++集成电路用聚合物光波导材料
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聚合物作为波导材料具有以下优点：可以旋涂在 多种基片上（Si，SiO2 和玻璃等），损耗低（互连距离可
以较大），聚合物中引入微电子和光电子材料后在光 互连、电互连、绝缘体、保护套等方面有很大的应用潜 力，便于加工、具有良好的电学和 机械特性（电阻率 高、介电常数小），重量轻、柔韧性好、电光耦合系数较 高、响应时间短、热损耗小（一般聚合物的热光效应是 硅的 10 倍，硅基光开关功率为 400~500 mW,一般有机 聚合物开光功率小于 5 mW[1）] 、驱动电压小等。
2 各种聚合物材料的性质
聚甲基丙烯酸甲酯在可见光波段透光性好，如图 1 所示[1]，所成波导在 1.3 μm 和 1.55 μm 波长处吸收
36 激光与光电子学进展 2009.07
REVIEW | 综合评述
较大（均位于吸收峰底部），溶解性好，稳定性好，但此 材料玻璃化温度较低。全氘化聚甲基丙烯酸甲酯（dPMMA） 波导在 1.3 μm 波长处损耗小于 0.1 dB/cm， 在 1.55 μm 波长处损耗大于 1.5 dB/cm。含氟基丙烯 酸甲酯 （如 TFPMA 和 TeCEA 的共聚物等） 波导在 1.3 μm 波长处损耗约为 0.1 dB/cm，在 1.55 μm 波长 处损耗小于 0.1 dB/cm，其玻璃化温度（Tg）值较低。
图 1 d-PMMA 与 PMMA 吸收光谱图
含 氟 聚 芳 硫 醚（FPAESI）玻 璃 化 温 度（Tg）可 达 170 ℃（通过交联），所成波导在 1.55 μm 处损耗小于 0.42 dB/cm。含氟聚芳醚热稳定性好（热分解温度在 N2 保护下可达 510 ℃），机械性能好，低吸湿率，近红 外波段投射率高 （在 1.55 μm 处损耗小于 0.2 dB/cm）， 但化学稳定性和剪切性能欠佳。
目前世界上关注的热点是聚硅氧烷，如图 2 所 示[1]。这种材料热稳定性优异（含-Si-O-主链）；近红 外波段透射率高（在 1.3 μm 处损耗小于 0.3 dB/cm， 在 1.55 μm 处损耗小于 0.43 dB/cm）；可通过氟的含 量调节其折射率。
1995 年，Mitsuo Usui 等[2]用氘化聚硅氧烷制作了 单模波导，芯层尺度为 8 μm×8 μm，芯层折射率为 1.5365（1.31 μm），芯层和包层折射率差为 0.3%，波导 损 耗 小 于 0.1 dB/cm （1.31 μm）， 小 于 0.5 dB/cm （1.55 μm）。 1998 年 Ryoko Yoshimura 等 [3] 利 用 d PFMA 制 作 了 单 模 和 多 模 波 导 ， 单 模 波 导 损 耗 为 0.10 dB/cm（1.31 μm），双折射为-5.5×10-6。多模波导 损 耗 小 于 0.02 dB/cm （0.68 μm 和 0.83 μm）， 0.07 dB/cm （1.31 μm）, 但耐热性能不佳 （114 ℃）。 2004 年，S.Kopetz 等[4]利用聚硅氧烷制作了多模波导， 其在 850 nm 处的损耗为 0.05 dB/cm,耐热温度可达 270 ℃，波导尺寸为 70 μm×70 μm，数值孔径为 0.26， 波导层总厚度为 200 μm。2005 年，A.Neyer 等[5]用聚 硅氧烷制作的多模光波导，芯层折射率为 1.43，包层 折射率为 1.41，芯层尺寸为 70 μm×70 μm，数值孔径 为 0.26，其损耗为 0.05 dB/cm（850 nm）, 热 稳 定 性 好 （>250 ℃）。
迄今为止，人们尝试了多种聚合物作为光波导材 料，其中主要有：聚甲基丙烯酸甲酯 （Polymethy1methacrylate，PMMA）及 其 氟 化 物 和 氘 化 物 、环 氧 树 脂、聚苯乙烯（Polystyrene）、聚硅氧烷（Polyorganosilooxane）、交联的苯环丁烷（Benzocy-clobutane, BCB）、 交联的丙烯酸盐聚合物、含氟聚芳硫醚及含氟聚芳 醚、环氧树脂、聚酰亚胺及含氟聚酰亚胺等。
