CN1304861C - 光波导和用于制造该光波导的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种主要用在例如光通信中，并且能够实现高生产率和高性能的光波导及其制造方法。该光波导包括第一包层、第二包层以及纤芯。纤芯被嵌入到第一包层中以便暴露在与第二包层相对的第一包层的一个主表面上。第一包层和第二包层被设置为将纤芯夹在中间。纤芯是通过一种反应形成的产品，在这种反应中，一种包含支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料承受至少选自加热和紫外线照射其中之一的处理过程。纤芯的折射率高于第一包层和第二包层的折射率。由此，这种光波导能够减少损耗并实现高性能。

Description

光波导和用于制造该光波导的方法

发明领域

本发明涉及一种主要用在例如光通信中的光波导，以及一种用于制造这种光波导的方法。

背景技术

随着光通信市场的发展，光器件需要达到高性能和低成本。尤其是，低成本的本身不起作用的光无源器件有越来越多的需求。

光波导的制造需要非常精细准确的模型。对于单模光波导来说，模型规格的精确性尤其严格。用于形成这种模型的一般方法是干蚀刻法，其通常在半导体加工中被使用。下面将参考附图描述用于光通信的单模光波导的常规制造方法。

图12A和12B示出了一般的单模石英玻璃光波导的构造。图12A是光波导的一个平面图，以及图12B是沿着图12A中的A-A线的一个剖面图。充当波导层的纤芯121在包层122中形成。纤芯121的折射率高于包层122的折射率。在一定条件下的光被俘获并且在纤芯121中沿着箭头123的方向传播。例如，如果导引光波具有1.3μm到1.55μm的波长，那么纤芯121在横截面上通常大约8μm²，如图12B所示。纤芯121能被构图为所希望的形状，例如，Y形分支，从而提供各种光电路结构。纤芯的形状和表面粗糙度对光传播性能有着重要的影响。

图13A到13C示出了一种用于制造常规石英光波导的一般方法的工艺。首先，如图13A所示，通过火焰水解法(FHD)在石英基底上形成纤芯膜131，该石英基底也被用作下包层132。在FHD方法中，H₂和O₂的火焰在空气中产生，同时SiCl₄和少量的GeCl₄在火焰中被混合并且被水解以形成掺Ge的SiO₂(纤芯膜131)。该合成的SiO₂在石英基底上以细微粉末状的形式被淀积，在不超过1000℃的温度处被加热，从而变为玻璃。玻璃SiO₂是该纤芯膜131。当使用一个基底而不是石英基底时，下包层132应当通过FHD在基底上被形成，然后形成纤芯膜131。

接下来，通过光刻蚀法和干蚀刻法将纤芯膜131(图13A)构图为一个所希望的形状，从而形成纤芯131a(图13B)。

此外，上包层133在下包层132和纤芯131a上通过FHD(图13C)形成。因此，产生的光波导能够实现低损耗和良好特性。

除了石英材料以外，近来树脂作为一种光波导材料已经开始研究。目前，树脂在传输性能和稳定性方面不如石英。然而，与石英相比，树脂容易被塑造而且对于650nm到850nm范围的波长的光显示出高的传输性能。因此，树脂是一种用于光波导的非常有希望的材料。树脂材料的实例包括具有出色的透明性的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。通过丙烯酸树脂，环氧树脂或者聚酰亚胺树脂的重氢化而获得的树脂材料近年来也被使用。这种树脂材料吸收少量的在1.3μm到1.5μm波长范围内的光。因此，上述材料能够提供一种低损耗的光波导。

利用树脂材料制造光波导的一般方法包括，主要通过旋涂法形成一个纤芯层和一个包层，以及通过干蚀刻法模型化该纤芯层。

如上所述，无论是石英还是树脂，常规的方法不得不重复淀积小于20μm厚度的包层。然后，纤芯层被形成并且通过干蚀刻法被模型化为中凸形。然而，实现干蚀刻法需要复杂的装备。因此，常规方法存在成本和效率的问题。为了解决这些问题，各种制造光波导的方法已经提出。这些方法的一个典型实例是凹槽填充技术。

具有可填充式凹槽的光波导的一个实例在JP63(1988)-139304A，JP8(1996)-320420A或者JP11(1999)-305055A中被公开。将参考附图14A到14D来描述填充凹槽技术，图14A到14D示出了用于制造具有可填充式凹槽的光波导的方法工艺。

如图14A所示，对应于所希望的纤芯模型的凹槽142在包层141(玻璃或者树脂基底)中形成。假如这样的话，干蚀刻法一般能被用于形成凹槽142。然后，利用纤芯材料143来填充凹槽142，该纤芯材料143的折射率高于包层141(图14B)的折射率。来自凹槽的溢出部分143b被除掉，同时在基底141(图14C)中形成纤芯143a。最后，包层144在纤芯143a和基底141(图14D)上形成，从而产生一个具有可填充式凹槽的光波导。尽管这种方法类似于图13A到13C中示出的干蚀刻法的使用，但与图13A到13C中示出的方法相比，这种方法能够实现较高的效率和生产率。

然而，当石英材料被用作纤芯材料时，和以丙烯酸树脂，环氧树脂或者聚茚树脂为代表的树脂材料被用作纤芯材料时，该填充凹槽技术带来了各种问题。

下面是石英玻璃材料问题的说明。在光波导的凹槽中填充纤芯材料的一种方法的典型实例包括FHD，CVD，真空淀积法以及反应溅射法。对于单模光波导，纤芯应该具有大约8μm的厚度。对于多模光波导来说，纤芯应该具有多达几十μm的厚度。形成这样厚的膜要花相当长的时间，这导致一个产品缺点。

