均匀的。然而，经过硬化步骤之后，光波导的折射率最好比硬化了的膜大0.005～0.060，而比硬化了的层大0.001～0.025。当然，不管是否将不同的材料用于不同的层和膜，在每个曝光区内的成分和折射率基本上都是均匀的。

本技术所用的光致硬化膜和层是采用热塑性化合物，这种化合物用光化学照射曝光后就形成高分子交联链或聚合物，这就改变了化合物的折射率和变流特性。例如在美国专利3658526中所披露的那样，优选的光致硬化材料是光可聚合化合物。在已共同转让的共同未决专利申请IM-0006、IM-0066和IM-0053中描述了更好的材料，所有这些文献都援引在这里作为参考文献。在这些材料中，包含有一个或多个乙烯不饱和基（通常是在终端位置上）的化合物的自由基附加聚合和交链把该化合物硬化并减弱其可溶性。光致聚合化合物的敏感度可以用光激发系统来增强，这种系统可以包含一种对实际光辐射源，例如可见光敏感的化合物的成分。通常，就膜或层所具有的物理性质而言，本发明中把粘结剂用作基本上干的光致聚合膜或层是最为有效的。粘合剂在曝光之前用作单体或光激发剂的包容媒介，它提供一个基础折射率，在曝光之后就要影响到形成图形的折射率所需要的物理特性和折射率特性。除折射率之外，结合性、粘结性、柔性、扩散性、抗拉强度都是决定这种粘结剂是否适宜用作折射率媒介的一些性能。

干膜或层的可光致硬化元件预计可以成为光致聚合或光致交链化合物的代替物，例如美国专利3526504所披露的那样，或者是用机械方法而不是用上述的自由辐射激发方法来硬化的化合物。

当光致聚合膜或层是厚度均匀的固体时，是由三种主要成分组成的，一种预制成聚合材料的可溶固体的溶剂;至少一种液态乙烯不饱和单体，它能附加聚合产生聚合材料，这种材料的折射率基本上不同于预制的聚合材料的折射率;和一种能用光化学照射来激活的光激活系统。虽然膜或层是固体化合物，但是在成图形曝光之前、之中和之后，各成分的互相扩散都是存在的，直至最终的均化处理使之固定或破坏为止，这种均化处理通常是用光化学照射进一步均化曝光。相互扩散可以通过把另一种无活性的增塑剂加入化合物而进一步加剧。

除液态单体之外，该化合物还可以包含固态单体成分，这种固态单体能在液态单体中扩散并与液态单体发生反应生成共聚物，其折射率与每种预生成的聚合材料的折射率都不相同。

用作本发明的膜或层的优选化合物中，预形成的聚合材料和液态单体可以这样选择，即从包含有一份或多份的下列分子团的任意一种预形成的聚合材料或单体中选取，这些分子团是被取代或未被取代的苯基、苯氧基、萘基、萘氧基和包含一个到三个芳香族环和氯或溴原子的芳香杂环基，其余的成分基本上没有特别的组分。在本例中当单体是这些成分时，下面把光致聚合系统称之为“单体定向系统”，并且当聚合材料包含这些成分时，下文将光致聚合系统称之为“粘结剂定向系统”。

本发明优选的稳定的固态光致聚合化合物将参照“单体定向系统”和“粘结剂定向系统”予以更为详细的说明。

单体定向系统

单体定向系统的单体是一种液体烯键不饱和化合物，它可以附加聚合并有100℃以上的沸点。这种单体包含有任一种苯基、苯氧基、萘基、萘氧基或含有一个到三个芳香族环或氯或溴原子的芳香族杂环基。预计作为这些基的取代物是各种取代基，这些取代基是：低烷基、烷氧基、羟基、羧基、羰基、氨基、酰氨基、亚氨基或它们的结合，只要这种单体是液体，并且在光致聚合层中可以扩散就可以了。

用于本发明的单体定向系统的优选液态单体是二苯氧基丙烯酸酯、二苯氧基异丁烯酸脂、苯酚乙氧基丙烯酸脂、1-（ρ-氯苯氧基）乙基丙烯酸酯、ρ-氯苯基丙烯酸脂、苯基丙烯酸脂、1-苯基乙基丙烯酸脂、双酚-A的乙（2-丙烯乙氧基）醚和2-（2-萘氧基）乙基丙烯酸酯。

