第二階段光波導成形

此階段為將合適的Polymer 材料填入凹槽中形成導光的部分。包 括：導光層材料塗蓋（Core Material Coating）、表面研磨（Surface Polish）、切割（Dicing）、端面研磨（End-Surface Polish）和量測。，

以下是詳細的製程步驟。

(一) 導光層材料塗蓋（Core Material Coating）

是將我們熱壓模造後的波導，填入適當的Polymer 材料，當作波 導的Core、玻璃基板為 Cladding，壓印完成的玻璃基板清洗乾淨後，

即可將polymer 以旋轉塗蓋（Spin Coating）的方式，填入波導的凹槽 中如圖3.18 所示，詳細說明如下。

圖3.18 塗蓋 polymer 示意圖 A、 旋轉覆蓋（Spin Coating）

低轉速（500rpm）約 5 秒，主要轉速 700rpm 約 30 秒，膜厚 約 5µm。

B、 固化（curing）

polymer 塗蓋後需要熱溫固化（thermal curing）處理，用來 Polymer

除去polymer 材料中的有機溶劑，以增加薄膜的密度使其固化，

讓折射率固定。處理的程序是先將製作好的樣品放入烤箱，由室 溫慢慢加熱到170℃，時間約 10 分鐘。固定溫度在 170℃烘烤，

時間約60 分鐘。

(二) 表面研磨（Surface Polish）

使用刨光研磨機，圖 3.19(a)所。利用機械研磨將凹槽外表面多餘 的polymer 去除，如圖 3.19(b)所示。

圖3.19 (a) 拋光研磨機

圖 3.19 (b) 研磨凹槽外的 polymer Polymer

(三) 切割（Dicing）

玻璃基板的切割方面一直是光波導製作上很重要的一個課題，由 於光必須由波導的端面導入，所以端面在切割後的平整度非常重要。

但是玻璃基板並沒有晶格結構的特性，所以在處理上會增加其困難 度。我們處理步驟是先將玻璃黏在 Blue Tape 上，再以晶粒切割機

（Dicing Saw），如圖 3.19(a)，切割我們所需的晶粒大小及光波導管 的長度，如圖3.20(b)。

(a) (b)

圖3.20 (a)晶粒切割機（Dicing Saw）(b)切割後的波導玻璃基板 (四) 端面研磨（End Surface Polish）

使用刨光研磨機將我們所切割下來的晶粒之端面拋光，以利後續 將光導入的步驟。

以SEM 觀察完成元件，將切割完成的元件經由濺鍍機在其表面 鍍上一層薄薄的金，並以掃瞄式電子顯微鏡(SEM)觀察。圖 3.21 是整 個S-bend 元件的俯視圖，從圖的中間部分，我們可以明顯的看到我

們所製作完成之S 型彎曲波導的圖形。圖 3.22 是元件的橫截面圖。

圖 3.21 元件 SEM 俯視圖圖 3.22 元件橫切面 SEM 圖

3.2 製程問題與討論

(一) 母模製程

母模製程是此模造玻璃製作技術中最重要的一環，整個轉印 的精確度完全取決於母模的精度，所以在材料的選擇上必須具有 良好的材料特性、對電鑄液及溫度的阻抗性強、容易脫模等等。

(二) 精密電鑄製程

電鑄時並未加入針孔抑制劑及應力消除劑（stress reducer），

電鑄後鎳板模仁表面有針孔及內應力過大的情形發生，如圖3.23 所示。因電鑄系統無電腦監控電鑄液的 PH 值、溫度、比重、還 有其他添加計的濃度及電流密度的調整等等，所以對製程監控有 其困難度，所以在電鑄的製程條件還有改善的空間。

圖3.23 (a)電鑄後鎳板模仁針孔的情形

(b) (c)

圖3.23 (b)電鑄後鎳板模仁針孔的情形 (c)電鑄前 UV 膠母模的情形

(d)

圖3.23 (d)鎳板因內應力過大而彎曲 (三) 模造玻璃製程

模仁壓印後會沾黏玻璃必須再表面塗蓋一層硬模（Hard Coating；DLC、CrN、IrReNi）以增加模仁的壽命。下圖 3.24 為 模仁未塗蓋一層硬模時，模造壓印 10 次後的照片，玻璃會在壓 製過程中不斷粘黏在鎳模仁表面，表面霧狀為玻璃沾黏後的狀 況。

圖3.24 壓印 10 次後模仁表面粘黏玻璃的情形 (四) 表面研磨製程

IPG polymer 與玻璃的黏著性（adhesion）並不理想，當表面 研磨製程時部份材料會因研磨而完全脫落，導致導光層（Core）

剝落，無法傳輸光線，如下圖3.25 所示：

圖3.25 部分材料因研磨而完全脫落

(五) 端面研磨製程

端面研磨後並未改善其切割面粗糙崩裂的情形，如下圖3.26 所示：

(1) (2)

