专利名称：一种三维多层垂直耦合光互连结构及其软光刻的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种三维多层垂直耦合光互连结构及其软光刻的制作方法。
背景技术：
随着通信容量的需求和传输速率的不断增长，无论在长途传输或短至集成电路芯片之间的通讯中，更多的电子器件正在被光学器件所取代。许多研究都致力于将微小的光学器件集成进平面波导设备或者光子集成线路(photonicintegrated circuits，PICs)。光子集成线路PIC的作用和形状都与印刷电路板(printed circuit board，PCB)相类似，但在性能上有大幅度的提高。PCB在一块板上提供电子线路用于连接各种类型的电器件，例如电阻、二极管、三极管和IC片等，而PIC则提供光学线路用来连接光电子器件，例如激光二极管，光电二极管，滤光器、光开关和光放大器等。PCB和PIC的不同点之一是，大多数现有的PCB都有一种由多层(甚至多达几十层)铜箔电子线路层所组成的层间耦合的电互连结构，其目的是满足更高密度的集成化以及降低电信号串扰的需要。而目前极少有层间互连的PIC结构报道。另一方面，随着计算机CPU速率的指数上升，对PIC应用的需求呈快速增长态势。与此同时，将更加需要减小PIC的尺寸，而如果波导平行地排列在一个平面基片上，信道的数量要受到下列因素限制衬底尺寸、大量输入输出光纤连接困难、两个波导距离太近所导致的我们不希望的光耦合等，这是平面PIC线路的严重缺点。进一步的功能集成必须依赖于从平面到三维多层的飞跃。层叠式PIC构成三维结构，可有效地提高光电子线路的密度，由于波导交联处的减少，串扰也将降低。另外，作为最有希望的下一代光电器件材料，光学高聚物被广泛地应用于光电子线路中，并被证明具有极低的光学损耗和很好的环境稳定性。
但是相对于常规多层PCB，要实现多层的PIC面临多种技术挑战。连接PIC相邻层通常涉及到层间垂直耦合(vertical coupling)的问题。目前实现光电子线路的层间耦合的主要解决方案有一种方式是使用层间的直接耦合，要求这些层被放置得非常靠近。这种解决方案的问题在于，当线路层之间的距离太靠近时，光信号之间将产生严重的相互干扰。因此，如果运用这个方法，光学线路(甚至是不同层上的光学线路)都必须被严格地安排，不产生任何不需要的重叠。这种在重叠上的局限阻碍并且限制了集成密度；另一种改进的方案是，利用一种多模干涉耦合器(multimode interference coupler，MMI)来完成多层波导之间的耦合，这些层之间的距离可相对较远。进一步改进后的阶梯型多模干涉耦合器可在较短的跨越长度上实现层间垂直耦合，且对结构尺寸的变化容忍度较高。几乎不受波长变化的影响，但是这种结构在制作上需要一层层地进行旋转镀膜，在工艺过程中各层之间产生的对准误差、上层制作的不完善引起的散射损耗将影响垂直耦合的效率，且耦合效率较低。
另一种解决方案是采用硅基底，并运用掩模位移、反应离子束蚀刻实现向上分叉结构，能蚀刻出满足各参数的S型弯曲垂直坡面，但需要精确控制气压、射频功率、掩模的物理尺寸(包括悬垂的偏移和长度)等要素，且连接损耗不理想。
发明内容
