切趾平面波导光栅的方法

专利名称：切趾平面波导光栅的方法
技术领域：
本发明涉及光波导，特别涉及一种制造具有折射率光栅的光波导的方法。更具体而言，本发明涉及一种制备附加在平面光波导上的切趾布喇格光栅(apodized Bragg grating)的方法。
2.背景技术目前通信系统越来越多地采用光波导，由于其高速度、低衰减和宽带宽特性，光波导可用于同时携带数据、视频和语音信号。使用多层光波导结构构造在光纤通信系统中路由和控制光信号的集成光路。可以制造通过光路或光纤网络传输光信号的聚合光波导和其它光学器件。在光通信系统中，通过使用诸如激光器和发光二极管的光源产生的载波，以红外光频率传输信息。
光波导的操作是基于这样一种事实，即当对光透明的芯介质被具有更低折射率的包层介质围绕或以其它方式相接时，沿芯介质轴引导的光在与外围包层介质的边界处高度反射，从而产生光导效应。可以由任何透光材料制造光波导。适当的波导材料的例子为聚合物材料和掺锗石英。用于形成光波导装置的一种方法包括运用标准光刻工艺。光聚合物对于光学应用而言特别重要，因为其可通过本领域中众所周知的光刻技术而图案化。光聚合物还使制造方法有可能更简单、更经济有效。使用光刻方法在沉积于基片上的光敏、含有光聚物的层上定义图案。该层本身可以由相同或不同的具有不同折射率的聚合物材料组成的数个层构成，形成芯、外包层、底包层和缓冲层或结构。实际上，大多数平面波导结构具有这样一种构型，其中将缓冲层涂覆到硅基片上，然后将底包层涂覆到缓冲层，随后涂覆和图案化芯层，最后涂覆外包层。在某些情况下，缓冲层可以用作底包层。如果没有对这些多层进行优化，则可能出现多种问题。这些问题包括基片对光的吸收导致的高光损耗；高偏振依赖性损耗；如果进行加热来调节或切换，则温度升高可能改变折射率，将光至少部分地挤出芯之外，其可能与包层和/或基片相互作用，产生多种不希望的可以例如引起损耗的相互作用；并且如果波导包含有光栅，则可以观察到二次反射或者不希望的反射信号波长扩展。
这些光通信系统令人感兴趣的原因在于，它们具有优于使用铜线或同轴电缆的电子通信系统的若干优点。光通信系统的通信信道数大大增大，并且与电子系统相比能以高得多的速度传输信息。这些通信系统的一个重要扩展是使用波分复用，由此给定波长带被分割成分离波长，从而在一根已安装的线路上可以输载多个通信信道。这需要使用多路复用器和能将波带分成彼此分离但紧密间隔的给定波长的解复用器。将单独波长加入宽带信号中，并从多波长信号抽取给定波长，这需要波长选择装置，这就导致开发出了许多分插滤波器(add/dropfilters)。由于布喇格光栅固有的波长选择性，本领域技术人员设计出许多光栅辅助装置，以便对于多波长信号增加或提取给定波长。典型光波导通过利用中央芯和更低折射率的外围包层的光约束和传导性传播波。由于波能量主要在芯中传播，利用在波导的芯区域中形成的布喇格光栅已开发出了分插滤波器或耦合器。不过，为了减小对包层模式的耦合损耗，优选同时在芯和外围包层区域中形成布喇格光栅。由根据选定的光栅性质向前或向后传播选定波长的嵌入式光栅产生波长选择性。
不过，对于现代通信系统而言，这种方法具有若干与光谱选择性、信噪比、光栅强度、温度不稳定性和偏振灵敏性等因素有关的功能和操作局限性。例如，现代应用要求基于这一原理的所有分插滤波器在路由信道时均非常有效，具有可以选择性地和精确地处于特定波长或者调节到特定波长的强光栅，并且还具有有限带宽，对温度不敏感，小型，低成本，并且不受选定波带中寄生反射或噪声的影响。
光敏波导材料使该材料的折射率易于由于暴露于光化辐射而增大。因此，写入光栅折射率分布的优选方法包括通过相位掩模使波导暴露于激光束下。光波导折射率布喇格光栅是波导折射率的周期性或非周期性变化。可以通过物理上对波导施加调节，或者使用本领域中公知的光刻或其他方法沿波导方向产生折射率调节而形成光栅。对于光纤通信和传感器系统中的许多应用而言，写入波导芯中或者波导芯与外包层中的光栅是重要组成部分。为了使制造过程自动化，希望在一个处理步骤中，即通过使激光束通过波导一次而将折射率分布写入波导中。
具有均匀折射率调制、均匀间距和高(＞90％)峰值反射率的布喇格反射光栅的光波导，具有与折射率调制幅值直接成正比的光谱宽度。具有均匀折射率调制的光栅的反射光谱中的主峰值，在相邻波长处伴有一系列旁瓣。旁瓣是相邻波长的部分反射导致的，并且是不希望的。通过切趾光栅调制幅值可以减小边带大小，切趾方式使在光栅中心处发生最强折射率调制，在光栅每一端调制幅值平滑衰减到较低数值。切趾减小了带外反射的大小，以实现对幻象或旁瓣的抑制。
