大芯径中空波导的制造方法

专利名称：大芯径中空波导的制造方法
大芯径中空波导的制造方法
背景技术：
随着电路板上的计算机芯片速度增加至甚至更快的速度，芯片间通信中的通信瓶 颈正在变成更大的问题。一种可能的解决方案是使用光纤来将高速计算机芯片互连。然而， 大多数电路板涉及许多层且常常要求其制造中的公差小于一微米。物理地设置光纤并将该 光纤连接到芯片可能过于不准确并耗费时间而不能在电路板制造工艺中广泛地采用。在电路板周围和之间路由光信号可能增加显著的附加复杂性。因此，适于出售的 芯片之间的光学互连已经证明是不可靠的，尽管需要宽带数据传输。


图Ia是由衬底(substrate)承载的宿主层(host layer)的实施例的图示； 图Ib示出了在图Ia的宿主层中形成的通道的实施例；
图Ic示出了施加在图Ib的通道上以形成基础部分(base portion)的反射涂层的实 施例；
图Id示出了具有反射涂层的盖部分的实施例； 图Ie示出了依照实施例的耦合到图Ic的基础部分的盖部分； 图If示出了在多个层压层中形成的通道的实施例； 图Ig示出了在多个层压层中形成的多个通道的实施例；
图2是描绘用于制造用于指引相干光的光子引导装置的方法500的实施例的流程图； 图3是描绘用于制造用于指引相干光的光子引导装置的方法600的实施例的流程图； 图如示出了以100晶向使用蚀刻工艺在宿主层中形成的通道的实施例； 图4b示出了来自于图如的第一和第二通道被耦合以形成基本上为正方形的大芯径中 空金属波导的实施例；
图如示出了以110晶向使用蚀刻工艺在宿主层中形成的通道的实施例； 图4d示出了依照实施例的被耦合到图如的基础部分的盖部分； 图5是描绘用于制造用于指引相干光的光子引导装置的方法700的实施例的流程图； 图6a示出了用来将两个电路板互连的大芯径中空波导的实施例； 图6b示出了用来将电路板上的电子组件互连的大芯径中空波导的实施例； 图6c示出了具有以预定的角度切割以使得能够将改向装置插入到槽(slot)中的槽的 大芯径中空波导的实施例；
图7a示出了具有反射涂层的大芯径中空波导的二维阵列的实施例； 图7b示出了具有反射涂层的大芯径中空波导的三维阵列的实施例；以及 图7c示出了被耦合到电路板和多个子卡的中空金属波导阵列的实施例。
具体实施例方式用于在电路板上的计算机芯片之间形成光学互连的一种方法是使用在电路板上 形成的光学波导。光学波导可能由于使用平版印刷或类似工艺在电路板上形成波导的能力而比光纤通信优越。通常用诸如聚合物和/或电介质之类的基本上光学透明的材料在电路 板上形成波导。还可以在未被安装在电路板上的其它类型的衬底上形成使用平版印刷或类 似工艺制造的光学波导。例如，可以在柔性衬底上形成(一个或多个)光学波导以产生具有 一个或多个光学波导的带状电缆。以这种方式形成光学波导能够提供以在现代多层电路板上使用的所需物理公差 构造的互连。然而，可以在芯片和电路板制造中用来形成板上波导的聚合物、电介质、及其 它材料通常明显比光纤更有损耗。事实上，板上波导中的损耗量已经是限制光学波导互连 的接受的因素之一。用来构造波导的聚合物可以具有每厘米0.1 dB的损耗。相反，光纤中 的损耗约为每千米0.1 dB。因此，聚合物波导可以具有比光纤中的损耗大几个数量级的损耗。另外，典型的波导通常被制造为具有大致上与其被设计为要载送的光的波长成比 例的尺寸。例如，被配置为载送IOOOnm光的单模波导可以具有用于较高指数芯区的1000 nm至5000 nm (1 μπι至5 μ m)的尺寸且被较低指数包覆区围绕。多模波导可以具有用 于芯区的约20 60 μ m的等级的较大尺寸。单模和多模波导两者都具有用于芯的约0.2 至0. 3的相对高的数值孔径(NA)和0. 01至0. 02的包层(clad)折射率对比度。数值孔径 确定来自发射纤维的射束的发散。较大的NA将导致与纤维间间隔有关的不良耦合。因此， 连接此尺寸的波导可能是昂贵且具有挑战性的。使用这些波导也难以实现被引导光束的分裂(splitting)和分接(tapping)。产 生并连接波导的成本已经历史地减少其在最常见的应用中的使用。依照本发明的一个方 面，已经认识到需要与其它波导和光学装置互连起来更加简单且能够显著地减少光学波导 中的损耗量的廉价光子引导装置。依照本发明的实施例，图Ia至Ie提供制造光子引导装置的方法的图示。