一种具有形成图案的包层（６０）的集成光波导，该形成图案的包层（６０）限定了一开口，使得光传输元件（１３）的至少一侧或至少一端（３２）是空气包层的。该空气包层的区域优选为与波导（３０）成为一个整体的透镜结构或位于波导内的弯曲处。一种制造具有形成图案的包层的光波导的方法，其包括：在部分衬底上形成遮挡层（１１０），其中，该遮挡层（１１０）形成图案且对预定的波长不透明，该衬底对该波长透明；从上方使该芯层形成图案以提供光传输元件；在该光传输元件上和／或在该形成图案的遮挡层上和／或在该衬底的未覆盖部分上沉积上包层，该上包层包含能通过曝光于该波长的光（１１６）来固化的材料；用该波长的光（１１６）从下方照射所述上包层，以使所述上包层中那些没有位于所述形成图案的遮挡层上方的部分固化；以及将所述上包层的未固化部分移除。
【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术涉及具有形成图案的(patterned)上包层的集成光波导，以及使该上包层形成图案的方法。
技术介绍
集成光波导典型地由形成图案的、被包层材料(其折射率为n2)包围并且安装在机械性能坚固的衬底之上的光导芯层(其折射率为n1，其中n2＜n1)构成。这些波导通常具有平的端面，常常通过采用钻石轮划片机(dicing saw)切割该衬底和波导结构、然后通过抛光步骤去除散射中心来生产。通过芯和包层之间的折射率差，将沿波导传播的光在芯中进行导引。参照附图，图1a和1b示出了现有技术中已知的典型集成光波导10的端面的侧视图和端视图，其包含衬底11、下包层12、光导芯13和上包层14。根据材料系统，可使用多种技术来沉积下包层、芯层和上包层，它们包括火焰水解法或者化学气相沉积法(例如用于玻璃)、分子束外延(例如用于半导体)以及旋涂(例如用于聚合物)。可通过光刻(photolithography)和活性离子蚀刻法(适用于大多数材料)或者通过光刻和湿法蚀刻法(例如用于可由光形成图案的聚合物)(photo-patternablepolymers)来使芯层形成图案。下包层12和上包层14的折射率需小于芯13的折射率以便将光限定在芯内。通常，下包层12和上包层14具有相同的折射率，以便使导引模式(guided mode)对称，尽管这种对称并不是必须的。如果衬底材料11是透明的并且具有低于芯材料13的折射率，那么可以省略下包层12。平面波导典型具有可传输光的、延伸的芯区域，该芯区域的横截面是正方形或矩形。通常将底面定义为与衬底相邻或最靠近衬底的面。顶面是与该底面平行但离该衬底最远的面。侧面是那些与该衬底垂直的面。在前面描述的现有技术中的这种集成光波导中，芯被包层材料——要么下包层、要么上包层——所围绕。然而，情况并非必须这样，并且存在某些应用，在这些应用中，芯的至少一部分在至少一侧上不与包层材料接触是有利的。因此，本专利技术的一个实施形态涉及一种集成光波导，其上包层形成图案，使得在至少一个区域内、芯的至少一侧不与上包层材料接触。在US5,850,498和US6,555,288中已经披露了形成图案的上包层，其用于减小波导芯中的应力。在这些披露的内容中，形成图案的上包层被描述为“共形(conformal)”，该上包层具有与芯的形状基本等同的形状，换句话说，芯被薄薄一层上包层材料所封装(enclose)(底面除外、该底面与衬底或下包层材料接触)。这区别于本专利技术中的形成图案的上包层，在本专利技术中，使上包层形成图案，使得在至少一个区域内、芯的至少一侧不与上包层材料接触。芯的至少一个区域在至少一侧不与包层材料接触较为有利的一种应用是具有一体化透镜结构(unitary lens structure)的集成光波导。如上所述，芯和包层之间的折射率差将光沿着集成光波导进行导引，但是，光在离开芯而进入自由空间(或实际中的空气)时立即发散。这种发散在平行和垂直于衬底的两个维度内产生。如果想要得到准直的输出光束，则需要某种正(也就是会聚)透镜。同样地，需要会聚透镜来使准直光束聚焦到集成光波导中。一种解决方案是使用诸如球型透镜或圆柱型梯度折射率(GRIN)透镜之类的分离元件，但是，这些透镜由于尺寸较小而难以操作，它们需要在两个维度上精确调准，并且引入了额外的交界面(伴随着固有反射损耗)。因此，使透镜结构与该光波导集成在一起更为可取。多年以来人们已经提出了许多类型的集成透镜，包括菲涅耳透镜(US4,367,916、US4,445,759)和布拉格透镜(US4,262,996、US4,440,468)在内。