專利名稱：用于低損耗、低串擾光信號路由的集成平面聚合物波導的制作方法
用于低損耗、低串擾光信號路由的集成平面聚合物波導發(fā)明背景 1.發(fā)明領域本發(fā)明涉及在基于互連電路板的系統(tǒng)的背板內的高帶寬通信，更特別地涉及在這 種硬件內用于低損耗、低串擾光信號路由的基于集成平面聚合物波導的結構。2.相關現有技術的說明在服務器、路由器和高帶寬的計算系統(tǒng)中傳輸信息所使用的總比特率多年來穩(wěn)定 地增加且在可預見的將來預期將繼續(xù)增加。常規(guī)地使用電互連，在這些計算系統(tǒng)內的元件 之間傳輸信息。例如，電背板典型地使用高帶寬的串行連接，以加速在卡例如處理器卡、存 儲器卡、I/O卡和類似物上安裝的計算元件之間的通信。盡管多年來串行電互連極好地運 行，但增加的速度和數據系統(tǒng)的復雜性考驗著串行電互連技術的極限。例如，具有高帶寬串 行連接的電背板面對困難的微波工程挑戰(zhàn)，當使用這些連接在高比特率，例如高于lOGbps 下傳輸時。并行的電互連可解決微波工程產生的某些局限，但這些方法要求復雜的空間路 由。一般來說，在這些頻率下的電信號傳送受限于電磁干擾和串擾，以及微波再生、分路和 路由的需求。串行光互連能支持超過lOGbps的比特率。此外，光互連可以改進帶寬_長度積， 消除電磁干擾效應并降低熱成本?？稍谟∷㈦娐钒?PCB)上集成的多模聚合物波導是尤 其令人感興趣的，這至少部分是因為它們提供低的成本和對于高速互連的高效率的解決方 法，同時提供因寬松的對準容限導致的降低的連接成本。有機基官能的硅氧烷基樹脂和 聚合物，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)，在數據通信波長下顯示出低的損耗(在850nm下， 0. 03-0. 05dB/cm)且具有優(yōu)良的機械和熱性質。例如，有機基官能的硅氧烷基樹脂和聚合物 可耐受超過250°C的溫度，該溫度是無鉛焊回流典型地需要的溫度。然而，與常規(guī)的電互連 相比，在串行光互連之間的干擾和串擾需要得到可證實的改進，以避免限制使用光互連形 成的器件的總數據率。盡管市場上現有的電技術在改進電系統(tǒng)性能方面是創(chuàng)新的，但它仍 沒有過多考慮新近出現的光技術解決這些挑戰(zhàn)并產生有競爭價值的提議的得到證實的能 力(尤其在實用的可制造裝置和成本_性能尺度方面)。發(fā)明概述本發(fā)明涉及解決以上列出的一個或多個問題的影響。以下列出了本發(fā)明的簡要概 述，使得提供本發(fā)明一些方面的基本了解。這一概述不是本發(fā)明的窮舉綜述。不打算鑒定 本發(fā)明的關鍵或重要的元件或者描繪本發(fā)明的范圍。其唯一目的是以簡化形式列出一些概 念作為隨后討論的更加詳細說明的序言。在本發(fā)明的一個實施方案中，提供平面波導和形成平面波導的方法。在一個實施 方案中，平面波導包括在基底上形成且彼此鄰近的第一層和第三層。第一層和第三層由具 有第一折射率的第一材料形成。平面波導還包括在第一層和第三層之間的由具有第二折射 率的第二材料形成的第二層，其中第二折射率大于第一折射率。平面波導進一步包括在第 二層內形成的多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導。每一有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導在第二層的一個邊緣上具有輸入端，和在第二層的相同或另一邊緣上具 有輸出端，使得輸入端和輸出端在不同的視線路徑上。形成多個有機基官能的硅氧烷基樹 脂或聚合物波導，使得多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導以約直角相交。附圖簡述可通過參考下述說明，結合附圖理解本發(fā)明，其中相同的參考標記表示相同的元 件，和其中

圖1A和1B在概念上分別闡述了本發(fā)明的平面波導的一個例舉實施方案的截面視 圖和自頂向下的視圖；圖4示出了本發(fā)明的例舉波導，例如圖1A和1B中所示的平面波導的誤比特率圖 表；圖5A和5B示出了本發(fā)明的背對背和波導鏈路的記錄眼圖；圖2在概念上闡述了本發(fā)明的光背板的一個例舉實施方案；圖3在概念上闡述了本發(fā)明的一部分計算系統(tǒng)的一個例舉實施方案，所述部分計 算系統(tǒng)包括光背板，例如圖2所示的光背板。盡管本發(fā)明包括各種改性和可供替代形式，但在附圖中作為例舉示出了本發(fā)明的 具體實施方案，且此處將詳細地描述它們。然而，應當理解，此處具體實施方案的說明不打 算限制本發(fā)明到所公開的特定形式上，相反，意圖是覆蓋落在所附權利要求書定義的本發(fā) 明范圍內的所有改性、等價和可供替代形式上。具體實施方案的詳細說明以下描述了本發(fā)明的例舉實施方案。為了清楚起見，在本說明書中沒有描述實際 裝置的所有特征。