热不敏感型平面光波导及其制备方法与流程

文档序号:14686250发布日期:2018-06-15 00:09

本发明涉及光波导器件领域,具体地说涉及一种热不敏感型平面光波导及其制备方法。



背景技术:

光波导是引导光波在其中传播的介质装置,又称介质光波导。光波导有两大类:一类是集成光波导,包括平面(薄膜)介质光波导和条形介质光波导,它们通常都是光电集成器件(或系统)中的一部分,所以称为集成光波导;另一类是圆柱形光波导,通常称为光纤。

光在光波导中的传输受温度等外界因素的影响较大,从而会影响利用光波导所制作的光电集成器件(或系统)的稳定性,所以现有的光电集成器件(或系统)一般都安装温度调节装置来稳定其使用状态下的温度,防止其性能随温度的改变而变得糟糕。但是,一般温度调节装置(例如主动加热或冷却器件)都较昂贵、消耗的能量较大、体积大。

虽然现有技术中为克服上述采用温度调节装置而带来的问题,提出了一些解决方法,例如,有一些利用如果满足两光传输层的热光系数之比等于分布在该两光传输层中的光场能量之比的倒数,则包括了该两光传输层的光波导的有效折射率不随温度变化而变化的这一原理,制作出的对温度不敏感的平面光波导,传统的做法是平面光波导包括平面基底层、热光系数为正的芯层、热光系数为正的无机光学材料的第一外包层和热光系数为负的有机光学材料的第二外包层,该芯层位于平面基底层上,芯层上先覆盖一层非常薄的第一外包层,再在第一外包层上覆盖一层第二外包层。利用该非常薄的第一外包层,使分布在第二外包层中的消逝场能量增加,以降低对第二外包层热光系数的要求,从而实现平面光波导对温度不敏感的功能。但是,正因为需要增加分布在第二外包层中的消逝场能量,导致分布在芯层中的光场能量相应地减小,光传输损耗就增大,所以现有的这种对温度不敏感的平面光波导一般光传输损耗都较大,而且也容易受到外界电磁波等的干扰,从而使得人们对这种平面光波导产生了光传输损耗大、易受干扰等的偏见,而不在产业上使用。



技术实现要素:

为此,本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中对温度不敏感的平面光波导的光传输损耗大、易受干扰等的问题,提出一种光传输损耗小、抗电磁波等干扰能力强的热不敏感型平面光波导及其制备方法。

本发明的一种热不敏感型平面光波导,包括:

基底层和芯层,所述芯层形成于所述基底层上;

还包括包覆于所述芯层四周的上包层;

上包层材料包括紫外聚合式氟化聚合物材料,基底层材料和芯层材料均是无机光学材料。

优选地,所述基底层材料和芯层材料的热光系数的正负符号与所述上包层材料的热光系数的正负符号相反。

优选地,所述上包层材料的折射率大于所述基底层材料的折射率。

优选地,所述紫外聚合式氟化聚合物材料包括氟化丙烯酸酯。

优选地,所述基底层材料包括二氧化硅,所述芯层材料包括锗离子掺杂的二氧化硅。

优选地,所述平面光波导的截面结构是掩埋条形单模波导结构。

本发明的一种制备所述的热不敏感型平面光波导的方法,包括以下步骤:

在基底层上生长一层无机光学材料,进行离子掺杂,退火硬化;

重复上述步骤多次,直至生长出具有一定厚度的无机光学材料层;

在无机光学材料层上溅射一层铝保护层;

在铝保护层上旋涂光刻胶,进行光刻和显影以获得所需图案后,采用铝腐蚀剂去除多余的铝保护层;

采用反应离子刻蚀法对无机光学材料层进行刻蚀,之后去除剩余的光刻胶和铝保护层,形成芯层结构;

在芯层四周旋涂紫外聚合式氟化聚合物材料,形成上包层结构。

优选地,所述在铝保护层上旋涂光刻胶具体包括以下步骤:

以2500-3500转每分钟的转速在铝保护层上旋涂光刻胶,之后在60-70℃温度下坚膜10-20分钟,再进行自然降温。

优选地,所述在芯层四周旋涂紫外聚合式氟化聚合物材料具体包括以下步骤:

