专利名称：电光聚合物波导器件及其制造方法
背景技术：
本申请中引用的所有专利、专利申请和公开出版物在此引为参考，其引为参考程度相当于各专利、专利申请或公开出版物专门单独地引为参考。
本发明总的涉及电光聚合物波导器件领域。大量文献记载了电光聚合物波导器件的技术和有机二阶(second order)非线性光学聚合物在这些器件中的使用。典型的电光聚合物波导如
图1的截面图所示，由以下各部分组成1)电光聚合物芯(5)；2)覆盖在电光聚合物芯(5)上面的第一聚合物包层(10)；3)位于电光聚合物芯(5)下方的第二聚合物包层(15)；4)位于第一聚合物包层(10)上方的顶部电极(20)；5)位于第二聚合物包层(15)下方的底部电极(25)；和6)基材(30)。
在典型的电光聚合物波导中，芯、第一包层和第二包层的总厚度约为6-10μm。一般来说，聚合物包层折射率的选择应使绝大部分光场限制在电光聚合物芯内，并避免光场与金属电极接触。波导中的最终模式是椭圆的，其程度是当波导与光纤对接耦合(butt-coupled)时会产生高得无法接受的插入损失(insertion)。可通过使用渐变器(tapers)将纤维模式的尺寸调节至波导模式的尺寸来降低插入损失。然而，这些渐变器可能难以制造。
使波导模式的椭圆度较小也可以降低插入损失。椭圆度较小的波导模式可通过降低包层和电光芯之间的折射率差来实现。然而，这种方法会导致光场与两个电极之一或两者接触，这会使得光学损失增加乃至彻底损失模式限制。上述问题可以通过在第一和第二包层与金属电极之间添加较低折射率的包层作为阻隔层而得以克服。
美国专利5,861,976揭示了一种热光波导，该波导具有四层包层，以减少插入损失，同时将模式限制成远离硅基材和金属电热丝。第一层和第二层“芯层匹配”包层的折射率比芯层低0.0055，第三层和第四层包层的折射率比第一层和第二层包层低0.0215。器件的总厚度约为20μm。器件的插入损失据称为2dB/cm。虽然热光器件显示了良好(即低)的插入损失，但是这种器件结构应用在电光波导上由于电极比在典型的电光波导器件中离电光芯更远因而会使得能量性能变差；由于与典型的电光器件结构相比这种热光器件在芯中传播的光线的百分数更低，因而问题会变得复杂。
极化(poling)过程中电光器件包层中合适的导电性也是有利的。本领域中已知，一些聚合物的绝缘性能使其不宜用作电光聚合物调制器中的无源包层，因为在电光聚合物极化过程中包层具有一些导电性是必需的。例如参见Grote等，Opt.Eng.，2001，40(11)，2464-2473。
发明概述电光波导器件包括具有一定折射率的电光聚合物芯和邻近该电光聚合物芯的电光第一聚合物包层，所述包层的折射率低于所述芯的折射率。波导还可包括以下部件之一或多种(a)邻近所述电光聚合物芯的第二聚合物包层，所述第二聚合物包层的折射率低于所述芯的折射率；(b)邻近所述电光第一聚合物包层的第一聚合物缓冲包层，所述第一聚合物缓冲包层的折射率低于所述电光第一聚合物包层的折射率；(c)邻近所述第二聚合物包层的第二聚合物缓冲包层，所述第二聚合物缓冲包层的折射率低于所述第二聚合物包层的折射率。
电光第一聚合物包层由于一些传播模式位于第一聚合物包层内因而提高了器件的能量效率(power efficiency)。此外，该结构也减少了光学插入损失，原因是传播模式的椭圆度较小并且由于缓冲包层的存在而不与金属电极接触。
在第二个实施方案中，电光波导器件包括(a)第一聚合物缓冲包层，其折射率约为1.445-1.505，其厚度约为2.2-3.2μm；(b)第一聚合物包层，其折射率约为1.53-1.61，其厚度约为1.0-3.0μm；(c)电光聚合物芯，其折射率约为1.54-1.62，其厚度约为1.0-3.0μm；(d)第二聚合物缓冲包层，其折射率约为1.445-1.505，其厚度约为2.2-3.2μm。第二聚合物缓冲包层可以沉积在基材(如硅晶片)上。电光芯的较高折射率约为1.54-1.62，通过降低器件的半波电压(Vπ)来提高器件的能量效率。
波导器件还可包括第二聚合物包层，其折射率约为1.53-1.61，其厚度约为1.0-3.0μm。包层和芯中的一层或多层可以是交联聚合物，例如交联的丙烯酸酯聚合物。
在第三个实施方案中，电光波导器件包括具有一定折射率的电光聚合物芯和包含有机改性溶胶-凝胶的聚合物缓冲包层。在极化所需的高温下，有机改性的溶胶-凝胶(如有机改性的二氧化钛-硅氧烷溶胶-凝胶)具有合适的导电值(在1010至1011欧姆-厘米-1的数量级)。
