JP2011520153A - 大口径コアの中空導波路を製造する方法 - Google Patents

Abstract

コヒーレント光を誘導する光導波路システムを作製する方法を開示する。この方法には、ソーイング、レーザーアブレーション、フォトレジストのレーザー直接描画、光構造化およびエッチングの少なくとも１つの処理を用いてホスト層１０２にチャネル１０６を形成することを含める。高反射材料１１０の層を塗布して、チャネル１０６の内部を実質的に被覆する。チャネル１０６上に高反射材料１２６の層を備えるカバー１２０を連結して、大口径コアの中空導波路１５０を形成する。
【選択図】図１ｄ

Description

回路基板のコンピュータのチップ速度が増大するにつれ、チップ間通信の通信ボトルネックが大きな問題となっている。考えられる解決策のひとつが、高速コンピュータ用チップを相互接続する光ファイバを使用することである。しかし、ほとんどの回路基板が多層であり、製造公差を１μ未満にする必要がある。光ファイバを物理的に配置し、チップに光ファイバを接続することは、不正確で時間がかかるため、回路基板の加工工程に広く導入することができない。

回路基板全体や回路基板間に光信号をルーティングすることで、顕著に複雑化を増す。このため、広帯域データ転送の必要性があるにもかかわらず、この複雑さのゆえに、チップ間の光相互接続の商品化は非現実的なものになっている。

基板によって支持されるホスト層の実施形態を示す図である。 図１ａのホスト層に形成されるチャネルの実施形態を示す図である。 基盤部を形成するように図１ｂのチャネルに塗布される反射コーティングの実施形態を示す図である。 反射コーティングを備える蓋部の実施形態を示す図である。 一実施形態による図１ｃの基盤部に連結される蓋部を示す図である。 複数の薄層に形成されるチャネルの実施形態を示す図である。 複数の積層に形成される複数のチャネルの実施形態を示す図である。 コヒーレント光を誘導する光導波路デバイスを作製する方法５００の実施形態を示すフローチャートである。 コヒーレント光を誘導する光導波路デバイスを作製する方法６００の実施形態を示すフローチャートである。 エッチング処理を用いてホスト層に１００結晶方位で形成されるチャネルの実施形態を示す図である。 実質的に正方形の大口径コアの中空金属導波路を形成するように連結された図４ａの第１と第２のチャネルの実施形態を示す図である。 エッチング処理を用いてホスト層に１１０結晶方位で形成されるチャネルの実施形態を示す図である。 一実施形態による図４ｃの基盤部に連結する蓋部を示す図である。 コヒーレント光を誘導する光導波路デバイスを作製する方法７００の実施形態を示すフローチャートである。 ２つの回路基板を相互接続するのに用いられる大口径コアの中空導波路の実施形態を示す図である。 回路基板の電子要素に相互接続するのに用いられる大口径コアの中空導波路の実施形態を示す図である。 所定の角度に切削された溝部を備え、溝部にリダイレクトデバイスを挿入できる大口径コアの中空導波路の実施形態を示す図である。 反射コーティングを備える大口径コアの中空導波路の二次元アレイの実施形態を示す図である。 反射コーティングを備える大口径コアの中空導波路の三次元アレイの実施形態を示す図である。 回路基板と複数のドーターカードに接続される中空金属導波路のアレイの実施形態を示す図である。

回路基板上のコンピュータチップ間の光相互接続を形成する一方法では、回路基板に形成される光導波路を用いる。光導波路は、リソグラフィやその他の処理を用いて導波路を回路基板に形成することができるため、光ファイバ通信より優れている。導波路は通常、回路基板上に、ポリマーおよび／または誘電体などの実質的に光学的に透明な材料で形成される。また、回路基板上に装着されない他の種類の基板上に、リソグラフィやその他の処理を用いて作製される光導波路を形成することができる。たとえば、フレキシブル基板上に光導波路を形成して、１つまたは複数の光導波路を備えるリボンケーブルを作製することができる。

このように光導波路を形成すると、必要とされる物理的公差内で構築され、最新の多層回路基板上で使用される相互接続を構成することができる。しかし、チップや回路基板の製造に使用されることにより、搭載型導波路を形成することができるポリマー、誘電体などの材料は通常、光ファイバより実質的に損失が大きい。搭載型導波路の損失は、光導波路を相互接続するにあたって制約となる要因のひとつである。導波路を構築するのに使用されるポリマーでは、損失が約０．１ｄＢ／ｃｍである。一方、光ファイバの損失は０．１ｄＢ／ｋｍ程である。このため、ポリマー導波路では、損失が光ファイバより何桁も大きくなる。

さらに、典型的な導波路は通常、伝導するように設計された光の波長にほぼ比例する寸法となるように製造される。たとえば、１０００ｎｍ光を伝導するように構成されるシングルモード導波路では、屈折率が高いコア領域で、屈折率が低いクラッド領域に囲まれる寸法が１０００〜５０００ｎｍ（１〜５μｍ）である。マルチモード導波路では、寸法が２０〜６０μｍの単位である。シングルモード導波路およびマルチモード導波路では、コア屈折率とクラッド屈折率との比が０．０１〜０．０２であり、開口数（ＮＡ）が約０．２〜０．３と比較的大きい。開口数によって、発光ファイバからのビーム広がり角が決まる。開口数が大きくなると、ファイバ間の間隔に応じて結合度合いが低くなる。このため、このような大きさの導波路を接続することは、費用がかかり、困難である。

また、このような導波路を用いて、誘導された光ビームを分割したり、タップしたりすることは困難である。歴史的に見て、導波路を作製して接続する費用がかかることから、一般用途として広く用いられていない。本発明の一態様によれば、他の導波路や光デバイスに相互接続するのが簡便であり、光導波路の損失を大幅に減少できる安価な光導波路デバイスが必要であることが認識されている。

