以混成波璃材料建立在矽基板之分光器

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(1)♁ 國立中山大學光電工程研究所碩士論文. 以混成波璃材料建立在矽基板之分光器. Sol-gel based Optical Splitters on Silicon Substrate. 研究生：許朝凱撰指導教授：朱安國博士. 中華民國九十四年六月.

(2) 誌謝回顧研究所兩年的光陰，讓我成長許多，能夠完成此論文，首要感謝朱安國老師這兩年內對我的殷切指導，不管是在研究實驗上，在處事態度上，都深深影響到我，離開實驗室後，我會繼續將老師給我的一切去努力，去成長。也要特別感謝工研院化工所田珮博士材料上的提供和知識的教導，讓我學的更多，才能讓這論文能夠完成。還要感謝縫治、靖淵、榮位、虹任、欲誌、斳倫、群豪等學長對我的照顧和指導，帶我了解實驗室的一切和了解實驗室的儀器操作，讓我奠定了做研究的基礎。特別是帶我的欲爺和倫哥，我很懷念和你們在實驗室相處的時光，大家一起歡笑，一起打屁聊天，很慶幸最後我還是沒讓你們失望。還有我的好夥伴家欽、聖峰、子弘，陪我做實驗，分享實驗的甘苦，有你們在實驗的幫助，也才能讓此論文能更加順利完成。另外還有我可愛的學弟們怡廷、茂賢、孟聰、嘉鈞，由於你們盡力的維護這各實驗室，讓我能無後顧之憂的做研究，有你們在，也讓我的生活過的更加多采多姿。還有陪伴我將近九年的好友們振瑋、蕙如、秀娟、夢純，謝謝你們一直以來對我的支持及鼓勵。最後，要感謝我的爹娘，由於你們的關愛和呵護，讓我總是能從拾信心，繼續努力進步，未來我會盡我所能，為社會服務，謝謝你們。.

(3) 摘要論文研究的目的在於以複合式有機無機混成材料為基礎，在矽基板上去建構一個新型的埋藏式光波導，進而製作出分光器(Splitter)。. 此光波導利用了有機無機混成材料，具有曝光成像的特性，而可以使得在製作分光器中 Y-branch 的地方，僅用標準的黃光微影技術，就可以製作的出來。目前已經可以成功地在 Y-branch 尖端處達到小於 1µm 的製程寬度，這對 Splitter 來說可以減少分光之插入損失。. 此光波導結構先將在有機無機混成材料上用非接觸式曝光顯影製程，作出所要的凹槽結構，再填入另一種折射率較高的有機無機混成材料當作導光層，再旋撲頂披覆層的混成材料，經封裝後，即可進行光學特性的量測。而光波導結構的折射率對比為 0.66 %，經量測其 TE 傳輸損耗為 0.69 dB/cm，TM 傳輸損耗為 0.70 dB/cm。而 TE 與 TM 極化光的耦合損耗分別為 1.57 dB 和 1.89 dB。而在 1×2 Splitter 的量測中，我們量測出的輸出端插入損耗為 5.7 ~ 5.8 dB，分叉損耗為 0.3 dB。.

(4) Abstract 1 x N optical power splitters using hybrid sol-gel glasses based on buried waveguide structure on silicon substrate were fabricated. The advantage over conventional ridge structures is the fact that Y branch of the splitters can be easily obtained with the buried structure using standard photo lithography processes. Now we can successfully make the width of Y branch of less of 1µm. Proximity printing was used to define the waveguide trench on sol-gel films. Then burying the sol-gel glass into the trench to define waveguide core.. Finally the waveguide was packaged for measurement. after coating a sol-gel top cladding layer onto the guiding layer. The propagation losses of this waveguide device are 0.69 dB/cm and 0.70 dB/cm for TE and TM polarized lights. The coupling losses are 1.57 dB and 1.89 dB for TE and TM lights with a index contrast of 0.66 %. The insertion loss and the branching loss of the 1×2 splitter are 5.7 dB and 0.3 dB，respectively..

(5) 目錄第一章導論. 1. 第二章複合有機無機混成材料之特性. 4. 2-1 有機無機混成材料之特性. 4. 2-2 有機無機混成材料在此元件結構製程上的優缺點. 6. 2-3 有機無機混成材料之光學特性. 7. 第三章 Buried Waveguide 之結構設計. 12. 3-1. Buried Waveguide 之結構特性. 12. 3-2. Buried Waveguide 之模擬設計. 14. 第四章黃光微影技術製作凹槽結構. 15. 4-1 黃光微影技術應用在有機無機混成材料. 15. 4-2 Splitter 實驗製作測試結果. 17. 4-3 材料分析. 22. 第五章 Channel Waveguide 之結構模擬設計與製作流程. 24. 5-1 Channel Waveguide 之結構特性. 24. 5-2 Channel Waveguide 之模擬設計. 25. 5-3 Channel Waveguide 之製作流程. 28. 5-4 Channel Waveguide 之光學量測系統. 38. 5-5 Channel Waveguide 之量測結果與分析. 40.

(6) 第六章 Optical power splitter 之模擬設計分析. 41. 第七章 Optical power splitter 之製作流程與實驗結果. 46. 7-1 Optical power splitter 之製作流程. 46. 7-2 Optical power splitter 之光學量測系統. 50. 7-3 1×2 Optical power splitter 之實驗結果分析. 51. 第八章結論. 53.

(7) 圖目錄第二章複合有機無機混成材料之特性圖 2-1.有機無機混合材料之結構. 4. 圖 2-2.sol-gel 薄膜加熱固化曲線圖. 8. 圖 2-3.sol-gel 1:5 不同轉速塗鋪之薄膜對 TE 折射率之關係圖. 9. 圖 2-4.sol-gel 1:5 薄膜轉速與膜厚之對應圖. 10. 圖 2-5.sol-gel 1:3 薄膜轉速與膜厚之對應圖. 11. 第三章 Buried Waveguide 之結構設計圖 3-1.光波導的基本結構圖. 13. 圖 3-2.光波導的光場模擬圖. 14. 第四章黃光微影技術製作凹槽結構圖 4-1.以黃光微影術定義出凹槽結構. 16. 圖 4-2.曝光顯影後的 Y-branch 結構圖. 17. 圖 4-3.差的凹槽結構對應的 Y-branch 結構. 18. 圖 4-4.好的凹槽結構對應的 Y-branch 結構. 18. 圖 4-5.以埋藏式(Buried)結構製作的 Y-branch. 20. 圖 4-6.經曝光顯影後之 Y-branch SEM 圖. 20. 圖 4-7(a).以脊樑式(Ridge)結構製作 Y-branch. 20. 圖 4-7(b).以脊樑式(Ridge)結構製作 Y-branch. 21.

