专利名称：改进光聚合物光波导的扩散控制法的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光波导装置，特别是涉及光聚合物光波导的元件和光聚合物光波导装置，以及制备所述光波导元件与光波导装置的方法。所述的光波导装置与光学纤维、光学组件和模件相连接，用于整体光学系统中。
在光通讯系统中，信息是由光频载波来传递的，所述的光频载波是由光沅，例如激光或光发射二极管产生的。近来，人们对于所述的光通讯系统已有更多的兴趣。因为上述的光通讯系统与传统的通讯系统相比，具有许多优点，例如它的通讯通道数目大大地增加，可以使用除了昴贵的铜电缆以外的其他材料来传递信息。将光频波从一点传导或导向到另一点的含义之一就是所谓的光波导。光波导的操作过程可解释为一种光透明的介质被另一种具有较低折光指数的介质包围起来，或换句话说被围粘住，沿着上述内部介质的轴而传导的光，由于周围包围介质的影响，在边界上被高度地反射，由此而产生了导向效应。最广泛地用于波导装置的材料是玻璃。使用时，玻璃被制造成特殊尺寸的纤维。
由于光循环发展所提出的课题，就需要某些新装置，而所述的装置可以耦合、区分、转换和调整光波从一个波导纤维到另一个波导纤维。
有些光学纤维以被其他光学纤维切成段的形式互相连接起来。所述的这些装置只具有两个终端，一个在头，一个在尾。包括波导的可光固化薄膜被建议作为上述之用途，例如在美国专利3，809，732中已叙述过。然而，上述的这种装置不易与光学纤维耦合，而且也不易与光学纤维对成一直线。此外，由于它们的薄膜的表面是不平整的，很难做到防止薄膜的暴露出的表面不受外界环境的影响。
另一种用于制成光学耦合装置的方法涉及到应用标准的照相制版工艺和扩散作用。对于这种现有技术的工艺而言，标准的光制版工艺用作为在一个感光树脂层上确定一个光栅图案，所述的感光树脂层是沉积在被选定的基材上的。采用蚀刻剂，把感光树脂上已确定的光栅图案蚀刻到所述的基材上。然后，用真空喷涂法将金属喷涂到蚀刻过的区域上。采用适当的溶剂将上述感光树脂光栅图案除去。随后，将上述结构物加热，把喷涂在被蚀刻过的区域上的金属扩散到基材上，在基材上形成波导层。上述内容，可从美国专利4，609，252中得知。上述制造工艺涉及许多工艺步骤，同时，对于可能要被喷涂的金属层的厚度是有明确限度的。首先，因为真空喷涂是一种比较慢的工艺，对于喷涂较厚的金属层就需要化费过多的时间;其次，由于越来越多的金属被喷涂上去，对于喷涂来说是不断地建立新的区域，其结果是产生了不平整的喷涂层。
为了形成分支线路，将两支或两支以上的纤维，利用粘合剂粘结成一个共同的光孔口，所述的粘合剂必须具有与被粘合的纤维相近似能匹配的折光指数。所述纤维的直径是非常细小的，在操作过程中必须十分小心。将这些纤维粘合在一起以增加强度，并以一定的间隔，固定在支承材料上。包括上述的这些单支纤维的相应的印刷电路板，以及光学装置的制造是一种劳动力密集、成本昴贵、速度慢、乏味的工艺，并且也是一种不易实行自动化的制造技术。另一种用于形成上述耦合元件的制造方法是将纤维融合或熔融在一起，这样，光就可以从一支纤维通入到与它相连接的其他纤维中。然而，上述的融合工艺中，融合的程度和最终结构物的几何形状以及再现性都很难控制。
一种非常使人们感兴趣的装置是所谓的“Y-耦合元件”。所述的耦合元件是一种“Y”型的装置，将信号耦合在一起，并再将它们分开。“Y”型装置是采用湿法工艺来制造的，即将液态的光敏活化层复上一个蔽光框，再暴露在紫外光下被辐照。然后，使用溶剂，将上述光敏活化层上的未聚合区域除去，如美国专利4，609，252中所述。此种波导装置，也象上面叙述过的那样，不能防止周围环境的影响，也不能有效地与光学纤维耦合。而且，作为一种湿法工艺，不可避免地会凌乱肮脏，并且存在着用过的溶剂如何处理的间题。
另一种“Y”型耦合元件装置在美国专利4，666，236中已叙述过。此专利进一步描述一了种具有一个输入支线路和三个输出支线路的装置。这些装置也都是采用湿法工艺制造的，把液态可光聚合薄膜暴露在光照之下，以制成波导元件。那些没有被暴露在光照之下的液态薄膜被干燥之后，形成装置的一部份。所述的薄膜进一步被另一层材料涂复，例如用丙烯酸树脂，以不使灰尘落在上面，防护它不受沾污。当然，这种工艺也是湿法工艺，因此，也存在着固有的凌乱肮脏问题。
美国专利3，809，686描述了另一种波导元件，此种波导元件是以一个简单的光聚合物薄膜制造的，将光束聚焦在上述薄膜上并将该薄膜移动。有一实施例叙述的具体装置，所述的波导装置的光之间呈现瞬间耦合。上述专利还进一步讲述了上述装置的形成和利用全息衍射光栅作为光耦合器的情况。然而，要将光聚焦在薄膜上以形成具有清晰和明显界线的均相波导元件是有困难的。
本发明的目的是提供一种制备与光学元件和组件相连接的光导器的方法。所述的光导器可以具有许多分支线和终端。
进一步来说，本发明的目的是提供一种新的、改进了的光学波导装置的方法。根据本发明的制备方法所制出的光波导装置具有预先确定的几何结构。本发明的制备方法可极大程度地改进以上已叙述过的现有技术制备方法的缺点。
本发明的目的是这样实现的用本质上乾式的方法制备光波导装置。所制出的光波导装置具有一个和一个以上的、处于叠层式的、已固化了的型片中的埋入式通道波导。本发明的制备方法包括以下步骤将一种本质上乾性的光可固化薄膜的至少一个区域暴露在光之下，所述光可固化薄膜具有第一表面和第二表面，有粘附在所述第一表面上、而可以除去的支承体。将所述薄膜中的一种或一种以上的单体聚合，以致改变已被聚合区域的折光指数，形成一个或一个以上的第一光波导或其它光波导。