国内目前关注最多的是含氟的聚酰亚胺（f-PI）： 聚 酰 亚 胺（PI）是 通 过 芳 香（脂 肪）二 胺 的 氨 基 进 攻 芳 香（脂肪）二酐上的羧基碳反应生成酰胺键得到。含氟 聚酰亚胺是在标准聚酰亚胺分子结构中引入氟及含 氟取代基得到。f-PI 耐高温（耐热温度可达 380 ℃）， 近 红 外 传 输 损 耗 约 为 0.3 dB/cm （在 1.3 μm 和 1.55 μm 波长上呈现高透明度），其折射率和含氟量 相关（成反比），材料的玻璃化温度高 Tg，介电常数低， 膨 胀 系 数 低 ，溶 解 性 好 ，吸 湿 率（吸 水 性）随 着 含 氟 量 增加而降低，成本低，已商品化。
REVIEW | 综合评述
集成电路用聚合物光波导材料
Polymer Material for Optical Waveguide Used in Integrated Circuit
温昌礼 季家镕 窦文华 宋艳生 （国防科学技术大学 光电科学与工程学院， 湖南 长沙 410073）
Wen Changli Ji Jiarong Dou Wenhua Song Yansheng
表 2 含氟聚酰亚胺材料中国专利
专利名称
含氟聚酰亚胺的制备 方法及其用途
所属机构 江苏大学
专利号 CN1978488
生产含氟聚酰亚胺膜 的方法和设备
株式会社日本触媒 CN1569995
目前，世界上许多公司开发了含氟聚酰亚胺商品， 最典型的是日本电信电话株式会社（NTT）开发 FLU PI，FLU PI-CB 和 FLU PI -PF。图 3 为 FLU PI-PF 的吸收光谱图与 PMDA/TFDB 的比较[1]。图 4 为 PI 膜 透射率与入射波长的关系[7]。可根据光通信的需要选 择不同的商品型号。
Hoechst Celanese Corp. (Somerville, NJ) US4954609
图 2 聚硅氧烷、氟代聚酰亚胺与氘代 PMMA 热失重曲线
Hitachi, Ltd.(Tokyo, JP) & Hitachi Chemical US4760126
Co. Ltd. (Tokyo, JP)
表 1 含氟的聚酰亚胺材料美国专利
所属机构
专利号
Occidenta Chemical Corporation (Niagara US5484879
Falls, NY)
Hitachi Chemical Company, Ltd. (Tokyo,JP) US5401878
Hitachi Chemical Company, Ltd. (Tokyo,JP) US5270438
对于含氟聚酰亚胺的溶剂有两种类型：（1） 极性 高 沸 点 溶 剂 ，包 括 甲 基 吡 咯 烷 酮（NMP）、二 甲 基 乙 酰 胺 （DMAC）（Fluorochem 公司产品）、二甲基甲酰胺 （DMF）、二甲基亚砜（DMSO）；（2）低沸点 溶剂，包括 四 氢 呋 喃（THF）、氯 仿 、丙 酮 、乙 酸 乙 酯 、乙 二 醇 单 四 醚。可作为含氟聚酰亚胺的基底材料有 LiNbO3，玻璃， InP 和 Si 等。
关 键 词 材料；聚合物;有机物;光波导;波导材料
Abstract The waveguide material based on host point of optical interconnection is summarized, and the most suitable materals, fluorinated polyimide and polyorganosilo-oxane, for integrated circuit are introduced. Some basic work for the further research of large scale integration is reviewed.
