光波导以及制造光波导的方法

光波导以及制造光波导的方法
【专利摘要】提供一种光波导（40），该光波导包括具有横向侧的光学芯层（41），该光学芯层沿着弯曲路径延伸；位于光学芯层（41）的横向侧（441，442）上的光学包层，其中光学包层在光学芯层的横向侧上的分布关于芯层的中心不对称。
【专利说明】光波导以及制造光波导的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光波导以及制造光波导的方法。本发明还涉及其上形成有一个或多个光波导的光学印刷电路板。
[0002]在实施方式中，本发明涉及光波导以及制造光波导的方法，该光波导沿着弯曲路径引导光信号以减少的传播损耗，从而使得光信号的引导能够沿着其曲率半径在过去因为太小而无法实施的弯曲路径。
【背景技术】
[0003]随着作为数字信息捕获的、处理的、传送的以及存储的数据的量不断增加，已经开发了用于合并的数据存储设备和网络技术，例如，增加通信带宽的光纤通道。例如，希望管理存储阵列中平面上的互连的占主导地位的协议串行SCSI (SAS)的数据速率在不久的将来增加至12Gb/s。随着系统带宽这样显著的增加，印刷电路板(PCB)上的元件和通道的密度将会相应地增大。从而，数据存储系统将会容易出现诸如、串音、介电损耗、皮层效应以及电磁干扰等问题。
[0004]提出的用于减轻这些性能问题的方法是结合电光PCB并互连到数据存储系统的中平面上。该PCB和互连可以是刚性的或柔性的。无论哪种情况，都应该注意的是通常有一个定义互连层的平面，可以是平的或曲面的。一般地说，在PCB上使用光学通道来传输数据和控制信号可用于增加可用数据的速率。
[0005]低成本实施光学PCB成功的关键元件就是嵌入式对称光学聚合物波导。图1示出沿着典型的波导10的横截面的XX’线的横截面和折射率分布的示意图。如该图中所示，该波导包括一段通常称作芯层11的材料，其由通常称作包层12的折射率略低的材料包裹。简言之，在芯层/包层边界处的折射率对比度使得沿着芯层11传播的光信号通过全内反射被限制在芯层11中。用于制造光波导的合适的材料包括各种类型的玻璃和亚克力。最近，采用光惰性聚合物来制造光波导，其具有制造成本低和制造工艺简单的优点。
[0006]相应地存在许多光敏聚合物波导的设计优势。但是，出现了一个关于光学聚合物波导的最小曲率半径的问题。当波导在光学PCB上弯曲它的路径时，通常会出现损耗。因此就出现了光学聚合物波导的“最小曲率半径”，比该最小曲率半径小时损耗将会非常明显。对于不同的应用，最小曲率半径会根据传输的光信号的波长、波导的长度以及波导中弯曲部分的数量发生变化。但是，较小的最小曲率半径具有明显的优势，这是因为能够设置在光学PCB的单元区域内的波导的数量越多，就能提供越高的机动性，波导路径的控制和布置，因为，在波导中进行转弯需要较小的足迹。
[0007]换句话说，在互连层的平面内(波导位于其下时将不切实际)的大的最小曲率半径仍然是一个问题。印刷的多模光学聚合物波导中的光学传播损耗的特性已经表明因为由界面缺陷的增加引起的较高阶模式的散射所造成的横向损失将会明显地限制曲率半径大于IOmm到15mm。根据设备的设计，这将会很难并严重限制在高密度的PCB内容纳这样大的曲
率半径。[0008]弯曲的波导存在另一个问题，弯曲的波导中传播光学信号的模式轮廓倾斜偏离波导的曲率中心。结果导致传播的信号的模式轮廓在波导的直线部分和弯曲部分存在空间错位。这会引起稱合损耗，混合(compound)由界面缺陷增加所造成的散射损耗的增加。模式轮廓朝向波导一侧的歪斜(skewing)也会加大传播损耗，进一步限制能够接受的最小曲率半径。
[0009]US-A-2004/0076394中描述了一种用诸如GaAs/AlGaAs材料制造的混合埋入/脊平面波导。该波导包括在相同的基板上埋入波导部分和脊波导部分的组合，这两个部分共享芯层。该埋入波导部分提供耦合器和其他设备组件所需的供低折射率对比度，脊波导部分提供有效的低成本紧弯曲波导所需的高折射率对比度。
[0010]在由Smit 等(J.Lightwave Tech.Vol.ΙΟΝο.111993)撰写的题目为“ANormalizedApproach to the Design of Low-Loss Optical Waveguide Bends”的文章中，不出波导的芯层在曲线处可能发生偏移以提高弯曲部分的模式轮廓和邻接的直线部分的模式轮廓之间的空间重叠从而减小耦合损耗。Smit等还展示了可以利用这样的偏移芯层，通过适当的优化，使得光信号在从邻接的直线部分传播到波导的弯曲部分时可以耦合到耳语回廊模式的弯曲部分。