本発明の実施形態に従い、図１ａ〜１ｅは、光導波路デバイスを作製する方法を示す図を提供する。この光導波路は、反射率が高いクラッド層を有する中空コアを備える。この光導波路は、導波路のコアとクラッドとの間に形成される臨界角での全反射に依存する従来の光導波路とは異なる減衰全反射の原理で作動する。図１ａは、ホスト層１０２が基板１０４によって支持されることを示している。基板は、さまざまな種類の材料から成ってもよい。たとえば、基板はプラスチック基板材料またはプリント基板材料などの可撓性材料であってよい。回路基板の材料は、剛性または可撓性となるように構成することができる。また、基板は、半導体材料で形成してもよい。

ホスト層１０２は、基板材料の上部に形成することができる。また、ホスト層は、一般的なリソグラフィ法を用いて処理できるポリマーまたは半導体材料などの可撓性材料であってもよい。図１ｂに示すように、ホスト層にチャネル１０６を形成することができる。

大口径コアという用語を用いることにより、チャネル１０６の高さ１０５および／または幅１０７が、光導波路デバイスに誘導されるコヒーレント光の波長より実質的に大きいことを指すことが意図される。たとえば、高さまたは幅がコヒーレント光の波長より５０〜１００倍超であってもよい。チャネルの高さと幅は通常、比較的ほぼ同じとなるように選択される。一寸法が他方の寸法と実質的に異なる場合、２つの寸法が実質的に異なっている場合に発生する光ビームの偏光が分離するため、チャネルに搬送される光ビームで損失が発生しうる。このため、寸法比は通常１０未満である。

チャネル１０６は、多数の方法を用いて形成することができる。所望の特徴を有する出力光信号とともに高速変調光信号（１Ｇｂｐｓ超）をチャネルを介して伝送できる方法でチャネルを形成するいくつかの異なる方法が開発されている。開発された方法では、基板にソーイング処理を施して、所望の結晶軸に沿って、レーザーマイクロマシニング法、レーザー直接描画法、光構造化法およびエッチング法によってチャネルを形成する。以下に、このような方法に関して説明する。

一実施形態では、ソーを使用して、ホスト層１０２に沿って所定の長さで所望の高さ１０５と幅１０７のチャネルを形成することができる。たとえば、ダイシングソーを使用して、少なくとも１つのチャネルを形成することができる。ダイシングソーは、半導体ウエハ、シリコン、ガラス、セラミック、クリスタル、ポリマーまたはプラスチックや、ほかの多数の種類の材料にダイシング処理、切削処理、グルーブ形成処理を施す極薄ダイヤモンドブレードまたはダイヤモンドワイヤを取り付けた高速スピンドルを採用するソーである。一実施形態では、シングルブレードを備えたソーを使用して、一度に単一チャネルを形成することができる。チャネルは、幅がブレードの幅と実質的にほぼ同じであってよい。ソーブレードで切削したチャネル幅は、カーフ幅と呼ばれる。また、ブレードでマルチパスを作製してブレードより幅が広いチャネルを形成してもよい。別の実施形態では、ダイシングソーには、２つ以上のブレードを備える連動ブレードを含めることができ、１つのパスに複数の導波路チャネルを切削するのに使用することができる。別の実施形態では、ダイシングソーには、同じようなブレードまたは異なるブレードを有する２つ以上のスピンドルを様々な間隙で備えるマルチスピンドルを含めることができ、１つのパスに単一または複数の導波路チャネルを形成することができる。

光導波路デバイス内のコヒーレント光の散乱を減少させることを容易にするために、チャネル１０６の壁は、粗度を減少させるか、除外して平滑にすることができる。壁に沿った突出部は、いずれもコヒーレント光の波長より小さいことが理想である。導波路の所望とする光学的品質次第では、チャネルは、エッチング処理を用いてさらに研摩して、平滑な側壁を得ることができる。

一実施形態では、ディスコ社製ＮＢＣ−ＺＢ２０５０ブレードとともにディスコ社製ＤＦＤ６５１ダイシングソーを使用して、シリコンホスト層に１つまたは複数のチャネル１０６を形成することができる。ＮＢＣシリーズのブレードは、極薄ダイヤモンドブレードとアルミニウムハブとを組み合せたものであり、操作効率が高く、切削結果が安定している。通常、ブレードは、電気メッキされた金属母材のバインダーに組み込まれる研磨用ダイヤモンドから成る。ブレードは、厚さが約１５０μｍである。このため、ブレードを使用することによって、単一パスに約１５０μｍ幅（カーフ幅）のチャネルを形成でき、ブレードによって引き起こされるチャネル側の剥離および摩耗がわずかなものとなる。

適度な処理能力を維持しながらチャネル内で極力欠陥が起きないようにするためには、粒度番号２０００のブレードを使用すれば、望ましい光学的品質が得られるチャネルを形成できることがわかった。粒度番号が大きくなると細かくなり、平滑に傷を付けずに切削できるが、切削工程時にブレードが張り付く傾向がある。ソーブレードは、スピンドル速度が約３０，０００ｒｐｍの場合、約６ｍｍ／秒の典型的な速度（送り速度）でホスト層１０２を進むことができる。送り速度は、スピンドル速度が２５，０００〜４５，０００ｒｐｍで変動する場合、５〜２０ｍｍ／秒に変化させることができる。粒度が細かい（粒度番号が大きい）ブレードが使用される場合、スピンドル速度は増大し、送り速度は低下して表面を平滑にすることができる。しかし、スピンドル速度または送り速度が速いと、ブレードを破損させる可能性があり、送り速度が低いと処理能力が減少することになる。