在所揭示的波导的各实施方案中，各层可以直接沉积在前一层上，以使得各层直接接触。或者，可以用薄(例如小于约0.1μm)的粘合促进剂、表面促进剂、底涂层等将各对层隔开。用这种方法沉积的层被称作互相“邻近”。本文所用的“缓冲包层”是指从波导芯起算的最外面一层，该层的折射率足够低以保持光模式不与电极接触，这种接触可能导致光学损失(例如与金电极的接触)。
最后，描述了一种制造聚合物波导器件的方法。
从以下较佳实施方案的描述和权利要求书可见本发明的其他特点和优点。
附图的简要说明图1示出了典型的现有技术的电光聚合物波导器件。
图2是电光聚合物波导器件的一个实施方案的截面图。
图3是聚合物叠堆中各种电光芯构造的截面图。
图4是电光聚合物波导器件的另一个实施方案的截面图。
图5是用作缓冲包层的有机改性的溶胶-凝胶的电阻-温度曲线图。
图6是电光波导器件的各实施方案的截面图。
详细说明电光波导器件包括电光聚合物芯。电光聚合物通常包括二阶非线性光学生色团(second order nonlinear optical chromophore)和聚合物基质。在一些实施方案中，生色团可以共价连接在聚合物主链上。电光芯可以用本领域技术人员已知的任一种技术进行极化，包括电晕极化(corona poling)、电极极化(electrodepoling)或者推挽式极化(push-pull poling)。电光芯可通过反应性离子蚀刻、激光烧蚀、漂白、正性色调光刻(positive tone photolithography)、负性色调光刻(negative tone photolithography)或压花等方法成型。参见图3，电光芯可以成形为“脊(rib)”(图3a)，“类似脊(quasi-rib)”(图3b)、“类似沟(quasi-trench)”(图3c)或“埋入式沟(buried-trench)”(图3d)。优选是电光器件是Mach Zehnder调制器，定向耦合器或者微环形谐振器。
在第一个实施方案中，电光波导器件包括电光聚合物芯和邻近所述电光聚合物芯的电光第一聚合物包层，所述电光第一聚合物包层的折射率低于所述电光聚合物芯的折射率。电光第一聚合物包层由于一些传播模式位于第一聚合物包层内因而提高了该器件的能量效率。电光芯聚合物层和电光包层聚合物层可以通过本领域已知的方法形成，例如旋涂、浸涂、刷涂和印刷。
在另一个实施方案中，参见图2，电光波导器件包括(1)电光聚合物芯(35)；(2)邻近所述电光聚合物芯的第一聚合物包层(40)，所述第一聚合物包层的折射率低于所述电光聚合物芯的折射率；(3)邻近所述电光聚合物芯的第二聚合物包层(45)，所述第二聚合物包层的折射率低于所述电光聚合物芯的折射率；(4)邻近所述第一聚合物包层的第一聚合物缓冲包层(50)，所述第一聚合物缓冲包层的折射率低于所述第一聚合物包层的折射率；(5)邻近所述第二聚合物包层的第二聚合物缓冲包层(55)，所述第二聚合物缓冲包层的折射率低于所述第二聚合物包层的折射率。电光聚合物芯、第一聚合物包层、第二聚合物包层、第一聚合物缓冲包层和第二聚合物缓冲包层各自可以用本领域技术人员已知的方法单独形成，例如旋涂、浸涂、刷涂和印刷。
选择各聚合物层的折射率和厚度以使所得波导具有单模性能。将在所得波导中提供单模性能的各层折射率、各包层厚度以及芯层尺寸可以用本领域技术人员已知的技术和计算机程序(如Rsoft的BeamProp Version 5.0软件)进行计算。各层的厚度和折射率的优选范围总结于表1。优选是，参见图2，电光芯(35)成形为脊，厚度约为2.4-3.8μm，折射率约为1.54-1.62，第一聚合物包层(40)在电光芯表面(60)和第一聚合物包层表面(65)之间的厚度约为1.0-3.0μm，折射率约为1.53-1.61，第二聚合物包层(45)的厚度为0至约3.0μm，折射率约为1.53-1.61，第一聚合物缓冲包层(50)的厚度约为2.2-3.2μm，折射率约为1.445-1.505，第二聚合物缓冲包层的厚度约为2.2-3.2μm，折射率约为1.445-1.505。各层的折射率、层厚度和芯尺寸的优选范围示于下表1。在包括第二聚合物包层的实施方案中，最优选是该包层的最小厚度约为1μm。
表1
