201028749 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 特别是關於一種圖 本發明係騎-種光學元件及其製作方法， 形化微奈米線光學元件及其製作方法。 【先前技術】 近年來’微細光纖的製作已有多組研究團隊進行發展研究並 且利用上述微細光纖製作各式之光學元件，如美國專利742i，i73
揭示-種用於低損耗光波導的亞波長直徑的氧化碎線 ㈣wavelength-diameter silica wires f〇r i〇w i〇ss 叩㈤ waveguiding)，S中’ Mazur等人利用藍寶石雜形體作為均勾加熱 之媒介，以火焰加熱使得光織變為直徑係數十奈米之細線；美國 專利6,658，183帛露-種錐形微光纖裝置及其製程(pr〇cess f〇r fabricating tapered microstructured fiber system and resultant system) ’其中，Chandaoia等人將光子晶體光纖以火焰加熱後， 分別將兩端反向拉伸，如同製作耦合器之方式抽出十微米直徑之 細線，此外，考慮光子晶體之纖核大小，其中心導光區域之直徑 約為2.5微米。 承上所述’關於由上述微奈米級光纖所製成之光學元件，包 含：環形共振腔、環形雷射、感測器、濾波器及其他類型之光學 元件，至今已有許多相關文獻陸績刊載發表，如：M. Sumetsky，" Basic Elements for Microfiber Photonics: Micro/Nanofibers and Microfiber Coil Resonators", Journal of Lightwave Technology, Vol. 26，Issue 1, pp. 21-27，2008 ;或 F· Xu et al·，"Demonstration of a Refractometric Sensor Based on Optical Microfiber Coil Resonator", 3 201028749
AppliedPhysicsLetters2008，Vol. 92，pp. 101126。然而，上述研究 之共通點係沒有將微奈米級細線依設計而正確放置，因此無法應 用於需精確設計之元件，如：1550/980波長之分波多工器等。 再者，傳統上用於放置光纖之V型内陷溝槽，其橫切面係為V 型，如美國專利6,621，951揭露一種具光纖之薄膜結構元件(thin film structures in devices with a fiber on a substrate)，其中，提及 Zhao等人於基板上製作v型内陷溝槽並沉積不同材料之薄膜，上 述薄膜用以增加光纖與溝槽之黏附程度，上述具光纖之薄膜結構 元件係大量被使用於光耦合之應用。此外，美國專利申請 2007/0289698揭示一種光織圖形送料裝置及其使用方法（fiber pattern applicator systems and methods)，其中，Fleischman 等人使 用一光纖圖形塗佈裝置，上述裝置包含一長臂，上述長臂包含一 進端與一末端’上述進端連接於一光纖線軸用以持續進料；上述 末端指向愈放置光纖之處，此外，欲放置之光纖被置於上述長臂 之一中間通道。 上述兩件美國專利（1186,621，95;!；82007/0289698)係能用以放 置直線光纖與任意位置便化之光先，然而要藉此應用於微奈米級光 織則顯得相當困難。當光纖細至數微米或數百奈米直徑，此時肉眼 已不可見’所以難以使用手操控而將光纖置於溝槽中，再者，上述 微奈米級光纖容易附著於任意表面，故不易使其維持直線放置，因 此無法使用V型内陷溝槽佈線。此外，微奈米級光纖之重量極輕， 若沒有讓光纖與基材表面吸附，則上述微奈米級光織及有可能產生 移動甚至是被風吹走。 201028749 有鑒於以上所述，開發出微奈米級之圖形化光學元件及其製作 方法係產業界亟欲發展之重點。 【發明内容】 鑒於上述之發明背景中，為了符合產業上之要求，本發明提出 一種圖形化微奈米線光學元件，包含：軟膜基材，其表面包含藉由 微影程序（lithography)形成之微奈米圖形(micro/nano-pattern)，包含 複數内陷溝槽並且具有疏水性或親水性；及微奈米細線，置於上述 内陷溝槽中，用以形成複數光波導元件，上述光波導元件包含至少 一光學耗合區域(optical coupling region)，上述光學輕合區域位於 光波導元件之接合處。 