SU-8聚合物之倒置脊狀光波導耦合器與分光器的模擬和實作研究

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研究生：	賴冠宏 Lai, Kung-Hung
論文名稱：	SU-8聚合物之倒置脊狀光波導耦合器與分光器的模擬和實作研究 Simulation and Fabrication of SU-8 Polymer Based Inverted Rib Waveguide Coupler and Beam Splitter
指導教授：	王立康 Wang, Li-Karn
口試委員:	施敏雄 Shr, Min-Shiung 李明昌 Li, Ming-Chang
學位類別：	碩士 Master
系所名稱：	電機資訊學院 - 光電工程研究所 Institute of Photonics Technologies
論文出版年：	2012
畢業學年度：	100
語文別：	中文
論文頁數：	58
中文關鍵詞：	倒置脊狀光波導耦合器、一分十六MMI分光器
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積體光學元件隨著製程技術的精進日益蓬勃發展。以矽為基板的元件更被廣泛的研究。被動元件如：光纖耦合器、分光器、放大器、…等，因近年光通訊崛起而被重視。本論文先在矽基板上沉積二氧化矽，並於其上做出兩個元件。第一個元件為倒置脊狀光波導耦合器，作法是先在二氧化矽中蝕刻出錐形凹槽，並結合聚合物SU-8進行微影製程，製作出倒置脊狀光波導耦合器以減少光打入第二個元件的耦合損失。第二個元件是利用多模干涉MMI(Multi Mode Interference)的原理，製作1 16 MMI分光器。
實作上先在矽基板上沉積一層二氧化矽，當下披覆層。接著利用黃光微影製程和乾蝕刻在二氧化矽吃出一個錐形凹槽，之後旋塗聚合物SU-8，再做一次黃光微影製程，將倒置脊狀光波導耦合器和1 16 MMI分光器結構一次成型，之後蓋上矽膠當上披覆層完成元件。

目錄
致謝    I
摘要    II
目錄    III
圖目錄    V
表目錄    VIII
第一章 序論    1
    1-1研究背景    1
    1-2研究動機    2
    1-3論文架構    3
第二章 理論與原理    4
2-1多模干涉原理    4
2-1-1自我成像原理    4
2-1-2多模波導    4
2-1-3傳播常數    4
2-1-4導播模態傳播分析    6
2-1-5一般干涉    8
2-1-6 限制干涉    9
  2-2彎曲波導與耦合損耗    12
  2-3 SU-8聚合物特色介紹    14
    .2-4 製程原理介紹    15
       2-4-1 化學氣相沉積(CVD)介紹    15
       2-4-2 微影製程介紹    17
       2-4-3 金屬濺鍍製程    22
       2-4-4 電漿乾式蝕刻製程    23

第三章  模擬與分析    25
  3-1通道波導結構分析    25
  3-2光纖與倒置錐形波導耦合器之設計與模擬    26
  3-3 1 16 MMI BEAM SPLITTER設計與模擬    31
    .3-4模擬結果討論    37
第四章  製程與量測    40
  4-1 二氧化矽錐形凹槽製作    40
  4-2 SU-8聚合物波導製作    43
    .4-3 元件量測    50
第五章  結論    52
第六章  參考文獻    54



圖目錄
圖2-1 左圖為多模波導側向折射率分布，右圖為波導俯視圖    5
圖2-2 多模波導內前九個模態    5
圖2-3 一般多模波導之干涉激發形式    9
圖2-4 對稱干涉下(a)單一輸入單一輸出之多模波導    11
圖2-4 對稱干涉下(b)單一輸入四個輸出之多模波導    11
圖2-5 彎曲波導所造成的損耗圖    12
圖2-6 圓柱座標下的彎曲波導幾何形狀    13
圖2-7 等效為直角座標系統之折射率分布    13
圖2-8 折射變化與模態場形    13
圖2-9 長直波導與彎曲波導接縫處錯位    14
圖2-10 沉積製程示意圖    16
圖2-11  PECVD反應示意圖    17
圖2-12 微影製程的流程圖    18
圖2-13 正光阻、負光阻    21
圖2-14 直流濺鍍系統示意圖    23
圖2-15 電漿蝕刻流程    24
圖3-1 折射率分布圖    25
圖3-2 Single mode場圖    26
圖3-3 雙層錐形波導結構    27
圖3-4 波導橫截面圖    27
圖3-5 L1效率作圖    28
圖3-6 L2效率作圖    29
圖3-7 錐形波導耦合器模態變化圖    30
圖3-8 一分十六MMI分光器結構圖    32
圖3-9 最左側彎曲波導效率對長度作圖    32
圖3-10 第一個彎曲波導效率對長度作圖    33
圖3-11 第二到第四個彎曲波導效率對長度作圖    33
圖3-12 MMI 場圖    34
圖3-13(a) gap=3.5  TE Mode效率圖    36
圖3-13(b) gap=3.5  TM Mode效率圖    36
圖3-14 元件俯視圖    37
圖3-15(a) 1 16 MMI TE Mode分光效率    39
圖3-15(b) 1 16 MMI TM Mode分光效率    39
圖4-1 沉積 當下披覆層    40
圖4-2 濺鍍鉻當金屬遮罩層    40
圖4-3 (a) 塗布光阻    41
圖4-3 (b) 曝光顯影後形成圖形    41
圖4-4 濕蝕刻金屬遮罩層鉻     41
圖4-5 去除光阻PR    41
圖4-6  RIE蝕刻下披覆層    41
圖4-7 去除金屬遮罩層鉻     41
圖4-8 SU-8 2002 旋塗轉速對應光阻厚度圖    42
圖4-9 旋塗SU-8光阻    43
圖4-10 曝光顯影後形成圖形    43
圖4-11 蓋上矽膠    43
圖4-12二氧化矽凹槽俯視圖    44
圖4-13 尖端凹槽俯視圖    44
圖4-14 前端脊狀光波導耦合器橫截面圖    45
圖4-15 前端錐形波導俯視圖    45
圖4-16一分十六MMI分光器前端左側圖    46
圖4-17 一分十六MMI分光器前端俯視圖    47
圖4-18 一分十六MMI分光器前端右側圖    47
圖4-19 一分十六MMI分光器左邊俯視圖    48
圖4-20一分十六分光器後段彎曲波導橫截面圖    48
圖4-21 量測平台    49

表目錄
表2-1 干涉機制總整理    11
表3-1 固定L2=1500  不同長度的L1效率比較    28
表3-2 固定L1=800  不同長度的L2效率比較    29
表3-3 不同gap寬度對應不同的效率表    34
表3-4 1 16MMI beam splitter 分光效率    35
表3-5 分光器和全部結構損失比較    37
表3-6 整個元件效率    38
表4-1 分光量測數據表    50

                                

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