这些透镜仅在透镜结构的平面(总是平行于衬底)内提供一维聚焦。另一种可能是在端面装配(fabricate)GRIN透镜(US5,719,973)。这些透镜提供二维聚焦，但它们具有圆柱对称性，因此用于光纤相比于用于集成光波导(其典型具有矩形形状)更为合适。将透镜结构与光波导集成在一起的一种方法是在波导的端面上制造透镜形状的凸起。这可以通过选择性地蚀刻包层而留下凸起的芯、然后再将波导材料加热到其软化点(例如采用CO2激光脉冲)使得有角的凸起塌陷为圆形的凸透镜形状来实现。这样的一种结构同样提供了二维聚焦。图2a、2b和2c描绘了现有技术中已知的在集成光波导端面上制造透镜的方法，如US5,432,877中所述。根据该实施例，图2a示出了衬底11(例如硅)、下包层12和上包层14(两包层均包含掺杂硼和磷的二氧化硅)以及芯13(包含掺杂硼、磷和锗的二氧化硅)。波导10的端面在氢氟酸缓冲溶液(buffered hydrofluoric acid solution)中进行蚀刻，该溶液首先蚀刻包层，而留下芯材料的凸起20。最后，将蚀刻后的波导加热到大约1000℃以使芯软化，然后，表面张力使凸起的芯成形，产生了大致呈锥形的透镜21。在US5,432,877和US6,341,189中已将这些化学蚀刻技术示范用于基于石英玻璃的(silica glass-based)波导。但是，它们依赖于包层(例如二氧化硅)和芯(例如掺杂锗的二氧化硅)之间不同的蚀刻速率，在适用范围上受到限制。例如，选择性的化学蚀刻通常不能用于基于聚合物的(polymer-based)集成光波导。另外，由热造成的圆形化处理仅能用于芯材料具有软化点的情况，其排除了非热塑性聚合物和诸如硅与其他半导体的晶体材料。此外，如果想要获得所要求的透镜形状，必须对蚀刻和软化处理进行精确控制。基于化学蚀刻的技术的另一个缺点是仅能在光波导回路片已被切割(dice)之后(切割或者断裂为独立的片)制备该透镜结构。尽管可同时收集和蚀刻大量的片，这仍需要仔细操作和额外的处理步骤。本专利技术涉及一种具有形成图案的上包层并具有一体化透镜结构的集成光波导的制造方法，该方法避免了现有技术存在的上述某些或全部缺点。该一体化透镜包含一曲面，光穿过该曲面而射入自由空间。由于该曲面必须具有一空气交界面，因此必须使任何上包层形成图案，以使至少该曲面不与包层材料接触。本专利技术所述的一体化透镜结构能够在平行于衬底的维度上使光聚焦。如果想要在垂直方向上聚焦，可以使用诸如横向圆柱型透镜的外部透镜。这种构造优于现有技术中已知的需要外部球型或GRIN透镜的其他构造，因为这些构造要求外部透镜在两个维度上进行精确定位。相反，外部的横向圆柱型透镜仅需在垂直方向上精确定位。这在具有一体化透镜结构阵列的器件中尤其有利，该器件可使用一个横向圆柱型透镜来为多个阵列元件提供垂直聚焦。芯的至少一个区域在至少一侧不与包层材料接触较为有利的第二种应用是围绕具有较小弯曲半径的曲线对光进行导引的集成光波导。由于可通过进行急弯来减小器件的底部(footprint)(且因此可在每个衬底上装配更多的器件)，这种情况在集成光波导器件的设计中频繁出现。在不希望被理论约束的情况下，众所周知，将弯曲引入光波导会对导引模式产生干扰，使得它们趋向于从弯曲的侧面泄漏，结果造成光能的损耗。对于大的弯曲半径(也就是渐弯)，这种损耗可以忽略，但是当弯曲半径减小时，达到一个损耗不可接受的点。对于给定的弯曲半径，损耗取决于芯和包层之间的折射率差；折射率差越大(也就是导引模式受到更紧的约束)，该损耗越小。对于单模和多模波本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种用于生产集成光波导的方法，其中，上述集成光波导具有形成图案的上包层，该方法包括以下步骤：ａ）在衬底上沉积芯层，二者之间可以有、也可以没有下包层；ｂ）使所述芯层形成图案以提供光传输元件；ｃ）在所述光传输元件上沉积上 包层；以及ｄ）使所述上包层形成图案以提供至少一个区域，且在上述区域内，所述光传输元件是空气包层的。
【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...
【专利技术属性】
技术研发人员：IA麦克斯维尔，D库库尔吉，R查特尔斯，
申请(专利权)人：RPO私人有限公司，
类型：发明
国别省市：AU[澳大利亚]
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