插入损耗低的单模聚合物波导的设计方法

专利名称：插入损耗低的单模聚合物波导的设计方法
发明
背景技术：
领域本发明涉及光波导，或者更具体而言，本发明涉及采用有机聚合物材料通过光刻法形成的单模(single-mode)光波导。该波导结构的传播损耗(propagation loss)很低。
背景技术：
在光学通讯系统中，信息是经由载波按光学频率传输的，而这些光学频率是由激光器和发光二极管等波源产生的。人们对这类光学通讯系统很感兴趣，因为它们在许多方面比常规通讯系统优越。与采用铜导线的电子系统相比，它们的通讯通道数目要多得多而且能够以高得多的速度传输信息。本发明涉及透光性光波导器件的形成方法。光波导的操作原理是，透光性介质在被折射率较低的另一介质包围或者按其它方式与该介质接界时，沿内侧介质轴线引入的光线在与包围介质的界面处被高度反射，由此产生波导效应(guiding effect)。
可以制造出在光学通路或光学纤维网络中传输光学信号的聚合物光波导和其它光学互连器件。形成光学器件时所用的一种方法涉及利用标准的光刻法。在光学互连器件的应用中，光敏聚合物是特别重要的，因为它们可通过现有技术已知的光刻技术形成图案。光敏聚合物也使得更为简单、成本更为低廉的制造方法成为可能。可利用光刻法在基底上所沉积并含有光敏聚合物的光敏层中形成图案。在许多已知的光敏聚合物中，丙烯酸酯材料是广泛应用的波导材料，因为它们光学透明度高、双折射低而且很容易获得各种各样的单体。
平面聚合物波导一般包含低损耗光学材料层，这些材料具有精确的折射率。突变式折射率型波导结构和渐变式折射率型波导结构在现有技术中是已知的。对于平面聚合物和玻璃波导而言，通过先后涂布折射率不同的材料，尤其最容易获得突变式折射率型结构。一般而言，芯体的折射率比包覆体高0.5～2％。通过调整该折射率差(Δn)的大小，可以优化平面波导的性能或者在从平面器件向光学纤维过渡时使光模式能够匹配。在实际应用当中，大多数平面波导结构的构造是，先施用下包覆体(underclad)，然后施用并形成芯体层，最后施用上包覆体(overclad)。由于芯体有高度，所以在上包覆体上一般会产生凸台，而且该凸台还可能非常大。当聚合物的分子量和粘度较高，继而必须从含有溶剂的溶液进行旋转流延时，就会在聚合物波导中产生这种现象。当为了化学汽相淀积上包覆体而在棱条(rib)之上施用均匀的包覆体层时，也会在二氧化硅波导中产生这种现象。除此之外，在反应离子刻蚀聚合物或玻璃波导芯体时，由于侧壁很粗糙而使得光线发生散射，由此会引致高的传播损耗。
可利用可光聚合的光学材料来制造波导，可将这些材料涂布在基底上然后使之固化。一般而言，这些材料包括单体和低聚物组分的混合物，共混这些组分是为了提供适当的折射率。共混这些混合物的目的是使芯体和包覆体之间的Δn一般为0.5～2％。在这些固化混合物的光刻法中，一般会在下包覆体层中形成具有渐变式折射率而非突变式折射率的导引区域。还可以在芯体的侧面和顶面形成具有渐变式折射率而非突变式折射率的区域。之所以会在包围芯体的区域中形成渐变式折射率，是因为不同化学组分的迁移所致，特别是单体组分可从芯体层迁移至包覆体层中。在芯体正下方的区域中，单体组分会在芯体形成过程中进一步发生反应，从而在下包覆体层内形成不希望的导引区域。当包覆体的下部区域与芯体的厚度近似相等时，会形成纵穿整个包覆体厚度的导引层。在极端的情况下，该导引层的导引能力与芯体本身一样强，致使光线到达基底表面。因为本发明基底在对电信很重要的光学波长处产生吸收，所以到达基底的任何部分的传输光线都被吸收。如果基底吸收光线，就会在传输信号中产生严重的不利的极化依赖性光学损耗(optical loss)。
为了解决这些问题，现有技术采取了其它措施。一种潜在的解决办法是，为了避免这种不利的结果，可采用很厚的下包覆体层而使芯体与基底隔离。但是，为了将该问题消除至希望的程度，就必须采用厚得不切实际的下包覆体。
另一解决办法包括采用折射率比芯体低2％或低更多的缓冲体区域，其中缓冲体区域是处于下包覆体之下的。即使单体扩散得很深而穿过下包覆体并稍稍进入缓冲体之中，也会大大抑制缓冲体中的导引现象，由此在很大程度上消除硅吸收光线的问题。但是，下包覆体仍能导引光线，结果仍旧存在着形成多模波导的问题，并伴随残留极化效应。
一种利用光刻法形成光学元件的方法采用了丙烯酸类光活性组合物，该组合物通过聚合反应能够形成波导材料。但是，为了尽可能提高操作温度，该方法采用了玻璃化转变温度尽可能高的聚合物。另一方法涉及采用可光聚合的组合物来制造波导，比如Tg至少为100℃的丙烯酸类组合物。前述波导存在的问题是光学损耗(optical loss)太高。

发明内容
本发明提供了在基底上制造的单模光波导，其中基底形成表面。单模光波导包括处于基底表面上的聚合物缓冲体层，其中缓冲体层形成表面而且其折射率为nb。处于缓冲体层表面上有薄的聚合物下包覆体层，其中下包覆体层形成表面而且其折射率层为nu。处于下包覆体层表面上的透光性单模聚合物芯体图案，其中芯体形成顶表面和侧壁而且芯体的折射率为nc。处于芯体顶表面和芯体侧壁以及一部分下包覆体层之上的聚合物上包覆体层，而且其折射率为no。下包覆体层的厚度是芯体厚度的约10％～约50％。芯体的折射率nc大于上包覆体层的折射率no，而且也大于下包覆体层的折射率nu。在该波导中，Δn＝nc-no，nc与缓冲体折射率nb之差至少是Δn的约1.5倍，并且Δn值的大小以能在光学通讯波长下制造出单模波导为准。
本发明也提供了在基底表面上形成单模光波导的方法。该方法包括以下步骤在基底表面上沉积聚合物缓冲体层，其中缓冲体层形成表面而且其折射率为nb。然后在缓冲体层表面上沉积聚合物下包覆体层，其中下包覆体层形成表面而且其折射率为nu。然后在下包覆体层表面上沉积透光性聚合物芯体图案，使下包覆体层的厚度是芯体厚度的约10～约50％。芯体具有顶表面和一对侧壁，而且其折射率为nc。然后在芯体顶表面和芯体侧壁上沉积聚合物上包覆体层，其中上包覆体的折射率为no。芯体的折射率nc大于上包覆体层的折射率no，而且也大于下包覆体层的折射率nu；其中Δn＝nc-no，nc与缓冲体折射率nb之差至少是Δn的约1.5倍，并且Δn值在光学通讯波长下制造出单模波导。