此光学 波导由具有高反射包覆层的空芯组成。其根据与常规光学波导不同的衰减全内反射的原理 操作，常规光学波导依赖于以在波导的芯与包层之间形成的临界角的全内反射。图Ia示出 由衬底104承载的宿主层102。衬底可以由多种不同类型的材料组成。例如，衬底可以是 诸如塑料的柔性材料或印刷电路板材料。可以将电路板材料配置为刚性或柔性的。可替换 地，衬底可以由半导体材料形成。宿主层102可以在衬底材料顶部上形成。宿主层还可以是一种柔性材料，诸如聚 合物或半导体材料，以使得能够使用标准平版印刷工艺来处理该材料。如图Ib中所示，可 以在宿主层中形成通道106。术语大芯径的使用意图意指通道106的高度105和/或宽度107基本上大于在光 子引导装置中被指引的相干光的波长。例如，高度或宽度可以是相干光的波长的50至超过 100倍。通道的高度和宽度通常被选择为相对类似。如果一个尺寸基本上不同于另一个，则 由于当两个尺寸基本上不同时发生的光束的偏振的解耦，在通道中载送的光束中可能发生 损耗。因此，尺寸的比通常小于十。可以使用许多工艺来形成通道106。已经开发了若干不同的工艺来以将使得高速 调制光信号(大于每秒1千兆位)能够穿过通道行进(其中(一个或多个)输出光信号具有期 望的特性)的方式来形成通道。已经开发的工艺包括锯割衬底以形成通道、激光微加工、激 光直接记录、光结构化、以及沿着期望结晶轴的蚀刻。下文将进一步描述这些工艺。
在一个实施例中，可以使用锯来形成沿着宿主层102的预定长度的具有期望高度 105和宽度107的通道。例如，可以使用切割锯来形成所述至少一个通道。切割锯是一种 采用装配有极薄的金刚石刀片或金刚石线以切割、分割、或开槽于半导体晶片、硅、玻璃、陶 瓷、晶体、聚合物或塑料、以及许多其它类型的材料的高速心轴的锯。在一个实施例中，可以 使用具有单个刀片的锯来一次形成单个通道。该通道可以具有与刀片的宽度基本上类似的 宽度。用锯片切割的通道的宽度称为切口宽度。可替换地，可以用刀片进行多遍以形成具 有比刀片宽的宽度的通道。在另一实施例中，切割锯可以包括刀片组，该刀片组包括可以用 来在一遍中切割多个波导通道的两个或更多刀片。在另一实施例中，切割锯可以包括多个 心轴，其包括在心轴之间的变化间隙处具有类似或不同刀片的两个或更多心轴，以在一遍 中形成单个或多个波导通道。为了促使减少光子引导装置内的相干光的散射，可以对通道106的壁进行平滑化 以减少或消除粗糙。理想地，沿着该壁的任何突出特征应基本上小于相干光的波长。根据 波导的期望光学质量，还可以使用蚀刻工艺对(一个或多个)通道进行抛光以获得光滑的侧壁。在一个实施例中，可以将Disco牌DFD651切割锯与Disco牌NBdB 2050刀片一 起使用以在硅宿主层中形成一个或多个通道106。NBC系列刀片是超薄型金刚石刀片和铝 轮毂的组合，提供增强的操作效率和稳定的切割结果。该刀片通常由嵌入电镀金属基粘结 剂中的研磨金刚石(abrasive diamond)制成。刀片具有约150微米的厚度。因此，可以使 用刀片在一遍中形成约150微米宽(切口宽度)的通道，假设由刀片在通道的侧面引起最小 的切屑(chipping)或磨损。为了在保持合理吞吐量的同时使通道内的缺陷最小化，已经发现可以使用具有 #2000粒度(grit)的刀片来形成提供期望光学质量的通道。越高号的粒度越细，从而提供 更光滑和更干净的切割，但趋向于使刀片在切割过程期间粘住。可以以每分钟约30，000转 的心轴速度使锯片以约每秒六毫米的典型速率(进给速率)移动穿过宿主层102。进给速率 可以在每秒5和20毫米之间变化，其中心轴速度的变化在每分钟25，000和45，000转之间。 当使用具有较细粒度(较高号码)的刀片时，可以增加心轴速度并减小进给速率以提供更光 滑的表面。然而，较高的心轴速度或进给速率可能引起刀片的破损，而较低的进给速率可能 降低吞吐量。可以使用Disco牌NBdB 2050刀片来在宿主层102中以一遍形成通道106，其中 该通道具有约150微米的深度和宽度。使用基本上为正方形的通道在光学波导中可能是有 益的。如果一个尺寸基本上大于另一个，则其会引起光的偏振的解耦，从而导致偏振敏感的 波导和通过波导传播的光束中的附加损耗。可以针对不同类型的宿主层102材料使用其它类型的刀片。例如，可以将软结合 金属刀片用于诸如SU8光致抗蚀剂、IJ5000反射图形膜、或kapton之类的聚合材料。