建構在玻璃上之埋藏式高分子波導

全文

(1)第一章導論人類作為群聚性生物，對於訊息之交流及獲得，較其他生物來的迫切，憑藉其優異之智慧，發展出各種不同型式之通訊方法及工具，舉凡最簡單之面對面談話、旗語，到近代最先進之遠距有、無線通訊，再再皆是吾人對互通有無之具象表現。以往鑑於科技之限制，通訊頻帶的內容亦受限於諸如電報、電話等方式進行，然隨著科技的進步及人們對資訊量需求的大幅成長。光波通信其源有自，可追溯到數千年前，如烽煙、旗語等，但此種古老的光通訊法因缺乏良好的光源及導光媒體，無法滿足通信的需求直到 1960 年代初期紅寶石及半導體雷射相繼被發明後，由於雷射光源，能產生同調光即單色光，其頻率約為現有微波信號產生器所能產生信號之數萬倍至數十萬倍，是故其所能承載的訊息量也等量增加。有了良好光源，亦須有良好導光媒體配合，但因光的傳輸乃是由許多鏡子、光電調變器、及檢測器 … 等等所構成，在實際的應用上造成諸多不便。於是在 1960 年末期，整合光學的概念就被提出來，利用光纖來取代電線或是利用光的積體電路來取代電的積體電路，就開始有許多人將光學系統整合至單一半導體晶片上，稱為光電積體電路 (Opto-Electric Integrated Circuit，OEIC)，於是我們就發展出在. 1.

(2) 玻璃的材料上製作波導[1,2]。圖 1.1 為是我們所要製作埋藏式波導的架構，具有平坦化的特性，適合作積體光學元件，且與圖 1.2 擴散式平坦玻璃波導相比 [3,4]，擴散式的波導其導光層的折射率分布較不均勻、波導的深度也較淺及亦受溫度的影響等因數。但埋藏式波導可運用電槳蝕刻技術來控制導光層形狀，如較厚的導光層，可降低與光纖耦合的損耗，或是不同深度適合不同模態的光傳播，如此可利用不同的深度來控制光的傳播模態，相較之下埋藏式波導的深度我們可以控制及導光層也較均勻。. SOG 高分子材料. 玻璃. 圖 1.1. 埋藏式波導架構圖. 玻璃. 圖 1.2. 擴散式波導架構. 2.

(3) 另外，以高分子材料為導光層，選擇高分子材料時，除了製程簡易、穩度性高及便宜外，另一目的是希望藉由高分子材料作其他方面的應用是我們的主要目的，如控制光的傳播與否的光開關(optical switches)[5,6]、改變光的極化方向的極化器(polarizer)[7]、及將波導做成不同形狀來進行調變的光調變器(optical modulator) [8,9]，以此類推，更可製作許多的光學元件，像分光器（power splitter）[10,11]或分波多工器（WDM）[12,13]等。於是利用類似製程的方式來製做出不同形狀或是不同特性的光學元件是我們就主要的目標。在這整個製做的步驟包括金屬薄膜蒸鍍、光微影技術 (lithography)、濕蝕刻(wet etching)、乾蝕刻(dry etching)、高分子材料塗鋪(coating polyimide)、高分子材料的研磨(polishing) 等技術皆與積體電路製做相同，便利用將光學元件與積體電路整合成為光電積體電路(OEIC)。在本實驗中，重要的關鍵製程是（1）找出適當的玻璃﹔在本實驗中採用 Pyrex 7740，它是目前我們使用的結果最好的玻璃，且成本比起利用 CVD 在 Si 基材上所成長的 SiO2 較為便宜及隨時可重新製作光波導。(2)選擇保護層﹔由於保護層的選擇，必須要有較佳的抗蝕刻力[14]，才能確保我們可以蝕刻出較深的溝槽，然而在眾多的材料中，選擇以熱蒸鍍方式來成長 Ni 和 Cr，而目前玻璃與保護層乾蝕. 3.

