TWI633348B

TWI633348B - Polymer optical wavelength filter element with surface relief Bragg grating structure and manufacturing method thereof

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Publication number: TWI633348B
Application number: TW105130479A
Authority: TW
Inventors: 李昆益; 朱麗玲; 李欣哲; 張兼譯; 莊為群
Original assignee: 中華學校財團法人中華科技大學
Priority date: 2016-09-21
Filing date: 2016-09-21
Publication date: 2018-08-21
Also published as: TW201814337A

Abstract

本發明揭露一種具表面浮雕布拉格光柵結構之高分子光波長濾波元件及其製造方法，係包括基材、波導結構、第一導光層、第二導光層及披覆層。波導結構包含位於基材二側位置的第一波導及第二波導，第一波導與第二波導貫穿第一端及第二端；第一波導中段處具有第一光耦合段，第二波導中段處具有第二光耦合段，第一光耦合段具有布拉格光柵結構。第一導光層覆設於該第一波導上。第二導光層覆設於第二波導上。披覆層覆設於基材表面並覆蓋在第一導光層及第二導光層上，俾能於通訊光源中擷取特定波長的濾波效果。

Description

具表面浮雕布拉格光柵結構之高分子光波長濾波元件及其製造方法

本發明係有關一種具表面浮雕布拉格光柵結構之高分子光波長濾波元件及其製造方法，尤指一種可於通訊光源中擷取特定波長之濾波效果的光通訊濾波技術。

按，光波長濾波器是光通訊系統中之重要元件。當表面浮雕光柵(surface-relief grating)被製作在波導上時，這光柵波導可作為濾波器從寬頻訊號中擷取特定波長。由光波長濾波器構成之光補取多工器(Optical Add-Drop Multiplexers,OADM)，可運用在網路節點上處理多條經由該節點進行上傳、下載的波長，以簡化網路設備的架構。由於低成本和製程簡單，高分子光學元件被廣泛使用於導波光學。在光纖通訊網路中，光補取多工器是相當重要的基礎元件，該元件的主要功能在於擷取(Drop)與上傳(Add)用戶端的資料至光纖網路當中。具體而言，在紫外光照射下，光補取多工器之光纖光柵的折射率會產生變化，根據折射率變化的週期長短，光纖光柵又可分為短週期光纖光柵與長週期光纖光柵。其中，短週光纖光柵又稱為布拉格光柵。而干涉(interferometric)法與相位遮罩(Phase mask)法是目前最常被使用於製造FBG的兩種技術。干涉法是利用兩束紫外線，以交錯方式照射在光敏光纖上，通過改變紫外線波長或兩交錯光束之間的夾角，進而使光敏材料產生不同的折射率變化與獲得所需之光纖光柵。相位遮罩法是利用紫外線照射在相位遮罩(Phase mask)上，進而於核心層產生建設性和破壞性干涉，最終，能量的強弱變化將使得光敏材料的折射率呈現週期性分佈。

再者，高分子波導布拉格光柵(Bragg grating)之研究，在光通信及光感測系統方面已然吸引相關之產學業界的高度重視的眼光。以往在高分子薄膜製作光柵的技術包括全像微影技術，電子束蝕刻，雷射束直接寫，及相位光罩微影；然而，對於波導波導(channel waveguide)之表面浮雕光柵少有研究的論文發表或是相關專利技術的提出，因此，習知高分子波導布拉格光柵技術確實仍有再改善的必要性。因此，如何開發出一套可以精確達成光濾波功能光學濾波器技術實已成為相關產學業者所急欲挑戰與克服的技術課題。

本發明主要目的，在於提供一具表面浮雕布拉格光柵結構之高分子光波長濾波元件及其製造方法，主要是利用負光阻以黃光微影製程技術製作波導結構，並使用軟式微影模仁壓印技術結合全像干涉微影技術來製作高分子波導光濾波元件，進而達到於通訊光源中擷取特定波長的濾波效果。達成本發明目的採用之技術手段，係包括基材、波導結構、第一導光層、第二導光層及披覆層。波導結構包含位於基材二側位置的第一波導及第二波導，第一波導與第二波導貫穿第一端及第二端；第一波導中段處具有第一光耦合段，第二波導中段處具有第二光耦合段，第一光耦合段具有布拉格光柵結構。第一導光層覆設於該第一波導上。第二導光層覆設於第二波導上。披覆層覆設於基材表面並覆蓋在第一導光層及第二導光層上。