ディスコ社製ＮＢＣ−ＺＢ２０５０ブレードを使用して、ホスト層１０２に単一パスのチャネル１０６を形成することができ、このチャネルは幅および深さが約１５０μｍである。実質的に正方形のチャネルを使用することによって、光導波路に便益をもたらすことができる。一寸法が他方の寸法より実質的に大きい場合、光の偏光が分離する可能性があるため、導波路が偏光を感知することになり、導波路を介して伝搬する光ビームがさらに損失する。

さまざまな種類のホスト層１０２の材料に他の種類のブレードを使用することができる。たとえば、フォトレジストＳＵ８、反射グラフィックフィルムＩＪ５０００またはカプトンなどのポリマー材料には、軟質金属接合ブレードを使用することができる。ＳＵ８は、マイクロケム社によって製造される化学増幅型エポキシ系ネガレジストである。ガラスには合成樹脂製ブレードまたは固体樹脂製ブレードを用い、シリコンには金属ブレードを用いることができる。

ディスコ社製ＮＢＣ−ＺＢ２０５０ブレードを使用してチャネル１０６を形成した後の研磨エッチング処理によって、チャネルエッジ部が平滑になり、ソーブレードによる微細亀裂を修復することがわかった。しかし、ソーイングされた導波路に研磨エッチング処理を用いなくても、光学性能が望ましいパラメータ範囲内にあると判断された。このため、ホスト層の材料の種類、ソーブレードの種類、ソーブレードの速度、ソーブレードを送るホスト層の送り速度などの変数によっては、ダイシングソーを使用してチャネルを切削した後に研磨エッチング処理を必要としなくてもよい。

研磨エッチング処理が必要な場合、室温でフッ化水素酸、硝酸および酢酸のさまざまな溶液を使用し、ホスト材料にエッチング処理を施して平滑に仕上げることができる。さらに、通常、温度をわずかに上げて使用されるシリコン異方性エッチング剤として水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）の溶液を使用し、ダイシングソーなどの方法を用いてチャネルを形成してからホスト層１０２にエッチング処理を施すことができる。そのようなエッチング剤を実験で使用したところ、チャネルエッジ部の平滑度と平均表面粗度の改善を示した。しかし、上に指摘したとおり、表面特性が改善しても、シリコン導波路チャネルの光信号の損失が減少しなかった。しかし、表面粗度またはチャネルエッジ部が、さまざまなホスト材料の光信号の波長に対して望ましいレベルの平滑度にない場合、上に記載したエッチング剤または同じようなエッチング剤を使用する研磨エッチング法を用いてもよい。

シリコンのほかに、チャネルが切削されるホスト層１０２は、ほかの種類の材料で形成してもよい。たとえば、図１ｃに示す実施形態では、ホスト層は、難燃グレード４（ＦＲ４）基板などのプリント基板材料を用いることができる。一実施形態では、ＦＲ４基板にチャネル１０６を切削することができる。次に、ドクターブレーディング、スピンコーティング、インクジェッティング、スクリーン印刷などの塗布技術を用い、ホスト層１０２およびチャネル１０６に、フォトレジストＳＵ８などの溶剤処理可能なポリマー層１０８の薄層を塗布することができる。次に、ポリマー層は、紫外線または加熱によって重合することができる。次に、銀などの高反射材料の金属化層１１０を基板に塗布して、大口径コアの中空金属導波路チャネルを形成することができる。

また、ＦＲ４基板などの基板に、ＳＵ８などポリマー材料の比較的厚い層を形成してもよい。この実施形態では、ＳＵ８はホスト層１０２として作用することができ、ＦＲ４基板は基板層１０４として作用することができる。たとえば、ＦＲ４基板に厚さが約２００μｍ以上のＳＵ８の層を堆積するか、積層することができる。上で検討したように、ダイシングソーなどのソーを使用して少なくとも１つのチャネル１０６を形成することができる。典型的な実施形態では、各チャネルは幅が約１５０μｍ、深さが１５０μｍであるが、実寸法は、導波路を介して伝送される光信号に使用される光の波長に左右される。チャネルを切削してから金属化層１１０を添加することができる。

別の実施形態では、エンボシング処理または射出成形もしくは圧縮成形などの成形処理を用い、ＳＵ８などのポリマーホスト材料１０６に多重チャネル１０６を形成して、中空コア導波路構造を形成することができる。次に、このような構造を合わせて接合するか、積層して、複数の中空金属導波路を有する三次元構造を形成することができる。以下に、三次元構造に関して全体的に検討する。

金属化層１１０は、複数の層から成ることができる。たとえば、一実施形態では、金属化層には、ホスト材料の密着性改善層、銀の反射金属層および反射層を保護する窒化アルミニウム保護層として使用されるチタンバッファを含めることができる。プレーティングや電着などのＬＰＣＶＤ（低圧）法、ＰＥＣＶＤ（プラズマ助長）法、ＡＬＤ（原子層堆積）法および液相堆積法などのスパッタ法、蒸発法、イオンプレーティング法および化学気相蒸着法などの物理気相蒸着法を含むさまざまな蒸着法を用い、金属化層は、さまざまな金属層とともにチャネル１０６に塗布することができる。

図１ｄは、金属化層１２６を重ねる被覆材１２２で形成できる蓋部１２０を示す。金属化層には、接着層および保護層を含めることができる。金属化層および被覆材は、チャネル１０６の形成に使用するのと同じ材料で形成することができる。