(4) 刻的速率比為 8：1[15,16]。 (3) 高分子材料的選擇﹔高分子材料在整個波導是當作導光層，所以選擇材料在使用上要較方便、同時穩定性較高及價格低廉[17]。(4)高分子研磨及蝕刻﹔主要是要將高分子材料作平坦化及來降低 scatter loss。圖 1.1 是目前我們所製做出一個基本架構的埋藏式高分子光學波導。第二章為理論分析，採用 Bpm-cad 的軟體，計算出高分子材料下其場的分佈圖、能量分布圖及算出束縛因子（confinement factor）的傳播模型。第三章為材料分析及敘述各過程中所選用的條件，第四章為元件製做上的過程及電子顯微鏡所拍攝的結果。第五章為測量後的結果及分析。第六章為結論。. 4.

(5) 第二章. 光場分佈理論分析. 首先將介紹此實驗的三層結構，以 Pyrex 7740 的玻璃為底材， polyimide 為導光層及在鋪 SOG 為 cladding layer。圖 2-1 為這三層結構的剖面圖及各層間的折射率。. SOG. 0. polyimide -T x Glass. z y. 圖 2.1 波導剖面圖. 波長材料 Polyimide (OPI 1005) Polyimide (OPI 2005) Glass(波長=589.3nm). 1.3µm 1.52 1.604. 0.6328µm 1.54 1.63 1.474. 表 2.1 各材料間的折射率. 5.

(6) 第一節. 探討場的分佈. 圖 2.1 為簡單的三層波導結構，假設在 y 和 z 方向為無窮遠、第一層及第三層為半無窮遠，光波在 z 方向作傳輸，因此利用 Maxwell 方程式來定義磁場 ∇ 2 E (r , t ) = [ n 2 ( r ) / c 2 ]∂ 2 E (r , t ) / ∂t 2 -------(1) E ：電場向量 r ：半徑向量 n (r ) ：折射率. 對於單頻波而言，（1）的解為 E (r , t ) = E (r )eiwt ---------(2) w ：角頻率. （2）代入（1）得 ∇ 2 E (r ) + k 2 n 2 ( r ) E ( r ) = 0 k = w/ c. 因此假設一個均勻的平面波，在 z 方向作傳播 i.e. E (r ) = E ( x, y ) exp( −i βz ) -------(3) β ：傳播常數. 則(3)變為 ∂ 2 E ( x, y) / ∂x 2 + ∂ 2 E ( x , y) / ∂y 2 + [k 2 n2 (r ) − β2 ] E ( x, y) = 0 ------(4). 6.

(7) 當假設 y 方向為無窮遠，則（4）將寫成 ∂ 2 E ( x, y) / ∂x 2 + [ k 2 n 2 j − β 2 ] E( x, y ) = 0. 對 TE mode 而言 ∂2 E y ∂x 2. + (k 0 2 n 2 − β2 ) E y = 0. Hx = − Hz = −. β Ey wu0 1 ∂E y jwu0 ∂x. 對 TM mode 而言 ∂2 H y ∂x 2. + ( k 0 2 n 2 − β2 ) H y = 0. β Hy wεn 2 1 ∂H y Ez = − jwεn 2 ∂x Ex = −. 解上面方程式可得 E y = A exp( ik 0 x n 2 − nett ) + B exp( −ik 0 x n 2 − nett ) 2. 2. 為了求出解，決定傳播特性，則在 x=-T 和 x=0 時必須滿足邊界定理。對 TE 而言，邊界條件設定為 Ey 及邊界條件設定為 H y 及. ∂H y. ∂E y. ∂x 為連續，對 TM 而言，. ε∂x 為連續。因 TE 及 TM 為正交關係，以致. 於我們必須分別來討論導光特性，但 TM 與 TE 有相同的分析結果，所以我們只討論 TE 模。以下將討論在 n j < nett 和 n j > nett 中的 Ey 有不同的表示式，將區分非傳播區及傳播區兩部分加以討論。. 7.

(8) (1) 非傳播區域在此區域中的 n j < nett ，場的分布可表示為 E y = Aj exp( k j x) + B j exp( −k j x) k j = k0 nett 2 − n j 2. (2) 非傳播區域在此區域中的 n j > nett ，場的分布可表示為 E y = Aj cos(γ jx ) + B j sin( −γ jx ) k j = k0 n j 2 − nett2. 其束縛因子(confinement factor)為 0. Γ=. ∫E. 2 y. dy. −t ∞. ∫E. -----(5) 2 y. dy. −∞. 則(5)式必須為實部的場之大小. 8.