[0011]已知利用高折射率对比度边界改善模式限制。例如，W0-A-03/038501描述了在波导中利用高折射率对比度边界提高光线限制以减少允许的波导的弯曲半径。US-A-2008/0166095描述了半导体波导的设计，其中芯层的折射率优选的是包层的两倍。US-A-2008/0253728描述了在高折射率芯层和低折射率包层之间使用具有中间折射率的中间层。US-A-2008/0267239描述了具有通过氧化芯层的表面形成的氧化物-包芯层(anoxide-clad core)，其中氧化物层的低折射率和芯层的高折射率提供了高折射率对比度。US-A-2008/0298761描述了一种相似的波导，其具有由低折射率的氧化的芯层材料层包围的高折射率芯层。

【发明内容】

[0012]根据本发明的第一个方面，提供了一种光波导，其包括具有横向侧的光学芯层，该光学芯层沿着弯曲的路径延伸；至少位于光学芯层的横向侧的光学包层，其中，光学包层在光学芯层的横向侧上的分布关于芯层的中心不对称。
[0013]提供了一种波导，其与已知的光波导相比，设置了包层，以便沿着波导的边呈不对称分布。换句话说，位于芯层一侧的包层比另一侧的厚(或者薄)。这使得在波导中传播的光学模式能够以与具有对称分布的包层可能发生的相比可以实现较小的最小曲率半径的方式被控制。
[0014]在实施方式中，该光学包层被构造为形成脊，光学芯层设置在该脊内。从而，提供了一种用于提供具有不对称包层的波导的简便方法。此外，如下面更加详细描述的那样，该脊将使得该结构以一个整体作为嵌套波导来进行操作。
[0015]在实施方式中，该光学芯层和光学包层由聚合物材料形成。
[0016]在实施方式中，至少在光学包层的横向侧上设置低折射率层。
[0017]在实施方式中，保护性覆盖层设置在光学包层上。
[0018]在实施方式中，光学包层的折射率远远高于低折射率层的折射率。[0019]在实施方式中,光学芯层的折射率在横向方向上变化。
[0020]在实施方式中，光学包层的折射率在横向方向上变化，
[0021]在实施方式中，光学包层在光学芯层横向侧上的分布沿着光波导变化。
[0022]在实施方式中，光波导包括连接到第二部分的第一部分，该第一部分是弯曲部分；其中连接第一部分和第二部分的光学芯层横向移位。
[0023]在实施方式中，第二部分是弯曲部分。
[0024]在实施方式中，提供了一种光学印刷电路板，包括:基板，以及位于该基板上的一个或多个根据本发明的第一个方面的光波导。
[0025]根据本发明的第二个方面，提供了一种制造光波导的方法，该方法包括设置具有横向侧的光学芯层，该光学芯层沿着弯曲的路径延伸；至少在该光学芯层的横向侧上设置光学包层，其中，该光学包层在该光学芯层的横向侧上的分布关于芯层的中心不对称。
[0026]在实施方式中，至少在该光学包层的横向侧上设置低折射率层。
[0027]在实施方式中，在该光学包层上设置保护性覆盖层。
[0028]在实施方式中，该光波导包括连接到第二部分的第一部分，该第一部分是弯曲部分；连接第一部分和第二部分的光学芯层横向移位。
[0029]在实施方式中，该第二部分是弯曲部分。
[0030]在实施方式中,光学芯层和光学包层通过光刻构造。
[0031]在实施方式中，在光刻工艺中采用了灰度掩膜。
[0032]在实施方式中，光学芯层和光学包层通过激光直接成像进行固化。
[0033]在实施方式中，该激光直接成像工艺包括非均匀强度的激光束。
[0034]在实施方式中，光学芯层的不需要的区域和光学包层的不需要的区域通过激光烧蚀去除。
[0035]在实施方式中，提供了一种制造光学印刷电路板的方法，该方法包括提供基板，以及在该基板上设置一个或多个根据本发明的第一个方面的光波导。
[0036]在实施方式中,光学芯层和光学包层通过光刻构造。
[0037]在实施方式中，在光刻工艺中采用了灰度掩膜。
[0038]在实施方式中，光学芯层和光学包层通过激光直接成像进行固化。
[0039]在实施方式中，该激光直接成像工艺包括非均匀强度的激光束。
[0040]在实施方式中，光学芯层的不需要的区域和光学包层的不需要的区域通过激光烧蚀去除。
[0041]根据本发明的第三个方面，提供了一种光波导，其包括:由聚合物材料组成的光学芯层，该光学芯层具有横向侧并沿曲线路径延伸；以及至少在该横向侧上的光学包层，该光学包层由聚合物材料组成，其中，光学包层被构造为形成脊，该光学芯层设置在该脊内。
[0042]在实施方式中,光学包层在横向侧上的分布关于光学芯层的中心对称。
[0043]在实施方式中，低折射率层被设置为围绕所构造的光学包层。
[0044]在实施方式中，保护性覆盖层设置在光学包层上。
[0045]在实施方式中，光学包层的折射率远高于低折射率层的折射率。