将本质上乾性的可光固化第一层的第一表面，叠合到所述薄膜的第二表面上，所述的可光固化第一层的第二表面上粘附有可除去的支承体。将支承体从所述薄膜的第一表面上除去。再将本质上乾性的可光固化第二层的第一表面叠合到所述薄膜的第一表面上，而所述的可光固化第二层的第二表面上粘附有可除去的支承体。
将所述的第一第二可光固化层固化，形成固化了的型片。所述的第一第二可光固化层与薄膜的折光指数已充分地被固定，形成了一个或一个以上的埋入式波导。
申请人已公开过下述内容，即在最终复合步骤结束之后，再增加使用一个附加步骤是有益的。此步骤包括将上述波导在一个预先规定好的时间范围维持一段时间，特别是维持5到45分钟，允许所述的波导薄膜和缓冲层的化学组分进行内层扩散，以使得所述波导的折光指数分布图可以被人为地控制。需将整个仪器装置的温度维持在可产生固化的温度以下。因为温度会影响扩散工艺过程的速率。对于单波模的波导元件而言，较佳的装置具有均匀的折光指数分布图。所述的折光指数分布图是连续的、垂直于上述层状结构体平行表面的。此外，所述的扩散作用也能在波导薄膜的未固化区域内发生。上述的这种改进折光指数分布图控制的方法，为波导设计者提供了高效光聚合物波导的更多的灵活性的结构。上述保证充分固化的步骤可以用加热固化的方法，也可以用上面已叙述过的光固化的方法。
下面将结合附图对本发明作进一步详细叙述。
图1是以可除去的特点，粘附在支承体上的可光固化薄膜的透视图。
图2是组成光波导元件的第一个具体装置的示意图。所述的光波导元件包括一个位于支承体上的薄膜中的波导。
图3是组成光波导元件的第二个具体装置的示意图。所述的光波导元件包括一个位于支承体上的薄膜中的波导。
图4是组成光波导元件的第三个具体装置的示意图。所述的光波导元件包括一个位于支承体上的薄膜中的波导。
图5是描述用光使位于支承体上的，具有波导的薄膜进行泛光的光学步骤示意图。
图6是一种叠层状组件的示意图。所述叠层状组件从顶部到底部包括有支承体，可光固化层，具有波导的薄膜和另一件的支承体。
图7是用光对图6所示的组件进行泛光光学操作的示意图。
图8是图6或图7所示的组件，除去一件支承体之后的结构示意图。
图9是一种光波导元件的透视图。所述的光波导元件从顶部到底部包括有支承体、可光固化或光固化了的层、具有波导的薄膜和另一件支承体。
图10是用光对图9所示的光波导元件进行泛光，实行固化操作的示意图。
图11是用热对图9或图10所示的装置元件进行固化操作的示意图。
图12是一种用于整个光学系统的光波导装置的透视图。所述的装置从顶部到底部包括有第一固化层、具有波导的固化了的薄膜和第二固化层。
图13是用热对图12所示的元件进行稳定化操作的示意图。
图14是描述一种埋入式通道波导装置与另一光学纤维耦合的示意图。所述的光学纤维含有被射入、通过上述纤维和波导的光。
图15是描述可干涉的直接光射入图6所示的元件中，以产生全息衍射光栅的示意图。
图16是形成全息光栅的剖面示意图，所述光栅把光耦合到埋入在各层之间的波导中。
图17是具有薄膜、多个内层、一件底部支承体、波导和光栅的叠层装置的部视图。
图18是用维持时间为0分钟而形成的1X1装置的波导输出的近场方向视图的照片复制图。
图19是用维持时间为15分钟而形成的1x1装置的波导输出的近场方向视图的照片复制图。
图20是用维持时间为45分钟而形成的1x1装置的波导输出的近场方向视图的照片复制图。
在下面的参照附图并结合实施例的详细叙述中，在所有附图中的同样元件均采用同样的标号来表示。
参照图1，这是一件采用本发明所提出的方法制备的元件，该元件包括本质上乾的可光固化薄膜1，所述的薄膜1以可以除去的特性粘附在支承体2上。该薄膜1具有第一表面3和第二表面4。同样，所述支承体具有第一表面5和第二表面6。该支承体2的第一表面5以可除去的特性，粘附在薄膜1的第一表面3上。在一较佳的具体装置中，薄膜1和支承体2的表面3、4、5、6本质上都是平的。
所述的薄膜1具有的厚度范围可以是2微米到15微米或15微米以上，较佳的厚度范围是4.5微米到8微米，更佳的是5.3微米左右。
本发明的方法的第一个步骤是将薄膜1的至少是一个的第一区域7的部分暴光，使得该薄膜1中的至少有一种单体被聚合，而造成所述的第一区域7的折光指数的改变，以形成至少是一个的第一光波导。所述波导限度，被本领域的专业人员解释为包括传送辐射能量的整个区域在内。从技术上来说，它还包括正好围绕暴光区域的某些区域。然而，为了简化起见，所述的暴光区域就视作为本质上是所述的波导。从理论上说，波导的形成是由于所述薄膜材料的自聚焦的特性。由于暴露在光辐照之下，在上述暴光区域中诱发产生了聚合反应。可以认为，在暴光区域和未暴光区域之间，至少在接近这些区域的交界面上有着内扩散现象。所述的内扩散现象改变了暴光区域的折光指数，形成一个透镜状的暴光区域，所述暴光区域使光以一种自聚焦的形式成为狭长的、光滑的薄壁波导，该波导具有和蔽光框区域或光束宽度大致相同的尺寸。有三个具体装置用以说明实施本发明的第一步骤，如图2、3、4所示。
参阅图2，聚焦了的激光光源8对区域7暴光以形成波导。可移动的机械装置9与上述激光光源8和/或与支承体2相连接，以便可以移动激光光源8、支承体2，使形成的波导具有所希望的和/或预先设定的图案。在这里，所述的暴光区域7实质上是细长的盒形，具有一条通过该区域7的轴向中心的光轴10。暴光区域7的垂直于光轴10的几何横截面实质上是一个矩形。区域7的两个侧面为所述薄膜1的未暴光区11。
