CN101339272A - 具有形成图案的包层的平面波导及其生产方法 - Google Patents

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Abstract

一种具有形成图案的包层(60)的集成光波导，该形成图案的包层(60)限定了一开口，使得光传输元件(13)的至少一侧或至少一端(32)是空气包层的。该空气包层的区域优选为与波导(30)成为一个整体的透镜结构或位于波导内的弯曲处。一种制造具有形成图案的包层的光波导的方法，其包括：在部分衬底上形成遮挡层(110)，其中，该遮挡层(110)形成图案且对预定的波长不透明，该衬底对该波长透明；从上方使该芯层形成图案以提供光传输元件；在该光传输元件上和/或在该形成图案的遮挡层上和/或在该衬底的未覆盖部分上沉积上包层，该上包层包含能通过曝光于该波长的光(116)来固化的材料；用该波长的光(116)从下方照射所述上包层，以使所述上包层中那些没有位于所述形成图案的遮挡层上方的部分固化；以及将所述上包层的未固化部分移除。

Description

具有形成图案的包层的平面波导及其生产方法
发明领域
本发明涉及具有形成图案的(patterned)上包层的集成光波导，以及使该上包层形成图案的方法。
发明背景
集成光波导典型地由形成图案的、被包层材料(其折射率为n2)包围并且安装在机械性能坚固的衬底之上的光导芯层(其折射率为n1，其中n2＜n1)构成。这些波导通常具有平的端面，常常通过采用钻石轮划片机(dicing saw)切割该衬底和波导结构、然后通过抛光步骤去除散射中心来生产。通过芯和包层之间的折射率差，将沿波导传播的光在芯中进行导引。
参照附图，图1a和1b示出了现有技术中已知的典型集成光波导10的端面的侧视图和端视图，其包含衬底11、下包层12、光导芯13和上包层14。根据材料***，可使用多种技术来沉积下包层、芯层和上包层，它们包括火焰水解法或者化学气相沉积法(例如用于玻璃)、分子束外延(例如用于半导体)以及旋涂(例如用于聚合物)。可通过光刻(photolithography)和活性离子蚀刻法(适用于大多数材料)或者通过光刻和湿法蚀刻法(例如用于可由光形成图案的聚合物)(photo-patternablepolymers)来使芯层形成图案。下包层12和上包层14的折射率需小于芯13的折射率以便将光限定在芯内。通常，下包层12和上包层14具有相同的折射率，以便使导引模式(guided mode)对称，尽管这种对称并不是必须的。如果衬底材料11是透明的并且具有低于芯材料13的折射率，那么可以省略下包层12。
平面波导典型具有可传输光的、延伸的芯区域，该芯区域的横截面是正方形或矩形。通常将底面定义为与衬底相邻或最靠近衬底的面。顶面是与该底面平行但离该衬底最远的面。侧面是那些与该衬底垂直的面。
在前面描述的现有技术中的这种集成光波导中，芯被包层材料——要么下包层、要么上包层——所围绕。然而，情况并非必须这样，并且存在某些应用，在这些应用中，芯的至少一部分在至少一侧上不与包层材料接触是有利的。因此，本发明的一个实施形态涉及一种集成光波导，其上包层形成图案，使得在至少一个区域内、芯的至少一侧不与上包层材料接触。
在US5,850,498和US6,555,288中已经披露了形成图案的上包层，其用于减小波导芯中的应力。在这些披露的内容中，形成图案的上包层被描述为“共形(conformal)”，该上包层具有与芯的形状基本等同的形状，换句话说，芯被薄薄一层上包层材料所封装(enclose)(底面除外、该底面与衬底或下包层材料接触)。这区别于本发明中的形成图案的上包层，在本发明中，使上包层形成图案，使得在至少一个区域内、芯的至少一侧不与上包层材料接触。
芯的至少一个区域在至少一侧不与包层材料接触较为有利的一种应用是具有一体化透镜结构(unitary lens structure)的集成光波导。如上所述，芯和包层之间的折射率差将光沿着集成光波导进行导引，但是，光在离开芯而进入自由空间(或实际中的空气)时立即发散。这种发散在平行和垂直于衬底的两个维度内产生。如果想要得到准直的输出光束，则需要某种正(也就是会聚)透镜。同样地，需要会聚透镜来使准直光束聚焦到集成光波导中。
一种解决方案是使用诸如球型透镜或圆柱型梯度折射率(GRIN)透镜之类的分离元件，但是，这些透镜由于尺寸较小而难以操作，它们需要在两个维度上精确调准，并且引入了额外的交界面(伴随着固有反射损耗)。因此，使透镜结构与该光波导集成在一起更为可取。多年以来人们已经提出了许多类型的集成透镜，包括菲涅耳透镜(US4,367,916、US4,445,759)和布拉格透镜(US4,262,996、US4,440,468)在内。这些透镜仅在透镜结构的平面(总是平行于衬底)内提供一维聚焦。
另一种可能是在端面装配(fabricate)GRIN透镜(US5,719,973)。这些透镜提供二维聚焦，但它们具有圆柱对称性，因此用于光纤相比于用于集成光波导(其典型具有矩形形状)更为合适。
将透镜结构与光波导集成在一起的一种方法是在波导的端面上制造透镜形状的凸起。这可以通过选择性地蚀刻包层而留下凸起的芯、然后再将波导材料加热到其软化点(例如采用CO2激光脉冲)使得有角的凸起塌陷为圆形的凸透镜形状来实现。这样的一种结构同样提供了二维聚焦。