(9) 第二節. 結果與討論. 在本節中的結果，將利用 BPM 軟體來模擬結果。 (1) 當波長為 1.3µm、導光層的 Polyimide(OPI 1005)的折射率為 1.52、深為 6µm、寬為 7µm 及 SOG 的厚度為 0.5µm 時，所模擬出單模態的場分布，其結果為圖 2.2，從圖中得出半高寬(FWHM)=4.5 × 4.9 (µm2)，束縛因子Γ為 95.93%。 (2) 當波長為 1.3µm、導光層的 Polyimide(OPI 2005)的折射率為 1.604、深為 6µm、寬為 7µm 及 SOG 的厚度為 0.5µm 時，所模擬出單模態的結果，其結果為圖 2.3，從圖中得出半高寬 (FWHM)=5.45 × 4.9 (µm2)，束縛因子Γ為 99.28%。. 9.

(10) polyimide. polyimide. 圖 2.2 OPI 1005 場的分布圖. 10.

(11) polyimide. polyimide. 圖 2.3 OPI 2005 場的分布圖. 11.

(12) 第三章材料分析與成長在這一章節，將介紹材料的特性及在製程上所選用的條件來作分析介紹，第一節為各材料的折射率介紹，第二節為保護材料的成長，第三節為溼蝕刻的條件，第四節為各材料在乾蝕刻後的結果，第五節為高分子的研磨過程的探討，第六節為結論。. 第一節. 材料分析. 在此實驗中，選擇玻璃與高分子材料作為基底與導光層的材料。為了增加對環境的抵抗性，則在導光層高分子材料 Polyimide 上再鋪上另一高分子材料 SOG(spin-on-glass)。由表 2.1 可看出各材料間的折射率相當接近，適合單模態傳輸。接下來為了製作元件，必須將玻璃作深蝕刻，然而玻璃是屬於燒熔式二氧化矽，具有高硬度。因此欲達到深蝕刻的目的，就必須要有抗蝕刻能力較佳的保護層。下一節即是我們尋找保護層的過程。. 12.

(13) 第二節. 保護層材料的成長. 在此實驗保護層的成長，我們以熱蒸鍍的方式來成長 Cr-Ni-Cr，其主要目的為 Cr 是一種抗蝕刻能力很強的材料，所以我們選用它來當作我們的保護層，但倘若單純以熱蒸鍍方式來成長單一材料 Cr 時，會因材料本身應力的關係，在溼蝕刻 Cr 時，造成 Cr 材料龜裂。為了避免此現象的發生，於是就先鍍一層 Ni，來降低 Cr 的應力，但是發現 Ni 與玻璃之間的附著力並不是很好，使得玻璃與 Ni 之間會造成剝落的現象，於是又在鍍上一層 Cr 來增加玻璃與 Ni 的附著力，利用此關係就可以順利成長出保護層(圖 3.1)。不會在因材料本身的應力及附著力不佳而產生龜裂或剝落的現象。然而，因成長鉻的材料受熱蒸鍍系統的限制，以致於最上層的 Cr 厚度只能達到 3500Å，造成在乾蝕刻後的溝槽其深度只有 4um 及鉻的乾蝕刻速率為 130 Å/min。使得成長出來的保護層材料抗蝕刻能力也無法跟 E-beam 的鎳鉻合金的相比，其鎳鉻合金的蝕刻率為 77nm/hr[16]。 Cr. 圖 3.1 保護層成長的示意圖. 13. Ni Cr.

(14) 第三節. 溼蝕刻條件的分析. 當材料成長完後，就是進行光微影和溼蝕刻，以便往後利用乾蝕刻來蝕刻溝槽，然而目前我們蝕刻 Cr 的溶劑有兩種為 HCl 加水再加上催化劑鋅粉(Zn powder)及 Cr-7，但是如果利用 HCl 的溶液來蝕刻 Cr 時，試片必須經由 230 度短暫的高溫回火過程，來增加 Cr-Ni-Cr 之間的黏著力，防止在溼蝕刻 Ni 時，因各接面的黏著力不佳而產生有剝落的現象，其蝕刻 Cr 速率為 200Å/sec。另外利用 HCl 來蝕刻 Cr 時，還有一種情況會場產生，就是會有沉澱物的情況發生，為了不需要高溫回火及沉澱物的發生。我們就將蝕刻 Cr 的溶液 HCl 換成 Cr-7，就不需要在經由短暫的高溫回火也不會有沉澱物的產生，其蝕刻速率為 50Å/sec。. 14.