图3描述具有暴光区71的另一具体装置。此装置中未聚焦的激光光源81，对着图1所示的元件装置引导光化学反应。一个不透明的蔽光框12设置在激光光源81和薄膜1之间，所述的蔽光框12尤其要与薄膜1的第二表面4接触，并复盖住该第二表面。所述的蔽光框12至少具有一个图形区13，在该图形区13处，由于光源81对暴光区71的作用而产生光化学反应。所述的图形区可以具有任何所需要的图案，包括如图3所示的基本上是Y型的图形。对区域71暴光，也对区域13起了作用，其结果是形成具有基本上是Y型的图案。从种类上来说，所述的区域13可以具有一个接受输入或输出光终端和许多个其他的(例如2个、3个、4个....)接受输出或输入光的终端相连接。如图2所示的具体装置中，在薄膜1上有未暴光区11。
第三个具体装置是用以说明本发明方法的暴光操作步骤的实施情况，如图4所示。由光源82发出的光化学辐照，通过不透明的蔽光框121对薄膜1的第1区域72和第二区域73进行暴光。所述蔽光框121具有第一区间131和第二区间132，该第一区间131和第二区间132分别可以使光通过而对第一区域72和第二区域73进行暴光。上述第二区间132是和第一区间131邻近的，并且部份地平行的。因此，在暴光以后，上述第二区域73相应具有的波导和暴光后第一区域72相应具有的波导相接近，而且上述两区域72和73也是部分地相互平行的。上述这些波导可以被排布成为因逐渐地渗透或者入射到其它波导的光的耦合而使入射到所述波导之一的光呈现瞬间的耦合。
在上述每一种较佳具体装置中，经暴光以后，所述薄膜1的第一表面3和第二表面4维持基本上平整。这种平整性有助于以后继续地将其它各层叠复到该薄膜表面上。正因为这样，图2、3和4所表示的，符合本发明提出的制备光学波导装置方法所制备出的光学波导元件，可以转用到整体光学系统中。
图5表示紧接着暴光操作步骤以后的另一个光学操作步骤。经过暴光操作之后的元件，可以用光来进行泛光操作，例如可以用宽波段的紫外光。在薄膜1中至少有一种单体被聚合，特别是所有单体的一种或所有单体的大多数甚至所有薄膜1中的单体都被聚合。这就使得支承体2容易附着在薄膜上，也容易从薄膜上除去。上述具有这些效果的光波导元件同样也可以用于制备符合本发明的制备方法的光波导装置。
下面，参照图6。本质上乾性的可光固化第一层14被叠合到薄膜1的第二表面4上。上述的第一层14分别具有第一表面15和第二表面16。第一层14的第一表面15叠合到薄膜1的第二表面4上以下述方法进行将上述两材料叠合而互相接触，并用压辊而且控制一定的压力以除去薄膜1和第一层14之间的空气。该第一层14是是发粘的。如图5所示的泛光操作步骤不进行，薄膜1也是发粘的。因此，薄膜1和第一层14很容易相互粘合在一起。支承体17以可除去的特点粘附在第一层14的第二层表面16上。图6表示了符合本发明提出的制备方法所制备的另一种光波导元件用以制备光波导装置的情况。
图7表示与图5所示的相同的光学泛光操作步骤，但用以被泛光的元件是按图6所示的情况加以改进的。经第一叠合操作步骤之后的元件可用光进行泛光操作，例如可用宽波段的紫外光。在第一层14中至少有一种单体被聚合(特别是所有单体的一种或大多数、甚至是所有的单体都被聚合)，进一步是在薄膜1中的几种单体中至少有一种被聚合(如果在以前的泛光操作步骤中没有全部被聚合的活)。在第一层14和薄膜1相邻各种单体之间产生了扩散交链作用，或者是扩散聚合作用，这样就形成了扩散界面或者说是扩散区。具有上述结果的光波导元件也可用以制备符合本发明要求的光波导装置。
图8表示在下一个操作步骤，即把支承体2从薄膜1的第一表面上除去以后的情况。再参照图9，另一个本质上乾性的可光固化第二层18被叠合到薄膜1的第一表面3上。所述第二层18具有第一表面19和第2表面20。第二层18的第一表面19用下述方法叠合到薄膜1的第一表面3上将它们互相接触叠合，用压辊并控制一定压力，将薄膜1和第二层8之间的空气除去。所述第二层18的第一表面19和第二表面20是发粘的，这样，就很容易粘附到薄膜1上。另一件支承体21也以可被除去的特点，粘附到第二层18的第二表面20上。这是另一种适用于制备光波导装置的光波导元件。
图10表示了对元件进行固化的操作步骤。所述的元件是以图9表示的，用光(例如宽波段的紫外光)进行过泛光操作以后的元件。在整个应用叙述中，术语“宽波段的紫外光”是指光谱范围从350毫微米到400毫微米的光。所述固化操作发生在几分钟之内，较佳是5分钟，但也可以有更长些的时间。例如进行第一泛光操作，首先，在薄膜以及第一层14和第二层18上的保留区11中至少有一种单体分别地被聚合(特别是所有单体中的一种，大多数或所有单体都被聚合)。进一步，在薄膜1上的区域7中的至少有一种单体被聚合。如果上述的不是第一泛光操作步骤，则在第二层中至少有一种单体被聚合，而剩余在所述元件中的单体至少有一种继续进行聚合。在预先聚合的薄膜1和在第二层18的各种单体之间发生交链作用或聚合作用，所述的作用的结果是形成了界面线或者是界面区，如果薄膜1没有预先被光进行泛光操作，这种界面线或界面区更加明显。具有上述结果的装置，在被叠合的和光固化后的，用于整体光学系统的型片中，至少含有一个埋入式通道波导。
