CN101878441A - 用于低损耗、低串扰光信号路由的集成平面聚合物波导 - Google Patents

Abstract

本发明提供平面波导。在一个实施方案中，平面波导包括在基底上且彼此邻近地形成的第一层和第三层。第一层和第三层由具有第一折射率的第一材料形成。平面波导还包括在第一层和第三层之间形成的第二层，其中第二层由具有第二折射率的第二材料形成，其中第二折射率大于第一折射率。该平面波导进一步包括在第二层内形成的多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导。每一有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导在第二层的一个边缘上具有输入端和在第二层的一个边缘上具有输出端，使得输入端和输出端在不同的视线路径上。形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导，使得多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导以约直角相交。

Description

用于低损耗、低串扰光信号路由的集成平面聚合物波导

发明背景

1.发明领域

本发明涉及在基于互连电路板的系统的背板内的高带宽通信，更特别地涉及在这种硬件内用于低损耗、低串扰光信号路由的基于集成平面聚合物波导的结构。

2.相关现有技术的说明

在服务器、路由器和高带宽的计算系统中传输信息所使用的总比特率多年来稳定地增加且在可预见的将来预期将继续增加。常规地使用电互连，在这些计算系统内的元件之间传输信息。例如，电背板典型地使用高带宽的串行连接，以加速在卡例如处理器卡、存储器卡、I/O卡和类似物上安装的计算元件之间的通信。尽管多年来串行电互连极好地运行，但增加的速度和数据系统的复杂性考验着串行电互连技术的极限。例如，具有高带宽串行连接的电背板面对困难的微波工程挑战，当使用这些连接在高比特率，例如高于10Gbps下传输时。并行的电互连可解决微波工程产生的某些局限，但这些方法要求复杂的空间路由。一般来说，在这些频率下的电信号传送受限于电磁干扰和串扰，以及微波再生、分路和路由的需求。

串行光互连能支持超过10Gbps的比特率。此外，光互连可以改进带宽-长度积，消除电磁干扰效应并降低热成本。可在印刷电路板(PCB)上集成的多模聚合物波导是尤其令人感兴趣的，这至少部分是因为它们提供低的成本和对于高速互连的高效率的解决方法，同时提供因宽松的对准容限导致的降低的连接成本。有机基官能的硅氧烷基树脂和聚合物，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)，在数据通信波长下显示出低的损耗(在850nm下，0.03-0.05dB/cm)且具有优良的机械和热性质。例如，有机基官能的硅氧烷基树脂和聚合物可耐受超过250℃的温度，该温度是无铅焊回流典型地需要的温度。然而，与常规的电互连相比，在串行光互连之间的干扰和串扰需要得到可证实的改进，以避免限制使用光互连形成的器件的总数据率。尽管市场上现有的电技术在改进电系统性能方面是创新的，但它仍没有过多考虑新近出现的光技术解决这些挑战并产生有竞争价值的提议的得到证实的能力(尤其在实用的可制造装置和成本-性能尺度方面)。

发明概述

本发明涉及解决以上列出的一个或多个问题的影响。以下列出了本发明的简要概述，使得提供本发明一些方面的基本了解。这一概述不是本发明的穷举综述。不打算鉴定本发明的关键或重要的元件或者描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化形式列出一些概念作为随后讨论的更加详细说明的序言。

在本发明的一个实施方案中，提供平面波导和形成平面波导的方法。在一个实施方案中，平面波导包括在基底上形成且彼此邻近的第一层和第三层。第一层和第三层由具有第一折射率的第一材料形成。平面波导还包括在第一层和第三层之间的由具有第二折射率的第二材料形成的第二层，其中第二折射率大于第一折射率。平面波导进一步包括在第二层内形成的多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导。每一有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导在第二层的一个边缘上具有输入端，和在第二层的相同或另一边缘上具有输出端，使得输入端和输出端在不同的视线路径上。形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导，使得多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导以约直角相交。

附图简述

可通过参考下述说明，结合附图理解本发明，其中相同的参考标记表示相同的元件，和其中：

图1A和1B在概念上分别阐述了本发明的平面波导的一个例举实施方案的截面视图和自顶向下的视图；

图4示出了本发明的例举波导，例如图1A和1B中所示的平面波导的误比特率图表；

图5A和5B示出了本发明的背对背和波导链路的记录眼图；

图2在概念上阐述了本发明的光背板的一个例举实施方案；

图3在概念上阐述了本发明的一部分计算系统的一个例举实施方案，所述部分计算系统包括光背板，例如图2所示的光背板。

尽管本发明包括各种改性和可供替代形式，但在附图中作为例举示出了本发明的具体实施方案，且此处将详细地描述它们。然而，应当理解，此处具体实施方案的说明不打算限制本发明到所公开的特定形式上，相反，意图是覆盖落在所附权利要求书定义的本发明范围内的所有改性、等价和可供替代形式上。

