基于mems的薄膜分束器的制作方法

专利名称：基于mems的薄膜分束器的制作方法
基于MEMS的薄膜分束器
背景技术：
随着电路板上的计算机芯片速度增加到越来越快的速度，芯片间通信的通信瓶颈 正成为较大的问题。一种可能的解决方案是使用光纤来互连高速计算机芯片。然而，大多 数电路板都包括许多层并且常常要求其制造中的公差小于1微米。物理地放置光纤并且将 光纤连接到芯片可能太不精确和费时而不能在电路板制造工艺中被广泛采用。在电路板的范围内和电路板之间对光学信号进行路由可能增加显著的附加复杂 度。因此，尽管需要宽带数据传输，但是芯片之间的可出售光学互连已经被证明是难以实现 的。


结合附图、根据下面的详细描述，本发明的特征和优点将变得显而易见，所述详细 描述和附图一同作为示例示出本发明的特征。能够容易理解，这些附图仅仅描绘本发明的 示例性的实施例，并且不应被认为是限制其范围，并且在此在附图中一般性地描述和示出 的本发明的部件可以以多种多样不同的配置来布置和设计。但是将通过使用附图以附加的 详情和细节来描述和说明本发明，附图中图1是常见光学波导应用中的常规分束器的操作的图示；图2示出了根据本发明的示例性实施例的在制造工艺中的中间步骤以后的基于 MEMS 的薄膜分束器(pellicle beamsplitter)；图3是图2的实施例的沿着截线A-A所取的局部视图；图4是根据本发明示例性实施例的基于MEMS的薄膜分束器的图示；图5是与具有单个光学互连的光学波导一起使用的图4实施例的应用的图示；图6是与具有多个光学互连的光学波导一起使用的图4实施例的应用的图示；图7是示出了根据本发明实施例的基于MEMS的薄膜分束器的非偏振化能力的曲 线图；图8是示出了根据本发明实施例的基于MEMS的薄膜分束器的非偏振化能力的曲 线图；图9是描绘根据本发明实施例的用于制造基于MEMS的薄膜分束器的方法的流程 图；图10是根据本发明示例性实施例的基于MEMS的薄膜分束器的图示；图11是根据本发明另一示例性实施例的基于MEMS的薄膜分束器的图示；以及图12示出了根据本发明又一示例性实施例的基于MEMS的薄膜分束器。
具体实施例方式下面对本发明的示例性实施例的详细描述参考附图，所述附图构成所述描述的一 部分并且在所述附图中以说明的方式示出了其中可以实施本发明的示例性实施例。尽管这 些示例性的实施例被足够详细地描述以使得本领域的技术人员能够实施本发明，但是应当理解，在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以实现其它的实施例，并且可以对本发明 作出各种改变。因此，下面对本发明的实施例的更详细描述并不旨在限制所要求保护的发 明范围，而是仅仅出于说明目的而给出的，以便描述本发明的特征和特性；阐述本发明的 最佳操作模式；以及足以使得本领域的技术人员能够实施本发明。因此，本发明的范围仅仅 由所附权利要求书来限定。参考附图将最佳地理解下面对本发明的示例性实施例的详细描述，其中本发明的 元素和特征由贯穿全文的标记来标出。一种用于构造电路板上的计算机芯片之间的光学互连的方法是使用形成在该电 路板上的光学波导。由于使用光刻或类似的工艺在电路板上形成波导这一能力，光学波导 可以在用于互连电子装置方面比基于玻璃的光纤更优秀。用在这些互连系统中的波导通 常以基本上光学透明的材料、比如聚合物和/或电介质被形成在电路板上。使用光刻或类 似的制造工艺所制造的光学波导也可以被形成在其它类型的未被安装在电路板上的衬底 上。例如，光学波导可以被形成在柔性衬底上以产生具有一个或多个光学波导的带状电缆 (ribbon cable)0以这种方式形成光学波导可以提供如下的互连所述互连被构造为具有用在现代 多层电路板上所需的物理公差。然而，聚合物、电介质以及可以在芯片和电路板制造中被用 于形成板载波导的其它材料通常比基于玻璃的光纤损耗明显更大。实际上，板载波导中的 损耗量已经成为限制对光学波导互连的认可的因素之一。用于构造波导的聚合物可以具有 每厘米0. IdB的损耗。相比之下，玻璃纤维中的损耗为大约每千米0. ldB。