Key words materials; polymer; organic substance; optical waveguide; waveguide material 中图分类号 TN253 doi：10.3788/LOP20094607.0036
1 引言
近年来，电互连网络高速运转时有限带宽在系统 中 导 致 信 号 失 真 、串 话 、时 钟 歪 斜 、瓶 颈 阻 塞 、有 限 的 I/O 吞吐量和高功耗等固有缺陷，已成为制约计算机 发展的瓶颈问题。光互连具有极高的时空带宽积、高 速、高密度、并行性、无电磁干扰和传输功耗极低等优 点正在某些方面逐渐取代电互连，聚合物光波导以其 方便集成的优势成为研究的热点。
! " College of Opto-Electric Science and Engineering, National University of Defense Technology,
Changsha, Hunan 410073, China
摘 要 针对光互连的热门前沿问题，对目前世界上采用的波导材料进行了总结，并重点介绍了含氟聚酰亚胺和聚 硅氧烷两种集成电路最适用的材料及其研究现状。为进一步开展大规模光路集成做了部分基础研究工作。
2000 年 ，Ray T. Chen 等 [6]制 作 的 聚 酰 亚 胺 波 导 在 850 nm 处的损耗为 0.21 dB/cm。国内大多采用含
Biblioteka Baidu
中国光学期刊网 w w w . optics journal . net 37
REVIEW | 综合评述
氟聚酰亚胺，进行了工作在 1.15 μm 和 1.31 μm 波段 的光波导的大量研究，而对于 850 nm 工作点的光波 导却没有公开的研究成果。表 1 和表 2 为国内外对于 聚酰亚胺的研究取得的成果。
表 3 各国光波导研究的典型代表[7～18]
图 3 FLU PI-PF 与 PMDA/TFDB 吸收光谱图 图 4 PI 膜透射率与入射波长的关系
国家
典型代表
水平
时间
美国
德克萨斯大学
0.156 dB/cm （850 nm）， （45°反射镜）<1.5 dB，（弯 曲波导）10 cm~1 m, （光
2005 栅耦合）输入 90%，输出几 乎为 100%，直线波导可达 45 cm 长
Daikin Industries, Ltd.(Osaka, JP)
US5262515
Nitto Denko K.K.(Osaka, JP)
US5178940
Nitto Denko K.K.(Osaka, JP)
US5165963
Hoechst Celanese Corp. (Somerville, NJ) US4973651
波导材料最基本的要求为：热稳定性与常规制作 工艺相容 （光电集成器件的熔结温度一般在 260 ℃, 短时可能达到 400 ℃[1）] ；单模信道光波导折射率精确 可控；在 1.3 μm，1.55 μm 和 0.85 μm 的波长上损耗 低，在 850 nm 波长处的损耗应在 0.1～0.3 dB/cm。更 为严格的标准是：在 PCB 中的光波导线路长为几十 厘米的情况下，波导传输损耗不能大于 0.1 dB/cm， 并具有良好的固化加工性。
3 聚合物光波导的研究现状
如表 3 所示 ，目 [3，6，8~17] 前，美国、德国、日本的研究 处于世界前列，中国在这方面也取得了不错的成果。 美国德克萨斯大学制作出损耗为 0.156 dB/cm 的聚 合物波导，德国 Elmar Griese 等 制 [11] 作的波导损耗为 0.15 dB/cm， 日 本 Functional Materials Laboratory （实验室）制作了损耗为 0.36 dB/cm 的波导，中国李 金洪等[12]也制作了损耗为 0.59 dB/cm 的波导。从论 文发表的情况来看，全世界近年来在聚合物光波导方 面发表了 500 多篇 SPIE 检索的文章，其中以美国发 表的文章最多，其次为日本、德国等。
