CN1245563A - 混合的有机－无机平面光波导器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及在一基体(12)上形成的平面光学器件,它包含一列波导芯层(14)和与该芯层接触地形成的包层(16)。该波导芯层列(14)和包层(16)中至少有一者是一种无机—有机混合材料,该材料包含一种含有硅原子和氧原子的广延的基体,在该广延的基体中至少有一部分硅原子与取代的或未取代的烃部分直接键合。根据本发明的其它实施方案,形成芯层列的方法包括以下步骤:制备波导芯层组合物前体材料,部分水解和聚合该材料,在对形成无机—有机混合材料有效的条件下形成波导芯层列,所述混合材料包含一种含有硅原子和氧原子的广延的基体,其中至少有一部分硅原子与取代的或未取代的烃部分直接键合。

Description

混合的有机-无机平面光波导器件
有关的申请
本申请享有下列申请的利益：S.Dawes于1996年12月13日递交的题为“用于连接光传输材料的方法和组合物”的美国专利申请No.60/032,961(该专利文献在此引作参考)以及S.Dawes和A.Sadd于1997年10月22日递交的题为“光导材料及连结”的美国专利申请No.08/956,177(该专利文献在此引作参考)。
发明领域
本发明涉及平面光波导器件，其中有一层是用混合无机-有机材料加工方法形成的。尤其是其中有一层是无机-有机混合材料，所述材料含有广延的基体，该基体含有硅原子和氧原子，其中部分硅原子直接与取代的或未取代的烃部分键合。本发明还涉及不采用光刻工艺而形成平面光波导器件的方法。较好的是该无机-有机材料含有一种固体材料，它包括甲基-硅氧烷基团、苯基硅氧烷基团和氟，该固体材料是通过热固化一种前体混合物而得到的，所述前体混合物包括聚二甲基-硅氧烷、甲基三烷氧基硅烷、苯基三烷氧基硅烷以及含有氟原子的结构改性剂。
发明背景
典型的光波导器件包括平面基体，一排支承在该平面基体上的波导芯以及覆盖层。光辐射在所述芯中传播。具有较低折射率的覆盖层把光辐射限制在具有较高折射率的芯层内。在某些情况下，在所述芯和平面基体之间还存在第二覆盖层。
设计平面光波导器件使其能将光辐射传输通过二维平面基体表面。该器件通常对光辐射产生被动的功能，由此以特殊的方式改变来自输入信号的输出信号。平面光波导器件一些实例如下所述。光分离器(optical splitter)将一个波导中的光信号功率分至两个或更多个波导中。耦合器(coupler)将来自两个或更多个波导的光信号叠加入较少数目的输出波导中。光谱滤波器(spectral filter)、偏振器(polarizer)和隔离器(isolator)可引入波导设计中。WDM(波分复用(WavelengthDivision Multiplexing))结构将输入光信号分离至光谱分离的输出波导中，通常采用相位阵列设计(phase array design)或光栅。平面光波导器件的一个特殊的优点是能在一个平台(platform)上包含多种功能。在平面设计中也可包含主动的功能(active functionality)，其中输入信号通过与第二种光信号或电信号相互作用而改变。主动功能的实例包括转接(使用电-光器件、热-光器件或声-光器件)和放大。
一般来说，平面波导器件的主要属性是光损耗，以及加工性能和费用。加工性能是指以良好的分辨率且无缺陷地写入(write)所需的波导结构图案的能力。每个器件都有各自的技术要求，在符合更一般的要求之外还必须满足这些技术要求。
为了获得平面光波导，现有技术中通常采用以下通用方法。首先提供一基体。该基体可以是硅或硅石，提供一清洁平滑表面。当该基体是硅基体时，沉积一层涂层(低折射率的二氧化硅或硅酸盐)。然后在该基体上沉积具有精确厚度的、高折射率的芯层(一种硅酸盐)。所述芯层和外涂层均由火焰水解反应技术或者CVD技术或等离子体沉积技术制得。接着，对平面层构图，形成一列波导芯层，通常采用光刻技术或蚀刻技术的一些变更方法。最后，沉积低折射率的外层以完成波导结构。这些方法步骤的所有变更方法都存在固有的高成本的问题。沉积时间长且构图技术费时费力。用该方法能形成高质量的结构，其特征分辨率(feature resolution)达0.5微米之低，且缺陷数量少。在高附加值应用(high valueadded application)中，如WDM器件，该方法显示出一定的商业可行性。而在其它应用中，如耦合器，则成本过高，因而不能与其它技术相竞争。
根据上述考虑，本发明的一个目的是提供一种平面光波导器件，该器件克服了现有技术中存在的上述问题。更具体地说，本发明的一个目的是提供一种平面光波导器件，该器件是由低成本的吸收率低的光学材料形成的，它具有一定范围的折射率，可快速沉积，在非固态发生大部分质量损失(mass loss)。本发明的另一个目的是提供形成平面波导器件的方法，该方法不需要采用光刻技术。
发明综述
根据本发明的说明性实施方案，在一基体上形成平面光学器件。所述器件包含一列引导光辐射的波导芯层。与这列波导芯层接触地形成包层，以使光辐射受限于这列波导芯层。这列波导芯层和包层中至少有一种是无机-有机混合材料，该材料包含一种含有硅原子和氧原子的广延的基体，在该广延的基体中至少有一部分硅原子与取代的或未取代的烃部分直接键合。可将该材料设计成折射率为1.4至1.55，并能快速沉积至厚度达40微米。该材料特别适用于形成平面波导结构，因为它在1310纳米和1550纳米传输窗口具有低的光损耗。对该材料从粘稠的无溶剂状态进行热固化，以最少的质量损耗达到完全缩合(condensation)及最终的弹性，并得到抗裂性和良好的形状保持性。
根据本发明的另一个实施方案，用于形成平面光学器件的方法中不需要使用光刻方法。
用于形成一列芯层的方法说明性地包括以下步骤：
(1)制备波导芯层组合物前体材料，它包括至少一种硅烷和烃部分的源，(2)部分水解和聚合该波导芯层前体材料，形成波导芯层组合物，(3)使用一模具，形成一列包含该波导芯层组合物的波导芯层，(4)在对形成无机-有机混合材料有效的条件下，完成该波导芯层组合物的水解和聚合，所述混合材料包含一种含有硅原子和氧原子的广延的基体，其中至少有一部分硅原子与取代的或未取代的烃部分直接键合。然后在这列波导芯层上沉积一包层。使用模具对这列波导芯层进行构图，不需要使用光刻技术。这是本发明的一个很重要的优点。
综上所述，可制得完全平面波导结构，或者如果需要可在按常规蚀刻的硅酸盐芯层波导列上提供外包层。本发明的主要优点是降低成本。在按常规构图的玻璃波导芯层列上使用本发明的外包层有很多优点。使用低的加工温度避免了波导芯层的任何形变，而高温处理会使波导的原始形状发生变形。低温和本发明的外包层具有的低模量也导致波导上低的应力场，因此可以使应力引起的极化作用达到最小。
附图的简要说明
图1示意地说明本发明的平面波导器件。
图2示意地说明本发明的另一种平面波导器件。
图3A、3B、3C、3D、3E、3F、3G、3H和3I示意地说明本发明的用于形成一列波导芯层的一种较好的方法。
图4A、4B、4C、4D和4E示意地说明本发明的用于形成一列波导芯层的另一种较好的方法。
图5、6和7为溶胶-凝胶混合材料的近红外吸收谱。
发明详述
为了清楚起见，对本发明的详细叙述分为以下若干部分：
A、平面光波导器件
B、用于形成所述平面光波导器件的材料
C、用于形成平面光波导器件的材料的具体实例
D、用于形成平面光波导器件的方法
E、平面光波导器件的实例
F、用于形成平面波导器件的材料的光谱
A、平面光波导器件
图1的剖面图显示了根据本发明的一个说明性实施方案的平面光波导器件。该器件10包含基体12。所述基体12可以是硅或二氧化硅。在该基体上形成一列组成图案的波导芯层14。说明性地，每一波导芯层的尺寸(高度和宽度)可小至0.5微米。可对波导芯层14进行构图以形成分路器、耦合器、滤光器、WDM器件以及具有其它功能的器件。
用一层包层16覆盖波导芯层14。在本发明的一个实施方案中，这列波导芯层是用常规方法蚀刻的硅酸盐波导芯层列。所述包层可以是无机-有机混合材料，所述混合材料包含一种含有硅原子和氧原子的广延的基体，其中一部分硅原子与取代的或未取代的烃部分直接键合。
在本发明的另一个实施方案中，芯层列14和包层16可均为无机-有机混合材料，所述混合材料包含一种含有硅原子和氧原子的广延的基体，其中一部分硅原子与取代的或未取代的烃部分直接键合。如下所述，该材料的折射率可设计成能使芯层具有高折射率而包层具有低的折射率。
在本发明的另一个实施方案中，如图2所示，平面光学器件20包含基体22、第一包层24、一列波导芯层26和第二包层28。包层24、28和这列波导芯层均可包含一种无机-有机混合材料，所述混合材料包含一种含有硅原子和氧原子的广延的基体，其中一部分硅原子与取代的或未取代的烃部分直接键合，每一层有选定的折射率。
较好的是，所述无机-有机材料包含一种固体材料，该固体材料是由固化(最好是热固化)一种前体材料得到的包含甲基-硅氧烷基团、苯基硅氧烷基团和氟的材料。较好的是所述前体材料包含一种含聚二甲基硅氧烷、甲基三烷氧基硅烷、苯基三烷氧基硅烷和带有氟原子的结构改性剂的前体混合物。
B、用于形成平面光波导器件的材料
本发明的实践还包括制备包层和/或芯层组合物前体材料。如下所述，该前体材料根据是否需要芯层组合物或包层组合物前体材料而进行调节。由芯层或包层组合物前体材料分别形成包层和芯层组合物。然后用这些组合物形成包层和波导芯层列。所述前体材料包含一种可水解的前体的混合物，所述混合物主要包含至少一种烷氧基硅烷，所述烷氧基硅烷选自四烷氧基硅烷、烷基三烷氧基硅烷和芳基三烷氧基硅烷。它可以任选地含有下述的改性剂。
所述混合物可溶解在溶剂(如乙醇)中，并通过加入酸和水而水解。所述前体混合物也可以净混合(无溶剂)，并通过加入水和任选地加入酸而水解。使所述组合物老化，同时进行水解和缩合(聚合)，以形成粘稠的芯部包层组合物。该部分水解和聚合的材料在下文中称作芯层或包层组合物，以与最终的芯层或包层相区别，在最终的芯层或包层中，固化之后水解和聚合基本完成。
理想的是使水解和缩合反应进行到足够的程度，使溶剂蒸发期间不损失任何前体。研究表明，为此需要在室温下老化足够长的时间，大约50小时。我们已发现，在低于100℃的温度下适度加热该混合物，能使该时间缩短到少于5小时。尤其是通过在约75℃加热3小时，可达到相当程度聚合(约80％)。非常令人惊奇的是在高的加热速度下形成最终的包层或芯层时，通过加速老化过程而产生的凝胶不易开裂。
四烷氧基硅烷是硅原子上带有四个与其键合的烷氧基。这四个烷氧基通常是相同的，但这只是为了方便起见。在此所用的烷氧基包括所有醇(包括脂族醇)的脱质子形式。
烷基三烷氧基硅烷是硅原子上键合有3个烷氧基和一个烷基。烷基也意味着包含芳烷基。适用于本发明的烷基三烷氧基硅烷包含例如甲基三甲氧基硅烷(“MTMS”)和甲基三乙氧基硅烷(“MTES”)。
