TWI644135B - Optical demultiplexing device and method of manufacturing same - Google Patents

Abstract

本發明揭露一種光學分波裝置，主要由一波導單元與一反射單元所組成。該波導單元係具有一第一基板、一輸入單元、一光柵以及一第二基板。該輸入單元形成於該第一基板上，並具有一狹縫以接收一光學訊號；該光柵形成於該第一基板上，可對該光學訊號分波後產生一輸出光束；該第二基板係配置於該輸入單元與該光柵上，其與該第一基板之間形成一波導空間。該反射單元則配置於該波導單元外部，用以改變該輸出光束的出射角度。

Description

光學分波裝置及其製造方法

本發明係有關於一種光學分波裝置及其製造方法，尤指一種縮小體積與提升分光精確度光學分波裝置及其製造方法。

傳統的光譜儀通常是採用稜鏡、光柵或干涉元件等分光器以實現色散效果，但必須在整體體積與光譜解析能力之間互相妥協。因此，傳統的高解析度光譜儀因為其光學系統龐大、複雜而較為昂貴。

為求縮小光譜儀之體積，LIGA(Lithography,Electroplating,and Molding)，乃一種結合微影、電鍍以及製模的微製造程序，可令微結構於製造時具有高精確度，並令微結構的高度可達到數百甚至數千微米的厚度。由於光柵結構具有小間距的原因，故LIGA(Lithography,Electroplating,and Molding)的脫模過程良率與分光精確度是不足以滿足製造垂直光柵的。

因此，如何實現可縮小體積與提升分光精確度之光學分波裝置，實為一具有意義的思考方向。

本發明的目的之一在於揭露一光學分波裝置及其製造方法，用以達到縮小體積與提升分光精確度之目的。

根據本發明一實施例所揭露一種光學分波裝置，主要由一波導單元與一反射單元所組成，其中，該波導單元包含：一第一基板；一輸入單元，係形成於該第一基板上，並具有一狹縫，用以接收一光學訊號；一光柵，係形成於該第一基板上，可對該光學訊號分波後產生一輸出光束；以及一第二基板，係配置於該輸入單元與該光柵上，其與該第一基板之間形成一波導空間；其中，該輸入單元以及該光柵係利用高能量光源對一光阻層進行曝光所形成；其中，該反射單元則配置於該波導單元外部，用以改變該輸出光束的出射角度。

如上所述的光學分波裝置，其中該光柵具有凹面、凸面或平面的輪廓，且其表面呈現連續薄片態樣、鋸齒態樣、火焰態樣、正弦曲線態樣或上述之組合態樣。

如上所述的光學分波裝置，其中該第一基板與該第二基板係為半導體基板、玻璃基板、金屬基板或塑膠基板中之任一者。

如上所述的光學分波裝置，其中該高能量光源係為X光、軟X光或超紫外光中之任一者。

根據本發明另一實施例，揭露一種光學分波裝置製造方法，該方法包含下列步驟：提供一第一基板；於該第一基板上形成一光阻層；利用一高能量光源對該光阻層進行曝光，且該 高能量光源之波長範圍介於係0.01奈米至100奈米之間；對該光阻層顯影，以形成一具有一狹縫之輸入單元與一光柵；將一第二基板覆蓋於該輸入單元與該光柵上，以形成一波導單元；以及將一反射單元配置於該波導單元外部。

如上所述的光學分波裝置製造方法，其中該光阻層的厚度介於10微米至1000微米之間。

如上所述的光學分波裝置製造方法，其中該高能量光源光罩包含一第三基板、一形成於該第三基板上之金屬層、複數形成於該金屬層上方之金屬圖樣以及一形成於該第三基板底面之矽層。

如上所述的光學分波裝置製造方法，其中該高能量光源光罩之該第三基板材質為氮化矽(Si3N4)或碳化矽(SiC)，且該第三基板之厚度介於1微米至5微米之間。

如上所述的光學分波裝置製造方法，其中該金屬層係為一厚度介於10奈米至200奈米之間的鈦層，且該複數金屬圖樣均為一厚度介於1微米至10微米之間的金圖樣。

如上所述的光學分波裝置製造方法，更包含於該第一基板、該第二基板、該輸入單元與該光柵表面鍍上一高反射鍍層的步驟。

10‧‧‧光學分波裝置

11‧‧‧波導單元

111‧‧‧第一基板

112‧‧‧輸入單元

113‧‧‧光柵

114‧‧‧狹縫

115‧‧‧光阻層

116‧‧‧高反射鍍層

117‧‧‧第二基板

12‧‧‧反射單元

13‧‧‧外殼體

14‧‧‧蓋板

141‧‧‧開口

15‧‧‧電路載板

151‧‧‧影像感測器

16‧‧‧光輸入單元

20‧‧‧高能量光源光罩

201‧‧‧第三基板

202‧‧‧矽層

203‧‧‧矽層

204‧‧‧金屬層

30‧‧‧高能量光源

第1(a)圖係為本發明光學分波裝置之透視圖。

第1(b)圖係為本發明光學分波裝置之***圖。

第1(c)圖係為本發明光學分波裝置之外觀示意圖。

第2到7圖係為本發明光學分波裝置之製造過程示意圖。

在說明書及後續的申請專利範圍當中使用了某些詞彙來指稱特定的元件。所屬領域中具有通常知識者應可理解，硬體製造商可能會用不同的名詞來稱呼同一個元件。本說明書及後續的申請專利範圍並不以名稱的差異來作為區分元件的方式，而是以元件在功能上的差異來作為區分的準則。在通篇說明書及後續的請求項當中所提及的「包含」係為一開放式的用語，故應解釋成「包含但不限定於」。

