用于光电印制电路板_OEPCB_的聚合物光波导的制作

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光通信技术
!""# 年第 $ 期
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用于光电印制电路板 4>1?/)@ 的聚合物光波导的制作
图 " 聚合物光波导测试装置示意图
处理 " 考虑到实际制备高分子波导较厚 4%"5$"!,6 且 均匀的高分子薄膜 ! 大量的试验采用旋涂法制备高分 子薄膜波导 ! 匀胶机转速越高 ! 薄膜 均匀性越好 7 膜厚 主要受匀胶机转速和共聚亚胺酸浓度的控制 ! 即转速 越低 # 浓度越高 ! 制备的薄膜越厚 7 反之转速越高 ! 浓度 越低 ! 制备的薄膜就越薄 " 采用质量分数为 !8" 的聚 合物 !-"""9*,:; 的转速 ! 得到了约 -"!, 厚的均匀薄 膜 " 通过直接垂直堆积多层薄膜结构的方法 ! 经过三 四次甩膜及热处理实现厚膜的制备 " 固化完成后在包 层材料中旋涂一定厚度的芯层聚合物材料 ! 并进行相
图 ! 聚合物光波导的 %&’ 镜面
" 聚合物光波导的测试
光波导的测试是检验所设计 # 制作的光波导的导 光性能的必须过程 " 利用一个带尾纤的 -##!, 的半导 体激光器作为光源 ! 通过光纤连接器将光耦合进拉锥 光纤 ! 之后在显微镜及 //= 摄像机的监视下通过五维 精密微动台将光波耦合进所制作的聚合物光波导 ! 在 另一端通过物镜将输出光斑放大 ! 并利用 //= 对光斑 进行监视 ! 具体的装置如图 $ 所示 "
种材料也有明显的弱点 ! 含氟聚酰亚胺是今年来开发
图 . 集成光波导的 /01 光互连的原理图 收稿日期 $!""$80"80$ 作者简介 $ 付 凯 男 "0DE" 年生 " 硕士研究生
的一种比较理想的光波导用高分子聚合物 ! 通常的聚 酰亚胺为不溶有机物 " 掺氟后有良好的溶解性 ! 适合 波导制备的工艺要求 ! 含氟聚酰亚胺兼有了聚酰亚胺
的耐高温特性和掺氟后的近红外吸收小的特点 ! 耐热 温度可达 %&"! ! 近红外的传输损耗约为 "’%()*+, ! 达 到了实用要求 " 聚酰亚胺的折射率大小 可以通过调 整共聚物的含氟量 ! 从而调节折射率的大小 " 所以波 导芯层和包层都可以采用聚酰亚胺 "
! 含氟聚酰亚胺波导的制备
从图 - 可以看出 ! 为了能使 ./012 发出的光和 波导更容易耦合 ! 波导设计成多模波导 ! 芯层为 $"!, 的正方形 " 考虑到材料的折射率范围 ! 为了便于测试 ! 试验采用玻璃衬底作为基板并同时作为衬底层 " 基板 表面的粗糙度和清洁度对成膜质量影响很大 ! 基板需 经严格的抛光及清洗处理 " 清洗剂包括 3 中性洗剂 # 丙 酮 # 异丙醇和纯酒精 ! 各步均采用超声波清洗 ! 中性洗 剂和丙酮在清洗之后均采用去离子水超声波漂洗 ! 最 后将基板置于干燥箱中烘干 " 采用旋图法成膜 " 将清洁干燥的基板吸附于匀胶 机转台上 ! 将 制 得 的共聚亚 胺 酸 溶 液 适量均匀 地 滴 在 基 板上表面 " 按 照 设 定的转速 及 时 间 旋 转涂胶 " 然 后 进 行
, 引言
计算机内数据的传输与城市交通正好相反 ! 在微 处理器的内核 " 数据以惊人的速率传输 ! 但在微处理 器与微处理器 # 电路板与电路板连接起来的导线所形 成的 %宽阔道路% 上 "数据传输速度非常慢 ! 为了解决 &’( 的瓶颈 " 科技人员提出一些解决办 法 " 其中最有代表性的就是集成聚合物光波导的 )*+ 和 ,-*./ 阵列的光互连 ! 图 0 为集成光波导的 )*+ 光互连的原理图 ! 图中用高速率的光连接技术取代目 前计算机中所采用的铜导线 " 以光子而不是电子为媒 介 " 在电 路板 # 芯 片 甚 至 芯 片 的 各 个 部 分 之 间 传 输 数 据 ! 同时还可以传送传统的数率低的电信号 ! 工作原 理是 1 大规模集成芯片产生的电信号经过驱动芯片作 用于 ,*-./ 激光发生器 "激光束直接或通过透镜传输 到有 $#! 镜面的聚合物波导反射进入波导中 " 然后通 过另一端波导镜面反射传送到 )2 接收 " 再经过接收
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中国科技核心期刊
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付 凯 罗风光 曹明翠 武汉
!华中科技大学 激光技术国家重点实验室
摘要
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芯片转换成电信号传给大规模集成芯片 ! 这样使得芯 片和芯片可以通过光波导高速通信 " 从而整体提高系 统性能 ! 该 )*+ 制作和传统 )*+ 的制作工艺兼容 " 只 是把聚合物波导层当作其中的一层进行叠片而成 ! 本 文将探讨波导材料的选择和波导制作过程 !