SU8 是由MicroChem公司制造的一族化学放大型、基于环氧树脂的负性抗蚀剂。可以将树脂状 或固体树脂刀片用于玻璃、或将金属刀片用于硅。在使用Disco牌NBdB 2050刀片形成通道106之后，发现抛光蚀刻使通道的边 缘平滑并修复由锯片引起的微裂纹。然而，在不将抛光蚀刻用于已锯割波导的情况下，光学 性能被确定为在期望的参数内。因此，根据诸如宿主层材料类型、锯片类型、锯片速度、通过锯片的宿主层的进给速率等变量，在使用切割锯来切通道之后可能不必需抛光蚀刻。如果需要抛光蚀刻，则可以在室温下使用氢氟酸、硝酸、和乙酸的各种溶液来蚀刻 宿主材料以提供更光滑的面层。另外，可以使用氢氧化四甲铵(TMAH)的溶液作为通常在已 经使用切割锯或类似工艺形成通道之后在略微提高的温度下用来蚀刻宿主层102的各向 异性硅蚀刻剂。该蚀刻剂的实验性使用显示出通道边缘的光滑度和平均表面粗糙度方面的 改善。然而，如上所述，改善的表面性质不导致用于基于硅的波导通道的光信号的损耗减 少。然而，就各种宿主材料而言，当表面粗糙度或通道边缘相对于光信号的波长而言不在期 望水平的光滑度以内时，可以使用采用上列蚀刻剂或类似蚀刻剂的抛光蚀刻。除硅之外，在其中切割通道的宿主层102还可以由其它类型的材料形成。例如，在 图Ic中所示的实施例中，宿主层可以是印刷电路板材料，诸如阻燃4 (FR4)板。在一个实 施例中，可以将通道106切割成FR4板。然后，可以使用诸如刮刀(doctor blading)、旋涂、 喷墨、丝网印刷等涂布技术将诸如SU8光致抗蚀剂之类的一薄层的溶剂可分配(solvent dispensable)聚合层108施加于宿主层102和通道106。然后，可以用紫外光或加热来将 聚合层聚合。然后，可以将诸如银的高反射性材料的金属化层110施加于该板，以形成大芯 径中空金属波导的通道。可替换地，可以在诸如FR4板之类的衬底上形成诸如SU8之类的相对厚的一层聚 合材料。在本实施例中，SU8可以充当宿主层102且FR4板可以充当衬底层104。例如，可 以在FR4板上沉积或层压具有约200微米或以上的厚度的一层SU8。如前面所讨论的，可以 使用诸如切割锯之类的锯来形成至少一个通道106。在示例性实施例中，每个通道可以是 约150微米宽且150微米深，但是实际尺寸取决于在通过波导发送的光信号中采用的光的 波长。可以在切割通道之后添加金属化层110。在另一实施例中，可以使用诸如注塑成型或压塑成型之类的压印或模制工艺在诸 如SU8的聚合物宿主材料106中形成多个通道106，以形成空芯波导结构。然后，可以将这 些结构结合或层压在一起以形成具有多个中空金属波导的三维结构。下面将更全面地讨论 三维结构。金属化层110可以由多个层组成。例如，在一个实施例中，金属化层可以包括在 宿主材料上被用作粘附改善层的钛缓冲物、银反射金属层、以及用来保护该反射层的氮化 铝钝化层。对于多种金属层，可以使用多种沉积工艺将金属化层施加于通道106，所述多 种沉积工艺包括诸如溅射、蒸发、离子电镀之类的物理汽相沉积工艺、以及诸如LPCVD (低 压)、PECVD (等离子体增强)、ALD (原子层沉积)之类的化学汽相沉积工艺、以及诸如电镀 (plating)、电沉积(electro-d印osition)等液相沉积工艺。图Id举例说明可以由用金属化层1 打底(layered)的覆盖材料122形成的盖 部分120。该金属化层可以包括粘附层和钝化层。金属化层和覆盖材料可以由与在形成通 道106时使用的相同材料形成。在已经形成盖部分120之后，可以将该盖部分层压或结合到基础部分130，如图Ie 中所示。在一个实施例中，可以使用晶片级结合来结合盖部分和基础部分。可以使用Pyrex (派热克斯)玻璃和硅之间、硅/钽/金到硅、或硅/热氧化物或硅/TEOS (正硅酸乙酯)到 硅的等离子体结合来实现晶片级结合。可以将硅酸盐结合用于氧化物表面和玻璃。可以将 粘接工艺用于诸如聚合物和合成物之类的各种其它类型的材料。