具体实施方案的详细说明

以下描述了本发明的例举实施方案。为了清楚起见，在本说明书中没有描述实际装置的所有特征。当然，要理解，在任何这种实际实施方案的开发中，应当作出许多执行特定的决定，以实现开发者的特定目标，例如与系统有关和商业有关的限制性一致，这些与系统有关和商业有关的限制性随不同的装置而变化。而且，要理解，这种开发的努力可能是复杂和耗时的，但尽管如此，是受益于本发明公开内容的本领域普通技术人员惯常从事的。

参考附图，描述本发明。在附图中示意性描述了各种结构、系统和器件，其目的仅仅是解释性的，以没有用本领域技术人员公知的细节妨碍本发明的理解。尽管如此，包括附图描述并解释本发明的例举实施例。此处所使用的词汇和措辞应当理解和解释为具有与相关领域的技术人员对这些词汇和措辞的理解一致的含义。术语或措辞没有特殊的定义，即不同于本领域技术人员的通常和常规含义的定义拟指通过此处一致地使用的术语或措辞的意思。就术语或措辞拟具有特殊含义，即除了本领域技术人员理解的含义以外的含义这方面来说，这种特殊的定义将在本说明书中特别列出，其定义方式将直接和毫无疑义地提供该术语或措辞的特殊定义。

图1A和1B在概念上分别阐述了本发明的平面波导100的一个例举实施方案的截面视图和自顶向下的视图。平面波导100的截面视图表明在基底105上形成平面波导100。受益于本发明公开内容的本领域技术人员应当理解，基底105可由各种材料形成，其中包括硅、玻璃、金属箔或成形部件，玻璃纤维增强的环氧电路板(例如，常用于商业电器的FR4)和类似物。形成基底105所使用的特定材料是设计选择的事情，对本发明来说不是关键的。然后可与基底105邻近形成第一层110(它可称为包包层)。此处所使用的术语“邻近”不一定意味第一层110和基底105接触。在一些实施方案中，第一层110和邻近基底105可被一层或多层的额外的材料层隔开。第一层110的厚度足以掩盖底下的基底105和/或任何中间材料层的表面粗糙度。第一层110还起到形成用于在其上形成的波导的下光学边界层和光学缓冲层的作用，这可辅助降低或避免因基底的任何负面的光学性质导致的损耗。

与第一层110邻近地形成第二层115和多个波导120。在一个实施方案中，波导120与第一层110直接邻近地形成，并且在形成波导120之前或之后，独立于波导120的形成，形成第二层115。例如，可配制层115，以允许直接光图案化，使得可直接形成波导120。或者，可通过在第一层110的上表面上沉积第二层115，然后例如使用常规的光刻和/或蚀刻技术，图案化第二层115，从而形成多个波导120。然后，可通过光刻，并蚀刻第二层115，形成一个或多个波导120。多个波导120可由有机基官能的硅氧烷基树脂和聚合物，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成，其在数据通信波长下显示出低的损耗(在850nm下，0.03-0.05dB/cm)，并且拥有优良的机械和热性能，且可耐受无铅焊回流技术典型地采用的超过250℃的温度。此外，有机基官能的硅氧烷基树脂和聚合物具有有益的可制备性和性能优点，例如流变性、加工挠性、透明度范围、粘合性、波导120内邻近层的折射率的热系数、低的应变指数张量元素、和低的双折射等等。然后可与第二层115和波导120邻近地形成第三层125。第三层125可起到保护波导的作用并且平坦化在平面波导100上的表面。尽管在图1A中示出了含波导120的单一层115，但受益于本发明公开内容的本领域技术人员应当理解，可供替代的实施方案可包括在层115之上或之下形成的波导120的额外层。

选择层110、115、125和波导120的性质，以有助于光信息沿着波导120的传输。在一个实施方案中，选择形成第一层110和第三层125所使用的材料，以使其折射率低于形成第二层115所使用的材料。同样选择形成第二层115所使用的材料的折射率低于形成波导120所使用的材料的折射率。