本发明的目的在于提供一种三维多层垂直耦合光互连结构及其软光刻的制作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是一、一种三维多层垂直耦合光互连结构包括两组一条以上直波导输入输出段、S形弯曲波导、S形弯曲坡面结构、长方体结构、平面光传输波导；其中一条或者一条以上直波导输入输出段、S形弯曲坡面结构、长方体结构和平面光传输波导位于基版的表面，S形弯曲波导位于S形弯曲坡面结构的表面，另一条或者一条以上的直波导输入输出段位于长方体结构的表面，位于基版上的直波导输入输出段和位于长方体结构上的直波导输入输出段通过S形弯曲波导连接，S形弯曲波导的两端分别与直波导输入输出段同轴相接，且相接处呈相切的关系；位于基版上的直波导输入输出段的另一端与底层波导层中的外接波导相连，位于长方体结构上的直波导输入输出段的另一端与上层波导层中的另一个外接波导相连。
二、一种三维多层垂直耦合光互连结构的软光刻制作方法包括在已涂有低折射率树脂的基版上印制一条以上直波导输入输出段以及平面光传输波导，在紧接直波导输入输出段的一端印制S形弯曲坡面结构和长方体结构，在S形弯曲坡面结构和长方体结构的表面上印制S形弯曲波导和另一条或者一条以上的直波导输入输出段。
本发明与背景技术相比具有的有益效果是能够以较短的跨距实现垂直方向的多层光互连，有效解决了光路向上或者向下的垂直耦合，可以制成一体化的结构，层之间的对准误差小，连接损耗低，而且此结构比较容易实现软光刻转印，从高聚物转印上能充分发挥软光刻三维转印的优势，简单易安装；材料选用光学高聚物，具有较低的光学损耗和良好的环境稳定性。
图1是三维多层垂直耦合光互连结构(跨越两层)的示意图；图2是图1的A-A剖视图；图3是印制位于基版上的直波导输入输出段和定位销的工艺流程示意图；图4是位于基版上的平面光传输直波导的示意图；图5是印制S形弯曲坡面结构和长方体结构的工艺流程示意图；图6是印制S形弯曲波导以及直波导输入输出段的工艺流程示意图；图中1、基版，2、直波导输入输出段，3、S形弯曲波导，4、S形弯曲坡面结构，5、长方体结构，6、平面光传输波导，7、定位销，8、保护结构，9、定位销孔，10、保护结构，11、直波导段形凹陷。
具体实施例方式
图1、图2是三维多层垂直耦合光互连结构的示意图。包括两组一条以上直波导输入输出段2、S形弯曲波导3、S形弯曲坡面结构4、长方体结构5、平面光传输波导6；其中一条或者一条以上直波导输入输出段2、S形弯曲坡面结构4、长方体结构5和平面光传输波导6位于基版1的表面，S形弯曲波导3位于S形弯曲坡面结构4的表面，另一条或者一条以上的直波导输入输出段2位于长方体结构5的表面，位于基版1上的直波导输入输出段2和位于长方体结构5上的直波导输入输出段2通过S形弯曲波导3连接，S形弯曲波导3的两端分别与直波导输入输出段2同轴相接，且相接处呈相切的关系；位于基版1上的直波导输入输出段2的另一端与底层波导层中的外接波导相连，位于长方体结构5上的直波导输入输出段2的另一端与上层波导层中的另一个外接波导相连。图1表示的是四组三维多层垂直耦合光互连结构跨越两层的实体图，图2表示的是在以其中一组光互连结构的侧面作为基准面时(图1中的双向箭头所示的方位和方向)的剖面视图。在图l、图2中，位于基版1上的四条直波导输入输出段2，以及位于S形弯曲坡面结构4和长方体结构5面上的S形弯曲波导3和另外四条直波导输入输出段2提供光信号在第一波导层和第三波导层之间的层间垂直耦合的需要，平面光传输波导6提供光信号在第一波导层中的平面传输。例如需要时可将光信号输入第一波导层中的直波导输入输出段2，再进入S形弯曲波导3，光信号通过S形弯曲波导3跨越层间的传输进入位于长方体结构5面上的直波导输入输出段2，该直波导输入输出段2输出的光信号将进入第三波导层中的其他光互连结构，完成了光信号在第一和第三波导层之间的层间垂直耦合。