CN1049503C - 集成光耦合器 - Google Patents

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Abstract

一种集成光耦合器包括一具有光纤对准槽和波导通道的衬底和一具有互补槽和通道(可选)的顶盖。这些耦合器由可复制的母模和有这些母模制成的电镀子模制造。

Description

集成光耦合器
技术领域
本发明涉及光耦合器，它们通过预先对准的波导通道(waveguide channel)芯和光纤槽使输入光纤与输出光纤耦合。另一方面，揭示了用来制备无源光耦合器的子模和制备这些子模的母模。还揭示了制作该母模的方法。
背景技术
光耦合器把一根或多根输入光纤与一根或多根输出光纤连接在一起。它们可把输入光纤所载的光输送至输出光纤，或在输出光纤间分裂，或合并入输出光纤。它们在光纤通信、有线电视链路和数据通信等方面起着很重要的作用。
目前，通过熔融光纤或使光纤与一平面的玻璃集成光学器件相连来制造耦合器，该器件把来自输入光纤的光导向接在器件相对端的输出光纤。这两种方法都要花费很多劳动，而且成本很高。成本还正比于所需要的输出光纤的数目(因为这要精心熔融或连接每单个光纤)。这些花费劳动的工艺还阻碍了这些器件的大批量生产。
与光耦合器不同，通道波导(channel waveguid)已广泛使用并便于生产。在过去的二十年中，已发展了多种生产这些波导的方法。例如，多年前就已知道，在母模上电镀镍来制造通道波导子模，和用光致抗蚀剂技术来形成波导通道。近来，已用光刻技术来制造改进的波导。在形成聚合物的通道波导方面，铸造和固化(cast-and-cure)法己补充了较老的射压造型法。但这些方法中没有一种能用来使光纤被动地对准这样的通道波导。
在一近期的刊物(由A.Neyer，T.Knoche和L.Muller撰写，发表于电子快报，第29卷，第399页(1993))中，揭示了一种便宜的能复制许多波导的方法。该方法包括在光致抗蚀剂中制作出一母型(只对于直的波导通道)，然后在镍中电镀，用射压造型法在聚甲基丙烯酸甲酯中形成波导槽，用具有高折射率的紫外固化树脂填充各槽，把一平顶部件放在树脂衬底件上，并使整体固化。在该刊物中，作者建议在一个制造步骤中同时制造光波导结构和光纤对准槽。但没有说明或建议如何改进该过程，使之包括光纤槽的形成和对准。
发明内容
概括地说，本发明提供了一种集成的n×m光耦合器，该光耦合器包括一聚合物的外罩(即通过连接一衬底和一顶盖而形成的整体结构)，其中封装着
(a)n根输入光纤，
(b)n条波导输入通道，它们位于衬底和/或顶盖上，可分离成或汇合成m条波导输出通道，它们也位于衬底和/或顶盖上，和
(c)m根输出光纤，其中n和m是从1至1024的相互独立的整数，通过所述外罩中精确对准的槽，使所述n条波导输入通道中的每一条与相应的n根光纤的纤芯对准，并使所述m条波导输出通道中的每一条与相应的m根光纤的纤芯对准。至少用一种能固化而提供波导芯子的、可聚合的单体填充所述波导通道。
另一方面，本发明提供了一种聚合物外罩，该外罩用于封入光纤和通道波导的芯子并使之预对准，它包括：
(a)一衬底部件，包括
(i)第一部分，其一个水平表面包含n个槽，用于容纳n根
输入光纤，
(ii)第二部分，其一个水平表面包含n条波导输入通道，
这些通道分离成或汇合成m条波导输出通道，和
    (iii)第三部分，其一个水平表面包含m个槽，用于容纳m
根输出光纤；
(b)一顶盖部件，包括
    (i)第一部分，其一个水平表面包含n个槽，用于固定n根
输入光纤，
    (ii)第二部分，其一个水平表面基本上是平的，和
    (iii)第三部分，其一个水平表面包含m个槽，用于固定m
根输出光纤；其中n和m是从1至1024的独立整数，如此构造所述n和m个槽，使容纳于其中的光纤纤芯恰好对准所述相应波导通道的端部，用这样的方式来制造所述衬底和顶盖，即将两个部件粘合连接在一起，以形成基本单一的外罩。
又一方面，本发明提供了一种制造上述聚合物外罩的子模，所述外罩用于封入光纤和通道波导并使之预对准。
又一方面，本发明提供了一种母模，在该母模上电镀上述子模，所述子模用来制造封入光纤和通道波导并使之预先对准的聚合物外罩。
再一方面，本发明提供了一种用来制造形成上述聚合物外罩的子模的方法，所述外罩用于封入光纤和通道波导并使之预先对准，该方法包括下列步骤：
a)用光刻法蚀刻一硅片，以形成光纤对准槽；
b)用一种光致抗蚀剂材料涂覆硅片；
c)在光致抗蚀剂中形成与光纤对准槽对准的波导通道图样；
