TWI425265B - 具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件及其製造方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種波導耦合元件，尤指可高效率地耦合光波的一種具有順向與反向耦合特性的波導耦合元件及其製造方法。
近年來，由於網路與資訊傳遞之發達，利用網際網路所傳輸之資料量大為增加，因此，傳統透過同軸電纜線進行資料傳輸之方式，已不敷使用；然而，相較於同軸電纜線，光纖具有通信容量大、訊號損耗小、不受電磁干擾、重量輕、以及體積小等諸多優點，故，光纖傳輸係已成為目前網際網路傳輸資料之主要工具。
除了光纖之外，用以耦接光纖的光學元件亦於光通訊領域之中扮演極重要之角色。光學元件可分為主動元件與被動元件，主動元件係指具有可執行能量轉換功能之光學元件，例如電光調制器能夠進行電光轉換之光源；而被動元件所指的是對於光波呈現靜態轉換效應之光學元件，其中，耦合器屬於被動元件的一種，其可將光波耦合於波導管(waveguide)與波導管之間、或者光纖(fiber)與波導管之間。耦合器依照其耦合光波方向之不同可分為順向耦合器(co-direction coupler)與反向耦合器(contra-direction coupler)。
請參閱第二圖，係習用之一種光學波導元件的立體圖，如第二圖所示，該光學波導元件25’係包括：一基層252’、一頂層254’與一波導層256’，其中，光波係由於波導層256’之中傳遞。第二圖所示之光學波導元件25’為結構相當簡單之順向耦合器(co-direction coupler)，傳統上，該波導層256’為矩形，然，為了與光纖結合，實際製作時，波導層256’通常會被製成圓形。前述之光學波導元件25’的優點在於可利用半導體材料與製程進行積體化與微小化之製作，其缺點則在於該波導層256’之高度(厚度)無法被製作得太高，導致其與光纖連結上之困難(光纖之芯尺寸大約8μm)。
另外，請參閱第一圖，係習用之一種具有表面光柵的光學波導元件的立體圖，如第一圖所示，該具有表面光柵的光學波導元件1’係包括：一基層2’與一光學波導3’。該光學波導3’係形成於該基層2’之一基面21’，且光學波導3’具有一頂面31’、一第一側面32’與一第二側面33’，其中，複數個凹槽30’係於該第一側面32’之上形成一表面光柵(grating)4’，且，該表面光柵4’之週期係決定於該複數個凹槽30’之間距。上述之具有表面光柵的光學波導元件1’為一反向耦合器，其可透過該週期性的表面光柵4’，以耦合特定波長之光波，例如，波長為1490nm之光波；並且，藉由改變凹槽30’之間距，可調整表面光柵4’之週期，使得該光學波導3’可透過表面光柵4’耦合並傳輸不同波長之光波。
上述該具有表面光柵的光學波導元件1’為反向耦合器(contra-direction coupler)，其優點在於可改變該週期性的表面光柵4’之週期，以耦合特定波長之光波；然，為了使得該表面光柵4’與光纖結合時不受損壞，因此，表面光柵4’之上須再形成一保護層，但該保護層之形成卻導致了該光學波導元件1’耦合光波之效率降低，此外，使用該具有表面光柵的光學波導元件1’執行光波耦合之時，表面光柵4’之週期亦必須與光波達到相位匹配，才可有效率地進行耦合光波之工作，如此限制，係降低了具有表面光柵的光學波導元件1’對於寬頻光源之總體耦合效率。
有鑑於此，本案之發明人有鑒於上述光學波導元件(即，結構相當簡單之順向耦合器)，以及具有表面光柵的光學波導元件(即，可耦合特定波長之反向耦合器)，兩者係分別具有缺點與不足，故極力研究，終於研發出一種具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件及其製造方法。
本發明之主要目的，在於提供一種具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件，於該波導耦合元件之中，係具有至少一順向耦合層與至少一反向耦合層，以利用該順向耦合層連接一光纖並耦合一光波，且將該光波侷限於該反向耦合層之內傳遞。
本發明之另一目的，在於提供一種具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件的製造方法，藉由該製造方法，可使用現有半導體製程而低成本且大量地製造該具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件。
因此，為了達成本發明之主要目的，本案之發明人提出一種具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件，係包括：一基層；至少一反向耦合層，係形成於該基層之上，一光波可侷限於該反向耦合層之內傳遞；一介質層，係以包覆反向耦合層之方式形成於基層之上；以及至少一順向耦合層，係形成於該介質層之上，該順向耦合層之一端可與一外部光纖連接，以耦合光纖所傳輸之該光波。其中，該介質層之折射係數係相同於順向耦合層之折射係數，使得光波於順向耦合層內傳遞時，會將介質層與該順向耦合層視為同一物質，故光波可無損耗地經由介質層被耦合進入該反向耦合層。
