专利名称：光学配线模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新颖的光学配线模块，能够使用采用了横磁(TM)模光源和长程表面等离子极化激元(long-range surface plasmon polariton )(LR-SPP )的金属光学波导来处理超高速和大容量的光学信号。
该工作得到韩国信息和通信部(Ministry of In formation andCommunication) /信息技术发展研究所(Institute for Information TechnologyAdvancement)的IT R&D项目[2006-S-073-01 ，用于便携显示器的纳米柔性光电PCB模块]的支持。
背景技术：
当以光学配线取代传统的电学配线时，除了光学传输媒质之外，还需要各种部件，例如将电信号转变成光信号的激光二极管(LD)、驱动器集成电路(IC)、传输光学信号的光学波导、将探测到的光学信号转变回电信号的光电二极管(PD)、和接收器集成电路(IC)。近年来，通过表面发射光的垂直腔面发射激光器(VCSEL)已经被广泛地用作激光器二极管(LD)。垂直腔面发射激光器具有的优点是可以制造二维阵列；可以获得圆形对称光束截面；并且可以减少功率消耗。此外，垂直腔面发射激光器可以在切割芯片之前检查晶片上的器件是否运行正常，并且每单位面积可以制作更多的器件，从而降低制造成本。光学纤维和介电光学波导被广泛地用作传输光学信号的光学波导。PIN光电二极管(PD)被广泛地用作光电探测器。例如Si CMOS或者SiGe BiCMOS电路的Si基电路被广泛地用作驱动器IC和接收器IC，以降低制造成本。
通常地，为了通过光学配线传输光，使用了光学纤维或者介电光学波导。在光学配线集成模块中，光学信号通过由例如玻璃、硅石(silica)、聚合物等的介电材料制成的光学波导来传输。此外，为了获得紧凑、集成的才莫块，在各种光学印刷电路板(PCB)中使用了内置光学波导。尽管主要使用多模光学波导来增加光学对准效率并容易地制造光学PCB模块，但是却难于制造相对较大的内置光学波导，从而其产率相当低。
此外，如今使用的大多数光学PCB都使用垂直腔面发射激光器。垂直腔面发射激光器或者光电二极管安装在基板的表面上。在此情形下，既然垂直腔面发射激光器或者光电二极管垂直地发射或接收光，所以为了将光连接
至水平安装在光学PCB上的光学波导，就需要将光路改变90。的连接器部件。目前已经发展并使用了不同类型的连接器部件，例如形成在光学波导端部的45。镜子和90。弯曲光学波导块。然而，仍然没有可靠的方案，从而需要发展新的技术
发明内容
技术问题
本发明目的在于提供一种光学配线模块，能够使用采用了横磁(TM)模光源和长程表面等离子极化激元(LR-SPP)的金属光学波导来处理超高速、大容量的光学信号。技术方案
本发明的一个方面是提供一种光学配线模块，包括光源；和金属光学波导，耦合至从光源发射出的光的横磁模并使用长程表面等离子极化激元。此外，光源可以包括主要输出横磁模的边发射光源芯片。光源可以包括主要输出横电模的边发射光源芯片；和半波片，将从边发射光源芯片发射的横电模光转变成横磁模光，以将横磁模光传输至金属光学波导。
光源可以包括边发射光源芯片，对准为在基板上旋转90。并主要输出横电模。在该情形下，从主要输出横电模的光源芯片输出的横电模光耦合至处于横磁模的金属光学波导。
光源可以包括主要输出横电模的边发射光源芯片。此时，金属光学波导安装为使得条状金属配线配置为与基板的平坦表面垂直。
光源可以包括以90。安装在基板上的面发射光源芯片。有利的效果
正如从上面可以看出的，设置根据本发明的光学配线模块以处理高速、大容量的光学信号。因此，可以解决传统光学配线模块的问题，例如，由使用面发射激光器的光学配线模块的90。入射、主动对准、大的介电光学波导 的使用等导致的处理困难。此外，可以获得高产率、紧凑的光学配线模块。
本发明上述的和其它的目标、特征和优势将通过下面结合附图的详细描
