專利名稱：具有形成圖案的包層的平面波導(dǎo)及其生產(chǎn)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有形成圖案的(patterned)上包層的集成光波導(dǎo)，以及使該上包層形成圖案的方法。
背景技術(shù)：
集成光波導(dǎo)典型地由形成圖案的、被包層材料(其折射率為n2)包圍并且安裝在機(jī)械性能堅(jiān)固的襯底之上的光導(dǎo)芯層(其折射率為n1，其中n2＜n1)構(gòu)成。這些波導(dǎo)通常具有平的端面，常常通過采用鉆石輪劃片機(jī)(dicing saw)切割該襯底和波導(dǎo)結(jié)構(gòu)、然后通過拋光步驟去除散射中心來生產(chǎn)。通過芯和包層之間的折射率差，將沿波導(dǎo)傳播的光在芯中進(jìn)行導(dǎo)引。
參照附圖，圖1a和1b示出了現(xiàn)有技術(shù)中已知的典型集成光波導(dǎo)10的端面的側(cè)視圖和端視圖，其包含襯底11、下包層12、光導(dǎo)芯13和上包層14。根據(jù)材料系統(tǒng)，可使用多種技術(shù)來沉積下包層、芯層和上包層，它們包括火焰水解法或者化學(xué)氣相沉積法(例如用于玻璃)、分子束外延(例如用于半導(dǎo)體)以及旋涂(例如用于聚合物)。可通過光刻(photolithography)和活性離子蝕刻法(適用于大多數(shù)材料)或者通過光刻和濕法蝕刻法(例如用于可由光形成圖案的聚合物)(photo-patternablepolymers)來使芯層形成圖案。下包層12和上包層14的折射率需小于芯13的折射率以便將光限定在芯內(nèi)。通常，下包層12和上包層14具有相同的折射率，以便使導(dǎo)引模式(guided mode)對稱，盡管這種對稱并不是必須的。如果襯底材料11是透明的并且具有低于芯材料13的折射率，那么可以省略下包層12。
平面波導(dǎo)典型具有可傳輸光的、延伸的芯區(qū)域，該芯區(qū)域的橫截面是正方形或矩形。通常將底面定義為與襯底相鄰或最靠近襯底的面。頂面是與該底面平行但離該襯底最遠(yuǎn)的面。側(cè)面是那些與該襯底垂直的面。
在前面描述的現(xiàn)有技術(shù)中的這種集成光波導(dǎo)中，芯被包層材料——要么下包層、要么上包層——所圍繞。然而，情況并非必須這樣，并且存在某些應(yīng)用，在這些應(yīng)用中，芯的至少一部分在至少一側(cè)上不與包層材料接觸是有利的。因此，本發(fā)明的一個實(shí)施形態(tài)涉及一種集成光波導(dǎo)，其上包層形成圖案，使得在至少一個區(qū)域內(nèi)、芯的至少一側(cè)不與上包層材料接觸。
在US5,850,498和US6,555,288中已經(jīng)披露了形成圖案的上包層，其用于減小波導(dǎo)芯中的應(yīng)力。在這些披露的內(nèi)容中，形成圖案的上包層被描述為“共形(conformal)”，該上包層具有與芯的形狀基本等同的形狀，換句話說，芯被薄薄一層上包層材料所封裝(enclose)(底面除外、該底面與襯底或下包層材料接觸)。這區(qū)別于本發(fā)明中的形成圖案的上包層，在本發(fā)明中，使上包層形成圖案，使得在至少一個區(qū)域內(nèi)、芯的至少一側(cè)不與上包層材料接觸。
芯的至少一個區(qū)域在至少一側(cè)不與包層材料接觸較為有利的一種應(yīng)用是具有一體化透鏡結(jié)構(gòu)(unitary lens structure)的集成光波導(dǎo)。如上所述，芯和包層之間的折射率差將光沿著集成光波導(dǎo)進(jìn)行導(dǎo)引，但是，光在離開芯而進(jìn)入自由空間(或?qū)嶋H中的空氣)時立即發(fā)散。這種發(fā)散在平行和垂直于襯底的兩個維度內(nèi)產(chǎn)生。如果想要得到準(zhǔn)直的輸出光束，則需要某種正(也就是會聚)透鏡。同樣地，需要會聚透鏡來使準(zhǔn)直光束聚焦到集成光波導(dǎo)中。
一種解決方案是使用諸如球型透鏡或圓柱型梯度折射率(GRIN)透鏡之類的分離元件，但是，這些透鏡由于尺寸較小而難以操作，它們需要在兩個維度上精確調(diào)準(zhǔn)，并且引入了額外的交界面(伴隨著固有反射損耗)。因此，使透鏡結(jié)構(gòu)與該光波導(dǎo)集成在一起更為可取。多年以來人們已經(jīng)提出了許多類型的集成透鏡，包括菲涅耳透鏡(US4,367,916、US4,445,759)和布拉格透鏡(US4,262,996、US4,440,468)在內(nèi)。這些透鏡僅在透鏡結(jié)構(gòu)的平面(總是平行于襯底)內(nèi)提供一維聚焦。
另一種可能是在端面裝配(fabricate)GRIN透鏡(US5,719,973)。這些透鏡提供二維聚焦，但它們具有圓柱對稱性，因此用于光纖相比于用于集成光波導(dǎo)(其典型具有矩形形狀)更為合適。
將透鏡結(jié)構(gòu)與光波導(dǎo)集成在一起的一種方法是在波導(dǎo)的端面上制造透鏡形狀的凸起。這可以通過選擇性地蝕刻包層而留下凸起的芯、然后再將波導(dǎo)材料加熱到其軟化點(diǎn)(例如采用CO2激光脈沖)使得有角的凸起塌陷為圓形的凸透鏡形狀來實(shí)現(xiàn)。這樣的一種結(jié)構(gòu)同樣提供了二維聚焦。
圖2a、2b和2c描繪了現(xiàn)有技術(shù)中已知的在集成光波導(dǎo)端面上制造透鏡的方法，如US5,432,877中所述。根據(jù)該實(shí)施例，圖2a示出了襯底11(例如硅)、下包層12和上包層14(兩包層均包含摻雜硼和磷的二氧化硅)以及芯13(包含摻雜硼、磷和鍺的二氧化硅)。波導(dǎo)10的端面在氫氟酸緩沖溶液(buffered hydrofluoric acid solution)中進(jìn)行蝕刻，該溶液首先蝕刻包層，而留下芯材料的凸起20。最后，將蝕刻后的波導(dǎo)加熱到大約1000℃以使芯軟化，然后，表面張力使凸起的芯成形，產(chǎn)生了大致呈錐形的透鏡21。
在US5,432,877和US6,341,189中已將這些化學(xué)蝕刻技術(shù)示范用于基于石英玻璃的(silica glass-based)波導(dǎo)。但是，它們依賴于包層(例如二氧化硅)和芯(例如摻雜鍺的二氧化硅)之間不同的蝕刻速率，在適用范圍上受到限制。例如，選擇性的化學(xué)蝕刻通常不能用于基于聚合物的(polymer-based)集成光波導(dǎo)。另外，由熱造成的圓形化處理僅能用于芯材料具有軟化點(diǎn)的情況，其排除了非熱塑性聚合物和諸如硅與其他半導(dǎo)體的晶體材料。此外，如果想要獲得所要求的透鏡形狀，必須對蝕刻和軟化處理進(jìn)行精確控制。
基于化學(xué)蝕刻的技術(shù)的另一個缺點(diǎn)是僅能在光波導(dǎo)回路片已被切割(dice)之后(切割或者斷裂為獨(dú)立的片)制備該透鏡結(jié)構(gòu)。盡管可同時收集和蝕刻大量的片，這仍需要仔細(xì)操作和額外的處理步驟。
本發(fā)明涉及一種具有形成圖案的上包層并具有一體化透鏡結(jié)構(gòu)的集成光波導(dǎo)的制造方法，該方法避免了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述某些或全部缺點(diǎn)。該一體化透鏡包含一曲面，光穿過該曲面而射入自由空間。由于該曲面必須具有一空氣交界面，因此必須使任何上包層形成圖案，以使至少該曲面不與包層材料接觸。