因此，实芯聚合 物波导可以具有比基于玻璃的光纤中的损耗大若干数量级的损耗。另外，实芯波导经常被制造为具有与其被设计为载送的光的波长大致成比例的尺 寸。例如，被配置为载送IOOOnm光的单模波导可以具有的最大尺寸为0.5 μ m(500nm)至 8 μ m,而多模波导可以具有稍微更大的尺寸，对于芯区域大约为20-60 μ m。但是由于光学波 导的极小的尺寸，连接被形成在电路板上的任何光学波导可能是昂贵的和具有挑战性的， 这从历史角度来看减少了光学波导在大多数常见应用中的使用。另一种呈现出低损耗的光学波导是空芯金属波导。这是一种具有空气芯并且在周 围壁上具有高度反射涂层的波导。通常，其可以具有圆形、矩形或椭圆形的尺寸为大约50 至1000 Dm的横截面。这些波导具有大约< 0.05dB/cm的低损耗。必须使用准直透镜来 激发低损耗模。这些低损耗模具有与波导壁成几乎掠过的入射角行进的射线。这些模的传 播损耗取决于射线在其沿着波导的长度传播时所经历的反弹或反射的次数。使用空芯金属波导对所导引的光学射束进行分束和分接可能难以实现。举例来 说，图1中示出了将现有分束器技术与小波导相集成的一个问题。由于波导2和光学抽 头4的超小尺寸，波导内的光学通路的直径可以与分束器6的厚度8的数量级相同。如果 沿着相同光学波导顺序地添加多个光学抽头，并且所有分束器被定向为沿相同方向重定向 光束(这在电路板安装的光学背板光学地连接到多个子卡的情况下可能发生)，则该侧向 (lateral)位移16或射束走离可能增加。每个光学抽头可能增加附加的位移，直到射束处 于所期望的透射区域之外为止，从而导致由于与波导的侧面相耦合造成的显著损耗。常规的分束器技术中固有的另一问题是，分束器对于输入射束的不同偏振具有不 同的分束比(反射率与透射率)这一必然趋势。这是由于这样的事实平面内P分量和正交S分量的菲涅耳反射系数对入射角具有不同的依赖性。因此，使用低成本非偏振多模激 光器、比如VCSEL可能导致偏振引起的强度噪声，所述噪声取决于受调制的激光的偏振态。 为了进行补偿，要么必须使非偏振多模激光器的功率输出加倍，要么必须使用产生合适地 对准的偏振的相干光束的单模激光器。两种替代方案都显著增加可能使用多个光学波导和 许多激光器光源的光学系统的总成本。此外，当使用沿着光学波导2的多个光学抽头4时，可能有利的是，控制分束器6 的功率抽头比(tap ratio)，该比也被称为光学设备的入射能与透射能之间的比。例如，如 果沿着波导的每个光学抽头都具有相同的功率抽头比，则反射光学射束将随着沿着光学背 板移动而具有越来越小的强度，因为进入随后的抽头中的光学射束的总强度已经被之前的 光学互连按比例地减小。在光学背板具有多个互连位置的情况下，可能有用的是，选择各个 抽头位置的功率抽头比，以平衡反射光学射束的强度。由于上面所鉴定出的不足，已经认识到需要一种廉价的光学互连，其既能更简单 地与其它波导和光学设备互连，又能显著减少光学波导中的损耗量。而且已经发现，可以 通过使用如下的分束器来最小化损耗该分束器被配置为实现沿着相同通路的多个光学抽 头，其中所述光学抽头产生与光学波导的中心的最小侧向位移并且给光学射束提供基本上 非偏振的路径。另外已经认识到，用于形成光学互连的方法可以提供对光学设备的功率抽 头比的精确控制。本发明描述了用于制造基于MEMS (“微机电”)的薄膜分束器的一种方法和一种系 统，所述薄膜分束器允许沿着光学波导的一个以上的光学抽头。该方法提供一种低成本的 易于制造的薄膜分束器，所述薄膜分束器既是非偏振的，又可以被配置成具有为沿着光学 波导的每个抽头位置选择的特定功率抽头比。此外，由于本发明的薄膜分束器也是非偏振 的，因此可以使用低成本的多模激光器、而不是更昂贵的单模激光器来驱动光学系统。由于 该薄膜分束器与常规的系统相比显著减少射束走离，因此所得到的光学系统损耗低得多， 这导致通过降低激光器功率要求而进一步降低成本。参考图2，示出了本发明的在已经完成制造工艺中的若干步骤以后的示例性实施 例20。在生产工艺中的此时，基底层32已经被涂覆在衬底22之上，并且随后分束器涂层 32已经被涂覆到基底层之上。