以1500-2500转每分钟的转速在芯层四周旋涂紫外聚合式氟化聚合物材料,之后在125-175℃温度下坚膜110-130分钟,再进行自然降温。

优选地,还包括以下步骤:

分别用直径不同的研磨粉配置成相应地多种研磨液,分别用所述多种研磨液按照其所用研磨粉的直径由大到小的顺序依次对平面光波导端面进行研磨,研磨时间均为25-35分钟;

采用碱性抛光液对研磨后的平面光波导进行端面抛光,抛光时间为4-6个小时。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点:

本发明中通过采用紫外聚合式氟化聚合物材料作为上包层材料,由于这类材料具有极高的化学、物理稳定性、良好的光学特性以及超高的热光系数,在平面光波导中传输的光场能量绝大部分分布在基底层和芯层中,只有一小部分消逝场能量分布在上包层中,所以无需辅助在芯层上增加覆盖无机光学材料,仅需在芯层上覆盖该上包层材料就能满足两光传输层的热光系数之比等于分布在该两光传输层中的光场能量之比的倒数的条件,以实现平面光波导的有效折射率不随温度变化而变化即对热不敏感,从而降低了光传输损耗、提高了抗电磁波等干扰的能力。本发明相比于全聚合物平面光波导具有性能好、可靠性高等优点,同时可以保证其损耗、性能、可靠性可达到全二氧化硅平面光波导的水平,而且本发明还比全二氧化硅平面光波导具有制造周期短、工艺简单、成本低等优点。

本发明通过设置上包层材料的折射率大于基底层材料的折射率,在满足了平面光波导光传输损耗和抗干扰能力等的要求下,可使消逝场能量更多地分布在上包层中,从而可降低对上包层材料的超高热光系数的要求。

本发明中通过设置基底层材料和芯层材料为二氧化硅,由于目前二氧化硅是主流的平面光波导材料,所以有利于与主流平面光波导实现无缝对接,不用额外增加研发投入而减少研发成本。

本发明中通过多次退火硬化步骤,可以消除晶格缺陷和内应力,使生长的二氧化硅层变得致密均匀,并使植入的掺杂原子扩散到替代位置,保证了掺杂的均匀性。通过分多次生长和掺杂以形成一定厚度的锗离子掺杂二氧化硅层,进一步保证了掺杂的均匀性和二氧化硅层的致密性。

本发明中通过设置以2500-3500转每分钟的转速在铝保护层上旋涂光刻胶并在60-70℃温度下坚膜10-20分钟并自然降温,提高了光刻胶成膜的均匀性和平整度,有利于后续光刻和显影中形成垂直度好的图案。

本发明中通过设置以1500-2500转每分钟的转速在芯层四周旋涂紫外聚合式氟化聚合物材料并在125-175℃温度下坚膜110-130分钟并自然降温,提高了聚合物材料成膜的均匀性和平整度,提高了所制备的平面光波导的质量。

本发明中通过分别用直径不同的研磨粉配置成相应地多种研磨液,分别用所述多种研磨液并按照其所用研磨粉的直径由大到小的顺序依次对平面光波导端面进行研磨并均研磨25-35分钟的步骤,逐级分层次地实施研磨步骤,提高了研磨的效果,以及通过设置端面抛光步骤,提高了平面光波导的端面平整度及其精度,保证了其与其他光波导连接的有效性,从而进一步减小了光传输损耗。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解,下面根据本发明的具体实施例并结合附图,对本发明作进一步详细的说明,其中

图1是本发明一种实施例的一种热不敏感型平面光波导;

图2是本发明另一种实施例的一种制备热不敏感型平面光波导的方法的流程图;

图3是图2中制备热不敏感型平面光波导的生长过程图;

图4是本发明又一种实施例的一种制备热不敏感型平面光波导的方法的流程图。

图中附图标记表示为:1-基底层,2-芯层,3-上包层。

具体实施方式

参考图1,是一种实施例的一种热不敏感型平面光波导,包括:基底层1和芯层2,所述芯层2形成于所述基底层1上。

上述热不敏感型平面光波导还包括包覆于所述芯层四周的上包层3,芯层的厚度为H1,宽度为W1,上包层的厚度为H2。上包层材料包括紫外聚合式氟化聚合物材料,这类材料具有极高的化学、物理稳定性以及良好的光学特性,而且其折射率和热光系数可根据具体要求在一定范围内任意调整,只需利用匀胶法即可均匀地被旋涂在芯片上,工艺十分简单且成本较低。优选地,所述紫外聚合式氟化聚合物材料包括氟化丙烯酸酯。

基底层材料和芯层材料均是无机光学材料,基底层材料和芯层材料的热光系数的正负符号与所述上包层材料的热光系数的正负符号相反(例如,上包层材料的热光系数为负,则基底层材料和芯层材料的热光系数为正)。

上述热不敏感型平面光波导工作原理是:当作为基底层和芯层的无机光学材料的热光系数为正时,包括紫外聚合式氟化聚合物材料的上包层的热光系数为负,且比基底层和芯层的无机光学材料的热光系数在数值上高一个数量级,而波导中光场能量绝大部分分布在波导基底层和芯层的无机光学材料当中,只有一小部分消逝场能量分布在波导上包层当中,如果满足基底层和芯层的无机光学材料与包括紫外聚合式氟化聚合物材料的上包层材料的热光系数之比等于分布在两者当中的光场能量之比的倒数,即可实现光波导有效折射率不随温度变化而变化。

本实施例中通过采用紫外聚合式氟化聚合物材料作为上包层材料之一,由于这类材料具有极高的化学、物理稳定性、良好的光学特性以及超高的热光系数,在平面光波导中传输的光场能量绝大部分分布在基底层和芯层中,只有一小部分消逝场能量分布在上包层中,所以无需辅助在芯层上增加覆盖无机光学材料,仅需在芯层上覆盖该上包层材料就能满足两光传输层的热光系数之比等于分布在该两光传输层中的光场能量之比的倒数的条件,以实现平面光波导的有效折射率不随温度变化而变化即对热不敏感,从而降低了光传输损耗、提高了抗电磁波等干扰的能力。本实施例相比于全聚合物平面光波导具有性能好、可靠性高等优点,同时可以保证其损耗、性能、可靠性可达到全二氧化硅平面光波导的水平,而且本实施例还比全二氧化硅平面光波导具有制造周期短、工艺简单、成本低等优点。

作为一种优选实施方式,所述上包层材料的折射率大于所述基底层材料的折射率。

本实施例中通过设置上包层材料的折射率大于基底层材料的折射率,在满足了平面光波导光传输损耗和抗干扰能力等的要求下,可使消逝场能量更多地分布在上包层中,从而可降低对上包层材料的超高热光系数的要求。

作为一种优选实施方式,所述基底层材料包括二氧化硅,所述芯层材料包括锗离子掺杂二氧化硅。

本实施例中通过设置基底层材料和芯层材料为二氧化硅,由于目前二氧化硅是主流的平面光波导材料,所以有利于与主流平面光波导实现无缝对接,不用额外增加研发投入而减少研发成本。

作为一种优选实施方式,所述平面光波导的截面结构是掩埋条形单模波导结构。选取H1=W1=6um,H2=10um,上包层的折射率为1.45,芯层的折射率为1.46,基底层的折射率为1.44,采用OptiwaveBPM软件设计光波导截面结构,经过数据模拟获得了较好的光场分布图,且波导满足单模传输条件,基模有效折射率为1.4547。

参考图2,是另一种实施例的一种制备上述热不敏感型平面光波导的方法的流程图,相应于该制备热不敏感型平面光波导的具体步骤,该热不敏感型平面光波导的生成过程如图3所示,该制备方法具体包括以下步骤:

步骤S1:在基底层1上生长一层无机光学材料2-1,进行离子掺杂,退火硬化;优选地,所述在基底层1上生长一层无机光学材料2-1的方法采用等离子体增强化学气相沉积法。所述基底层采用二氧化硅。所述离子采用锗离子。

步骤S2:重复步骤S1多次,直至生长出具有一定厚度的无机光学材料层2-2;优选地,每一次生长出的无机光学材料层2-1的厚度为2um,经过多次生长之后获得无机光学材料层的厚度为6um。

