专利名称：光耦合装置的制作方法
技术领域：
该发明涉及光耦合装置，该装置基于波导和使用衍射耦合元件耦合到达或来自波导的光辐射。
背景技术：
光学在例如照明技术，医学，工业测量和监测应用，以及电信技术中起着重要的作用。传统光学系统包括相互放置间距较大的宏观部件，并且特别复杂的光学系统的尺寸可达1立方米。在集成光学系统中，目的是光--机--电一体化，以便使用波导光学元件，组合光学元件或平面集成光学元件来降低尺寸。
集成显微技术经常采用衍射光学元件，其部件包括用于根据期望操纵光辐射的微结构。例如，衍射部件被用作透镜，分束器，强度分布调节器(modifier)，反射镜，光学安全号料(optical safetymarking)，滤镜，抗反射表面或极化调节器。
衍射部件被用作光耦合装置中的元件，该耦合装置基于基底波导并包括玻璃基底。其光学功能取决于聚合物内折射系数变化的衍射元件可采用全息曝光以干涉量度技术(interferometrically)制成于基底表面上。另一种选择是将玻璃基底(或石英基底)的表面进行蚀刻和金属镀层处理，在这种情况下，衍射部件的光学功能基于对玻璃和金属之间界面轮廓产生的改变。这样的元件可被用来耦合波导和环境之间的光辐射。这种基于基底波导的光耦合装置特别适用于通讯技术中设备的底板(backplane)，因为这样可降低电路板内和电路板之间的电气传输。这种解决方案在例如G.Kim，R.T.Chen的题目为“三维互连多汇流线双向光学底板”的出版物，光学仪器工程师协会，光学工程，38(9)，1560-1566和1999页中有详细描述，本文参考引用了该文献。
基于基底波导的光耦合装置存在的问题是，其在工业上的应用不理想，原因是制造衍射元件必须对基底进行蚀刻和金属镀层处理，或者必须制备全息图案。这些工作只能在实验室中手工完成，其结果是耦合装置十分昂贵，不仅制造缓慢，而且由于部件对准误差而质量低下。因此，由于工业应用中需要的是量产，满足电信应用的需求的大量生产是不可能的。
发明内容
本发明的目的是提供一种改进的制造方法，耦合装置和制造耦合装置的设备，其允许简化制造，并且量产成为可能，同时保证产品质量。
通过制造光耦合装置的方法来达到本发明的目的，该装置包括基底波导，和至少一个用来在基底波导和环境之间耦合光辐射的耦合元件。此外，本发明的方法包括在相同复制过程中同时制造聚合物材料的耦合装置中的基底波导和至少一个耦合元件的步骤，其中通过使聚合物材料与复制模(replication mould)贴合，从而通过聚合物材料形成至少一个衍射耦合元件，所述复制模包括至少一个衍射耦合元件的表面轮廓模型(surface profile model)，其中通过显微光刻技术(micro lithography)将表面轮廓模型光刻到复制模中。
该发明还涉及一种光耦合装置，该光耦合装置包括波导结构，和在波导结构和环境之间耦合光辐射的至少一个耦合元件。另外，耦合装置中的基底波导和至少一个耦合元件由聚合物构成，并且在同一复制过程中同时制造，并且通过使聚合物材料与复制模贴合，制造基底波导的至少一个衍射耦合元件，所述复制模包括至少一个衍射耦合元件的表面轮廓模型，其中通过显微光刻技术将表面轮廓模型光刻到复制模中。
本发明还涉及制造光耦合装置的设备，光耦合装置包括波导结构，和在波导结构与环境之间耦合光辐射的至少一个耦合元件。该设备包括在同一复制时间制造波导结构和与波导结构相关的至少一个衍射耦合元件的聚合物复制模；复制模包括至少一个衍射耦合元件的表面轮廓模型，耦合元件的表面轮廓模型通过显微光刻技术被光刻到复制模中，并且该设备被构造成通过使波导结构的聚合物材料与复制模和表面轮廓模型贴合，在波导结构的聚合物中形成至少一个衍射耦合元件。
本发明的优选实施列在从属权利要求中公开。
本发明基于这样的构思这里所需的基底波导和至少一个表面光刻衍射耦合元件在一个复制过程中同时由聚合物制成，其功能基于光辐射的穿透。衍射耦合元件根据需要耦合到达或来自波导的光辐射。通过使用包括聚合物材料的衍射图案的模具，在复制阶段形成衍射耦合元件。
本发明的方法和系统具有若干优点。包括波导结构、在波导结构与环境之间耦合光辐射的耦合元件的耦合装置的制造被简化，并且其制造周期被缩短，制造成本被降低。另外，该方案使得大批量生产成为可能，并且不会出现质量问题。
下面参照优选实施列及附图对本发明进行详尽的描述。