已往的各种波导型器件大多采用 -3 基 -3(! 光波 导或者 石英基 -3(! 光波 导结构 " 虽 然具有低 传 输 损 耗 ! 高抗温度变动性能及很好的长期稳定性 " 但制作 工 艺难度大 # 成 本 高 " 其 价 格 不 能 为 大 多 数 用 户 终 端 所接受 ! 而采用高分子聚合物材料 " 通过旋涂薄模 # 聚 合反应 # 光刻 # 反 应 离 子 刻 蚀 等 工 艺 可 制 出 相 应 的 波 导 " 各个工艺过程相对简单 " 且可以大批量生产 " 大幅 度降低成本 ! 最早被考虑应用于广通信领域的高分子 材料聚甲基丙烯酸甲酯 4)5567 虽然在可见 光波段透 光性优异 " 但在近红外波段 " 由于其分子中的 *89 键 振动吸收峰恰巧处于 0:"";< 和 0##";< 处 " 因此其吸 收损耗较大 ! 一种改进的高分子材料是氟代聚甲基丙 烯酸酯和氘代聚甲基丙烯酸酯的共聚物 4=8)>567 " 在
=8)>56 中大部分的 9 被较重的原子 2 和 > 替代 " 构 成 *82 键 和 *8> 键 " 使 得 吸 收 峰 发 生 漂 移 ! 用 =8 )>56 制 备 的 单 模 波 导 的 近 红 外 传 输 损 耗 可 小 于 "! 0=+?@<! 但考虑到光电 )*+ 的制作工艺问题 " 传统的 )*+ 制作工艺是通过叠片而成 " 而光波导作为其中一
层 " 要求波导能够在印制电路板叠片过程当中保持性 能的稳定 ! 为了保证光波导在叠片过程当中没有影响 其 性 能 " 波 导 材 料 必 须 能 够 保 证 在 )*+ 叠 片 过 程
0A"" 和 0#BC?@<! 的压力下保持稳定 ! 而 =8)>56 的 玻璃化温度很低 " 其可耐受的温度不超过 0""" " 故这
图 $ 光刻胶掩膜制作聚合物光波导的工艺
应的烘干及固化处理 " 在芯层上旋涂厚度至少相当于 芯层材料厚度的光刻胶 ! 并进行必要的坚膜 " 然后进 行光刻 ! 显影 " 对光刻成功的样品进行离子刻蚀 ! 控制 输入功率及刻蚀时间以便获得最佳刻蚀效果 ! 一般地 使用 慢 的 刻 蚀 数 率 更 有 利 于 获 得 侧 壁 光 滑 的 聚 合 物 光波导 ! 之后对样品的硅衬底进行解理以获得图 ! 所 示的波导截面 " 由图 - 可知 !./012 发 出的激光是 射 到 波 导 $## 镜面上反射进入波导内传输 " 所以我们使用 <"# 的 . 型金刚石刀切割波导 ! 如图 % "
必要的 烘 干 及 固 化
!!! 光通信技术
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# 结束语
对所制作的聚合物光波导进行了测试 ! 结果证实 所制作的光波导的性能较好 " 由于 >1?/) 在芯片间 传输具有很大优势 ! 其必将成为未来高速传输的主流 方向 ! 聚合物光波导作为 >1?/) 的一个部分 ! 必定越 来越多的人会重视它的研究 " $!"#$%&’()*%
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中图分类号 ’()*)
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文献标识码
- 波导材料的选择