Способ изготовления интегрального планарного полимерного волновода

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИНТЕГРАЛЬНОГО ПЛАНАРНОГО ПОЛИМЕРНОГО ВОЛНОВОДА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Есман Александр Константинович Кулешов Владимир Константинович Гончаренко Игорь Андреевич Поликанин Александр Михайлович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И. Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Способ изготовления интегрального планарного полимерного волновода, включающий нанесение на подложку легированного светочувствительного слоя, нанесение на светочувствительный слой волноводного слоя, изготовление планарной волноводной структуры с использованием фотолитографического формирования фоторезистивной маски с последующим реактивным ионным травлением, отличающийся тем, что светочувствительный слой выполняют из полимерной композиции с красителем и фотоинициатором,формируют в объеме светочувствительного слоя голографическую отражательную трехмерную решетку с плоскостями пучностей, расположенными под угломк поверхности подложки, причем уголвыбирают в соответствии с углом ввода излучения , обеспечивающим полное внутреннее отражение на границе волноводного слоя из условия где 0 - показатель преломления окружающей среды- показатель преломления волноводного слоя. 10220 1 2008.02.28 Изобретение относится к области интегральной оптики и может использоваться при производстве современных планарных интегрально-оптических схем. Известен способ изготовления интегрального планарного волновода 1, состоящий из операций нанесения на кремниевую подложку изоляционного слоя (2) с показателем преломления 1,46, нанесения на изоляционный слой волноводного слояс показателем преломления 1,495, изготовления планарной волноводной структуры с использованием фотолитографического формирования фоторезистивной маски с последующим реактивным ионным травлением. Описанный способ формирует волноводы, в которых имеются существенные потери на распространение света при переходе от прямой части интегрального волновода к изогнутой (из-за изменения угла падения), что не позволяет их использовать в интегральных оптоэлектронных схемах, сенсорных устройствах и т.д. Наиболее близким по технической сущности является способ изготовления интегрального планарного полимерного оптического волновода 2, состоящий из операций нанесения на подложку первого легированного слоя, содержащего молекулы, понижающие показатель преломления (фториды), нанесения на первый легированный слой волноводного слоя, изготовления планарной волноводной структуры с использованием фотолитографического формирования фоторезистивной маски с последующим реактивным ионным травлением, нанесения на планарную волноводную структуру второго легированного слоя, содержащего молекулы, понижающие показатель преломления, легирования волноводной структуры молекулами, понижающими коэффициент преломления из первого и второго легированных слоев (за счет термической обработки). Данный способ формирует интегральные планарные полимерные волноводы, в которых потери на распространение света несколько меньше на переходе от прямой части интегрального волновода к изогнутой (из-за изменения угла падения), но недостаточны для эффективного их использования в интегральных оптоэлектронных схемах, т.е. размеры радиуса кривизны (миллиметровые) еще не отвечают требованиям современных интегральных схем. Техническая задача - снижение потерь света на переходе от прямой части волновода к изогнутой за счет оптимизации технологии, что позволяет использовать их в интегральных схемах. Поставленная техническая задача решается тем, что по известному способу изготовления интегральных планарных полимерных волноводов, включающему нанесение на подложку легированного светочувствительного слоя, нанесение на светочувствительный слой волноводного слоя, изготовление планарной волноводной структуры с использованием фотолитографического формирования фоторезистивной маски с последующим реактивным ионным травлением, светочувствительный слой выполняют из полимерной композиции с красителем и фотоинициатором, формируют в объеме светочувствительного слоя голографическую отражательную трехмерную решетку с плоскостями пучностей,расположенными под угломк поверхности подложки, причем уголвыбирают в соответствии с углом ввода излучения , обеспечивающим полное внутреннее отражение на границе волноводного слоя, из условия где 0 - показатель преломления окружающей среды, - показатель преломления волноводного слоя. Совокупность указанных признаков позволяет уменьшить потери на распространение света в интегральных планарных полимерных волноводах не только на переходе от прямой части к изогнутой, где составляющая потерь максимальна, но и на прямой части волновода. Низкий уровень потерь таких волноводов позволяет использовать их в современных интегральных оптоэлектронных схемах. 