平面波导100的自顶向下的视图描绘了在第二层115内形成的波导120的布置图。在所示的实施方案中，平面波导100具有矩形形状，并且在第二层115内形成波导120，使得输入端位于平面波导100的平行和相对侧130、135上，而输出端位于平面波导100的平行和相对侧140、145上。然而，受益于本发明公开内容的本领域技术人员应当理解，本发明不限于其中输入端位于平面波导100的平行和相对侧130、135上而输出端位于平面波导100的平行和相对侧140、145上的结构。或者，输入端/输出端可位于平面波导100的相同侧上和/或彼此正交。优选排列它们，使得从输入端到输出端没有直线通过，从而使得该信号没有明显地贡献于所述直线(以视线形式)，例如施加到输入端上的光信号不可能沿着视线路径直接到达相应输出端。每一波导120被形成为包括在波导120的输入端和输出端之间约90°的转向。在所示的实施方案中，选择弯道以供90°的波导转向，而不是角反射器，因为弯道不需要额外的制造步骤。可选择弯道半径足够大，以限制传播损耗并与沿着平面波导100的边缘适配标准MPO带状光纤连接器所要求的空间相适应。然而，在可供替代的实施方案中，可使用其他技术，例如角形反射器，在波导120内进行90°转向。在波导120的输入端和输出端之间引入90°转向可提高串扰性能，因为与发射机同向的散射光不可能到达接收机。

在平面波导100的相对侧130、135、140、145上的输入端和/或输出端也可在相应的输入端和/或输出端附近沿着与波导方向垂直的方向彼此偏移。在所示的实施方案中，沿着相对侧140、145的输出端被偏移大约距离150，沿着相对侧130、135的输入端被偏移大约距离155。按照这一方式偏移输入端和/或输出端可降低沿着相对侧具有输入端和/或输出端的波导120之间的干扰。还图案化波导120，使得波导120以约90°的角度相交。构造波导120，使得以90°发生的波导交叉可降低相交波导120之间的交叉损耗和诱导串扰这二者。可用于波导120的路由图案的一个实例是Manhattan路由图案。当描述模拟“Manhattan街道”的布置图，即包括沿着笔直路径和以接近直角相交的图案的布置图时，在技术设计(例如CMOS芯片互连)中使用Manhattan结构。在可供替代的实施方案中，布置图可利用由板的其他组件指定的路线。例如，对角线(参照板边缘)路径可将波导带出到某个坐标，然后该路径可从这一坐标系继续几乎垂直的路径到一些其他波导以与之交叉。

图2在概念上阐述了光学背板200的布置图的一个例举的实施方案。在所示的实施方案中，光学背板200由多个波导205形成，所述波导205构造为如图1A和1B描述。光学背板的所示的实施方案遵守许多布置图要求，其中包括紧凑的尺寸、可扩展性、与标准多模带状光纤连接器的相容性、低的损耗和低的串扰性能。所制备的背板200容纳10块卡，并通过常规的光刻技术在标准FR4基底上图案化。下部包层具有足够的厚度以遮盖底下的FR4的表面粗糙度，同时顶部包层还起到保护波导且使表面平坦化的作用。使用Disco 321划片机，从FR4晶片中切割背板，和使波导刻面暴露。测量最终10块卡的背板200为10cm正方形。每一块卡的界面的输入端和输出端由10个波导组组成。PCB-基的10卡背板为矩形形式且高度仅仅为2.25个机架单位。采用类似的连接类型(或者链路输入端或者输出端)，板上组装相对的边缘。因此，每一发射机与每一接收机通过波导相连，所述波导执行一个90°的转向，且在背板周围制备带状光纤连接。串扰性能从而被提高，因为与发射机共向的任何散射的光不可能到达任何接收机。

选择波导截面为50×50微米，且横向间隔为250微米，以匹配常规的带状光纤和标准的VCSEL和光电二极管阵列。90°弯道的半径为8mm，根据前述测量结果，这对于多模光纤输入端来说，所述弯道应当引起约1dB的额外损耗。认为对于光信号的MMF发射来说，交叉损耗为约0.01dB/个交叉点。任何通道的交叉点数量取决于链路路径，其中90个交叉点为最大值。示出了波导交叉点的照片细节210。应当注意，低的本征波导损耗(0.03dB/cm)与低的交叉点损耗和低的串扰值一起意味这一结构具有对于较大数量的外部连接的可扩展性。光学背板200提供能适应太比特/秒总数据率的无源互连。该结构使得能使用在PCB上的平面聚合物多模波导在10张卡之间无阻塞地通信。尽管成本低，但这种100-通道的背板显示出优良的路由特征和串扰性能。