図１ｅに示すように、蓋部１２０の形成後、蓋部は基盤部１３０に積層するか、接合することができる。一実施形態では、蓋部および基盤部は、ウエハスケールボンディングを用いて接合することができる。ウエハレベルボンディングは、パイレックス（登録商標）ガラスとシリコンとの間、シリコン／タンタル／金とシリコンとの間、またはシリコン／熱酸化膜もしくはシリコン／ＴＥＯＳ（テトラエチルオルソシリケート）とシリコンとの間、のプラズマ接合を用いて達成することができる。酸化物表面とガラスには、シリケートボンディングを使用することができる。他の異なる種類のポリマーや複合体などの材料に接着接合法処理を用いることができる。

蓋部１２０が基盤部１３０に接合すると、大口径コアの中空導波路１５０が形成される。大口径コアの中空導波路には、中空導波路の内部を被覆する反射コーティング１１０がある。反射コーティングは、金属皮膜の表面から光を反射させることにより、導波路を介して誘導されるレーザー光線の減衰を減少させる。

図１ａ〜１ｅに示すように、別の実施形態では、ホスト層１０２は、プラスチック基板、複合基板、ＦＲ４基板などの材料の複数の層を合わせて接合するか、積層することによって形成することができる。図１ｆは、合わせて積層した複数の層１３２を備える基板１０４を示す。上で検討したように、ダイシングソーを使用し、積層にチャネル１０６を形成することができる。次に、チャネル内に金属化層１１０を添加することができる。図１ｇに示すように、複数の大口径コアの中空金属導波路１５０を形成して合わせて積み重ね、プリント基板の複数層内に中空金属導波路の三次元アレイ１６０を形成することができる。複数の層は、合わせて接合するか、積層することができる。金属化層１１０を備える蓋部１２０は、チャネルの上方に積層して、中空金属導波路を形成することができる。また、ＦＲ４などのほかの積層を金属化して塗布し、中空金属導波路の上部を形成することができる。

プリント回路基板は通常、合わせて積層した絶縁材の層によって分離され、支持される複数の導電層から成る。金属化される蓋絶縁層１２０に既定の導波路チャネルを備える絶縁層を積層して、プリント基板内に中空金属導波路を形成することができる。

図２のフローチャートに示すように、別の実施形態では、コヒーレント光を誘導する光導波路システムを作製する方法５００を開示する。この方法には、チャネル１０６をソーイングすることによってホスト層１０２にチャネル１０６を形成５１０して、少なくとも１つの回路基板の電子回路と相互接続するように構成される導波路を形成する工程を含める。チャネル１０６は、幅１０７および高さ１０５のうち少なくとも１つがコヒーレント光の波長より実質的に大きい。この方法には、高反射材料１１０の層を塗布５２０してチャネル１０６の内部を実質的に被覆する工程をさらに含めている。他の工程には、チャネル上にカバー１２０を連結５３０して大口径コアの中空導波路１０５を形成することを含めている。カバー１２０は、高反射材料の層１２６を備える。

図１ｂに示すように、別の実施形態では、レーザーアブレーション法によるマイクロマシニングを用いて、ホスト層１０２に１つまたは複数のチャネルを形成することができる。数十〜約１００Ｊ／ｃｍ²の単位で作用する固体レーザーまたはエキシマレーザーを使用することができる。アブレーション法によるマイクロマシンニングに使用されるレーザーの波長は通常、ホスト層の材料によって容易に吸収される波長である。シリコンで実質的に作製されるホスト層のアブレーションに用いる典型的な波長は、約３５５ｎｍであり、パルス幅が３０ｎ秒のパルスレーザーが適しているが、材料の除去にかかわるさまざまな機構があるため、アブレーティブレーザーの条件はこの特定の実施例に限定されない。ポリマーのフルーエンス閾値が１桁小さいことから、実質的に出力の低いレーザーを使用して、ポリマー材料にチャネルを形成することができる。ここで、さらに詳細に他のさまざまなレーザーパラメータに関して詳細に検討する。

パルス幅が短いレーザーは通常、レーザーアブレーション法によるマイクロマシンニングに有用である。パルス幅が短いレーザーでは通常、チャネルエッジ部が鋭くなり、表面がきれいになる。パルス幅が、電子・フォノン相互作用時間よりピコ秒単位で実質的に短くなると、アブレーション工程は、非熱工程になる。実際、個々のパルスと物質の相互作用は、フェムト秒パルスレーザーにより非熱性となるが、パルスが蓄積すると、レーザー機械加工仕上げの表面付近に熱影響域を形成する熱を蓄積する。

レーザーアブレーション法によるマイクロマシンニングに適したスポットサイズを選択することによって、望ましい幅のチャネル１０６を形成することができる。ガルバノメーター仕様のテレセントリックレンズを備える固体レーザーを使用して１０〜１００μｍの範囲でスポットサイズを生成することができる。レーザー出力が十分高く、特定のスポットに十分なフルーエンスを生成すれば、スポットの大きさは増大され、選択した材料を切除することができる。スポットサイズは通常、チャネルの幅未満であることから、複数パスを作製して希望のチャネルを形成することができる。

レーザーの走査速度とパルス繰返し率によって、パルス間のオーバラップが求められる。処理能力を最大限引き出し、切削品質を維持するためには、パルス間のオーバラップが通常、５０〜１００％に調整され、生成したフルーエンスに左右される。各パルスの十分なエネルギーによって、数十〜数百ｋＨｚ単位の典型的なパルス繰返し率を用いて、材料を切除することができる。繰返し率が高いと、レーザー光は速い速度で表面を走査することができる。

連続チャネル１０６のパターンがホスト層１０２に形成できるように、走査パターンを設計することができる。走査パターンは、チャネルが望ましい寸法に達するまで、レーザー光がチャネルの表面を実質的に平行走査することから成るラスタ走査パターンとなる。また、ホーストラック走査と呼ばれるウィンドウ走査を使用することができる。