(8) 圖 4-8.改變感光劑的量所對應造成的曝光顯影後的結果. 23. 第五章 Channel Waveguide 之結構模擬設計與製作流程圖 5-1.光波導的基本結構圖. 26. 圖 5-2.光波導的光場模擬圖. 27. 圖 5-3.光波導截面能量的分佈圖. 28. 圖 5-4.濕氧法之系統架設圖. 29. 圖 5-5.sol-gel 薄膜加熱固化曲線圖. 30. 圖 5-6.為經過切割研磨後的波導截面圖. 37. 圖 5-7.量測光波導 splitter 元件的光學量測系統架構圖. 38. 圖 5-8.波導元件長度與插入損耗對應圖. 39. 第六章 Optical power splitter 之模擬設計分析圖 6-1.1×2 Power splitter. 41. 圖 6-2.S-bend 部分. 42. 圖 6-3.Y-branch 部分. 42. 圖 6-4.1×8 splitter 之 BPM 3D 模擬. 45. 第七章 Optical power splitter 之製作流程與實驗結果圖 7-1.sol-gel 薄膜加熱固化曲線圖. 47. 圖 7-2.splitter 光學量測系統架構圖. 50.

(9) 圖 7-3.曝光顯影後之凹槽結構. 52. 圖 7-4.曝光顯影後之 Y-branch 結構. 52. 圖 7-5.曝光顯影後之 splitter SEM 圖。. 53. 圖 7-6.1×2 Splitter 之 insertion loss 量測結果. 54.

(10) 表目錄第二章複合有機無機混成材料之特性表 2-1.sol-gel 1:5 膜厚轉速與厚度、折射率之關係. 9. 表 2-2.sol-gel 1:3 膜厚轉速與厚度、折射率之關係. 10. 第三章 Buried Waveguide 之結構設計表 3-1.埋藏式光波導各層參數. 13. 表 3-2.光波導的折射率關係. 13. 第五章 Channel Waveguide 之結構模擬設計與製作流程表 5-1.埋藏式光波導各層參數. 26. 表 5-2.光波導的折射率關係. 27. 第六章 Optical power splitter 之模擬設計分析表 6-1.curvature 對應 loss 的關係. 42. 表 6-2.1×2.splitter 之 insertion loss. 43. 表 6-3.1×4.splitter 之 insertion loss. 44. 表 6-4.1×8 splitter 之 insertion loss. 45.

(11) 第一章導論在網際網路的帶動之下，資料傳輸的需求快速成長，光纖通訊系統成為主要可以解決頻寬問題的通訊產品。光纖通訊因為具備大容量、高傳輸速率、低干擾的特質，符合多媒體資料所需的龐大傳輸能力。在光通訊中，選擇適當的材料是一件相當重要的事，這會影響整個製作光通訊元件的特性和效能。目前應用於製造光通訊的材料基本上可分為下列三大類，分別為無機材料、高分子材料及混成（hybrid）材料。. 其中，我們需特別注意有機. 無機混成材料（organic-inorganic. hybrid materials），因為它兼具高分子加工性及無機機械強度之優勢，已經被重視應用於製造平面光波導上。利用結構的設計將可賦予材料具有感光的特性，因此可藉由溶劑顯影之方式直接做出導光線路，省去製程中所須之蝕刻步驟。而在有機材料中導入無機成分，能保有有機或無機之特性，又可藉由有機材料的柔韌性改善原本無機成分的碎性。這些混成材料特殊優點在平面光波導的應用都是不可或缺的。在平面光波導材料還有另一個重要的光學性質─折射率，所需要的折射率可經由材料的組成如有機、無機成分比例，及分子結構來作調配控制。此特性可使元件設計更為多元化及寬 1.

(12) 廣。而本論文正是研究以有機. 無機混成材料來製作光波導，進而. 製作出分光器。. 在第二章中，會先介紹論文中所使用的有機無機混成材料包含了做導光層的 WGC 1：3 和批覆層的 WGC 1：5 材料的機械特性與光學特性。其中導光層和批覆層都是屬於感光型材料，其特點是具有高透光率以及可曝光成像性。使用時必須加入光起始劑幫助其感光特性。然後會介紹此有機無機混成材料的曝光成像特性在我們元件結構方面所造成製程上的那些優缺點。. 在第三章中，會介紹一開始所初想的埋藏式(buried)光波導結構形式來當做分光器的基本結構，再定義出此 buried waveguide 的基本結構和各層折射率的參數比，再探討分析在這 buried waveguide 的光場模擬分佈。. 在第四章中，我們會藉由一連串製程的結果，來驗證我們一開始構想的埋藏式(buried)波導形式來當做分光器的基本結構是否正確。在這個 buried 結構裡，凹槽結構需要去定義出來，我們便採用黃光微影技術去決定它，這樣可以減少在採用乾式（Plasma-etching）的複雜技術和蝕刻保護層金屬的成長。然後便介紹如何用黃光微影術去做出凹槽結構，我們會先用實驗室現有的 splitter 的光罩去做黃 2.

(13) 光微影，看會得到什麼效果，將做出的結果做一個探討。然後證明一開始構想的埋藏式(buried)波導形式是否正確。. 第五章中，將由測試出來的結果，而從新討論 channel 光波導的模擬設計、整個製作流程、和實驗結果。而我們必須先製作 channel 光波導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。而在模擬設計的結構上， channel 光波導的 index contrast 為 0.66 %。. 第六章中，將介紹 optical power splitters 之模擬設計。我們是利用 BPM-CAD 來設計分光器結構，設計 1×8 power splitters。. 第七章中，將介紹 power splitter 之製作，及量測 splitter 之光學系統的架設。最後再由實驗結果做分析討論。. 第八章為本論文之總結。. 3.