當然，要理解，在任何這種實際實施方案的開發(fā)中，應當作出許多執(zhí)行特 定的決定，以實現開發(fā)者的特定目標，例如與系統(tǒng)有關和商業(yè)有關的限制性一致，這些與系 統(tǒng)有關和商業(yè)有關的限制性隨不同的裝置而變化。而且，要理解，這種開發(fā)的努力可能是復 雜和耗時的，但盡管如此，是受益于本發(fā)明公開內容的本領域普通技術人員慣常從事的。參考附圖，描述本發(fā)明。在附圖中示意性描述了各種結構、系統(tǒng)和器件，其目的僅 僅是解釋性的，以沒有用本領域技術人員公知的細節(jié)妨礙本發(fā)明的理解。盡管如此，包括附 圖描述并解釋本發(fā)明的例舉實施例。此處所使用的詞匯和措辭應當理解和解釋為具有與相 關領域的技術人員對這些詞匯和措辭的理解一致的含義。術語或措辭沒有特殊的定義，即 不同于本領域技術人員的通常和常規(guī)含義的定義擬指通過此處一致地使用的術語或措辭 的意思。就術語或措辭擬具有特殊含義，即除了本領域技術人員理解的含義以外的含義這 方面來說，這種特殊的定義將在本說明書中特別列出，其定義方式將直接和毫無疑義地提 供該術語或措辭的特殊定義。圖1A和1B在概念上分別闡述了本發(fā)明的平面波導100的一個例舉實施方案的 截面視圖和自頂向下的視圖。平面波導100的截面視圖表明在基底105上形成平面波導 100。受益于本發(fā)明公開內容的本領域技術人員應當理解，基底105可由各種材料形成，其 中包括硅、玻璃、金屬箔或成形部件，玻璃纖維增強的環(huán)氧電路板(例如，常用于商業(yè)電器 的FR4)和類似物。形成基底105所使用的特定材料是設計選擇的事情，對本發(fā)明來說不是 關鍵的。然后可與基底105鄰近形成第一層110 (它可稱為包包層)。此處所使用的術語 “鄰近”不一定意味第一層110和基底105接觸。在一些實施方案中，第一層110和鄰近基底105可被一層或多層的額外的材料層隔開。第一層110的厚度足以掩蓋底下的基底105 和/或任何中間材料層的表面粗糙度。第一層110還起到形成用于在其上形成的波導的下 光學邊界層和光學緩沖層的作用，這可輔助降低或避免因基底的任何負面的光學性質導致 的損耗。與第一層110鄰近地形成第二層115和多個波導120。在一個實施方案中，波導 120與第一層110直接鄰近地形成，并且在形成波導120之前或之后，獨立于波導120的 形成，形成第二層115。例如，可配制層115，以允許直接光圖案化，使得可直接形成波導 120?；蛘?，可通過在第一層110的上表面上沉積第二層115，然后例如使用常規(guī)的光刻和 /或蝕刻技術，圖案化第二層115，從而形成多個波導120。然后，可通過光刻，并蝕刻第二 層115，形成一個或多個波導120。多個波導120可由有機基官能的硅氧烷基樹脂和聚合 物，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)形成，其在數據通信波長下顯示出低的損耗(在850nm下， 0. 03-0. 05dB/cm)，并且擁有優(yōu)良的機械和熱性能，且可耐受無鉛焊回流技術典型地采用的 超過250°C的溫度。此外，有機基官能的硅氧烷基樹脂和聚合物具有有益的可制備性和性能 優(yōu)點，例如流變性、加工撓性、透明度范圍、粘合性、波導120內鄰近層的折射率的熱系數、 低的應變指數張量元素、和低的雙折射等等。然后可與第二層115和波導120鄰近地形成 第三層125。第三層125可起到保護波導的作用并且平坦化在平面波導100上的表面。盡 管在圖1A中示出了含波導120的單一層115，但受益于本發(fā)明公開內容的本領域技術人員 應當理解，可供替代的實施方案可包括在層115之上或之下形成的波導120的額外層。選擇層110、115、125和波導120的性質，以有助于光信息沿著波導120的傳輸。在 一個實施方案中，選擇形成第一層110和第三層125所使用的材料，以使其折射率低于形成 第二層115所使用的材料。同樣選擇形成第二層115所使用的材料的折射率低于形成波導 120所使用的材料的折射率。平面波導100的自頂向下的視圖描繪了在第二層115內形成的波導120的布置 圖。在所示的實施方案中，平面波導100具有矩形形狀，并且在第二層115內形成波導120， 使得輸入端位于平面波導100的平行和相對側130、135上，而輸出端位于平面波導100的 平行和相對側140、145上。然而，受益于本發(fā)明公開內容的本領域技術人員應當理解，本發(fā) 明不限于其中輸入端位于平面波導100的平行和相對側130、135上而輸出端位于平面波導 100的平行和相對側140、145上的結構。或者，輸入端/輸出端可位于平面波導100的相 同側上和/或彼此正交。優(yōu)選排列它們，使得從輸入端到輸出端沒有直線通過，從而使得該 信號沒有明顯地貢獻于所述直線(以視線形式)，例如施加到輸入端上的光信號不可能沿 著視線路徑直接到達相應輸出端。每一波導120被形成為包括在波導120的輸入端和輸出 端之間約90°的轉向。在所示的實施方案中，選擇彎道以供90°的波導轉向，而不是角反 射器，因為彎道不需要額外的制造步驟?？蛇x擇彎道半徑足夠大，以限制傳播損耗并與沿著 平面波導100的邊緣適配標準MP0帶狀光纖連接器所要求的空間相適應。然而，在可供替 代的實施方案中，可使用其他技術，例如角形反射器，在波導120內進行90°轉向。在波導 120的輸入端和輸出端之間引入90°轉向可提高串擾性能，因為與發(fā)射機同向的散射光不 可能到達接收機。在平面波導100的相對側130、135、140、145上的輸入端和/或輸出端也可在相應
