CN207216077U - 光波导薄膜及阵列波导光栅 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种光波导薄膜和应用该光波导薄膜的阵列波导光栅，所述光波导薄膜包括硅基底层和设于所述硅基底层一侧的二氧化锆芯层、及包裹于所述二氧化锆芯层外表面的二氧化硅层，所述二氧化硅层与所述硅基底层层之间还设有连接层，所述连接层采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲酸乙醇酯中的任一项，所述连接层在波长为0.750um‑1.55um范围内为透明，且折射率为1.40‑1.70。本实用新型技术方案的光波导薄膜结构通过在硅基底层和二氧化硅层之间设置连接层，可以很好的解决硅基底和二氧化硅直接接触容易脱落或卷曲的缺陷，并且韧性更好。

Description

光波导薄膜及阵列波导光栅

技术领域

本实用新型涉及光波导薄膜和应用该光波导薄膜的阵列波导光栅。

背景技术

现有技术中的硅基底层二氧化硅薄膜，以包裹有二氧化硅作为薄层材料，其制备工艺采用火焰水解法、热氧化法或等离子体气相沉积法等，然后通过掺杂制备高折射率材料，由于硅和SiO₂热膨胀系数不同，在热处理过程中SiO₂易从硅衬底上脱落或发生卷曲。

实用新型内容

本实用新型的主要目的是提供一种光波导薄膜，旨在解决硅基与二氧化硅之间发生脱落或卷曲的缺陷。

为实现上述目的，本实用新型提出的一种光波导薄膜，应用于阵列波导光栅，其特征在于，所述光波导薄膜包括硅基底层和设于所述硅基底层一侧的二氧化锆芯层、及包裹于所述二氧化锆芯层外表面的二氧化硅层，所述二氧化硅层与所述硅基底层层之间还设有连接层，所述连接层采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲酸乙醇酯中的任一项，所述连接层在波长为0.750um-1.55um范围内为透明，且折射率为1.40-1.70。。

可选地，连接层采用聚甲基丙烯酸甲酯，其在波长为0.80um-1.50um范围内为透明，且折射率为1.40-1.58。

可选地，连接层的厚度值为18um-20um。

可选地，连接层的厚度值为19um。

可选地，二氧化锆芯层的厚度值为4.5um-5.5um。

可选地，二氧化锆芯层的厚度值为5um。

可选地，二氧化硅层的厚度值为2.5um-3.5um。

可选地，二氧化硅层的厚度值为3um。

可选地，硅基底层背离所述二氧化锆层的一侧还设有硬涂层，所述硬涂层的厚度为5um。

本实用新型还提供一种阵列波导光栅，包括光波导薄膜，其中该光波导薄膜包括硅基底层和设于所述硅基底层一侧的二氧化锆芯层、及包裹于所述二氧化锆芯层的二氧化硅层，所述二氧化硅层与所述硅基底层层之间还设有连接层，所述连接层采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲酸乙醇酯中的任一项或其任意项组合的混合物，所述连接层在波长为0.750um-1.55um范围内为透明，且折射率为1.40-1.70。

本实用新型技术方案的光波导薄膜结构通过在硅基底层和二氧化硅层之间设置连接层，该连接层采用的的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲酸乙醇酯中的任一项，其质轻性柔，当对二氧化硅层和硅基底层进行热处理时，连接层可有效衔接二氧化硅层和硅基底层，避免二氧化硅层和硅基底层之间直接接触时，因为热膨胀系数差异较大导致脱落或卷曲的缺陷发生。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1为本实用新型光波导薄膜一实施例的结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	光波导薄膜	51	二氧化硅下包层
10	硅基底层	52	二氧化硅上包层
				30	连接层	70	二氧化锆芯层
50	二氧化硅层	90	硬涂层

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明，本实用新型实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本实用新型中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本实用新型要求的保护范围之内。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