(14) 第二章複合有機無機混成材料之特性. 本章節共分為三小節，將針對有機無機混成材料的特性作簡單介紹，和此特性在元件結構方面所造成製程上的優缺點，並探討有機無機混成材料之光學特性。. 2-1. 有機無機混成材料之特性本實驗研究所使用的光波導材料是由工業技術研究院化工所提供的有機無機混成材料（organic-inorganic hybrid materials），而材料一般之結構如下圖 2-1.所示，. 增加熱穩定性. 機能性賦予圖 2-1. 有機無機混成材料之結構。. 4.

(15) 它是由有機無機混合而成，在有機材料中導入無機成分，使得能同時保有有機或無機之特性或有機官能基的反應性，又可藉由有機長鏈的柔韌性改善原本無機成分的碎性，而有機結構亦能保有高分子所賦予的機能性例如感光性或是熱交聯性，而無機結構又可提高熱穩定性和降低-CH 鍵的吸收。為賦予材料具備感光性，在無機之結構中則導入具感光性之有機官能基溶膠-凝膠之前驅物，再經水解和縮合之步驟製備之感光性有機無機混成材料。. 目前工研院化工所已開發完成有機無機混成材料已具有下列五種的特性， (1) 可調控之折射率 (Index tenability) (2) 可曝光成像 (Photopatternable) (3) 高透光率 (High transparency) (4) 低溫製程 (Low process temperature) (5) 與有機或無機材料均有良好之相容性 (Good compatibility with organic or inorganic materials). 5.

(16) 2-2.有機無機混成材料在此元件結構製程上的優缺點在第一節中已提到有機無機混成材料具有的五項特性，在本實驗研究中最主要的優點就是利用: 有機無機混成材料具有可曝光成像(Photopatternable)的特性，即能以簡單的旋轉塗佈及曝光顯影方式直接做出導光線路，省卻傳統半導體製程中必須乾蝕刻(Dry etching)和蒸鍍金屬的步驟，不僅縮短研發到製程的時間，更可大幅減少元件製造廠的設備投資成本。在實驗製程裡，便是利用此曝光成像的特性，可利用標準的黃光微影術便可做出 splitter 中的 Y-branch 結構。. 而有機無機混成材料對本實驗製程裡，也有一些缺點，因為材料在未曝光之前，是呈現濕膜(wet film)的狀態，所以製程必需採用非接觸式曝光(Proximity printing)的方法，即光罩和材料需保有一定的距離，這樣才不會使得光罩會被沾黏到，且破壞到試片表面的材料，且因為光罩不能和試片上的材料貼黏住，則 UV 光照射曝光下來，在光罩線寬邊緣處會產生繞射現象(Diffraction)，使得做曝光顯影製程時，很難準確控制出導光線路的線寬。. 6.

(17) 2-3. 有機無機混成材料之光學特性. 本實驗研究所用的材料是由工研院化工所調配的有機無機混成材料，無機與有機材料成分之比例為 1：5 的波導材料 WGC 1：5 和無機與有機材料成分比例為 1：3 的波導材料 WGC 1：3。此兩種材料皆屬於感光型材料，使用時，是在添加光起始劑來誘發材料進行光交聯反應。材料之儲存是以封口膜封住並儲存在冷凍庫的冰箱中以避免材料吸入水氣形成氫氧（O-H）官能基而造成光傳輸損耗。先列舉 WGC 1：5 材料測試的流程如下：. （1）首先準備四片 3.5 cm×3.5 cm 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，DI water 清洗 10 分鐘後，再用水沖乾淨後吹乾並放入烤箱烘烤。（2）接著將 WGC 1：5 從冰箱中取出退冰約 30 分鐘。再加入感光起始劑依正常比例〈WGC: ITX : 907 = 5 : 0.05 : 0.2〉在燒杯中調配，接著放在超音波震盪機裡 degas 約 15 分鐘，使得這兩種感光起始劑和 WGC 1：5 能夠均勻地混合。混合完畢後，再用針筒經由 0.45 µm 的濾心將雜質過濾。（3）再用旋轉塗鋪機旋鋪混合過後的材料，第一階段設為慢轉速. 7.

(18) 500 rpm，時間為 10 秒，目的是為了使材料能均勻塗滿在整片試片。第二階段設為高轉速，我們設定了四種不同的轉速，分別為 A：1000 rpm，B：2000 rpm，C：3000 rpm，D：4000 rpm。由四種轉速四種對應不同材料薄膜的厚度。（4）將旋鋪上材料薄膜的試片放入烤箱中，然後以適當的升溫速率加熱至 80 ℃且持溫 30 分鐘，進行預烤定型的動作。（5）將試片以 I-line 波長為 365 nm 的曝光對準機直接曝光 60 秒，使照光能量約大於 1800 焦耳。再將試片放入烤箱以圖 2-2 中的升溫曲線加熱至固化。 160. Temperature (℃ ). 140 120 100 80 60 40 20 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. Time (min). 圖 2-2. Sol-gel 薄膜加熱固化曲線圖。. 8. 100 110.

(19) （6）將四片試片拿出烤箱退溫後，使用稜鏡耦合器 Metricon Model 2010 Prism Coupler 來量測材料之膜厚及折射率。在 1308 nm 的雷射光源下，量測到的不同轉速下所對應的 WGC1:5 折射率及膜厚如表 2-1 所列: 表 2-1. Sol-gel 1:5 膜厚轉速與厚度、折射率之關係. 轉速（rpm）. n（TE）. Thickness（μm）. 1000. 1.4997. 5.21. 2000. 1.4995. 3.38. 3000. 1.4996. 2.51. 4000. 1.4995. 2.09. 1.62. n(TE). Index (n). 1.58 1.54 1.5 1.46 1.42 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. Spin speed (rpm). 圖 2-3.Sol-gel 1:5 不同轉速塗鋪之薄膜對 TE 折射率之關係圖。 9.

(20) 6. Thickness(µm). 5 4 3 2 1 0 0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 7000. Speed(rpm) 圖 2-4. Sol-gel 1:5 薄膜轉速與膜厚之對應圖。同理，WGC 1：3 材料測試的流程亦如上，轉速之實驗參數為 A： 1000 rpm，B：3000 rpm，C：4000 rpm，D：5500 rpm 。表 2-2. Sol-gel 1:3 膜厚轉速與厚度、折射率之關係轉速（rpm）. n（TE）. Thickness（µm）. 1000. 1.5096. 3.78. 3000. 1.5104. 1.43. 4000. 1.5107. 1.13. 5500. 1.5108. 0.82. 10.

