專利名稱：一種三維多層垂直耦合光互連結構及其軟光刻的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種三維多層垂直耦合光互連結構及其軟光刻的制作方法。
背景技術：
隨著通信容量的需求和傳輸速率的不斷增長，無論在長途傳輸或短至集成電路芯片之間的通訊中，更多的電子器件正在被光學器件所取代。許多研究都致力于將微小的光學器件集成進平面波導設備或者光子集成線路(photonicintegrated circuits，PICs)。光子集成線路PIC的作用和形狀都與印刷電路板(printed circuit board，PCB)相類似，但在性能上有大幅度的提高。PCB在一塊板上提供電子線路用于連接各種類型的電器件，例如電阻、二極管、三極管和IC片等，而PIC則提供光學線路用來連接光電子器件，例如激光二極管，光電二極管，濾光器、光開關和光放大器等。PCB和PIC的不同點之一是，大多數現有的PCB都有一種由多層(甚至多達幾十層)銅箔電子線路層所組成的層間耦合的電互連結構，其目的是滿足更高密度的集成化以及降低電信號串擾的需要。而目前極少有層間互連的PIC結構報道。另一方面，隨著計算機CPU速率的指數上升，對PIC應用的需求呈快速增長態勢。與此同時，將更加需要減小PIC的尺寸，而如果波導平行地排列在一個平面基片上，信道的數量要受到下列因素限制襯底尺寸、大量輸入輸出光纖連接困難、兩個波導距離太近所導致的我們不希望的光耦合等，這是平面PIC線路的嚴重缺點。進一步的功能集成必須依賴于從平面到三維多層的飛躍。層疊式PIC構成三維結構，可有效地提高光電子線路的密度，由于波導交聯處的減少，串擾也將降低。另外，作為最有希望的下一代光電器件材料，光學高聚物被廣泛地應用于光電子線路中，并被證明具有極低的光學損耗和很好的環境穩定性。
但是相對于常規多層PCB，要實現多層的PIC面臨多種技術挑戰。連接PIC相鄰層通常涉及到層間垂直耦合(vertical coupling)的問題。目前實現光電子線路的層間耦合的主要解決方案有一種方式是使用層間的直接耦合，要求這些層被放置得非常靠近。這種解決方案的問題在于，當線路層之間的距離太靠近時，光信號之間將產生嚴重的相互干擾。因此，如果運用這個方法，光學線路(甚至是不同層上的光學線路)都必須被嚴格地安排，不產生任何不需要的重疊。這種在重疊上的局限阻礙并且限制了集成密度；另一種改進的方案是，利用一種多模干涉耦合器(multimode interference coupler，MMI)來完成多層波導之間的耦合，這些層之間的距離可相對較遠。進一步改進后的階梯型多模干涉耦合器可在較短的跨越長度上實現層間垂直耦合，且對結構尺寸的變化容忍度較高。幾乎不受波長變化的影響，但是這種結構在制作上需要一層層地進行旋轉鍍膜，在工藝過程中各層之間產生的對準誤差、上層制作的不完善引起的散射損耗將影響垂直耦合的效率，且耦合效率較低。
另一種解決方案是采用硅基底，并運用掩模位移、反應離子束蝕刻實現向上分叉結構，能蝕刻出滿足各參數的S型彎曲垂直坡面，但需要精確控制氣壓、射頻功率、掩模的物理尺寸(包括懸垂的偏移和長度)等要素，且連接損耗不理想。

發明內容