下面是诸如丙烯酸树脂，环氧树脂或者聚酰亚胺树脂这样的树脂材料问题的解释。当树脂材料被用作纤芯材料时，容易实现必要的膜厚度，例如通过旋涂法。然而，除掉如图14C中所示的溢出部分143b则是一个问题。树脂材料具有低硬度，因此由于抛光而在纤芯143a的表面上会产生小的缺陷。这些缺陷引起了导引光波的散射同时带来了大的波导损耗。作为一种可选择的方法，干蚀刻法能被用于除掉溢出部分。然而，干蚀刻法具有如前所述的的成本方面的缺点。

因此，即使通过填充凹槽技术来生产使用石英材料或者诸如丙烯酸树脂，环氧树脂或者聚茚树脂这样的树脂材料的光波导，光波导也不能实现高生产率和高性能。

发明内容

因此，如前所述，本发明的一个目的是提供一种能够实现高生产率和高性能的光波导，以及一种用于制造该光波导的方法。

本发明的光波导包括第一包层、第二包层以及纤芯。纤芯被嵌入到第一包层中以便暴露在与第二包层相对的第一包层的一个主表面上。第一包层和第二包层被设置为将纤芯夹在中间。纤芯是通过一种反应形成的产品，在该反应中，一种包含有支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料经过了至少选自加热和紫外线照射其中之一的处理过程。纤芯的折射率高于第一包层和第二包层的折射率。这种光波导能够减少损耗并实现高性能。

第二包层的折射率可以基本上等于第一包层的折射率。

第一包层和第二包层可以是玻璃。

最好在包括纤芯的第一包层和第二包层之间形成粘接层。这将允许第一包层和第二包层不用加热就可结合，因此各个部件的特性不被改变。

粘接层可以包括一个包含有支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料。

粘接层的折射率最好是基本上等于或者高于第二包层的折射率。这将使得被导引的光波可以在该纤芯中被束缚和传播。

本发明的用于制造光波导的一种方法，包括：加热和软化第一包层；通过将一个成型压模压在第一包层上，而在第一包层中形成一个与纤芯一样的凹槽；用一种纤芯材料来填充该凹槽，该纤芯材料包括一种包含有支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料；加热纤芯材料以引起一个改变该纤芯材料折射率的反应；以及将第二包层结合到具有凹槽的第一包层的表面。根据该方法，可以有效地生产一种高性能的光波导，其中的纤芯表面没有缺陷。

第一包层和第二包层可以是玻璃。

第二包层的折射率可以基本上等于第一包层的折射率。

纤芯材料最好是包括聚合物材料和一种溶剂的树脂溶液；该树脂溶液的纤芯材料被涂覆在具有凹槽的第一包层的表面，并且利用该纤芯材料填充凹槽；加热该纤芯材料以改变折射率，以及通过抛光来除掉填充到凹槽中的纤芯材料之外的纤芯材料；以及在抛光后，通过直接结合使第二包层与具有凹槽的第一包层的表面相结合。根据该方法，可以容易地生产低损耗、高性能的光波导。该方法同样有利于控制纤芯的折射率。

优选的是，在通过抛光除掉纤芯材料后，将粘接剂涂覆于具有凹槽的第一包层的表面和结合到第一包层的第二包层表面的至少其中之一个表面上，第一包层和第二包层经由该粘接剂被结合到一起。该粘接剂可以具有基本上等于第二包层折射率的折射率。该方法能够容易地将第一包层和第二包层相结合而不用加热，防止了性能的降低，并且实现了高生产率。

优选的是，纤芯材料是一种包含聚合物材料和一种溶剂的树脂溶液；该树脂溶液的纤芯材料被涂覆于具有凹槽的第一包层的表面和结合到第一包层的第二包层表面的至少其中之一；该纤芯材料被压在第一包层和第二包层之间，然后被加热以改变折射率；用纤芯材料填充该凹槽；以及第一包层和第二包层经由纤芯材料被结合到一起。根据该方法，当第一包层和第二包层被结合到一起时，可以控制纤芯材料的折射率。因此，可以减少制造光波导过程中的步骤数量。

优选的是，纤芯材料是至少包含该聚合物材料和一种溶剂的树脂溶液；该树脂溶液的纤芯材料被涂覆于具有凹槽的第一包层的表面和与结合到第一包层的第二包层表面的至少其中之一，然后被加热以蒸发该溶剂；以及以不超过该溶剂的沸点的一个温度开始加热，而且该温度被增加到一个小于改变纤芯材料之折射率的反应被开始的温度的温度。该方法能够阻止纤芯材料涂层表面的不匀性以及在第一包层和第二包层之间的接合缺陷。

优选的是，纤芯材料是至少包含该聚合物材料的一个膜；该膜的纤芯材料在具有凹槽的第一包层的表面和与结合到第一包层的第二包层表面的至少其中之一上被淀积；该纤芯材料被压在第一包层和第二包层之间，然后加热以改变折射率；用纤芯材料填充该凹槽；以及第一包层和第二包层经由纤芯材料被结合到一起。根据该方法，当第一包层和第二包层被结合到一起时，可以控制纤芯材料的折射率。因此，可以减少制造光波导过程中的步骤数量。

优选的是，纤芯材料是至少包含有支链聚硅烷和聚硅氧烷的一种液体聚合物材料；该液体聚合物材料的纤芯材料被滴到具有凹槽的第一包层的表面和结合到该第一包层的第二包层表面的至少其中之一上；该纤芯材料被压在第一包层和第二包层之间，然后加热以改变折射率；用纤芯材料填充该凹槽；以及第一包层和第二包层经由纤芯材料被结合到一起。根据该方法，当第一包层和第二包层被结合到一起时，可以控制纤芯材料的折射率。因此，可以减少制造光波导过程中的步骤数量。

