CN101796440B - 光子导向装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种光子导向装置及其制造和使用方法。该光子导向装置包括大芯中空波导(150)，其被配置为互连电路板(240)上的电子线路。反射涂层(108)覆盖该中空波导的内部，以提供高反射率，使得光能够从反射涂层的表面反射。准直器(220)被配置为准直进入中空波导的多模相干光。

Description

光子导向装置

背景技术

随着电路板上的计算机芯片速度不断地加快，芯片间通信的通信瓶颈成为较大的问题。一个可能的解决方案是使用光纤来互连高速计算机芯片。然而，大多数电路板包括许多层，并且经常要求它们的制造公差小于一微米。物理地放置光纤以及将该光纤连接到芯片可能太不精确并且耗费时间以致无法在电路板制造过程中广泛采用。尽管需要宽带数据传送，芯片之间的光学互连仍因此被证明是不牢靠的。

附图说明

结合附图，根据随后的详细说明，本发明的特征和优点将显而易见，这些附图作为示例一起图示了本发明的特征；并且其中：

图1a是根据本发明的实施例的由衬底支撑的主层的图示；

图1b示出了根据本发明的实施例的形成在图1a的主层中的通道；

图1c示出了根据本发明的实施例的施加在图1b的通道之上以形成基底部分的反射涂层和保护层；

图1d示出了根据本发明的实施例的具有反射涂层和保护层的盖部分；

图1e示出了根据本发明的实施例的耦合到图1c的基底部分的盖部分；

图2a示出了根据本发明的实施例的光子导向(photonic guiding)装置的框图；

图2b示出了根据本发明的实施例的用于互连两个电路板的大芯中空波导(large core hollow waveguide)；

图2c示出了根据本发明的实施例的用于在电路板上互连电子部件的大芯中空波导；

图2d示出了根据本发明的实施例的大芯中空波导，其中以预定角度切割出槽以使得重定向装置能够被插入该槽中；

图3a示出了根据本发明的实施例的具有反射涂层和保护层的大芯中空波导的一维阵列；

图3b示出了根据本发明的实施例的具有反射涂层和保护层的大芯中空波导的三维阵列；

图4是流程图，其描述了根据本发明的实施例的制造用于引导相干光的光子导向装置的方法；并且

图5是流程图，其描述了根据本发明的实施例的用于对光束进行导向的方法。

现在将参考图示的示例性实施例，此处使用特定语言来描述这些示例性实施例。然而应当理解，并不藉此打算限制本发明的范围。

具体实施方式

用于在电路板上的计算机芯片之间形成光学互连的一种方法是使用形成在该电路板上的光学波导。由于能够在电路板上利用光刻或类似工艺形成光学波导，因此光学波导可能优于光纤通信。通常在电路板上用基本上光学透明的材料(诸如聚合物和/或电介质)形成所述波导。利用光刻或类似工艺制作的光学波导还可能形成在不安装在电路板上的其他类型的衬底上。例如，(一个或多个)光学波导可以形成在柔性衬底上，以生成具有一个或多个光学波导的带状线缆。本申请中公开的光学波导利用光刻或类似工艺形成在衬底上。

用这种方式形成光学波导可以提供被构造成具有必要的物理容限以用在现代的多层电路板上的互连。然而，在芯片和电路板制造中可被用于形成板上波导的聚合物、电介质及其他材料的损耗通常比光纤明显地大。实际上，板上波导中的损耗量已经是限制对光学波导互连的认可的因素之一。用于构造波导的聚合物的损耗可能有每厘米0.1dB。相比之下，光纤的损耗是大约每千米0.1dB。从而，聚合物波导的损耗可能比光纤的损耗大若干数量级。

另外，典型的波导通常被制造为具有与其被设计成传送的光的波长大致成比例的尺寸。例如，配置为传送1000nm光的单模波导对于由较低折射率的包层区域环绕的较高折射率的芯区域而言可具有1000nm至5000nm(1μm至5μm)的尺寸。多模波导可具有更大的尺寸，芯区域为大约20-60μm。单模和多模波导都具有相对较高的数值孔径(NA)，对于0.01至0.02的芯和包层折射率对比度(refractive index contrast)，所述数值孔径大约为0.2至0.3。该数值孔径确定了来自发射光纤的光束的发散。从而，较大的NA将导致作为光纤到光纤间距的函数的较差的耦合。因而，连接这样大小的波导可能是昂贵的并且具有挑战性。

