專利名稱：大芯徑中空波導的制造方法
大芯徑中空波導的制造方法
背景技術：
隨著電路板上的計算機芯片速度增加至甚至更快的速度，芯片間通信中的通信瓶 頸正在變成更大的問題。一種可能的解決方案是使用光纖來將高速計算機芯片互連。然而， 大多數電路板涉及許多層且常常要求其制造中的公差小于一微米。物理地設置光纖并將該 光纖連接到芯片可能過于不準確并耗費時間而不能在電路板制造工藝中廣泛地采用。在電路板周圍和之間路由光信號可能增加顯著的附加復雜性。因此，適于出售的 芯片之間的光學互連已經證明是不可靠的，盡管需要寬帶數據傳輸。
圖Ia是由襯底(substrate)承載的宿主層(host layer)的實施例的圖示； 圖Ib示出了在圖Ia的宿主層中形成的通道的實施例；
圖Ic示出了施加在圖Ib的通道上以形成基礎部分(base portion)的反射涂層的實 施例；
圖Id示出了具有反射涂層的蓋部分的實施例； 圖Ie示出了依照實施例的耦合到圖Ic的基礎部分的蓋部分； 圖If示出了在多個層壓層中形成的通道的實施例； 圖Ig示出了在多個層壓層中形成的多個通道的實施例；
圖2是描繪用于制造用于指引相干光的光子引導裝置的方法500的實施例的流程圖； 圖3是描繪用于制造用于指引相干光的光子引導裝置的方法600的實施例的流程圖； 圖如示出了以100晶向使用蝕刻工藝在宿主層中形成的通道的實施例； 圖4b示出了來自于圖如的第一和第二通道被耦合以形成基本上為正方形的大芯徑中 空金屬波導的實施例；
圖如示出了以110晶向使用蝕刻工藝在宿主層中形成的通道的實施例； 圖4d示出了依照實施例的被耦合到圖如的基礎部分的蓋部分； 圖5是描繪用于制造用于指引相干光的光子引導裝置的方法700的實施例的流程圖； 圖6a示出了用來將兩個電路板互連的大芯徑中空波導的實施例； 圖6b示出了用來將電路板上的電子組件互連的大芯徑中空波導的實施例； 圖6c示出了具有以預定的角度切割以使得能夠將改向裝置插入到槽(slot)中的槽的 大芯徑中空波導的實施例；
圖7a示出了具有反射涂層的大芯徑中空波導的二維陣列的實施例； 圖7b示出了具有反射涂層的大芯徑中空波導的三維陣列的實施例；以及 圖7c示出了被耦合到電路板和多個子卡的中空金屬波導陣列的實施例。
具體實施例方式用于在電路板上的計算機芯片之間形成光學互連的一種方法是使用在電路板上 形成的光學波導。光學波導可能由于使用平版印刷或類似工藝在電路板上形成波導的能力而比光纖通信優越。通常用諸如聚合物和/或電介質之類的基本上光學透明的材料在電路 板上形成波導。還可以在未被安裝在電路板上的其它類型的襯底上形成使用平版印刷或類 似工藝制造的光學波導。例如，可以在柔性襯底上形成(一個或多個)光學波導以產生具有 一個或多個光學波導的帶狀電纜。以這種方式形成光學波導能夠提供以在現代多層電路板上使用的所需物理公差 構造的互連。然而，可以在芯片和電路板制造中用來形成板上波導的聚合物、電介質、及其 它材料通常明顯比光纖更有損耗。事實上，板上波導中的損耗量已經是限制光學波導互連 的接受的因素之一。用來構造波導的聚合物可以具有每厘米0.1 dB的損耗。相反，光纖中 的損耗約為每千米0.1 dB。因此，聚合物波導可以具有比光纖中的損耗大幾個數量級的損耗。另外，典型的波導通常被制造為具有大致上與其被設計為要載送的光的波長成比 例的尺寸。例如，被配置為載送IOOOnm光的單模波導可以具有用于較高指數芯區的1000 nm至5000 nm (1 μπι至5 μ m)的尺寸且被較低指數包覆區圍繞。多模波導可以具有用 于芯區的約20 60 μ m的等級的較大尺寸。單模和多模波導兩者都具有用于芯的約0.2 至0. 3的相對高的數值孔徑(NA)和0. 01至0. 02的包層(clad)折射率對比度。數值孔徑 確定來自發射纖維的射束的發散。較大的NA將導致與纖維間間隔有關的不良耦合。因此， 連接此尺寸的波導可能是昂貴且具有挑戰性的。使用這些波導也難以實現被引導光束的分裂(splitting)和分接(tapping)。產 生并連接波導的成本已經歷史地減少其在最常見的應用中的使用。依照本發明的一個方 面，已經認識到需要與其它波導和光學裝置互連起來更加簡單且能夠顯著地減少光學波導 中的損耗量的廉價光子引導裝置。依照本發明的實施例，圖Ia至Ie提供制造光子引導裝置的方法的圖示。此光學 波導由具有高反射包覆層的空芯組成。