CN1193117A - 低损耗光学有源器件及其制造方法 - Google Patents

低损耗光学有源器件及其制造方法 Download PDF

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Abstract

低损耗光学有源器件及其制作方法。该方法包括步骤:用线性聚合物在可透过紫外(UV)光的基片上形成下包层;在下包层的一区域形成不透过UV光的第一金属层,形成不透过UV光的第二金属层;形成非线性聚合物层;对基片用UV光曝光,仅在非线性芯区形成非线性聚合物;形成第三金属层;去除第二金属层;在第一金属层和光波导上涂覆线性聚合物;仅在线性芯区形成线性聚合物;去除第一和第三金属层;在下包层和波导芯区形成上包层。

Description

低损耗光学有源器件 及其制造方法
本发明涉及一种光学器件及其制造方法，更进一步地说，涉及一种低损耗光学有源器件，它能够通过将非线性光学聚合物只注入到发生非线性效应的波导区而降低器件的导波损耗，以及涉及该器件的制造方法。
一般说来，在用光学聚合物形成诸如光学调制器或光学开关等光学有源器件时，形成在器件中的光波导由一包覆区和一芯区构成。通常，在用光学聚合物形成光学有源器件的过程中，器件的波导芯区由具有非线性特性的有机聚合物形成。
但是，如果形成器件的全部波导芯区都由非线性光学聚合物构成，则器件的总损耗特性是要降低的。非线性光学聚合物制成的波导，其导波损耗特性表现为0.5-1.0dB/cm；线性光学聚合物制成的波导，其导波损耗特性表现为0.5-1.0dB/cm。所以，在形成长度和形状都相同的波导情况下，与形成由线性光学聚合物制成的波导相比。非线性光学聚合物制成的波导在器件注入损耗方面有缺点。
图1A和1B分别表示了一个传统的定向耦合器型光学开关，及一个传统的马赫-策德尔(Mach-Zehnder)型光学调制器，该器件波导的全部芯区都由非线性光学聚合物制成，其中标号100表示基片，标号120表示非线性聚合物制成的波导，而标号130表示电极。如图1A和1B所示，通常由于包含电极130的波导内所有芯区都由具有比线性光学聚合物更高的光学损耗的非线性光学聚合物构成，致使器件的注入总损耗显著增加。
为了解决上述问题，本发明的一个目的是提供一种低损耗光学有源器件，它采用光学聚合物来降低波导导波损耗，与用非线性光学聚合物形成波导整个芯区的情况相比，本发明中仅仅是发生光学调制效应的波导芯区由非线性光学聚合物形成，而其余的芯区由线性光学聚合物形成。
本发明的另一个目的是提供一种用于制作低损耗光学有源器件的方法。
因此，为了实现上述目的，提供了一种将至少一个输入光束传输成至少一个输出光束的光学有源器件，它包括：一块基片；沉积在基片上的下包层；沉积在下包层上用于传播光信号并且包含引起非线性效应的非线性芯区和不会引起非线性效应的线性芯区的光波导；以及沉积在该光波导和下包层上的上包层，其中光波导的非线性芯区沉积在线性芯区之间并由非线性聚合物制成，光波导的线性芯区具有一个与非线性芯区相连的端头和具有另一个与光信号的输入或输出端口相连的端头，并由其光波导损耗低于非线性聚合物的光波导损耗的线性聚合物制成，而且其中上下包层的折射率低于构成波导芯的线性聚合物和非线性聚合物的折射率。