当盖部分120被结合到基础部分130时，形成大芯径中空波导150。大芯径中空波 导具有覆盖中空波导的内部的反射涂层110。该反射涂层使得光能够被从金属涂层的表面 反射，以减少当激光被指引通过波导时的激光衰减。在另一实施例中，可以通过将诸如塑料、合成物、FR4板等多个材料层结合或层压 在一起来形成如图Ia Ie中所示的宿主层102。图If示出包括被层压在一起的多个层 132的衬底104。如前文所讨论的，可以使用切割锯在层压层中形成通道106。然后可以在 通道内添加金属化层110。如图Ig中所示，可以形成多个大芯径中空金属波导150并将其 堆叠在一起以在多层印刷电路板内形成中空金属波导的三维阵列160。可以将多个层结合 或层压在一起。可以在通道上层压具有金属化层110的盖部分120以形成中空金属波导。 可替换地，可以金属化并施加诸如FR4之类的附加层压层，以形成中空金属波导的顶部。印刷电路板通常由被已被层压在一起的绝缘材料层分离并支撑的多个导电层组 成。可以将具有预定义波导通道的绝缘层与被金属化的盖绝缘层120层压以在印刷电路板 内形成中空金属波导。在另一实施例中，如在图2的流程图中描绘的，公开了用于制造用于指引相干光 的光子引导系统的方法500。该方法包括通过锯割通道106来在宿主层102内形成510通 道106以形成被配置为将至少一个电路板上的电子电路互连的波导的操作。通道106具有 基本上大于相干光的波长的高度105和宽度107中的至少一个。该方法还包括施加520 — 层高反射性材料110以基本上覆盖通道106的内部的操作。附加操作包括在通道之上耦合 530盖体120以形成大芯径中空波导105。盖体120包括一层126高反射性材料。在另一实施例中，如图Ib中所示，可以使用基于激光烧蚀的微加工来在宿主层 102中形成一个或多个通道。可以使用固态激光器或受激准分子激光器，其具有大约几十 焦耳每平方厘米至约100焦耳每平方厘米的注量。用于基于烧蚀的微加工的激光的波长通 常是容易被宿主层材料吸收的波长。用于基本上由硅制成的宿主层的烧蚀的典型波长对于 具有30纳秒脉宽的脉冲激光器而言约为355纳米，但是烧蚀激光器的条件不限于本特定示 例，因为在材料的去除中涉及各种机制。用于聚合物的注量阈值小了一个数量级，因此可以 使用具有明显更低的功率输出的激光器在聚合物材料中形成通道。现在将更详细地讨论各 种其它激光器参数。对于基于激光烧蚀的微加工而言，具有较短脉宽的激光器通常是有用的。较短 的脉宽通常提供具有更锋利(sharper)边缘且更干净表面的通道。当脉宽变得基本上 比在皮秒范围量级的电子-声子交互作用时间短时，烧蚀过程变成无热过程(athermal process)。虽然在飞秒脉冲激光器的情况下单独的脉冲一材料交互作用在本质上是非热 的，但累计的脉冲仍可能导致在激光加工部件的表面附近形成热影响区的积聚热量。选择用于基于激光烧蚀的微加工的适当光斑尺寸可以使得能够形成期望宽度的 通道106。可以使用具有检流计远心透镜(galvanometric telecentric lens)的固态激光 器来产生在10至100微米范围内的光斑尺寸。可以增大光斑的尺寸，只要激光器的功率高 到足以产生对于给定光斑而言足以烧蚀所选材料的注量即可。由于光斑尺寸通常小于通道 的宽度，所以可以进行多遍以产生期望的通道。激光器的扫描速率和脉冲重复率确定脉冲之间的重叠。为了使吞吐量最大化并保 持切割的质量，根据所施加的注量，通常在50%至100%之间调整脉冲之间的重叠。可以将大约为几十kHz直到几百kHz的典型脉冲重复率与每个脉冲中的足够能量一起使用以烧蚀 材料。更高的重复率使得能够以更快的速率跨越表面扫描激光束。可以设计允许在宿主层102中形成连续通道106图案的扫描图案。该扫描图案可 以是光栅扫描图案，其由在通道达到期望尺寸之前、激光束跨越通道表面的基本上平行的 行进组成。可替换地，可以使用窗口扫描，也称为马道扫描(horse track scan).表面烧蚀可能留下不满足期望的表面和边缘平滑度公差的残留物或表面结构。可 以使用如前文所讨论的用于硅或玻璃的抛光蚀刻工艺或用于聚合物的热回流工艺来使通 道的表面和边缘在期望公差内。然后，通过激光烧蚀微加工和/或蚀刻形成的通道可以具 有添加的金属化层110。如前文所讨论和如图Ic Ie中所示的，可以在已经产生通道之后 在基础部分上结合具有所形成的金属化层126的盖部分120，以形成大芯径中空金属波导 150。在另一实施例中，如图Ib中所示，可以使用激光直接写入过程来在宿主层102中 形成通道106。在本实施例中，宿主层可以包括有诸如SU8之类的材料形成的负性光致抗蚀 剂或由诸如Siipley Ultra -i 123之类的材料形成的正性光致抗蚀剂。