專利名稱：摻稀土元素聚合物波導(dǎo)的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種摻稀土元素光放大器的制造方法，特別是關(guān)于一種可用在摻鉺波導(dǎo)放大器(EDWAs，Erbium-Doped Waveguide Amplifiers)中的摻稀土元素聚合物波導(dǎo)的制造方法。
背景技術(shù)：
光放大器可提高系統(tǒng)終端的光輸出功率，也可用作中繼器增大中繼距離。摻稀土元素放大器受激后能產(chǎn)生與入射光波長相同的激光，其中摻鉺放大器是被廣泛應(yīng)用的摻稀土元素放大器。
摻鉺光纖放大器(EDFA，Erbrium-Doped Fiber Amplifier)是典型的摻鉺放大器，因其價格昂貴而較少應(yīng)用于高密集型城域網(wǎng)絡(luò)(MANs，MetropolitanArea Networks)，一般用于越洋電纜通訊。摻鉺波導(dǎo)放大器具有摻鉺光纖放大器的大部分優(yōu)點(diǎn)，且其應(yīng)用于城域網(wǎng)絡(luò)更經(jīng)濟(jì)，具有更好的性價比。摻鉺波導(dǎo)放大器由嵌入玻璃基片中的摻鉺波導(dǎo)組成，其與摻鉺光纖放大器的相似之處在于它們的增益介質(zhì)均采用摻鉺波導(dǎo)。
制造摻鉺波導(dǎo)放大器的一種方法是離子交換法，其包括兩步第一步，制備均勻摻有氧化鉺的玻璃基片；第二步為離子交換步驟，此過程是將所述玻璃基片浸在鹽浴中，由于在玻璃基片與鹽的接口處存在離子濃度梯度，從而鉺離子和鹽離子可進(jìn)行交換。在交換過程中遠(yuǎn)離基片中心區(qū)域的鉺離子較基片中心的鉺離子更易失去，因而玻璃基片中鉺離子的密度呈漸變分布，進(jìn)而可在玻璃基片的表面下產(chǎn)生幾個微米深的信道波導(dǎo)，玻璃包層將確保波導(dǎo)的穩(wěn)定性。
另一種制造摻鉺波導(dǎo)放大器的方法是濺射沉積法，首先將選定適合作芯層的材料制成靶，并將其置于真空室中基片的對面。通入氬氣及氧氣，以使真空室內(nèi)的壓力在0.3～25Pa范圍內(nèi)變化。在射頻電場作用下，氬原子加速向靶運(yùn)動并轟擊靶材，使其上原子和/或分子濺射出靶材表面并沉積在基片上，此過程持續(xù)到沉積層達(dá)到需要的厚度。
請參閱圖4，美國專利第5,982,973號揭示了一種摻鉺平面光波導(dǎo)100。該光波導(dǎo)100包括一基片102，置于該基片102上的下包層104，置于該下包層104上的活動導(dǎo)向?qū)?06，置于該活動導(dǎo)向?qū)?06上的上包層108。其中活動導(dǎo)向?qū)?06及上包層108是由玻璃材料利用濺射沉積法而生成的。
美國專利第H1,848號揭示了一種沿Z-軸方向傳播的波導(dǎo)激光及放大器裝置，該裝置利用摻稀土元素的LiNbO3晶體作為波導(dǎo)基片。在LiNbO3晶體基片上形成的波導(dǎo)與LiNbO3晶體晶軸Z方向大致平行，可用金屬擴(kuò)散法形成具有漸變折射率分布的晶體波導(dǎo)。
離子交換法、美國專利第5,982,973號揭示的濺射沉積法及美國專利第H1,848號揭示的金屬擴(kuò)散法，此三種方法共同缺點(diǎn)是難于控制、耗費(fèi)時間及成本高。

發(fā)明內(nèi)容綜上所述，為克服現(xiàn)有技術(shù)中波導(dǎo)成本高的缺點(diǎn)，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種低成本波導(dǎo)的制造方法。
為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明摻稀土元素聚合物波導(dǎo)的制造方法包括如下步驟準(zhǔn)備基片；在基片上旋轉(zhuǎn)涂覆聚合物，形成下包層；在下包層上旋轉(zhuǎn)涂覆由聚合物及可受激發(fā)光的稀土金屬離子絡(luò)合物組成的混合物，形成芯層；利用掩模板、紫外線曝光及蝕刻技術(shù)，形成至少一個信道波導(dǎo)；在信道波導(dǎo)及下包層暴露的部分上面旋轉(zhuǎn)涂覆聚合物，形成上包層。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明是利用稀土金屬離子與有機(jī)化合物絡(luò)合形成絡(luò)合物，再將此絡(luò)合物溶于聚合物中，從而增大了稀土金屬離子在聚合物基質(zhì)中的溶解度。為得到相同濃度的摻稀土金屬離子的波導(dǎo)，本發(fā)明所需的稀土金屬離子量與現(xiàn)有技術(shù)相比更少，因此可減少稀土金屬離子的使用量，降低制造成本。