当本发明中所用的单体是液体时，它们可以用作与同类型的第二种固态的混合物的形式。例如：“聚合物科学杂志聚合物化学”（Journal    of    Polymer    Science：Polymer    Chemistry    Edition，Vol.18，PP.9-18（1979）H.Kamagawa    et    al，）所公开的N-乙烯基羧基、烯键不饱和羧基单体：2-萘基丙烯酸酯、五氯苯基丙烯酸脂、2.4.6-三溴苯丙烯酸脂和双酚A2丙烯酸脂、2-（2-萘氧基）乙基丙烯酸脂、和N-苯基顺丁烯二酰亚胺。

单体定向系统的可溶性溶剂聚合材料或粘结剂基本上没有苯基、苯氧基、萘基萘氧基或包含一至三个芳香族环以及氯或溴原子的芳香杂环基。

用于本发明的单体定向系统的优选粘结剂是乙酸丁酸纤维聚合物;丙烯酸聚合物和共聚物，这些共聚物包括：聚甲基异丁烯酸脂、甲基异丁烯酸脂/异丁烯酸和聚甲基异丁烯酸脂/丙烯酸聚合物、甲基异丁烯酸脂/C₂-C₄烷基丙烯酸脂或异丁烯酸脂/丙烯酸或异丁烯酸的三元共聚物;聚乙烯乙酸酯;聚乙烯乙缩醛，聚乙烯丁醛，聚乙烯缩甲醛;以及它们的混合物。

粘结剂定向系统

粘结剂定向系统的单体是液体烯键不饱和化合物，它能附加聚合并且有100℃以上的沸点。这种单体基本上不包括下述的基，这些基是：苯基、苯氧基、萘基萘氧基或包括一至三个芳香族环以及氯或溴原子的芳香族杂环基。

用于本发明的粘结剂定向系统的优选液体单体包括：癸二酰二丙烯酸酯、异冰片基丙烯酸酯、三甘醇二丙烯酸酯、二甘醇二丙烯酸酯、三甘醇二甲基丙烯酸酯、乙氧基乙氧基乙酯丙烯酸酯、乙氧基化合物的三甲基丙烷的三丙烯酸酯，和1-乙烯-2琥珀酰胺。

当用于粘结剂定向系统的单体是液体时，它们可以用于同第二种同类型固体单体的混合物中，例如N-乙烯基己酸内酰胺。

粘结剂定向系统的可溶性溶剂聚合材料或粘结剂在它的聚合结构中包含取自下列基的部分，它们是苯基、苯氧基、萘基萘氧基或包含一到三个芳香族环以及氯或溴原子的芳香族杂环基。可望作为等价物的基是一些取代基，其中替代物可以是低烷基、烷氧基、羟基、羧基、羰基、酰氨基、酰亚胺或它们的组合，只要粘结剂保持为可溶性溶剂和热塑性的就可以。这些组分可以形成部分单体单元，这些单体单元构成聚合粘结剂或可以移植到预制聚合物或共聚物中。这种类型的粘结剂可以是均聚物，也可以是两个或多个分离的单体单元的共聚物，其中至少一个单体单元包含上述部分之一。

用于粘结剂定向系统的优选粘结剂包括：聚苯乙烯、聚（苯乙烯/丙烯腈）、聚（苯乙烯/甲基异丁烯酸酯）、和聚乙烯苯亚甲基，以及它们的混合物。

同样的可由光化学照射激活的光激发系统可以用于单体定向系统、也可以用于粘结剂定向系统。典型的光激发系统将包括光激发剂和增敏剂。增敏剂把光谱响应扩展到具有特殊用途的范围，例如：近紫外光区和由激光器发射的可见光谱区。

优选的激发剂包括：DDM-HABI，即：2-（0-氯苯基）-4，5-双（m-甲氧苯基）-咪唑二聚物;O-氯-HABI，即：1，1′-铋咪唑，2，2′-双（O-氯苯基）-4，4′，5，5′-四苯基-;和TCTM-HABI，即：1H-咪唑，2，5-双（O-氯苯基）-4-3，4-二甲氧苯基-，二聚物的每一种都带有氧供体，例如：2-巯基苯并噁唑。