使用这些波导，所导向的光束的分离和分接(tapping)也难以完成。生成和连接波导的成本在历史上已经减少了它们在大多数普通应用中的使用。根据本发明的一个方面，已经认识到需要廉价的光子导向装置，所述光子导向装置更简单地与其它波导和光学装置互连并且可以明显减少光学波导中的损耗量。

根据本发明的实施例，图1a至1e提供了一种制作光子导向装置的方法的图示。该光学波导由具有高反射包层的中空芯组成。不同于依赖于在波导的芯和包层之间形成的临界角处的全内反射的常规光学波导，该光学波导根据衰减全内反射的原理工作。图1a示出了由衬底104支撑的主层102。该衬底可以由各种不同类型的材料组成。例如，所述衬底可以是柔性材料，诸如塑料或印刷电路板材料。该电路板材料可以配置为是刚性的或柔性的。可选地，该衬底可以由半导体材料形成。

该主层102可以形成在衬底材料的顶部上。该主层也可以是一种柔性材料诸如聚合物或半导体材料，以便该材料能够使用标准的光刻工艺进行处理。可以在主层中形成通道106，如图1b所示。例如，可以用干法刻蚀工艺形成该通道。可选地，可以使用模制或冲压工艺。该通道的形状可以是矩形、方形、圆形、或用来高效地传输相干光的某种其它的几何形状。该通道的高度105和/或宽度107可以远远大于在该光子导向装置中引导的相干光的波长。例如，该高度或宽度可以是相干光的波长的50至超过100倍。

为了促进减少相干光在光子导向装置内的散射，通道的壁可以被平滑以减少或消除粗糙度。理想地，沿着壁的任何突出特征应该小于相干光的波长。可以使用热回流工艺平滑通道的壁。该工艺要求将主层和衬底材料加热至某一温度，该温度将使得由刻蚀或冲压通道而留下的不规则的粗糙特征能够被大大减少或消除。热回流工艺最优的温度取决于用于形成主层102和衬底层104的材料的类型。

为了增大通道内的反射率，可以增加反射涂层108(图1c)以覆盖主层102中的通道106的内部。该反射涂层可以使用镀敷、溅射或类似工艺形成，如可以理解的。如果主材料102包括具有低熔点的聚合物或其它材料，该反射涂层可以使用低温工艺(例如电镀、溅射或热蒸发)来涂敷。

反射涂层108可以由一层或多层在该相干光的波长处充分反射的金属、电介质、或其它材料组成。所述金属可以基于其反射率来选择。覆盖该通道的高反射层是期望的。例如，该反射层可以使用银、金、铝、铂或某种其它可以形成高反射层的金属或合金来形成。例如钛的粘附层也可以用来帮助将该反射金属粘附到主材料102。可选地，该反射层可以是电介质堆，其可以由一层或多层在所选波长处充分反射的电介质材料形成。该反射层也可以经历热回流或类似工艺以平滑可能在沉积工艺期间发生的反射层中的粗糙不规则物。电抛光也可以用来得到平滑的镜面光洁度。

如果该光子导向装置未被保护，该反射涂层108随着时间的流逝可能氧化。反射涂层的氧化可以大大减少其反射率。为了减少或消除金属涂层反射率的降低，保护层110可以形成在反射涂层之上以用作密封剂。该保护层可以包含在该相干光的波长处基本透明的材料。例如，该保护层可以由二氧化硅或可以在该反射涂层之上形成基本气密结合物的某种其它材料形成。另外，选择该涂层层的厚度和折射率，以便通过将光束与损耗更大的金属层分离来进一步减少波导中的传播损耗。

通道106、反射涂层108和保护层110可以形成该光子导向装置的基底部分130，如图1d所示。盖部分120可以由覆盖材料122形成，该覆盖材料122与反射涂层124和配置为保护在该盖部分上的反射涂层不被氧化的保护层126层叠。该反射涂层和保护层可以使用与在基底部分中先前讨论的相同材料形成。可选地，基于该盖部分的期望性能，可以使用不同的材料。

该覆盖材料可以由配置为容纳该反射涂层和该保护层的材料形成。可以选择柔性材料，其将允许光子导向装置是柔性的。例如，该光子导向装置可以形成为带状线缆，其可用于互连电子或光学装置。

