快速切換的非對稱熱光器件的製作方法

2023-10-17 01:34:49 1

專利名稱：快速切換的非對稱熱光器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及熱光器件的領域，更具體地是，涉及非對稱熱光器件的領域。
熱光器件是從，例如，Diemeer等人在Journal of LightwaveTechnology(光波技術期刊)，Vol.7，No.3(1989)，pp449-453的描述中了解的，它們的工作一般是基於所用光波導材料顯示出折射率與溫度有關(與極化無關的熱光效應)的現象。已經製成了這種器件，尤其是用諸如離子交換玻璃和摻鈦鈮酸鋰的無機材料做成。也已經披露採用純聚合物波導製成熱光器件，Diemeer等人指出其優點是，溫度的適度增高可以導致折射率甚大變化。Diemeer描述的器件是一個純聚合物平面開關。利用熱致折射率壁壘形成的全內反射實現開關作用。該器件包括襯底(PMMA)，波導結構(聚氨酯清漆)，和過渡層(PMMA)，其加熱元件是用蒸鍍方法通過機械掩模在過渡層上沉積的條狀銀加熱片。
在Electronics Lelters(電子學快報)，Vol.24，No.8(1988)，PP457-458中，披露了一種光學開關，其中光纖之間的耦合是利用單模熔融耦合器，其矽樹脂包層是在耦合區的上面。開關作用的實現是利用矽包層的熱致折射率變化。
在US4,753,505中，所描述的熱光開關包含層狀波導，其中折射率隨溫度而變的材料是聚合物或玻璃。
在US4,737,002中，描述的熱光耦合器可能是採用光纖或集成光路形成的。
上述出版物中沒有一個描述了非對稱熱光器件。
在SPIE Vol.1560Nonlinear Optical Properties of OrganicMaterials IV(有機材料IV的非線性光學性質)(1991)，pp.426-433中，描述了非對稱熱光器件。所提到的器件是一個含非對稱Y結的對偏振/波長不靈敏的聚合物開關。其開關性質是基於熱致折射率調製，這種調製造成非對稱Y結中模式演變的變化。該器件包括玻璃襯底和含NLO聚合物的多層聚合物。
一個非對稱熱先器件含有波導結構，此波導結構至少包括輸入光路(1)，第一輸出光路(2)，和第二輸出光路(3)，第二輸出光路(3)的寬度小於第一輸出光路(2)的寬度，第一輸出光路(2)上有第一加熱元件(4)。因為第一輸出光路的寬度大於第二輸出光路的寬度，所以在預設的開關狀態，光通過第一輸出光路。當要求開關在零功率態下處在明確的預設狀態時，就可以用這種非對稱熱光器件。在保護性開關或冗餘開關和開關矩陣中就是這種情況。
原則上，這些非對稱器件只需要一個加熱元件，使光切換到第二輸出光路。然而，在普通的非對稱熱光器件中，由於來自加熱元件中的自由熱擴散，返回到預設的設定狀態所需的切換時間太長。本發明提供一種回到預設的設定狀態切換時間較短的非對稱熱光器件。
為了達到這個目的，本發明含有前面摘要中提到的那種非對稱熱光器件，第二輸出光路(3)上設置了第二加熱元件(5)。
參照數字是在下面要解釋的

圖1至圖3中標明的。
在光被切換到第二(較窄)輸出光路之後，可以加熱第二加熱元件(5)，使光能更快地切換回預設狀態。在本發明的一個優選實施例中，第二加熱元件中加熱脈衝所需的電功率是由電容器供給的，此電容器在加熱第一加熱元件時被充電。在切換到非預設狀態而對第一加熱元件加熱的同時，將第一加熱元件與所述電容器並聯，就可以對此電容器充電。現在，此電容器在充電。當切換回預設狀態時，該電容器與第二加熱元件相連電容器就通過第二加熱元件放電。這使第二加熱元件中產生加熱脈衝。因為從預設狀態切換時，電容器已經充足了能量，所以切換回時不需要饋入另外的能量。這種情況尤其在開關矩陣中是有利的。