在极需拒绝非谐振光的装置中，希望将光栅切趾，从而减小旁瓣的强度。在大多数这类应用中，要求切趾过程同时保持在光栅长度上折射率恒定，这有时仅通过控制激光束难以在单步处理中实现。通过沿光栅长度方向改变紫外曝光量产生的折射率调制改变，使折射率调制幅值改变，并可能导致平均光致折射率改变。平均折射率改变对光栅的谐振波长造成不希望的影响，并扩展光栅光谱响应。如果波导材料为掺有锗的石英，则切趾过程中非常难于保持平均折射率恒定。为了缓解这些问题，在切趾光栅产生非均匀折射率调制之后，可能必须施行二次补偿曝光以保证沿波导长度方向平均光致折射率恒定。一种产生所需切趾分布和均匀平均折射率的现有技术方法是通过抖动波导来减小沿波导长度方向特定位置处的折射率边缘清晰度，不过这些技术要求相位掩模具有复杂的机械固件，及可以振动但精确设置的波导。
本发明提供一种通过经由相位掩模将光敏波导暴露于相对波导纵轴以大于0°且小于90°的角度扫描的激光束的切趾问题的简单解决方法。激光束相对基片和相位掩模以恒定速度移动，或者基片和相位掩模相对激光束以恒定速度移动。光束具有平滑改变的强度分布(例如，高斯分布)，并且在引起波导折射率改变，并在波导中产生与相位掩模图案相应的切趾布喇格光栅的条件下进行曝光。
发明概述本发明提供一种在光敏性平面线性波导中形成切趾布喇格光栅的方法，包括在基片表面上设置光敏性平面线性波导，该波导定义纵轴；将带有图案的相位掩模设置在波导与激光束之间；
通过相位掩模使波导暴露于激光束下，其中激光束以基本恒定的速度相对基片和相位掩模运动，或者基片和相位掩模以基本恒定的速度相对激光束运动，所述光束具有平滑变化的强度分布，并且在足以引起波导折射率改变，且在波导中产生与相位掩模图案相应的切趾布喇格光栅的条件下，相对纵轴以大于0°且小于90°的角度执行所述曝光。
本发明还提供一种形成具有切趾布喇格光栅的平面线性波导的方法，包括将底包层组合物涂覆至基片表面；在底包层上形成光敏性平面线性波导，该波导定义纵轴；将带有图案的相位掩模设置在波导与激光束之间；通过相位掩模使波导暴露于激光束下，其中激光束以基本恒定的速度相对基片和相位掩模运动，或者基片和相位掩模以基本恒定的速度相对激光束运动，所述光束具有平滑变化的强度分布，并且在足以引起波导折射率改变，且在波导中产生与相位掩模图案相应的切趾布喇格光栅的条件下，相对纵轴以大于0°且小于90°的角度执行曝光；以及在曝光之前或之后在波导上涂覆外包层组合物，其中外包层组合物和底包层组合物的折射率小于波导的折射率。优选在激光曝光之前涂覆外包层，以便在波导中及围绕波导的底包层和外包层区域中形成切趾布喇格光栅。


图1是以某一角度与平面波导和相位掩模相交的激光束光分布的示意图。
发明详述执行本发明方法的第一步是在基片表面上设置光敏性平面线性波导。本发明的波导包括基片；处于基片表面上的任选性缓冲和/或底包层；直接在基片表面上、底包层或缓冲层上制造的光传输单模波导芯；以及处于芯顶面上和芯侧壁上的外包层。本发明的重要特征在于芯的折射率大于紧相邻材料层(外包层、底包层、缓冲层或基片)的折射率。美国专利申请序列号09/846,697(2001年5月1日申请)中描述了一种形成波导的适当方法，该专利在此引作参考。
基片可以是希望在其上形成波导的任何材料，包括诸如硅、氧化硅、砷化镓、氮化硅、玻璃、石英、塑料、陶瓷、晶体材料等材料。基片可以包含或者可以不包含其他装置，例如诸如沟槽或电路或电光装置如激光二极管的形态特征。由于本发明的基片可能吸收对于无线电通信重要的光波长，到达基片的传输光的任何部分均受到吸收。基片对光的吸收导致传播信号产生不希望的与偏振有关的光功率损耗。中间的底包层和/或缓冲层的作用在于限制光穿透到基片中，并防止大量光到达基片。在涂覆随后的底包层或缓冲层之前，可以任选地在基片表面上涂覆粘合促进性粘接组合物层。一种适宜的粘合促进剂为(3-甲基丙烯酰氧丙基)三氯硅烷)。
波导芯、任选性的缓冲和/或底包层以及外包层可以为任何透光材料。用于平面波导的适当材料的例子为聚合物材料和掺锗石英。本发明的优选材料为聚合物材料，因为使用这类材料易于波导制造。可以通过本领域中已知的多种不同方法，如旋涂、浸渍涂、槽涂(slotcoating)，辊涂，刮刀，液体浇注等涂覆聚合物底包层和/或缓冲层。它们可以包括光聚合化合物，如丙烯酸酯化合物。下面描述可使用的丙烯酸酯化合物。一旦光聚合材料层沉积于基片表面上，则其通过整体曝光于光化辐射可以至少部分聚合。通常底包层与缓冲层的总厚度为大约3微米至大约500微米。从大约5微米到大约100微米的总厚度比较适宜，尤其是从大约8微米到大约30微米的总厚度。为了促进随后涂覆的聚合物层之间的粘合，并且在某些情况下为了控制界面处的折射率梯度，可以有目的地使包括所述缓冲层在内的最初涂覆层基本上未固化，以便促进单体渗透，并在层间形成共价键。
