專利名稱：溶膠－凝膠材料衍生的可調變光衰減器及其制造方法
技術領域：
本發明有關一種可調變光衰減器，且特別是有關一種由溶膠-凝膠材料所衍生的可調變光衰減器及其制造方法。
背景技術：
隨著光通訊網絡的蓬勃發展，相關的光通訊元件開發與其性能要求也相對提高，其中可調變光衰減器(variable optical attenuator；VOA)在長距離通訊與都會區通訊方面扮演極重要的角色。例如，在分波多路轉換(wave divisionmultiplexing；WDM)系統中，可調變光衰減器可用來縮小通道(channel)間的能量差與維持通道的信噪比(signal/noise ratio)，因此可與光放大器結合以調整其增益，或是在高密度分波多路轉換(dense wave division multiplexing；DWDM)系統網絡中，動態調整交叉連結網絡的功率分配。
機械式可調變光衰減器是利用機械方式控制光的衰減量，然而一般機械式可調變光衰減器的元件尺寸較大，而不利應用于小型化及模組化的整合元件。微機電式可調變光衰減器雖提供了小型化可調變光衰減器陣列，但其須在精密、復雜的控制下完成制造，因此不適合大量生產。電光式或熱光式可調變光衰減器則是借由控制電場或溫度來改變特定材料的折射率，進而達到控制光衰減量的目的。對電光式或熱光式可調變光衰減器而言，提供適當的光學應用材料為最重要的課題之一。
由于都會網絡的需求快速增加，如何降低成本及增強管理功能，已成為可調變光衰減器主要的發展方向。另一趨勢則是移植集成電路(integrated circuit；IC)的概念至制作集成光路(optical integrated circuit；OIC)元件上。因此目前相關業者莫不致力于開發新材料或工序、或小型化或整合光學元件，以降低制造成本及提高元件性質與應用。
發明內容
因此本發明的目的在于提供一種可調變光衰減器及其制造方法，使可調變光衰減器易與其他光學元件整合而成為一光學組件，以降低制造成本并縮小元件尺寸，進而可量產、制造可調變光衰減器。
鑒于上述目的，本發明提出一種利用溶膠-凝膠材料來制作的可調變光衰減器，及其制造方法。
根據本發明一方面提供一種溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器，至少包含一襯底；一波導結構，形成于該襯底上，其中該波導結構具有一波導核心區域與一波導衰減區域，且該波導衰減區域是由一溶膠-凝膠材料所構成；以及一上披敷層，形成于該襯底與該波導結構之上。
根據本發明另一方面提供一種溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器的制造方法，至少包含形成一波導核心區域于一襯底上；涂布一溶膠-凝膠材料于該襯底與該波導核心區域上；提供一掩膜層于該溶膠-凝膠材料的上，且該掩膜層具有一開口；進行曝光工序；移除被該掩膜層覆蓋的該溶膠-凝膠材料，而留下該掩膜層的該開口下的該溶膠-凝膠材料，以做為一波導衰減區域；烘烤該襯底；以及形成一上披敷層于該襯底、該波導核心區域與該波導衰減區域上。
依照本發明一較佳實施例，溶膠-凝膠材料是由金屬烷氧化物與有機改質硅氧烷反應而得，此材料在光通訊波長的穿透率可大于90％，且具有高折射率溫度系數。此外，溶膠-凝膠材料可借由光刻技術來制作元件結構，故更容易進行大量生產。將此材料與光刻技術結合來制作可調變光衰減器，可有效降低制造成本。另一方面，可調變光衰減器可以一埋藏式波導結構或一脊形波導結構來做為其基本結構，如此更可應用于集成光路中，而有利于整合及小型化組件。
為讓本發明的上述與其他目的、特點和優點能更明顯易懂，下面將配合附圖進行詳細說明。
圖1A是依照本發明一較佳實施例的一種制備溶膠-凝膠材料的流程圖；圖1B是依圖1A制備的溶膠-凝膠材料于性質測量前的準備流程圖；圖2A至2F是依照本發明另一較佳實施例的一種可調變光衰減器的制作流程截面示意圖；圖3是依照本發明又一較佳實施例的一種可調變光衰減器的截面示意圖；圖4A是一種通道式可調變光衰減器的俯視圖；以及圖4B是一種偏折式可調變光衰減器的俯視圖。
具體實施例方式