本发明进一步提供了在基底表面上形成单模光波导的方法。该方法包括以下步骤在基底表面上沉积聚合物缓冲体层，其中缓冲体层形成表面而且其折射率为nb。然后在缓冲体层表面上沉积聚合物下包覆体层，其中下包覆体层形成表面而且其折射率为nu。然后在下包覆体层表面上沉积光敏芯体层，使下包覆体层的厚度是芯体厚度的约10～约50％，其中光敏芯体层的折射率为nc。然后在光化辐射下按图象(imagewise)曝光该光敏芯体层，接着显影该芯体层，由此除去芯体层的非图象区域并留下芯体层的图象区域，借此在下包覆体层上形成带有图案的透光性芯体并且部分暴露出一部分下包覆体层，该芯体具有顶表面和一对侧壁。然后在芯体的顶表面和芯体的一对侧壁以及下包覆体层的暴露部分上沉积聚合物上包覆体层。芯体的折射率nc大于上包覆体层的折射率no，而且也大于下包覆体层的折射率nu；其中Δn＝nc-no，nc与缓冲体折射率nb之差至少是Δn的约1.5倍，并且Δn值在光学通讯波长下制造出单模波导。
希望制造光学器件时所用的聚合物材料在应用波长下的吸收和散射损耗很低，为了便于模式控制和数值孔径(mode and numericalaperture)控制，还希望其折射率精确可控。通过精确控制折射率，就可以控制模式和数值孔径并制造出在横截面尺寸和数值孔径方面均与单模纤维匹配的单模波导。当芯体和包覆体材料由两种或多种混溶性单体构成时，通过混合经过选择的高折射率单体与低折射率单体的组合，就可以精确调节波导每层的折射率。可利用该特性来精确控制波导的模式，并且可利用它来制造出大尺寸的单模波导，该波导无论在横截面尺寸方面还是在数值孔径方面均与商业单模纤维匹配。
在本发明中，在形成平面波导结构时，向基底上施用缓冲体、厚度减薄的下包覆体、芯体和正常厚度的上包覆体。在缓冲体上施用的是非常薄的下包覆体层，然后使其预固化。接着在厚度减薄的下包覆体顶上施用芯体层。在芯体施用和固化过程中，分子量低、折射率高的材料会发生扩散，进而提高下包覆体的折射率。纵贯下包覆体形成渐变式折射率。该渐变式折射率在进入缓冲体区域一段距离之后迅速截止。但是，在选择厚度减薄的下包覆体与芯体的尺寸时，要求最终能抵消在包覆体折射率所有可能取值下的光学多模特性。除此之外，再施用上包覆体，将其涂布在芯体的侧壁和顶面上。高折射率单体还会发生类似的扩散，由此确保围绕芯体形成渐变式折射率。发现此时折射率围绕波导芯体侧壁和底面分布得更为均衡。根据本发明，由于改善了与单芯圆纤维的模式匹配效果，因此在获得清晰的单模性能的同时，其耦合损耗(coupling loss)也非常低。
附图简述

图1是聚合物波导的示意图，该波导有处于芯体侧壁与上包覆体之间的侧面界面区域、处于芯体顶面与上包覆体之间的顶面界面区域以及处于芯体底面与下包覆体层之间的底面界面区域。
图2是波导的示意图，该波导具有理想的突变式折射率型结构。
图3是现有技术波导的示意图，该波导具有标准的突变式折射率型结构。
图4是现有技术波导的示意图，它是由光敏聚合物制造的，该波导有下包覆体和围绕芯体的渐变式折射率区域，在下包覆体中包括导引区域。
图5是现有技术波导的示意图，该波导具有下包覆体、下包覆体中的导引区域、芯体侧面和顶面的渐变式折射率以及处于下包覆体之下的低折射率缓冲体。
图6是波导的横截面视图，它带有与上包覆体层结合的加热器。
图7是基底上波导的平面视图，其中已利用光栅在该波导上印制了图案。
具体实施例方式
本发明提供了单模光波导和形成光波导的方法。本发明的光波导包括基底；处于基底表面上的聚合物缓冲体层；处于缓冲体表面上的薄的聚合物下包覆体层；处于下包覆体层表面上的透光性单模聚合物芯体图案；以及处于芯体顶表面和芯体侧壁以及一部分下包覆体层上的聚合物上包覆体层。本发明的重要特征在于下包覆体层的厚度是芯体厚度的约10％～约50％。本发明的另一重要特征在于芯体的折射率nc大于上包覆体层的折射率no，而且也大于下包覆体层的折射率nu；其中Δn＝nc-no，而且其中nc与缓冲体折射率nb之差至少是Δn的约1.5倍。
参照图1，表示的是本发明波导的示意图。首先在基底2表面上沉积聚合物缓冲体层4。基底2可以是希望在其上构造出波导的任何材料，包括比如硅、氧化硅、砷化镓、氮化硅、玻璃、石英、塑料、陶瓷、晶体材料等。基底2可以含有或者不含其它器件，比如形貌特征如沟槽，或者电路或光电元件比如激光二极管。
因为本发明基底2一般在对电信很重要的光学波长下产生吸收，所以到达基底2的任何部分传输光线都被吸收。如果基底2吸收光线，就会在传输信号中产生不利的极化依赖性光学功率损耗。中间缓冲体层4的作用是限制光线射入基底2之中并防止任何显著量的光线到达基底2。为了使缓冲体4能够按照设计要求发挥作用，其折射率必须显著低于芯体8和包覆体层的折射率。可以按照现有技术已知的多种不同方式施用聚合物缓冲体层4，比如旋涂法、浸涂法、缝涂法、辊涂法、刮涂法、液体流延法等。缓冲体层4可以包含可光聚合的化合物，比如丙烯酸酯化合物。丙烯酸酯化合物见下。当可光聚合材料层沉积在基底2表面上之后，在光化辐射下总体曝光之，使其至少部分发生聚合。缓冲体层4的厚度可为约3μm～约500μm，一般为约5μm～约50μm。缓冲体层的适宜厚度为约7μm～约30μm。
为了增进随后施用的各个聚合物层之间的粘结性，而且在某些情况下为了控制界面处折射率的梯度，可以使先行施用的各层有意不进行充分固化，以促进单体的相互渗透并在各层之间形成共价键，这些层包括缓冲体层4。当缓冲体层4沉积在基底2上之后，在缓冲体层4表面上沉积薄的聚合物下包覆体层6。下包覆体层6也可以通过前述技术施用。下包覆体层也可以包含以下所述的可光聚合丙烯酸酯化合物。在沉积完可光聚合的下包覆体层之后，在光化辐射下进行总体曝光使其发生聚合反应。
作为本发明的重要特征，下包覆体层6限于非常薄的厚度。下包覆体层的厚度为芯体厚度的约10％～约50％。下包覆体层的厚度一般为芯体厚度的约10～约50％。下包覆体层的厚度更适宜地是芯体厚度的约20～约40％，最希望是芯体厚度的约30～约37％。也希望缓冲体4与下包覆体6的厚度之和小于约50μm。更希望缓冲体4与下包覆体6的厚度之和小于约30μm，而且一般小于20μm。该厚度减薄的下包覆体6对实现本发明目的很重要。当该厚度减薄的下包覆体层6与缓冲体4、芯体区域8和上包覆体层10耦合时，就可以抵消在下包覆体折射率所有可能取值下的光学多模特性。
