CN1673790A - 光波导互连板及其制造方法、制造用母体及光电多功能板 - Google Patents

光波导互连板及其制造方法、制造用母体及光电多功能板 Download PDF

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Abstract

光波导互连板及其制造方法、制造用母体及光电多功能板。本发明提供了一种光波导互连板，其包括：光学输入和输出口；与光学回路图案相对应的至少一个光波导；以及至少一个光方向改变元件，每个光方向改变元件被置于光学输入口和光学输出口中的一个与所述至少一个光波导中的一个之间，或者，当光波导互连板具有两个或更多个光波导时，每个光方向改变元件被置于两个光波导之间，所述至少一个光方向改变元件包括以下元件中的至少一个：至少一个光方向改变元件A，其在与光波导互连板的平面相平行的平面内改变光的方向；和至少一个光方向改变元件B，其将光的方向改变到相对于与光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向。

Description

光波导互连板及其制造方法、制造用母体及光电多功能板
技术领域
本发明涉及特别适于在光电多功能板中使用的光波导互连板及其制造方法、制造光波导互连板中所用的母体(precursor)、包括该光波导互连板的光电多功能板，以及光电多功能板的制造方法。
背景技术
在IC或LSI技术中，近来注意力已被吸引到在器件之间、在设备内部的板之间或者在芯片中使用光学互连代替高密度布线以提高操作速度或集成度。高速度、大容量的光通信系统中的光学互连使用电子器件来处理所传输的光信号，因此需要光电多功能器件。
例如，日本专利申请特开(JP-A)2003-114365公开了一种用于形成光学互连的光路改变器件，其包括：具有多个光电转换元件的阵列型光电转换单元；具有长度不同的多个光波导的阵列型光波导单元，每个光波导具有相对于光波导面成45°角并用作反射镜的至少一个切割端；以及光波导，用于将所述多个光电转换元件中的一个与所述多个光波导中的一个进行光耦合。
近年来，具有无线电通信功能的移动装置已得到显著发展，并且已经尝试用光学连接来代替它们的电连接中的一部分。光学连接提供了高速度且没有电磁感应，并将解决以下问题：来自电气板的电磁干扰(EMI)、对于来自外部的无线电波侵扰的低耐抗性，或者由不完全连接所导致的信号不规则性(SI)。
例如，JP-A No.2003-131081公开了一种光电多功能板的光学连接，该光学多功能板包括：光波导板和电路板的叠层，和诸如发光器件或受光器件的光学器件。在光学连接中使用包括光学引脚(pin)和光学器件的电芯片，并且将该光学引脚插入光波导板的导孔(guide hole)中。JP-A No.2003-57468公开了一种光电多功能板，该光电多功能板包括电路板、光波导薄片，以及配备有光路改变装置并嵌入在光波导薄片的纤芯部分中的光学器件(发光或受光器件)。将其中嵌入有光学器件的光波导薄片层叠在电路板上。
然而，JP-A No.2003-114365、No.2003-131081和No.2003-57468中公开的阵列型光波导单元、光波导板和光波导薄片都不具有用于改变其中的光传播方向的预安装装置。具体地来说，没有公开涉及用于在与光波导或者光波导薄片的表面平行的平面内改变光的方向的元件。
JP-A No.2003-57468中公开的光电多功能板使用了光波导薄片而非光波导线。在这种情况下，虽然不需要对光波导薄片进行特殊处理，但是配备有光路改变装置的光学器件尺寸很大，由此不能期望这种器件具有非常高的集成度。此外，不同类型的光路改变需要具有不同类型的具有光路改变装置的器件。光波导薄片不能将光聚焦于信号传输的目标上，由此所述光中只有一部分可以形成待传输的信号。因此，能效很低，所以必需增加发光器件的发光量，这将缩短该器件的寿命。
因此，需要以下器件和方法：光波导互连板，其在构图的光学回路中具有一光方向改变元件，并且可以形成高度集成的光学连接；该光波导互连板的制造方法；光电多功能板；该光电多功能板的制造方法；以及，制造光波导互连板中所用的母体。
发明内容
可以通过提供如下所述的光波导互连板及其制造方法、光电多功能板及其制造方法、以及制造该光波导互连板的过程中所用的母体来满足上面的需要。
本发明的第一方面提供了一种光波导互连板，其包括：光学输入口；光学输出口；与光学回路图案相对应的至少一个光波导；以及至少一个光方向改变元件，每个所述光方向改变元件被置于所述光学输入口或所述光学输出口与所述至少一个光波导中的一个之间，或者，当所述光波导互连板具有两个或更多个光波导时，每个所述光方向改变元件被置于两个所述光波导之间，并且所述至少一个光方向改变元件包括至少一个光方向改变元件A和/或至少一个光方向改变元件B，所述至少一个光方向改变元件A在与所述光波导互连板的平面相平行的平面内改变光的方向，所述至少一个光方向改变元件B将光的方向改变到相对于与所述光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向。
本发明的第二方面提供了一种用于制造光波导互连板的方法，包括：在一基板上形成至少一个光方向改变元件A和/或至少一个光方向改变元件B，所述至少一个光方向改变元件A用于在与所述光波导互连板的平面相平行的平面内改变光的方向，所述至少一个光方向改变元件B用于将光的方向改变到相对于与所述光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向；以及，在具有所述至少一个光方向改变元件A和/或所述至少一个光方向改变元件B的所述基板上，形成对应于光学回路图案的至少一个光波导。