本發明利用溶膠-凝膠材料的特性，如具有較大的熱光效應、可應用一般的半導體工藝而利于量產等性質，來制作一可調變光衰減器，以達到降低制造成本及整合組件的目的。其溶膠-凝膠材料的制備、可調變光衰減器的應用的較佳實施例，將參照附圖詳述如下。
第1實施例本實施例為描述溶膠-凝膠材料的制備流程，及溶膠-凝膠材料性質的量測結果。
圖1A為一種制備溶膠-凝膠材料的流程圖。在此較佳實施例中，以四丁氧基鋯(zirconium butoxide；Zr(OBu)4)為金屬烷氧化物(metal alkoxide)的前驅物，并與一有機改質硅氧烷(organically modified Si-alkoxide)反應，如甲基丙烯酸丙基三甲氧基硅氧烷(methacryloxypropyl tri-methoxysilane；MPTMS)，而得一有機-無機溶膠-凝膠材料。參照圖1A，首先于步驟100中，將MPTMS以1∶2的重量比例加入至一第一溶劑中攪拌約30至60分鐘而形成一第一溶液，其中可依步驟120來加入適量的催化劑，如0.1N的鹽酸，以加速MPTMS的水解反應。
接著進行步驟140，加入約與第二溶劑等重量比的Zr(OBu)4至第二溶劑中，并加以攪拌10-30分鐘使Zr(OBu)4水解而形成一第二溶液。其中，Zr(OBu)4與MPTMS的莫耳比為1∶1至1∶10，較佳的比例則為1∶2至1∶5。其次根據步驟160，將上述的第一溶液與第二溶液混合攪拌，并加熱反應一段時間。
在此較佳實施例中，第一溶劑與第二溶劑同為四氫呋喃(tetra-hydrofuran；THF)，而反應溫度為約65℃。然后依照步驟180，將上述的反應溶液置換至一第三溶劑中而形成一第三溶液。相較于第一溶劑與第二溶劑，第三溶劑的用量較少、沸點較高，因此可提高溶膠-凝膠材料的固含量。在此實施例中，第三溶劑以乙酸乙二醇丁醚酯(propylene glycol monoether acetate；PMAc)為較佳選擇。
圖1B為依圖1A制備的溶膠-凝膠材料于性質測量前的準備流程。參照圖1B，于步驟110中先加入光起始劑至上述的置換后的第三溶液中，而光起始劑的添加量約為2.5％至10％。接著，依步驟130將此溶液過濾后，再以旋轉涂布(spin coating)的方式涂布至一玻璃襯底上。其次于步驟150中，以約150℃預烘(pre-baking)玻璃襯底，然后進行步驟170的曝光工序。
最后，將曝光完成的溶膠-凝膠材料進行材料性質量測。以紫外光/可見光/近紅外光光譜儀測量此較佳實施例的溶膠-凝膠材料的吸收/穿透光譜發現，其在可見光范圍(400-700nm)與一般光通訊的使用波長(1310nm與1550nm)的穿透率可大于90％以上，而以棱鏡耦合器(prism coupler)測量溶膠-凝膠材料(Zr(OBu)4與MPTMS的莫耳比為約1∶2)的折射率在波長1310nm則為1.5217±0.0001。另外，利用馬赫-澤德干涉儀(Mach-Zehner interferometer)量測材料(Zr(OBu)4與MPTMS的莫耳比為約1∶2)的折射率溫度系數(refractiveindex-to-temperature coefficient；dn/dT)發現，在絕對溫度303K至353K間，材料于波長633nm與1300nm的折射率溫度系數分別為-9.38×10-5l/K與為-1.56×10-4l/K，顯示此溶膠-凝膠材料具有高度的熱光效應，可借由控制溫度變化來有效改變折射率。再者，由熱分析實驗的結果可知，上述的溶膠-凝膠材料具有低的熱膨脹系數(coefficient of thermal expansion；CTE)，其中于40-100℃的熱膨脹系數為6.47ppm/℃，而于60-140℃時，其值為2.64ppm/℃。
第2實施例本實施例為利用第1實施例中的溶膠-凝膠材料來制作一可調變光衰減器。為了充分利用溶膠-凝膠材料的性質，并結合光刻技術以利于大量生產、制造，本發明的一態樣是提出一種埋藏式(buried)波導結構來做為可調變光衰減器的基本結構，其制作流程如圖2A至2F所示。再者，此埋藏式波導結構更可用于高密度的平面光路中，以整合可調變光衰減器與各種元件成為光學組件。
