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      有機(jī)聚合物光波導(dǎo)制作工藝綜述

      2015-03-23 06:06:52李志山王書(shū)榮
      激光與紅外 2015年6期
      關(guān)鍵詞:芯層波導(dǎo)折射率

      劉 濤,李志山,蔣 志,楊 敏,王書(shū)榮

      (云南師范大學(xué)太陽(yáng)能研究所,教育部可再生能源材料先進(jìn)技術(shù)與制備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,云南省農(nóng)村能源重點(diǎn)工程實(shí)驗(yàn)室,云南昆明650500)

      1 引言

      信息時(shí)代下,人們對(duì)數(shù)據(jù)傳輸性能的要求越來(lái)越高。在長(zhǎng)距離有線通信領(lǐng)域,光纖通信技術(shù)能夠滿足這種高性能需求,然而在短距離信息傳輸方面,因成本要求,目前仍然以電互連為主。但電互連存在固有的電磁干擾、高損耗和低帶寬等缺點(diǎn),限制了數(shù)據(jù)傳輸性能的進(jìn)一步提升。光波導(dǎo)作為光信號(hào)通道,其較之電信通道具有高帶寬、抗電磁干擾、低損耗、低能耗、低串?dāng)_、小物理尺寸等優(yōu)點(diǎn),使光互連成為解決高速電信號(hào)互連瓶頸的一個(gè)有效方法[1-2],早已成為關(guān)注和研究的焦點(diǎn)。

      目前認(rèn)為光電印刷電路板(OPCB)之間的互連采用光纖帶比較好,而在OPCB內(nèi)各模塊之間的互聯(lián)采用嵌入式光波導(dǎo)互連很有前途,且光波導(dǎo)是芯片間光互連的必然選擇[3-5]。雖然傳統(tǒng)的有機(jī)聚合物光波導(dǎo)在通信波長(zhǎng)(1.31 μm 和 1.55 μm)傳輸損耗高、溫度穩(wěn)定性差,但其光學(xué)特性、熱學(xué)特性、柔韌性可以通過(guò)熱處理及合成過(guò)程進(jìn)行改進(jìn)[6-7];且新型有機(jī)聚合物作為一類光波導(dǎo)材料通常有大的透明窗口、柔韌性好、通信波段損耗低、易于加工等優(yōu)點(diǎn)[8],其優(yōu)越的綜合性能使其成為加工制作光通信元件的首選材料。隨著聚合物光通信的蓬勃發(fā)展,其在光通信領(lǐng)域的應(yīng)用前景日益顯著;將OPCB集成于超級(jí)計(jì)算機(jī)中,可使其計(jì)算速度提高1000倍以上[2,9]。加之,高帶寬聚合物多模光波導(dǎo)能否在光互連中大規(guī)模應(yīng)用,主要取決于其損耗特性、熱特性和成本,而光波導(dǎo)制作工藝對(duì)光波導(dǎo)性能和成本有重大影響,因此本文著重對(duì)目前光波導(dǎo)的光損耗特性和各種制作工藝進(jìn)行較全面的綜述,同時(shí)也指出未來(lái)聚合物多模光波導(dǎo)的研發(fā)方向。

      2 有機(jī)聚合物光波導(dǎo)的性能和應(yīng)用要求

      有機(jī)聚合物光波導(dǎo)的性能主要是光損耗特性和熱特性,而光波導(dǎo)的光損耗主要取決于散射損耗;其中散射損耗包括表面散射損耗和體散射損耗。光波導(dǎo)芯層表面會(huì)有一定的粗糙度,這會(huì)引起一定程度的表面散射損耗。體散射損耗主要是由材料中各種雜質(zhì),以及成型光波導(dǎo)中的結(jié)構(gòu)缺陷、裂紋、折射率不均勻等各種缺陷引起;為了最小化體散射損耗,光波導(dǎo)材料必須為高純材料,盡量減少波導(dǎo)中的缺陷并保證芯層表面光滑,且制作過(guò)程中必須在嚴(yán)格清潔的超凈室完成[10]。因此,有機(jī)聚合物光波導(dǎo)制作工藝對(duì)光波導(dǎo)的光損耗性能有重要影響。有機(jī)聚合物光波導(dǎo)的熱特性主要是熱穩(wěn)定性、熱老化特性,及光損耗和波導(dǎo)折射率與溫度的變化關(guān)系,有機(jī)聚合物光波導(dǎo)制作工藝對(duì)光波導(dǎo)的熱特性也有決定性的意義。

      聚合物多模光波導(dǎo)光互連的應(yīng)用需要滿足如下基本要求[11]:①在通信波長(zhǎng) 850 nm、1310 nm、1550 nm等附近的傳輸損耗低;②有較高的光電非線性系數(shù)與熱穩(wěn)定性(Td>250℃,能經(jīng)受集成光電裝置時(shí)的熱焊接過(guò)程),較低的介電常數(shù)與熱損耗系數(shù);③其制作工藝簡(jiǎn)單、與電子加工技術(shù)相兼容、重復(fù)性好、成本低,且所制備的光波導(dǎo)散射損耗小、尺寸穩(wěn)定、柔韌性好;④芯層比包層的折射率至少大0.8%,各層之間粘附性好,且具有匹配的熱膨脹系數(shù);⑤光波導(dǎo)各接觸層之間不相溶,后續(xù)層的固化溫度應(yīng)該小于前一層的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度Tg,即下包層固化溫度>芯層固化溫度>上包層固化溫。