[0046]在实施方式中,光学芯层的折射率在横向方向上变化。
[0047]在实施方式中，光学包层的折射率在横向方向上变化。[0048]在实施方式中，该光波导包括连接第二部分的第一部分，该第一部分是弯曲部分，其中连接第一部分和第二部分的光学芯层横向移位。
[0049]在实施方式中，该第二部分是弯曲部分。
[0050]在实施方式中，提供了光学印刷电路板，包括:基板；以及位于该基板上的一个或多个根据本发明的第三个方面的光波导。
[0051]因此，提供了一种使能够获得波导的较小的最小弯曲半径并没有导致大的传播损耗的光波导的设计和制造方法。
【专利附图】

【附图说明】
[0052]在下文中将参考附图通过实例描述本发明的实施方式，其中，
[0053]图1示出波导的实例的横截面和折射率轮廓的示意图；
[0054]图2示出具有对称薄包层的对称光学聚合物波导的横截面和折射率轮廓的示意图；
[0055]图3至图12示出在光学PCB上制造多个对称光学聚合物波导的光刻工艺的各个阶段的图示；
[0056]图13示出具有多个对称光学聚合物波导的光学PCB的实例的示意性透视图；
[0057]图14至图16示出具有多个对称光学聚合物波导的光学PCB的示意性平面图；
[0058]图17示出具有多个对称光学聚合物波导的光学PCB的另一个实例的横截面的示意图；
[0059]图18示出具有多个对称光学聚合物波导的光学PCB的另一个实例的横截面的示意性透视图；
[0060]图19和图20示出具有保护性覆盖层的示例性光学PCB的横截面示意图；
[0061]图21示出非对称的弯曲波导的横截面和折射率轮廓的示意图；
[0062]图22示出耳语回廊模式的弯曲波导的图示；
[0063]图23示出沿着耦合至耳语回廊模式的非对称弯曲波导的连接部分的非对称的弯曲波导的一部分传播光信号的图示；
[0064]图24和图25分别示出具有一个和两个弯曲部分的非对称弯曲波导的平面图；
[0065]图26示出用于激光直接成像的激光束整形系统的图示；
[0066]图27至图33B示出用于制造具有芯层和不均匀折射率的包层的非对称弯曲波导以及具有芯层和不均匀折射率的包层的对称光学聚合物波导的光刻工艺的各种改进的固化阶段；
[0067]图34至图37示出改进的激光束整形系统的示意图，该激光束整形系统包括用于变型制造非对称弯曲波导和对称光学聚合物波导的激光直接成像的激光束强度分布的强度滤波器；
[0068]图38和图39示出用在激光直接成像中的分级强度滤波器的示意图；
[0069]图40至46B示出用于制造具有不均匀折射率的对称弯曲波导和非对称光学聚合物波导的激光直接成像工艺的各个变型的固化阶段。
【具体实施方式】[0070]图2示出沿着对称光学聚合物波导20的横截面的线YY’的横截面和折射率的示意图，该对称光学聚合物波导具有用于提供传播光学信号的改进的横向限制的结构化的包层。在这个例子中，该对称光学聚合物波导20包括芯层21、围绕芯层21的包层22。包层22构造为形成一个脊使得芯层21设置在该脊内。典型的，波导20形成在图2中未示出的基板上。在这个布置中，包层22可分成下包层23和上包层24。表1中列出了适于形成芯层21和包层22的材料的例子，但并不限制于这些所列的材料。
【权利要求】
1.一种光波导，包括: 具有横向侧的光学芯层，所述光学芯层沿着弯曲路径延伸；以及 光学包层，至少在所述光学芯层的所述横向侧上； 其中，所述光学包层在所述光学芯层的所述横向侧上的分布关于所述光学芯层的中心不对称。
2.根据权利要求1所述的光波导，其中，所述光学芯层和所述光学包层由聚合物材料构成。
3.根据权利要求1或2所述的光波导，进一步包括至少在所述光学包层的所述横向侧上设置的低折射率层。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光波导，进一步包括设置在所述光学包层上方的保护性覆盖层。
5.根据权利要求3或4中任一项所述的光波导，其中，所述光学包层的折射率远高于所述低折射率层的折射率。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的光波导,其中,所述光学芯层的折射率在横向方向上变化。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光波导,其中,所述光学包层的折射率在横向方向上变化。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的光波导，其中，所述光学包层在所述光学芯层的所述横向侧上的分布沿着所述光波导变化。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的光波导，其中，所述光波导包括连接至第二部分的第一部分，所述第一部分是弯曲部分； 其中，连接所述第一部分和所述第二部分的所述光学芯层横向移位。
