近年來，由於個人電腦和網際網路的普及，使的人類對於網路的 依賴性日益地增加，通訊產業急遽的發展。而舉凡家庭個人的電腦多 媒體應用或是跨國的電子商務，都需要極大的頻寬以應付大量的資料 數據傳輸，造成頻寬的需求大增，於是開發頻寬成了許多網路設備人 才積極研究發展的目標。而在通訊市場已從 Telecommunication 進入 Datacommunication 以後，以目前一般的雙絞線（Twisted-pair cable）
或同軸電纜（Coaxial cable）其傳輸頻寬已漸漸不敷使用。於是研究 使用光調變訊號以及光纖來做為傳輸數據的媒介，將頻寬拓展到 Gbps 等級的光通訊技術已經成為未來解決頻寬不足的最佳途徑。
然而在光通訊系統中，當長距離的跨海底光纖網路（Undersea cable）到中距離的環島主幹線網路（Terrestrial long-haul）皆已鋪設 完畢時，由於都會區(Metropolitan trunking)及用戶端（Access/LAN）
的光纖通訊零組件的不普及，造成光通訊市場發展的瓶頸。因此如何 將光通訊市場推向用戶端，元件的大量生產及低價位是唯一的方法。
於是光通訊零組件的製作開始由傳統的光纖燒結發展成以半導體製 程為主的平面光波導技術（Planar light-wave circuit technology）。平面 光波導技術的優點，在於可以積體化，縮小元件的尺寸，並且可以減
少封裝的次數以降低成本。另外配合著多家材料廠商更新更便宜的光 學材料的研發，將之應用在光通訊元件的生產上，可使光通訊元件的 接受度更高，光通訊網路更普及化，市場的榮景也將是指日可待。
而以平面光波導技術而言，材料與製程的發展是最重要的關鍵。
就材料方面而言，早期的平面光波導元件的材料大多以無機材料
（Inorganic materials）為主。常見的有 SiO2，SiN 及 Si 等，而以 SiO2 與 Si 應用最為頻繁。SiO2具有品質穩定，材料製程穩定等優點，但 是 SiO2 厚膜的成長以及蝕刻處理不但耗時且耗成本，不論是以熱氧 法（Wet-oxidation），火焰水煮法（FHD, flame hydrolysis method）或 是電漿輔助化學氣相沈積法（PECVD, plasma enhanced chemical vapor deposition），都需要耗去可觀的生產成本。後來高分子聚合材料
顯出有機高分子材料製程簡單以及價格低廉等優點。不過，高分子材 料對環境抵抗力不高，材料再現性也不如無機材料來的好，這是在發 展 有 機 材 料 時 仍 須 努 力 的 地 方 。 而 近 年 來 有 機 無 機 混 合 材 料
（Organic-inorganic hybrid materials）兼具高分子材料之加工性與無機 材料機械安定性之優勢，逐漸被應用在平面光波導製作上。本論文 中，便嘗試使用工業研究院化工所所開發的 sol-gel 有機無機混合玻 璃材料做為導光材料。
在本論文中，第二章將說明 sol-gel 混合玻璃材料，包含了做為 導光層的 WGC 1：2 材料，以及做為批覆層的 sol-gel cladding 材料的 機械特性與光學特性。導光層是屬於感光型材料，其特點是具有高透 光率以及可曝光成像性，並可以不同比例的有機與無機材料混合以達 到調控折射率的目的。此外，使用時必須加入光起始劑幫助其感光特 性，利用 UV light 照光，使材料照光能量能達到 1800mJ 以上而組成 分子能有效地鍵結，以利進行顯影時能有效區分照光與未照光之區 域。批覆層是屬於熱固型材料，熱固性的材料則因摻雜長鍊狀的高分 子物質，因此在厚膜塗鋪上有不錯的效果。另外，我們也為了解 sol-gel 材料的光譜吸收特性而做了頻譜響應的量測。
第三章介紹兩種不同結構的波導其特性與設計理論。我們根據幾
適當的材料參數，去設計符合單模操作的波導元件。其中第一種波導 元件的導光原理是類似脊樑狀波導雷射（Ridge waveguide laser），只 需在 SiON（Silicon oxynitride）蝕刻出一淺凹槽，然後塗鋪上導光層，
再鋪蓋上頂批覆層即可完成。第二種波導元件則是利用各層材料適當 的折射率差去構成波導的導光條件。我們在折射率略低的 SiON 上蝕 刻出一個方形的凹槽，再將折射率較高的 sol-gel 玻璃植入凹槽內，
利用 sol-gel 玻璃可曝光成像特性，除去波導線路外不必要的 sol-gel 玻璃，最後鋪蓋上一層折射率較低 UV 膠當作批覆層。設計這兩種結 構的波導，主要運用於高密度線路元件的設計製作，以提高其設計寬 容度與良率。
第四章詳細說明兩種波導元件的製作流程，包括波導材料的製 備，SiO2以及 SiON 底材的成長，還有黃光微影及乾濕蝕刻的技術等。
而元件製作完成之後，經封裝後便可進行光學特性的量測。在第五章 中，我們以波長為 1310nm 的雷射光源去做波導的光學量測，包含光 傳輸損耗，耦合損耗以及極化相依損耗等。
最後第六章是本論文實驗的總結，將回顧實驗過程中包含材料的 測試選擇，製程的條件以及量測的結果，並歸納分析實驗出來的結論。
