專利名稱：有機聚合物陣列波導光柵及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及有機聚合物陣列波導光柵及其制作方法，具體涉及采用新型有機聚合物材料為光波導包層和芯層的陣列波導光柵及其制作方法。
背景技術：
波分復用(WDM)技術是解決寬帶、大容量光纖網(wǎng)絡通信的一種有效方法。復用/解復用器是構造WDM系統(tǒng)的關鍵器件?，F(xiàn)在實用的復用器包括多層薄膜濾波器型、光纖布拉格光柵濾波器型和陣列波導光柵型。其中，陣列波導光柵(AWG)被認為是最有發(fā)展前途的一種適用于密集型WDM系統(tǒng)的新型光波分復用器件。它可以工作在高階衍射，因此即使它的總尺寸很小，也有很好的毫微米量級的波長分辨率。AWG不僅可以用作波分復用、解復用、波長路由及波長監(jiān)測，而且具有波長間隔小、利于集成、信道數(shù)多、串擾低、輸出平坦等特點，是光纖網(wǎng)絡中許多功能模塊的重要組成部分。
目前，AWG器件主要集中在硅基二氧化硅(SiO2/Si)材料上，一般采用火焰水解法加反應離子刻蝕制作。即，用火焰水解法在單晶硅襯底上淀積一層二氧化硅(SiO2)材料的厚膜(約20微米)作為下包層，經(jīng)過高溫致密化處理后再在下包層上淀積一層摻雜二氧化鍺(GeO2)的二氧化硅(SiO2)厚膜(4-6微米)作為波導的芯層；再次高溫致密化處理后用帶有AWG圖形的掩膜板放在波導芯層上進行掩膜，運用反應離子刻蝕法在芯層上刻蝕出AWG圖形；最后淀積一層SiO2厚膜作為上包層，第三次高溫致密化處理制作出AWG器件。
這種制作AWG器件的方法需要三次高溫致密化處理(1100℃-1400℃)，由于襯底硅材料和波導SiO2材料的熱膨脹系數(shù)相差很大，高溫處理后在室溫時會在二者之間形成較大的應力，從而很容易造成波導薄膜的龜裂；同時高質量厚膜SiO2波導材料的生長及刻蝕設備昂貴、工藝流程復雜、波導芯層的厚度及摻雜成分不易控制，而且芯層材料的折射率改變較小、中心波長不可調(diào)及容易偏離設計值，在器件中還需加入色散補償波片等問題。本發(fā)明正是為了解決上述問題而提出來的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術問題就是克服背景技術的不足，尋找一種經(jīng)濟快捷的工藝制備AWG器件，不再使用昂貴的厚膜生長和相應的刻蝕設備，同時避開高溫生長材料的困難，并可以使器件的中心波長得到微調(diào)，利于器件的優(yōu)化設計；易于控制波導的芯層厚度和折射率，在較低的溫度范圍內(nèi)(室溫到150℃)容易實現(xiàn)的工藝過程制作AWG器件。
本發(fā)明的聚合物陣列波導光柵結構如圖1及圖2所示，由輸入波導、兩個羅蘭圓、陣列波導和輸出波導組成。輸入波導、陣列波導和輸出波導的涂層結構相同，從下向上各層依次為硅襯底(1)、下包層(2)、芯層(13)和上包層(12)。
有機聚合物陣列波導光柵的輸入波導、輸出波導可根據(jù)需要進行設計，陣列波導由100-500條波導組成，具體數(shù)目可根據(jù)實際工藝條件確定。聚合物陣列波導光柵的光學原理是，相鄰陣列波導的長度差為常數(shù)，由光纖耦合進入輸入波導的多波長光經(jīng)兩個羅蘭園后功率按光柵衍射理論分布，根據(jù)陣列波導光柵衍射遠場的模式分布的公式，可以得到不同的波長輸出在相應的輸出波導中。[Chun-Sheng Ma，Wen-BinGuo Da-Ming Zhang，Optics and Laser Technology，34，621-630，2002.]。