优选的增敏剂包括如下：DBC，即：环戊铜，2，5-双-4（二乙氨）-2-（甲基苯基-亚甲基）;和二甲氧基-JDI，即：1H-茚-1-酮，2，3-双氢-5，6-二甲氧基-2-（（2，3，6，7-四氢-1H，5H-苯并〔i，j〕喹嗪-9-y1）-亚甲基）-。

本发明的固体光致聚合化合物可以含有增塑剂，本发明的增塑剂占化合物的重量比率可从2%～20%范围内变化，最优的重量比率是5%～15%。

用作简单的醋酸丁酸纤维素系统的优选增塑剂是：三甘醇二乙酸酯、三甘醇二庚醇酯、二乙烯己二酸酯和Brij

30和三（2-乙烯己基）磷酸酯。同样三甘醇二乙酸酯、二乙烯己二酸酯和Brij

30和三（二-乙烯己基）磷酸酯在“单体定向系统中也是被优选的，其中醋酸丁酸纤维素是粘结剂。

除了上述的这些成分之外，在光致聚合化合物中尚有其他分量的化合物，这些化合物包括：光亮度调节剂、紫外线辐射吸收材料、热稳定剂、供氧剂、除氧剂和释放附加剂。

在光致聚合化合物中的各组分含量通常在下列按光致聚合层总重量的百分比范围内：单体5～50%，最好是15～35%;激发剂0.1～10%，最好是1～5%;粘结剂25～75%，最好是45～65%;增塑剂0～25%，最好是5～15%;其他组分0～5%，最好是1～4%。

支承片可以是任何一种能足以支承组合在一起的膜1和层2的并对光化学辐照是透明的物质，支承片2最好是对光谱范围为0.6～1.6μm波长的透光材料。“支承片”一词的概念是包括天然的支承片和合成的支承片，它最好能够以柔性和刚性相结合的膜或片的形式存在。例如：支承片或其片可以是有机合成树脂片或膜，或两种或多种材料的合成物。具体的基片包括：聚对苯二甲酸乙酯膜，例如聚对苯二甲酸乙酯的树脂层胶膜，火焰或静电放电处理的聚对苯二甲酸乙酯膜;玻璃、醋酸纤维素膜等等。只要是支承片足以能把粘结在它上面的膜或层支承住，它的厚度是无关紧要的。厚度约为25～50μm的聚对苯二甲酸乙酯的支承片就能为6μm的膜提供足够的刚性。

下面的例子用作本发明的说明，但并不局限于此。

实施例：

一种基本上干的光致硬化（活性的）膜，其厚度为5.3μm，其组成成分列于表Ⅰ。该膜覆盖在厚度为25μm的透明聚对苯二甲酸乙酯的支承片上，其尺寸约为3吋×4吋。该膜在光谱范围为350～400nm的宽带紫外光下通过普通镀铬玻璃掩膜进行曝光，产生一个1×4的光波导耦合器图形（一路光波导到四路光波导或四路光波导到一路光波导）。曝光后约经15分钟的适当放置后，去掉掩膜。

接下来，把厚度约为30μm和其组分列于表Ⅱ的第一基本上是干的光致硬化（缓冲）层覆盖在厚度为25μm透明聚对苯二甲乙酯支承片上，叠置在如图4所示的光波导图形上面。而后把所得到的元件用光谱范围为350nm～400nm的宽带紫外光整个进行照射，再用机械剥离方法去掉膜的支承片。

接下来，把与第一缓冲层的成分和结构相同的第二光致硬化（缓冲）层用支承片叠置到活性膜的反面表面上，并进行如上述相同的整个用光照射的步骤。

紧接着的一些步骤是，把结合在缓冲层的支承片去除。再把成分结构与第一缓冲层相同的第三第四缓冲层分别叠加到第一和第二缓冲层上，每次叠置步骤和去掉支承片步骤之间都要进行一次整个元件用光照射的步骤。这样，就制造成了一个具有埋入通道光波导的光波导器件。