根据本发明的第二目的，提供了一种用于制作具有光波导的光学有源器件的方法，该光波导由一个传导光信号时产生非线性效应的光学波导芯区(非线性芯区)和一个不产生非线性效应的光学波导芯区(线性芯区)构成，该方法包括下述步骤：用线性聚合物在可透过紫外(UV)光的基片上形成一下包层；在该下包层上的一个区域形成不透过UV光的第一金属层，其它区域将要沉积上光波导；在沉积的第一金属层上且与线性芯区两端头相邻处，形成由不同于制成第一金属层的材料制成并且不能透过UV光的第二金属层；在波导区、第一金属层和第二金属层上形成非线性聚合物层；通过从基片底部一侧用UV光对其曝光并除掉形成在第一和第二金属层上的未固化的非线性聚合物，而仅在非线性芯区形成固化的非线性聚合物；在沉积在非线性芯区的非线性聚合物上形成第三金属层；除掉第二金属层；在第一金属层和光波导上涂覆线性聚合物；通过从基片底部一侧用UV光对其曝光，而仅在线性芯区形成线性聚合物；除掉沉积在下包层上的第一金属层和第三金属层；以及在下包层和波导芯区上形成上包层。
形成第三金属层的步骤包括以下步骤：在具有在非线性聚合物形成步骤中所形成的固化的非线性聚合物的基片上涂覆光刻胶；通过从基片底部一侧让UV光照射在其上以除掉沉积在固化的非线性聚合物上的光刻胶，而形成光刻胶图案；通过真空沉积法在有图案的基片上沉积第三金属层；并去掉沉积在基片上的光刻胶。
本发明的上述目的和优点，将通过结合附图对本发明优选实施例的详细说明而变得更为清楚，其中：
图1A表示了一个传统的定向耦合器型光学开关，其中组成器件的波导的整个芯都由非线性聚合物构成；
图1B表示了一个传统的马赫-策德尔型光学调制器；
图2是表示根据本发明一个实施例的低损耗光学有源器件的示意图；
图3是为了说明的目的表示本发明整体结构沿A-A′、B-B′和C-C′剖面线的定义的示意图；
图4表示根据本发明在一基片上涂覆下包层的情况；
图5表示了根据本发明，在形成于基片上的下包层上形成第一金属层；
图6表示了根据本发明在第一金属层上形成第二金属层；
图7A至7E的流程图是根据本发明的一优选实施例沿着图3所示线A-A′和C-C′截取的，表示将波导中由非线性有机聚合物制成的芯有选择地形成在产生非线性效应的区域中；
图8A至8F的流程图是根据本发明的一优选实施例，沿着图3所示线段B-B′和C-C′截取的，表示将波导中由线性有机聚合物制成的芯有选择地形成在不产生非线性效应的区域中；
图9A和9B分别表示了根据本发明的一优选实施例的一个定向耦合器型光学开关和一个马赫-策德尔型光学调制器。
在下文中，将参考附图对本发明作详细描述。参考图2，本发明的低损耗光学有源器件这样构成：波导芯由线性光学聚合物和非线性光学聚合物两者构成，并且在该光学有源器件中产生非线性效应的区域内形成一个电极和由非线性光学聚合物构成的波导芯。该光学有源器件包括：一基片100；一沉积在基片100上的下包层170；一沉积在下包层170上的光波导(140和150)，且它们分别是传导光信号时产生非线性效应的非线性芯区150和不产生非线性效应的线性芯区140，用以传导光信号；一沉积在光波导(140和150)和下包层170上的上包层180；以及一沉积在非线性芯区150上的电极。波导的非线性芯区150位于波导线性芯区140之间，且由非线性光学聚合物构成。波导线性芯区140的一端与波导非线性芯区150相连接，而其另一端与光信号的输入或输出端口相连接。线性芯区140由线性光学聚合物构成，该聚合物具有的光波导损耗低于非线性光学聚合物的光波导损耗。此外，下包层170和上包层180都由折射率低于线性光学聚合物和非线性光学聚合物的折射率的材料构成。
在采用非线性光学聚合物来制作根据本发明的低损耗光学有源器件，比如光学开关或光学调制器的过程中，使用了具有UV光可固化官能团和非线性光生色团诸如环氧树脂，丙烯酸酯或含硅官能团的聚合物材料。
现在说明通过将非线性光学聚合物只注入非线性效应发生区而制作根据本发明的低损耗光学有源器件的方法。
图3是为了说明本发明的目的，表示本发明整体结构沿A-A′、B-B′和C-C′剖面线的定义的示意图。图4表示了根据本发明在一基片上涂覆下包层的情况。