本發明的目的在于提供一種三維多層垂直耦合光互連結構及其軟光刻的制作方法。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是一、一種三維多層垂直耦合光互連結構包括兩組一條以上直波導輸入輸出段、S形彎曲波導、S形彎曲坡面結構、長方體結構、平面光傳輸波導；其中一條或者一條以上直波導輸入輸出段、S形彎曲坡面結構、長方體結構和平面光傳輸波導位于基版的表面，S形彎曲波導位于S形彎曲坡面結構的表面，另一條或者一條以上的直波導輸入輸出段位于長方體結構的表面，位于基版上的直波導輸入輸出段和位于長方體結構上的直波導輸入輸出段通過S形彎曲波導連接，S形彎曲波導的兩端分別與直波導輸入輸出段同軸相接，且相接處呈相切的關系；位于基版上的直波導輸入輸出段的另一端與底層波導層中的外接波導相連，位于長方體結構上的直波導輸入輸出段的另一端與上層波導層中的另一個外接波導相連。
二、一種三維多層垂直耦合光互連結構的軟光刻制作方法包括在已涂有低折射率樹脂的基版上印制一條以上直波導輸入輸出段以及平面光傳輸波導，在緊接直波導輸入輸出段的一端印制S形彎曲坡面結構和長方體結構，在S形彎曲坡面結構和長方體結構的表面上印制S形彎曲波導和另一條或者一條以上的直波導輸入輸出段。
本發明與背景技術相比具有的有益效果是能夠以較短的跨距實現垂直方向的多層光互連，有效解決了光路向上或者向下的垂直耦合，可以制成一體化的結構，層之間的對準誤差小，連接損耗低，而且此結構比較容易實現軟光刻轉印，從高聚物轉印上能充分發揮軟光刻三維轉印的優勢，簡單易安裝；材料選用光學高聚物，具有較低的光學損耗和良好的環境穩定性。


圖1是三維多層垂直耦合光互連結構(跨越兩層)的示意圖；圖2是圖1的A-A剖視圖；圖3是印制位于基版上的直波導輸入輸出段和定位銷的工藝流程示意圖；圖4是位于基版上的平面光傳輸直波導的示意圖；圖5是印制S形彎曲坡面結構和長方體結構的工藝流程示意圖；圖6是印制S形彎曲波導以及直波導輸入輸出段的工藝流程示意圖；圖中1、基版，2、直波導輸入輸出段，3、S形彎曲波導，4、S形彎曲坡面結構，5、長方體結構，6、平面光傳輸波導，7、定位銷，8、保護結構，9、定位銷孔，10、保護結構，11、直波導段形凹陷。
具體實施例方式
圖1、圖2是三維多層垂直耦合光互連結構的示意圖。包括兩組一條以上直波導輸入輸出段2、S形彎曲波導3、S形彎曲坡面結構4、長方體結構5、平面光傳輸波導6；其中一條或者一條以上直波導輸入輸出段2、S形彎曲坡面結構4、長方體結構5和平面光傳輸波導6位于基版1的表面，S形彎曲波導3位于S形彎曲坡面結構4的表面，另一條或者一條以上的直波導輸入輸出段2位于長方體結構5的表面，位于基版1上的直波導輸入輸出段2和位于長方體結構5上的直波導輸入輸出段2通過S形彎曲波導3連接，S形彎曲波導3的兩端分別與直波導輸入輸出段2同軸相接，且相接處呈相切的關系；位于基版1上的直波導輸入輸出段2的另一端與底層波導層中的外接波導相連，位于長方體結構5上的直波導輸入輸出段2的另一端與上層波導層中的另一個外接波導相連。圖1表示的是四組三維多層垂直耦合光互連結構跨越兩層的實體圖，圖2表示的是在以其中一組光互連結構的側面作為基準面時(圖1中的雙向箭頭所示的方位和方向)的剖面視圖。在圖l、圖2中，位于基版1上的四條直波導輸入輸出段2，以及位于S形彎曲坡面結構4和長方體結構5面上的S形彎曲波導3和另外四條直波導輸入輸出段2提供光信號在第一波導層和第三波導層之間的層間垂直耦合的需要，平面光傳輸波導6提供光信號在第一波導層中的平面傳輸。例如需要時可將光信號輸入第一波導層中的直波導輸入輸出段2，再進入S形彎曲波導3，光信號通過S形彎曲波導3跨越層間的傳輸進入位于長方體結構5面上的直波導輸入輸出段2，該直波導輸入輸出段2輸出的光信號將進入第三波導層中的其他光互連結構，完成了光信號在第一和第三波導層之間的層間垂直耦合。