本发明的第三方面提供了一种用于制造光波导互连板的方法，包括：设置一铸模，该铸模具有一铸模基板和位于所述铸模基板上的至少一个第一凹部和/或至少一个第二凹部，所述至少一个第一凹部对应于光方向改变元件A，其用于在与所述光波导互连板的平面相平行的平面内改变光的方向，所述至少一个第二凹部对应于光方向改变元件B，其用于将光的方向改变到相对于与所述光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向；利用树脂填充所述铸模的所述至少一个第一凹部和/或所述至少一个第二凹部，并将所述至少一个第一凹部和/或所述至少一个第二凹部的形状或多个形状转移给所述树脂，以形成具有至少一个光方向改变元件A和/或至少一个光方向改变元件B的树脂基板；以及，在所述树脂基板上形成对应于光学回路图案的至少一个光波导。
本发明的第四方面提供了一种在制造光波导互连板的过程中所用的母体，该母体包括至少一个光方向改变元件和一用于光波导的下包层，其中，所述至少一个光方向改变元件包括至少一个光方向改变元件A和/或至少一个光方向改变元件B，所述至少一个光方向改变元件A在与所述光波导互连板的平面相平行的平面内改变光的方向，所述至少一个光方向改变元件B将光的方向改变到相对于与所述光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向。
本发明的第五方面提供了一种光电多功能板，其包括所述光波导互连板和一电路板的叠层。
本发明的第六方面提供了一种光电多功能板，其包括：所述光波导互连板和一电路板的叠层；和安装在所述电路板上的光学器件或者光学器件和电器件的组合。
本发明的第七方面提供了一种用于制造第六方面的光电多功能板的方法，其包括：层叠所述光波导互连板和一电路板；安装光学器件或者光学器件和电器件的组合；以及，同时焊接所述光学器件或者所述光学器件与所述电器件的所述组合。
本发明的光波导互连板具有设置在(多个)光波导中的光方向改变元件A和/或B，由此能够在与板平面平行的平面中改变光的方向，并且能够将光的方向改变到相对于与所述板平面平行的平面具有一角度的方向，或者能够以这两种模式改变光的方向。因此，本发明的光波导互连板可以在任何位置接收光或输出光，并且能够以高密度形成光学连接，因此适于在光电多功能板中使用。本发明的光波导互连板不但能够改变光的方向，而且能够分光。
根据本发明的制造光波导互连板的方法包括，在基板上同时形成光方向改变元件A和/或B并且在其上形成至少一个光波导，由此具有优良的生产率。根据本发明的制造光波导互连板的方法使得可以容易地生产高密度或复杂的光学回路图案。
附图说明
下面根据下列附图详细说明本发明的优选实施例，其中：
图1示出了设置有用于使光的方向改变90°的光方向改变元件A的光波导的实施例；
图2示出了设置有用于使光的方向改变大于90°的一角度的光方向改变元件A的光波导的实施例；
图3A到3D各示出了设置有用于分光的光方向改变元件A的光波导的实施例；
图4示出了设置有具有凹面反光部的光方向改变元件A的光波导的
实施例；
图5A和5B各示出了设置有光方向改变元件B的光波导的实施例；
图6A到6C各示出了设置有用于分光的光方向改变元件B的光波导的实施例；
图7A示出了用于使直线传播的多条光束彼此相交的光波导；而图7B示出了用于使其中一条光束被垂直旋转的多条光束彼此相交的光波导；
图8A和8B各示出了在其两侧上具有光学连接口的光波导互连板的
实施例；
图9A到9F示出了通过各向异性刻蚀在Si基板中形成对应于光方向改变元件B的第一凹部的过程，该过程是铸模制造方法的一部分；
图10A到10C示出了在具有第一凹部的Si基板中形成对应于光方向改变元件A的第二凹部的过程，该过程是铸模制造方法的剩余部分；
图11A到11C示出了利用铸模来制备具有光方向改变元件A和B的树脂基板的过程；
图12A到12C示出了在树脂基板上形成下包层、纤芯和上包层的过程；以及
图13A到13D示出了制备包括光波导互连板的光电多功能板的过程。
具体实施方式
光波导互连板
本发明的光波导互连板具有：光学输入口；光学输出口；与光学回路图案相对应的至少一个光波导；以及至少一个光方向改变元件，将每个光方向改变元件设置在光学输入口或光学输出口与所述至少一个光波导中的一个之间，或者，当光波导互连板具有两个或者更多个光波导时，将每个光方向改变元件设置在两个光波导之间，并且该光方向改变元件包括至少一个光方向改变元件A和/或至少一个光方向改变元件B，所述至少一个光方向改变元件A在与光波导互连板的平面相平行的平面中改变光的方向，即，将光从平行于所述平面的一个方向旋转到同样平行于所述平面的另一方向，所述至少一个光方向改变元件B将的光方向改变到相对于与光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向，即，将光从平行于所述平面的方向旋转到与所述平面不平行的另一方向，或者反之。
这里，光学输入和光学输出口中的每一个都可以是光波导板的端部，在该端部处露出了光波导纤芯的端面，或者可以是开口的端部，该开口不是光波导的纤芯的一部分。因此，光方向改变元件A和B可以具有用作光学输入口或光学输出口的端部。如上所述，“光方向改变元件B”包括“将光的方向从相对于光波导互连板的平面具有一角度的方向(与所述平面不平行的方向)，改变到与该板的平面相平行的方向的光方向改变元件”。