在底包层和/或缓冲层沉积且部分聚合之后，在缓冲层表面上形成芯。在一个实施方案中，通过在底包层或缓冲层表面上沉积光传输性单模光敏芯层而形成芯。使用已知技术如旋涂、浸渍涂、槽涂，辊涂，刮刀，液体浇注等沉积光聚合组合物芯层。然后光敏芯层成象曝光于光化辐射，并显影，从而去除没有图像的芯层区域，而不去除芯层的成象区域。在对该层进行显影、图案化之后，在底层上形成光传输芯，并且部分底层暴露在外。通常将这一制造阶段时的芯结构描述为直肋形。在本发明另一实施方案中，通过在底层表面上沉积光传输性聚合物芯层材料而形成芯层。可以使用众所周知的图案沉积添加技术或者其他削减技术如活性离子蚀刻可来产生芯图案。在每一种实施方式中，芯的横截面宽度大约等于其横截面高度。通常芯层的横截面宽度和高度均为大约1μm至大约12μm，更适宜的情况是芯的横截面宽度和高度均为大约4μm至大约8μm。还常常发生芯的宽度不大于芯高度两倍，和高度不大于宽度两倍的情形。另外，通常芯在其宽度和高度中均为单模的，并且具有大约相同的高度和宽度。一般波导尺寸包括具有一定高度和宽度的芯，该高度和宽度可以彼此相等，并且均为大约2μm，大约3μm，大约4μm，大约5μm，大约6μm，大约7μm，大约8μm，大约9μm或大约10μm。为了使对标准单模玻璃光纤，例如对Corning Incorporated出售的SMF-28的耦合损耗最小，可以使用6×6微米和8×8微米之间的芯横截面尺寸。优选芯具有与Δn值一起选择出的横截面宽度和横截面高度，其选择使得波导对于所有大于大约1300nm、希望大于大约1520nm的光通信波长而言都是单模的。用于芯层的材料包括下面详细描述的聚合丙烯酸酯材料。
在形成芯之后，在芯的顶面上、芯的侧壁上和底部缓冲层的暴露部分上沉积外包层。也可以通过上述技术涂覆光聚合外包层，然后整体曝光于光化辐射。外包层可以为任何能将所应用的光限制在芯中以及紧围绕芯的区域中的材料，并且可以包括下面详细描述的聚合丙烯酸酯化合物。在一个实施方案中，外包层从芯顶部开始测得的厚度通常为大约3到大约30、更常见为大约5到大约20、最适宜为大约8到大约15微米。使用包括单体和低聚组分的混合物的聚合光学材料形成波导，将该单体与低聚组分混合以提供每层所需的折射率。每层的特定折射率对于波导性能具有重要影响。
在本发明的常见应用中，所制造出的波导结构是单模的。保证波导是单模的，要求物理横截面尺寸与波导形状及Δn值之间保持一定关系。通常如果波导的尺寸保持不变，则如果要使波导是单模的，Δn存在一个不能超过的最大(截止)值。同样，如果Δn值保持不变，则如果要使波导是单模的，波导存在一个不能超过的最大横截面尺寸。通常，芯的折射率比外包层或者其他紧邻材料的折射率高大约0.1％至大约10％，更通常情况下芯折射率比外包层或者其他紧邻材料高大约0.4％至大约3.5％。
用于形成缓冲层、底包层、外包层和芯的组合物均可以包含光聚合化合物和光引发剂。光聚合化合物可以为单体、低聚体或聚合体，其是含有至少一种末端烯键式不饱和基团的可加聚的、非气态(标准大气压下沸腾温度高于30℃)、烯键式不饱和化合物，并且能通过自由基引发的链增长性加聚而形成高分子量聚合物。这种化合物在本领域中是广为人知的。为了制造平面聚合光波导，必须精确控制芯和各种包层的折射率。这可以通过设计各特定涂层中所使用的单体的结构以获得所需折射率来实现。实际上，易于将几种不同折射率的可共混单体混合在一起，以获得所需的折射率。选择单体，以使所形成的聚合元件具有如上所述的所需折射率。本领域技术人员很容易确定特别选择出的聚合组合物的折射率。多官能丙烯酸酯的一般结构如下 对于芯而言，m可以从1到大约6；R2为H或CH3；R1为脂族、芳族键或脂族和芳族混合的有机分子链段。适宜的R1为亚烷基、烯化氧、亚芳基醚、脂族聚醚或聚酯部分，R2优选为H。为了保证薄膜的耐溶剂性以及高对比度光刻，交联聚合物以及从而多官能丙烯酸酯单体(m≥2)是适宜的。还希望通过使用柔性的低玻变温度(Tg)聚合物来减小应力产生的最终波导器件的散射光学损耗。在本领域中已知交联聚合物的玻变温度(Tg)取决于交联点之间的交联密度和键结构。还已知低交联密度和挠性键均要求低Tg。为了保证低交联密度，可使用1≤m≤3、理想情况下为m＝2的单体，以及两个烯键式不饱和官能度之间的长键链段。对于本发明而言，长键链段是平均分子链长度至少为大约4个碳原子或更多，最好为6个或更多碳原子的键链段。适宜的挠性键结构包括链长度大于大约3个碳原子的亚烷基、聚(环氧乙烷)、聚(环氧丙烷)、乙氧基化双酚A、聚醚、硫醚、脂族和芳族烃、醚、酯和聚硅氧烷等。