一般认为低制作成本内建光导波路晶片（chip）的光耦合器（coupler）模组（module）与WDM模组，是光纤到家（Fiber To The Home；FTTH）能否普及化的关键性指标之一，因此日本OMRON在2004年第三季，推出利用树脂材料与模具转印方式，制作内建光导波路晶片的光学耦合器模组与WDM模组。

利用光学平版印刷（photo lithography）与蚀刻（etching）技术构成的模具转印加工方式，制成的光导波路晶片制作成本只有传统加工方式的1/10，该技术除了光学元件之外，还可以制作可挠式薄膜（film）光导波路，这意味着利用光线在电路基板内进行全光学的信号传输，不再是遥不可及的梦幻。

开发经纬

(图一)是利用树脂材料与具备图案（pattern）转印功能的模具，制成的大小只有10×2.5×2mm的光导波路晶片（chip）实际外观，这种可廉价大量复制聚合体（polymer ）光导波的技术称为SPICA（Stacked Polymer Optical IC/Advanced）。根据OMRON表示，一片6吋基板可取样数量高达数百个以上，也就是说SPICA技术同时具备量产性与低成本两种特征。以FTTH使用的1310nm与1550nm波长而言，聚合体光导波晶片的传输损失分别是0.2dB/cm与0.5dB/cm左右。

《图一 已转印光导波路图案的玻璃基板》

(表一)是封装后的模组光学特性，根据测试结果显示1×8光耦合模组的插入损失，波长1310nm时平均是10.0dB；波长1550nm平均是10.4dB；8埠（port）之间的插入损失差最大可作0.7dB均匀分歧，若扣除9.0dB的原理损失，上述两波长的过剩损失分别是1.0dB与1.4dB。虽然树脂造成的吸收损失与光纤之间的结合损失具有支配性，不过实际上core造成的漏光损失，与core形状不均造成的损失却非常小，这表示光导波路的形状性非常良好。有关树脂材质光导波路的耐环境特性，依照Telcordia规范测试结果显示，温度85℃，湿度85％环境下保存2000小时后的插入损失变动量低于0.3dB。由于模具复制面的平坦度高达1μm，因此可以获得无漏光单模用光导波路chip。 (图二)是应用上述SPICA技术制成的弯曲半径1mm，100万次反覆曲折的可挠式薄膜（film）状光导波路外观。

《图二 可挠式薄膜光导波路 》

(图三)的光导波路是利用材料之间折射率差异特性，将光线收敛至core内并引导到预定位置的回路，它相当于电路基板的导线；(图四)是利用玻璃基板将树脂材质的core与clad挟持，构成的复制聚合物光导波路。

《图三 转印已经光导波路图案的玻璃基板》

虽然传统的石英材质光导波路具备低光信号损失与不易劣化等优点，不过复杂的高温制程与居高不下的制作成本，却是光导波路却成为普及化最大障碍之一；相较之下聚合物光导波路的加工性、制作成本、可挠性以及树脂材料的选择性则具有绝对优势，虽然树脂材料的光信号损失，与水气、紫外线、高温造成的劣化性略低于石英，不过实际应用时并未构成困扰。

以往树脂材料光导波路基于高精度要求，大多采用与半导体同等级的RIE（Reactive Ion Etching）复杂制程，加上晶圆（wafer）的取样数有限，所以无法一直提供大量低价的光导波路，进而造成树脂材料光导波路迟迟进入实用化阶段。

《图四 光coupler模块的功能与结构》

如(图五)所示，根本解决对策是利用设有光导波路图案（pattern）的模具，转印制作树脂材质光导波路，如此便可以满足数量众多的取样需求，同时还能够大幅降低制作成本。为获得高平坦精度的光导波路光学特性，直径Φ150mm基板内core的形状精度为1μm，因为模具的平坦度不佳的话，树脂会从上/下方clad层的介面溢出形成凹凸状，进而造成光线泄漏到core外部变成光信号损失。