d)用一层金属电镀所述具有图样的硅片，为所述硅片提供一金属补充物；和
e)使该金属补充物与硅片分离。
在本申请中，将用到下述定义：
“铸造和固化”意思是应用单体，或单独使用或加有诸如聚合物、玻璃粒子和齐聚物等添加剂，单体(在液态下)与一子模相符，并能聚合；
“通道波导”或“波导通道”是指一种导光管道，它由一种延伸的、透光的介质构成，周围裹着一种折射率较低的透光介质；
“光耦合器”是指一种器件，它使一根或多根输入光纤与一根或多根输出光纤相连，并具有分光器和组合器；
“(甲基)丙烯酸酯”是指丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、丙烯酰胺和甲基丙烯酰胺的化合物；而
“类”或“化合物”或“单体”是指一种允许用常规的取代基取代的化学物质，其中取代基不会影响所希望的产品。
本发明提供一种聚合物外罩，它能使光纤的纤芯和波导通道预先对准。该外罩由两个部件组成：一衬底和一顶盖。在外罩的衬底部件中有槽和通道。槽用于容纳光纤，而通道则至少被一种能够聚合的单体填满，其中单体固化后形成波导通道的芯子。该聚合物外罩可以用一子模通过铸造和固化微复制品制成。而子模则是通过把一种金属电镀到一母模上，然后将子模与母模分离而制成的。在该母模中刻有上述槽和通道。这些槽和通道具有严格的公差，从而使插入该母模制成的聚合物外罩之槽中的光纤纤芯与由该母模制成的聚合物外罩的通道所限定的波导通道的芯子精确对准。
目前获得的耦合器是单个制造的，因此要花费很多劳动。通过精心制造能制作大量子模的母模，便可大批量地生产本发明的光耦合器。制作槽的步骤将便于生产无源光耦合器，槽应精确制作，以便插入其中的光纤能与相应的波导通道对准。这克服了根据上述Neyer等人所著论文中所述的过程制作的物品中固有的局限。换句话说，如果将这种物品用作光耦合器，则会因手工对准而花费同样高的成本。
当装配完后，本发明的光耦合器包括周围裹有聚合物材料的光纤。当把光纤固定在本发明的耦合器的槽中时，槽使光纤的纤芯与相应的波导通道的芯子精确对准，光纤不大可能再因周围材料的热膨张而偏离。这也是优于用Neyer等人所述过程生产的物品的地方。
本发明的耦合器足够厚，其叠层结构提供了气密封装。这减少了其光学特性因吸潮而变化的可能。
附图概述
图1是一大大放大了的透视示意图，示出了本发明的光耦合器的一个实施例。
图2是一张部分剥开的大大放大了的透视图，示出了本发明的光耦合器的一个实施例的衬底部分。
图3是一张部分剥开的大大放大了的透视图，示出了本发明的光耦合器的一个实施例中光纤-波导通道的界面。
图4是一张部分剥开的大大放大了的透视图，示出了本发明的光耦合器外罩实施例的一端。
图5是一张部分剥开的大大放大了的透视图，示出了可用来复制本发明的光耦合器外罩的子模实施例的一个衬底端。
图6是一张部分剥开的大大放大了的透视图，示出了可用来复制本发明子模的母模实施例的一端。
附图说明
图1示出了一1×2光耦合器10，它具有衬底12和顶盖14，通过一层薄的单体16粘合在一起。单体16涂覆在衬底12的顶面，并填满波导通道18。(波导通道因其相对大小而表示成直线。)单体16还裹住光纤对准槽22中的光纤20。衬底12中小的凸部24与顶盖14中小的凹部26滑配，并且帮助衬底12和顶盖14对准。
图2示出了1×2光耦合器衬底12′的第二个实施例，该实施例被动地对准光纤20，在光纤对准槽22中，包层27仍裹在部分光纤的周围。波导通道18与光纤20(光学上)连接。(波导通道18又因其相对大小而被表示成直线。)垂直的狭缝连接凹槽30。波导通道18、光纤对准槽22、狭缝28和凹槽30被单体16填满。(尽管为清楚起见没有示出单体薄层16，但该薄层仍涂覆在衬底12′的顶面。)衬底12′顶面上的凸部帮助衬底12′对准其对应的顶盖(未示出)。
图3是部分1×2光耦合器10″的放大图。尤其示出了衬底12″和顶盖14″中波导通道18、光纤20、光纤对准槽22和狭缝28连接处的区域。衬底12″和顶盖14″都用背衬30加固。光纤对准槽22从耦合器10″外的开口32至狭缝28处的开口34(水平地)变窄，并且从开口32开始(垂直地)略微变尖。单体薄层16涂覆在衬底12″的顶面，并填满波导通道18、狭缝28和未被光纤20填满的部分光纤对准槽。变窄并变尖的光纤对准槽准确地使光纤20的纤芯与波导通道18对准。当用凸部24和凹部26帮助对准，将顶盖14″放在衬底12″上时，光纤对准槽22与光纤20沿周围相配并固定光纤20。
