專利名稱：光學(xué)配線模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新穎的光學(xué)配線模塊，能夠使用采用了橫磁(TM)模光源和長程表面等離子極化激元(long-range surface plasmon polariton )(LR-SPP )的金屬光學(xué)波導(dǎo)來處理超高速和大容量的光學(xué)信號。
該工作得到韓國信息和通信部(Ministry of In formation andCommunication) /信息技術(shù)發(fā)展研究所(Institute for Information TechnologyAdvancement)的IT R&D項(xiàng)目[2006-S-073-01 ，用于便攜顯示器的納米柔性光電PCB模塊]的支持。
背景技術(shù)：
當(dāng)以光學(xué)配線取代傳統(tǒng)的電學(xué)配線時(shí)，除了光學(xué)傳輸媒質(zhì)之外，還需要各種部件，例如將電信號轉(zhuǎn)變成光信號的激光二極管(LD)、驅(qū)動器集成電路(IC)、傳輸光學(xué)信號的光學(xué)波導(dǎo)、將探測到的光學(xué)信號轉(zhuǎn)變回電信號的光電二極管(PD)、和接收器集成電路(IC)。近年來，通過表面發(fā)射光的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)已經(jīng)被廣泛地用作激光器二極管(LD)。垂直腔面發(fā)射激光器具有的優(yōu)點(diǎn)是可以制造二維陣列；可以獲得圓形對稱光束截面；并且可以減少功率消耗。此外，垂直腔面發(fā)射激光器可以在切割芯片之前檢查晶片上的器件是否運(yùn)行正常，并且每單位面積可以制作更多的器件，從而降低制造成本。光學(xué)纖維和介電光學(xué)波導(dǎo)被廣泛地用作傳輸光學(xué)信號的光學(xué)波導(dǎo)。PIN光電二極管(PD)被廣泛地用作光電探測器。例如Si CMOS或者SiGe BiCMOS電路的Si基電路被廣泛地用作驅(qū)動器IC和接收器IC，以降低制造成本。
通常地，為了通過光學(xué)配線傳輸光，使用了光學(xué)纖維或者介電光學(xué)波導(dǎo)。在光學(xué)配線集成模塊中，光學(xué)信號通過由例如玻璃、硅石(silica)、聚合物等的介電材料制成的光學(xué)波導(dǎo)來傳輸。此外，為了獲得緊湊、集成的才莫塊，在各種光學(xué)印刷電路板(PCB)中使用了內(nèi)置光學(xué)波導(dǎo)。盡管主要使用多模光學(xué)波導(dǎo)來增加光學(xué)對準(zhǔn)效率并容易地制造光學(xué)PCB模塊，但是卻難于制造相對較大的內(nèi)置光學(xué)波導(dǎo)，從而其產(chǎn)率相當(dāng)?shù)汀?br> 此外，如今使用的大多數(shù)光學(xué)PCB都使用垂直腔面發(fā)射激光器。垂直腔面發(fā)射激光器或者光電二極管安裝在基板的表面上。在此情形下，既然垂直腔面發(fā)射激光器或者光電二極管垂直地發(fā)射或接收光，所以為了將光連接
至水平安裝在光學(xué)PCB上的光學(xué)波導(dǎo)，就需要將光路改變90。的連接器部件。目前已經(jīng)發(fā)展并使用了不同類型的連接器部件，例如形成在光學(xué)波導(dǎo)端部的45。鏡子和90。彎曲光學(xué)波導(dǎo)塊。然而，仍然沒有可靠的方案，從而需要發(fā)展新的技術(shù)
發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)問題
本發(fā)明目的在于提供一種光學(xué)配線模塊，能夠使用采用了橫磁(TM)模光源和長程表面等離子極化激元(LR-SPP)的金屬光學(xué)波導(dǎo)來處理超高速、大容量的光學(xué)信號。技術(shù)方案
本發(fā)明的一個(gè)方面是提供一種光學(xué)配線模塊，包括光源；和金屬光學(xué)波導(dǎo)，耦合至從光源發(fā)射出的光的橫磁模并使用長程表面等離子極化激元。此外，光源可以包括主要輸出橫磁模的邊發(fā)射光源芯片。光源可以包括主要輸出橫電模的邊發(fā)射光源芯片；和半波片，將從邊發(fā)射光源芯片發(fā)射的橫電模光轉(zhuǎn)變成橫磁模光，以將橫磁模光傳輸至金屬光學(xué)波導(dǎo)。