      3 有機(jī)聚合物光波導(dǎo)制作工藝

      3.1 光刻法

      (1)平板影印(Photolithography)技術(shù),一般的平板影印工序[12]如圖1所示,其中烘干是為了增加膠膜的耐磨性及層間的粘附性;曝光是為了讓膠膜充分吸收光能發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),其關(guān)鍵控制參數(shù)是曝光時(shí)間、曝光波長(zhǎng)及曝光量:E=It(其中,I為光強(qiáng),t為曝光時(shí)間)。對(duì)于以紫外光固化材料作為芯層及包層材料,并用平板影印技術(shù)加工制作光波導(dǎo),其制作工序可以省略熱固化過(guò)程[13]。這種技術(shù)成熟、工藝簡(jiǎn)單且與PCB加工工藝兼容性高、可實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn),其缺點(diǎn)在于需要嚴(yán)格控制側(cè)蝕,制作符合尺寸要求的光波導(dǎo),材料需為光敏材料[14]。

      圖1 一般的平板影印工序

      對(duì)于光致抗蝕劑(Photoresist),若曝光部分發(fā)生交聯(lián)反應(yīng),經(jīng)過(guò)顯影后,曝光部分保留下來(lái)而未曝光部分被除掉,稱其為負(fù)性光致抗蝕劑,反之則稱為正性光致抗蝕劑。選擇光致抗蝕劑時(shí)不但要考慮其是否滿足作為光波導(dǎo)材料的基本要求,還要考慮其涂布的均勻性、對(duì)光源的靈敏度、圖形的分辨率以及對(duì)蝕刻工藝的耐腐蝕性等因素[15]。若以正性光致抗蝕劑作為光波導(dǎo)芯層材料,則在使用過(guò)程中芯層可能會(huì)因?yàn)榫徛毓舛凵渎拾l(fā)生改變進(jìn)而失去傳輸光信號(hào)的能力,故通常選擇負(fù)性光致抗蝕劑作為光波導(dǎo)材料。

      (2)光漂白(Photo-bleaching)技術(shù),光漂白技術(shù)制作聚合物光波導(dǎo)的工序如圖2所示。

      圖2 不同芯層材料(上/下面為曝光部分折射率變大/小)的光波導(dǎo)光漂白工序

      其原理是利用某些聚合物材料所特有的光敏性,在光照下曝光部分發(fā)生光化學(xué)反應(yīng),通過(guò)控制曝光時(shí)間和曝光光強(qiáng),控制曝光部分薄膜的折射率,最終在曝光部分與未曝光部分形成折射率差,同時(shí)避免了其他制備方法中物理作用、化學(xué)作用對(duì)器件的損傷[16]。這種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡(jiǎn)單、效率高、折射率易控、對(duì)器件損傷小,缺點(diǎn)在于要求材料為特殊光敏材料[17]。此外光漂白技術(shù)可以制作低散射損耗、低串?dāng)_的漸變折射率圓芯光波導(dǎo)[18]。

      (3)反應(yīng)離子蝕刻(RIE)技術(shù),對(duì)于不同的材料以反應(yīng)離子蝕刻工序制作光波導(dǎo),其工序不盡相同;以紫外固化環(huán)氧樹(shù)脂(UV Cured Epoxy Resins)為材料制作光波導(dǎo)為例[19],工序如圖3所示。

      圖3 反應(yīng)離子蝕刻工序(以紫外固化環(huán)氧樹(shù)脂為材料制作光波導(dǎo)為例)

      而對(duì)于以聚硅氧烷為包層材料,以氘化聚硅氧烷為芯層材料制作光波導(dǎo)時(shí),其固化過(guò)程為熱固化過(guò)程[20]。反應(yīng)離子蝕刻技術(shù)屬于干法刻蝕技術(shù),是利用高能量等離子體轟擊及化學(xué)反應(yīng)來(lái)達(dá)到蝕刻的一項(xiàng)技術(shù)[6]。因?yàn)槲g刻過(guò)程中,工藝參量對(duì)被蝕刻元件的質(zhì)量有決定性影響,這些工藝參量主要包括:射頻功率、腔室壓強(qiáng)、反應(yīng)時(shí)的抽速、反應(yīng)氣體與輔助氣體的混合比等。這些參量之間既獨(dú)立可調(diào)又相互影響,因而蝕刻工藝有相當(dāng)大的靈活性。這一技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于工藝成熟、與傳統(tǒng)集成電路工藝相兼容、無(wú)材料限制、對(duì)器件損傷小;缺點(diǎn)在于工藝復(fù)雜、加工效率低、側(cè)壁粗糙度大、造價(jià)較高。

      3.2 模板復(fù)制法

      (1)加熱模壓(Hot Embossing)技術(shù),其制作工序如圖4所示。

      圖4 兩種加熱模壓制造光波導(dǎo)過(guò)程(上面為凹槽填充法;下面為脊形覆蓋法)