在另一个实施方案中，参见图4，电光波导器件包括1)电光聚合物芯(35)；2)邻近所述电光聚合物芯的第一聚合物包层(40)，所述第一聚合物包层的折射率低于所述电光聚合物芯的折射率；3)邻近所述第一聚合物包层的第一聚合物缓冲包层(50)，所述第一聚合物缓冲包层的折射率低于所述第一聚合物包层的折射率；4)邻近所述电光聚合物芯的第二聚合物缓冲包层(55)，所述第二聚合物缓冲包层的折射率低于所述电光聚合物芯的折射率。电光聚合物芯、第一聚合物包层、第一聚合物缓冲包层和第二聚合物缓冲包层可以各自单独地用本领域技术人员已知的方法形成，例如旋涂、浸涂、刷涂和印刷。
在这些实施方案中，包层中的一层或多层可包括电光聚合物。在一个优选实施方案中，第一聚合物包层是电光聚合物。此外，第二聚合物包层也可以是电光聚合物。
优选是，器件中的一层或多层包括交联聚合物，例如辐射固化的交联丙烯酸酯聚合物。在一个优选的实施方案中，电光聚合物芯是交联的，第一聚合物包层是交联的电光聚合物，第二聚合物包层是有机改性的溶胶-凝胶(ORMOSIL)，第一聚合物缓冲包层是辐射固化的丙烯酸酯，第二聚合物缓冲包层是有机改性的溶胶-凝胶。可交联的电光聚合物、溶胶-凝胶、ORMOSIL以及辐射固化的丙烯酸酯类物质均是本领域技术人员已知的。例如参见美国专利6,419,989；6,335,149；6,323,361；6,306,563；6,303,730；6,294,573；6,126,867；6,022,828；5,811,507；5,783,319；5,776,374；5,635,576；5,714,304；5,480,687；5,433,895；5,223,356和5,120,339；Chem.Mater.2000.12，1187；J.Am.Chem.Soc.2001，123，986；Macromolecules 1992，25，4032和Chem.Mater.1998，10，146。优选是，第二聚合物包层可包含有机改性的二氧化钛-硅氧烷溶胶-凝胶。
ORMOSIL特别适用作缓冲包层，可以有或者没有附加的聚合物包层，因为在极化所需的高温，它们具有合适的导电率(1010至1011欧姆-厘米-1)，且如图5所示导电率的转变发生在100℃附近。此外，这些材料由于其组成的灵活性因而使得其折射率可以调节。例如，在ORMOSIL或有机改性的二氧化钛-硅氧烷溶胶-凝胶的硅原子上将脂族基团(如甲基)替换为更加可极化的基团(如苯基)将提高折射率。增加二氧化钛的百分数同样也能提高折射率。
因此，一个实施方案是这样一种电光波导器件，它包括电光聚合物芯和聚合物缓冲包层，所述聚合物缓冲包层包含有机改性的溶胶-凝胶，该缓冲包层的折射率低于电光聚合物芯的折射率。
优选是，参见图6，电光波导器件包括第一聚合物缓冲包层(75)、电光芯(70)和第二聚合物缓冲包层(80)，其中一层聚合物缓冲包层包含有机改性的溶胶-凝胶，每层缓冲包层折射率均低于电光聚合物芯的折射率。用于另一层聚合物缓冲包层的合适材料包括交联的丙烯酸酯聚合物，例如Oh等在Appl.Phys.Lett.2000，76(24)，3525-3527中记述的类型。该器件还可包括在芯(70)和第一缓冲包层(75)之间的第一聚合物包层(85)。第一聚合物包层(85)的折射率低于芯(70)的折射率，但高于第一缓冲包层(75)的折射率。优选是，第一聚合物包层包含交联的丙烯酸酯聚合物。电光波器件还可包含在电光聚合物芯和所述第二聚合物包层之间的第二聚合物包层，该第二聚合物包层的折射率低于电光聚合物芯的折射率，并且高于所述第二聚合物缓冲包层的折射率。
优选是，在所有的实施方案中，电光聚合物芯(70)包含交联的聚合物。优选是，电光波导器件还包括基材，在所述基材上沉积了含有机改性溶胶-凝胶的聚合物缓冲包层。在一些实施方案中，该基材是硅。
本申请所述的光波导器件可用于光通信系统。使用了这些调制器的光通信系统将得到改进，原因是具有电光聚合物包层和电光聚合物芯的波导器件的能量效率提高了。因此，本发明的其它实施方案包括诸如光束控制系统、相控阵雷达、光路由器(optical router)、光发射机应答器(optical transponder)、光学卫星等通信系统。