本实用新型提出一种光波导薄膜100，应用于阵列波导光栅。

参照图1，在本实用新型实施例中，光波导薄膜100包括硅基底层10和设于所述硅基底层10一侧的二氧化锆芯层70、及包裹于所述二氧化锆芯层70外表面的二氧化硅层50，所述二氧化硅层50与所述硅基底层10层之间还设有连接层30，所述连接层30采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲酸乙醇酯中的任一项或其任意项组合的混合物，所述连接层30在波长为0.750um-1.55um范围内为透明，且折射率为1.40-1.70。

本实用新型技术方案的光波导薄膜100结构通过在硅基底层10和二氧化硅层50之间设置连接层30，该连接层30采用的的材质为聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲酸乙醇酯中的任一项，其质轻性柔，当对二氧化硅层50和硅基底层10进行热处理时，连接层30可有效衔接二氧化硅层50和硅基底层10，避免二氧化硅层30和硅基底层10之间直接接触时，因为热膨胀系数差异较大导致脱落或卷曲的缺陷发生。

需要说明的是，本实用新型实施例中的聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲酸乙醇酯均为现有材料，本实用新型技术方案只是将各材质进行合理排布设置。

进一步地，本实用新型中所述的连接层30以采用聚甲基丙烯酸甲酯为例，其在波长为0.80um-1.50um范围内为透明，且折射率为1.40-1.58。

本实用新型技术方案以连接层30采用聚甲基丙烯酸甲酯为例，光波导薄膜100制备过程为：首先通过将聚甲基丙烯酸甲酯粉末加入到三氯甲烷溶剂中，充分溶解，然后对混合溶液进行真空过滤，去除溶液中不溶物和杂质，获得稳定、透明的甲基丙烯酸甲酯溶液，然后在硅基底上利用旋涂法旋涂聚甲基丙烯酸甲酯层，然后加热到70℃15分钟，去除薄膜中残留的溶液，得到聚甲基丙烯酸甲酯层，然后在聚甲基丙烯酸甲酯层上利用火焰水解法淀积一层二氧化硅层50，然后夹杂二氧化锆芯层70，接下来将上述膜料烘烤脱除水分，然后，再次利用火焰水解法淀积一层二氧化硅，将二氧化锆芯层70的外表面包裹，从而得到光波导薄膜100成品。

需要说明的是，本实用新型实施例中所采用的旋涂法、火焰水解法均为现有的制备方法，本实用新型技术方案只是将该制备方法应用于在硅基底层上制备聚甲基丙烯酸甲酯层，及在聚甲基丙烯酸甲酯层制备二氧化硅层。

具体地，本实施例中基底层材料采用单晶硅，其折射率为3.42，远远大于连接层30聚甲基丙烯酸架甲酯层的折射率，因此，如果制备的连接层30厚度不够，就会参生光学隧道效应现象，使光波穿透二氧化硅层50，导致导模泄漏。通过测试分析，连接层30聚甲基丙烯酸甲酯层的厚度值为18um-20um时，可有效避免光学隧道效应的产生。

进一步地，聚甲基丙烯酸甲酯层的厚度值为19um时效果较好。

具体地，具体地，在本实用新型实施例中，该二氧化锆层通过以四正丁醇锆(Zr(O-nBu)₄)为原料，以H(C₁₂H₁₂O₂)为化学修饰剂，在湿度小于30％的真空手套箱内将两者混合，搅拌1至2min使其完全完全溶解，加入溶剂异丙醇密封后在磁力搅拌机上进行充分搅拌，在此过程中，H和锆发生螯合反应，形成具有紫外光敏性的含Zr感光溶胶，将配制好的ZrO₂/H溶胶与γ-甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷按照物质的量比为n(Si)∶n(Zr)＝1∶1的比例混合，搅拌1至2小时后，陈化24小时.再采用浸渍提拉法在二氧化硅层50上制备二氧化锆层。此处，二氧化锆芯层70通过光耦合测试，其厚度值在4.5um-5.5um范围内的感光性效果较好。