本發(fā)明制作的有機聚合物陣列波導光柵，工作的中心波長為1.55μm，通道間隔可以實現(xiàn)0.8nm或者1.6nm，相鄰通道間的串擾小于25dB，器件的插入損耗在3-10dB。器件的性能參數(shù)與SiO2/Si AWG器件性能相近，但聚合物AWG器件的價格遠遠低于SiO2/SiAWG器件。
本發(fā)明有機聚合物陣列波導光柵的制作方法，參見附圖3具體敘述為以單晶硅片為襯底(1)，在硅片上先用旋涂法涂覆聚合物下包層材料(2)后進行前烘，然后旋涂聚合物波導芯層材料(3)；烘干后在芯層材料上蒸發(fā)或濺射一層金屬鋁膜(4)，再在鋁膜(4)上涂覆光刻膠(5)，用陣列波導光柵掩膜板(7)進行光刻；然后進行氧反應離子刻蝕(9)；刻蝕后在聚合物芯層材料上得到陣列波導光柵的圖形。在得到的樣品上旋涂聚合物上包層材料(12)，烘干后得到陣列波導光柵(17)。
采用上述方法可以根據(jù)需要得到4、8、16、32、64甚至更多通道數(shù)的有機聚合物陣列波導光柵器件。
本發(fā)明的波導包層和芯層材料均由聚合物材料構成，所選用的聚合物材料作為包層和芯層旋涂前均為溶液狀態(tài)，需要經(jīng)過0.4微米及0.4微米以下的過濾器過濾；包層材料可以是氟化聚酯或氟化聚酰亞胺，也可是不含氟的聚合物材料；芯層材料是在上面所述的包層材料中加入高折射率調(diào)節(jié)劑或調(diào)節(jié)合成包層材料反應物的配比(高折射率的聚合物材料)來構成，從而使得芯層材料的折射率在1.46-1.60之間。通過控制高折射率材料在整個芯層材料中的含量可以很容易地根據(jù)實際情況調(diào)節(jié)整個芯層材料的折射率，使制備的波導為單模波導。聚合物材料可同時具備熱交聯(lián)或光交聯(lián)特性，在100-130℃下或紫外光(＜365nm)照射下可發(fā)生交聯(lián)反應，使材料的穩(wěn)定性提高。
本發(fā)明所使用的包層和芯層材料是一種氟化聚酯，其分子結構式如通式(I)所示-[O-R1]m-[O-R2]n-[O-R3]1-[O-R4]g-(I)式中，m、n、l、g均為整數(shù)，m(n+l+g)＝11，其中1，g≥0。R1、R2、R3、R4的含義如(II)、(III)、(IV)、(V)所示 上述氟化聚酯用作包層材料和芯層材料的區(qū)別是通式(I)中R4基團可以改進含氟聚酯的熱性能和力學性能及調(diào)節(jié)聚合物的折射率。當g＝0時，通式(I)對應的含氟聚酯材料可用作包層材料，而對于g＞0的通式(I)材料則可用作芯層材料；當g＞0且較小時，可用作包層材料，相應的芯層材料則選擇較大的g＞0的數(shù)值。
本發(fā)明所使用的含氟聚酯可采用如下的方法制備其包括六氟雙酚A二乙酸酯的合成、預聚和聚合三個步驟首先用1，1，1，3、3、3、-六氟雙酚A和乙酸酐反應制得1，1，1，3、3、3、-六氟雙酚A二乙酸酯，再將它和2、2，3、3，4、4，-六氟戊二酸進行酯交換反應經(jīng)預聚和聚合得到在1.55微米處光損耗較小的聚酯(光損耗為0.56dB/cm)。
一、(1)1，1，1，3、3、3、-六氟雙酚A雙乙酸酯的合成反應將一定量的六氟雙酚A置于帶有攪拌器、回流冷凝管、滴液漏斗的三頸瓶中，然后在攪拌下滴加六氟雙酚A摩爾數(shù)2.5倍的乙酸酐，此時體系呈懸濁液，5～10分鐘后滴加1ml～2ml濃硫酸，反應放熱呈現(xiàn)澄清溶液，10～20分鐘后用水浴加熱到40℃～50℃反應30～60分鐘。撤去水浴、在三頸瓶中加入碎冰，體系中出現(xiàn)白色固體，過濾出固體用NaHCO3溶液洗滌兩次，用NaOH溶液洗滌兩次最后用蒸餾水洗至中性，烘干、備用。
