CN1131444C - 混合光波导及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种混合光波导及其制造方法。该混合光波导具有传导光信号的直线部分和弯曲部分，包括一个平面衬底层、一个形成于该平面衬底之上的下层包层、一个形成于下层包层之上的光芯层、和一个包住波导光芯层的上层包层。该具有直线部分和弯曲部分的光波导能减少传输损耗和光纤耦合损耗，并能使该波导截面尺寸最小。

Description

混合光波导及其制造方法    
技术领域
本发明涉及一种光波导及其制造方法，特别是涉及一种具有减少的光传输损耗的混合光波导和在波导的直线部分和弯曲部分分别用不同的波导组成材料构成的小型波导，以及制造这种波导的方法。
背景技术
一般来说，在制造光波导时，光芯和包层光间的折射率或具体折射度的不同，及波导横截面的尺寸和曲率是彼此相互影响的参数。光波导的弯曲部分必须要用折射率相对较大的材料制成，以减少光信号通过该弯曲部分时的光传输损耗。当考虑到光信号在弯曲部分的损耗，用折射率相对较大的光学材料制造一光波导时，这样适应于该折射率的波导在无曲率的直线部分的横截面的尺寸被减少了，从而在把该传导接到光纤上时的光纤耦合损耗增大。相反地，如果该波导用适于直线部分的具有较小折射率的材料来制造，则在其弯曲部分的光信号传输损耗增加。
图1表示传统光波导的一个实施例，其中它包括一个平面衬底100、一个下层包层110、一个上层包层120和一个由具有特定折射率的(△n)0.3％的光学聚合物制成的光导。根据该特定折射率，要使信号的传输损耗最小，该波导的横截面必定为8×8μm。但是，在波导弯曲部分140(即带有曲率的部分)的光信号传输损耗非常大，这样该曲率半径必定很大，即达25mm。
图2表示传统光波导的另一实施例，其中包括一个平面衬底200、一个下层包层210、一个上层包层220，和一个由具有特定折射率(△n)0.75％的光学聚合物制成的波导230。与这一特定的折射率(△n)相对应，波导的横截面必定为6×6μm。由于该折射率(△n)较大，即使当弯曲部分240的曲率半径很小时，在该弯曲部分  240的光信号传输损耗也会减少，而在直线部分250的传输损耗则增加。而且，由于波导的横截面积必定很小，则在把波导与光缆耦合时损耗增大。
当现有技术中具有一弯曲部分的光波导是由具有相同的特定折射率(△n)的聚合物制成时，就要在光信号损耗与波导尺寸之间作一协调。包含光波导的器件要具有较高集成度，对带有一定曲率的波导的需求在增加，就迫切需要解决上述问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的一个目的在于提供一种分别在其直线部分和弯曲部分采用不同的光学聚合物的混合光波导及其制造方法。
相应地，为了达到上述目的，提供一种带有传导光信号直线部分和弯曲部分的混合光波导，该波导中包括：一个平面衬层；一个位于该平面衬底层上，由具有光通讯波长范围内的光通透度的材料制成的下层包层；一个形成于下层包层上的光芯层，其中的光波导包括直线部分和弯曲部分，该直线部分由折射率比下层包层的材料高的第一光学聚合物制成，该弯曲部分由折射率比第一种光学聚合物高的材料制成；在下层包层上及波导芯层周围用一种折射率比第一种光学聚合物低的材料形成上层包层。
为了达到上述目的，在此提供一种生产由传导预定波长的光信号的直线部分和弯曲部分构成的混合光波导的方法，该方法包括如下步骤：在平面衬底上用在光通讯波长范围内的光通透度的材料形成下层包层；在该下层包层上用折射率高于形成下层包层的材料的第一种光学聚合物形成光芯层；在光芯层上除要形成光波导的弯曲部分的位置处的其他位置上形成光芯掩模图案；将第一种光学聚合物上不形成光芯掩模图案的部分蚀刻；在上述步骤所得到的结构中上用折射率比第一种光学聚合物大的第二种光学聚合物进行淀积；把已淀积后多余的第二种光学聚合物蚀刻，只在光芯层中第一种光学聚合物已被蚀刻的部分保留第二种光学聚合物；把光芯掩模图案除去；在光芯层且形成波导掩膜图案以使得波导的直线部分位于第一种光学聚合物组成的光芯层中，而波导的弯曲部分位于第二种光学聚合物组成的光芯层中；通过蚀刻无掩模图案的第一种光学聚合物和第二种光学聚合物产生混合光波导；在光芯层上形成折射率比第一种光学聚合物低的上层包层以包围该混合光波导。