这些可以任选地被任何侧基取代，所述侧基没有减损聚合化合物进行光聚合的能力，或者增加在感兴趣波长处例如用于无线电通信的1.31和1.52-1.63微米波长处的过度损耗。适当的取代其非排它地包括烷基、芳基、烷氧基和亚砜基团等。为了保证对热降解和脱色的高耐性，热稳定性分子结构的R1是适宜的。这种R1链段应当没有热感性部分，如芳族氨基甲酸乙酯和酰胺基团。为了保证低双折射，使用具有低应力光学系数和光学极化度的R1键。对于外包层来说，也可以为如上所述的丙烯酸酯，不过烯键式不饱和官能度之间的平均分子链长度可以为大约6个碳原子或更长，一般为8个或更长，最好为12个或更长。适宜的挠性键结构包括链长度大于大约6个碳原子的亚烷基、聚(环氧乙烷)、聚(环氧丙烷)和乙氧基化双酚A。在本发明一个实施方案中，每一层的材料还包括可聚合的酯和丙烯酸和包含2至30个碳原子的芳族和脂族多元醇的偏酯。聚亚氧烷基乙二醇的偏酯和酯也是适宜的。例如平均分子量在200至2000范围内的二丙烯酸乙二醇酯、二(甘醇)二丙烯酸酯、三(甘醇)二丙烯酸酯、四(甘醇)二丙烯酸酯、聚(乙二醇)二丙烯酸酯和聚(丙二醇)二丙烯酸酯，平均分子量在500至1500范围内的丙二醇二丙烯酸酯、二(丙二醇)二丙烯酸酯、(C2到C40)链烷二醇二丙烯酸酯诸如己二醇二丙烯酸酯和丁二醇二丙烯酸酯，三(丙二醇)二丙烯酸酯、三(羟甲基丙烷)三丙烯酸酯、乙氧基化三(羟甲基丙烷)三丙烯酸酯，平均分子量在100至1500范围内的季戊四醇二丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、二(聚季戊四醇)二丙烯酸酯、二(聚季戊四醇)三丙烯酸酯、二(聚季戊四醇)四丙烯酸酯、二(聚季戊四醇)五丙烯酸酯、二(季戊四醇)六丙烯酸酯、三(聚季戊四醇)八丙烯酸酯、山梨醇三丙烯酸酯、山梨醇四丙烯酸酯、山梨醇五丙烯酸酯、山梨醇六丙烯酸酯、低聚丙烯酸酯、二和三丙烯酸甘油酯、1，4-环己烷二丙烯酸酯、聚乙二醇的双丙烯酸酯，以及上述化合物的混合物。多官能丙烯酸酯低聚物包括但不限于丙烯酸酯化的环氧化物、丙烯酸酯化的聚氨酯和丙烯酸酯化的聚酯。可光聚合的化合物包括丙烯酸芳基酯。这种丙烯酸芳基酯单体的例子为二丙烯酸芳基酯、三丙烯酸芳基酯和四丙烯酸芳基酯，例如基于苯、萘、双酚A、亚联苯基、甲烷亚联苯基、三氟甲烷亚联苯基、苯氧基亚苯基等的二、三和四丙烯酸酯。丙烯酸芳基酯单体可以为多官能丙烯酸芳基酯，更普遍情况下丙烯酸芳基酯单体为基于双酚A结构的二、三和四丙烯酸酯。常用的丙烯酸酯芳基单体为烷氧基化双酚A二丙烯酸酯，如乙氧基化双酚A二丙烯酸酯、丙氧基化双酚A二丙烯酸酯和乙氧基化六氟双酚A二丙烯酸酯。丙烯酸芳基酯单体可以选择为乙氧基化双酚A二丙烯酸酯。理想的可聚合成分为具有结构(I)的单体 在一个实施方式中，对于芯而言，n为大约10或更小，通常为大约4或更小，最好为大约2或更小。在一个实施方式中，对于包层来说，n为大约2或更大，通常为大约4或更大，最好为大约10或更大。还可使用本领域中众所周知的包含丙烯酸酯的共聚物。在一个实施方式中，包层包含具有上面结构(I)所示乙氧基化双酚A二丙烯酸酯的可聚合成分，其中1≤n≤20，通常为4≤n≤15，最好为8≤n≤12。
可聚合组合物可以为多官能氟化(甲基)丙烯酸酯，尤其是基于以下结构的那些 其中Y是H或D；X是H，D，F，Cl，或CH3，a是2-4的整数R＝-CH2·Rf·CH2-，或 或 Rf＝-(CF2)k-，或-CF2O[(CF2CF2O)m(CF2O)n]CF2-，或-CF(CF3)O(CF2)4O[CF(CF3)CF2O]pCF(CF3)-其中k，m，n，和p是整数美国专利申请序列号09/337,337(2000年12月20日申请，公布为WO0078819(A1))中描述了适宜的氟化(甲基)丙烯酸酯，该专利在此引作参考。
这些材料制成的波导在1550纳米处传输损耗为0.17dB/cm那样小。易于选择这些材料的玻变温度(Tg)低于热光装置的工作温度。通过光栅辅助测量表明这些低Tg的材料具有可以忽略不计的双折射，并具有高折射率温度微商值，这使得可以制造高功效的热光装置如光开关和可调光栅。可使用的氟化(甲基)丙烯酸酯包括例如可从意大利米兰的Ausimont S.p.A购得的由多元醇FluorolinkT制成的四丙烯酸酯F60TA，按照下式反应 其他多官能丙烯酸酯包括德克萨斯Round Rock的Exfluor ResearchCorporation制造的C6DLACRYCH2＝CHCO2CH2(CF)4CH2O2CCH＝CH2明尼苏达Saint Paul的3M公司制造的L-12043CH2＝CHCO2CH2CF(CF3)O(CF2)4O[CF(CF3)CF2O]PCF(CF3)CH2O2CCH＝CH2同样3M公司制造的L-9367CH2＝CHCO2CH2(CF2CF2O)m(CF2O)nCF2CH2O2CCH＝CH2虽然缓冲层、外包层和芯均可以包含结构相似的组合物，但为使缓冲层和外包层的折射率均低于芯折射率，对于任何单独应用而言，它们必须具有不同的化学组成。例如缓冲层组合物可以与包层具有相似的Tg性质，不过不必为相同组成。选择可光聚合材料和处理条件，以使聚合缓冲层的Tg处于大约60℃或更低，一般大约40℃或更低，最好大约25℃或更低范围内。