參照圖2A，先形成一底披敷層(bottom cladding)210于一硅襯底200上，以隔絕光場由硅襯底200外漏；然后蝕刻一溝渠結構220以做為埋藏式波導結構主體。其中，將此波導結構主體旋轉90度后的截面如圖2F。如圖2F所示，由光行進方向295檢示波導結構主體另一截面時可清楚看到，此波導結構主體內還可分為一波導衰減區域255與一波導核心區域(core)235。回溯圖2B及2C，如圖所示將一感光材料230涂布于底披敷層210上及溝渠結構220中，并形成一具有一開口的掩膜層242后，來依序進行曝光、移除掩膜層242、顯影以移除先前被掩膜層242覆蓋的感光材料230、以及烘烤等步驟，而限定出波導核心區域235的位置。
接著進行波導衰減區域255的制作。如圖2D所示，將第1實施例中的溶膠-凝膠材料250摻入適量的光起始劑(2.5％-10％)后，先涂布于完成波導核心區域235的硅襯底200上，并預烘硅襯底200一段時間。然后形成一具有另一開口的掩膜層246，并再次進行曝光、移除掩膜層246、顯影而移除掩膜層246下的溶膠-凝膠材料250、與烘烤等步驟，來限定波導衰減區域255的位置。由圖2F所示的波導結構主體另一方向截面可清楚看到，波導衰減區域255是位于波導核心區域235之中。此外，上述的顯影、移除步驟為采用濕式蝕刻工序。
其次參照圖2E，形成一上披敷層(top cladding)260于完成波導衰減區域255(未顯示于圖2E)及波導核心區域235的硅襯底200上。其中，上披敷層260與底披敷層210的折射率均須比波導衰減區域255與波導核心區域235的折射率低。
參照圖2F，其為以光行進方向295檢示埋藏式波導結構主體另一方向的截面示意圖。如圖2F所示，最后形成一電極270于上披敷層260之上，且電極270的位置是對應于波導結構中波導衰減區域255上方，如此即可完成可調變光衰減器的制作。波導核心區域235除提供光傳導路徑外，亦可用來連接其他的光學元件，例如光纖等。當光由行進方向295進入波導核心區域235后，借由加熱電極270，可改變構成波導衰減區域255的溶膠-凝膠材料250的折射率，進而可控制行進光的衰減。
另一方面，上述雖以埋藏式波導結構為實施態樣來說明，如何利用溶膠-凝膠材料及光刻技術來制造可調變光衰減器。然而，在不脫離本發明的精神與范圍的情況下，亦可運用相同的概念、材料與工藝等，而制作出一以脊形(ridge)波導結構為基礎結構的可調變光衰減器。
圖3為利用上述的溶膠-凝膠材料所制得的另一態樣可調變光衰減器的截面示意圖。參照圖3，一底披敷層310先形成于一硅襯底300上。接著，分別利用感光材料與溶膠-凝膠材料，并借由光刻技術來限定、形成一脊形波導結構340于底披敷層310上，其中此波導結構340還可分為一波導核心區域(感光材料)以傳遞行進光，及一波導衰減區域(溶膠-凝膠材料)以進行光衰減作用。其次形成一上披敷層360于波導結構340與底披敷層310上，且上披敷層360與底披敷層310的折射率小于波導結構340的折射率。然后設置一電極370于上披敷層360上，且對應于波導結構340中波導衰減區域之上方。如此在加熱電極370時，可改變溶膠-凝膠材料的折射率，進而利用波導衰減區域來控制行進光的衰減。另外，若襯底的折射率低于波導結構，則此襯底亦可當作可調變光衰減器的底披敷層，而將波導結構直接制作于襯底上，再將上披敷層形成于襯底及波導結構之上，此亦能達到導光的作用。
再者，上述的埋藏式波導結構或脊形波導結構還可為一通道型式(channel)或一偏折型式(prism-assisted)的結構。圖4A及4B分別為具有通道式衰減區域及偏折式衰減區域的可調變光衰減器的俯視圖。如圖4A所示，底披敷層410上的波導結構是由一核心區域435與一通道式衰減區域452所構成。當光經由核心區域435行進至通道式衰減區域452時，由于借由加熱電極可改變通道式衰減區域452的折射率，而使部分光無法再繼續傳遞至另一核心區域435，因此可衰減輸出光的能量。參照圖4B，其波導結構則包括一核心區域435及一偏折式衰減區域458。當電極加熱偏折式衰減區域458后，會改變溶膠-凝膠材料的折射率，而導致光行進方向的偏折，輸出光的能量因此減少，而達到光衰減的目的。