同理，光路也可由第三层经过层间垂直耦合进入第一层中的波导。本发明的三维多层垂直耦合光互连结构可以跨越任何层数，其中采用的S形弯曲坡面结构4的作用(1)匹配跨越一定层数的高度提升需要，(2)承载S形弯曲波导3并作为波导3的基底。长方体结构5的作用是承载直波导输入输出段2并作为直波导输入输出段2的基底。这里需要说明的是，除基版1外，各层的材料均是具有一定低折射率的包层材料，在制作过程中，是在基版1上预先涂覆一层低折射率光学高聚物，紫外固化后作为下部波导包层，在此包层面上再印制所需的高折射率芯层结构(可用于平面传输的光波导结构)，然后在已制成的芯层上涂覆一层低折射率光学高聚物，紫外固化后作为上部波导包层，构成一个完整的波导层。通过再次重复这一过程，可形成两层以上的多层结构。当芯层结构中含有三维多层垂直耦合光互连结构时，制作波导包层时需要留有一定大小的开口，为放置S形弯曲波导3、S形弯曲坡面结构4等结构留有一定的安装位置。如图1中所示，第一和第二波导层在三维多层垂直耦合光互连结构的位置处都有一定大小的开口，用来放置这种光互连结构。
所述的直波导输入输出段2和用于层间垂直耦合的S形弯曲波导3横截面包括但不限于矩形、梯形或圆形，尺度可以在5-300微米的范围内。
所述的S形弯曲波导3其曲线的拐点分别与跨越长度和跨越高度的中分线共线。
所述的S形弯曲坡面结构4具有与所述的S形弯曲波导3相同的曲率。
应用软光刻技术制作三维多层垂直耦合光互连结构的具体印制过程如下包括在已涂有低折射率树脂的基版1上印制一条以上直波导输入输出段2以及平面光传输波导6，在紧接直波导输入输出段2的一端印制S形弯曲坡面结构4和长方体结构5，在S形弯曲坡面结构4和长方体结构5的表面上印制S形弯曲波导3和另一条或者一条以上的直波导输入输出段2。
所述的直波导输入输出段2采用热固化或紫外光固化的光学高聚物材料利用软光刻技术一次制作成形。
所述的S形弯曲坡面结构4和长方体结构5采用热固化或紫外光固化的光学高聚物材料利用软光刻技术一次制作成形。
所述的用于层间垂直耦合的S形弯曲波导3的材料为热固化或紫外光固化的光学高聚物，采用软光刻技术一次制作成形，且与所述的直波导输入输出段2由软光刻模具定位相连通，制成后的弯曲波导段与前后的直波导输入输出段在模制过程中无缝连接。
图3是印制位于基版上的直波导输入输出段和定位销的工艺流程示意图。首先利用三维建模软件绘制如图3(a)所示的直波导输入输出段2和定位销7的模型，如图所示在一个足够大的凹槽中绘制凸起的直波导输入输出段2和定位销5的模型，四周都要留有一定宽度的边框，以防止在后续的步骤中注胶时的渗漏。应用高分辨率三维雕刻机或其他三维微加工技术将图3(a)所示的模型刻制在黄铜或其他金属基版上，然后进行光学面的抛光，形成模具阳模，用于制作软光刻弹性阴模。进一步将未聚合的硅酮(PDMS，例如，Sylgard 184，DowCorning)涂覆在该母版上，在一定温度下(如80℃)加热一定时间(如2小时)对硅酮进行热固化，并从该阳模上将硅酮印模剥离下来，得到以低收缩率制成的翻印用阴模，如图3(b)所示，该弹性体成为适合尺寸、能产生光学面的翻印模具。