附图简述

图1是一个示出了实施例1的光波导的结构的剖面图。

图2A到2D示出了制造实施例1的光波导的一种方法的流程图。

图3示出了制造实施例1的光波导所使用的一种模压设备的结构。

图4是一个示出了实施例2的光波导的结构的剖面图。

图5A到5E示出了制造实施例2的光波导的一种方法的流程图。

图6A到6E示出了制造实施例2的光波导的另一种方法的流程图。

图7是一个示出了实施例3的光波导的结构的剖面图。

图8A到8C示出了制造实施例3的光波导的一种方法的流程图。

图9示出了制造实施例3的一个光波导中的压制处理过程。

图10示出了制造实施例3的另一个光波导中的压制处理过程。

图11示出了制造实施例3的又一个光波导中的压制处理过程。

图12A到12B分别是示出了一般的单模石英玻璃光波导的结构的平面图和剖面图。

图13A到13C示出了一种制造常规石英玻璃光波导的一般方法的流程图。

图14A到14D示出了制造一个具有填充式凹槽的光波导的方法的流程图。

优选实施例的描述

实施例1

以下参考附图描述本发明实施例1的光波导。图1是一个示出了光波导1的结构的剖面图。如图1所示，光波导1包括纤芯13和包围该纤芯13的玻璃基底(包层)11、12。被导引的光波在纤芯13中被束缚并且被传播。

纤芯13被嵌入到玻璃基底11中，以便被暴露在该玻璃基底11的一个主表面上，该玻璃基底11与玻璃基底12相对。玻璃基底11和12被设置为将纤芯13夹在中间。玻璃基底11，12能够用相同的材料制造。

例如，通过加热包括有支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料而形成的产品被用于纤芯13。例如，纤芯13的横截面是例如8μm²。优选的是，纤芯13和玻璃基底(包层)11、12之间的相对折射率差值是0.25％。该相对折射率差值表示为纤芯和包层之间的折射率平方的差值相对于2倍的纤芯折射率的平方的一个百分比。具体来说，该相对折射率差值Δ可表示为：

Δ＝(n₁ ²-n₂ ²)/2n₁ ²×100(％)

其中，n₁是纤芯的折射率，n₂是包层的折射率。

像单膜光波导一样，当纤芯和包层之间的折射率差值小的时候，该相对折射率差值可通过该纤芯和包层之间折射率的差值相对于该纤芯的折射率的百分比来近似。在此情况下，该相对折射率可以表示为：

Δ(n₁-n₂)/n₁×100(％)

纤芯13的折射率高于玻璃基底11、12的折射率。具有这种结构的光波导1能够在单模中传送具有1.3μm和1.55μm波长的导引光波。1.3μm和1.55μm波长的导引光波通常用于光通信中。

纤芯13是通过一种反应形成的产品，在该反应中，包含有支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料被加热或者利用紫外线被照射。当该反应继续进行时，有机成分(例如，H或C)被排除，该有支链聚硅烷的化学键由Si-Si改变为-O-Si-O-。该反应在下面称为“无机反应”。该聚合物材料具有的特性使得它的折射率通过该无机反应被减小。此外，该聚合物材料充分地粘接在玻璃材料上。

通过改变支链聚硅烷和聚硅氧烷的混合比率、加热条件、或者紫外线照射条件，该无机反应能被控制，从而也能控制纤芯13的折射率。这就使得可以将纤芯13和玻璃基底11、12之间的相对折射率差值精确地调整到所希望的值。如上所述，具有例如0.25％的相对折射率差值的光波导能够在单模中传送1.3μm和1.55μm的导引光波。

当包括加热聚合物材料的无机反应的一种产品被紫外线部分照射时，被照射部分的折射率进一步减小。这种效果能被用于在光波导1的纤芯13中提供预先确定的折射率分布。因此，光波导1同样能够具有传送或者反射一个特定波长的滤波功能。

在下文中，将参考附图描述一种制造光波导1的方法。图2A到2D示出了这种制造方法的工艺。图3示出了制造光波导1中所使用的一种模压设备30的结构。

首先，如图2A所示，通过玻璃成形法在玻璃基底11中形成一个凹槽11a。作为玻璃成形法的一个实例，可采用模压设备30。该模压设备30包括一个腔36，其中设置一对上部和下部加热块31，32。上部加热块31能够上下移动，而下部加热块是固定的。上部加热块31具有上部压模33(20mm²大小)。在上部压模33的一个模压表面33b上形成一个突起33a。该突起33a通过干蚀刻法被精细处理，并被用作形成光波导的一个凸起模型。该上部压模33的模压表面33b可用贵金属的保护膜覆盖以改善耐腐蚀性和脱开玻璃的能力等等。该突起33a的横截面是8μm²。

在下部加热块32上提供一个平的下部压模35。如图2A所示，当在玻璃基底11中形成凹槽11a时，一个8mm²的玻璃基底11(例如，具有1.581的折射率和520℃的软化点的光学玻璃)被放置在下部压模35上。

腔36中充有氮气。上部加热块31向下移动以便上部压模33的突起33a与玻璃基底11接触，同时施加一个小的压力(例如，50kg/cm²或者更小)。在这些条件下，给上部和下部加热块31，32供电并产生热量，由该热量加热玻璃基底11。例如，玻璃基底11被加热到软化点(520℃)并被软化，以及上部加热块31的压力增加到400kg/cm²。例如，当玻璃基底11变形0.2mm时，则停止施加压力和停止供电，以冷却玻璃基底11。如上所述，玻璃基底11的厚度减少0.2mm，反过来增加了玻璃基底11的主表面的面积。利用一个光学显微镜和一个电子显微镜观测具有所产生的凹槽11a的玻璃基底11的表面和横截面。观测结果显示，一个精细构形的凹槽11a在玻璃基底11中形成，突起33a(即，该上部压模33的凸出构形)被精确的转移到玻璃基底11上。

接下来，在玻璃基底11(图2A)上通过旋涂法形成一个树脂层13a，以便利用树脂层13a来填充凹槽11a，如图2B所示。通过将纤芯材料涂覆到具有凹槽11a的玻璃基底11的表面来形成树脂层13a。纤芯材料是包含一种溶剂和聚合物材料的一种树脂溶液，聚合物材料包括支链聚硅烷和聚硅氧烷。除了旋涂法，用于形成均匀涂层的一般技术也能被使用，诸如蘸涂、喷涂和编织(braiding)。具有足够厚度的树脂层13a能容易被形成，从而实现了高生产效率。