当设置一个光方向改变元件时，在光方向改变元件与光学输入口或光学输出口之间设置了一波导(纤芯部分)。当设置两个或更多个光方向改变元件时，根据光学回路图案，在光方向改变元件之间、在光方向改变元件与光学输入口之间，以及在光方向改变元件与光学输出口之间，设置了多个波导。
在本发明的光波导互连板中，可以实现各种类型的光学回路图案，并且可以通过组合光方向改变元件A和B来增加光学连接的集成度。
例如，可以通过形成简单的光波导图案(如具有多个平行光波导以及与所述多个平行光波导垂直相交的一个或多个光波导的图案)，并在预定位置处设置光方向改变元件A和B，来简单地制造出具有高集成度光学连接的光波导互连板。
在本发明的光波导互连板中，光波导具有下包层部分、纤芯部分以及上包层部分，并且纤芯部分由下包层部分和上包层部分所包围。根据所希望的光学回路图案来设置(各)光波导。(多个)光波导和(多个)光方向改变元件形成一光学回路。
光方向改变元件A使光转向到与光波导互连板的平面相平行的平面内的一个或更多个方向(与所述平面平行并且彼此相交的一个或更多个方向)。
光方向改变元件A优选地具有一反光面，该反光面对光进行反射以改变光的方向。具有所述反光面的光方向改变元件A可以具有任何形状，只要其具有与光波导互连板的平面垂直的至少一个反光面以在该板的平面内改变光的方向即可。可以鉴于制造方法的容易度来选择某一形状。该形状的示例包括但不限于三角柱体、长方体直角平行六面体(rectangular parallelepiped)和立方体。为了使入射光的方向改变90°，可以将反光面相对于入射光的方向倾斜45°。为了使入射光旋转一锐角(小于90°)，可以将反光面相对于入射光的方向倾斜一大于45°且小于90°的角度。
反光面可以是平面或者诸如凹面的曲面。
例如，图1所示的光方向改变元件A为三角柱体。可以通过沿包括长方体直角平行六面体主体的一相交部分的上、下表面的对角线所在的平面切割该长方体直角平行六面体主体，来形成所述光方向改变元件A，其中所述长方体直角平行六面体主体具有大小相同的正方形侧面和位于其一个端部处的所述相交部分。图1中，标号10和12分别表示光方向改变元件A和光波导的纤芯，箭头表示光的传播方向。图2到图8中的箭头也表示光的传播方向。
图2所示的光方向改变元件A具有一反光面(平面)，其相对于入射光的方向倾斜一大于45°的角度(10A)，由此可以更锐地改变光的传播方向。
光方向改变元件A可以具有一将入射光束分为至少两束并使它们转向不同方向的结构。图3A到3D示出了其中利用具有至少一个反光平面的光方向改变元件A来分光的一些实施例。图3A示出了来自一个方向的光束被分成两条光束，该两条光束的传播方向从所述一个方向改变了90°。图3B示出了来自一个方向的光束被分成两条光束，该两条光束中的一条不改变其传播方向而直接前进，而另一条光束沿垂直于所述一个方向的方向前进。图3C示出了来自一个方向的光束被分成三条光束，该三条光束中的一条不改变其传播方向而直接前进，另外两条沿垂直于所述一个方向的方向前进。图3D所示的光方向改变元件A具有：第一反光面，其相对于入射光的方向倾斜一大于45°的角度；和第二反光面，其与第一反光面相邻，并相对于入射光的方向倾斜一小于45°的角度，并且图3D还示出了入射光束被分成两个光束，该两个光束中的一个被旋转一大于90°的角度，而另一个被旋转一小于90°的角度。
图4示出了另一实施例，其中使用了具有凹反光面的光方向改变元件A。在本实施例中，光方向改变元件A不仅改变光的方向，还会聚光。在图4中，标号10表示光方向改变元件A，其可以通过执行一切割工艺来形成，该切割工艺与图1的光方向改变元件A的制备工艺基本相同，除了形成的是凹切割面而非平面之外。
光方向改变元件B将入射光的方向改变到相对于与光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向。
如在元件A中一样，光方向改变元件B优选地具有一用作光方向改变面的反光面。该反光面可以是平面或者诸如凹面的曲面。该反光面相对于光波导互连板的平面具有一角度，并且可以被放置得垂直于用于传输传播方向改变前、后的光的多个波导。
具有所述反光面并将光的方向改变到相对于与光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向的光方向改变元件B可以具有任何形状，只要其具有相对于所述板的平面形成有一角度的至少一个反光面即可。可以鉴于制造方法的容易度来选择某一形状。所述形状的示例包括但不限于具有三角形或梯形横截面的形状，如图11C中由标号20所表示的形状。
为了使入射光的方向改变90°，可以使反光面相对于入射光的方向倾斜45°。为了使入射光一旋转小于90°的角度(锐角)，可以使反光面相对于入射光倾斜一大于45°并小于90°的角度。
图5A和5B各示出了光方向改变元件B的实施例。在图5A中，标号20和12分别表示光方向改变元件B和光波导的纤芯。可以在与箭头所示路径相反的路径上输入并旋转光。图5B示出了反光面相对于所述板的平面1倾斜一大于45°角度，并且示出了将光旋转一大于90°的角度并从作为开口的光学输出口18(光学连接口)输出。图6到8中的标号18也表示光学输出口。在图5B中，标号14表示包层。