图4示出了一实施例外罩40的一端，该外罩具有衬底42和顶盖44，并都用背衬46加固。在衬底42中，狭缝52将波导通道48与光纤对准槽50分割开。在顶盖44中有光纤对准槽50和狭缝52。光纤对准槽50从开口54开始(水平地)变窄和(垂直地)变尖。
图5示出了一子模60实施例的一端，该子模具有波导通道肋部62和光纤对准槽脊部64，两者被狭缝形成块66分隔开。光纤对准槽脊部64从边缘68开始朝狭缝形成块66变窄并变尖。(为清楚起见省略了顶盖的子模。)
图6示出了一母模实施例70的一端，该母模有衬底部件72和顶盖部件74。两个部件都包括被狭缝80分隔开的波导通道76和光纤对准槽78。衬底部件72和顶盖部件74中刻有波导通道76的部分被一层光致抗蚀剂材料的薄层82所覆盖。光纤对准槽78从开口84开始变窄并变尖。本发明的最佳实施例
制备本发明的光耦合器需要制造一母模。由该母模制成子模，而由子模可微复制本发明的光耦合器。本发明的光耦合器直接由子模制成，而子模是在母模上电镀制成的。因此，母模的图样必须与所希望的耦合器相同，而由该母模制成的子模则具有互补的(相反的)图样，即子模在光耦合器希望开槽的地方必须具有凸起的助部。
一旦制成了一个具有所希望的波导通道图样的母模，便能相当容易和便宜地提供多个子模。制成这些子模后，便可用来大量生产本发明的光耦合器。这与目前制造光耦合器的方法完全相反，目前的制造方法包括使多根光纤相互熔合或将光纤与一平面形玻璃集成光学器件连接在一起的很花费劳动的步骤。I.母模的制造
由于子模的尺寸公差将与制成它们的母模的公差互补，所以在制造母模时必须非常精心。尤其，必须使母模中所刻的波导通道和光纤槽具有严格的公差。更为重要的是，当(例如)需要进行单模工作时，必须使具有8×8微米2截面积的通道与光纤槽的对准精度达到亚微米，而光纤槽中容纳的光纤包层的半径要大得多(例如为62.5微米)。另外，那些通道的垂直壁必须非常光滑，以减少光的散射损耗。
在选择制造母模的材料时，首先要求能在这些材料上制作(a)通道，其宽度和深度的范围大约从8微米至100微米，壁的光滑程度达到亚微米数量级，和(b)能容纳光纤的槽。根据形成通道和槽所选用的方法，可用聚合物薄膜、二氧化硅和氮化硅等各种材料来制造母模。由于已经证明光刻技术连同在光致抗蚀剂中的湿显影技术是形成通道的较佳方法，并且用各向异性蚀刻法在硅中光刻是形成槽的较佳方法，所以一种特别好的材料是涂有一层光致抗蚀剂的硅。
由于最终由母模制成的外罩将包括两个部件，即一衬底和一顶盖，所以母模必须包括与这些部件完全相同的部分。下面描述制作这些部件的较佳方法。A.衬底
形成槽和通道的可能的方法有金刚车削法、激光烧蚀法和光刻技术。在形成弯曲通道和带有突止端的槽时遇到的困难严格限制了第一项技术的使用。由于本发明包含了必定具有的弯曲通道的无源光耦合器的制造(因为来自一根光纤的光可能被分至多根输出光纤中)，并且由于光纤对准槽可能在波导通道开始的地方突然终止，因此把金刚车削法作为形成槽和通道的方法的应用性受到了很大限制。
尽管激光烧蚀法在形成波导通道图样方面提供了必要的灵活性，但它在微电子工业中并不经常使用，因此不如光刻法那样充分发展。最好用光刻技术来形成本发明必需的槽和通道。更具体地说，就是用通常的掩模和曝光显影技术在光致抗蚀剂中形成通道。可先用光刻法制备图样，然后在一碱性溶液，例如KOH溶液中，进行各向异性的蚀刻，从而在硅晶片中形成容纳光纤的槽。下面将更全面地讨论用于形成这些槽和通道的工艺。
1.槽
由于已经发现硅特别适于下述的蚀刻工艺，并因此成为一种较佳的材料，所以用它进行下述讨论。硅(100)晶片是一种制作母模衬底特别好的基底材料。但是，本领域的熟练技术人员将认识到，下述方法能适于各种基底材料。
为了可靠固定输入和输出光纤，并使它们与将由母模制成的外罩的通道波导准确对准，必须在硅晶片的端部形成能够容纳这些光纤的槽。用一简单的1×2分光器作为例子，晶片的一端将有一条槽，而另一端将有两条槽。用于形成这些槽的较佳方法是众所周知的，并能在许多文献中找到，包括Tsang等人所著的论文，见《应用光学》，第14卷，第1200页(1975)。
在一清洁的硅片上淀积一层诸如氮化硅或二氧化硅等掩模层。尽管发现100纳米时工作得特别好，该掩模层的厚度范围可从50至200纳米。然后用常规的光刻法对该掩模层刻蚀图样。例如，最好在施加了一种粘着增进剂(adhesion promoter)后，将一种光致抗蚀剂材料旋涂在衬底的表面上。加热至除去溶剂(即软烘)后，使光致抗蚀剂通过沿＜110＞晶向的掩模曝光，光源最好是诸如汞灯等紫外光光源，从而加上光纤槽图样。一旦图样形成，便根据本领域公知的工艺使光致抗蚀剂显影。