在沉积完下包覆体层6和聚合反应结束之后，在下包覆体层6表面上形成芯体8。在一个实施方案中，通过在下包覆体层表面上沉积透光性光敏芯体层而形成芯体8。可采用已知的技术来沉积芯体组合物8层，比如旋转涂布法、浸涂法、缝涂法、辊涂法、刮涂法、液体流延法等。然后在光化辐射下使该光敏芯体层8按图象曝光，接着对其进行显影，由此除去芯体层的非图象区域并保留芯体层的图象区域。以下将对该方法进行详细说明。芯体层显影结束之后，就会在下包覆体层6上形成带图案的透光性芯体8，并部分露出一部分下包覆体层。一般将此制造阶段的芯体8的结构称为固定棱条(standing rib)。
在本发明的另一实施方案中，通过在下包覆体层6表面上沉积透光性聚合物芯体层的图案而形成芯体层8。该芯体图案可以利用已知的光刻法或者其它技术比如反应离子刻蚀法(reactive-ion-etching)进行制造。在两种实施方案中，芯体的横截面宽度与横截面高度近似相等，而且横截面宽度和高度均选自约2μm、约4μm、约5μm、约6μm、约7μm、约8μm、约9μm和约10μm。芯体层8横截面宽度和横截面高度各自的范围是约2μm～约10μm，芯体8横截面宽度和高度各自的范围更多时候是约5.5μm～约8μm。同时，通常芯体8宽度不超过芯体8高度的2倍，而且其高度不超过宽度的2倍。而且在本发明实施方案中，芯体在宽度和高度上都是单模的。为了最大限度地降低与标准单模玻璃纤维的耦合损耗，玻璃纤维比如是Corning Incorporated市售的SMF-28，有用的芯体横截面尺寸为约6×6μm～约8×8μm。制造芯体层所用的材料包括以下详述的可聚合丙烯酸酯材料。
形成芯体8之后，在芯体8的顶表面11、芯体8的侧壁13以及下包覆体层6的暴露部分之上沉积上包覆体组合物层10。该可光聚合上包覆体层10也可以通过前述技术施用，然后在光化辐射下对其进行总体曝光。从芯体顶面开始测量，上包覆体层10的厚度一般为约3μm～约30μm。更适宜地是约5μm～约20μm，并且大多数时候为约8μm～约15μm。上包覆体层可以是任何能将引入的光线保持在芯体8内部的材料，并且可包含以下详述的可聚合丙烯酸酯化合物。
可利用可光聚合的光学材料来形成波导，包括单体和低聚物组分的混合物，共混这些组分的目的是为每层提供适当的折射率。每层所具有的特定折射率对波导的性能有显著影响。在本发明的一个实施方案中，在选择芯体8、下包覆体6和上包覆体层10各层所用的可光聚合化合物时，重要的是芯体8的折射率nc大于上包覆体层10的折射率no，而且也大于下包覆体层6的折射率nu，其中Δn＝nc-no，并且其中nc与缓冲体折射率nb之差至少是Δn的约1.5倍。nc与nb之差更多时候至少是Δn的约2倍。希望nc与nb之差至少是Δn的约3倍。在本发明的一个实施方案中，Δn的范围是约0.0031～约0.079。
在本发明的一般应用中，所制造的波导结构是单模(single-mode)结构。为了确保波导是单模波导，必须在波导物理横截面尺寸和形状与Δn值之间保持某种关系。一般而言，在保持波导尺寸固定不变的情况下，如果要求波导是单模波导，那么Δn值就不能超过某一最大(截止)值。同样，在Δn值保持固定不变的情况下，如果要求波导是单模波导的话，那么波导的横截面尺寸就不能超过某一最大值。举例而言，表1给出了在波导横截面为正方形的通常情况下，尺寸与Δn最大容许值之间的关系。最后，为了最大限度地增加波导的耦合效率并且最大限度地降低弯转处的光传播损耗，一般都希望采用与该截止值近似相等但不超过该值的Δn值。
表1

芯体的折射率nc范围一般是约1.33～约1.7，或者更适宜地是约1.4～约1.55。下包覆体层的折射率nu范围一般为约1.3～约1.65，更适宜地是约1.35～约1.55。上包覆体层的折射率no范围一般是约1.3～约1.65，或者适宜地是约1.35～约1.55。制造缓冲体层时选择何种化合物也很重要，从而使缓冲体层的折射率nb小于芯体材料以及每个包覆体层的折射率。缓冲体的折射率范围一般为约1.3～约1.55，或者更适宜地是约1.3～约1.4。
在这些混合物的光刻法中，芯体的单体组分经常会向下包覆体层中迁移，在芯体底面15与下包覆体层6之间形成底面界面区域14，该底面界面区域14的折射率为nf，并在芯体8的侧壁13与上包覆体层10之间形成侧面界面区域12，该侧面界面区域12的折射率为ns。图1中可以看到这些界面区域12和14。这些界面区域的折射率是渐变式的而不是突变式的。之所以会形成这些界面区域，是因为芯体的单体可扩散到包覆体材料中，而且在芯体和上包覆体先后固化的过程中，由于在光化辐射下随后进行曝光而在包覆体中固定下来。芯体与包覆体单体相互扩散的程度取决于包覆体和芯体的固化程度、温度和所用单体的扩散率、以及未固化或部分固化的各层在整个波导结构于最后一步进行硬固化之前彼此之间的接触时间。单体在芯体底面和侧面的相互扩散程度最大，因为这些区域在中间制造步骤中的固化程度一般较低。芯体-下包覆体界面有低固化程度现象，因为希望借此来增进芯体8和下包覆体6之间的粘结性，而且芯体侧面也有低固化程度现象，这是因为边缘处的固化剂量较低，原因是基于掩膜的光刻法有衍射效应或者激光直接写制造(laser direct-write fabrication)技术存在着光束强度分布。当下包覆体区域6与芯体8的厚度近似相等时，底面界面区域14在某些情况下甚至会纵穿下包覆体6的整个厚度。在极端的情况下，界面区域的尺寸和折射率足够大，使其导引能力与芯体本身一样强，由此使光线到达硅基底表面并为其所吸收，从而造成严重的极化依赖性损耗效应。
