CN1341218A - 具有与温度相关控制特性的平面型聚合物波导器件 - Google Patents

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Abstract

一种对温度敏感的光信号器件(50),它具有至少一块波导层(56)和至少一种配入该器件的材料(60),所述材料的热膨胀系数约为20～200ppm/°K,足以在光信号器件的温度变化时对波导层施加拉伸应力。

Description

具有与温度相关控制特性的平面型聚合物波导器件
相关申请
本申请要求对1999年2月23日提出的美国临时申请连续号N0.60/121,259的优先权。
发明领域
本发明一般涉及平面型光波导器件，特别涉及其中至少设置一涂层且其热膨胀系数足以响应于温度变化将拉伸应力施加给器件的平面型光波导器件。
发明背景
业已发现，用聚合材料制作的光波导器件，可以随环境温度呈现出不同的响应特性。如果能控制平面型光波导响应特性的温度变化速率就好了，这样就可对光学器件的波导响应加以选择，使之基本上不受少量温度扰动的影响，或者使之明显地受这类变化的影响(即按其调谐能力选择)。在本文中，术语“调谐”表示光信号器件的滤光元件能够反射对一预选波长优先变化的光。
例如，做在平面型聚合物光波导里的光栅，光谱响应随温度变化可以呈现明显的变化。若不希望有这种变化，则必须根据工作温度范围制造多个波导器件。有时希望光谱响应很少或不随温度变化。如若把光栅设计成最好将某一特定频率与许多其它频率隔率开来，就希望该选择的频率在整个使用期间出现一般环境温度变动的情况下不发生变化。此种温度扰动会对读数精度产生不利影响，或要求高度精密的温控形式。
但在另一些场合中，希望光谱响应以受控的速率发生变化(即装置具有调谐能力)。如可用包含波导与光栅的光学传感器来测量温度，传感器的灵敏度应与控制波长响应随温度变化的速率(即控制dλB/dT)的能力相关。
对于光信号器件的平面型聚合物光栅而言，灵敏度(dλB/dT)目前由平面波导材料的本征特性确定。这些本特征性包括热膨胀系数(cTE)和材料折射率随温度的变化(dn/dT)，这两种特征都随温度呈现线性变化，其值取决于制作光波导器件所用材料的组份。要发现在平面型光波导中制作光栅且具有所需光学特性的合适的材料极其困难，而要求材料具有正确的温敏响应(dλB/dT)会使材料选择问题变得更困难。因此，较为有利的是光信号器件的dλB/dT能置成零或者被控制在期望的范围内而不必更改波导材料的组份，从而让单个波导器件工作在一系列选定的dλB/dT值内。
在应用平面型光学定向耦合器时，这种控制也是有利的。单模光学定向耦合器通常用作干涉分束器，将信号分至各种不同的路径。它们通常是输入/输出装置，将一个输入分成两个具有某种特征分束比的输出。这种分束比受光路间隔中小尺寸变化的影响。通过控制光信号器件的任一操作元件(CTE和/或dn/dT)，就能控制分束比的灵敏度。
此外，应用CTE受控的操作元件还可用于控制多模干涉(MMI)装置。这类装置密切依赖于它们的尺寸，因而受温度扰动的影响。正确地选用CTE受控的元件也有助于控制其特性。
因此，希望光信号器件的生产与应用技术有一明显的进步，以提供这种灵敏度可控的装置(即控制频响特性随温度变化的速率)。
希望光信号器件的生产与应用技术有进一步的发展，使这种装置具备调谐能力。
发明内容
本发明一般针对特别对温度扰动具有受控灵敏度的光信号器件，本发明的一特定方面提供了这种装置。
一种光信号器件包括：
a)一种对温度敏感且其中具有波导层的平面型聚合物光信号器件，和
b)配用于所述光信号器件的至少一种材料，它具有约20～200ppm/°K的热膨胀系数，当光信号器件的温度变化时，足以对所述波导层施加拉伸应力。
在本发明的一个具体方面中，配用的材料至少作为一独立的层或形成至少一部分基片。