第二章 複合 sol-gel 有機無機玻璃材料之特性
在過去以往，光波導的材料，多半是以無機陶瓷材料為主。後來 由於高分子材料合成的技術日趨成熟，高分子波導材料逐漸被廣為研 發與應用。而本實驗所採用的複合 sol-gel 有機無機玻璃材料，則是 結合有機材料與無機材料的優點，將之應用在元件的製作上，期望能 發展出簡易製程且更低成本的光電元件。
2-1. 平面光波導材料之比較
在製作積體光學元件時，材料的選擇非常重要，尤其各層材料的 機械特性與光學特性，都會影響到元件整體的效能與表現。而且在降 低成本與發展量產的考量下，元件製程的重複性和對於環境的抵抗力 都必須嚴格要求。
在目前光通訊市場上，應用於平面光波導元件的材料大致上可歸 為三大類：
（1）無機材料（Inorganic materials）
（2）有機材料（Organic materials）
（3）有機無機混成材料（Hybrid materials）
在無機材料方面，比較常見的有石英玻璃（Silica）、鈮酸鋰
多應用於長距離的通訊，因此品質安定，低光學損耗的 Silica 為早期
元件上，更有利於加工，大面積製作、簡化製程以及降低成本等優點。
不過有機高分子光波導材料在發展過程中，仍有許多亟待克服的地 方，比如說薄膜塗鋪厚度再現性不理想，耐化性及耐熱性不容易掌控 以及與基材或金屬的介面相容性等問題。
有機與無機材料在平面光路的應用上各有其優缺點。近來有許多 人紛紛投入研究如何將有機與無機材料的優點相結合，而發展出另一 種有機無機混成材料（Organic-inorganic hybrid materials）。而這種材 料，非但具有無機陶瓷的熱穩定性和尺寸安定性，更具有高分子材料 的可塑性以及可調控之光學特性，非常適合應用於平面光路的發展。
本實驗所使用的 sol-gel 有機無機混成玻璃即是屬於這類的混成材料。
2-2. 有機無機混成玻璃材料之特性與應用
本實驗所使用的光波導材料是由工業研究院化工所所提供的有
機無機混合材料。此材料的製備方法是採用溶膠-凝膠法（Sol-gel process），即由金屬醇鹽的水解產生膠體（Colloidal）顆粒，然後在 與其內的大分子聚合成半固體狀的濕凝膠，最後會經由乾燥烘烤過程 使溶凝膠內的溶劑揮發完畢而固化成 sol-gel 玻璃[6,10]。
工研院化工所研發的 sol-gel 有機無機混合玻璃材料，發展至今，
已具有相當良好的穩定性和再現性。除了具有高透光率和可調控光折
射率之外，還有極佳的可曝光成像性，可類似 IC 製程中的光阻，將 光罩上的圖形轉移至試片[1,2]。本實驗即著重在 sol-gel 有機無機玻璃 可曝光成像的特性，利用此特性去取代高分子埋藏式光波導製程中，
耗時且高成本的乾蝕刻回蝕作法。
而 sol-gel 有機無機玻璃材料雖然在光學特性上有不錯的表現，
但在機械性質方面，則仍有需要改進的地方。其一，是 sol-gel 薄膜 在曝光成像時容易黏沾光罩，並無法像 IC 光阻一般經適當的預烤溫 度便可減少光阻黏附光罩的機會。其二，是 sol-gel 薄膜保留了無機 材料的碎性，以致於在製程中，會因溶劑的急速揮發或者是在切割研 磨試片時些微的應力而造成 sol-gel 薄膜裂痕而造成光傳輸的散射損 耗以致於降低傳輸效率。未來，這些缺點將是極力改善的方向。
除了應用在平面光路上，sol-gel 薄膜尚可應用在玻璃基板的抗反 射，耐磨材料的薄膜研發，以及金屬的抗鏽防蝕塗料上，或是可以做 為隔熱或電極性材料，非常具有開發價值。
2-3. 導光層之光學與材料特性
本實驗所用來當作導光層的材料是工研院化工所所調配的無機 有機混合波導材料 WGC 1：2。此材料屬於感光型材料，在使用時，
我們會在添加一些光起始劑來增加材料的感光能力。一般我們是將
WGC 1:2 以封口膜封住瓶口並儲存在 4℃的冰箱中以避免多餘的水氣 被吸附於材料中而形成會造成光傳輸損耗的氫氧（O-H）基。當取得 一批新的材料時，必須先測試此材料的光學與機械特性，才可真正應 用於波導元件的製程上。材料測試的流程如下：
（1） 首先準備六片 3 cm×3 cm 見方的矽基板試片，然後分別以丙酮
（Acetone）清洗 10 分鐘，異丙醇（IPA）清洗 10 分鐘，最後 再用 DI water 清洗 10 分鐘後將試片用水沖乾淨。隨後將試片吹 乾並放入烤箱烘烤。
（2） 接著將 WGC 1：2 從冰箱中取出退冰。待 WGC 1：2 回覆室溫 後，再與兩種粉狀的光起始劑依比例〈WGC: ITX : 907 = 5 : 0.05 : 0.2〉置於燒杯中混合，接著置於超音波震盪機裡 degas 約 7~10 分鐘，使得這兩種光起始劑與 WGC 1：2 能夠均勻地 混合且無氣泡殘留。混合完畢後，再以針筒經由 0.45µm 的濾
心做過濾雜質的動作。
（3）以旋轉塗鋪機分兩階段轉速旋鋪混合 sol-gel 材料，第一階段設 為慢轉速 500rpm，時間為 10 秒，目的是為了使材料能均勻塗
（3）以旋轉塗鋪機分兩階段轉速旋鋪混合 sol-gel 材料，第一階段設 為慢轉速 500rpm，時間為 10 秒，目的是為了使材料能均勻塗