这个形成的器件再加热100℃保持60分钟，以使其热稳定。

对该叠层器件的膜和层的折射率进行了测试并将数据列于表Ⅲ。

表Ⅰ

膜

组成成分    重量百分比

醋酸丁酸纤维素

伊斯曼CAB531-1    56.54

二苯氧基丙烯酸酯（POEA）    35.00

三甘醇二乙酸酯（TDC）    5

二巯基苯并噁唑（MOB）    1.89

O-氯-HABI    1.00

增敏染料（DEAW）¹0.56

2，6-双-叔-丁基-4-甲基酚（BHT）    0.01

1    2、5-双（〔4-（乙二氨）-苯基〕亚甲基）环戊铜

表Ⅱ

缓冲层¹

组成成分    重量百分比

CAB¹381-20 45.49

POEA²20.00

N-乙烯基咔唑（NVC）    15.00

乙氧化双酚A双丙烯酸酯    15.00

Sartomer349

O-氯-HABI³3.00

4-甲基-4H-1、2、4-三唑

-3-硫羟（MMT）    1.50

BHT⁴0.01

1    醋酸丁酸纤维素

2    二苯氧基乙基丙烯酸酯，CAS    48145-04-6

3    1，1′-双咪唑，2，2′-双-O-氯苯基-4，4′，

5，5-四苯基，CAS    1707-68-2

4    2，6-双-叔-丁基-4-甲基酚

表Ⅲ

层或膜    折射率

活性（未曝光）膜    1.535

膜的光波导区    1.566平均

缓冲层1    1.545

缓冲层2    1.548

缓冲层3    1.545

缓冲层4    1.548

由于以上所描述的本发明的技术上的优点，本专业的技术人员可以对其做出各种改进，但是我们认为在后面所附的各项权利要求的限定下，这些改进均属于本发明的范围之内。

Claims (53)

1、一种基本上是干的制造光波导器件的方法，这种光波导器件在叠层和硬化的基片内至少有一条埋入的通道光波导，该方法包括如下步骤：

至少把一个基本上干的光致硬化膜的第一区进行曝光，该膜具有第一和第二表面，还有一个支承片可去除地粘结于该第槐砻妫辽偈拐飧瞿さ囊恢值ヌ褰芯酆希⒏谋涓们恼凵渎剩佣律傩纬傻谝还獠ǖ迹?

把第一基本干的光致硬化层的第一表面重叠干该膜的第二表面，将一个支承片可去除地粘结到该第一层的第二表面；

从该膜的第一表面除去上述支承片；

把第二基本干的光致硬化层的第一表面叠置在该膜的第一表面，把一个支承片可去除地粘结于第二层的第二表面；和

将各层和膜硬化形成一个硬化基片，基本上将该层和膜的折射率固定下来，至少形成一条埋入的光波导。

2、按照权利要求1的方法，其中硬化步骤包括用光照射整个层和膜，以形成硬化基片。

3、按照权利要求1的方法，其中硬化步骤包括把层和膜在50～200℃的温度范围内加热数分钟。

4、按照权利要求1的方法，其中曝光步骤还包括通过掩膜用光化学辐照使第一区曝光。

5、按照权利要求1的方法，其中曝光步骤还包括用聚焦的激光使第一区曝光。

6、按照权利要求1的方法，其中曝光步骤还包括通过一个掩膜用激光使第一区曝光。

7、按照权利要求1的方法，其中曝光步骤还包括形成截面基本上是矩形的，以便在给定波长下以单模方式工作。

8、按照权利要求5的方法，其中光致硬化膜的厚度基本上限定了光波导的矩形截面的一个尺寸。

9、按照权利要求1的方法，还包括下述步骤：

按照配方制成具有预先确定尺寸的光致硬化膜，使之在硬化步骤之后产生一个约为0.001～0.40的局部的折射率的增量，测量是用错位干涉显微镜在546nm的波长下进行的。