表面アブレーションでは、表面およびエッジ部の望ましい平滑度公差を満さない残留物を残したり、表面構造になったりすることがある。上で検討したように、シリコンまたはガラスに用いる研磨エッチング処理またはポリマーに用いる熱リフロー処理を用いて、チャネルの表面とエッジ部を望ましい許容度内にしてもよい。次に、レーザーアブレーション法によるマイクロマシンニングおよび／またはエッチング処理によって形成されたチャネルに、金属化層１１０を添加することができる。上で検討し、図１ｃ〜１ｅに示すように、チャネル形成後、基盤部に金属化層１２６を備える蓋部１２０を接合して、大口径コアの中空金属導波路１５０を形成することができる。

図１ｂに示すように、別の実施形態では、レーザー直接描画処理を用いて、ホスト層１０２にチャネル１０６を形成することができる。この実施形態では、ホスト層は、ＳＵ８などの材料で形成したネガ型フォトレジストまたはシプレイ社のＵｌｔｒａ−ｉ １２３などの材料で形成したポジ型フォトレジストから成ることができる。ホスト層は、ＦＲ−４基板、ポリカーボネートなどのポリマー、シリコンに積層したＳＵ８、を備える基板層１０４に形成することができる。当然のことながら、フォトレジストから成るホスト層は、インクジェット、ドクターブレード、スピンコート、スクリーン印刷またはラミネート処理を用いて、基板層に塗布することができる。

フルーエンスが約１００ｍＪ／ｃｍ²であり、出力周波数が紫外線波長範囲にあるレーザーを使用して、フォトレジストを露出させることができる。一実施形態では、波長が３５５ｎｍのインジェクションシードした周波数３倍化Ｑスイッチ付きＮｄ：ＹＡＧレーザーからの約８ｎ秒の単一レーザーパルスを使用すれば、レーザーが表面全体を走査することから、フォトレジストを適切に露光することができる。パルス幅が可変であり、波長が３６５ｎｍ（ｉ線）より短い連続波長光源、固体レーザーまたはエキシマレーザーなどのほかの種類のレーザーが、エポキシのカチオン系光重合をもたらすフォトレジスト前駆体の光誘起変化に使用することができる。

ＳＵ８は、レーザー直接描画処理を用いて１つまたは複数のチャネル１０６を形成するホスト層として優れた構造材料をもたらす。ＳＵ８はネガ型フォトレジストである。これにより、紫外線光源による広い露光範囲を用いると、チャネル領域１０６を被覆するマスクを形成し、導波路チャネルを形成することができる。直接描画によるパターニング処理に関して、レーザーは、たとえばレーザーの走査を制御するコンピュータを使用し、規定のパターンのチャネル外部の材料を走査して、チャネル外側の領域を露光して重合することができる。この工程を用いることによって、エンボシング処理で使用されるテンプレートを作製することができる。

レーザー直接描画処理のビームサイズを最適化して、ターゲット構造を形成することができる。レーザー光は、レイリー長が十分あり、チャネル１０６内の比較的平坦な側壁を形成することができる。たとえば、一実施形態では、チャネルは幅１０７および深さ１０５が約１５０μｍにすることができる。スポットサイズが５０μｍで、波長が３５５ｎｍのレーザー光では、レイリー範囲を約２０ｍｍにすることができ、これにより、深さが１５０μｍの導波路チャネルの側壁を十分平坦にすることができる。レーザー光でチャネル領域外側の領域を走査して材料を重合させ、重合した材料を除去することができる。また、ちょうどチャネルの周りと、チャネルの間の領域を露光することができ、チャネル領域は深さが約１５０μｍに除去される。

ＳＵ８などの現像及び硬化処理はよく知られている。この処理では、有機溶媒で基板１０４を洗浄し、均質性に優れた被覆および接着をもたらす。次に、基板は、スピンコーティング、ドクターブレーディング、スクリーン印刷、インクジェットなどの鋳造処理を用いて、ＳＵ８材料で被覆され、ホスト層１０２を形成することができる。次に、プリベークを用い、ＳＵ８中の溶剤を実質的に全量除去することができる。次に、上で検討したように、チャネル１０６の外側の材料は、レーザー光線で露光することができる。露光後ベークを用いて、ガラス遷移温度より高い温度でエポキシのカチオン系光重合を実施することができ、構造体は、乳酸エチル溶液中で現像し、次に洗浄及び乾燥処理を施すことができる。ＳＵ８構造体が流動しないようにする必要がある場合、均質な紫外線下でのフラッド露光と別のベーク工程とを利用する。

別の実施形態では、光構造化処理を用いて、ホスト層１０２にチャネル１０６を形成することができる。光構造化では、閾値を超えたエネルギー密度の紫外線で感光性ガラスを露光する。たとえば、エネルギー密度が約２０Ｊ／ｃｍ²の紫外線波長のレーザーを用いて、ＦＯＴＵＲＡＮ（登録商標）と呼ばれる、厚さが約１ｍｍの感光性ガラスを露光することができる。レーザーは所望の領域を走査し、マスクパターンを露光して、ホスト層にチャネルを形成することができる。この実施例のレーザーは、波長を２９０〜３３０ｎｍにすることができる。

また、クロムまたは石英などの材料から作製したマスクを使用して、チャネル１０６以外の領域をマスクすることができる。次に、水銀ランプを使用して、チャネル領域を露光することができる。次に、約５００〜６００℃で感光性ガラスを約２時間ベークすることができる。次に、材料は、濃度が約１０％のフッ化水素酸などのエッチング剤を使用し、エッチング処理が施される。露光領域のエッチング速度は約１０μｍ／分である。非露光領域のエッチング速度は、露光領域の約１／２０である。これにより、露光領域が幅および深さが約１５０μｍとなり、約１５〜２０分後に形成される。次に、光構造化によって形成されたチャネルに、金属化層１１０を添加することができる。図１ｃ〜１ｅに示すように、チャネルの形成後に、基盤部に金属化層１２６を備える蓋部１２０を接合して、大口径コアの中空金属導波路１５０を形成することができる。