(2)1，1，1，3、3、3、-六氟雙酚A雙乙酸酯的結構表征①1、1，1，1，3、3、3、-六氟雙酚A雙乙酸酯的FTIR譜中，如附圖4所示，1，1，1，3、3、3、-六氟雙酚A的3200～3400cm-1處的羥基峰消失，在1700處出現(xiàn)酯羰基特征振動峰，這表明羥基全部被酯化。
②質譜分析M/Z＝420(1，1，1，3、3、3、-六氟雙酚A雙乙酸酯的分子量為420)③元素分析結果1，1，1，3、3、3、-六氟雙酚A雙乙酸酯元素分析結果

二、(1)1，1，1，3、3、3、-六氟雙酚A雙乙酸酯和2、2，3、3，4、4，-六氟戊二酸的酯交換預聚反應和高溫聚合反應在100ml梨形瓶中加入一定量的1，1，1，3、3、3、-六氟雙酚A雙乙酸酯和等摩爾的2、2，3、3，4、4，-六氟戊二酸，再加入占反應物質總重量百分比為0.1～0.3％二丁基氧化錫做為催化劑。將梨形瓶裝在旋轉蒸發(fā)儀上用油浴加熱至200℃～220℃在氮氣的氣氛下反應2～4小時。將預聚物轉移至枝試管中在抽真空至0.1～0.5mmHg和充氮氣的條件下，在240℃反應24～36小時。得到透明的琥珀色的固體，經(jīng)在四氫呋喃中溶解和在甲醇中沉淀凈化后得到白色的粉末既為本發(fā)明所述的含氟聚酯產(chǎn)品。
(2)含氟聚酯性能的測試①用GPC法以聚苯乙烯為標樣測得含氟聚酯的數(shù)均分子量為8000～12000；②用DSC測得含氟聚酯的Tg為102℃～110℃；③將含氟聚酯溶于乙酸丁酯中后涂覆于硅片上用分光橢楄儀測得樹脂在1.55微米處的折射率為1.478～1.512，光損耗為0.56～0.64dB/cm；④含氟聚酯脂的FTIR譜，如附圖5所示從譜中可以看出3200～3400cm-1處的羧基中的羥基峰已經(jīng)基本消失，表明大部分羧基已經(jīng)轉化為了酯基。
作為本發(fā)明所使用含氟聚酯材料的進一步改進，在體系中加入對苯二甲酸代替2、2，3、3，4、4，-六氟戊二酸，對苯二甲酸和2、2，3、3，4、4，-六氟戊二酸的摩爾比為1∶10～1∶20，從而可以改進聚酯的熱性能和力學性能及調(diào)節(jié)聚合物的折射率；作為本發(fā)明所使用含氟聚酯材料的更進一步改進，在體系中還可以加入占二元酸總摩爾1～5％的順丁烯二酸代替2、2，3、3，4、4，-六氟戊二酸，從而在聚酯中引入可交聯(lián)的不飽和雙鍵，從而最終形成通式(I)所示的化合物。
本發(fā)明所述的原料，如1，1，1，3、3、3、-六氟雙酚A和2、2，3、3，4、4，-六氟戊二酸以及乙酸酐、對苯二甲酸等均可以從FLUKA公司購得。
本發(fā)明所使用的包層材料和芯層材料還可以是一種不含氟的聚合物材料-甲基丙烯酸甲酯與甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物(這種材料可從甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯兩種材料采用常規(guī)方法共聚反應制得)，其分子結構式如通式(VI)所示，通式(VII)為高折射率調(diào)節(jié)劑，包層材料由通式(VI)組成，在包層材料中加入高折射率調(diào)節(jié)劑(VII)，控制高折射率在整個材料中的含量，使得芯層材料的折射率在1.48～1.58之間。
本發(fā)明通過對聚合物材料的選擇，使得氟化聚酯的包層和芯層材料中基團R3具有雙鍵結構，該基團在紫外光照射下可以發(fā)生交聯(lián)反應；不含氟的包層和芯層材料具有環(huán)氧側鏈基團，該基團在加熱條件(100-130℃)下能夠發(fā)生熱交聯(lián)反應，聚合物材料通過交聯(lián)反應可以提高包層和芯層材料的溫度穩(wěn)定性。上述選擇的包層材料與芯層材料，在器件的通光波長為1.55微米時氟化聚酯材料的吸收損耗小于0.5dB/cm，不含氟材料的吸收損耗為2dB/cm左右，含氟材料用作器件制備時雖然其性能優(yōu)異，但成本高于不含氟材料。