本發(fā)明所述的一體化透鏡結(jié)構(gòu)能夠在平行于襯底的維度上使光聚焦。如果想要在垂直方向上聚焦，可以使用諸如橫向圓柱型透鏡的外部透鏡。這種構(gòu)造優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)中已知的需要外部球型或GRIN透鏡的其他構(gòu)造，因?yàn)檫@些構(gòu)造要求外部透鏡在兩個維度上進(jìn)行精確定位。相反，外部的橫向圓柱型透鏡僅需在垂直方向上精確定位。這在具有一體化透鏡結(jié)構(gòu)陣列的器件中尤其有利，該器件可使用一個橫向圓柱型透鏡來為多個陣列元件提供垂直聚焦。
芯的至少一個區(qū)域在至少一側(cè)不與包層材料接觸較為有利的第二種應(yīng)用是圍繞具有較小彎曲半徑的曲線對光進(jìn)行導(dǎo)引的集成光波導(dǎo)。由于可通過進(jìn)行急彎來減小器件的底部(footprint)(且因此可在每個襯底上裝配更多的器件)，這種情況在集成光波導(dǎo)器件的設(shè)計(jì)中頻繁出現(xiàn)。在不希望被理論約束的情況下，眾所周知，將彎曲引入光波導(dǎo)會對導(dǎo)引模式產(chǎn)生干擾，使得它們趨向于從彎曲的側(cè)面泄漏，結(jié)果造成光能的損耗。對于大的彎曲半徑(也就是漸彎)，這種損耗可以忽略，但是當(dāng)彎曲半徑減小時，達(dá)到一個損耗不可接受的點(diǎn)。對于給定的彎曲半徑，損耗取決于芯和包層之間的折射率差；折射率差越大(也就是導(dǎo)引模式受到更緊的約束)，該損耗越小。對于單模和多模波導(dǎo)都會產(chǎn)生彎曲導(dǎo)致的損耗。對于多模的情況，越高階的模式(其被導(dǎo)引的強(qiáng)度較弱)具有越高的彎曲損耗(也就是趨向于首先被損耗)。
通常，當(dāng)芯被自由空間(實(shí)際上是空氣)包圍，也就是該“包層”具有為1的折射率時，芯-包層折射率差為最大(且因此彎曲損耗最小)。對于集成光波導(dǎo)器件，彎曲通常僅發(fā)生在平行于該襯底的一個平面內(nèi)。由于彎曲損耗僅發(fā)生在該彎曲的平面內(nèi)(也就是光穿過該側(cè)壁泄漏)，故僅僅該側(cè)壁需要是“空氣包層的”。具體而言，僅僅在該彎曲外側(cè)的側(cè)壁需要是空氣包層的?，F(xiàn)在參考圖1a和1b如果集成光波導(dǎo)器件具有急彎，那么省略上包層14是有利的。芯13因此僅在底面與包層材料(下包層12)接觸，其在彎曲損耗方面是不重要的。
在平面波導(dǎo)中省略上包層的缺點(diǎn)是該結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度可能不夠，也就是說，該結(jié)構(gòu)不能使用標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行處理和操作。例如，用高速鋸切割時會使芯從下包層脫離。此外，裸露的芯結(jié)構(gòu)對外界灰塵形成的散射中心或機(jī)械損傷極其敏感。因此，在具有急彎的集成波導(dǎo)器件中，使上包層形成圖案以使上包層材料在除圍繞該急彎的區(qū)域外處處存在是有利的。
類似地，在具有一體化透鏡結(jié)構(gòu)的集成波導(dǎo)器件中，使上包層形成圖案以使上包層材料在除圍繞該一體化透鏡結(jié)構(gòu)的區(qū)域外處處存在是有利的。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一實(shí)施形態(tài)涉及集成光波導(dǎo)，其中使上包層形成圖案以使芯在至少一側(cè)的至少一個區(qū)域不與包層材料接觸。本發(fā)明的第二實(shí)施形態(tài)描述了一種用于使上包層形成圖案的方法。
如上所述，平面波導(dǎo)具有可傳輸光的、延伸的芯區(qū)域，該芯區(qū)域的橫截面為正方形或矩形，并具有頂面、底面以及兩側(cè)面。這種平面波導(dǎo)還具有兩個端面。由于這些端面垂直于襯底，因此就本發(fā)明來說也可以看作是側(cè)面。
本發(fā)明的第一實(shí)施形態(tài)提供了一種生產(chǎn)具有形成圖案的上包層的集成光波導(dǎo)的方法，其包括以下步驟a)在襯底上沉積芯層，二者之間可以有、也可以沒有下包層；b)使該芯層形成圖案以提供光傳輸元件；c)在該光傳輸元件上沉積上包層；以及d)使該上包層形成圖案以提供至少一個區(qū)域，在該區(qū)域中光傳輸元件是空氣包層的。
本發(fā)明的第二實(shí)施形態(tài)提供了一種具有形成圖案的上包層的集成光波導(dǎo)，其包括襯底；
可以有、也可以沒有的下包層；光傳輸元件；以及形成圖案的上包層，其具有至少一個空氣包層的區(qū)域。
通常，使芯層形成圖案會導(dǎo)致襯底或下包層(在使用下包層的情況下)出現(xiàn)未覆蓋的(uncovered)部分。在這種情況下，在應(yīng)用時該未覆蓋部分可由上包層整個或局部地重新覆蓋(recoat)，這一點(diǎn)是不言自明的。上包層的形成圖案可能會、也可能不會導(dǎo)致襯底或下包層出現(xiàn)某些未覆蓋的部分。
此外，盡管本發(fā)明披露了光傳輸部分的某一側(cè)面或端面區(qū)域保持為未包層狀態(tài)的情況，本領(lǐng)域技術(shù)人員將會明了，除關(guān)心的功能區(qū)域之外，為避免機(jī)械損傷和散射損耗，最好盡量對光傳輸芯進(jìn)行包層。
在一個替代實(shí)施例中，光傳輸元件包含作為一個整體的波導(dǎo)和透鏡。該透鏡優(yōu)選為具有曲面，且使上包層形成圖案的步驟優(yōu)選為能使該曲面不與上包層材料接觸。
或者，光傳輸元件可包含具有彎曲的波導(dǎo)。使上包層形成圖案的步驟優(yōu)選為能使波導(dǎo)在彎曲的區(qū)域內(nèi)不與上包層材料接觸。波導(dǎo)在與彎曲外側(cè)相對應(yīng)的側(cè)面上不與上包層材料接觸則更為可取。
上包層優(yōu)選為包含聚合材料，熱固化聚合物更佳。因此，優(yōu)選采用形成圖案的熱源對上包層進(jìn)行選擇性固化并采用溶劑使未固化的材料溶解，使上包層形成圖案，其中，被固化了的材料不溶于該溶劑。
替代方案中，上包層包含可通過光化輻射(紫外光為佳)固化的聚合物。因此，優(yōu)選采用形成圖案的紫外光源對上包層進(jìn)行選擇性固化并采用溶劑使未固化的材料溶解，使上包層形成圖案，其中，固化了的材料不溶于該溶劑。
通常，該聚合物優(yōu)選為硅氧烷聚合物，襯底優(yōu)選為包含硅、二氧化硅、玻璃或聚合物。聚合物襯底的非限定性實(shí)例包括丙烯酸類(acrylic)、有機(jī)玻璃(Perspex)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酯、聚乙二醇對苯二甲酸酯和PET。
下包層和光傳輸元件優(yōu)選為包含從聚合物材料、玻璃和半導(dǎo)體中選擇的材料。
下包層和光傳輸元件包含聚合物則更佳，特別是可通過光化輻射(紫外光最佳)固化的硅氧烷聚合物。
本發(fā)明的第三實(shí)施形態(tài)提供了一種制造帶有形成圖案的上包層的光波導(dǎo)器件的方法，其包括以下步驟a)在對預(yù)定波長透明的襯底的一部分上，形成對該預(yù)定波長不透明的、形成圖案的遮擋層；b)在所述形成圖案的遮擋層上和/或在該襯底的未覆蓋部分上沉積芯層；c)從上方使該芯層形成圖案以提供光傳輸元件；d)在該光傳輸元件上和/或在該形成圖案的遮擋層上和/或在該襯底的未覆蓋部分上沉積上包層，該上包層包含能通過曝光于該預(yù)定波長的光來固化的材料；e)用該預(yù)定波長的光從下方照射所述上包層，以使所述上包層中那些沒有位于所述形成圖案的遮擋層之上的部分固化；以及f)將所述上包層的未固化部分移除。