图1A示出了模制之前的注塑过程，图1B示出了模制期间的注塑过程，图1C示出了基底上的光刻聚合物层，图1D示出了具有金属覆层的聚合物层，图1E示出了金属表面上提供的金属层，图1F示出了形成衍射图案的板，图2A示出了如何通过填充系数控制光栅的衍射效率，图2B示出了如何通过沟槽深度控制光栅的衍射效率，图3示出了耦合元件和波导的功能，图4示出了如何在几个电路板之间耦合光辐射，图5示出了多通道多维耦合装置。
具体实施例方式
存在若干个聚合物材料复制工艺，如注塑工艺和热模塑工艺，但并不限于此。图1A和1B例示了注塑方法的原理。图1A的注塑装置包括含有盖子100和底座102的模具。另外，注塑装置包括具有液态聚合物106的送料夹具(feed clamp)104。盖子100配有用来压制或模塑微结构的模型1002，模型1002通常被放置于单独制造的模板(pattern plate)，如印刷板或具有衍射图案的其它板上。在图1B中，盖子100被固定于模具的底座102上，液态聚合物块被压入或注入模具中。与模具相似的部件108在模具中形成，并且其形状依照模型1002的微结构被压在部件108的表面上。于是，熔化的塑料依照模型的结构成形，并被压向模型1002。
在所示的解决方案中，被复制的部件为基底波导，在其表面上可制造作为微结构的至少一个光耦合元件。光耦合元件耦合基底波导和环境之间的光辐射。在复制过程中，以下述方式同时用聚合物材料制造耦合装置中的基底波导和至少一个耦合元件当基底波导正被制造时，通过例如按压、模塑或挤压使聚合物材料与复制模贴合，从而用聚合物材料形成一或多个衍射耦合元件。复制模还包括至少一个衍射耦合元件模型，该模型通过显微光刻技术被光刻到模具中。衍射耦合元件模型通常位于模板中，该模板是模具的一个组成部分。这样，衍射耦合元件特定地基于表面结构形式(凹陷和凸起)，并且基于光辐射穿透衍射耦合元件这一事实，但不基于折射系数差或耦合元件区域内材料的反射。
让我们仔细研究在图1C-1F中如何制造模板。衍射耦合元件模型通过显微光刻技术被制入模具中，此技术允许制造显微调制的表面轮廓。一典型工艺如下所述。薄的聚合物抗蚀层被施涂在石英或硅片基底上或另一相应基底150上。聚合物抗蚀层对电子辐射，离子辐射或光辐射很敏感，这意味着其特性在辐射过程中发生变化，以致被照射或未被照射的区域在照射后可被化学溶解。
通过在射束相对基底移动的同时形成期望图案的方式，使用聚焦电子束，离子束或光束在聚合物抗蚀层上形成期望图案。于是，或者射束移动，或者基底移动。可选地，可以通过包含期望图案的掩模使用光子照射，使得掩模与聚合物抗蚀层紧密接触，或将图案光刻到聚合物抗蚀层上。在此之后，聚合物抗蚀层被显影，或对其进行化学处理，其中抗蚀剂被完全溶解(光栅类型1，图2A)，或者抗蚀剂被溶解到取决于局部照射量的深度(光栅类型2，图2B)。
这样，与期望结构相似的母结构(master structure)152被获取，但具有软聚合物抗蚀剂。接下来，此结构被复制到允许进行大批量生产的金属模板上。由抗蚀剂形成的母结构被涂上一薄金属层154，这样就形成了导电的表面。涂敷可以采用汽化或溅涂工艺进行，涂层厚度通常最多为几十纳米。为使模板坚固，薄金属层再被电解提供诸如镍的金属156。通过将带有金属的模板与母结构分离来获取实际的模板158。带镍模板158的厚度一般为几十微米。
模板158被置入形成为期望部件的模具中。当模具采用塑料升级技术被充满塑料时，带有镍的模板将期望的微结构压制或形成到塑料基底波导上。如欲进行大规模生产，注塑技术是个好的选择，但采用热模塑技术或紫外线固化粘接剂也可制造衍射耦合元件。
用光耦合元件中的表面轮廓化光栅结构将期望量值的光辐射例如从光功率源或波导耦合到检测器。耦合多少光辐射到达或来自波导取决于每个光栅的衍射效率，其中通过例如使用耦合元件中表面轮廓的槽宽度和槽深度来控制每个光栅的衍射效率。
图2A中，填充系数的变化影响衍射效率(光栅类型1)。这样，二进制光栅的深度是恒定的，并且通过改变光栅的槽宽来控制衍射效率。总之，目的是获取从基底波导208至与耦合元件相对应的检测器的均匀光功率(或从光功率源至波导的均匀功率)。所以，对于第一个耦合元件200来说，填充系数是最低的(低于0.5)，而对于最后一个耦合元件202，其填充系数是0.5，所基于的事实为凹槽和凸起的宽度相等。
图2B示出了二进制光栅204至206，其填充系数恒定为例如0.5，并且通过改变光栅轮廓的槽深来控制衍射效率(光栅类型2)。然后，第一个耦合元件204的光栅轮廓深度最小，并且当衍射效率要增加时，增加深度。最后的耦合元件206具有最深的光栅槽。然而图2A和2B中所示的解决方案仅仅是有关如何获取期望的均匀耦合效率或期望的耦合效率分布的例子。