图2a、2b和2c描绘了现有技术中已知的在集成光波导端面上制造透镜的方法，如US5,432,877中所述。根据该实施例，图2a示出了衬底11(例如硅)、下包层12和上包层14(两包层均包含掺杂硼和磷的二氧化硅)以及芯13(包含掺杂硼、磷和锗的二氧化硅)。波导10的端面在氢氟酸缓冲溶液(buffered hydrofluoric acid solution)中进行蚀刻，该溶液首先蚀刻包层，而留下芯材料的凸起20。最后，将蚀刻后的波导加热到大约1000℃以使芯软化，然后，表面张力使凸起的芯成形，产生了大致呈锥形的透镜21。
在US5,432,877和US6,341,189中已将这些化学蚀刻技术示范用于基于石英玻璃的(silica glass-based)波导。但是，它们依赖于包层(例如二氧化硅)和芯(例如掺杂锗的二氧化硅)之间不同的蚀刻速率，在适用范围上受到限制。例如，选择性的化学蚀刻通常不能用于基于聚合物的(polymer-based)集成光波导。另外，由热造成的圆形化处理仅能用于芯材料具有软化点的情况，其排除了非热塑性聚合物和诸如硅与其他半导体的晶体材料。此外，如果想要获得所要求的透镜形状，必须对蚀刻和软化处理进行精确控制。
基于化学蚀刻的技术的另一个缺点是仅能在光波导回路片已被切割(dice)之后(切割或者断裂为独立的片)制备该透镜结构。尽管可同时收集和蚀刻大量的片，这仍需要仔细操作和额外的处理步骤。
本发明涉及一种具有形成图案的上包层并具有一体化透镜结构的集成光波导的制造方法，该方法避免了现有技术存在的上述某些或全部缺点。该一体化透镜包含一曲面，光穿过该曲面而射入自由空间。由于该曲面必须具有一空气交界面，因此必须使任何上包层形成图案，以使至少该曲面不与包层材料接触。
本发明所述的一体化透镜结构能够在平行于衬底的维度上使光聚焦。如果想要在垂直方向上聚焦，可以使用诸如横向圆柱型透镜的外部透镜。这种构造优于现有技术中已知的需要外部球型或GRIN透镜的其他构造，因为这些构造要求外部透镜在两个维度上进行精确定位。相反，外部的横向圆柱型透镜仅需在垂直方向上精确定位。这在具有一体化透镜结构阵列的器件中尤其有利，该器件可使用一个横向圆柱型透镜来为多个阵列元件提供垂直聚焦。
芯的至少一个区域在至少一侧不与包层材料接触较为有利的第二种应用是围绕具有较小弯曲半径的曲线对光进行导引的集成光波导。由于可通过进行急弯来减小器件的底部(footprint)(且因此可在每个衬底上装配更多的器件)，这种情况在集成光波导器件的设计中频繁出现。在不希望被理论约束的情况下，众所周知，将弯曲引入光波导会对导引模式产生干扰，使得它们趋向于从弯曲的侧面泄漏，结果造成光能的损耗。对于大的弯曲半径(也就是渐弯)，这种损耗可以忽略，但是当弯曲半径减小时，达到一个损耗不可接受的点。对于给定的弯曲半径，损耗取决于芯和包层之间的折射率差；折射率差越大(也就是导引模式受到更紧的约束)，该损耗越小。对于单模和多模波导都会产生弯曲导致的损耗。对于多模的情况，越高阶的模式(其被导引的强度较弱)具有越高的弯曲损耗(也就是趋向于首先被损耗)。
通常，当芯被自由空间(实际上是空气)包围，也就是该“包层”具有为1的折射率时，芯-包层折射率差为最大(且因此弯曲损耗最小)。对于集成光波导器件，弯曲通常仅发生在平行于该衬底的一个平面内。由于弯曲损耗仅发生在该弯曲的平面内(也就是光穿过该侧壁泄漏)，故仅仅该侧壁需要是“空气包层的”。具体而言，仅仅在该弯曲外侧的侧壁需要是空气包层的。现在参考图1a和1b：如果集成光波导器件具有急弯，那么省略上包层14是有利的。芯13因此仅在底面与包层材料(下包层12)接触，其在弯曲损耗方面是不重要的。
在平面波导中省略上包层的缺点是该结构的机械强度可能不够，也就是说，该结构不能使用标准技术进行处理和操作。例如，用高速锯切割时会使芯从下包层脱离。此外，裸露的芯结构对外界灰尘形成的散射中心或机械损伤极其敏感。因此，在具有急弯的集成波导器件中，使上包层形成图案以使上包层材料在除围绕该急弯的区域外处处存在是有利的。
类似地，在具有一体化透镜结构的集成波导器件中，使上包层形成图案以使上包层材料在除围绕该一体化透镜结构的区域外处处存在是有利的。
发明内容
本发明的第一实施形态涉及集成光波导，其中使上包层形成图案以使芯在至少一侧的至少一个区域不与包层材料接触。本发明的第二实施形态描述了一种用于使上包层形成图案的方法。
如上所述，平面波导具有可传输光的、延伸的芯区域，该芯区域的横截面为正方形或矩形，并具有顶面、底面以及两侧面。这种平面波导还具有两个端面。由于这些端面垂直于衬底，因此就本发明来说也可以看作是侧面。
本发明的第一实施形态提供了一种生产具有形成图案的上包层的集成光波导的方法，其包括以下步骤：
a)在衬底上沉积芯层，二者之间可以有、也可以没有下包层；
b)使该芯层形成图案以提供光传输元件；
c)在该光传输元件上沉积上包层；以及
d)使该上包层形成图案以提供至少一个区域，在该区域中光传输元件是空气包层的。
本发明的第二实施形态提供了一种具有形成图案的上包层的集成光波导，其包括：
衬底；
可以有、也可以没有的下包层；