光方向改变元件B可以具有一将入射光束分成至少两束并使它们转向不同方向的结构。图6A到6C示出了这种光方向改变元件的多个实施例。图6A示出了一具有光方向改变元件B的结构，该光方向改变元件B具有两个反光面，每个反光面相对于入射光的方向倾斜45°，由此将入射光束分成两条光束，该两条光束的方向已被从入射光束的方向改变了90°。图6B所示的结构的特征在于：所使用的光方向改变元件B具有一相对于入射光束倾斜了45°的反光面，光方向改变元件B(在垂直于光波导互连板的平面的方向上，其中所述平面包括光波导的纵向)的高度小于纤芯的高度，入射光束被分成两条光束，该两条光束中的一条直线前进，另一条的方向垂直于入射光束的方向。图6C示出了光方向改变元件B的高度等于或大于纤芯的高度，并且该光方向改变元件B具有相对于所述板的平面以不同角度倾斜的两个反光面，其中所述平面包括波导的纵向，由此将入射光束分成沿不同方向前进的两条光束。在图8B中，标号19表示光学输入口。
光方向改变元件A或B的反光面优选地具有一反光膜，该反光膜可以是诸如金或铝的金属膜，或者具有所谓的金属光泽的膜，如TiN膜。
本发明的光波导互连板可以具有其中多个光波导在平行于所述板的一平面内彼此相交(多个光波导彼此相交并与所述板的平面相平行)的结构，或者具有其中平行于所述板的平面的至少一个光波导与垂直于所述板(的平面)的至少一个光波导相交的结构。
图7A的示意图示出了具有如下结构的光波导互连板，其中多个光波导在平行于所述板的平面内彼此相交(多个光波导彼此相交且平行于板(的平面))。图7B的示意图示出了具有如下结构的光波导互连板，其中平行于所述板的平面1的多个光波导与垂直于所述板的平面1的一光波导相交。在图7B中，标号20表示光方向改变元件B。
本发明的光波导互连板也可以在其各表面侧上具有一开口，该开口用作光学连接口(光学输入口或光学输出口)。图8A示出了其中在光波导互连板的两个表面侧上都设置有光学输出口18的实施例。图8B示出了其中从设置在一个表面侧上的光学输入口14输入光信号并从设置在另一表面侧上的光学输出口18输出光信号的实施例。
可以使用任何已知的纤芯材料和包层材料来形成本发明的光波导。
可以将本发明的光波导互连板层叠在电路板上以形成光电多功能板。在这种情况下，优选的是，纤芯和包层材料应为耐热材料，以经得住在制造光电多功能板的过程中的焊接温度。纤芯和包层材料的温度上限为大约280℃或者更高，优选地为大约300℃或者更高。这种耐热材料的示例包括但不限于聚酰亚胺、环氧丙烯酸材料和聚硅烷。
优选的是，光方向改变元件A和B的材料在光学属性方面具有良好的反光性。这对于凹反光面的情况也是适用的。优选地，凹反光面由具有与包层部分相同或相近的光学属性的材料制成。
光方向改变元件A和B的材料还必需具有与包层和纤芯中的每一个的耐热性基本上相同的耐热性。
在下包层、纤芯和上包层被层叠在光方向改变元件A或B之上的情况下，从底侧算起的光方向改变元件A或B的高度及下包层和纤芯中的每一个的厚度优选地为，使光方向改变元件A或B的顶部到达纤芯与上包层之间的边界，或者上包层的内侧(参见图12C)。然而，在如图6B所示地形成光方向改变元件的情况下，光方向改变元件B的顶部被置于纤芯的内侧。
制造光波导互连板的方法
例如，利用下述制造方法中的一种来制备本发明的光波导互连板。制造光波导互连板的第一方法包括：设置一铸模，该铸模具有一铸模基板，并且在该铸模基板上，具有与光方向改变元件A相对应的至少一个第一凹部和/或与光方向改变元件B相对应的至少一个第二凹部，其中光方向改变元件A用于在与光波导互连板的平面相平行的平面内改变光的方向，光方向改变元件B用于将光的方向改变到相对于与光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向；利用树脂填充铸模的所述至少一个第一凹部和/或所述至少一个第二凹部，并将所述至少一个第一凹部和/或所述至少一个第二凹部的(各)形状转移给所述树脂，以形成一具有至少一个光方向改变元件A和/或至少一个光方向改变元件B的树脂基板；以及在所述树脂基板上形成与光学回路图案相对应的至少一个光波导。
第二方法包括：在基板上形成至少一个光方向改变元件A和/或至少一个光方向改变元件B，其中所述至少一个光方向改变元件A用于在与光波导互连板的平面相平行的平面内改变光的方向，所述至少一个光方向改变元件B用于将光的方向改变到相对于与光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向；以及在具有所述至少一个光方向改变元件A和/或所述至少一个光方向改变元件B的基板上形成对应于光学回路图案的至少一个光波导。
第一方法
下面将详细说明第一种方法。可以通过例如下面的方法来制造所述铸模，其中，在一铸模基板上，所述铸模具有与光方向改变元件A相对应的至少一个第一凹部和/或与光方向改变元件B相对应的至少一个第二凹部，其中光方向改变元件A用于在与光波导互连板的平面相平行的平面内改变光的方向，光方向改变元件B用于将光的方向改变到相对于与光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向，所述方法包括：在所述铸模基板上形成一刻蚀掩模，该刻蚀掩铸模具有与光方向改变元件A和/或B的底面的形状相对应的至少一个开口；和刻蚀所述铸模基板以形成(各)凹部。可以通过光掩模对正性光刻胶层进行曝光并且对经曝光的光刻胶层进行显影，由此来形成所述掩模。
另选地，优选地可以使用诸如切削方法的加工方法。所述铸模基板可以是硅(100)基板，或者，在所述加工方法中是一般的金属板或铝块。当在上面的方法中使用硅(100)基板作为铸模基板时，可以通过各向异性刻蚀容易地形成具有倾斜面的凹部。