同理，光路也可由第三層經過層間垂直耦合進入第一層中的波導。本發明的三維多層垂直耦合光互連結構可以跨越任何層數，其中采用的S形彎曲坡面結構4的作用(1)匹配跨越一定層數的高度提升需要，(2)承載S形彎曲波導3并作為波導3的基底。長方體結構5的作用是承載直波導輸入輸出段2并作為直波導輸入輸出段2的基底。這里需要說明的是，除基版1外，各層的材料均是具有一定低折射率的包層材料，在制作過程中，是在基版1上預先涂覆一層低折射率光學高聚物，紫外固化后作為下部波導包層，在此包層面上再印制所需的高折射率芯層結構(可用于平面傳輸的光波導結構)，然后在已制成的芯層上涂覆一層低折射率光學高聚物，紫外固化后作為上部波導包層，構成一個完整的波導層。通過再次重復這一過程，可形成兩層以上的多層結構。當芯層結構中含有三維多層垂直耦合光互連結構時，制作波導包層時需要留有一定大小的開口，為放置S形彎曲波導3、S形彎曲坡面結構4等結構留有一定的安裝位置。如圖1中所示，第一和第二波導層在三維多層垂直耦合光互連結構的位置處都有一定大小的開口，用來放置這種光互連結構。
所述的直波導輸入輸出段2和用于層間垂直耦合的S形彎曲波導3橫截面包括但不限于矩形、梯形或圓形，尺度可以在5-300微米的范圍內。
所述的S形彎曲波導3其曲線的拐點分別與跨越長度和跨越高度的中分線共線。
所述的S形彎曲坡面結構4具有與所述的S形彎曲波導3相同的曲率。
應用軟光刻技術制作三維多層垂直耦合光互連結構的具體印制過程如下包括在已涂有低折射率樹脂的基版1上印制一條以上直波導輸入輸出段2以及平面光傳輸波導6，在緊接直波導輸入輸出段2的一端印制S形彎曲坡面結構4和長方體結構5，在S形彎曲坡面結構4和長方體結構5的表面上印制S形彎曲波導3和另一條或者一條以上的直波導輸入輸出段2。
所述的直波導輸入輸出段2采用熱固化或紫外光固化的光學高聚物材料利用軟光刻技術一次制作成形。
所述的S形彎曲坡面結構4和長方體結構5采用熱固化或紫外光固化的光學高聚物材料利用軟光刻技術一次制作成形。
所述的用于層間垂直耦合的S形彎曲波導3的材料為熱固化或紫外光固化的光學高聚物，采用軟光刻技術一次制作成形，且與所述的直波導輸入輸出段2由軟光刻模具定位相連通，制成后的彎曲波導段與前后的直波導輸入輸出段在模制過程中無縫連接。
圖3是印制位于基版上的直波導輸入輸出段和定位銷的工藝流程示意圖。首先利用三維建模軟件繪制如圖3(a)所示的直波導輸入輸出段2和定位銷7的模型，如圖所示在一個足夠大的凹槽中繪制凸起的直波導輸入輸出段2和定位銷5的模型，四周都要留有一定寬度的邊框，以防止在后續的步驟中注膠時的滲漏。應用高分辨率三維雕刻機或其他三維微加工技術將圖3(a)所示的模型刻制在黃銅或其他金屬基版上，然后進行光學面的拋光，形成模具陽模，用于制作軟光刻彈性陰模。進一步將未聚合的硅酮(PDMS，例如，Sylgard 184，DowCorning)涂覆在該母版上，在一定溫度下(如80℃)加熱一定時間(如2小時)對硅酮進行熱固化，并從該陽模上將硅酮印模剝離下來，得到以低收縮率制成的翻印用陰模，如圖3(b)所示，該彈性體成為適合尺寸、能產生光學面的翻印模具。