芳基三烷氧基硅烷是硅原子上键合有3个烷氧基和一个芳基。在本文中，芳基也意味着包含烷芳基部分。适用于本发明的芳基三烷氧基硅烷包含例如苯基三甲氧基硅烷(“PTMS”)和苯基三乙氧基硅烷(“PTES”)。
较好的是所述前体混合物包含PDMS(聚二甲基硅氧烷)、MTES和PTES，最好还包含供氟源，如HF和三氟硅烷，以及水。
水解的芯层或包层组合物最好包含一些其它的有机组分，这些组分能在微观水平上使由硅烷水解产物聚合所形成的无机网络改性。这种有机组分能以一个硅原子具有一个有机金属键使网络改性。另一方面，所述有机组分可作为一个互相贯穿的、分子内的或分子间的不连接于硅原子的网络共存于该无机网络中。
可包含在所述水解的结合组合物中的适宜的有机组分包括惰性网络改性剂、活性网络改性剂、有机成网改性剂、活性聚合改性剂、活性可聚合的改性剂以及非相互作用、互相贯穿的网络改性剂中的一种或多种水解产物。
惰性网络改性剂包括烷基烷氧基硅烷和芳基烷氧基硅烷，特别是具有分子式(R1)n(R2O)4-nSi的改性剂，式中n为1、2或3。OR2是烷氧基部分，如乙氧基和甲氧基。R1可以是烷基部分或芳基部分，包含例如甲基、乙基和苯基。
水解的芯层或包层组合物可包含约0％至100％(摩尔)，较好约50％至100％(摩尔)，最好约50％至96％(摩尔)的惰性网络改性剂的水解产物，如甲基三乙氧基硅烷的水解产物。有关惰性网络改性剂的进一步细节可参见有关文献。
活性网络改性剂有(取代的烷基)烷氧基硅烷和(取代的芳基)烷氧基硅烷，其中烷基或芳基取代基中至少有一个是能与金属原子或离子形成配合物的官能团，如氨基官能团、巯基官能团或羟基官能团。据认为这种官能团能促进聚合的芯层或包层组合物对无机材料的表面粘附力。活性网络改性剂也可以促进对有机表面的粘附力。
适宜的活性网络改性剂是那些具有分子式(R3)n(R2O)4-nSi的改性剂，式中n为1、2或3，而OR2是烷氧基部分。R3可以是氨基、羧基、巯基或羟基取代的烷基或芳基部分。活性网络改性剂的水解产物的含量最好为约1％至25％(摩尔)。
如上所述，水解的芯层或包层组合物也可包含有机成网改性剂、活性聚合改性剂或活性可聚合的改性剂的一种或多种水解产物。这些改性剂的水解产物在聚合时被认为形成了一些有机网络，它们通过Si-C键共价键合到无机网络上。
有机成网改性剂是一些(取代的烷基)烷氧基硅烷化合物，它们被能参与与其它类似取代的(取代的烷基)烷氧基硅烷化合物的聚合反应的一些基团所取代。
适用的成网改性剂包含那些具有分子式(R4)n(R2O)4-nSi的改性剂，式中n为1、2或3，而OR2是烷氧基部分，适用的例子有乙氧基和甲氧基。R可以是取代的烷基部分或芳基部分，如烷基丙烯酰氧基烷基、丙烯酰氧基烷基、乙烯基或(环氧基取代的)烷基硅烷。
水解的芯层或包层组合物可包含约0％到95％(摩尔)，最好约0％到约50％(摩尔)的有机成网改性剂的水解产物，如甲基丙烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷的水解产物。当被用来赋予官能特性时，如使其能进行光固化，这种有机成网改性剂的水解产物的含量最好为约20％到50％(摩尔)。
在使用有机成网改性剂的情况下，如果能在水解的芯层或包层组合物中包含一种光引发剂将是特别有利的。适用的光引发剂包括二茂钛自由基光引发剂(titanocene radical photoinitiator)，如IRGACURETM784或阳离子铁光引发剂(cationic ferrocinium photoinitiator)，如IRGACURETM261，这两者均可由纽约州Ardsley的Ciba Geigy购得。当使用光引发剂时，其在水解的芯层或包层组合物中的含量较好的是少于约0.8％(重量)，更好为约0.2％至约0.8％(重量)。
活性的聚合改性剂是一些无机或有机聚合物，它们能参予与水解的四烷氧基硅烷、烷基三烷氧基硅烷或芳基三烷氧基硅烷的缩合反应。
适用的活性聚合改性剂包含那些具有分子式(R2O)3O-Si-O-(P)n-Si-O(OR2)3，或者是(HO)-(P)n-OH的改性剂，式中，(P)n代表有机聚合物，如聚环氧丁烷(polytetramethylene oxide)，而OR2是烷氧基部分，如乙氧基和甲氧基。
其它适用的活性聚合改性剂包括聚二烷基硅氧烷，其分子式为R5O[-Si(R6)2-O-]nR5，式中，n是约2-50的整数；R5是氢、或者烷基或芳基部分；R6是烷基，最好是甲基。较好的是，活性聚合改性剂是聚二甲基硅氧烷，分子量为约200到约900克/摩尔，最好是约550克/摩尔。
所述水解的芯层或包层组合物可包含约0％到约40％(摩尔)，最好是约4％到8％(摩尔)的活性聚合改性剂的水解产物。
活性可聚合的改性剂是取代的烷基烷氧基硅烷化合物，它只能在与第二种可聚合的组分结合使用才能形成有机网络，该第二组分可与取代的烷基烷氧基硅烷化合物上的取代基起反应。该第二种可聚合的组分可以被(或不被)键合到烷氧基硅烷上。
活性可聚合的改性剂包括(氨基烷基)烷氧基硅烷、(氨基芳基)烷氧基硅烷、(环氧基取代的烷基)烷氧基硅烷、(环氧基取代的芳基)烷氧基硅烷及其混合物。
当所述活性可聚合的改性剂是(氨基烷基)烷氧基硅烷或(氨基芳基)烷氧基硅烷时，水解的芯层或包层组合物还可包含(环氧基取代的烷基)烷氧基硅烷的水解产物。另一方面，所述水解的芯层或包层组合物还可以包含具有两个或更多个官能团的有机组分，所述官能团能与通过有机主链连接的环氧基团反应，如胺基。适宜的主链包括亚烷基部分和聚合物双基。
当所述活性可聚合的改性剂含有(氨基烷基)烷氧基硅烷时，所述水解的粘结组合物还可包含具有两个或更多个官能团的有机组分，所述官能团能与胺反应，与其形成共价键。
所述水解的芯层或包层组合物可包含约0％到约95％(摩尔)，最好是约0％到约50％(摩尔)的活性可聚合的改性剂的水解产物。当被用来赋予官能特性时，如使其可光固化或增加广延的氧化硅基体的塑性，这种活性可聚合的改性剂的水解产物的含量最好为约20％到约50％(摩尔)。在一个较好的实施方案中，所述活性可聚合的改性剂中的至少一种含有对水解稳定的硅-碳键。
非相互作用的、互相贯穿的网络改性剂是一些有机聚合物，较好的是不包含能与硅原子形成Si-C键的基团的有机聚合物，或者是这些有机聚合物的前体，它们能通过如自由基聚合反应形成这些有机聚合物。
这些非相互作用的、互相贯穿的网络改性剂可以约0％到约50％(摩尔)的量加入所述水解的芯层或包层组合物中。当它们用来赋予功能特性，诸如增加塑性或将光活性聚合物引入广延的氧化硅基体中时，这些非相互作用的、互相贯穿的网络改性剂的含量最好为约5％到约25％(摩尔)。有关这些非相互作用、互相贯穿的网络改性剂的详情可以在例如美国专利No.5,412,016(授予Sharp)中找到，该专利文献在此引为参考。
当需要提高聚合的水解的芯层或包层组合物的折射率时，所述组合物中还可含有一种或几种活性化合物，所述化合物含有选自Ge、Ti、Zr、Hf、Er、Nd的元素。醇盐可以任选地水解成它们的水解产物。
水解的芯层或包层组合物中醇盐及其水解产物的总量取决于聚合时所需的折射率。所述水解的芯层或包层组合物中醇盐及其水解产物的适宜总量的范围可为0％至约25％(摩尔)，最好为约0％至约15％(摩尔)，取决于水解的芯层或包层组合物所需的折射率改变或稳定性。
较好是通过将芳基三烷氧基硅烷(尤其是苯基三烷氧基硅烷)和/或芳基三氟硅烷(尤其是苯基三氟硅烷)加入粘结组合物中，而改变聚合的水解的芯层或包层组合物的折射率。
所述水解的芯层或包层较好包含氟化物源，如氟硅烷的水解产物，例如烷基氟硅烷。其它合适的氟化物源，如氟化氢、二氟化铵和其它可离解(dissociate)的氟化物盐均可使用。在要求对约3300cm-1 SiO-H红外吸收带进行抑制的场合，加入一种氟化物源是有利的。这样一种情况就是光传输材料必须让红外辐射通过而不发生显著衰减的场合。
在水解的芯层或包层组合物中存在的氟化物源的量主要取决于可接受的红外吸收水平。当氟化物源是氟硅烷的水解产物时，氟硅烷的水解产物的量达到0％到约25％(摩尔)，最好是约5％到约15％(摩尔)时，就可以使Si-OH吸收带明显减小。
本发明中所用的特别好的芯层或包层组合物是可聚合的无机-有机混合物，该混合物中包含一种硅烷，该硅烷选自四烷氧基硅烷、烷基三烷氧基硅烷、芳基三烷氧基硅烷、三烷氧基硅烷、烷基丙烯酰氧基丙基三烷氧基硅烷(alkacryloxypropyltrialkoxysilane)，及其混合物，其总量为约50％到约95％(摩尔)。本发明的可聚合的组合物中还包含一种网络改性剂，选自单体二烷基二烷氧基硅烷和聚合的聚二烷基硅烷，其含量在约4％至约25％(摩尔)；芳基三氟硅烷，其含量在约5％至约20％(摩尔)；四烷氧基钛，含量在约0％至约10％(摩尔)；以及四烷氧基锗，含量在约0％至约20％(摩尔)；所有含量值都是根据溶胶-凝胶组合物的量计算的。
可以通过将水加入包含烷氧基硅烷的芯层或包层前体材料中制备水解的芯层或包层组合物。当水一加入，水解立即开始，并导致羟基取代烷氧基。各种硅烷水解的速度可不同，取决于与硅原子键合的取代基的性质。因而比较好的做法是各个烷氧基硅烷(或其它元素的醇盐，例如四乙氧基锗)的水解过程分别进行，并在某些或全部烷氧基已水解之后再将它们混合在一起。
在进行固化过程的水解阶段中所用的水的量可在一很大的范围内变化，如根据 反应，完全水解存在于前体材料中的全部烷氧基-硅键所需要的化学计量值的约25％至约800％。最好是所加水的量是化学计量值的约75％至约100％。可加入少至化学计量值的25％的水，以及/或者将水分阶段加入凝胶中。
醇盐的水解反应释出醇作为反应产物。这些醇可通过打开容器及蒸发而从水解的芯层或包层组合物中去除。当醇去除时，所述水解的芯层或包层组合物的粘度逐渐增加。
水解可按下列通用程序进行。将芯层或包层材料(包括选定的烷氧基硅烷)以及一种或多种任选的添加改性剂一起溶解在一种合适的溶剂中。最好是该溶剂不与所有的前体组分起反应并能使其溶解。较适合的溶剂是乙醇。在各前体的反应速度足够相近的情况下，这种前体组合物也可以不用溶剂而直接混合并水解。
将水和酸加入到前体组合物的溶液中，最好是在回流下加入。首先将水和酸在一溶剂中混合，该溶剂可以是用于溶解所述前体组合物的同一溶剂。酸和水可以慢慢地一起逐滴加入，也可分成几个相等部分加入。加入过程可进行20分钟至8小时，最好是1至3小时，同时使反应混合物保持回流并加以搅拌。当添加过程完成后，还可以边回流边继续搅拌一段时间，较适宜的是约30分钟。为了精确控制向反应混合物中加入水的量，添加过程和随后可任选的搅拌和回流可在一惰性气氛中进行，例如氮气或氩气。如果反应是在没有加溶剂的情况下进行时，将水分成一或两等份加入，并在约50至约90℃的温度下剧烈混合，直到均匀为止。