按照本發明的器件可以採用光纖或集成光路製成。在集成光路中，最好選用聚合物熱光器件，因為即使不大的溫度改變就能引起折射率很大的變化。此外，聚合物比無機材料更容易加工，例如，聚合物可以加在任何襯底上。因此，具有高熱導性的襯底，如矽襯底，可以與具有低熱導性的聚合物材料組成波導結構。這樣一來，提供了一種熱分布很集中的器件。
例如，可以按照如下方法製成集成熱光器件。在波導結構下面是一支承，如玻璃襯底或矽襯底。在襯底上面可以標誌成下列相繼的各層下包層，芯層(導波層)，和上包層。包層材料可以是無機材料或聚合物材料。所述包層材料的折射率小於芯層的折射率。包含實際導波構造的芯層可以用無機材料或聚合物材料製成。在上包層的上面放置加熱元件。
在非對稱層狀結構的熱光開關中，相鄰於加熱元件的包層折射率小於別的包層折射率。這有利於使上包層與芯層之間形成更大折射率差。因而，上包層可以做得比一般的薄些。這就使熱光器件對每一加熱元件溫度上升的響應時間加快，從而減少切換時間。另外，供給所需的功率也少。按照本發明的非對稱熱光器件可能具有有利的非對稱層結構。
當採用聚合物芯層時，最好使用聚合物包層。在這種純聚合物器件中，相關的物理性質，諸如Tc和熱光效應，是可以比較的。另外，熱膨脹係數和熱導性大致相同，可以做成更穩定的器件。用於這些層的聚合物稱之為光學聚合物。
所用光學聚合物的折射率通常是在1.4至1.8的範圍，最好是從1.45至1.60。當採用非對稱層結構的熱光器件時，兩個包層之間的折射率差可以不同。
光學聚合物是大家知道的，此專業中普通技術人員能夠選擇具有適當折射率的聚合物，或者用化學修飾方法改變聚合物的折射率，例如將影響折射率的單體加入到聚合物中。因為所有的聚合物都呈現熱光效應，基本上，對所採用的波長具有足夠透明度的所有聚合物可以用于波導元件的芯層。所述透明度的要求也適用於包層。特別合適的光學聚合物包括聚丙烯酸酯類，聚碳酸酯類，聚醯亞胺，聚脲類，多芳基化合物。
按照本發明的波導結構可以有各種式樣的光路形狀。實現這個目的對專業人員是眾所周知的。例如，可以利用溼化學技術或幹腐蝕技術(活性離子刻蝕，雷射燒蝕)除去平板波導中一些部分，有選擇地填入折射率較小的材料到空隙部分來形成這種形狀。或者，可以使用光敏材料，這種光敏材料在被照射之後能夠顯影。在負性光刻膠情況中，光敏材料在被照射之後能夠耐顯影劑，未受到照射的那部分材料被去除。最好使用正性光刻膠，藉助覆蓋要形成通路那部分波導的輻照掩模，規定通路的界限，利用顯影劑去除照射過的材料，之後，加入折射率較小的材料。
然而，更加可取的是，使用一種能夠規定光路的形狀而不必去掉部分材料的材料，來作芯層。這種性質的材料是存在的，例如，此種材料經受熱，光，或紫外輻射後，發生化學或物理轉化，成為一種有不同折射率的材料。在這種轉化導致折射率增大的情況中，處理過的材料可以用于波導通道的芯層材料。利用開孔與所需波導形狀完全相同的掩模，可做成這種波導。在這種處理導致折射率減小的情況中，處理過的材料適用於包層材料。在後一情況中，使用上述一種掩模，即覆蓋所需波導通路的掩模。這種類型的一個特別的和優選的實施例，其芯層材料是由能夠漂白的聚合物構成的，即，這種材料的折射率在用可見光或紫外光照射後減小，而其物理和機械性質基本上不受影響。為了達到這個目的，最好是，用一個覆蓋波導通路所需形狀的掩模來製作平板波導，藉助(一般是藍光)光或紫外輻射，降低周圍材料的折射率。可漂白的聚合物尤其在EP358 476，EP645 413，WO94/01480，EP350 112，和EP350113中有描述。