图3在概念上示出了一部分计算系统300的一个例举的实施方案，所述部分计算系统300包括例如图2所示的光学背板305。光学背板305与机架安装的框架通过例如线路卡310相容，其中所述线路卡310具有与中间带状光纤跳线(所述跳线与光学背板相连)匹配的便宜的板载VCSEL和光电二极管阵列。在所示的实施方案中，使用VCSEL、光学二极管和带状光纤的结合，使线路卡310因此与光学背板305通信耦合。然而，受益于本发明公开内容的本领域的技术人员应当理解，本发明不限于这些耦合线路卡310到光学背板305上的特定技术。在可供替代的实施方案中，可使用通信耦合线路卡310到光学背板305上的其他技术。

使用50/125微米的标准切割MMF和切割SMF输入端这二者，研究光学背板的一个实施方案的功率传输特征。将850nm的多模VCSEL作为源，同时使用50/125微米MMF，收集在波导输出端的发射光。在输入端和输出端这二者处使用折射率匹配凝胶，以增加耦合效率。每一波导的插入损耗随链路长度和交叉点数量而变化。与SMF发射相比，多模光纤发射将更多功率耦合到较高阶的波导模。因此，对于MMF输入来说，在弯道和交叉点处降低的耦合效率和较高的传播损耗导致较大的总体插入损耗值。表1示出了从最好的情形(不具有交叉点的最短波导)到最差的情形(具有90个交叉点的最长波导)下获得的插入损耗变化。

表1：使用MMF和SMF发射记录的插入损耗范围和最差情形的串扰值

输入	插入损耗	串扰
			50	7-10dB	-32dB
SMF	2.5-5.6	-42dB

已进行串扰测量，研究不同输入类型的性能。结果表明，来自弯道的辐射或者来自波导交点的交叉耦合对串扰都没有显著贡献-实际上所引起的任何串扰都低于接收机的灵敏度(-60dBm)。然而，彼此平行运行的波导确实与平行运行的邻近度和长度成比例地交叉耦合。最差的情形(长的邻近的共线波导)对于MMF发射显示出低于-32dB的串扰值，而对于SMF发射显示出低于-42dB的串扰值。另外，输入光纤的未对准导致串扰值稍微增加-最差的值为-25dB数量级，当输入光纤未对准，使得光被发射到波导之间的包覆区域内时。

使用Anritsu 12.5Gbps BER测试仪，进行误比特率(BER)测量。通过2³¹-1PRBS信号，在10Gbps下直接调制VCSEL源，同时Picometrix光电二极管用作接收机。使用50微米的多模带状光纤，使光信号耦合出入背板。使用SHF 20GHz RF放大器，放大所接收的电信号。使用数字示波器，记录所得眼图。测试数个代表性波导。眼图表明可忽略不计的额外的噪声和脉冲色散。在所有情况下，实现无误码传输。BER测量表明，对于10-9的误比特率来说，有数量级为0.2dB₀的非常小的功率代价。图2示出了例举的波导，例如图1A和1B所示的平面波导的误比特率图表。图3A和3B示出了背对背和波导链路的记录眼图。

此处所述的波导可由有机基官能的硅氧烷基树脂和聚合物形成。有机基官能的硅氧烷基聚合物的一个实例是PDMS。然而，在此处所述的光学背板的实施方案中，可使用其他有机基官能的硅氧烷基树脂，形成波导和/或其他层。含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂(A)的一个实例用下述硅氧烷单元式表示：

(R¹R²R³SiO_1/2)_a(R⁴R⁵SiO_2/2)_b(R⁶SiO_3/2)_c(SiO_4/2)_d，

其中R¹、R²、R³、R⁴、R⁵和R⁶是选自具有1-6个碳原子的单价脂族烃基的有机基团，具有6-10个碳原子的单价芳族烃基，和含环氧基的单价烃基；一个分子含有2-50mol％具有含环氧基的单价烃基的硅氧烷单元；大于14mol％的所有有机基团是具有6-10个碳原子的单价芳族烃基；且满足下述条件：a+b+c+d＝1；“a”平均满足下述条件：0≤a＜0.4；b平均满足下述条件：0＜b＜0.5，c平均满足下述条件：0＜c＜1；d平均满足下述条件：0＜d＜0.4，且b和c通过下述条件关联：0.1≤b/c≤0.3；其中a、b、c和d表示对于其中这些摩尔单元之和等于1的情况来说每一硅氧烷单元的平均摩尔数。换句话说，这些符号示出了在一个分子内的每一硅氧烷单元的平均mol％或份额；因此(a+b+c+d)＝1。由于这一组分含有环氧基，因此它可在光聚合引发剂(B)存在下，通过用活性能量射线，例如紫外线辐照，从而快速地固化。

含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂(A)含有(R⁴R⁵SiO_2/2)和(R⁶SiO_3/2)作为必不可少的单元。然而，视需要，该树脂可含有任意的结构单元(R¹R²R³SiO_1/2)和(SiO_4/2)。换句话说，含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂可由下式所示的单元组成：