本發(fā)明的第四實(shí)施形態(tài)提供了一種制造具有形成圖案的上包層的光波導(dǎo)器件的方法，其包括以下步驟a)在對預(yù)定波長透明的襯底的一部分上，形成對該預(yù)定波長不透明的、形成圖案的遮擋層；b)在所述形成圖案的遮擋層上和/或在所述襯底的未覆蓋部分上沉積下包層；c)在所述下包層上沉積芯層；d)從上方使該芯層形成圖案以提供光傳輸元件；e)在所述芯層上和/或在所述下包層的未覆蓋部分上沉積上包層，該上包層包含能通過曝光于該預(yù)定波長的光來固化的材料；f)用該預(yù)定波長的光從下方照射所述上包層，以使所述上包層中那些沒有位于所述形成圖案的遮擋層之上的部分固化；以及g)將所述上包層的未固化部分移除。
形成圖案的遮擋層優(yōu)選為通過絲網(wǎng)印刷形成，其優(yōu)選為包含吸收該預(yù)定波長的光的化合物(compound)。
上包層優(yōu)選為包含能通過對該預(yù)定波長的光曝光來固化的聚合物，該預(yù)定波長的光優(yōu)選為在紫外區(qū)域。該聚合物優(yōu)選為硅氧烷聚合物。
在某些實(shí)施例中，形成圖案的遮擋層優(yōu)選為包含具有散射表面的圖案，例如可通過機(jī)械研磨或化學(xué)蝕刻形成的散射表面，例如，其中散射表面能使該預(yù)定波長的光散射，有效地遮擋所述光的傳輸。
可以明了在襯底上使芯層形成圖案時，通常會產(chǎn)生襯底的未覆蓋部分。形成圖案的遮擋層的部分或全部同樣可能未被覆蓋。該襯底和/或遮擋層通常將由上包層重新覆蓋(recoat)。在使用穿過該襯底的固化光進(jìn)行光刻之后，遮擋層上方的部分通常被洗掉?？赏ㄟ^例如機(jī)械方式屏蔽(mask)其他區(qū)域，以保持襯底或涂層(coating layer)的未覆蓋狀態(tài)。
同樣，可以明了在下包層上使芯層形成圖案時，通常會產(chǎn)生下包層的未覆蓋部分。形成圖案的遮擋層的部分或全部以及下包層的部分或全部同樣可能未被覆蓋。襯底、下包層和/或遮擋層通常將由上包層重新覆蓋。在使用穿過襯底的固化光進(jìn)行光刻之后，遮擋層上方的部分通常被洗掉?？赏ㄟ^例如機(jī)械方式屏蔽其他區(qū)域，以保持襯底、下包層或涂層的未覆蓋狀態(tài)。
本發(fā)明的第五實(shí)施形態(tài)提供了一種制造帶有形成圖案的上包層的光波導(dǎo)器件的方法，其包括以下步驟a)在對預(yù)定波長的光透明的襯底上沉積下包層；b)在所述下包層上形成對具有該預(yù)定波長的光不透明的、形成圖案的遮擋層；c)在所述遮擋層上和/或在該下包層的未覆蓋部分上沉積芯層；d)從上方使該芯層形成圖案以提供光傳輸元件；e)在所述光傳輸元件上和/或在所述遮擋層上和/或在所述下包層上沉積上包層，該上包層包含能通過對該預(yù)定波長的光曝光來固化的材料；f)用該預(yù)定波長的光從下方照射所述上包層，以使所述上包層中那些沒有位于所述形成圖案的遮擋層之上的部分固化；以及g)將所述上包層的未固化部分移除。
在一個可替代的優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種另外還包含以下步驟的方法i)在形成該形成圖案的遮擋層之后并在沉積該下包層之前，形成剝離層；以及ii)在所述上包層中的未固化部分移除之后將該剝離層移除，使得該下包層、光傳輸元件和形成圖案的上包層從該襯底分離。
在另一個可替代的優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明提供了一種另外還包含以下步驟的方法i)在沉積該下包層之前，在該襯底上形成剝離層；以及ii)在所述上包層中的未固化部分移除之后將剝離層移除，使得該下包層、形成圖案的遮擋層、光傳輸元件和形成圖案的上包層從該襯底分離。


圖1a和1b描繪了現(xiàn)有技術(shù)中已知的典型集成光波導(dǎo)端面的側(cè)視圖和端視圖；圖2a-c描繪了用于在集成光波導(dǎo)端面上制造透鏡結(jié)構(gòu)的選擇性化學(xué)蝕刻方法所包括的步驟(如現(xiàn)有技術(shù)所知)；圖3a和3b描繪了具有空氣包層的一體化透鏡結(jié)構(gòu)和形成圖案的波導(dǎo)的頂視圖和側(cè)視圖，并且采用橫向圓柱型透鏡使光沿垂直方向聚焦；圖4a和4b描繪了為什么形成圖案的波導(dǎo)和一體化透鏡結(jié)構(gòu)不能采用傳統(tǒng)的(也就是非形成圖案的)上包層來保護(hù)；圖5a和5b描繪了一種用于制造具有傳統(tǒng)上包層的一體化透鏡結(jié)構(gòu)和形成圖案的波導(dǎo)的有可能但無法實(shí)施的方法；圖6a和6b描繪了一種用于制造具有形成圖案的上包層的一體化透鏡結(jié)構(gòu)和形成圖案的波導(dǎo)的可能的方法；圖7a和7b描繪了另一種用于制造具有形成圖案的上包層的一體化透鏡結(jié)構(gòu)和形成圖案的波導(dǎo)的可能的方法；圖8描繪了一種具有急彎并且省略了上包層的集成光波導(dǎo)的頂視圖；圖9描繪了一種具有急彎并且具有上包層的集成光波導(dǎo)的頂視圖；圖10描繪了一種具有急彎并且具有形成圖案的材料/空氣上包層的集成光波導(dǎo)的頂視圖；圖11a-h描繪了一種用于提供具有形成圖案的上包層的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的方法；圖12描繪了具有用于產(chǎn)生準(zhǔn)直輸出的一體化透鏡結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)芯的尺寸。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的第一實(shí)施形態(tài)涉及集成光波導(dǎo)，其中，上包層形成圖案使得芯在至少一側(cè)的至少一個區(qū)域內(nèi)不與包層材料接觸。本實(shí)施形態(tài)將通過兩個非限定性實(shí)例進(jìn)行描述具有一體化透鏡結(jié)構(gòu)的集成光波導(dǎo)以及具有急彎的集成光波導(dǎo)。本實(shí)施形態(tài)對包含聚合物材料——尤其是可由光形成圖案的聚合物——的集成光波導(dǎo)最為適用，但可廣泛應(yīng)用于所包含的材料范圍甚廣的波導(dǎo)。
首先來考慮用于一體化透鏡結(jié)構(gòu)的形成圖案的上包層的實(shí)例。本說明書將重點(diǎn)放在將準(zhǔn)直光束射入自由空間的透鏡，然而，人們應(yīng)當(dāng)明白這種情況是非限定性的。同樣的一體化透鏡結(jié)構(gòu)可等同地用于將準(zhǔn)直光束聚焦到波導(dǎo)之中。用于其他一體化透鏡結(jié)構(gòu)——例如用于將來自激光二極管的光聚焦進(jìn)入波導(dǎo)的透鏡——的形成圖案的上包層也在本發(fā)明的范圍之內(nèi)圖3a示出了具有一體化形成圖案的透鏡結(jié)構(gòu)30的空氣包層的波導(dǎo)芯13的頂視圖，圖3b中示出了其側(cè)視圖。此外還示出了下包層12和襯底11。一體化透鏡結(jié)構(gòu)30包含錐形區(qū)域31和曲面32。沿芯13導(dǎo)引的光發(fā)散進(jìn)入到錐形區(qū)域31，并通過在曲面32上的折射而沿平行于該襯底的方向被準(zhǔn)直。由于透鏡與波導(dǎo)是一體的，故并不存在兩部分之間具有交界面時所發(fā)生的損耗或散射。如果需要將該光束沿垂直于該襯底的方向準(zhǔn)直，可使用橫向圓柱型透鏡33來產(chǎn)生沿兩個方向準(zhǔn)直的光束34。芯13和一體化透鏡結(jié)構(gòu)30可包含任何能形成所需形狀的圖案的光學(xué)材料，例如，它們可以包含通過火焰水解進(jìn)行沉積并通過光刻和活性離子蝕刻(RIE)來形成圖案的摻雜鍺的二氧化硅，而包含能通過光刻并隨后用合適的溶劑進(jìn)行濕法顯影(develop)來形成圖案的光學(xué)透明聚合物(例如通過旋涂進(jìn)行沉積)則更為可取。這種結(jié)構(gòu)以及用于制造它的光刻方法的一個優(yōu)點(diǎn)是圖案形成精確，僅由光刻所用掩模的分辨率所限。特別地，可對透鏡的曲率進(jìn)行特別設(shè)計(jì)以產(chǎn)生高度準(zhǔn)直的輸出光束。或者，可對透鏡曲率進(jìn)行設(shè)計(jì)以產(chǎn)生會聚的光束或?qū)す舛O管所發(fā)射的光進(jìn)行聚集。如曲面32所描繪，該透鏡的曲率可具有適于產(chǎn)生所需要的準(zhǔn)直或會聚光束的任何形狀，例如，其可以包含圓、橢圓、拋物線或雙曲線或者多項(xiàng)式方程所生成的任何曲線的一部分，也可以包含逼近曲面的多個直線段。實(shí)際上，在使一體化透鏡結(jié)構(gòu)形成圖案所必需的掩模的制造當(dāng)中通常所涉及的數(shù)字化就意味著該曲面將由多個直線段組成。這種結(jié)構(gòu)以及用于制造它的光刻方法的第二個優(yōu)點(diǎn)是能夠在將切割光波導(dǎo)回路之前制造透鏡。