本發明亦提出一種圖形化微奈米線光學元件之製作方法，包含 下列步驟：微影程序’用以形成微奈米圖形於軟膜基材之表面，上 述微奈米圖形包含複數構形；及提供微奈米細線，將微奈米細線對 應結合上述構形設置並形成複數光波導元件，上述光波導元件包含 光學耗合區域(optical coupling region)，上述光學耦合區域位於光 波導元件之接合處。 本發明利用微影程序與操控工具製作出微奈米細線光學元件， 其中，藉由微影程序能夠製備特定之微奈米級圓形結構，並且使得 上述微奈米級圖形結構具有特定性質，如：親水性或疏水性等性 質。再者’透過上述操控工具能夠使得微奈米細線精確設置於上述 微奈米級圖形結構，據此製作出微奈米細線光學元件，其中，上述 微奈米細線光學元件具有下列應用：光纖通訊網路之光開關與光交 5 201028749 連器、平行投影機系統、新型DVD讀取頭以及新型顯示器相關技 術，上述應用僅為示例，不以此為限。 【實施方式】 本發明在此揭示一種圖形化微奈米線光學元件及其製作方法。 為了能徹底地瞭解本發明’將在下列的描述中提出詳盡的步驟及其 組成。顯然地，本發明的施行並未限定於該領域之技藝者所熟習的 特殊細節。另一方面，眾所周知的組成或步驟並未描述於細節中， 以避免造成本發明不必要之限制。本發明的較佳實施例會詳細描述 ❺ 如下’然而除了這些詳細描述之外，本發明還可以廣泛地施行在其 他的實施例中，且本發明的範圍不受限定，其以之後的專利範圍為 準。 本發明之第一實施例揭露一種圖形化微奈米線光學元件，包 含：軟膜基材與微奈米細線。其中，'上述軟膜基材表面包含藉由微 影程序（lithography)形成之微奈·米圖形(micro/nano-pattern)，包含複 數内陷溝槽並且具有疏水性或親水性等性質；而上述微奈米細線， 〇 置於上述内陷溝槽中，用以形成複數光波導元件，上述光波導元件 包含至少一光學耗合區域(optical coupling region)，上述光學耗合 區域位於光波導元件之接合處。 再者，上述軟膜基材係為熱固化(thermal curing)材料或光固化 (uv-curing)材料，較佳者可為：聚二甲基矽氧烷 (polydimethylsiloxane)、聚碳酸酯、聚氣乙烯、聚對苯二甲酸乙二 酯、聚苯乙烯。 6 201028749 此外，上述微奈米細線包含下列族群之一 一 可·命、一氧化珍與 高分子聚合物，而其直徑範圍係10奈米至1〇〇微米，再者，上述 微奈米細線更包含至少一掺雜物，較佳者係選自下列族群之一者或 其任意組合：金屬元素、可發光之分子與發光之原子，其中，上述 摻雜物具有使得雷射能量增益之性質。 於本實施例之一較佳範例中，上述微奈米線光學元件更包含： 微結構’形成於軟膜基材之表© 降低軟膜基材與微奈求細線 • 之間的吸附力（adhesionforce)，其中，上述微結構較佳地可為顆粒 結構或柱狀結構或其他突起結構。 於本實施例之另一較佳範例中，上述微奈米線光學元件更包 含：封裝結構，用以封裝包覆微奈米細線於内陷溝槽中，其中，上 述封裝結構由熱固化(thermal curing)材料或光固化(uv_curing)材料 所形成。 本發明之第二實施例揭露一種圖形化微奈米線光學元件之製作 •方法，包含下列步驟： 首先，進行微影程序，用以形成微奈米圖形於軟膜基材之表面， 其中’上述微奈米圖形包含複數構形並且較佳地可具有疏水性或親 水性等性質。接著’提供微奈米細線，將上述微奈米細線對應結合 上述構形設置並形成複數光波導元件，上述光波導元件包含光學轉 合區域(optical coupling region)’其中，光學耦合區域位於上述複 數光波導元件間之接合處。 其中’上述微影程序係能選自下列族群之一者：光學微影術 201028749 (photolithography)、電子束微影術(electr〇n beam Hth〇graphy)、雷 射直寫微影術（laser direct write lithography)、光學干涉微影術 (optical interference lith〇graphy)與奈米壓印微影術（nan〇 imprint lithography) ° 於本實施例之一較佳範例中，上述構形係能為平面結構時，上 述微奈米細線設置於該些構形之上方；上述構形為内陷結構時，上 述微奈米細線設置於該些構形之内部；上述構形為凸起結構時上 述微奈来細線設置於該些構形之侧面。 