图11表示另一种对元件进行热固化的操作步骤，所述的元件是在图9中描述过的。实际上，所述各层材料和薄膜都可以在加热以前使之相互组合起来，或者在组合以后加热，或者以泛光操作步骤使所述的装置固化，或者进一步固化。所述加热固化操作在温度约50℃到200℃的范围内进行，特别是在100℃到150℃的温度范围内，维持几分钟，较佳的是维持5分钟。
可光固化组合物在温度到达100℃时或超过100℃时的敏感性较小。虽然，热固化可以在温度低至50℃时开始进行，只要在上述温度中维持充分的时间即可。但如果温度上升到超过100℃，热敏引发固化的程度显著地增加。
申请人已公开了一种结果，即在第一缓冲层14和第二层18直接叠合在波导薄膜1上之后，再采用一个附加步骤，是有优越性的，上述各元件组成部份只是在波导区域7的图案形状被暴光过。所述的附加操作步骤是指一个预先设定的，处于预先设定温度下的维持期。上述的维持期可以允许缓冲层14和18以及波导薄膜1中的化学成分进行内层扩散，这样，相应于波导薄膜1和缓冲层14和18的波导7的折光指数分布图和幅度就能够被控制。对于单波模的波导来说，较佳的波导7的具体装置具有比较均匀的，从阶梯状到抛物线状的折光指数分布图，所述的分布图位于层14和层18组成的层状结构物的平面的垂直线的周围。
同时控制波导装置在操作周期中所处的预设定维持期的长短和所处于维持期的温度，可以用于控制波导7的波导性能。所述预设定维持期可能取决于温度，较佳的是大约5到45分钟的时间。一般而言，长一些的维持期并不明显地改变波导7的波导性能。当处于预设定维持期内时，希望将整个仪器装置维持在通常的室温或高于通常室温，但低于发生固化的温度范围。
以下所述的情况是较佳的即图5所示的光学泛光操作在第一缓冲层14叠合上去之前进行，而图7所示的光学泛光操作在第一缓冲层14被叠合到波导薄膜1上之后进行。在同时具有波导层14和18的元件中，扩散作用可能同时从波导层14和18向波导薄膜1进行。
此外，当处于某一预设维持期内，扩散作用可能发生在波导薄膜1的未固化的区域和缓冲层14与18之间。有些方法与步骤都是有助于控制相应于波导薄膜1的波导7的折光指数的。例如增加波导薄膜1和缓冲层14与18交界面的最终粘合强度和均匀性;改进波导薄膜1的最终性能，例如用温度改进硬度，以使缓冲层14和18的交链单体扩散到波导薄膜1中。紧接着发生的固化操作可以用热固化或光固化，如上面已叙述过的那样。这些折光指数分布图控制的改进方法使波导设计者对于高效光聚合物光波导的结构设计有更多的灵活性。
在固化操作步骤以后，位于局部波导区域的，发生在薄膜1上的最大折光指数的增加已用牌号为AUSJENA INTERPHKO的显微镜测得(在546毫微米波长时测定)的范围是0.001到0.40。上述局部的折光指数的增加，即△n，对于本发明的目的而言，可以用传统的剪切干涉显微镜技术推导出来。在推导中，假设一个均匀的指数轴穿通过薄膜，△n实际上是一个平均值，可以用下式计算出fλ＝△df＝ (a)/(b)(aλ)/(b) ＝△d
其中d＝假设的波导厚度，具有代表性的是薄膜的厚度a＝波导干涉轴b＝干涉距离λ＝在显微镜中的光的波长(0.546)在所述的局部的折光指数增加不能和用全息方法制备的，由光栅测得的折光指数调幅混淆起来，上述情况柯加尔尼克(Kogelnik)在贝尔系统技术杂志，(Bell Syst.Tech.J.)1969年48卷2909-2947页中已有过叙述。
在经固化操作步骤以后，所述的波导在0.6到1.6微米的波长范围内是透明的。实际上对单波模操作而言，波导在1.3微米时是透明的。
同样，在经固化操作步骤以后，型片的最大折光指数(除了在波导中和接近波导处)是在1.45到1.60的范围内。该数值是在632毫微米波长时，根据组成和/或内层扩散的程度，从相邻的各层或不同折光指数的薄膜上测定出来的。所述折光指数采用卡尔·菜斯(Karl Zeiss)公司制造的ABBE折光仪测定。
上述的支承体17和支承体21可以在固化操作中，从装置上除去，形成如图12所示的情况。
已发现，在每一个泛光操作步骤之后，而在除去支承体以前和/或在继续进行叠合操作之前，维持5到120分钟的时间，特别是维持20到30分钟时间有助于内层扩散和聚合。
图13表示由图12所示的装置，用热进行光学稳定操作的情况，此操作典型地是在固化操作步骤以后进行的。所述的热稳定步骤同样也在50℃到200℃的温度范围内进行，较佳的是在100℃到150℃的范围内进行。所述的稳定操作步骤比固化步骤的时间长。所述的稳定操作步骤以采用30分钟到2小时或2小时以上的时间为佳，尤其是大约1小时为佳。所述的加热稳定操作使装置对环境影响更加稳定，保证周围环境中的水和其他介质不会对该装置的正常操作造成影响。进一步而言，所述的加热稳定操作，使装置的光学和机械性能具有热稳定作用，使得制成的装置在遍及整个温度范围内操作时，不会改变该装置的性能。
如图12、13所示的装置中，第一层14和第二层18分别具有相同的厚度。残留区域11在尺寸和对称性上与区域7的每一边都是相同的。正因为这样，所述的具有埋入式通道波导的装置可以被加工成易于和各种不同的光学纤维耦合。图14表示由图12或图13所描述的装置和光学纤维22耦合的情况。所述光学纤维22具有圆柱形的芯23和圆柱形的包壳24，所述包壳24将芯23包围住，标准简单波模纤维具有包壳的外径约为125微米，芯的外径约为7微米。叠合后的波导装置，现在已从顶部到底部被包复起来，可以看出，它已很有效地与纤维芯23耦合起来。耦合的方法是把所述的埋入式波导紧靠住纤维芯23，沿着相互的光轴对齐。如果所述装置的大小尺寸被预选为适用于特殊纤维的话，只要把光波导装置设置在一个平面上，紧靠着所述的光学纤维，就可以完成耦合作用。采用具有一定厚度的薄膜1有助于所述的光轴对齐操作，所述的厚度是由该波导的本质上是矩形横截面的一个尺寸所确定的。为了和标准的简单波模纤维耦合，所述的薄膜的厚度应为5到6微米，较佳的应为5.3微米，它的暴光宽度应为约5微米，第一层和第二层的厚度都应为59.85微米。型片的总厚度不加限定，可以是包括125微米、180微米和200微米在内的任何厚度。