(21) 4. Thickness(µm). 3.5 3 2.5 2 1.5 1 0.5 0 0. 2000. 4000. 6000. 8000. 10000. Speed (rpm) 圖 2-5. Sol-gel 1:3 薄膜轉速與膜厚之對應圖。. 基於膜層均勻度（Uniformity）的考量，WGC 1:5 材料適合塗鋪 1∼7 µm 間的範圍，而 WGC 1:3 材料適合塗鋪 1∼4 µm 間的範圍，而我們設計的波導尺寸也落於這個範圍內。. 因為此複合有機無機混成材料仍保留著無機材料的碎裂性，所以當無機的比例增高，也會使我們的有機無機混成材料在烘烤溫度急遽升高使得溶劑的急速揮發下，有機無機混成膜厚會產生碎裂的現象，而造成光傳輸的散射損耗以致於降低傳輸效率，所以實驗裡需特別注意有機無機混成材料在烤箱內烘烤的升溫條件。 11.

(22) 第三章 Buried waveguide 之結構設計在了解有機無機混成材料的一些特性後，接下來這一個章節裡，便開始著手於此光波導的結構設計和模擬設計。在第一節裡，我們會先將定義出此 buried waveguide 的基本結構和各層折射率的參數比，第二節裡，在探討分析在 buried waveguide 的光場模擬分佈。然後再進行 channel waveguide 之製作。. 3-1. Buried waveguide 之結構特性. 此波導的設計是採用埋藏式(buried)當做波導的結構，我們初想的設計是一開始在 silicon 基板上，旋鋪一層厚度約 10 µm 折射率為 1.5 的有機無機混成材料作為底批覆層（Bottom cladding layer），然後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），然後做黃光微影術，定義出波導凹槽(Trench)的結構，然後再旋鋪一層折射率為 1.518 的有機無機混成材料當作導光層，接著再旋鋪一層厚度大於 10 µm 折射率為 1.50 的有機無機混成材料作頂批覆層(Top cladding layer），這樣在導光層內會有較佳的局限能力(index guiding)，然後做封裝。波導的截面結構如圖 3-1.所示，而折射率的關係如表 3-1. 12.

(23) Thickness. Top cladding Core. Side cladding Bottom cladding s Silicon ss. Index 圖 3-1.光波導的基本結構圖。. 表 3-1.埋藏式光波導各層參數 Layer. n. Thickness(μm). Top cladding. 1.5. >10. Core. 1.518. 4.2. Side cladding. 1.5012. 3. Bottom cladding. 1.5. 10. Core 為 5 µm × 5 µm 的大小. 表 3-2.光波導的折射率關係 nTE Core. 1.518. Cladding. 1.501. Index contrast. 1.12% 13.

(24) 3-2. Buried waveguide 之模擬設計. 將光波導基本結構設計完以後，我們接著利用 BPM-CAD 軟體去模擬基本光場，使得光場能在基模態傳播，並得到較佳的模擬侷限係數和計算出光場的模場直徑（Spot size）以及與單模光纖（SMF）耦光時的耦合損耗（Coupling loss），以證明所設計出的光波導結構的正確。模擬之參數是以有機無機混成材料在 TE 模態下之折射率來計算。利用 BPM-CAD 模擬之結果如下圖 3-2 所示. 圖 3-2.光波導的光場模擬圖。其中此光場模擬出的 Spot size 為 :. 4.32 µm × 5 µm. Confinement factor = 82.65 % Coupling losses to SMF = -1.18 dB 14.

(25) 第四章黃光微影技術製作凹槽結構. 將 buried waveguide 結構確定後，便開始繼續光波導製程，所採用的有機無機混成材料，具有可曝光成像之特性，可以利用此材料特性去定義波導之凹槽結構，即便是採用黃光微影技術去決定它，這樣可以減少在採用乾式蝕刻（Plasma-etching）的複雜技術和蝕刻保護層金屬的成長。本章第一節裡，將說明如何去用黃光微影術去做出凹槽結構，第二節裡，會說明利用 splitter 的光罩去做黃光微影會得到什麼效果，第三節裡，會將做出的結果做分析探討。. 4-1.黃光微影技術應用在有機無機混成材料我們已經知道有機無機混成材料，具有可曝光成像的效果，所以可以用光罩對準機去對此材料做曝光，在用顯影劑去做顯影，便可以定義出所需的凹槽結構。首先，我們先準備一片 silicon 的試片，給予清洗，再將清洗過的試片上以 spin coator 鋪上一層厚度 7 µm 的有機無機混成材料作為底批覆層(Bottom cladding)，再鋪上一層厚度 3 µm 的有機無機混成材料 (Side cladding)，對材料做黃光微影術，如下示意圖 4-1.. 15.

(26) UV light. Mask Side cladding Trench Bottom cladding Silicon 圖 4-1.以黃光微影術定義出凹槽結構。將要定義出的凹槽結構，放上附上鉻膜的光罩，再用光罩對準機去對材料做曝光，此時須特別注意，因為此有機無機混成材料在未曝光之前，是呈現濕膜的狀態，所以必需採用非接觸式曝光的方法，就是光罩和材料需保有一定的距離，這樣才不會使得光罩會沾黏到材料，而造成在曝光後，材料硬固在光罩上面，而使得光罩的使用壽命減短。且再做曝光顯影時，還須注意有機無機混成材料屬於負光阻類型的，所以當 UV 光照射下來，被光照射到的材料部分，會產生分子間的改變，而使得分子間產生斷鍵，然後再去抓其他可以鍵結的分子鍵，產生交聯鍵結(Cross link)，所以凹槽(Trench)的結構是沒有被 UV 光照到的部份，無法交聯鍵結，到時就可以用顯影劑去顯影溶掉未交聯的材料。 16.