其根據與常規光學波導不同的衰減全內反射的原理 操作，常規光學波導依賴于以在波導的芯與包層之間形成的臨界角的全內反射。圖Ia示出 由襯底104承載的宿主層102。襯底可以由多種不同類型的材料組成。例如，襯底可以是 諸如塑料的柔性材料或印刷電路板材料。可以將電路板材料配置為剛性或柔性的。可替換 地，襯底可以由半導體材料形成。宿主層102可以在襯底材料頂部上形成。宿主層還可以是一種柔性材料，諸如聚 合物或半導體材料，以使得能夠使用標準平版印刷工藝來處理該材料。如圖Ib中所示，可 以在宿主層中形成通道106。術語大芯徑的使用意圖意指通道106的高度105和/或寬度107基本上大于在光 子引導裝置中被指引的相干光的波長。例如，高度或寬度可以是相干光的波長的50至超過 100倍。通道的高度和寬度通常被選擇為相對類似。如果一個尺寸基本上不同于另一個，則 由于當兩個尺寸基本上不同時發生的光束的偏振的解耦，在通道中載送的光束中可能發生 損耗。因此，尺寸的比通常小于十。可以使用許多工藝來形成通道106。已經開發了若干不同的工藝來以將使得高速 調制光信號(大于每秒1千兆位)能夠穿過通道行進(其中(一個或多個)輸出光信號具有期 望的特性)的方式來形成通道。已經開發的工藝包括鋸割襯底以形成通道、激光微加工、激 光直接記錄、光結構化、以及沿著期望結晶軸的蝕刻。下文將進一步描述這些工藝。
在一個實施例中，可以使用鋸來形成沿著宿主層102的預定長度的具有期望高度 105和寬度107的通道。例如，可以使用切割鋸來形成所述至少一個通道。切割鋸是一種 采用裝配有極薄的金剛石刀片或金剛石線以切割、分割、或開槽于半導體晶片、硅、玻璃、陶 瓷、晶體、聚合物或塑料、以及許多其它類型的材料的高速心軸的鋸。在一個實施例中，可以 使用具有單個刀片的鋸來一次形成單個通道。該通道可以具有與刀片的寬度基本上類似的 寬度。用鋸片切割的通道的寬度稱為切口寬度。可替換地，可以用刀片進行多遍以形成具 有比刀片寬的寬度的通道。在另一實施例中，切割鋸可以包括刀片組，該刀片組包括可以用 來在一遍中切割多個波導通道的兩個或更多刀片。在另一實施例中，切割鋸可以包括多個 心軸，其包括在心軸之間的變化間隙處具有類似或不同刀片的兩個或更多心軸，以在一遍 中形成單個或多個波導通道。為了促使減少光子引導裝置內的相干光的散射，可以對通道106的壁進行平滑化 以減少或消除粗糙。理想地，沿著該壁的任何突出特征應基本上小于相干光的波長。根據 波導的期望光學質量，還可以使用蝕刻工藝對(一個或多個)通道進行拋光以獲得光滑的側壁。在一個實施例中，可以將Disco牌DFD651切割鋸與Disco牌NBdB 2050刀片一 起使用以在硅宿主層中形成一個或多個通道106。NBC系列刀片是超薄型金剛石刀片和鋁 輪轂的組合，提供增強的操作效率和穩定的切割結果。該刀片通常由嵌入電鍍金屬基粘結 劑中的研磨金剛石(abrasive diamond)制成。刀片具有約150微米的厚度。因此，可以使 用刀片在一遍中形成約150微米寬(切口寬度)的通道，假設由刀片在通道的側面引起最小 的切屑(chipping)或磨損。為了在保持合理吞吐量的同時使通道內的缺陷最小化，已經發現可以使用具有 #2000粒度(grit)的刀片來形成提供期望光學質量的通道。越高號的粒度越細，從而提供 更光滑和更干凈的切割，但趨向于使刀片在切割過程期間粘住。可以以每分鐘約30，000轉 的心軸速度使鋸片以約每秒六毫米的典型速率(進給速率)移動穿過宿主層102。進給速率 可以在每秒5和20毫米之間變化，其中心軸速度的變化在每分鐘25，000和45，000轉之間。 當使用具有較細粒度(較高號碼)的刀片時，可以增加心軸速度并減小進給速率以提供更光 滑的表面。然而，較高的心軸速度或進給速率可能引起刀片的破損，而較低的進給速率可能 降低吞吐量。可以使用Disco牌NBdB 2050刀片來在宿主層102中以一遍形成通道106，其中 該通道具有約150微米的深度和寬度。使用基本上為正方形的通道在光學波導中可能是有 益的。如果一個尺寸基本上大于另一個，則其會引起光的偏振的解耦，從而導致偏振敏感的 波導和通過波導傳播的光束中的附加損耗。可以針對不同類型的宿主層102材料使用其它類型的刀片。例如，可以將軟結合 金屬刀片用于諸如SU8光致抗蝕劑、IJ5000反射圖形膜、或kapton之類的聚合材料。