光传输元件；以及
形成图案的上包层，其具有至少一个空气包层的区域。
通常，使芯层形成图案会导致衬底或下包层(在使用下包层的情况下)出现未覆盖的(uncovered)部分。在这种情况下，在应用时该未覆盖部分可由上包层整个或局部地重新覆盖(recoat)，这一点是不言自明的。上包层的形成图案可能会、也可能不会导致衬底或下包层出现某些未覆盖的部分。
此外，尽管本发明披露了光传输部分的某一侧面或端面区域保持为未包层状态的情况，本领域技术人员将会明了，除关心的功能区域之外，为避免机械损伤和散射损耗，最好尽量对光传输芯进行包层。
在一个替代实施例中，光传输元件包含作为一个整体的波导和透镜。该透镜优选为具有曲面，且使上包层形成图案的步骤优选为能使该曲面不与上包层材料接触。
或者，光传输元件可包含具有弯曲的波导。使上包层形成图案的步骤优选为能使波导在弯曲的区域内不与上包层材料接触。波导在与弯曲外侧相对应的侧面上不与上包层材料接触则更为可取。
上包层优选为包含聚合材料，热固化聚合物更佳。因此，优选采用形成图案的热源对上包层进行选择性固化并采用溶剂使未固化的材料溶解，使上包层形成图案，其中，被固化了的材料不溶于该溶剂。
替代方案中，上包层包含可通过光化辐射(紫外光为佳)固化的聚合物。因此，优选采用形成图案的紫外光源对上包层进行选择性固化并采用溶剂使未固化的材料溶解，使上包层形成图案，其中，固化了的材料不溶于该溶剂。
通常，该聚合物优选为硅氧烷聚合物，衬底优选为包含硅、二氧化硅、玻璃或聚合物。聚合物衬底的非限定性实例包括：丙烯酸类(acrylic)、有机玻璃(Perspex)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酯、聚乙二醇对苯二甲酸酯和PET。
下包层和光传输元件优选为包含从聚合物材料、玻璃和半导体中选择的材料。
下包层和光传输元件包含聚合物则更佳，特别是可通过光化辐射(紫外光最佳)固化的硅氧烷聚合物。
本发明的第三实施形态提供了一种制造带有形成图案的上包层的光波导器件的方法，其包括以下步骤：
a)在对预定波长透明的衬底的一部分上，形成对该预定波长不透明的、形成图案的遮挡层；
b)在所述形成图案的遮挡层上和/或在该衬底的未覆盖部分上沉积芯层；
c)从上方使该芯层形成图案以提供光传输元件；
d)在该光传输元件上和/或在该形成图案的遮挡层上和/或在该衬底的未覆盖部分上沉积上包层，该上包层包含能通过曝光于该预定波长的光来固化的材料；
e)用该预定波长的光从下方照射所述上包层，以使所述上包层中那些没有位于所述形成图案的遮挡层之上的部分固化；以及
f)将所述上包层的未固化部分移除。
本发明的第四实施形态提供了一种制造具有形成图案的上包层的光波导器件的方法，其包括以下步骤：
a)在对预定波长透明的衬底的一部分上，形成对该预定波长不透明的、形成图案的遮挡层；
b)在所述形成图案的遮挡层上和/或在所述衬底的未覆盖部分上沉积下包层；
c)在所述下包层上沉积芯层；
d)从上方使该芯层形成图案以提供光传输元件；
e)在所述芯层上和/或在所述下包层的未覆盖部分上沉积上包层，该上包层包含能通过曝光于该预定波长的光来固化的材料；
f)用该预定波长的光从下方照射所述上包层，以使所述上包层中那些没有位于所述形成图案的遮挡层之上的部分固化；以及
g)将所述上包层的未固化部分移除。
形成图案的遮挡层优选为通过丝网印刷形成，其优选为包含吸收该预定波长的光的化合物(compound)。
上包层优选为包含能通过对该预定波长的光曝光来固化的聚合物，该预定波长的光优选为在紫外区域。该聚合物优选为硅氧烷聚合物。
在某些实施例中，形成图案的遮挡层优选为包含具有散射表面的图案，例如可通过机械研磨或化学蚀刻形成的散射表面，例如，其中散射表面能使该预定波长的光散射，有效地遮挡所述光的传输。
可以明了：在衬底上使芯层形成图案时，通常会产生衬底的未覆盖部分。形成图案的遮挡层的部分或全部同样可能未被覆盖。该衬底和/或遮挡层通常将由上包层重新覆盖(recoat)。在使用穿过该衬底的固化光进行光刻之后，遮挡层上方的部分通常被洗掉。可通过例如机械方式屏蔽(mask)其他区域，以保持衬底或涂层(coating layer)的未覆盖状态。
同样，可以明了：在下包层上使芯层形成图案时，通常会产生下包层的未覆盖部分。形成图案的遮挡层的部分或全部以及下包层的部分或全部同样可能未被覆盖。衬底、下包层和/或遮挡层通常将由上包层重新覆盖。在使用穿过衬底的固化光进行光刻之后，遮挡层上方的部分通常被洗掉。可通过例如机械方式屏蔽其他区域，以保持衬底、下包层或涂层的未覆盖状态。
本发明的第五实施形态提供了一种制造带有形成图案的上包层的光波导器件的方法，其包括以下步骤：
a)在对预定波长的光透明的衬底上沉积下包层；
b)在所述下包层上形成对具有该预定波长的光不透明的、形成图案的遮挡层；
c)在所述遮挡层上和/或在该下包层的未覆盖部分上沉积芯层；
d)从上方使该芯层形成图案以提供光传输元件；
e)在所述光传输元件上和/或在所述遮挡层上和/或在所述下包层上沉积上包层，该上包层包含能通过对该预定波长的光曝光来固化的材料；
f)用该预定波长的光从下方照射所述上包层，以使所述上包层中那些没有位于所述形成图案的遮挡层之上的部分固化；以及