本发明的特征在于波导芯中所使用的可光聚合的化合物产生一种在光聚合之后，玻变温度为大约80℃或更低，最好为大约50℃或更低的芯。本发明的特征在于波导包层中所使用的可光聚合的化合物产生一种在聚合之后玻变温度为大约60℃或更低，通常大约40℃或更低，最好大约25℃或更低的包层。本领域技术人员通过可聚合组分的特性和选择，易于得到特定Tg。这取决于诸如分子量、不饱和位置数和可聚合组分的交联密度等因素。单聚合的成分本身可具有所需的Tg，或者可以通过混合可聚合单体、低聚体和/或具有所需Tg的聚合物的混合物，可以改变可聚合成分。还可以通过改变曝光时间和进行聚合的温度而控制Tg。
整个可光聚合组合物中存在的可光聚合化合物的量足以通过暴露于足够的光化辐射而发生光聚合。组合物中可光聚合化合物的量可改变很大，可以使用制备可以用作光传输装置的光传输元件的光聚合物时所使用的可光聚合组合物中一般所用的量。通常所用的可光聚合化合物的量是组合物的大约35至大约99.9％重量。通常全部组合物中存在的可光聚合化合物的量按重量为大约80％到大约99.5％，更适宜为占全部组合物重量的大约95％到大约99％。
每种光敏组合物还包括至少一种自由基产生光引发剂，其光解生成自由基。通常光引发剂是由光化学光激活的自由基产生加聚引发剂，并且接近室温时(例如从大约20℃至大约80℃)为热惰性。可以使用任何已知可光聚合丙烯酸酯的光引发剂。光引发剂非排他性地包括本领域中已知的喹喔啉化合物；连位聚缩酮基化合物，α-羰基化合物；偶姻醚；三芳基咪唑基二聚物；α-烃取代的芳香偶姻；多核醌；和s-三嗪。
适当的光引发剂包括芳族酮如苯甲酮，丙烯酸酯化苯甲酮，2-乙基蒽醌，菲醌，2-叔-丁基蒽醌，1，2-苯并蒽醌，2，3-苯并蒽醌，2，3-二氯萘醌，苯甲基二甲基缩酮和其他芳族酮例如安息香、苯偶姻醚如苯偶姻甲醚、苯偶姻乙醚、苯偶姻异丁醚和苯偶姻苯基醚，甲基苯偶姻，乙基苯偶姻和其他苯偶姻。光引发剂包括可从德国Darmstadt的E.Merck购得的1-羟基环己基苯基酮(Irgacure184)，安息香，苯偶姻乙醚，苯偶姻异丙醚，苯甲酮，苯并二甲基缩酮(Irgacure 651)，2，2-二乙氧基苯乙酮，2-羟基-2-甲基-1-苯基丙-1-酮(Darocur1173)；从英国伦敦的Great Lake Fine Chemicals Limited购得的1-[4-(2-羟乙氧基)苯基]-2-羟基-2-甲基丙-1-酮(Darocur2959)，2-甲基-1-[(4-甲硫基)苯基]-2-吗啉代丙-1-酮(Irgacure907)，2-苯甲基-2-二甲基氨基-1-(4-吗啉代苯基)-丁-1-酮(Irgacure369)，聚{1-[4-(1-甲基乙烯基)苯基]-2-羟基-2-甲基-丙-1-酮}(Esacure KIP)，[4-(4-甲基苯基硫代)苯基]苯甲酮(QuantacureBMS)，以及二樟脑醌。最适宜的光引发剂在辐射时不倾向于变黄。这种光引发剂包括苯并二甲基缩酮(Irgacure651)，2-羟基-2-甲基-1-苯基丙-1-酮(Darocur1173)，1-羟基-环己基-苯基酮(Irgacure184)和1-[4-(2-羟乙氧基)苯基]-2-羟基-2-甲基-丙-1-酮(Darocur2959)。Fluorolink-T和C6DIACRYL可充分共混，因此可以使用常规光引发剂进行UV固化。对于更高氟化的多官能丙烯酸酯，诸如来自3M的材料L-12043和L-9367可以使用氟化的光引发剂。
各可光聚合组合物中所含的自由基产生光引发剂的量足以在暴露于足够光化学辐射时将可光聚合化合物光聚合。光引发剂存在的量通常为全部组合物重量的大约0.01％到大约10％，更常见为大约0.1％到大约6％，更适宜为组合物总重量的大约0.5％到大约4％。