下面是用于纤芯材料的聚合物材料的说明。支链聚硅烷的分支度优选是5％到25％，最优选是20％。当分支度小于5％时，失去分支效果，例如，对纤芯材料呈现双折射属性。当分支度大于25％时，在凹槽11a中填充纤芯材料将变得困难。

以一个混合比率混合支链聚硅烷和聚硅氧烷，以便纤芯材料能够显示出更加有利的特性。特别是，纤芯材料软到足够在凹槽11a中容易被填充，并且牢牢粘接到凹槽11a的内壁上而在它们之间不留有任何空隙。出于这个原因，混合比率可以是每100份支链聚硅烷对25到100份聚硅氧烷，优选是每100份支链聚硅烷对50到75份聚硅氧烷。下面的实施例使用的纤芯材料，是将100份聚硅烷与50份聚硅氧烷混合而得到的。

一般的溶剂，诸如甲苯、苯甲醚、和有机溶剂，能够被用作包含在树脂溶液(纤芯材料)中的溶剂。加入溶剂以便树脂溶液具有取决于涂层厚度等的合适的浓度。溶剂的优选浓度是30％到60％。纤芯材料也能包括一般的添加剂，例如活性表面试剂，以改善涂层状态。

在形成树脂层13a之后，玻璃基底11被放置在一个热板上同时在例如120℃的起始温度处被预热。温度被增加到200℃以便除掉该溶剂成分。所希望的起始温度不超过在树脂溶液中的该溶剂的沸点。在接下来的处理中，最好是加热玻璃基底11同时不断增加温度。温度的上限可以小于在聚合物材料的折射率开始改变(称为“反应开始温度”)时的温度。如果在高于树脂溶液中的该溶剂的沸点的一个起始温度下执行预加热，那么树脂层13a的表面会变得不均匀。

当加热聚合物材料时，出现无机反应而改变折射率。因此，预先根据一个校准曲线确定一个加热温度，在该温度下能够达到所希望的折射率，该校准曲线示出了根据实际测量的折射率和加热温度之间的关系。例如，由该校准曲线来确定纤芯13的折射率(从1.583到1.584的范围)满足单模条件时的一个温度(350℃)，玻璃基底被加热到该温度。从而，光波导1的纤芯13能够具有一个所希望的折射率。

接下来，如图2C所示，通过抛光除掉纤芯13之外的树脂层13a(图2B)的不需要部分。通过一个反应形成的产品是在有机和无机物质之间的一种中间材料，在该反应中，用于树脂层13a的聚合物材料可以被加热。因此，不象一般的树脂材料，该产品没有因为抛光而形成小的缺陷，而是得到一个非常光滑的抛光表面。因此，能够实现一个高性能的光波导。

当加热或者用紫外线照射支链聚硅烷和聚硅氧烷(都是有机物质)时，它们吸收空气中的氧气而且接近于SiO₂同时除掉了有机成分，即变成了在有机和无机物质之间的一种中间材料。然而，它们没有完全变为SiO₂，所以留下了一些有机成分。

通过加热减少了包括支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料的体积。因此，当树脂层13a变薄时，它不会填充整个凹槽11a，因为加热改变折射率。因此，所得到的纤芯13小于预先确定的尺寸。为了解决这个问题，作为最终产品，形成的凹槽11a比光波导1的纤芯13更深。也就是说，图3中的上部压模33的突起33a应当高于8μm。照这样，玻璃基底11能够与凹槽11a中具有足够厚度的树脂层13a一起被加热，纤芯13的厚度可以至少是一个预先确定的厚度。此外，通过调整玻璃基底11和纤芯13的抛光量，能够实现所希望的纤芯尺寸。例如，纤芯13可以形成8μm的厚度。

最后，如图2D所示，一个光滑玻璃基底12与玻璃基底11直接结合而没有用粘接剂或类似物，以便纤芯13被它们夹到中间，从而产生了光波导1。特别是，具有纤芯13的玻璃基底11的表面和结合到玻璃基底11的玻璃基底12的表面被酸和溶剂充分冲蚀。然后加热到例如350℃，通过直接粘接而结合到一起。在此情况下，用于直接粘接的加热可以在大约300℃到400℃的温度下进行。

利用一个光学显微镜和一个电子显微镜观测由此产生的光波导1的一个样本的表面和横截面。观测结果显示纤芯13没有由填充到凹槽11a的纤芯材料的缺陷或者接合缺陷所引起的气泡或者杂质。

单模光波导1被连接到一个单模石英光纤，具有1.55μm波长的光通过该光纤传播以测量传播损耗。被测量的传播损耗大约是0.07dB/cm，而且在实际使用中不成问题。即使在-40℃到80℃的条件下，传播损耗完全不会改变。纤芯材料(由其中可加热聚合物材料的一个反应而形成的产品)折射率的温度相关性与包层材料(光学玻璃)的折射率的温度相关性一样。因此，这些材料的组合对于形成光波导是极好的。

在实施例1中，包含支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料首先被加热，以便发生无机反应来改变折射率。然而，在加热之前用紫外线照射该聚合物材料也能改变折射率。利用这种紫外线照射，即使在聚合物材料将被进一步加热直到它有一个所希望的折射率时，可以在较低的温度下进行该加热。

实施例2

将结合附图描述本发明的实施例2的光波导。图4是一个示出了光波导4的结构的剖面图。如图4所示，光波导4包括纤芯43、围绕纤芯43的玻璃基底(包层)41和42、以及粘接层44。导引光波在纤芯43中被束缚并且被传播。

纤芯43被嵌入到玻璃基底41中以便被暴露在与玻璃基底42相对的该玻璃基底41的一个主表面上。玻璃基底41、42被设置以便经由粘接层44将纤芯43夹在中间。玻璃基底41、42能够用相同的材料制造。粘接层44的折射率可与玻璃基底41、42的折射率相同。

