再前一章介紹完如何用黃光微影技術製作凹槽結構後，我們為 了在基模態傳播，需要用改變曝光顯影時間再去控制它的凹槽線 寬，但也相對的因此而限制了凹槽的深度，而得知需用 5 µm 線寬 的光罩去做黃光微影，而最佳的情況，可以做到將凹槽的上面線寬 8 µm，下面線寬 4 µm，深度約接近 3 µm，於是我們便將這個結果，
從新開始於光波導的模擬和製作。首先我們必須先製作 Channel waveguide 來得知其材料的傳輸損耗，和與單模光纖（SMF）耦光 時的耦合損耗，以便日後用於Splitter 之製作。
5-1.Channel Waveguide 之結構特性
我們發現有機無機混成材料之厚膜過厚時，會使得在經過高溫 烘烤下，厚膜會出現很嚴重的碎裂現象，所以這使得在此 buried waveguide 的結構設計和製程上，都需要考慮到這個因素，所以才 使得在此 buried waveguide 結構上，另外需再成長一層折射率為 1.447 的 thermal oxide 作為批覆層和再旋鋪一層折射率為 1.46 的 UV 膠，來幫助橫向光場的侷限性。
所以整個結構是一開始在 silicon 基板上，用濕氧法成長約 6 µm 折射率為 1.447 的 thermal oxide 作為批覆層，再旋鋪一層厚度約 5 µm 折射率為 1.501 的有機無機混成材料作為底批覆層（Bottom cladding layer），同樣在旋鋪上一層厚度約 3 µm 折射率為 1.501 的 有機無機混成材料作為旁批覆層（Side cladding layer），然後僅做黃 光微影術，定義出波導凹槽(Trench)的結構，深為接近 3 µm，然後 再旋鋪一層折射率為 1.511 的有機無機混成材料當作導光層，接著 再旋鋪一層同樣厚度約5 µm 折射率為 1.501 的有機無機混成材料作 為頂批覆層（Top cladding layer），這樣在導光層內會有較佳的局限 能力(Index guiding)，最後再旋鋪一層折射率為 1.46 的 UV 膠，然 後封裝。
5-2.Channel Waveguide 之模擬設計
我們利用BPM-CAD 軟體去模擬基本光場，使得光場能在基模 態傳播，模擬之參數仍是以有機無機混成材料在 TE 模態下之折射 率來計算。
新的波導結構如圖5-1 所示:
表 5-2.光波導的折射率關係
利用BPM-CAD 模擬之結果如下圖 5-2 所示:
如圖5-1.上 Core 為的大小為上線寬 8 µm，下線寬 4 µm，深度 3 µm。
圖 5-2.光波導的光場模擬圖。
其中 此光場模擬出的 Spot size 為 : 4.66 µm × 5.52 µm Confinement factor = 72.84 %
Coupling losses to SMF = -0.75 dB nTE
Core 1.511 Cladding 1.501
Index
contrast 0.66%
圖 5-3.光波導截面能量的分佈圖。
由 BPM CAD 的計算得知此波導結構在單模操作。於是我們便 可以根據這些參數，開始著手去製作光波導元件。
5-3.Channel Waveguide 之製作流程
在確定材料的基本特性、製程條件，以及元件基本結構後，我 們便開始進行光波導的製作。其製作流程如下：
1. 晶片的清洗
(1)將 silicon wafer 依序泡入丙酮（Acetone），異丙醇（IPA）及 Cladding
Core
強度 9 清洗 10 分鐘。
(2)在用去離子水沖洗 wafer 約四分鐘，再用氮氣將 wafer 吹乾，
再置入烤箱烘烤 60 分鐘，即可。
2. 濕氧法（Wet-oxidation）成長二氧化矽
如下圖 5-4.所示，先將清洗乾淨的 wafer 放置於石英座內，
再推入石英爐管中，然後將石英爐管內溫度加熱至 1000 ℃的 高溫之後通入濕氧約150 個小時，使濕氧與 silicon wafer 表面 反應生成二氧化矽，則可生成厚度約6 µm 的二氧化矽。
圖 5-4.濕氧法之系統架設圖。
3. 旋鋪 WGC 1:5 材料當底披覆層(Bottom cladding layer) (1)以 spin coator 旋鋪混成材料為 5 µm，旋鋪條件為
轉速一：500 rpm / 10 秒。
轉速二：1000 rpm / 40 秒。
乾氧 濕氧 水