对铸模的(各)凹部填充树脂，以将(各)凹部的形状转移给树脂。由此，制备了具有光方向改变元件A和/或B的树脂基板。具体地来说，该制备方法可以包括：将可固化树脂施加到铸模的凹部形成表面，固化树脂以形成固化层，以及使固化层脱离铸模；或者该制备方法可以包括：将热可软化树脂基板置于铸模的凹部形成表面上；和朝着铸模按压所述树脂基板，以在对树脂进行加热和软化的过程中转移(各)凹部的形状。
可固化树脂可以是热固性树脂、紫外线可固化树脂或者电子束可固化树脂。对于在光电多功能板中使用本发明的光波导互连板并且在装配过程中需要执行焊接步骤的情况，优选的是可固化树脂具有耐热性。可固化树脂的温度上限为大约280℃或者更高，优选地为300℃或者更高。例如，使用聚酰亚胺。例如，热可软化树脂基板可以是具有耐热性的聚酰亚胺基板。
可以将树脂层或树脂基板和支撑物接合在一起，以加固树脂层或树脂基板。可以同时执行固化树脂的步骤和将支撑物接合到树脂层或基板的步骤。例如，支撑物可以是树脂支撑物。
可以在具有光方向改变元件A和/或B的树脂基板的表面上形成用于改进光学反射镜性质的反光膜。反光膜可以是金膜、金合金膜、或者诸如TiN膜的氮化物膜，并且可以利用离子镀敷法或溅射法来形成。例如，当光方向改变元件A或B由铝或硅制成，并且由此反光部分具有良好的反光属性时，可以省去反光膜。
在具有光方向改变元件A和/或B的树脂基板上形成有对应于光学回路图案的至少一个光波导。应当理解，所述至少一个光波导可以形成在多个光方向改变元件之间和/或在光方向改变元件与光学输入或输出口之间。所述光波导具有光方向改变元件A和/或B、下包层、纤芯和上包层。可以通过涂敷含包层材料的液体来形成下包层。在形成下包层之后，可以利用氧等离子体来去除粘附在光方向改变元件A或B的要露出的表面上的很薄的包层材料。
然后在下包层上形成纤芯。根据光学回路图案来设置(各)纤芯。可以通过一其中在下包层上形成纤芯材料层并利用传统方法对其进行构图的工艺，来形成所述纤芯。例如，构图方法可以是：(1)光漂白法(photo-bleaching method)，(2)反应离子刻蚀法(RIE法)，或者(3)直接曝光法。
在光漂白方法中，使用了有机金属聚硅烷材料(Nippon Paint Co.，Ltd制造的“Glasia”)，并且只有纤芯部分保持未进行紫外线曝光，以获得(各)曝光部分的折射率与(各)未曝光部分的折射率之间的差别(紫外线曝光部分具有减小的折射率)。因此，本发明不需要去除(各)曝光部分。
反应离子刻蚀法(2)包括：将负性光刻胶涂敷在纤芯材料层上，通过光掩模对光刻胶进行曝光，对光刻胶进行显影以只保留纤芯部分上的光刻胶层，通过反应离子刻蚀去除非纤芯部分，以及从纤芯部分去除光刻胶。当在本方法中使用含硅的光刻胶作为掩模材料时，可以很容易地利用标准氧等离子体进行刻蚀。
在直接曝光方法(3)中，使用感光材料作为纤芯材料，通过光掩模直接对其进行曝光，并且接着进行显影以形成图案。
具体来说，使用有机聚硅烷材料的光漂白方法只需对纤芯材料层进行曝光，并且不需要进行如上所述的任何显影或刻蚀过程。由此，本发明提供了一种简单的制造过程。此外，有机聚硅烷材料具有耐热性，并且其温度上限为大约300℃，因此该有机聚硅烷材料对于生产光电多功能板特别有用。
接着，在纤芯上形成上包层。形成上包层的方法与形成下包层的方法类似。
可以通过抛光使上包层的表面平坦。代替抛光，还可以形成多层涂敷来形成平坦的包层。
下面将参照附图说明制备光波导互连板的方法的实施例，其包括：通过对用作铸模基板的硅(100)基板(Si基板)进行各向异性刻蚀，来制备具有第一凹部和第二凹部的铸模；利用该铸模来制备具有光方向改变元件A和B的树脂基板；以及在树脂基板上形成光波导。
制备具有第一凹部和第二凹部的铸模的过程
图9A到9F概念性地示出了在铸模基板上形成第一凹部的过程。图9A表示在Si基板102上形成了用于保护Si基板102不经受后述各向异性刻蚀的保护膜104。例如，保护膜104可以是Si3N4膜或SiO2膜。当使用Si3N4膜时，优选的但并非必要的是，在Si3N4膜上层叠一多晶硅膜以防止在Si3N4膜经受处理的过程中损坏该Si3N4膜。可以利用任何公知的淀积方法，如等离子CVD法或者减压CVD法，来形成保护膜。可以利用热氧化法或CVD法来形成SiO2膜。虽然为了易于说明图9A示出了设置在一侧的保护膜，但是也必需保护基板的背侧不受刻蚀液体的刻蚀，因此需要在两侧都设置保护膜。
接着，将正性光刻胶涂敷在保护膜上。通过具有与希望的光方向改变元件的底面形状(例如，当光方向改变元件的形状为图5A所示的三角柱体时，底面形状为矩形)相对应的透光部分的光掩模，对所得的光刻胶进行曝光，并对其进行显影以从光刻胶层106去除与所述底面形状相对应的部分。由此，形成一开口(参见图9B)。
当光方向改变元件的底面形状为矩形时，优选地光掩模开口在其四个角部处被圆整过，而不是严格的直角。在这种情况下，保护层104中的开口(该开口是在图9D所示的工艺中获得的)为具有四个圆角的近似矩形，从而可以防止在后述的各向异性刻蚀过程(参见图9F)中出现裂化。如果没有圆角，则保护膜在四个角部处的部分保持类似屋檐状(eaves)(即，屋檐下的部分将被不希望地刻蚀)，从而可能发生裂化。
随后，对图9B所示的半成品进行各向同性干法刻蚀。由此，部分地去除保护膜以使去除部分与开口(参见图9C)相对应。然后，去除光刻胶106(参见图9D)。利用热硫酸和过氧化氢的混合液来进行光刻胶的去除。
随后，使用各向异性刻蚀液通过各向异性刻蚀(参见图9E)形成第一凹部P1(对应于光方向改变元件B)，所述各向异性刻蚀液包含诸如乙二胺或KOH的碱。具体来说，使用了乙二胺和邻苯二酚的混合液或者KOH和异丙醇的混合液。然而，也可以使用任何其它液体，只要其可以对硅晶体进行各向异性刻蚀。