(R⁴R⁵SiO_2/2)_b(R⁶SiO_3/2)_c

(R¹R²R³SiO_1/2)_a(R⁴R⁵SiO_2/2)_b(R⁶SiO_3/2)_c

(R⁴R⁵SiO_2/2)_b(R⁶SiO_3/2)_c(SiO_4/2)_d

(R¹R²R³SiO_1/2)_a(R⁴R⁵SiO_2/2)_b(R⁶SiO_3/2)_c(SiO_4/2)_d，

若(R¹R²R³SiO_1/2)单元的含量太高，则含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂的分子量下降，并出现下述条件：0≤a＜0.4。若在这一条件下引入(SiO_4/2)单元，则含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂(A)的固化体可能变得非常硬且脆。因此，推荐提供下述条件：0≤d＜0.4，优选0≤d＜0.2，和甚至更优选d＝0。必不可少的结构单元(R⁴R⁵SiO_2/2)和(R⁶SiO_3/2)的摩尔比b/c应当大于0.01和优选小于0.3。在这些范围以外，生产前述含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂(A)伴随形成不可溶副产物，或者通过固化该组合物获得的固化体的韧性易于下降且生成裂纹，以及强度和弹性显著下降。推荐摩尔比b/c应当大于0.01但小于0.25，和优选在0.02-0.25范围内。由于含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂(A)含有(R⁴R⁵SiO_2/2)和(R⁶SiO_3/2)作为必不可少的单元，因此该分子结构可主要在支链、网状和三维之间变化。

前述具有1-6个与硅键合的碳原子的单价饱和脂族烃基可用下述基团代表：甲基、乙基、丙基、丁基、己基或类似的单价饱和脂族烃基；和乙烯基、烯丙基、己烯基或类似单价不饱和脂族烃基。具有6-10个碳原子的与硅键合的单价芳族烃基可用苯基、甲苯基、二甲苯基和萘基代表。

可通过改变单价烃基的类型，调节折射率，其中折射率是本发明材料的重要的光学性能。若主要的取代基包括单价脂族烃基，例如甲基，则折射率可容易地小于1.5。若主要取代基包括单价芳族烃基，例如苯基，则折射率可容易地使单价饱和脂族烃基包括甲基，和前述单价不饱和芳族烃基包括苯基。在单价不饱和脂族烃基的情况下，推荐使用乙烯基。

推荐在组分(A)中，大于15mol％，优选大于20mol％和甚至更优选大于25mol％的所有有机基团包括单价芳族烃基。若单价芳族烃基的含量低于推荐下限，则由该组合物获得的固化体将具有在通信波长范围内降低的透光率。这也将导致韧性下降且可在固化体内形成裂纹。

在组分(A)中，具有含环氧基的单价烃基的硅氧烷单元应当占所有硅氧烷单元的2-50mol％，优选10-40mol％，和甚至更优选15-40mol％。若前述硅氧烷单元的含量低于2mol％，则这会导致在组合物固化过程中交联度下降。结果，所得透光组分不会充分地硬。另一方面，若前述单元的含量超过50mol％，则该固化体将具有降低的透光率和低的耐热性。推荐在前述含环氧基的单价烃基中可获得的环氧基与硅不具有直接的连接，和通过亚烷基进行与硅原子的连接。

以下给出了一些实例：

3-(环氧丙氧基)丙基

2-(环氧丙氧基羰基)丙基

2-(3，4-环氧基环己基)乙基

2-(4-甲基-3，4-环氧基环己基)丙基，和

可通过本领域已知的方法，制备前述含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂。例如，可采用下述方法：其中共水解和缩合化学式为R⁴R⁵SiCl₂的硅烷和化学式为R⁶SiCl₃的硅烷的方法；其中共水解和缩合化学式为R⁴R⁵SiCl₂的硅烷、化学式为R⁶SiCl₃的硅烷和化学式为R¹R²R³SiCl的硅烷的方法；其中共水解和缩合化学式为R⁴R⁵SiCl₂的硅烷、化学式为R⁶SiCl₃的硅烷和化学式为SiCl₄的硅烷的方法；其中共水解和缩合化学式为R⁴R⁵SiCl₂的硅烷、化学式为R⁶SiCl₃的硅烷、化学式为R¹R²R³SiCl的硅烷和化学式为SiCl₄的硅烷的方法；和其中共水解并缩合其中与硅键合的氯原子被甲氧基或乙氧基取代的硅烷的方法(其中R²、R³、R⁴、R⁵和R⁶是选自具有1-6个碳原子的单价脂族烃基，具有6-10个碳原子的单价芳族烃基，和含环氧基的单价烃基中的有机基团)。