取决于光敏组合物的目的和最终用途，还可以将其它添加剂加入光敏组合物中。这些添加剂的例子包括溶剂，抗氧化剂，光稳定剂，体积膨胀剂，填充剂如硅石，氧化钛，玻璃球等(特别是当在纳米尺度范围时，即粒子尺寸小于大约100nm)，染料，自由基清除剂，对比度增强剂，硝酮和UV吸收剂。抗氧化剂包括诸如苯酚的化合物，特别是包括来自纽约Tarrytown的Ciba-Geigy Corporation的Irganox1010的受阻酚；硫化物；有机硼化合物；有机磷化合物；可从Ciba-Geigy购得的商标名为Irganox1098的N，N’-六亚甲基双(3，5-二-叔丁基-4-羟基氢化肉桂酰胺)。光稳定剂，更具体而言受阻胺光稳定剂包括但不限于，可从特拉华Wilmington的Cytec Industries购得的商标名为“CyasorbUV-3346”的聚[(6-吗啉代-s-三嗪-2，4-二基)[(2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基)亚胺基]-六亚甲基[(2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基)亚氨基]。体积膨胀剂包括诸如称作Bailey单体的螺旋单体的材料。染料的例子包括亚甲绿，亚甲蓝等。适宜的自由基清除剂包括氧，受阻胺光稳定剂，受阻酚，2，2，6，6-四甲基-1-哌啶基氧基自由基(TEMPO)等。适宜的对比度增强剂包括其他自由基清除剂如硝酮。UV吸收剂包括苯并三唑，羟基苯甲酮等。这些添加剂可以包含的量，以组合物总重量计，为大约0％到大约6％，常常为大约0.1％到大约1％。全部组合物的所有成分彼此混合，最好是基本均匀混合。
一旦在缓冲层上形成芯光敏组合物薄膜或厚膜，则将光化辐射引导到膜上，以便勾画芯层的轮廓。即，芯的位置和尺寸由芯层表面上的光化辐射图案决定。必须选择辐射图案，以使可光聚合的组合物聚合成所需的图案，并且以便使其他薄膜区域保持未反应。本发明的光聚合物一般通过将可光聚合组合物暴露于所需波长和强度的光化学辐射所需时间而制备。此处所使用的“光化辐射”定义为在可见、紫外或红外光谱区域中的光，以及电子束，离子或中子数，或X-射线辐射。光化辐射可以为非相干光或相干光形式，例如激光器发出的光。取决于所需的光聚合度、光聚合物的折射率和本领域普通技术人员所知的其他因素，可以极大地改变光化学光源，以及曝光过程，时间，波长和强度。这种传统的光聚合过程和其操作参数是本领域众所周知的。
可以极大地改变光化辐射源和辐射波长，并且可以使用任何传统波长和辐射源。在一个实施方案中，可以用相对较短波长(或高能量)辐射执行光化学激励，从而通常在处理之前暴露于辐射(例如室内光)不会过早地将可聚合材料聚合。因此，适宜暴露于紫外光(300-400nm波长)。并且可使用深紫外光(190-300nm波长)曝光。适宜的源为安装有适当光学滤波器的高压汞氙弧光灯，光学滤波器用于选择进行处理的所需波长。而且，可用短波长相干辐射实现本发明。工作于UV模式下350nm附近数个波长处的氩离子激光器是符合需要的。并且，输出在257nm波长附近的倍频氩离子激光器更加符合需要。或者，可以利用高强度光化辐射源如激光器引发的多光子过程进行处理。还可以通过使用电子束固化，将上述没有光引发剂的氟化单体固化。可以使用电子束或离子束激励。曝光时间一般从几秒到大约10分钟。温度一般从大约10℃到大约60℃，不过室温最为适宜。另外，这些材料可以通过使用过氧化物或其他热引发剂而热固化。
可以通过传统方法对光化辐射的空间分布、即它入射在可光聚合材料层上的位置进行控制。例如，在一种传统方法中，将带有所需芯图案的掩模放置在光化辐射源与可光聚合组合物膜之间。该掩模具有透明和不透明区域，仅允许辐射入射在薄膜表面的所需区域上。本领域中众所周知薄膜的掩模曝光，可以包括用于将芯图案印到薄膜上的接触、接近和投影技术。另一种传统的空间控制方法使用包括定向或聚焦束如激光或电子束的光化辐射源。这种束仅与一小部分可光聚合材料膜表面相交。通过在空间中扫描光束，或者移动基片使相交点相对固定束移动，而围绕薄膜表面移动该小交点，从而获得所需的芯图案。这些使用束源的曝光类型在本领域中称作直接写入方法。波导芯的精确横截面形状以及芯侧面处形成的梯度折射率区域的宽度和程度，受到用于直接写入和掩模曝光制造方法的光源准直度的影响。根据所需的结果，可以大大改变准直度。通常适宜使用相对高度准直的源来限定波导芯结构。准直度在小于10度角度内是有益的。
在芯层的可光聚合组合物已经聚合形成预定的芯层图案之后，将该图案显影，以去除未成像区域，并留下预定的图案。可以使用任何传统的显影方法，例如用溶剂冲洗未照射的组合物。这种溶剂包括极性溶剂如醇类和酮类。可使用的溶剂为丙酮，甲醇，丙醇，四氢呋喃和乙酸乙酯，并且对于高氟化的单体使用氟代醚溶剂，如Ausimont出售的商标名为“Galden”的那些溶剂是适宜的。
