具有45°全内反射耦合镜聚合物波导的制作和性能测试

　　1　引　言

　　近年来集成电路芯片上集成的器件和电路板上的芯片数目、调制速度和集成度的不断增加,多片组件(MCM)技术在提高数据传输速度、电路密度具有一定优势[1]。然而,依据现阶段的电子互联技术,不能提供必需的多Gbit/s时钟速度以及在MCM内部和MCM间层级的通信距离[2]。即使传输速度保持不变,由于数据总线数量的增大,会带来更多的集成电路引脚和多层电路互联等问题。而光互联在高带宽、无电容性负载和免电磁干扰方面有着其固有的优势,与电互联形成鲜明对比[3]。光互联具有更快的数据传输速度、更低的能量损耗和更少地占用空间。最近有许多从事板级光互联系统的研究并取

　　得了成果,但在封装与制作工艺上仍有很多问题需要解决[4~6]。

　　本文提出在印刷电路板(PCB)上实现全嵌入光互联(FEOI)的方法。FEOI不仅工艺与标准PCB工艺兼容,而且通过把全部的光学器件作为光互联层嵌入其它电子互联层中,减少了引脚。在FEOI层中,从垂直腔面发射激光器(VCSEL)中出射的光通过波导耦合器耦合进波导,然后在聚合物波导中水平传输至目的地,即被垂直耦合进另一个通向光电探测器的波导耦合器。该方法没有出现光电器件间的界面损耗问题,PCB表面的空间可让电子器件而不是光电器件占用。由于使用了光互联,性能得到了提高。

　　2　聚合物波导

　　在FEOI中,基于聚合物的波导被用来提供集成化的光学回路。聚合物在制作光学层波导时具有工艺简单、成本低廉、光学损耗低和热稳定性高等特点[1]。在把聚合物波导集成到多层PCB板中时,波导在迭片时必须能够承受超过1 h的180℃的高温和350 psi高压[7]。为此,用紫外光敏性树脂WIR30-470和WIR30-450(Che-mOptics公司出品)作为芯和包裹层材料,它们具有低损耗、低双折射和环境稳定性等特点。在850 nm时,芯材料WIR30-470的折射率是1.47,包裹层材料WIR30-450的折射率是1.45。Ticona公司出品的聚合物箔Topas(cyclo-o-lefin-copolymer)作为光学层衬底,Topas膜在850 nm时具有高透过率、低损耗和高的玻璃转变温度(150℃)[8,9]。

　　板级互联间距可从数10 cm到1 m,我们设计了2个波导的模式:一个为长为6 cm的直线,另一个为109 cm长的弯曲形状,如图1所示。两者都有50μm×50μm的横截面,以放宽对准公差。该波导具有12个通道,相邻通道的间距为250μm。

　　3　波导的软成型法制作

　　3.1　软成型法制作特点

　　采用软成型技术(微转移成型)制作通道波导,这种技术可以用弹性PDMS模板把特征尺寸大于几nm的图样轻松地转移到衬底上。PDMS材料(Sylgard 184,Dow Corning公司出品)由基底和固化剂2部分组成。它们以10∶1的重量比混合,在真空中去除其中的气泡。与光刻技术、反应离子刻蚀技术(RIE)和激光直写技术相比,软成型技术有如下特点: