一般認為低製作成本內建光導波路晶片（chip）的光耦合器（coupler）模組（module）與WDM模組，是光纖到家（Fiber To The Home；FTTH）能否普及化的關鍵性指標之一，因此日本OMRON在2004年第三季，推出利用樹脂材料與模具轉印方式，製作內建光導波路晶片的光學耦合器模組與WDM模組。

利用光學平版印刷（photo lithography）與蝕刻（etching）技術構成的模具轉印加工方式，製成的光導波路晶片製作成本只有傳統加工方式的1/10，該技術除了光學元件之外，還可以製作可撓式薄膜（film）光導波路，這意味著利用光線在電路基板內進行全光學的信號傳輸，不再是遙不可及的夢幻。

開發經緯

(圖一)是利用樹脂材料與具備圖案（pattern）轉印功能的模具，製成的大小只有10×2.5×2mm的光導波路晶片（chip）實際外觀，這種可廉價大量複製聚合體（polymer）光導波的技術稱為SPICA（Stacked Polymer Optical IC/Advanced）。根據OMRON表示，一片6吋基板可取樣數量高達數百個以上，也就是說SPICA技術同時具備量產性與低成本兩種特徵。以FTTH使用的1310nm與1550nm波長而言，聚合體光導波晶片的傳輸損失分別是0.2dB/cm與0.5dB/cm左右。

《圖一　已轉印光導波路圖案的玻璃基板》

(表一)是封裝後的模組光學特性，根據測試結果顯示1×8光耦合模組的插入損失，波長1310nm時平均是10.0dB；波長1550nm平均是10.4dB；8埠（port）之間的插入損失差最大可作0.7dB均勻分歧，若扣除9.0dB的原理損失，上述兩波長的過剩損失分別是1.0dB與1.4dB。雖然樹脂造成的吸收損失與光纖之間的結合損失具有支配性，不過實際上core造成的漏光損失，與core形狀不均造成的損失卻非常小，這表示光導波路的形狀性非常良好。有關樹脂材質光導波路的耐環境特性，依照Telcordia規範測試結果顯示，溫度85℃，濕度85％環境下保存2000小時後的插入損失變動量低於0.3dB。由於模具複製面的平坦度高達1μm，因此可以獲得無漏光單模用光導波路chip。(圖二)是應用上述SPICA技術製成的彎曲半徑1mm，100萬次反覆曲折的可撓式薄膜（film）狀光導波路外觀。

《圖二　可撓式薄膜光導波路 》

(圖三)的光導波路是利用材料之間折射率差異特性，將光線收斂至core內並引導到預定位置的回路，它相當於電路基板的導線；(圖四)是利用玻璃基板將樹脂材質的core與clad挾持，構成的複製聚合物光導波路。

《圖三　轉印已經光導波路圖案的玻璃基板》

雖然傳統的石英材質光導波路具備低光信號損失與不易劣化等優點，不過複雜的高溫製程與居高不下的製作成本，卻是光導波路卻成為普及化最大障礙之一；相較之下聚合物光導波路的加工性、製作成本、可撓性以及樹脂材料的選擇性則具有絕對優勢，雖然樹脂材料的光信號損失，與水氣、紫外線、高溫造成的劣化性略低於石英，不過實際應用時並未構成困擾。

以往樹脂材料光導波路基於高精度要求，大多採用與半導體同等級的RIE（Reactive Ion Etching）複雜製程，加上晶圓（wafer）的取樣數有限，所以無法一直提供大量低價的光導波路，進而造成樹脂材料光導波路遲遲進入實用化階段。

《圖四　光coupler模組的功能與結構》

如(圖五)所示，根本解決對策是利用設有光導波路圖案（pattern）的模具，轉印製作樹脂材質光導波路，如此便可以滿足數量眾多的取樣需求，同時還能夠大幅降低製作成本。為獲得高平坦精度的光導波路光學特性，直徑Φ150mm基板內core的形狀精度為1μm，因為模具的平坦度不佳的話，樹脂會從上/下方clad層的介面溢出形成凹凸狀，進而造成光線洩漏到core外部變成光信號損失。

(圖六)是利用顯微鏡觀察上述模具複製，獲得的樹脂材質光導波路core封閉光線狀態，根據實際觀察結果顯示core可以完成封閉光線，例如使用W5.25μm×H5.25μm，比折射率差為0.44％core的光耦合器模組晶片，core形狀完全無崩塌現象，core周圍也沒有任何樹脂殘渣，而且從出射光強度觀之，出射光的強度峰值非常集中，依此判斷它是單模導波。

《圖五　傳統與轉印方式製作光導波路圖案的製程比較》

模具特性

如上所述傳統轉寫複製（imprint）技術製作的core周圍，亦即上/下方clad層的介面不允許殘留樹脂，或是core形狀發生崩塌現象，加上單模光導波路比寬數十μm多模光導波路更微細，寬5μm的光導波路形狀分佈不可超過，因此轉寫模具必需利用半導體與奈米加工技術製作。轉寫複製聚合物光導波路晶片的製程是由下列步驟構成：