為一體化芯和/或透鏡提供上包層以保護(hù)其免于機(jī)械損壞是人們想要的。然而，透鏡需要能將光直接射入自由空間，故曲面32不能被任何可能另外用于保護(hù)該結(jié)構(gòu)的包層所覆蓋。這種情況在圖4a(頂視圖)和4b(側(cè)視圖)中做了描繪。在這種情況下，曲面32不能使出射的光折射為準(zhǔn)直光束；反而，由于光從上包層14射出，其在被折射成為高度發(fā)散的輸出40之前繼續(xù)發(fā)散。即使透鏡設(shè)計(jì)為將準(zhǔn)直的光束射入上包層材料，該輸出光束也會被該上包層平面(planarisation)內(nèi)的任何缺陷所干擾。
如圖5a(頂視圖)和5b(側(cè)視圖)所示，如果沉積上包層但不使之形成圖案，那么曲面所必需的空氣交界面僅能通過將其切割成形來恢復(fù)。盡管所得到的結(jié)構(gòu)具有良好的機(jī)械完整性，但是由于曲面不能通過傳統(tǒng)的鉆石輪劃片機(jī)或晶片解理方法來生產(chǎn)，此切割加工是不可行的。另外，通過切割加工所獲得的透鏡通常比通過此處描述的光刻加工所獲得的透鏡形狀和質(zhì)量要差。
根據(jù)本發(fā)明，通過使用形成圖案的上包層能夠保護(hù)波導(dǎo)和一體化透鏡結(jié)構(gòu)，并能夠保持透鏡/空氣界面。圖6a(頂視圖)和6b(側(cè)視圖)示出了具有形成圖案的上包層的一體化透鏡結(jié)構(gòu)的一種非限定性的可能構(gòu)造。如前所述，芯13和一體化透鏡結(jié)構(gòu)30可包含任何能形成所需形狀的圖案的光學(xué)材料。它們優(yōu)選為包含能通過光刻然后再用合適的溶劑進(jìn)行濕法顯影來形成圖案的光學(xué)透明聚合物(例如通過旋涂進(jìn)行沉積)。然而，可以將任何其它光學(xué)材料——例如玻璃或半導(dǎo)體——用于芯和一體化透鏡結(jié)構(gòu)，并用例如RIE來形成圖案。
形成芯13和一體化透鏡結(jié)構(gòu)30之后，可在其上旋涂可由光形成圖案的聚合物。通過對曲面32上方的非固化聚合物的部分進(jìn)行遮蔽，聚合物的剩余部分能夠通過在光刻加工中曝光于光化輻射來固化。然后，可以使用諸如丙酮或異丙醇的合適溶劑將聚合物的被遮蔽(也就是未固化)區(qū)域溶解，得到形成圖案的上包層60。在該構(gòu)造中，上包層邊緣61可以位于離開錐形/曲面62的任何點(diǎn)，例如可將其設(shè)置在與芯/錐形頂點(diǎn)63相鄰的地方。
聚合物優(yōu)選為包含可交聯(lián)官能團(tuán)，例如碳-碳雙鍵或環(huán)氧基團(tuán)，其能夠通過曝光于光化輻射來交聯(lián)，由此生成的材料不溶于所選擇的溶劑。光化輻射優(yōu)選為UV光，盡管諸如X射線或電子束一類的電離輻射可能同樣合適。由于在該光刻加工中不需要具有高的分辨率，因此，交聯(lián)處理的熱活化作用——例如通過掩模的CO2激光器——可能同樣適用。
因其能夠形成圖案的條件容易且溫和(例如，UV曝光，隨后溶劑顯影)，可由光形成圖案的聚合物尤其優(yōu)選用于形成圖案的上包層。在可用于其下層結(jié)構(gòu)(芯、一體化透鏡結(jié)構(gòu)和下包層)的各種光學(xué)材料中，幾乎所有的材料(包括玻璃、半導(dǎo)體和交聯(lián)聚合物)都不會被用于光刻的低能級UV光或者用于顯影的溶劑所破壞。對于其他的形成圖案的技術(shù)則可能不是這樣，例如RIE。在這種情況下，不得不使用比其他材料蝕刻起來快得多的上包層材料，或者可使用蝕刻停止阻擋層，但這是以許多額外的加工步驟為代價的。
一種對于形成圖案的上包層特別適合的材料是可由UV固化的硅氧烷聚合物，該材料通過例如美國專利申請No.10/308562中披露的縮合反應(yīng)來合成。硅氧烷聚合物對多種材料具有出色的附著力，并且非常適合作為通用上包層。可以添加光引發(fā)劑或熱引發(fā)劑以加快固化的速率。商業(yè)上可用的光引發(fā)劑的實(shí)例包括1-羥基環(huán)己基·苯基酮(Irgacure 184)，2-甲基-1[(4-甲硫基)苯基]-2-嗎啉基丙烷-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-嗎啉基苯基)-丁烷-1-酮(Irgacure 369)，4-(二甲氨基)二苯甲酮，2-羥基-2-甲基-1-苯基-丙-1-酮(Darocur 1173)，二苯甲酮(Darocur BP)，1-[4-(2-羥乙氧基)苯基]-2-羥基-2-甲基-1-丙烷-1-酮(Irgacure 2959)，4，4′-二(二乙氨基)二苯甲酮(DEAB)，2-氯噻噸酮(chlorothioxanthone)，2-甲基噻噸酮(methylthioxanthone)，2-異丙基噻噸酮(isopropylthioxanthone)，二苯乙醇酮(benzoin)和4，4′-二甲氧基二苯乙醇酮。對于采用可見光固化，引發(fā)劑可為例如莰醌。也可以使用兩種或更多種光引發(fā)劑的混合物。例如，Irgacure 1000是80％的Darocur 1173和20％的Irgacure 184的混合物。對于熱固化，可以將過氧化二碳酸酯、過酸酯(過苯甲酸叔丁酯)、全酮縮醇(perketals)、氫過氧化物、AIBN(偶氮二異丁腈)、過氧化物(例如過氧化二苯甲酰)形式的有機(jī)過氧化物用作引發(fā)劑。
由此能夠看出，在本發(fā)明中優(yōu)選的形成圖案的技術(shù)，也就是聚合物的光刻形成圖案和濕法顯影的技術(shù)，與前述現(xiàn)有技術(shù)中的化學(xué)蝕刻技術(shù)在原理上不同。雖然兩者都包含了選擇性地移除部分材料，但是在化學(xué)蝕刻的情況下，該選擇性是基于化學(xué)反應(yīng)(不同的成分對蝕刻劑具有不同的反應(yīng)速率)的，而在本發(fā)明優(yōu)選的光刻/濕法顯影方法中，選擇性是基于物理過程(具有不同交聯(lián)程度的聚合物具有不同的溶解度)的。
圖7a(頂視圖)和7b(側(cè)視圖)中示出了具有形成圖案的上包層的一體化透鏡結(jié)構(gòu)的另一種非限定性構(gòu)造。在該構(gòu)造中，使上包層71形成圖案，以便覆蓋整個錐形區(qū)域31并保持曲面32的空氣交界面。本構(gòu)造可采用與上面關(guān)于圖6a和6b的描述相同的材料和形成圖案的技術(shù)，且可由UV固化的硅氧烷聚合物同樣特別優(yōu)選為上包層材料。本構(gòu)造中并不要求芯/透鏡與上包層材料之間的選擇性。因此，可以通過RIE或更為優(yōu)選地通過UV引發(fā)的交聯(lián)并接著進(jìn)行溶劑顯影來實(shí)現(xiàn)形成圖案。