例如，通过加热包括支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料而形成的产品被用于纤芯43。例如，纤芯43的横截面是8μm²。纤芯43和玻璃基底(包层)41、42之间的相对折射率差值最好是0.25％。纤芯43的折射率高于玻璃基底41、42的折射率。具有这种结构的光波导4能够在单模中传送具有1.3μm和1.55波长的导引光波。1.3μm和1.55μm波长的导引光波通常在光通信中使用。

纤芯43是通过一种反应(无机反应)形成的产品，在该反应中，包含支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料被加热或者利用紫外线被照射。聚合物材料具有的特性使得通过该无机反应来减少它的折射率。此外，该聚合物材料令人满意地粘接在玻璃材料上。

通过改变支链聚硅烷和聚硅氧烷的混合比率、加热条件、或者紫外线照射条件，无机反应能被控制，从而也能控制纤芯43的折射率。这就使得将纤芯43和玻璃基底41、42之间的相对折射率差值精确调整到所希望的值成为可能。如上所述，具有例如0.25％的相对折射率差值的光波导4能够在单模中传送1.3μm和1.55μm的导引光波。

当包括加热聚合物材料的无机反应的一种产品被紫外线部分照射时，被照射部分的折射率可进一步减小。这种效果能被用于在光波导4的纤芯43中提供预先确定的折射率分布。因此，光波导4同样能够具有传送或者反射一个特定波长的滤波功能。

粘接层44在包含纤芯43的玻璃基底41和玻璃基底42之间形成。粘接层44对于在光波导4中传播的光之波长应当是可穿透的。因此，一种氟化环氧基紫外线固化树脂或者热固性粘接剂可以被用作粘接层44。粘接层44的折射率可以至少是玻璃基底41、42的折射率。

包括支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料能被用于粘接层44以及纤芯43，因为它粘接在玻璃上。尤其是，当在小于20μm的厚度中淀积聚合物材料而形成粘接层14时，它能被用作一个包层。因此，光波导的功能是足够的，即使在缺少玻璃基底42的情况下。

在下文中，将参考附图描述一种制造光波导4的方法。图5A到5E示出了这种制造方法的工艺流程。首先，如图5A所示，通过玻璃成形法在玻璃基底41中形成一个凹槽41a。由于凹槽41a以与实施例1中相同的方式通过使用图3中的模压设备而形成，所以将不重复详细的解释。

接下来，在玻璃基底41(图5A)上通过旋涂法形成一个树脂层43a，以便利用树脂层43a来填充凹槽41a，如图5B所示。通过将纤芯材料涂覆到具有凹槽41a的玻璃基底41的表面来形成树脂层43a。纤芯材料是包含一种溶剂和聚合物材料的一种树脂溶液，该聚合物材料包括支链聚硅烷和聚硅氧烷。除了旋涂法，用于形成均匀涂层的一般技术也能被使用，诸如蘸涂、喷涂和编织。具有足够厚度的树脂层43a能容易被形成，从而实现了高产率。树脂溶液(纤芯材料)的详细说明在实施例1中已经给出，在该实施例中将不再重复。

在形成树脂层43a之后，玻璃基底41被放置在一个热板上，并在例如120℃的起始温度下被预加热。该温度被增加到200℃以便除掉该溶剂成分。

当加热聚合物材料时，发生无机反应以改变折射率。因此，能够达到所希望的折射率的一个加热温度事先基于一个校准曲线被确定，该校准曲线示出了根据实际测量的折射率和加热温度之间的关系。例如，由该校准曲线来确定纤芯43的折射率(从1.583到1.584的范围)满足单模条件时的一个温度(350℃)，玻璃基底被加热到该温度。从而，光波导4的纤芯43能够具有一个所希望的折射率。

接下来，如图5C所示，通过抛光除掉除纤芯43之外的树脂层43a的不必要部分(图5B)。通过一个反应形成的产品是在有机和无机物质之间的一种中间材料，在这种反应中，用于树脂层43a的聚合物材料可以被加热。因此，不象一般的树脂材料，该产品没有因为抛光而形成小的缺陷，而是得到一个非常光滑的抛光表面。

通过加热减少了包括支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料的体积。因此，当树脂层43a变薄时，它不能填充整个凹槽41a，因为加热改变折射率。因此，得到的纤芯43小于预先确定的尺寸。为了解决这个问题，形成的凹槽41a比光波导4的纤芯43更深，作为最终产品。也就是说，图3中的上部压模33的突起33a应当高于8μm。照这样，玻璃基底能够与凹槽41a中具有足够厚度的树脂层43a一起被加热，纤芯43的厚度可以至少是一个预先确定的厚度。此外，通过调整玻璃基底41和纤芯43的抛光量，能够实现所希望的纤芯尺寸。例如，纤芯43可以形成8μm的厚度。

如图5D所示，粘接层44在玻璃基底41和纤芯43(图5C)的被抛光和暴露在外的表面上形成，例如，通过旋涂法来涂覆一种紫外线固化粘接剂。除了旋涂法，用于形成均匀涂层的一般技术也能被使用，诸如蘸涂、喷涂和编织。

最后，如图5E所示，光滑玻璃基底42与粘接层44相结合而且利用紫外线被照射。通过照射来固化该紫外线固化粘接剂(粘接层44)，从而产生光波导4。这个过程不需要进行热处理，以便各个部件都不受加热的影响。粘接层44具有适合于光波导4的一个包层的折射率，并且该折射率不超过玻璃基底42的折射率。

利用一个光学显微镜和一个电子显微镜观测一个由此生产的光波导4的样本的表面和横截面。观测结果显示纤芯43没有由填充到凹槽41a中的纤芯材料的缺陷或者接合缺陷所引起的气泡或者杂质。