能够理解，该衬底可以由一种或多种材料、比如硅或聚合物组 成。基底层32由具有折射率值的光学透射材料构成，所述折射率值可以被进一步定义成基 础折射率。基底层可以以任意厚度形成，该厚度可以给所完成的分束器的光学通路赋予结 构支撑和所期望的光学特性二者。在示例性实施例中，基底层的厚度可以为大致250nm或 0. 25 μ m。然而，基底层可以以显著大于或小于250nm的厚度被形成，只要基底层材料的折 射率是已知的并且基底层的厚度可以被精确地控制。上面制造有基底层的衬底22可以具 有大约200 μ m的厚度，但是也可以以显著大于或小于200 μ m的厚度被形成，只要其给薄膜 膜片(pelliclemembrane)提供足够的结构支撑并且允许分束器被装入光学波导内。图3中更详细地示出了被涂覆到基底层32之上的分束器涂层34，其中图3是取 自图2的实施例的截面A-A的近视图。分束器涂层可以包括多个交替的具有低折射率的层 36和具有高折射率的层38。低折射率层可以具有折射率范围1. 3 < η < 1. 8，并且高折射 率层可以具有折射率范围1. 8 < η < 3。然而，与之前的由交替层的叠层构成的光学膜片不同，本发明的交替层的厚度不是均勻的，并且此外不需要具有等效于所选光波长的1/4波长的厚度。相反，低折射率和高 折射率折射材料的交替层可以具有可以等于或者可以不等于光波长的分数的厚度，并且每 个交替层都可以具有与任何相邻层的厚度基本上不相等的厚度。通过试验和优化的工艺，低折射率和高折射率材料的交替层以所选顺序并且以特 定的厚度被形成，其中所述交替层在结合基底层的情况下组合形成即非偏振又具有指定的 反射系数(reflectance)的光学通路。表1中示出了两个分别具有指定的反射率11 %和 42%的光学通路的例子。该选择工艺允许显著的变化(variation)。举例来说，分束器涂层 中的交替层的数目可以显著变化、例如从1层变化到20层或以上。附加地，不存在布置高 折射率和低折射率层的所规定的顺序，因为任一材料都可以被定位为与基底层32邻接。任 一材料可以是在形成分束器涂层的叠层顶部所形成的最后一层。此外，交替层的总数可以 是奇数或偶数。在上面的例子中，使用了两种材料Si02和Ti02。可替换地，可以使用三种或以上 的材料来改善每个单独的层的厚度公差并且还减少薄膜的总厚度。表1 光学通路、层材料和厚度
权利要求
一种用于形成非偏振的薄膜分束器的方法，所述薄膜分束器具有期望的功率抽头比以沿着光学射束提供多个抽头，该方法包括在衬底上形成具有基础折射率的基底层；在所述基底层之上形成多个分别具有相对高折射率和相对低折射率的交替层，其中所述高折射率层和低折射率层之中的每一个的厚度被选择为基本上消除对所述光学射束的偏振敏感性；以及去除所述衬底的所选区域以产生包括所述基底层和所述多个交替层的光学通路，其中所述光学通路被配置为透射和反射所述光学射束中的所选量的光。
2.根据权利要求1所述的方法，进一步包括形成所述多个具有相对高折射率和相对 低折射率的交替层，其中所述高折射率层和低折射率层之中的每一个的厚度与相邻层的厚 度基本上不相等。
3.根据权利要求1所述的方法，进一步包括形成所述基底层，其中所述基底层包括介 电材料。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括形成介电材料的基底层，所述介电材料选 自由氮化硅、二氧化硅、以及基本上透明的聚合物组成的组。
5.根据权利要求3所述的方法，进一步包括形成具有基本上等于或小于250nm的厚 度的基底层。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包括为高折射率层选择具有大于1.8并且小 于3.0的折射率的材料。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包括为低折射率层选择具有大于1.3并且小 于或等于1.8的折射率的材料。