主要包含烷基三醇盐(alkyl trialkoxides)的水解的芯层或包层组合物采用下述的另一种通用方法来制备是比较有利的。在不加溶剂的情况下制备包含一种选定的烷氧基硅烷以及一种或多种任选的改性剂的芯层或包层组合物前体材料。将所需量的水加入所述组合物前体材料中。加水操作可以在室温下进行，也可以加热所述组合物，如在热水浴中进行。最好是在加水之前，使芯层或包层组合物前体材料处于约60℃至约80℃之间的某一温度下。也可以在较低的温度下加水，以通过缓慢水解提高均匀性。如果加水过程是在排除环境空气中的水分的条件下，例如通过将反应容器的顶部密封起来的情况下进行时，就可以更好地控制前体材料与之反应的水的量。往前体材料中加水常会产生一种相分离的混合物。在这种情况下，可以搅拌这种相分离的混合物，以使水溶解在前体材料中。搅拌最好是在一个与周围大气隔离的容器中进行，例如加上一个盖子。搅拌之后，最好给系统通风(如果顶部密封的话)，然后在从室温直至约100℃之间的某一温度下静置，静置时最好与周围的大气隔离，静置时间从约15分钟到约1小时。冷却之后，可对水解的芯层或包层组合物任选地进行老化，最好是在室温下老化约1至10天。
锗和钛的醇盐水解很快。因而，当要将它们加入到前体材料中时，最好延迟一段时间再将它们加入该混合物，延迟到烷氧基硅烷至少部分水解。这一延迟使锗和钛更均匀地结合到该无机基体中。
水解反应可以通过无机酸或者有机酸(较好的是盐酸)催化。这种水合反应中所用酸的量可从约0％到约5％，这是按所用的每摩尔水的酸的当量表示的。当前体材料包含氟化物源时，例如PTFS，用酸几乎没有什么好处。
在水解反应中用水的量可从约10％至约200％，这是按每摩尔可水解的烷氧基所对应的水的摩尔数表示的。一摩尔烷氧基水解从化学计量上看，需要0.5摩尔的水。在前体材料中包含聚二烷基硅氧烷的情况下，水的量最好从约45％至约55％。
加入酸和水以及任选地再进行回流之后，所产生的水解的芯层或包层组合物可在室温贮存约3天到30天，然后再用来连接光传输器件。通过采用二甲基甲酰铵作为反应溶剂，或作为醇的共溶剂，常可使贮存期限延长。
在水解的芯层或包层组合物包含锗或钛的情况下，可以通过在烷氧基硅烷的水解部分地或者较好地全部完成之后，向溶胶中加入锗或钛的醇盐来延长其贮存期限。也可以通过减少在水解过程中所用的水的量，例如化学计量的约50％到约25％，来延长贮存期限。
将芯层或包层组合物施用于基体上形成一薄层。如下文中所详细讨论的，可用一模具使该薄层形成图案。然后使该芯层或包层组合物聚合，形成平面光波导器件。在聚合之前，从芯层或包层组合物中蒸去反应副产物醇类常常是有利的。本文中所用的术语聚合是指水解的芯层或包层组合物中的无机组分的聚合反应。聚合可以在室温下经过一段较长的时间来完成。但是通常都希望能加速该聚合过程，例如进行热辐射。加热可用任何一种常规的热辐射源进行，诸如火焰、热枪、高温油浴或辐射，如用一束聚焦的红外激光。加热的量最好足以快速聚合该水解的芯层或包层组合物，但又不会导致明显的溶剂截留而形成气泡。聚合温度约在150℃至300℃，最好是225℃至250℃。聚合的组合物的强度足以耐受正常的牵拉。
在某些情况下，聚合的芯层或包层组合物的光和热的性质可以通过缩合该聚合的芯层或包层组合物来加以改善。较好的是将该聚合的粘结组合物置于较进行聚合反应的温度更高的温度下。
聚合时所形成的芯层或包层取决于起始的芯层或包层组合物的组分。包含一种或多种改性剂的水解产物的组合物形成包含氧化硅基体(即Si-O-Si网络)的芯层或包层，在该基体中，一部分硅原子直接键合到取代的或未取代的烃部分上。
在芯层或包层组合物包含惰性网络改性剂，或聚二烷基硅氧烷的水解产物的情况下，其烃部分是未取代的烷基或芳基部分。在芯层或包层组合物包含活性网络改性剂的水解产物的情况下，其烃部分是取代的烷基或芳基部分。在芯层或包层组合物包含有机成网改性剂的水解产物的情况下，其烃部分是取代的烷基或芳基部分，如亚烷基或亚芳基部分。所述亚烷基或亚芳基部分的一端键合到广延的氧化硅基体的硅原子上。由此形成Si-R-R′-R-Si结合，式中R是亚烷基部分，而R′代表包含在所述改性剂中的可聚合的有机官能团的自由基聚合反应的产物。
在水解的芯层或包层组合物包含除了聚二烷基硅氧烷之外的活性可聚合的改性剂的水解产物的情况下，烃部分是取代的烷基或芳基部分，诸如含有具有式-R-的亚烷基或亚芳基部分的烃。这些亚烷基或亚芳基部分的一端键合到硅原子上，形成Si-R-Si结合，式中R代表有机聚合物双基。
在水解的芯层或包层组合物包含活性可聚合的改性剂的水解产物的情况下，烃部分是取代的烷基或芳基部分，诸如含有具有式-R-R′-R-的亚烷基或亚芳基部分的烃。这些亚烷基或亚芳基部分的一端键合到硅原子上，形成Si-R-R′-R-Si结合，式中R代表亚烷基部分，而R′含有由胺与胺活性官能团反应产生的部分。
直接键合到取代的或未取代的烷基部分上的硅原子的百分数可以是约4％到约100％，较好的是从约20％到约100％，最好是从约50％到约100％。
包含非相互作用的、互相贯穿的网络改性剂或其水解产物的水解的芯层或包层组合物形成为包含广延的氧化硅基体(即-Si-O-Si网络)和互相贯穿的有机聚合物基体的粘结材料。该广延的氧化硅基体和互相贯穿的有机聚合物基体彼此并不键合，因此实际上在该有机聚合物基体中没有一个原子与拉伸的氧化硅基体上的原子键合。
经溶胶-凝胶处理的材料的一个常见的问题是在聚合反应和固化过程中由于质量损耗和缩合而导致的结构破坏。芯层或包层组合物在聚合和固化过程中具有独特的粘弹特性，使它们能避免严重的应力聚集(stress build-up)。在一个较好的实施方案中，所述水解的芯层或包层组合物可进行空气干燥，以除去反应副产物醇，以及在水解步骤中所用的所有溶剂。干燥得到一种粘稠的透明流体，其质量为水解的芯层或包层组合物样品的初始质量的40％至50％。所述经干燥的水解的芯层或包层组合物可在高达100℃的温度下进行加热，又将造成初始水解的芯层或包层样品的2％至5％的质量损耗。经再次加热的材料仍然保持经受塑性变形而不发生永久性破坏的能力。所述经干燥的芯层或包层组合物可在220至260℃的温度下固化，质量损耗为初始样品的2至5％，使所述材料处于弹性状态。
下表中列出了本发明组合物中的一个较好实例经受的质量损耗数据。
                                    质量损耗表
  阶段 前体 水解的溶胶 干燥的溶胶 部分固化的凝胶 固化的凝胶
  状态 流体   流体 粘稠的液体     塑性固体   弹性固体
初始质量％   100     100   45(室温)   43(＜100℃)   41(250℃)
请注意在塑性/固体状态之前的液体和塑性状态时发生至少50％质量损耗。由于在固态失去初始质量的不到6％，较好为不超过4％，因此以前的溶胶-凝胶开裂问题得以避免。
对于普通的光纤网络的应用，在632纳米工作时理想的折射率对于包层约为1.4565，而对于波导芯层约为1.465。组分的影响(如加入甲基改性剂)或结构的影响(如材料中的孔隙性)会明显降低折射率。其它的组分影响(如加入苯基改性剂或加入二氧化锗或二氧化钛)能明显提高折射率。较好的是波导芯层折射率在1.4-1.55的范围内，而包层折射率在1.3-1.6范围内。
通过在组合物中加入苯基三烷氧基硅烷、苯基三氟硅烷或是它们的混合物，可以较好地改变折射率。可制备包含0.04摩尔硅，并含具有直接与硅原子键合的苯基的组分的组合物。采用贝克线法，通过与一系列具有标准折射率的油相比较，测量在588纳米的折射率。下表详细描述了各种组合物的硅和它们的折射率的关系。这些组合物的折射率数据表明了可将折射率调节至所希望的1.39至1.55之间的能力。
    (Si-C6H5)/(总的Si)     折射率
    0     1.39
9 1.43
    27     1.47
    80     1.55
以上讨论揭示了一种芯层组合物前体材料和一种包层组合物前体材料。也讨论了如何将所述前体材料处理成包层组合物或芯层组合物。
C.用于形成平面光波导器件的材料的具体实例
结合下述具体实施例对本发明作进一步叙述。
适用于本发明的一种材料是溶胶-凝胶基硅倍半噁烷(sol-gel basedsilsesquioxane)。所述材料是由烷基烷氧基硅烷、芳基烷氧基硅烷、氟化物和水的多组分混合物制得的。
C.1合成制备方法1
下面叙述用于由芯层或包层组合物前体材料制备芯层或包层组合物的方法。
使用0.03摩尔硅配方进行制备，所述配方包括8摩尔％当量PDMS(聚二甲基硅氧烷)、73％MTES(甲基三乙氧基硅烷)和19％PTES(苯基三乙氧基硅烷)。得到的材料在632纳米的折射率为1.4565(包层配方)。芯层折射率(1.465)的组成见括号中的数据。
体积
(1)PDMS         0.18毫升
(2)MTES         4.36毫升       (3.95毫升)
(3)PTES         1.40毫升       (1.88毫升)
(4)HF(48重量％) 0.28毫升
(5)H2O         0.55毫升
在封闭的纳尔金(nalgene)容器中将HF和PTES混合在一起。然后将该混合物在75℃的水浴中加热15至30分钟。该步骤使所述混合物中的PTES组分预水解和氟化。然后将MTES和PDMS加入所述混合物中，再加热15至30分钟。最后加入水。加水之后需要搅拌约1至3分钟以使该溶液均化。使该溶胶-凝胶混合物在75℃老化3至6小时。
所述溶胶在冷却之后应是透明的，粘度较低。在此状态下的溶胶适宜于形成薄的涂层。因此，该溶胶形成包层组合物或波导芯层组合物材料。焙烧(firing)之后，该薄膜看上去非常透明，且在显微镜下看不到缺陷。
通过倒出溶胶并蒸去乙醇，可将该溶胶干燥至无乙醇的“干”形式。该形式的材料适宜于转移成型应用以形成波导芯层。为了干燥所述溶胶，将1克溶胶放入直径为2.5厘米的10毫升派热克斯烧杯中。一克溶胶干燥成约0.39克干溶胶。加热至240℃之后所述干溶胶的重量减至0.34克。用于处理薄膜和单片的最适宜的加热程序是以每分钟上升1℃的速度使温度升至240℃，保持10分钟，然后以每分钟1至2℃的速度冷却。可能不需要这样的慢速度，但对于通宵焙烧，这样做是方便的。圆盘是透明无色的。
C.2合成制备方法II
下面叙述了用于制备芯层或包层组合物的另一种方法和配方。
下面的配方中没有使用PDMS，而使用了二苯基二甲氧基硅烷作为替代。该配方的储存期限较长，但其在薄膜形式或制备单片的焙烧期间，具有较大的开裂倾向。
体积
(6)MTES         5.14毫升    (4.78)
(7)DPDMS        0.545毫升   (二苯基二甲氧基硅烷)
(8)PTES         0.435毫升   (0.87毫升)
(9)HF(48重量％) 0.28毫升
(10)H2O        0.55毫升
制备方法与上述合成制备方法I相同：将HF加入PTES和DPDMS的混合物中，在75℃使其反应30分钟。然后加入MTES，再加热30分钟。最后加入水并摇动直至透明。在75℃老化3小时。用与处理第一种配方时所用的基本相同方法处理该材料，不同之处在于干燥时从1克溶胶保留的质量为45％，而在250℃固化时为38％。具有该配方的薄膜和凝胶在干燥和固化期间是透明的，而在通过边缘观察时是无色的。图7是该材料的1毫米圆盘的近红外吸收谱。