g)将所述上包层的未固化部分移除。
在一个可替代的优选实施例中，本发明提供了一种另外还包含以下步骤的方法：
i)在形成该形成图案的遮挡层之后并在沉积该下包层之前，形成剥离层；以及
ii)在所述上包层中的未固化部分移除之后将该剥离层移除，使得该下包层、光传输元件和形成图案的上包层从该衬底分离。
在另一个可替代的优选实施例中，本发明提供了一种另外还包含以下步骤的方法：
i)在沉积该下包层之前，在该衬底上形成剥离层；以及
ii)在所述上包层中的未固化部分移除之后将剥离层移除，使得该下包层、形成图案的遮挡层、光传输元件和形成图案的上包层从该衬底分离。
附图说明
图1a和1b描绘了现有技术中已知的典型集成光波导端面的侧视图和端视图；
图2a-c描绘了用于在集成光波导端面上制造透镜结构的选择性化学蚀刻方法所包括的步骤(如现有技术所知)；
图3a和3b描绘了具有空气包层的一体化透镜结构和形成图案的波导的顶视图和侧视图，并且采用横向圆柱型透镜使光沿垂直方向聚焦；
图4a和4b描绘了为什么形成图案的波导和一体化透镜结构不能采用传统的(也就是非形成图案的)上包层来保护；
图5a和5b描绘了一种用于制造具有传统上包层的一体化透镜结构和形成图案的波导的有可能但无法实施的方法；
图6a和6b描绘了一种用于制造具有形成图案的上包层的一体化透镜结构和形成图案的波导的可能的方法；
图7a和7b描绘了另一种用于制造具有形成图案的上包层的一体化透镜结构和形成图案的波导的可能的方法；
图8描绘了一种具有急弯并且省略了上包层的集成光波导的顶视图；
图9描绘了一种具有急弯并且具有上包层的集成光波导的顶视图；
图10描绘了一种具有急弯并且具有形成图案的材料/空气上包层的集成光波导的顶视图；
图11a-h描绘了一种用于提供具有形成图案的上包层的波导结构的方法；
图12描绘了具有用于产生准直输出的一体化透镜结构的波导芯的尺寸。
具体实施方式
本发明的第一实施形态涉及集成光波导，其中，上包层形成图案使得芯在至少一侧的至少一个区域内不与包层材料接触。本实施形态将通过两个非限定性实例进行描述：具有一体化透镜结构的集成光波导以及具有急弯的集成光波导。本实施形态对包含聚合物材料——尤其是可由光形成图案的聚合物——的集成光波导最为适用，但可广泛应用于所包含的材料范围甚广的波导。
首先来考虑用于一体化透镜结构的形成图案的上包层的实例。本说明书将重点放在将准直光束射入自由空间的透镜，然而，人们应当明白这种情况是非限定性的。同样的一体化透镜结构可等同地用于将准直光束聚焦到波导之中。用于其他一体化透镜结构——例如用于将来自激光二极管的光聚焦进入波导的透镜——的形成图案的上包层也在本发明的范围之内
图3a示出了具有一体化形成图案的透镜结构30的空气包层的波导芯13的顶视图，图3b中示出了其侧视图。此外还示出了下包层12和衬底11。一体化透镜结构30包含锥形区域31和曲面32。沿芯13导引的光发散进入到锥形区域31，并通过在曲面32上的折射而沿平行于该衬底的方向被准直。由于透镜与波导是一体的，故并不存在两部分之间具有交界面时所发生的损耗或散射。如果需要将该光束沿垂直于该衬底的方向准直，可使用横向圆柱型透镜33来产生沿两个方向准直的光束34。芯13和一体化透镜结构30可包含任何能形成所需形状的图案的光学材料，例如，它们可以包含通过火焰水解进行沉积并通过光刻和活性离子蚀刻(RIE)来形成图案的掺杂锗的二氧化硅，而包含能通过光刻并随后用合适的溶剂进行湿法显影(develop)来形成图案的光学透明聚合物(例如通过旋涂进行沉积)则更为可取。这种结构以及用于制造它的光刻方法的一个优点是图案形成精确，仅由光刻所用掩模的分辨率所限。特别地，可对透镜的曲率进行特别设计以产生高度准直的输出光束。或者，可对透镜曲率进行设计以产生会聚的光束或对激光二极管所发射的光进行聚集。如曲面32所描绘，该透镜的曲率可具有适于产生所需要的准直或会聚光束的任何形状，例如，其可以包含圆、椭圆、抛物线或双曲线或者多项式方程所生成的任何曲线的一部分，也可以包含逼近曲面的多个直线段。实际上，在使一体化透镜结构形成图案所必需的掩模的制造当中通常所涉及的数字化就意味着该曲面将由多个直线段组成。这种结构以及用于制造它的光刻方法的第二个优点是能够在将切割光波导回路之前制造透镜。
为一体化芯和/或透镜提供上包层以保护其免于机械损坏是人们想要的。然而，透镜需要能将光直接射入自由空间，故曲面32不能被任何可能另外用于保护该结构的包层所覆盖。这种情况在图4a(顶视图)和4b(侧视图)中做了描绘。在这种情况下，曲面32不能使出射的光折射为准直光束；反而，由于光从上包层14射出，其在被折射成为高度发散的输出40之前继续发散。即使透镜设计为将准直的光束射入上包层材料，该输出光束也会被该上包层平面(planarisation)内的任何缺陷所干扰。
如图5a(顶视图)和5b(侧视图)所示，如果沉积上包层但不使之形成图案，那么曲面所必需的空气交界面仅能通过将其切割成形来恢复。尽管所得到的结构具有良好的机械完整性，但是由于曲面不能通过传统的钻石轮划片机或晶片解理方法来生产，此切割加工是不可行的。另外，通过切割加工所获得的透镜通常比通过此处描述的光刻加工所获得的透镜形状和质量要差。