的輸入端和/或輸出端附近沿著與波導方向垂直的方向彼此偏移。在所示的實施方案中，沿著相對側140、145的輸出端被偏移大約距離150，沿著相對側130、135的輸入端被偏移 大約距離155。按照這一方式偏移輸入端和/或輸出端可降低沿著相對側具有輸入端和/ 或輸出端的波導120之間的干擾。還圖案化波導120，使得波導120以約90°的角度相交。 構造波導120，使得以90°發(fā)生的波導交叉可降低相交波導120之間的交叉損耗和誘導串 擾這二者。可用于波導120的路由圖案的一個實例是Manhattan路由圖案。當描述模擬 "Manhattan街道”的布置圖，即包括沿著筆直路徑和以接近直角相交的圖案的布置圖時，在 技術設計(例如CMOS芯片互連)中使用Manhattan結構。在可供替代的實施方案中，布置 圖可利用由板的其他組件指定的路線。例如，對角線(參照板邊緣)路徑可將波導帶出到 某個坐標，然后該路徑可從這一坐標系繼續(xù)幾乎垂直的路徑到一些其他波導以與之交叉。圖2在概念上闡述了光學背板200的布置圖的一個例舉的實施方案。在所示的實 施方案中，光學背板200由多個波導205形成，所述波導205構造為如圖1A和1B描述。光 學背板的所示的實施方案遵守許多布置圖要求，其中包括緊湊的尺寸、可擴展性、與標準多 模帶狀光纖連接器的相容性、低的損耗和低的串擾性能。所制備的背板200容納10塊卡， 并通過常規(guī)的光刻技術在標準FR4基底上圖案化。下部包層具有足夠的厚度以遮蓋底下的 FR4的表面粗糙度，同時頂部包層還起到保護波導且使表面平坦化的作用。使用Disco 321 劃片機，從FR4晶片中切割背板，和使波導刻面暴露。測量最終10塊卡的背板200為10cm 正方形。每一塊卡的界面的輸入端和輸出端由10個波導組組成。PCB-基的10卡背板為矩 形形式且高度僅僅為2. 25個機架單位。采用類似的連接類型(或者鏈路輸入端或者輸出 端)，板上組裝相對的邊緣。因此，每一發(fā)射機與每一接收機通過波導相連，所述波導執(zhí)行一 個90°的轉向，且在背板周圍制備帶狀光纖連接。串擾性能從而被提高，因為與發(fā)射機共向 的任何散射的光不可能到達任何接收機。選擇波導截面為50X50微米，且橫向間隔為250微米，以匹配常規(guī)的帶狀光纖和 標準的VCSEL和光電二極管陣列。90°彎道的半徑為8mm，根據前述測量結果，這對于多模 光纖輸入端來說，所述彎道應當引起約ldB的額外損耗。認為對于光信號的MMF發(fā)射來說， 交叉損耗為約0. OldB/個交叉點。任何通道的交叉點數量取決于鏈路路徑，其中90個交叉 點為最大值。示出了波導交叉點的照片細節(jié)210。應當注意，低的本征波導損耗(0.03dB/ cm)與低的交叉點損耗和低的串擾值一起意味這一結構具有對于較大數量的外部連接的可 擴展性。光學背板200提供能適應太比特/秒總數據率的無源互連。該結構使得能使用在 PCB上的平面聚合物多模波導在10張卡之間無阻塞地通信。盡管成本低，但這種100-通道 的背板顯示出優(yōu)良的路由特征和串擾性能。圖3在概念上示出了一部分計算系統(tǒng)300的一個例舉的實施方案，所述部分計算 系統(tǒng)300包括例如圖2所示的光學背板305。光學背板305與機架安裝的框架通過例如線 路卡310相容，其中所述線路卡310具有與中間帶狀光纖跳線(所述跳線與光學背板相連) 匹配的便宜的板載VCSEL和光電二極管陣列。在所示的實施方案中，使用VCSEL、光學二極 管和帶狀光纖的結合，使線路卡310因此與光學背板305通信耦合。然而，受益于本發(fā)明公 開內容的本領域的技術人員應當理解，本發(fā)明不限于這些耦合線路卡310到光學背板305 上的特定技術。在可供替代的實施方案中，可使用通信耦合線路卡310到光學背板305上 的其他技術。使用50/125微米的標準切割MMF和切割SMF輸入端這二者，研究光學背板的一個實施方案的功率傳輸特征。將850nm的多模VCSEL作為源，同時使用50/125微米MMF，收集 在波導輸出端的發(fā)射光。在輸入端和輸出端這二者處使用折射率匹配凝膠，以增加耦合效 率。每一波導的插入損耗隨鏈路長度和交叉點數量而變化。與SMF發(fā)射相比，多模光纖發(fā) 射將更多功率耦合到較高階的波導模。因此，對于MMF輸入來說，在彎道和交叉點處降低的 耦合效率和較高的傳播損耗導致較大的總體插入損耗值。表1示出了從最好的情形(不具 有交叉點的最短波導)到最差的情形(具有90個交叉點的最長波導)下獲得的插入損耗 變化。表1 使用MMF和SMF發(fā)射記錄的插入損耗范圍和最差情形的串擾值 已進行串擾測量，研究不同輸入類型的性能。