為了有可能製成複合的熱光/電光器件，還建議在芯層中選用NLO聚合物。
光學非線性材料，也稱之為非線性光學(NLO)材料，是大家知道的。這種材料在外力場(如電場)作用下產生非線性極化。非線性電極化能引起幾種光學非線性現象，諸如倍頻作用，泡克耳斯效應，和克爾效應。或者，NLO效應可以用光光技術或聲光技術產生。為了使聚合物NLO材料非線性光學活化(宏觀上得到所需的NLO效應)，在這種材料中存在的基團，一般是超極化側基團，首先必須排成行(極化)。這種排列通常是將聚合物材料放在直流電壓下，通稱極化場，來實現的，靠這種情況下的加熱作用使聚合物鏈可充分遷移而取向。NLO聚合物主要在EP350 112，EP350 113，EP358 476，EP445 864，EP378185，和EP359 648中有描述。
製作本發明的聚合物光波導一般涉及到將用作下包層聚合物的溶液加到襯底上，例如，藉助旋轉塗布方法，接著蒸發掉溶劑。隨後，芯層和上包層可以採用同樣的方法。在上包層的上面放置加熱元件，例如，採用濺射，化學氣相沉積，或化學氣相蒸發，和標準的光刻照相技術。為使器件更便於拿放，可以將一鍍層加在整個結構的上部以利固定和表面光潔。或者，可以用一膠層替代鍍層來固定，之後，將一物鏡(objectglass)放在整個結構上而完成。
當製作純聚合物層狀波導結構時，將各個單層加工成可交聯聚合物的形式是有利的。這些聚合物包含可交聯單體的聚合物，或者包含所謂交聯劑，如聚異氰酸酯，聚環氧化物等聚合物。這樣就可能將聚合物加到襯底上，並且固化聚合物，使之形成固化聚合物網絡，在加上下一層時不會解離。
合適的襯底主要是矽薄片，陶瓷材料，或塑料層薄板，諸如基於環氧樹脂的可強化或不能強化材料。合適的襯底對於專業人員是熟知的，最合適的襯底是具有高熱導性，能夠起到散熱片的作用，因為這可以大大加速熱光開關過程。例如，對波導加熱就可以實現切換到「接通」狀態，切換到「關斷」狀態只要求使波導冷卻。有這一方面性質的優選襯底是玻璃，金屬，或陶瓷，尤其是矽。
為了避免光通過下包層時的損耗，最好採用由兩個分層製成的下包層，下包層中下面的一個分層(即，相鄰於襯底的分層)是一個折射率小於另一分層(即，相鄰於芯層的分層)的薄層(例如，約3μm)。因此，實際的波導結構是與襯底「光隔離」的。如果選用的襯底是考慮其散熱性質而不是折射率，則上述下包層的結構尤為重要。例如，矽具有好的散熱性，但其折射率大於製作波導的各薄層。由於輻射進入矽襯底，就可能導致光損耗。附加的低折射率分層必定使全部光在波導中傳播。這就大大地便於層狀波導的設計。為了不影響熱的分布，層狀波導的總厚度不會由於附加的低折射半分層存在而受影響。這一點可以用簡單的方法來實現，即選用不同於無機材料的聚合物材料。
加熱元件一般是由薄膜導體製成，通常是薄金屬膜。這種產生熱能的通電導體也可以簡稱為「電阻絲」。當然，合適的產生熱能的導體不限於絲狀。
產生熱能的通電導體，即電阻絲，可以是薄膜技術領域中熟知的加熱元件，諸如Ni，Ni/Fe，或Ni/Cr。或者，可以把電光開關領域內做電極的那些材料用作導體。這些材料包括貴金屬，如金，鉑，銀，鈀，或鋁，以及那些通稱為透明電極的材料，如銦錫氧化物。鎳，鉻和金是最好的。