单模光波导4被连接到一个单模石英光纤，通过该光纤传播具有1.55μm波长的光来测量传播损耗。被测量的传播损耗大约是0.10dB/cm，而且在实际使用中不成问题。

下面是对制造光波导4的另一个方法的说明。图6A到6E示出了这种制造方法的工艺。该方法不同于在图5A到5E中示出的方法，其中使用纤芯材料作为粘接层44。尤其是，包含一种溶剂和聚合物材料(其中包括支链聚硅烷和聚硅氧烷)的树脂溶液被用作粘接层44。由于在图6A到6C中示出的过程与图5A到5C中示出的过程一样，所以将不重复详细的说明。

如图6D所示，例如通过旋涂法来涂覆该树脂溶液，在一个光滑的玻璃基底42的表面上形成粘接层44，该玻璃基底42被结合到玻璃基底41。然后，具有粘接层44的玻璃基底42被放置在一个热板上，在120℃的起始温度下被预加热。温度被增加到200℃以便除掉该溶剂成分。为了达到所希望的折射率，玻璃基底42被进一步加热，例如达到355℃，其基于示出了折射率和加热温度之间关系的校准曲线而被确定。粘接层44可具有适合于光波导4的一个包层的折射率，并且该折射率不超过玻璃基底42的折射率。

最后，如图6E所示，包括纤芯43的玻璃基底41和在玻璃基底42上形成的粘接层44被结合到一起，以便纤芯43被夹在它们中间。尤其是，具有纤芯43的玻璃基底41的表面和被结合到玻璃基底41的粘接层44的表面被酸或溶剂充分地冲蚀，然后被加热到350℃，并且彼此相对受压，从而产生光波导4。

利用一个光学显微镜和一个电子显微镜观测所产生的光波导4的一个样本的表面和横截面。观测结果显示纤芯13没有由填充到凹槽11a纤芯材料的缺陷或者接合缺陷所引起的气泡或者杂质。

单模光波导4被连接到一个单模石英光纤，通过该光纤传播具有1.55μm波长的光来测量传播损耗。被测量的传播损耗大约是0.09dB/cm，而且在实际使用中不成问题。

在实施例2中，包括支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料首先被加热，以便发生无机反应来改变折射率。然而，在加热之前用紫外线照射该聚合物材料也能改变折射率。利用这种紫外线照射，即使当聚合物材料将被进一步加热直到它有一个所希望的折射率时，该加热能在较低的温度下进行。

实施例3

将参考附图描述本发明的实施例3的光波导。图7是一个示出了光波导7的结构的剖面图。如图7所示，光波导7包括纤芯73、围绕纤芯73的玻璃基底(包层)71、72、以及一个粘接层73a。粘接层73a与纤芯73相组合并且在玻璃基底71、72之间形成。导引光波在纤芯73中被束缚并且被传播。

纤芯73被嵌入到玻璃基底71中，以便被暴露在与玻璃基底72相对的该玻璃基底71的一个主表面上。玻璃基底71和72被设置以便经由粘接层73a将纤芯73夹在中间。玻璃基底71、72能够用相同的材料制造。粘接层73a和纤芯73形成单个部件。

例如，通过加热包括支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料而形成的产品被用作纤芯73和粘接层73a。例如，纤芯73的横截面是8μm²。纤芯73(粘接层73a)和玻璃基底(包层)71、72之间的相对折射率差值最好是0.25％。纤芯73和粘接层73a的折射率高于玻璃基底71、72的折射率。具有这种结构的光波导7能够在单模中传送具有1.3μm和1.55μm波长的导引光波。1.3μm和1.55μm波长的导引光波通常在光通信中使用。

纤芯73是通过一种反应(无机反应)形成的产品，在该反应中，包含支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料被加热或者利用紫外线被照射。聚合物材料具有的特性使得通过无机反应来减少它的折射率。因此，纤芯73的折射率能被控制。此外，该聚合物材料充分地粘接在玻璃材料上。

通过改变支链聚硅烷和聚硅氧烷的混合比率、加热条件、或者紫外线照射条件，可以控制该无机反应，从而也能控制纤芯73的折射率。这就使得将纤芯73和玻璃基底71、72之间的相对折射率差值精确调整到所希望的值成为可能。如上所述，具有例如0.25％的相对折射率差值的光波导7能够在单模中传送1.3μm和1.55μm的导引光波。

当包括加热聚合物材料的无机反应的一种产品被紫外线部分照射时，被照射部分的折射率可进一步减小。这种效果能被用于在光波导7的纤芯73中提供预先确定的折射率分布。因此，光波导7同样能够具有传送或者反射一个特定波长的滤波功能。

在下文中，将参考附图描述一种制造光波导7的方法。图8A到8C示出了这种制造方法的工艺。图8A示出了在玻璃基底71中形成一个凹槽71a的过程。由于该过程与图2A中示出的相同，所以将不重复详细的解释。图8B示出了通过将纤芯材料涂覆到具有将不重复详细的解释。图8B示出了通过将纤芯材料涂覆到具有凹槽71a的玻璃基底71的表面而形成一个树脂层73b的过程。该纤芯材料是一种包括溶剂和聚合物材料的树脂溶液，该聚合物材料包含有支链聚硅烷和聚硅氧烷。在形成树脂层73b之后，通过预加热除掉该溶剂部分。由于该过程与图2B中示出的相同，所以将不重复详细的解释。

接下来，光滑的玻璃基底72被结合到在玻璃基底71上形成的一个树脂层73b。因此，如图8C所示，树脂层73b的一部分被填充在凹槽71a中并且形成为纤芯73，剩余的部分被形成为粘接层73a，用于连接玻璃基底71和72，从而产生了光波导7。通过使用图3中的模压设备30来执行该过程。首先，从模压设备30除去上部压模33和下部压模35。如图9所示，具有树脂层73b的玻璃基底71被放置在下部加热块32上，树脂层73b的上面是玻璃基底72。上部加热块31被向下压到玻璃基底72上。腔36中充满空气。在这种气氛中，施加到玻璃基底71、72上的压力被增加，例如，增加到100kg/cm²同时给上部和下部加热块31、32供电并且产生热量。