結果表明，來自彎道的輻射或者來自 波導交點的交叉耦合對串擾都沒有顯著貢獻-實際上所引起的任何串擾都低于接收機的 靈敏度(_60dBm)。然而，彼此平行運行的波導確實與平行運行的鄰近度和長度成比例地交 叉耦合。最差的情形(長的鄰近的共線波導)對于MMF發(fā)射顯示出低于-32dB的串擾值， 而對于SMF發(fā)射顯示出低于_42dB的串擾值。另外，輸入光纖的未對準導致串擾值稍微增 加-最差的值為_25dB數量級，當輸入光纖未對準，使得光被發(fā)射到波導之間的包覆區(qū)域內 時。使用Anritsu 12. 5Gbps BER測試儀，進行誤比特率(BER)測量。通過231_1PRBS 信號，在IOGbps下直接調制VCSEL源，同時Picometrix光電二極管用作接收機。使用50 微米的多模帶狀光纖，使光信號耦合出入背板。使用SHF 20GHz RF放大器，放大所接收的 電信號。使用數字示波器，記錄所得眼圖。測試數個代表性波導。眼圖表明可忽略不計的 額外的噪聲和脈沖色散。在所有情況下，實現無誤碼傳輸。BER測量表明，對于10-9的誤比 特率來說，有數量級為0. 2dB0的非常小的功率代價。圖2示出了例舉的波導，例如圖IA和 IB所示的平面波導的誤比特率圖表。圖3A和3B示出了背對背和波導鏈路的記錄眼圖。此處所述的波導可由有機基官能的硅氧烷基樹脂和聚合物形成。有機基官能的硅 氧烷基聚合物的一個實例是PDMS。然而，在此處所述的光學背板的實施方案中，可使用其 他有機基官能的硅氧烷基樹脂，形成波導和/或其他層。含環(huán)氧基的有機基聚硅氧烷樹脂 (A)的一個實例用下述硅氧烷單元式表示(R1R2R3SiOl72) a (R4R5SiO272) b (R6SiO372) c (SiO472) d，其中R1、R2、R3、R4、R5和R6是選自具有1_6個碳原子的單價脂族烴基的有機基團， 具有6-10個碳原子的單價芳族烴基，和含環(huán)氧基的單價烴基；一個分子含有2-50mol%具 有含環(huán)氧基的單價烴基的硅氧烷單元；大于14mol%的所有有機基團是具有6-10個碳原子 的單價芳族烴基；且滿足下述條件a+b+c+d = 1 ；“a”平均滿足下述條件0彡a < 0. 4 ;b 平均滿足下述條件0 < b < 0. 5，c平均滿足下述條件0 < c < 1 ;d平均滿足下述條件 0 < d < 0. 4，且b和c通過下述條件關聯0. 1彡b/c彡0. 3 ；其中a、b、c和d表示對于其中這些摩爾單元之和等于1的情況來說每一硅氧烷單元的平均摩爾數。換句話說，這些符 號示出了在一個分子內的每一硅氧烷單元的平均mol%或份額；因此(a+b+c+d) = 1。由于 這一組分含有環(huán)氧基，因此它可在光聚合引發(fā)劑(B)存在下，通過用活性能量射線，例如紫 外線輻照，從而快速地固化。含環(huán)氧基的有機基聚硅氧烷樹脂㈧含有(R4R5 Si02/2)和(R6SiOv2)作為必不可少 的單元。然而，視需要，該樹脂可含有任意的結構單元(R1R2R3SiCV2)和(Si04/2)。換句話說， 含環(huán)氧基的有機基聚硅氧烷樹脂可由下式所示的單元組成(R4R5SiO272)b(R6SiO372)c(R1R2R3SiOl72) a (R4R5SiO272) b (R6SiO372) c(R4R5SiO272) b (R6SiO372) c (SiO472) d(R1R2R3SiOl72) a (R4R5SiO272) b (R6SiO372) c (SiO472) d，若(R1R2R3SiOv2)單元的含量太高，則含環(huán)氧基的有機基聚硅氧烷樹脂的分子量 下降，并出現下述條件0彡a< 0.4。若在這一條件下引入(Si04/2)單元，則含環(huán)氧基的 有機基聚硅氧烷樹脂(A)的固化體可能變得非常硬且脆。因此，推薦提供下述條件0 ^ d < 0.4，優(yōu)選0彡d < 0.2，和甚至更優(yōu)選d = 0。必不可少的結構單元(R4R5Si02/2)和 (R6SiO372)的摩爾比b/c應當大于0.01和優(yōu)選小于0.3。在這些范圍以外，生產前述含環(huán)氧 基的有機基聚硅氧烷樹脂(A)伴隨形成不可溶副產物，或者通過固化該組合物獲得的固化 體的韌性易于下降且生成裂紋，以及強度和彈性顯著下降。推薦摩爾比b/c應當大于0. 01 但小于0. 25，和優(yōu)選在0. 02-0. 25范圍內。由于含環(huán)氧基的有機基聚硅氧烷樹脂(A)含有 (R4R5SiO272)和(R6SiOv2)作為必不可少的單元，因此該分子結構可主要在支鏈、網狀和三維 之間變化。前述具有1-6個與硅鍵合的碳原子的單價飽和脂族烴基可用下述基團代表甲 基、乙基、丙基、丁基、己基或類似的單價飽和脂族烴基；和乙烯基、烯丙基、己烯基或類似單 價不飽和脂族烴基。具有6-10個碳原子的與硅鍵合的單價芳族烴基可用苯基、甲苯基、二 甲苯基和萘基代表?？赏ㄟ^改變單價烴基的類型，調節(jié)折射率，其中折射率是本發(fā)明材料的重要的光 學性能。若主要的取代基包括單價脂族烴基，例如甲基，則折射率可容易地小于1.5。