德国 Elmar Griese
3 Gb/s ，0.15 dB/cm，（附 2001
以较大），聚合物中引入微电子和光电子材料后在光 互连、电互连、绝缘体、保护套等方面有很大的应用潜 力，便于加工、具有良好的电学和 机械特性（电阻率 高、介电常数小），重量轻、柔韧性好、电光耦合系数较 高、响应时间短、热损耗小（一般聚合物的热光效应是 硅的 10 倍，硅基光开关功率为 400~500 mW,一般有机 聚合物开光功率小于 5 mW[1）] 、驱动电压小等。
2 各种聚合物材料的性质
聚甲基丙烯酸甲酯在可见光波段透光性好，如图 1 所示[1]，所成波导在 1.3 μm 和 1.55 μm 波长处吸收
36 激光与光电子学进展 2009.07
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较大（均位于吸收峰底部），溶解性好，稳定性好，但此 材料玻璃化温度较低。全氘化聚甲基丙烯酸甲酯（dPMMA） 波导在 1.3 μm 波长处损耗小于 0.1 dB/cm， 在 1.55 μm 波长处损耗大于 1.5 dB/cm。含氟基丙烯 酸甲酯 （如 TFPMA 和 TeCEA 的共聚物等） 波导在 1.3 μm 波长处损耗约为 0.1 dB/cm，在 1.55 μm 波长 处损耗小于 0.1 dB/cm，其玻璃化温度（Tg）值较低。
图 1 d-PMMA 与 PMMA 吸收光谱图
含 氟 聚 芳 硫 醚（FPAESI）玻 璃 化 温 度（Tg）可 达 170 ℃（通过交联），所成波导在 1.55 μm 处损耗小于 0.42 dB/cm。含氟聚芳醚热稳定性好（热分解温度在 N2 保护下可达 510 ℃），机械性能好，低吸湿率，近红 外波段投射率高 （在 1.55 μm 处损耗小于 0.2 dB/cm）， 但化学稳定性和剪切性能欠佳。
目前世界上关注的热点是聚硅氧烷，如图 2 所 示[1]。这种材料热稳定性优异（含-Si-O-主链）；近红 外波段透射率高（在 1.3 μm 处损耗小于 0.3 dB/cm， 在 1.55 μm 处损耗小于 0.43 dB/cm）；可通过氟的含 量调节其折射率。
1995 年，Mitsuo Usui 等[2]用氘化聚硅氧烷制作了 单模波导，芯层尺度为 8 μm×8 μm，芯层折射率为 1.5365（1.31 μm），芯层和包层折射率差为 0.3%，波导 损 耗 小 于 0.1 dB/cm （1.31 μm）， 小 于 0.5 dB/cm （1.55 μm）。 1998 年 Ryoko Yoshimura 等 [3] 利 用 d PFMA 制 作 了 单 模 和 多 模 波 导 ， 单 模 波 导 损 耗 为 0.10 dB/cm（1.31 μm），双折射为-5.5×10-6。多模波导 损 耗 小 于 0.02 dB/cm （0.68 μm 和 0.83 μm）， 0.07 dB/cm （1.31 μm）, 但耐热性能不佳 （114 ℃）。 2004 年，S.Kopetz 等[4]利用聚硅氧烷制作了多模波导， 其在 850 nm 处的损耗为 0.05 dB/cm,耐热温度可达 270 ℃，波导尺寸为 70 μm×70 μm，数值孔径为 0.26， 波导层总厚度为 200 μm。2005 年，A.Neyer 等[5]用聚 硅氧烷制作的多模光波导，芯层折射率为 1.43，包层 折射率为 1.41，芯层尺寸为 70 μm×70 μm，数值孔径 为 0.26，其损耗为 0.05 dB/cm（850 nm）, 热 稳 定 性 好 （>250 ℃）。
迄今为止，人们尝试了多种聚合物作为光波导材 料，其中主要有：聚甲基丙烯酸甲酯 （Polymethy1methacrylate，PMMA）及 其 氟 化 物 和 氘 化 物 、环 氧 树 脂、聚苯乙烯（Polystyrene）、聚硅氧烷（Polyorganosilooxane）、交联的苯环丁烷（Benzocy-clobutane, BCB）、 交联的丙烯酸盐聚合物、含氟聚芳硫醚及含氟聚芳 醚、环氧树脂、聚酰亚胺及含氟聚酰亚胺等。