在该盖部分120形成之后，该盖部分可以被层压或结合到基底部分130，如图1e所示。当盖部分被结合至该基底部分时，形成了大芯中空波导150。该大芯中空波导具有覆盖该中空波导的内部的反射涂层108。该反射涂层使得光从该金属涂层的表面反射以便当激光被引导通过该波导时减少其衰减。

图2a示出了光子导向装置的框图。该光子导向装置可以耦合到多模激光器210。单模激光器比多模激光器可能要昂贵得多。因而，使用多模激光器可以大大降低整个系统的成本。然而，使用多模激光器的一个缺点是，一大部分激光可能以相对于光发射方向的相当大的角度从激光器发射出。激光的模越高，它从激光器发射出的角度越大。以大角度发射的光将更频繁地在大芯中空波导230内反射。反射数越多，光在波导内衰减越多。因而，较高的模可能在波导内大大衰减。

具有反射表面的中空波导与固体波导相比操作不同。中空波导通过从(一个或多个)反射层的反射来对光进行导向，而不是如典型地在例如光纤的固体波导中发生的那样通过全内反射对光进行导向。中空波导内的光可以以比全内反射所需的角度更小的角度反射，如可以理解的。

对于圆形中空波导，TE₀₁模的每单位长度衰减可以根据方程式1确定：

${\mathrm{\α}}_c=\frac{R_s}{\mathrm{a\η}}\·\frac{{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{\mathrm{\ω}}\right)}^2}{\sqrt{1-{\left(\frac{{\mathrm{\ω}}_c}{\mathrm{\ω}}\right)}^2}}---\left(1\right),$

其中α是波导半径，ω是光的频率，单位为弧度，ω_c是TE₀₁截止频率，δ是光进入金属的穿透深度，μ是磁导率，并且η是自由空间的阻抗。该衰减是由于金属壁的有限电导率引起的。R_s是金属的表面电阻率并且由下式给出：

$R_s=\frac{1}{\mathrm{\σ\δ}}=\sqrt{\frac{\mathrm{\πf\μ}}{\mathrm{\σ}}}---\left(2\right),$

其中σ是电导率，而f是光的频率。可见R_s随着f的平方根增加。

从上述方程式(1)可见，TE₀₁模的衰减随着频率的提高而减小。衰减在提高的频率处减小，因为该模在高频处不与导向壁耦合。其它模可以耦合到波导壁并且由于模转换可以在波导弯曲处和不连续处衰减TE₀₁模。

为了克服从多模激光器210发射的较高模的衰减，可以将准直器220放置在来自多模激光器的激光束的路径内。该准直器可以是准直透镜，例如具有抗反射涂层的球透镜。该准直器配置为将从激光器发射的多模束在其进入大芯中空波导230之前准直为平行束。以这种方式，当该束在波导内传播时其刚刚掠过反射层，仅受到很少的反弹(bounce)。该准直器使得发生的基本上任何反射通常将处于相对于波导壁的相对较浅的角度，因而最小化波导内的反射数量并且因此减少了光在中空波导内的衰减。结果，在中空波导中传播的低损耗模具有极小的数值孔径。这一性质允许以很小的额外损耗将分光器插入这些波导中。

例如，850nm光的多模相干束可以通过具有反射涂层的大芯波导传输，损耗约为0.07dB/cm。波导的损耗可以随其尺寸缩放。较小尺寸的波导由于波导中更大数目的内部反射(反弹)而可能具有较高损耗。因而较大的波导可能用来减少损耗。

较大的(约为50微米(μm)到250μm)波导由于大波导的较高的公差而可以更容易地并且更低成本地连接。使用准直透镜引导多模相干光通过大芯波导也可以大大降低整个光子导向装置的成本。多模激光器与它们的单模对应物相比明显更廉价。

相应地，包括具有内部反射表面并耦合到准直器的大芯中空波导的光子导向装置可以用作相对廉价的、低损耗的用于将一个或多个印刷电路板上的部件进行互连的组件，其中准直器被配置用以准直被引导进入该波导的多模相干光。该导向装置的低损耗使得该装置能够更普遍地用于商业产品中，例如光学地互连电子线路(electronic circuitry)。