C.3合成制备方法III
下面叙述了用于制备芯层或包层组合物的另外一种方法和配方。该方法中使用苯基三氟硅烷作为氟化物源，而不使用HF。用该制备方法制得的无机-有机混合材料适用于形成高度透明且无裂缝的单片和薄膜。下面给出了包层组合物的配方和芯层组合物的配方(见括号中的数据)。
体积(毫升)   包层组合物   (芯层组合物)
(11)PDMS         0.18        (0.18)
(12)MTES         4.27        (3.89)
(13)PTES         0.84        (1.30)
(14)PTFS         0.365       (0.365)
(15)H2O         0.745       (0.745)
在封顶的聚丙烯或纳尔金(Nalgene)容器中将PDMS、MTES、PTES和PTFS混合在一起。在热水浴中将该混合物加热至75℃，加热5分钟使其均化。向该热的混合物中加入水，再封闭。该混合物一开始发生相分离。加热至75℃并剧烈摇动，直至该溶液成为清澈透明，通常需20分钟左右。在冷却之前使该体系反应3小时。该组合物应是清澈透明的液体。
用与处理第一种配方时所用的基本相同方法处理该材料。在干燥时保留的质量为初始样品的45％，而在250℃固化之后保留的质量为初始样品的40％。通过在圆柱形模具中干燥和固化样品，制得1毫米厚的圆盘。图5和图6是包层样品的近红外吸收谱。
上述溶胶液体组合物(合成制备方法I和合成制备方法II)用作平面波导器件中的包层和构成图案的芯层的组合物。下面叙述用于形成包层和构成图案的芯层的方法。
D.用于形成平面光波导器件的方法
形成平面波导需要两个不同的步骤，沉积连续的薄膜用作包层，和沉积有图案的薄膜用作芯层。对这些将分别进行叙述。
为了避免产生缺陷，一般来说涂覆过程应在低颗粒(low particulate)环境中进行。所述溶胶是在标准实验室环境中制备的，然后使其处于净化室环境中。在该净化室内清洗基体并干燥。在涂覆施用之前，使该溶胶通过0.2微米过滤器，以除去所有颗粒物。所有的干燥过程最好都在净化室内进行，而焙烧应在净化室内进行，或者在标准实验室环境中用能使引入表面的颗粒量达到最小的技术进行。
D.1包层
可能需要两项基本技术。如果基体不能起所设计的平面波导器件中包层的作用，则需要一层均匀的包层支承芯层。当包层要覆盖形成图案的芯层列时，需填入会形成气泡陷阱(尤其是诸如Y型连接等形状)的区域，或者填平凸起的波导接头。下面逐一叙述这些技术。
为了制备溶胶液体(包层组合物)的厚度不连续的薄膜，可以使用任何液相沉积方法。可将一清洁的基体浸入溶胶-凝胶中，以固定的速度取出，生成一涂层。所述涂层的厚度与取出速度成比例。溶胶液体薄膜可通过首先浸透待涂覆所述溶胶液体的表面，然后以1000至4000RPM的速度旋转，使其旋转涂覆在平的表面上。得到的厚度与旋转速度成反比。可以通过简单的从浸透的薄膜上沥干(draining)过量的溶胶制备薄膜。
涂覆形成图案的脊形波导芯层列的最成功的方法是将流体溶胶滴在脊形波导列上，并使所述溶胶湿润脊之间的区域。当该列包括Y型分路元件时，这一点尤其重要，这是因为快速浸渍或旋转涂覆这些器件时，会使气泡陷落在这些封闭区域中。当整个表面一旦充分湿润，所有器件均被充填，可以采用旋压或沥干涂覆技术，以得到足够的厚度。在这些情况下，所述表面被溶胶浸透，然后沥干或旋转，以得到充分的材料涂层。也可以简单地向基体施用适当量的溶胶，以得到足够的最终涂层厚度，并使其在重力作用下扩展，以得到所需的厚度均匀性。使用该简单方法的最大障碍是醇(反应的副产物)的蒸发导致粘度快速增加，因此用该方法涂覆大的样品是困难的。采用任何一种上述技术，最终的薄膜都要进行干燥和热处理，以得到最终的硅倍半噁烷组合物。使所述薄膜在空气中在20至45℃的温度下干燥15分钟至一小时。然后将该样品转移至烘箱中固化。较好的固化程序是使温度以每分钟4℃的速度从25℃升至240℃，保持60分钟，然后以每分钟4℃的速度使温度下降至25℃。
一些关键的材料和方法特性能有助于施用外涂层。所述组合物具有低的固有光损耗。控制折射率的能力能使设计具有灵活性。用低粘度溶胶(包层组合物)涂覆厚的薄膜，然后将该薄膜转变成40微米厚的无裂缝或大的残余应力的固态膜的能力也是重要的。传统的完全是无机的溶胶-凝胶技术中，当薄膜厚度超过1微米左右时，开裂是普遍现象，这是一个很大的问题。本发明的上述组合物具有优良的环境耐受力。
D.2形成图案的芯层
根据本发明的一个说明性实施方案，波导芯层列可用转移印刷技术(transferprinting technique)或压花技术(embossing technique)形成。目的是用高折射率的芯层组合物获得高分辨率图案，利用该溶胶-凝胶组合物的特性以低的加工成本快速制得波导列。下面概括地叙述两种方法。这些技术替代现有技术中的用于形成波导芯层列的光刻技术。
两种方法(印刷和压花)都利用所述溶胶液体凝胶组合物能干燥至粘稠状态的特点。所述粘稠材料可用刮刀刮涂或辊涂到模具中，如凹板印刷显象板，或者可用模具压花，以便能形成图案。然后可在该材料从模具上脱离之前进行热固化以使该结构定形。
如图3A、3B、3C、3D和3E所示，在第一种方法中，在负主模(negativemaster film)30上的负凸纹(negative relief)中提供所需的图案32，所述负主模30是可压缩的，以适应基体区域，形成“底座(foot)”或压缩区(步骤A)。负主模30是一薄膜，芯层图案凹陷(depress)在该薄膜的表面，并且可用下述方法形成。将所需的波导图案蚀刻于二氧化硅圆盘中(未予显示)。然后将该圆盘涂覆适宜的材料，所述材料可与该二氧化硅圆盘分离，完全复制该图案，以形成负主模30。另外，所选的材料对于本发明的材料应具有良好的剥离性能。镍具有从二氧化硅图案表面分离的能力和对于本发明材料提供良好的剥离表面的能力。可通过化学包层方法或其它已知的方法将镍沉积在二氧化硅板上。然后将镍膜从二氧化硅板上剥离，以形成负主模30。较好的是将负主模30置于柔性衬垫(如一种弹性体)33上。干燥的溶胶材料34装载在镍负主模30中的凸纹沟槽(relief channel)32中。这可用例如刮刀35，或较好的是用滚筒涂布器进行。从该表面去除多余的溶胶(步骤A)。刮刀能使溶胶很好地进入图案，并能很好地刮去多余的溶胶。滚筒能产生正液面，它有助于与基体接触和附着于其上。然后使本发明的材料固化至它能保持其形状，并且仍然可附着于所欲形成的平面光学器件的基体36。所述基体36与镍负主模30接触，同时与沟槽32中的本发明的材料34接触。最好使主模辊压在表面上，让可压缩的负主模30仅在单个(single)“底座”37部分与基体36接触。较好的是，将所述溶胶-凝胶压向基体36，同时用热源或辐射源38进行固化。当镍负主模30从基体36上分离时，本发明的材料34将从镍负主模30上剥离，并附着于该基体表面复制出正凸纹(positive relief)波导列(步骤C)。沉积外包层39，然后在240℃的温度下使该材料最后固化(步骤D)。
图3F和3G显示了图3A、3B、3C、3D和3E中所述方法的一种变化形式。首先，用外包层材料39预涂覆第二块板31。正主模(positive master film)30与第二块板31接触，在正主模中芯层图案在其表面隆起。当正主模30滚过外包层材料39时，通过与在正主模30中的所需图案32接触，在外涂层材料39中形成凹槽。较好的是对该外包层材料39同时用固化装置38进行固化，固化装置可以是热源或辐射源(步骤A)。接着用诸如刮刀35等器具将上述干燥的溶胶材料34装入凹槽中。固化装置38可使该溶胶材料部分固化(步骤B)。较好的是在接触时通过聚焦辐射或局部加热，使包层材料和溶胶-凝胶材料同时固化。接着，使溶胶材料34和外包层材料39的复合物与基体36上的下包层(undercladding)39’接触，较好的是同时用固化装置38固化(步骤C)。结果，已嵌埋在外包层39中的芯层就沉积在基体上。如上所述，最好在沉积溶胶材料34和外包层39之前将下包层39’置于基体36上。
图3H和3I显示了图3A、3B、3C、3D和3E中所述方法的另一种变化形式。用外包层材料39预涂覆第二块板31(步骤A)。接着，用诸如刮刀35等器具将干燥的溶胶材料34装入在负主模30中的凸纹图案(relief pattern)32中。所述溶胶材料可用固化装置38部分固化。然后使该溶胶材料与第二块板上的外包层材料39接触，并附着于外包层材料(步骤B)。较好的是在接触时通过聚焦辐射或局部加热使该包层材料和负主模30的沟槽中的本发明的材料同时固化。当第二块板31从负主模30上分离时，使沟槽中的本发明的材料仍然附着于第二块板31的表面上的外包层39，在其上形成芯层材料的隆起图案。然后可在该图案上再涂覆一层外包层39”。该涂层可以是连续的外涂层，或者是通过印刷、微分配(microdispensing)、喷墨印刷等，涂覆沉积或印刷在隆起图案之间的外包层。在非连续的情况下，该沉积材料应具有正的弯月面(positive meniscus)邻接于压花(凸起)图案，以在转移至基体时完全包封芯层材料。
接着，使溶胶材料34和外包层材料39的复合物与基体36接触，较好的是同时用一固化装置38进行固化(步骤C)。结果，已嵌埋在外包层39中的该芯层就沉积在基体上。如上所述，也可在沉积溶胶材料34和外包层39之前将外包层39’置于基体36上。当进行这一操作时，就可不必第二次将外包层39”施用于板31上。
在本发明的一个较好的实施方案中，当进行压缩(即与基体接触)时，该材料从液态变成固态。该材料附着于基体上导致该材料在可压缩的主模(master)从基体上分离时残留在基体上。通过加热或辐射(光)可实现状态改变，加热或辐射可以集中在压缩区域(“底座(foot)”)，或者当进行加热时加热基体。可以(但不太理想的是)进行冷却或干燥，以实现状态的改变。
为了使图案复制达到最优化以及使成本最低，对于该技术的许多变化形式可能是重要的。负主模附着的表面可以是平的或者是鼓形曲面。在扩大规模时曲面有很多优点，其中鼓面可以连续方式装载溶胶-凝胶材料、刮除、加热和施用。一个优点是避免截留空气。凝胶将沿图案的前沿而不是整个图案区域从负主模脱出至基体上，这将降低应力，很可能减少裂纹。固化条件是另一组工艺变量。热处理可以在分开的步骤中进行，或者也可在刮涂或转移步骤中进行。可对镍主模进行加热，转移至冷却的基体上，或者可使主模保持冷却而加热基体，使转移和固化在与基体接触时完成。也可用剥离剂促进从主模剥离。基体可涂覆包层材料，以促进转移，以及加入外包层39，以使芯层34嵌埋在包层中。