这种各向异性刻蚀可以产生这样的凹部，即，该凹部具有由于晶体各向异性而相对于基板表面倾斜45°的多个面。
接着，去除保护膜104(参见图9F)。例如，对于Si3N4保护膜，使用热磷酸，而对于SiO2保护膜则使用氢氟酸的水溶液。由此，可以获得具有第一凹部的Si基板。
如图10A所示，形成刻蚀掩模114以用于制备第二凹部(对应于光方向改变元件A)。可以通过光刻胶的曝光和显影来制备所述刻蚀掩模，或者利用如下方法来制备所述刻蚀掩模，在所述方法中，利用诸如热氧化法或CVD法的淀积方法来形成SiO2膜，并且在该方法中，通过光刻工艺在SiO2膜中形成具有与光方向改变元件的底面形状相对应的形状(对于如图1A所示的光方向改变元件，所述形状为直角三角形)的开口。当按如下所述进行干法刻蚀时，不需要形成圆角。
随后，通过诸如反应离子刻蚀法(RIE)的干法刻蚀法来刻蚀基板，以形成第二凹部P2(参见图10B)。然后去除刻蚀掩模114。由此获得铸模100(参见图10C)。当刻蚀掩模为SiO2膜时，使用氢氟酸的水溶液。而当刻蚀掩模为抗蚀剂膜时使用热硫酸和过氧化氢的混合液。所得Si基板(铸模)具有第一凹部和第二凹部。
第一凹部和第二凹部的深度分别与光方向改变元件B和A的高度相对应，从而优选地与后续过程中将形成的下包层、纤芯和上包层中的每一个的厚度具有上述关系。
制备具有光方向改变元件A和B的树脂基板的过程
下面参照图11A到11C说明制备具有光方向改变元件A和B的树脂基板的过程。
如图11A所示，将可固化树脂220a涂敷在如上制备的铸模上。当所得可固化树脂层较薄时，优选地如图11B所示在其上层叠支撑物222以加固该可固化树脂层。然后所涂敷的树脂被固化，从而形成固化层220。从固化层220上去除铸模100以获得树脂基板200，该树脂基板200具有由标号10表示的光方向改变元件A和由标号20表示的光方向改变元件B(参见图11C)。随后，可以在具有光方向改变元件A和B的树脂基板的表面上形成反光膜以改进光学反射镜性质，不过在图中没有示出该过程。
在具有光方向改变元件的树脂基板上形成光波导的过程
如图12A到12C所示，在具有光方向改变元件的树脂基板上形成光波导。图12A、12B和12C分别表示形成下包层、纤芯和上包层的过程。在图12A中，标号220、10、20和330分别表示固化层、光方向改变元件A、光方向改变元件B以及下包层。在图12B中，标号332表示纤芯。在图12C中，标号334表示上包层。经过这些过程，获得了本发明的光波导互连板300。
由此生产出本发明的光波导互连板的主要部分。然后在所得光波导互连板中形成用于光学连接的开口。在下述光电多功能板的部分中说明这种过程。
在第一方法中，使用Si基板的铸模来形成树脂基板。另选地，可以通过其中Si基板的铸模经受电铸(如Ni电铸)然后经受金属镀敷(如Ni镀敷)的过程来制备耐用金属铸模。
第二方法
下面说明第二方法。在第二方法中，预先制备至少一个光方向改变元件A和/或至少一个光方向改变元件B，随后通过接合将它们固定到基板上的一个或多个预定位置上。可以通过精加工来形成光方向改变元件A或B。另选地，可以使用具有斜面的产品，该斜面是通过对硅基板进行各向异性刻蚀来制备的。
接着，在树脂基板上形成对应于光学回路图案的至少一个光波导。该形成光波导的方法可以与第一方法中的相同。
光电多功能板
本发明的光电多功能板具有所述光波导互连板和一层叠在该光波导互连板上的电路板。所述电路板可以是印刷电路板。可以通过诸如焊接和接合的层叠方法或者通过任何其它方法(如所谓的增层法(build-upmethod)，其中在光波导板上形成一电路板)，进行光波导互连板和电路板的层叠。
可以将光学器件或者光学器件和电器件的组合连接到包括光波导互连板和电路板的叠层的光电多功能板。所述光学器件可以是诸如VCSEL、LED或PD的光学元件，或者任何其它器件，如其中LSI与光学I/O器件集成的所谓光学多片模块(MCM)。所述电器件的示例包括按照传统方式安装在PWBA上的所有类型的器件(如包括芯片电容器(condenser)的无源元件，以及包括LSI或多片模块的大规模半导体器件)。
光波导互连板设置有一用于从所述光波导互连板的外部引入其方向将由光方向改变元件B改变的光的开口(用于光学连接的开口)，或者设置有一用于将其方向已由光方向改变元件B改变了的光输出到光波导互连板的外部的开口。通过这种开口输入或输出光。通过刻蚀以使经过刻蚀的部分到达纤芯来去除上包层，由此形成所述开口。优选地，所述开口填充有折射率与纤芯的折射率相近的波导材料。在纤芯和所述开口的相交处设置有光方向改变元件B。由此，输入光通过所述开口并由光方向改变元件B改向，以使光的方向平行于光波导互连板的平面。另选地，其方向与所述平面平行的光被光方向改变元件B改向，然后通过所述开口并变为输出光。
可以在光波导互连板的一侧或两侧设置所述开口。电器件或光学器件的安装也不限于一侧。
可以将本发明的光电多功能板构造为，使来自光学器件的光信号可从光学器件安装侧的相对侧输出，或者使一光学器件可通过光信号与安装在所述相对侧上的另一光学器件相耦合。从光学连接的效率来看，光学器件的安装精度优选地为至多5μm。