光源可以包括邊發(fā)射光源芯片，對準(zhǔn)為在基板上旋轉(zhuǎn)90。并主要輸出橫電模。在該情形下，從主要輸出橫電模的光源芯片輸出的橫電模光耦合至處于橫磁模的金屬光學(xué)波導(dǎo)。
光源可以包括主要輸出橫電模的邊發(fā)射光源芯片。此時(shí)，金屬光學(xué)波導(dǎo)安裝為使得條狀金屬配線配置為與基板的平坦表面垂直。
光源可以包括以90。安裝在基板上的面發(fā)射光源芯片。有利的效果
正如從上面可以看出的，設(shè)置根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)配線模塊以處理高速、大容量的光學(xué)信號。因此，可以解決傳統(tǒng)光學(xué)配線模塊的問題，例如，由使用面發(fā)射激光器的光學(xué)配線模塊的90。入射、主動對準(zhǔn)、大的介電光學(xué)波導(dǎo) 的使用等導(dǎo)致的處理困難。此外，可以獲得高產(chǎn)率、緊湊的光學(xué)配線模塊。


本發(fā)明上述的和其它的目標(biāo)、特征和優(yōu)勢將通過下面結(jié)合附圖的詳細(xì)描
述而更加顯而易見。其中
圖1是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)配線模塊的示意性視圖； 圖2是圖1的金屬光學(xué)波導(dǎo)的立體圖3是根據(jù)本發(fā)明第一典型實(shí)施例的光學(xué)配線;漠塊的示意性視圖； 圖4是根據(jù)本發(fā)明第二典型實(shí)施例的光學(xué)配線模塊的示意性視圖； 圖5是根據(jù)本發(fā)明第三典型實(shí)施例的光學(xué)配線模塊的示意性視圖； 圖6是根據(jù)本發(fā)明第四典型實(shí)施例的光學(xué)配線才莫塊的示意性視圖； 圖7是根據(jù)本發(fā)明第五典型實(shí)施例的光學(xué)配線模塊的示意性視圖。 *主要標(biāo)號的描述 10:光源
20:金屬光學(xué)波導(dǎo) 30:光電探測器
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在將參考附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的典型實(shí)施例。描述典型的實(shí)施例，以 便于本領(lǐng)域的技術(shù)人員充分理解本發(fā)明。
圖1是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)配線模塊的示意性視圖。
參考圖1,根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)配線模塊包括光源10;使用長程表面等 離子極化激元(LR-SPP)的金屬光學(xué)波導(dǎo)20極化激元；和光電探測器。
在該實(shí)施例中，傳統(tǒng)的光學(xué)纖維或介電光學(xué)波導(dǎo)被使用長程表面等離子 (LR-SPP)的金屬光學(xué)波導(dǎo)20代替。表面等離子(SP)是電荷密度波，該 電荷密度波被限制并沿著介電常數(shù)的實(shí)數(shù)形式具有相反符號(opposite sign ) 的界面前進(jìn)，并且表面電荷密度振蕩形成縱向表面限制波。此外，當(dāng)自由電 子被入射光電場激發(fā)為與表面等離子耦合振蕩并隨其前進(jìn)時(shí)，得到的消散波 (evanescent wave )就被稱作表面等離子激元(SPP )。例如，表面等離子極 化激元可以在諸如硅石、玻璃等的介電材料與形成在介電材料中的薄金屬層之間的界面產(chǎn)生。然而，由于消散模式的表面等離子極化激元具有虛數(shù)波矢， 所以表面等離子極化激元傳播至預(yù)定的距離，然后消散。此外，由于表面等 離子極化激元可以被引入的光激發(fā)前進(jìn)并在另一個(gè)點(diǎn)重新發(fā)射光，所以表面 等離子極化激元可以用于光學(xué)波導(dǎo)。然而，當(dāng)使用金屬波導(dǎo)時(shí)，金屬介電常 數(shù)的虛部增加會增加金屬中的吸附，從而將表面等離子極化激元的范圍減小 到非常短的長度，例如，幾個(gè)到十幾個(gè)微米，由此難以使用金屬波導(dǎo)作為光 學(xué)波導(dǎo)。為此，大多數(shù)表面等離子或者表面等離子極化激元被應(yīng)用于使用非