SU8 是由MicroChem公司制造的一族化學放大型、基于環氧樹脂的負性抗蝕劑。可以將樹脂狀 或固體樹脂刀片用于玻璃、或將金屬刀片用于硅。在使用Disco牌NBdB 2050刀片形成通道106之后，發現拋光蝕刻使通道的邊 緣平滑并修復由鋸片引起的微裂紋。然而，在不將拋光蝕刻用于已鋸割波導的情況下，光學 性能被確定為在期望的參數內。因此，根據諸如宿主層材料類型、鋸片類型、鋸片速度、通過鋸片的宿主層的進給速率等變量，在使用切割鋸來切通道之后可能不必需拋光蝕刻。如果需要拋光蝕刻，則可以在室溫下使用氫氟酸、硝酸、和乙酸的各種溶液來蝕刻 宿主材料以提供更光滑的面層。另外，可以使用氫氧化四甲銨(TMAH)的溶液作為通常在已 經使用切割鋸或類似工藝形成通道之后在略微提高的溫度下用來蝕刻宿主層102的各向 異性硅蝕刻劑。該蝕刻劑的實驗性使用顯示出通道邊緣的光滑度和平均表面粗糙度方面的 改善。然而，如上所述，改善的表面性質不導致用于基于硅的波導通道的光信號的損耗減 少。然而，就各種宿主材料而言，當表面粗糙度或通道邊緣相對于光信號的波長而言不在期 望水平的光滑度以內時，可以使用采用上列蝕刻劑或類似蝕刻劑的拋光蝕刻。除硅之外，在其中切割通道的宿主層102還可以由其它類型的材料形成。例如，在 圖Ic中所示的實施例中，宿主層可以是印刷電路板材料，諸如阻燃4 (FR4)板。在一個實 施例中，可以將通道106切割成FR4板。然后，可以使用諸如刮刀(doctor blading)、旋涂、 噴墨、絲網印刷等涂布技術將諸如SU8光致抗蝕劑之類的一薄層的溶劑可分配(solvent dispensable)聚合層108施加于宿主層102和通道106。然后，可以用紫外光或加熱來將 聚合層聚合。然后，可以將諸如銀的高反射性材料的金屬化層110施加于該板，以形成大芯 徑中空金屬波導的通道。可替換地，可以在諸如FR4板之類的襯底上形成諸如SU8之類的相對厚的一層聚 合材料。在本實施例中，SU8可以充當宿主層102且FR4板可以充當襯底層104。例如，可 以在FR4板上沉積或層壓具有約200微米或以上的厚度的一層SU8。如前面所討論的，可以 使用諸如切割鋸之類的鋸來形成至少一個通道106。在示例性實施例中，每個通道可以是 約150微米寬且150微米深，但是實際尺寸取決于在通過波導發送的光信號中采用的光的 波長。可以在切割通道之后添加金屬化層110。在另一實施例中，可以使用諸如注塑成型或壓塑成型之類的壓印或模制工藝在諸 如SU8的聚合物宿主材料106中形成多個通道106，以形成空芯波導結構。然后，可以將這 些結構結合或層壓在一起以形成具有多個中空金屬波導的三維結構。下面將更全面地討論 三維結構。金屬化層110可以由多個層組成。例如，在一個實施例中，金屬化層可以包括在 宿主材料上被用作粘附改善層的鈦緩沖物、銀反射金屬層、以及用來保護該反射層的氮化 鋁鈍化層。對于多種金屬層，可以使用多種沉積工藝將金屬化層施加于通道106，所述多 種沉積工藝包括諸如濺射、蒸發、離子電鍍之類的物理汽相沉積工藝、以及諸如LPCVD (低 壓)、PECVD (等離子體增強)、ALD (原子層沉積)之類的化學汽相沉積工藝、以及諸如電鍍 (plating)、電沉積(electro-d印osition)等液相沉積工藝。圖Id舉例說明可以由用金屬化層1 打底(layered)的覆蓋材料122形成的蓋 部分120。該金屬化層可以包括粘附層和鈍化層。金屬化層和覆蓋材料可以由與在形成通 道106時使用的相同材料形成。在已經形成蓋部分120之后，可以將該蓋部分層壓或結合到基礎部分130，如圖Ie 中所示。在一個實施例中，可以使用晶片級結合來結合蓋部分和基礎部分。可以使用Pyrex (派熱克斯)玻璃和硅之間、硅/鉭/金到硅、或硅/熱氧化物或硅/TEOS (正硅酸乙酯)到 硅的等離子體結合來實現晶片級結合。可以將硅酸鹽結合用于氧化物表面和玻璃。可以將 粘接工藝用于諸如聚合物和合成物之類的各種其它類型的材料。