可以在包括FR-4 板、诸如聚碳酸酯之类的聚合物、硅上层压SU8等的衬底层104上形成宿主层。如可以认识 到的，可以使用喷墨、刮刀、旋涂、丝网印刷、或层压工艺来将由光致抗蚀剂组成的宿主层施 加于衬底层上。可以使用采用在紫外线波长范围内的输出频率、具有约100毫焦耳每平方厘米的 注量的激光器来对光致抗蚀剂进行曝光。在一个实施例中，可以在跨越表面扫描激光时使 用来自具有355纳米的波长的种子注入(injection-seeded)、三倍频Q开关Nd: YAG激光器 的约八纳秒的单个激光脉冲来适当地对光致抗蚀剂进行曝光。可以将诸如连续波长光源、 固态激光器、或具有变化脉宽和短于365 nm(i线)的波长的受激准分子激光器之类的其它 类型的激光器用于导致环氧树脂的阳离子光聚合的光致抗蚀剂前体中的光致变化。SU8提供作为宿主层的良好结构材料，在该宿主层中使用激光直接写入过程来 形成一个或多个通道106。SU8是负性光致抗蚀剂。因此，可以形成掩膜以在使用用紫 外线光源进行的广泛曝光来限定波导通道时覆盖通道区域106。对于直接写入图案化 (patterning)过程而言，可以使用例如计算机来控制激光器的扫描来以规定图案在通道外 面的材料上扫描激光以允许对通道外面的区域进行曝光和聚合。此过程可以用来制造在压 印过程中使用的模板。可以使激光直接写入过程中的射束尺寸最优化以产生目标结构。激光束应具有足 以在通道106内形成相对平坦的侧壁的Rayleigh长度。例如，在一个实施例中，该通道可 以具有约150微米的深度105和宽度107。在355纳米的波长下具有50微米光斑尺寸的激 光束可以具有约20毫米的Rayleigh范围，这使得能够实现用于150微米深的波导通道的 足够平坦的侧壁。可以在通道区外面的区域上扫描激光束以聚合材料并允许其去除。可替 换地，可以仅仅使通道周围和之间的区域暴露并将通道区域去除至约150微米的深度。诸如SU8之类的材料的显影和固化过程是众所周知的。该过程涉及在有机溶剂中 清洁并漂洗衬底104以提供良好的均勻涂布和粘附。然后，可以使用诸如旋涂、刮刀、丝网 印刷、喷墨等任何浇铸工艺来用SU8材料涂敷衬底以形成宿主层102。然后，可以使用前烘 焙来基本上去除SU8中的所有溶剂。如上文所讨论的，然后可以用激光来使通道106外面的材料曝光。可以将曝光后烘焙用于比玻璃转化温度高的温度下的环氧树脂的阳离子光致 聚合作用，并可以在乳酸乙酯溶液中逐渐产生结构，后面是漂洗和干燥过程。必要时，应用 同源(homogenous)紫外光下的整片曝光和附加烘焙步骤以防止SU8结构的流动。在另一实施例中，可以使用光结构化(photostructuring)工艺来在宿主层102中 形成通道106。光结构化包括用具有阈值以上的能量密度的紫外光来进行光敏玻璃的曝光。 例如，可以用具有约20焦耳每平方厘米的能量密度、以紫外线波长的激光来对具有约1毫 米的厚度的称为F0TURAN 的光敏玻璃进行曝光。激光可以在期望的区域上进行扫描以使 掩模图案曝光以在宿主层中形成通道。本示例中的激光可以具有在290至330纳米范围内 的波长。可替换地，可以使用由诸如铬或石英之类的材料制成的掩模来掩蔽除通道106之 外的区域。然后，可以使用汞灯来使通道区域曝光。然后，可以在约500 600 C的温度下 烘焙光敏玻璃达约两小时的时段。然后可以以约百分之十的浓度使用诸如氢氟酸之类的蚀 刻剂来蚀刻材料。被曝光区域的蚀刻速率约为每分钟10微米。未曝光区域的蚀刻速率约 为被曝光区域的蚀刻速率的1/20。这允许在约十五至二十分钟内形成具有约150微米的 深度和宽度的曝光列区域。然后，通过光结构化形成的通道可以具有附加的金属化层110。 如图Ic Ie中所示，在已经产生通道之后在基础部分上可以结合具有金属化层126的盖 部分120以形成大芯径中空金属波导150。在另一实施例中，如图3中的流程图中所描绘的，公开了用于制造用于指引相干 光的光子引导系统的方法600。该方法包括使用相干光来在宿主层102中形成610通道106 以形成波导的操作。该相干光可以用来使用激光烧蚀法、激光直接写入法、和光结构化法来 形成通道。波导被配置为将至少一个电路板上的电子电路互连。通道106具有基本上大于 相干光的波长的高度105和宽度107中的至少一个。