(15) 第四節. 乾蝕刻的分析. 當溼蝕刻結束後，就進行乾蝕刻，使用的氣體為 SF6+O2=20:1，選用 SF6/O2 的原因為蝕刻速率比 CHF 3/Ar 來的快也較不會產生高分子化合物。保護材料(Cr-Ni-Cr)及玻璃的蝕刻比為 1:8，因基底材料為玻璃，其蝕刻後的槽溝底部平坦度並不是很好(圖 3.2)，量測出平均平坦度(roughness)為 1100Å 左右，為了有效降低 scatter loss，就經由氫氟酸(HF)蝕刻來增加槽溝底部平坦度及深度，因使用過 Pyrex 7740 兩種不同厚度的玻璃當作基材分別為 350µm 及 500µm，經蝕刻後所量測的平均平坦度為分別為 250Å(圖 3.3)及 600 Å (圖 3.4)左右，整個溝槽的形狀近似長方形。得到出的結果可以與 Coring 0211(圖 3.5)來做比較，顯然 Pyrex 7740 它的平坦度較優於 Coring 0211。但是如果將基材換成利用矽晶圓經由化學氣相沉積(CVD)成長的 SiO 2，乾蝕刻後的結果其溝槽的平坦度優於 Pyrex 7740 及 Coring 0211，與保護層的蝕刻比為 11:1(圖 3.6)。但基於製程材料上成本的考量，最後就先選擇 Pyrex 7740 來當作基底材料。. 15.

(16) 第五節. 高分子材料的研磨. 當溝槽經由乾蝕刻蝕刻而成後，就鋪上高分子材料 polyimide 而後烤乾，但有部分的高分子材料在玻璃表面上，這部分是我們所不想要的，於是就利用研磨機研磨來除去玻璃表面的 polyimide 並做平坦化。但在高分子材料研磨過程，使用過三種方式研磨，以下將詳述說明經歷過三種結果研磨後的結果(1)只經由 4000 號的砂紙研麼，從圖 3.7 可以看到光波導的兩側會因研磨關係造成砂紙上的碳化矽(SiC)崁入高分子材料 polyimide 內及從圖 3.8 的電子顯微鏡中看到波導的兩側被壓碎情況及高分子材料的表面平坦度很粗糙，於是為了避免此現象產生，於是有了第二種方式。(2)試片經由 4000 號砂號、0.3μm 及 0.05µm 的 Al2O3 研磨，但因在研磨的過程中，試片周圍有多餘的膠及最後在 0.05µm 的 Al2O3 的研磨過程，有多餘的 polyimide 被磨出來與 Al2O3 混合，崁入光波導的結構內，從圖 3.9 的圖片，可以清楚的看出來，為了避免此現象的發生。(3)於是在將試片上在鋁座時，就將試片周圍多餘的臘給去除掉及在Al2O3 的研磨過程中加入少量的有機溶劑，則不會在有圖 3.9 的情況發生，如圖 3.10。. 16.

(17) 第六節. 結論. 實驗的過程中，在玻璃基材的選擇上，最後因成本的考量及實驗後的結果選用 Pyrex 7740，而後經由熱蒸鍍成長保護層 Cr 及 Ni 及 Cr，其目的為利用 Ni 來降低最上層 Cr 的應力和利用最下層 Cr 來增加 Ni 的附著力。在溼蝕刻的溶液選用 Cr-7，才不會有殘留物沉積於材料上。在乾蝕刻配方選擇上，選用 SF6/O2 為蝕刻速率比 CHF 3/Ar 來的快也較不會產生高分子化合物。最後的研磨過程中，經有砂紙及氧化鋁粉研磨，若用砂紙及氧化鋁粉研磨，則會在研磨過程中有多餘的高分子材料及氧化鋁粉的混合物崁入光波導內，為了避免此現象的發生，在研磨的過程中加入少量的有機溶劑，此混合物就不會崁入光波導入，研磨後的平坦度也較佳。. 17.