在第二种方法中，采用压花技术以得到所需的波导列图案。图4A、4B、4C、4D和4E说明了该方法。如图4A、4B、4C、4D和4E所示，压花元件42包含有波导芯层列的正凸纹(positive relief)结构44。这就是说压花元件是一正主模，其中芯层图案突起在该元件的表面上。如步骤A所示，用溶胶-凝胶状低折射率的包层41涂覆基体40，所述包层的厚度大于波导芯层列的最大厚度。使该包层41部分固化至使粘稠流体可变形但不开裂，或者对其加热使其软化以产生粘稠流体，然后立即使其冷却。将压花元件42压在包层41上。加热使该薄膜固化至弹性状态(步骤B)。然后提起压花元件42，在包层41中得到负凸纹图案46(步骤C)。为了完成该结构，随后将高折射率的波导芯层组合物48刮涂该包层41的负凸纹区域46，使其自身固化(步骤D)。最后，在填有芯层的包层41上沉积包层50，得到沟槽式波导结构(步骤E)。
为了使图案复制达到最优化以及使成本最低，对于该技术的许多变化形式可能是重要的。压花元件应从包层上剥离，以使粘合性拉出所产生的缺陷量最少。较好的是压花元件形成时，其表面质量和粗糙度与它沉积在其上的玻璃表面的相同。镍是一种好的材料，理由与凹板印刷方法中所述的相同。二氧化硅需要剥离剂。最好将该压花元件设置在曲面元件上，如鼓面，使剥离点是压缩的“底座”区域，而不是二维区域，以经受较低的剥离应力。固化可以分开的步骤进行。从塑性至弹性的固化步骤也可以通过加热压花元件，一步赋予形式和固化所需能量而完成。
在施用另一层溶胶-凝胶之前，第一层溶胶-凝胶应固化的确切的程度在某些情况下是可变的。然后可有效的对三层进行最终的固化。
虽然以上所述组合物和方法仅采用热固化方法使溶胶-凝胶材料从塑性态转变为弹性态，然而在配方中加入添加剂可用紫外或可见光辐射进行光固化。在此情况下，光可透射通过基体传送至压缩区域。在任何情况下，如果用光固化的话，薄膜或基体中至少有一种应是由透光材料制成的。较好的材料包括熔凝硅石、钠玻璃、硼硅酸盐玻璃或碳氟聚合物，如FEP(氟化乙丙烯)。
上述方法可用于形成分辨率(即芯层宽度可)小于1.0微米，较好为小于0.6微米的结构。
E.平面光波导器件的实例
组合起来可制备一个完整的平面波导结构，或者如果需要，可在常规的蚀刻的硅酸盐芯层波导列上提供一外包层。由本发明可获得的主要好处在于成本。在常规的形成图案的玻璃波导芯层列上使用本发明的外包层，可获得很多好处。使用低的处理温度可避免蚀刻的芯层脊形波导发生任何变形，而高温处理会使初始的波导形状发生变形。低温和本发明外包层的低模量还导致在脊形波导上的低的应力场，因此可使导致极化效应的应力达到最小。
E.1外包层实例
对一列直线波导脊形进行外包覆以测定损耗和外包层特性。采用火焰水解反应法用玻璃芯层涂覆二氧化硅晶片，采用光刻和活性离子蚀刻(reactive ion etch)方法构成图案。从10厘米直径的具有直线波导列的晶片上切割下芯片(2厘米×2厘米)。制备本发明的溶胶液体组合物，其在632纳米的目标折射率为1.455。在净化室内，使该溶胶通过0.2微米的过滤器进行过滤，以去除大的颗粒物。将该液态溶胶滴加在波导列上，首先湿润脊形波导，然后使芯片的整个表面饱和。将样品倾斜，用吸附毛巾吸去过量的物质。然后将该涂覆的芯片放平，使其干燥约一小时。然后将该样品放入100℃的烘箱中一小时。随后用加盖容器(coveredcontainer)将该样品从该净化室内转移至室外的烘箱中。该热处理通过以每分钟升高1℃焙烧至240℃保持10分钟而完成，然后以每分钟降低1℃的速度进行冷却。测得该样品在1550纳米波长处的损耗约为每厘米0.5分贝，在1200-1600纳米光学通信窗口测得有利的传输特性。
E.2形成图案的芯层实例
下面说明用于制备形成图案的芯层的实验室样品处理方法。通过在二氧化硅晶片上电镀镍箔制备镍负主模，所述晶片预先进行活性离子蚀刻(RIE)，得到直线波导和1×8分路器。将所述镍箔(约0.004英寸(4密耳)厚)从二氧化硅主片上剥离，用双面胶带固定在平的二氧化硅晶片上。得到的镍表面仅在该样品的有限区域上是平的。制备溶胶，并使其干燥，得到一种粘稠液体。将一滴材料置于该镍箔的平坦区上，并用刮刀将其涂开至凸纹图案中。用刮刀从表面刮去多余的物质，使溶胶留在负主模的负凸纹沟槽中。将1英寸直径的二氧化硅圆盘压在负主模的已充填的区域上，荷重为10克。将该负载的样品放入75℃的烘箱中保持12小时，然后在120℃再加热1小时。冷却之后，去除负荷。用抹刀(spatula)从镍箔中撬起所述圆盘。使该圆盘突然离开镍表面，从沟槽中带出大部分充填的凝胶物。然后将该带有附着的脊形波导的二氧化硅圆盘以每分钟升高1℃的速度加热至240℃，保持10分钟，然后以每分钟1℃的速度冷却。波导复制了沟槽宽度并具有棱角分明的边缘和无裂纹的表面，这表明溶胶-凝胶材料从镍箔上被很好地剥离。
F.用于形成平面波导器件的材料的波谱
本发明中所用的溶胶-凝胶材料具有有趣的波谱。图5、6和7说明了这些波谱。根据标准可见-近红外波谱分析程序，分析1纳米厚的本发明的无机-有机混合物固体材料的圆盘波谱试样，所述固体材料包含甲基-硅氧烷基团、苯基-硅氧烷基团和氟。建立了基线101以考虑到反射和散射损耗。
所附的波谱是较好的无机-有机混合物固体材料的组成范围的典型的波谱。图5的波谱显示了300纳米至2500纳米的可见-近红外区域，图6是图5中方框内显示近红外区域的插图(boxed inset)。通信窗在中心为1310纳米(从约1270-1330纳米范围)和1550纳米(从约1525-1570纳米范围)处，在这两种情况下，从基线101测得的本发明材料在这些波长范围的本征吸收是非常低的。在1520纳米处存在一条吸收带，如图7所示，这显然来自于C-H和SiOH振动的组合吸收带。如这些附图中所示，在1270-1330纳米和1525-1570纳米的范围内，吸收率是非常低的。该基线吸收来自于反射和表面散射损耗，并不代表试样中的任何本征吸收。当基线在0.195AU处时，在约1530处的小峰约为0.03AU，转换成约0.3分贝/厘米。图6和图7显示了吸收是如何通过本发明材料的氘化而进一步减小的。在图6中，通过用氘替代水解器，峰102移至202，而峰303移至203。图7中提供了完全氘化体系中等效特征(equivalent features)的经计算得到的波谱位置。甲基和苯基的氘化是通过合成前体而完成的，而硅烷醇的氘化是通过用D2O水解而完成的。在这些氘化过程中，最容易进行的是用D2O水解，这是因为水的这种形式容易获得。图7显示了通过在制备中使用D2O而不用水，可使在1380纳米处的硅烷醇峰和在1520纳米处的组合吸收带的波谱强度减小。在这些区域中存在任何峰值强度是由于在合成中除了使用水合作用的水(H2O)之外，它提供了水解反应所需水的总量的三分之一，还使用了HF。
本发明的材料配方在波长1310纳米(1270-1330纳米)和1550纳米(1525-1570纳米，较好为1530-1565纳米)处的传输特性是特别有用的属性。一般说来，混合材料在近红外的光谱是受来自于有机改性剂和来自于未完全反应的硅烷醇基团的振动泛频峰的支配。本发明的各种配方均经精心设计，使振动模的数目达到最小，这就使在近红外的泛频带和组合吸收带尽可能地不太复杂。在该组合物中，在近红外区只有C-H和SiO-H的拉伸和苯基的弯曲模是起作用的。C-H拉伸泛频带位置是从1630至1750纳米和1150至1200纳米。硅烷醇拉伸带的位置是从1370至1410纳米。苯基环弯曲在1700至2000纳米的区间是起作用的。这些振动模中，只有硅烷醇不是结构的基本部分，这是由于硅烷醇网络未完全缩合。由于在这些配方中加入了氟化物以及这种材料在仍然处于粘性状态的同时，还能进行高度缩合的非凡能力，因此在这些配方中硅烷醇的含量是低的且达到最小。为了使不希望存在的吸收带减至最小，重要的是使最终材料中硅烷醇的含量降低。因而使在1310纳米(1270-1330纳米)和1550纳米(1525-1570纳米)的光通信窗口中的吸收降至很低的水平。这使该配方对于通信应用显得尤其有用。本发明组合物在1200-1360纳米和1430-1620纳米的波长范围提供了特别好的低吸收传输特性。本发明的组合物在1220-1330纳米和1525-1570纳米的较好范围，以及在1530-1565纳米的更好范围内具有特别好的传输特性。在1200-1600纳米的范围内，本发明的材料具有高传输特性和小于0.2AU的吸收率。在1525-1570纳米和1270-1330纳米范围内，本发明材料能提供小于0.1AU的吸收率，较好的是小于0.05AU的吸收率，更好的是小于或等于0.03AU的吸收率。具有如此低的吸收率和如此高传输特性的本发明材料可用作光波导分路材料，其损耗小于0.4分贝/厘米，较好小于0.3分贝/厘米，更好小于0.1分贝/厘米，最好小于0.05分贝/厘米。
在某些情况下，即使用这些组合物获得如此低的损耗也可能成为问题。在某种程度上，吸收峰的尾部或各组合吸收带仍然可能在1310或1550纳米窗口引起损耗，通过使用具有氘(氘化)有机基团的前体，可制造出一些混合材料来减少这种吸收。当采用诸如CD3Si(OC2H5)3和C6D5Si(OC2H5)3之类的前体时，硅氧烷网络被CD3和C6D5基团改性。各C-D振动频率从同样的C-H模移到更低的能量，于是各泛频峰也发生移动。用这种方法可以减少在近红外区的总吸收，使吸收峰尾部变得更小，而且干涉特性是更高阶的泛频峰，而它们从根本上说具有更低的强度。使用氧化氘作为水的来源也可使1380纳米处SiOH的吸收影响减至最小，因为SiO-D的吸收位置是在约2000纳米处。
总之，本发明的上述实施方案只是用于说明。本领域的技术人员可在不脱离本发明权利要求书的精神和范围的情况下对本发明进行各种变化。

Claims (67)

1.在基体上形成的平面光波导，包括：
具有第一折射率的波导芯层，以及
与所述芯层接触形成的包层，所述包层具有小于所述第一折射率的第二折射率，
所述芯层和所述包层中的至少一者是无机-有机混合材料，该混合材料包含广延的基体，该基体含有硅原子和氧原子，其中至少部分硅原子直接与取代的或未取代的烃部分键合。
2.如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于所述第一折射率为1.4-1.55，所述第二折射率为1.3-1.6。
3.如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于所述无机-有机混合材料在1200-1600纳米的波长范围内具有高的透射率，且吸收率小于0.2AU。
4.如权利要求3所述的平面光波导，其特征在于所述无机-有机混合材料在1525-1570纳米的波长范围内具有高的透射率，且吸收率小于0.05AU。
5.如权利要求3所述的平面光波导，其特征在于所述无机-有机混合材料在1270-1330纳米的波长范围内具有高的透射率，且吸收率小于0.05AU。
6.如权利要求4所述的平面光波导，其特征在于在1525-1570纳米范围内的吸收率小于0.4分贝/厘米。
7.如权利要求5所述的平面光波导，其特征在于在1270-1330纳米范围内的吸收率小于0.2分贝/厘米。