一旦該上包層已經(jīng)形成圖案，就可以通過任意靠近透鏡的曲面的切割來獲得所想要的集成光波導(dǎo)器件。切割的方向通常垂直于沿該芯傳播的方向，但是根據(jù)器件和應(yīng)用，也可以使用其它的切割方向。該器件可以包含一體化透鏡結(jié)構(gòu)的一個或更多陣列，在這種情況下，為便于切割，將每一陣列內(nèi)的透鏡放置得彼此平行是有利的。
現(xiàn)在考慮具有急彎的集成光波導(dǎo)的實(shí)例，圖8描繪了具有急彎81并且省略了上包層82的(也就是空氣包層的)集成光波導(dǎo)80的頂視圖。本構(gòu)造在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，并且由于在彎曲平面內(nèi)該芯/包層折射率差最大化，從而具有彎曲損耗低的優(yōu)點(diǎn)，但其缺點(diǎn)是機(jī)械強(qiáng)度低且對散射損耗敏感。
圖9描繪了具有急彎和上包層90的集成光波導(dǎo)的頂視圖。本構(gòu)造在現(xiàn)有技術(shù)中是已知的，并且具有機(jī)械強(qiáng)度好、散射損耗低的優(yōu)點(diǎn)，但是由于芯材料和上包層材料的折射率之間的差不足以避免在該彎曲的外側(cè)上穿過芯/包層交界面的額外光損耗，因此缺點(diǎn)是彎曲損耗高。
圖10描繪了具有急彎并具有形成圖案的材料/空氣上包層100的集成光波導(dǎo)的頂視圖，這使圍繞具有急彎的芯區(qū)域，上包層材料不存在。本發(fā)明的構(gòu)造結(jié)合了機(jī)械強(qiáng)度好、散射損耗低和彎曲損耗低的優(yōu)點(diǎn)。在圖10中，已使上包層形成圖案，使得在具有急彎的芯的區(qū)域內(nèi)，上包層在該彎曲的頂面及內(nèi)側(cè)和外側(cè)的兩個側(cè)壁不存在。注意，上包層僅僅必須在該彎曲外側(cè)的側(cè)壁不存在。
應(yīng)當(dāng)注意，由于導(dǎo)引模式從材料包層區(qū)域進(jìn)入空氣包層區(qū)域再返回到材料包層區(qū)域傳播，圖10示出的本發(fā)明的構(gòu)造引入了傳輸損耗。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，為了最好地使用本發(fā)明的構(gòu)造，必須權(quán)衡傳輸損耗與彎曲損耗最小化之間的關(guān)系。
作為一體化透鏡的實(shí)例，芯和上包層可以包含任何能形成所要求形狀的圖案的光學(xué)材料，其優(yōu)選為分別包含能夠通過光刻并接著在合適的溶劑中進(jìn)行濕法顯影而形成圖案的光學(xué)透明聚合物(通過例如旋涂進(jìn)行沉積)。
對于在US6,555,288中披露的該“共形”的上包層，圖7A和7B(在該披露內(nèi)容中)示出了通過傳統(tǒng)的光刻/濕法顯影步驟(也就是從上方曝光于穿過掩模的光化輻射，然后進(jìn)行溶劑顯影)來使上包層形成圖案，與芯(如在該披露內(nèi)容的圖4和5中所示)的方式相同。在現(xiàn)有技術(shù)的這種前述方法中，形成圖案的曝光(也就是穿過掩模的光化輻射)能夠采用多種成像工具(imaging tools)進(jìn)行，例如掩模對準(zhǔn)器(mask aligner)、掃描投影對準(zhǔn)器(scanning projection aligner)或步進(jìn)器(stepper)。不管怎樣，該方法要求使用兩次成像工具，一次用于芯而一次用于上包層?？蓪纱纹毓馐褂猛怀上窆ぞ?，在這種情況下，增加了用于生產(chǎn)該光學(xué)器件的時間；或者可使用兩個成像工具，則伴隨有更高的設(shè)備費(fèi)用。然而，上包層通常并不需要以與波導(dǎo)芯相同的空間精度來形成圖案。例如，對US6,555,288的圖7B中上包層相對于芯的定位、對圖6中上包層相對于一體化透鏡結(jié)構(gòu)的定位或者對圖10中上包層相對于彎曲的定位要求并不高。注意，本應(yīng)用的圖7中對一體化透鏡結(jié)構(gòu)不是這樣，其中，形成圖案的上包層必須相對于曲面精確配準(zhǔn)。因此，在圖6中示出的構(gòu)造優(yōu)選用于具有形成圖案的上包層的一體化透鏡結(jié)構(gòu)。
作為現(xiàn)有技術(shù)的前述方法的一種替代方案，上包層可以通過曝光于從下方穿過透明襯底的光化輻射來形成圖案。圖11a至11h描繪了使用可由UV固化的聚合物材料實(shí)現(xiàn)這一形成圖案的技術(shù)的一種可能的方法，該方法形成了本發(fā)明的第二實(shí)施形態(tài)。通過例如絲網(wǎng)印刷將上包層掩模圖案110沉積到對用于固化上包層的UV光透明的襯底111上。適用的襯底材料包括石英、熔融二氧化硅、玻璃和聚合物。聚合物襯底的非限定性實(shí)例包括丙烯酸類、有機(jī)玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酯、聚乙二醇對苯二甲酸酯和PET。將下包層12旋涂到襯底上并用UV光從上方固化。將芯層112旋涂到固化了的下包層上，用穿過掩模114的UV光113從上方進(jìn)行曝光并利用溶劑顯影以留下波導(dǎo)芯13，從而使芯層112形成圖案。將上包層115旋涂到波導(dǎo)芯上，用穿過上包層掩模圖案110的UV光116從下方曝光并用溶劑顯影以留下形成圖案的上包層117，從而使上包層117形成圖案。形成圖案的上包層117是用于示范本發(fā)明技術(shù)的任意結(jié)構(gòu)。
上面描述的本發(fā)明技術(shù)是非限定性的，并且存在若干可能的變體。上包層掩模圖案110可以絲網(wǎng)印刷到下包層上而不是襯底上。在這種情況下，光化輻射并不穿過下包層，這在形成圖案的上包層中需要銳利的邊界(被衍射所限)時是有利的。在另一種變體中，由于襯底是透明的，因此可以省略下包層12(只要該襯底的折射率小于芯的折射率)。在又一種變體中，上包層掩模圖案110可以用光刻來印刷，盡管這需要成像工具，且失去了本發(fā)明技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)。
上包層掩模圖案110可以由任何能吸收用來使上包層形成圖案的光化輻射(通常是UV光)的材料構(gòu)成，例如，其可以由諸如吸收UV光的顏料或鋁構(gòu)成。上包層掩模圖案110優(yōu)選為由適用于絲網(wǎng)印刷的金屬涂料、顏料或染料構(gòu)成，由能強(qiáng)烈吸收UV光但不吸收在芯層中導(dǎo)引的光(通常在近紅外區(qū))的材料構(gòu)成則更為可取。諸如具有共軛的碳-碳雙鍵和/或芳環(huán)的化合物的這些材料是本領(lǐng)域常見和公知的。由于將上包層掩模圖案110留在原位(in situ)，這是極其有利的特征。
在又一種變體中，可以將反轉(zhuǎn)的掩模圖案絲網(wǎng)印刷到透明襯底上，并且通過例如噴砂或蝕刻(例如，如果襯底是熔融二氧化硅，則采用氫氟酸)使未涂覆的表面區(qū)域變得粗糙。然后可以使用例如溶劑來將該反轉(zhuǎn)的掩模圖案移除，將所想要的上包層掩模作為具有能散射(并有效遮擋)光化輻射的粗糙特征的圖案留下。
“從下方輻射”的方案對于使芯層形成圖案是已知的(US5,352,566、US6,037,105、US6,256,441)，但對于使上包層形成圖案并非已知。在US6,037,105和US6,256,441中披露的方案實(shí)質(zhì)上是相同的，包括在下包層上沉積上包層掩模圖案，用于使可由UV固化的芯層形成圖案。在US6,037,105中，將“從下方輻射”的方案用于避免與光掩模接觸所造成的芯層污染，而在US6,256,441中，將其用于提供高精度的芯圖案。與此相反，從下方使上包層形成圖案的本發(fā)明方案的目的是減少所需制造步驟的數(shù)量，特別是那些涉及成像工具的步驟。在US5,352,566中披露的用于使芯形成圖案的“從下方輻射”的方案在許多方面截然不同，其包括正光致抗蝕劑層和活性離子蝕刻步驟。