圖1是本發(fā)明較佳實(shí)施例制造摻稀土元素聚合物波導(dǎo)的方法各步驟示意圖。
圖2是圖1所示的旋轉(zhuǎn)涂覆步驟的不同階段示意圖。
圖3是圖1所示的形成信道波導(dǎo)步驟的兩種不同方法的示意圖。
圖4是現(xiàn)有平面光波導(dǎo)的剖視圖。
具體實(shí)施方式下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。
請參閱圖1，本發(fā)明制造摻稀土元素聚合物波導(dǎo)的方法包括如下五個步驟步驟1準(zhǔn)備硅基片11；步驟2在基片11上旋轉(zhuǎn)涂覆聚合物，形成下包層12；步驟3在下包層12上旋轉(zhuǎn)涂覆由包括聚合物及稀土金屬離子絡(luò)合物組成的混合物，形成芯層13；步驟4利用濕法蝕刻技術(shù)蝕刻芯層13，在下包層12上形成信道波導(dǎo)14；步驟5在信道波導(dǎo)14及下包層12暴露的部分上面旋轉(zhuǎn)涂覆聚合物，形成上包層15。
下面將詳細(xì)說明每一步的具體過程。
步驟1是準(zhǔn)備硅基片11(亦稱硅芯片)，該硅基片按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)切削、拋光及清洗等過程形成上表面111(請參閱圖2)。
請參閱圖2，步驟2是在基片11上旋轉(zhuǎn)涂覆涂覆液21，形成下包層12，此過程可分為四個階段。第一階段，在基片11的上表面111上涂覆由噴嘴22中噴出的涂覆液21，涂覆液21可為氟化聚合物，此階段所需涂覆液21的量遠(yuǎn)超過最終形成下包層12所需的量。第二階段，基片11圍繞垂直于其上表面111的軸23旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)速度從靜止逐漸加速至預(yù)設(shè)的旋轉(zhuǎn)速度ω2。在加速過程中，過量涂覆液211可從上表面111上移除。起始速度較低時，過量涂覆液211在涂覆液21上呈現(xiàn)螺旋形，隨著旋轉(zhuǎn)速度的增大，涂覆液21逐漸變薄，當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度增到ω2時，上表面111上的涂覆液21達(dá)到一個平衡態(tài)，達(dá)到此平衡態(tài)時涂覆液21剩余分子與基片11上表面111間指向軸23的黏力同為防止涂覆液21脫離基片11所需的向心力相等。第三階段，基片11以恒速度ω3旋轉(zhuǎn)，此時涂覆液21的黏力占主導(dǎo)地位，從而可使涂覆液21在表面111上的厚度均勻一致。第四階段，基片11以恒速度ω4旋轉(zhuǎn)，利用加熱器(圖未示)加熱旋轉(zhuǎn)的上表面111，同時用干燥、潔凈的熱空氣24朝上表面111吹氣，以使涂覆液21中的溶劑蒸發(fā)。四個階段完成后，則形成下包層12?？赏ㄟ^選擇涂覆液21的溶液濃度、分子量及不同階段基片11繞軸23的旋轉(zhuǎn)速度ω2、ω3、ω4控制下包層12的厚度。
步驟3在下包層12上旋轉(zhuǎn)涂覆形成芯層13。大體上該過程包括步驟2中同樣的四個階段，不同之處在于步驟3是用包括聚合物及稀土金屬離子絡(luò)合物組成的混合物的溶液代替步驟2中的涂覆液21。為得到上述溶液，需選擇具有多齒籠狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物，其可與置于分子中心的稀土金屬離子絡(luò)合，此有機(jī)化合物可為冠醚化合物。其絡(luò)合過程如下首先制備冠醚化合物的乙醇溶液，其次向選定的稀土金屬氯化物溶于乙醇所配成的溶液中逐滴滴入冠醚化合物的乙醇溶液，并在50℃的溫度下持續(xù)攪拌反應(yīng)直至溶液澄清透明。