(18) 圖 3.2 Pyrex 7740 經由乾蝕刻後的結果. 圖 3.3 乾蝕刻後，Pyrex 7740 350μm 厚的玻璃，經由氫氟酸蝕刻的結果. 18.

(19) 圖 3.4 乾蝕刻後，Pyrex 7740 350μm 厚的玻璃，經由氫氟酸蝕刻的結果. 圖 3.5 Coring 0211 乾蝕刻後的結果. 19.

(20) 圖 3.6 乾蝕刻後，PECVD SiO 2 經由氫氟酸蝕刻的結果. 圖 3.7 只經由砂紙研磨後，SiC 崁入的情形. 20.

(21) 圖 3.8 只經由砂紙研磨後，電子顯微鏡拍攝情形. 圖 3.9 經由砂紙及 Al2O3 研磨後，高分子材料與 Al2O3 混合的結果. 21.

(22) 圖 3.10 經由砂紙及 Al2O3＋有機溶劑研磨後的結果，. 22.

(23) 第四章. 元件的製作. 這章節中，將詳述描續整個光波導的製作流程，第一節為元件的製作流程，第二節為結論。. 第一節元件製作流程清洗試片. 烤乾. 成長金屬保護層. 研磨 Polyimide. 光微影術. 塗鋪 SOG. 溼蝕刻金屬保護層. 烤乾. 光微影術乾蝕刻玻璃乾蝕刻 SOG 及 Polyimide. 塗鋪 Polyimide. 完成. 23.

(24) 第一階段光波導之溝槽製作流程步驟一：清洗試片 (1). 準備 Pyrex 7740 玻璃，其大小為 2.5cm x 2.5cm。. (2). 將玻璃依序浸泡在丙酮及異丙醇中各 20 分鐘之超音波九級振盪清洗，以除去晶片表面之 particle ，為避免因基板表面的污染而影響薄膜成長特性。. (3). 將玻璃浸泡在去離子水中，以 20 分鐘之超音波九級振盪清洗，以除去有機溶液的殘留物。. (4). 以氮氣吹乾玻璃，放入烤箱 120 度烘烤 60 分鐘. 步驟二：以熱蒸鍍方式蒸鍍保護層(Cr+Ni+Cr). 程序 1 2 3. 金屬 Cr Ni Cr. 電流 (A) 厚度 (Å ) 75 100 190 1000 75 3300. 24.

(25) 步驟三：以光微影技術製作出槽溝（1）使用 AZ-4210 的光阻劑，在轉速為 6000rpm 和時間為 40sec 進行塗抹。（2）放入烤箱進行軟烤，溫度設為 90 度，時間設為 30 分鐘。（3）利用光罩對準機 I-line 曝光，曝光時間為 35 秒。（4）以加水稀釋隆度為 20%之 AZ400K 的顯影液進行顯影的工作，顯影時間為 30 秒。（5）將晶片放入烤箱硬烤，溫度為 120 度，時間為 30 分鐘，其增加光阻與金屬附著力。. 步驟四：利用濕蝕刻方式蝕刻金屬。(圖 4.1) 程序金屬濕蝕刻的配方 1 Cr Cr-7 2 Ni 5HNO3:5CH3COOH:2H2SO4:H2O =5:5:2:12. 溫度室溫. 蝕刻率 50 Å/sec. 40℃. 55 Å/sec. 光阻. Cr. 玻璃. 圖 4.1 濕蝕刻後的示意圖 25. Ni Cr.

(26) 步驟五：利用活性離子蝕刻機（RIE）蝕刻出寬為 6µm 及深度為 4µm 的槽溝。(圖 4.2) 蝕刻條件：蝕刻功率：200W 操作壓力：15 mtorr 蝕刻氣體：SF６＝13.2sccm O2＝0.674sccm 玻璃的蝕刻速率：0.1µm/min Cr-Ni-Cr 的蝕刻速率:130Å/min. 步驟七：利用氫氟酸(HF)侵蝕波導的槽溝，使得平坦度變好。蝕刻條件： H2O：HF＝20：1 時間=3 分鐘 5.5µ m 7µ m. 圖 4.2 乾蝕刻後的示意圖. 步驟八：將剩餘的 Cr，以 CR-7 蝕刻乾淨 26.