而后將該硅酮彈性體制成的陰模覆蓋于已涂有低折射率樹脂(已經被固化作為包層材料)的基版1(如電路版)上，用高折射率光學樹脂通過毛細效應填充該模具，由于硅酮材料具有較好的紫外透過率，可采用紫外光曝光固化光學樹脂，而后將硅酮模具剝離，即形成所需的直波導輸入輸出段2和定位銷7；另外由于硅酮材料也具有較好的溫度適應性，也可以采用熱固化曝光固化光學樹脂，而后將硅酮模具剝離，即形成所需的直波導輸入輸出段2和定位銷7，如圖3(c)所示，四條直波導輸入輸出段2被放置在基版1上的一端，相隔一定的距離平行排列，兩個定位銷7位于四條直波導輸入輸出段2區域的兩邊，為后續的制作過程提供定位的作用，減少印制過程中模具的定位誤差。這里值得指出的是，所用的高折射率光學樹脂與包層材料(已經預先涂在基版1上的樹脂)的折射率差值為大于或者等于0.02。也可以將如圖3(b)所示的硅酮彈性體陰模覆蓋在光學玻璃表面(例如石英玻璃表面)上，重復上述的毛細管成模過程，待光學樹脂固化成形后，將硅酮模具剝離，形成自承式的直波導輸入輸出段2和定位銷7，此時的直波導輸入輸出段2可以從光學玻璃表面被剝離，可非常便利地安裝于所需位置。
圖4是位于基版上的平面光傳輸波導的示意圖。制作平面光傳輸波導6可以使用所需的波導模型按照制作制作直波導輸入輸出段2時的工藝流程進行軟光刻的印制。在圖4中所示的是直接利用制作直波導輸入輸出段2所用的硅酮彈性體模具，同樣覆蓋于已涂有低折射率樹脂(已經被固化作為包層材料)的基版1上，用高折射率光學樹脂通過毛細效應填充該模具，采用熱固化或者紫外光曝光固化光學樹脂，而后將硅酮模具剝離，即形成所需的平面光傳輸波導6；也可以直接利用自承式的直波導輸入輸出段2作為平面光傳輸波導6，放置在基版1上的任意合適位置，例如圖4所示是將四條平面傳輸波導6與四條已經印制好的直波導輸入輸出段2垂直放置。同樣的，這里所用的高折射率光學樹脂與包層材料(已經預先涂在基版1上的樹脂)的折射率差值為大于等于0.02。
圖5是印制S形彎曲坡面結構和長方體結構的工藝流程示意圖。考慮到要將S形彎曲波導3和位于上層波導層中的直波導輸入輸出段2設計成一體化成型的結構，在制作S形彎曲坡面結構4時，也將用來承載上層波導層中的直波導輸入輸出段2的長方體結構5與S形彎曲坡面結構4設計制作成一體化的結構，可簡化分層制作的步驟。S形彎曲坡面結構4具有與S形彎曲波導3相同的彎曲曲率，具體數值是通過光學軟件對跨越寬度和跨越高度的相關性模擬分析得到的最佳值。制作S形彎曲坡面結構4和長方體結構5的母版如圖5(a)所示，該母版同樣是通過三維建模軟件繪制模型，然后利用高分辨率的三維雕刻機或其他三維微加工技術在黃銅或其他金屬基版上運用曲面雕刻或刻蝕的方法刻制模型，再進行光學面的拋光處理而得到的。圖5(a)中的各結構與四周邊框之間都保持一定的距離，不能連到邊框，以避免印制時UV膠發生泄露。將未聚合的硅酮涂覆在圖5(a)所示的母版上，在一定溫度下(如80℃)加熱一定時間(如2小時)對硅酮進行熱固化，并從該陽模上將柔性硅酮模剝離下來，就得到以低收縮率制作成的翻印用陰模，如圖5(b)所示。在如圖5(b)的硅酮彈性陰模上，保護結構8和保護結構10分別被用來在后續的工藝流程中保護已經印制好的直波導輸入輸出段2和平面光傳輸波導6，保護結構8和保護結構10的尺寸與凸出波導相配，并留有足夠的保護間隔。