8.如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于当所述无机-有机混合材料从非固体变为固体时，其质量损耗小于初始质量的6％。
9.如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于当所述无机-有机混合材料从非固体变为固体时，其质量损耗不大于初始质量的4％。
10.如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于所述无机-有机混合材料在固化成固体之前，其质量损耗约为初始质量的50％。
11.如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于所述无机-有机混合材料是氘化的。
12.如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于所述第二包层是在所述芯层上形成的，且所述波导包括在所述基体和所述芯层之间形成的另外一层包层。
13.如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于所述无机-有机混合材料包括甲基-硅氧烷基团、苯基硅氧烷基团和氟。
14.如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于所述无机-有机混合材料是通过固化前体得到的，所述前体包括聚二甲基硅氧烷、甲基三烷氧基硅烷和苯基三烷氧基硅烷。
15.如权利要求1所述的平面光波导，其特征在于所述无机-有机混合材料是通过固化前体得到的，所述前体包括PDMS、MTES。PTES和PTFS。
16.在基体上形成的平面光学器件，包括：
一列导引光辐射的波导芯层，以及
与所述波导芯层列接触形成的包层，其作用是将所述光辐射限制于所述波导芯层列，
所述波导芯层列和所述包层中的至少一者是无机-有机混合材料，该混合材料包含广延的基体，该基体含有硅原子和氧原子，其中至少部分硅原子直接与取代的或未取代的烃部分键合。
17.如权利要求16所述的光学器件，其特征在于所述器件是分路器。
18.如权利要求16所述的光学器件，其特征在于所述器件是耦合器。
19.如权利要求16所述的光学器件，其特征在于所述器件是波分多路复用器。
20.如权利要求16所述的光学器件，其特征在于所述芯层和所述包层中的一者包含水解的和聚合的硅烷，所述硅烷选自四烷氧基硅烷、烷基三烷氧基硅烷和芳基三烷氧基硅烷。
21.如权利要求20所述的光学器件，其特征在于水解的和聚合的硅烷的含量至少为50％。
22.如权利要求16所述的光学器件，其特征在于所述烃部分是一种改性剂的水解产物，所述改性剂选自惰性网络改性剂、活性网络改性剂、有机成网改性剂、活性聚合物改性剂和活性可聚合的改性剂。
23.如权利要求16所述的光学器件，其特征在于所述烃部分是未取代或取代的烷基或芳基部分。
24.如权利要求23所述的光学器件，其特征在于所述取代的烷基或芳基部分选自氨基烷基、羟基烷基、羧基烷基和巯基烷基。
25.如权利要求16所述的器件，其特征在于所述芯层列和所述包层中的一者包含互相贯穿的有机聚合物基体的水解产物。
26.如权利要求25所述的器件，其特征在于在互相贯穿的有机聚合物基体和广延的硅-氧基体之间基本上不存在共价键。
27.如权利要求22所述的器件，其特征在于所述改性剂水解的和聚合的产物形成有机网络，该网络通过Si-C键共价连接。
28.如权利要求16所述的器件，其特征在于所述芯层列和所述包层中的一者含有氟。
29.如权利要求16所述的器件，其特征在于所述芯层列和所述包层中的一者含有调节折射率的元素。
30.如权利要求29所述的器件，其特征在于所述元素为Ge或Ti。
31.在基体上形成的平面光波导，包括：
一列传播光辐射的波导芯层，以及
用于将所述光辐射限制于所述波导芯层列的包层，
所述芯层列包含第一种无机-有机混合材料，该混合材料包含广延的基体，该基体含有硅原子和氧原子，其中至少部分硅原子直接与取代的或未取代的烃部分键合，
所述包层包含第二种无机-有机混合材料，该混合材料包含广延的基体，该基体含有硅原子和氧原子，其中至少部分硅原子直接与取代的或未取代的烃部分键合，
所述第二种材料的折射率低于所述第一种材料的折射率。
32.形成平面光学器件的方法，包括以下步骤：
制备波导芯层组合物前体材料，所述前体材料包含至少一种硅烷和取代或未取代的烃部分的源。
使所述波导芯层前体材料部分水解和聚合，形成波导芯层组合物，
用一模具，形成一列含有所述波导芯层组合物的光波导芯层，以及
在对形成无机-有机混合材料有效的条件下完成波导芯层组合物的水解和聚合，所述混合材料包含广延的基体，该基体含有硅原子和氧原子，其中至少部分硅原子直接与取代的或未取代的烃部分键合。
33.如权利要求32所述的方法，其特征在于所述模具使形成芯层列的步骤能形成分辨率小于1微米的结构。
34.如权利要求32所述的方法，其特征在于所述模具使形成芯层列的步骤能形成分辨率小于0.6微米的结构。
35.如权利要求32所述的方法，还包括选择模具为凹板印刷成象板的步骤。
36.如权利要求32所述的方法，其特征在于形成芯层列的步骤还包括：
(a)将所述波导芯层组合物装载在负主模中；
(b)将负主模和波导芯层组合物压在基体上，同时固化波导芯层组合物；
(c)从芯层组合物上除去负主模。
37.如权利要求32所述的方法，其特征在于形成芯层列的步骤还包括：
(a)用包层材料覆盖平板；
(b)用正主模在包层材料中形成凹陷；
(c)将所述波导芯层组合物装载在凹陷中；
(d)将波导芯层组合物和包层材料压在基体上，同时固化芯层组合物和包层材料；
(e)从芯层组合物和包层材料上除去平板。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于所述固化还包括热固化。
39.如权利要求37所述的方法，其特征在于所述固化还包括用光固化，以及选择基体和平板中至少一种是透明的。
40.如权利要求32所述的方法，其特征在于形成芯层列的步骤还包括：
(a)用包层材料覆盖平板；
(b)将所述波导芯层组合物装载在负主模中；
(c)将所述波导芯层组合物附着在包层材料上；
(d)将波导芯层组合物和包层材料压在基体上，同时固化芯层组合物和包层材料；
(e)从芯层组合物和包层材料上除去平板。
41.如权利要求40所述的方法，还包括在附着步骤之后，在芯层组合物和包层材料上涂覆另外一层包层材料。
42.如权利要求40所述的方法，其特征在于附着步骤还包括使所述波导芯层组合物和包层材料接触，同时固化所述波导芯层组合物和包层材料。
43.如权利要求40所述的方法，其特征在于所述固化步骤包括热固化。
44.如权利要求40所述的方法，其特征在于所述固化步骤还包括用光固化，以及选择基体和平板中至少一种是透明材料。
45.如权利要求32所述的方法，其特征在于形成芯层列的步骤还包括：
(a)用包层材料涂覆基体；
(b)部分固化所述包层材料；
(c)将压花元件压入部分固化的包层材料中；
(d)固化所述压花的包层材料；
(e)用波导芯层组合物充填该压花的包层材料；
(f)固化该波导芯层组合物。
46.如权利要求45所述的方法，其特征在于所述固化还包括热固化。
47.如权利要求45所述的方法，其特征在于所述固化还包括用光固化，以及选择基体为透明的。
48.如权利要求32所述的方法，其特征在于所述波导芯层组合物前体材料包括PDMS、MTES和PTES。
49.如权利要求32所述的方法，其特征在于所述波导芯层组合物前体材料包括MTES、DPDMS和PTES。
50.如权利要求32所述的方法，其特征在于所述波导芯层组合物前体材料包括MTES、PTES、PDMS和PTFS。
51.如权利要求32所述的方法，还包括以下步骤：
根据以下方法在所述波导芯层列上形成包层，所述方法包括：
(a)制备包含至少一种硅烷和烃部分的源的包层组合物前体材料；
(b)部分水解和聚合所述包层组合物前体材料，形成包层组合物；
(c)通过液相沉积将所述包层组合物的涂层施涂于所述形成图案的波导芯层列；
(d)干燥所述包层组合物，在所述波导芯层列上形成包层。
52.如权利要求51所述的方法，其特征在于所述包层包含一种无机-有机混合材料，所述混合材料包含广延的基体，该基体含有硅原子和氧原子，其中至少部分硅原子直接与取代的或未取代的烃部分键合。
53.如权利要求51所述的方法，其特征在于所述包层组合物前体材料包括PDMS、MTES、PTES或其混合物。
54.如权利要求51所述的方法，其特征在于所述包层组合物前体材料包括MTES、DPDMS、PTES或其混合物。
55.如权利要求51所述的方法，其特征在于所述包层组合物前体材料包括MTES、PTES、PDMS、PTFS或其混合物。
56.在基体上形成平面光学器件的方法，包括以下步骤：
形成波导芯层列，以及
通过以下步骤在所述波导芯层列上形成包层：
(a)制备包含至少一种硅烷和烃部分的源的包层组合物前体材料；
(b)部分水解和聚合所述包层组合物前体材料，形成包层组合物；
(c)通过液相沉积将所述包层组合物的涂层施涂于所述波导芯层列；
(d)干燥所述包层组合物，在所述波导芯层列上形成包层。
57.如权利要求56所述的方法，其特征在于所述包层包含一种无机-有机混合材料，所述混合材料包含广延的基体，该基体含有硅原子和氧原子，其中至少部分硅原子直接与取代的或未取代的烃部分键合。
58.如权利要求56所述的方法，其特征在于所述芯层列是通过蚀刻芯层的未遮掩部分而构成图案的。
59.在平面光学器件中在基体上形成包层的方法，包括以下步骤：
(a)制备包含至少一种硅烷和烃部分的源的包层组合物前体材料；
(b)部分水解和聚合所述包层组合物前体材料，形成包层组合物；
(c)通过液相沉积将所述包层组合物的涂层施涂于所述基体；
(d)干燥所述包层组合物，在所述基体上形成包层。
60.形成平面光波导器件的方法，包括以下步骤：
(a)在基体上沉积第一包层；
(b)通过将正主模施用于所述第一包层，将凹槽图案压印在所述第一包层上；
(c)将所述波导芯层组合物材料刮涂入所述凹槽中，形成波导芯层；
(d)在所述第一包层和所述波导芯层上沉积第二包层。
61.如权利要求60所述的方法，其特征在于所述正主模是可压缩的，且包括位于柔性背衬上的薄膜或箔，其中所述主模通过滚压施用于所述第一包层。
62.如权利要求60所述的方法，还包括固化所述波导芯层。
63.如权利要求62所述的方法，其特征在于所述固化步骤包括用光固化，以及还包括选择基体和主模中至少一者为透明材料。
64.形成平面光波导器件的方法，包括以下步骤：
(a)将波导芯层组合物材料填入负主模中的凹槽图案中；
(b)将所述负主模施用于基体；
(c)去除该主模，以将所述波导芯层组合物材料转移至基体，形成波导芯层图案；
(d)在所述波导芯层的图案上形成一包层。
65.如权利要求64所述的方法，其特征在于所述负主模是可压缩的，且包括位于柔性背衬上的薄膜或箔，其中所述主模通过滚压施用于所述基体。