用本發(fā)明方法所制備的器件，如果聚合物AWG器件的中心波長與設計值有偏離(在0.2nm以內(nèi))，可以通過調(diào)節(jié)器件的工作溫度來糾正，因為聚合物材料具有較大的熱光系數(shù)，在不同的溫度時(0-80℃)材料的折射率有較寬的變化范圍(對本發(fā)明所使用的氟化聚酯材料，溫度系數(shù)為0.0001/℃)。因此在特定的溫度下可以得到符合優(yōu)化設計要求的理想的AWG器件。
綜上所述，聚合物AWG器件具有制作工藝簡單，成本低，雙折射較小，折射率易控制及偏振不靈敏等優(yōu)點，可采用傳統(tǒng)的光刻技術和反應離子刻蝕(RIE)技術來實現(xiàn)工藝。聚合物AWG器件可采用抗氧的光刻膠作掩模，然后在氧氣中進行反應離子刻蝕；也可采用鋁膜作為掩膜板進行氧反應離子刻蝕，具有良好的可控性。本發(fā)明的方法適合于在大批量生產(chǎn)實際應用的AWG器件。


圖1有機聚合物陣列波導光柵斷面結構示意圖；圖2有機聚合物陣列波導光柵平面結構即掩膜板結構示意圖；圖3本發(fā)明所述制備聚合物AWG器件的工藝流程圖；圖4含氟雙酚A二乙酸酯的紅外譜圖；圖5含氟基本配方聚酯的紅外譜圖。
如圖3所示，本發(fā)明所述的有機陣列波導光柵的制備方法中所提到的旋涂下包層、芯層，是指將具用一定分子量和濃度(氟化聚酯材料的數(shù)均分子量為1.2萬，濃度為15-30％；甲基丙烯酸甲酯與甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物材料的數(shù)均分子量為10萬，濃度為15-30％。)的能自由流動的聚合物材料滴在處理過(用甲苯、丙酮、乙醇清洗和超聲清洗)的硅襯底上(1)，將硅襯底(1)置于旋轉涂覆機上，在3000-4000轉/分的轉速下旋轉襯底進行涂膜，旋涂的時間為30-60秒，使聚合物包層(2)均勻涂在襯底(1)上，包層(2)的厚度為10-20微米。然后將芯層聚合物材料(3)以4000-6000轉/分的轉速勻旋涂在(2)上，厚度為4-6微米。
所說的蒸鋁是在芯層材料(3)上用蒸發(fā)或濺射的方法蒸鍍一層30-100納米的鋁膜(4)，然后在鋁膜(4)上旋涂一層正性光刻膠(5)。
所說的掩膜、光刻是將獨立設計的帶有陣列波導光柵圖形的掩膜板(7)放置在光刻膠(5)(北京化學試劑廠，BP212型)上，再將此樣品置于光刻機上，用365nm、200W紫外光(8)進行照射，通過腌膜板(7)的透光區(qū)(6)將光刻膠曝光，曝光時間為30-60秒，將曝光后的樣品用NaOH的水溶液進行顯影，NaOH與H2O的配比為(0.3-0.6)g100ml，顯影時間是50-90秒，通過顯影把AWG圖形轉移到光刻膠(5)上；當對光刻膠(5)進行顯影時，陣列波導光柵的圖形(10)同時也轉移到鋁膜(4)上。上述過程如圖3(14)、(15)所示。
所說的反應離子刻蝕過程(16)是將經(jīng)過過程(14)、(15)后帶有AWG圖形的樣品在氧氣條件下進行反應離子刻蝕(9)，隨著芯層(3)和光刻膠(5)同時被刻蝕，光刻膠(5)首先被刻蝕掉，露出鋁膜(4)，由于鋁膜在氧氣氣氛中的反應離子刻蝕時，鋁會與氧氣反應，在表面形成一層氧化鋁，阻擋住氧氣與其下面的芯層聚合物(3)反應，沒有鋁膜的部分繼續(xù)被氧反應而刻蝕掉(11)，因此鋁膜(4)對芯層聚合物(3)起到很好的掩膜作用，可以保證制作的聚合物波導(13)的端面形狀。反應離子刻蝕的入射微波功率100-200瓦，反射功率＜1瓦時，刻蝕5-20分鐘；然后用同樣濃度的NaOH溶液去除鋁膜(4)。所說的旋涂上包層(12)是將濃度為15％-30％的聚合物包層材料用旋轉涂膜的方法均勻涂在帶有AWG圖形的樣品上，厚度為4-6微米，進而得到聚合物陣列波導光柵器件，此過程如圖3(17)所示。