為了達到本發明之另一之目的，本案之發明人提出一種具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件之製造方法，係包括以下步驟：(1)置備一基層；(2)於該基層之上形成一反向耦合層；(3)利用微影蝕刻之方式，將該反向耦合層製成一楔形結構；(4)以包覆該反向耦合層之方式，於基層之上形成一介質層；(5)於該介質層之上形成一順向耦合層；(6)製備一模具；(7)使用該模具，以壓模之方式將該順向耦合層製成一三維錐狀結構；以及(8)利用微影蝕刻之方式將順向耦合層之兩側面製成一楔形表面。
為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種具有順向與反向耦合器特性之波導耦合元件及其製造方法，以下將配合圖示，詳盡說明本發明之實施例。
請參閱同時第三圖與第四圖，係本發明之一種具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件的側視圖與其立體圖，同時，請參閱第五圖，係該具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件的第二側視圖。如第三圖與第四圖所示，該具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件1，係包括：一基層11、一反向耦合層12、一介質層13、與一順向耦合層14，其中，該基層11可為一半導體材料基層、一半導體複合材料基層與一玻璃基層，而於較佳的實施例之中，基層11為半導體複合材料基層，係為矽層－絕緣層(Silicon-on-Insulator，SOI)之複合基層。
該反向耦合層12係形成於該基層11之上，反向耦合層12可侷限一光波3於其內部傳遞，其中，反向耦合層12之材料可為：矽(silicon，Si)、氮化矽(silicon nitride，SiN)、氮化氧矽(silicon oxinitride，SiON)、與碳化矽(silicon carbine，SiC)，而於該具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件1的較佳實施例之中，係使用矽(Si)作為反向耦合層12之材料。
如第五圖所示，該介質層13係以包覆反向耦合層12之方式而形成於基層11之上，介質層13可為一半導體材料或為半導體複合材料，而較佳地，於本實施例之中，係使用氮化氧矽(SiON)作為介質層13之材料。該順向耦合層14則形成於介質層13之上，其為材料編號SU-8的一感光材料，此外，順向耦合層14之一端具有一足夠高度而可與一外部光纖2連接，以耦合傳遞於光纖2內部之光波3。
請繼續參閱第三圖與第四圖，當該順向耦合層14之一端連接該光纖2之後，該光波3係耦合進入順向耦合層14之內，此時，由於該介質層13之折射係數nm
係相同於順向耦合層14之折射係數ncd
，因此，當光波3於順向耦合層14內傳遞時，會將介質層13與順向耦合層14視為同一物質，故光波3可無損耗地經由介質層13被耦合進入該反向耦合層12。此外，由於該反向耦合層12之折射係數nctd
係大於介質層13之折射係數nm
，順向耦合層14之折射係數ncd
係大於空氣之折射係數nair
，且該基層11之折射係數nsub
係大於空氣之折射係數nair
因此，當光波3被耦合進入反向耦合層12之後，可被侷限於反向耦合層12之內傳遞，而不會發生光波外洩之情事。
並且，如第五圖所示，該順向耦合層14之結構為一三維錐狀結構，其具有一斜表面141，當該斜表面141之一表面斜率越高，則順向耦合層14對該光波3之耦合效率越高，其中，根據實驗之結果，發明人發現當斜表面141與該介質層13表面之夾角小於0.674°之時，順向耦合層14之光耦合效率可大於90%；此外，為了使得光波3可侷限於反向耦合層12之中傳遞，該反向耦合層12之結構係設計為一楔形結構。
經由上述，可以得知該具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件1為一高效率之波導耦合元件；此外，本發明亦揭露一種具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件之製造方法，而可透過半導體製程製作上述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件。請參閱第六圖，係本發明之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件之製造方法的方法流程圖，如第六圖所示，該製造方法係包括以下步驟：首先，執行步驟(601)，置備該基層11，然後，執行步驟(602)，於基層11之上形成該反向耦合層12；請參閱第七圖，係具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件的基層與反向耦合層之側視圖，如第七圖所示，完成步驟(602)之後，反向耦合層12即形成於基層11之表面。繼續地執行步驟(603)，利用微影蝕刻之方式，將反向耦合層12製成該楔形結構；請參閱第八圖，係基層與反向耦合層之第二側視圖，如第八圖所示，為了使得該光波3可侷限於反向耦合層12內傳遞，係將反向耦合層12製成楔形結構。
