有机聚合物阵列波导光栅及其制作方法技术

本发明专利技术属于有机聚合物阵列波导光栅及其制作方法：以单晶硅片为衬底（１），在硅片上涂覆聚合物下包层材料（２）后进行烘干，然后旋涂聚合物芯层材料（３）；烘干后在芯层材料上蒸发或溅射铝膜（４），再在铝膜上涂覆光刻胶（５），用阵列波导光栅掩膜板（７）进行光刻；然后进行氧反应离子刻蚀（９）；刻蚀后在聚合物芯层材料上得到阵列波导光栅的图形，再旋涂聚合物上包层材料（１２），烘干后得到阵列波导光栅。本发明专利技术的器件及其制作方法不仅容易控制聚合物芯层（１３）和包层材料（（２）、（１２））的折射率差，而且容易控制每一层材料的厚度；可灵活选择包层和芯层材料，实现优化设计，器件成本低，成品率高，适合大批量生产。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及，具体涉及采用新型有机聚合物材料为光波导包层和芯层的阵列波导光栅及其制作方法。
技术介绍
波分复用(WDM)技术是解决宽带、大容量光纤网络通信的一种有效方法。复用/解复用器是构造WDM系统的关键器件。现在实用的复用器包括多层薄膜滤波器型、光纤布拉格光栅滤波器型和阵列波导光栅型。其中，阵列波导光栅(AWG)被认为是最有发展前途的一种适用于密集型WDM系统的新型光波分复用器件。它可以工作在高阶衍射，因此即使它的总尺寸很小，也有很好的毫微米量级的波长分辨率。AWG不仅可以用作波分复用、解复用、波长路由及波长监测，而且具有波长间隔小、利于集成、信道数多、串扰低、输出平坦等特点，是光纤网络中许多功能模块的重要组成部分。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应离子刻蚀制作。即，用火焰水解法在单晶硅衬底上淀积一层二氧化硅(SiO2)材料的厚膜(约20微米)作为下包层，经过高温致密化处理后再在下包层上淀积一层掺杂二氧化锗(GeO2)的二氧化硅(SiO2)厚膜(4-6微米)作为波导的芯层；再次高温致密化处理后用带有AWG图形的掩膜板放在波导芯层上进行掩膜，运用反应离子刻蚀法在芯层上刻蚀出AWG图形；最后淀积一层SiO2厚膜作为上包层，第三次高温致密化处理制作出AWG器件。这种制作AWG器件的方法需要三次高温致密化处理(1100℃-1400℃)，由于衬底硅材料和波导SiO2材料的热膨胀系数相差很大，高温处理后在室温时会在二者之间形成较大的应力，从而很容易造成波导薄膜的龟裂；同时高质量厚膜SiO2波导材料的生长及刻蚀设备昂贵、工艺流程复杂、波导芯层的厚度及掺杂成分不易控制，而且芯层材料的折射率改变较小、中心波长不可调及容易偏离设计值，在器件中还需加入色散补偿波片等问题。本专利技术正是为了解决上述问题而提出来的。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题就是克服
技术介绍
的不足，寻找一种经济快捷的工艺制备AWG器件，不再使用昂贵的厚膜生长和相应的刻蚀设备，同时避开高温生长材料的困难，并可以使器件的中心波长得到微调，利于器件的优化设计；易于控制波导的芯层厚度和折射率，在较低的温度范围内(室温到150℃)容易实现的工艺过程制作AWG器件。本专利技术的聚合物阵列波导光栅结构如图1及图2所示，由输入波导、两个罗兰圆、阵列波导和输出波导组成。输入波导、阵列波导和输出波导的涂层结构相同，从下向上各层依次为硅衬底(1)、下包层(2)、芯层(13)和上包层(12)。有机聚合物阵列波导光栅的输入波导、输出波导可根据需要进行设计，阵列波导由100-500条波导组成，具体数目可根据实际工艺条件确定。聚合物阵列波导光栅的光学原理是，相邻阵列波导的长度差为常数，由光纤耦合进入输入波导的多波长光经两个罗兰园后功率按光栅衍射理论分布，根据阵列波导光栅衍射远场的模式分布的公式，可以得到不同的波长输出在相应的输出波导中。。本专利技术制作的有机聚合物阵列波导光栅，工作的中心波长为1.55μm，通道间隔可以实现0.8nm或者1.6nm，相邻通道间的串扰小于25dB，器件的插入损耗在3-10dB。器件的性能参数与SiO2/Si AWG器件性能相近，但聚合物AWG器件的价格远远低于SiO2/SiAWG器件。