另一个实施方案是一种聚合物波导的制造方法，该方法包括(a)形成邻近基材的第一聚合物膜，所述第一聚合物膜包含非线性光学生色团；(b)极化和交联所述第一聚合物膜以提供一层交联的第一电光聚合物膜；(c)形成邻近所述第一电光聚合物膜的含非线性光学生色团的第二聚合物膜；和(d)极化所述第二聚合物膜形成第二电光聚合物膜。优选是，所述基材可包括聚合物、有机改性的溶胶-凝胶或者电光聚合物。优选是，所述第二电光聚合物膜是交联的。所述第二电光聚合物膜的折射率宜低于所述第一电光聚合物膜的折射率。当所述第二电光聚合物膜的折射率低于所述第一电光聚合物膜的折射率时，优选是对所述第一电光聚合物膜进行干法蚀刻以形成脊或类似脊，然后再形成邻近第一电光聚合物膜的含非线性光学生色团的第二聚合物膜。干法蚀刻步骤可包括使用金属硬质掩模(metal hardmask)，所述金属硬质掩模优选包含钛或铂。在许多实施方案中，脊或类似脊是Mach-Zehnder调制器，定向耦合器或者微环形谐振器。当第二电光聚合物膜的折射率低于第一电光聚合物膜的折射率时，所述第一电光聚合物膜可以成形为脊、类似脊、类似沟或沟，采用的方法包括激光烧蚀、漂白、正性色调光刻、负性色调光刻或压花。在另一个实施方案中，所述基材包含交联的电光聚合物。形成聚合物波导的方法还可包括(e)形成邻近所述第二电光聚合物膜的一层聚合物缓冲包层。当形成聚合物波导的方法还包括形成邻近第二电光聚合物膜的一层聚合物缓冲包层时，优选是第一电光聚合物膜的厚度约为2.4-3.8μm，折射率约为1.54-1.62；所述第二电光第一聚合物膜的厚度约为1.0-3.0μm，折射率约为1.53-1.61；所述聚合物缓冲包层的厚度约为2.2-2.8μm，折射率约为1.445-1.505。优选是，聚合物缓冲包层是交联的。第一电光聚合物膜还可以成形为沟或类似沟。当第一电光聚合物膜成形为沟或类似沟时，基材优选包括交联的电光聚合物。所述第一聚合物膜的交联宜发生在约160℃以上。在第一聚合物膜是交联的情况下，优选是该膜可以在极化过程中交联或者在极化之前交联。含非线性光学生色团的第一聚合物膜或者含非线性光学生色团的第二聚合物膜可以用包括旋涂、浸涂或刷涂等方法来形成。
在另一个实施方案中，第一电光聚合物的折射率低于第二电光聚合物的折射率。当第一电光聚合物的折射率低于第二电光聚合物的折射率时，该制造方法优选还可包含(e)干法蚀刻第二电光聚合物形成脊或类似脊，以及(f)形成邻近第二电光聚合物膜的聚合物缓冲包层。该聚合物缓冲包层优选是交联的。另一个实施方案中，当第一电光聚合物的折射率低于第二电光聚合物的折射率时，第二电光聚合物膜可形成类似沟或沟。当第二电光聚合物膜形成类似沟或沟时，该制造方法优选还包括(e)形成邻近第二电光聚合物膜的第一聚合物缓冲包层。该聚合物缓冲包层优选是交联的。当第一电光聚合物的折射率低于第二电光聚合物的折射率时，第二电光聚合物膜可以形成脊、类似脊、类似沟或沟，采用的方法包括激光烧蚀、漂白、正性色调光刻、负性色调光刻或压花。
实施例以下实施例供说明之用，并不限制权利要求。
实施例中所用材料的制备方法如下详述。
电光聚合物电光芯和电光包层中所用的电光生色团如下制备用所需当量的4-(三氟乙烯氧基)-苯甲酰氯(苯甲酰氯描述于美国专利5,198,513中)和受阻胺碱或吡啶对含游离醇基的生色团进行酯化。
用作电光生色团基质的聚合物如下制备将1-锂-4-三氟乙烯氧基苯与五氟苯乙烯在-78℃反应1小时，然后加热至室温。所得的2，3，5，6-氟-4′-三氟乙烯氧基-4-乙烯基联苯用柱色谱法纯化，并在N2气氛中在THF中用AIBN引发进行聚合。聚合物通过从THF/己烷中沉淀得以纯化。
有机改性的溶胶-凝胶聚合物聚合物(1)有机改性的二氧化钛-硅氧烷溶胶-凝胶，其制备方法如下1)将127.2克丁氧化钛(Aldrich生产，经两次蒸馏)滴入592克无水乙醇和24.0克浓DCI(～37wt％)的溶液中；2)滴加94.3克D2O；3)滴加99.2克环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷(glycidoxypropyltrimethoxysilane)；4)于～80℃加热12个小时；5)滴加372.0克苯基三乙氧基硅烷(Aldrich生产，经蒸馏)，同时于～80℃保持4小时；6)向溶液中滴加经蒸馏的473克环己酮并搅拌至得到均相溶液。通过旋转蒸发除去反应产生的低沸点挥发物。最后，向上述溶液中加入1.60克聚[二甲基硅氧烷-共聚-甲基(3-羟基丙基)硅氧烷]-接枝-聚(亚乙基/-亚丙基二醇(ethylene/-propylene glycol))(Aldrich生产，以获得的状态加以使用)，搅拌得到均相溶液。