图14也表示了从光源25出发、通过光学纤维22和埋入式波导的入射光的情况。
图15表示了操纵至少有两支相干涉的光束(例如由激光26和27发射出的)贯穿入图6所示的元件中的一个区域内的光学操作情况。上述被操纵射入的光束形成综合光强度，以致于进行了立体的变化而产生全息衍射光栅28。所述的光栅包括改变了的折光指数区域，所述的区域用于把光输入到波导及波导部份去，或从波导及波导部份把光输出。光栅可以把光引入薄膜中的波导内，或者可以把光从波导中引出来;也可以把光引入各层的某一层中，或者把光从各层中的某一层中引出;也可以从波导或从存在于薄膜中(或存在于某一层中)的波导部份中，把光引入到另外的位于薄膜中(或存在于某一层中)的波导或波导部份中去。正如本领域内大家熟知的，光栅只可以从被引入的一个或几个预设定的波长所选定。图16表示了在第一层14和区域7中，具有全息衍射光栅28的图12或图13中所示的装置的横截面。所述的光栅28可以从至少有一部分区域，至少有邻近于该区域的一个层上的一个部份，以及上面所述的情况组合而成的物体中选取。在所构成光栅的物体部分没有对薄膜和/或各层进行过预先的固化操作。所述的引入光的操作可以在本文中已叙述过装置的进一步发展的其他操作步骤中完成。
本发明的优点之一是很容易添加一个或多个本质上是乾性的可光固化层或光固化后的层，在有波导或光栅，或在没有波导和光栅的情况下都可以添加。所述的多功能性在图17所示的装置中可以显示出。上述的光波导装置在薄膜1上具有暴光区域7、29、31和33，并且有层14，层30和层35。该图中还表示出了缓冲层18、32、36、和支承体21。区域7具有全息衍射光栅以把光从区域7引出，射到区域29上，或反过来。把光从区域29引出，射到区域7上。层30用来代替起到改变光的方向作用的光栅，它具有一些其它的技述特性。例如其中之一的技术已在美国专利4，472，020中叙述过。在该图中的层34和层36之间的断裂部份是用来表示所述的装置可以根据需要具有许多层或者具有不多的几层。当然，在不同层中的，或在薄膜中和在一个层中的波导可以呈现相互间的瞬间的耦合。
包括那些已用标号14，18，30，32，34，35和36指明的层在内的所有的层都可以用与薄膜1相同的材料来制备。固化了的装置的型片，从组成和折光指数来说(除了接近于波导的区域以外)，实质上是均相的。尤其是在经过固化操作步骤以后，所述波导具有的折光指数比固化后薄膜的折光指数大0.005到0.060，而比固化后层的折光指数大0.001到0.025。当然，如果把用不同的材料来制备不同的层和薄膜这一因素忽略不计，在每一个暴光区的组成和折光指数本质上是均相的。
用于本发明实施例中的可光固化薄膜和各层都是热塑性组合物，它们经暴露在光化学辐照之下，形成较高分子量的交链体或聚合物，以改变所述组成的折光指数和流变学特性。较佳的可光固化材料是可光聚合组合物，例如已在美国专利3，658，526中叙述的那些材料。所述的材料，含有一个或多个乙烯基不饱和基团(通常在终端位置上)的化合物经过游离基加成聚合反应或交链反应，使这些化合物变硬，并呈不溶解性。
当所述的可光聚合薄膜或层已经是具有均匀厚度的固态板材时，它们包括以下三个主要成分第一种是固体的溶剂可溶解的、已进行聚合的材料，例如粘合剂;第二种是一种或一种以上的液态乙烯基不饱和单体，所述单体可进行加成聚合反应以生成聚合材料;第三种是可以被光化学辐照引发的光引发体系。所述的薄膜或层也是固态组合物。在实行图案暴光时和图案暴光以后直到它们被固化操作而被固定不变时为止，各组分都可进行相互间的扩散。其他非活性的增塑剂加入到上述组合物以后，可以进一步促进所述的相互扩散作用。除了所述的液态单体以外，所述的组合物还可以含有固态单体组份，所述的固态单体组份可以在固态组分中相互扩散，并且可以和所述的液态单体反应以形成共聚物。
较佳的用作本发明的薄膜或各层的组合物、粘合剂和液态单体需根据以下要求选取所述的单体含有一个或多个的半体部份，该半体部分是从列基团中选取的取代的或未被取代的苯基、苯氧基、联苯基、萘基、萘氧基、含有一个到三个芳香族环的杂芳族基团、氯、溴;粘合剂是本质上不含特指的半体部份的。所述的单体含有一个或一个以上的这样的半体部份，也可以含有二个或二个以上的相同的或不同基团的半体部份，上述这样的结构使单体维持液态。在进行取代反应时，上述基团可以被其他基团取代，成为含有取代基团的其他结构与原来相同的物质。可作为取代基团的可以是较低级的烷基、烷氧基、羟基、氰基、羧基、羰基、氨基、酰氨基、亚氨基或者是上述基团的混合物。含有上述基团的结构，使所述的单体维持液态并可以在可光聚合层中进行扩散。
用于本发明的较佳的单体包括丙烯酸二-苯氧基乙酯、甲基丙烯酸2-苯氧基乙酯、丙烯酸苯酚乙氧基化合物、丙烯酸1-(对-氯代苯氧基)乙酯、丙烯酸对-氯代苯氧基酯、丙烯酸苯酯、丙烯酸1-苯基乙酯、丙烯酸2-(2-萘氧基)乙酯。当用于本发明的单体是液体状的时候，所用的单体可以用相同类型结构的第二种固体单体加入，作为掺和剂。例如可用N-乙烯基咔唑。
