[发明专利]光电子器件和光子器件

说明书

发明背景

本发明涉及光学或光子元器件，更具体为涉及由聚合物形成的光电子器件。

已知集成的光学器件(即，波导管、开关、连接线等)是由聚合物材料制造的，该聚合物材料的玻璃化转变温度(Tg)比器件的操作温度范围高得多。玻璃化转变温度是聚合物主链发生明显的局部运动的温度范围。Tg通常被定义为大约10个主链单位的协同运动，或粘度为10¹⁴泊，或热容的二级相变。体积随温度而变化的速率的斜率发生变化的温度被认为是玻璃化温度，或软化点。对图1和图2所说明的粘弹性和特性的详细描述见G.B.McKenna，第10章，综合聚合物科学(Comprehensive Polymer Science)，第2卷，由C.Booth和C.Price，编写，Permagon Press，Oxford(1989)。

当交联键之间的分子量足以允许主链单元的协同运动时，交联的物质显示玻璃化转变。因此，交联度低的物质会表现出玻璃化转变；而交联度高的物质则不会。

在Tg以下，由于有限量的链段运动，聚合物质达不到平衡。热力学(熵)效应仍然使变化趋于平衡，但如果温度远远低于Tg，变化将以在所感兴趣的时间范围内(本案中指观察期)看不到实验表现的缓慢速率发生。

过去之所以选择具有高Tg的材料有几方面的原因，包括与电子加工和包装的兼容性，维持加入到材料中的生色团的取向以及环境和性能的稳定。使用高Tg材料(具有高于成套器件中的材料的操作温度的Tg材料)保证器件在聚合物片段的局部运动受到明显限制的区域工作并且材料在玻璃态使用。在最早开发的用于光电子器件的聚合物膜中，据认为使用高Tg材料是必需的。“例如，许多早期研究的EO聚合物，不论是客体-主体型还是侧链型，均以热塑性丙烯酸酯化学为基础并且玻璃化转变温度为100-150℃。这一低Tg导致聚合物链的高扩散速率以及在环境温度下运转5年至少10％偏振状态光学性质的改变。这么快速的变化是动态过程的自然结果，通过该动态过程，玻璃态聚合物在接近Tg下运转，发生物理老化和松弛从而降低了应力并减少了自由体积。当研究更高的操作温度(125℃)时，光学性质的稳定性变得更差。”(摘自R.Lytel等人的评论论文，用于光波和集成光学器件的聚合物(Polymers for Lightwave and IntegratedOptics)，L.A.Hornak编著，Marcel Dekker 1992，460页)。

为集成光电子设备所开发的高玻璃化转变温度材料包括由Hoechst，杜邦(DuPont)，阿莫科(Amoco)及其他公司开发的聚酰亚胺材料(玻璃化转变范围为250℃至适当高于350℃)以及由日立化学(Hitachi Chemical)开发的聚喹啉(Tg高于250℃)。指导研究者的假设是：“此类波导管的优先性质是具有高度的热稳定性以与高性能的电子器件构造兼容。氟化的聚酰亚胺具有高于335℃的高玻璃化转变温度，并且对包括焊接(约270℃)在内的集成电路加工过程具有热稳定性。(T.Matsuura等人，Elect.Lett.29 2107-2108(1993))。

对用于热-光转换开关的聚合物的要求由R.Moosburger等人报道(Proc.21^st Eur.Conf.On Opt.Comm.(ECOC95-Brussels)1063-1066页)。“由于其固有的低光损失，在高于350℃下热稳定，低吸湿性以及优良的平面化性能，选择用可购买到的高温(Tg＞350℃)稳定的聚合物CYCLOTENE^TM....CYCLOTENE^TM制造在1.3μm波长下的低损失开关。”

对被动式光学互连聚合物的要求由DuPont为其Polyguide^TM材料体系在R.T.Chen等人的SPIE Vol.3005(1997)238-251页中报道，“高Tg和低热膨胀系数(CTE)聚合物通过其完全控制Poluguide^TM的结构性质而提供热-力学和环境稳定性以及性能的稳定。”DuPont使用乙酸丁酸纤维素(CAB)材料，如美国专利5,292,620和5,098,804的描述。