聚合物(2)有机改性的溶胶-凝胶，如下制备1)向烧瓶中加入156.0克原硅酸四乙酯(Aldrich生产，经两次蒸馏)、531.0克环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷(Aldrich生产，经两次蒸馏)、321.0克环己酮(Aldrich生产，经蒸馏)；2)滴加187.5克D2O和7.50克2M DCl的溶液；和3)于80-100℃加热5小时。
聚合物(3)有机改性的溶胶-凝胶，如下制备1)向烧瓶中加入17.83克甲基三乙氧基硅烷(Aldrich生产，经两次蒸馏)、70.80克环氧丙氧丙基三甲氧基硅烷(Aldrich生产，经两次蒸馏)、64.2克环己酮(Aldrich生产，经蒸馏)；2)滴加21.78克D2O和2.050克2M DCl的溶液；和3)在80-100℃加热5小时。
可交联的丙烯酸酯聚合物聚合物(4)可交联的丙烯酸酯聚合物，如下制备1)搅拌20.0克四丙烯酸季戊四醇酯(Aldrich生产，以获得的形式使用)和20.0克三(乙二醇)二甲基丙烯酸酯(Aldrich，以获得的形式使用)；2)加入1.2克2-甲基-4′-(甲硫基)-2-吗啉代苯基·乙基(甲)酮，搅拌直至溶解；3)冷藏(refrigerate)所得溶液。
聚合物(5)另一种可交联的丙烯酸酯聚合物，如下制备1)向装有机械搅拌的2升烧瓶中加入400.0克双酚A丙三醇酯二丙烯酸酯(bisphenol Aglycerolate diacrylate)(Aldrich，以获得的形式使用)、70.4克三(乙二醇)二甲基丙烯酸酯(Aldrich，以获得的形式使用)和552克2-乙氧基乙醇(Aldrich，经蒸馏的)，搅拌过夜或12个小时以获得均相溶液；2)向溶液中加入4.704克2-甲基-4′-(甲硫基)-2-吗啉代苯基·乙基(甲)酮，搅拌至完全溶解。
实施例1本实施例的器件用金覆盖的SiO26英寸晶片作为基材来制造。所报道的折射率于1550nm处测得。
用于第二聚合物缓冲包层和金的粘合促进剂如下制备1)在回流下加热100.0克异丙醇(Aldrich生产)、2.0克H2O、5.0克巯基丙基三乙氧基硅烷(Sigma生产，经蒸馏)和5.0克巯基丙基甲基二甲氧基硅烷以及2滴37％HCl 2小时；2)使溶液冷却至室温；3)向上述溶液加入504克异丙醇并搅拌。通过下述方法将粘合促进剂施用到金表面上以500rpm旋转淀积1％溶液2秒，再以4500rpm选择沉积30秒。
第二聚合物缓冲包层(聚合物(2))以在环戊酮中36.1重量％的溶液形式以300rpm旋转淀积12秒，以1050rpm旋转淀积20秒。晶片层如下进行固化在50托(Torr)的真空下于100℃加热60分钟(加热速率为0.5℃/分钟)，150℃60分钟(加热速率为3℃/分钟)，200℃30分钟(加热速率为5℃/分钟)，将晶片冷却至环境温度，冷却速率为0.5℃/分钟。晶片层的厚度为2.9μm，折射率为1.475。
在第二聚合物缓冲包层上如下旋转沉积第二聚合物包层(聚合物(1))以在环己酮中的38重量％溶液于500rpm旋转沉积5秒，于2900rpm旋转沉积30秒。该包层如下进行固化在50托的真空下于100℃加热60分钟(加热速率为0.5℃/分钟)，150℃60分钟(加热速率为3℃/分钟)，190℃90分钟(加热速率为5℃/分钟)，然后将晶片冷却至环境温度，冷却速率为0.5℃/分钟。该层的厚度为1.9μm，折射率为1.545。
如下将粘合促进剂层施涂到第二聚合物包层上将(N-(2-氨基乙基)-3-氨基丙基甲基-二甲氧基硅烷)在异丙醇中的1重量％溶液于500rpm旋转淀积5秒，于3000rpm旋转淀积30秒。然后，在100℃的热板上加热该晶片5分钟。
在第二聚合物包层上如下旋转淀积用作电光芯的聚合物将聚合物基质中电光生色团(该生色团相对于可交联聚合物的浓度为25重量％)在环戊酮中的30％(固体总重量)的溶液以300rpm旋转淀积2秒，接着以500rpm旋转淀积5秒，然后以1000rpm旋转淀积20秒。对该膜如下进行预固化在热板上于80℃加热10分钟，在1毫托下于70℃加热480分钟。对该膜进行如下电晕极化和交联向该晶片施加4.5kV的电压并用10分钟加热至180℃，于4.5kV和180℃保持10分钟，将电晕电压增加至7.5kV并在180℃保持10分钟，然后用25分钟冷却至环境温度。于180℃加热是产生所需量交联所必需的。该层的厚度为3.0μm，折射率为1.565。
使用如共同转让的美国申请10/264,461中所述的硬质掩模和干法蚀刻将电光聚合物芯成形为脊。电光聚合物芯成形为Mach-Zehnder调制器。