所述的溶剂可能的聚合材料或粘合剂是实质上不含有下述基团的苯基、苯氧基、联苯基、萘氧基、含有一个到三个芳香族环的杂芳族基团、氯或溴。
较佳的用作粘合剂的物质是乙酸丁酸纤维、聚合物、丙烯酸类聚合物和共聚物，例如聚甲基丙烯酸酯、聚醋酸乙烯酯、醋酸乙烯与四氟乙烯和/或六氟丙烯的共聚物、聚乙烯乙缩醛、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯醇缩甲醛以及它们的混合物。
所述的光引发体系可以含有光引发剂，如果需要的话，也可以含有增感剂，所述增感剂使材料对光谱作用的反应扩展到近紫外光谱的范围。
较佳的光引发剂包括CDM-HABI也就是2-(邻-氯苯基)-4，4′，5，5′-四苯基)-咪唑二聚物;O-Cl-HABI也就是1，1′-联咪唑2，2′-二(邻-氯苯基)-4，4′，5，5′-四苯基和TCTM-HABI，也就是1氢-咪唑2，5-二(邻-氯苯基)-4-(3，4-二甲氧基苯基)二聚物。上述物质的每一种都典型地和一个氢供体一起使用。例如所述的氢供体是2-氢硫基苯并恶唑或者是4-甲基-4氢-1，2，4-三唑-3-硫醇(MMT)。MMT用于含有N-乙烯基咔唑的混合物较佳。酮类，例如二苯甲酮、米蚩酮和乙基米蚩酮也可以用作为增感剂，可以与HABI一起使用，或单独使用。
可以使对光谱的敏感反应扩展到可见光范围的有效的增感剂包括下述物质DEAM;也就是环戊酮2，5-双-〔(4-(二乙基氨基)-苯基)亚甲基〕，和二甲氧基-JDI，也就是1氢-茚-1酮，2，3-二氢-5，6-二甲氧基-2-〔(2，3，6，)-四-氢-1氢，5氢-苯并〔i，j〕喹嗪-9-基)-亚甲基〕-。
非离子型的表面活性剂可以被加入到可光聚合混合物中，作为一种涂布助剂。较佳的涂布助剂是聚环氧乙烷，例如注册商标为Polyox WSRN-3000和POLYOX WSR-205的商品聚环氧乙烷。还有氟化的非离子型表面活性剂，例如注册商标为Fluorad FC-430的产品。
其他的添加到可光聚合混合物中的组份可以用不同的份量加入。所述的这些其他组份包括增塑剂、光增亮剂、紫外辐射吸收材料、热稳定剂和脱模剂。
在可光聚合混合物中的各种组份的加入量可以是下述的百分比范围内(以光可聚合层的总量作为基础计算)单体5-60%，以15-50%为佳;引发体系0.1-10%，以1-5%为佳;粘合剂25-90%，以45-75%为佳;增塑剂0-25%，以0-15%为佳;其他物料0-5%，特别是1-4%。
所述的支承体可以是能透过光化学辐照透的任何材料，它对于结合在一起的薄膜1和各层提供光分的支承作用。较佳的支承体对于在0.6到1.6微米波长范围的光是可以透过的。所述的术语“支承体”包括天然的或者是合成的支承材料，较佳的支承体是韧性的材料或者是硬薄膜、硬板材。例如，所述的支承体或基材可以是一种合成有机树脂制成的板材或薄膜，或者是两种或两种以上材料的混合物。典型的基材包括聚对苯二甲酸乙二酯薄膜，例如用树脂辅助的聚对苯二甲酸乙二酯薄膜，用火焰或静电放射处理过的聚对苯二甲酸乙二酯薄膜，玻璃，醋酸纤维素薄膜及诸如此类的材料。支承体的厚度不是特别重要的，因为它只要能符合支承住粘附在它上面的薄膜或层所需的要求就可以了。用聚对苯二甲酸乙二酯制成的支承体厚度如为25到50微米，就可以对6微米厚的薄膜提供充分的稳定性。
下述实施例将对本发明作进一步的说明，但本发明并不只限于所述实施例的具体内容。
实施例1-一片本质上是乾性的可光固化波导薄膜，厚度为5.3微米，所述薄膜含有的各物料如表1所示。把该薄膜叠合在25微米厚的清洁的聚对苯二甲酸乙二酯支承体上。薄膜的区域面积约为10cm×13cm，被暴露在在光谱范围为350到400毫微米的宽波段紫外光下辐照暴光。暴光时，光通过一个传统的镀铬的玻璃蔽光框，产生1×4(一个波导端对四个波导端，或四个波导端对一个波导端)的耦合器波导图案。在暴光操作以后，维持15分钟作为适当的维持期，然后除去蔽光框。
随后，取一片本质上乾性的，厚度为30微米的可光固化第一缓冲层，该层含有的各物料如表2所示。该缓冲层叠合在一片25微米厚的清洁的聚对苯二甲酸乙二酯支承体上。把上述叠合到支承体之后的叠合层材料再叠合到薄膜表面，复盖住波导图案，如图6所示。完成上述操作的组合材料，被用宽波辐的紫外光进行适当的泛光操作。然后将薄膜的支承体用机械方法除去。
表1薄膜中加入的物料 重量%- -乙酸丁酸纤维素Eastman CAB 531-1 56.54丙烯酸2-苯氧基乙酯(POEA) 35.00二丙烯酸三甘醇酯(TDC) 5.002-氢硫基苯并恶唑(MBO) 1.89O-Cl-HABI 1.00增敏染料(DEAM)(DEAM为2，5-双(〔4-(二乙氨基)- 0.56苯基〕亚甲基)环戊酮)2，6-双-四-丁基-4-甲基苯酚 0.01
表2缓冲层(乙酸丁酸纤维素)加入的物料 重量%- -CAB 381-20 45.49(乙酸丁酸纤维素)POEA(丙烯酸2-苯氧基乙酯，牌号(CAS 48145-04-6) 20.00N-乙烯基咔唑(NVC) 15.00双丙烯酸乙氧基化的双酚A酯牌号(Sartomer 349) 15.00O-Cl-HABI(1，1′-联咪唑-2，2′-二(邻-氯苯基)-4，4′，5，5′-四苯基，(AS 1707-68-2) 3.00(4-甲基-4氢-1，2，4-三唑-3硫醇) 1.50BHT(2，6-双-四-丁基-4-甲基苯酚) 0.01