當步驟(603)完成之後，則繼續執行步驟(604)，以包覆該反向耦合層12之方式，於該基層11之上形成該介質層13；然後，繼續執行步驟(605)，於介質層13之上形成該順向耦合層14；請參閱第九圖，係具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件的基層、反向耦合層、介質層、與順向耦合層之側視圖，如第九圖所示，該介質層13係藉由電漿輔助化學氣相沈積技術而形成於該基層11之上，且，使用電漿輔助化學氣相沈積技術形成介質層13之時，係同時通入氮氣(N2
)、氧化亞氮(N2
O)、甲烷(SiH4
)、與氨氣(NH3)，使得折射率為1.56之氮化氧矽層(SiON)可形成於基層11之上以作為介質層13，並且，順向耦合層14之材料為該感光材料，其材料編號為SU-8。
請另外參閱第十圖，係使用一模具將該順向耦合層製成一三維錐狀結構之示意圖，如第十圖所示，當完成步驟(605)之後，則繼續執行步驟(606)，製備一模具4；以及執行步驟(607)，使用該模具4，以壓模之方式將該順向耦合層14製成一三維錐狀結構。如此，經由上述步驟(601)至步驟(607)，即完成如第三圖所示之該具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件1。
另外，為了更清楚地揭露本發明之該具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件之製造方法，請參閱第十一圖，係步驟(603)之詳細步驟流程圖，上述步驟(603)係將該反向耦合層12製成楔形結構之步驟，請參閱第十一圖，步驟(603)係包括以下詳細步驟：首先，執行步驟(6031)，於該反向耦合層12之上形成一第一光阻層PR1，然後，執行步驟(6032)，藉由曝光顯影決定該第一光阻層PR1之圖形；請參閱第十二圖，係使用一第一光罩對第一光阻層執行曝光之示意圖，如第十二圖所示，具有一楔形圖形51之一第一光罩5被使用來對第一光阻層PR1執行曝光，之後，該楔形圖形51可被轉移至第一光阻層PR1之上，並且，透過顯影技術，可將第一光阻層PR1顯影成該楔形結構。
完成步驟(6032)之後，則執行步驟(6033)，以該第一光阻層PR1為阻擋層，蝕刻該反向耦合層12；最後則執行步驟(6034)，移除第一光阻層PR1；請參閱第十三圖，係該基層與反向耦合層之立體圖，如第十三圖所示，楔形結構之反向耦合層12係形成於基層11之上。
另外，請參閱第十四圖，係步驟(606)之詳細步驟流程圖，上述步驟(606)為製備該模具4之步驟，請參閱第十四圖，步驟(606)係包括以下詳細步驟：首先，執行步驟(6061)，製備一模具基板41，其中，該模具基板41可為半導體材料基板、半導體複合材料基板或玻璃基板，於此，係使用矽基板作為模具基板41。繼續執行步驟(6062)，塗佈一第二感光材料PR2於模具基板41之上；請參閱第十五圖，係模具基板與該第二感光材料之側視圖，如第十五圖所示，完成步驟(6062)之後，該第二感光材料PR2則被塗佈於模具基板41之上。
繼續地執行步驟(6063)，壓印該第二感光材料PR2，使其具有一特定角度；請參閱第十六圖，係模具基板與第二感光材料之第二側視圖，如第十六圖所示，使用一載台壓印第二感光材料PR2之後，第二感光材料PR2於模具基板之上係具有該特定角度。完成步驟(6063)之後，則執行步驟(6064)，藉由曝光顯影，將第二感光材料PR2料製成一三維錐狀結構42；於此，必須特別說明的是，特意將第二感光材料PR2曝光，其目的在於將楔形圖形轉移至第二感光材料PR2之上，如此，顯影第二感光材料PR2之時，可使得第二感光材料PR2形成該三維錐狀結構42，以獲得一較佳的光耦合效率。
然後，執行步驟(6065)，填入一聚合物43於模具基板41之上，該聚合物之材料為聚二甲基矽氧烷(Poly-dimethylsiloxane，PDMS)；請參閱第十七圖，係模具基板、第二感光材料與該聚合物之側視圖，如第十七圖所示，聚合物43被填於該模具基板41之上後，聚合物43將緩緩地固化。完成步驟(6065)之後，則執行步驟(6066)，靜置該聚合物43一段時間；最後，執行步驟(6067)，將聚合物43由該模具基板41之上移除；請參閱第十八圖，係該模具之側視圖，如第十八圖所示，聚合物43固化之後，即形成該模具4。
上述已經完整且清楚地揭露了本發明之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件及其製造方法，經由上述可以得知本發明係具有下列之優點：
1.該具有順向與反向耦合器特性之波導耦合元件之結構簡單，且藉由順向耦合層可輕易地與光纖連接。