(图六)是利用显微镜观察上述模具复制，获得的树脂材质光导波路core封闭光线状态，根据实际观察结果显示core可以完成封闭光线，例如使用W5.25μm×H5.25μm，比折射率差为0.44 ％core的光耦合器模组晶片，core形状完全无崩塌现象，core周围也没有任何树脂残渣，而且从出射光强度观之，出射光的强度峰值非常集中，依此判断它是单模导波。

《图五 传统与转印方式制作光导波路图案的制程比较》

模具特性

如上所述传统转写复制（imprint）技术制作的core周围，亦即上/下方clad层的介面不允许残留树脂，或是core形状发生崩塌现象，加上单模光导波路比宽数十μm多模光导波路更微细，宽5μm的光导波路形状分布不可超过，因此转写模具必需利用半导体与奈米加工技术制作。转写复制聚合物光导波路晶片的制程是由下列步骤构成：

《图六 聚合物制成的光导波路》

尤其是光导波路复制工程时，模具的平坦性会直接影响clad层与core的平坦性以及紧密性。

有关模具的制作，首先利用与半导体相同的制程，在矽晶圆上制作高精度光导波路图案母版，接着将图案母版浸泡在含有Ni的药液内，利用电气铸造技术转写母版的图案形成Ni质模具，模具的厚度是根据晶圆整体的大小均一制作。此处为降低模具的残留应力防止模具扭曲变形，必需同时控制药液的浓度与电气铸造时的电界强度。

有关光导波路图案转写至树脂的加工步骤，首先制作围绕在core下方的clad层，接着制作core本体，最后依序制作围绕在core上方的clad层。下方的clad层是将紫外线硬化树脂垂滴至玻璃基板表面，再将玻璃基板贴合至模具内，接着从玻璃基板端照射波长为365nm的紫外线使树脂硬化，玻璃基板与模具分离后，便可获得凹状的下方clad层，最后再充填折射率与上述树脂相异的其它树脂制成core。

紫外线硬化树脂垂滴至上述下方clad层与core上方，粘贴cover glass后照射紫外线就形成上方clad层。复制光导波路图案时，只需控制cover glass粘贴力、紫外线强度以及晶圆内部的温度均匀，就可以获得高平坦精度的图案。此外下方clad层与core之间的介面，若施加特殊表面处理的话，上/下clad与core之间的紧密性可以提高10倍以上。

复制转写光导波路图案时为防止模具脱模时遭受破坏，所以clad壁面设有15°的拔模角（taper），至于梯状core造成的光损与PDL（偏波依存性损失），根据反覆电脑模拟分析结显示，15°的拔模角对实际应用并无影响。

如(图七)所示光耦合晶片的光导波路图分歧部位最小加工尺寸为0.5μm±10％，根据图七的1×4与1×8光耦合模组的出射光情况可知，由于分歧部位的加工精度被控制在0.5μm±10％的范围内，所以从光耦合模组的出射光非常均匀。

《图七 无瑕疵的光导波路》

光纤调芯

光导波路晶片组合成模组（module）的加工成本，经常成为总成本上升的主要因素之一，所以减化调芯工程成为有效降低总成本的对策。

具体方法是配合玻璃基板制成的每个光导波路，在Si基板上制作复数个V型沟槽，该V型沟槽的形状是依照光纤埋入沟槽时，光纤的中心能对准晶片的core设计，如此一来只需进行一次的玻璃基板与Si基板的对位，晶圆上所有的晶片都可完成概括性的光纤与core的调芯作业。

虽然V型沟槽的制作采用光学平版与蚀刻（etching）等高成本加工方式，不过模组整体的成本却比传统加工方式更低。利用半导体制程制成的光导波路晶片，也可利用上述调芯方法加工，然而包含V型沟槽在内的光导波路晶片的制作成本非常高，即使利用V型沟槽设计省略调芯作业，不过实际上对降低成本的帮助并不明显。

