光电子器件和光子器件制造技术

通过使用具有低于标称操作温度的玻璃化转变温度（Ｔｇ）的聚合物材料制造光电子和光子器件（１００）。通过使用此类材料，提高了局部或片段迁移率，因此聚合物材料的局部应力被消除或最低化，使得聚合物性能更加稳定。本发明专利技术涉及在高于Ｔｇ的操作温度范围内把聚合物用于光子器件（１００），此时聚合物交联键之间的片段能够进行局部的自由运动；然而材料的大规模运动受到聚合物材料交联结构的限制。因此，按照本发明专利技术制造的器件的操作温度优选远离Ｔｇ附近的粘弹性区和远离低于Ｔｇ的玻璃态区。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

技术介绍
本专利技术涉及光学或光子元器件，更具体为涉及由聚合物形成的光电子器件。已知集成的光学器件(即，波导管、开关、连接线等)是由聚合物材料制造的，该聚合物材料的玻璃化转变温度(Tg)比器件的操作温度范围高得多。玻璃化转变温度是聚合物主链发生明显的局部运动的温度范围。Tg通常被定义为大约10个主链单位的协同运动，或粘度为1014泊，或热容的二级相变。体积随温度而变化的速率的斜率发生变化的温度被认为是玻璃化温度，或软化点。对附图说明图1和图2所说明的粘弹性和特性的详细描述见G.B.McKenna，第10章，综合聚合物科学(Comprehensive Polymer Science)，第2卷，由C.Booth和C.Price，编写，Permagon Press，Oxford(1989)。当交联键之间的分子量足以允许主链单元的协同运动时，交联的物质显示玻璃化转变。因此，交联度低的物质会表现出玻璃化转变；而交联度高的物质则不会。在Tg以下，由于有限量的链段运动，聚合物质达不到平衡。热力学(熵)效应仍然使变化趋于平衡，但如果温度远远低于Tg，变化将以在所感兴趣的时间范围内(本案中指观察期)看不到实验表现的缓慢速率发生。过去之所以选择具有高Tg的材料有几方面的原因，包括与电子加工和包装的兼容性，维持加入到材料中的生色团的取向以及环境和性能的稳定。使用高Tg材料(具有高于成套器件中的材料的操作温度的Tg材料)保证器件在聚合物片段的局部运动受到明显限制的区域工作并且材料在玻璃态使用。在最早开发的用于光电子器件的聚合物膜中，据认为使用高Tg材料是必需的。“例如，许多早期研究的EO聚合物，不论是客体-主体型还是侧链型，均以热塑性丙烯酸酯化学为基础并且玻璃化转变温度为100-150℃。这一低Tg导致聚合物链的高扩散速率以及在环境温度下运转5年至少10％偏振状态光学性质的改变。这么快速的变化是动态过程的自然结果，通过该动态过程，玻璃态聚合物在接近Tg下运转，发生物理老化和松弛从而降低了应力并减少了自由体积。当研究更高的操作温度(125℃)时，光学性质的稳定性变得更差。”(摘自R.Lytel等人的评论论文，用于光波和集成光学器件的聚合物(Polymers for Lightwave and IntegratedOptics)，L.A.Hornak编著，Marcel Dekker 1992，460页)。为集成光电子设备所开发的高玻璃化转变温度材料包括由Hoechst，杜邦(DuPont)，阿莫科(Amoco)及其他公司开发的聚酰亚胺材料(玻璃化转变范围为250℃至适当高于350℃)以及由日立化学(Hitachi Chemical)开发的聚喹啉(Tg高于250℃)。指导研究者的假设是“此类波导管的优先性质是具有高度的热稳定性以与高性能的电子器件构造兼容。氟化的聚酰亚胺具有高于335℃的高玻璃化转变温度，并且对包括焊接(约270℃)在内的集成电路加工过程具有热稳定性。(T.Matsuura等人，Elect.Lett.29 2107-2108(1993))。对用于热-光转换开关的聚合物的要求由R.Moosburger等人报道(Proc.21stEur.Conf.On Opt.Comm.(ECOC95-Brussels)1063-1066页)。“由于其固有的低光损失，在高于350℃下热稳定，低吸湿性以及优良的平面化性能，选择用可购买到的高温(Tg＞350℃)稳定的聚合物CYCLOTENETM....CYCLOTENETM制造在1.3μm波长下的低损失开关。”