10‧‧‧基材

11‧‧‧玻璃基板

12‧‧‧第一光固化層

12a‧‧‧第一光固化材料

13‧‧‧第二光固化層

13a‧‧‧第二光固化材料

14‧‧‧波導結構

140‧‧‧第一波導

140a‧‧‧第一光耦合段

140,‧‧‧布拉格光柵結構

141‧‧‧第二波導

141a‧‧‧第二光耦合段

20‧‧‧第一導光層

30‧‧‧第二導光層

40‧‧‧披覆層

50‧‧‧波導圖案遮板

51‧‧‧波導樣板

52‧‧‧波導模具

圖1係本發明高分子光波長濾波元件結構的實施示意圖。

圖2係本發明第一波導與第二波導於xz座標波形傳播的示意圖。

圖3係本發明第一波導與第二波導於xy座標波形傳播的示意圖。

圖4係本發明波導樣板成型步驟的流程實施示意圖。

圖5係本發明波導模具成型步驟的流程實施示意圖。

圖6係本發明成品成型步驟的流程實施示意圖。

為讓貴審查委員能進一步瞭解本發明整體的技術特徵與達成本發明目的之技術手段，玆以具體實施例並配合圖式加以詳細說明如下：請配合參看圖1所示為本發明高分子光波長濾波元件的具體實施例，係包括基材10、波導結構14、第一導光層20、第二導光層30及披覆層40等技術特徵。基材10包含互為反向延伸的第一端及第二端。波導結構14設於該基材10之表面上，該波導結構14包含分別位於該基材10二側位置的一第一波導140及一寬度小於該第一波導140的第二波導141，該第一波導140與該第二波導141延伸貫穿該基材10的該第一端及該第二端；該第一波導140中段處具有一往該第二波導141方向靠近彎折的第一光耦合段140a，該第二波導141之中段處具有一彎折靠近該第一光耦合段140a的第二光耦合段141a，該第一光耦合段140a具有一布拉格光柵結構140b。第一導光層20覆設於該第一波導140上。第二導光層30覆設於該第二波導141上。披覆層40覆設於該基材10表面，並分別覆蓋在該第一導光層20及該第二導光層30上。

該基材10包含一玻璃基板11、一覆設於該玻璃基板11上的第一光固化層12及一覆設於該第一光固化層12上且成型該第一波導140與該第二波導141的第二光固化層13。該位於該布拉格光柵結構140b區域內的一段部上覆設有異於第一導光層20折射率的濾波層，此濾波層可以是由氮化矽與摻磷玻璃所組成。

請配合參看圖1及圖4~6所示為本發明高分子光波長濾波元件之製造方法的具體實施例，係以負光阻以黃光微影製程技術製作波導結構14，並使用軟式微影模仁壓印技術結合全像干涉微影技術製作高分子波導光濾波元件，該高分子波導光濾波元件包括基材10、波導結構14、第一導光層20、第二導光層30及披覆層40等技術特徵。基材10包含互為反向延伸的第一端及第二端。波導結構14設於該基材10之表面上，該波導結構14包含分別位於該基材10二側位置的一第一波導140及一寬度小於該第一波導140的第二波導141，該第一波導140與該第二波導141延伸貫穿該基材10的該第一端及該第二端；該第一波導140中段處具有一往該第二波導141方向靠近彎折的第一光耦合段140a，該第二波導141之中段處具有一彎折靠近該第一光耦合段140a的第二光耦合段141a，該第一光耦合段140a具有一布拉格光柵結構140b。第一導光層20覆設於該第一波導140上。第二導光層30覆設於該第二波導141上。披覆層40覆設於該基材10表面，並分別覆蓋在該第一導光層20及該第二導光層30上。

基於上述方法實施例的一種具體實施例中，本發明更包括下列步驟：

(a)波導樣板成型步驟，如圖4所示，將具有波導結構14輪廓的波導圖案遮板50置於基材10上，藉由旋轉帶動使一負光阻劑旋轉塗覆於波導圖案遮板50上，再經紫外線固化處理，使基材10成型為具有波導結構14的波導樣板51；具體的，是將基材10之玻璃基板11清洗，負光阻劑(SU-8)塗抹厚度約為6mm，旋轉機具係以400rpm的轉速進行15秒旋塗步驟，且以紫外光機來發出所需的紫外光，以對由PET材料製成的波導圖案遮板50進行約30秒的紫外線固化處理。