當蓋部分120被結合到基礎部分130時，形成大芯徑中空波導150。大芯徑中空波 導具有覆蓋中空波導的內部的反射涂層110。該反射涂層使得光能夠被從金屬涂層的表面 反射，以減少當激光被指引通過波導時的激光衰減。在另一實施例中，可以通過將諸如塑料、合成物、FR4板等多個材料層結合或層壓 在一起來形成如圖Ia Ie中所示的宿主層102。圖If示出包括被層壓在一起的多個層 132的襯底104。如前文所討論的，可以使用切割鋸在層壓層中形成通道106。然后可以在 通道內添加金屬化層110。如圖Ig中所示，可以形成多個大芯徑中空金屬波導150并將其 堆疊在一起以在多層印刷電路板內形成中空金屬波導的三維陣列160。可以將多個層結合 或層壓在一起。可以在通道上層壓具有金屬化層110的蓋部分120以形成中空金屬波導。 可替換地，可以金屬化并施加諸如FR4之類的附加層壓層，以形成中空金屬波導的頂部。印刷電路板通常由被已被層壓在一起的絕緣材料層分離并支撐的多個導電層組 成。可以將具有預定義波導通道的絕緣層與被金屬化的蓋絕緣層120層壓以在印刷電路板 內形成中空金屬波導。在另一實施例中，如在圖2的流程圖中描繪的，公開了用于制造用于指引相干光 的光子引導系統的方法500。該方法包括通過鋸割通道106來在宿主層102內形成510通 道106以形成被配置為將至少一個電路板上的電子電路互連的波導的操作。通道106具有 基本上大于相干光的波長的高度105和寬度107中的至少一個。該方法還包括施加520 — 層高反射性材料110以基本上覆蓋通道106的內部的操作。附加操作包括在通道之上耦合 530蓋體120以形成大芯徑中空波導105。蓋體120包括一層126高反射性材料。在另一實施例中，如圖Ib中所示，可以使用基于激光燒蝕的微加工來在宿主層 102中形成一個或多個通道。可以使用固態激光器或受激準分子激光器，其具有大約幾十 焦耳每平方厘米至約100焦耳每平方厘米的注量。用于基于燒蝕的微加工的激光的波長通 常是容易被宿主層材料吸收的波長。用于基本上由硅制成的宿主層的燒蝕的典型波長對于 具有30納秒脈寬的脈沖激光器而言約為355納米，但是燒蝕激光器的條件不限于本特定示 例，因為在材料的去除中涉及各種機制。用于聚合物的注量閾值小了一個數量級，因此可以 使用具有明顯更低的功率輸出的激光器在聚合物材料中形成通道。現在將更詳細地討論各 種其它激光器參數。對于基于激光燒蝕的微加工而言，具有較短脈寬的激光器通常是有用的。較短 的脈寬通常提供具有更鋒利(sharper)邊緣且更干凈表面的通道。當脈寬變得基本上 比在皮秒范圍量級的電子-聲子交互作用時間短時，燒蝕過程變成無熱過程(athermal process)。雖然在飛秒脈沖激光器的情況下單獨的脈沖一材料交互作用在本質上是非熱 的，但累計的脈沖仍可能導致在激光加工部件的表面附近形成熱影響區的積聚熱量。選擇用于基于激光燒蝕的微加工的適當光斑尺寸可以使得能夠形成期望寬度的 通道106。可以使用具有檢流計遠心透鏡(galvanometric telecentric lens)的固態激光 器來產生在10至100微米范圍內的光斑尺寸。可以增大光斑的尺寸，只要激光器的功率高 到足以產生對于給定光斑而言足以燒蝕所選材料的注量即可。由于光斑尺寸通常小于通道 的寬度，所以可以進行多遍以產生期望的通道。激光器的掃描速率和脈沖重復率確定脈沖之間的重疊。為了使吞吐量最大化并保 持切割的質量，根據所施加的注量，通常在50%至100%之間調整脈沖之間的重疊。可以將大約為幾十kHz直到幾百kHz的典型脈沖重復率與每個脈沖中的足夠能量一起使用以燒蝕 材料。更高的重復率使得能夠以更快的速率跨越表面掃描激光束。可以設計允許在宿主層102中形成連續通道106圖案的掃描圖案。該掃描圖案可 以是光柵掃描圖案，其由在通道達到期望尺寸之前、激光束跨越通道表面的基本上平行的 行進組成。可替換地，可以使用窗口掃描，也稱為馬道掃描(horse track scan).表面燒蝕可能留下不滿足期望的表面和邊緣平滑度公差的殘留物或表面結構。可 以使用如前文所討論的用于硅或玻璃的拋光蝕刻工藝或用于聚合物的熱回流工藝來使通 道的表面和邊緣在期望公差內。然后，通過激光燒蝕微加工和/或蝕刻形成的通道可以具 有添加的金屬化層110。如前文所討論和如圖Ic Ie中所示的，可以在已經產生通道之后 在基礎部分上結合具有所形成的金屬化層126的蓋部分120，以形成大芯徑中空金屬波導 150。在另一實施例中，如圖Ib中所示，可以使用激光直接寫入過程來在宿主層102中 形成通道106。在本實施例中，宿主層可以包括有諸如SU8之類的材料形成的負性光致抗蝕 劑或由諸如Siipley Ultra -i 123之類的材料形成的正性光致抗蝕劑。