(27) 第二階段. 高分子的塗鋪. 步驟一：將高分子材料塗抹在波導上形成導光層(圖 4.4) (1)先鋪黏著劑（Coupler），塗裝機的轉速 4000rpm，時間設為 40sec (2)放入烤箱，溫度設為 1500C，時間設為 30 分鐘。 (3)分兩段轉速塗鋪高分子材料(OPI 1005) a. 轉速 250rpm，時間為 90sec b. 轉速 1750rpm，時間為 40sec (4)放入烤箱，以圖 4.3 條件加熱。. 300. o. Termperature ( C). 350. 250 200 150 100 50 0. 0. 30. 60. 90. 120. 150. Time (min) 圖 4.3 Polyimide 加熱固化表. 27. 180.

(28) 高分子材料. 玻璃. 圖 4.4 高分子材料(Polyimide)塗鋪的示意圖. 步驟二：研磨高分子材料 (1) 將玻璃以高溫臘固定在鋁座上。 (2) 以研磨機將槽溝外的高分子材料研磨掉，研磨條件如下： 1. 利用 4000 號砂紙，約研磨 30 分鐘 2. 利用 0.3µm 的 Al2O3，約研磨 30 分鐘+少量的有機溶劑。 3. 利用 0.05µm 的 Al2O3，約研磨 50 分鐘+少量的有機溶劑。 (3) 加熱將玻璃從鋁座拿下，再以丙酮擦去背面的殘餘高溫臘即完成此步驟。(圖 4.5) 7µ m 高分子材料. 玻璃. 圖 4.5 研麼後的示意圖. 28. 5.5µ m.

(29) 步驟三：鋪上ＳＯＧ(圖 4.7) (1) 以塗裝機鋪上 SOG，轉速為 4000rpm，時間為 40 秒。 (2) 放入烤箱，依圖 4.6 條件加熱﹔. 250. o. Temperature ( C). 300. 200 150 100 50 0. 0. 20. 40. 60. 80. 100. 120. 140. time (min) 圖 4.6. SOG 固化圖 SOG 高分子材料. 玻璃. 圖 4.7. SOG 塗鋪示意圖. 29.

(30) 第三階段蝕刻高分子材料的兩側步驟一：光微影技術製做保護層(圖 4.8 及圖 4.9) (1). 使用 AZ-4210 的光阻劑，在轉速為 6000rpm 和時間為 40sec 進行塗抹。. (2). 放入烤箱進行軟烤，溫度設為 90 度，時間設為 30 分鐘. (3). 利用光罩對準機 I-line 曝光，曝光時間為 35 秒. (4). 以加水稀釋隆度為 20%之 AZ400K 的顯影液進行顯影的工作，顯影時間為 30 秒。. (5). 將晶片放入烤箱硬烤，溫度為 120 度，時間為 30 分鐘。. 光阻. 波導. 圖 4.8 第二層光罩的俯視圖. 光阻高分子材料. 玻璃. 圖 4.9 第二層光罩的示意圖. 30. SOG.

(31) 步驟二：利用活性離子蝕刻機（RIE）蝕刻 SOG 及 polyimide。 (圖 4.10) 蝕刻ＳＯＧ條件如下：蝕刻氣體﹔CHF3=50sccm O2=0.992sccm Ar=14.15sccm 背景壓力﹔1.5 x 10-5torr 蝕刻功率﹔150W 操作壓力﹔30mtorr 蝕刻速率：170 Å /min 蝕刻高分子材料(polyimide)條件如下：蝕刻氣體﹔O2=19.84sccm 蝕刻功率﹔250W 操作壓力﹔15mtorr 蝕刻速率：3200 Å /min. SOG. polyimide. 圖 4.10 蝕刻的側邊示意圖. 31.