电子线路可以包括电路(electrical circuitry)，其中从该线路传输的电信号被转换为光学信号，反之亦然。电子线路还可以包括光学线路，其可以使用光学信号直接通信而不需要转换。所述电子线路可以包含在单个电路板上。可选地，该电子线路可以位于两个或更多分开的电路板上，并且波导可用于互连这些电路板。通过使用倾斜的半反射表面，分接和引导来自这些波导的光学信号也是相对容易的。对于常规波导，由于常规波导较大的数值孔径，这是相当难于实现的。

例如，图2b示出了具有内部反射表面的大芯中空波导230。该中空波导用于耦合两个电路板240。较大的波导可以降低互连这些电路板之间的波导的成本，如上所述。波导内的反射表面可以减少损耗，使相干光的低功率信号能够通过波导传输到邻接的电路板。位于电路板之一或两者上的廉价多模激光器可用于发射相干光。在电路板之一或两者上可以包括准直透镜，该准直透镜光学地耦合到波导。该准直透镜可以减少由多次反射所引起的光的较高模的损耗。中空波导230互连可以配置为在制造过程中耦合在这些板之间。可选地，中空波导可以形成为连接器和/或线缆，其可以在制造之后连接到电路板。

具有内部反射表面的中空波导230也可以用来互连在单个电路板240上的电子部件245，如图2c所示。电子部件可以用来将光从一个波导重定向到另一个波导。可选地，通过以与束成大致45度的角度插入重定向装置248，相对容易实现九十度转向。在中空波导230中可以使用例如切割机切割出槽252，如图2d所示。该槽可以延伸进入衬底，从而提供附加的结构支撑来附接重定向装置。可以使用粘合剂将重定向装置耦合到波导。如可以理解的，该重定向装置可以是镜子。可选地，如果仅期望一部分光被重定向，光学分束器、孔(aperture)、半透明镜、衍射光栅、或散射仪或类似类型的光学装置也可以用于代替该镜子。

大芯波导也可以以阵列形成，从而使得能够引导多个信号。例如，图3a示出中空波导330的一维阵列300。每个波导可以由反射材料302围绕，如上所述。该反射材料可以涂有保护物304以减少氧化。波导的阵列可以构造在衬底或主材料308上。

图3b示出了耦合到电路板的中空波导330的阵列300。该电路板可以用作衬底308，阵列中的每个中空波导可以被附接到衬底308。在一个实施例中，电路板可以配置为光学底板325。可以使用准直器将多模相干光引导到每个波导中，如上所述。例如分光器的耦合装置322可以被配置为在选定的位置将至少一部分被导向的多模相干光束从波导中引导出来。理想地，该分光器必须足够薄以防止束走离(walk off)。例如，200μm厚的分束器可以导致大约60μm的束走离。这种走离将导致较高的传播损耗。束走离可以通过使用具有较短光程的分束器来减少，所述分束器例如大致5μm厚的分束器，其将导致小于1.5μm的走离。因而小于25μm厚的分束器是优选的。可以通过在中空波导中形成槽来插入(一个或多个)分束器，如上所述并图示于图2d。例如，如图3b所示，耦合装置可用于将中空波导中的至少一部分相干光重定向到电路板平面外的光学耦合的大芯中空波导324。该光学耦合的波导可以正交于底板，不过可以使用基本上任何角度。

将多模相干光重定向到电路板平面之外可以使多个电路卡片(例如子板320)能够光学地耦合到底板325。在相干光信号上编码的高数据率信息可以从底板被重定向或分配到所述多个子板。

具有反射性内部涂层的大芯中空波导使得高数据率信息能够传输到多个不同的板。中空波导的低损耗使得单个光学信号能够被路由到多个其它波导中，如图3b所示。导向通过每个波导的多模相干光束可以以每秒数十吉比特或更高的速率传送数据。由于模的折射率几乎为一，该光束基本上以光速传播，导致基本上最小的传播延迟。通过中空波导实现的光学互连提供了廉价的用于大大提高芯片和电路板之间的吞吐量的方式。