另一可采用的方法由下述步骤组成：通过共水解和缩合二甲基二氯硅烷和苯基三氯硅烷的混合物或者二甲基二氯硅烷、甲基三氯硅烷和苯基三氯硅烷的混合物，使该反应体系成碱性，在添加含环氧基的有机基三烷氧基硅烷例如3-(环氧丙氧)丙基三甲氧基硅烷之后进行缩合反应，从而提供其中环氧基例如3-(环氧丙氧)丙基键合到硅上的甲基苯基聚硅氧烷，生产含硅烷醇的甲基苯基聚硅氧烷树脂。在平均单元式(1)中，可通过起始硅烷的用量及其摩尔比调节a、b、c和d的数值。

前述有机基聚硅氧烷树脂可具有保留在硅原子上的一些残留的烷氧基和羟基。这些基团的含量可取决于制备方法和制备条件。这些取代基可影响前述有机基聚硅氧烷树脂的储存稳定性并降低该有机基聚硅氧烷树脂的固化体的热稳定性。因此，需要尽可能限制这些基团的形成。例如，可在微量氢氧化钾存在下，加热有机基聚硅氧烷，从而引起脱水和缩合反应或者脱醇和缩合反应，从而降低前述取代基的含量。推荐前述取代基的含量不大于硅原子上所有取代基的2mol％，和优选不大于1mol％。

对本发明来说，不特别限制适合于引发含环氧基的有机基聚硅氧烷(A)光聚合的光聚合引发剂(B)。这一组分的实例可包括锍盐、碘鎓盐、硒鎓盐、鏻盐、重氮盐、对甲苯磺酸盐、三氯甲基取代的三嗪，和三氯甲基取代的苯。有机溶剂(C)不是必不可少的组分，但若在模塑含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂(A)的温度下为固态或者为高度粘稠液体，则可要求有机溶剂(C)。若将含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂(A)形成为膜，则也可要求它。若光聚合引发剂(B)在含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂(A)内不溶解，则也可要求有机溶剂(C)。对有机溶剂(C)的类型没有特别限制，只要含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂(A)和光聚合引发剂(B)这二者在这一溶剂内可溶即可。然而，推荐使用沸点在80℃-200℃的温度范围内的溶剂。

活性能量射线可固化的有机基聚硅氧烷树脂组合物的实施方案包括100重量份含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂(A)，0.05-20重量份光聚合引发剂(B)，和0-5000重量份有机溶剂(C)。若组分(A)是液体或者若组分(A)和(B)具有非常良好的混溶性，则可不要求组分(C)。若组分(B)的用量小于0.05重量份，则不可能固化该组合物到充足的程度。另一方面，若组分(B)的用量超过20重量份，则所得材料可因存在残留催化剂导致具有不可接受的光学特征。此外，若组分(C)的用量超过5000重量份，则在以下所述的制备透光组件中难以获得良好质量的薄膜。组分(C)的最佳量可随组分(A)和(B)的用量、状态和溶解度而变化。然而，一般地，其使用量为1-1000重量份，优选1-500重量份。

通常，当活性能量射线可固化的有机基聚硅氧烷树脂组合物拟用于制备膜或透光元件形式的固化体时，它以在25℃下粘度为20-10,000mPa.s的液体形式使用。在该粘度的推荐范围以外，组合物将难以处理，且难以获得光学可接受的薄膜。

可通过改变单价脂族烃基(典型地甲基)和单价芳族烃基(典型地苯基)(它们构成含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂(A)的取代基)的摩尔比，精确地调节由本发明的活性能量射线可固化的树脂组合物生产的固化体的折射率。单价芳族烃基比例增加会增加折射率，而单价脂族基团的份额增加会降低折射率。

当活性能量射线可固化的有机基聚硅氧烷树脂组合物用于制备光波导时，拟用于芯部分的有机基聚硅氧烷树脂的固化体应当具有比拟用于包覆部分的有机基聚硅氧烷树脂的固化体高的折射率。因此，拟用于芯部分的有机基聚硅氧烷树脂组合物应当具有比拟用于包覆部分的有机基聚硅氧烷树脂组合物高的单价芳族烃基含量。鉴于上述情况，可使用分离方法分开用于芯部分和包覆部分的两种不同类型的有机基聚硅氧烷树脂，使得维持它们在不同的摩尔比下，和/或使用不同的混合比混合前述有机基聚硅氧烷的混合方法。