具體實施例方式
實施例1、一種不含氟聚合物溶液的制備取甲基丙烯酸甲酯和甲基丙烯酸縮水甘油酯的共聚物作為包層材料(2)(如通式VI所示)，經(jīng)測試，該材料在1.55μm處的折射率為1.483。用雙酚A環(huán)氧樹脂作為高折射率調(diào)節(jié)劑(如通式VII所示)，摻入到包層材料中，形成芯層材料(3)，調(diào)節(jié)環(huán)氧樹脂的百分含量，控制芯層折射率為1.495，使形成的波導為單模傳輸。在包層和芯層材料中加入一定量的溶劑進行稀釋，混合攪拌，用0.4微米的過濾器過濾，調(diào)節(jié)其濃度，使之可以緩慢流動，備用。
實施例2合成基本配方的聚酯在100ml梨形瓶中加入10g的1，1，1，3、3、3、-六氟雙酚A雙乙酸酯和5.7g的2、2，3、3，4、4，-六氟戊二酸，再加入0.03g二丁基氧化錫做為催化劑。將梨形瓶裝在旋轉蒸發(fā)儀上用油浴加熱至200℃在氮氣的氣氛下反應2小時。將預聚物轉移至枝試管中在抽空至0.2mmHg和充氮氣的條件下在240℃反應24小時。得到透明的琥珀色的固體，經(jīng)四氫呋喃溶解和用甲醇沉淀凈化后得到白色的粉末既為產(chǎn)品。經(jīng)測試，樣品的數(shù)均分子量為9800，Tg為110℃，在1.55微米處的折射率為1.478。
實施例3合成在基本配方的基礎上加對苯二甲酸改性的聚酯在100ml梨形瓶中加入10g的1，1，1，3、3、3、-六氟雙酚A雙乙酸酯、4.57g的2、2，3、3，4、4，-六氟戊二酸和0.8g對苯二甲酸，再加入0.03g二丁基氧化錫做為催化劑。將梨形瓶裝在旋轉蒸發(fā)儀上用油浴加熱至200℃在氮氣的氣氛下反應2小時，在體系的粘度增加后抽真空至0.1mmHg，反應11小時。將預聚物轉移至枝試管中在抽空和充氮氣的條件下在240℃反應24小時。得到透明的琥珀色的固體，經(jīng)四氫呋喃溶解和用甲醇沉淀凈化后得到白色的粉末既為產(chǎn)品。經(jīng)測試，樣品的數(shù)均分子量為9800，Tg為113℃，在1.55微米處的折射率為1.512，該材料可做為芯層材料使用。
實施例4合成在基本配方的基礎上加多量對苯二甲酸改性聚酯在100ml梨形瓶中加入10g的1，1，1，3、3、3、-六氟雙酚A雙乙酸酯、3.9g的2、2，3、3，4、4，-六氟戊二酸和1.2g對苯二甲酸，再加入0.03g二丁基氧化錫做為催化劑。將梨形瓶裝在旋轉蒸發(fā)儀上用油浴加熱至200℃在氮氣的氣氛下反應2小時，在體系的粘度增加后抽真空至0.1mmHg，反應11小時。將預聚物轉移至枝試管中在抽真空和充氮氣的條件下在240℃反應24小時。得到透明的琥珀色的固體，經(jīng)四氫呋喃溶解和用甲醇沉淀凈化后得到白色的粉末既為產(chǎn)品。經(jīng)測試，樣品的數(shù)均分子量為9800，Tg為116℃，在1.55微米處的折射率為1.524，該材料可做為芯層材料使用，其包層材料可選用實施例二中所制備的材料。