而后将该硅酮弹性体制成的阴模覆盖于已涂有低折射率树脂(已经被固化作为包层材料)的基版1(如电路版)上，用高折射率光学树脂通过毛细效应填充该模具，由于硅酮材料具有较好的紫外透过率，可采用紫外光曝光固化光学树脂，而后将硅酮模具剥离，即形成所需的直波导输入输出段2和定位销7；另外由于硅酮材料也具有较好的温度适应性，也可以采用热固化曝光固化光学树脂，而后将硅酮模具剥离，即形成所需的直波导输入输出段2和定位销7，如图3(c)所示，四条直波导输入输出段2被放置在基版1上的一端，相隔一定的距离平行排列，两个定位销7位于四条直波导输入输出段2区域的两边，为后续的制作过程提供定位的作用，减少印制过程中模具的定位误差。这里值得指出的是，所用的高折射率光学树脂与包层材料(已经预先涂在基版1上的树脂)的折射率差值为大于或者等于0.02。也可以将如图3(b)所示的硅酮弹性体阴模覆盖在光学玻璃表面(例如石英玻璃表面)上，重复上述的毛细管成模过程，待光学树脂固化成形后，将硅酮模具剥离，形成自承式的直波导输入输出段2和定位销7，此时的直波导输入输出段2可以从光学玻璃表面被剥离，可非常便利地安装于所需位置。
图4是位于基版上的平面光传输波导的示意图。制作平面光传输波导6可以使用所需的波导模型按照制作制作直波导输入输出段2时的工艺流程进行软光刻的印制。在图4中所示的是直接利用制作直波导输入输出段2所用的硅酮弹性体模具，同样覆盖于已涂有低折射率树脂(已经被固化作为包层材料)的基版1上，用高折射率光学树脂通过毛细效应填充该模具，采用热固化或者紫外光曝光固化光学树脂，而后将硅酮模具剥离，即形成所需的平面光传输波导6；也可以直接利用自承式的直波导输入输出段2作为平面光传输波导6，放置在基版1上的任意合适位置，例如图4所示是将四条平面传输波导6与四条已经印制好的直波导输入输出段2垂直放置。同样的，这里所用的高折射率光学树脂与包层材料(已经预先涂在基版1上的树脂)的折射率差值为大于等于0.02。
图5是印制S形弯曲坡面结构和长方体结构的工艺流程示意图。考虑到要将S形弯曲波导3和位于上层波导层中的直波导输入输出段2设计成一体化成型的结构，在制作S形弯曲坡面结构4时，也将用来承载上层波导层中的直波导输入输出段2的长方体结构5与S形弯曲坡面结构4设计制作成一体化的结构，可简化分层制作的步骤。S形弯曲坡面结构4具有与S形弯曲波导3相同的弯曲曲率，具体数值是通过光学软件对跨越宽度和跨越高度的相关性模拟分析得到的最佳值。制作S形弯曲坡面结构4和长方体结构5的母版如图5(a)所示，该母版同样是通过三维建模软件绘制模型，然后利用高分辨率的三维雕刻机或其他三维微加工技术在黄铜或其他金属基版上运用曲面雕刻或刻蚀的方法刻制模型，再进行光学面的抛光处理而得到的。图5(a)中的各结构与四周边框之间都保持一定的距离，不能连到边框，以避免印制时UV胶发生泄露。将未聚合的硅酮涂覆在图5(a)所示的母版上，在一定温度下(如80℃)加热一定时间(如2小时)对硅酮进行热固化，并从该阳模上将柔性硅酮模剥离下来，就得到以低收缩率制作成的翻印用阴模，如图5(b)所示。在如图5(b)的硅酮弹性阴模上，保护结构8和保护结构10分别被用来在后续的工艺流程中保护已经印制好的直波导输入输出段2和平面光传输波导6，保护结构8和保护结构10的尺寸与凸出波导相配，并留有足够的保护间隔。