10、按照权利要求1的方法，还包括下述步骤：

按配方制成具有预定尺寸的光致硬化膜，在硬化步骤后，使该光波导在0.6～1.6μm波长范围内是透光的。

11、按照权利要求8的方法，其中在硬化步骤之后，该光波导在1.3μm波长下是透光的，以便单模操作。

12、按照权利要求1的方法，其中硬化步骤还包括以下步骤：

除光波导内和光波导附近外，所形成的基片的成分和折射率基本上是均匀的。

13、按照权利要求1的方法，其中硬化步骤之后，光波导的折射率比膜的硬化剩留区的折射率大0.005～0.060，比硬化的层的折射率大0.001～0.025。

14、按照权利要求1的方法，其中硬化步骤之后，除光波导中及光波导附近之外，基片的最大折射率在1.45～1.60范围内，测量是在632nm波长下进行的。

15、按照权利要求1的方法，其中基片厚度可以从约125μm、180μm和200μm这样一组数据中选择。

16、按照权利要求1的方法，还包括以下步骤：

通过将硬化了的基片与光纤在一个平面上靠近放置，使光轴基本上对准，从而实现光波导与光纤的连接。

17、按照权利要求1的方法，还包括以下步骤：

把光波注入光波导。

18、按照权利要求1的方法，其中所述的区基本上具有一种Y形结构。

19、按照权利要求1的方法，其中所述的区具有一个终端，该终端适合作为光的入口或出口，这个光的入口或出口连接到适合作为光的入口或出口的多个终端。

20、按照权利要求1的方法，还包括以下步骤：

至少把靠近并平行于第一区的第二区予以曝光，至少形成一个第二光波导，以便使两个波导之间呈现注入到第一光波导的光的渐逝耦合，逐渐地把注入的光泄漏或耦合到第二光波导之中。

21、按照权利要求1的方法，还包括以下步骤：在硬化之前，射入至少两束相干光，并使其在下述的一组区中选择出来的一个区域内进行交叉，这些区域是：区的一部分、毗邻区的各层中的一层的至少一部分以及上述二者的组合。

22、按照权利要求1的方法，还包括以下步骤：在曝光和第一次叠层的步骤之间，用光对该膜整个进行照射。

23、按照权利要求1的方法，还包括以下步骤：在第一次叠层步骤和去掉支承片步骤之间用光对整个膜和层进行照射。

24、按照权利要求1的方法，还包括以下步骤：在用光整个照射步骤之后，从至少一个层的第二表面上去除支承片。

25、按照权利要求24的方法，还包括以下步骤：在第二次去除支承片步骤后，用加热基片的方法使硬化了的基片稳定，加热温度为50～200℃范围、时间为30分钟至两小时。

26、按照权利要求1的方法，在第二次叠层步骤和加热步骤之间，还包括有以下步骤：从该层的第二表面之一除去支承片;

把另一个基本上是干的光致硬化层的第一表面重叠在一个层的第二表面上，而该另一层的第二表面可除去地粘结一个支承片;和

重复第二去除支承片步骤和第三叠层步骤直到基片达到预定的层数为止。

27、按照权利要求26的方法，还包括以下步骤：至少在第二次去除支承片步骤和任何一次重复步骤之前，立即对各层中的一个层的第一区进行曝光，该层是粘结在一个在下一步骤中将要除去的一个支承片上，从而使这一层的至少一种单体聚合并改变折射系数，以便至少形成另一个光波导。

28、按照权利要求27的方法，其中至少另一光波导连接到至少一个在膜上的光波导，这样，传输通过该另一光波导和膜上的光波导二者之一的光，将分别可以传输到膜上的光波导和另一光波导之中。

29、按照权利要求27的方法，其中第一个另外的波导连接到第二个另外的波导，这样通过第一个另外的波导传播的光就通过第二个另外的波导进行传播。

30、按照权利要求27的方法，还包括以下步骤：在至少一个曝光步骤和去除支承片步骤之间，对整个层和膜进行曝光，以形成一个光致硬化膜。

31、一种用于集成光学系统的光波导器件，该器件包括：

具有第一和第二表面的光致硬化膜，该膜具有第一区和剩留区，该第一区适于作为一个光波导来传输光波;

具有第一和第二表面的第一光致硬化层，该第一层第一表面重叠在该膜的第一表面上，覆盖住光波长的第一边;