底层不需要完全固化，仅需要部分聚合。部分聚合意味着在聚合作用之后存在某些丙烯酸酯基，即并非所有的丙烯酸酯都转化成饱和烃。这意味超过0％的丙烯酸酯基数量，通常超过大约10％，最适宜为超过大约25％的丙烯酸酯基保持未反应。未反应基团数量的上限取决于单体(一种或多种)的凝胶点，而凝胶点又取决于官能度(每个单体的丙烯酸酯基的数量)。如果官能度等于整数f，则未反应基团的上限足以导致凝胶化，并近似由关系式(1-1/f)*100％给出。作为说明，四丙烯酸酯单体的剩余未反应基团的数量小于75％，二丙烯酸酯单体的剩余未反应基团的数量小于50％。在涂覆下一相继层之前的层的部分聚合，使得层可在其界面处混合。这种混合提高层的粘性，并且在某些情况下可以用于控制界面处的折射率梯度。在本发明另一实施方案中，波导可以包括掺杂玻璃组合物如掺有锗的玻璃组合物。
然后波导芯被附加衍射光栅。激光辐射束通过相位掩模曝光波导芯。相位掩模在本领域中是众所周知的。激光器的类型是本领域中众所周知的，并且本领域技术人员很容易测定其强度。适当的激光器的例子包括工作于UV模式的氩离子激光器，倍频氩离子激光器和三倍频YAG激光器。图1表示带有多层波导4的基片2。将适宜的相位掩模6设置在波导4上面，并且沿波导4的纵轴。然后相对波导纵轴以角度α扫描的激光辐射8通过相位掩模6曝光波导4。在足以引发波导折射率改变，并在波导上附加与相位掩模图案相应的切趾布喇格光栅的条件下，与纵轴的角度α在大于0°且小于90°范围内。通常，角度α从大约1°到大约45°，更常见为从大约3°到大约15°。如图1中所示，激光束具有平滑变化的渐变强度分布(例如高斯强度分布)，其具有更强的中央区域10和逐渐减弱强度的区域12。可以在将光栅附加在芯上之前或之后进行将外包层组合物涂覆在波导上的步骤。通常，在施加光栅之前涂覆外包层，以便光栅附加在所有层即芯、外包层、底包层和缓冲层上。
用于附加光栅的剂量(每单位平方表面的总辐射能量)，以及将所有层完全固化的最终固化剂量一般为前述制造步骤中将每层部分固化所用剂量的大约10至大约500倍。更适宜的是，最终固化剂量大约为中间剂量的100倍。通过这种方式，在早期制造过程中各层在其界面处混合，以通过共价键保证层之间良好粘接。通过最终固化步骤将所需的结构固定在适当位置，从而该结构不会发生进一步演变。
除了使用现有光刻方法制造平面波导以外，还可以通过活性离子蚀刻，通过微观复制(microreplication)，通过直接激光写入，或者通过激光烧蚀而制造波导芯。
材料的灵活性使得可以制造具有所需机械强度的装置。即使该装置暴露于非常高或非常低温度下，也能避免发生破裂。材料的良好粘性使得可以在多种基片上制造坚固的装置，即使在某些恶劣环境如高温和高湿度下，也不会发生分层。该装置制造技术与半导体工业实践的兼容性，使得可以发展混合光电电路。
本发明的波导可以具有若干传统横截面形状中的任何一种，如圆形，多边形，正方形，矩形，梯形，和弧形如在顶部和侧面采用抛物线或高斯曲线、并且其与缓冲层接触的底面是平坦的。下面的非限定性实施例用于说明本发明。
实施例1将硅晶片清洁，然后经过硅烷处理以便形成与丙烯酸酯制剂的粘接。用包含75∶25重量百分比的全氟聚醚二丙烯酸酯(L-9367)/氟化四丙烯酸酯(F60TA)、混有光引发剂的缓冲材料层旋涂所述经过处理的晶片。然后该缓冲层通过整体暴露于光化辐射而部分固化。随后用包含具有8个氟原子的92∶8重量百分比的氟化四丙烯酸酯(F60TA)/氟烷基丙烯酸酯(2，2，3，3，4，4，5，5-八氟己烷-1，6-二基二丙烯酸酯)、混有光引发剂的芯材料层旋涂该缓冲层。选择该材料，使其具有比缓冲层更高的折射率。芯层的厚度取决于所需的波导高度，对于单模波导而言一般在5至9微米范围内。然后芯材料通过掩模暴露于UV光下。调节芯曝光剂量以获得所需的芯宽度和周围包层的所需粘接度。然后用溶剂显影掉未曝光材料。此后用包含氟化四丙烯酸酯、混有光引发剂的外包层材料层旋涂芯。然后使外包层暴露于UV光下，并部分固化。然后将相位掩模设置在波导上。之后具有近似高斯强度分布的激光束通过该相位掩模曝光该波导。波导和相位掩模保持固定，且光束以恒定速度通过相位掩模以相对波导纵轴10°的角度在波导上扫描。然后通过最终剂量固化所有层，该最终剂量穿透所有层，完成顶层以及底层的固化。从而在波导上附加切趾光栅。
实施例2包含25重量百分比(wt％)的氟化四丙烯酸酯F60TA、75wt％的氟化二丙烯酸酯L-9367的混合物混有2wt％的氟化光引发剂，形成均质溶液。然后该溶液旋涂在硅基片上，并在高压汞灯下以大约15mW/cm2的辐照度固化，形成10μm厚缓冲层。该缓充层的折射率为1.313。包含92wt％氟化四丙烯酸酯F60TA、7wt％氟化二丙烯酸酯“C6DIACRY”的芯混合物与1wt％的光引发剂Darocure1173混合，形成均质溶液。然后该芯溶液涂覆在缓冲层上。芯层通过光掩模暴露于汞-氙灯，并显影，形成折射率为1.336的6μm厚芯。