根据本发明，通过使用形成图案的上包层能够保护波导和一体化透镜结构，并能够保持透镜/空气界面。图6a(顶视图)和6b(侧视图)示出了具有形成图案的上包层的一体化透镜结构的一种非限定性的可能构造。如前所述，芯13和一体化透镜结构30可包含任何能形成所需形状的图案的光学材料。它们优选为包含能通过光刻然后再用合适的溶剂进行湿法显影来形成图案的光学透明聚合物(例如通过旋涂进行沉积)。然而，可以将任何其它光学材料——例如玻璃或半导体——用于芯和一体化透镜结构，并用例如RIE来形成图案。
形成芯13和一体化透镜结构30之后，可在其上旋涂可由光形成图案的聚合物。通过对曲面32上方的非固化聚合物的部分进行遮蔽，聚合物的剩余部分能够通过在光刻加工中曝光于光化辐射来固化。然后，可以使用诸如丙酮或异丙醇的合适溶剂将聚合物的被遮蔽(也就是未固化)区域溶解，得到形成图案的上包层60。在该构造中，上包层边缘61可以位于离开锥形/曲面62的任何点，例如可将其设置在与芯/锥形顶点63相邻的地方。
聚合物优选为包含可交联官能团，例如碳-碳双键或环氧基团，其能够通过曝光于光化辐射来交联，由此生成的材料不溶于所选择的溶剂。光化辐射优选为UV光，尽管诸如X射线或电子束一类的电离辐射可能同样合适。由于在该光刻加工中不需要具有高的分辨率，因此，交联处理的热活化作用——例如通过掩模的CO2激光器——可能同样适用。
因其能够形成图案的条件容易且温和(例如，UV曝光，随后溶剂显影)，可由光形成图案的聚合物尤其优选用于形成图案的上包层。在可用于其下层结构(芯、一体化透镜结构和下包层)的各种光学材料中，几乎所有的材料(包括玻璃、半导体和交联聚合物)都不会被用于光刻的低能级UV光或者用于显影的溶剂所破坏。对于其他的形成图案的技术则可能不是这样，例如RIE。在这种情况下，不得不使用比其他材料蚀刻起来快得多的上包层材料，或者可使用蚀刻停止阻挡层，但这是以许多额外的加工步骤为代价的。
一种对于形成图案的上包层特别适合的材料是可由UV固化的硅氧烷聚合物，该材料通过例如美国专利申请No.10/308562中披露的缩合反应来合成。硅氧烷聚合物对多种材料具有出色的附着力，并且非常适合作为通用上包层。可以添加光引发剂或热引发剂以加快固化的速率。商业上可用的光引发剂的实例包括1-羟基环己基·苯基酮(Irgacure 184)，2-甲基-1[(4-甲硫基)苯基]-2-吗啉基丙烷-1-酮(Irgacure 907)，2，2-二甲氧基-1，2-二苯基乙烷-1-酮(Irgacure 651)，2-苯甲基-2-二甲氨基-1-(4-吗啉基苯基)-丁烷-1-酮(Irgacure 369)，4-(二甲氨基)二苯甲酮，2-羟基-2-甲基-1-苯基-丙-1-酮(Darocur 1173)，二苯甲酮(Darocur BP)，1-[4-(2-羟乙氧基)苯基]-2-羟基-2-甲基-1-丙烷-1-酮(Irgacure 2959)，4，4′-二(二乙氨基)二苯甲酮(DEAB)，2-氯噻吨酮(chlorothioxanthone)，2-甲基噻吨酮(methylthioxanthone)，2-异丙基噻吨酮(isopropylthioxanthone)，二苯乙醇酮(benzoin)和4，4′-二甲氧基二苯乙醇酮。对于采用可见光固化，引发剂可为例如莰醌。也可以使用两种或更多种光引发剂的混合物。例如，Irgacure 1000是80％的Darocur 1173和20％的Irgacure 184的混合物。对于热固化，可以将过氧化二碳酸酯、过酸酯(过苯甲酸叔丁酯)、全酮缩醇(perketals)、氢过氧化物、AIBN(偶氮二异丁腈)、过氧化物(例如过氧化二苯甲酰)形式的有机过氧化物用作引发剂。
由此能够看出，在本发明中优选的形成图案的技术，也就是聚合物的光刻形成图案和湿法显影的技术，与前述现有技术中的化学蚀刻技术在原理上不同。虽然两者都包含了选择性地移除部分材料，但是在化学蚀刻的情况下，该选择性是基于化学反应(不同的成分对蚀刻剂具有不同的反应速率)的，而在本发明优选的光刻/湿法显影方法中，选择性是基于物理过程(具有不同交联程度的聚合物具有不同的溶解度)的。
图7a(顶视图)和7b(侧视图)中示出了具有形成图案的上包层的一体化透镜结构的另一种非限定性构造。在该构造中，使上包层71形成图案，以便覆盖整个锥形区域31并保持曲面32的空气交界面。本构造可采用与上面关于图6a和6b的描述相同的材料和形成图案的技术，且可由UV固化的硅氧烷聚合物同样特别优选为上包层材料。本构造中并不要求芯/透镜与上包层材料之间的选择性。因此，可以通过RIE或更为优选地通过UV引发的交联并接着进行溶剂显影来实现形成图案。
一旦该上包层已经形成图案，就可以通过任意靠近透镜的曲面的切割来获得所想要的集成光波导器件。切割的方向通常垂直于沿该芯传播的方向，但是根据器件和应用，也可以使用其它的切割方向。该器件可以包含一体化透镜结构的一个或更多阵列，在这种情况下，为便于切割，将每一阵列内的透镜放置得彼此平行是有利的。
现在考虑具有急弯的集成光波导的实例，图8描绘了具有急弯81并且省略了上包层82的(也就是空气包层的)集成光波导80的顶视图。本构造在现有技术中是已知的，并且由于在弯曲平面内该芯/包层折射率差最大化，从而具有弯曲损耗低的优点，但其缺点是机械强度低且对散射损耗敏感。