另一个实施例提供了制作用于引导相干光的光子导向装置的方法400，如图4中的流程图所示。该方法包括操作：在衬底中形成410通道，以形成被配置为互连电路板上的电子线路的波导。该通道的宽度和高度中的至少一个远远大于相干光的波长。该电子线路可以位于单个电路板上，或位于分开的电路板上。形成在衬底中的通道的高度和/或宽度远远大于相干光的波长。波导的相对较大的尺寸允许使用反射性质而不是全内反射将光引导通过该波导，如上所述。该通道可以形成为具有任何期望的形状。例如，该通道可以具有方形或矩形的截面形状。特定的形状(例如圆形或椭圆形)可以提供较少的由于多次反射引起的损耗。该通道可以被刻蚀或冲压到衬底中。衬底可以由诸如聚合物或半导电材料的材料形成。衬底可以是印刷电路板层。衬底也可以是位于印刷电路板上的主材料。

方法400中的进一步的操作提供了：涂敷420高反射材料的层，以基本上覆盖该通道的内部。该反射材料可以基于其反射性质来选择，如上所述。附加的操作提供了：在该通道上耦合430盖子以形成大芯中空波导，其中该盖子包括高反射材料层。也可以在反射材料上增加保护层以减少氧化。

附加的操作包括将准直透镜光学地连接440到大芯中空波导以使多模式相干光的多种模能够被以平行束引导通过该波导。引导多种模平行通过波导激发了波导中的最低损耗模。

本发明的另一个实施例提供一种用于对光学束进行导向的方法500，如图5中流程图所示。该方法包括操作：准直510多模相干光束。可以使用准直透镜准直光束。附加的操作提供了：引导520该准直的多模相干光束进入大芯中空波导，该大芯中空波导具有覆盖该波导的内部部分的反射涂层。该大芯中空波导配置为互连电路板上的电子线路。准直该多模束使得多个由多模激光器发射的模能被引导通过该中空波导，其中由于多次反射引起的损耗量显著减少。

虽然前述实例以一个或多个特定应用说明了本发明的原理，对于本领域技术人员而言显而易见的是，可以对形式、使用和实施细节做出许多修改，而不需要运用创造性的能力，并且不背离本发明的原理和构思。相应地，除了由以下所述的权利要求书来限制本发明，并不打算限制本发明。

Claims (9)

1.一种光子导向系统，包括：

耦合到位于平面中的电路板的大芯中空波导；

覆盖该中空波导的内部的反射涂层，其中该反射涂层提供了高反射率以使得光能够从该反射涂层的表面被反射；

涂敷在反射涂层之上以大大减少该反射涂层的氧化的保护层，其中所述保护层在相干光的波长处基本透明；

与所述反射涂层和所述保护层层叠并且由柔性材料形成的盖部分；和

准直器，其被配置为准直被引导进入该中空波导的多模相干光束，以使得该多模相干光束能够以该多模相干光在该中空波导内部的数目减少的反射被导向通过该中空波导，从而减少该多模相干光束通过该波导的损耗。

2.如权利要求1的光子导向系统，进一步包括耦合装置，其被配置为将至少一部分被导向的多模相干光束引导到位于该电路板平面之外的光学耦合的大芯中空波导。

3.如权利要求2的光子导向系统，其中该耦合装置选自由光学分束器、孔、半透明镜、衍射光栅、或散射仪组成的组中。

4.如权利要求1的光子导向系统，其中相干光具有小于900纳米的波长。

5.如权利要求1的光子导向系统，进一步包括多模激光器，其被配置为提供要被引导进入所述中空波导的多模相干光。

6.如权利要求1的光子导向系统，其中该大芯中空波导的截面形状选自由方形、矩形、圆形和椭圆形组成的组中。

7.如权利要求1的光子导向系统，其中反射涂层由一个或多个金属层组成。

8.一种用于制作引导相干光的光子导向系统的方法，包括：

在衬底中形成通道以形成配置为互连电路板上的电子电路的波导，其中所述通道的宽度和高度中的至少一个远远大于相干光的波长；

涂敷反射材料层以基本上覆盖所述通道的内部；

在所述通道上耦合盖子，以形成大芯中空波导，其中所述盖子包括所述反射材料层；

在所述反射材料层上涂敷保护层以在所述反射材料之上形成基本气密结合物以便大大减少所述反射材料的氧化，其中所述保护层在所述相干光的波长处是基本透明的，其中所述盖子还包括与所述反射材料层和所述保护层层叠并且由柔性材料形成的盖部分；以及

将准直透镜光学地耦合到所述大芯中空波导以使多模相干光的多种模能够被基本上平行地引导通过该波导。

9.如权利要求8的方法，其中形成所述通道还包括使用对所述衬底进行模制、刻蚀或冲压来形成通道。

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