若主 要取代基包括單價芳族烴基，例如苯基，則折射率可容易地使單價飽和脂族烴基包括甲基， 和前述單價不飽和芳族烴基包括苯基。在單價不飽和脂族烴基的情況下，推薦使用乙烯基。推薦在組分(A)中，大于15mol%，優(yōu)選大于20mol%和甚至更優(yōu)選大于25mol%的 所有有機基團包括單價芳族烴基。若單價芳族烴基的含量低于推薦下限，則由該組合物獲 得的固化體將具有在通信波長范圍內降低的透光率。這也將導致韌性下降且可在固化體內 形成裂紋。在組分(A)中，具有含環(huán)氧基的單價烴基的硅氧烷單元應當占所有硅氧烷單元的 2-50mol %，優(yōu)選10-40mol %，和甚至更優(yōu)選15-40mol %。若前述硅氧烷單元的含量低于 2mol%，則這會導致在組合物固化過程中交聯度下降。結果，所得透光組分不會充分地硬。 另一方面，若前述單元的含量超過50mol%，則該固化體將具有降低的透光率和低的耐熱 性。推薦在前述含環(huán)氧基的單價烴基中可獲得的環(huán)氧基與硅不具有直接的連接，和通過亞 烷基進行與硅原子的連接。
以下給出了一些實例3-(環(huán)氧丙氧基)丙基 2"(環(huán)氧丙氧基羰基)丙基 2-(3，4-環(huán)氧基環(huán)己基)乙基
2-(4-甲基-3，4-環(huán)氧基環(huán)己基)丙基，和 可通過本領域已知的方法，制備前述含環(huán)氧基的有機基聚硅氧烷樹脂。例如，可 采用下述方法其中共水解和縮合化學式為R4R5SiCi2的硅烷和化學式為R6SiCi3的硅烷的 方法；其中共水解和縮合化學式為R4R5SiCl2的硅烷、化學式為R6SiCl3的硅烷和化學式為 R^'R'SiCl的硅烷的方法；其中共水解和縮合化學式為R4R5SiCl2的硅烷、化學式為R6SiCl3 的硅烷和化學式為SiCl4的硅烷的方法；其中共水解和縮合化學式為R4R5SiCl2的硅烷、化 學式為R6SiCl3的硅烷、化學式為Rif^I^SiCl的硅烷和化學式為SiCl4的硅烷的方法；和其 中共水解并縮合其中與硅鍵合的氯原子被甲氧基或乙氧基取代的硅烷的方法(其中r2、R3、 R4、R5和R6是選自具有1-6個碳原子的單價脂族烴基，具有6-10個碳原子的單價芳族烴基， 和含環(huán)氧基的單價烴基中的有機基團)。另一可采用的方法由下述步驟組成通過共水解和縮合二甲基二氯硅烷和苯基三 氯硅烷的混合物或者二甲基二氯硅烷、甲基三氯硅烷和苯基三氯硅烷的混合物，使該反應 體系成堿性，在添加含環(huán)氧基的有機基三烷氧基硅烷例如3-(環(huán)氧丙氧)丙基三甲氧基硅 烷之后進行縮合反應，從而提供其中環(huán)氧基例如3-(環(huán)氧丙氧)丙基鍵合到硅上的甲基苯 基聚硅氧烷，生產含硅烷醇的甲基苯基聚硅氧烷樹脂。在平均單元式(1)中，可通過起始硅 烷的用量及其摩爾比調節(jié)a、b、c和d的數值。前述有機基聚硅氧烷樹脂可具有保留在硅原子上的一些殘留的烷氧基和羥基。這 些基團的含量可取決于制備方法和制備條件。這些取代基可影響前述有機基聚硅氧烷樹脂 的儲存穩(wěn)定性并降低該有機基聚硅氧烷樹脂的固化體的熱穩(wěn)定性。因此，需要盡可能限制 這些基團的形成。例如，可在微量氫氧化鉀存在下，加熱有機基聚硅氧烷，從而引起脫水和 縮合反應或者脫醇和縮合反應，從而降低前述取代基的含量。推薦前述取代基的含量不大 于硅原子上所有取代基的2mol %，和優(yōu)選不大于lmol %。對本發(fā)明來說，不特別限制適合于引發(fā)含環(huán)氧基的有機基聚硅氧烷(A)光聚合的 光聚合引發(fā)劑(B)。這一組分的實例可包括锍鹽、碘鐺鹽、硒鐺鹽、鱗鹽、重氮鹽、對甲苯磺酸 鹽、三氯甲基取代的三嗪，和三氯甲基取代的苯。有機溶劑(C)不是必不可少的組分，但若 在模塑含環(huán)氧基的有機基聚硅氧烷樹脂(A)的溫度下為固態(tài)或者為高度粘稠液體，則可要 求有機溶劑(C)。若將含環(huán)氧基的有機基聚硅氧烷樹脂(A)形成為膜，則也可要求它。若 光聚合引發(fā)劑(B)在含環(huán)氧基的有機基聚硅氧烷樹脂(A)內不溶解，則也可要求有機溶劑 (C)。對有機溶劑(C)的類型沒有特別限制，只要含環(huán)氧基的有機基聚硅氧烷樹脂(A)和光 聚合引發(fā)劑⑶這二者在這一溶劑內可溶即可。然而，推薦使用沸點在80°C-20(TC的溫度 范圍內的溶劑?；钚阅芰可渚€可固化的有機基聚硅氧烷樹脂組合物的實施方案包括100重量份 含環(huán)氧基的有機基聚硅氧烷樹脂(A)，0. 05-20重量份光聚合引發(fā)劑(B)，和0-5000重量份 有機溶劑(C)。若組分(A)是液體或者若組分(A)和⑶具有非常良好的混溶性，則可不要 求組分(C)。若組分(B)的用量小于0.05重量份，則不可能固化該組合物到充足的程度。 另一方面，若組分(B)的用量超過20重量份，則所得材料可因存在殘留催化劑導致具有不 可接受的光學特征。此外，若組分(C)的用量超過5000重量份，則在以下所述的制備透光 組件中難以獲得良好質量的薄膜。