再接着，另一片可光固化的第二缓冲层，该缓冲层的组成和结构与上述第一缓冲层相同。将该缓冲层用支承体叠合，随后再叠合到前述的波导薄膜的相反的表面上，并用上前面叙述过的方法进行泛光操作。
再依次进行下述操作将粘附在各缓冲层上的支承体除去，将组成和结构与前述的第一缓冲层和第二缓冲层相同的第三缓冲层和第四缓冲层分别叠合到上述第一缓冲层和第二层缓冲层上。在每一次叠合操作之间都进行泛光操作，紧接着除去缓冲层支承体，以形成具有埋入式通道波导的光波导装置。
以上述操作制得的装置在100℃下，维持60分钟，以达到所需的热稳定性。
在叠合好的装置中的薄膜和各层的折光指数经测定后，将结果值列入表3中。
下面要叙述的实施例2到4叙述了在加热操作步骤以后，维持期对波导7的折光指数波形图的影响，以及维持期对波导7和波导薄膜1之间的折光指数数差别的影响。
实施例2-将组分如表4所示的一种化合物通过口模挤出，涂布到一片清洁的，50微米厚的聚对苯二甲酸乙二酯支承体上，所用的涂布溶剂是95∶5的二氯甲烷/甲醇，总含固量为24%。所述的总含固量是指在上述涂布溶剂中不挥发材料的总的量。即使有一些添加入助剂，在环境温度下是不挥发性的液体，也计算在内。上述已涂布有涂布层的支承体通入热乾燥器进行乾燥，在从热乾燥器排出的时候，将23微米厚的聚对苯二甲酸乙二酯复盖层叠合到上述每一层涂布层上。
表3薄膜与各层 折光指数值- -活化(未暴光的)薄膜 1.535薄膜的波导区域 1.566(平均值)第一缓冲层 1.545第二缓冲层 1.548第三缓冲层 1.545第四缓冲层 1.548
表4加入的物料 缓冲层 波导薄膜(参照表1与表2对 (重量%) (重量%)加入物料的说明)CAB 531-1 54.83 55.40Photomer4039(注1) 33.28 34.94Sartomer 349 4.75 5.00MMT 1.90 1.90O-Cl HABI 0.95 1.00EMK(注2) 0.48 -二笨甲酮 2.85 -DEAM - 0.55BHT - 0.01(续下表)
(续上表)Polyox WSRN-3000 - 1.0%(注3)Polyox WSR-205 0.95% -(注4)FC-430 - 0.20厚度 26.3微米 7.1微米注1单丙烯酸苯酚乙氧基酯。海克尔加工化学公司(Henkel -Process Chemical Company)产品。可由美国化学文摘56641-05-5查出，Photomer 4039是以注册商标表示的商品牌号。
注2EMK是乙基米蚩酮，即4，4′-双(二乙氨基)-二苯甲酮。可由美国化学文摘90-93-7查出。(CAS90-93-7)。
注3聚环氧乙烷，分子量400，000，美国联合碳化物公司(Union Carbide Corporation)产品。
注4聚环氧乙烷，分子量600，000美国联合碳化物公司产品。
注5指Floural FC-430，一种液态非离子型表面活性剂，氟代脂肪族聚合酯，美国3M公司(3M Company)产品，Fluoral FC-430是以注册商标表示的商品牌号。美国化学文摘出处为11114-17-3(CAS11114-17-3)。
------------------------------------------------------------一片具有表4中列出的组成和厚度的、本质上乾性的可光固化波导薄膜，具有约13cm×13cm的方形截面，用宽波段的紫外光(波长范围350到400毫微米，光强度为16毫焦耳/平方厘米)进行暴光。所述紫外光是通过预先叠合在上述薄膜上的蔽光框对该薄膜进行暴光的。所述蔽光框是用传统的镀铬玻璃制造的。进行所述的暴光操作，以制得9微米宽、1×1(即一个波导输入端对一个波导输出端)的直的波导。所述薄膜和叠合在上的蔽光框在暴光操作以后，上述薄膜和蔽光框在38℃下维持5分钟，然后，把蔽光框除去。
随后，把一片具有表4所列出的组成和厚度的、本质上乾性的可光固化第一缓冲层14叠合到波导层1的表面上。然后，如实施例1所叙述的那样把支承体2从上述薄膜上除去。另一片本质上乾性的可光固化第二缓冲层被叠合到波导薄膜1的另一空的表面上。上述第一缓冲层14被叠合以后具有支承体17、波导薄膜1，上述第二缓冲层18在另一面上粘附着支承体21。上述叠合物立即用宽波段的紫外光在38℃温度下，用2000毫焦耳/平方厘米的强度进行泛光操作。对上述叠合物的另一面也重复上述的泛光操作。
紧接着进行按照实施例1所述的操作步骤，将缓冲层14和18上所粘附的支承体17和21除去，再加上第三和第四缓冲层，以形成具有埋入式通道波导7的光波导装置。把按上列操作步骤制得的装置在92℃到95℃的温度范围内加热60分钟，以达到热稳定性。
实施例3-重复实施例2的操作述程，但是所述的包括粘附有支承体17的缓冲层14、波导薄膜1和粘附有支承体21的缓冲层18这样结构的叠合物是在24℃(即室温)下维持15分钟，然后用宽波段的紫外光，在38℃下进行泛光操作，而不是在实例2中所述的温度时间等条件下进行维持与泛光操作。
实施例4-重复实施例2的操作过程，但存本实施例中对于所述的包括粘附着支承体17的缓冲层14、波导薄膜1和粘附有支承体21的缓冲层18的叠合物的处理条件与实施例2不同。本实施例用的处理条件是将上述叠合物在24℃(即室温)下维持45分钟，然后，用宽波段的紫外光在38℃下进行泛光操作。