90℃
石英爐管，1000℃ 排氣
石英座 及wafer
(2)將旋鋪上有機無機混成材料的晶片放入烤箱中，由室溫以每
轉速一：500 rpm / 10 秒。
轉速二：2330 rpm / 40 秒。
放入烤箱中，由室溫以每分鐘 3℃的升溫速率加熱到 80℃，
然後持溫 30 分鐘，進行預烤（Prebake）的定型動作。
5. 混成材料做曝光顯影
(1)將試片從烤箱中拿出，以 I-line 波長為 365 nm 的光罩對準機 做曝光。因有機無機混成材料具有可曝光成像的特性，所以 我們以曝光時間為 16 秒，使讓曝到光的材料能達到鍵結，而 未曝到光之材料凹槽的部份，在分子無法鍵結的情況下，再 用適當的溶劑把材料給去除。
(2)將經過 UV 曝光後的試片放進的甲苯（Toluene）和 60 c.c.的丙 烯乙二醇甲基乙醚醋酸鹽（PGMEA，propylene glycol methyl ether acetate）60 c.c.的混合溶液中輕微搖晃，經過大約 10 秒便 能將未曝光的材料凹槽的部份給去除，接著再將試片放進甲醇 （Methanol）中，再以氮氣槍吹乾之後放入烤箱，以圖 5-5.的加 溫曲線硬化定型。
6. 旋鋪 WGC 1:3 材料當導光層
(1)以 spin coator 旋鋪混成材料約為 1.5 µm，旋鋪條件為：
轉速一：500 rpm / 10 秒。
轉速二：2840 rpm / 40 秒。
(2)再將試片放進烤箱中，由室溫以每分鐘 3℃的升溫速率加熱到 80℃，然後持溫 30 分鐘，進行預烤（Prebake）的定型動作。
(3)為了使材料能達到完全鍵結(Cross link)，我們 I-line 波長為 365 nm 的光罩對準機直接對晶片曝光 60 秒，使照光能量約大於 1800 焦耳。
(4)置入烤箱，以圖 5-5 所示的升溫曲線去使材料加熱固化。
7. 旋鋪 WGC 1:5 材料當頂披覆層(Top cladding layer) (1)以 spin coator 旋鋪混成材料約為 5 µm，旋鋪條件為 轉速一：500 rpm / 10 秒。
轉速二：1000 rpm / 40 秒。
(2)再將試片放入烤箱，由室溫以每分鐘 3℃的升溫速率加熱到 80℃，然後持溫 30 分鐘，進行預烤（Prebake）的定型動作。
(3)為了使材料能達到完全鍵結(Cross link)，我們將 I-line 波長為 365 nm 的光罩對準機直接對晶片曝光 60 秒，使照光能量約大 於 1800 焦耳。
(4)置入烤箱，以圖 5-5 所示的升溫曲線去使材料加熱固化。
8. 旋鋪頂批覆層 UV glue
(1)試片上再鋪蓋頂批覆層的材料，我們選擇 OG-125 UV 膠，當 作此波導的批覆層。此 UV 膠以兩階段轉速 500 rpm/時間 10 秒及 900 rpm/時間 30 秒所旋鋪出來的 UV 膠厚度則有 11 µm 左右，而折射率為 1.46。
(2)我們用此條件，在試片上旋鋪 UV 膠。然後以 UV 燈照光 180 秒，就可達成固化。
9. 波導元件的封裝
(1)在元件上再塗鋪一層 UV 膠以為了增加元件對水氣等的抵抗 力，然後蓋上Pyrex-7740 玻璃並以 UV 燈照光，完成元件的簡 易封裝。
以下為製作過程的示意圖：
(1) 清洗 wafer 及用濕氧法成長二氧化矽
Thermal Oxide Silicon substrate
(2) 塗鋪底批覆層材料
(3) 塗鋪旁批覆層材料
(4) 混成材料曝光
Side cladding Bottom cladding Bottom cladding
Thermal Oxide Silicon substrate
Thermal Oxide Silicon substrate
Side cladding Bottom cladding
Silicon substrate
Thermal Oxide
UV light
(5) 混成材料顯影
(6) 塗鋪導光層材料
(7) 塗鋪頂批覆層材料
Bottom cladding
Core Bottom cladding
Thermal Oxide Silicon substrate
Thermal Oxide Silicon substrate
Thermal Oxide Top cladding
Silicon substrate Bottom cladding