2.該具有順向與反向耦合器特性之波導耦合元件之光耦合效率高，其中，係藉由分別地選擇反向耦合層、介質層與順向耦合層之材料及其折射係數，使得光波可經由順向耦合層－介質層－反向耦合層之耦合順序，高效率地被耦合進入反向耦合層之中傳遞。
3.承上述第2點，藉由順向耦合層－介質層－反向耦合層之高效率耦合，該具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件可耦合之光波長範圍為1530nm～1580nm。
4.透過本發明所提出的製造方法，可使用現有半導體製程而低成本且大量地製造則該具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件，而不需要使用其它任何特殊設備。
上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。
1．．．具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件
1’．．．具有表面光柵的光學波導元件
11．．．基層
12．．．反向耦合層
13．．．介質層
14．．．順向耦合層
141．．．斜表面
2．．．光纖
2’．．．基層
21’．．．基面
25’．．．光學波導元件
252’．．．基層
254’．．．頂層
256’．．．波導層
3．．．光波
3’．．．光學波導
30’．．．凹槽
31’．．．頂面
32’．．．第一側面
33’．．．第二側面
4．．．模具
4’．．．表面光柵
41．．．模具基板
42．．．三維錐狀結構
43．．．聚合物
5．．．第一光罩
51．．．楔形圖形
601～608．．．方法步驟
6031～6034．．．方法步驟
6061～6067．．．方法步驟
nair
．．．空氣之折射係數
ncd
．．．順向耦合層之折射係數
nctd
．．．反向耦合層之折射係數
nm
．．．介質層之折射係數
nsub
．．．基層之折射係數
PR1．．．第一光阻層
PR2．．．第二感光材料
第一圖 係習用之一種光學波導元件的立體圖；
第二圖 係習用之一種具有表面光柵的光學波導元件的立體圖；
第三圖 係本發明之一種具有順向與反向耦合器特性之波導耦合元件的側視圖；
第四圖 係本發明之一種具有順向與反向耦合器特性之波導耦合元件的立體圖；
第五圖 係具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件的第二側視圖；
第六圖 係本發明之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件之製造方法的方法流程圖；
第七圖 係具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件的一基層與一反向耦合層之側視圖；
第八圖 係具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件的基層與反向耦合層之第二側視圖；
第九圖 係具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件的基層、反向耦合層、一介質層、與一順向耦合層之側視圖；
第十圖 係使用一模具將順向耦合層製成一三維錐狀結構之示意圖；
第十一圖 係步驟(603)之詳細步驟流程圖；
第十二圖 係使用一第一光罩對一第一光阻層執行曝光之示意圖；
第十三圖 係具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件的基層與反向耦合層之立體圖；
第十四圖 係步驟(606)之詳細步驟流程圖；
第十五圖 係一模具基板與一第二感光材料之側視圖；
第十六圖 係模具基板與第二感光材料之第二側視圖；
第十七圖 係模具基板、第二感光材料與一聚合物之側視圖；以及
第十八圖 係一模具之側視圖。
1．．．具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件
11．．．基層
12．．．反向耦合層
13．．．介質層
14．．．順向耦合層
141．．．斜表面
2．．．光纖
3．．．光波
Claims (18)
- 一種具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件，係包括：一基層；至少一反向耦合層，係形成於該基層之上，一光波可侷限於該反向耦合層之內傳遞；一介質層，係以包覆反向耦合層之方式形成於基層之上；以及至少一順向耦合層，係形成於該介質層之上，該順向耦合層之一端可與一外部光纖連接，以耦合光纖所傳輸之該光波；其中，該介質層之折射係數係相同於順向耦合層之折射係數，使得光波於順向耦合層內傳遞時，會將介質層與該順向耦合層視為同一物質，故光波可無損耗地經由介質層被耦合進入該反向耦合層。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件，其中，該基層可為下列任一種：一半導體材料基層、一半導體複合材料基層與一玻璃基層。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件，其中，該反向耦合層之材料可為下列任一種：矽(silicon,Si)、氮化矽(silicon nitride，SiN)、氮化氧矽(silicon oxinitride，SiON)、與碳化矽(silicon carbine，SiC)。