下面参照图13A到13D来说明本发明的光电多功能板及其制造方法。在光波导互连板300中形成有一用于进行光学连接的开口340(光学输入/输出口)，该光波导互连板300具有由图9A到12C所示过程形成的多个光方向改变元件和光波导(参见图13A)。在本实施例中，将所述开口形成在光波导互连板的一侧上。例如，可以通过其中利用光刻工艺制备刻蚀掩模并执行氧等离子体刻蚀的工艺来容易地形成所述开口。但是，也可以使用任何其它工艺。另选地，可以不制备这种刻蚀掩模而在光波导互连板上层叠诸如印刷电路板的电路板，然后可以通过印刷电路板的光学输入/输出口进行刻蚀。
如图13B所示，将印刷电路板400层叠在具有用于进行光学连接的开口340的光波导互连板上。可以使用任何接合方法来接合光波导互连板和印刷电路板。另选地，可以通过增层法将印刷电路板形成在光波导互连板上。
可以照原样使用所述开口。然而，如图13C所示，光波导互连板和印刷电路板的开口可以填充有折射率基本上等于纤芯的折射率的材料(波导材料)342，从而可以提高连接效率。另选地，可以将光学引脚插入这些开口中来代替填充材料。
如图13D所示，将MCM模块500焊接到印刷电路板400上以形成光电多功能板600。可以将SMT器件安装在印刷电路板400上来代替MCM模块。
制造光波导互连板中所用的母体
根据本发明，制造光波导互连板中所用的母体具有：至少一个光方向改变元件A和至少一个光方向改变元件B中的至少一个元件，所述至少一个光方向改变元件A在与光波导互连板的平面相平行的平面内改变光的方向，所述至少一个光方向改变元件B将光的方向改变到相对于与光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向；和用于光波导的下包层。在优选模式中，光方向改变元件A和/或B的高度和下包层的厚度被设置为，当在后续过程中形成纤芯和上包层时，(各)光方向改变元件A和/或B的顶部可以到达纤芯与上包层之间的边界，或者可以到达上包层的内侧。
通过在该母体的下包层上形成纤芯和上包层来制备本发明的光波导互连板。
示例
下面参照下面的示例来更具体地描述本发明，这些示例并不用于限制本发明的范围。
示例1
利用等离子体CVD方法在厚度为650μm的Si基板上按顺序淀积Si3N4膜和多晶硅膜，以形成保护膜。将正性光刻胶涂敷在保护膜上，并对其进行曝光和显影。从所得抗蚀层去除一大小为400×200μm的矩形部分，以形成开口。这里，将该开口形成为，使其一侧与随后形成的第一凹部和第二凹部的连线相垂直，并使其四个角为圆角。通过反应离子刻蚀从保护膜去除保护膜的一部分，该部分具有与开口的形状相对应的表面形状。然后利用热硫酸和过氧化氢的混合液来去除抗蚀层。随后，利用包括乙二胺和邻苯二酚的混合液的各向异性刻蚀液来刻蚀Si基板，直至所得凹部的深度达到100μm。所得凹部具有一相对于Si基板的底面约成45°倾斜的斜面。然后利用热磷酸去除保护膜。由此获得与光方向改变元件B相对应的第一凹部(该第一凹部具有如图9F所示的横截面形状)。
将正性光刻胶涂敷在具有第一凹部的Si基板上，并对其进行曝光和显影。从抗蚀层上去除一大小为100μm×100μm的正方形部分以形成一开口，并由此形成刻蚀掩模。这里，将所述正方形开口形成为，使得其一侧具有相对于连接随后通过刻蚀形成的第一凹部和第二凹部的直线(在光传播方向)成45°角。通过反应离子刻蚀利用所述刻蚀掩模对Si基板进行刻蚀，直至所得凹部的深度达到100μm。由此，获得对应于光方向改变元件A的第二凹部。然后利用热硫酸和过氧化氢的混合液来去除抗蚀层。将所得产品用作以下过程中的铸模。
将所述铸模用作原版(master)。将聚酰亚胺板(由Ube Industries，Ltd制造的Upirex)加热至大约280℃，并对着所述铸模按压软化的聚酰亚胺板以将转移第一凹部和第二凹部的形状，并由此形成光方向改变元件A和B。利用真空淀积法在所述聚酰亚胺板上淀积1μm厚的Au膜，以形成反光膜。由此，获得具有光方向改变元件A和B的树脂基板。
将Nippon Paint Co.，Ltd.制造的包层用Glasia涂敷到具有多个光方向改变元件的树脂基板上，以形成下包层。接着，在下包层上形成纤芯。纤芯的图案被设为使光在光方向改变元件A与B之间传播，使光方向改变元件A将光的方向改变90°，并且将光从光波导互连板的端部输出。通过按照特定图案对Nippon Paint Co.，Ltd.制造的纤芯用Glasia进行曝光来制造纤芯。在本实施例中，未曝光部分形成了纤芯。将NipponPaint Co.，Ltd.制造的包层用Glasia涂敷到纤芯上以形成上包层。纤芯的厚度为50μm，并且光方向改变元件A和B被形成为使其从纤芯的顶部突出。
将正性抗蚀剂涂敷到上包层上，并对其进行曝光和显影，以形成刻蚀掩模，随后对该上包层进行刻蚀以形成一开口(光学连接口)。该开口的位置被设为，使得来自该开口的入射光被光方向改变元件B的反光面反射并通过纤芯传播(参见图13A)。将在相同位置处具有一开口的印刷电路板层叠在具有所述开口的光波导互连板上(参见图13B)，并利用有机金属聚硅烷材料来填充这些开口。
预先在印刷电路板上印刷焊料，并使用高精度安装仪来安装光学MCM，并通过回流焊工艺将该光学MCM连接到所印刷的焊料。作为这些过程的结果，获得了光电多功能板。
光束被从光学MCM的光学输出口输入到光波导互连板。光束的方向由光方向改变元件B改变，并且该光束通过纤芯传播。光方向改变元件A将光束的方向改变90°，接着该光束被从光波导互连板的端部输出。

Claims (20)

1、一种光波导互连板，包括：
光学输入口；
光学输出口；
与光学回路图案相对应的至少一个光波导；以及