如果此種波導中採用極化的NLO聚合物，利用起電極作用的加熱元件，就可以將熱光功能和電光功能合成在單個器件中。
在電極功能與電阻絲功能合在一起的情況中，實際上可以產生浪湧電流，例如，採用一個相對大直徑(低電流密度)的饋入電極，緊接著有一較小直徑的小段。高電流密度就在這一狹小段內形成，於是產生了熱量。或者，可以採用兩種不同本徵電阻金屬組成的材料，或改變不同金屬敷層的厚度，或改變材料的組份，以獲得低電流密度所需的效果，或者，從低本徵電阻處供電，而同時在熱光效應所需的位置處，要顯現高電流密度或較高本徵電阻。通過這樣方法改變電流密度，就可能局部獲得熱光效應。
在採用NLO聚合物的情況中，加熱元件可以在NLO聚合物排列期間開始使用。
按照本發明的器件有利於在各種光通訊網格中使用。一般說來，熱光元件或者直接與光源(雷射二極體)或探測器等光學元件組合，或者耦合到輸入光纖和輸出光纖，通常是玻璃光纖。
本發明結合下列附圖，圖1，圖2和圖3，再加以說明。
圖1畫出已知非對稱熱光器件的示意頂視圖。
圖2畫出按照本發明非對稱熱光器件的示意頂視圖，表示從預設狀態切換到非預設狀態時的電路。
圖3畫出與圖2相同的非對稱熱光開關，但是表示出從非預設狀態切換回預設狀態時的電路。
圖1畫出已知非對稱熱光器件所含波導結構的示意頂視圖，它至少包括輸入光路(1)，第一輸出光路(2)，和第二輸出光路(3)，第二輸出光路(3)的寬度小於第一輸出光路(2)的寬度，且第一輸出光路(2)上有第一加熱元件(4)。
圖2畫出按照本發明在開關狀態下所含波導結構的非對稱熱光器件的示意頂視圖，它至少包括輸入光路(1)，第一輸出光路(2)，和第二輸出光路(3)，第二輸出光路(3)的寬度小於第一輸出光路(2)的寬度，第一輸出光路(2)上有第一加熱元件(4)，第二輸出光路(3)上有第二加熱元件(5)。該圖表示從預設狀態切換到非預設狀態時的電路通過加熱第一加熱元件(4)，光從預設狀態轉變過來時，電容器(6)同時被充電。當轉變回預設狀態時，該電容器連接到第二加熱元件(5)，導致電容器(6)放電給第二加熱元件(5)加熱。
圖3畫出與圖2相同的非對稱熱光器件的示意頂視圖。該圖表示切換回預設狀態時的電路當切換回預設狀態時，電容器(6)放電，因此第二加熱元件(5)被加熱。
權利要求
1.一個含有波導結構的非對稱熱光器件，其波導結構至少包括輸入光路(1)，第一輸出光路(2)，和第二輸出光路(3)，第二輸出光路(3)的寬度小於第一輸出光路(2)的寬度，第一輸出光路(2)上有第一加熱元件(4)，其特徵是，第二輸出光路(3)有第二加熱元件(5)。
2.按照權利要求1的非對稱熱光器件，它包含電容器(6)。
3.按照權利要求1或2的非對稱熱光器件，其特徵是，該非對稱熱光器件是一個聚合物器件。
4.按照權利要求3的非對稱熱光器件，其特徵是，導波層和包層都是聚合物。
全文摘要
本發明涉及含有波導結構的非對稱熱光器件,其波導結構至少包括輸入光路(1),第一輸出光路(2),和第二輸出光路(3),第二輸出光路(3)的寬度小於第一輸出光路(2)的寬度,第一輸出光路(2)有第一加熱元件(4),此熱光器件的特徵是,第二輸出光路(3)有第二加熱元件(5)。在本發明的優選實施例中,第二加熱元件(5)連接到與第一加熱元件(4)並聯的電容器。
文檔編號G02F1/01GK1182484SQ96193388
公開日1998年5月20日 申請日期1996年4月17日 優先權日1995年4月18日
發明者赫曼努斯·瑪瑟裡努斯·瑪麗亞·克雷·考卡普 申請人:阿克佐諾貝爾公司