图9描绘了具有急弯和上包层90的集成光波导的顶视图。本构造在现有技术中是已知的，并且具有机械强度好、散射损耗低的优点，但是由于芯材料和上包层材料的折射率之间的差不足以避免在该弯曲的外侧上穿过芯/包层交界面的额外光损耗，因此缺点是弯曲损耗高。
图10描绘了具有急弯并具有形成图案的材料/空气上包层100的集成光波导的顶视图，这使围绕具有急弯的芯区域，上包层材料不存在。本发明的构造结合了机械强度好、散射损耗低和弯曲损耗低的优点。在图10中，已使上包层形成图案，使得在具有急弯的芯的区域内，上包层在该弯曲的顶面及内侧和外侧的两个侧壁不存在。注意，上包层仅仅必须在该弯曲外侧的侧壁不存在。
应当注意，由于导引模式从材料包层区域进入空气包层区域再返回到材料包层区域传播，图10示出的本发明的构造引入了传输损耗。本领域技术人员应当理解，为了最好地使用本发明的构造，必须权衡传输损耗与弯曲损耗最小化之间的关系。
作为一体化透镜的实例，芯和上包层可以包含任何能形成所要求形状的图案的光学材料，其优选为分别包含能够通过光刻并接着在合适的溶剂中进行湿法显影而形成图案的光学透明聚合物(通过例如旋涂进行沉积)。
对于在US6,555,288中披露的该“共形”的上包层，图7A和7B(在该披露内容中)示出了通过传统的光刻/湿法显影步骤(也就是从上方曝光于穿过掩模的光化辐射，然后进行溶剂显影)来使上包层形成图案，与芯(如在该披露内容的图4和5中所示)的方式相同。在现有技术的这种前述方法中，形成图案的曝光(也就是穿过掩模的光化辐射)能够采用多种成像工具(imaging tools)进行，例如掩模对准器(mask aligner)、扫描投影对准器(scanning projection aligner)或步进器(stepper)。不管怎样，该方法要求使用两次成像工具，一次用于芯而一次用于上包层。可对两次曝光使用同一成像工具，在这种情况下，增加了用于生产该光学器件的时间；或者可使用两个成像工具，则伴随有更高的设备费用。然而，上包层通常并不需要以与波导芯相同的空间精度来形成图案。例如，对US6,555,288的图7B中上包层相对于芯的定位、对图6中上包层相对于一体化透镜结构的定位或者对图10中上包层相对于弯曲的定位要求并不高。注意，本应用的图7中对一体化透镜结构不是这样，其中，形成图案的上包层必须相对于曲面精确配准。因此，在图6中示出的构造优选用于具有形成图案的上包层的一体化透镜结构。
作为现有技术的前述方法的一种替代方案，上包层可以通过曝光于从下方穿过透明衬底的光化辐射来形成图案。图11a至11h描绘了使用可由UV固化的聚合物材料实现这一形成图案的技术的一种可能的方法，该方法形成了本发明的第二实施形态。通过例如丝网印刷将上包层掩模图案110沉积到对用于固化上包层的UV光透明的衬底111上。适用的衬底材料包括：石英、熔融二氧化硅、玻璃和聚合物。聚合物衬底的非限定性实例包括：丙烯酸类、有机玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酯、聚乙二醇对苯二甲酸酯和PET。将下包层12旋涂到衬底上并用UV光从上方固化。将芯层112旋涂到固化了的下包层上，用穿过掩模114的UV光113从上方进行曝光并利用溶剂显影以留下波导芯13，从而使芯层112形成图案。将上包层115旋涂到波导芯上，用穿过上包层掩模图案110的UV光116从下方曝光并用溶剂显影以留下形成图案的上包层117，从而使上包层117形成图案。形成图案的上包层117是用于示范本发明技术的任意结构。
上面描述的本发明技术是非限定性的，并且存在若干可能的变体。上包层掩模图案110可以丝网印刷到下包层上而不是衬底上。在这种情况下，光化辐射并不穿过下包层，这在形成图案的上包层中需要锐利的边界(被衍射所限)时是有利的。在另一种变体中，由于衬底是透明的，因此可以省略下包层12(只要该衬底的折射率小于芯的折射率)。在又一种变体中，上包层掩模图案110可以用光刻来印刷，尽管这需要成像工具，且失去了本发明技术的主要优点。
上包层掩模图案110可以由任何能吸收用来使上包层形成图案的光化辐射(通常是UV光)的材料构成，例如，其可以由诸如吸收UV光的颜料或铝构成。上包层掩模图案110优选为由适用于丝网印刷的金属涂料、颜料或染料构成，由能强烈吸收UV光但不吸收在芯层中导引的光(通常在近红外区)的材料构成则更为可取。诸如具有共轭的碳-碳双键和/或芳环的化合物的这些材料是本领域常见和公知的。由于将上包层掩模图案110留在原位(in situ)，这是极其有利的特征。
在又一种变体中，可以将反转的掩模图案丝网印刷到透明衬底上，并且通过例如喷砂或蚀刻(例如，如果衬底是熔融二氧化硅，则采用氢氟酸)使未涂覆的表面区域变得粗糙。然后可以使用例如溶剂来将该反转的掩模图案移除，将所想要的上包层掩模作为具有能散射(并有效遮挡)光化辐射的粗糙特征的图案留下。