包含99wt％氟化四丙烯酸酯F60TA和1wt％光引发剂Darocure1173的外包层组合物混合形成均质溶液。然后该溶液旋涂在芯上，并在汞灯下固化，形成折射率为1.329的12μm厚外包层。所有折射率均为1550nm下的折射率。然后将相位掩模设置在波导上。此后具有近似高斯强度分布的激光束通过该相位掩模曝光波导。该波导和相位掩模沿波导纵轴平移，同时激光束保持固定。光束通过相位掩模相对波导纵轴以10°的角度通过波导。然后通过最终剂量将所有层固化，该最终剂量穿透所有层，完成顶层及底层的固化。从而在波导上附加切趾光栅。
虽然参照适当的实施方案具体说明和描述了本发明，不过本领域普通技术人员易于想到，在不偏离本发明精神和范围的条件下可以进行多种改变和变型。意在将权利要求解释为覆盖所披露的实施方案、上面讨论的替代方案以及所有等效方案。
权利要求
1.一种用于在光敏性平面线性波导中形成切趾布喇格光栅的方法，包括在基片表面上设置光敏性平面线性波导，该波导定义纵轴；将带有图案的相位掩模设置在该波导与激光束之间；该波导通过该相位掩模暴露于激光束，其中激光束以基本恒定的速度相对基片和相位掩模移动，或者基片和相位掩模以基本恒定的速度相对激光束移动，所述光束具有平滑改变的强度分布，并且在足以引起波导折射率改变，并在波导中附加与相位掩模图案相应的切趾布喇格光栅的条件下，以相对纵轴为大于0°且小于90°的角度进行所述曝光。
2.如权利要求1所述的方法，其中所述角度范围为大约1°到大约45°。
3.如权利要求1所述的方法，其中所述角度范围为大约3°到大约15°。
4.如权利要求1所述的方法，其中所述波导包含掺杂的玻璃组合物。
5.如权利要求1所述的方法，其中所述波导包含掺锗的玻璃组合物。
6.如权利要求1所述的方法，其中所述波导包含可光聚合的组合物。
7.如权利要求1所述的方法，其中激光束保持固定，基片和相位掩模相对激光束移动。
8.如权利要求1所述的方法，其中基片和相位掩模保持固定，激光束相对基片和相位掩模移动。
9.如权利要求1所述的方法，其中基片表面包含折射率小于波导折射率的底包层组合物。
10.如权利要求1所述的方法，其中所述波导包含处于芯上的外包层组合物，所述方法还包括在曝光之前或之后将外包层组合物涂覆在芯上的步骤，该外包层组合物的折射率小于芯的折射率。
11.如权利要求1所述的方法，其中激光束具有高斯强度分布。
12.一种形成具有切趾布喇格光栅的平面线性波导的方法，包括将底包层组合物涂覆至基片的表面；在底包层上形成光敏性平面线性波导，该波导定义纵轴；将带有图案的相位掩模设置在波导与激光束之间；激光束通过相位掩模曝光波导，其中激光束以基本恒定的速度相对基片和相位掩模移动，或者基片和相位掩模以基本恒定的速度相对激光束移动，所述光束具有平滑改变的强度分布，并且在足以引起波导折射率改变，并在波导中附加与相位掩模图案相应的切趾布喇格光栅的条件下，以相对纵轴为大于0°且小于90°的角度进行所述曝光；以及在曝光之前或之后将外包层组合物涂覆在波导上，其中外包层组合物和底包层组合物的折射率小于波导折射率。
13.如权利要求12所述的方法，其中所述角度范围为大约1°到大约45°。
14.如权利要求12所述的方法，其中所述角度范围为大约3°到大约15°。
15.如权利要求12所述的方法，其中所述波导包含掺杂的玻璃组合物。
16.如权利要求12所述的方法，其中所述波导包含掺锗的玻璃组合物。
17.如权利要求12所述的方法，其中所述波导包含可光聚合的组合物。
18.如权利要求12所述的方法，其中激光束保持固定，基片和相位掩模相对激光束移动。
19.如权利要求12所述的方法，其中基片和相位掩模保持固定，激光束相对基片和相位掩模移动。
20.如权利要求12所述的方法，其中激光束具有高斯强度分布。
全文摘要
本发明提供一种用于在光敏性平面线性波导中制造切趾布喇格光栅的方法。在基片(2)的表面上设置光敏性平面线性波导(4)。带有图案的相位掩模(6)设置在波导与激光束(8)之间。波导通过相位掩模曝光于激光束，其中激光束以基本恒定的速度相对基片和相位掩模移动，或者基片和相位掩模以基本恒定的速度相对激光束移动。光束具有平滑改变的强度分布，在足以引起波导折射率改变，并在波导中附加与相位掩模图案相应的切趾布喇格光栅的条件下，以相对纵轴大于0且小于90(度)的角度执行曝光。
文档编号G02B6/02GK1555503SQ02817961
公开日2004年12月15日 申请日期2002年8月29日 优先权日2001年9月14日
发明者L·埃尔达达, L 埃尔达达 申请人:纳幕尔杜邦公司