该方法还包括施加620 —层高反射性 材料110以基本上覆盖通道106的内部的操作。附加操作包括在通道上耦合630盖体120 以形成大芯径中空波导150。盖体120包括高反射性材料层126。在另一实施例中，可以使用蚀刻来在宿主层中形成通道。例如，图如中所示的实 施例示出可以被蚀刻以产生三角形状波导202的以100晶向的硅晶片。可以使用TMAH或 氢氧化钾(KOH)来在用于硅晶片的提高的温度下以约每分钟0. 5微米的速率提供各向异性 蚀刻。该蚀刻过程以相对于与硅的表面正交的法线成约M度的角度产生具有三角壁的三 角形状的波导。可以使用由诸如二氧化硅或氮化硅之类的材料形成并使用软掩模用激光加工或 干法蚀刻工艺来图案化的硬掩模204来在硅宿主层206中限定波导202结构。可以在三角 形状的波导通道上形成金属化层208。可以将具有至少一个三角形状的波导通道202的一 个波导区段220倒转并放置在具有至少一个三角形状的波导通道的另一波导区段220上， 以形成具有至少一个基本上正方形的中空金属波导250的单个波导区段230，如图4b中所 示。如前文所讨论的，可以使用晶片级结合来接合具有三角形状波导的区段。图如中所示的另一实施例示出可以被蚀刻以产生具有倾斜的底部区域258的基 本上正方形形状的波导252的以110晶向的硅晶片。可以使用TMAH或氢氧化钾(KOH)来 在用于硅晶片的提高的温度下以约每分钟0. 5微米的速率提供各向异性蚀刻。可以使用由诸如二氧化硅或氮化硅之类的材料形成的硬掩模204来在硅宿主层206中限定波导252结构。然后，通过蚀刻形成的通道可以具有附加的金属化层208。如图 4d中所示，可以在已产生通道之后在基础部分245上结合具有金属化层226的盖部分沈0， 以形成至少一个大芯径中空金属波导270。通过以100晶向进行蚀刻形成的基本上正方形的大芯径中空金属波导250和具有 通过以110晶向进行蚀刻形成的倾斜底部区域的大芯径中空金属波导270可以形成有足够 光滑的侧面，使得其能够以最小的损耗载送光信号。使用蚀刻形成的波导的略微非正方形 的形状不足以基本上负面地影响通过中空金属波导的光信号的传播。在另一实施例中，如图5的流程图中所描绘的，公开了用于制造用于指引相干光 的光子引导系统的方法700。该方法包括使用蚀刻过程在宿主层206中形成710通道202、 252以形成波导的操作。波导可以被配置为将至少一个电路板上的电子电路互连。通道 202,252具有基本上大于相干光的波长的高度和宽度中的至少一个。该方法还包括施加 720 一层高反射性材料208以基本上覆盖通道202、252的内部。附加操作包括在通道202、 252上耦合730盖体220 J60以形成大芯径中空波导250、270，其中，所述盖体包括高反射 性材料层208。使用蚀刻工艺在宿主层206中形成通道202的操作还包括以100晶向蚀刻第一硅 宿主层206以在第一波导区段220中形成三角形状波导通道202的操作。还以100晶向蚀 刻第二硅宿主层以在第二波导区段220中形成三角形状波导通道202。第一波导区段和第 二波导区段被结合以形成具有至少一个基本上正方形的中空金属波导250的单个波导区 段 230。具有内部反射表面的大芯径中空金属波导可以充当用于将一个或多个印刷电路 板上的组件互连的相对廉价、低损耗的装置。引导装置的低损耗使得能够在商品产品中更 普遍地使用该装置，诸如在光学上将电子电路互连。电子电路可以包括电路，其中，从电路传送的电信号被转换成光信号，反之亦然。 电子电路还可以包括光回路，其可以在不需要转换的情况下直接使用光信号来进行通信。 可以在单个电路板上包含电子电路。可替换地，电子电路可以位于两个或多个单独电路板 上，并且可以使用波导来将板互连。通过使用倾斜的半反射表面来从这些波导分接并指引 光学信号也是相对容易的。由于常规波导的较大数值孔径，所以这对于常规波导而言实现 起来相当困难。例如，图6a示出具有内部反射表面的大芯径中空波导330。使用中空波导来耦合 两个电路板340。如前文所讨论的，较大的波导可以降低将板之间的波导互连的成本。波导 内的反射表面可以减少损耗，使得能够通过波导向邻接的电路板来传送相干光的低功率信 号。可以使用诸如单模激光器、多模激光器、或位于电路板中的一者或两者上的发光装置之 类的相干光装置来传送相干光。可以在电路板中的一者或两者上包括准直透镜并将其光学 地耦合到波导。