“从下方辐射”的方案对于使芯层形成图案是已知的(US5,352,566、US6,037,105、US6,256,441)，但对于使上包层形成图案并非已知。在US6,037,105和US6,256,441中披露的方案实质上是相同的，包括在下包层上沉积上包层掩模图案，用于使可由UV固化的芯层形成图案。在US6,037,105中，将“从下方辐射”的方案用于避免与光掩模接触所造成的芯层污染，而在US6,256,441中，将其用于提供高精度的芯图案。与此相反，从下方使上包层形成图案的本发明方案的目的是减少所需制造步骤的数量，特别是那些涉及成像工具的步骤。在US5,352,566中披露的用于使芯形成图案的“从下方辐射”的方案在许多方面截然不同，其包括正光致抗蚀剂层和活性离子蚀刻步骤。
在使上包层形成图案的本发明技术又一可能的变体中，可以在衬底和下包层和/或上包层掩模图案之间***剥离层。在芯和上包层形成图案之后，接着可移除该剥离层以将下包层、形成图案的芯和上包层从衬底分离。如果需要柔性的、全聚合物的波导组件，这一变体尤为可取。这一变体的另一个优点是使上包层掩模图案能够被移除。下包层可包含附加的柔性聚合物衬底材料和沉积的光学品质包层材料的组合物，并且上包层掩模层可在多层(透明衬底、剥离层、可以有也可以没有的柔性聚合物衬底或下包层)中的任何一层上形成。在US6,256,441中披露了类似的剥离层方案，但是在该披露的内容中从下方形成图案的是芯层而不是上包层。
应当注意，通过从下方曝光使上包层形成图案的本发明方法可适用于任何形成图案的上包层，不仅仅是本发明中具有发明性的形成图案的上包层，其中使上包层形成图案，使芯在至少一侧的至少一个区域内不与上包层材料接触。例如，本发明方法可以用于使US5,850,498和US6,555,288中披露的“共形”的上包层形成图案。
实例1
在美国专利申请No.10/308562中披露的步骤之后，制备粘度为2500cP(在20℃)并且折射率(采用室内光线在Abb é折射计上在20℃测量)为1.483的低折射率聚合物A。制备粘度为2200cP(在20℃)并且折射率为1.509(在20℃)的高折射率聚合物B。将合适的光引发剂添加到聚合物A中和聚合物B中。
将聚合物A旋涂到硅片上并用来自水银灯的UV光进行固化，以形成折射率为1.478(在20℃和1550nm)的20μm厚的下包层。将聚合物B旋涂到该下包层上，并用穿过掩模的UV光使其形成图案；然后用异丙醇将未曝光的聚合物B材料溶解以形成如图3a中所示的芯和一体化透镜结构。该芯8μm宽、15μm高，并具有1.505的折射率(在20℃和1550nm)。最后，旋涂聚合物A并用穿过掩模的UV光使其形成图案；然后用异丙醇将未曝光的聚合物A材料溶解以形成如图6a中所示的形成图案的上包层。
图12描绘了一个具有一体化透镜结构120的具体波导芯的尺寸。在这一实例中，波导芯的宽度121为8μm，锥形区域的长度122为580μm，锥形区域的末端宽度123为850μm，曲面32是抛物线，且对该抛物线进行限定，以便使其距锥形末端的距离124等于550μm。对于在芯中导引的波长为850nm的光，这种一体化透镜结构将沿平行于该衬底的方向产生宽度约为850μm的准直输出光束。
实例2
将实例1中的聚合物A旋涂到硅片上并用来自水银灯的UV光固化，以形成折射率为1.478(在20℃和1550nm)的20μm厚的下包层。将实例1中的聚合物B旋涂到该下包层上，并用穿过掩模的UV光使其形成图案；然后用异丙醇将未曝光的聚合物B材料溶解以形成如图8所示的具有四个急弯的芯。该芯8μm宽、15μm高，且具有1.505的折射率(在20℃和1550nm)。最后，将聚合物A旋涂在该芯上并用穿过掩模的UV光使其形成图案；然后用异丙醇将未曝光的聚合物A材料溶解以形成如图10所示的形成图案的上包层。
实例3
将聚合物A弯月形涂覆到丙烯酸类衬底(有机玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯)上，并用来自水银灯的UV光使其固化，以形成折射率为1.478(在20℃和1550nm)的10μm厚的下包层。将聚合物B弯月形涂覆到该下包层上，并利用扫描投影对准器用UV光使其形成图案；然后用异丙醇将未曝光的聚合物B材料溶解以形成如图3a所示的芯和一体化透镜结构。该芯8μm宽、20μm高，且具有1.505的折射率(在20℃和1550nm)。最后，在该芯上弯月形涂覆聚合物A并用扫描投影对准器使其形成图案；然后用异丙醇将未曝光的聚合物A材料溶解以形成如图6a所示的形成图案的上包层。
实例4
在玻璃薄片上旋涂聚乙烯醇(PVA)释放层。旋涂可由光固化的聚合物Norland NOA65，并用来自水银灯的UV光使其固化以得到100μm厚的层。然后旋涂聚合物A并用来自水银灯的UV光使其固化，以形成折射率为1.478(在20℃和1550nm)的10μm厚的下包层。将聚合物B旋涂到该下包层上，并利用掩模对准器用UV光使其形成图案；然后用异丙醇将未曝光的聚合物B材料溶解以形成如图3a所示的芯和一体化透镜结构。该芯8μm宽、10μm高，且具有1.505的折射率(在20℃和1550nm)。在该芯上旋涂聚合物A并用掩模对准器使其形成图案；然后用异丙醇将未曝光的聚合物A材料溶解以形成如图6a所示的形成图案的上包层。然后将涂覆后的该薄片***水中以溶解该PVA层，于是从该薄片释放出无支撑物的聚合物膜，该聚合物膜包含具有未被覆盖的透镜的波导。将多余的聚合物膜去除，以得到想要的、无支撑物的塑料衬底之上的波导。
