光波导结构中的均匀加热方法和装置的制作方法

专利名称：光波导结构中的均匀加热方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及集成光通信器件的新型设计，利用热光效应来调节、操作或改变向该处发射的光信号。
背景技术：
本领域中众所周知，材料的折射率随温度而改变。绝缘材料像玻璃或聚合物折射率的变化改变光在该材料中的速度。因此，通过透明介质传播的光波，当它通过该介质内温度高于或低于周围区间的区间时，将呈现相移或偏转。这种效应一般称为散热光效应，它在本领域中是众所周知的，并且在光通信领域中加以应用，其中包括对光信号进行控制。
在本领域中热光器件普遍地用于集成光空间开关、频率选择器件和相敏传感器。
Heimala等人在J.Lightwave Tech.142260-2267(1996)中，描述了于传感器内使用热光部件之环形谐振器的制造。揭示了一种热光结构，其中3微米厚SiO2里包壳层把525微米Si衬底用Si3N4光波导结构隔开，波导结构本身又由2微米厚的SiO2层同有A1电连接的多晶Si电阻器隔开。Heimala披露了Sugita等人的桥结构(见Trans.IEICE，E73，105-108(1990))，它们被研制来部分地将加热的波导结构同硅衬底隔离，以便降低加热的功率需求。
Kasahara等人在IEEE Photonics Tech.Lett.11(9)，1132-1134(1999)中提供一种方法，通过在所谓的加热器和Si衬底之间形成另外的40微米厚里包壳层，来减少热扩散进入集成热光开关的硅衬底。这里

图1给出该Kasahara结构，其中薄膜Cr加热元件配置在该波导结构离开衬底的相对的一端。
在本领域所有实施方案中都清楚地教导，首先在硅衬底上制造波导结构，以特别厚的“里包壳”层对加热波导提供相当热隔离，并且最后在该波导结构离开硅衬底的相对的一面上放置加热元件。所有这些实施方案在跨越加热波导，包括其芯子上，呈现出显著的温度梯度。伴随的折射率梯度对入射光信号可引起不希望有的双折射或偏振有关的损失。又一有害的影响是对频率选择器件之分辨的不合乎需要的限制。而在某些应用中，如光空间开关，相对小的温度梯度对性能的影响却可以忽略，本发明人已发现在频率选择应用中，尽可能使温度梯度最小是非常希望的。
发明概述本发明提供一热光器件，包括散热片、光波导和加热用具，该加热用具和散热片配置于光波导的同一侧。
本发明进一步提供一种方法，供从频域多路调制光信号频谱中可调谐地选择一频段，此方法包括使频域多路调制光信号对着包括散热片、有多个面之光波导和加热用具的热光器件，该加热用具和散热片均配置于光波导的同一侧，并且其中光波导包括一布拉格光栅；以及使热光器件加热至相应于选择该频域多路调制光信号频谱所希望频段的温度。
本发明还提供一种包括多个热光器件的集成光通信部件，热光器件中的至少一个包括散热片、有多个面的光波导和加热用具，并且该加热用具和散热片均配置在该光波导的同一侧。
附图间述图1给出本领域典型结构的示意图。
图2给出本发明的示意图。
图3图解说明制定本发明实施方案的步进方法。
图4描绘本发明热光器件之传热模拟研究的结果。
图5描绘本领域热光器件之传热模拟研究的结果。
发明详述在标准的应用中，热光器件设计要求在若干设计参数之间的折衷。这些包括快速加热和冷却需要的“开关时间”或“调谐时间”速度。加热速度本身，又由所用加热器的设计与功率以及待加热材料的热惯性和导热率确定。冷却时间则同材料的热惯性和导热率以及散热片的可利用有关。但是，使用尽可能小的功率，并制成尽可能小的加热器也是所希望的。最后，不同的应用在加热的波导中要求不同的温度均匀度容限。空间光开关贯穿波导芯子的热梯度容限已发现远大于频率选择部件如集合于波导的布拉格光栅。在后一情况下，任何程度的热非均匀度必定导致该器件之分辨的降低。因此，在频率选择集成光器件如布拉格光栅中，尤其重要的是达到热的均匀度。