- 如申請專利範圍第3項所述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件，其中，該反向耦合層之結構為一楔形結構。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件，其中，該介質層可為一半導體材料或為半導體複合材料。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件，其中，該順向耦合層為一感光材料，其材料編號為SU-8。
- 如申請專利範圍第6項所述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件，其中，該順向耦合層之結構為一三維錐狀結構，其具有一斜表面，當該斜表面之一表面斜率越高，則順向耦合層對該光波之耦合效率越高。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件，其中，該反向耦合層之折射係數係大於該介質層之折射係數，該順向耦合層之折射係數係大於空氣之折射係數，且該基層之折射係數係大於空氣之折射係數。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件，其中，藉由該順向耦合層－該介質層-該反向耦合層之高效率耦合，該具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件可耦合之光波長範圍為1530nm~1580nm。
- 如申請專利範圍第1項所述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件，其中，該順向耦合層更具有一斜表面，當該斜表面與介質層之表面的夾角小於0.674°時，順向耦合層的光耦合效率可高於90%。
- 一種具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件之製造方法，係包括：(1)置備一基層；(2)於該基層之上形成一反向耦合層；(3)利用微影蝕刻之方式，將該反向耦合層製成一楔形結構；(4)以包覆該反向耦合層之方式，於基層之上形成一介質層；(5)於該介質層之上形成一順向耦合層；(6)製備一模具；(7)使用該模具，以壓模之方式將該順向耦合層製成一三維錐狀結構；以及(8)利用微影蝕刻之方式將順向耦合層之兩側面製成一楔形表面。
- 如申請專利範圍第11項所述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件之製造方法，其中，該步驟(3)更包括：(31)於該反向耦合層之上形成一第一光阻層；(32)藉由曝光顯影決定該第一光阻層之圖形；(33)以第一光阻層為阻擋層，蝕刻反向耦合層；及(34)移除第一光阻層。
- 如申請專利範圍第11項所述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件之製造方法，其中，該步驟(6)更包括：(61)製備一模具基板；(62)塗佈一第二感光材料於該模具基板之上；(63)壓印該第二感光材料，使其具有一特定角度；(64)藉由曝光顯影，將第二感光材料製成一三維錐狀結構；(65)填入一聚合物於模具基板；(66)靜置該聚合物一段時間；及(67)將聚合物由模具基板之上移除。
- 如申請專利範圍第11項所述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件之製造方法，其中，該介質層係藉由電漿輔助化學氣相沈積技術而形成於該基層之上。
- 如申請專利範圍第14項所述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件之製造方法，其中，使用電漿輔助化學氣相沈積技術形成該介質層之時，係同時通入氮氣(N2 )、氧化亞氮(N2 O)、甲烷(SiH4 )、與氨氣(NH3)。
- 如申請專利範圍第13項所述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件之製造方法，其中，該第二感光材料之材料編號為SU-8。
- 如申請專利範圍第13項所述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件之製造方法，其中，該聚合物之材料為聚二甲基矽氧烷(Poly-dimethylsiloxane，PDMS)。
- 如申請專利範圍第13項所述之具有順向與反向耦合特性之波導耦合元件之製造方法，其中，該模具基板可為下列任一種：一半導體材料基板、一半導體複合材料基板與一玻璃基板。
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