66.如权利要求64所述的方法，还包括在将负主模施用于基体的步骤中，固化所述波导组合物。
67.如权利要求66所述的方法，其特征在于所述固化步骤包括用光固化，以及还包括选择基体和主模中至少一者为透明材料。
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Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100339731C (zh) * 2001-12-11 2007-09-26 美商·应用材料股份有限公司 诸如锗硅碳化物波导的波导及其制作方法
CN100427981C (zh) * 2004-02-25 2008-10-22 关西涂料株式会社 光波导形成用可固化树脂组合物，光波导形成用可固化干膜，固化树脂和光波导
CN101484503B (zh) * 2006-07-21 2012-01-11 东京应化工业株式会社 高折射率材料
CN102385083A (zh) * 2010-09-03 2012-03-21 株式会社Lg化学 使用喷墨印刷方法制造滤色器衬底的装置和方法
CN102385122A (zh) * 2010-09-03 2012-03-21 中央大学 具有光波导结构的光学传输模组
CN105759350A (zh) * 2015-07-03 2016-07-13 苏州峰通光电有限公司 一种有机无机混合集成热光调制型光栅及其制备方法
CN106715346A (zh) * 2014-09-24 2017-05-24 Ev 集团 E·索尔纳有限责任公司 光学玻璃元件的制造方法

Families Citing this family (54)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6144795A (en) * 1996-12-13 2000-11-07 Corning Incorporated Hybrid organic-inorganic planar optical waveguide device
US6548176B1 (en) 1997-04-03 2003-04-15 The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University Hydroxide-catalyzed bonding
FI109944B (fi) * 1998-08-11 2002-10-31 Valtion Teknillinen Optoelektroninen komponentti ja valmistusmenetelmä
US6132649A (en) * 1999-01-29 2000-10-17 Lucent Technologies Inc. Fabrication including sol-gel processing
US6436613B1 (en) 1999-08-23 2002-08-20 The Arizona Board Of Regents Integrated hybrid optoelectronic devices
EP1116973A1 (en) 2000-01-11 2001-07-18 Corning Incorporated Athermalized integrated optical waveguide devices
JP2001240800A (ja) 2000-02-25 2001-09-04 Nippon Sheet Glass Co Ltd 所定表面形状を有する物品の製造方法
JP5218713B2 (ja) * 2000-07-28 2013-06-26 住友ベークライト株式会社 光学導波管を形成するためのポリマー組成物；それらから形成される光学導波管；およびそれを作製するための方法
US6415093B1 (en) 2000-08-17 2002-07-02 Nippon Sheet Glass Co., Ltd. Optical device and adhesive composition used therefor
DE60008121T2 (de) * 2000-11-28 2004-09-16 National University Of Ireland, Cork Herstellung von Materialien für Wellenleiter mit Stufenbrechungsindex
EP1221629B1 (en) 2001-01-08 2003-03-26 Alcatel Fiber grating optical waveguide device and method of producing the device
US6731857B2 (en) * 2001-03-29 2004-05-04 Shipley Company, L.L.C. Photodefinable composition, method of manufacturing an optical waveguide with the photodefinable composition, and optical waveguide formed therefrom
US6760533B2 (en) 2001-04-06 2004-07-06 Nippon Sheet Glass Co., Ltd. Optical adhesive composition and optical device
WO2002088789A1 (en) * 2001-04-30 2002-11-07 Schott Glas Fiber optic array assembly and method for making the same
US6584259B2 (en) 2001-04-30 2003-06-24 Schott Glas Use of sol-gel as an inorganic adhesive for high stability, self organizing, fiber optic array
US6757464B2 (en) * 2001-04-30 2004-06-29 Schott Corporation Use of sol-gel as inorganic adhesive for high stability, hermetic bonding of optical fiber to an alignment plate
KR100427258B1 (ko) * 2001-08-11 2004-04-14 광주과학기술원 플로린을 함유한 실록산 단량체와 이의 제조방법
US6927898B2 (en) * 2001-08-15 2005-08-09 Photon-X, Llc Ultra-wide bandwidth optical amplifier
US20030116273A1 (en) * 2001-10-01 2003-06-26 Koichiro Nakamura Method of bonding an optical part
WO2003035788A1 (fr) * 2001-10-23 2003-05-01 Nippon Sheet Glass Co., Ltd. Procede de fabrication d'un element optique
GB2383127B (en) * 2001-12-12 2004-10-20 Proimmune Ltd Device and method for investigating analytes in liquid suspension or solution
EP1338905A1 (en) * 2002-02-21 2003-08-27 Corning Incorporated Optical waveguide end facet coupling
KR100426959B1 (ko) * 2002-03-28 2004-04-13 한국과학기술원 평판형 광도파로의 제조방법
JP4439191B2 (ja) * 2002-06-07 2010-03-24 三洋電機株式会社 光導波路およびこれを用いた光送受信モジュール
US20050180695A1 (en) * 2002-10-15 2005-08-18 Sagitta Engineering Solutions Ltd. Method and apparatus for planar lightwave circuits pigtailing
US6842577B2 (en) 2002-12-02 2005-01-11 Shipley Company L.L.C. Photoimageable waveguide composition and waveguide formed therefrom
EP1434068A3 (en) 2002-12-02 2004-07-28 Shipley Company, L.L.C. Methods of forming waveguides that are rounded in cross section and waveguides formed therefrom
JP4128910B2 (ja) * 2003-06-11 2008-07-30 日本アイ・ビー・エム株式会社 液晶表示セル及び液晶表示セルの製造方法
CN1616523B (zh) 2003-09-29 2010-12-08 三洋电机株式会社 有机金属聚合物材料及其制造方法
KR100586941B1 (ko) * 2003-11-27 2006-06-07 삼성전기주식회사 다채널 광 도파로 및 그 제조방법
KR100683938B1 (ko) * 2004-05-13 2007-02-16 한국과학기술원 무-유기 혼성물질을 이용한 온도무의존 파장분할다중화소자
JP2006023376A (ja) * 2004-07-06 2006-01-26 Bridgestone Corp 光デバイスの製造方法
US20060083469A1 (en) * 2004-10-15 2006-04-20 Karim Faid Means and method for coupling optical components
US7457507B2 (en) * 2004-12-01 2008-11-25 Sanyo Electric Co., Ltd. Organometallic polymer material
WO2006109261A1 (en) * 2005-04-14 2006-10-19 Koninklijke Philips Electronics N.V. Light-emitting device