(8) 旋鋪材料 UV glue
(9) 蓋上玻璃 Pyrex7740
OG-125 UV glue Top cladding
OG-125 UV glue Top cladding
Thermal Oxide Silicon substrate
Silicon substrate
Thermal Oxide Pyrex 7740 Bottom cladding
Bottom cladding
(10) 波導端面處理
封裝完成後，在元件切割方面，我們使用 Disco DAD-320 鑽石 刀切割機，我們將波導元件貼在blue tape 上，再放置於切割機的工 作盤上，然後以適當的進刀速率 0.05 mm/sec，去切割波導元件的至 所需的長度。波導端面經切割完之後，首先我們將波導元件，用顆 粒約5~6 µm 的砂紙做研磨，再使用研磨粉粒氧化鋁粉（Al2O3）加 RO 水在拋光絨布上進行波導端面研磨拋光的處理動作。
第一道拋光步驟：0.3 µm 研磨粉粒氧化鋁粉（Al2O3）:水=1 g:100 g
5 牛頓的施壓，轉速:150 rpm，時間: 2 分鐘 第二道拋光步驟：0.05 µm 研磨粉粒氧化鋁粉（Al2O3）:水=1 g:100 g
5 牛頓的施壓，轉速:150 rpm，時間: 4 分鐘 第三道拋光步驟：水磨，5 牛頓的施壓，轉速:150 rpm，時間:4 分鐘
圖 5-6.經過切割研磨後的波導截面圖 Side cladding
Top cladding
Bottom cladding UV glue
Thermal oxide
Core
5-4.Channel Waveguide 之光學量測系統
然後我們在採用回切法( Cut-back method)來量測光波導的傳播損耗
5-5.Channel Waveguide 之量測結果與分析
在圖 5-8.量測結果可知，在這個結構我們量測出的光波導可知此 一波導元件在TE 模態的傳輸損耗為 0.69 dB /cm，而耦合損耗為 1.57 dB，TM 模態的傳輸損耗為 0.70 dB / cm，而耦合損耗為 1.89 dB 。 不管是 TE 或 TM 模態的傳輸損耗，都已經合乎我們光波導小傳輸 損耗的標準。而在耦合損耗部分，經 BPM 計算波導與單模光纖的 耦合損耗(coupling loss)為 0.8 dB，當我們將波導端面經過切割研磨 之後，且在光纖耦合端面滴上 index-matching oil 之後，我們已經可 以將波導與單模光纖的耦合損耗降至1.5 ~1.8 dB 左右，如果能找出 更佳的研磨拋光參數，在光學量測時能便能盡量再將耦合損耗降至 最低。
此外我們另選擇了一個 core 直徑為 6 µm 的 Taper fiber 來取代原 本core 直徑為 8.2 µm 的 SMF 來耦光進入光波導，發現可將 coupling loss 再降低 0.35 dB，所以如果能再尋找更適當的 Taper fiber 來耦合 光源進入光波導，則在耦光時可減少因些微 misalignment 導致的 modal mismatch，而再減少 coupling loss，在這個量測，耦合損耗確 實在量測元件的插入損耗中佔了極大部份，也是在量測上所需克服 和改善的重要任務之一。
第六章 Optical power splitter 之模擬設計分析
本章主要探討 splitter 之模擬設計。首先會先從 1×2 optical power splitters 之模擬設計討論，再討論 1×4 optical power splitters，接著再 討論1×8 optical power splitters 之模擬設計分析。
我們是以 BPM CAD 軟體來模擬其場形與損耗，希望在光波導 中以基模態來傳播，首先先用 5 µm 的 splitter 光罩做黃光微影測 試，發現當我們做出好的 Y-branch 時，此時凹槽的上面線寬約 8 µm，下面線寬約 4 µm，深度約接近 3 µm，於是我們便將這個結果，
開始於splitter 的模擬設計。
在圖 6-3.中我們可知 1×2 Power splitter 包含了 Channel、S-bend、
以及Y-branch 三個重要部分。
圖 6-1.1×2 Power splitter。
Core Channel S-bend
Y-branch