實施例5在基本配方的基礎上加順丁烯二酸合成可光交聯(lián)的含氟聚酯在100ml梨形瓶中加入10g的1，1，1，3、3、3、-六氟雙酚A雙乙酸酯、4.57g的2、2，3、3，4、4，-六氟戊二酸和0.912g對順丁烯二酸，再加入0.031g二丁基氧化錫做為催化劑。將梨形瓶裝在旋轉蒸發(fā)儀上用油浴加熱至200℃在氮氣的氣氛下反應2小時，在體系的粘度增加后抽真空至0.1mmHg，反應11小時。將預聚物轉移至枝試管中在抽真空和充氮氣的條件下在240℃反應24小時。得到透明的琥珀色的固體，經(jīng)四氫呋喃溶解和用甲醇沉淀凈化后得到白色的粉末既為產(chǎn)品。經(jīng)測試樣品的數(shù)均分子量為12000，Tg為100℃，在1.55微米處的折射率為1.494，該材料可作包層使用。
實施例6在實施例四的基礎上加順丁烯二酸合成可光交聯(lián)的含氟聚酯在100ml梨形瓶中加入10g的1，1，1，3、3、3、-六氟雙酚A雙乙酸酯、4.57g的2、2，3、3，4、4，-六氟戊二酸和0.68g對順丁烯二酸，再加入0.28g對苯二甲酸以及0.031g二丁基氧化錫做為催化劑。將梨形瓶裝在旋轉蒸發(fā)儀上用油浴加熱至200℃在氮氣的氣氛下反應2小時，在體系的粘度增加后抽真空至0.1mmHg，反應11小時。將預聚物轉移至枝試管中在抽真空和充氮氣的條件下在240℃下反應24小時。得到透明的琥珀色的固體，經(jīng)四氫呋喃溶解和用甲醇沉淀凈化后得到白色的粉末既為產(chǎn)品。經(jīng)測試樣品的數(shù)均分子量為12000，Tg為105℃，在1.55微米處的折射率為1.505，該材料可作包層使用。
實施例7取氟化聚酯化合物(I)溶于乙酸丁酯中，經(jīng)0.4微米膜過濾后濃縮至濃度為20％做為包層材料，備用。
取氟化聚酯化合物芯層(通式V所占比例為15％)溶于乙酸丁酯中，經(jīng)0.4微米膜過濾后濃縮至濃度為20％做為芯層，備用。
實施例8、一種旋涂的方式將實施例1或實施例2制備的包層材料(2)涂于處理過的襯底硅片(1)上，以3000轉/分鐘的轉速旋轉，旋轉時間為30秒，然后進行烘干，得到下包層(2)的厚度為8微米；再將芯層(3)材料以同樣的轉速旋涂于包層材料上(2)，使芯層材料(3)的厚度在6微米范圍，烘干后蒸鍍一層50nm的鋁膜(4)，然后旋涂光刻膠(5)，光刻膠(5)前烘后用AWG掩膜板(7)進行光刻、顯影，將掩膜板(7)上的AWG圖形轉移到光刻膠(5)上，通過顯影進一步將AWG圖形轉移到鋁膜(4)上。
實施例9、反應離子刻蝕將實施例8制備的樣品放置于反應離子刻蝕機中，在氧氣條件下進行反應離子刻蝕(9)，光刻膠(5)首先被刻蝕掉，露出鋁膜(4)，由于鋁膜在氧氣氣氛中的反應離子刻蝕時，鋁會與氧氣反應，在表面形成一層氧化鋁，阻擋住氧氣與其下面的芯層聚合物(3)反應，起到很好的掩膜作用，可以保證制作的聚合物波導的端面形狀。反應離子刻蝕的入射微波功率200瓦，反射功率＜1瓦時，刻蝕15分鐘；然后用NaOH溶液去除鋁膜(4)。最后在刻蝕后的樣品上旋涂上包層材料(12)，控制材料的厚度為6微米。這樣就制備出符合設計要求的陣列波導光柵器件。
權利要求
1.有機聚合物陣列波導光柵，依次由硅襯底(1)、下包層(2)、芯層(13)和上包層(12)組成，其特征在于下包層(2)和上包層(12)以及芯層(13)均是有機聚合物材料，芯層(13)的折射率大于下包層(2)和上包層(12)。
2.如權利要求1所述的有機聚合物陣列波導光柵，其特征在于用作包層(2)、(12)和芯層(13)的有機聚合物為含氟聚酯，其通式如(I)所示-[O-R1]m-[O-R2]n-[O-R3]l-[O-R4]g-(I)式中，m、n、l、g均為整數(shù)，m∶(n+l+g)＝1∶1，其中l(wèi)，g≥0。R1、R2、R3、R4的含義如(II)、(III)、(IV)、(V)所示 在通式(I)中，芯層(13)的g值大于包層(2)、(12)的g值。
