使用可辐射固化的氟化组合物制造光学元件的方法技术

本发明专利技术提供使用光学损耗低并且双折射低的全氟聚合物材料的有机光波导装置。光学元件包括基底、图案形式透光的全氟聚合物芯组合物以及在芯图案上的反光的包覆层组合物。也披露了高效波导光栅的载入。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利技术的
和工业应用本专利技术涉及有机光学装置，例如由可辐射固化的材料制成的平面单模波导。具体来说，本专利技术涉及一类低损耗、低极化依赖性的装置，它是由氟烃单体、低聚物或用可辐射固化的烯键式不饱和基团如丙烯酸酯或甲基丙烯酸酯基团封端的聚合物组分制成的。由上述这些材料制成的装置具有良好的长期和短期稳定性、良好的柔韧性，并且应力或裂纹引起的光学散射损耗很小。专利技术的背景在光学通讯系统中，信息是由载波以光学频率传播的，所述光学频率是由诸如激光器和发光二极管等光源产生的。人们对这种光学通讯系统感兴趣，因为与常规通讯系统相比，它们能提供若干优点。一种将光学频率的波从一点转换或引导到另一点的较好方法是通过光波导。光波导的工作基于下述这个事实，即当用另一种折射率较低的介质包围或以其它方式限制一种透光介质时，沿该内部介质轴射入的光在其与包围介质的界面上被高度反射，这样就产生了波导效应。可以制成各种加有光导结构作为透光元件的光学装置。这种装置的例子是板状光波导、光波导管、肋状波导、光学耦合器、分光器、光学转换器、滤光器、可变衰减器、微光学元件等。这些装置在美国专利4,609,252、4,877,717、5,136,672、5,136,682、5,481,385、5,462,700、5,396,350、5,428,468、5,850,498和于1997年4月8日申请的美国专利申请08/838,344中有较详细的描述，所有这些专利的内容在此参考引用。在已有技术中已知由有机聚合物材料制造光波导和其它光学互连装置。然而，由平面玻璃制成的单模光学装置相对不受温度的影响，由有机聚合物制成的装置随温度有非常大的变化，因为与玻璃相比，聚合物材料的折射率随温度变化要快得多。可以利用这种性质来制造装有由有机聚合物制成的透光元件的、热调或热控的有源装置。一种类型的热调装置是由热光效应激活的定向耦合器。热光效应是一种由热量引起的光学元件折射指数的变化。当耦合器状态的激活速度不是太高，即当激活在若干毫秒的范围内完成时，热光效应的装置就有助于提供不太昂贵的刻纹机。不幸的是，大部分聚合物材料含有在电讯用途常用的1550nm波长发生强烈吸收的碳氢化学键。很久以来已知，例如含氟聚合物在1550nm的吸收明显小得多。尽管由氟化聚酰亚胺和氘化聚氟代甲基丙烯酸酯制成的平面波导在1300nm达到了很小的0.10db/cm单模损耗，但较难从这些材料来制造光学装置。具体说，制造它们的光刻法包括一个反应性的离子蚀刻步骤。氟化聚酰亚胺和氘化聚氟代甲基丙烯酸酯在1550nm也具有较高的损耗，一般来说为0.6dB/cm左右。在光学互连用途中，人们尤其对光聚合物感兴趣，因为可以采用标准光刻技术使其形成图案。正如众所周知的是，光刻法包括使沉积在经选择基底上的光敏聚合物层按图案方式曝光，随后形成图案。图案的形成例如可以采用合适的溶剂除去光聚合物层的未曝光部分来完成。美国专利4,609,252提出了一种使用在聚合时能形成波导材料的丙烯酸类光反应性组合物来印刷制造光学元件的方法。此专利提出了采用玻璃化转变温度尽可能高，即90-220℃的聚合物，以便提供最高的操作温度。美国专利5,136,682提出了使用可光聚合的组合物例如玻璃化转变温度Tg至少为100℃的丙烯酸类物质来制造波导的方法。然而，上述波导会发生不希望有的高的光学损耗，并且其柔韧性不够。在众多已知的光聚合物中，业已广泛地研究了丙烯酸酯材料作为波导材料，因为其光学透明度高，双折射低，并且容易使用范围很广的单体。然而，由众多丙烯酸酯材料制成的光学装置的性能不佳，因为其光学损耗高、耐老化和耐发黄性能差，并且该类聚合材料是热不稳定的。仍然需要经过较少制造步骤的较为直接方法，用来制造光学装置用的可辐射固化的低损耗材料。具体来说，需要这样一种方法，该方法不需要反应性离子蚀刻(RIE)步骤就可形成光学元件芯的图案。所需的方法应比较简单，能采用较直接的平版印刷步骤使用这种材料来制造光学装置。同样重要的是这些材料要很少有或没有双折射。