圖3.26 (1) 研磨前 (2)研磨後波導端面之 SEM 照片

第四章 波導特性量測

波導元件製作完成後，接下來就要進行量測，將光耦合進入波導 內，利用手動的方式調整六軸平移台來做對光的動作。在光源的部份 我們使用的光源波段是在1550nm 附近，是屬於不可見光的部分，所 以我們在波導的輸出端必須架設IR 的 CCD 來觀察波導輸出的光場，

藉此來判斷光是否有耦合到波導內。在本章的第一節我們將說明我們 的量測系統的架設，第二節為量測結果及討論。

4.1 量測系統

光纖和波導的耦合一直是波導元件很重要的一個課題，一般比較 常見的方法有(1)用物鏡直接聚焦(2)用單模光纖直接對準(3)用光纖透 鏡(lens fiber)聚焦對準[28]。在我們的實驗上我們使用 1550nm Laser Diode 作為光源，連接以末端製作成錐形的光纖透鏡(Lens fiber)與光 波導耦合，我們在輸入端使用顯微鏡來輔助我們準確地完成 Lens fiber 與波導元件的對光。在輸出端我們架設 IR CCD 來觀察波導輸出 的光場形狀，藉此來輔助我們判斷光波是否有耦合到波導內，圖 4.1 為實際量測系統圖。

Len s f ib er

micro sco pe

C C D im

a g e c ap

tu re

De vic e

in pu t ou tp u t

4.2 量測結果與討論

(一) 量測

我們利用圖4.2 的量測架構，在 S-bend 波導的一端打入 1550nm 的雷射光，經S-bend 波導導光（Guiding）後，由另一端出光，利用 CCD 觀測出光的近場圖像。如下圖 4.3 所示：

(1) (2)

(3)

圖4.2 (1)雷射光未導入波導時的光點 (2)雷射光一部份導入波 導後出光 (3)雷射光全部導入波導後出光

(二) 討論

我們在第一代利用蝕刻石英玻璃基板，已成功驗證我們所設計的 高分子平面波導型可調式光衰減器（Polymer Waveguide VOA）的功 能[9-10]。如下圖 4.3 所示【線條則是根據實驗量得之數據所繪之漸 近線】為實驗所得與模擬數據的比較關係圖，雖然我們的波導結構呈 現 V 字型的溝槽，與我們所設計的方正結構有所差別，但由此關係 圖可知，理論模擬與實際元件測試的趨勢相同且實際的元件特性呈現 較線性的走勢（較小的斜率變化），因此在元件的溫度控制上將較穩 定（光衰減量隨溫度的波動率較小），有較佳的元件特性。

圖4.3 第一代 VOA 元件在波長 1550nm 時之傳輸損耗與溫度之關係 對可調式光學衰減器而言，工作溫度在16.1℃到 50.7℃的區間，

調變溫度區間只有34.6℃，可調變的衰減範圍為 0dB~30dB，約-1db/℃

足以滿足光通訊之規格要求。從量測的結果印證了我們所設計的可調 式光學衰減器的理論是可行的：以波導的彎曲來造成能量衰減，利用 具有高T/O 係數的高分子材料做導光層，藉由改變導光層的溫度來改 變導光層的折射率進而來調變衰減值。

圖4.4 為第一代蝕刻石英玻璃基板 VOA 的截面圖，由於石英玻璃

（Crystal Silica）較硬因此較難蝕刻出垂直的結構。

圖4.4 第一代蝕刻石英玻璃基板 VOA 的截面圖

因此我們發展出第二代以熱壓模造玻璃的技術壓印複製所設計 的平面光波導元件。可以製造出垂直的侧璧，完整的複製設計的結 構，如下圖4.5 所示。

圖 4.5 第二代熱壓模造玻璃 VOA 的截面圖

第五章 結論

製母模的結構。

組，再利用熱壓模造玻璃的製造技術大量複製量產。

參考資料

[1] W. Bernhard, R. Muller-Fiedler, T. Pertsch, and C. Wachter,

“Crosstalk reduction in switching networks by asymmetrical off–on switches, ”Proc. SPIE, vol. 3620, no. 1, pp. 24–32, 1999.

[2] M. Lenzi, S. Tebaldini, D. D. Mola, S. Brunazzi, and L. Cibinetto,

“Power control in the photonic domain based on integrated arrays of optical variable attenuators in glass-on-silicon technology,” IEEE J.

Select. Topics Quantum Electron., vol. 5, pp. 1289–1297, Sept.–Oct.

1999.