(图八)是由堆叠的V型沟槽构成转写聚合物光导波路晶片外观，以晶圆整体大小而言，晶片的core与V型沟槽的对位精度高达1μm，这意味着结合损失可望低于预期值。

《图八 利用V型沟槽定位的光纤》

由图九可知，设有V型沟槽的转写聚合物光导波路晶片与传统制程非常接近，例如模具的制作、复制工程的下方clad层与core的制作几乎完全相同，从上方clad层的制作与晶片切割才出现差异，基本上它是事先在Si基板制作V型沟槽取代cover glass，core与V型沟槽对位后再从上方垂低树脂，最后再用紫外线照射使树脂硬化。

Die切割作业是将V型沟槽上制成的光导波路多余部位切除使V型沟槽露出，接着再切割成晶片状。

《图九 附V型沟槽Si基板取代传统表面玻璃》

可挠式光纤电路板

上述技术非常适用于光纤电路板的制作，尤其是CPU的功能大幅提升，传输资料的大容量化，一般认为利用光纤电路板进行全光学信号传输势必成为未来科技主流，这意味着包含多模光导波路、可挠式光纤电路板，与imprint技术会形成密不可分的依存关系。

目前OMRON已经试作弯曲半径1mm，耐挠曲100万次的可挠式薄膜（flexible film）光导波路，该薄膜光导波路因弯曲造成的光信号损失增加量低于0.2dB，虽然光导波路core的外形尺寸为40μm，比光耦合模组构成的晶片稍大，不过两者的加工精度却完全相同。

结语

以上介绍利用树脂材料与模具转印技术，制作内建光导波路晶片的光学耦合器模组与WDM模组。由于这种称被为SPICA（Stacked Polymer Optical IC/Advanced）技术，具备高量产、低成本特性，因此除了光学元件的制作之外，还可以制作可挠式薄膜（film）光导波路等，是全光学信号传输不可或缺的关键性元件。

延 伸 阅 读

基于经济效益的考量，传统石英光纤的光导波路已逐渐被高分子光导波路取代，高分子光回路中尤其是频道式（channel type）光导波路、绕射光栅、面外分岐反射镜（mirror）等关键性光回路元件，制作容易是未来普及化的基本要件，有鉴于此本文将深入探讨各种光回路元件的制作技术，并介绍有关光电复合封装技术。 相关介绍请见「 光回路元件制作与封装技术」一文。 WDM（Wavelength Division Multiplexing）技术自1995年被发明之后，经过多年之改进，现在已逐渐成为光纤网路之主流，传统之SONET或SDH网路架构成长率已趋缓，估计2000～2004年WDM设备之复合成长率CAGR为25.5％，SONET/SDH之CAGR只有12.2％。你可在「 西欧、亚太地区WDM市场现况」一文中得到进一步的介绍。 为求有效率地运用光纤宽广的频带，分波多工（Wavelength Division Multiplexing；WDM）技术已广泛应用在光学网路的架构。在「具可扩充性之分波多工光学网路的设计」一文为你做了相关的评析。

市场动态

双频式（double channel type）可以产生雷射光束的ridge型光导波路，如此便薴降低光导波路的光损失，进而获得低动作电流特性。上述ridge型光导波路经过最佳化设计，可以大幅提高Kink Level。你可参考 「可录式DVD用高功率红光雷射最新技术动向」一文。 然NTT对于光开关一直有需求量，但整个光开关的市场不大，光导波式的光开关成长率较高，而且体积小、切换速度快，是未来光开关的趋势。 你可在「日本光纤通讯市场现况分析」一文中得到进一步的介绍。 最近几年由于网际网路的普及化，使得网路的大流通量与大传输容量的要求日益迫切。虽然光纤所构成的光化技术已经进入商业化，不过传递通道的封闭式连结位址drop（cross connector address）等波节（node）功能是建立于电子技术上，预期未来将因电子电路的速度极限，造成光通信发展上的技术瓶颈。 .在「光通讯用AWG与PLC整合技术探微（上）」一文为你做了相关的评析。