第1(a)圖係本發明之光學分波裝置之透視圖，如圖所示：本發明之光學分波裝置10主要由一波導單元11與一反射單元12所組成。該波導單元係具有一第一基板111、一輸入單元112、一光柵113以及一第二基板(示於第1(b)圖)。該輸入單元112成於該第一基板111上，並可經由該狹縫114接收一光學訊號，且該狹縫114的寬度介於5微米(μm)至500微米之間。該光柵113形成於該第一基板111上，可根據該光學訊號產生輸出之一第一光束(散焦聚焦光束)，即為進行分光，並將其射入配置於波導單元11外部之反射單元12。該光柵113具有凹面、凸面或平面的輪廓，且其表面呈現連續薄片態樣、鋸齒態樣、火焰態樣、正弦曲線態樣或上述之組合態樣。一般來說，光柵113係用來增加特定繞射層級的繞射效率，最適當的光學訊號波長大約介於200 奈米(nm)至2000奈米之間。該反射單元12係用以輸出來自該光柵113的該第一光束(散焦聚焦光束)，並可改變該第一光束的出射角度。

影像感測器151(圖示如第1(b))則用以接收來自於該反射單元12的該第一光束，以進行後續處理。其中該第二基板117係覆蓋於該輸入單元112以及該光柵113上，因此，該第一基板111與該第二基板117之間的空間即可視為一波導單元11，用以接收與傳送光學訊號。

此外，該輸入單元112與該光柵113係經由一高能量光源對一光阻層曝光而形成的。該高能量光源係為X光、軟X光或超紫外光中之任一者。X光的波長為0.01奈米至1奈米；軟X光的波長為0.1奈米至10奈米；超紫外光的波長則為10奈米至120奈米。該第一基板111與該第二基板117係為半導體基板、玻璃基板、金屬基板或塑膠基板中之任一者。再者，於光學電信以區域光學通訊領域中，會因為表面粗糙度限制的關係，故該高能量光源的波長介於0.1奈米至1奈米會比1奈米至100奈米來的恰當。

於經過高能量光源曝光之後，光柵113表面各鄰接波峰之間的間距大約為3微米，且其表面粗糙度大約為5奈米至10奈米。因此，該光柵113即可適用於光學或電信以區域光學通訊領域之中。

再者，若該反射單元12係已傾斜一角度的方式而一體成 型於該第一基板上時，以現今半導體製程技術來說，該反射單元12之反射面表面就會因為旋轉曝光的關係而過於粗糙，不符合光學系統使用。因此本案實施例將該反射單元12係透過另外的半導體製程製作後再配置於波導單元11外部，以增加分光精確度。

接續上述實施例由於反射單元12係用以改變來自於光柵113的第一光束輸出角度，故影像感測器151就能根據使用者的需求而放置於該光學分波裝置10的任何方向與位置(尤指上方或下方)，以縮小整體的體積。

第1(b)圖與第1(c)圖分別為本發明光學分波裝置之***圖以及外觀示意圖，如圖所示：本發明之光學分波裝置10更包含利用一外殼體13與一蓋板14將該波導單元11與該反射單元12包覆於內的架構，透過外殼體13與蓋板14的保護，可避免波導單元11與該反射單元12直接與外力接觸，確保整體結構的穩固性。當光學訊號透過輸入單元16(通常為光纖纜線)經由狹縫114進入波導單元11內時，即展開分光的流程。

此外，由於反射單元12改變了第一光束的出射角度，故該蓋板14係對應該反射單元12而配置有一開口141，以利該第一光束的輸出。以本發明的實施例來說，該蓋板14上配置有一電路載板15，而影像感測器151則對應開口141的位置而配置於該電路載板15上，用以接收該第一光束，以利後續的分析使用。如此將影像感測器151與本發明之光學分波裝置10結合，更大幅 縮小了整個系統的體積。