由上述本發明較佳實施例可知，利用溶膠-凝膠材料來制作可調變光衰減器，可大幅降低制作成本。且因溶膠-凝膠材料可借由光刻技術來制作元件結構，因此可進行元件的量產。此外，配合溶膠-凝膠材料與本發明的可調變光衰減器的制造方法，可整合多種光學元件，進而可小型化或制作光學組件。
雖然本發明已以較佳實施例揭示如上，然而其并非用以限定本發明，任何熟系本技術的人員在不脫離本發明的精神和范圍內，當可作各種的等效的改變或替換，因此本發明的保護范圍當視后附的本申請權利要求范圍所界定的為準。
權利要求
1.一種溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器，至少包含一襯底；一波導結構，形成于該襯底上，其中該波導結構具有一波導核心區域與一波導衰減區域，且該波導衰減區域是由一溶膠-凝膠材料所構成；以及一上披敷層，形成于該襯底與該波導結構之上。
2.如權利要求1所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器，其特征在于還包含一電極，設置于該上披敷層之上，且對應于該波導結構的該波導衰減區域的上方位置。
3.如權利要求1所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器，其特征在于還包含一底披敷層，形成于該襯底與該波導結構之間。
4.如權利要求3所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器，其特征在于所述的底披敷層還包含一溝渠結構，且該波導結構是位于該溝渠結構中。
5.如權利要求1所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器，其特征在于所述的溶膠-凝膠材料是由一金屬烷氧化物與一有機改質硅氧烷反應而得。
6.如權利要求5所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器，其特征在于所述的金屬烷氧化物包含一四丁氧基鋯，且該有機改質硅氧烷包含一甲基丙烯酸丙基三甲氧基硅氧烷。
7.如權利要求6所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器，其特征在于所述的四丁氧基鋯與該甲基丙烯酸丙基三甲氧基硅氧烷的莫耳比是為1∶1至1∶10。
8.如權利要求6所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器，其特征在于所述的四丁氧基鋯與該甲基丙烯酸丙基三甲氧基硅氧烷的莫耳比是為1∶2至1∶5。
9.如權利要求1所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器，其特征在于所述的波導核心區域是由一感光材料所構成。
10.如權利要求1所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器，其特征在于所述的波導衰減區域是為一通道式衰減區域或為一偏折式衰減區域。
11.一種溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器的制造方法，至少包含形成一波導核心區域于一襯底上；涂布一溶膠-凝膠材料于該襯底與該波導核心區域上；提供一掩膜層于該溶膠-凝膠材料的上，且該掩膜層具有一開口；進行曝光工序；移除被該掩膜層覆蓋的該溶膠-凝膠材料，而留下該掩膜層的該開口下的該溶膠-凝膠材料，以做為一波導衰減區域；烘烤該襯底；以及形成一上披敷層于該襯底、該波導核心區域與該波導衰減區域上。
12.如權利要求11所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器的制造方法，其特征在于所述的形成該波導核心區域于該襯底上的方法至少包含涂布一感光材料于該襯底上；提供另一掩膜層于該感光材料之上，且該另一掩膜層具有另一開口；進行曝光工序；移除被該另一掩膜層覆蓋的該感光材料，且留下該另一開口下的該感光材料；以及烘烤該感光材料。