常短的距離的光學(xué)傳感器等。然而，由于長程表面等離子極化激元(LR-SPP) 在金屬與介電材料的兩個(gè)界面獨(dú)立地前進(jìn)，隨著金屬厚度t(見圖2)的減小 降低金屬的歐姆電阻損耗及金屬厚度t變得小于兩個(gè)模式的金屬中的穿透距 離，表面等離子極化激元將彼此影響。當(dāng)金屬厚度t小于兩個(gè)模式的金屬中 的穿透距離時(shí)，在每個(gè)界面的表面等離子極化激元變?yōu)轳詈闲纬沙壞Ｊ?(super mode),稱作fano模式(fano mode )。使用該超級模式，理論上可 以將光傳輸無限的距離。盡管根據(jù)金屬中的電場分布將超級模式分為對稱模 式和非對稱模式，但是長程傳輸模式是對稱的模式。通常地，當(dāng)LR-SPP被 光激發(fā)時(shí)，僅僅對稱模式被激發(fā)。此外，由于LR-SPP和SPP形成縱向表面 限制波，所以入射波的電場部分應(yīng)該具有與界面垂直的部分。因此，僅有橫 磁?？梢约ぐl(fā)LR-SPP和SPP。
光源IO用作光傳輸器件，將電信號轉(zhuǎn)變成光信號。光傳輸器件可以包 括例如激光器二極管(LD)的邊發(fā)射光源芯片、面發(fā)射光源芯片等。光源 10電連接至安裝在基板1的表面上的驅(qū)動器IC3。
光電探測器30是將通過金屬光學(xué)波導(dǎo)20傳輸?shù)墓庑盘栔匦罗D(zhuǎn)變成電信 號的器件，并使用光電二極管(PD)等。光電探測器30電連接至安裝在基 板1的表面上的驅(qū)動器IC4。
光源10、金屬光學(xué)波導(dǎo)20。光電探測器30、驅(qū)動器IC3和接收器IC4 可以獨(dú)立地安裝在施加有絕緣層2的基板1上。絕緣層2可以省去，如果需 要，基板1和絕緣層2可以一起省去?；?可以是柔性聚合物基板或者一 些其它材料，而不是固體基板。此外，金屬光學(xué)波導(dǎo)20的介電材料層24可 以由聚合物形成，基板1和絕緣層2也可以由聚合物形成。另外，可以制造 柔性光學(xué)配線板。
圖2是使用圖1的LR-SPP的金屬光學(xué)波導(dǎo)的立體圖。參考圖2,金屬光學(xué)波導(dǎo)20包括光電傳輸LR-SPP波導(dǎo)金屬配線22; 和與LR-SPP波導(dǎo)金屬配線22接觸的介電材料層24。
LR-SPP波導(dǎo)金屬配線22可以具有5-200nm的厚度和0.5-100 |a m的寬 度，以使用該LR-SPP傳輸光信號。因此，LR-SPP波導(dǎo)金屬配線22為帶狀， 具有基本為矩形的截面。
此外，LR-SPP波導(dǎo)金屬配線22可以包括貴金屬，即來自于IB族的元 素、或者其合金。貴金屬族元素包括銅(Co)、銀(Ag)、金(Au)及其合 金，具有優(yōu)良的電導(dǎo)率，并可以容易地導(dǎo)致長程表面等離子極化激元的產(chǎn)生。 在銀(Ag)配線的情形下，介電常數(shù)的吸收系數(shù)低，將減小傳輸損耗，但是 銀配線當(dāng)其表面暴露時(shí)可能褪色。為了防止《艮配線褪色，比^J己線具有更穩(wěn) 定的表面特性的薄金層被沉積在銀配線的上表面上，以形成銀-金沉積的合 金金屬配線，或者薄金層沉積在銀配線的兩個(gè)表面上，以形成對稱的金-銀-金沉積的合金金屬配線。
介電材料層24包括低損耗聚合物。低損耗聚合物，即低損耗光學(xué)聚合 物，通常是指包括例如氟等的卣素或者氘的聚合物，例如氟化聚芳醚 (fluorinated poly arylene ether) ( FPAE )。
圖3是根據(jù)本發(fā)明第一典型實(shí)施例的光學(xué)配線模塊的示意性視圖。
參考圖3，根據(jù)本發(fā)明第一典型實(shí)施例的光學(xué)配線模塊包括光源10a、 使用LR-SPP的金屬光學(xué)波導(dǎo)20、和光電探測器30。光源10a、金屬光學(xué)波 導(dǎo)20、和光電探測器30安裝在基板1的表面上。主要輸出橫磁(TM)模的 光源10a包括邊發(fā)射光源芯片，從邊發(fā)射光源芯片發(fā)射的TM模光直接耦合 至金屬光學(xué)波導(dǎo)20,以被傳輸。
在該實(shí)施例的光學(xué)配線模塊中，為了匹配使用LR-SPP金屬光學(xué)波導(dǎo)20 的光學(xué)配線模塊，使用了主要輸出TM模的光源10a。通過目前使用的光源， 即激光器二極管(LD)作為邊發(fā)射光源芯片，主要輸出橫電(TE)模而不 是TM模。因此，在該實(shí)施例中，張應(yīng)力在外延生長過程中產(chǎn)生，并且輕空 穴具有比重空穴低的能量，由此制造了主要輸出TM模的LD。
圖4是根據(jù)本發(fā)明第二典型實(shí)施例的光學(xué)配線模塊的示意性視圖。