(32) 第二節結論從實驗的完成，已經可以做出寬 7µm 及深 5.5µm，然而在製作上必須非常小心。首先是保護層的選擇，最後以熱蒸鍍的方式來成長 Cr 及 Ni，它的抗蝕刻能力與玻璃的比為 1:8，之後，經由光微影技術及溼蝕刻方式除去 Cr 及 Ni(圖 4.11 )，再以乾蝕刻(RIE)方式形成溝槽，其深為 4μm(圖 4.12)，後利用 HF 來增加深度及平坦度(圖 4.13 ) 再鋪上高分子材料烤乾，因要將不要的 polyimide 給去除及做平坦化，則經由使用 4000 號砂紙及 0.3 µm 及 0.05µm 氧化鋁粉來研磨，得到出較平坦的結構(圖 4.14)。當研磨完後鋪上 SOG 當作保護層與空氣隔絕來降低傳波損耗，之後，為了要蝕刻 SOG 及高分子材料的側邊，經由光微影技術後，利用乾蝕刻的 RIE 來蝕刻不要的 SOG 及高分子材料(圖 4.15)，最後就完成整個光波導的結構。. 32.

(33) 圖 4.11. Cr 及 Ni 溼蝕刻後的結果. 圖 4.12 Pyrex 玻璃乾蝕刻後的結果. 33.

(34) 圖 4.13. 乾蝕刻後，經由 HF 蝕刻後的情形. 圖 4.14 經由砂紙及 Al2O3＋有機溶劑研磨後的結果，. 34.

(35) 圖 4.15 蝕刻波導側邊後的情況. 35.

(36) 第五章波導特性量測當波導製作完成後，接下來將進行波導波導損耗的量測。第一節為量測的方法及架構，第二節為結果與討論。. 第一節. 660nm LD driver. 量測方法. 物鏡 LD. 光檢測器. 光極化器. 1300nm LD. LD. driver. 波導. 功率測量器. 圖 5.1 量測系統的架設圖圖 5.1 採用 Cut-back 方式來量測埋藏式波導，其架設如上圖結構，首先利用 660nm 紅光的 LD 將光經由物鏡及極化器聚焦入射至波導的切面，而後將 660nm 紅光的 LD 的光源換成 1300nm 的光源，利用光檢測器量測波導的輸出端，則光檢測器與透鏡距離為 1cm。量測後的結果為. Loss ( dB) = 10 log 10 ( Po P ) i. P0. ＝輸出的功率. Pi. ＝輸入的功率. 36.

(37) 第二節. 結果與討論. 我們利用圖 5.1 的架構圖，利用極化器針對 TE 及 TM 分別量測不同的長度為 0.5cm、1cm、1.4cm 及 1.8cm。圖 5.2 為量測 TE 的結果，從圖中得到每公分傳輸損耗為 3dB，圖 5.3 為量測 TM 的結果從圖中得到每公分傳輸損耗為 5dB，因此不管從 TE 或是 TM 的結果得到出傳輸損耗較大的原因，最主要是基材的溝槽內平坦度不是很好，造成光的散射大損耗就大些。. 0. Insertion loss (dB). -2. -4. -6. -8. -10. -12 0.0. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1.0. 1.2. 1.4. 1.6. Waveguide length (cm). 圖 5.2 針對 TE 所量出來的結果. 37. 1.8. 2.0.

(38) 0. Insertion loss (dB). -2. -4. -6. -8. -10. -12. -14 0.0. 0.2. 0.4. 0.6. 0.8. 1.0. 1.2. 1.4. 1.6. Waveguide length (cm). 圖 5.3 針對 TM 所量出來的結果. 38. 1.8. 2.0.

(39) 第六章結論在實驗上，我們已經成功的利用玻璃基底來製作出埋藏式波導，其深為 5.5µm 及寬為 7µm 的光波導結果，量測後，對 TE 波得到 3dB/cm 的傳波損耗及 TM 波得到 4.6dB/cm 的傳波損耗。會造成傳輸損耗較大的原因，最主要是基底是玻璃材料，使得溝槽內的底部平坦度較粗糙些。但這不是問題，因目前我們可以將傳輸損耗降至 5dB/cm 以下，只要未來將基材換成以 PECVD 所成長的 SiO 2，則傳輸損耗更可降至最低，這是我們以後所要朝向的目標。另外，至於溝槽的深度，受到熱蒸鍍系統的限制，目前我們所成長的保護層，只能使在乾蝕刻後的深度為 4µm，如果以後將保護層材料換成鎳鉻(NiCr)合金時，溝槽的深度必可更深，則光場在作傳輸將有不錯的結果。. 39.