首先，用一个透明基片100作为基片。但是，基片100没有具体限制，可以采用透过UV光的任何基片。例如，可以采用玻璃片。接着，用旋涂(spin-coating)法在基片100的表面上形成线性聚合物下包层170。可以通过对由旋涂线性聚合物构成的下包层170的薄膜材料进行UV光曝光、固化和烘干，来改良该材料。
图5表示了根据本发明，在形成于基片100上的下包层170上形成第一金属层190。为了形成第一金属层190，用旋涂法在下包层170上涂覆光刻胶(PR)。然后，有预定图案的光学掩膜套准(aligned)在基片100上，且UV光有选择地照射在光刻胶PR上。之后，光刻胶PR浸入显影液中显影，再烘干，从而形成PR图案。用真空沉积法，如溅射、电子束或热蒸发等等，将第一金属层190沉积在形成有PR图案的下包层170上。沉积完毕之后，去除光刻胶从而获得第一金属层190。
图6表示了根据本发明在第一金属层190上形成第二金属层200。按与第一金属层190相同的方式形成第二金属层200。换句话说，将光刻胶PR涂覆在形成有下包层170和第一金属层190的基片100上，并将光学掩膜套准在基片100上再让UV光照射在其上，从而形成第二金属层200的PR图案。之后，用真空沉积法在所得的有PR图案的结构上沉积金属，再去除光刻胶PR，从而获得第二金属层200。第一和第二金属层190和200必须用不同的材料构成。尤其是，当用蚀刻剂蚀刻第二金属层时，第一金属层190必须不受蚀刻剂的影响。在形成由非线性聚合物和线性聚合物构成的波导的过程中，第一和第二金属层190和200用作UV光的掩膜。
图7A至7E是沿着图3所示A-A′和C-C′线截取的一些流程图，表示根据本发明的优选实施例将由非线性有机聚合物制成的波导芯150有选择地形成在产生非线性效应的区域中。
首先，为了在器件中产生非线性效应的区域中形成由非线性有机聚合物制成的波导芯150，旋涂可由UV光固化的非线性有机聚合物，以在基片100上形成非线性聚合物层160。
图7A表示了根据本发明用旋涂法形成非线性聚合物层160的情况。然后如图7B所示，从基片100的底部一侧对其进行UV光曝光。第一和第二金属层190和200用作防UV光的掩膜，以便仅仅有选择地固化非金属层部分中的非线性聚合物。这样的选择固化部分就是非线性聚合物构成的波导芯150。这些步骤表示在图7B和7C中。
图7D至7E表示形成第三金属层210的情况。具体地讲，首先，用旋涂法将光刻胶PR涂覆在形成有波导芯150的基片100上。类似地，无需单独的掩膜套准操作而从基片100底部一侧对其进行UV光曝光。在显影过程中去除经UV曝光过的PR部分，而留下其余部分。用这种方法形成了PR图案后，通过真空沉积法沉积第三金属层210。在沉积了第三金属层210之后去除光刻胶PR，从而仅仅在由非线性聚合物构成的波导芯150的区域上形成第三金属层210，如图7E所示。然后用蚀刻剂蚀刻第二金属层200。
在以后的步骤中，由线性聚合物构成的波导芯140与由非线性聚合物构成的波导芯150相连接。图8A至8F是沿着图3所示B-B′和C-C′线截取的一些流程图，表示根据本发明的一优选实施例将由线性有机聚合物制成的波导芯140有选择地形成在不产生非线性效应的区域中的情况。如图8A所示，以B-B′线为基础，下包层170和第一金属层190形成在基片100上。如图8B所示，以C-C′线为基础，将线性聚合物旋涂在顺序沉积了由非线性聚合物构成的波导芯150和第三金属层210的基片100上。然后，如图8C所示，用UV光从基片100底部一侧对其照射，以使UV光被第一金属层190遮挡。