組分(C)的最佳量可隨組分(A)和⑶的用量、狀態(tài)和 溶解度而變化。然而，一般地，其使用量為1-1000重量份，優(yōu)選1-500重量份。通常，當活性能量射線可固化的有機基聚硅氧烷樹脂組合物擬用于制備膜或透光 元件形式的固化體時，它以在25°C下粘度為20-10，OOOmPa. s的液體形式使用。在該粘度的 推薦范圍以外，組合物將難以處理，且難以獲得光學可接受的薄膜?？赏ㄟ^改變單價脂族烴基(典型地甲基)和單價芳族烴基(典型地苯基)(它們 構成含環(huán)氧基的有機基聚硅氧烷樹脂(A)的取代基)的摩爾比，精確地調節(jié)由本發(fā)明的活 性能量射線可固化的樹脂組合物生產的固化體的折射率。單價芳族烴基比例增加會增加折 射率，而單價脂族基團的份額增加會降低折射率。當活性能量射線可固化的有機基聚硅氧烷樹脂組合物用于制備光波導時，擬用于 芯部分的有機基聚硅氧烷樹脂的固化體應當具有比擬用于包覆部分的有機基聚硅氧烷樹 脂的固化體高的折射率。因此，擬用于芯部分的有機基聚硅氧烷樹脂組合物應當具有比擬 用于包覆部分的有機基聚硅氧烷樹脂組合物高的單價芳族烴基含量。鑒于上述情況，可使 用分離方法分開用于芯部分和包覆部分的兩種不同類型的有機基聚硅氧烷樹脂，使得維持 它們在不同的摩爾比下，和/或使用不同的混合比混合前述有機基聚硅氧烷的混合方法。透光組件包括通過在光聚合引發(fā)劑(B)存在下固化含環(huán)氧基的有機基聚硅氧烷 樹脂(A)獲得的固化體，它具有優(yōu)良的形狀維持性能，而與其以常規(guī)的膜或薄膜形式制備 無關。更具體地，這一材料的硬度和彈性使得不允許該材料容易地變形。此外，該材料不具 有任何可視的裂紋或翹曲。此外，在可見光范圍內，該材料排除反射并提供幾乎等于100% 的透光率。在采用偏振元件的測量中，前述材料使得可降低復合折射率到可忽略不計的小 數值，因為該材料對偏振光不敏感。當加熱該材料時，它保持其起始形狀一直到260°C，和重量變化因子保持低于1 %。因此，可認為本發(fā)明的透光組件的耐熱性高于作為氟化聚甲基丙 烯酸甲酯樹脂的這種光學熱塑性材料。此處所述的透光組件可用于無源系統(tǒng)元件和有源系統(tǒng)元件這二者。以下是這種應 用的實例非分支型光波導，波分復用器[WDM]，分支光波導，光學粘合劑或類似的無源透 光元件，光波導開關，光學衰減器，和光學放大器或類似的有源光傳輸元件。下述說明涉及制備含環(huán)氧基的有機基聚硅氧烷樹脂(A)的固化體形式的透光組 件的方法，所述固化體通過在光聚合引發(fā)劑存在下輻照前述樹脂(A)而生產。通過包括以 下所述的步驟1)和2)的方法，制備前述透光組件。在步驟1)中，將活性能量射線可固化 的有機基聚硅氧烷樹脂組合物均勻地鋪展在基底表面上，和視需要通過干燥或加熱除去溶 劑(C)，于是形成由含環(huán)氧基的有機基聚硅氧烷樹脂(A)和光聚合引發(fā)劑(B)組成的均勻厚 度的薄膜。用于這一目的的基底應當具有光滑的表面且對溶劑、活性能量射線和熱穩(wěn)定。 這種基底的實例包括硅片、玻璃、陶瓷和耐熱塑料。通常通過旋涂施加該組合物，然后在 30°C-12(TC的溫度下加熱。在步驟2)中，通過用活性能量射線輻照，固化所得薄膜?；钚?能量射線可包括紫外線、電子束或其他輻射線。從低成本和高穩(wěn)定性角度考慮，優(yōu)選使用紫 外射線。紫外輻射線的來源可包括高壓汞燈、中壓汞燈、Xe-Hg燈或深UV燈。輻射線的用 量應當在100-8000mJ/cm2范圍內。對于一些類型的活性能量射線可固化的有機基聚硅氧 烷來說，僅僅使用活性能量射線輻射可能是不足的。在這一情況下，可要求加熱(下文稱為 “后加熱”)，以完全固化該薄膜。后加熱溫度范圍應當為50-200°C。因此，通過1)施加活性能量射線可固化的有機基聚硅氧烷樹脂組合物到基底上， 2)用活性能量射線例如紫外線輻照所施加的活性能量射線可固化的有機基聚硅氧烷樹脂 組合物，和視需要對該組合物進行后加熱，從而生產在所指定波長范圍內透光率高的透光 組件。視需要，可通過從基底上剝離掉涂層以單獨的膜形式生產該材料。可通過重復步驟 1)和2)，生產光波導(它是光傳輸組件應用的一個典型實例)。以下給出了制備光波導的 一個典型實例。首先，通過在基底上旋涂，施加用于包包層的活性能量射線可固化的有機基聚硅 氧烷樹脂組合物，和通過用活性能量射線輻照，固化該施加的材料，形成下部的包包層。接 著，通過在下部包包層上旋涂，施加用于芯層的活性能量射線可固化的有機基聚硅氧烷樹 脂組合物，視需要，使芯層成形以賦予其所需形狀，然后固化形成折射率大于包包層的固化 的芯層?？商幚硇緦佑靡再x予它所需的形狀，例如用于圖案化?？赏ㄟ^將芯層經所畫的掩 膜暴露于活性能量射線下，和視需要隨后加熱，形成這一形狀，并通過用有機溶劑溶解，除 去未曝光的區(qū)域。推薦這一溶劑包括溶劑(C)。采用特意用于包覆的活性能量射線可固化 的有機基聚硅氧烷樹脂組合物，涂布前述芯層或者圖案化的芯層和下部的包包層的表面， 和在組合物固化并完成上部包包層的形成之后，生產具有包包層_芯層-包包層結構的薄 膜類型的光波導。