这种改进于此处已被实现。在本领域内讲授于图1中图解说明的设计，由于加热器2在波导1的一侧，而散热片3温度较低配置在波导1离开加热器2的另一侧，当然必定在加热的有芯子6和包壳5的波导1中引入热梯度。上面列举的工艺通过在波导和散热片间提供某种程度的隔离而提供降低该热梯度的方法。但是这种隔离只能有有限的作用，因为需要散热片来获得必需的冷却速率。如果散热片被过分地同波导隔离，那么冷却便会以不希望有的低速率发生。
在本发明的热光器件中，如图2中图解所示，加热器12和散热片13位于光波导11的同一侧，此加热器置于散热片和波导之间。图2描述本发明的一个优选实施方案，进一步包括配置于加热器12和散热片13之间的隔热层14。结果本发明热光器件在加热循环过程中，便得出大为降低的跨越波导的热梯度，而在冷却循环过程中，散热片则促进冷却。在本发明中实现几毫秒的加热和冷却速率。
如果使用消耗功率大于所希望之加热器，那么通过使该加热器与散热片直接热接触，将把大部分所产生的热转移给散热片而不是波导。由于希望降低在热光器件上的热负载，并使其电功率需求减至最小，于一个优选实施方案中已发现，通过在加热用具和散热片之间置入隔热层，可在竞争设计参数中找到好的平衡。然而，强调此本发明优选实施方案中的隔热层并非该热光器件内的波导是重要的。本发明的基本特征是，把加热用具和散热片配置在作为本发明热光器件常用部件之光波导的同一侧。在一个优选实施方案中，使用约为1W/cm的电阻加热便在约120℃预定温度范围内达到高度的温度均匀度。
在本发明的实施中，只要能适合于具体的应用，散热片可为半导体或导体(如金属)。优选地散热片为硅。最优选地，使该硅的表面功能化以改善附着力。当像在本发明优选实施方案中那样使用隔热层时，硅散热片的表面最好加以硅烷化，最优选地用(3-丙烯酰基丙氧基)三氯氢硅。虽然散热片不必有任何特定尺寸，但它必须选择来提供预定程度的冷却。发现约500微米的厚度是合适的。
适用于本发明的光波导包括里包壳、芯子和外包壳，这里芯子有高于里包壳和外包壳的折射率。合适的波导材料包括聚合物和玻璃。合适的聚合物根据其特性加以选择。优选呈现折射率温度相依性dn/dT在-1×104/℃至-4×10-4/℃范围以及热导率在0.01至1W/m·K范围之聚合物。尤其优选光敏卤化丙烯酸酯。
其它如本领域中知道的波导材料，也可用于本发明热光器件。但是，因为其使用在热导率和折射率温度相依性之间要求较大折衷，所以它们不太优选。例如，玻璃呈现合适的低热导率，但dn/dT约1×10-5/℃。硅呈现约1.8×10-4/℃的dn/dT，但热导率却高，约为83.7W/m·K。因此，对于本发明的实施以聚合物波导为优选。
本发明还提供一种加热波导结构的用具。根据本发明，该加热用具像散热片一样配置在光波导的同一侧。任何适合的加热用具对于本发明的实施都是令人满意的。合适的用具包括但不限于电阻加热、射频电感、微波加热、经由传热流体加热。优选的加热方法是电阻加热。更优选地，此加热器包括一有层结构，当不使用隔热层时选自Cr/Ni/Au、Cr/Au和Ti/Au，而当使用隔热层时则选自Cr/Ni/Au/Ni/Cr、Cr/Au/Cr和Ti/Au/Ti。最优选地，该加热器在不用隔热层时包括-Cr/Ni/Au的有层结构，而在使用隔热层时则包括-Cr/Au/Cr的有层结构。