在电光芯和第二聚合物包层上如下旋转沉积用于电光第一聚合物包层的聚合物将聚合物基质中电光生色团(生色团相对于可交联聚合物的浓度为21重量％)在环戊酮中的23％(固体总重量)溶液于300rpm旋转淀积2秒，接着于500rpm旋转淀积5秒，然后以1400rpm旋转淀积20秒。该膜如下进行预固化在热板上于50℃加热10分钟，然后在25托下于50℃加热8小时。该膜如下进行电晕极化和交联向晶片施加7.5kV的电压同时于180℃加热20分钟。该层的厚度为1.2μm，折射率为1.55。
在电光第一聚合物包层上将第一聚合物缓冲包层(聚合物(4))以液体形式进行旋转淀积于500rpm 5秒，于1800rpm 40秒。然后，将晶片暴露于UV辐照直至该膜硬化。该层的厚度为3.1μm，折射率为1.495。
用氧/氖等离子体处理第一聚合物缓冲包层的表面7分钟，以促进其与金层的粘合。通过光刻和湿法蚀刻在Mach-Zehnder调制器的一个臂上淀积金层并形成金电极。将该晶片切成数个单独的Mach-Zehnder电光器件。
实施例2本实施例的器件使用金覆盖的SiO26英寸晶片作为基材进行制造。第二聚合物缓冲包层、第二聚合物包层和电光聚合物芯与实施例1中所述的各部件相同。所报道的折射率是于1550nm处测得的。
使用如共同转让的美国申请10/264,461中所述的硬质掩模和干法蚀刻将电光聚合物芯成形为脊。电光聚合物芯成形为Mach-Zehnder调制器。
在DRIE中于230毫托的工作压力下用氧等离子体处理叠堆表面1分钟，以促进与随后淀积的第一聚合物缓冲包层的粘合。
第一聚合物包层(聚合物(5))的24重量％溶液以300rpm旋转淀积30秒，以1000rpm旋转淀积20秒。该膜在1毫托下于50℃干燥1小时，然后暴露于紫外线辐照下直至该膜硬化。该层的厚度为2μm，折射率为1.543。
在DRIE中于20毫托的工作压力下用氧/氖等离子体处理第一聚合物包层的表面5分钟，以促进与第一聚合物缓冲包层的粘合。第一聚合物缓冲包层和顶部电极与实施例1中各部件相同，使用实施例1所述方法进行淀积。
其它实施方案包括在以下的权利要求书中。
权利要求
1.一种电光波导器件，它包括(a)具有一定折射率的电光聚合物芯，和(b)邻近所述电光聚合物芯的电光第一聚合物包层，所述电光第一聚合物包层的折射率低于所述电光聚合物芯的折射率。
2.如权利要求1所述的电光波导器件，它还包括(a)邻近所述电光第一聚合物包层的第一聚合物缓冲包层，所述第一聚合物缓冲包层的折射率低于所述电光第一聚合物包层的折射率，(b)邻近所述电光聚合物芯的第二聚合物缓冲包层，所述第二聚合物缓冲包层的折射率低于所述电光聚合物芯的折射率。
3.如权利要求1所述的电光波导器件，该器件还包括(a)邻近所述电光聚合物芯的第二聚合物包层，所述第二聚合物包层的折射率低于所述电光聚合物芯的折射率；(b)邻近所述电光第一聚合物包层的第一聚合物缓冲包层，所述第一聚合物缓冲包层的折射率低于所述电光第一聚合物包层的折射率；(c)邻近所述第二聚合物包层的第二聚合物缓冲包层，所述第二聚合物缓冲包层的折射率低于所述第二聚合物包层的折射率。
4.如权利要求2所述的电光波导器件，其特征在于(a)所述电光聚合物芯和所述电光第一聚合物包层包括交联的聚合物；(b)所述第一聚合物缓冲包层包括交联的丙烯酸酯聚合物；(c)所述第二聚合物缓冲包层包括有机改性的溶胶凝胶。
5.如权利要求3所述的电光波导器件，其特征在于(a)所述电光聚合物芯和所述电光第一聚合物包层包括交联的聚合物；(b)所述第二聚合物包层包括有机改性的溶胶凝胶；(c)所述第一聚合物缓冲包层包括交联的丙烯酸酯聚合物；(d)所述第二聚合物缓冲包层包括有机改性的溶胶凝胶。
6.如权利要求3所述的电光波导器件，其特征在于所述第二聚合物包层包括电光聚合物。
7.一种电光波导器件，它包括(a)电光聚合物芯和(b)聚合物缓冲包层，所述聚合物缓冲包层包括有机改性的溶胶凝胶，该缓冲包层的折射率低于所述电光聚合物芯的折射率。
8.一种电光波导器件，该器件包括a)第一聚合物缓冲包层；b)电光聚合物芯；c)第二聚合物缓冲包层，聚合物缓冲包层中的一种包括有机改性的溶胶-凝胶，各缓冲包层的折射率均低于所述电光聚合物芯的折射率。
9.如权利要求8所述的电光波导器件，其特征在于聚合物缓冲包层中的另一种包括交联的丙烯酸酯聚合物。