然后用本领域许多公知方式中的一种对已形成图样并已曝光的氮化硅掩模层进行蚀刻，尽管已经发现活性离子蚀刻法(例如，CF4和氧)是一种较佳的蚀刻方式。精心控制蚀刻的时间和速率，将已形成图样的掩模层蚀刻掉所要的量，以便露出衬底材料(例如，硅片)。该步骤完成后，用可以溶解光致抗蚀剂的有机溶剂清洗掉余下的光致抗蚀剂。光致抗蚀剂的剩余部分可在一种酸性物质中清洗掉。
蚀刻完掩模层后用一种强碱性溶液各向异性地蚀刻硅晶片。较佳的蚀刻溶液是含30％(按重量)水的的氢氧化钾溶液。该步骤可以在一升高的温度下进行，以减少蚀刻形成槽所需的时间。已经发现80℃温度可提供足够短的蚀刻时间。
可以通过调节蚀刻溶液的浓度、进行蚀刻的温度、允许蚀刻溶液接触衬底的时间、或这些因素的组合来控制蚀刻的深度。控制槽的深度对于确保光纤最理想地对准波导通道是很重要的。用一单模光纤作为例子，槽的宽度(在衬底的顶面处)范围处于140至160微米之间是理想的，可以确保被插入光纤的纤芯高度(大约距离光纤表面62.5微米)与相应的通道波导芯子的高度相同。(该槽的宽度略大于对于计及下述讨论的聚合物外罩形成过程中固有的尺寸变化为最佳的宽度。)根据将要使用的光纤的类型，槽的深度范围大约可从50微米至500微米，最好从60至200微米。槽应该具有这样的长度，即能可靠地固定和支撑插在所得到的外罩各槽中的光纤。尽管槽长最好约为3毫米，但槽长小至1毫米对上述目的也有效。
在某些应用中，可能希望提供一种锥形的槽(即，有助于插入光纤)。例如，如果槽(水平地)从外边缘向波导通道变窄，并(垂直地)沿相同方向变尖，则可方便光纤的插入过程。
蚀刻完所希望的槽后，除去氮化硅掩模层的剩余部分。这可以通过与上述掩模层蚀刻类型相同的方式来实现。
该工艺完成后，便获得一块蚀刻着理想的槽图样的硅晶片。
2.通道
最好在施加了一种粘着增进剂后，在已刻图样的硅晶片的中央部位，即两组槽之间，淀积另一层光致抗蚀剂层。该层的厚度可在200微米以内，最好在100微米以内。然后，如在槽形成过程中所描述的，对光致抗蚀剂层形成图样，照射和显影。
因为通道的尺寸应尽可能地接近光纤纤芯的大小，所以控制通道尺寸是及其重要的。通过精心设计掩模图样、监测光致抗蚀剂的曝光时间(如上所述)、调节允许显影剂蚀刻光致抗蚀剂的时间，或调节这些变量的组合，可精心控制通道的宽度和深度。宽度和深度的范围为1至200微米，最好为5至100微米，大约5至8微米则更好，并且这些范围将依赖于将与这些通道对准的光纤的类型。例如，当要耦合工作于1.31和1.55微米波长的单模光纤时，通道的宽度和深度将大约为8微米，即单模纤芯的直径。
在某些应用中，槽的形成过程可能在通道和槽的底部之间留下一部分倾斜的硅晶片。这可以通过切断槽/通道界面以在容纳光纤的槽和波导通道之间形成一沟道来校正。可用一边缘镶金刚石的锯子进行该切割。
(在施加光致抗蚀剂材料时所用的)旋涂过程会在表面不连续(即槽)处沉积光致抗蚀剂材料。这种沉积阻碍了均匀深度通道的形成。为了减少这些沉积，可以一系列对光致抗蚀剂的高转速旋涂和干燥，来获得适当厚度的光致抗蚀剂层。该方法与用光致抗蚀剂材料覆盖晶片并进行一次低转速旋涂过程的方法相比，能更好地控制光致抗蚀剂厚度的均匀性。淀积了光致抗蚀剂后，从槽/通道界面的边缘开始光刻掉槽/通道界面处1毫米的光致抗蚀剂材料，最好是几百微米。换句话说，就是这样设计通道的掩模，使通道和槽之间形成一条1毫米宽的垂直狭缝。当对光致抗蚀剂曝光和显影时，该垂直狭缝在通道的端部和槽的端部产生一小的间隙。因形成这些间隙而露出的衬底部分，最好在切掉硅晶片倾斜部分的同时，用边缘镶金刚石的锯子切割，深度至少与插入衬底槽的光纤的最低点相同，从而使该光纤通向相应波导通道边缘的通路畅通。
如果需要，可类似地将凹槽蚀刻或切割入波导通道所在的衬底部分。用这些凹槽收集和储存在填充由这些母模制成的外罩通道时剩余的单体。这些凹槽的长度大约与通道一样长(即至少为几个毫米)，但它们的宽度和深度将较大，以便确保俘获足够量的剩余单体。它们用一沟道接至通道端，沟道是垂直连接通道和凹槽的。该沟道最好在前一段落讨论的狭缝中切割而成。B.顶盖
该部件的制备方法与衬底完全相同。换句话说，如上所述，在硅衬底中形成槽和通道。如果顶盖中也形成通道，则应调节衬底冲通道的深度，以便使整个通道的深度与纤芯的直径一样。然而，可以免除形成通道的步骤，以获得平的顶盖。这样做，避免了形成外罩部件后顶盖通道不能对准衬底通道的可能性。
另一种方法是，仅在顶盖中形成通道。这免除了上述在衬底中形成通道的步骤。该方法将制成用来制备平的外罩衬底的母模，即所有由外罩传送的光将通过整个位子顶盖中的通道波导芯子。II.子模的制造