该准直透镜可以减少由多次反射引起的光的较高阶模的损耗。在制造过程 中，中空波导330互连可以被配置为被耦合到板之间。可替换地，可以将中空波导形成为连 接器和/或线缆(cable)，在其被制造出来之后可以被连接到所述板。具有内部反射表面的中空波导330还可以用于将单个电路板340上的电子组件 345互连，如图6b中所示。电子组件可以用于将来自于一个波导的光改向到另一个波导。 可替换地，通过以距射束约45度的角插入改向装置348而相对容易地实现九十度转弯。可以使用例如具有有角度刀片的切割锯，如图6c中所示地在中空波导330中切割槽352。可 以根据在插入微光学结构或光学微机电系统的情况下的光信号的要求路由，使用斜面刀片 (beveled blade)或有角度刀片(angled blade)。可替换地，可以将用于针对聚合层中的 波导通道形成所述的硅或玻璃或类似图案化技术的激光微加工或微铣削工艺用于分离器 (splitter)槽形成。该槽可以持续至衬底中以提供附加的结构支撑以附着改向装置。可以 使用粘合剂将改向装置耦合到波导。如可以认识到的，改向装置可以是镜子。可替换地，如 果只期望使光的一部分改向，则还可以使用光束分离器、光圈、半透明镜、衍射光栅、或散射 器或类似类型的光学装置来替代镜子。可以以二维阵列和三维阵列来形成使用已经讨论的工艺所形成的每个大芯径中 空金属波导以使得能够指引多个信号。例如，图7a示出了中空波导430的二维阵列400。如 前文所讨论的，每个波导可以被反射材料402围绕。可以在衬底或宿主材料408上构造波导 阵列，重复前文所公开的方法或与常规的平版印刷、压印、或注塑成型工艺组合的方法。用 诸如压印、注塑成型、常规平版印刷、或本文所述方法之类的方法限定的通道图案化层的连 续堆叠或层压可以以低成本制造波导阵列，并将光学层与FR4板上或内部的电气层集成。 图7b示出了在衬底或宿主材料408上构造的中空波导430的三维阵列450。图7c示出了被耦合到电路板的中空波导430的阵列400。该阵列可以是在单层电 路板中构造的二维阵列。可替换地，该阵列可以是在两层或更多层电路板上构造的三维阵 列。电路板可以充当阵列中的每个中空波导可以被附着到的衬底408。在一个实施例中， 可以将电路板配置为光学底板(optical backplane) 4250可以将相干光指引到每个波导 中。可以将诸如分光器之类的耦合装置422配置为在所选位置处将被引导的多模相干光束 的至少一部分指引到波导之外。如前文所讨论的和图6c中所示的，可以通过在中空波导中 形成槽来插入(一个或多个)射束分离器。光学地耦合的波导可以与底板正交，虽然可以使 用基本上任何角度。使多模相干光改向到电路板平面外面可以使得能够将诸如子板420之类的多个 电路卡光学地耦合到底板425。可以使被编码在相干光信号上的高数据速率信息从底板改 向或分布到所述多个子板。具有反射内部涂层的大芯径中空波导使得能够向多个不同的板传送高数据速率 信息。中空波导的低损耗使得能够将单个光学信号路由到多个其它波导中。通过每个波 导引导的相干光束可以以每秒几十千兆位(gigabit)或更高的速率载送数据。光束本质上 以光速传播，因为模(mode)的指数(index)几乎是一(unity)，这导致基本上最小的传播延 迟。由中空波导实现的光学互连提供用于基本上增加芯片和电路板之间的吞吐量的廉价装 置。虽然前述示例以一个或多个特定应用来说明本发明的原理，但对于本领域的普通 技术人员来说将显而易见的是，在没有行使发明权力且在没有违背本发明的原理和概念的 情况下，可以进行实施方式的形式、使用和细节方面的许多修改。因此，除了由下文阐述的 权利要求之外，并不意图限制本发明。
权利要求
1.一种用于制造用于指引相干光的光子引导系统的方法，包括使用选自由对通道(106)进行锯割、模制、和压印组成的组的至少一个工艺在宿主层 (102)中形成通道(106)，以形成被配置为将至少一个电路板上的电子电路互连的波导，其 中，通道(106)具有基本上大于相干光的波长的高度(105)和宽度(107)中的至少一个； 施加一层高反射性材料(110)以基本上覆盖通道(106)的内部； 在所述通道上耦合盖体(120)以形成大芯径中空波导(150)，其中，所述盖体包括高反 射性材料层(1沈)。
2.如权利要求1所述的方法，还包括使用切割锯在宿主层(102)中形成通道(106)。