在使上包層形成圖案的本發(fā)明技術(shù)又一可能的變體中，可以在襯底和下包層和/或上包層掩模圖案之間插入剝離層。在芯和上包層形成圖案之后，接著可移除該剝離層以將下包層、形成圖案的芯和上包層從襯底分離。如果需要柔性的、全聚合物的波導(dǎo)組件，這一變體尤為可取。這一變體的另一個優(yōu)點(diǎn)是使上包層掩模圖案能夠被移除。下包層可包含附加的柔性聚合物襯底材料和沉積的光學(xué)品質(zhì)包層材料的組合物，并且上包層掩模層可在多層(透明襯底、剝離層、可以有也可以沒有的柔性聚合物襯底或下包層)中的任何一層上形成。在US6,256,441中披露了類似的剝離層方案，但是在該披露的內(nèi)容中從下方形成圖案的是芯層而不是上包層。
應(yīng)當(dāng)注意，通過從下方曝光使上包層形成圖案的本發(fā)明方法可適用于任何形成圖案的上包層，不僅僅是本發(fā)明中具有發(fā)明性的形成圖案的上包層，其中使上包層形成圖案，使芯在至少一側(cè)的至少一個區(qū)域內(nèi)不與上包層材料接觸。例如，本發(fā)明方法可以用于使US5,850,498和US6,555,288中披露的“共形”的上包層形成圖案。
實(shí)例1在美國專利申請No.10/308562中披露的步驟之后，制備粘度為2500cP(在20℃)并且折射率(采用室內(nèi)光線在Abb é折射計(jì)上在20℃測量)為1.483的低折射率聚合物A。制備粘度為2200cP(在20℃)并且折射率為1.509(在20℃)的高折射率聚合物B。將合適的光引發(fā)劑添加到聚合物A中和聚合物B中。
將聚合物A旋涂到硅片上并用來自水銀燈的UV光進(jìn)行固化，以形成折射率為1.478(在20℃和1550nm)的20μm厚的下包層。將聚合物B旋涂到該下包層上，并用穿過掩模的UV光使其形成圖案；然后用異丙醇將未曝光的聚合物B材料溶解以形成如圖3a中所示的芯和一體化透鏡結(jié)構(gòu)。該芯8μm寬、15μm高，并具有1.505的折射率(在20℃和1550nm)。最后，旋涂聚合物A并用穿過掩模的UV光使其形成圖案；然后用異丙醇將未曝光的聚合物A材料溶解以形成如圖6a中所示的形成圖案的上包層。
圖12描繪了一個具有一體化透鏡結(jié)構(gòu)120的具體波導(dǎo)芯的尺寸。在這一實(shí)例中，波導(dǎo)芯的寬度121為8μm，錐形區(qū)域的長度122為580μm，錐形區(qū)域的末端寬度123為850μm，曲面32是拋物線，且對該拋物線進(jìn)行限定，以便使其距錐形末端的距離124等于550μm。對于在芯中導(dǎo)引的波長為850nm的光，這種一體化透鏡結(jié)構(gòu)將沿平行于該襯底的方向產(chǎn)生寬度約為850μm的準(zhǔn)直輸出光束。
實(shí)例2將實(shí)例1中的聚合物A旋涂到硅片上并用來自水銀燈的UV光固化，以形成折射率為1.478(在20℃和1550nm)的20μm厚的下包層。將實(shí)例1中的聚合物B旋涂到該下包層上，并用穿過掩模的UV光使其形成圖案；然后用異丙醇將未曝光的聚合物B材料溶解以形成如圖8所示的具有四個急彎的芯。該芯8μm寬、15μm高，且具有1.505的折射率(在20℃和1550nm)。最后，將聚合物A旋涂在該芯上并用穿過掩模的UV光使其形成圖案；然后用異丙醇將未曝光的聚合物A材料溶解以形成如圖10所示的形成圖案的上包層。
實(shí)例3將聚合物A彎月形涂覆到丙烯酸類襯底(有機(jī)玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯)上，并用來自水銀燈的UV光使其固化，以形成折射率為1.478(在20℃和1550nm)的10μm厚的下包層。將聚合物B彎月形涂覆到該下包層上，并利用掃描投影對準(zhǔn)器用UV光使其形成圖案；然后用異丙醇將未曝光的聚合物B材料溶解以形成如圖3a所示的芯和一體化透鏡結(jié)構(gòu)。該芯8μm寬、20μm高，且具有1.505的折射率(在20℃和1550nm)。最后，在該芯上彎月形涂覆聚合物A并用掃描投影對準(zhǔn)器使其形成圖案；然后用異丙醇將未曝光的聚合物A材料溶解以形成如圖6a所示的形成圖案的上包層。
實(shí)例4在玻璃薄片上旋涂聚乙烯醇(PVA)釋放層。旋涂可由光固化的聚合物Norland NOA65，并用來自水銀燈的UV光使其固化以得到100μm厚的層。然后旋涂聚合物A并用來自水銀燈的UV光使其固化，以形成折射率為1.478(在20℃和1550nm)的10μm厚的下包層。將聚合物B旋涂到該下包層上，并利用掩模對準(zhǔn)器用UV光使其形成圖案；然后用異丙醇將未曝光的聚合物B材料溶解以形成如圖3a所示的芯和一體化透鏡結(jié)構(gòu)。該芯8μm寬、10μm高，且具有1.505的折射率(在20℃和1550nm)。在該芯上旋涂聚合物A并用掩模對準(zhǔn)器使其形成圖案；然后用異丙醇將未曝光的聚合物A材料溶解以形成如圖6a所示的形成圖案的上包層。然后將涂覆后的該薄片插入水中以溶解該P(yáng)VA層，于是從該薄片釋放出無支撐物的聚合物膜，該聚合物膜包含具有未被覆蓋的透鏡的波導(dǎo)。將多余的聚合物膜去除，以得到想要的、無支撐物的塑料襯底之上的波導(dǎo)。
實(shí)例5將可吸收UV的染料所制的掩模層絲網(wǎng)印刷到熔融二氧化硅襯底上，以覆蓋某些區(qū)域，所述區(qū)域內(nèi)上包層材料將被移除以形成圖6a所示的形成圖案的上包層。如實(shí)例1中那樣，旋涂聚合物A并使其固化以形成下包層；旋涂聚合物B，用UV光使其形成圖案并用異丙醇顯影以形成如圖3a所示的芯和透鏡結(jié)構(gòu)。然后旋涂聚合物A并從下方用UV光使其固化，其具有所想要的圖案，且該圖案通過可吸收UV的染料所制的掩模層轉(zhuǎn)換得出。然后用異丙醇將未曝光的聚合物A材料溶解以形成如圖6a所示的形成圖案的上包層。
實(shí)例6將可吸收UV的染料所制的掩模層絲網(wǎng)印刷到丙烯酸類襯底(有機(jī)玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯)上，以覆蓋某些區(qū)域，所述區(qū)域內(nèi)上包層材料將被移除以形成圖6a所示的形成圖案的上包層。將聚合物A彎月形涂覆到該襯底上并用來自水銀燈的UV光使其固化，以形成折射率為1.478(在20℃和1550nm)的10μm厚的下包層。將聚合物B彎月形涂覆到該下包層上，并利用掃描投影對準(zhǔn)器用UV光使其形成圖案；然后用異丙醇將未曝光的聚合物B材料溶解以形成如圖3a所示的芯和一體化透鏡結(jié)構(gòu)。該芯8μm寬、15μm高，且具有1.505的折射率(在20℃和1550nm)。然后旋涂聚合物A并從下方用UV光使其固化，其具有所想要的圖案，且該圖案通過可吸收UV的染料所制的掩模層轉(zhuǎn)換得出。然后用異丙醇將未曝光的聚合物A材料溶解以形成如圖6a所示的形成圖案的上包層。
權(quán)利要求