参照图2，表示的是具有理想性能的理想波导。在理想的情况下，光线传输通过芯体16，芯体的各组分均不会扩散到包覆体18之中而且没有光吸收到基底2。但是在实际中，常规的现有技术波导更类似于图3所示的波导，其中由于芯体22有高度，所以上包覆体24带有凸台。该凸台是不希望的而且是不利的。图4-5也表示的是现有技术波导，它们都有缺点。图4表示的是含有高折射率导引区域32的波导，该区域是在下包覆体28中形成的。导引区域32穿过下包覆体延伸到基底上，在基底处会泄露和吸收很大一部分光线。图5表示的是在下包覆体28之下包含低折射率缓冲体层34的波导，这样做是为了防止导引区域32延及基底。因为导引光线仍旧会漏入处于芯体之下的区域32中，所以由于波导的模式形状与常规纤维的模式形状之间的匹配性很差，因此该类波导的耦合损耗会很高。通过引入非常薄的下包覆体层和具有本文所述折射率的缓冲体层，本发明在减轻了现有技术存在的这些问题，降低了由这些导引区域造成的损耗。在本发明的一个实施方案中，侧面界面折射率ns与底面界面折射率nf近似相等。在本发明的一个实施方案中，ns是渐变式折射率，其值从距芯体侧壁最近的侧面界面区域部位处的约nc降低至距上包覆体最近的侧壁界面区域部位处的约no。同样，在本发明的一个实施方案中，nf是渐变式折射率，其值从距芯体底面最近的底面界面区域部位处的约nc降低至距下包覆体层最近的底面界面区域部位处的约nu。还希望渐变式折射率ns与渐变式折射率nf近似相等，即二者近似匹配。这意味着单位介质长度沿介质剖面的折射率变化(相同)，而且起始值和终止值也相同。
形成缓冲体4、包覆体层6和10以及芯体8时各自所用的组合物包含可光聚合的化合物和光引发剂。可光聚合的化合物可以是单体、低聚物或聚合物，它是含有至少一个烯属不饱和端基的非气态(标准大气压下的沸点高于30℃)烯属不饱和化合物，它可按加成方式发生聚合，并且能通过由自由基引发的链增长加成型聚合反应形成高分子量聚合物。这类化合物在现有技术中是已知的。在进行选择时，要使得这些化合物所形成的聚合单元具有前述规定的折射率。针对具体所选的聚合组合物，本领域熟练人员很容易确定其折射率。
多官能丙烯酸酯单体是适宜的。多官能丙烯酸酯的通式结构如下
对于芯体而言，m的范围是1～约6；R2是H或CH3，而R1是由脂肪族、芳香族或脂肪-芳香族混合型有机分子链段构成的键接基团。R1是亚烷基、烯化氧、亚芳基氧化物(arylene oxide)、脂肪族聚醚或聚酯部分，而R2优选H。为了确保膜的耐溶剂性并提高光刻图象的对比度，宜采用交联型聚合物，因此宜采用多官能丙烯酸酯单体(m≥2)。通过采用玻璃化转变温度(Tg)低的柔性聚合物，还希望借此来降低最终波导器件中因应力而致的散射光学损耗。现有技术中已知的是，交联聚合物的玻璃化转变温度(Tg)取决于交联密度和交联点之间键接基团的结构。也已知的是，低交联密度和柔性键接基团需要低的Tg。为了确保低的交联密度，宜采用1≤m≤3且两个烯属不饱和官能团之间的键接链段很长的单体，m通常为2。就本发明而言，键接链段很长指的是平均分子链长为至少约4个或更多个碳原子，希望是6个或更多个碳原子。适宜的柔性键接结构包括链长大于约3个碳原子的亚烷基、聚(环氧乙烷)、聚(环氧丙烷)、乙氧基化双酚A、聚醚、硫醚、脂肪烃和芳香烃、醚、酯和聚硅氧烷等。这些化合物可任选被任何侧基所取代，只要不影响可聚合化合物发生光聚合的能力，或者不过度加重相关波长处的损耗即可，该波长比如是电信波长1.31～1.55μm。适宜的取代基包括但不限于，烷基、芳基、烷氧基和亚砜基团等等。为了确保获得高的耐热降解性和耐变色性，希望采用热稳定型分子结构R1。这类R1链段应该不含对热敏感的部分，比如芳香族氨酯和酰胺基团。为了确保获得低的双折射，希望采用应力光学系数和光学极化率很低的R1键接基团。
对于包覆体层而言，也可以采用之前所述的丙烯酸酯，但是希望烯属不饱和官能团之间的平均分子链长度为约6个碳原子或更长，一般为8个碳原子或更长，并且更为常见的是12个碳原子或者更长。适宜的柔性键接结构包括链长大于6个碳原子的亚烷基、聚(环氧乙烷)、聚(环氧丙烷)和乙氧基化双酚A。
在本发明的一个实施方案中，缓冲体4、下包覆体层6、芯体8和上包覆体层10各自所用的材料也包括可聚合的丙烯酸酯和丙烯酸偏酯(partial ester)以及含有2～30个碳原子的芳香族和脂肪族多元醇的酯和偏酯。聚烯化氧二醇的偏酯和酯也是适宜的。其实例是乙二醇二丙烯酸酯、二甘醇二丙烯酸酯、三甘醇二丙烯酸酯、四甘醇二丙烯酸酯、平均分子量为200～2000的聚乙二醇二丙烯酸酯和聚丙二醇二丙烯酸酯、丙二醇二丙烯酸酯、二丙甘醇二丙烯酸酯、(C2～C40)烷二醇二丙烯酸酯比如己二醇二丙烯酸酯和丁二醇二丙烯酸酯，三丙甘醇二丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、平均分子量为500～1500的乙氧基化三羟甲基丙烷三丙烯酸酯、季戊四醇二丙烯酸酯、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、二季戊四醇二丙烯酸酯、二季戊四醇三丙烯酸酯、二季戊四醇四丙烯酸酯、二季戊四醇五丙烯酸酯、二季戊四醇六丙烯酸酯、二季戊四醇八丙烯酸酯、山梨醇三丙烯酸酯、山梨醇四丙烯酸酯、山梨醇五丙烯酸酯、山梨醇六丙烯酸酯、低聚丙烯酸酯、甘油二丙烯酸酯和三丙烯酸酯、1，4-环己烷二丙烯酸酯、平均分子量为100～1500的聚乙二醇的双丙烯酸酯，以及前述化合物的混合物。多官能丙烯酸酯低聚物包括但不限于，丙烯酸化环氧化物、丙烯酸化聚氨酯和丙烯酸化聚酯。可光聚合化合物可以是芳基丙烯酸酯。这类芳基丙烯酸酯单体的实例是芳基二丙烯酸酯、三丙烯酸酯和四丙烯酸酯，比如基于苯、萘、双酚A、联苯、甲基联苯、三氟甲基联苯、苯氧基亚苯基等的二、三和四丙烯酸酯。芳基丙烯酸酯单体可以是多官能芳基丙烯酸酯，而且该芳基丙烯酸酯单体更多时候是基于双酚A结构的二、三和四丙烯酸酯。芳基丙烯酸酯单体可以是烷氧基化双酚A二丙烯酸酯，比如乙氧基化双酚A二丙烯酸酯、丙氧基化双酚A二丙烯酸酯和乙氧基化六氟双酚A二丙烯酸酯。优选的芳基丙烯酸酯单体是乙氧基化双酚A二丙烯酸酯。可聚合组分可以是以下结构(I)的单体 在一个实施方案中，对于芯体而言，n为约10或更小，一般为约4或更小，n宜为约2或更小。在一个实施方案中，对于包覆体层而言，n为约2或更大，一般为约4或更大，n宜为约10或更大。含有丙烯酸酯的共聚物也是有用的，这些共聚物在现有技术中是已知的。在一个实施方案中，每个包覆体层都包含具有前述乙氧基化双酚A二丙烯酸酯结构(I)的可聚合组分，其中1≤n≤20，一般4≤n≤15，适宜的是8≤n≤12。