透光组件包括通过在光聚合引发剂(B)存在下固化含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂(A)获得的固化体，它具有优良的形状维持性能，而与其以常规的膜或薄膜形式制备无关。更具体地，这一材料的硬度和弹性使得不允许该材料容易地变形。此外，该材料不具有任何可视的裂纹或翘曲。此外，在可见光范围内，该材料排除反射并提供几乎等于100％的透光率。在采用偏振元件的测量中，前述材料使得可降低复合折射率到可忽略不计的小数值，因为该材料对偏振光不敏感。当加热该材料时，它保持其起始形状一直到260℃，和重量变化因子保持低于1％。因此，可认为本发明的透光组件的耐热性高于作为氟化聚甲基丙烯酸甲酯树脂的这种光学热塑性材料。

此处所述的透光组件可用于无源系统元件和有源系统元件这二者。以下是这种应用的实例：非分支型光波导，波分复用器[WDM]，分支光波导，光学粘合剂或类似的无源透光元件，光波导开关，光学衰减器，和光学放大器或类似的有源光传输元件。

下述说明涉及制备含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂(A)的固化体形式的透光组件的方法，所述固化体通过在光聚合引发剂存在下辐照前述树脂(A)而生产。通过包括以下所述的步骤1)和2)的方法，制备前述透光组件。在步骤1)中，将活性能量射线可固化的有机基聚硅氧烷树脂组合物均匀地铺展在基底表面上，和视需要通过干燥或加热除去溶剂(C)，于是形成由含环氧基的有机基聚硅氧烷树脂(A)和光聚合引发剂(B)组成的均匀厚度的薄膜。

用于这一目的的基底应当具有光滑的表面且对溶剂、活性能量射线和热稳定。这种基底的实例包括硅片、玻璃、陶瓷和耐热塑料。通常通过旋涂施加该组合物，然后在30℃-120℃的温度下加热。在步骤2)中，通过用活性能量射线辐照，固化所得薄膜。活性能量射线可包括紫外线、电子束或其他辐射线。从低成本和高稳定性角度考虑，优选使用紫外射线。紫外辐射线的来源可包括高压汞灯、中压汞灯、Xe-Hg灯或深UV灯。辐射线的用量应当在100-8000mJ/cm²范围内。对于一些类型的活性能量射线可固化的有机基聚硅氧烷来说，仅仅使用活性能量射线辐射可能是不足的。在这一情况下，可要求加热(下文称为“后加热”)，以完全固化该薄膜。后加热温度范围应当为50-200℃。

因此，通过1)施加活性能量射线可固化的有机基聚硅氧烷树脂组合物到基底上，2)用活性能量射线例如紫外线辐照所施加的活性能量射线可固化的有机基聚硅氧烷树脂组合物，和视需要对该组合物进行后加热，从而生产在所指定波长范围内透光率高的透光组件。视需要，可通过从基底上剥离掉涂层以单独的膜形式生产该材料。可通过重复步骤1)和2)，生产光波导(它是光传输组件应用的一个典型实例)。以下给出了制备光波导的一个典型实例。

首先，通过在基底上旋涂，施加用于包包层的活性能量射线可固化的有机基聚硅氧烷树脂组合物，和通过用活性能量射线辐照，固化该施加的材料，形成下部的包包层。接着，通过在下部包包层上旋涂，施加用于芯层的活性能量射线可固化的有机基聚硅氧烷树脂组合物，视需要，使芯层成形以赋予其所需形状，然后固化形成折射率大于包包层的固化的芯层。可处理芯层用以赋予它所需的形状，例如用于图案化。可通过将芯层经所画的掩膜暴露于活性能量射线下，和视需要随后加热，形成这一形状，并通过用有机溶剂溶解，除去未曝光的区域。推荐这一溶剂包括溶剂(C)。采用特意用于包覆的活性能量射线可固化的有机基聚硅氧烷树脂组合物，涂布前述芯层或者图案化的芯层和下部的包包层的表面，和在组合物固化并完成上部包包层的形成之后，生产具有包包层-芯层-包包层结构的薄膜类型的光波导。

类似于前面所述的工序，可从基底上剥离掉所得涂层，形成薄膜类型的光波导。此外，下部的包包层也可从基底上剥离掉。可在单独的包包层上形成新的芯层，然后用上部包包层涂布，于是可形成另一薄膜类型的光波导。拟用于芯的活性能量射线可固化的有机基聚硅氧烷树脂组合物的固化体的折射率应当大于由用于包覆的活性能量射线可固化的有机基聚硅氧烷树脂组合物生产的固化体。视需要，可使用溶剂流延方法来替代旋转施加活性能量射线可固化的有机基聚硅氧烷树脂组合物。

