专利名称：掺稀土元素聚合物波导的制造方法
技术领域：
本发明是关于一种掺稀土元素光放大器的制造方法，特别是关于一种可用在掺铒波导放大器(EDWAs，Erbium-Doped Waveguide Amplifiers)中的掺稀土元素聚合物波导的制造方法。
背景技术：
光放大器可提高系统终端的光输出功率，也可用作中继器增大中继距离。掺稀土元素放大器受激后能产生与入射光波长相同的激光，其中掺铒放大器是被广泛应用的掺稀土元素放大器。
掺铒光纤放大器(EDFA，Erbrium-Doped Fiber Amplifier)是典型的掺铒放大器，因其价格昂贵而较少应用于高密集型城域网络(MANs，MetropolitanArea Networks)，一般用于越洋电缆通讯。掺铒波导放大器具有掺铒光纤放大器的大部分优点，且其应用于城域网络更经济，具有更好的性价比。掺铒波导放大器由嵌入玻璃基片中的掺铒波导组成，其与掺铒光纤放大器的相似之处在于它们的增益介质均采用掺铒波导。
制造掺铒波导放大器的一种方法是离子交换法，其包括两步第一步，制备均匀掺有氧化铒的玻璃基片；第二步为离子交换步骤，此过程是将所述玻璃基片浸在盐浴中，由于在玻璃基片与盐的接口处存在离子浓度梯度，从而铒离子和盐离子可进行交换。在交换过程中远离基片中心区域的铒离子较基片中心的铒离子更易失去，因而玻璃基片中铒离子的密度呈渐变分布，进而可在玻璃基片的表面下产生几个微米深的信道波导，玻璃包层将确保波导的稳定性。
另一种制造掺铒波导放大器的方法是溅射沉积法，首先将选定适合作芯层的材料制成靶，并将其置于真空室中基片的对面。通入氩气及氧气，以使真空室内的压力在0.3～25Pa范围内变化。在射频电场作用下，氩原子加速向靶运动并轰击靶材，使其上原子和/或分子溅射出靶材表面并沉积在基片上，此过程持续到沉积层达到需要的厚度。
请参阅图4，美国专利第5,982,973号揭示了一种掺铒平面光波导100。该光波导100包括一基片102，置于该基片102上的下包层104，置于该下包层104上的活动导向层106，置于该活动导向层106上的上包层108。其中活动导向层106及上包层108是由玻璃材料利用溅射沉积法而生成的。
美国专利第H1,848号揭示了一种沿Z-轴方向传播的波导激光及放大器装置，该装置利用掺稀土元素的LiNbO3晶体作为波导基片。在LiNbO3晶体基片上形成的波导与LiNbO3晶体晶轴Z方向大致平行，可用金属扩散法形成具有渐变折射率分布的晶体波导。
离子交换法、美国专利第5,982,973号揭示的溅射沉积法及美国专利第H1,848号揭示的金属扩散法，此三种方法共同缺点是难于控制、耗费时间及成本高。
发明内容综上所述，为克服现有技术中波导成本高的缺点，本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本波导的制造方法。
为解决上述技术问题，本发明掺稀土元素聚合物波导的制造方法包括如下步骤准备基片；在基片上旋转涂覆聚合物，形成下包层；在下包层上旋转涂覆由聚合物及可受激发光的稀土金属离子络合物组成的混合物，形成芯层；利用掩模板、紫外线曝光及蚀刻技术，形成至少一个信道波导；在信道波导及下包层暴露的部分上面旋转涂覆聚合物，形成上包层。
与现有技术相比，本发明是利用稀土金属离子与有机化合物络合形成络合物，再将此络合物溶于聚合物中，从而增大了稀土金属离子在聚合物基质中的溶解度。为得到相同浓度的掺稀土金属离子的波导，本发明所需的稀土金属离子量与现有技术相比更少，因此可减少稀土金属离子的使用量，降低制造成本。
图1是本发明较佳实施例制造掺稀土元素聚合物波导的方法各步骤示意图。
图2是图1所示的旋转涂覆步骤的不同阶段示意图。
图3是图1所示的形成信道波导步骤的两种不同方法的示意图。
图4是现有平面光波导的剖视图。
具体实施方式下面将结合附图对本发明作进一步的详细说明。
请参阅图1，本发明制造掺稀土元素聚合物波导的方法包括如下五个步骤步骤1准备硅基片11；步骤2在基片11上旋转涂覆聚合物，形成下包层12；步骤3在下包层12上旋转涂覆由包括聚合物及稀土金属离子络合物组成的混合物，形成芯层13；步骤4利用湿法蚀刻技术蚀刻芯层13，在下包层12上形成信道波导14；步骤5在信道波导14及下包层12暴露的部分上面旋转涂覆聚合物，形成上包层15。
下面将详细说明每一步的具体过程。