附图说明
在下面结合附图对最佳实施例的说明中，本发明的目的和优点将变得更加明确。
图1表示传统光波导的一实施例；
图2表示传统光波导的另一个实施例；
图3为本发明的混合光波导的结构图；
图4A至4J为说明本发明的混合光波导生产过程的示意图。
具体实施方式
如图3所示，本发明的混合光波导中包括：一个衬底层300，一个下层包层310，光芯层320和420，以及一个上层包层330。衬底层300为由硅Si或玻璃制成的平面晶片。位于衬底层300之上的下层包层310由在光通讯波长范围内具有光通透度(即可以无衰减地传输该波长范围内的光)的材料形成。在下层包层310上形成光波导得到光芯层320和420。光波导的直线部分320由折射率高于下层包层310所用材料的一种低损耗波导光学聚合物形成。光波导的弯曲部分420由折射率比第一种光学聚合物高的第二种光学聚合物形成，而且该部分波导的横截面积小于直线部分320的横截面积。这是因为，当形成作为光信号通道的弯曲部分(即具有一定曲率的波导部分)的材料具有高折射率时，光信号的传输损耗就会减小。由于波导的横截面积取决于材料的折射率，则具有较高折射率的第二种光学聚合物形成的弯曲部分420的波导横截面积小于由第一光学聚合物形成的直线部分320的波导横截面积。上层包层330形成于下层包层310之上，并覆盖着第一和第二种光学聚合物。形成上层包层330所用的材料的折射率小于第一种光学聚合物的折射率，并且该材料通常与形成下层包层所用的材料相同。在图3中，由折射率(△n)为0.3％的第一种光学聚合物和折射率(△n)为0.75％的第二种光学聚合物形成混合光波导。
图4A至4J为说明本发明的混合光波导生产过程的示意图。首先，在图4A中，在平面衬底层300上用具有光通讯波长范围内的光通透度的材料形成下层包层310。在图4B中，在下层包层320上用第一种光学聚合物形成光芯层。把第一种光学聚合物通过旋涂形成光芯层，并烘烤该第一种光学聚合物使得第一光学聚合物的表面材料均匀一致。在图4C中，在光芯层320表面上除了要形成光波导的弯曲部分的位置处的其他部位上形成掩模图案400。该掩模图案是通过干/湿法蚀刻或剥离方法形成的。下面具体说明用于一湿法蚀刻形成掩模图案的过程。首先，在光芯层300上用比光芯层材料更能抵抗干法蚀刻的聚合物、金属或硅形成作为掩膜的薄膜。在该掩模上旋涂上一层作为光敏抗蚀剂的感光材料。在光敏抗蚀剂上不覆盖包含光波导的弯曲部分的部位形成光掩模，再把紫外线打到该光掩模上。然后，得到的结构被展开并被烘烤，因此通过干法蚀刻或湿法蚀刻可以沿着光敏抗蚀剂的图案形成掩模图案。现在，接着说明通过剥离法形成掩模图案的过程。首先，把光敏抗蚀剂旋涂到光芯层320上，把刻有图案的光掩模布置在衬底上，把紫外线有选择地照在该光掩模上。在这一工艺之后就得到所要的结构，接着通过溅射、电子束或热蒸发等工艺在第一种聚合物层上淀积一层掩模。接着，把光敏抗蚀剂剥去，这样就形成第一掩模图案。在通过剥离法或干/湿法蚀刻工艺形成掩模之后，在图4D中对未加掩模的部分410进行蚀刻。例如，当在真空状态下把氧的等离子体加到要被蚀刻部分的上表面上时，带有掩模图案的部分不被蚀刻，而只蚀刻不带有掩模图案的部分。在蚀刻过程中，控制蚀刻深度时要考虑到以后要形成的波导的弯曲部分的横截面积的大小，该横截面积取决于其后要形成弯曲部分的第二种聚合物的折射率。在图4E中，比第一种光学聚合物折射率高的第二种光学聚合物被通过旋涂工艺淀积于光芯层320上，并填充被蚀刻的部分，第二种光学聚合物被填充于图4D的蚀刻部分并覆盖着第一光学聚合物。在图4F中，对位于光芯层上的掩模图案的表面上的第二光学聚合物进行蚀刻。