3.如權利要求1所述的有機聚合物陣列波導光柵，其特征在于用作包層(2)、(12)材料的有機聚合物為甲基丙烯酸甲酯與甲基丙烯酸環(huán)氧丙酯共聚物，其結構式如通式(VI)所示 在通式(VI)中加入高折射率調(diào)節(jié)材料-雙酚A環(huán)氧樹脂(VII)作為芯層(13)材料使用，控制材料(VII)的含量，使芯層材料的折射率在1.48-1.58之間。
4.有機聚合物陣列波導光柵的制備方法，其步驟為以單晶硅片為襯底(1)，在硅片上先用旋涂法涂覆聚合物下包層材料(2)后進行前烘，然后旋涂聚合物波導芯層材料(3)；烘干后在芯層材料上蒸發(fā)或濺射一層金屬鋁膜(4)，再在鋁膜(4)上涂覆光刻膠(5)，用陣列波導光柵掩膜板(7)進行光刻；然后進行氧反應離子刻蝕(9)；刻蝕后在聚合物芯層材料上得到陣列波導光柵的圖形，在得到的樣品上旋涂聚合物上包層材料(12)，烘干后得到陣列波導光柵(17)。
5.如權利要求4所述的有機聚合物陣列波導光柵的制備方法，其特征在于旋涂下包層、芯層，是指將經(jīng)過0.4微米及0.4微米以下的過濾器過濾的濃度為15-30％的聚合物材料滴在處理過的硅襯底(1)上，將硅襯底(1)置于旋轉涂覆機上，在3000-4000轉/分的轉速下旋轉襯底進行涂膜，旋涂的時間為30-60秒，使聚合物包層(2)均勻涂在襯底(1)上，包層(2)的厚度為10-20微米，然后將芯層聚合物材料(3)以4000-6000轉/分的轉速勻旋涂在(2)上，厚度為4-6微米；蒸鋁是在芯層材料(3)上用蒸發(fā)或濺射的方法蒸鍍一層30-100納米的鋁膜(4)，然后在鋁膜(4)上旋涂一層正性光刻膠(5)；掩膜是將帶有陣列波導光柵圖形的掩膜板(7)放置在光刻膠上，用紫外光(8)進行照射，通過腌膜板(7)的透光區(qū)(6)將光刻膠曝光，顯影后把圖形轉移到光刻膠(5)上；光刻是將樣品置于光刻機上，用365nm、200W紫外光(8)進行照射，通過腌膜板(7)的透光區(qū)(6)將光刻膠曝光，曝光時間為30-60秒，將曝光后的樣品用NaOH的水溶液進行顯影，NaOH與H2O的配比為0.3-0.6g∶100ml，顯影時間是50-90秒，通過顯影把AWG圖形轉移到光刻膠(5)上；反應離子刻蝕(16)是將經(jīng)過過程(14)、(15)后帶有AWG圖形的樣品在氧氣條件下進行反應離子刻蝕(9)，入射微波功率100-200瓦，反射功率＜1瓦時，刻蝕5-20分鐘；然后用同樣濃度的NaOH溶液去除鋁膜(4)；旋涂上包層(12)是將濃度為15％-30％的聚合物上包層材料用旋轉涂膜的方法均勻涂在帶有AWG圖形的樣品上，厚度為4-6微米，進而得到聚合物陣列波導光柵器件，此過程如圖3(17)所示。
全文摘要
本發(fā)明屬于有機聚合物陣列波導光柵及其制作方法以單晶硅片為襯底(1)，在硅片上涂覆聚合物下包層材料(2)后進行烘干，然后旋涂聚合物芯層材料(3)；烘干后在芯層材料上蒸發(fā)或濺射鋁膜(4)，再在鋁膜上涂覆光刻膠(5)，用陣列波導光柵掩膜板(7)進行光刻；然后進行氧反應離子刻蝕(9)；刻蝕后在聚合物芯層材料上得到陣列波導光柵的圖形，再旋涂聚合物上包層材料(12)，烘干后得到陣列波導光柵。本發(fā)明的器件及其制作方法不僅容易控制聚合物芯層(13)和包層材料((2)、(12))的折射率差，而且容易控制每一層材料的厚度；可靈活選擇包層和芯層材料，實現(xiàn)優(yōu)化設計，器件成本低，成品率高，適合大批量生產(chǎn)。
文檔編號G02B6/124GK1527076SQ0312717
公開日2004年9月8日 申請日期2003年9月22日 優(yōu)先權日2003年9月22日
發(fā)明者張大明, 崔占臣, 趙禹, 王菲, 馬春生, 劉式墉 申請人:吉林大學