図３のフローチャートに示すように、別の実施形態では、コヒーレント光を誘導する光導波路システムを作製する方法６００を開示する。この方法には、コヒーレント光を使用し、ホスト層１０２にチャネル１０６を形成６１０して導波路を形成する工程を含めている。コヒーレント光を使用し、レーザーアブレーション法、レーザー直接描画法および光構造化法を使用してチャネルを形成することができる。導波路は、少なくとも１つの回路基板の電子回路を相互接続するように構成される。チャネル１０６は、幅１０７および高さ１０５のうち少なくとも１つがコヒーレント光の波長より実質的に大きい。この方法には、高反射材料１１０の層を塗布６２０してチャネル１０６の内部を実質的に被覆する工程をさらに含めている。他の工程では、チャネル上にカバー１２０を連結６３０して大口径コアの中空導波路１５０を形成する。カバー１２０は、高反射材料の層１２６を備える。

別の実施形態では、エッチング処理を用いて、ホスト層にチャネルを形成することができる。たとえば、図４ａに示す一実施形態では、エッチング処理により三角形の導波路２０２を形成できる１００結晶方位のシリコンウエハを示す。ＴＭＡＨまたは水酸化カリウム（ＫＯＨ）を使用して、高温下で、約０．５μｍ／分で、シリコンウエハに異方性エッチング処理を施すことができる。エッチング工程では、シリコンの表面に対する正規直交に対して約５４°の三角形の壁を備える三角形の導波路を形成する。

二酸化ケイ素または窒化ケイ素などの材料で形成され、ソフトマスクを使用してレーザー加工またはドライエッチング処理によってパターニングされるハードマスク２０４を用いて、シリコンホスト層２０６に導波路２０２構造を形成することができる。三角形の導波路チャネルに金属化層２０８を形成することができる。図４ｂに示すように、少なくとも１つの三角形の導波路チャネル２０２を備える一導波路部分２２０が、少なくとも１つの三角形の導波路チャネルを備える別の導波路部分２２０に反転して配置され、少なくとも１つの実質的に正方形の中空金属導波路２５０を備える単一導波路部分２３０を形成することができる。上で検討したように、ウエハレベルボンディングを用いて、三角形の導波路を備える部分を接合することができる。

図４ｃに示す別の実施形態では、エッチング処理により、傾斜した底部領域２５８を備える実質的に正方形の導波路２５２を形成できる１１０結晶方位のシリコンウエハを示す。ＴＭＡＨまたは水酸化カリウム（ＫＯＨ）を使用して、高温下で、速度約０．５μｍ／分で、シリコンウエハに異方性エッチング処理を施すことができる。

二酸化ケイ素または窒化ケイ素などの材料で形成されたハードマスク２０４を使用して、シリコンホスト層２０６に導波路２５２構造を形成することができる。次に、エッチング処理によって形成されたチャネルに、金属化層２０８を添加することができる。図４ｄに示すように、チャネルの形成後に、基盤部２４５に金属化層２２６を備える蓋部２６０を接合して、少なくとも１つの大口径コアの中空金属導波路２７０を形成することができる。

（１００）結晶方位でのエッチング処理によって形成された実質的に正方形の大口径コア中空金属導波路２５０と、（１１０）結晶方位でのエッチング処理によって形成された傾斜底部領域を備える大口径コア中空金属導波路２７０は、十分に平坦で、損失を最小限に抑えて光信号を搬送できる側面を備えるように形成することができる。エッチング処理を用いて形成した導波路のわずかに非正方形の形状は、中空金属導波路を介する光信号の伝搬に必ずしも悪影響を与えるとは限らない。

図５のフローチャートに示すように、別の実施形態では、コヒーレント光を誘導する光導波路システムを作製する方法７００を開示する。この方法には、エッチング処理を用い、ホスト層２０６にチャネル２０２、２５２を形成７１０して導波路を形成する工程を含めている。導波路は、少なくとも１つの回路基板に電子回路を相互接続するように構成することができる。チャネル２０２、２５２は、幅および高さのうち少なくとも１つがコヒーレント光の波長より実質的に大きい。さらに、この方法では、高反射材料２０８の層を塗布７２０して、チャネル２０２、２５２の内部を実質的に被覆する。他の工程では、チャネル２０２、２５２に、高反射材料の層２０８を備えるカバー２２０、２６０を連結７３０して、大口径コアの中空導波路２５０、２７０を形成する。

エッチング処理を用いてホスト層２０６にチャネル２０２を形成する工程は、１００結晶方位で第１のシリコンホスト層２０６にエッチング処理を施して、第１の導波路部分に２２０に三角形の導波路チャネル２０２を形成する工程を含める。また、１００結晶方位で第２のシリコンホスト層にエッチング処理を施して、第２の導波路部分２２０に三角形の導波路チャネル２０２を形成する。第１の導波路部分と第２の導波路部分は接合して、少なくとも１つの実質的に正方形の中空金属導波路２５０を備える単一導波路部分２３０を形成することができる。

内部反射面を備える大口径コアの中空金属導波路は、１つまたは複数のプリント基板上の構成要素を相互接続する比較的安価で、損失が低い手段として機能することができる。導波路デバイスの損失が低くなれば、電子回路を光学的に相互接続するなど、デバイスは商品生産物に広く一般に使用することができる。