向該溶液中滴加堿性溶液使其至弱酸性，此時會有固體從溶液中析出，過濾出此固體并重結(jié)晶純化得到絡(luò)合物。將此絡(luò)合物溶于聚合物中，得到包括聚合物及稀土金屬離子絡(luò)合物組成的混合物溶液。需選用可受激發(fā)光的稀土金屬離子為摻雜金屬離子，如鉺(Er)、銩(Tm)、鈥(Ho)、鐠(Pr)、釤(Sm)、鈰(Ce)、鐿(Yb)、釹(Nd)、銪(Eu)或釓(Gd)離子。芯層13中可同時摻有不同的上述稀土金屬離子，且作為芯層13的原料其折射率高于作為下包層12及上包層15的原料折射率。步驟3完成后，則在下包層12上形成摻有稀土金屬離子的芯層13。
請參閱圖3，步驟4包括在芯層13上旋轉(zhuǎn)涂覆光刻膠35、在光刻膠35上覆蓋一層掩模板32、利用紫外線31照射掩模板32及利用濕法蝕刻技術(shù)在芯層13內(nèi)形成波導(dǎo)圖案14。在芯層13上旋轉(zhuǎn)涂覆光刻膠35包括步驟2中相似的四個階段，不同之處在于是用含有光刻膠35的溶液代替步驟2中的涂覆液21。該光刻膠35可以是正性光刻膠如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，亦可以是負(fù)性光刻膠如Kodak薄膜抗蝕劑(KTFR)(一種重氮感光的聚異戊二烯橡膠)。此二種不同類型的光刻膠35已被廣泛應(yīng)用，其中正性光刻膠經(jīng)過紫外線31照射后更易溶解，負(fù)性光刻膠則經(jīng)過紫外線31照射后更難溶解。若使用正性光刻膠35，其經(jīng)過紫外線31照射后更易溶解在二甲苯，若使用負(fù)性光刻膠35，則經(jīng)過紫外線31照射后可將其溶解于氫氧化鉀(KOH)溶液、氫氧化四甲銨(TMAH)、酮及乙酸酯中的任意一種中。
覆蓋在光刻膠35上的掩模板32包括抗光部分34及透光部分33。在較佳的實(shí)施例中，掩模板32與光刻膠35間的距離在1μm到10μm范圍之間。掩模板32的制造及使用是現(xiàn)有技術(shù)，例如可用電子束掃描曝光覆在二氧化硅掩模片上的光刻膠而制成掩模板32。
將掩模板32置于光刻膠35上后，再用紫外線31照射整塊掩模板32。位于掩模板32的透光部分33下面的光刻膠部分經(jīng)紫外線31照射后可發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)，發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)后其在蝕刻液中的溶解度變化取決于使用的光刻膠35是正性光刻膠還是負(fù)性光刻膠。經(jīng)紫外線31照射后，將掩模板32從光刻膠35上移除掉。
蝕刻液的選擇也是現(xiàn)有技術(shù)，其也取決于使用的光刻膠35是正性光刻膠還是負(fù)性光刻膠。蝕刻過程如下首先用濕法蝕刻移除光刻膠35的可溶部分，再用相同或不同的蝕刻液移除芯層13暴露的部分，最后用不同的蝕刻液移除光刻膠35在第一次蝕刻中沒有溶掉的部分。經(jīng)此步驟在下包層12上形成摻有選定的稀土金屬離子的信道波導(dǎo)圖案14。
步驟5在信道波導(dǎo)14及下包層12暴露的部分上面旋轉(zhuǎn)涂覆聚合物，形成上包層15。該過程包括與步驟2中相似的四個階段。
經(jīng)過五個步驟實(shí)現(xiàn)摻稀土元素聚合物波導(dǎo)的制造。
權(quán)利要求
1.一種聚合物波導(dǎo)的制造方法，包括如下步驟準(zhǔn)備基片；在該基片上旋轉(zhuǎn)涂覆聚合物形成下包層；在該下包層上旋轉(zhuǎn)涂覆形成芯層，該芯層由聚合物及一定量的稀土金屬離子絡(luò)合物組成的混合物構(gòu)成，該稀土金屬離子絡(luò)合物由有機(jī)化合物與可受激發(fā)光的稀土金屬離子絡(luò)合而成；利用掩模板、射線曝光及蝕刻技術(shù)，在該芯層形成至少一個信道波導(dǎo)；旋轉(zhuǎn)涂覆聚合物，形成上包層以覆蓋該信道波導(dǎo)。