除二进制表面轮廓之外，也可使用其它表面轮廓形式。例如，可以使用锯齿形图案。事实上，耦合元件中的光栅可按任何图案来实现。
图3示出了基底波导和耦合元件的基本功能。光功率源300发射使用透镜302汇集的光辐射。透镜302对于本发明来说并不是必须的。光功率源300是例如LED二极管(发光二极管)，或以类似脉冲的方式发送信号的激光。在本申请中，光辐射是指电磁辐射，该电磁辐射从紫外辐射开始并继续到红外区域，波长段范围为40nm至1mm。然而，对于本发明来说，光功率源或其功能并不相关。可以在与基底波导和耦合元件相同或不同的工艺中使用复制方法在相同或不同时间由聚合物材料制成透镜302。透镜302被接近地放置于几乎接触耦合元件304的位置处，使用球状物(图3中未示出)将透镜与耦合元件304分离开，在复制阶段对于基底波导或透镜来说，制造这些球状物是件十分容易的事。透镜可为微透镜，如渐变折射率GRIN(渐变折射率)透镜。透镜也可是二进制的，在这种情况下，透镜可被集成以构成耦合元件304的二进制光栅结构的一部分，也可作为分立的部件。另外且可选地，透镜也可被放置于耦合元件304和基底波导306之间。
透镜302使用准直或聚焦将光辐射引向耦合元件304，该元件按照使光辐射行进并同时发生全反射的角度，以期望的效率将光辐射传输至基底波导306。可以使用耦合元件308将光辐射从基底波导输送，其中使用透镜310汇集从耦合元件308辐射到环境中的光辐射。透镜310将光辐射聚焦到通常是半导体检测器的检测器312上。然而，透镜310对于本发明来说不是必须的。像透镜302一样，也可以在与基底波导和耦合元件相同或不同的工艺中使用复制方法在相同或不同时间由聚合物材料制成透镜310。透镜310被接近地放置于几乎接触耦合元件308的位置处，使用球状物(图3中未示出)将透镜与耦合元件308分离开，在复制阶段对于基底波导或透镜来说，制造这些球状物是件十分容易的事。透镜310可为微透镜，如渐变折射率GRIN(渐变折射率)透镜。透镜也可是二进制的，在这种情况下，透镜可被集成以构成耦合元件310的二进制光栅结构的一部分，也可作为分立的部件。透镜可采用衍射方式被制造，或在制造阶段，采用与耦合元件同样的方法，被制造成均匀波导的折射表面轮廓。
图4示出了允许在几个电路板之间传输光信号的光学底板。在这个例子中，光信号从2个电路板400和402发送，并被3个电路板404至408所接收。使用耦合元件410和412，将光信号耦合到基底波导414，并使用耦合元件416至420，将光信号连接到电路板404至408的检测器。
图5示出了多通道二维耦合装置。光功率源500和502向耦合元件504和506发送光辐射，耦合元件504和506将光辐射耦合到基底波导508，致使一些光辐射斜射向基底波导的背面。以这种方式引导的光辐射在波导中行进并发生全反射。光辐射前进至耦合元件510，该元件将光辐射耦合到检测器512。接下来，有些光辐射竖直降落在基底波导的两个表面上，并且击中检测器514。倾斜耦合到基底波导的辐射和竖直穿透的辐射形成2个具有不同维度的不同通道。同样，由第二个光功率源502发送的光辐射通过耦合元件506被耦合到基底波导508，其中光辐射通过耦合元件510行进至检测器512。到达检测器512的不同光功率源的光辐射在相同的维度上，但沿着不同的通道传输。例如通过使用调制，可使通道的方向彼此分离。光功率源500和502可以是垂直空腔表面发射激光源(VCSEL)，但不限于此。
虽然参照附图中的例子对发明进行了说明，然而很明显，发明不限于上述说明，而是在不偏离如所附权利要求公开的发明范围的前提下，可通过多种方式进行修改。
权利要求
1.制造光耦合装置的方法，光耦合装置包括基底波导(208，306，414，508)和至少一个耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)，所述至少一个耦合元件用于在基底波导(208，306，414，508)和环境之间耦合光辐射，其特征在于包括步骤在相同复制过程中同时在聚合物材料的耦合装置中制造基底波导(208，306，414，508)和至少一个耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)，其中通过使聚合物材料与复制模(1000)贴合，在聚合物材料中形成至少一个衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)，复制模包括至少一个衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)的表面轮廓模型(1002)，其中通过显微光刻技术将该模型光刻到复制模中。