实例5
将可吸收UV的染料所制的掩模层丝网印刷到熔融二氧化硅衬底上，以覆盖某些区域，所述区域内上包层材料将被移除以形成图6a所示的形成图案的上包层。如实例1中那样，旋涂聚合物A并使其固化以形成下包层；旋涂聚合物B，用UV光使其形成图案并用异丙醇显影以形成如图3a所示的芯和透镜结构。然后旋涂聚合物A并从下方用UV光使其固化，其具有所想要的图案，且该图案通过可吸收UV的染料所制的掩模层转换得出。然后用异丙醇将未曝光的聚合物A材料溶解以形成如图6a所示的形成图案的上包层。
实例6
将可吸收UV的染料所制的掩模层丝网印刷到丙烯酸类衬底(有机玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯)上，以覆盖某些区域，所述区域内上包层材料将被移除以形成图6a所示的形成图案的上包层。将聚合物A弯月形涂覆到该衬底上并用来自水银灯的UV光使其固化，以形成折射率为1.478(在20℃和1550nm)的10μm厚的下包层。将聚合物B弯月形涂覆到该下包层上，并利用扫描投影对准器用UV光使其形成图案；然后用异丙醇将未曝光的聚合物B材料溶解以形成如图3a所示的芯和一体化透镜结构。该芯8μm宽、15μm高，且具有1.505的折射率(在20℃和1550nm)。然后旋涂聚合物A并从下方用UV光使其固化，其具有所想要的图案，且该图案通过可吸收UV的染料所制的掩模层转换得出。然后用异丙醇将未曝光的聚合物A材料溶解以形成如图6a所示的形成图案的上包层。

Claims (26)

1.一种用于生产集成光波导的方法，其中，上述集成光波导具有形成图案的上包层，该方法包括以下步骤：
a)在衬底上沉积芯层；
b)使所述芯层形成图案以提供光传输元件，其中，所述光传输元件包含具有弯曲的波导；
c)在所述光传输元件上沉积上包层，其中，所述上包层包含聚合物材料；
d)使所述上包层形成图案以提供至少一个区域，且在上述区域中所述光传输元件是空气包层的；且其中，所述波导在所述弯曲的区域内具有空气包层的表面。
2.如权利要求1所述的方法，该方法还包括以下步骤：
e)在将所述芯层沉积到所述衬底上之前，在所述衬底上沉积下包层。
3.如权利要求1所述的方法，其中，所述光传输元件在至少一侧上是空气包层的。
4.如权利要求3所述的方法，其中，所述波导在所述弯曲的外侧的对应侧上具有空气包层的表面。
5.如权利要求1所述的方法，其中，部分所述上包层与部分所述光传输元件相匹配。
6.如权利要求1所述的方法，其中，所述光传输元件的顶部是空气包层的。
7.如权利要求1所述的方法，其中，所述聚合物材料包含可被热固化的聚合物。
8.如权利要求7所述的方法，其中，所述可被热固化的聚合物为硅氧烷聚合物。
9.如权利要求1所述的方法，其中，所述聚合物材料包含可被光化辐射固化的聚合物。
10.如权利要求9所述的方法，其中，所述光化辐射为紫外光。
11.如权利要求9所述的方法，其中，所述聚合物材料为硅氧烷聚合物。
12.如权利要求1所述的方法，其中，通过利用形成图案的热源进行选择性固化并用溶剂溶解未固化的材料来使所述上包层形成图案，且其中被固化了的材料不溶于所述溶剂。
13.如权利要求1所述的方法，其中，通过利用形成图案的紫外光源进行选择性固化并用溶剂溶解未固化的材料来使所述上包层形成图案，且其中被固化了的材料不溶于所述溶剂。
14.一种具有形成图案的上包层的集成光波导，其包含：
衬底；
光传输元件，所述光传输元件包含具有弯曲的波导；以及
上包层，所述上包层形成图案以提供至少一个区域，且在上述区域中所述光传输元件是空气包层的，且其中，所述上包层包含聚合物材料；且其中，所述波导在所述弯曲的区域内具有空气包层的表面。
15.如权利要求14所述的集成光波导，其还包含下包层，该下包层在所述衬底与所述光传输元件之间。
16.如权利要求14所述的集成光波导，其中，所述光传输元件在至少一侧上是空气包层的。
17.如权利要求16所述的集成光波导，其中，所述波导在所述弯曲的外侧的对应侧上具有空气包层的表面。
18.如权利要求14所述的集成光波导，其中，部分所述上包层与部分所述光传输元件相匹配。
19.如权利要求14所述的集成光波导，其中，所述光传输元件的顶部是空气包层的。
20.如权利要求14所述的集成光波导，其中，所述聚合物材料包含可被热固化的聚合物。
21.如权利要求20所述的集成光波导，其中，所述可被热固化的聚合物为硅氧烷聚合物。
22.如权利要求14所述的集成光波导，其中，所述聚合物材料包含可被光化辐射固化的聚合物。
23.如权利要求22所述的集成光波导，其中，所述光化辐射为紫外光。
24.如权利要求22所述的集成光波导，其中，所述聚合物材料为硅氧烷聚合物。
25.如权利要求14所述的集成光波导，其中，通过利用形成图案的热源进行选择性固化并用溶剂溶解未固化的材料来使所述上包层形成图案，且其中被固化了的材料不溶于所述溶剂。
26.如权利要求14所述的集成光波导，其中，通过利用形成图案的紫外光源进行选择性固化并用溶剂溶解未固化的材料来使所述上包层形成图案，且其中被固化了的材料不溶于所述溶剂。
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