附图简介
下列附图用于示例本发明的诸实施例，但不限制由构成本申请一部分的权要求书所提出的本发明范围。
图1～8B是剖面图，表示用于本发明的光栅区的开发状况；
图9A是本发明一实施例的剖面图，光栅区的开发状况如图1～8B所示，选CTE的层对应用于本发明的光信号器件施加应力；
图9B是类似于图9A的剖面图，但用多个层对光信号器件施加应力；和
图10是本发明光信号器件一实施例示意图。
本发明的详细描述
本发明一般旨在提供一种或多种热膨胀系数范围约为20～200ppm/°K的温敏元件，这种元件作为基片的一部分或作为至少一个层位于光信号器件上面和/或下面以在其中产生应力。选用的元件一般为聚合材料层，其热膨胀系数(CTE)范围在温度变化时导致一施加给波导层的应力。CTE的范围一般约为20～200ppm/°K，最好为约100～160ppm/°K。本发明产生的施加应力可以改变器件的尺寸，并且/或者可以改变波导材料的折射率。正确地应用具有所需CTE值的聚合物材料，能将器件的灵敏度改到所需的可控区内。
图1～8B示出惯常应用的光信号器件的光栅区的开发状况。根据本发明的一较佳实施例，在基片4表面上加一层下包层可聚合组份膜1，如图1所示。加膜可用本领域中几种不同的已知方法，如旋涂、浸涂、槽涂、辊涂、刮涂、液体浇注等。一般而言，下包层可聚合组份的厚度从至少约0.01微米(最好至少1微米)到约10微米或者更厚。
尽管下包层可用折射率比核芯更低的任何材料制造，但是最佳的下包层材料是下述一种含氟聚合物组份。优选这种低损失包层材料的部分原因是只有少部分光信号透过包层材料。
较佳地，下包层可聚合组份可通过加热和/或光化辐射而固化。更佳地，可通过光化辐射而光固化。如图2所示，通过合适的辐射源5的曝光，至少可有效地部分固化下包层可聚合组份，在基片4上形成下包层6。较佳地，辐射5在总体上是一种非图像类的紫外辐射曝光。
如图3所示，为形成透光区或核芯，在下包层6上加一核芯可聚合组份的厚膜或薄膜2。所加的核芯可聚合组份的厚度一般为约1微米到约1毫米，较佳为约5微米到约500微米。核芯可聚合组合最好为可光聚合型，即可用光化辐射曝光而固化。
在辐射5期间将核芯可聚合组份层以图像类曝光成合适的形式，能有效地至少部分固化核芯可聚合组份层被曝光的图像部分，而基本上不固化未曝光的非图像区域，如图4所示。较佳地，固化辐射5是光化辐射，更佳地是通过核芯光掩模7曝光的紫外辐射。透光核芯的位置与尺寸由膜表面上光化辐射的图案决定。辐射图案最好选成使可聚合组份以所需的图案聚合，而对核芯可聚合膜的其它区域基本上不反应。如在一较佳实施例中，若可聚合组份可以光固化，可按要求的持续时间对核芯可聚合组份曝光具有要求的波长与强度的光化辐射，使光聚合物至少部分固化，从而制成光聚合物。
在一较佳实施例中，核芯可聚合组份不完全固化，仅在施涂上包层可聚合组份之前部分聚合。部分聚合表明聚合后会出现以下更全面描述的某些可聚合的端基，即并非所有的可聚合端基都转化成饱和的碳氧化合物。这说明在施加上包层可聚合组份之前，有超过0％但不到50％最好不到约20％数量的可聚合端基保持未反应。核芯可聚合组份层在施加上包层可聚合组份层之前的部分聚合，允许这两种组份在其界面处互相混合。这样就增强了这两个层的粘合作用，还通过减少核芯与包层界面的散射而减小了光损失。通过在加核芯聚合组份层之前不完全固化下包层可聚合组份层，也可在下包层/核心界面应用同样的部分聚合技术。
在核芯可聚合组份已经至少部分聚合而在下包层表面上形成聚合物的预定图案后，接着对该图案显影，去除非图像区而留下预定的核芯图案8，如图5所示。任何常规显影方法都可使用，如用溶剂使未辐射组份齐平，这类溶剂有丙酮、甲醇、丙醇、四氢呋喃和乙酸乙酯。
虽然图4和5示出用一块具有一个透明图像形成区的光掩模只形成一个核芯，但是技术人员显然知道，应用具有多个透明图像形成区的光掩膜或者能对多个图像区曝光的类似装置，可在下包层上同时形成多个间隔开的核芯。