於本實施例之另一較範例中，上述微影程序包含下列步驟：首 先，進行曝光顯影程序，用以形成母膜’其表面包含轉印圖形。其 次，提供軟膜聚合物，其係液體狀之上述軟膜基材，並且將上述軟 膜聚合物塗覆於母膜之表面，接著，進行固化程序以便固化上述軟 膜聚合物並形成包含對應於轉印圖形之微奈米圖形的軟膜基材。最 後，進行翻模程序從而由母骐之表面分離出軟膜基材。母膜包含下 列族群之一者或其任意組合：矽基材（siHc〇n_based犯匕杜对匀、聚 二甲基矽氧烷(polydimethylsil〇xane)、高分子聚合物與玻璃基材。 於本實施例之更佳範例中，上述製作方法更包含：封裝程序， 利用封裝材料將微奈米細線與上述構形封裝結合，其中，封裝材料 係能為熱固化(thermal curing)材料或光固化(uv_curing)材料。 於本實施例之最佳範例中，上述製作方法更包含：提供操控工 具’上述操控工具包含：鶴針與具χ、γ、z、0χ四自由度之四麵 微動平台。其中，上述鎢針用以接觸移動微奈米細線，而四軸微動 201028749 平台連接鎢針’用以移動鎢針以使得鎢針將微奈米細線移動對應設 置於上述構形。此外’上述較佳範例更包含提供界面劑，用以降低 軟膜基材與微奈米細線之吸附力（adhesion force)，以便於钱針移動 上述微奈米細線，其中，界面劑為具高揮發性之液體，較佳者可為 乙醇。 另一方面’上述軟膜基材係能為熱固化(thermal curing)材料或 光固化（uv-curing)材料’較佳者可為：聚二甲基矽氧燒 # (Polydimethylsiloxane)、聚碳酸酯、聚氣乙烯、聚對苯二曱酸乙二 酯、聚苯乙烯。 此外，上述微奈米細線包含下列族群之一者：矽、二氧化矽與 面分子聚合物，而其直徑範圍係1〇奈米至1〇〇微米，再者，上述 微奈米細線更包含至少一掺雜物，較佳者係選自下列族群之一者戋 其任意組合：金屬元素、可發光之分子與發光之原子，其中，上述 摻雜物具有使得雷射能量增益之性質。 參冑述制關於軟膜基材、微奈米細線、掺雜物、母獻材質僅 為舉例，非因此限制本發明。 範例一 步驟1 .進行一微影程序，包含：步驟IA與步驟IB，如第u 至第ld圖所7用以形成至少—微奈米圖形21於-軟膜基材2之 表面’該微奈来圖形21包含複數内陷溝槽其中上述内呜溝槽 之橫切面係能為方形、圓狐形、v形、多邊形或其他任意形狀，本 範例以方形為示例。 201028749 步驟ΙΑ:進行一曝光顯影程序，用以形成一母膜1，其表 面包含至少一轉印圖形111，包含：步驟i與步驟Η。 步驟i :將負光阻SU8-2〇10(Micr〇Chem)與負光阻 SU8-2〇05(MicroChem)以每分鐘500轉且持續5秒相混合 於旋轉塗佈台’並將上述混合後之負光阻以每分鐘3〇〇〇 轉且持續30秒之塗佈方式，旋塗厚度為5微米之光阻u 於一矽基材10表面。 步驟ii.將上述5微米之光阻11進行溫度為95°c且 為時3分鐘之軟烤’接著，以曝光光源$以溫度為95。(^ 且為時3分鐘之曝烤，隨後顯影丨分鐘，然後進行溫度為 95 C且為時5分鐘之硬烤，藉此獲得一表面包含轉印圖形 111之母膜1，該微奈米圖形21包含環形凸起結構nlA 與線形凸起結構111B，如第2圖所示。 步驟IB，用以形成至少一微奈米圖形21於一軟膜基材2 之表面，包含：步驟iii與步驟iv，其中，上述微奈米圖形21 包含一環形内陷溝槽21A與一線形内陷溝槽21B。 步驟iii :進行一塗覆程序，將一軟膜聚合物（未圖 示）塗覆於上述具有轉印圖形Hi之母膜1表面，隨後進 行一固化程序，用以加熱固化上述軟膜聚合物（未圖示）並 形成包含對應於轉印圖形111之微奈米圖形21之軟膜基 材2’其中’該軟膜聚合物（未圖示）為液體狀之軟膜基材： 二甲基梦氧烧（polydimethylsiloxane ; PDMS，RTV184， 201028749