[3] K. Hibayashi, M. Wada, C. Amano,”Liquid crystal variable optical attenuators integrated on planar lightwave circuits,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 13, No. 6, pp.609-611, 2001.

[4] W. Noell, P. A. Clerc, L. Dellmann, B. Guldimann, H. P. Herzig, O.

Manzardo, C. R. Marxer, K. J. Weible, R. Dandliker, N.

Rooij, ”Applications of SOI-based optical MEMS,” IEEE J. Selected Topics Quantum Electron., vol. 8, No. 1, pp. 148-154, 2002.

[5] S. S. Lee, Y. S. Jin, Y. S. Son, T. K. Yoo, “Polymeric tunable optical attenuator with an optical monitoring tap for WDM transmission network,” IEEE Photonics Technology Letters, vol. 11, No. 5, pp.590-592, 1999.

[6] S. S. Lee, Y. S. Jin, Y. S. Son, “Variable optical attenuator based on a cutoff modulator with tapered waveguide in polymers,” Journal of Lightwave Technology, vol. 17, No. 12, pp.2556-2561, 1999.

[7] L. Eldada, L.W. Shacklette, “Advances in polymer integrated optics,” IEEE J. Selected Topics Quantum Electron., vol. 6, pp.

54-68, 2000.

[8] R. Blomquist, L. Eldada, M. McFarland, C. Poga, and L. Shacklette,

“Fluorinated acrylates in making low-loss, low-birefringence, and

single-mode optical waveguides with exceptional thermo-optic properties,” Proc. SPIE, vol. 3799, no. 7, pp. 266–279, 1999.

[9] Ying-Tsung Lu; Huang-Chen Guo; Hseng-Tsong Wang; Sien Chi;

Lasers and Electro-Optics, 2003.”Polymer-based waveguide voa suitable for ultra broadband network” CLEO/Pacific Rim 2003. The 5th Pacific Rim Conference on , Volume: 2 , 15-19 Dec. 2003

[10] 王勝聰, “可調式高分子光波導光學衰減器之設計與製作” 國立

[14] K. O. , “Fundamentals of Optical Waveguides”.

[15] E. A. J. Marcatili, “Bends in optical dielectric guides,” Bell Syst.

Tech. J., vol. 48, pp. 2103-2132, Sept. 1969.

[16] D. Marcuse, “Radiation losses of tapered dielectric slab wave-guides, ” Bell Syst. Tech. J., vol. 49, pp. 273-290, 1970.

[17] D. Marcuse, “Bending losses of the asymmetric slab waveguide,”

B.S.T.J., Vol. 50, pp. 2551-2563, 1971.

[18] A. W. Snyder, I. White, and D. J. Mitchell, ”Radiation from bent

optical waveguides,” Electron. Lett., vol. 11, pp. 332-333, 1975.

[19] D. Marcuse, “Curvature loss formula for optical fibers, ” J. Opt.

SOC. Amer., vol. 66, pp. 216-220, 1976.

[20] I. A. White, “Radiation from bends in optical waveguides: The volume current method, ” Microwaves, Opt. Acoustics, vol. 3, pp.

186-188, 1979.

[21] E. G. Neumann, “Curved dielectric optical waveguides with reduced transition losses, ” Proceeding of IEE Journal, vol. 129, no. 5 , pp.

278-280, 1982.

[22] R. Baets and P. E. Lagasse, “Loss calculation and design of arbitrarily curved integrated-optic waveguides, ” Journal of Optical Society of America, vol. 73, no. 2, pp. 177-182, 1983.

[23] J. Saijonmaa and D. Yevick, “Beam propagation analysis of loss in bent optical waveguides and fibers,” Journal of Optical Society of America, vol. 73, no. 12, pp. 1785-1791, 1983.

[24] G. J. Veldhuis, F. N. Krommendijk, and P. V. Lambeck, “Integrated optic intensity modulator based on a bent channel waveguide,” Opt.

Commun., vol. 168, pp. 481-491, Sept. 1999.

[25] S. M. Garner, S. Caracci, “Variable optical attenuation for large-scale integration,” IEEE Photon. Technol. Lett., vol. 14, No.

11, pp. 1560-1562, 2002.

[26] E. S. Kang, T. H. Lee, and B. S. Bae, “Measurement of the thermo-optic coefficients in sol-gel derived inorganic–organic hybrid material films,” Applied Physics Lett., vol. 81, no. 8, August 2002.

[27] Hong Ma,Alex K.-Y Jen and Larry R. Dalton “Polymer-Based Optical Waveguide: Materials, Processing, and Devices” Adv. Mater.

2002, 14, No.19, October 2

[28] 楊政霖, “高分子光波導與光柵的製作與研究,” 國立交通大學光 電所碩士論文, 2002.