3.如权利要求1所述的方法，还包括使用具有刀片的切割锯在宿主层(102)中形成通 道(106)，所述刀片具有基本上与通道的宽度(107)相同的厚度以允许以一遍形成通道。
4.如权利要求1所述的方法，还包括用抛光蚀刻对通道(106)的表面进行抛光以使表 面平滑化，从而使得该表面具有在期望公差内的平均平滑度。
5.如权利要求1所述的方法，还包括将多个层层压在一起以形成将在其中形成通道(106)的宿主层(102)。
6.如权利要求1所述的方法，还包括层压多个大芯径中空金属波导(150)以形成具有 大芯径中空金属波导的三维阵列(160)的三维结构。
7.如权利要求1所述的方法，还包括在宿主层(102)中形成通道(106)，其中，宿主层 由聚合物组成，并且使用压印工艺和模制工艺之一在聚合物中形成通道。
8.一种用于制造用于指引相干光的光子引导系统的方法，包括使用相干光在宿主层(102)中形成通道(106)以形成被配置为将至少一个电路板上的 电子电路互连的波导，其中，通道(106)具有基本上大于相干光的波长的高度(105)和宽度(107)中的至少一个；施加一层高反射性材料(110)以基本上覆盖通道(106)的内部； 在所述通道上耦合盖体(120)以形成大芯径中空波导，其中，所述盖体包括高反射性材 料层(1洸)。
9.如权利要求8所述的方法，其中，使用相干光在宿主层(102)中形成通道(106)还包 括使用激光来烧蚀宿主层中的材料以形成通道。
10.如权利要求8所述的方法，其中，使用相干光在宿主层(102)中形成通道(106)还 包括使用激光来对宿主层的所选区域进行曝光，以使得能够通过去除宿主层的被曝光和 未曝光区域之一以形成通道(106)来形成通道。
11.如权利要求8所述的方法，其中，使用相干光在宿主层(102)中形成通道(106)还 包括使用激光来对宿主层(102)中的所选通道区域进行曝光，其中，所述宿主层是光敏玻 璃，以及蚀刻被曝光的通道区域以形成通道(106)。
12.一种用于制造用于指引相干光的光子引导系统的方法，包括使用蚀刻工艺在宿主层(206)中形成通道(202、252)以形成被配置为将至少一个电路 板上的电子电路互连的波导，其中，通道(202、252)具有基本上大于相干光的波长的高度和 宽度中的至少一个；施加一层高反射性材料(208)以基本上覆盖通道(202、252)的内部； 在通道(202、252)上耦合盖体(220、260)以形成大芯径中空波导(250、270)，其中，所述盖体包括高反射性材料层(208 )。
13.如权利要求12所述的方法，其中，使用蚀刻工艺在宿主层(206)中形成通道(202) 还包括以100晶向蚀刻第一硅宿主层(206)以在第一波导区段(220)中形成三角形状的波导 通道(202)；以100晶向蚀刻第二硅宿主层，以在第二波导区段(220)中形成三角形状的波导通道 (202)；以及将第一波导区段和第二波导区段结合以形成具有至少一个基本上正方形的中空金属 波导(250)的单个波导区段(230)。
14.如权利要求12所述的方法，其中，使用蚀刻工艺在宿主层(206)中形成通道(202) 还包括以110晶向蚀刻硅宿主层(206)以形成具有倾斜底部区域(258)的基本上正方形形状 的波导(252)；在通道(252)上耦合盖体(260)以形成大芯径中空波导(270)，其中，所述盖体包括高 反射性材料层(208)。
15.如权利要求12所述的方法，其中，高反射性材料层(208)由被用作宿主材料上的 粘附改善层的钛缓冲层、氮化铝钝化层、和银反射金属层组成。
全文摘要
公开了用于制造用于指引相干光的光子引导系统的方法。该方法包括使用锯割、激光烧蚀、光致抗蚀剂的激光直接写入、光结构化、和蚀刻中的至少一个工艺在宿主层(102)中形成通道(106)。施加一层高反射性材料(110)以基本上覆盖通道(106)的内部。在通道(106)上耦合具有高反射性材料层(126)的盖体(120)以形成大芯径中空波导(150)。
文档编号G02B6/13GK102089688SQ200880130272
公开日2011年6月8日 申请日期2008年5月9日 优先权日2008年5月9日
发明者R. 拉尼 C., 叶 J., 迈尔 N., K. 罗森伯格 P., N. 比克内尔 R. 申请人:惠普开发有限公司