本领域众所周知的是，双折射是横向电性的极化即TE极化(与基底表面平行)与横向磁性的极化即TM极化(与基底表面垂直)的折射率之差。不希望有这种双折射的原因在于它会使装置具有大的与极化有关的损耗，并且会增加电讯系统中的比特误差率。另一种有用类型的光学装置是波导光栅。衍射光栅如Bragg光栅用在电讯工业中为的是从较宽的电讯信号中分离出波长带窄的信号。聚合物平面波导光栅有许多优点，所述优点在于其制造比较容易，并且能在因温度或诱导应力引起的很宽频率范围内进行调谐。另外，这种装置具有易于组装到集成装置中的优点。不幸的是，这种聚合物材料光栅的效率一般较低。这个缺点会产生比特误差率高的很差信号。因此，有利的是要寻找一种制造效率改进的聚合物平面波导光栅的方法。近年来稠密波分复用(DWDM)系统引起了人们很大的关注，因为它满足了电讯网络中带宽高的需求。使用DWDM系统极大地提高了业已安装的点到点网络的容量，而无需安装更多光纤的昂贵费用。通过使用无源光学组件，DWDM系统在线路的一端多路传输许多信号，而在线路的另一端将这些信号进行分离，就可以在同一根纤维上发送多股波长(信号)。聚合物材料能为DWDM的各种光学部件提供一种可用的成本低的解决办法。设计WDM装置时可以使用具有能反射单股波长或通道的光栅作为一个构件的平面波导。可以采用较低温度来制造这些装置，而其产量还是高的。在本专利技术中，我们集中注意这种基本构件的性能以及在波导结构中光栅的制造，描绘我们所认为是形成光栅的基本机理以及其环境、湿度和温度性能。已有技术为满足这些需求的方法并不是完全令人满意的，本专利技术为这种技术作了显著而意想不到的改进，从而满足上述材料、方法和装置用途的需要。专利技术的简述按本专利技术的一个方面，提供一种制造光学元件的光刻法，该方法包括a)将一种可光聚合的芯组合物施加到载体上，形成可光聚合的芯组合物层，所述可光聚合的芯组合物包含至少一种光引发剂和至少一种含至少一个可光聚合基团的可光聚合的芯单体、低聚物或聚合物，所述可光聚合的芯单体、低聚物或聚合物含有全氟化取代基；b)将可光聚合的芯组合物层按图象方式暴露在足够的光化辐射下，使所述可光聚合芯组合物层的成象部分至少部分聚合，留下至少一个未成象部分；c)去除所述至少一个未成象部分，但不去除所述成象部分，从所述成象部分形成透光的图案形式的芯；d)将上包覆层(cladding)可聚合的组合物施加到图案形式的芯上；e)固化所述上包覆层组合物，其中所述上包覆层和所述载体的芯界面分别是由折射率比所述芯低的材料制成的。按本专利技术的另一个方面，提供一种制造光学元件的反应性离子蚀刻法，该方法包括a)将一种可光聚合的组合物施加到载体上，形成可光聚合的组合物层，所述可光聚合的组合物包含有效量的至少一种光引发剂和至少一种含至少一个可光聚合基团的可光聚合的单体、低聚物或聚合物，所述可光聚合的单体、低聚物或聚合物具有全氟化取代基；b)使所述层至少部分固化；c)通过反应性离子蚀刻形成芯；d)将上包覆层可聚合的组合物施加到所述芯上；e)使所述上包覆层组合物至少部分固化，形成上包覆层。按本专利技术的另一个方面，提供一种光导光学元件，它包含a)有机上包覆层；本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制造光学元件的方法，它包括： ａ）将一种可光聚合的芯组合物施加到载体上，形成可光聚合的芯组合物层，所述可光聚合的芯组合物包含至少一种光引发剂和至少一种含至少一个可光聚合基团的可光聚合的芯单体、低聚物或聚合物，所述可光聚合的芯单体、低聚物或聚合物具有全氟化取代基； ｂ）将可光聚合的芯组合物层按图象方式暴露在足够的光化辐射下，使所述可光聚合芯组合物层的成象部分至少部分聚合，留下至少一个未成象部分； ｃ）去除所述至少一个未成象部分，但不去除所述成象部分，从所述成象部分形成透光的图案形式的芯； ｄ）将上包覆层可聚合的组合物施涂到图案形式的芯上； ｅ）至少部分固化所述上包覆层组合物，其中所述上包覆层和所述载体的芯界面的折射率比所述芯的折射率低。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：B徐，L艾尔达达，R诺伍德，R布洛姆奎斯特，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]