類似于前面所述的工序，可從基底上剝離掉所得涂層，形成薄膜類型的光波導。此 外，下部的包包層也可從基底上剝離掉?？稍趩为毜陌鼘由闲纬尚碌男緦樱缓笥蒙喜堪?包層涂布，于是可形成另一薄膜類型的光波導。擬用于芯的活性能量射線可固化的有機基 聚硅氧烷樹脂組合物的固化體的折射率應當大于由用于包覆的活性能量射線可固化的有機基聚硅氧烷樹脂組合物生產的固化體。視需要，可使用溶劑流延方法來替代旋轉施加活 性能量射線可固化的有機基聚硅氧烷樹脂組合物?？稍赪atanabe等人(W02005/056640A1)中找到額外的細節(jié)和實例，在此通過參考 全文引入。以上公開的特定的實施方案僅僅是闡述性的，因為可用對受益于本發(fā)明公開內容 的本領域技術人員來說顯而易見的、不同但相當的方式改性和實踐本發(fā)明。此外，沒有意圖 限制本發(fā)明到此處所示的結構或設計細節(jié)上，本發(fā)明的范圍通過以下所述的權利要求書限 定。因此，顯而易見的是，可改變或改性以上公開的特定實施方案，且所有這些變化被視為 在本發(fā)明的范圍內。因此，此處尋求的保護范圍列在以下的權利要求書中。
權利要求
一種裝置，它包括在基底上形成且彼此鄰近的第一層和第三層，其中第一層和第三層由具有第一折射率的第一材料形成；在第一層和第三層之間形成的第二層，其中第二層由具有第二折射率的第二材料形成，其中第二折射率大于第一折射率；和在第二層內和在由鄰近的第一層和第三層確定的平面內形成的多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導，其中每一有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導在第二層的一個邊緣上具有輸入端，和在第二層的一個邊緣上具有輸出端，使得輸入端和輸出端在不同的視線路徑上，形成多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導，使得多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導以約直角相交。
2.權利要求1的裝置，其中多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導包括根據 Manhattan路由圖案路由設計的多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導。
3.權利要求1的裝置，其中多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導中的每一個 包括在輸入端和輸出端之間的基本上90°的彎道。
4.權利要求1的裝置，其中在與輸入端鄰近的相應的有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚 合物波導的方向垂直的方向上，在第二層的相對邊緣上的輸入端彼此偏移。
5.權利要求1的裝置，其中在與輸出端鄰近的相應的有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚 合物波導的方向垂直的方向上，在第二層的相對邊緣上的輸出端彼此偏移。
6.權利要求1的裝置，其中構造輸入端和輸出端，以耦合到帶狀光纖跳線上。
7.一種方法，該方法包括在基底上且彼此鄰近地形成第一層和第三層，其中第一層和第三層由具有第一折射率 的第一材料形成；在第一層和第三層之間形成第二層，其中第二層由具有第二折射率的第二材料形成， 其中第二折射率大于第一折射率；和在第二層內和在由鄰近的第一層和第三層確定的平面內形成多個至少一種有機基官 能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導，每一聚合物波導具有在第二層的一個邊緣上的輸入端和 在第二層的一個邊緣上的輸出端，使得輸入端和輸出端在不同的視線路徑上，形成多個聚 合物波導，使得多個聚合物波導以約直角相交。
8.權利要求7的方法，其中形成多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導包括形 成多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導，使得根據Manhattan路由圖案路由設計 多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導。
9.權利要求7的方法，其中形成多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導包括形 成多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導，使得多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或 聚合物波導中的每一個包括在輸入端和輸出端之間的基本上90°的彎道。