图5(b)中的定位销孔9与定位销7的尺寸相同，在将如图5(b)所示的阴模覆盖在原已涂有光学树脂(已经被固化作为包层材料)的基版1上时，定位销孔9和定位销7进行凹凸匹配连接，达到定位的效果，保护结构8和保护结构10分别正好盖住直波导输入输出段2和平面光传输波导6，用低折射率光学树脂通过毛细效应填充该阴模，最后采用热固化或者紫外光曝光固化光学树脂，待固化过程完毕后，将硅酮弹性阴模剥离，就得到如图5(c)所示的，在已经印制好四条直波导输入输出段2和四条平面光传输波导6的基版1上，印制了一个S形弯曲坡面结构4和一个长方体结构5，而且S形弯曲坡面结构4是紧接着四条直波导输入输出段2的一端的，为下面印制S形弯曲波导3作好准备。因为S形弯曲坡面结构4和长方体结构5有作为S形弯曲波导3和直波导输入输出段2的基底的作用，因此这里用来填充硅酮弹性阴模所用的光学树脂的折射率同包层材料(已经预先涂在基版1上的树脂)的折射率。
图6是印制S形弯曲波导以及位于上层波导层中的直波导输入输出段的工艺流程示意图。这里同样是将S形弯曲波导3和位于上层波导层中的直波导输入输出段2进行一体化的翻印，简化了分层制作的步骤，且消除了S形弯曲波导3与位于上层波导层中的直波导输入输出段2之间的波导对准误差。S形弯曲波导3的跨越宽度和跨越高度也是通过光学软件进行数值模拟分析所得到的最佳值。考虑到要在S形弯曲坡面结构4和长方体结构5的上方印制S形弯曲波导3和直波导输入输出段2，制作时所用的母版如图6(a)所示，该母版是通过利用三维建模软件绘制模型，然后利用高分辨率的三维雕刻机或其他三维微加工技术运用曲面雕刻的方法刻制在黄铜或其他金属基版上，再进行光学面的抛光处理而得到的。图6(a)中的各结构与与四周边框之间都保持一定的距离，不能连到边框，以避免印制时UV胶发生泄露。将未聚合的硅酮涂覆在图6(a)所示的母版上，在一定温度(如80℃)下加热一定时间(如2小时)对硅酮进行热固化，并从该阳模上将硅酮印模剥离下来，就得到以低收缩率制作成的翻印用阴模，如图6(b)所示。在如图6(b)所示的硅酮弹性阴模上，保护结构10是用来在后续的翻印过程中保护平面光传输波导6的，与凸出波导相配，并留有足够的保护间隔。图6(b)中的定位销孔9在后续工艺中与定位销7进行凹凸匹配连接，达到整体定位效果。将如图6(b)所示的阴模覆盖在原已涂有光学树脂(已经被固化作为包层材料)的基版1上时，保护结构10正好盖住平面光传输波导6，高折射率光学树脂通过毛细效应填充该阴模。由于在如图6(a)所示的母版中，用直波导输入输出段2的模型取代了保护结构8的模型，得到如图6(b)所示的直波导段形凹陷11，此时直波导段形凹陷11与已经印制好的直波导输入输出段2进行凹凸匹配连接，光学树脂沿模具填充时，所形成的S形弯曲波导3会自动与位于基版1上的已经印制好的直波导输入输出段2对接，又一次减少了波导之间的对准误差。最后采用紫外光曝光固化光学树脂，待固化过程完成后，将硅酮弹性阴模剥离，完成了在S形弯曲坡面结构4和长方体结构5的表面上印制S形弯曲波导3和直波导输入输出段2的工艺流程，如图6(c)所示，四条S形弯曲波导和另外四条直波导输入输出段2呈一体化的结构，四条S形弯曲波导的另一端与位于基版1上的四条直波导输入输出段2在模制过程中无缝连接。这里用来填充硅酮阴模的高折射率树脂与制作S形弯曲坡面结构4和长方体结构5所用光学树脂的折射率差值为大于或者等于0.02。
整个结构完成后的折射率分布为直波导输入输出段2和S形弯曲波导3具有相同的高折射率，S形弯曲坡面结构4和预涂于基版1上的低折射率树脂具有相同的折射率，且高、低折射率的差值为大于或者等于0.02。
权利要求