(27) 4-2.Splitter 實驗製作測試結果為了知道在對有機無機混成材料進行黃光微影術而定義出的凹槽結構，會出現什麼情況，我們先用實驗室現有一片 7 µm 的 splitter 光罩去做標準的曝光顯影測試，發現藉由改變不同的曝光時間，再經由顯影製程，發現如圖 4-2.可以使得在製作分光器可以成功地在 Y-branch 尖端處達到小於 1 µm 的製程寬度，這對 Splitter 來說可以減少分光之插入損失。. Trench Side cladding. Trench Side cladding. Y-branch 尖端. 圖 4-2.曝光顯影後的 Y-branch 結構圖。. 另外由實驗結果測試我們也發現了一項重要的結果，曝光顯影後的凹槽結構形狀，和 splitter 的 Y-branch 尖端好壞，是有很大的 17.

(28) 關係，如下圖 4-3.和 4- 4.. Trench. Trench. 圖 4-3.差的凹槽結構對應的 Y-branch 結構。. Trench. Smooth. Trench. 圖 4-4.好的凹槽結構對應的 Y-branch 結構。. 我們發現在上圖 4-3.的凹槽結構旁邊上緣的材料有往內凸的情況，在這樣的情況下，做出來的 Y-branch 結構尖端處會有材料歪斜掉或翹起，嚴重的話，還會有材料斷裂的情況發生，這些不好情況，都會使的光場在 splitter Y-branch 的尖端處，會有極大的能量分支損. 18.

(29) 耗 (Branch loss)，且光場能量分布也會不均勻，而下圖 4-4.的凹槽結構旁邊上緣的材料是圓滑(Smooth)的，在這樣的情況下，做出來的 Y-branch 結構尖端處，就可以使得線寬能達到小於 1 µm 的製程寬度，這對 Splitter 來說會有較均勻的光場能量，而所造成的原因將在 4-3 節處探討。由以上結果，可知如何做出好的凹槽結構對 splitter 而言是具有極大關聯性。同時也可以驗證出當初用埋藏式(Buried)的方法來製作這個光波導的結構在 Y-branch 結構尖端處，可以達到線寬很小的製程寬度。其實主要是因為在做黃光微影術時，利用凹槽的 undercutting 現象，可以使得凹槽結構越接近 Y-branch 結構尖端處，中間突起的 side cladding 材料可以由下圖 4-5.和圖 4-6. SEM 中看出會以斜坡的方式有高往低慢慢減少，這樣的結果表示可以讓我們的光場在到達 Y-branch 結構尖端處可以由下往上慢慢的分光出來，使得可以有較小的分光損耗，且有平均的分光能量。由以上可表示我們可以藉由控制曝光顯影的時間就可能決定是否能做出一個漂亮的 Y-branch 結構。. 19.

(30) Mask Side cladding Core. 圖 4-5.以埋藏式(Buried)結構製作的 Y-branch。. Sol-gel side cladding. Trench. 圖 4-6.經曝光顯影後之 Y-branch SEM 圖。. 那為什麼我們不用脊樑式(Ridge)的結構，來做我們的光波導，接下來我們就繼續來討論這個問題。若我們採用脊樑式(Ridge)的結構做光波導時，在做曝光顯影的 20.

(31) 時候，會造成在製作 splitter 的 Y-branch 尖端處，在製程上會出現以下如圖 4-6(a).和圖 4-6(b).所示的兩種情形，. Core. Sol-gel film 圖 4-7(a).以脊樑式(Ridge)結構製作 Y-branch。如上圖 4-7(a).所示，在光罩的 Y-branch 尖端處，光罩設計的線寬會非常的小，假如光罩和 wafer 的距離無法貼進，則當 UV 光照射曝光下來，在光罩線寬邊緣處會產生繞射現象 (Diffraction)，使得 Y-branch 尖端處的材料都照到 UV 光，而根本顯影不出來。. Y branch. Core. 圖 4-7(b).脊樑式(Ridge)結構製作 Y-branch。. 21.

(32) 如上圖 4-7(b).所示，即使將光罩和 wafer 的距離貼進，則當 UV 光照射曝光下來，後做顯影的時候，會發現顯影完後，凹槽的結構也會被挖出一個大洞，如此在 Y-branch 尖端處，會出現如圖的缺陷，在分光時，也會因此造成較大的分光損耗。所以綜合以上兩種結果，便不採用脊樑式(Ridge)的方法去做 splitter，而採用埋藏式(Buried)的方法，同時也經由實驗的測試結果，發現一開始的想法是正確的。. 4-3.材料分析. 如前所述知道曝光顯影後的凹槽結構形狀，和 splitter 的 Y-branch 尖端好壞，是有很大的關係，所以如何做出好的凹槽結構是很重要的。在實驗上，我們用過很多不同的曝光時間想要去做出好的凹槽，不過單單只改變曝光時間，卻無法得到一個較深且上緣圓滑的凹槽結構，後來經由工研院化工所田珮博士的指導，發現除了改變曝光時間外，材料本身也佔著很大的因素存在。有機無機混成材料具有曝光成像的特性，主要是因為有將感光劑的分子加入 polymer 結構中主要的鍵或旁邊的鍵。所以加入感光劑的多寡成分也會影響到作曝光顯影的效果，有了這個想法，我們將加入的感光劑成分做. 22.

(33) 了幾個改變，再去做曝光顯影測試。如下圖 4-8.所示，發現在感光劑成分減少 50 %和減少 25 %時，不管如何改變曝光的時間，凹槽結構旁邊上緣的材料仍然有往內凸的情況發生，我們再試著將感光劑成分增加 25 %，，曝光顯影後，發現凹槽上緣可以很圓滑，且可以做出漂亮的 Y-branch 尖端，但發現凹槽的深度卻因此變的較淺，這樣的凹槽結構會使得光場在 splitter 中走 bending 時，光場會侷限不住，而有漏光的情形發生，而造成較大的 bending loss，後來我們再試著將感光劑成分維持正常，發現凹槽上緣不是很圓滑，但卻可以讓凹槽到達快 3 µm 的深度，且可以做出漂亮的 Y-branch 尖端。. 減少感光劑 50 %. 減少感光劑 25 %. Trench. 增加感光劑 25 %. 正常感光劑. 圖 4-8.改變不同感光劑的量所對應造成曝光顯影後的結果。. 23.

(34) 第五章 Channel waveguide 之結構模擬設計與製作流程. 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。. 24.

(35) 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:. 25.