步骤1是准备硅基片11(亦称硅芯片)，该硅基片按照工业标准经切削、抛光及清洗等过程形成上表面111(请参阅图2)。
请参阅图2，步骤2是在基片11上旋转涂覆涂覆液21，形成下包层12，此过程可分为四个阶段。第一阶段，在基片11的上表面111上涂覆由喷嘴22中喷出的涂覆液21，涂覆液21可为氟化聚合物，此阶段所需涂覆液21的量远超过最终形成下包层12所需的量。第二阶段，基片11围绕垂直于其上表面111的轴23旋转，旋转速度从静止逐渐加速至预设的旋转速度ω2。在加速过程中，过量涂覆液211可从上表面111上移除。起始速度较低时，过量涂覆液211在涂覆液21上呈现螺旋形，随着旋转速度的增大，涂覆液21逐渐变薄，当旋转速度增到ω2时，上表面111上的涂覆液21达到一个平衡态，达到此平衡态时涂覆液21剩余分子与基片11上表面111间指向轴23的黏力同为防止涂覆液21脱离基片11所需的向心力相等。第三阶段，基片11以恒速度ω3旋转，此时涂覆液21的黏力占主导地位，从而可使涂覆液21在表面111上的厚度均匀一致。第四阶段，基片11以恒速度ω4旋转，利用加热器(图未示)加热旋转的上表面111，同时用干燥、洁净的热空气24朝上表面111吹气，以使涂覆液21中的溶剂蒸发。四个阶段完成后，则形成下包层12。可通过选择涂覆液21的溶液浓度、分子量及不同阶段基片11绕轴23的旋转速度ω2、ω3、ω4控制下包层12的厚度。
步骤3在下包层12上旋转涂覆形成芯层13。大体上该过程包括步骤2中同样的四个阶段，不同之处在于步骤3是用包括聚合物及稀土金属离子络合物组成的混合物的溶液代替步骤2中的涂覆液21。为得到上述溶液，需选择具有多齿笼状结构的有机化合物，其可与置于分子中心的稀土金属离子络合，此有机化合物可为冠醚化合物。其络合过程如下首先制备冠醚化合物的乙醇溶液，其次向选定的稀土金属氯化物溶于乙醇所配成的溶液中逐滴滴入冠醚化合物的乙醇溶液，并在50℃的温度下持续搅拌反应直至溶液澄清透明。向该溶液中滴加碱性溶液使其至弱酸性，此时会有固体从溶液中析出，过滤出此固体并重结晶纯化得到络合物。将此络合物溶于聚合物中，得到包括聚合物及稀土金属离子络合物组成的混合物溶液。需选用可受激发光的稀土金属离子为掺杂金属离子，如铒(Er)、铥(Tm)、钬(Ho)、镨(Pr)、钐(Sm)、铈(Ce)、镱(Yb)、钕(Nd)、铕(Eu)或钆(Gd)离子。芯层13中可同时掺有不同的上述稀土金属离子，且作为芯层13的原料其折射率高于作为下包层12及上包层15的原料折射率。步骤3完成后，则在下包层12上形成掺有稀土金属离子的芯层13。
请参阅图3，步骤4包括在芯层13上旋转涂覆光刻胶35、在光刻胶35上覆盖一层掩模板32、利用紫外线31照射掩模板32及利用湿法蚀刻技术在芯层13内形成波导图案14。在芯层13上旋转涂覆光刻胶35包括步骤2中相似的四个阶段，不同之处在于是用含有光刻胶35的溶液代替步骤2中的涂覆液21。该光刻胶35可以是正性光刻胶如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，亦可以是负性光刻胶如Kodak薄膜抗蚀剂(KTFR)(一种重氮感光的聚异戊二烯橡胶)。此二种不同类型的光刻胶35已被广泛应用，其中正性光刻胶经过紫外线31照射后更易溶解，负性光刻胶则经过紫外线31照射后更难溶解。若使用正性光刻胶35，其经过紫外线31照射后更易溶解在二甲苯，若使用负性光刻胶35，则经过紫外线31照射后可将其溶解于氢氧化钾(KOH)溶液、氢氧化四甲铵(TMAH)、酮及乙酸酯中的任意一种中。
覆盖在光刻胶35上的掩模板32包括抗光部分34及透光部分33。在较佳的实施例中，掩模板32与光刻胶35间的距离在1μm到10μm范围之间。掩模板32的制造及使用是现有技术，例如可用电子束扫描曝光覆在二氧化硅掩模片上的光刻胶而制成掩模板32。
将掩模板32置于光刻胶35上后，再用紫外线31照射整块掩模板32。位于掩模板32的透光部分33下面的光刻胶部分经紫外线31照射后可发生光化学反应，发生光化学反应后其在蚀刻液中的溶解度变化取决于使用的光刻胶35是正性光刻胶还是负性光刻胶。经紫外线31照射后，将掩模板32从光刻胶35上移除掉。
蚀刻液的选择也是现有技术，其也取决于使用的光刻胶35是正性光刻胶还是负性光刻胶。蚀刻过程如下首先用湿法蚀刻移除光刻胶35的可溶部分，再用相同或不同的蚀刻液移除芯层13暴露的部分，最后用不同的蚀刻液移除光刻胶35在第一次蚀刻中没有溶掉的部分。经此步骤在下包层12上形成掺有选定的稀土金属离子的信道波导图案14。