1.一种三维多层垂直耦合光互连结构，其特征在于包括两组一条以上直波导输入输出段(2)、S形弯曲波导(3)、S形弯曲坡面结构(4)、长方体结构(5)、平面光传输波导(6)；其中一条或者一条以上直波导输入输出段(2)、S形弯曲坡面结构(4)、长方体结构(5)和平面光传输波导(6)位于基版(1)的表面，S形弯曲波导(3)位于S形弯曲坡面结构(4)的表面，另一条或者一条以上的直波导输入输出段(2)位于长方体结构(5)的表面，位于基版(1)上的直波导输入输出段(2)和位于长方体结构(5)上的直波导输入输出段(2)通过S形弯曲波导(3)连接，S形弯曲波导(3)的两端分别与直波导输入输出段(2)同轴相接，且相接处呈相切的关系；位于基版(1)上的直波导输入输出段(2)的另一端与底层波导层中的外接波导相连，位于长方体结构(5)上的直波导输入输出段(2)的另一端与上层波导层中的另一个外接波导相连。
2.根据权利要求1所述的一种三维多层垂直耦合光互连结构，其特征在于所述的直波导输入输出段和用于层间垂直耦合的S形弯曲波导横截面是矩形、梯形或圆形。
3.根据权利要求1所述的一种三维多层垂直耦合光互连结构，其特征在于所述的S形弯曲波导(3)其曲线的拐点分别与跨越长度和跨越高度的中分线共线。
4.根据权利要求1所述的一种三维多层垂直耦合光互连结构，其特征在于所述的S形弯曲坡面结构(4)具有与权利要求3中所述的S形弯曲波导(3)相同的曲率。
5.一种三维多层垂直耦合光互连结构的软光刻制作方法，其特征在于包括在已涂有低折射率树脂的基版(1)上印制一条以上直波导输入输出段(2)以及平面光传输波导(6)，在紧接直波导输入输出段(2)的一端印制S形弯曲坡面结构(4)和长方体结构(5)，在S形弯曲坡面结构(4)和长方体结构(5)的表面上印制S形弯曲波导(3)和另一条或者一条以上的直波导输入输出段(2)。
6.根据权利要求5所述的一种三维多层垂直耦合光互连结构的软光刻制作方法，其特征在于所述的直波导输入输出段(2)采用热固化或紫外光固化的光学高聚物材料利用软光刻技术一次制作成形。
7.根据权利要求5所述的一种三维多层垂直耦合光互连结构的软光刻制作方法，其特征在于所述的S形弯曲坡面结构(4)和长方体结构(5)采用热固化或紫外光固化的光学高聚物材料利用软光刻技术一次制作成形。
8.根据权利要求5所述的一种三维多层垂直耦合光互连结构的软光刻制作方法，其特征在于所述的用于层间垂直耦合的S形弯曲波导(3)的材料为热固化或紫外光固化的光学高聚物，采用软光刻技术一次制作成形，且与权利要求6中所述的直波导输入输出段(2)由软光刻模具定位相连通，制成后的弯曲波导段与前后的直波导输入输出段在模制过程中无缝连接。
全文摘要
本发明公开了一种三维多层垂直耦合光互连结构及其软光刻的制作方法。直波导输入输出段、S形弯曲坡面结构、长方体结构和平面光传输波导位于基版的表面，S形弯曲波导位于S形弯曲坡面结构的表面，直波导输入输出段位于长方体结构的表面，基版上的直波导输入输出段和位于长方体结构上的直波导输入输出段通过S形弯曲波导连接，S形弯曲波导的两端分别与直波导输入输出段同轴相切相接。短跨距实现垂直方向的多层光互连，解决了光路向上或者向下的垂直耦合，制成一体化的结构，层之间的对准误差小，连接损耗低，容易实现软光刻转印，从高聚物转印上能充分发挥软光刻三维转印的优势，易安装；材料选用光学高聚物，具有较低的光学损耗和良好的环境稳定性。
文档编号G02B6/136GK101034186SQ200710068120
公开日2007年9月12日 申请日期2007年4月17日 优先权日2007年4月17日
发明者倪玮, 刘彦婷, 吴兴坤 申请人:浙江大学