(36) Thickness. UV glue Top cladding Core. Side cladding Bottom cladding. Index. Thermal oxide Silicon. Index 圖 5-1.光波導的基本結構圖。. 表 5-1. 埋藏式光波導各層參數 Layer. n. Thickness(μm). UV-glue. 1.46. 10. Top cladding. 1.501. 5. Core. 1.511. 4.5. Side cladding. 1.501. 3. Bottom cladding. 1.501. 5. Thermal oxide. 1.447. 5. Core 的大小為上線寬 8 µm，下線寬 4 µm. 26.

(37) 表 5-2.光波導的折射率關係 nTE Core. 1.511. Cladding. 1.501. Index contrast. 0.66%. 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 27.

(38) Cladding. Core. 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）及去離子水（DI water）中，並分別置於超音波震盪機內，各以 28.

(39) 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。. 水石英座及 wafer. 乾氧. 濕氧. 石英爐管，1000℃. 90℃. 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。. 29. 排氣.

(40) (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)為了使材料膜內的分子能達到完全鍵結(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)在置入烤箱中，以下面圖 5-5.所示的升溫曲線去使材料加熱固化。 160. Temperature (℃ ). 140 120 100 80 60 40 20 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. Time (min). 圖 5-5.Sol-gel 薄膜加熱固化曲線圖。. 4. 旋鋪 WGC 1:5 材料當旁披覆層(Side cladding layer) 以 spin coator 旋鋪混成材料約為 5 µm，旋鋪條件為. 30. 100. 110.

(41) 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：. 31.

(42) 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。. 32.

(43) 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. 33.

(44) (2) 塗鋪底批覆層材料. Bottom cladding Thermal Oxide Silicon substrate. (3) 塗鋪旁批覆層材料. Side cladding Bottom cladding Thermal Oxide Silicon substrate. (4) 混成材料曝光 UV light. Side cladding Bottom cladding Thermal Oxide Silicon substrate 34.

(45) (5) 混成材料顯影. Bottom cladding Thermal Oxide Silicon substrate. (6) 塗鋪導光層材料 Core. Bottom cladding Thermal Oxide Silicon substrate. (7) 塗鋪頂批覆層材料. Top cladding. Bottom cladding Thermal Oxide Silicon substrate. 35.

(46) (8) 旋鋪材料 UV glue. OG-125 UV glue Top cladding. Bottom cladding Thermal Oxide Silicon substrate. (9) 蓋上玻璃 Pyrex7740 Pyrex 7740. OG-125 UV glue Top cladding. Bottom cladding Thermal Oxide Silicon substrate. 36.

(47) (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. UV glue Top cladding. Core. Side cladding Bottom cladding Thermal oxide. 圖 5-6.經過切割研磨後的波導截面圖. 37.

(48) 5-4.Channel Waveguide 之光學量測系統我們採用 fiber contact 的方法直接將入射光源經 core 直徑為 8.2 µm 的單模光纖（SMF）耦合進入光波導，在光源的部份我們使用兩種雷射，632.8 nm 波長的光源為對準光源，1310 nm 波長的光源為量測光源。一開始在光源未導入波導之前，我們先架一個可調式極化器，是為了調節導入光源為 TE 模態或 TM 模態，然後用氦氖紅光雷射（He-Ne laser）632.8 nm 的光源對準波導，在直接轉換至 1310 nm 光源，經過光波導後，以多模光纖(MMF)來接收光的訊號強度，再由 back-reflection meter 來轉成量測到的光功率，以得到插入損耗(insertion loss)。其中圖 5-7.便是光學量測系統的架構圖。 1310 nm LD Y-Coupler. Polarizer. Waveguides. MMF. SMF 632.8 nm He-Ne laser xxx dBm. Back-reflection meter 圖 5-7.量測光波導元件的光學量測系統架構圖。. 38.

(49) 然後我們在採用回切法( Cut-back method)來量測光波導的傳播損耗 (Propagation Loss)，傳播損耗計算方法如下:. loss (dB) = 10 × log. po pi. 其中 Pi 為輸入功率，也就是我們量測到的參考光光功率 Po 為輸出功率，也就是參考光經光波導之後所量測到的光功率圖 5-8.所示為所量測到的波導元件長度與插入損耗對應圖，橫軸為元件長度，縱軸為元件損耗，而圖中趨勢線斜率為元件之傳輸損耗 (dB / cm)，由趨勢線推算至元件長度為零時的損耗即為耦合損耗（dB）。 0. `. Insertion loss (dB). -0.5 -1 -1.5 -2. TE: y = -0.692x - 1.573. -2.5 -3. TM: y = -0.702x - 1.892. -3.5 0. 0.5. 1. 1.5. 2. Waveguide length (cm) 圖 5-8.波導元件長度與插入損耗對應圖。 39. 2.5.

(50) 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。. 40.

(51) 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。. Channel. S-bend Core. Y-branch. 圖 6-1.1×2 Power splitter。. 41.

(52) Taping region. Branching region 圖 6-2. S-bend 部分。. 圖 6-3. Y-branch 部分。. 上圖 6-2.S-bend 部分，若希望能有較小 bending loss 和較小的 chip size，所以就要選擇適當的 bending curvature 來決定。上圖 6-3.Y-branch 部分，若希望有較小的 branch 和 taping losses 和較小的 chip size，所以就要選擇適當的 Y-branch 開口角度。由以上才能設計出低損耗的 splitter，所以我們做了一些模擬來決定 bending 的角度以及 channel 的長度。而得到的 bending 角度對 loss 的關係如下表 6-1.所示：. 表 6-1.curvature 對應 loss 的關係 Curvature ( µm ) 4000 5000 6000 7000 9000 10000 11000 12000. Loss (dB ) 0.55 0.185 0.071 0.023 0.0066 0.0126 0.0058 0.0034 42.