子模是用前文所述的母模通过电镀处理而制成的。由此生产出耐用的金属子模且具有所希望的槽和通道的图样。首先在硅/光致抗蚀剂母模上涂一层诸如镍、铜、锌、银或合金等金属膜，提供一层导电的种子层(seed layer)。该种子层的厚度最好约为20纳米。尽管镍特别好，但可用大约0.64毫米(25密耳)的诸如镍、铜、锌、银等金属来电镀已涂膜的母模。特别好的子模是在一镍种子层上电镀镍。然后将子模与母模分离开。这可以用任何诸如能橇开两部分的机械装置来实现。可用这样的方法来改善母模与镍子模的脱模，即用等离子增强的化学汽相沉积法首先在(母模的)硅/光致抗蚀剂表面淀积一层二氧化硅涂层。该脱模层的厚度最好约为100纳米。III.微复制外罩
本发明的外罩包括一衬底和一顶盖。因此，两种部件必须在其各自子模中制成。衬底和顶盖都可以用铸造或射压造型技术来制备。
尽管通常希望耦合器尽可能小，但当安装时，本发明的光耦合器的长度达几个厘米，厚度达几个毫米。耦合器的宽度依赖于将要插入的输入或输出光纤的数目。例如，简单的1×1或1×2耦合器可以做得非常窄(即大约两根光纤的宽度)，而具有20根或更多根输入或输出光纤的耦合器将明显变宽。
外罩的衬底和顶盖的折射率与光纤包层的非常接近，最好在1×10-4内。尽管几乎没有具有如此折射率的化合物，但可以将具有较高和较低折射率的单体(或单体的母体)混合物组合起来，形成一种单体混合物，该混合物通过聚合作用获得理想的折射率。对形成本发明外罩有用的聚合物包括环氧树脂、聚丙烯酸甲酯、聚乙烯基吖内酯、聚氨酯和聚脲。为了降低这些聚合物的折射率并降低在红外波长附近的吸收损耗，可用诸如氟和氘等原子有选择地构成这些聚合物。另外，可把诸如美国专利4,885,332号中描述的胶态二氧化硅加到形成上述聚合物的单体混合物中，以提供更小的折射率并减小热膨胀系数。
如美国专利4,968,116(第11栏)所描述的，一个适当的单体混合的例子是用(新泽西州Morristowm市Henkel公司生产的)名为PhotomerTM 4127的丙氧基化的新戊基乙二醇二丙烯酸酯，或(威斯康星州Milwaukee市Aldrich化学公司生产的)乙烯乙二醇二甲基丙烯酸酯，按诸如89∶11(重量)的比例与丙烯酸全氟环己基酯(PcHA)混合，并具有大约1％(重量)的诸如(Aldrich公司生产的)名为IrgacureTM 651的2，2-二甲基氧-2-苯基苯乙酮光引发剂。还可添加交联剂，例如，诸如(纽约州Ontario市Scientific PolymerProducts股份有限公司生产的)三羟甲基丙烷三丙烯酸酯(TMPTA)等多官能团丙烯酸酯，以降低溶解度，并提高该聚合物的玻璃转变温度。
无论选用以下哪项技术，所得到的外罩衬底部件将在其一端具有用于容纳输入光纤的槽，而在另一端具有容纳输出光纤的槽，并在两组槽之间具有所希望的通道图样。由于精确蚀刻了母模(如上所述)，所以插入槽中的光纤将与相应的通道入口和出口对准。A.铸造
铸造技术的大致步骤包括：将一种液态的单体或单体的混合物浇注在一子模上，然后使它/它们固化。应该用足量的单体或单体的混合物至少填满各槽并覆盖子模的表面，包括槽和波导通道。
如果需要，可在使用单体之前把诸如(加利福尼亚州Gardenia市RAM Products公司生产的)名为Mold Release 225TM的脱模剂加到子模上，便于外罩与子模脱离。
在把单体(或单体的混合物)浇注到子模上后，可将诸如一片聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯，或诸如铝或不锈钢等金属的硬背衬压在单体上。希望衬底呈现出一定的结构完整性。
然后用本领域中所知的任何一种光或热的方式使单体(或单体加背衬的组合体)固化。然后将固化的外罩连同背衬(如果使用的话)与子模机械脱离。
如果使用了聚合物背衬，可对背衬作氧等离子体处理以改善其对聚合物外罩粘着力。所述处理包括把背衬放在具有氧气环境(大约26.7帕，即200毫乇)的活性离子蚀刻室中大约十分钟。如果使用金属背衬，可用粘着增进剂提高它对衬底的粘着力。B.射压造型
本领域中所知的标准造型技术也可用来制造本发明的外罩。这些技术要求将子模放在一射压造型设备中，该设备中喷射了具有适当光学特性的聚合物(诸如“铸造”部分中所述的那些)，然后将聚合物与子模分离。背衬可以在外罩与子模分离之前或之后胶固在被复制的外罩上。IV.组装耦合器
制备好具有所要的图样的外罩后，只要几个简单步骤就能制造出输入和输出光纤与相应的通道波导的芯子精确对准的无源光耦合器。