(40) 參考文獻 1. T. Tamir : Integrated Optics, 2nd . Topics Appl. Phys., Vol.7 (Springer, Berlin, Heidelberg, New York 1979 )Chap. 1 2. Digest of Technical Papers, Topical Meeting on Integrated Optics-Guided Wave, Material and Devices, Las Vegas, NV (Optical Society of America 1972) 3. Schmidt,. R.V.. and. I.P.. Kaminow,. “Metal–diffused. optical. waveguides in LiNbO3”,Appl Phys. Lett., vol. 25, pp. 458-460, Oct. 1974. 4. O. Parriaux, J. L. Coutax, A. Girod, G. H. Chartimer and V. Neuman, “Buried single-mode waveguides in glass”, IEEE trans. On components, and manufacturing tech.. vol. 5, pp. 209-211, June 1982. 5. R.A. Steinberg, T.G. Giallorenzi, R. G.Priest, “Polarization insensitive integrated-optical switches: a new electrode design”, Appl. Opt., vol 16 ,Aug. 1977. 6. Uehara, S., T. Izawa, and H. Nakagome, “Optical waveguide polarizer”, Appl. Opt., vol. 13, pp. 1753-1754, Aug. 1974. 7. W.E. Martin, “ A new waveguide switch/modulator for integrated optics”, Appl. Phys. Lett. , vol. 26, pp. 562-564, May 1975. 8. M.H. Lee, H.J. Lee, S.G. Han, H.-Y. Kim, K.H. Kim, Y.H. Won , S.Y. Kang, “Fabrication and characterization of and electro-optic polymer waveguide modulator for photonic applications”, Thin Solid Films, vol. 303, pp. 287-291 June 1996. 9. Sasaki, H., E. Shiki, and N. Mikoshiba. “Propagation characteristics of optical guided waves in asymmetric branching waveguides”, IEEE J. Quantum Electron., vol. 17, pp.1051-1058,June 1981.. 40.

(41) 10. Mikami, O. and S. Zembutsu, “Coupling-length adjustment for and optical directional coupler as a 2×2 switch”, Appl. Phys. Lett., vol. 35, pp.2321-2325,Dec. 1981. 11. Rics, R.R., J.D. Zino, D.A. Bryan, E.A. Dalke and W.R. Reed, “Multiwavelength monolithic integrated fiber-optic terminal”, Proc. Soc. Photo-Optical Instr. Eng., vol. 176, pp. 133,1979. 12. Watanabe, R. and K. Nosu, “Slab waveguide demultiplexer for multimode optical transmission in the 1.0-1.4µm wavelength region”, Appl. Opt., vol. 19, pp. 3588, Nov. 1980. 13. T. Fujino, K. Sasaki and K. Marumoto, “X-ray mask fabrication process using Cr mask and ITO stopper in the dry etch of W absorber”, Jpn. J. Appl. Phys. , vol. 31, pp. 4086-4090, Dec. 1992. 14. R. Hsial and J. Carr,”Si/SiO2 etching in high density SF6/CHF 3/O2 plasma”, Materials science and Engineering B, pp. 63-77,1998. 15. J. Kobayashi, T. Matsuura, S. Sasaki, and Maruno, “Single-mode optical waveguides fabricated from fluorinated polyimides”, Appl. Optics, vol. 37,pp.1032-1037,1998. 16. A. J. McLaughin, J. R. Bonar, M. G. Jubber and P. V. S. Marques, “Deep, vertical etching of flame hydrolysis deposited hi-silica glass films for optoelectronic and bioelectronic applications”. J. Vac. Sci. Techno. B(16)4, pp. 1860-1863, Jul 1998. 17. Kaminow, I.P. and J.R. Carruthes, “ Optical waveguideing layers in LiNbo3 and LiTaO3”, Appl Phys. Lett., vol. 22, pp. 326-328, Apr. 1973. 18. 莊泰斌, “ 建構在玻璃上埋藏式高分子波導”,中山大學光電所碩士論文,1999. 41.

(42)