(53) 由上表 6-1.的結果可得知 bending 角度與 loss 之間的關係，由於 bending 角度越小，則所製作出之 1×8 splitter 的 loss 會越低，但是 chip size 卻會越大，所以同時考慮 loss 與 chip size 的話，發現 bending curvature 為 9000 µm 的相對 loss 已經非常的小，所以我們拿 curvature 為 9000 µm 來製作我們的 1×8 splitter。 Bending curvature 決定後，便分別對 1×2、1×4 以及 1×8 的 splitter 以 BPM CAD 來做模擬，其結果如下所示。 ● 1×2 splitter R1. P1 250 µm P2. 表 6-2.1×2.splitter 之 insertion loss Curvatures of s-bendNormalized powerInsertion loss(dB). R1=9000µm. P1=0.498 P2=0.498. 3.03 3.03. 在 1×2 的 splitter 中，我們選擇 0.2 度當我們的 Y-branch 開口角度，且同時慮考 chip size 與 loss 的關係，我們選擇 R1 為 9000 µm 作為 bending curvature，所以表為 1×2 splitter curvature 與 loss 之關係，而基於 output channel 需相距 250 µm，所以算出 1×2 splitter 的 chip size 為 6 mm×1 mm。 43.

(54) ● 1×4 splitter R2. R1. P1 P2 P3 P4. 表 6-3.1×4.splitter 之 insertion loss Curvatures of s-bendNormalized powerInsertion loss(dB). R1=9000µm R2=9000µm. P1=0.245 P2=0.244 P3=0.244 P4=0.245. 6.1 6.12 6.12 6.1. 為了能讓我們的 splitter 能確實在基模態傳播，所以我們希望 bending 的角度仍然能小一點，使我們的光場在 bending 的時候，仍能侷限住，而不散開，而避免光場的損耗，所以我們仍在下一級的 R2 curvature 取 9000 µm。表 6-3.為 1×4 splitter 的 bending curvature 與 loss 之關係，而得出 1×4 splitter 的 chip size 為 12 mm×2 mm。 ● 1×8 splitter R2. P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8. R3 R1. 44.

(55) 表 6-4.1×8 splitter 之 insertion loss Curvatures of s-bendNormalized powerInsertion loss(dB). R1=9000µm R2=9000µm R3=9000µm. P1=0.113 P2=0.117 P3=0.114 P4=0.113 P5=0.113 P6=0.114 P7=0.117 P8=0.113. 9.47 9.31 9.42 9.47 9.47 9.42 9.31 9.47. 而 1×8 splitter 是由 R1、R2 及 R3 所構成，其所對應的 loss 如表所示，且由表可知此 1×8 的 uniformity 0.16 dB(9.47-9.31=0.16)， chip size 為 18 mm×3.2 mm。 BPM CAD 3D 模擬出的 1×8 splitter 的結果如圖所示。. 圖 6-4.1×8 splitter 之 BPM 3D 模擬。 45.

(56) 第七章 Optical power splitter 之製作流程與實驗結果在製作 1×2 power splitter 時，我們仍使用工研院化工所提供的材料，分別作為我們的波導材料之導光層與披覆層材料。本章節共分為三小節，首先介紹 power splitter 之製作流程，最後再由實驗結果做分析討論。. 7-1. Optical power splitter 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.晶片的清洗將已先長好二氧化矽的試片依序泡入丙酮，異丙醇及去離子水中，置於超音波震盪機內，以強度 9 清洗 10 分鐘。再將清洗完畢的 wafer 沖水吹乾，置於 120℃烤箱內烘烤 30 分. 2.旋鋪 WGC 1:5 玻璃材料當底披覆層(Bottom cladding layer) 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。在放入烤箱，由室溫以每分鐘 3℃的升溫速率加熱到 80℃，. 46.

(57) 持溫 30 分鐘，進行預烤。再用 I-line 曝光機曝光 60 秒。再置入烤箱中，以下面圖 7-1.所示的升溫曲線去加熱固化。 160. Temperature (℃ ). 140 120 100 80 60 40 20 0. 10. 20. 30. 40. 50. 60. 70. 80. 90. 100. 110. Time (min). 圖 7-1. Sol-gel 薄膜加熱固化曲線圖。. 3.旋鋪 WGC 1:5 混成材料當旁披覆層(Side cladding layer) 旋鋪混成材料為 3 µm，旋鋪條件為轉速一：500 rpm / 10 秒。轉速二：2330 rpm / 40 秒。放入烤箱，由室溫以每分鐘 3℃的升溫速率加熱到 80℃，持溫 30 分鐘，進行預烤。. 4. 混成材料做曝光顯影 (1)以 I-line 光罩機做曝光 5 秒。. 47.

(58) (2)放進甲苯和 60 c.c.的丙烯乙二醇甲基乙醚醋酸鹽(PGMEA） 60c.c.的混合溶液中，顯影 10 秒，再放進甲醇（Methanol） 10 秒，放入烤箱，以圖 7-1 所示的加溫固化曲線硬化定型。. 5.旋鋪 WGC 1:3 混成材料當導光層旋鋪導光層混成材料約為 1.5µm，旋鋪條件為：轉速一：500rpm / 10 秒。轉速二：2840rpm / 40 秒。在放入烤箱，由室溫以每分鐘 3℃的升溫速率加熱到 80℃，持溫 30 分鐘，進行預烤。再用 I-line 曝光機曝光 60 秒，再置入烤箱中，以圖 7-1.所示的升溫曲線去加熱固化。. 6.旋鋪 WGC 1:5 混成材料當頂披覆層(Top cladding layer) 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。在放入烤箱，由室溫以每分鐘 3℃的升溫速率加熱到 80℃，持溫 30 分鐘，進行預烤。再用 I-line 曝光機曝光 60 秒，再置入烤箱中，以圖 7-1.所示的升溫曲線去加熱固化。. 48.

(59) 7.旋鋪頂批覆層 UV glue (1)旋鋪 OG-125 UV 膠約 11 µm，旋鋪條件為轉速一：500 rpm / 10 秒。轉速二：900 rpm / 40 秒。 (2)然後 UV 燈照光 180 秒，就可達成固化。. 8.波導元件封裝蓋上 Pyrex-7740 玻璃並以 UV 燈照光，完成元件的簡易封裝。. 9. 切割及研磨光波導之端面最後將製作完成的 splitter 蓋上玻璃 Pyrex 7740，作為簡單的封裝，之後再對其作切割研磨的動作以量測其光學損耗特性。 (1)用鑽石切割機(Auto dicing saw)Disco DAD320 將光波導切至所需之長度。 (2)用 Al2O3 拋光切割後之斷面，拋光步驟如下：第一道： 0.3 µm 的研磨粉粒氧化鋁粉（Al2O3）:水=1 g:100 g 5 牛頓的施壓，轉速:150 rpm，時間: 2 分鐘第二道： 0.05 µm 的研磨粉粒氧化鋁粉（Al2O3）:水=1 g:100 g 5 牛頓的施壓，轉速:150 rpm，時間: 4 分鐘第三道：水磨，5 牛頓的施壓，轉速:150 rpm，時間: 4 分鐘. 49.