将一种或多种能聚合的单体的混合物浇注入位于衬底或顶盖部件或两者的通道中。可以使用与制造衬底和顶盖的材料类似的单体，包括经氟处理的和氘化的衍生物，以及含胶状二氧化硅的单体。在单体(或单体的混合物)固化以便制作波导的芯子后，那些波导芯子的折射率最好尽可能地接近将被插入的光纤纤芯的折射率。另外，对于单模光纤维波导，波导芯子聚合物的折射率(即固化的单体)最好不大于外罩折射率7×10-3，不小于外罩折射率2×10-3。(当使用多模光纤时，波导芯子聚合物和外罩的折射率差最好不大于0.5。)如果需要，可将诸如TMPTA等多官能团的丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯添加到混合物中，以与波导芯子聚合物交联。
然后将剥开或抛光后的光纤插入通道所在的部件的槽中。(如果两个部件中都制备了通道，则可把光纤插入如何一个部件的槽中。)然后将外罩的另一部件放在第一个上，以便它的槽与第一部件的槽在光纤的周围形成滑动配合。然后在需要时，用本领域所知的任何一种光或热的方式固化组件。尽管光纤略微与通道波导芯子分离对耦合效率的影响不大，但最好使光纤与通道波导的芯子直接抵紧。
另外一种做法，在插入光纤后用液态的单体填满顶盖和衬底。当两个部件吻合在一起形成外罩组件时，如刚才上面所述固化单体。
为使衬底和顶盖中的槽和通道更容易对准，可使两部件采用常规的紧固装置。例如，可以修改衬底母模，使之具有一个或多个小的凸部，同时修改顶盖母模，使之具有互补的小凹部，凹部与凸部吻合。另外一种做法，顶盖可具有凸部，而衬底具有互补的凹部。也可在一个部件上形成一环状的脊，它可与另一部件上互补的环状槽滑动配合。
安装完耦合器后，可将它放在一保护套中。该保护套可以是聚合物或金属做的。
以下例子将进一步说明本发明的目的和优点。这些例子中所引用的特殊材料及其用量，以及其他条件和细节不应被局限理解，以致不恰当地限制本发明。举例例1：制作母模中的槽
在800℃的温度下，用60标准立方厘米每分钟(sccm)的氨气(NH3)和20sccm二氯甲硅烷的混合物，在一干净的、三英寸大小的硅片上，生长一层(大约100纳米)氮化硅，时间大约为三十分钟。
将过量的Shipley C-50TM粘着增进剂(马里兰州Newton市Shipley股份有限公司生产)旋涂在该氮化硅层上。之后，将过量的Shipley 1818TM光致抗蚀剂以4000rpm的转速旋涂在氮化硅层上。
然后，在90℃温度下，烘烤已涂覆的晶片大约三十分钟。从热源上取离晶片后，使具有1根输入光纤/1根输出光纤图样的掩模与＜110＞晶向对准。使掩模后的晶片在5.5毫瓦/厘米2的汞灯(λ＝400纳米)下曝光大约20秒，以使光致抗蚀剂形成图样。除去掩模，并把光致抗蚀剂浸在Shipley 319TM显影剂中。然后用水清洗晶片，并在120℃温度下完全干燥(大约五分钟)。
通过活性离子蚀刻除去光纤槽区域中的氮化硅(用20sccm的四氟化碳(CF4)和0.5sccm的氧，时间大约为五分钟)。通过在丙酮/异丙醇溶液中，然后在硫酸(H2SO4)/双氧水(H2O2)溶液中洗涤母模，除去剩余的光致抗蚀剂。
然后在80℃温度下，以1.4微米/分钟的速率，用含30％(按重量)氢氧化钾(KOH)的水溶液，蚀刻硅片已曝光的区域。由于晶片已沿＜110＞晶向形成了图样，所以形成V-形槽。这些槽125微米深，3毫米长。
通过在20sccm的CF4和0.5sccm的氧中进行活性离子蚀刻大约五分钟，除去余留在诸槽之间的氮化硅。例2：制作母模中的通道
如在例1中那样，用Shipley C-50TM粘着增进剂涂覆由例1制得的刻有V形槽的硅片。之后，以3800rpm的转速，用大约60秒，把过量的Shipley STR1075TM光致抗蚀剂旋涂在晶片上。然后，使晶片在100℃温度下烘干大约两分钟。所得到的光致抗蚀剂层的厚度为7.5微米。
然后把具有1×1图样的掩模放在涂覆好的衬底上。然后把光致抗蚀剂未遮蔽的区域在5.5毫瓦/厘米2的汞灯(λ＝400纳米)下曝光大约80秒。然后除去掩模，并且用Shipley 319TM显影剂冲洗光致抗蚀剂大约60秒。然后用水清洗涂覆好的晶片并干燥。
在槽-通道的界面处，用边缘镶金刚石边的锯子切割出一条穿过槽之端部的75微米宽的沟道，从而除去V形光纤对准槽的倾斜端。例3：制作子模
在由例2制成的已刻有槽和通道的硅/光致抗蚀剂的母模上淀积一层100纳米厚的二氧化硅，起脱模层的作用。这通过在室温下用40sccm一氧化二氮(N2O)和8ccm硅甲烷(SiH4)进行等离子增强的化学汽相沉积来做到。通过电子束蒸发，在该脱模涂层上淀积一层大约20纳米厚的镍种子层。