步骤5在信道波导14及下包层12暴露的部分上面旋转涂覆聚合物，形成上包层15。该过程包括与步骤2中相似的四个阶段。
经过五个步骤实现掺稀土元素聚合物波导的制造。
权利要求
1.一种聚合物波导的制造方法，包括如下步骤准备基片；在该基片上旋转涂覆聚合物形成下包层；在该下包层上旋转涂覆形成芯层，该芯层由聚合物及一定量的稀土金属离子络合物组成的混合物构成，该稀土金属离子络合物由有机化合物与可受激发光的稀土金属离子络合而成；利用掩模板、射线曝光及蚀刻技术，在该芯层形成至少一个信道波导；旋转涂覆聚合物，形成上包层以覆盖该信道波导。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于该蚀刻技术是湿法蚀刻技术。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于该聚合物及一定量的稀土金属离子络合物组成的混合物由具有多齿笼状结构的有机化合物与置于其分子中心的稀土金属离子在有机溶液中络合形成络合物后，再溶在聚合物中而形成。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于该具有多齿笼状结构的有机化合物是冠醚。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于该射线是紫外线，并用其照射曝光覆在芯层上的光刻胶。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于该光刻胶是正性光刻胶。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于该光刻胶是负性光刻胶。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于该光刻胶用二甲苯溶解。
9.如权利要求7所述的方法，其特征在于该光刻胶原料可用氢氧化钾溶液、氢氧化四甲铵、酮及乙酸酯中的任意一种溶解。
10.如权利要求3所述的方法，其特征在于该制备具有多齿笼状结构并与稀土金属离子络合的络合物步骤包括首先制备冠醚化合物的乙醇溶液，其次向选定的稀土金属氯化物溶于乙醇所配成的溶液中逐滴滴入该冠醚化合物的乙醇溶液。
11.一种制备由聚合物及掺杂离子络合物组成的混合物的溶液的方法，该溶液可用在以聚合物为基底的光器件中，该方法包括如下步骤制备冠醚化合物的乙醇溶液；向稀土金属氯化物溶于乙醇所配成的溶液中逐滴滴入该冠醚化合物的乙醇溶液，形成混合溶液；持续搅拌该混合溶液直至其澄清透明；向该混合溶液中滴加碱性溶液使其至弱酸性，此时会有络合物粗固体从该混合溶液中析出；从该混合溶液中过滤出该络合物粗固体；重结晶纯化该络合物粗固体得到纯络合物；将该纯络合物溶于聚合物。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于该持续搅拌该混合溶液的温度为50℃。
13.如权利要求11所述的方法，其特征在于该稀土金属离子可受激发光。
14.如权利要求11所述的方法，其特征在于该稀土金属离子可从铒(Er)、铥(Tm)、钬(Ho)、镨(Pr)、钐(Sm)、铈(Ce)、镱(Yb)、钕(Nd)、铕(Eu)及钆(Gd)离子中选用。
全文摘要
本发明揭示了一种掺稀土元素聚合物波导的制造方法，包括如下步骤准备基片；在基片上旋转涂覆聚合物，形成下包层；在下包层上旋转涂覆由聚合物及可受激发光的稀土金属离子络合物组成的混合物，形成芯层；利用掩模板、紫外线曝光及蚀刻技术，形成至少一个信道波导；在信道波导及下包层暴露的部分上面旋转涂覆聚合物，形成上包层。本发明是利用稀土金属离子与有机化合物络合形成络合物，再将此络合物溶于聚合物中，从而增大了稀土金属离子在聚合物基质中的溶解度。为得到相同浓度的掺稀土金属离子的波导，本发明所需的稀土金属离子量与现有技术相比更少，因此可减少稀土金属离子的使用量，降低制造成本。
文档编号H01S3/17GK1455273SQ03125050
公开日2003年11月12日 申请日期2003年5月3日 优先权日2002年5月3日
发明者吕昌岳, 陈杰良 申请人:鸿富锦精密工业(深圳)有限公司, 鸿海精密工业股份有限公司