于是，UV光仅仅固化了线性波导芯区，从而形成了由线性聚合物构成的波导芯140。这里，固化的厚度可以通过UV光照射量加以调节。用适当溶剂去除未用UV光固化的其余线性聚合物部分。图8D表示了通过固化线性聚合物形成线性聚合物波导芯140的情况。而且如图8D所示，用蚀刻剂对由非线性聚合物制成的波导芯150上的第三金属层210和沉积在下包层170上的第一金属层190进行蚀刻。然后，在基片100上旋涂用作上包层的聚合物并将所得结构全部UV光固化，从而获得上包层180。图8E表示了包括非线性聚合物波导芯150和线性聚合物波导芯140的波导彼此连接的情况。
接下来，将说明本发明的操作。图2表示本发明有如下结构的低损耗光学有源器件，即波导芯140和150由线性聚合物和非线性聚合物构成，并且一电极130和由非线性聚合物构成的波导芯150形成在该光学有源器件中产生非线性效应的区域内。通过直接加在电极130上的电压或加一电场，使从一端输入的光信号传输通过该光学有源器件内不产生非线性效应区域中的由具有低的光传播损耗的线性聚合物构成的波导芯140。然后，光信号的光学特性由直接加在电极130上的电压或电场来改变，同时该光信号传输通过电极部分的由非线性聚合物构成的波导芯150。改变的光信号再次通过由线性聚合物构成的波导芯140，并输出到输出端。
根据传统的方法，波导芯150由其波导损耗高于线性聚合物的波导损耗的非线性聚合物构成，即便是只用于光信号传导的波导区也是如此。于是，器件的导波总损耗增加，增大了器件的注入损耗。
与传统方法相反，根据本发明，由非线性聚合物构成的波导芯150仅仅形成在产生非性线效应的区域内，而由线性聚合物构成的波导芯140形成在其余的区域内，从而降低了器件的导波总损耗和注入损耗。
图9A和9B分别表示了根据本发明的一优选实施例的一个定向耦合器型光学开关和一个马赫-策德尔型光学调制器。图9A表示了一个定向耦合器型光学开关，它是一种光学有源器件。从输入端1输入的光信号通过光学有源器件内的波导110传输，该波导由光传播损耗低的线性聚合物制成。光信号的光学特性由直接加在电极130上的电压或电场来改变，同时该光信号通过电极部分处的由非线性聚合物制成的波导120传输。改变后的光信号再次通过由线性聚合物制成的波导110传输，并将其输出到输出端3或4，由此构成一个光学开关。图9B表示了根据本发明的一优选实施例的一个马赫-策德尔型光学调制器。从输入端1输入的光信号通过光学有源的波导110传输，该波导由光传播损耗低的线性聚合物制成。光信号的光学特性由直接加在电极130上的电压或电场来改变，同时该光信号通过电极部分处的由非线性聚合物制成的波导120传输。改变后的光信号再次通过由线性聚合物制成的波导110传输，并将其输出到输出端2。如此输出的光信号调制初始光信号的强度。
由于光学非线性效应仅仅发生在用有机光学聚合物形成光学有源器件过程中沉积有电极的区域内，所以仅在电极部分用非线性有机聚合物形成波导芯，而在不需发生非线性效应的其余区域，用其光传播损耗低于非线性有机聚合物的光传播损耗的线性有机聚合物形成波导芯。因此，可以降低光学有源器件的总注入损耗。
如上所述，在按照本发明用非线性聚合物制作光学波导器件的方法中，为了降低器件的波导损耗，由非线性聚合物制成的波导仅仅有选择地形成在发生非线性效应的区域内，从而改进器件的总体性能。
而且，仅在诸如光学调制或光学开关等非线性效应发生的区域内用非线性聚合物形成波导，在其余区域用线性聚合物形成波导，从而器件的总波导损耗比整个波导都用非线性聚合物形成的情况要小。

Claims (12)

1.一种用于制作具有光波导的光学有源器件的方法，该光波导包含一个传导光信号时引起非线性效应的光学波导芯区(非线性芯区)，和一个不会引起非线性效应的光学波导芯区(线性芯区)，该方法包括下述步骤：