Dow Corning 10 : 1)。 步驟iv :進行一翻模程序，由 ^由該母膜1之表面分離 出上述軟膜基# 2，如第3圖所示。, 固所不。此外，上述軟膜基材 經過一裁切步琢。 步驟II:提供至少一微奈米細線3。 步驟III :進行一置入程序，以操控工夏 具將上述微奈米細線置於 内陷溝槽中，其中，上述操控工具包含一鎢針4、一 裡具有λ、Υ、 Ζ、ex四自由度之四轴微動平台（未圖示）。上述鶴針連接四轴微動 平台（未囷示）’藉由四轴微動平台(未圖示)料，並得以接觸移動 微奈米細線3從而將微奈来細線3移動置於環形内 線形内陷溝槽21B中，如第4圖所示。 、 此外’上述微奈米細線之直徑約2微米，而鶴針4之曲率半徑 亦約為2微来，其中，上述鎮針4可經由以下方式調整曲率：於兩 個裝有漢度2M之氫氧化卸溶液器皿(未圖示）中分別置人上述鶴針 4與一圓形石墨電極（未囷示）’通入正電於上述鎢針4形成一正極 而上述石墨電極（未圖示）則為一負極，於1〇伏特之外加電壓下， 上述鎢針4產生氧化還原反應而形成部份游離之金屬離子因而逐 漸變細，並且經由四轴微動平台之2轴（未圖示）控制，藉此獲得各 種不同曲率半徑之鎢針4。另一方面，由於操作時，微奈米細線3 與軟膜基材2間之吸附力，將使得上述鎢針4不易移動微奈米細線 3，因此於軟膜基材2表面添加具揮發性之高純度酒精（未圖示）用 以降低上述吸附力。 11 201028749 步驟1v:進行一封裝程序，利用一封裝材料(未圖示）將微奈米 細線3封裳包覆於上述環形内陷溝槽2iA與線形内陷溝槽中， 據此完成上述囷形化微奈米線光學元件7之製作。 範例二 請參閱第5圖所示，提供錐狀光織耦合器5八與錐狀光纖耦合 器5B將氦氛雷射產生之紅光6以漸減波(evanescent wave)方式引 導至位於微奈米圖形21之微奈米細線3，從而量測上述圖形化微 奈米線光學元件7特有之穿透頻譜，並能藉由程式模擬找出其穿透 φ 係數、衰減係數以及耦合損耗。其中，上述圖形化微奈米線光學元 件7之共振頻譜之能量衰減可到達7dB。 此外’錐狀光纖耦合器5A與錐狀光纖耦合器5B係由 ERICSSON公司之FSU975熔接機器（未圖示）製成，上述熔接機器 應用電極放電使得標準之單模光纖(未圈示)熔化，並使用壓電材料 控制之平移台（未圖示）使上述單模光纖（未圖示）拉伸變長，接著， 經由多階段之放電過程，藉此獲得錐狀尖端與微奈米細線3尺度相 ❹ 近之錐狀光纖耦合器5A與錐狀光纖耦合器5B。 顯然地，依照上面實施例中的描述，本發明可能有許多的修正 與差異。因此需要在其附加的權利要求項之範圍内加以理解，除了 上述詳細的描述外，本發明還可以廣泛地在其他的實施例中施行。 上述僅為本發明之較佳實施例而已，並非用以限定本發明之申請專 利範圍；凡其它未脫離本發明所揭示之精神下所完成的等效改變或 修飾’均應包含在下述申請專利範圍内。 12 201028749 【圖式簡單說明】 第la圖為本發明範例一所揭露之微影程序示意圖。 第lb圖為本發明範例一所揭露之微影程序示意圖。 第lc圖為本發明範例一所揭露之微影程序示意圖。 第Id圖為本發明範例一所揭露之微影程序示意圖。 第2圖為本發明範例一所揭露之轉印圖形示意圖。 第3圖為本發明範例一所揭露之微奈米圖形示意圖。 第4圖為本發明範例一所揭露之圖形化微奈米線光學元件示 意圖。 第5圖為本發明範例二所揭露之圖形化微奈米線光學元件之 光學耦合示意圖。 13 201028749 【主要元件符號說明】 1 ..............母膜 10 ..............矽基材 11 ..............光阻 111 ..............轉印圖形 111A..............環形凸起結構 111B..............線形凸起結構 2 ..............軟膜基材 21 .....· · · ......微奈米圖形 21A ..............環形内陷溝槽 21B ..............線形内陷溝槽 3 ..............微奈米細線 4 ..............鎢針 5A ..............錐狀光纖耦合器 5B ..............錐狀光纖耦合器 6 .............. 氦氖雷射產生之紅光 7 .............. 圖形化微奈米線光學元件 8 ..............曝光光源