具有第一和第二表面的第二光致硬化层，该第二层的第一表面重叠在该膜的第二表面上，覆盖住光波导的第二边。

32、按照权利要求31所描述的器件，其中上述光波导包含一个垂直于上述膜其尺寸约为5×5.3μm的矩形截面。

33、按照权利要求31所述的器件，其中膜的厚度约为5.5μm。

34、按照权利要求31所述的器件，其中存在于光波导和膜的剩留区之间的局部折射率增量为0.001～0.40，其测量是用错位干涉仪在546nm波长下进行的。

35、按照权利要求31所述的器件，其中该光波导在光谱范围0.6～1.6μm内是有效地透光的。

36、按照权利要求31所述的器件，其中该光波导对单模工作的1.3μm波长来说是透光的。

37、按照权利要求31所述的器件，其中除接近光波导区的区域外，膜的剩留区、第一层和第二层的成分和折射率基本上是均匀的。

38、按照权利要求31所述的器件，其中光波导的折射率比剩留区的折射区大0.005～0.060，而比各导的折射率大0.001～0.025。

39、按照权利要求31所述的器件，其中除接近光波导区的区域外，膜的剩留区、第一层和第二层的最大折射率在1.45～1.60范围内，其测量是在632nm波长上进行的。

40、按照权利要求31所述的器件，其中膜、第一层和第二层的厚度从125μm、180μm和200μm这一组数据中选择。

41、一种光传输系统，包括如权利要求31所述的光波导器和一条单模光纤，该单模光纤与光波导器件的光轴对准的方式进行连接。

42、按照权利要求31所述的器件，其中光波导基本上是Y形结构的。

43、按照权利要求31所述的器件，其中该光波导具有一个终端，该终端适合作为光的入口或出口，该终端连接到多个适合作为光入口或光出口的终端。

44、按照权利要求31所述的器件，其中还包括至少部分地平行于第一光波导的一个第二光波导，这些光波导之间呈现光的渐逝耦合，以使注入到第一光波导的光通过逐渐地泄漏或耦合作用，把注入的光耦合到第二光波导中。

45、按照权利要求31所述的器件，还包括一个全息衍射光栅，该光栅包括一个空间变化折射率的区域，该区域是选自至少一部分第一区，至少接近该区的一个层的一部分和它们的结合，以入射光波。

46、按照权利要求31所述的器件，还包括一个可去除地粘结在第一层的第二表面上的支承片;和一个可去除地粘结在第二层的第二表面上的支承片。

47、一种用于形成光学器件的光波导元件，该元件包括：

具有第一和第二表面的膜，该膜具有第一光致硬化区，适于作光波导以便传输光波，和基本上是干的光致硬化剩留区;和

可去除地粘结在该第一表面上的一个支承片。

48、按照权利要求47所述的元件，还包括具有第一和第二表面的基本上干的第一光致硬化层，该第一层的第一表面重叠在膜的第二表面上;和可去除地粘结于第一层第二表面的一个支承片。

49、用于制造光波导器件的光波导元件，该元件包括：具有第一和第二基本上是平的表面的光致硬化膜，该膜具有第一区和剩留区，该第一区适于作为光波导以便传输光波;和可去除地粘结干该第一表面的支承片。

50、按照权利要求31所述的器件，其中所述的膜包括：

（a）一种可溶性粘结剂，

（b）至少一种能附加聚合的液态乙烯不饱和单体，

（c）由光化学照射激活的光致引发系统。

51、按照权利要求31的器件，其中各层中至少一层包括以下部分：

（a）一种可溶性粘结剂，

（b）至少一种能附加聚合的液态乙烯不饱和单体，和

（c）用光化学照射激活的光致引发系统。

52、按照权利要求47的元件，其中上述的膜包括：

（a）一种可溶性粘结剂，

（b）至少一种能附加聚合的液态乙烯不饱和单体，和

（c）用光化学照射激活的光致引发系统。

53、按照权利要求49的元件，其上述的膜包括：

（a）一种可溶性粘结剂，

（b）至少一种能附加聚合的液态乙烯不饱和单体，和

（c）用光化学照射激活的光致引发系统。

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