述而更加显而易见。其中
图1是根据本发明的光学配线模块的示意性视图； 图2是图1的金属光学波导的立体图3是根据本发明第一典型实施例的光学配线;漠块的示意性视图； 图4是根据本发明第二典型实施例的光学配线模块的示意性视图； 图5是根据本发明第三典型实施例的光学配线模块的示意性视图； 图6是根据本发明第四典型实施例的光学配线才莫块的示意性视图； 图7是根据本发明第五典型实施例的光学配线模块的示意性视图。 *主要标号的描述 10:光源
20:金属光学波导 30:光电探测器
具体实施例方式
现在将参考附图详细描述本发明的典型实施例。描述典型的实施例，以 便于本领域的技术人员充分理解本发明。
图1是根据本发明的光学配线模块的示意性视图。
参考图1,根据本发明的光学配线模块包括光源10;使用长程表面等 离子极化激元(LR-SPP)的金属光学波导20极化激元；和光电探测器。
在该实施例中，传统的光学纤维或介电光学波导被使用长程表面等离子 (LR-SPP)的金属光学波导20代替。表面等离子(SP)是电荷密度波，该 电荷密度波被限制并沿着介电常数的实数形式具有相反符号(opposite sign ) 的界面前进，并且表面电荷密度振荡形成纵向表面限制波。此外，当自由电 子被入射光电场激发为与表面等离子耦合振荡并随其前进时，得到的消散波 (evanescent wave )就被称作表面等离子激元(SPP )。例如，表面等离子极 化激元可以在诸如硅石、玻璃等的介电材料与形成在介电材料中的薄金属层之间的界面产生。然而，由于消散模式的表面等离子极化激元具有虚数波矢， 所以表面等离子极化激元传播至预定的距离，然后消散。此外，由于表面等 离子极化激元可以被引入的光激发前进并在另一个点重新发射光，所以表面 等离子极化激元可以用于光学波导。然而，当使用金属波导时，金属介电常 数的虚部增加会增加金属中的吸附，从而将表面等离子极化激元的范围减小 到非常短的长度，例如，几个到十几个微米，由此难以使用金属波导作为光 学波导。为此，大多数表面等离子或者表面等离子极化激元被应用于使用非
常短的距离的光学传感器等。然而，由于长程表面等离子极化激元(LR-SPP) 在金属与介电材料的两个界面独立地前进，随着金属厚度t(见图2)的减小 降低金属的欧姆电阻损耗及金属厚度t变得小于两个模式的金属中的穿透距 离，表面等离子极化激元将彼此影响。当金属厚度t小于两个模式的金属中 的穿透距离时，在每个界面的表面等离子极化激元变为耦合形成超级模式 (super mode),称作fano模式(fano mode )。使用该超级模式，理论上可 以将光传输无限的距离。尽管根据金属中的电场分布将超级模式分为对称模 式和非对称模式，但是长程传输模式是对称的模式。通常地，当LR-SPP被 光激发时，仅仅对称模式被激发。此外，由于LR-SPP和SPP形成纵向表面 限制波，所以入射波的电场部分应该具有与界面垂直的部分。因此，仅有横 磁模可以激发LR-SPP和SPP。
光源IO用作光传输器件，将电信号转变成光信号。光传输器件可以包 括例如激光器二极管(LD)的边发射光源芯片、面发射光源芯片等。光源 10电连接至安装在基板1的表面上的驱动器IC3。
光电探测器30是将通过金属光学波导20传输的光信号重新转变成电信 号的器件，并使用光电二极管(PD)等。光电探测器30电连接至安装在基 板1的表面上的驱动器IC4。
光源10、金属光学波导20。光电探测器30、驱动器IC3和接收器IC4 可以独立地安装在施加有绝缘层2的基板1上。绝缘层2可以省去，如果需 要，基板1和绝缘层2可以一起省去。基板1可以是柔性聚合物基板或者一 些其它材料，而不是固体基板。此外，金属光学波导20的介电材料层24可 以由聚合物形成，基板1和绝缘层2也可以由聚合物形成。另外，可以制造 柔性光学配线板。
图2是使用图1的LR-SPP的金属光学波导的立体图。参考图2,金属光学波导20包括光电传输LR-SPP波导金属配线22; 和与LR-SPP波导金属配线22接触的介电材料层24。