      用此方法制作光波導(dǎo),首先需根據(jù)所需制作光波導(dǎo)的幾何結(jié)構(gòu)及間距,設(shè)計(jì)制作滿足需求且表面光滑的高精度壓膜模板。該方法工藝簡(jiǎn)單成本較低,可實(shí)現(xiàn)大面積生產(chǎn)[21-22],但其對(duì)模板要求高,且加熱模壓過(guò)程中會(huì)對(duì)膜層產(chǎn)生損傷致使傳輸損耗較大。對(duì)于凹槽填充法,若填充的芯層材料過(guò)多(對(duì)于脊形覆蓋法,若加熱模壓過(guò)程不充分),光波導(dǎo)之間下包層上有芯層薄膜殘留,將會(huì)增加信道間串?dāng)_。根據(jù)壓膜模板材料的不同,加熱模壓工藝分為金屬模壓工藝和橡膠模壓工藝[22]。

      (2)軟光刻(Soft Lithography)技術(shù),其特點(diǎn)是用彈性模代替加熱模壓中使用的硬模,其優(yōu)點(diǎn)在于軟光刻靈活性更高、不受材料限制、可以在非平面內(nèi)制作光波導(dǎo),并能用于制作三維結(jié)構(gòu),折射率漸變圓芯光波導(dǎo),且沒(méi)有光散射、衍射帶來(lái)的精度限制[23],其缺點(diǎn)在于對(duì)原始母板及柔性印模的高精度要求。軟光刻過(guò)程中控制彈性模的形變量是獲得高質(zhì)量光波導(dǎo)的關(guān)鍵。用此工藝制作光波導(dǎo)前,首先要根據(jù)需求制作原始母板,然后以原始母板用再鑄模法制作柔性印模[24]。用于制作柔性印模的材料有聚氨酯(Polyurethanes)、聚酰亞胺(Polyimides)和Novolac樹(shù)脂等,但是相對(duì)而言聚二甲基硅氧烷(Poly-dimethyl-siloxane,PDMS)的綜合性能高,是軟刻蝕技術(shù)中最常用的印模材料。最后以柔性印模制作光波導(dǎo),主要有再鑄模法、微傳遞成模、毛細(xì)管成模、溶劑輔助成模四種不同的方法[18]。

      3.3 其他方法

      除以上介紹的聚合物光波導(dǎo)加工工藝外,還有多種其他加工工藝,如表1所示。

      表1 部分聚合物光波導(dǎo)加工方法對(duì)比

      4 不同材料及光波導(dǎo)加工工藝傳輸損耗對(duì)比

      表2 光波導(dǎo)傳輸損耗比較

      從表2可以看出,一般來(lái)說(shuō),相同條件下較之其他工藝,平板影印工藝制作的光波導(dǎo)的損耗較低;對(duì)于聚硅氧烷光敏化材料,采用平板影印工藝制作的多模光波導(dǎo),在850 m通信窗口,其最低損耗為0.03 B/cm,這是目前得到的較好結(jié)果。盡管采用軟光刻法制作的PMMA多模光波導(dǎo),在850 m通信窗口,其傳輸損耗最低為0.027 dB/cm,但是以PMMA材料制作的光波導(dǎo)熱穩(wěn)定特性較差;采用激光直寫(xiě)或激光燒蝕法制作的聚合物多模光波導(dǎo),雖然也可獲得較低的光損耗,但制作成本較高;SU-8光波導(dǎo)材料雖然廉價(jià),但光傳輸損耗較大;丙烯酸酯類光波導(dǎo)的傳輸損耗低,但熱穩(wěn)定性差。

      5 結(jié)語(yǔ)

      綜上所述,雖然國(guó)內(nèi)外對(duì)有機(jī)聚合物光波導(dǎo)光通信的相關(guān)研究已取得一定的成果,但仍然需要從材料、加工工藝、光耦合技術(shù)、光互連技術(shù)、集成光學(xué)等相關(guān)方面進(jìn)行研發(fā)。就加工工藝而言,目前存在多種優(yōu)缺點(diǎn)不盡相同的聚合物光波導(dǎo)制作工藝,結(jié)合我們對(duì)聚合物光波導(dǎo)的研制經(jīng)歷,認(rèn)為對(duì)于紫外光可固化聚合物光波導(dǎo)材料,較之其他工藝,平板影印工藝制作的光波導(dǎo)的綜合性能優(yōu)良,且適用于工業(yè)化生產(chǎn),是一種實(shí)用性強(qiáng)的工藝。對(duì)于這種工藝,重點(diǎn)研究曝光光強(qiáng)及烘烤溫度對(duì)光波導(dǎo)特性的影響。再者,未來(lái)研發(fā)的方向主要是研制新型低成本紫外光敏化聚合物材料,且要求該材料的光傳輸特性和熱穩(wěn)定性較好,只有達(dá)到此結(jié)果,才能早日實(shí)現(xiàn)低成本低損耗聚合物多模光波導(dǎo)短距離光互連的目標(biāo)。

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