国内目前关注最多的是含氟的聚酰亚胺（f-PI）： 聚 酰 亚 胺（PI）是 通 过 芳 香（脂 肪）二 胺 的 氨 基 进 攻 芳 香（脂肪）二酐上的羧基碳反应生成酰胺键得到。含氟 聚酰亚胺是在标准聚酰亚胺分子结构中引入氟及含 氟取代基得到。f-PI 耐高温（耐热温度可达 380 ℃）， 近 红 外 传 输 损 耗 约 为 0.3 dB/cm （在 1.3 μm 和 1.55 μm 波长上呈现高透明度），其折射率和含氟量 相关（成反比），材料的玻璃化温度高 Tg，介电常数低， 膨 胀 系 数 低 ，溶 解 性 好 ，吸 湿 率（吸 水 性）随 着 含 氟 量 增加而降低，成本低，已商品化。
REVIEW | 综合评述
集成电路用聚合物光波导材料
Polymer Material for Optical Waveguide Used in Integrated Circuit
温昌礼 季家镕 窦文华 宋艳生 （国防科学技术大学 光电科学与工程学院， 湖南 长沙 410073）
Wen Changli Ji Jiarong Dou Wenhua Song Yansheng
表 2 含氟聚酰亚胺材料中国专利
专利名称
含氟聚酰亚胺的制备 方法及其用途
所属机构 江苏大学
专利号 CN1978488
生产含氟聚酰亚胺膜 的方法和设备
株式会社日本触媒 CN1569995
目前，世界上许多公司开发了含氟聚酰亚胺商品， 最典型的是日本电信电话株式会社（NTT）开发 FLU PI，FLU PI-CB 和 FLU PI -PF。图 3 为 FLU PI-PF 的吸收光谱图与 PMDA/TFDB 的比较[1]。图 4 为 PI 膜 透射率与入射波长的关系[7]。可根据光通信的需要选 择不同的商品型号。
Hoechst Celanese Corp. (Somerville, NJ) US4954609
图 2 聚硅氧烷、氟代聚酰亚胺与氘代 PMMA 热失重曲线
Hitachi, Ltd.(Tokyo, JP) & Hitachi Chemical US4760126
Co. Ltd. (Tokyo, JP)
表 1 含氟的聚酰亚胺材料美国专利
所属机构
专利号
Occidenta Chemical Corporation (Niagara US5484879
Falls, NY)
Hitachi Chemical Company, Ltd. (Tokyo,JP) US5401878
Hitachi Chemical Company, Ltd. (Tokyo,JP) US5270438
对于含氟聚酰亚胺的溶剂有两种类型：（1） 极性 高 沸 点 溶 剂 ，包 括 甲 基 吡 咯 烷 酮（NMP）、二 甲 基 乙 酰 胺 （DMAC）（Fluorochem 公司产品）、二甲基甲酰胺 （DMF）、二甲基亚砜（DMSO）；（2）低沸点 溶剂，包括 四 氢 呋 喃（THF）、氯 仿 、丙 酮 、乙 酸 乙 酯 、乙 二 醇 单 四 醚。可作为含氟聚酰亚胺的基底材料有 LiNbO3，玻璃， InP 和 Si 等。
关 键 词 材料；聚合物;有机物;光波导;波导材料
Abstract The waveguide material based on host point of optical interconnection is summarized, and the most suitable materals, fluorinated polyimide and polyorganosilo-oxane, for integrated circuit are introduced. Some basic work for the further research of large scale integration is reviewed.