可以在包括FR-4 板、諸如聚碳酸酯之類的聚合物、硅上層壓SU8等的襯底層104上形成宿主層。如可以認識 到的，可以使用噴墨、刮刀、旋涂、絲網印刷、或層壓工藝來將由光致抗蝕劑組成的宿主層施 加于襯底層上。可以使用采用在紫外線波長范圍內的輸出頻率、具有約100毫焦耳每平方厘米的 注量的激光器來對光致抗蝕劑進行曝光。在一個實施例中，可以在跨越表面掃描激光時使 用來自具有355納米的波長的種子注入(injection-seeded)、三倍頻Q開關Nd: YAG激光器 的約八納秒的單個激光脈沖來適當地對光致抗蝕劑進行曝光。可以將諸如連續波長光源、 固態激光器、或具有變化脈寬和短于365 nm(i線)的波長的受激準分子激光器之類的其它 類型的激光器用于導致環氧樹脂的陽離子光聚合的光致抗蝕劑前體中的光致變化。SU8提供作為宿主層的良好結構材料，在該宿主層中使用激光直接寫入過程來 形成一個或多個通道106。SU8是負性光致抗蝕劑。因此，可以形成掩膜以在使用用紫 外線光源進行的廣泛曝光來限定波導通道時覆蓋通道區域106。對于直接寫入圖案化 (patterning)過程而言，可以使用例如計算機來控制激光器的掃描來以規定圖案在通道外 面的材料上掃描激光以允許對通道外面的區域進行曝光和聚合。此過程可以用來制造在壓 印過程中使用的模板。可以使激光直接寫入過程中的射束尺寸最優化以產生目標結構。激光束應具有足 以在通道106內形成相對平坦的側壁的Rayleigh長度。例如，在一個實施例中，該通道可 以具有約150微米的深度105和寬度107。在355納米的波長下具有50微米光斑尺寸的激 光束可以具有約20毫米的Rayleigh范圍，這使得能夠實現用于150微米深的波導通道的 足夠平坦的側壁。可以在通道區外面的區域上掃描激光束以聚合材料并允許其去除。可替 換地，可以僅僅使通道周圍和之間的區域暴露并將通道區域去除至約150微米的深度。諸如SU8之類的材料的顯影和固化過程是眾所周知的。該過程涉及在有機溶劑中 清潔并漂洗襯底104以提供良好的均勻涂布和粘附。然后，可以使用諸如旋涂、刮刀、絲網 印刷、噴墨等任何澆鑄工藝來用SU8材料涂敷襯底以形成宿主層102。然后，可以使用前烘 焙來基本上去除SU8中的所有溶劑。如上文所討論的，然后可以用激光來使通道106外面的材料曝光。可以將曝光后烘焙用于比玻璃轉化溫度高的溫度下的環氧樹脂的陽離子光致 聚合作用，并可以在乳酸乙酯溶液中逐漸產生結構，后面是漂洗和干燥過程。必要時，應用 同源(homogenous)紫外光下的整片曝光和附加烘焙步驟以防止SU8結構的流動。在另一實施例中，可以使用光結構化(photostructuring)工藝來在宿主層102中 形成通道106。光結構化包括用具有閾值以上的能量密度的紫外光來進行光敏玻璃的曝光。 例如，可以用具有約20焦耳每平方厘米的能量密度、以紫外線波長的激光來對具有約1毫 米的厚度的稱為F0TURAN 的光敏玻璃進行曝光。激光可以在期望的區域上進行掃描以使 掩模圖案曝光以在宿主層中形成通道。本示例中的激光可以具有在290至330納米范圍內 的波長。可替換地，可以使用由諸如鉻或石英之類的材料制成的掩模來掩蔽除通道106之 外的區域。然后，可以使用汞燈來使通道區域曝光。然后，可以在約500 600 C的溫度下 烘焙光敏玻璃達約兩小時的時段。然后可以以約百分之十的濃度使用諸如氫氟酸之類的蝕 刻劑來蝕刻材料。被曝光區域的蝕刻速率約為每分鐘10微米。未曝光區域的蝕刻速率約 為被曝光區域的蝕刻速率的1/20。這允許在約十五至二十分鐘內形成具有約150微米的 深度和寬度的曝光列區域。然后，通過光結構化形成的通道可以具有附加的金屬化層110。 如圖Ic Ie中所示，在已經產生通道之后在基礎部分上可以結合具有金屬化層126的蓋 部分120以形成大芯徑中空金屬波導150。在另一實施例中，如圖3中的流程圖中所描繪的，公開了用于制造用于指引相干 光的光子引導系統的方法600。該方法包括使用相干光來在宿主層102中形成610通道106 以形成波導的操作。該相干光可以用來使用激光燒蝕法、激光直接寫入法、和光結構化法來 形成通道。波導被配置為將至少一個電路板上的電子電路互連。通道106具有基本上大于 相干光的波長的高度105和寬度107中的至少一個。