至少一个光方向改变元件，每个所述光方向改变元件被置于所述光学输入口和所述光学输出口中的一个与所述至少一个光波导中的一个之间，或者，当所述光波导互连板具有两个或更多个光波导时，每个所述光方向改变元件被置于两个所述光波导之间，并且所述至少一个光方向改变元件包括以下元件中的至少一个：至少一个光方向改变元件A，其在与所述光波导互连板的平面相平行的平面内改变光的方向；和至少一个光方向改变元件B，其将光的方向改变到相对于与所述光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向。
2、根据权利要求1所述的光波导互连板，其中，所述至少一个光方向改变元件是：至少一个光方向改变元件A，其在与所述光波导互连板的平面相平行的平面内改变光的方向；和至少一个光方向改变元件B，其将光的方向改变到相对于与所述光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向。
3、根据权利要求1所述的光波导互连板，其中，所述至少一个光方向改变元件具有一反射面，该反射面对光进行反射以改变所述光的方向。
4、根据权利要求1所述的光波导互连板，其中，所述至少一个光方向改变元件不仅改变光的方向，而且对所述光进行分光。
5、根据权利要求3所述的光波导互连板，其中，所述反射面具有一反光膜。
6、根据权利要求3所述的光波导互连板，其中，所述反射面是凹面。
7、根据权利要求6所述的光波导互连板，其中，所述凹面由光学性质与包层部分的相同或接近的材料制成。
8、根据权利要求1所述的光波导互连板，其中，所述光学输入口和所述光学输出口中的每一个都不是所述至少一个光波导之一的一端。
9、根据权利要求8所述的光波导互连板，其中，所述光学输入口和所述光学输出口填充有波导材料。
10、根据权利要求1所述的光波导互连板，包括与所述光学回路图案相对应的多个光波导，其中，所述多个光波导的纵向方向平行于所述光波导互连板的平面，并且所述多个光波导彼此相交。
11、根据权利要求1所述的光波导互连板，包括与所述光学回路图案相对应的多个光波导，其中所述多个光波导中的至少一个光波导的纵向方向平行于所述光波导互连板的平面，而所述多个光波导中的其它光波导的纵向方向不平行于所述平面，并且所述多个光波导彼此相交。
12、一种用于制造权利要求1所述的光波导互连板的方法，包括：
在一基板上形成以下元件中的至少一个：至少一个光方向改变元件A，用于在与所述光波导互连板的平面相平行的平面内改变光的方向；和至少一个光方向改变元件B，用于将光的方向改变到相对于与所述光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向；和
在具有所述至少一个光方向改变元件A和所述至少一个光方向改变元件B中的至少一个的所述基板上，形成对应于光学回路图案的至少一个光波导。
13、一种用于制造权利要求1所述的光波导互连板的方法，包括：
设置一铸模，该铸模具有：铸模基板，和位于所述铸模基板上的至少一个第一凹部和至少一个第二凹部中的至少一个，所述至少一个第一凹部对应于光方向改变元件A，其用于在与所述光波导互连板的平面相平行的平面内改变光的方向，所述至少一个第二凹部对应于光方向改变元件B，其用于将光的方向改变到相对于与所述光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向；
利用树脂填充所述铸模的所述至少一个第一凹部和所述至少一个第二凹部中的至少一个，并将所述至少一个第一凹部和所述至少一个第二凹部中的至少一个的形状转移给所述树脂，以形成具有至少一个光方向改变元件A和至少一个光方向改变元件B中的至少一个的树脂基板；以及
在所述树脂基板上形成对应于光学回路图案的至少一个光波导。
14、一种用于制造光波导互连板的母体，包括至少一个光方向改变元件和一用于光波导的下包层，其中，所述至少一个光方向改变元件包括以下元件中的至少一个：至少一个光方向改变元件A，其在与所述光波导互连板的平面相平行的平面内改变光的方向；和至少一个光方向改变元件B，其将光的方向改变到相对于与所述光波导互连板的平面相平行的平面具有一角度的方向。
15、一种光电多功能板，包括权利要求1所述的光波导互连板及电路板的叠层。
16、一种光电多功能板，包括：权利要求1所述的光波导互连板及电路板的叠层；和，光学器件及光学器件与电器件的组合中的一个，其被安装在所述电路板上。
17、根据权利要求16所述的光电多功能板，其中，通过所述光方向改变元件B从所述光学器件输入光信号或者向所述光学器件输出光信号，所述光方向改变元件B被设置在所述光波导互连板中，以将光的方向改变到相对于与所述板的平面相平行的平面具有一角度的方向。
18、根据权利要求16所述的光电多功能板，其中，来自所述光学器件的光信号被从其上安装有所述光学器件的一侧的相对侧输出，或者，所述光学器件可以通过光信号与安装在所述相对侧的另一光学器件相耦合。
19、根据权利要求15所述的光电多功能板，其中，所述光波导互连板的所述光学输入口和所述光学输出口中的每一个都不是所述至少一个光波导之一的一端，并且所述电路板具有一光学输入开口和一光学输出开口，并且所述光学输入口和所述光学输出口以及所述光学输入开口和所述光学输出开口都填充有光波导材料。
20、一种用于制造权利要求16所述的光电多功能板的方法，包括：层叠权利要求1所述的光波导互连板和电路板；安装光学器件及光学器件与电器件的组合中的一个；以及同时焊接所述光学器件及所述光学器件与所述电器件的所述组合中的所述一个。
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