步骤S3:在无机光学材料层2-2上溅射一层铝保护层4;优选地,所述铝保护层4的厚度为100nm。

步骤S4:在铝保护层4上旋涂光刻胶5,进行光刻和显影以获得所需图案后,采用铝腐蚀剂去除多余的铝保护层4;本领域的技术人员应当理解,所述光刻胶选用正胶或负胶都能满足应用需求,例如可以选用BP212正型光刻胶。光刻方法可以采用紫外光刻,曝光5s后将器件放在浓度为5‰的NaOH溶液中显影,提高了所获得图案的边缘垂直度。

步骤S5:采用反应离子刻蚀法对无机光学材料层进行刻蚀,之后去除剩余的光刻胶5和铝保护层4,形成芯层2结构;

步骤S6:在芯层四周旋涂紫外聚合式氟化聚合物材料,形成上包层3结构。优选地,所述上包层3的厚度为10um,所获得的该热不敏感型平面光波导的截面结构是掩埋条形单模波导结构。

本实施例中通过多次退火硬化步骤,可以消除晶格缺陷和内应力,使生长的二氧化硅层变得致密均匀,并使植入的掺杂原子扩散到替代位置,保证了掺杂的均匀性。通过分多次生长和掺杂以形成一定厚度的锗离子掺杂二氧化硅层,进一步保证了掺杂的均匀性和二氧化硅层的致密性。

作为一种优选实施方式,上述在铝保护层4上旋涂光刻胶5具体包括以下步骤:

以2500-3500转每分钟的转速在铝保护层4上旋涂光刻胶5,之后在60-70℃温度下坚膜10-20分钟,再进行自然降温。优选地,转速为3000转每分钟,旋转时间为20s,在65℃下坚膜15分钟,提高了成膜的均匀性和平整度。

本实施例中通过设置以2500-3500转每分钟的转速在铝保护层上旋涂光刻胶并在60-70℃温度下坚膜10-20分钟并自然降温,提高了光刻胶成膜的均匀性和平整度,有利于后续光刻和显影中形成垂直度好的图案。

作为一种优选实施方式,上述在芯层2四周旋涂紫外聚合式氟化聚合物材料具体包括以下步骤:

以1500-2500转每分钟的转速在芯层四周旋涂紫外聚合式氟化聚合物材料,之后在125-175℃温度下坚膜110-130分钟,再进行自然降温。优选地,转速为2000转每分钟,旋转时间为20s,在150℃下坚膜120分钟,提高了成膜的均匀性和平整度。

本实施例中通过设置以1500-2500转每分钟的转速在芯层四周旋涂紫外聚合式氟化聚合物材料并在125-175℃温度下坚膜110-130分钟并自然降温,提高了聚合物材料成膜的均匀性和平整度,提高了所制备的平面光波导的质量。

作为一种优选实施方式,所述退火硬化具体包括以下步骤:

以10-20℃/min的升温速率升温至120℃,保温20-30min,之后以10-20℃/min的升温速率升温至140℃,保温20-30min,之后再以10-20℃/min的升温速率升温至160℃,保温20-30min,之后随炉冷却至室温。通过上述方式的退火硬化方式,能够更好地消除晶格缺陷和内应力,使生长的二氧化硅层变得致密均匀,对材料的硬底、帖服性等都有更好的效果。

作为一种优选实施方式,如图4所示,本实施例的方法还包括以下步骤:

步骤S7:分别用直径不同的研磨粉配置成相应地多种研磨液,分别用所述多种研磨液按照其所用研磨粉的直径由大到小的顺序依次对平面光波导端面进行研磨,研磨时间均为25-35分钟。优选地,分别选用25um、14um、7um、3.5um直径的研磨粉配置成研磨液,采用该四种直径的研磨粉能够在提高研磨效率的同时,获得更好地研磨效果。

步骤S8:采用碱性抛光液对研磨后的平面光波导进行端面抛光,抛光时间为4-6个小时。

本实施例中通过分别用直径不同的研磨粉配置成相应地多种研磨液,分别用所述多种研磨液并按照其所用研磨粉的直径由大到小的顺序依次对平面光波导端面进行研磨并均研磨25-35分钟的步骤,逐级分层次地实施研磨步骤,提高了研磨的效果,以及通过设置端面抛光步骤,提高了平面光波导的端面平整度及其精度,保证了其与其他光波导连接的有效性,从而进一步减小了光传输损耗。

显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

再多了解一些
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