13.如權利要求11所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器的制造方法，其特征在于還包含于形成該波導核心區域的步驟之前形成一底披敷層于該襯底上及一溝渠結構于該底披敷層上。
14.如權利要求11所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器的制造方法，其特征在于還包含于涂布該溶膠-凝膠材料的步驟之前形成該溶膠-凝膠材料的步驟，及加入一光起始劑于該溶膠-凝膠材料中的步驟。
15.如權利要求14所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器的制造方法，其特征在于所述的形成該溶膠-凝膠材料的方法至少包含加入一四丁氧基鋯于一第一溶劑中以形成一第一溶液，其中該四丁氧基鋯與該第一溶劑的重量比為1∶1；加入一甲基丙烯酸丙基三甲氧基硅氧烷與一催化劑于一第二溶劑中以形成一第二溶液，其中該甲基丙烯酸丙基三甲氧基硅氧烷與該第二溶劑的重量比為1∶2；混合該第一溶液與該第二溶液以形成一混合溶液；加熱該混合溶液；以及置換該混合溶液至一第三溶劑，其中該第三溶劑的沸點高于該第一溶劑與該第二溶劑的沸點。
16.如權利要求15所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器的制造方法，其特征在于所述的四丁氧基鋯與該甲基丙烯酸丙基三甲氧基硅氧烷的莫耳比是為1∶1至1∶10。
17.如權利要求15所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器的制造方法，其特征在于所述的四丁氧基鋯與該甲基丙烯酸丙基三甲氧基硅氧烷的莫耳比是為1∶2至1∶5。
18.如權利要求11所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器的制造方法，其特征在于還包含于提供該掩膜層的步驟之前預烘該襯底的步驟。
19.如權利要求10所述的溶膠-凝膠材料衍生的可調變光衰減器的制造方法，其特征在于所述的移除被該掩膜層覆蓋的該溶膠-凝膠材料的步驟是采用濕式蝕刻工藝。
20.一種偏折式可調變光衰減器，至少包含一襯底；一底披敷層，形成于該襯底上；一波導結構，形成于該底披敷層上，其中該波導結構具有一核心區域與一偏折式衰減區域；一上披敷層，形成于該底披敷層與該波導結構之上；以及一電極，設置于該上披敷層之上，且對應于該波導結構的該偏折式衰減區域的上方位置。
21.如權利要求20所述的偏折式可調變光衰減器，其特征在于所述的偏折式衰減區域是由一溶膠-凝膠材料所構成，且該溶膠-凝膠材料是由一金屬烷氧化物與一有機改質硅氧烷反應而得。
22.如權利要求21所述的偏折式可調變光衰減器，其特征在于所述的金屬烷氧化物包含一四丁氧基鋯，且該有機改質硅氧烷包含一甲基丙烯酸丙基三甲氧基硅氧烷。
23.如權利要求22所述的偏折式可調變光衰減器，其特征在于所述的四丁氧基鋯與該甲基丙烯酸丙基三甲氧基硅氧烷的莫耳比是為1∶1至1∶10。
24.如權利要求22所述的偏折式可調變光衰減器，其特征在于所述的四丁氧基鋯與該甲基丙烯酸丙基三甲氧基硅氧烷的莫耳比是為1∶2至1∶5。
25.如權利要求20所述的偏折式可調變光衰減器，其特征在于所述的核心區域是由一感光材料所構成。
26.如權利要求20所述的偏折式可調變光衰減器，其特征在于所述的底披敷層還包含一溝渠結構，且該波導結構是位于該溝渠結構中。
全文摘要
本發明有關一種可調變光衰減器及其制造方法，首先形成一底披敷層于一襯底上，其次利用光刻技術形成一具有波導核心區域與一波導衰減區域的波導結構于底披敷層上。接著形成一上披敷層于底披敷層及波導結構之上，然后再設置一電極于上披敷層上，且電極的位置是對應于波導衰減區域的上方。此外，波導結構是由一溶膠－凝膠材料所構成。其中，溶膠－凝膠材料是借由混合及加熱一金屬烷氧化物溶液與一有機改質硅氧烷溶液而得。
文檔編號H04B10/12GK1749787SQ200410078740
公開日2006年3月22日 申請日期2004年9月15日 優先權日2004年9月15日
發明者田珮, 張光偉, 朱安國, 林靖淵, 林雅惠, 洪美智 申請人:財團法人工業技術研究院