现有描述另外两种形成上包层的方法。在每种情况中，都在下包层6和核芯8上加一上包层可聚合组份膜3，如图6所示。像下包层一样，尽管可用折射率比核芯更低的任何材料制作上包层，但是最佳的上包层材料是下述的含氟聚合物组份。这种低损失材料较佳的部分原因是很小一部分光信号可通过包层材料发射。
较佳地，上包层可聚合组份可通过加热和/或光化辐射而固化，更佳地可通过光化辐射而光固化。光化辐射的较佳形式是紫外辐射。
上包层可聚合组份层用合适形式的固化辐射5至少部分固化。在图7A和7B所示的一种方法中，通过一块成像包层光掩模11曝光光化辐射，形成一至少部分固化的图像区和不曝光不固化的区域。通过例如用某种合适的溶剂去除不曝光不固化的区域，显现出上包层9。得到的核芯8和上包层9形成一种在下包层6与基片4的平面上方延迟的脊状结构。上包层9覆盖柱核芯8的顶部和侧面。这类上包层9的优点在于其核芯8的内应力很小。较佳地，核芯8由下包层6和上包层9完全包封起来。
在图8A和8B所示的另一种方法中，上包层可聚合组份层3简单地整体包封，或者非图像状曝露于合适形式的固化辐射5而至少部分固化上包层可聚合组份，如图8A所示，以形成平面型上包层10，如图8B所示。较佳地，核芯8用下包层6和上包层10完全包封起来。
根据本发明，结合图1～8B描述的波导组件设置至少一块附加层，在有温度变化时对波导施加应力。
具体参照图9A，图中示出一波导组件50，如结合图1～8B所述的那样，在基片58上有上包层52、下包层54和中间的核芯区56。如图9A的实施例所示，设置的至少一层60(只示出单层)由热膨胀系数约为20～200ppm/°K最好为约100～160ppm/°K的材料制作，该材料在温度变化时能对波导加应力。在图9B所示的另一实施例中，在基片58上设置至少一个由具有所需CTE特性的材料制作的附加层62，同样能对波导施加应力。在本发明的再一个实施例中，将应力感应材料掺入基片中。
层60的模数较佳地大于包层与核芯聚合物层模数的约1/2，更佳地大于1×模数，最佳地大于2×模数。这样的关系加上应用大于波导层52与54厚度的厚度，将保证在波导层52、54和56的出现CTE失配造成的占主要比例的应变。
以图1～图9B所示方法构成光信号器件后，测量它的dλB/dT值。可以设置附加层60和/或62，或者可对基片设置一种期望的应力感应材料，加工反复进行，直到实现了所需的dλB/dT值。
作为该方法的一个例子，用紫外可固化材料制作光栅，核芯与包层的折射率为0.0055。表1列出应用不同CTE值的基片所得到的dλB/dT值。
                           表  1
                         dλB/dT与CTE
Figure A0080417900091
对于布拉格光栅，下述公式可以证明表1列出的dλB/dT与CTE的线性关系：
                     2·∧·neff＝λB其中∧是光栅周期，neff是波导的有效折射率。若对温度求导并假定变量的独立性，则得到对于制作聚合物波导的具体材料，作为一次近似，可以假设dneff/dT相对于CTE不变，这表明dλB/dT随d∧/dT呈线性变化。由于聚合物波导中光栅周期相对于温度的变化是由其有效CTE造成的，所以可以看出，由于一次近似，dλB/dT相对于波导的有效CTE呈现线性变化。由于该波导是一块粘合于原基片的薄膜，因而波导的有效CTE依赖于波导所应用的聚合材料的CTE和基片的CTE。