可聚合组合物可以是多官能氟化(甲基)丙烯酸酯，特别是基于以下结构的那些 其中Y是H或D；X是H、D、F、Cl或CH3；a是2-4的整数R＝-CH2·RfCH2-，或 或 Rf＝-(CF2)k-，或-CF2O[(CF2CF2O)m(CF2O)n]CF2-，或-CF(CF3)O(CF2)4O[CF(CF3)CF2O]pCF(CF3)-其中k、m、n和p为整数由这些材料制造的波导在1550nm下的传输损耗低达0.17dB/cm。很容易通过选择使得这些材料的玻璃化转变温度(Tg)低于热光学器件的操作温度。光栅辅助测试法表明，如果所用的材料是低Tg材料，那么它所具有的双折射就可以忽略不计，而且其折射率的温度导数值也很高，从而能够制造出低功耗的热光学器件，比如光学开关和可调谐光栅。
有用的氟化(甲基)丙烯酸酯包括，比如四丙烯酸酯F60TA，它是由多元醇FluorolinkT制得的，后者由Ausimont市售，反应过程如下 其它多官能丙烯酸酯包括荷兰阿克佐公司(Akzo Chemical B.V.of Amersfoort Netherlands)的C6DIACRYCH2＝CHCO2CH2(CF)4CH2O2CCH＝CH2明尼苏达州的3M公司(3M Company of Saint Paul，Minnesota)的L-12043CH2＝CHCO2CH2CF(CF3)O(CF2)4O[CF(CF3)CF2O]pCF(CF3)CH2O2CCH＝CH2明尼苏达州的3M公司(3M Company of Saint Paul，Minnesota)的L-9367CH2＝CHCO2CH2(CF2CF2O)m(CF2O)nCF2CH2O2CCH＝CH2虽然缓冲体、下包覆体层、上包覆体和芯体均可由结构类似的组合物构成，但为了使缓冲体、下包覆体和上包覆体各自具有比芯体折射率低的折射率，因此针对任何具体的应用，它们必须具有不同的化学组成。比如，缓冲体层组合物可具有与各包覆体层类似的Tg性能，但其组成不一定相同。通过选择可光聚合材料和加工条件，使已聚合缓冲体的Tg为约60℃或更低，一般为约40℃或更低，并且宜为约25℃或更低。
本发明的特征在于，制造波导芯体时采用了可光聚合化合物，由它所制造的芯体在聚合反应之后的玻璃化转变温度为约80℃或更低，一般为约50℃或更低。本发明的特征在于，制造波导包覆体层时采用了可光聚合化合物，由它所制造的包覆体层在聚合反应之后的玻璃化转变温度为约60℃或更低，宜为约40℃或更低，并且更多时候为约25℃或更低。通过表征和选择可聚合组分，本领域熟练人员很容易就能获得特定的Tg。这取决于许多因素，比如分子量、不饱和点的数目以及可聚合组分的交联密度。某一聚合组分本身可能就会具有所需的Tg，或者将具有所需Tg的可聚合单体、低聚物和/或聚合物的混合物共混在一起，以此来调整聚合组分。通过改变曝光时间和聚合反应温度，也可以控制Tg。
可光聚合化合物在各个总体可光聚合组合物中的含量是在经由足够的光化辐射曝光时足以发生光聚合反应的量。可光聚合化合物在组合物中的含量可在很宽的范围内变化，而且可以采用制造某些可光聚合组合物时常用的用量，该可光聚合组合物可用于制备透光器件的透光元件所用的光敏聚合物。可光聚合化合物的用量一般占组合物的约35～约99.9重量％。可光聚合化合物在总体组合物中的含量为约80～约99.5重量％，宜为约95～约99.5重量％，基于总体组合物的重量。
每个光敏组合物进一步包括至少一种生成自由基的光引发剂，该引发剂可通过光解反应而生成自由基。光引发剂一般是生成自由基的加成型聚合反应引发剂，它可被光化光线活化而且在接近室温时(比如约20℃～约80℃)是不具有热活性的。已知可使丙烯酸酯发生光聚合反应的任何光引发剂都可以采用。光引发剂包括但不限于，喹喔啉化合物；连位聚酮醛基化合物；α-羰基化合物；偶姻醚；三芳基咪唑基二聚体；α-烃取代芳香族偶姻；多核醌；和s-三嗪。
适宜的光引发剂包括，芳香族酮类比如二苯酮、丙烯酸化二苯酮、2-乙基蒽醌、菲醌、2-叔丁基蒽醌、1，2-苯并蒽醌、2，3-苯并蒽醌、2，3-二氯萘醌、苄基二甲基缩酮和其它芳香族酮，比如苯偶姻、苯偶姻醚比如苯偶姻甲醚、苯偶姻乙醚、苯偶姻异丁基醚和苯偶姻苯基醚、甲基苯偶姻、乙基苯偶姻和其它苯偶姻。有用的光引发剂是1-羟基环己基苯基酮(Irgacure184)、苯偶姻、苯偶姻乙醚、苯偶姻异丙基醚、二苯酮、苄基二甲基缩酮(Irgacure651)、2，2-二乙氧基苯乙酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基丙-1-酮(Darocur1173)、1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-2-羟基-2-甲基丙-1-酮(Darocur2959)、2-甲基-1-[(4-甲基硫代)苯基]-2-吗啉代丙-1-酮(Irgacure907)、2-苄基-2-二甲基氨基-1-(4-吗啉代苯基)-丁-1-酮(Irgacure369)、聚{1-[4-(1-甲基乙烯基)苯基]-2-羟基-2-甲基-丙-1-酮}(EsacureKIP)、Great Lake Fine Chemicals Limited of London，England的[4-(4-甲基苯基硫代)苯基]苯基甲酮(QuantacureBMS)，以及二campherquinone。最希望的光引发剂是辐照时不容易泛黄的那类光引发剂。这类光引发剂包括苄基二甲基缩酮(Irgacure651)、E.Merckof Darmstadt，Germany的2-羟基-2-甲基-1-苯基丙-1-酮(Darocur1173)、1-羟基环己基苯基酮(Irgacure184)和1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-2-羟基-2-甲基-丙-1-酮(Darocur2959)。FluorolinkT与C6DIACRYL的混溶性非常好，因此可用常规光引发剂进行UV固化。对于氟化程度较高的多官能丙烯酸酯，比如3M的L-12043和L-9367材料，可以采用氟化光引发剂。
生成自由基的光引发剂在各个可光聚合组合物中的含量是在经由足够的光化辐射曝光时足以使可光聚合化合物发生光聚合反应的量。光引发剂的含量一般占总体组合物的约0.01～约10重量％，或者更多时候是约0.1～约6重量％，并且宜为约0.5～约4重量％，基于组合物的总重量。