LR-SPP波导金属配线22可以具有5-200nm的厚度和0.5-100 |a m的宽 度，以使用该LR-SPP传输光信号。因此，LR-SPP波导金属配线22为带状， 具有基本为矩形的截面。
此外，LR-SPP波导金属配线22可以包括贵金属，即来自于IB族的元 素、或者其合金。贵金属族元素包括铜(Co)、银(Ag)、金(Au)及其合 金，具有优良的电导率，并可以容易地导致长程表面等离子极化激元的产生。 在银(Ag)配线的情形下，介电常数的吸收系数低，将减小传输损耗，但是 银配线当其表面暴露时可能褪色。为了防止《艮配线褪色，比^J己线具有更稳 定的表面特性的薄金层被沉积在银配线的上表面上，以形成银-金沉积的合 金金属配线，或者薄金层沉积在银配线的两个表面上，以形成对称的金-银-金沉积的合金金属配线。
介电材料层24包括低损耗聚合物。低损耗聚合物，即低损耗光学聚合 物，通常是指包括例如氟等的卣素或者氘的聚合物，例如氟化聚芳醚 (fluorinated poly arylene ether) ( FPAE )。
图3是根据本发明第一典型实施例的光学配线模块的示意性视图。
参考图3，根据本发明第一典型实施例的光学配线模块包括光源10a、 使用LR-SPP的金属光学波导20、和光电探测器30。光源10a、金属光学波 导20、和光电探测器30安装在基板1的表面上。主要输出横磁(TM)模的 光源10a包括边发射光源芯片，从边发射光源芯片发射的TM模光直接耦合 至金属光学波导20,以被传输。
在该实施例的光学配线模块中，为了匹配使用LR-SPP金属光学波导20 的光学配线模块，使用了主要输出TM模的光源10a。通过目前使用的光源， 即激光器二极管(LD)作为边发射光源芯片，主要输出横电(TE)模而不 是TM模。因此，在该实施例中，张应力在外延生长过程中产生，并且轻空 穴具有比重空穴低的能量，由此制造了主要输出TM模的LD。
图4是根据本发明第二典型实施例的光学配线模块的示意性视图。
参考图4，根据本发明第二典型实施例的光学配线模块包括主要输出 TE模的光源10b;半波延迟，即半波片11;使用LR-SPP的金属光学波导 20;和光电探测器30。光源10b、半波片11、金属光学波导20、和光电探测器30安装在基板1上。主要输出TE模的光源可以是TE模振荡LD，是 边发射光源芯片的一种。
该实施例的光学配线模块可以使用主要输出TE模的LD，代替主要输 出TM模的LD。在此情形下，半波片11的轴以45。设置至从TE模振荡LD 发射的TE模波的通路，以将光源10b的TE模波转变成可以耦合至金属光 学波导20的TM模波。
图5是根据本发明第三典型实施例的光学配线模块的示意性视图。 参考图5，根据本发明第三典型实施例的光学配线模块包括光源10b, 对准为在基板上旋转90。并封装在基板上，且主要输出TE模；使用LR-SPP 的金属光学波导20;和光电探测器30。光源10b、金属光学波导20、和光 电探测器30安装在基板1上。
在该实施例中，在包括对准和安装的封装过程中，TE模振荡LD对准 为旋转90°并封装在基板1上，LR-SPP金属光学波导20的金属配线的平坦 表面对准为垂直于LD芯片，由此使得可以将从TE模振荡LD发射的光耦 合至处于TM模的金属光学波导20。根据该实施例，可以以光学配线模块的 光源代替TM模振荡LD。
图6是根据本发明第四典型实施例的光学配线模块的示意性视图。 参考图6，根据本发明第四典型实施例的光学配线模块包括光源10b, 安装在基板l的表面上并主要输出TE模;金属光学波导20,具有条状LR-SPP 金属配线22，该条状LR-SPP金属配线22安装为与基板1的表面垂直；和 光电探测器30。