对被动式光学互连聚合物的要求由DuPont为其PolyguideTM材料体系在R.T.Chen等人的SPIE Vol.3005(1997)238-251页中报道，“高Tg和低热膨胀系数(CTE)聚合物通过其完全控制PoluguideTM的结构性质而提供热-力学和环境稳定性以及性能的稳定。”DuPont使用乙酸丁酸纤维素(CAB)材料，如美国专利5,292,620和5,098,804的描述。除上述丙烯酸酯、聚酰亚胺、聚喹啉、苯并环丁烯和CAB材料体系外，用于制造集成光学器件的其他材料系包括轴节聚合物(C.Wu等，in Polymer for Second-Order Nonlinear Optics，ACS SymposiumSeries 601，356-367页，1995)，环氧化合物(C.Olsen等，IEEE Phot.Tech.Lett.4，145-148页，1992)，polyalkylsilyne和polysilyne(T.Weidman等，inPolymers for Lightwave and Integrated Optics，Op.Cit.195-205页，1992)，聚碳酸酯和聚苯乙烯(T.Kaino，in Polymers for Lightwave and IntegratedOptics，Op.Cit.，1-38，1992页)，聚酯(A.Nahate等，Appl.Phys.Lett.64，3371，1994)，聚硅氧烷(M.Usui等，J.Lightwave Technol.142338，1996)以及硅酮(T.Watanable et al.J.Lightwave Technol.16 1049-1055，1998)。聚甲基丙烯酸甲酯，聚苯乙烯和聚碳酸酯也被用于聚合物光学纤维(POFs)。聚碳酸酯被用做只读光盘的基片，也被用于塑料的眼镜镜片、硬质隐形眼镜及相关应用。硅酮被用于柔性隐形眼镜。几位研究人员利用聚合物的热效应设计了光学开关器件。除R.Moosburger，Op.Cit.，的研究工作外，一个小组一直努力使一种使用数字光波导开关构造的热-光开关商品化(G.R.Mohlmann等，SPIEVol.1560 Nonlinear Optical Propertiea of Organic Materials Iv，426-433页，1991)。在这一工作中，一种耐热成分沉积在高玻璃化转变温度的带有一个波导y分支分流器的热光聚合物层。加热器电极的活化使在活化电极下折射率降低并导致光转化为未活化的波导分支(branch)。在针对用于热-光集成的光学器件的聚合物的研究中获得了本专利技术，观察到由于材料的粘弹性行为而产生的非线性反应。在热-光器件反复转换后，例如，聚合物在被加热处开始表现出折射率的局部变化，干扰了开关的“关闭”状态及其反应时间。聚合物的粘弹性决定了材料对所应用的热或其他干扰的反应的机械性能。这些性能决定了所施加的变化(例如热、应力、声音激发等)在材料性质(例如折射率、机械应力等的变化)中所产生的的时间依赖型响应的比例。任何真正的弹性作用通常都是线性的并且在停止所施加的变化时，弹性消失。然而，材料响应的时间依赖型因素在移去所施加的变化后仍然滞留在材料中并且可能需要数分钟至很长的时间恢复。如果材料的响应导致器件运转性能的退化，则退化可能会随着时间而累积并导致器件不能满足性能规格。对于在通讯中使用的光学器件，此类行为是不受欢迎的，因为它可能降低介入损耗、抗串音以及其他对系统的误码率具有重要意义的性能措施。任何此类随时间变化的因素都是电讯应用中的问本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种热循环的热－光装置，包括：一种聚合物，其玻璃化转变温度不超过沿着光通路的该聚合物最低操作温度，因此该元件以允许聚合物链保持较高的局部迁移率的方式发挥功能。

【技术特征摘要】
...

【专利技术属性】
技术研发人员：希拉里S拉克瑞茨，托尼C科瓦尔奇克，李永正，戴维AG迪肯，
申请(专利权)人：杰姆法尔公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]