也可以向光敏组合物中添加其它添加剂，这取决于光敏组合物的目的和最终用途。这些添加剂的实例包括溶剂、抗氧剂、光稳定剂、体积膨胀剂，填料比如二氧化硅、二氧化钛、玻璃球等(特别是纳米级填料，其粒度小于约100nm)，染料、自由基清除剂、对比度增强剂、硝酮和UV吸收剂。抗氧剂包括这类化合物，比如酚类，而且尤其是位阻酚，包括Ciba-Geigy Corporation of Tarrytown New York的Irganox1010；硫化物；有机硼化合物；有机磷化合物；Ciba-Geigy的N，N′-亚己基双(3，5-二叔丁基-4-羟基氢化肉桂酰胺)，商品名为Irganox1098。光稳定剂，更具体而言是位阻胺型光稳定剂，包括但不限于，Cytec Industries of Wilmington，Delaware的聚[(6-吗啉代-s-三嗪-2，4-二基)[(2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基)亚氨基]-亚己基[(2，2，6，6-四甲基-4-哌啶基)亚氨基]]，商品名为CyasorbUV-3346。体积膨胀剂化合物包括这类化合物，比如称为Bailey单体的螺旋单体(spiral monomer)。染料的实例包括亚甲基绿、亚甲基蓝等。适宜的自由基清除剂包括氧、位阻胺型光稳定剂、位阻酚、2，2，6，6-四甲基-1-哌啶氧基自由基(TEMPO)等。适宜的对比度增强剂包括其它自由基清除剂，比如硝酮。UV吸收剂包括苯并三唑、羟基二苯基酮等。这些添加剂的含量为约0～约6重量％，一般是约0.1～约1重量％，基于组合物的总重量。一般将总体组合物中的所有组分彼此混合在一起，而且最希望它们能够形成基本上均匀的混合物。
当第一光敏组合物在基底2上形成了一层或薄或厚的膜之后，将光化辐射照射在膜上，以便在芯体层上绘制图案。就是说，芯体8的位置和尺寸是由芯体层表面上的光化辐射图案决定的。选择辐射图案时，必须使可光聚合组合物能按照所需的图案发生聚合反应，并使膜的其它区域保持不发生反应。本发明的光敏聚合物可按常规方式进行制备，方法是使可光聚合组合物在所需波长和强度的光化辐射下曝露所需的一段时间。本文所用的“光化辐射”指的是光谱可见、紫外或红外区域中的光，以及电子束、离子或中子束或者X射线辐射。光化辐射可以是非相干光或相关光的形式，比如激光器所产生的光。光化辐射源以及曝光程序、时间、波长和强度可在很宽的范围内变化，这取决于所需的聚合反应程度、光敏聚合物的折射率以及本领域熟练人员已知的其它因素。这类常规光聚合反应方法及其操作参数在现有技术中是已知的。
光化辐射源和辐射波长可以在很宽的范围内变化，而且可以采用任何常规的波长和光源。一般都利用波长相对较短(或能量较高)的辐射来进行光化学激发，从而在曝露于加工之前经常碰到的辐射(比如室内光线)时不会使可聚合材料过早地发生聚合反应。因此，紫外线(300-400nm波长)曝光是适宜的。远紫外(190-300nm波长)曝光也是有用的。常规光源是装有适当滤光镜的高压氙或氙汞电弧灯，滤光镜的作用是选择所需的加工波长。在实施本发明时，短波长相干辐射也是有用的。也希望采用在接近350nm的多个波长下按UV模式操作的氩离子激光器。非常希望采用输出波长接近257nm的倍频氩离子激光器(frequency-doubled Argon ion laser)。或者，可采用由高强度光化辐射源比如激光器激发的多光子方法进行加工。也可以利用电子束固化法来固化前述氟化单体，而不采用光引发剂。可以采用电子束或离子束激发法。曝光时间一般在几秒至约10min内变化。温度一般为约10℃～约60℃，但希望是室温。另外，可以采用过氧化物或其它热引发剂通过热固化方式来固化这些材料。
可利用常规方法来控制光化辐射的空间分布，即，光化辐射照射到可光聚合材料层的哪一位置上。比如在常规方法中，将载有所需芯体图案的光掩膜放在光化辐射源和可光聚合组合物膜之间。该光掩膜有透明和不透明区域，从而使辐射仅照射在膜表面的所需区域之上。薄膜的掩膜曝光法在现有技术中是已知的，并且包括将芯体图案印制在膜上的接触技术、近贴技术和投影技术。控制空间分布的另一常规方法是采用包含导引或聚焦光束比如激光或电子束的光化辐射源。这类光束仅与可光聚合材料膜表面的一小块区域交迭。通过在空间中扫描光束使得这一小决交迭点在膜表面上四处移动，或者移动基底使交迭点相对于静止的光束发生变化，由此获得目标芯体的图案。这类采用光束源的曝光方法在现有技术中被称为直接刻写法。对于直接刻写和掩膜曝光制造方法而言，光源的平行校准程度(collimation)可影响波导芯体的精确横截面形状以及芯体侧面上形成的渐变式折射率区域的宽度和程度。根据所需结果的不同，平行校准程度可以在很大的范围内变化。但是在形成波导芯体结构时，一般希望采用平行校准程度相对较高的光源。希望采用角度小于10°的平行校准程度。
在芯体层的可光聚合组合物发生聚合反应而形成芯体层的预定图案之后，显影该图案，以除去非图象区域并保留该预定的图案。可以采用任何的常规显影方法，比如以未辐照组合物的溶剂进行冲洗。这类溶剂包括极性溶剂，比如醇类和酮类。常用的溶剂是丙酮、甲醇、丙醇、四氢呋喃和乙酸乙酯，对于氟化度较高的单体而言，可以采用氟化醚溶剂，比如Ausimont市售的商品GaldenTM。
缓冲体和包覆体层可以不必完全固化，而只是部分聚合。部分聚合指的是聚合反应结束之后还存留有一部分丙烯酸酯基团，即未将所有的丙烯酸酯都转化成饱和烃。这就意味着有数量超过0％的丙烯酸酯基团，一般超过约10％，并且希望超过约25％的丙烯酸酯基团保持未反应。未反应基团数目的上限值常取决于单体的凝胶点，后者又取决于官能度(每个单体上带有的丙烯酸酯基团的数目)。如果官能度为整数f，那么未反应基团的希望的上限值足以产生凝胶作用，而且该值可用关系式(1-1/f)×100％近似表示。举例来讲，对于四丙烯酸酯单体而言，其残留未反应基团的数目小于75％，而对二丙烯酸酯而言，其残留未反应基团的希望的数目小于50％。在施用下一后续层之前使前一层发生部分聚合，这样就能使各层在界面处达到相互混合。这种相互混合的结果是改善了各层之间的粘结性能，并且在某些情况下可用来控制界面处的折射率梯度。