該方法還包括施加620 —層高反射性 材料110以基本上覆蓋通道106的內部的操作。附加操作包括在通道上耦合630蓋體120 以形成大芯徑中空波導150。蓋體120包括高反射性材料層126。在另一實施例中，可以使用蝕刻來在宿主層中形成通道。例如，圖如中所示的實 施例示出可以被蝕刻以產生三角形狀波導202的以100晶向的硅晶片。可以使用TMAH或 氫氧化鉀(KOH)來在用于硅晶片的提高的溫度下以約每分鐘0. 5微米的速率提供各向異性 蝕刻。該蝕刻過程以相對于與硅的表面正交的法線成約M度的角度產生具有三角壁的三 角形狀的波導。可以使用由諸如二氧化硅或氮化硅之類的材料形成并使用軟掩模用激光加工或 干法蝕刻工藝來圖案化的硬掩模204來在硅宿主層206中限定波導202結構。可以在三角 形狀的波導通道上形成金屬化層208。可以將具有至少一個三角形狀的波導通道202的一 個波導區段220倒轉并放置在具有至少一個三角形狀的波導通道的另一波導區段220上， 以形成具有至少一個基本上正方形的中空金屬波導250的單個波導區段230，如圖4b中所 示。如前文所討論的，可以使用晶片級結合來接合具有三角形狀波導的區段。圖如中所示的另一實施例示出可以被蝕刻以產生具有傾斜的底部區域258的基 本上正方形形狀的波導252的以110晶向的硅晶片。可以使用TMAH或氫氧化鉀(KOH)來 在用于硅晶片的提高的溫度下以約每分鐘0. 5微米的速率提供各向異性蝕刻。可以使用由諸如二氧化硅或氮化硅之類的材料形成的硬掩模204來在硅宿主層206中限定波導252結構。然后，通過蝕刻形成的通道可以具有附加的金屬化層208。如圖 4d中所示，可以在已產生通道之后在基礎部分245上結合具有金屬化層226的蓋部分沈0， 以形成至少一個大芯徑中空金屬波導270。通過以100晶向進行蝕刻形成的基本上正方形的大芯徑中空金屬波導250和具有 通過以110晶向進行蝕刻形成的傾斜底部區域的大芯徑中空金屬波導270可以形成有足夠 光滑的側面，使得其能夠以最小的損耗載送光信號。使用蝕刻形成的波導的略微非正方形 的形狀不足以基本上負面地影響通過中空金屬波導的光信號的傳播。在另一實施例中，如圖5的流程圖中所描繪的，公開了用于制造用于指引相干光 的光子引導系統的方法700。該方法包括使用蝕刻過程在宿主層206中形成710通道202、 252以形成波導的操作。波導可以被配置為將至少一個電路板上的電子電路互連。通道 202,252具有基本上大于相干光的波長的高度和寬度中的至少一個。該方法還包括施加 720 一層高反射性材料208以基本上覆蓋通道202、252的內部。附加操作包括在通道202、 252上耦合730蓋體220 J60以形成大芯徑中空波導250、270，其中，所述蓋體包括高反射 性材料層208。使用蝕刻工藝在宿主層206中形成通道202的操作還包括以100晶向蝕刻第一硅 宿主層206以在第一波導區段220中形成三角形狀波導通道202的操作。還以100晶向蝕 刻第二硅宿主層以在第二波導區段220中形成三角形狀波導通道202。第一波導區段和第 二波導區段被結合以形成具有至少一個基本上正方形的中空金屬波導250的單個波導區 段 230。具有內部反射表面的大芯徑中空金屬波導可以充當用于將一個或多個印刷電路 板上的組件互連的相對廉價、低損耗的裝置。引導裝置的低損耗使得能夠在商品產品中更 普遍地使用該裝置，諸如在光學上將電子電路互連。電子電路可以包括電路，其中，從電路傳送的電信號被轉換成光信號，反之亦然。 電子電路還可以包括光回路，其可以在不需要轉換的情況下直接使用光信號來進行通信。 可以在單個電路板上包含電子電路。可替換地，電子電路可以位于兩個或多個單獨電路板 上，并且可以使用波導來將板互連。通過使用傾斜的半反射表面來從這些波導分接并指引 光學信號也是相對容易的。由于常規波導的較大數值孔徑，所以這對于常規波導而言實現 起來相當困難。例如，圖6a示出具有內部反射表面的大芯徑中空波導330。使用中空波導來耦合 兩個電路板340。如前文所討論的，較大的波導可以降低將板之間的波導互連的成本。波導 內的反射表面可以減少損耗，使得能夠通過波導向鄰接的電路板來傳送相干光的低功率信 號。可以使用諸如單模激光器、多模激光器、或位于電路板中的一者或兩者上的發光裝置之 類的相干光裝置來傳送相干光。可以在電路板中的一者或兩者上包括準直透鏡并將其光學 地耦合到波導。