用线性聚合物在可透过紫外(UV)光的基片上形成一下包层；
在该下包层上的一个区域内形成不透过UV光的第一金属层，其它区域将要沉积上光波导；
在沉积的第一金属层上且与线性芯区两端头相邻处，形成由不同于第一金属层的材料制成并且不能透过UV光的材料所构成的第二金属层；
在波导区、第一金属层和第二金属层上形成非线性聚合物层；
通过从基片底部一侧用UV光对其曝光，并去除形成在第一和第二金属层上的未固化的非线性聚合物，而仅在非线性芯区形成固化的非线性聚合物；
在沉积在非线性芯区的非线性聚合物上形成第三金属层；
去除该第二金属层；
在该第一金属层和光波导上涂覆线性聚合物；
通过从基片底部一侧用UV光对其曝光，而仅在线性芯区形成线性聚合物；
去除沉积在下包层上的第一金属层和第三金属层；以及
在下包层和波导芯区上形成上包层。
2.根据权利要求1所述的方法，其中形成该下包层的步骤用旋涂法实现。
3.根据权利要求2所述的方法，其中形成由旋涂的线性聚合物构成的下包层的步骤包括以下步骤：
通过对该下包层经UV光曝光而固化该下包层；以及
烘干下包层，以改善薄膜性能。
4.根据权利要求1所述的方法，其中形成该第一金属层的步骤包括以下步骤：
在下包层上涂覆光刻胶；
将有预定图案的光学掩膜套准在该基片上，以用UV光有选择地对该光刻胶曝光；
将光刻胶浸入一显影液中显影，并对其烘干，从而形成光刻胶图案；
用真空沉积法，将第一金属层沉积在具有光刻胶图案的基片上；以及
去除光刻胶。
5.根据权利要求1所述的方法，其中形成该第一金属层的步骤中的第一金属层不被能够蚀刻第二金属层的蚀刻剂所蚀刻。
6.根据权利要求1所述的方法，其中形成该第三金属层的步骤包括以下步骤：
在具有在形成非线性聚合物步骤中所形成的固化的非线性聚合物的基片上涂覆光刻胶；
通过从基片底部一侧让UV光照射在其上以除掉沉积在固化的非线性聚合物上的光刻胶，而形成光刻胶图案；
通过真空沉积法在有图案的基片上沉积该第三金属层；以及
去掉沉积在基片上的光刻胶。
7.根据权利要求1所述的方法，其中去除该第二金属层的步骤是通过用不能蚀刻该第一金属层的蚀刻剂蚀刻该第二金属层而实现的。
8.根据权利要求1所述的方法，其中在所述固化线性聚合物的步骤中被固化的线性聚合物的厚度由照射的UV光的光量调节。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述上下包层具有的折射率低于构成波导芯的线性聚合物和非线性聚合物的折射率。
10.根据权利要求1所述的方法，其中非线性光学聚合物材料是对UV光敏感的，并将非线性光生色团作为其官能团。
11.根据权利要求1所述的方法，其中线性光学聚合物材料是一种线性光学有机材料，它对工作光波长来说是透明的，并且其光波导损耗低于非线性聚合物的光波导损耗。
12.一种将至少一个输入光束传输成至少一个输出光束的光学有源器件，它包括：
一块基片；
沉积在一基片上的下包层；
沉积在该下包层上用于传播光信号、并且包含产生非线性效应的非线性芯区和不产生非线性效应的线性芯区的光波导；以及
沉积在该光波导和下包层上的上包层，其中光波导的非线性芯区沉积在线性芯之间并由非线性聚合物制成，光波导的线性芯区具有一个与非线性芯区相连的端头和具有另一个与光信号的输入或输出端口相连的端头，并由其光波导损耗低于非线性聚合物的光波导损耗的线性聚合物制成，而且其中该上下包层的折射率低于构成波导芯的线性聚合物和非线性聚合物的折射率。
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