在施用完各层并任选利用表面或体扩散光栅(surface or volumediffraction grating)等在各层上形成图案或印制图案之后，使任何残留下来未发生聚合的丙烯酸酯在光化辐射的全面或总体曝光下发生硬固化，从而使其基本上完全聚合。图7表示的是衍射光栅13。该最终固化步骤的固化剂量(总辐射能量/单位表面)一般为之前制造步骤中部分固化各层时所用的剂量的约10～约500倍。最终固化剂量一般是中间剂量的约100倍。因此，各层在先前的制造步骤之中在界面处相互混合，而且该混合可以按照任何所需的比例进行，从而能够精确调节各层的折射率以及整个器件的折射率，并且通过共价键合作用确保各层之间具有良好的粘结性能。最后，在该最终固化步骤中将所需的结构固定下来，以致不再有新的结构形成。为了制造平面聚合物光波导，必须精确控制芯体和包覆体层的折射率。通过调节特定涂层中所用的单体的结构，就可获得所需的折射率，由此可以实现该目的。实际上，更为简单的办法是将折射率不同的多种混溶性单体混合在一起，从而获得所需的折射率。如果需要的是反射性很强的光栅(gratings)，那么希望在芯体中并任选在包覆体层中采用一种以上的单体。
除了利用所给出的光刻法来制造平面波导以外，也可以利用反应离子刻蚀法、微观复制法、直接激光刻写法或激光烧蚀法制造平面波导。
由于材料具有柔韧性，所以就能够制造出机械强度高的器件。器件即使在非常高或非常低的温度下曝露时，也能避免开裂现象。由于材料之间具有良好的粘结性，所以能够在多种基底上制造出强度高的器件而不会产生脱层现象，即使在某些严酷的环境中比如高温和高湿下也是如此。这些器件制造技术也适用于半导体工业应用，由此使得混合光电子电路的开发成为可能。
本发明波导可以具有任何适宜的横截面形状，比如圆形、多边形、正方形、长方形、梯形和弧形，比如顶面和侧面呈抛物线或高斯曲线形状，而底面是平坦的，本发明波导是以底面接触基底或缓冲体的。本发明特别有用的一个特性是，它可用于热光学(thermo-optic)器件。这些器件的工作原理是，大多数材料的折射率都是温度的函数。相对于大多数无机材料而言，聚合物折射率随温度(dn/dT)的变化值是负的，而且该值很大。具体可预期的器件包括基于光栅的光学开关和可调谐滤波器。一般的做法是，在聚合物叠层的顶表面上安装加热器，即该加热器直接或间接处于包覆体层之上。这种器件一般是在基底上构造的，该基底由导热性比聚合物高的材料构成，比如硅片。向加热器施加能量，由此产生热梯度，使顶部的聚合物层比居下的聚合物层更热。图6表示的是与上包覆体10结合的加热器11。因为dn/dT值是负的，所以聚合物叠层顶部的折射率变得比底部的折射率要小。在具有这种折射率梯度的任何波导中，这种梯度很容易迫使光线朝着基底方向向下传播。在器件比如开关和可调谐光栅中，都不希望光线发生这种向下的位移。开关需要的是横向位移，而光栅则不需要任何位移。本发明波导结构的作用是限制光线向下走行(模式)。实现该目的的诀窍在于，使低折射率缓冲体与波导芯体紧密贴近。缓冲体所施加的影响(只要nc-nb＞1.5*Δn)会克服模式被迫朝基底下行的这一倾向。由于本发明的波导结构经过改良，所以会降低器件-比如开关和波长可调谐光栅-的损耗和极化依赖性。
通过以下非限定性实施例对本发明进行说明。
实施例1清洁硅片，然后以硅烷处理之，为的是提供与丙烯酸酯制剂的粘结性。在经过处理的硅片上旋转涂布一层由前述材料制成的缓冲体材料。然后在氮气气氛下经由光化辐射进行总体曝光，使缓冲体层部分固化。同样，在缓冲体层上旋转涂布下包覆体层，使缓冲体层和下包覆体层小于或等于约15μm厚。然后在氮气保护下再以UV光部分固化该组合体。然后在包覆体层顶上旋转涂布由前述材料制成的芯体材料。经过选择，该材料的折射率比下包覆体层要高。芯体层的厚度取决于波导的所需高度，对于单模波导而言，其厚度一般为5～9μm。然后在氮气保护下经由掩膜在UV光下曝光该芯体材料。调整芯体的曝光剂量，以便获得所需的芯体宽度并且使其与周围的包覆体层达到所需的粘结程度。然后以溶剂显影除去未曝光的材料。上包覆体层所用的材料可以与下包覆体层相同，然后将其涂布在芯体层顶面之上。然后以最终剂量固化该材料，该剂量能穿透至所有的层而使顶层以及居下的各层完全固化。
实施例2将包含25重量％氟化四丙烯酸酯F60TA、75重量％氟化二丙烯酸酯L-9367的混合物与2重量％氟化光引发剂共混在一起，比如美国专利5,391,587所述的氟化光引发剂，以形成均匀的溶液。然后将该溶液旋转涂布(spin coat)在硅基底上，接着以高压汞氙灯在约15mW/cm2的辐照度下固化之，形成10μm厚的缓冲体。该缓冲体的折射率为1.313。将包含99重量％氟化四丙烯酸酯F60TA和1重量％光引发剂Daracure1173的混合物共混在一起，形成均匀的溶液。然后将该溶液涂布在缓冲体上，并且在汞灯下进行固化，形成2μm厚的下包覆体层，其折射率为1.329。将包含92重量％氟化四丙烯酸酯F60TA、7重量％氟化二丙烯酸酯C6DIACRY的混合物与1重量％光引发剂Daracure1173共混在一起，以形成均匀的溶液。然后将该溶液涂布在硅基底上。经由光掩膜在汞灯下对其进行曝光，然后显影之，从而形成6μm厚的芯体，其折射率为1.336。在芯体上施用另一层包覆体组合物，形成12μm厚的芯体上包覆体，其折射率为1.329。
虽然已参照某些实施方案对本发明进行了具体的说明和解释，但本领域熟练人员很明显知道的是，可对本发明做出许多改变和修改方案而不会背离其精神和范围。本发明旨在以权利要求涵盖本文所公开的实施方案、本文以上所讨论的替代性实施方案及其所有的等同方案。
权利要求
1.在基底上制造的单模光波导，该基底形成表面，该单模光波导包含处于基底表面上的聚合物缓冲体层，缓冲体层形成表面而且其折射率为nb；处于缓冲体层表面上的薄的聚合物下包覆体层，下包覆体层形成表面而且其折射率层为nu；处于下包覆体层表面上的透光性单模聚合物芯体图案，芯体形成顶表面和侧壁而且芯体的折射率为nc；以及处于芯体顶表面和芯体侧壁以及一部分下包覆体层上的聚合物上包覆体层，而且其折射率为no；下包覆体层的厚度是芯体厚度的约10％～约50％；其中芯体的折射率nc大于上包覆体层的折射率no，而且也大于下包覆体层的折射率nu；其中Δn＝nc-no，并且其中nc与缓冲体折射率nb之差至少是Δn的约1.5倍，并且其中Δn的值在光学通讯波长处产生单模波导。