尽管在本发明的实施中无严格要求，但是在加热用具和散热片之间，加入一隔热层是非常可取的。该隔热材料的选择要求是，在加热循环过程中从加热用具的功率过分泄入散热片和冷却循环过程中不充分的冷却速率之间达到平衡。任何提供此预定平衡的隔热材料都适用于本发明的实施。已发现，使用1至10微米厚、呈现热导率在0.01至1W/m·K范围内，最好为0.1-0.5W/m·K的聚合物材料是合适的。
制造本发明热光器件的方法包括一系列敷涂材料层的步骤，以及一系列在敷涂层上产生图形的步骤，以便形成执行某种功能的部件。在本发明的标准实施中，平表面散热片材料有依次敷涂接着形成图形的层。材料层可借助本领域中所知的方法不同地加以敷涂。聚合物材料可方便地形成，用的方法包括但不限于旋涂、缝隙敷涂、刮刀敷涂、筑坝、模压和浇注。以旋涂为优选。厚度最好控制在±0.05微米。玻璃和半导体材料可用像在本领域中常用的那些方法形成，如化学蒸气淀积或火焰水解淀积。典型地，这样淀积之玻璃层的厚度可控制到±0.01微米。
使这样形成的层产生图形可用本领域中所知的任何适当方法，包括并不限于直接掩膜光刻、掩膜光刻/反应性离子刻蚀(RIE)、激光直接书写平版印刷、压纹、冲压、浇注、模压以及简单的切剪。以直接掩膜光刻和掩膜光刻/RIE为优选。
图3描绘制定本发明优选实施方案的一种方法。其它方法，像这里上文所列举的那些，也可加以使用。此外，相同的方法步骤可以不同的顺序进行。例如，不同的产生图形顺序，其中比如可先使加热器产生图形然后再使波导对准它。又，该器件可按所示的方法步骤制备，但是元件却可配置在不同的相对位置。例如，使该波导芯子不位于拱棱的中心，并可不尽相同地使加热器对准波导。
通常，最好通过0.1微米过滤器滤除所有的液体和溶液。
图3中所描绘之方法步骤广泛采用光刻法、光敏电阻聚合物、反应性离子刻蚀，为了制造本发明的热光器件，使用了全部本领域技术人员众所周知的方法。
按照图3中所示的程序，在第一步骤A中，以(3-丙烯酰基丙氧基)三氯硅烷处理厚度≥500微米的表面氧化硅层，然后旋涂以聚合物隔热层。该隔热层的厚度由旋转速度分布、旋转时间以及旋涂过程的温度控制。该聚合物隔热层最好为一种光敏电阻或其它光敏材料，能够在暴露于紫外光时硬化。
在接着的步骤B中，将电阻加热元件放置在硬化的隔热层上。在最优选的实施方案中，此加热元件为一包括Cr/Au/Cr的有层结构。
在接着的步骤C中，将光敏聚合物包壳旋涂到加热元件/隔热层上，并完全覆盖暴露部分，使一种聚合物芯子材料旋涂到这样的形成的该层上，光刻产生图形并显影，然后旋涂另一包壳材料并完全覆盖暴露部分。
在接着的步骤D中，将硬金属如Ni或Cr RIE掩膜材料溅射敷涂到该波层层上。
在接着的步骤E中，用光刻法使该RIE掩膜金属层产生图形，而在接着的步骤F中，使曝光的聚合物材料经受RIE，从而形成具有暴露在两侧之金属叠层的聚合物台面结构。
步骤G、H、I和J针对制备电连接(引线和焊接区)在该器件之一侧上的热光器件，而同时除去其另一侧上的多余加热器材料。在步骤G中淀积一聚合物掩膜以备湿刻蚀之用。在步骤H中使该聚合物掩膜产生图形并显影。在步骤I中除去多余的加热器材料，而在步骤J中则除去残留的湿刻蚀掩膜，以暴露供连接电源的加热器引线和焊接区。
在一优选实施方案中，一输出功率密度为1W/cm2的加热器，在不到50msec内提供120℃的温升，优选地为不到或等于10msec。冷却需时长于加热，而温度下降也在小于50msec内，优选地为小于或等于10msec。