本专利技术有机聚合物阵列波导光栅的制作方法，参见附图3具体叙述为以单晶硅片为衬底(1)，在硅片上先用旋涂法涂覆聚合物下包层材料(2)后进行前烘，然后旋涂聚合物波导芯层材料(3)；烘干后在芯层材料上蒸发或溅射一层金属铝膜(4)，再在铝膜(4)上涂覆光刻胶(5)，用阵列波导光栅掩膜板(7)进行光刻；然后进行氧反应离子刻蚀(9)；刻蚀后在聚合物芯层材料上得到阵列波导光栅的图形。在得到的样品上旋涂聚合物上包层材料(12)，烘干后得到阵列波导光栅(17)。采用上述方法可以根据需要得到4、8、16、32、64甚至更多通道数的有机聚合物阵列波导光栅器件。本专利技术的波导包层和芯层材料均由聚合物材料构成，所选用的聚合物材料作为包层和芯层旋涂前均为溶液状态，需要经过0.4微米及0.4微米以下的过滤器过滤；包层材料可以是氟化聚酯或氟化聚酰亚胺，也可是不含氟的聚合物材料；芯层材料是在上面所述的包层材料中加入高折射率调节剂或调节合成包层材料反应物的配比(高折射率的聚合物材料)来构成，从而使得芯层材料的折射率在1.46-1.60之间。通过控制高折射率材料在整个芯层材料中的含量可以很容易地根据实际情况调节整个芯层材料的折射率，使制备的波导为单模波导。聚合物材料可同时具备热交联或光交联特性，在100-130℃下或紫外光(＜365nm)照射下可发生交联反应，使材料的稳定性提高。本专利技术所使用的包层和芯层材料是一种氟化聚酯，其分子结构式如通式(I)所示-m-n-1-g-(I)式中，m、n、l、g均为整数，m(n+l+g)＝11，其中1，g≥0。R1、R2、R3、R4的含义如(II)、(III)、(IV)、(V)所示 上述氟化聚酯用作包层材料和芯层材料的区别是通式(I)中R4基团可以改进含氟聚酯的热性能和力学性能及调节聚合物的折射率。当g＝0时，通式(I)对应的含氟聚酯材料可用作包层材料，而对于g＞0的通式(I)材料则可用作芯层材料；当g＞0且较小时，可用作包层材料，相应的芯层材料则选择较大的g＞0的数值。本专利技术所使用的含氟聚酯可采用如下的方法制备其包括六氟双酚A二乙酸酯的合成、预聚和聚合三个步骤首先用1，1，1，3、3、3、-六氟双酚A和乙酸酐反应制得1，1，1，3、3、3、-六氟双酚A二乙酸酯，再将它和2、2，3、3，4、4，-六氟戊二酸进行酯交换反应经预聚和聚合得到在1.55微米处光损耗较小的聚酯(光损耗为0.56dB/cm)。一、(1)1，1，1，3、3、3、-六氟双酚A双乙酸酯的合成反应将一定量的六氟双酚A置于带有搅拌器、回流冷凝管、滴液漏斗的三颈瓶中，然后在搅拌下滴加六氟双酚A摩尔数2.5倍的乙酸酐，此时体系呈悬浊液，5～10分钟后滴加1ml～2ml浓硫酸，反应放热呈现澄清溶液，10～20分钟后用水浴加热到40℃～50℃反应30～60分钟。撤去水浴、在三颈瓶中加入碎冰，体系中出现白色固体，过滤出固体用NaHCO3溶液洗涤两次，用NaOH溶液洗涤两次最后用蒸馏水洗至中性，烘干、备用。(2)1，1，1，3、3、3、-六氟双酚A双乙酸酯的结构表征①1、1，1，1，3、3、3、-六氟双酚A双乙酸酯的FTIR谱中，如附图4所示，1，1，1，3、3、3、-六氟双酚A的3200～3400cm-1处的羟基峰消失，在1700处出现酯羰基特征振动峰，这表明羟基全部被酯化。②质谱分析M/Z＝420(1，1，1，3、3、3、-六氟双酚A双乙酸酯的分子量为420)③元素分析结果1，1，1，3、3、3、-六氟双酚A双乙酸酯元素分析结果 二、(1)1，1，1，3、3、3、-六氟双酚A双乙酸酯和2、2，3、3，4、4，-六氟戊二酸的酯交换预聚反应和高温聚合反应在100ml梨形瓶中加入一定量的1，1，1，3、3、3、-六氟双酚A双乙酸酯和等摩尔的2、2，3、3，4、4，-六氟戊二酸，再加入占反应物质总重量百分比为0.1～0.3％二丁基氧化锡做为催化剂。将梨形瓶装在旋本文档来自技高网...

【技术保护点】
有机聚合物阵列波导光栅，依次由硅衬底（１）、下包层（２）、芯层（１３）和上包层（１２）组成，其特征在于：下包层（２）和上包层（１２）以及芯层（１３）均是有机聚合物材料，芯层（１３）的折射率大于下包层（２）和上包层（１２）。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：张大明，崔占臣，赵禹，王菲，马春生，刘式墉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：82[中国|长春]