參考圖4，根據(jù)本發(fā)明第二典型實(shí)施例的光學(xué)配線模塊包括主要輸出 TE模的光源10b;半波延遲，即半波片11;使用LR-SPP的金屬光學(xué)波導(dǎo) 20;和光電探測器30。光源10b、半波片11、金屬光學(xué)波導(dǎo)20、和光電探測器30安裝在基板1上。主要輸出TE模的光源可以是TE模振蕩LD，是 邊發(fā)射光源芯片的一種。
該實(shí)施例的光學(xué)配線模塊可以使用主要輸出TE模的LD，代替主要輸 出TM模的LD。在此情形下，半波片11的軸以45。設(shè)置至從TE模振蕩LD 發(fā)射的TE模波的通路，以將光源10b的TE模波轉(zhuǎn)變成可以耦合至金屬光 學(xué)波導(dǎo)20的TM模波。
圖5是根據(jù)本發(fā)明第三典型實(shí)施例的光學(xué)配線模塊的示意性視圖。 參考圖5，根據(jù)本發(fā)明第三典型實(shí)施例的光學(xué)配線模塊包括光源10b, 對準(zhǔn)為在基板上旋轉(zhuǎn)90。并封裝在基板上，且主要輸出TE模；使用LR-SPP 的金屬光學(xué)波導(dǎo)20;和光電探測器30。光源10b、金屬光學(xué)波導(dǎo)20、和光 電探測器30安裝在基板1上。
在該實(shí)施例中，在包括對準(zhǔn)和安裝的封裝過程中，TE模振蕩LD對準(zhǔn) 為旋轉(zhuǎn)90°并封裝在基板1上，LR-SPP金屬光學(xué)波導(dǎo)20的金屬配線的平坦 表面對準(zhǔn)為垂直于LD芯片，由此使得可以將從TE模振蕩LD發(fā)射的光耦 合至處于TM模的金屬光學(xué)波導(dǎo)20。根據(jù)該實(shí)施例，可以以光學(xué)配線模塊的 光源代替TM模振蕩LD。
圖6是根據(jù)本發(fā)明第四典型實(shí)施例的光學(xué)配線模塊的示意性視圖。 參考圖6，根據(jù)本發(fā)明第四典型實(shí)施例的光學(xué)配線模塊包括光源10b, 安裝在基板l的表面上并主要輸出TE模;金屬光學(xué)波導(dǎo)20,具有條狀LR-SPP 金屬配線22，該條狀LR-SPP金屬配線22安裝為與基板1的表面垂直；和 光電探測器30。
在該實(shí)施例的光學(xué)配線模塊中，在包括對準(zhǔn)和安裝的封裝過程中，TE 模LD芯片以常規(guī)的方式使用，金屬光學(xué)波導(dǎo)20中具有矩形截面的條狀金 屬配線22沉積或電鍍?yōu)榕c基板1的表面，即平坦的主表面垂直。因此，從 光源10b發(fā)射的光的電》茲場部分，即入射波，與金屬光學(xué)波導(dǎo)20的界面垂 直地耦合，由此激發(fā)金屬光學(xué)波導(dǎo)20的金屬配線22中的LR-SPP。 圖7是根據(jù)本發(fā)明第五典型實(shí)施例的光學(xué)配線模塊的示意性視圖。 參考圖7，根據(jù)本發(fā)明第五典型實(shí)施例的光學(xué)配線模塊包括面發(fā)射光 源芯片10c,垂直地安裝在基板的平坦表面上；使用LR-SPP的金屬光學(xué)波 導(dǎo)20;和光電探測器30。面發(fā)射光源芯片10c、金屬光學(xué)波導(dǎo)20、和光電 探測器30安裝在基板1上。面發(fā)射光源芯片10c包括垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL )。
在該實(shí)施例的光學(xué)配線模塊中，代替了使用邊發(fā)射LD芯片，從垂直地 安裝在基板上的面發(fā)射光源芯片10c獲得的TM模被用來激發(fā)金屬光學(xué)波導(dǎo) 20中的LR-SPP。
代替?zhèn)鹘y(tǒng)的內(nèi)置光學(xué)纖維或者介電光學(xué)波導(dǎo)，由于長程表面等離子極化 激元金屬光學(xué)波導(dǎo)被用于光信號的傳輸，所以可以簡化光學(xué)波導(dǎo)工藝并增加 產(chǎn)率。此外，具有納米量級厚度和微米量級寬度的金屬光學(xué)波導(dǎo)20的使用 可以用于實(shí)現(xiàn)緊湊、高集成度的納米光學(xué)集成電路。此外，由于使用了TM 模振蕩邊發(fā)射光源和面發(fā)射金屬光學(xué)波導(dǎo)以及垂直腔面發(fā)射激光器，所以不 需要90。的轉(zhuǎn)換對準(zhǔn)，僅需要低成本的手動對準(zhǔn)。此外，由于金屬光學(xué)波導(dǎo) 20的厚度和寬度可以顯著增加，所以可以更容易地對準(zhǔn)光學(xué)配線模塊。