本发明人所考虑的一个本发明实施方案是频率选择光通信部件，其包括热光器件，该热光器件包括散热片、包括布拉格光栅的光波导和加热用具，该加热用具和散热片配置在该光波导的同一侧。在一个尤其优选的实施方案中，将多个该频率选择部件配置在单个芯片上，以供集合到光通信模块内。在一个实施方案中，本发明各个频率选择部件的工作温度，将不同于该含有多个本发明频率选择部件芯片上的其它频率选择部件的。
使用集合入光波导的布拉格光栅自传播信号的较宽频谱选择单一窄的光频率，例如通过在仅对于很窄频带的反射波中产生相长干涉。使用此引起布拉格光栅折射率变化的热光效应，导致相长干涉发生之波长的移动。因此，该施加于布拉格光栅的热光效应，提供选择波长的可调谐度，一个频域多路调制光通信系统的重要特点。在本发明中，本发明热光器件可进一步包括光波导，整体地构成布拉格光栅，从而提供一种频率选择光部件。
当光波导内产生布拉格光栅时，便在该波导中引起折射率波动。该波动形成折射率镜，每个都有反射，以及所有的反射对于某些波长段相长地叠加(λ＝2nΛ，式中λ是被反射波段的中心波长，n是有效折射率，而Λ则为该光栅或折射率波动的周期)，致使该波段的光信号向后反射，而同时其它波长段却向前传播。通过利用热光效应，把热施加于含有布拉格光栅的波层，折射率n便改变，导致被反射波长段λ改变。本发明频率选择光部件对于该选择波长段呈现出可以是窄的并可有平顶的频谱形状。
在一个尤其优选的实施方案中，恰在波导结构析出之前敷涂一抗反射涂层。本发明人相信，此抗反射涂层将改善本发明频率选择器件的分辨。
本发明人还考虑一种方法，供从频域多路调制光信号频谱中可调谐地选择一个频段，该方法包括使频域多路调制光信号对准包括散热片、有多个面之光波导和加热用具的热光器件，该加热用具和散热片均配置在光波导的同一侧，并且其中光波导包括布拉格光栅；使此热光器件被加热至相应于从该频域多路调制光信号频谱中选择预定频段的温度。
该方法的优选实施方案即为这里所用之热光器件的优选实施方案。
本发明进一步以其下列的具体实施方案来说明实施例1在这一实施例中，使用下列的术语ARC是按重量计31.5％二-三羟甲基丙烷四丙烯酸酯、63％三丙二醇二丙烯酸酯、5％二(二乙胺)苯酮和0.5％Darocur 4265的混合物。
B3是按重量计94％乙氧基化全氟聚醚二丙烯酸酯(MW1100)、4％二-三羟甲基丙烷四丙烯酸酯和2％Darocur 1173的混合物。
BF3是按重量计98％乙氧基化全氟聚醚二丙烯酸酯(MW1100)和2％Darocur 1173的混合物。
C3是按重量计91％乙氧基化全氟聚醚二丙烯酸酯(MW1100)、6.5％二-三羟甲基丙烷四丙烯酸酯、2％Darocur 1173和0.5％Darocur 4265的混合物。
用KOH清洁6英寸氧化的硅晶圆片(衬底)，然后以(3-丙烯酰氧基丙基)三氯硅烷处理之。在该晶圆片上离心淀积上17μm厚B3单体，然后用紫外光使之聚合。在该敷涂有聚合物的晶圆片上，接连溅射淀积上厚度分别为10/200/10毫微米的Cr、Au和Cr层，以形成一加热器叠层。作为附着层，将20毫微米厚SiO2淀积在底加热器叠层上。在该二氧化硅层上，则淀积6μm厚ARC抗反射涂层。使用负光度光敏单体按下列方法在该ARC上形成聚合物波导离心淀积10μm厚BF3里包壳层并用紫外光使覆盖层硬化，淀积C3芯子层并通过暗场光掩膜照射紫外光使7-μm×7-μm截面直线波导内产生图形，然后以有机溶剂冲洗未曝光区，以及离心淀积10-μM厚B3外包壳层，和用紫外光使覆盖层硬化来形成一热光器件。