1.一種用于生產(chǎn)集成光波導(dǎo)的方法，其中，上述集成光波導(dǎo)具有形成圖案的上包層，該方法包括以下步驟a)在襯底上沉積芯層，二者之間可以有、也可以沒有下包層；b)使所述芯層形成圖案以提供光傳輸元件；c)在所述光傳輸元件上沉積上包層；以及d)使所述上包層形成圖案以提供至少一個區(qū)域，且在上述區(qū)域內(nèi)，所述光傳輸元件是空氣包層的。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述光傳輸元件在至少一端上是空氣包層的。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述光傳輸元件包含作為一個整體的波導(dǎo)和透鏡。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其中，所述透鏡具有空氣包層的曲面。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述光傳輸元件在至少一側(cè)上是空氣包層的。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述光傳輸元件包含具有彎曲的波導(dǎo)。
7.如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述波導(dǎo)在所述彎曲的區(qū)域內(nèi)具有空氣包層的表面。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其中，所述波導(dǎo)在所述彎曲的外側(cè)的對應(yīng)側(cè)上具有空氣包層的表面。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，部分所述上包層與部分所述光傳輸元件相匹配。
10.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述光傳輸元件的頂部是空氣包層的。
11.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述上包層包含聚合物材料。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述聚合物材料包含可被熱固化的聚合物。
13.如權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述可被熱固化的聚合物為硅氧烷聚合物。
14.如權(quán)利要求11所述的方法，其中，所述聚合物材料包含能夠通過光化輻射固化的聚合物。
15.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述光化輻射為紫外光。
16.如權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述聚合物材料為硅氧烷聚合物。
17.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過利用形成圖案的熱源進(jìn)行選擇性固化并用溶劑溶解未固化的材料來使所述上包層形成圖案，且其中被固化了的材料不溶于所述溶劑。
18.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，通過利用形成圖案的紫外光源進(jìn)行選擇性固化并用溶劑溶解未固化的材料來使所述上包層形成圖案，且其中被固化了的材料不溶于所述溶劑。
19.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述襯底包含硅、石英、熔融二氧化硅、玻璃或聚合物材料。
20.如權(quán)利要求19所述的方法，其中，所述聚合物材料包含丙烯酸類、有機(jī)玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酯、聚乙二醇對苯二甲酸酯或PET。
21.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，如果存在所述下包層的話，所述下包層和所述光傳輸元件包含選自聚合物材料、玻璃和半導(dǎo)體的材料。
22.如權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述聚合物材料包含能夠通過光化輻射固化的聚合物。
23.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述光化輻射為紫外光。
24.如權(quán)利要求22所述的方法，其中，所述聚合物材料為硅氧烷聚合物。
25.一種具有形成圖案的上包層的集成光波導(dǎo)，其包含襯底；可以有、也可以沒有的下包層；光傳輸元件；以及形成圖案的上包層，所述上包層具有至少一個空氣包層的區(qū)域。
26.如權(quán)利要求25所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述光傳輸元件在至少一端上是空氣包層的。
27.如權(quán)利要求26所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述光傳輸元件包含作為一個整體的波導(dǎo)和透鏡。
28.如權(quán)利要求27所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述透鏡具有空氣包層的曲面。
29.如權(quán)利要求25所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述光傳輸元件在至少一側(cè)上是空氣包層的。
30.如權(quán)利要求29所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述光傳輸元件包含具有彎曲的波導(dǎo)。
31.如權(quán)利要求30所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述波導(dǎo)在所述彎曲的區(qū)域內(nèi)具有空氣包層的表面。
32.如權(quán)利要求31所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述波導(dǎo)在所述彎曲外側(cè)的對應(yīng)側(cè)上具有空氣包層的表面。
33.如權(quán)利要求25的所述集成光波導(dǎo)，其中，部分所述上包層與部分所述光傳輸元件相匹配。
34.如權(quán)利要求25所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述光傳輸元件的頂部是空氣包層的。
35.如權(quán)利要求25所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述上包層包含聚合物材料。
36.如權(quán)利要求35所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述聚合物材料包含可被熱固化的聚合物。
37.如權(quán)利要求36所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述可被熱固化的聚合物為硅氧烷聚合物。
38.如權(quán)利要求35所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述聚合物材料包含能夠通過光化輻射固化的聚合物。
39.如權(quán)利要求38所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述光化輻射為紫外光。
40.如權(quán)利要求39所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述聚合物材料為硅氧烷聚合物。