(b)波導模具成型步驟，如圖5所示，將硬聚二甲基矽氧烷(HPDMS)材料填滿於該波導樣板51之第一波導140後，以攝氏100℃烘烤約15秒；藉由旋轉帶動使光阻劑旋轉塗覆於波導樣板51之第二波導141，以將布拉格光柵刻痕結構沉積至波導樣板51之該第二波導141的中段處上(以於400rpm下15秒及1000rpm下二轉速進行40秒的沉積)；並將聚二甲基矽氧烷(PDMS)材料填滿於波導樣板51之該第二波導141及覆蓋原先覆設有該硬聚二甲基矽氧烷(HPDMS)材料的區域後，以攝氏1000℃烘烤約1小時，再將成型後之波導模具52自波導樣板51剝離。

(c)成品成型步驟，如圖6所示，將基材10之玻璃基板11依序塗覆第一光固化材料12a及第二光固化材料13b，並將該波導模具52倒置於第二光固化材料30b內，再經紫外線固化處理，使第一光固化材料12a及第二光固化材料13a分別成型為第一光固化層12及第二光固化層13，並使第二光固化層13表面蝕刻出具有波導結構14及布拉格光柵刻痕結構，再將波導模具52剝離；於波導結構14之第一波導140覆設一第一導光層20，並於第二波導141覆設一第二導光層30，再於第一導光層20、第二導光層30及第二光固化層13 表面沉積一層披覆層40，於此，即可完成本發明成品的製備工序。

具體來說，上述負光阻劑為負光阻劑(SU-8)；光阻劑為光阻劑(Ultra-123)。第一光固化材料為光固化材料(Prime08)，第二光固化材料為光固化材料(Ormo-stamp)。該第一導光層20為導光材料(Ormo-core)，該第二導光層30為導光材料(Og-198)。

如圖2、3所示的實驗例中，本發明模型包括兩個波導波導實施示意，其中，二個波導的波形傳播方向為z軸方向，第一波導140已具備週期元件布拉格光柵結構140b，而第二波導141則具有均勻的介質，再由圖2可看出在XZ平面上的波導二維結構示意，此外，還顯示二個波導的波形具有不同的折射率。至於圖3所示則為二個波導的波形在XY平面光束的具體波形示意。

其中，NC，N1，N2及δnz分別是基材、二個波導及光柵的折射率。電場E_y(X，Y，Z，T)傳播的波導具有由下式2給出基本形式：E_y(X，Y，Z，T)=E(X，Y)E^(ωT-βz)，其中，E(X，Y)是電場的振幅，β是傳播常數，ω是角頻率。如果我們在每個信道波導只涉及正向和一個單橫電模式場的反方向傳播波之間的耦合，如下式[2]所示：E(x,y,z,t)=Σ_n[A _n(z)exp(jβ _n z)+B _n(z)exp(-jβ _n z)]e _n(x,y)exp(-jωt) (2)

綜上所述，本發明是利用負光阻以黃光微影製程技術製作波導結構，並使用軟式微影模仁壓印技術結合全像干涉微影技術(Holographic Interference Lithography)來製作高分子波導光濾波器。此元件之波導結構分為輸入及輸出端，內有兩波導一條細一條粗，在粗端波導底部利用全像干涉微影技術，製作布拉格光柵(Bragg Grating)於波導底端，整體呈現一條有光柵而另一條沒有光柵的結構，製備完成後的波導元件是由折射率高的導光層和包覆著導光層且折射率低的披覆層所構成。導光層是由單一種高折射率的材料所構成，本發明主要是在導光層粗端底部的布拉格光柵區域內的一小段覆蓋上不同折射率的材料，藉此來達成光濾波之功能。其中，An和BN描述向前和標記的向後傳播模式n，並且連接(X，Y)描述第n個模場的橫向變化。通過利用有限不同的時域法(FDTD的Optiwave)，可以表達橫向電場的模式配置文件。

以上所述，僅為本發明之可行實施例，並非用以限定本發明之專利範圍，凡舉依據下列請求項所述之內容、特徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明之專利範圍內。本發明所具體界定於請求項之結構特徵，未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利要件，爰依法具文提出申請，謹請鈞局依法核予專利，以維護本申請人合法之權益。