第2圖至第7圖為本發明光學分波裝置之製造過程示意圖，如圖所示：為製造光學分波裝置，首先，會提供一第一基板111，並於該第一基板111上形成一厚度為10微米至1000微米的光阻層115。該光學分波裝置10中的部份元件都將透過該光阻層115來形成。該光阻層115的材質為SU-8或PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)。隨後，該光阻層115就會被一高能量光源30(如X光、軟X光或超紫外光等)透過一高能量光源光罩20進行曝光。該高能量光源光罩20包含一第三基板201，其材質為氮化矽(Si3N4)或碳化矽(SiC)，且其厚度介於1微米至5微米之間。該高能量光源光罩20更包含一形成於該第三基板201上且厚度介於10奈米至200奈米之鈦層204(金屬層)、一形成於該鈦層204上之複數金圖樣203(金屬圖樣)以及一形成於該第三基板201底面之矽層202。部份的高能量光源30將被厚度介於1微米至10微米的複數金圖樣203遮蔽，且該高能量光源光罩20上之該金圖樣203會藉由該高能量光源的曝光後，轉移到該光阻層115上。

舉例來說，經過該高能量光源曝光之後，光阻層115上經過該高能量光源曝光的區域就會進行顯影。經過顯影之後，光阻層115上經過曝光的區域就會形成具有狹縫的輸入單元112以及光柵113。此外，為增加輸入單元112與光柵113，可於100℃至200℃的溫度下，對輸入單元112與光柵113進行硬烤。

為加強包含該第一基板111、該輸入單元112與該光柵 113之波導單元11的反射率，故可增加於該第一基板111、該輸入單元112與該光柵113的表面，鍍上一高反射鍍層(金或鋁)116的步驟。

最後，再將該一表面鍍有該高反射鍍層(金或鋁)116的第二基板117覆蓋於該輸入單元112與該光柵113上。因此，於第7圖中，該第一基板111與該第二基板117之間的空間就可視為一波導空間。最後，再將一反射單元12配置於該波導單元11外部，用以改變來自於光柵113的第一光束輸出角度。

另，複數第一連接單元(圖未示)係形成為該第一基板111上，以做為與該第二基板117結合的橋樑。透過該複數第一連接單元(圖未示)的結合，該光學分波裝置的結構穩固性就會因此而增強。

在詳細說明上述本發明的各項較佳實施例之後，熟悉該項技術人士可清楚的瞭解，在不脫離下述申請專利範圍與精神下可進行各種變化與改變，如限位單元的各種實施態樣等等，亦不受限於說明書之實施例的實施方式。

Claims (10)

1. 一種光學分波裝置，包含：一波導單元，具有：一第一基板；一輸入單元，係形成於該第一基板上，並具有一狹縫，用以接收一光學訊號；一光柵，係形成於該第一基板上，可對該光學訊號分波後產生一輸出光束；以及一第二基板，係配置於該輸入單元與該光柵上，其與該第一基板之間形成一波導空間；其中，該輸入單元以及該光柵係利用高能量光源對一光阻層進行曝光所形成，且該高能量光源的波長範圍介於係0.01奈米至100奈米之間；以及一反射單元，係配置於該波導單元外部，用以改變該輸出光束的出射角度。
2. 如申請專利範圍第1項的光學分波裝置，其中該光柵具有凹面、凸面或平面的輪廓，且其表面呈現連續薄片態樣、鋸齒態樣、火焰態樣、正弦曲線態樣或上述之組合態樣。
3. 如申請專利範圍第1項的光學分波裝置，其中該第一基板與該第二基板係為半導體基板、玻璃基板、金屬基板或塑膠基板中之任一者。
4. 如申請專利範圍第1項的光學分波裝置，其中該高能量光源係為X光、軟X光或超紫外光中之任一者。
5. 一種光學分波裝置製造方法，該方法包含下列步驟：提供一第一基板；於該第一基板上形成一光阻層；利用一高能量光源透過一高能量光罩對該光阻層進行曝光，且該高能量光源之波長範圍介於係0.01奈米至100奈米之間；對該光阻層顯影，以形成一具有一狹縫之輸入單元與一光柵；將一第二基板覆蓋於該輸入單元與該光柵上，以形成一波導單元；以及將一反射單元配置於該波導單元外部，用以改變來自於該光柵之一輸出光束的出射角度。
6. 如申請專利範圍第5項的光學分波裝置製造方法，其中該光阻層的厚度介於10微米至1000微米之間。
7. 如申請專利範圍第5項的光學分波裝置製造方法，其中該高能量光源光罩包含一第三基板、一形成於該第三基板上之金屬層、複數形成於該金屬層上方之金屬圖樣以及一形成於該第三基板底面之矽層。
8. 如申請專利範圍第7項的光學分波裝置製造方法，其中該高能量光源光罩之該第三基板材質為氮化矽(Si3N4)或碳化矽(SiC)，且該第三基板之厚度介於1微米至5微米之間。
9. 如申請專利範圍第7項的光學分波裝置製造方法，其中該金屬層係為一厚度介於10奈米至200奈米之間的鈦層，且該複數金屬圖樣均為一厚度介於1微米至10微米之間的金圖樣。
10. 如申請專利範圍第5項的光學分波裝置製造方法，更包含於該第一基板、該第二基板、該輸入單元與該光柵表面鍍上一高反射鍍層的步驟。