Key words materials; polymer; organic substance; optical waveguide; waveguide material 中图分类号 TN253 doi：10.3788/LOP20094607.0036
1 引言
近年来，电互连网络高速运转时有限带宽在系统 中 导 致 信 号 失 真 、串 话 、时 钟 歪 斜 、瓶 颈 阻 塞 、有 限 的 I/O 吞吐量和高功耗等固有缺陷，已成为制约计算机 发展的瓶颈问题。光互连具有极高的时空带宽积、高 速、高密度、并行性、无电磁干扰和传输功耗极低等优 点正在某些方面逐渐取代电互连，聚合物光波导以其 方便集成的优势成为研究的热点。
! " College of Opto-Electric Science and Engineering, National University of Defense Technology,
Changsha, Hunan 410073, China
摘 要 针对光互连的热门前沿问题，对目前世界上采用的波导材料进行了总结，并重点介绍了含氟聚酰亚胺和聚 硅氧烷两种集成电路最适用的材料及其研究现状。为进一步开展大规模光路集成做了部分基础研究工作。
2000 年 ，Ray T. Chen 等 [6]制 作 的 聚 酰 亚 胺 波 导 在 850 nm 处的损耗为 0.21 dB/cm。国内大多采用含
Biblioteka Baidu
中国光学期刊网 w w w . optics journal . net 37
REVIEW | 综合评述
氟聚酰亚胺，进行了工作在 1.15 μm 和 1.31 μm 波段 的光波导的大量研究，而对于 850 nm 工作点的光波 导却没有公开的研究成果。表 1 和表 2 为国内外对于 聚酰亚胺的研究取得的成果。
表 3 各国光波导研究的典型代表[7～18]
图 3 FLU PI-PF 与 PMDA/TFDB 吸收光谱图 图 4 PI 膜透射率与入射波长的关系
国家
典型代表
水平
时间
美国
德克萨斯大学
0.156 dB/cm （850 nm）， （45°反射镜）<1.5 dB，（弯 曲波导）10 cm~1 m, （光
2005 栅耦合）输入 90%，输出几 乎为 100%，直线波导可达 45 cm 长
Daikin Industries, Ltd.(Osaka, JP)
US5262515
Nitto Denko K.K.(Osaka, JP)
US5178940
Nitto Denko K.K.(Osaka, JP)
US5165963
Hoechst Celanese Corp. (Somerville, NJ) US4973651
波导材料最基本的要求为：热稳定性与常规制作 工艺相容 （光电集成器件的熔结温度一般在 260 ℃, 短时可能达到 400 ℃[1）] ；单模信道光波导折射率精确 可控；在 1.3 μm，1.55 μm 和 0.85 μm 的波长上损耗 低，在 850 nm 波长处的损耗应在 0.1～0.3 dB/cm。更 为严格的标准是：在 PCB 中的光波导线路长为几十 厘米的情况下，波导传输损耗不能大于 0.1 dB/cm， 并具有良好的固化加工性。
3 聚合物光波导的研究现状
如表 3 所示 ，目 [3，6，8~17] 前，美国、德国、日本的研究 处于世界前列，中国在这方面也取得了不错的成果。 美国德克萨斯大学制作出损耗为 0.156 dB/cm 的聚 合物波导，德国 Elmar Griese 等 制 [11] 作的波导损耗为 0.15 dB/cm， 日 本 Functional Materials Laboratory （实验室）制作了损耗为 0.36 dB/cm 的波导，中国李 金洪等[12]也制作了损耗为 0.59 dB/cm 的波导。从论 文发表的情况来看，全世界近年来在聚合物光波导方 面发表了 500 多篇 SPIE 检索的文章，其中以美国发 表的文章最多，其次为日本、德国等。
德国 Elmar Griese
3 Gb/s ，0.15 dB/cm，（附 2001