電子回路には、電気回路を含めることができ、電気回路から伝送された電気信号が光信号に変換され、その逆も同じである。また、電子回路には、光信号を用いて直接通信でき、変換する必要がない光回路を含めることができる。電子回路は、単一回路基板に含めてもよい。また、電子回路は、２つ以上の別々の回路基板に配置してもよく、導波路を用いて、基板を相互接続することができる。また、傾斜した半反射表面を用いることによって、このような導波路からの光信号をタップして誘導することが比較的簡単である。従来の導波路では開口数が大きいため、これを達成することはかなり難しい。

たとえば、図６ａは内部反射面を備える大口径コアの中空導波路３３０を示す。中空導波路を使用して、２つの回路基板３４０を接続する。上で検討したように、大きい導波路は、基板間の導波路を相互接続する費用を減少させることができる。導波路内の反射面は、隣接する回路基板に導波路を介して低出力信号のコヒーレント光を伝送でき、損失を減少させることができる。回路基板のいずれか一方または両方に位置する単一モードレーザー、多モードレーザーなどのコヒーレント光デバイスを用いて、コヒーレント光を伝送することができる。コリメーティングレンズを回路基板のいずれか一方または両方に含め、導波路に光学的に接続することができる。コリメーティングレンズは多重反射による高次モードの光の損失を減少させることができる。中空導波路３３０の相互接続は、製造工程で基板間に接続するように構成することができる。また、中空導波路は、製造後に基板に接続できるコネクタおよび／またはケーブルとして形成することができる。

また、図６ｂに示すように、内部反射面を備える中空導波路３３０を用いて、単一回路基板３４０上の電子要素３４５を相互接続してもよい。電子要素を使用して、一導波路から別の導波路に光を転送してもよい。また、ビームから約４５°で転送デバイス３４８を挿入することによって、９０°に回転することが比較的簡単である。図６ｃに示すように、たとえばアングルブレードを備えるダイシングソーを使用して、中空導波路３３０に溝部３５２を切削してもよい。光信号の必要なルーティングに応じて、傾斜ブレードまたはアングルブレードを使用して、微小光学構造または光学微小電気機械システムを挿入してもよい。また、シリコンまたはガラスにレーザーマイクロマシニング加工またはマイクロフライス加工を施すことや、ポリマー層の導波路チャネルの形成に関して記載したのと同じようなパターニング技術が、スプリッタ用の溝部形成に用いることができる。溝部は基板へと延伸し、構造用支持材を加えて転送デバイスに取り付けてもよい。転送デバイスは、粘着剤を使用して導波路に接続してもよい。当然のことながら、転送デバイスは鏡であってよい。また、光の一部のみを転送しようとする場合は、鏡の代わりに、光ビームスプリッタ、アパーチュア、半透明鏡、回折格子、散乱体または同じような種類の光デバイスを使用してもよい。

検討した工程を用いて形成した各大口径コアの中空金属導波路は、二次元アレイおよび三次元アレイで形成でき、多重信号を誘導することができる。たとえば、図７ａは中空導波路４３０の二次元アレイ４００を示す。上で検討したように、反射材料４０２で各導波路を囲むことができる。上で開示した方法または従来のリソグラフィ、エンボシングもしくは射出成形を組み合わせた方法を繰り返して、基板またはホスト材料４０８に導波路のアレイを構築することができる。エンボシング、射出成形、従来のリソグラフィなどの方法または本願明細書に記載した方法で形成されるチャネルパターン層の連続堆積層または連続積層によって、低費用で導波路のアレイを形成することができ、ＦＲ４基板上または中で光学層と電気層を一体化することができる。図７ｂは、基板またはホスト材料４０８に構築される中空導波路４３０の三次元アレイ４５０を示す。

図７ｃは回路基板に接続される中空導波路４３０のアレイ４００を示す。アレイは、回路基板の単一の層に構築される二次元アレイであってよい。また、アレイは、回路基板の２つ以上の層に構築される三次元アレイであってよい。回路基板は、アレイの各中空導波路を取り付けることができる基板４０８として機能することができる。一実施形態では、回路基板は、光バックプレーン４２５として構成することができる。各導波路にコヒーレント光を誘導することができる。選択された位置の導波路から誘導されたマルチモードのコヒーレント光ビームの少なくとも一部を誘導するように、光学スプリッタなどの結合装置４２２を構成することができる。上で検討し、図６ｃに示すように、ビームスプリッタは、中空導波路に溝部を形成することによって挿入することができる。光学的に結合される導波路は、バックプレーンに対して直交してもよいが、実質的にはいずれの角度を用いてもよい。

回路基板の面からマルチモードのコヒーレント光を転送すると、バックプレーン４２５にドーターボード４２０などの複数の回路カードを光学的に接続することができる。バックプレーンから複数のドーターボードに、コヒーレント光信号で符号化される高データレートの情報を転送するか、配信することができる。

反射内部被覆を備える大口径コアの中空導波路では、複数の異なる基板に高データレートの情報を伝送することができる。中空導波路の損失が低いと、他の複数の導波路に単一の光信号を転送することができる。各導波路を介して誘導されるコヒーレント光ビームは、数十Ｇｂｐｓ以上で伝送される。モード指標がほぼ１であることから、光ビームは実質的に光速で伝播され、伝搬遅延が実質的に最小限に抑えられる。中空導波路によって可能となる光相互接続によって、チップと回路基板との間の処理能力を実質的に増大する安価な手段が得られる。

上記の実施例は、１つまたは複数の特定用途の本発明の原理の実例であるが、本発明の機能を実施することなく、本発明の原理と概念から逸脱することなく、実装の形態、用法および詳細に数多くの改変が施されることが、当業者には明らかとなる。このため、本願の特許請求の範囲の記載を除いて、本発明が限定されることは意図されない。

Claims (15)