当加热聚合物材料时，发生无机反应而改变折射率。因此，能够达到的所希望的折射率时的一个加热温度是事先基于一个校准曲线被确定，该校准曲线示出了根据实际测量的折射率和加热温度之间的关系。例如，由该校准曲线来确定在纤芯73的折射率(从1.583到1.587的范围)满足单模条件时的一个温度(350℃)，该玻璃基底被加热到该温度。从而，光波导7的纤芯73能够具有一个所希望的折射率。

以此方式，纤芯73的折射率能被调整到一个所希望的值，而玻璃基底71、72经由图8C中示出的粘接层73a被结合到一起。因此，可以减少制造光波导7的过程中的步骤数量。

利用一个光学显微镜和一个电子显微镜观测由此所产生的光波导7的一个样本的表面和横截面。观测结果显示纤芯73没有由填充到凹槽11a的纤芯材料的缺陷或者接合缺陷所引起的气泡或者杂质。此外，一种纤芯材料的无机反应的产品被填充在凹槽71a中并且形成为纤芯73。

通过切割成小块，光波导7的样本的若干部分被切割，并且利用一个电子显微镜观测横截面部分。观测结果显示粘接层73a具有大约1μm的厚度。该厚度对于实现在纤芯73中的光束缚作用是足够的。当粘接层73a的厚度不超过3μm时，光能够在单模中被传播。最好是，粘接层73a的厚度尤其不应当超过1μm，以减少传播损耗。

单模光波导7被连接到一个单模石英光纤，通过该光纤传播具有1.55μm波长的光来测量传播损耗。被测量的传播损耗大约是0.08dB/cm，而且在实际使用中不成问题。

在实施例2中，包括支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料首先被加热，以便发生无机反应来改变折射率。然而，在加热之前用紫外线照射该聚合物材料也能改变折射率。利用这种紫外线照射，即使当聚合物材料应被进一步加热直到有一个所希望的折射率时，加热可在更低的温度下进行。

在上述制造光波导7的方法中，包括聚合物材料和一种溶剂的树脂溶液被用作纤芯材料。然而，包括聚合物材料的固体可以被用于代替该树脂溶液。使用这样一种固体纤芯材料的制造方法将参考图10进行描述。在图10中，一个薄模75被用作纤芯材料。

如图10所示，具有凹槽71a的玻璃基底71被放置在模压设备30的下部加热块32上面。膜75在玻璃基底71上被淀积，膜75上面是光滑的玻璃基底72。由于膜75没有包括任何溶剂，所以没有必要进行预加热。

膜75是一种包括聚合物材料的固体，该聚合物材料含有支链聚硅烷和聚硅氧烷。膜75的厚度是例如10μm。膜75的支链聚硅烷和聚硅氧烷的混合比率与树脂溶液的混合比率相同。上部加热块31向下压到玻璃基底72上。腔36中充满空气。在这种气氛中，施加到玻璃基底71、72上的压力被增加到例如150kg/cm²，同时给上部和下部加热块31、32供电并且产生热量。

能够达到的所希望的折射率时的一个加热温度是事先基于一个校准曲线来确定的，该校准曲线示出了根据实际测量的折射率和加热温度之间的关系。例如，由该校准曲线来确定在纤芯73的折射率(从1.583到1.584的范围)满足单模条件时的一个温度(350℃)，玻璃基底被加热到该温度。从而，光波导7的纤芯73能够具有一个所希望的折射率。

以此方式，当在施加压力的情况下加热膜75时，膜75的一部分进入到凹槽71a从而形成纤芯73，剩余部分被结合在玻璃基底71、72之间并且形成粘接层73a，如图8C所示。加热纤芯材料以便纤芯73的折射率能被调整到一个所希望的值。玻璃基底71、72经由粘接层73a被结合到一起。这些过程可以同时进行，因此，可以减少制造光波导7的过程中的步骤数量。

利用一个光学显微镜和一个电子显微镜观测所产生的光波导7的一个样本的主表面和横截面。观测结果显示，纤芯73没有由填充到凹槽71a纤芯材料的缺陷或者接合缺陷所引起的气泡或者杂质。此外，纤芯材料的无机反应的产品被填充在凹槽71a中并且形成为纤芯73。

通过切割成小块，若干光波导7的样本部分被切割，并且利用一个电子显微镜观测横截面部分。观测结果显示，粘接层73a具有大约1μm的厚度。该厚度对于实现在纤芯73中的光束缚作用是足够的。

单模光波导7被连接到一个单模石英光纤，通过该光纤传播具有1.55μm波长的光来测量传播损耗。被测量的传播损耗大约是0.1dB/cm，而且在实际使用中不成问题。

以下参考图11描述一种制造光波导的方法，其中包括有支链聚硅烷和聚硅氧烷的一种液态聚合物材料76被用作纤芯材料。

如图11所示，具有凹槽71a的玻璃基底71被放置在模压设备30的下部加热块32上。液体聚合物材料76被滴在玻璃基底71上。液体聚合物材料76的支链聚硅烷和聚硅氧烷的混合比率与树脂溶液的混合比率相同。然后，光滑玻璃基底72被设置在该液体聚合物材料76上。玻璃基底71、72可以是具有1.595的折射率和540℃的软化点的光学玻璃。由于该液体聚合物材料76不包括任何溶剂，所以没有必要预加热。

接下来，利用真空泵抽空该腔36。上部加热块31被向下压到玻璃基底72上，以便将例如1kg/cm²的压力施加到玻璃基底71、72上。随后，当空气被引入腔36及压力增加到50kg/cm²时，玻璃基底71、72被加热到300℃，在该温度下，液体聚合物材料76具有所希望的折射率。照此方式，液体聚合物材料76进入到凹槽71a并且形成纤芯73，如图8C所示。玻璃基底71、72经由粘接层73a被结合到一起。纤芯73的折射率能被调整到所希望的值。这些过程能够同时进行，可以减少在制造光波导7的过程中的步骤数量。