所述的包括波导7的装置的末端已被微光化并与光源对准，把具有波导7的一端和一个已设置好的指数可以匹配的液体相连接，以使得输出端具有最大的光强度。把简单波模1550毫微米波长的光从光源引导到波导7的一个末端。所述的光源是激光二极管，通过一长度大于1米的牌号为Corguide SMF28的光学纤维导入的。Corguide SMF28是美国柯宁玻璃制造公司(Corning Glass Works地址纽约，柯宁)的以注册商标表示的商品牌号。
从波导7的另一个末端利用Bausch和Lomb浸没式透镜收集输出的光，所述的透镜用一个折光指数匹配的液体组成，具有数值孔径为1.3。上述透镜是美国卡其尔实验公司(Corgille Labs，Inc.)产品系列号为Cargille Series AA，1.458的产品。公司地址新泽西洲，赛特格浮(Cedar Grove)。所述的光再用牌号为Model C2741的哈马马兹照相机成相。上述照相机是哈马马兹光学系统公司(Hamamatsu Photom′s System)产品，公司地址新泽西洲·波里奇奥特(Bridegewater)。该输出光再用型号为Model 321的垂直线型扫描器〔Colorado影象公司(Colorado Video，Inc.)产品〕进行分析。从所述的垂直扫线型扫描器上同时把波形图在电视显示器上显示出来。
图18、19和20分别是在实施例2、3和4中制备的波导的邻近于输出区域波形图的照片复制图。可以看出，当维持期约为零分钟时，显示出不均匀的折光指数波形图。而维持期增加到45分钟，所显示的折光指数波形图，均匀得多。应当指出，维持期是指缓冲层叠合到波导薄膜上和紧接着进行固化操作的两步骤之间的时间，并不包括用于叠合操作所需化费的大约2～5分钟中时间在内。沿着垂直于各层的垂直线(在图中以邻近于图的中心的垂直线来表示)的输出波形图的强度用视频显示器显示出扫描图。在图18、19和20的接近于图案区域的左边表示出上述波形图的强度。上述波形图的强度取决于波导7的折光指数波形图。在图18代表维持期为零分钟的情况，在该图中显示出双峰形波形图的强度。而图19与图20代表较长的维持期，可以看出显示出较为均匀的波形图强度分布。
在波导7和波导薄膜1之间的折光指数差用Interphako-Pol-D剪切干涉显微镜测定，所测得的数值分别是0.010(维持期为零分钟)，0.009(维持期为15分钟)和0.007(维持期为45分钟)。可以看出，维持期也对波导7和波导薄膜1之间的折光指数差起作用。
本领域的专业人员由本发明上面的叙述和实施例的显示，可以得到收益，他们能作出许多改进。而所有由此而作出的改进都被包括在本发明所提出的权利要求中。
权利要求
1.一种本质上乾性的制备光波导装置的方法，所述的光波导装置在被叠合和固化的型片中有一个或一个以上的埋入式通道波导，其特征是所述的制备方法包括①将本质上乾性的可光固化薄膜的一个第一区域或一个以上的第一区域用光进行暴光，所述的薄膜具有第一表面和第二表面，在上述的第一表面上粘附着具有可除去特性的支承体，使所述薄膜中的一种或一种以上的单体聚合，改变所述的第一区域的折光指数以形成一个或一个以上的第一光波导；②将本质上乾性的可光固化第一层的第一表面叠合到上述薄膜的第二表面上，所述的第一层的第二表面上粘附着具有可除去特性的支承体；③从所述薄膜的第1表面上除去上述的支承体；④将本质上乾性的可光固化第二层的第一表面叠合到上述薄膜的第一表面上，所述第二层的第二表面上粘附着具有可除去特性的支承体；⑤将所述的叠合后的各层和薄膜根据预设定的维持期所需的时间，保持维持状态；⑥将所述的各层和薄膜固化，形成固化了的型片，本质上固定了所述各层和所述薄膜的折光指数，形成了一个或一个以上的埋入式波导。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的维持期是5分钟或5分钟以上。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的维持期的时间范围是15分钟到45分钟。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的固化操作步骤包括用光对所述的各层和薄层进行泛光操作，形成所述的固化了的型片。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的固化操作步骤包括把所述的各层和薄膜在50℃到200℃的温度范围内加热几分钟。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的波导在所述的维持期中是维持在室温或接近于室温的温度下，但在任何情况下，所述的波导都要维持在可能使所述的可光固化薄膜和所述的可光固化各层引起固化的温度以下。
全文摘要
本发明提供了一种改进的光波导装置的制备方法，制出的光波导装置可以和光学纤维连接，用于整体光学体系。所述的制备方法包括叠合、暴光、维持和固化等操作步骤，由于本发明的制备方法是基本上干性的，克服了以往湿性方法的缺点，而且发明的方法又能以简单的控制维持期的操作，控制波导装置的折光指数波形图，比现有方法有很大的改进。
文档编号G02B6/138GK1048929SQ9010473
公开日1991年1月30日 申请日期1990年7月14日 优先权日1989年7月14日
发明者勃鲁斯·李·布什, 乔西弗·埃米多·骑加诺 申请人:杜邦德纳莫工业企业公司