可在Watanabe等人(WO2005/056640A1)中找到额外的细节和实例，在此通过参考全文引入。

以上公开的特定的实施方案仅仅是阐述性的，因为可用对受益于本发明公开内容的本领域技术人员来说显而易见的、不同但相当的方式改性和实践本发明。此外，没有意图限制本发明到此处所示的结构或设计细节上，本发明的范围通过以下所述的权利要求书限定。因此，显而易见的是，可改变或改性以上公开的特定实施方案，且所有这些变化被视为在本发明的范围内。因此，此处寻求的保护范围列在以下的权利要求书中。

Claims (18)

1.一种装置，它包括：

在基底上形成且彼此邻近的第一层和第三层，其中第一层和第三层由具有第一折射率的第一材料形成；

在第一层和第三层之间形成的第二层，其中第二层由具有第二折射率的第二材料形成，其中第二折射率大于第一折射率；和

在第二层内和在由邻近的第一层和第三层确定的平面内形成的多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导，其中

每一有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导在第二层的一个边缘上具有输入端，和在第二层的一个边缘上具有输出端，使得输入端和输出端在不同的视线路径上，形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导，使得多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导以约直角相交。

2.权利要求1的装置，其中多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导包括根据Manhattan路由图案路由设计的多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导。

3.权利要求1的装置，其中多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导中的每一个包括在输入端和输出端之间的基本上90°的弯道。

4.权利要求1的装置，其中在与输入端邻近的相应的有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导的方向垂直的方向上，在第二层的相对边缘上的输入端彼此偏移。

5.权利要求1的装置，其中在与输出端邻近的相应的有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导的方向垂直的方向上，在第二层的相对边缘上的输出端彼此偏移。

6.权利要求1的装置，其中构造输入端和输出端，以耦合到带状光纤跳线上。

7.一种方法，该方法包括：

在基底上且彼此邻近地形成第一层和第三层，其中第一层和第三层由具有第一折射率的第一材料形成；

在第一层和第三层之间形成第二层，其中第二层由具有第二折射率的第二材料形成，其中第二折射率大于第一折射率；和

在第二层内和在由邻近的第一层和第三层确定的平面内形成多个至少一种有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导，每一聚合物波导具有在第二层的一个边缘上的输入端和在第二层的一个边缘上的输出端，使得输入端和输出端在不同的视线路径上，形成多个聚合物波导，使得多个聚合物波导以约直角相交。

8.权利要求7的方法，其中形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导包括形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导，使得根据Manhattan路由图案路由设计多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导。

9.权利要求7的方法，其中形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导包括形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导，使得多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导中的每一个包括在输入端和输出端之间的基本上90°的弯道。

10.权利要求7的方法，其中形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导包括形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导，使得在与输入端邻近的相应的聚合物波导的方向垂直的方向上，在第二层的相对边缘上的输入端彼此偏移。

11.权利要求7的方法，其中形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导包括形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导，使得在与输出端邻近的相应的有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导的方向垂直的方向上，在第二层的相对边缘上的输出端彼此偏移。

12.权利要求7的装置，包括形成输入端和输出端，使得它们可耦合到带状光纤跳线上。

13.通过包括下述步骤的方法形成的平面波导：

在基底上且彼此邻近地形成第一层和第三层，其中第一层和第三层由具有第一折射率的第一材料形成；

在第一层和第三层之间形成第二层，其中第二层由具有第二折射率的第二材料形成，其中第二折射率大于第一折射率；和

在第二层内和在由邻近的第一层和第三层确定的平面内形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导，每一有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导具有在第三层的一个边缘上的输入端和在第三层的一个边缘上的输出端，使得输入端和输出端在不同的视线路径上，形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导，使得多个聚合物波导以约直角相交。

14.通过权利要求13的方法形成的平面波导，其中形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导包括形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导，使得根据Manhattan路由图案路由设计多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导。

15.通过权利要求13的方法形成的平面波导，其中形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导包括形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导，使得多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导中的每一个包括在输入端和输出端之间的基本上90°的弯道。

16.通过权利要求13的方法形成的平面波导，其中形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导包括形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导，使得在与输入端邻近的相应的有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导的方向垂直的方向上，在第二层的相对边缘上的输入端彼此偏移。

17.通过权利要求13的方法形成的平面波导，其中形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导包括形成多个有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导，使得在与输出端邻近的相应的有机基官能的硅氧烷基树脂或聚合物波导的方向垂直的方向上，在第二层的相对边缘上的输出端彼此偏移。

18.通过权利要求13的方法形成的平面波导，包括形成输入端和输出端，使得它们可耦合到带状光纤跳线上。

Images