該準直透鏡可以減少由多次反射引起的光的較高階模的損耗。在制造過程 中，中空波導330互連可以被配置為被耦合到板之間。可替換地，可以將中空波導形成為連 接器和/或線纜(cable)，在其被制造出來之后可以被連接到所述板。具有內部反射表面的中空波導330還可以用于將單個電路板340上的電子組件 345互連，如圖6b中所示。電子組件可以用于將來自于一個波導的光改向到另一個波導。 可替換地，通過以距射束約45度的角插入改向裝置348而相對容易地實現九十度轉彎。可以使用例如具有有角度刀片的切割鋸，如圖6c中所示地在中空波導330中切割槽352。可 以根據在插入微光學結構或光學微機電系統的情況下的光信號的要求路由，使用斜面刀片 (beveled blade)或有角度刀片(angled blade)。可替換地，可以將用于針對聚合層中的 波導通道形成所述的硅或玻璃或類似圖案化技術的激光微加工或微銑削工藝用于分離器 (splitter)槽形成。該槽可以持續至襯底中以提供附加的結構支撐以附著改向裝置。可以 使用粘合劑將改向裝置耦合到波導。如可以認識到的，改向裝置可以是鏡子。可替換地，如 果只期望使光的一部分改向，則還可以使用光束分離器、光圈、半透明鏡、衍射光柵、或散射 器或類似類型的光學裝置來替代鏡子。可以以二維陣列和三維陣列來形成使用已經討論的工藝所形成的每個大芯徑中 空金屬波導以使得能夠指引多個信號。例如，圖7a示出了中空波導430的二維陣列400。如 前文所討論的，每個波導可以被反射材料402圍繞。可以在襯底或宿主材料408上構造波導 陣列，重復前文所公開的方法或與常規的平版印刷、壓印、或注塑成型工藝組合的方法。用 諸如壓印、注塑成型、常規平版印刷、或本文所述方法之類的方法限定的通道圖案化層的連 續堆疊或層壓可以以低成本制造波導陣列，并將光學層與FR4板上或內部的電氣層集成。 圖7b示出了在襯底或宿主材料408上構造的中空波導430的三維陣列450。圖7c示出了被耦合到電路板的中空波導430的陣列400。該陣列可以是在單層電 路板中構造的二維陣列。可替換地，該陣列可以是在兩層或更多層電路板上構造的三維陣 列。電路板可以充當陣列中的每個中空波導可以被附著到的襯底408。在一個實施例中， 可以將電路板配置為光學底板(optical backplane) 4250可以將相干光指引到每個波導 中。可以將諸如分光器之類的耦合裝置422配置為在所選位置處將被引導的多模相干光束 的至少一部分指引到波導之外。如前文所討論的和圖6c中所示的，可以通過在中空波導中 形成槽來插入(一個或多個)射束分離器。光學地耦合的波導可以與底板正交，雖然可以使 用基本上任何角度。使多模相干光改向到電路板平面外面可以使得能夠將諸如子板420之類的多個 電路卡光學地耦合到底板425。可以使被編碼在相干光信號上的高數據速率信息從底板改 向或分布到所述多個子板。具有反射內部涂層的大芯徑中空波導使得能夠向多個不同的板傳送高數據速率 信息。中空波導的低損耗使得能夠將單個光學信號路由到多個其它波導中。通過每個波 導引導的相干光束可以以每秒幾十千兆位(gigabit)或更高的速率載送數據。光束本質上 以光速傳播，因為模(mode)的指數(index)幾乎是一(unity)，這導致基本上最小的傳播延 遲。由中空波導實現的光學互連提供用于基本上增加芯片和電路板之間的吞吐量的廉價裝 置。雖然前述示例以一個或多個特定應用來說明本發明的原理，但對于本領域的普通 技術人員來說將顯而易見的是，在沒有行使發明權力且在沒有違背本發明的原理和概念的 情況下，可以進行實施方式的形式、使用和細節方面的許多修改。因此，除了由下文闡述的 權利要求之外，并不意圖限制本發明。
權利要求
1.一種用于制造用于指引相干光的光子引導系統的方法，包括使用選自由對通道(106)進行鋸割、模制、和壓印組成的組的至少一個工藝在宿主層 (102)中形成通道(106)，以形成被配置為將至少一個電路板上的電子電路互連的波導，其 中，通道(106)具有基本上大于相干光的波長的高度(105)和寬度(107)中的至少一個； 施加一層高反射性材料(110)以基本上覆蓋通道(106)的內部； 在所述通道上耦合蓋體(120)以形成大芯徑中空波導(150)，其中，所述蓋體包括高反 射性材料層(1沈)。
2.如權利要求1所述的方法，還包括使用切割鋸在宿主層(102)中形成通道(106)。