然后把涂镍的母模固定在一不锈钢板上，并且将该装置浸没在50℃温度的含有镍反电极的氨基磺酸镍溶液中。施加0.022安培/厘米2(20安培/英尺2)的电流密度，以便每小时涂一层25.4微米(1密耳)的镍。
涂至0.51毫米(20密耳)后，拆下装置，并用水清洗。然后精心地使镍子模与硅/光致抗蚀剂母模脱离。例4：给外罩加背衬
为了提高0.56毫米(22密耳)厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)与聚合物外罩材料之间的粘着力，用等离子氧(在室温和26.7帕的压力下)对二片PMMA进行处理。把这些PMMA片切成3.5厘米×6厘米的大小。例5：对外罩进行铸造和固化微复制
用(RAM Products公司生产的)Mold Release 225TM处理由例3制成的镍子模，以便于聚合物脱离子模。
之后，把(Henkel公司生产的)PhotomerTM 4127型丙氧新戊乙二醇二丙烯酸酯与全氟环己丙烯酸酯单体89∶11(按重量)的混合物浇注到镍子模上，混合物中添加0.5％(按重量)(纽约州Ardsley市Ciba Geigy公司生产的)DarocureTM 1173型的光引发剂。把例4制成的背衬材料压在单体混合物上，把经过氧处理的表面对着单体。
将子模/背衬组件放在汞灯(100厘米2区域，200瓦的电功率)下曝光10分钟。曝光结束后，使外罩/背衬部分与镍子模分离。用边上镶金刚石的锯子将外罩/背衬部分切成1厘米×4厘米的矩形。例6：组装耦合器
把每端都有一光纤对准槽并且两槽之间有一直通道的聚合物衬底放在一块钻有许多孔的金属块上。通过对该块底部的真空抽吸作用，将衬底牢牢固定在块上。
用剥开的办法准备插入用的(纽约州Corning市Corning股份有限公司生产的)SMF-28TM型光纤，它们在λ＝1.3微米传输单模。该处理提供了一个大致平整的端面。将这些被剥开的光纤中的一根放进一个光纤对准槽中，并用一距离衬底边缘几毫米处的带有弹簧的夹子固定到位。
制备类似于例5中所述的〔具有7％(重量)的PcHA〕单体和光引发剂的混合物。把一滴混合物滴在衬底和插入的光纤上。该液滴足以覆盖衬底并充满通道和槽。
将光纤对准槽与衬底中的光纤对准槽对齐的聚合物顶盖放在涂有单体的衬底上(槽朝下)。把一玻璃片放在顶盖的顶上并向下压，以便挤出多余的单体并使顶盖卡紧光纤的周围。
然后用一压敏胶带(PSA带)把玻璃片固定在金属块上。使固定好的耦合器对汞灯(与例5中的条件相同)曝光，直至单体混合物固化。将PSA带和玻璃片从耦合器上拆除，并从金属块上取下耦合器。例7：光耦合效率
在一固定有金属块的已复制了直通道的聚合物衬底(见例6)中，插入如例6所述准备的两根光纤。该衬底的通道宽度为9微米，并且V形槽上部的宽度为157.5微米。将一滴(纽约州Cedar Grove市R.P. Cargill实验室股份有限公司生产的)TTD＝1.56的折射率匹配油加至衬底上，充当波导介质。
用一滴水将具有相应光纤对准槽的顶盖暂时固定在一透明的玻璃块上，对准槽朝上。然后将顶盖/玻璃块的组合体插入一金属板的凹孔中，并把玻璃块和金属板夹住。将顶盖/玻璃块/金属板翻转，放在衬底上，并夹紧，从而使顶盖中的槽大致与衬底中的槽对准。
然后横向放置固定了衬底的金属块，以便尽可能地对准光纤槽。最佳对准(通过显微镜观察)后，使金属块/衬底部分向上平移，直至衬底压紧顶盖。
将波长为1.31微米的光射入某根光纤的端。在该光纤端(插入衬底之前)进行测量，表示波导通道入口处的功率为1.68毫瓦。在相对的光纤端测量输出功率。求出该数值与输入功率的比值，得到总的插入损耗为9.7分贝。
尽管本例中的耦合条件没有优化，但仍获得一些输出功率。这表示本发明的耦合器能够被动地使输入和输出光纤对准。
不脱离本发明的范围和精神的各种修改和变化对于本领域的熟练技术人员将是明显的。本发明不受这里叙述的说明性实施例的不适当的限制。

Claims (12)

1.一种集成的n×m光耦合器，它包括一聚合物外罩，所述外罩通过连接一衬底和一顶盖而形成一整体结构，并且所述外罩内封有：
(1)n根输入光纤，
(2)n条波导输入通道，它们分离或汇合成m条波导输出通道，和
(3)m根输出光纤，
所述n和m根光纤都支持单模或多模，并且n和m是从1至1024的独立整数，所述波导通道中至少填充一种能聚合的单体，所述单体能够固化以提供波导芯子，所述耦合器可选择地固定在一背衬上，
其特征在于，