在该实施例的光学配线模块中，在包括对准和安装的封装过程中，TE 模LD芯片以常规的方式使用，金属光学波导20中具有矩形截面的条状金 属配线22沉积或电镀为与基板1的表面，即平坦的主表面垂直。因此，从 光源10b发射的光的电》兹场部分，即入射波，与金属光学波导20的界面垂 直地耦合，由此激发金属光学波导20的金属配线22中的LR-SPP。 图7是根据本发明第五典型实施例的光学配线模块的示意性视图。 参考图7，根据本发明第五典型实施例的光学配线模块包括面发射光 源芯片10c,垂直地安装在基板的平坦表面上；使用LR-SPP的金属光学波 导20;和光电探测器30。面发射光源芯片10c、金属光学波导20、和光电 探测器30安装在基板1上。面发射光源芯片10c包括垂直腔面发射激光器(VCSEL )。
在该实施例的光学配线模块中，代替了使用边发射LD芯片，从垂直地 安装在基板上的面发射光源芯片10c获得的TM模被用来激发金属光学波导 20中的LR-SPP。
代替传统的内置光学纤维或者介电光学波导，由于长程表面等离子极化 激元金属光学波导被用于光信号的传输，所以可以简化光学波导工艺并增加 产率。此外，具有纳米量级厚度和微米量级宽度的金属光学波导20的使用 可以用于实现紧凑、高集成度的纳米光学集成电路。此外，由于使用了TM 模振荡边发射光源和面发射金属光学波导以及垂直腔面发射激光器，所以不 需要90。的转换对准，仅需要低成本的手动对准。此外，由于金属光学波导 20的厚度和宽度可以显著增加，所以可以更容易地对准光学配线模块。
此外，通过使用金属光学波导20,无论模的尺寸如何，可以进行单模传 输，且没有距离和传输速度的限制。换句话说，与单模传输相比，可以解决 当使用多模光学波导传输光时的范围和传输速度有限的问题，尽管多模被用 来放大模的尺寸，以方便对准和其它工艺。
尽管已经示出并描述了本发明的几个典型实施例，但是本领域的技术人 员应该意识到对这些实施例可以进行各种改变，而不脱离由所附权利要求及 其等同特征所确定的本发明的精神和范围。
权利要求
1、一种光学配线模块，包括光源；和金属光学波导，耦合至从该光源发射的光的横磁模，并使用长程表面等离子极化激元。
2、 根据权利要求1所述的光学配线模块，其中该光源包括主要输出横 磁模的边发射光源芯片。
3、 根据权利要求1所述的光学配线模块，其中该光源包括主要输出横 电模的边发射光源芯片，和半波片，该半波片用于将从该边发射光源芯片发 射的横电模光转变成横磁模光，以将该横磁模光传输至该金属光学波导。
4、 根据权利要求1所述的光学配线模块，其中该光源包括主要输出横 电模的边发射光源芯片，该边发射光源芯片旋转90。，然后在基板上对准。
5、 根据权利要求1所述的光学配线模块，其中该光源是主要输出横电 模的边发射光源芯片，该金属光学波导具有条状金属配线，且该条状金属配 线安装为与基板的平坦表面垂直。
6、 根据权利要求1所述的光学配线才莫块，其中该光源包括面发射光源 芯片，该面发射光源芯片安装为与基板的表面垂直。
7、 根据权利要求1所述的光学配线模块，其中该金属光学波导具有金 属配线，该金属配线具有5-200nm的厚度和0.5-100 |a m的宽度。
8、 根据权利要求7所述的光学配线模块，其中该金属光学波导包括与 该金属配线接触的介电材料层，且该介电材料层包括低损耗聚合物。
9、 根据权利要求8所述的光学配线模块，其中该低损耗聚合物包括具 有卣素元素或者氘的聚合物。
10、 根据权利要求1所述的光学配线模块，其中该金属光学波导具有金 属配线，该金属配线由/人金、4艮、铜、它们的合金、和它们的堆叠所构成的 组中选择出的 一个形成。
11、 根据权利要求1所述的光学配线模块，还包括光电探测器，用于接 收通过该金属光学波导传输的光。
全文摘要
提供了一种光学配线模块。该光学配线模块包括光源，安装在基板的表面上；金属光学波导，耦合至从该光源发射的光的横磁模，并使用长程表面等离子极化激元；和光电探测器。该光学配线模块具有简单的结构，使得其可以进一步小型化，并且其产率可以增加。
文档编号G02B6/12GK101523260SQ200780036384
公开日2009年9月2日 申请日期2007年9月17日 优先权日2006年9月29日
发明者周正振, 朴善泽, 朴承九, 李明铉, 金振泰, 金珉洙 申请人:韩国电子通信研究院