41.如權(quán)利要求25所述的集成光波導(dǎo)，其中，通過利用形成圖案的熱源進(jìn)行選擇性固化并用溶劑溶解未固化的材料來使所述上包層形成圖案，且其中被固化了的材料不溶于所述溶劑。
42.如權(quán)利要求25所述的集成光波導(dǎo)，其中，通過利用形成圖案的紫外光源進(jìn)行選擇性固化并用溶劑溶解未固化的材料來使所述上包層形成圖案，且其中被固化了的材料不溶于所述溶劑。
43.如權(quán)利要求25所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述襯底包含硅、石英、熔融二氧化硅、玻璃或聚合物材料。
44.如權(quán)利要求43所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述聚合物材料包含丙烯酸類、有機(jī)玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酯、聚乙二醇對苯二甲酸酯或PET。
45.如權(quán)利要求25所述的集成光波導(dǎo)，其中，如果存在所述下包層的話，所述下包層和所述光傳輸元件包含選自聚合物材料、玻璃和半導(dǎo)體的材料。
46.如權(quán)利要求45所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述聚合物材料包含能夠通過光化輻射固化的聚合物。
47.如權(quán)利要求46所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述光化輻射為紫外光。
48.如權(quán)利要求47所述的集成光波導(dǎo)，其中，所述聚合物材料為硅氧烷聚合物。
49.一種制造光波導(dǎo)器件的方法，其中，上述光波導(dǎo)器件具有形成圖案的上包層，該方法包括以下步驟a)在部分襯底上形成遮擋層，其中，所述遮擋層形成圖案且對預(yù)定的波長不透明，所述襯底對所述預(yù)定的波長透明；b)在所述形成圖案的遮擋層上和/或在所述襯底的未覆蓋的部分上沉積芯層；c)從上方使所述芯層形成圖案以提供光傳輸元件；d)在所述光傳輸元件上和/或在所述形成圖案的遮擋層上和/或在所述襯底的未覆蓋部分上沉積上包層，所述上包層包含能通過曝光于所述預(yù)定波長的光來固化的材料；e)從下方用所述預(yù)定波長的光照射所述上包層，以使所述上包層中那些沒有位于所述形成圖案的遮擋層上方的部分固化；以及f)將所述上包層的未固化部分移除。
50.一種制造光波導(dǎo)器件的方法，其中，上述光波導(dǎo)器件具有形成圖案的上包層，該方法包括以下步驟a)在部分襯底上形成遮擋層，其中，所述遮擋層形成圖案且對預(yù)定的波長不透明，所述襯底對所述預(yù)定的波長透明；b)在所述遮擋層上和/或在所述襯底的未覆蓋部分上沉積下包層；c)在所述下包層上沉積芯層；d)從上方使所述芯層形成圖案以提供光傳輸元件；e)在所述光傳輸元件上和/或在所述下包層的未覆蓋部分上沉積上包層，所述上包層包含能夠通過曝光于所述預(yù)定波長的光來固化的材料；f)從下方用所述預(yù)定波長的光照射所述上包層，以使所述上包層中那些沒有位于所述形成圖案的遮擋層上方的部分固化；以及g)將所述上包層的未固化部分移除。
51.如權(quán)利要求49所述的方法，其中，所述襯底包含硅、石英、熔融二氧化硅、玻璃或聚合物材料。
52.如權(quán)利要求51所述的方法，其中，所述聚合物材料包含丙烯酸類、有機(jī)玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酯、聚乙二醇對苯二甲酸酯或PET。
53.如權(quán)利要求49所述的方法，其中，所述形成圖案的遮擋層通過絲網(wǎng)印刷形成。
54.如權(quán)利要求49所述的方法，其中，所述上包層包含能通過曝光于所述預(yù)定波長的光來固化的聚合物。
55.如權(quán)利要求54所述的方法，其中，所述預(yù)定的波長在紫外區(qū)域。
56.如權(quán)利要求55所述的方法，其中，所述聚合物為硅氧烷聚合物。
57.如權(quán)利要求49所述的方法，其中，所述形成圖案的遮擋層包含吸收所述預(yù)定波長的光的化合物。
58.如權(quán)利要求49所述的方法，其中，所述形成圖案的遮擋層包含散射表面的圖案，其中所述散射表面散射所述預(yù)定波長的光且能有效阻擋所述光的傳輸。
59.如權(quán)利要求58所述的方法，其中，所述散射表面通過機(jī)械研磨制造。
60.如權(quán)利要求58所述的方法，其中，所述散射表面通過化學(xué)蝕刻制造。
61.一種制造光波導(dǎo)器件的方法，其中，上述光波導(dǎo)器件具有形成圖案的上包層，該方法包括以下步驟a)在襯底上沉積下包層，其中，所述襯底對預(yù)定波長的光透明；b)在所述下包層上形成遮擋層，其中，所述遮擋層形成圖案且對所述預(yù)定波長的光不透明；c)在所述遮擋層上和/或在所述下包層的未覆蓋部分上沉積芯層；d)從上方使所述芯層形成圖案以提供光傳輸元件；e)在所述光傳輸元件上和/或在所述遮擋層上和/或在所述下包層上沉積上包層，所述上包層包含能通過曝光于所述預(yù)定波長的光來固化的材料；f)從下方用所述預(yù)定波長的光照射所述上包層，以使所述上包層中那些沒有位于所述形成圖案的遮擋層上方的部分固化；以及g)將所述上包層的未固化部分移除。
62.如權(quán)利要求61所述的方法，其進(jìn)一步包括以下步驟i)在形成所述形成圖案的遮擋層之后且在沉積所述下包層之前形成剝離層；以及ii)在將所述上包層的所述未固化部分移除之后將所述剝離層移除，以將所述下包層、所述光傳輸元件和所述形成圖案的上包層從所述襯底分離。
63.如權(quán)利要求61所述的方法，其進(jìn)一步包括以下步驟i)在沉積所述下包層之前在所述襯底上形成剝離層；以及ii)在將所述上包層的所述未固化部分移除之后將所述剝離層移除，以將所述下包層、所述形成圖案的遮擋層、所述光傳輸元件和所述形成圖案的上包層從所述襯底分離。
64.如權(quán)利要求61所述的方法，其中，所述襯底包含硅、石英、熔融二氧化硅、玻璃或聚合物材料。
65.如權(quán)利要求64所述的方法，其中，所述聚合物材料包含丙烯酸類、有機(jī)玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯、聚酯、聚乙二醇對苯二甲酸酯或PET。
全文摘要
一種具有形成圖案的包層(60)的集成光波導(dǎo)，該形成圖案的包層(60)限定了一開口，使得光傳輸元件(13)的至少一側(cè)或至少一端(32)是空氣包層的。該空氣包層的區(qū)域優(yōu)選為與波導(dǎo)(30)成為一個整體的透鏡結(jié)構(gòu)或位于波導(dǎo)內(nèi)的彎曲處。一種制造具有形成圖案的包層的光波導(dǎo)的方法，其包括在部分襯底上形成遮擋層(110)，其中，該遮擋層(110)形成圖案且對預(yù)定的波長不透明，該襯底對該波長透明；從上方使該芯層形成圖案以提供光傳輸元件；在該光傳輸元件上和/或在該形成圖案的遮擋層上和/或在該襯底的未覆蓋部分上沉積上包層，該上包層包含能通過曝光于該波長的光(116)來固化的材料；用該波長的光(116)從下方照射所述上包層，以使所述上包層中那些沒有位于所述形成圖案的遮擋層上方的部分固化；以及將所述上包層的未固化部分移除。
文檔編號G02B6/138GK1836179SQ200480023545
公開日2006年9月20日 申請日期2004年10月14日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月27日
發(fā)明者I·A·麥克斯維爾, D·庫庫爾吉, R·查特爾斯 申請人:Rpo私人有限公司