10.根据权利要求9所述的光波导，其中，所述第二部分是弯曲部分。
11.一种光学印刷电路板，包括: 基板；以及 设置在所述基板上的一个或多个根据权利要求1至10中任一项的光波导。
12.一种用于制造光波导的方法，所述方法包括: 设置具有横向侧的光学芯层，所述光学芯层沿着弯曲路径延伸；以及 至少在所述光学芯层的所述横向侧上设置光学包层，其中，所述光学包层在所述光学芯层的所述横向侧上的分布关于所述芯层的中心不对称。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括至少在所述光学包层的所述横向侧上设置低折射率层。
14.根据权利要求12或13中任一项所述的方法，进一步包括在所述光学包层上方设置保护性覆盖层。
15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其中，所述光波导包括连接至第二部分的第一部分，所述第一部分是弯曲部分； 进一步包括将连接所述第一部分和所述第二部分的所述光学芯层横向移位。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第二部分是弯曲部分。
17.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，进一步包括通过光刻构造所述光学芯层和所述光学包层。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，在光刻工艺中应用灰度掩膜。
19.根据权利要求12至16中任一项所述的方法，进一步包括通过激光直接成像固化所述光学芯层和所述光学包层。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述激光直接成像工艺包括具有非均匀强度的激光束。
21.根据权利要求19或20所述的方法，进一步包括通过激光烧蚀去除所述光学芯层的不需要的区域和所述光学包层的不需要的区域。
22.一种用于制造光学印刷电路板的方法，所述方法包括: 提供基板；以及 在所述基板上设置一个或多个根据权利要求1至10中任一项所述的光波导。
23.根据权利要求22所述的方法，进一步包括通过光刻构造所述光学芯层和所述光学包层。
24.根据权利要求23 所述的方法，其中，在光刻工艺中使用灰度掩膜。
25.根据权利要求22所述的方法，进一步包括通过激光直接成像固化所述光学芯层和所述光学包层。
26.根据权利要求25所述的方法，其中，所述激光直接成像工艺包括具有非均匀强度的光束。
27.根据权利要求25或26所述的方法，进一步包括通过激光烧蚀去除所述光学芯层的不需要的区域和所述光学包层的不需要的区域。
28.一种光波导，包括: 由聚合物材料构成的光学芯层，所述光学芯层具有横向侧，并沿着弯曲路径延伸；以及 至少形成在所述横向侧上的光学包层，所述光学包层由聚合物材料构成； 其中，所述光学包层被构造为形成脊，所述光学芯层设置在所述脊内。
29.根据权利要求28所述的光波导,其中，所述光学芯层在所述横向侧上的分布关于所述光学芯层的中心对称。
30.根据权利要求28或29中任一项所述的光波导，进一步包括在所构造的所述光学包层的所述脊的周围设置的低折射率层。
31.根据权利要求28至30中任一项所述的光波导，进一步包括在所述光学包层上设置的保护性覆盖层。
32.根据权利要求30或31中任一项所述的光波导，其中，所述光学包层的折射率远高于所述低折射率层的折射率。
33.根据权利要求28至32中任一项所述的光波导，其中，所述光学芯层的折射率在横向方向上变化。
34.根据权利要求28至33中任一项所述的光波导，其中，所述光学包层的折射率在横向方向上变化。
35.根据权利要求28至34中任一项所述的光波导，其中，所述光波导包括连接至第二部分的第一部分，所述第一部分是弯曲部分； 其中，连接所述第一部分和所述第二部分的所述光学芯层横向移位。
36.根据权利要求35所述的光波导，其中， 所述第二部分是弯曲部分。
37.—种光学印刷电路板，包括:基板；以及设置在所述基板上的一个或多个根据权利要求30至39中任一项所述的光波导。
【文档编号】G02B6/125GK103620459SQ201280028399
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年5月29日 优先权日:2011年6月10日
【发明者】理查德·查尔斯·亚历山大·皮特翁 申请人:齐拉泰克斯技术有限公司