2 10220 1 2008.02.28 Сущность изобретения поясняется фиг. 1, на которой приведена структура интегрального планарного полимерного волновода, где 1 - подложка, 2 - трехмерная голографическая решетка, 3 - волновод. На фиг. 2 приведена зависимость угловрасположения плоскостей пучностей в трехмерной голографической решетке относительно поверхности подложки, которые обеспечивают входную апертуруволновода в диапазоне 0 кр.,от величины угла ввода излучения . До тех пор, пока угол вводаменьше кр., луч света будет испытывать полное внутреннее отражение на границе волноводного слоя. Для реализации способа на подложку наносят светочувствительный слой из полимерной композиции с красителем и фотоинициатором, чувствительным к длине волны экспонирующего света , выполняют в объеме светочувствительного слоя голографическую трехмерную решетку с плоскостями пучностей, расположенными под угломк поверхности подложки, при этом уголвыбирают в соответствии с углом ввода излучения , обеспечивающим полное внутреннее отражение на границе волноводного слоя из условия где 0 - показатель преломления окружающей среды,- показатель преломления волноводного слоя, на светочувствительный слой с голографической трехмерной решеткой наносят волноводный слой, изготавливают планарную волноводную структуру с использованием фотолитографического формирования фоторезистивной маски с последующим травлением. В конкретном исполнении подложка 1 - это пластина кристаллического кварца светочувствительный слой с голографической трехмерной решеткой 2 - это поливиниловый спирт толщиной 510 мкм, сенсибилизированный к излучению лазера красителем ксиленолом оранжевым, показатель преломления которого равен 1,51 волновод 3 изготовлен химическим травлением из оксида цинка с показателем преломления 1,99 и толщиной 13 мкм. Способ изготовления интегральных планарных полимерных волноводов осуществляется следующим образом Методом полива формируют на подложке светочувствительный слой полимерной композиции с красителем и фотоинициатором. В качестве полимера использовали водорастворимый синтетический полимер - поливиниловый спирт (ПВС). В нашем конкретном случае использовали 5-10 водные растворы ПВС. Для приготовления светочувствительной эмульсии в раствор ПВС вводили краситель - ксиленоловый оранжевый (ХО),индикатор (орто-крезолфталексон , чистый для анализа) и фотоинициатор - хлорид железапри мольном соотношении ХО 3 от 0,071 до 11. Эту эмульсию перемешивали и наносили на подложку. Полученный слой сушили в течение 4 часов в строго горизонтальном положении при 298 К в потоке воздуха. Толщина высушенного слоя составляла 10-15 мкм. В полученном слое излучением гелий-кадмиевого лазера (длина волны излучения 441,6 нм) формировали объемную отражательную голограмму с плоскостями пучностей, расположенными под углом 5 к поверхности подложки, при этом уголвыбирали в соответствии с углом ввода излучения 50 в волноводный слой из условия (1). Методом вакуумного магнетронного распыления формировали на поверхности светочувствительного слоя волноводный слой оксида цинка с показателем преломления,равным 1,94. Центрифугированием наносили слой негативного фоторезиста. Затем через фотошаблон волновода, имеющего закругление с радиусом, удовлетворяющим интегральным технологиям, засвечивали фоторезистивный слой. После этого проявлением фоторезиста убирали засвеченные участки фоторезистивного слоя. Затем химическим травлением 5 раствором НС 1 стравливали волноводный слой на участках с убранным фоторезистивным слоем и смывали оставшийся под фотошаблоном фоторезист раствором КОН. 3 10220 1 2008.02.28 Источники информации 1. Гончаров А.А., Кузьмин С.В., Светлов В.В. и др. Оптический спектральный переключатель на основе интегрально-оптического демультиплексора для волоконных систем связи // Спецвыпуск Фотон - Экспресс - наука. - 2005. -6. - С. 27-31. 2. Патент США. 6836608. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 4