所述n条波导输入通道至少位于所述衬底和所述顶盖的一个部件中，所述m条波导输出通道也至少位于所述衬底和所述顶盖的一个部件中，
所述外罩中还设有槽，可选择使一部分所述槽至少沿水平和竖直方向中的一个方向，从所述光耦合器的外部向其内部变尖，所述槽与所述波导通道精确对准，以便使所述n条波导输入通道的每一条与相应的n根输入光纤的纤芯对准，并使所述m条波导输出通道的每一条与相应的m根输出光纤的纤芯对准，可选择使所述n和m根光纤与所述波导芯子直接接触。
2.如权利要求1所述的光耦合器，其特征在于，n为1，而m为2。
3.如权利要求1所述的光耦合器，其特征在于，所述聚合物外罩的聚合物可以选择：环氧树脂，聚丙烯酸甲酯，聚乙烯基吖内酯，聚氨酯和聚脲，所述聚合物可选择至少包括氟原子、氘原子和胶状二氧化碳中的一种。
4.如权利要求1所述的光耦合器，其特征在于，所述至少一种单体可以选择：环氧树脂，丙烯酸甲酯，乙烯基吖内酯，尿素和聚氨酯单体，或其母体，所述单体可选择地包括氟或氘原子，但须所述的至少一种单体固化后的折射率要比所述聚合物外罩的聚合物的折射率大0.002至0.5。
5.如权利要求1所述的光耦合器，其特征在于，已聚合了所述的至少一种单体，以便形成波导芯子，可选择所述波导芯子的折射率大致与所述n和m根光纤纤芯的折射率相同，并且可选择所述外罩的折射率大致与所述n和m根光纤包层的折射率相同。
6.一种用于封入光纤和通道波导芯子并将其预先对准的聚合物外罩，它包括：
(a)一衬底，衬底包括：
(1)第一部分，其一个水平表面包含n个槽，用于容纳n根输入光纤，
(2)第二部分，其一个水平表面包含n条波导输入通道，这些通道分离成或汇合成m条波导输出通道，和
(3)第三部分，其一个水平表面包含m个槽，用于容纳m根输出光纤；
(b)一顶盖，顶盖包括：
(1)第一部分，其一个水平表面包含n个槽，用于固定n根输入光纤，
(2)第二部分，其一个水平表面基本上是平的，所述第二部分可选择地包括n条波导输入通道，它们分离成和或汇合成m条波导输出通道，和
(3)第三部分，其一个水平表面包含m个槽，用于固定m根输出光纤；
其特征在于，
n和m是从1至1024的独立整数，
如此构造所述n和m个槽，使容纳于其中的光纤纤芯恰好对准所述相应波导通道的端部，可选择地使一部分所述槽至少沿水平和竖直方向的一个方向，从所述光耦合器的外部向其内部变尖，
用这样的方式来制造所述衬底和顶盖，从而将两个部件粘合连接在一起，形成一基本上成整体的外罩，所述衬底和所述顶盖可选择包括用于固定所述衬底和所述顶盖的附加装置，这样设计所述固定装置，即当连接时，使所述顶盖与所述衬底对准，
可选择所述外罩至少包括以下的一种：
(1)至少一种单体，填满所述波导通道，并至少部分填满所述槽，和
(2)用于收集所述至少一种单体多余量的装置。
7.如权利要求6所述的聚合物外罩，其特征在于，所述单体可以选择：环氧树脂，甲基丙烯酸酯，乙烯基吖内酯，尿素和聚氨酯单体，或其母体，所述单体可选择至少包括氟原子或氘原子和胶状二氧化硅中的一种。
8.如权利要求6所述的聚合物外罩，其特征在于，至少存在下列一件事实：
(1)n为1，且m为2；
(2)所述槽的深度范围从50至500微米；以及
(3)所述波导通道的宽度和深度范围从1至200微米。
9.一种用于制备权利要求6所述聚合物外罩的集成光耦合器的子模，其特征在于，所述子模可选择包括镍。
10.一种母模，权利要求9所述的子模在其上电镀，所述母模可选择至少包含硅、硅上覆有二氧化硅和硅上覆有聚合物薄膜中的一种。
11.一种用于制造权利要求9所述的子模的方法，其特征在于，包括下列步骤：
a)用光刻法蚀刻一硅片，以形成光纤对准槽；
b)用一种光致抗蚀剂材料涂覆所述晶片；
c)在所述光致抗蚀剂中形成与所述光纤对准槽对准的波导通道图样；
d)用一层金属电镀所述已有图样的晶片，为所述硅片提供一种金属补充物；和
e)使所述金属补充物与所述晶片分离。
12.一种用于组装集成光耦合器的方法，其特征在于，包括下列步骤：
a)进行以下步骤中的一个：
(1)将n根输入光纤和m根输出光纤插入权利要求6所述的聚合物外罩之衬底内相应的n和m个槽中；或
(2)把能聚合的单体涂于所述衬底的上表面，使之包围所述光纤并填满其波导通道，聚合后形成波导芯子；
b)进行步骤a)中没有进行的a)(1)和a)(2)中的无论哪一个；
c)把所述聚合物外罩的顶盖放在所述衬底上，并在平板间压紧整个组件，以形成完整的外罩；和
d)固化所述外罩。
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