2.根据权利要求1的方法，其特征在于，衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)的表面轮廓模型(1002)，以下述方式通过显微光刻技术被光刻到复制模中的模板(158)上涂在为表面轮廓模型(1002)提供的基底上的抗蚀剂通过辐射被光刻以便与衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)相一致，并且使用电解工艺在基底上形成包含衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)的图案的模板(158)。
3.根据权利要求1的方法，其特征在于，衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)的模型(1002)，以下述方式通过显微光刻技术被光刻在复制模中的模板(158)上使用电子辐射，离子辐射或光辐射，对涂在为表面轮廓模型(1002)而提供的基底上的抗蚀剂进行光刻，使其与衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)相一致，并且使用镍电解工艺在基底上形成包含衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)的图案的模板(158)。
4.根据权利要求1的方法，其特征在于，在基底波导(208，306，414，508)中以不止一个维度形成若干光通道，并且针对每个通道形成至少一个衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)。
5.一种光耦合装置，包括波导结构(208，306，414，508)和至少一个衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)，所述至少一个衍射耦合元件用于在波导结构(208，306，414，508)和环境之间耦合光辐射，其特征在于，耦合装置中的基底波导(208，306，414，508)和至少一个衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)由聚合物材料制成，并且在相同复制过程中同时制成，通过使聚合物材料与复制模(1000)贴合，制造基底波导(208，306，414，508)的至少一个衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)，复制模包括至少一个衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)的表面轮廓模型(1002)，其中通过显微光刻技术将该模型光刻到复制模中。
6.根据权利要求5的耦合装置，其特征在于，复制模包括模板(158)，其中衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)的表面轮廓模型(1002)，以下述方式通过显微光刻技术被光刻到模板(158)上涂在为表面轮廓模型(1002)提供的基底上的抗蚀剂通过辐射被光刻以便与衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)相一致，并且使用电解工艺在基底上形成包含衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)的图案的模板(158)。
7.根据权利要求5的耦合装置，其特征在于，复制模包括模板(158)，其中衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)的表面轮廓模型(1002)，以下述方式通过显微光刻技术被光刻在模板(158)上使用电子辐射，离子辐射或光辐射，对涂在为表面轮廓模型(1002)而提供的基底上的抗蚀剂进行光刻，使其与衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)相一致，并且使用镍电解工艺在基底上形成包含衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)的图案的模板(158)。