10.如权利要求8所述的电光波导器件，它还包括位于所述电光聚合物芯和所述第一聚合物缓冲包层之间的第一聚合物包层，所述第一聚合物包层的折射率低于所述电光聚合物芯的折射率且高于所述第一聚合物缓冲包层的折射率。
11.如权利要求10所述的电光波导器件，其特征在于所述第一聚合物包层包括交联的丙烯酸酯聚合物。
12.如权利要求2或10所述的电光波导器件，其特征在于(a)所述第一聚合物缓冲包层的厚度约为2.2-3.2μm，折射率约为1.445-1.505；(b)所述第一聚合物包层的厚度约为1.0-3.0μm，折射率约为1.53-1.61；(c)所述电光聚合物芯的厚度约为2.4-3.8μm，折射率约为1.54-1.62；(d)所述第二聚合物缓冲包层的厚度约为2.2-3.2μm，折射率约为1.445-1.505。
13.如权利要求10所述的电光波导器件，它还包括位于所述电光聚合物芯和所述第二聚合物聚合物缓冲包层之间的第二聚合物包层，所述第二聚合物包层的折射率低于所述电光聚合物芯的折射率且高于所述第二聚合物缓冲包层的折射率。
14.如权利要求3或11所述的电光波导器件，其中(a)所述第一聚合物缓冲包层的厚度约为2.2-3.2μm，折射率约为1.445-1.505；(b)所述第一聚合物包层的厚度约为1.0-3μm，折射率约为1.53-1.61；(c)所述电光聚合物芯的厚度约为2.4-3.8μm，折射率约为1.54-1.62；(d)所述第二聚合物包层的厚度约为1.0-3.0μm，折射率约为1.53-1.61；(e)所述第二聚合物缓冲包层的厚度约为2.2-3.2μm，折射率约为1.445-1.505。
15.如权利要求7或8所述的电光波导器件，其特征在于所述电光芯包括交联的聚合物。
16.如权利要求7或8所述的电光波导器件，它还包括基材，在该基材上淀积有所述含有机改性溶胶-凝胶的聚合物缓冲包层。
17.如权利要求3或13所述的电光波导器件，其特征在于所述第二聚合物包层包括有机改性的溶胶-凝胶。
18.如权利要求3或13所述的电光波导器件，其特征在于所述第二聚合物包层包括有机改性的二氧化钛-硅氧烷溶胶-凝胶。
19.一种电光波导器件，该器件包括(a)第一聚合物缓冲包层，其折射率约为1.445-1.505，厚度约为2.2-3.2μm；(b)第一聚合物包层，其折射率约为1.53-1.61，厚度约为1.0-3.0μm；(c)电光聚合物芯，其折射率约为1.54-1.62，厚度约为1.0-3.0μm；(d)第二聚合物缓冲包层，其折射率约为1.445-1.505，厚度约为2.2-3.2μm。
20.如权利要求19所述的电光波导器件，其特征在于所述第一聚合物缓冲包层、所述第一聚合物包层、所述电光聚合物芯或者所述第二聚合物缓冲包层中的至少一层包括交联的聚合物。
21.如权利要求19所述的电光波导器件，其特征在于所述第一聚合物缓冲包层、所述第一聚合物包层、所述电光聚合物芯或者所述第二聚合物缓冲包层中的至少一层包括交联的丙烯酸酯聚合物。
22.如权利要求19所述的电光波导器件，它还包括位于所述电光聚合物芯和所述第二聚合物缓冲包层之间的第二聚合物包层，所述第二聚合物包层的折射率约为1.53-1.61，厚度约为1.0-3.0μm。
23.如权利要求3或22所述的电光波导器件，其特征在于所述第一聚合物缓冲包层、所述第一聚合物包层、所述电光聚合物芯、所述第二聚合物缓冲包层或者所述第二聚合物包层中的至少一层包括交联的聚合物。
24.如权利要求22所述的电光波导器件，其特征在于所述第一聚合物缓冲包层、所述第一聚合物包层、所述电光聚合物芯、所述第二聚合物缓冲包层或者所述第二聚合物包层中的至少一层包括交联的丙烯酸酯聚合物。
25.如权利要求19所述的电光波导器件，它还包括基材，在该基材上淀积有所述第二聚合物缓冲包层。
26.如权利要求16或25所述的电光波导器件，其特征在于所述基材包括硅晶片。
27.如权利要求1、2或3中任一项所述的电光波导器件，其特征在于所述电光聚合物芯的形式为脊、类似脊或埋入式沟。
28.如权利要求1、7、8或19所述的电光波导器件，其特征在于所述电光波导器件选自Mach Zehnder调制器、定向耦合器或者微环形谐振器。
29.包括权利要求1、7、8或19所述的电光波导器件的光束引导系统。
30.包括权利要求1、7、8或19所述的电光波导器件的相控阵雷达。
31.包括权利要求1、7、8或19所述的电光波导器件的光路由器。
32.包括权利要求1、7、8或19所述的电光波导器件的光应答器。
33.包括权利要求1、7、8或19所述的电光波导器件的光学卫星。