KR100705758B1 (ko) * 2005-04-19 2007-04-10 한국과학기술원 유기―무기 혼성물질을 이용한 플렉서블 필름 광도파로 및그 제조방법
JP4529878B2 (ja) * 2005-11-18 2010-08-25 セイコーエプソン株式会社 光学センサ、インクカートリッジ及びインクジェット装置
CN101454912A (zh) * 2006-05-29 2009-06-10 皇家飞利浦电子股份有限公司 用于发光二极管的无机磷光体主体
JP2008015099A (ja) * 2006-07-04 2008-01-24 Toppan Printing Co Ltd 光基板およびその製造方法
US20080026180A1 (en) * 2006-07-26 2008-01-31 Bush Robert L Impregnated inorganic paper and method for manufacturing the impregnated inorganic paper
US7309175B1 (en) * 2006-07-28 2007-12-18 Em4, Inc. Reducing heating from non-coupled light in power transmitting optical fibers
US7678458B2 (en) 2007-01-24 2010-03-16 Asml Holding N.V. Bonding silicon silicon carbide to glass ceramics
WO2009117345A2 (en) 2008-03-17 2009-09-24 Henkel Corporation Adhesive compositions for use in die attach applications
JP2012507527A (ja) * 2008-11-05 2012-03-29 日東電工株式会社 非対称光パターン化可能ゾル−ゲル前駆体およびその調製法
DE102009036134A1 (de) * 2009-08-05 2011-02-10 Schott Ag Substratglas für Lumineszenzdioden mit einer Streupartikel enthaltenden Schicht und Verfahren zu dessen Herstellung
US8698320B2 (en) * 2009-12-07 2014-04-15 Henkel IP & Holding GmbH Curable resin compositions useful as underfill sealants for use with low-k dielectric-containing semiconductor devices
KR101040028B1 (ko) 2009-12-24 2011-06-09 주식회사 엘 앤 에프 평판형 표시 장치의 도광판 제조 시스템 및 제조 방법
DE102010004741B4 (de) * 2010-01-14 2023-02-23 Schott Ag Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials sowie Küchengerät
US8753021B1 (en) * 2013-02-12 2014-06-17 Corning Cable Systems Llc Adhesives for securing optical fibers to ferrules of optical connectors and methods for use thereof
US9086548B2 (en) 2013-09-30 2015-07-21 Corning Cable Systems Llc Optical connectors with inorganic adhesives and methods for making the same
KR102433785B1 (ko) * 2014-05-07 2022-08-18 코닝 인코포레이티드 적층 유리 제품 및 이의 형성방법
WO2016063786A1 (ja) * 2014-10-22 2016-04-28 株式会社フジクラ 光導波路と光ファイバとの接続方法、半導体光デバイス、および光ファイバが接続された半導体光デバイスの製造方法
JP6230727B2 (ja) * 2014-12-25 2017-11-15 日本山村硝子株式会社 フェニル変性ハイブリッドプレポリマー、フェニル変性ポリジメチルシロキサン系ハイブリッドプレポリマー及びフェニル変性ポリジメチルシロキサン系ハイブリッドポリマー並びにそれらの製造方法
JP6930378B2 (ja) * 2017-10-31 2021-09-01 日本電信電話株式会社 半導体レーザ

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
IT1184068B (it) * 1985-04-10 1987-10-22 Cselt Centro Studi Lab Telecom Procedimento per la produzione di fibre ottiche in silice drogata con allumina utilizzante reagenti metallorganici
US5063081A (en) * 1988-11-14 1991-11-05 I-Stat Corporation Method of manufacturing a plurality of uniform microfabricated sensing devices having an immobilized ligand receptor
DE4228853C2 (de) * 1991-09-18 1993-10-21 Schott Glaswerke Optischer Wellenleiter mit einem planaren oder nur geringfügig gewölbten Substrat und Verfahren zu dessen Herstellung sowie Verwendung eines solchen
DE4240266A1 (de) * 1992-12-01 1994-06-09 Bosch Gmbh Robert Verfahren zur Herstellung optischer Polymerbauelemente mit integrierten vertikalen Koppelstrukturen
WO1994021386A2 (en) * 1993-03-25 1994-09-29 Research Corporation Technologies, Inc. Polymers useful in forming self-assembled bonded anisotropic ultrathin layers and their use
FR2707763B1 (fr) * 1993-07-16 1995-08-11 Commissariat Energie Atomique Matériau composite à indice de réfraction élevé, procédé de fabrication de ce matériau composite et matériau optiquement actif comprenant ce matériau composite.
US5770275A (en) * 1996-08-23 1998-06-23 Raman; Narayan K. Molecular sieving silica membrane fabrication process

Cited By (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN100339731C (zh) * 2001-12-11 2007-09-26 美商·应用材料股份有限公司 诸如锗硅碳化物波导的波导及其制作方法
CN100427981C (zh) * 2004-02-25 2008-10-22 关西涂料株式会社 光波导形成用可固化树脂组合物，光波导形成用可固化干膜，固化树脂和光波导
CN101484503B (zh) * 2006-07-21 2012-01-11 东京应化工业株式会社 高折射率材料
TWI420133B (zh) * 2006-07-21 2013-12-21 Tokyo Ohka Kogyo Co Ltd 高折射率構件及影像感測器
US8760763B2 (en) 2006-07-21 2014-06-24 Tokyo Ohka Kogyo Co., Ltd. High refractive index material
CN102385083A (zh) * 2010-09-03 2012-03-21 株式会社Lg化学 使用喷墨印刷方法制造滤色器衬底的装置和方法
CN102385122A (zh) * 2010-09-03 2012-03-21 中央大学 具有光波导结构的光学传输模组
CN106715346A (zh) * 2014-09-24 2017-05-24 Ev 集团 E·索尔纳有限责任公司 光学玻璃元件的制造方法
US10519057B2 (en) 2014-09-24 2019-12-31 Ev Group E. Thallner Gmbh Method for the production of an optical glass element
CN105759350A (zh) * 2015-07-03 2016-07-13 苏州峰通光电有限公司 一种有机无机混合集成热光调制型光栅及其制备方法

Also Published As

Publication number Publication date
WO1998026315A1 (en) 1998-06-18
US5991493A (en) 1999-11-23
CA2274645A1 (en) 1998-06-18
AU5380298A (en) 1998-07-03
JP2001506372A (ja) 2001-05-15
KR20000057567A (ko) 2000-09-25
EP0960348A1 (en) 1999-12-01

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