8.根据权利要求1所述的方法，其中形成所述多个交替层进一步包括将所述非偏振 的薄膜分束器构造为沿着光学通路具有足够的交替层以反射所述光学射束中的从至 99%的功率。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在光学通路中形成至少一个具有预先确 定的尺寸的通孔以允许所述光学射束的一部分基本上无阻碍地透过所述至少一个通孔。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括形成足够的交替层，使得光学通路反射 基本上所有不允许穿过所述至少一个通孔的光。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括在所述基底层之上形成单个层，其中该 单个层进一步包括高反射系数金属层以反射基本上所有不允许穿过所述至少一个通孔的 光。
12.根据权利要求9所述的方法，进一步包括蚀刻具有椭圆形横截面的所述至少一个 通孔，以便对以一定角度落到光学通路上的光学射束表现为基本上圆形。
13.根据权利要求1所述的方法，进一步包括通过蚀刻掉所选区域以暴露出所述基底 层的底面来去除所述衬底的所选区域。
14.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在所述多个交替层中并且围绕光学通路 的周边蚀刻槽，以便减轻光学通路中的所述多个交替层中的残余应力。
15.根据权利要求14所述的方法，进一步包括蚀刻穿过所述交替层到达所述基底层 的顶面的槽。
16.根据权利要求1所述的方法，进一步包括在平面张力的状态下形成光学通路，以 明显减少光学通路的弯曲和波纹。
17.一种具有期望的功率抽头比以沿着光学射束提供多个抽头的非偏振的薄膜分束 器，包括具有基础折射率的基底层，其物理地耦合到硅衬底，所述硅衬底进一步包括围绕中心 部分的外框部分，所述中心部分被基本上去除以暴露出所述基底层的底面；被布置在所述基底层上的分束器涂层，所述分束器涂层进一步包括多个分别具有相对 高折射率和相对低折射率的交替层，并且其中每个交替层的厚度被选择为基本上消除对所 述光学射束的偏振敏感性；以及其中所述中心部分之上的基底层和所述分束器涂层一起构成光学通路，并且其中所述 光学通路被配置为透射和反射所述光学射束中的所选量的光。
18.根据权利要求17所述的薄膜分束器，其中每个所述交替层的厚度与相邻层的厚度 基本上不相等。
19.根据权利要求17所述的薄膜分束器，其中所述基底层选自由氮化硅、二氧化硅、以 及基本上透明的聚合物组成的组。
20.根据权利要求17所述的薄膜分束器，进一步包括为高折射率层选择具有大于1.8 并且小于3.0的折射率的材料。
21.根据权利要求17所述的薄膜分束器，进一步包括为低折射率层选择具有大于1.3 并且小于或等于1. 8的折射率的材料。
22.根据权利要求17所述的薄膜分束器，进一步包括至少一个在光学通路中形成的通 孔以允许所述光学射束的一部分基本上无阻碍地透过所述至少一个通孔。
23.根据权利要求22所述的薄膜分束器，其中光学通路包括足够的交替层以反射基本 上所有不允许穿过所述至少一个通孔的光。
24.根据权利要求17所述的薄膜分束器，进一步包括在所述多个交替层中所形成的 槽，其中所述槽形成围绕光学通路的周边以便减轻所述多个交替层中的残余应力。
25.根据权利要求17所述的薄膜分束器，其中光学通路在平面张力的状态下被形成以 消除所述光学通路的弯曲和波纹。全文摘要
一种用于形成具有所期望的功率抽头比的非偏振的薄膜分束器的方法。该方法包括操作在衬底上形成具有基础折射率的基底层；以及在所述基底层之上布置多个分别具有相对高和低折射率的交替层。所述高折射率和低折射率层之中的每个的厚度被选择为基本上消除所述光学射束的偏振。该方法进一步包括操作去除所述衬底的所选区域以产生包括所述基底层和所述多个交替层的光学通路，并且其中所述光学通路被配置为透射和反射所述光学射束中的所选量的光。
文档编号G02B6/42GK101983345SQ200880128437
公开日2011年3月2日 申请日期2008年1月31日 优先权日2008年1月31日
发明者M·R·T·谭, S-Y·王, W·吴 申请人:惠普开发有限公司