34.一种制造聚合物波导的方法，该方法包括(a)形成邻近基材的第一聚合物膜，所述第一聚合物膜包括非线性的光学生色团；(b)极化和交联所述第一聚合物膜，得到交联的第一电光聚合物膜；(c)形成邻近所述第一电光聚合物膜的含非线性光学生色团的第二聚合物膜；和(d)极化所述第二聚合物膜，得到第二电光聚合物膜。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于所述第二电光聚合物膜是交联的。
36.如权利要求34所述的方法，其特征在于所述第二电光聚合物膜的折射率低于所述第一电光聚合物膜的折射率。
37.如权利要求36所述的方法，其特征在于在形成邻近所述第一电光聚合物膜的含非线性光学生色团的第二聚合物膜之前，干法蚀刻所述第一电光聚合物膜形成脊或类似脊。
38.如权利要求37所述的方法，其特征在于所述干法蚀刻包括使用金属硬质掩模。
39.如权利要求38所述的方法，其特征在于所述金属硬质掩模包括钛或铂。
40.如权利要求37所述的方法，其特征在于所述脊或类似脊是Mach-Zehnder调制器，定向耦合器或者微环形谐振器。
41.如权利要求37所述的方法，其特征在于所述基材包括交联的电光聚合物。
42.如权利要求37所述的方法，该方法还包括(e)形成邻近所述第二电光聚合物膜的一层聚合物缓冲包层。
43.如权利要求42所述的方法，其特征在于所述第一电光聚合物膜的厚度约为2.4-3.8μm，折射率约为1.54-1.62；所述第二电光第一聚合物膜的厚度约为1.0-3.0μm，折射率约为1.53-1.61；所述聚合物缓冲包层的厚度约为2.2-2.8μm，折射率约为1.445-1.505。
44.如权利要求43所述的方法，其特征在于所述聚合物缓冲包层是交联的。
45.如权利要求36所述的方法，其特征在于所述第一电光聚合物膜成形为脊、类似脊、类似沟或沟，采用的方法包括激光烧蚀、漂白、正性色调光刻、负性色调光刻或压花。
46.如权利要求36所述的方法，其特征在于所述第一电光聚合物膜形成沟或类似沟。
47.如权利要求46所述的方法，其特征在于所述基材包括交联的电光聚合物。
48.如权利要求34所述的方法，其特征在于所述第一聚合物膜的交联发生在约160℃以上。
49.如权利要求34所述的方法，其特征在于在极化过程中对所述膜进行交联。
50.如权利要求34所述的方法，其特征在于在极化之前对所述膜进行交联。
51.如权利要求34所述的方法，其特征在于含非线性光学生色团的第一聚合物膜的形成包括旋涂、浸涂或刷涂。
52.如权利要求34所述的方法，其特征在于含非线性光学生色团的第二聚合物膜的形成包括旋涂、浸涂或刷涂。
53.如权利要求34所述的方法，其特征在于所述第一电光聚合物的折射率低于所述第二电光聚合物的折射率。
54.如权利要求53所述的方法，它还包括(e)干法蚀刻所述第二电光膜，形成脊或类似脊，和(f)形成邻近所述第二电光聚合物膜的一层聚合物缓冲包层。
55.如权利要求54所述的方法，其特征在于所述聚合物缓冲包层是交联的。
56.如权利要求53所述的方法，其特征在于所述第二电光聚合物膜成形为类似沟或沟。
57.如权利要求56所述的方法，该方法还包括(e)形成邻近所述第二电光聚合物膜的第一聚合物缓冲包层。
58.如权利要求57所述的方法，其特征在于所述聚合物缓冲包层是交联的。
59.如权利要求53所述的方法，其特征在于所述第二电光聚合物膜成形为脊、类似脊、类似沟或沟，采用的方法包括激光烧蚀、漂白、正性色调光刻、负性色调光刻或压花。
60.如权利要求34所述的方法，其特征在于所述基材包括聚合物、有机改性的溶胶-凝胶或者电光聚合物。
全文摘要
揭示了电光波导器件，它包括(a)电光聚合物芯和(b)至少一层附加的聚合物包层或聚合物缓冲包层。数个实施方案包括电光聚合物芯(35)、邻近所述电光聚合物芯的第一聚合物包层(40)、邻近所述第一聚合物包层的第一聚合物缓冲包层(50)、以及邻近所述电光聚合物芯的第二聚合物包层(45)。另一个实施方案包括电光聚合物芯和聚合物缓冲包层(55)。再一个实施方案中，聚合物缓冲包层包括有机改性的溶胶－凝胶。此外还揭示了聚合物波导器件的制造方法。
文档编号G02B6/138GK1711494SQ200380103501
公开日2005年12月21日 申请日期2003年11月18日 优先权日2002年11月19日
发明者L·J·宾茨, R·迪努, D·金 申请人:鲁梅热股份有限公司