用作附加层或作为基片一部分而具有期望CTE值以对光波导施加应力的较佳聚合材料，包括尿烷、环氧树脂、聚硫化物、硅酮、丙烯酸、聚酯、聚烯烃等。这类聚合材料因为能用各种CTE值配制而较为合适，例如Dow Chemicals公司的“Typical physical Properties of Pellethane″小册子列出了这些未填充的热塑性尿烷的CTE值，其范围为约88～171ppm/℃，CTE值大致按其硬度测量值呈相反的变化。若混以适当的填料，甚至可得到更低的CTE值。由于双成份的热固尿烷可以作为液体涂料使用并然后固化，所以优点在于在制作应用所要求的极其平坦的基片时，允许采用各种模制与浇注方法。
因此，作为本发明的一个实施例，本方法配制用了硬度等级不同的双成份尿烷。为了增强后继紫外固化层与这种材料的粘合性，特地把尿烷配制成包含某种丙烯酸官能度。下面表2列出了得到的dλB/dT值：
          表2
    硬度
98肖氏A级 -0.12nm/℃
60肖氏A级 -0.06nm/℃
为提供基本上与温度无关的λB，可将dλB/dT值调节成充分接近零。运用任何一种上述的聚合材料，很容易将特定波导光栅的dλB/dT改变成符合特定的应用。dλB/dT值的范围通常为约-0.1nm/℃～0.1nm/℃。要求与温度无关时(即绝热)，dλB/dT的范围较佳为±0.02nm/℃，更佳为±0.01nm/℃，最佳为±0.005nm/℃。
例1
将一负色调的液态光单体(由20.0克乙氧基双酚A二丙烯酸盐、10.0克三聚丙烯乙二醇二丙烯酸盐、0.6克光引发剂(Irgacure 651)、0.09克抗氧化剂(Irganox 1010)组成的混合物)施涂在选定的基片上形成10微米厚的层，然后在汞灯(Hg I光谱线，波长为365nm)下经均匀紫外固化，形成折射率为1.4895(完全固化后)的固态薄膜作为下包层。曝光时间限为1秒种以得到部分聚合的层。
将一负色调液态光单体(由20.0克乙氧基双酚A二丙烯酸盐、8.0克三聚丙烯乙二醇二丙烯酸盐、2.0克1，6己二醇二丙烯酸盐、0.6克光引发剂(Irgacure 651)与0.09克抗氧化剂(Irganox1010)组成的混合物)施涂在下包层上形成6微米厚的层，然后使样品与波导回路(直波导)透明处的掩模接触(掩膜中波导的宽度为5微米)。接着，在汞灯下通过掩模使该层作选择性紫外固化历时3秒钟，确保只有部分聚合，并硬化折射率为1.4970(完全固化后)的核芯波导回路。
取下掩模，用甲醇显露出未曝光部分。将下包层使用的同一种光单体旋涂到核芯结构上，形成10微米厚的保形层，对该层再作短时间(1秒种)的包封紫外曝光，确保在该阶段只有部分聚合。用一块相位掩模穿过波导截面印刷一光栅(使用工作于363.8nm的氩离子激光器)，带平面波导回路的样品与相位掩模保持平行，相距所述掩模50微米。激光束垂直于掩模与样品，其直径为3mm(强度l/e2)。激光器横穿波导中心描述5mm，在三块部分固化的波导层形成光栅。最后，样品在汞灯下以环境温度在氮气中，作最终紫外固化，历时60秒种，接着以90℃最终热固1小时，使三层全部完全聚合。样品经测试，得到表3所列的dλB/dT值。
                               表3
    98肖氏A级硬度     60肖氏A级硬度
*Isonate isocyanate 143 L(Dow Chemical) 37.8％ 24％
**Voranol 230-238 57.2％ ----
**Voranol 230-112 ---- 71％
***Peta-K+(UCB Radcure) 5.0％ 5.0％
*芳香异氰酸盐
**三官能聚醚多羟基化合物，MW＝700(238)或MW＝1500(112)
***Peta-K是一种有残余羟基的多官能丙烯酸盐化合物。添加这种化合物
可增强后续丙烯酸盐层的粘合性。
尿烷样品的配制如下：
将上述混合物浇入聚乙烯模具并以70℃固化一夜，即可制成基片。然后，样品脱模得到1mm厚的基片。以上述方法在这些基片上形成光栅。样品再经切割锯整形，经测量确定dλ/dT。