此外，通過使用金屬光學(xué)波導(dǎo)20,無論模的尺寸如何，可以進(jìn)行單模傳 輸，且沒有距離和傳輸速度的限制。換句話說，與單模傳輸相比，可以解決 當(dāng)使用多模光學(xué)波導(dǎo)傳輸光時(shí)的范圍和傳輸速度有限的問題，盡管多模被用 來放大模的尺寸，以方便對準(zhǔn)和其它工藝。
盡管已經(jīng)示出并描述了本發(fā)明的幾個(gè)典型實(shí)施例，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人 員應(yīng)該意識到對這些實(shí)施例可以進(jìn)行各種改變，而不脫離由所附權(quán)利要求及 其等同特征所確定的本發(fā)明的精神和范圍。
權(quán)利要求
1、一種光學(xué)配線模塊，包括光源；和金屬光學(xué)波導(dǎo)，耦合至從該光源發(fā)射的光的橫磁模，并使用長程表面等離子極化激元。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)配線模塊，其中該光源包括主要輸出橫 磁模的邊發(fā)射光源芯片。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)配線模塊，其中該光源包括主要輸出橫 電模的邊發(fā)射光源芯片，和半波片，該半波片用于將從該邊發(fā)射光源芯片發(fā) 射的橫電模光轉(zhuǎn)變成橫磁模光，以將該橫磁模光傳輸至該金屬光學(xué)波導(dǎo)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)配線模塊，其中該光源包括主要輸出橫 電模的邊發(fā)射光源芯片，該邊發(fā)射光源芯片旋轉(zhuǎn)90。，然后在基板上對準(zhǔn)。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)配線模塊，其中該光源是主要輸出橫電 模的邊發(fā)射光源芯片，該金屬光學(xué)波導(dǎo)具有條狀金屬配線，且該條狀金屬配 線安裝為與基板的平坦表面垂直。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)配線才莫塊，其中該光源包括面發(fā)射光源 芯片，該面發(fā)射光源芯片安裝為與基板的表面垂直。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)配線模塊，其中該金屬光學(xué)波導(dǎo)具有金 屬配線，該金屬配線具有5-200nm的厚度和0.5-100 |a m的寬度。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)配線模塊，其中該金屬光學(xué)波導(dǎo)包括與 該金屬配線接觸的介電材料層，且該介電材料層包括低損耗聚合物。
9、 根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)配線模塊，其中該低損耗聚合物包括具 有卣素元素或者氘的聚合物。
10、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)配線模塊，其中該金屬光學(xué)波導(dǎo)具有金 屬配線，該金屬配線由/人金、4艮、銅、它們的合金、和它們的堆疊所構(gòu)成的 組中選擇出的 一個(gè)形成。
11、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)配線模塊，還包括光電探測器，用于接 收通過該金屬光學(xué)波導(dǎo)傳輸?shù)墓狻?br> 全文摘要
提供了一種光學(xué)配線模塊。該光學(xué)配線模塊包括光源，安裝在基板的表面上；金屬光學(xué)波導(dǎo)，耦合至從該光源發(fā)射的光的橫磁模，并使用長程表面等離子極化激元；和光電探測器。該光學(xué)配線模塊具有簡單的結(jié)構(gòu)，使得其可以進(jìn)一步小型化，并且其產(chǎn)率可以增加。
文檔編號G02B6/12GK101523260SQ200780036384
公開日2009年9月2日 申請日期2007年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月29日
發(fā)明者周正振, 樸善澤, 樸承九, 李明鉉, 金振泰, 金珉洙 申請人:韓國電子通信研究院