(60) 7-2. Optical power splitter 之光學量測系統我們採用 fiber contact 的方法直接將入射光源經單模光纖（SMF）耦合進入光波導。我們在光源的部份使用波長為 632.8 nm 和 1310 nm 的兩種雷射，632.8 nm 光源為對準光源，1310 nm 光源為量測光源。一開始在光源未導入波導之前，我們會先架一個可調式極化器，是為了調節導入光源為 TE 模態或 TM 模態，然後用氦氖紅光雷射（He-Ne laser）632.8 nm 的光源對準波導，在直接轉換至 1310 nm 光源，經過光波導後，以多模光纖(MMF)來接收光的訊號強度，再由 back-reflection meter 來轉成量測到的光功率，以得到波導的插入損耗(insertion loss)。 1310 nm LD Y-Coupler. Polarizer. Splitters. MMF. SMF 632.8 nm He-Ne laser xxx dBm. Back-reflection meter. 圖 7-2. Splitter 光學量測系統架構圖。 50.

(61) 7-3. 1 × 2 Optical power splitter 之實驗結果我們從實驗流程來一一說明其實驗的結果： (1)塗鋪材料的部份如前所述，混成材料之厚膜在經過高溫烘烤後，會出現很嚴重的碎裂現象，這使得在此 splitter 製程上，都需要考慮到這個因素，所以必須另外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。 (2)黃光微影部份塗佈完 side cladding 後，我們緊接著便對 side cladding 開始作 splitter 的黃光微影術，因為需採用不可接觸式的曝光，所以我們將光罩和鋪上 side cladding 試片之間的距離控制在 5 ~ 6 µm 之間，以減少在曝光時，因繞射現象的影響。在圖 7-3.中的曝光顯影完後的凹槽結構上面線寬為 8 µm，下面線寬為 4 µm，深度為 2.5 ~3 µm。在圖 7-4.中我們已成功抓到 splitter 黃光微影條件，使得 Y-branch 之尖端處寬度小於 1 µm。在圖 7-5 SEM 中,亦可很明顯看出越接近 Y-branch 尖端的 side cladding 材料以斜坡的方式由高往低減少。. 51.

(62) 8 µm 3 µm 4 µm. 圖 7-3. 曝光顯影後之凹槽結構。. Sol-gel Side cladding 1 µm. 圖 7-4. 曝光顯影後之 Y-branch 結構。. 52.

(63) Trench. Sol-gel side cladding. Vertex. Trench. Sol-gel side cladding Vertex. 圖 7-5. 曝光顯影後之 splitter SEM 圖。. 53.

(64) z 1×2 Splitter 之量測結果實驗量測結果如圖 7-5.所示，在這片 chip size 為 8 mm×2.5 mm 的 wafer 中，我們量測出的 1×2 splitter 的 insertion loss 在 5.7 ~ 5.8 dB，而 channel loss 為 2.2 dB，S-bend 為 2.4 dB，所以 bending loss 約在 0.2 dB，且 branch loss 約在 0.3 ~ 0.4 dB 左右。. Insertion loss Channel = 2.2 dB Bending loss = 0.2 dB S - bend = 2.4 dB. P1= 5.8 dB Branch loss = 0.3 ~ 0.4 dB P2= 5.7 dB 圖 7-5.1×2 Splitter 之 insertion loss 量測結果。. 54.

(65) 第八章結論本論文是本實驗室第一次在平面波導製作上直接用黃光微影術去定義出凹槽(Trench)的結構取代以往用乾式蝕刻(Plasma-etching) 的方法。這主要都要感謝工研院化工所提供的有機無機混成材料，因為此混成材料具有可曝光成像性，高透光率，低雙折射率，低光學損耗等特性，才能讓我們可以實現我們的想法。我們便以此材料為基礎開始製作了一個新型的埋藏式光波導，進而製作出分光器 (Splitter)。首先我們以 BPM CAD 軟體去設計單模態的光波導結構。在製程上，我們已成功的利用有機無機混成材料具有曝光成像的特性，然後僅用標準的黃光微影術，就可以做出好的凹槽結構，且已經可以成功地在 Y-branch 尖端處做到小於 1µm 的製程寬度，這對 splitter 來說可以減少分光之插入損失。在光學量測上，以回切法量測光波導的傳輸損耗。經量測埋藏式波導的 TE 模態傳輸損耗為 0.69 dB/cm，而耦合損耗為 1.57 dB， TM 傳輸損耗模態為 0.70 dB/cm，而耦合損耗為 1.89 dB。而在 1×2 splitter 的量測中，我們量測出的輸出端 insertion loss 為 5.7 ~ 5.8 dB，而 branch loss 為 0.3 ~ 0.4 dB。. 55.

(66) 參考文獻 1. Integrated optics based on organ-mineral materials P. Coudray,P.Etienne,Y.Moreau;European Materials Conference –Strasbourg-June99 2. Sol-gel glass waveguide and grating on silicon S.Iraj Najafi,Member,OSA,T.Touam,R.Sara,M.P.Andrews,and M.A.Fardad; Journal of light wave technology,vol.16,no9,Sep 1998 3. Passive alignment of single-mode fibers to integrated polymer waveguide structures utilizing a single-mask process R.Moosburger,R.Hauffe,U.Siebel,D.Arndt,J.Kropp,and K.Petermann,Senior Member,IEEE;IEEE Photonics technology letters,vol.11,no.7,July 1999 4. Analysis of optical rib waveguides and couplers with buried guiding layerZhiming Mao and Wei-Ping Huang,Member,IEEE;Journal of quantum electronics, vol. 28,no.1,Jan 1992 5.以混成玻璃材料製作支單模態埋藏式波導吳裕誌,國立中山大學光電工程研究所碩士論文,2004 6.以高分子材料建立在矽基板之分光器李斳倫,國立中山大學機械與機電工程研究所碩士論文,2004.

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