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該蝕刻技術(shù)是濕法蝕刻技術(shù)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該聚合物及一定量的稀土金屬離子絡(luò)合物組成的混合物由具有多齒籠狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物與置于其分子中心的稀土金屬離子在有機(jī)溶液中絡(luò)合形成絡(luò)合物后，再溶在聚合物中而形成。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于該具有多齒籠狀結(jié)構(gòu)的有機(jī)化合物是冠醚。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于該射線是紫外線，并用其照射曝光覆在芯層上的光刻膠。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于該光刻膠是正性光刻膠。
7.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于該光刻膠是負(fù)性光刻膠。
8.如權(quán)利要求6所述的方法，其特征在于該光刻膠用二甲苯溶解。
9.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于該光刻膠原料可用氫氧化鉀溶液、氫氧化四甲銨、酮及乙酸酯中的任意一種溶解。
10.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于該制備具有多齒籠狀結(jié)構(gòu)并與稀土金屬離子絡(luò)合的絡(luò)合物步驟包括首先制備冠醚化合物的乙醇溶液，其次向選定的稀土金屬氯化物溶于乙醇所配成的溶液中逐滴滴入該冠醚化合物的乙醇溶液。
11.一種制備由聚合物及摻雜離子絡(luò)合物組成的混合物的溶液的方法，該溶液可用在以聚合物為基底的光器件中，該方法包括如下步驟制備冠醚化合物的乙醇溶液；向稀土金屬氯化物溶于乙醇所配成的溶液中逐滴滴入該冠醚化合物的乙醇溶液，形成混合溶液；持續(xù)攪拌該混合溶液直至其澄清透明；向該混合溶液中滴加堿性溶液使其至弱酸性，此時會有絡(luò)合物粗固體從該混合溶液中析出；從該混合溶液中過濾出該絡(luò)合物粗固體；重結(jié)晶純化該絡(luò)合物粗固體得到純絡(luò)合物；將該純絡(luò)合物溶于聚合物。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于該持續(xù)攪拌該混合溶液的溫度為50℃。
13.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于該稀土金屬離子可受激發(fā)光。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其特征在于該稀土金屬離子可從鉺(Er)、銩(Tm)、鈥(Ho)、鐠(Pr)、釤(Sm)、鈰(Ce)、鐿(Yb)、釹(Nd)、銪(Eu)及釓(Gd)離子中選用。
全文摘要
本發(fā)明揭示了一種摻稀土元素聚合物波導(dǎo)的制造方法，包括如下步驟準(zhǔn)備基片；在基片上旋轉(zhuǎn)涂覆聚合物，形成下包層；在下包層上旋轉(zhuǎn)涂覆由聚合物及可受激發(fā)光的稀土金屬離子絡(luò)合物組成的混合物，形成芯層；利用掩模板、紫外線曝光及蝕刻技術(shù)，形成至少一個信道波導(dǎo)；在信道波導(dǎo)及下包層暴露的部分上面旋轉(zhuǎn)涂覆聚合物，形成上包層。本發(fā)明是利用稀土金屬離子與有機(jī)化合物絡(luò)合形成絡(luò)合物，再將此絡(luò)合物溶于聚合物中，從而增大了稀土金屬離子在聚合物基質(zhì)中的溶解度。為得到相同濃度的摻稀土金屬離子的波導(dǎo)，本發(fā)明所需的稀土金屬離子量與現(xiàn)有技術(shù)相比更少，因此可減少稀土金屬離子的使用量，降低制造成本。
文檔編號H01S3/17GK1455273SQ03125050
公開日2003年11月12日 申請日期2003年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月3日
發(fā)明者呂昌岳, 陳杰良 申請人:鴻富錦精密工業(yè)(深圳)有限公司, 鴻海精密工業(yè)股份有限公司