实施例2通过相掩膜UV曝光，便在实施例1热光器件之波导中形成布拉格光栅。溅射淀积100毫微米Ni层，并作为RIE掩膜光刻地产生图形。使用RIE使该波导产生图形，以形成环绕它们的台面结构，露出它们间的加热器Cr/Au/Cr叠层。将台面之间的镍RIE掩膜和Cr完全刻蚀，留下该台面间的Cr/Au层。利用此台面作为电镀掩膜以Au电镀晶圆片。溅射淀积第二个100nmNi层并作为RIE掩膜光刻地产生图形。从横向的两面对台面进一步刻蚀，露出衬里的Cr/Au/Cr。将此台面间的镍RIE掩膜和Cr以及电镀渣完全刻蚀，留下台面间的Cr/Au层，使它光刻产生图形以隔离所得到的波长选择光部件。
实施例3和比较实施例A通过图2所述本发明热光器件和作为比较的图1所述本领域热光器件，对模型传热和温度分布进行计算机模拟。使用可以BBV获得的商用传热软件包TempSelene。下列可调参数确定如下参数衬底硅隔热层10μm里包壳厚度10μm芯子厚度及宽度7μm外包壳厚度10μm台面及底加热器宽度27μm底加热器长度1cm隔热层、里包壳、芯子和外包壳的热导率0.1W/m·K此结果分别描绘于图4和5。
权利要求
1.一种热光器件，包括散热片、有多个面的光波导和加热用具，该加热用具和散热片配置在该光波导的同一侧。
2.权利要求1的热光器件，其中该光波导为聚合物的。
3.权利要求1的热光器件，其中该加热用具为电阻加热的。
4.权利要求1或2的热光器件，进一步包括配置在散热片和加热用具之间的隔热层。
5.权利要求4的热光器件，其中该隔热层是聚合物的。
6.权利要求1的热光器件，进一步包括抗反射涂层，其贴近该光波导配置，并如散热片和加热用具一样在该光波导的同一侧。
7.权利要求1、权利要求2或权利要求6的热光器件，其中光波导包括布拉格光栅。
8.一种从频域多路调制光信号频谱中，可调谐选择一频段的方法，该方法包括使频域多路调制光信号对准包括散热片、有多个面的光波导和加热用具之热光器件，该加热用具和散热片均配置在该光波导的同一侧，并且其中该光波导包括布拉格光栅；以及使该热光器件加热至相应于从该频域多路调制光信号频谱中选择预定频段的温度。
9.权利要求8的方法，其中该光波导是聚合物的。
10.权利要求8的方法，其中该加热用具是电阻加热的。
11.权利要求8或权利要求9的方法，其中该热光器件进一步包括配置在散热片和加热用具之间的隔热层。
12.权利要求11的方法，其中该隔热层是聚合物的。
13.权利要求8的方法，其中该热光器件进一步包括抗反射涂层，其贴近该光波导配置，并如加热用具和散热片一样在该光波导的同一侧。
14.一种包括多个热光器件的集成光通信部件，该热光器件中的至少一个包括散热片、有多个面的光波导和加热用具，该加热用具和散热片均配置在该光波导的同一侧。
15.权利要求14的集成光部件，其中该光波导是聚合物的。
16.权利要求14的集成光部件，其中该加热用具是电阻加热的。
17.权利要求14或权利要求15的集成光部件，其中至少一个该热光器件进一步包括配置在散热片和加热用具之间的隔热层。
18.权利要求14的集成光部件，其中该隔热层是聚合的。
19.权利要求14的集成光部件，其中该至少一个热光器件进一步包括抗反射涂层，其贴近该光波导配置，并如加热用具和散热片一样在该光波导的同一侧。
20.权利要求14的集成光部件，其中该光波导包括布拉格光栅。
全文摘要
本发明涉及集成波导器件。该器件包括芯子(6)、包层(5)以及此芯子/或包层内的布拉格光栅。波导(1)位于用作散热片(13)和对该波导器件电阻加热之电极(12)的衬底上。
文档编号G02B6/122GK1666136SQ03808008
公开日2005年9月7日 申请日期2003年4月9日 优先权日2002年4月9日
发明者L·埃达达, A·D·赫尼, D·潘特, J·范努宁, C·C·徐 申请人:纳幕尔杜邦公司