1. コヒーレント光を誘導する光導波路システムを作製する方法であって、
   少なくとも１つの回路基板の電子回路と相互接続するように構成される導波路を形成するために、ソーイング、成型およびエンボシングすることから成る群から選択される少なくとも１つの処理を用いて、ホスト層（１０２）に、幅（１０７）および高さ（１０５）のうち少なくとも１つが前記コヒーレント光の波長より実質的に大きいチャネル（１０６）を形成することと、
   前記チャネル（１０６）の内部を実質的に被覆するように高反射材料（１１０）の層を塗布することと、
   大口径コアの中空導波路（１５０）を形成するために、前記高反射材料の層（１２６）を備えるカバー（１２０）を前記チャネル上に連結することと、
   を含むことを特徴とする方法。
2. ダイシングソーを使用して前記ホスト層（１０２）に前記チャネル（１０６）を形成することをさらに含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
3. 前記チャネルが単一パスで形成可能となるように、前記チャネルの幅（１０７）と実質的に同じ厚さのブレードを備えるダイシングソーを使用して、前記ホスト層（１０２）に前記チャネル（１０６）を形成することをさらに含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
4. 前記チャネル（１０６）の表面が所望の公差内の平均平滑度を有するように前記表面を平滑にするため、研磨エッチングによって前記表面を研磨することをさらに含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
5. 前記チャネル（１０６）が形成される前記ホスト層（１０２）を形成するために、複数の層を合わせて積層することをさらに含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
6. 大口径コアの中空金属導波路の三次元アレイ（１６０）を有する三次元構造を形成するために、複数の大口径コアの中空金属導波路（１５０）を積層することをさらに含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
7. 前記ホスト層がポリマーから成り、前記チャネルが、エンボシング処理および成形処理のうち１つを用いて前記ポリマーに形成されるように、前記ホスト層（１０２）に前記チャネル（１０６）を形成することをさらに含む、
   ことを特徴とする請求項１に記載の方法。
8. コヒーレント光を誘導する光導波路システムを作製する方法であって、
   少なくとも１つの回路基板の電子回路と相互接続するように構成される導波路を形成するために、コヒーレント光を用いて、ホスト層（１０２）に、幅（１０７）および高さ（１０５）のうち少なくとも１つが前記コヒーレント光の波長より実質的に大きいチャネル（１０６）を形成することと、
   前記チャネル（１０６）の内部を実質的に被覆するように高反射材料（１１０）の層を塗布することと、
   大口径コアの中空導波路を形成するために、前記高反射材料の層（１２６）を備えるカバー（１２０）を前記チャネル上に連結することと、
   を含むことを特徴とする方法。
9. コヒーレント光を用いて前記ホスト層（１０２）に前記チャネル（１０６）を形成することは、前記ホスト層の材料を切除して前記チャネルを形成するようにレーザーを使用することをさらに含む、
   ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
10. コヒーレント光を用いて前記ホスト層（１０２）に前記チャネル（１０６）を形成することは、前記ホスト層の露光領域および非露光領域のうち１つを除去することによって前記チャネル（１０６）を形成可能とするために、前記ホスト層の選択された領域を露光して、前記チャネルを形成するようにレーザーを使用することをさらに含む、
    ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
11. コヒーレント光を用いて前記ホスト層（１０２）に前記チャネル（１０６）を形成することは、前記ホスト層（１０２）の選択されたチャネル領域を露光し、前記ホスト層が感光性ガラスであり、露光したチャネル領域にエッチング処理を施して前記チャネル（１０６）を形成するようにレーザーを使用することをさらに含む、
    ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
12. コヒーレント光を誘導する光導波路システムを作製する方法であって、
    少なくとも１つの回路基板の電子回路と相互接続するように構成される導波路を形成するために、エッチング処理を用いて、ホスト層（２０６）に、幅および高さのうち少なくとも１つが前記コヒーレント光の波長より実質的に大きいチャネル（２０２、２５２）を形成することと、
    前記チャネル（２０２、２５２）の内部を実質的に被覆するように高反射材料（２０８）の層を塗布することと、
    大口径コアの中空導波路（２５０、２７０）を形成するために、前記高反射材料の層（２０８）を備えるカバー（２２０、２６０）を前記チャネル（２０２、２５２）上に連結することと、
    を含むことを特徴とする方法。
13. エッチング処理を用いて前記ホスト層（２０６）に前記チャネル（２０２）を形成することは、
    第１の導波路部分（２２０）に三角形の導波路チャネル（２０２）を形成するように、１００結晶方位で第１のシリコンホスト層（２０６）をエッチング処理することと、
    第２の導波路部分（２２０）に三角形の導波路チャネル（２０２）を形成するように、１００結晶方位で第２のシリコンホスト層をエッチング処理することと、
    少なくとも１つの実質的に正方形の中空金属導波路（２５０）を備える単一導波路部分（２３０）を形成するように、前記第１の導波路部分と前記第２の導波路部分とを接合することと、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
14. エッチング処理を用いて前記ホスト層（２０６）に前記チャネル（２０２）を形成することは、
    傾斜した底部領域（２５８）を備える実質的に正方形の導波路（２５２）を形成するように、１１０結晶方位でシリコンホスト層（２０６）をエッチング処理することと、
    大口径コアの中空導波路（２７０）を形成するために、前記高反射材料の層（２０８）を備えるカバー（２６０）を前記チャネル（２５２）上に連結することと、
    をさらに含むことを特徴とする請求項１２に記載の方法。
15. 前記高反射材料の層（２０８）は、ホスト材料の密着性改善層、窒化アルミニウム保護層、および銀の反射金属層、として使用されるチタンバッファから成る、
    ことを特徴とする請求項１２に記載の方法。

Images