2.权利要求1的单模光波导，其中芯体有横截面宽度和横截面高度，并且其中对芯体横截面宽度和横截面高度以及Δn值进行选择，使得波导在大于约1300nm的所有光学通讯波长处都是单模波导。
3.权利要求1的单模光波导，nc与nb之差至少是Δn的约2倍。
4.权利要求1的单模光波导，nc与nb之差至少是Δn的约3倍。
5.权利要求1的单模光波导，其中缓冲体层的厚度至少是约3μm。
6.权利要求1的单模光波导，其中缓冲体层与下包覆体层的厚度小于约15μm。
7.权利要求1的单模光波导，其中Δn的范围是约0.0031～0.079。
8.权利要求1的单模光波导，其中芯体横截面宽度和横截面高度各自的范围是约2μm～约10μm。
9.权利要求1的单模光波导，其中芯体横截面宽度和横截面高度各自的范围是约2μm～约10μm；并且其中横截面宽度不超过横截面高度的2倍，而且横截面高度不超过横截面宽度的2倍。
10.权利要求1的单模光波导，其中芯体横截面宽度和横截面高度各自的范围是约5.5μm～约8μm。
11.权利要求1的单模光波导，其中芯体有横截面宽度和横截面高度，而且其中横截面宽度和横截面高度各自选自以下尺寸约2μm、约4μm、约5μm、约6μm、约7μm、约8μm和约10μm。
12.权利要求1的单模光波导，其中芯体有横截面宽度和横截面高度，而且芯体在横截面宽度和横截面高度上都是单模的。
13.权利要求1的单模光波导，进一步包含芯体侧壁与上包覆体之间的侧面界面区域，该侧面界面区域的折射率为ns。
14.权利要求1的单模光波导，其中芯体形成底面，该单模光波导进一步包含芯体底面与下包覆体层之间的底面界面区域，该底面界面区域的折射率为nf。
15.权利要求1的单模光波导，其中芯体形成底面，该单模光波导进一步包含芯体侧壁与上包覆体之间的侧面界面区域，其中侧面界面区域的折射率为ns，以及芯体底面与下包覆体层之间的底面界面区域，该底面界面区域的折射率为nf。
16.权利要求15的单模光波导，其中ns约等于nf。
17.权利要求1的单模光波导，包含芯体的一对侧壁之一与上包覆体层之间的侧面界面区域，该区域具有渐变式折射率ns，其值从距芯体的一对侧壁中相邻一个侧壁最近的侧面界面区域部位处的约nc降低至距上包覆体最近的侧壁界面区域部位处的约no。
18.权利要求1的单模光波导，其中芯体形成底面，该单模光波导进一步包含芯体底面与下包覆体层之间的底面界面区域，该底面界面区域具有渐变式折射率nf，其值从距芯体底面最近的底面界面区域部位处的约nf降低至距下包覆体层最近的底面界面区域部位处的约nu。
19.权利要求1的单模光波导，其中芯体形成底面，该单模光波导进一步包含芯体的一对侧壁与上包覆体层之间的侧面界面区域，该区域具有渐变式折射率ns，其值从距芯体的一对侧壁中相邻一个侧壁最近的侧面界面区域部位处的约nc降低至距上包覆体层最近的侧壁界面区域部位处的约no；和芯体底面与下包覆体层之间的底面界面区域，该底面界面区域具有渐变式折射率nf，其值从距芯体底面最近的底面界面区域部位处的约nc降低至距下包覆体层最近的底面界面区域部位处的约nu。
20.权利要求19的单模光波导，其中渐变式折射率ns与渐变式折射率nf近似匹配。
21.微型光电子器件，包含权利要求1的单模波导；和位于上包覆体层顶表面上的加热器。
22.微型光电子器件，包含权利要求1的单模波导；和表面浮雕或体积光栅(surface-relief or volume grating)，其图案载至(patterned into)聚合物缓冲体层、下包覆体层、芯体或上包覆体层中的至少一层。
23.在基底上形成单模光波导的方法，该基底形成表面，该方法包括以下步骤在基底表面上沉积聚合物缓冲体层，缓冲体层形成表面而且其折射率为nb；在缓冲体层表面上沉积聚合物下包覆体层，下包覆体层形成表面而且其折射率为nu；在下包覆体层表面上沉积透光性聚合物芯体图案，使下包覆体层的厚度是芯体厚度的约10～约50％，芯体具有顶表面和一对侧壁，而且其折射率为nc；且在芯体顶表面和芯体侧壁上沉积聚合物上包覆体层，该上包覆体的折射率为no；其中芯体的折射率nc大于上包覆体层的折射率no，而且也大于下包覆体层的折射率nu；其中Δn＝nc-no，并且其中nc与缓冲体折射率nb之差至少是Δn的约1.5倍，并且其中Δn值在光学通讯波长处产生单模波导。
24.在基底上形成单模光波导的方法，该基底形成表面，该方法包括以下步骤在基底表面上沉积聚合物缓冲体层，缓冲体层形成表面而且其折射率为nb；在缓冲体层表面上沉积聚合物下包覆体层，下包覆体层形成表面而且其折射率为nu；在下包覆体层表面上沉积光敏芯体层，使下包覆体层的厚度是芯体厚度的约10～约50％，光敏芯体层的折射率为nc；在光化辐射下按图象方式曝光该光敏芯体层；并且显影该芯体层，由此除去芯体层的非图象区域并留下芯体层的图象区域，借此在下包覆体层上形成带有图案的透光性芯体并且部分暴露出一部分下包覆体层，该芯体具有顶表面和一对侧壁，且在芯体的顶表面和芯体的一对侧壁以及下包覆体层的暴露部分上沉积聚合物上包覆体层；其中芯体的折射率nc大于上包覆体层的折射率no，而且也大于下包覆体层的折射率nu；其中Δn＝nc-no，而且其中nc与缓冲体折射率nb之差至少是Δn的约1.5倍，并且其中Δn值在光学通讯波长处产生单模波导。
全文摘要
本发明提供了有机光波导器件，它是通过光刻法形成的并且采用了传播损耗低的聚合物材料。光波导具有基底(2)；处于基底表面上的聚合物缓冲体层(4)；处于缓冲体层表面上薄的聚合物下包覆体层(6)；处于下包覆体层表面上的透光性芯体聚合物图案(8)，以及处于芯体顶表面和芯体侧壁上以及一部分下包覆体层上的聚合物上包覆体层(10)，下包覆体层的厚度是芯体厚度的约10％～约50％。芯体的折射率n
文档编号G02B6/12GK1522376SQ02813455
公开日2004年8月18日 申请日期2002年4月4日 优先权日2001年5月1日
发明者K·R·巴特尔, P·M·费尔姆, L·W·沙克莱特, K R 巴特尔, 沙克莱特, 费尔姆 申请人:纳幕尔杜邦公司