8.根据权利要求5的耦合装置，其特征在于，基底波导(208，306，414，508)包括具有不止一个维度的光通道，并且为每个通道提供至少一个衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)。
9.制造光耦合装置的设备，其中光耦合装置包括波导结构(208，306，414，508)和在波导结构(208，306，414，508)与环境之间耦合光辐射的至少一个耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)，其特征在于，该设备包括聚合物材料的复制模(1000)，用于在相同复制时间制造波导结构(208，306，414，508)，以及与波导结构(208，306，414，508)相关的至少一个耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)，复制模(1000)包括至少一个衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)的表面轮廓模型(1002)，耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)的表面轮廓模型(1002)通过显微光刻技术被光刻到复制模(1000)中，该设备被构造成，通过将波导结构(208，306，414，508)的聚合物材料(1002)与复制模(1000)和表面轮廓模型(1002)贴合，用波导结构(208，306，414，508)的聚合物材料形成至少一个衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)。
10.根据权利要求9的设备，其特征在于，复制模(1000)包括模板(158)，其中模板作为表面轮廓模型(1002)通过显微光刻技术被光刻到复制模中，以下述方式制造模板涂在为表面轮廓模型(1002)提供的基底上的抗蚀剂通过辐射被光刻以便与衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)相一致，并且使用电解工艺在基底上形成包含衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)的图案的模板(158)。
11.根据权利要求9的设备，其特征在于，复制模(1000)包括模板(158)，其中模板作为表面轮廓模型(1002)通过显微光刻技术被光刻到复制模中，以下述方式制造模板使用电子辐射，离子辐射或光辐射，对涂在为表面轮廓模型(1002)而提供的基底上的抗蚀剂进行光刻，使其与衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)相一致，并且使用镍电解工艺在基底上形成包含衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)的图案的模板(158)。
12.根据权利要求9的设备，其特征在于，复制模(1000)包括作为表面轮廓模型(1002)的模板(158)，其中将衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)中的表面轮廓模型(1002)光刻在该模板上，该设备被构造成将复制模的模板(158)压向聚合物材料，以形成衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)。
13.根据权利要求9的设备，其特征在于，该设备被构造成按照不止一个维度将若干光通道形成到基底波导(208，306，414，508)中，并且该设备还被构造成为每个光通道形成至少一个衍射耦合元件(200至206，304，306，410，412，416至420，504，506，510)。
全文摘要
此发明是关于制造光耦合装置的方法和设备，以及特定耦合装置。耦合装置中的基底波导(306)和至少一个耦合元件(304，306)在相同时间，相同复制过程中由聚合物制造。然后，通过使聚合物与复制模贴合，通过聚合物材料制造至少一个衍射耦合元件(304，306)，该复制模包括至少一个衍射耦合元件(304，306)的表面轮廓模型，其中通过显微光刻技术将轮廓模型光刻到复制模中。
文档编号G02B6/122GK1502052SQ02808091
公开日2004年6月2日 申请日期2002年4月11日 优先权日2001年4月12日
发明者马科·帕里卡, 加利·特伦宁, 特伦宁, 马科 帕里卡 申请人:诺基亚公司