3.如權利要求1所述的方法，還包括使用具有刀片的切割鋸在宿主層(102)中形成通 道(106)，所述刀片具有基本上與通道的寬度(107)相同的厚度以允許以一遍形成通道。
4.如權利要求1所述的方法，還包括用拋光蝕刻對通道(106)的表面進行拋光以使表 面平滑化，從而使得該表面具有在期望公差內的平均平滑度。
5.如權利要求1所述的方法，還包括將多個層層壓在一起以形成將在其中形成通道(106)的宿主層(102)。
6.如權利要求1所述的方法，還包括層壓多個大芯徑中空金屬波導(150)以形成具有 大芯徑中空金屬波導的三維陣列(160)的三維結構。
7.如權利要求1所述的方法，還包括在宿主層(102)中形成通道(106)，其中，宿主層 由聚合物組成，并且使用壓印工藝和模制工藝之一在聚合物中形成通道。
8.一種用于制造用于指引相干光的光子引導系統的方法，包括使用相干光在宿主層(102)中形成通道(106)以形成被配置為將至少一個電路板上的 電子電路互連的波導，其中，通道(106)具有基本上大于相干光的波長的高度(105)和寬度(107)中的至少一個；施加一層高反射性材料(110)以基本上覆蓋通道(106)的內部； 在所述通道上耦合蓋體(120)以形成大芯徑中空波導，其中，所述蓋體包括高反射性材 料層(1洸)。
9.如權利要求8所述的方法，其中，使用相干光在宿主層(102)中形成通道(106)還包 括使用激光來燒蝕宿主層中的材料以形成通道。
10.如權利要求8所述的方法，其中，使用相干光在宿主層(102)中形成通道(106)還 包括使用激光來對宿主層的所選區域進行曝光，以使得能夠通過去除宿主層的被曝光和 未曝光區域之一以形成通道(106)來形成通道。
11.如權利要求8所述的方法，其中，使用相干光在宿主層(102)中形成通道(106)還 包括使用激光來對宿主層(102)中的所選通道區域進行曝光，其中，所述宿主層是光敏玻 璃，以及蝕刻被曝光的通道區域以形成通道(106)。
12.一種用于制造用于指引相干光的光子引導系統的方法，包括使用蝕刻工藝在宿主層(206)中形成通道(202、252)以形成被配置為將至少一個電路 板上的電子電路互連的波導，其中，通道(202、252)具有基本上大于相干光的波長的高度和 寬度中的至少一個；施加一層高反射性材料(208)以基本上覆蓋通道(202、252)的內部； 在通道(202、252)上耦合蓋體(220、260)以形成大芯徑中空波導(250、270)，其中，所述蓋體包括高反射性材料層(208 )。
13.如權利要求12所述的方法，其中，使用蝕刻工藝在宿主層(206)中形成通道(202) 還包括以100晶向蝕刻第一硅宿主層(206)以在第一波導區段(220)中形成三角形狀的波導 通道(202)；以100晶向蝕刻第二硅宿主層，以在第二波導區段(220)中形成三角形狀的波導通道 (202)；以及將第一波導區段和第二波導區段結合以形成具有至少一個基本上正方形的中空金屬 波導(250)的單個波導區段(230)。
14.如權利要求12所述的方法，其中，使用蝕刻工藝在宿主層(206)中形成通道(202) 還包括以110晶向蝕刻硅宿主層(206)以形成具有傾斜底部區域(258)的基本上正方形形狀 的波導(252)；在通道(252)上耦合蓋體(260)以形成大芯徑中空波導(270)，其中，所述蓋體包括高 反射性材料層(208)。
15.如權利要求12所述的方法，其中，高反射性材料層(208)由被用作宿主材料上的 粘附改善層的鈦緩沖層、氮化鋁鈍化層、和銀反射金屬層組成。
全文摘要
公開了用于制造用于指引相干光的光子引導系統的方法。該方法包括使用鋸割、激光燒蝕、光致抗蝕劑的激光直接寫入、光結構化、和蝕刻中的至少一個工藝在宿主層(102)中形成通道(106)。施加一層高反射性材料(110)以基本上覆蓋通道(106)的內部。在通道(106)上耦合具有高反射性材料層(126)的蓋體(120)以形成大芯徑中空波導(150)。
文檔編號G02B6/13GK102089688SQ200880130272
公開日2011年6月8日 申請日期2008年5月9日 優先權日2008年5月9日
發明者R. 拉尼 C., 葉 J., 邁爾 N., K. 羅森伯格 P., N. 比克內爾 R. 申請人:惠普開發有限公司