Claims

一種具表面浮雕布拉格光柵結構之高分子光波長濾波元件，其包括：一基材，其包含互為反向延伸的第一端及第二端；一波導結構，其設於該基材之表面上，該波導結構包含分別位於該基材二側位置的一第一波導及一寬度小於該第一波導的第二波導，該第一波導與該第二波導延伸貫穿該基材的該第一端及該第二端；該第一波導中段處具有一往該第二波導方向靠近彎折的第一光耦合段，該第二波導之中段處具有一彎折靠近該第一光耦合段的第二光耦合段，該第一光耦合段具有一布拉格光柵結構；一第一導光層，其覆設於該第一波導上；一第二導光層，其覆設於該第二波導上；及一披覆層，其覆設於該基材表面，並分別覆蓋在該第一導光層及該第二導光層上；其中，該布拉格光柵結構區域內的一段部上覆設有異於該第一導光層折射率的濾波層。
如請求項1所述之具表面浮雕布拉格光柵結構之高分子光波長濾波元件，其中，該基材包含一玻璃基板、一覆設於該玻璃基板上的第一光固化層及一覆設於該第一光固化層上且成型該第一波導與該第二波導的第二光固化層。
一種具表面浮雕布拉格光柵結構之高分子光波長濾波元件的製造方法，其係以負光阻以黃光微影製程技術製作波導結構，並使用軟式微影模仁壓印技術結合全像干涉微影技術製作高分子波導光濾波元件，該高分子波導光濾波元件包括：一基材，其包含互為反向延伸的第一端及第二端；一波導結構，其設於該基材之表面上，該波導結構包含分別位於該基材二側位置的一第一波導及一寬度小於該第一波導的第二波導，該第一波導與該第二波導延伸貫穿該基材的該第一端及該第二端；該第一波導中段處具有一往該第二波導方向靠近彎折的第一光耦合段，該第二波導之中段處具有一彎折靠近該第一光耦合段的第二光耦合段，該第一光耦合段具有一布拉格光柵結構；一第一導光層，其覆設於該第一波導上；一第二導光層，其覆設於該第二波導上；及一披覆層，其覆設於該基材表面，並分別覆蓋在該第一導光層及該第二導光層上。
如請求項3所述之具表面浮雕布拉格光柵結構之高分子光波長濾波元件的製造方法，其中，更包括下列步驟：(a)波導樣板成型步驟：將具有波導結構輪廓的波導圖案遮板置於該基材上，藉由旋轉帶動使一負光阻劑旋轉塗覆於該波導圖案遮板上，再經紫外線固化處理，使該基材成型為具有該波導結構的波導樣板；(b)波導模具成型步驟：將硬聚二甲基矽氧烷(HPDMS)材料填滿於該波導樣板之該第一波導後進行烘烤；藉由旋轉帶動使一光阻劑旋轉塗覆於該波導樣板之該第二波導，以將布拉格光柵刻痕結構沉積至該波導樣板之該第二波導的中段處上；並將聚二甲基矽氧烷(PDMS)材料填滿於該波導樣板之該第二波導及覆蓋原先覆設有該硬聚二甲基矽氧烷(HPDMS)材料的區域後進行烘烤，再將成型後之波導模具自該波導樣板剝離；及(c)成品成型步驟：將該基材之一玻璃基板依序塗覆第一光固化材料及第二光固化材料，並將該波導模具倒置於該第二光固化材料內，再經紫外線固化處理，使該第一光固化材料及第二光固化材料分別成型為第一光固化層及第二光固化層，並使該第二光固化層蝕刻出具有該波導結構及該布拉格光柵刻痕結構，再將該波導模具剝離；於該波導結構之該第一波導覆設一第一導光層，並於該第二波導覆設一第二導光層，再於該第一導光層、該第二導光層及該第二光固化層表面沉積一披覆層。
如請求項4所述之製造方法，其中，該負光阻劑為負光阻劑(SU-8)；該光阻劑為光阻劑(Ultra-123)。
如請求項4所述之製造方法，其中，該第一光固化材料為光固化材料(Prime08)，該第二光固化材料為光固化材料(Ormo-stamp)。
如請求項4所述之製造方法，其中，該第一導光層為導光材料(Ormo-core)，該第二導光層為導光材料(Og-198)。