可按下述方法将上述波导装入光信号器件。
参照图10，图中示出以Mach-Zehnder器件20的形式形成在基片上的一种单信道添加/去除光信号器件(基片的相对位置见图1～9B)。图2所示的在耦合区出现渐逝耦合的装置20有两个基本上相同的平面波导22与24，它们以定向耦合器的形式在两个3dB耦合区26和28互相对准，耦合区26和28之间有一光栅区30，包括光栅系统32(如布拉格光栅)。
按本发明制作的波导22和24，如图9A-9B的实施例，相互隔开的距离足以在光栅区30中不出现渐逝耦合。
多波长光经输入口34进入器件20，与光栅系统32不谐振的波长通过光栅传播到输出口作进一步处理(如，进一步去复用)，而一个与光栅系统32谐振的预选光波长在光栅区30中被反射，经去除端口38从器件20出射。某预定波长的光则可以通过端口40加到器件20中。
本领域的技术人员参照上述说明和附图能更好地理解本发明的诸较佳实施例，这些说明和图示的本发明实施例并不打算穷举把本发明限制于所揭示的精确形式，而是用来描述或更好地解释本发明的原理及其实际应用，使本领域的其它技术人员更好地应用本发明。
虽然已经描述了本发明的较佳实施例，但是本领域的技术人员应当知道，可对本发明作出其它进一步的修改而不偏离本发明的精神，并且要求在本发明实际范围内的所有此类实施例的权利。

Claims (14)

1.一种光信号器件，其特征在于包括：
a)对温度敏感且其中至少具有一个波导层的平面型光信号器件，和
b)至少一种配入所述光信号器件的第一种材料，其热膨胀系数为约20～200ppm/°K，在光信号器件的温度变化时，足以对所述波导层施加拉伸应力。
2.如权利要求1所述的光信号器件，其特征在于第一种材料是一种聚合材料。
3.如权利要求1所述的光信号器件，其特征在于第一种材料选自聚氨基甲酸酯、环氧树脂、多硫化物、硅酮、丙烯酸、聚酯与聚烯烃。
4.如权利要求1所述的光信号器件，其特征在于第一种材料的热膨胀系数为约100～160ppm/°K。
5.如权利要求1所述的光信号器件，其特征在于第一种材料至少作为一层定位在所述光信号器件上。
6.如权利要求1所述的光信号器件，其特征在于还包括一块基片，所述第一种材料形成所述基片的至少一部分。
7.如权利要求1所述的光信号器件，其特征在于所述器件的dλB/dT值约为-0.1～0.1nm/℃。
8.如权利要求1所述的光信号器件，其特征在于平面型聚合物光信号器件包括：一对间隔开的包层，它们由具有第一折射率值的第二种材料构成；位于该对包层之间的核芯层，它具有大于第一折射率值的第二折射率值，因而第二与第一折射率值之差使多波长光源以单模方式通过所述器件；以及一光栅区，它包括通过所述核芯与包层延伸的滤光装置，使所述多波长光源的单波长光从中分离出来。
9.如权利要求8所述的光信号器件，其特征在于第一种材料是一种聚合材料。
10.如权利要求8所述的光信号器件，其特征在于第一种材料选自聚氨基甲酸酯、环氧树脂、多硫化物、硅酮、丙烯酸、聚酯与聚烯烃。
11.如权利要求8所述的光信号器件，其特征在于第一种材料的热膨胀系数为约100～160ppm/°K。
12.如权利要求8所述的光信号器件，其特征在于第一种材料至少作为一层定位在所述光信号器件上。
13.如权利要求8所述的光信号器件，其特征在于还包括一块基片，所述第一种材料形成所述基片的至少一部分。
14.如权利要求1所述的光信号器件，其特征在于所述器件的dλB/dT值约为-0.1～0.1nm/℃。
CNB008041792A 1999-02-23 2000-02-22 具有与温度相关控制特性的平面型聚合物波导器件 Expired - Fee Related CN1186651C (zh)

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