圖5(b)中的定位銷孔9與定位銷7的尺寸相同，在將如圖5(b)所示的陰模覆蓋在原已涂有光學樹脂(已經被固化作為包層材料)的基版1上時，定位銷孔9和定位銷7進行凹凸匹配連接，達到定位的效果，保護結構8和保護結構10分別正好蓋住直波導輸入輸出段2和平面光傳輸波導6，用低折射率光學樹脂通過毛細效應填充該陰模，最后采用熱固化或者紫外光曝光固化光學樹脂，待固化過程完畢后，將硅酮彈性陰模剝離，就得到如圖5(c)所示的，在已經印制好四條直波導輸入輸出段2和四條平面光傳輸波導6的基版1上，印制了一個S形彎曲坡面結構4和一個長方體結構5，而且S形彎曲坡面結構4是緊接著四條直波導輸入輸出段2的一端的，為下面印制S形彎曲波導3作好準備。因為S形彎曲坡面結構4和長方體結構5有作為S形彎曲波導3和直波導輸入輸出段2的基底的作用，因此這里用來填充硅酮彈性陰模所用的光學樹脂的折射率同包層材料(已經預先涂在基版1上的樹脂)的折射率。
圖6是印制S形彎曲波導以及位于上層波導層中的直波導輸入輸出段的工藝流程示意圖。這里同樣是將S形彎曲波導3和位于上層波導層中的直波導輸入輸出段2進行一體化的翻印，簡化了分層制作的步驟，且消除了S形彎曲波導3與位于上層波導層中的直波導輸入輸出段2之間的波導對準誤差。S形彎曲波導3的跨越寬度和跨越高度也是通過光學軟件進行數值模擬分析所得到的最佳值。考慮到要在S形彎曲坡面結構4和長方體結構5的上方印制S形彎曲波導3和直波導輸入輸出段2，制作時所用的母版如圖6(a)所示，該母版是通過利用三維建模軟件繪制模型，然后利用高分辨率的三維雕刻機或其他三維微加工技術運用曲面雕刻的方法刻制在黃銅或其他金屬基版上，再進行光學面的拋光處理而得到的。圖6(a)中的各結構與與四周邊框之間都保持一定的距離，不能連到邊框，以避免印制時UV膠發生泄露。將未聚合的硅酮涂覆在圖6(a)所示的母版上，在一定溫度(如80℃)下加熱一定時間(如2小時)對硅酮進行熱固化，并從該陽模上將硅酮印模剝離下來，就得到以低收縮率制作成的翻印用陰模，如圖6(b)所示。在如圖6(b)所示的硅酮彈性陰模上，保護結構10是用來在后續的翻印過程中保護平面光傳輸波導6的，與凸出波導相配，并留有足夠的保護間隔。圖6(b)中的定位銷孔9在后續工藝中與定位銷7進行凹凸匹配連接，達到整體定位效果。將如圖6(b)所示的陰模覆蓋在原已涂有光學樹脂(已經被固化作為包層材料)的基版1上時，保護結構10正好蓋住平面光傳輸波導6，高折射率光學樹脂通過毛細效應填充該陰模。由于在如圖6(a)所示的母版中，用直波導輸入輸出段2的模型取代了保護結構8的模型，得到如圖6(b)所示的直波導段形凹陷11，此時直波導段形凹陷11與已經印制好的直波導輸入輸出段2進行凹凸匹配連接，光學樹脂沿模具填充時，所形成的S形彎曲波導3會自動與位于基版1上的已經印制好的直波導輸入輸出段2對接，又一次減少了波導之間的對準誤差。最后采用紫外光曝光固化光學樹脂，待固化過程完成后，將硅酮彈性陰模剝離，完成了在S形彎曲坡面結構4和長方體結構5的表面上印制S形彎曲波導3和直波導輸入輸出段2的工藝流程，如圖6(c)所示，四條S形彎曲波導和另外四條直波導輸入輸出段2呈一體化的結構，四條S形彎曲波導的另一端與位于基版1上的四條直波導輸入輸出段2在模制過程中無縫連接。這里用來填充硅酮陰模的高折射率樹脂與制作S形彎曲坡面結構4和長方體結構5所用光學樹脂的折射率差值為大于或者等于0.02。
整個結構完成后的折射率分布為直波導輸入輸出段2和S形彎曲波導3具有相同的高折射率，S形彎曲坡面結構4和預涂于基版1上的低折射率樹脂具有相同的折射率，且高、低折射率的差值為大于或者等于0.02。
權利要求