利用一个光学显微镜和一个电子显微镜观测由此所产生的光波导7的一个样本的主表面和横截面。观测结果显示，纤芯73没有由填充到凹槽71a纤芯材料的缺陷或者接合缺陷所引起的气泡或者杂质。此外，纤芯材料的无机反应的产品被填充在凹槽71a中并且形成纤芯73。

通过切割成小块，光波导7的样本的若干部分被切割，并且利用一个电子显微镜观测横截面部分。观测结果显示粘接层73a具有大约0.80μm的厚度。该厚度对于实现在纤芯73中的光束缚作用是足够的。

单模光波导7被连接到一个单模石英光纤，通过该光纤传播具有1.55μm波长的光来测量传播损耗。被测量的传播损耗大约是0.13dB/cm，而且在实际使用中不成问题。

实施例1到3描述了一种单模光波导。然而，本发明同样能被应用于多模光波导。光波导的结构和材料不仅限于上文所述。例如，耐热树脂也可以用作包层来代替玻璃基底。折射率能被调整到一个合适的值。

本发明可以用其他的形式来实施而不会脱离本发明的精神或者其实质特性。无论从哪方面来看，在该申请中公开的实施例应被认为是示例性的而不是限制性的。本发明的范围通过附加权利要求而不是上述说明书来表明，所有在权利要求的等效方案的意义和范围内导出的改变都应该被包含在其中。

Claims (15)

1、一种光波导，包括：

第一包层；

第二包层；以及

纤芯，

其中，纤芯被嵌入到第一包层中，以便暴露在与第二包层相对的第一包层的一个主表面上，

第一包层和第二包层被设置为将纤芯夹在中间，

该纤芯是通过一种反应形成的产品，在该反应中，一种包含有支链聚硅烷和聚硅氧烷的聚合物材料经过了至少选自加热和紫外线照射其中之一的处理过程，以及

该纤芯的折射率高于第一包层和第二包层的折射率。

2、根据权利要求1的光波导，其中第二包层的折射率基本上等于第一包层的折射率。

3、根据权利要求1的光波导，其中第一包层和第二包层是玻璃。

4、根据权利要求1的光波导，其中在包括纤芯的第一包层和第二包层之间形成粘接层。

5、根据权利要求4的光波导，粘接层包括一种聚合物材料，其中包含有支链聚硅烷和聚硅氧烷。

6、根据权利要求4的光波导，其中粘接层的折射率基本上等于或者高于第二包层的折射率。

7、一种用于制造光波导的方法，包括：

加热和软化第一包层；

通过将一个成型压模压在第一包层上，在第一包层中形成一个与纤芯一样的凹槽；

用包括聚合物材料的纤芯材料填充该凹槽，该聚合物材料包括有支链聚硅烷和聚硅氧烷；

加热纤芯材料，以引起一个改变该纤芯材料之折射率的反应；以及

将第二包层结合到配置有凹槽的第一包层的表面。

8、根据权利要求7的方法，其中第一包层和第二包层是玻璃。

9、根据权利要求7的方法，其中第二包层的折射率基本上等于第一包层的折射率。

10、根据权利要求7的方法，其中，该纤芯材料是包括聚合物材料和溶剂的一种树脂溶液，

该树脂溶液的纤芯材料被涂覆在配置有凹槽的第一包层的表面，以及用该纤芯材料填充该凹槽，

加热该纤芯材料以改变折射率，以及通过抛光来除掉被填充在该凹槽中的纤芯材料之外的其它纤芯材料，以及

在抛光后，通过直接结合，使第二包层结合到配置有凹槽的第一包层的表面。

11、根据权利要求10的方法，其中，在通过抛光除掉纤芯材料后，将粘接剂涂覆于具有凹槽的第一包层的表面和结合到该第一包层的第二包层之表面的至少其中之一个表面上，该粘接剂具有的折射率基本上等于第二包层的折射率，以及

第一包层和第二包层经由该粘接剂被结合在一起。

12、根据权利要求7的方法，其中，该纤芯材料是包含聚合物材料和溶剂的一种树脂溶液，

该树脂溶液的纤芯材料被涂覆于具有凹槽的第一包层的表面和结合到第一包层的第二包层表面的至少其中之一个表面上，

纤芯材料被压在第一包层和第二包层之间，然后被加热以改变折射率，

用该纤芯材料填充该凹槽，以及

第一包层和第二包层经由纤芯材料被结合到一起。

13、根据权利要求7的方法，其中，该纤芯材料是至少包含聚合物材料和溶剂的一种树脂溶液，

该树脂溶液的纤芯材料被涂覆于具有凹槽的第一包层的表面和被结合到该第一包层的第二包层之表面的至少其中之一个表面上，然后加热该树脂溶液的纤芯材料，以蒸发该溶剂，以及

以不超过该溶剂的沸点的一个温度开始加热，而且该温度被增加到低于改变该纤芯材料之折射率的反应开始时之温度的一个温度。

14、根据权利要求7的方法，其中纤芯材料是至少包含该聚合物材料的一个膜，

该膜的纤芯材料被淀积在具有凹槽的第一包层的表面和结合到该第一包层的第二包层表面的至少其中之一个表面上，

该纤芯材料被压在第一包层和第二包层之间，然后加热以改变折射率，

用该纤芯材料填充该凹槽，以及

第一包层和第二包层经由该纤芯材料被结合到一起。

15、根据权利要求7的方法，其中，该纤芯材料是至少包含有支链聚硅烷和聚硅氧烷的一种液体聚合物材料，

该液体聚合物材料的纤芯材料被滴到具有凹槽的第一包层的表面和被结合到该第一包层的第二包层的表面的至少其中之一个表面上，

该纤芯材料被压在第一包层和第二包层之间，然后加热以改变折射率，

用该纤芯材料填充该凹槽，以及

第一包层和第二包层经由该纤芯材料被结合到一起。

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