这样，在光芯层上带有掩模图案的部分400由第一种光学聚合物形成，而不带有掩模图案的部分420由第二种光学聚合物形成。在图4F对第二种光学聚合物的蚀刻过程中，掩模图案400保护第一种光学聚合物层不被蚀刻。在图4G中把掩模图案400除去后，在图4H中，与光波导同宽的波导掩模图案43O形成于光芯层的上表面上。可以用上述的干/湿法蚀刻工艺或剥离法形成掩模图案430。在波导掩模图案430中的直线波导部分位于第一种光学聚合物上，而弯曲的波导部分位于第二种光学聚合物上。接着把其上面不形成波导掩模的第一和第二种光学聚合物全部蚀刻，然后把波导掩模图案430除去，这样，在图4I中就完成了混合波导的形成过程。在上述的混合波导制造过程中不要求为使第一光学聚合物直线部分与第二光学聚合物弯曲部分相接合的精确的结合工艺。在图4J中，用与下层包层相同的材料形成上层包层330，并包围光芯层320，这样就形成了一个完整的混合光波导。
为了在带有直线部分和弯曲部分的光波导中减少光信号的传输损耗，以及使得取决于直线部分的折射率的直线部分的波导尺寸最小化，分别根据波导的弯曲部分和直线部分用不同折射率的材料形成混合光波导。如图1所示，对于由折射率为△n为0.3％的聚合物形成的波导，在弯曲部分的曲率半径为25mm或者更大。这样就增大了包含波导在内的波导器件的尺寸。如图3所示，在由折射率△n为0.75％的聚合物形成的波导中，这样光在直线部分的传输损耗和接合损耗会因此增大，但光在弯曲部分的传输损耗和接合损耗不会因该部分的曲率半径变大而增大。而且，如上文所述，与折射率相同的材料制成的传统波导不同的是，为了防止特定的折射率与波导截面尺寸之间的冲突，在本发明中只是分别用不同的材料形成波导的直线部分和弯曲部分，从而制造出混合光波导。
相应地在这种带有直线部分和弯曲部分的光波导可减少光信号传输损耗和接合损耗，且可以使波导的横截面积减到最小。

Claims (6)

1、一种制造包含用于传导预定波长光信号的直线部分和弯曲部分的混合光波导的方法，其特征在于，包括如下步骤：
在所述平面衬底上，用具有光学通讯波长范围内的光通透度的材料形成下层包层；
在所述下层包层之上，用其折射率比形成下层包层的材料高的第一种光聚合物形成一个光芯层；
在所述光芯层的除了要形成光波导的弯曲部分的其他部分上形成一层光芯掩模图案；
把在其上不形成掩模的第一光学聚合物上的部分蚀刻；
在所得的结构上用其折射率比第一种光学聚合物高的第二种光学聚合物进行淀积；
把所淀积多余的第二种光学聚合物蚀刻，而只在光芯层中的第一种光学聚合物已被蚀刻的部分保留下第二种光学聚合物；
除去光芯掩模图案；
在该光芯层上形成一层波导掩模，使得直线部分波导位于第一种光学聚合物光芯层之上，而使弯曲部分波导位于第二光学聚合物光芯层之上；
通过蚀刻不被掩模覆盖的第一种光学聚合物和第二种光学聚合物以形成混合光波导；
在所述光芯层上形成其折射率比第一光学聚合物低的上层包层，以包住所述混合光波导。
2、如权利要求1所述的制造混合光波导的方法，其特征在于，其中用第一种聚合物形成光芯层的步骤中又包括如下分步骤：
在下层包层上旋涂上第一种光学聚合物；
把所得到的结构进行烘烤；
对烘烤后的第一种光学聚合物的表面进行抛光。
3、如权利要求1所述的制造混合光波导的方法，其特征在于，所述的光芯掩模图案和波导掩模图案是用干/湿法蚀刻工艺或剥离工艺制成的。
4、如权利要求1所述的制造混合光波导的方法，其特征在于，所述第二种光学聚合物是用旋涂工艺进行淀积的。
5、如权利要求1所述的制造混合光波导的方法，其特征在于，其中所述波导掩模图案根据第一和第二光学聚合物折射率的不同具有对应的宽度。
6、如权利要求1所述的制造混合光波导的方法，其特征在于，其中根据波导图案进行蚀刻的过程是在对蚀刻深度加以控制，使其与取决于第二种光学聚合物的折射率的第二种光学聚合物的横截面尺寸相一致而进行的。
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