1.一種三維多層垂直耦合光互連結構，其特征在于包括兩組一條以上直波導輸入輸出段(2)、S形彎曲波導(3)、S形彎曲坡面結構(4)、長方體結構(5)、平面光傳輸波導(6)；其中一條或者一條以上直波導輸入輸出段(2)、S形彎曲坡面結構(4)、長方體結構(5)和平面光傳輸波導(6)位于基版(1)的表面，S形彎曲波導(3)位于S形彎曲坡面結構(4)的表面，另一條或者一條以上的直波導輸入輸出段(2)位于長方體結構(5)的表面，位于基版(1)上的直波導輸入輸出段(2)和位于長方體結構(5)上的直波導輸入輸出段(2)通過S形彎曲波導(3)連接，S形彎曲波導(3)的兩端分別與直波導輸入輸出段(2)同軸相接，且相接處呈相切的關系；位于基版(1)上的直波導輸入輸出段(2)的另一端與底層波導層中的外接波導相連，位于長方體結構(5)上的直波導輸入輸出段(2)的另一端與上層波導層中的另一個外接波導相連。
2.根據權利要求1所述的一種三維多層垂直耦合光互連結構，其特征在于所述的直波導輸入輸出段和用于層間垂直耦合的S形彎曲波導橫截面是矩形、梯形或圓形。
3.根據權利要求1所述的一種三維多層垂直耦合光互連結構，其特征在于所述的S形彎曲波導(3)其曲線的拐點分別與跨越長度和跨越高度的中分線共線。
4.根據權利要求1所述的一種三維多層垂直耦合光互連結構，其特征在于所述的S形彎曲坡面結構(4)具有與權利要求3中所述的S形彎曲波導(3)相同的曲率。
5.一種三維多層垂直耦合光互連結構的軟光刻制作方法，其特征在于包括在已涂有低折射率樹脂的基版(1)上印制一條以上直波導輸入輸出段(2)以及平面光傳輸波導(6)，在緊接直波導輸入輸出段(2)的一端印制S形彎曲坡面結構(4)和長方體結構(5)，在S形彎曲坡面結構(4)和長方體結構(5)的表面上印制S形彎曲波導(3)和另一條或者一條以上的直波導輸入輸出段(2)。
6.根據權利要求5所述的一種三維多層垂直耦合光互連結構的軟光刻制作方法，其特征在于所述的直波導輸入輸出段(2)采用熱固化或紫外光固化的光學高聚物材料利用軟光刻技術一次制作成形。
7.根據權利要求5所述的一種三維多層垂直耦合光互連結構的軟光刻制作方法，其特征在于所述的S形彎曲坡面結構(4)和長方體結構(5)采用熱固化或紫外光固化的光學高聚物材料利用軟光刻技術一次制作成形。
8.根據權利要求5所述的一種三維多層垂直耦合光互連結構的軟光刻制作方法，其特征在于所述的用于層間垂直耦合的S形彎曲波導(3)的材料為熱固化或紫外光固化的光學高聚物，采用軟光刻技術一次制作成形，且與權利要求6中所述的直波導輸入輸出段(2)由軟光刻模具定位相連通，制成后的彎曲波導段與前后的直波導輸入輸出段在模制過程中無縫連接。
全文摘要
本發明公開了一種三維多層垂直耦合光互連結構及其軟光刻的制作方法。直波導輸入輸出段、S形彎曲坡面結構、長方體結構和平面光傳輸波導位于基版的表面，S形彎曲波導位于S形彎曲坡面結構的表面，直波導輸入輸出段位于長方體結構的表面，基版上的直波導輸入輸出段和位于長方體結構上的直波導輸入輸出段通過S形彎曲波導連接，S形彎曲波導的兩端分別與直波導輸入輸出段同軸相切相接。短跨距實現垂直方向的多層光互連，解決了光路向上或者向下的垂直耦合，制成一體化的結構，層之間的對準誤差小，連接損耗低，容易實現軟光刻轉印，從高聚物轉印上能充分發揮軟光刻三維轉印的優勢，易安裝；材料選用光學高聚物，具有較低的光學損耗和良好的環境穩定性。
文檔編號G02B6/136GK101034186SQ200710068120
公開日2007年9月12日 申請日期2007年4月17日 優先權日2007年4月17日
發明者倪瑋, 劉彥婷, 吳興坤 申請人:浙江大學