10.權利要求7的方法，其中形成多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導包括 形成多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導，使得在與輸入端鄰近的相應的聚合物 波導的方向垂直的方向上，在第二層的相對邊緣上的輸入端彼此偏移。
11.權利要求7的方法，其中形成多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導包括形成多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導，使得在與輸出端鄰近的相應的有機基 官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導的方向垂直的方向上，在第二層的相對邊緣上的輸出端 彼此偏移。
12.權利要求7的裝置，包括形成輸入端和輸出端，使得它們可耦合到帶狀光纖跳線上。
13.通過包括下述步驟的方法形成的平面波導在基底上且彼此鄰近地形成第一層和第三層，其中第一層和第三層由具有第一折射率 的第一材料形成；在第一層和第三層之間形成第二層，其中第二層由具有第二折射率的第二材料形成， 其中第二折射率大于第一折射率；和在第二層內和在由鄰近的第一層和第三層確定的平面內形成多個有機基官能的硅氧 烷基樹脂或聚合物波導，每一有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導具有在第三層的一 個邊緣上的輸入端和在第三層的一個邊緣上的輸出端，使得輸入端和輸出端在不同的視線 路徑上，形成多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導，使得多個聚合物波導以約直 角相交。
14.通過權利要求13的方法形成的平面波導，其中形成多個有機基官能的硅氧烷 基樹脂或聚合物波導包括形成多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導，使得根據 Manhattan路由圖案路由設計多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導。
15.通過權利要求13的方法形成的平面波導，其中形成多個有機基官能的硅氧烷基樹 脂或聚合物波導包括形成多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導，使得多個有機基 官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導中的每一個包括在輸入端和輸出端之間的基本上90° 的彎道。
16.通過權利要求13的方法形成的平面波導，其中形成多個有機基官能的硅氧烷基樹 脂或聚合物波導包括形成多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導，使得在與輸入端 鄰近的相應的有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導的方向垂直的方向上，在第二層的 相對邊緣上的輸入端彼此偏移。
17.通過權利要求13的方法形成的平面波導，其中形成多個有機基官能的硅氧烷基樹 脂或聚合物波導包括形成多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導，使得在與輸出端 鄰近的相應的有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導的方向垂直的方向上，在第二層的 相對邊緣上的輸出端彼此偏移。
18.通過權利要求13的方法形成的平面波導，包括形成輸入端和輸出端，使得它們可 耦合到帶狀光纖跳線上。
全文摘要
本發(fā)明提供平面波導。在一個實施方案中，平面波導包括在基底上且彼此鄰近地形成的第一層和第三層。第一層和第三層由具有第一折射率的第一材料形成。平面波導還包括在第一層和第三層之間形成的第二層，其中第二層由具有第二折射率的第二材料形成，其中第二折射率大于第一折射率。該平面波導進一步包括在第二層內形成的多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導。每一有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導在第二層的一個邊緣上具有輸入端和在第二層的一個邊緣上具有輸出端，使得輸入端和輸出端在不同的視線路徑上。形成多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導，使得多個有機基官能的硅氧烷基樹脂或聚合物波導以約直角相交。
文檔編號G02B6/125GK101878441SQ200880118222
公開日2010年11月3日 申請日期2008年11月21日 優(yōu)先權日2007年11月30日
發(fā)明者A·旺福, I·懷特, J·德格魯特, J·比爾斯, N·巴米達吉斯, R·佩蒂, T·科拉普 申請人:陶氏康寧公司;劍橋企業(yè)有限公司