进一步地，在本实用新型实施例中二氧化锆芯层70的厚度值为5um感光效果较好。

在本实用新型实施例中，因为二氧化锆芯层70材料和包裹芯层材料的二氧化硅层50两者的结合与连接层30需要具有一定的折射率差，才能满足光波导传输的基本条件，当二氧化硅层50的厚度值为2.5um-3.5um时，通过M-2000光谱型椭偏仪测试了所制备的聚甲基丙烯酸甲酯层和被二氧化硅层50包裹的二氧化锆层的折射率，其在光纤在光纤常用通讯窗口0.8μm、1.23μm、1.5μm波长附近的折射率差比满足波导的传输要求。

进一步地，在本实用新型实施例中二氧化硅层50的厚度值为3um时。其在光纤常用通讯窗口0.8μm、1.23μm、1.5μm波长附近的折射率差比分别为4.36％、4.45％、4.1％，满足波导的传输要求，且采用该厚度制备的薄膜形成的阵列波导光栅波导图形规整清晰，具有良好的对称性。

进一步地，在本实用新型实施例中，硅基底层10背离所述二氧化锆层的一侧还设有硬涂层90，所述硬涂层90，由固化性组合物的固化体形成，所述固化性组合物为经多官能性氨基甲酸酯丙烯酸酯进行表面处理的硅溶胶，具体地，在本实施例中，采用脂肪族有机异氰酸酯系6官能丙烯酸酯、丙烯酸酯基修饰的硅溶液及异丙醇混合，并加入光聚合引发剂充分混合后涂布于硅基底层10背离所述二氧化锆层的一侧表面，在60℃温度下干燥5分钟，进行紫外线照射固化，从而形成厚度为5um的硬涂层90，可有效的提升表面硬度。

本实用新型还提出一种阵列波导光栅，该阵列波导光栅采用光波导薄膜100，该光波导薄膜100的具体结构参照上述实施例，由于本阵列波导光栅采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。其中，定义该光波导薄膜100中远离所述硅基底层10的二氧化硅层50为二氧化硅上包层52，靠近所述硅基底层10的二氧化硅层50为二氧化硅下包层51。在本实用新型实施例中通过膜自身的感光性，将波导器件的掩模与制备好的光波导薄膜100中的二氧化硅上包层52直接接触，然后利用紫外照射法照射分钟，再通过无水乙醇显影，去掉掩膜，得到阵列波导光栅。利用该薄膜制备的阵列波导光栅波导图形规整清晰，具有良好的对称性，可以将1.35μm-1.45μm的光限制在阵列波导光栅内进行传输，且也能有效降低生产成本。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是在本实用新型的发明构思下，利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种光波导薄膜，应用于阵列波导光栅，其特征在于，所述光波导薄膜(100)包括硅基底层(10)和设于所述硅基底层(10)一侧的二氧化锆芯层(70)及包裹于所述二氧化锆芯层(70)外表面的二氧化硅层(50)，所述二氧化硅层(50)与所述硅基底层(10)层之间还设有连接层(30)，所述连接层(30)采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚二甲酸乙醇酯中的任一项，所述连接层(30)在波长为0.750um-1.55um范围内为透明，且折射率为1.40-1.70。

2.如权利要求1所述的光波导薄膜，其特征在于，所述连接层(30)采用聚甲基丙烯酸甲酯，其在波长为0.80um-1.50um范围内为透明，且折射率为1.40-1.58。

3.如权利要求2所述的光波导薄膜，其特征在于，所述连接层(30)的厚度值为18um-20um。

4.如权利要求3所述的光波导薄膜，其特征在于，所述连接层(30)的厚度值为19um。

5.如权利要求1所述的光波导薄膜，其特征在于，所述二氧化锆芯层(70)的厚度值为4.5um-5.5um。

6.如权利要求5所述的光波导薄膜，其特征在于，所述二氧化锆芯层(70)的厚度值为5um。

7.如权利要求1所述的光波导薄膜，其特征在于，所述二氧化硅层(50)的厚度值为2.5um-3.5um。

8.如权利要求7所述的光波导薄膜，其特征在于，所述二氧化硅层(50)的厚度值为3um。

9.如权利要求3所述的光波导薄膜，其特征在于，所述硅基底层(10)背离所述二氧化锆层的一侧还设有硬涂层(90)，所述硬涂层(90)的厚度为5um。

10.一种阵列波导光栅，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的光波导薄膜(100)。