《圖六　聚合物製成的光導波路》

尤其是光導波路複製工程時，模具的平坦性會直接影響clad層與core的平坦性以及緊密性。

有關模具的製作，首先利用與半導體相同的製程，在矽晶圓上製作高精度光導波路圖案母版，接著將圖案母版浸泡在含有Ni的藥液內，利用電氣鑄造技術轉寫母版的圖案形成Ni質模具，模具的厚度是根據晶圓整體的大小均一製作。此處為降低模具的殘留應力防止模具扭曲變形，必需同時控制藥液的濃度與電氣鑄造時的電界強度。

有關光導波路圖案轉寫至樹脂的加工步驟，首先製作圍繞在core下方的clad層，接著製作core本體，最後依序製作圍繞在core上方的clad層。下方的clad層是將紫外線硬化樹脂垂滴至玻璃基板表面，再將玻璃基板貼合至模具內，接著從玻璃基板端照射波長為365nm的紫外線使樹脂硬化，玻璃基板與模具分離後，便可獲得凹狀的下方clad層，最後再充填折射率與上述樹脂相異的其它樹脂製成core。

紫外線硬化樹脂垂滴至上述下方clad層與core上方，粘貼cover glass後照射紫外線就形成上方clad層。複製光導波路圖案時，只需控制cover glass粘貼力、紫外線強度以及晶圓內部的溫度均勻，就可以獲得高平坦精度的圖案。此外下方clad層與core之間的介面，若施加特殊表面處理的話，上/下clad與core之間的緊密性可以提高10倍以上。

複製轉寫光導波路圖案時為防止模具脫模時遭受破壞，所以clad壁面設有15°的拔模角（taper），至於梯狀core造成的光損與PDL（偏波依存性損失），根據反覆電腦模擬分析結顯示，15°的拔模角對實際應用並無影響。

如(圖七)所示光耦合晶片的光導波路圖分歧部位最小加工尺寸為0.5μm±10％，根據圖七的1×4與1×8光耦合模組的出射光情況可知，由於分歧部位的加工精度被控制在0.5μm±10％的範圍內，所以從光耦合模組的出射光非常均勻。

《圖七　無瑕疵的光導波路》

光纖調芯

光導波路晶片組合成模組（module）的加工成本，經常成為總成本上升的主要因素之一，所以減化調芯工程成為有效降低總成本的對策。

具體方法是配合玻璃基板製成的每個光導波路，在Si基板上製作複數個V型溝槽，該V型溝槽的形狀是依照光纖埋入溝槽時，光纖的中心能對準晶片的core設計，如此一來只需進行一次的玻璃基板與Si基板的對位，晶圓上所有的晶片都可完成概括性的光纖與core的調芯作業。

雖然V型溝槽的製作採用光學平版與蝕刻（etching）等高成本加工方式，不過模組整體的成本卻比傳統加工方式更低。利用半導體製程製成的光導波路晶片，也可利用上述調芯方法加工，然而包含V型溝槽在內的光導波路晶片的製作成本非常高，即使利用V型溝槽設計省略調芯作業，不過實際上對降低成本的幫助並不明顯。

(圖八)是由堆疊的V型溝槽構成轉寫聚合物光導波路晶片外觀，以晶圓整體大小而言，晶片的core與V型溝槽的對位精度高達1μm，這意味著結合損失可望低於預期值。

《圖八　利用V型溝槽定位的光纖》

由圖九可知，設有V型溝槽的轉寫聚合物光導波路晶片與傳統製程非常接近，例如模具的製作、複製工程的下方clad層與core的製作幾乎完全相同，從上方clad層的製作與晶片切割才出現差異，基本上它是事先在Si基板製作V型溝槽取代cover glass，core與V型溝槽對位後再從上方垂低樹脂，最後再用紫外線照射使樹脂硬化。

Die切割作業是將V型溝槽上製成的光導波路多餘部位切除使V型溝槽露出，接著再切割成晶片狀。

《圖九　附V型溝槽Si基板取代傳統表面玻璃》

可撓式光纖電路板

上述技術非常適用於光纖電路板的製作，尤其是CPU的功能大幅提升，傳輸資料的大容量化，一般認為利用光纖電路板進行全光學信號傳輸勢必成為未來科技主流，這意味著包含多模光導波路、可撓式光纖電路板，與imprint技術會形成密不可分的依存關係。

目前OMRON已經試作彎曲半徑1mm，耐撓曲100萬次的可撓式薄膜（flexible film）光導波路，該薄膜光導波路因彎曲造成的光信號損失增加量低於0.2dB，雖然光導波路core的外形尺寸為40μm，比光耦合模組構成的晶片稍大，不過兩者的加工精度卻完全相同。

結語

以上介紹利用樹脂材料與模具轉印技術，製作內建光導波路晶片的光學耦合器模組與WDM模組。由於這種稱被為SPICA（Stacked Polymer Optical IC/Advanced）技術，具備高量產、低成本特性，因此除了光學元件的製作之外，還可以製作可撓式薄膜（film）光導波路等，是全光學信號傳輸不可或缺的關鍵性元件。

延 伸 閱 讀

基於經濟效益的考量，傳統石英光纖的光導波路已逐漸被高分子光導波路取代，高分子光回路中尤其是頻道式（channel type）光導波路、繞射光柵、面外分岐反射鏡（mirror）等關鍵性光回路元件，製作容易是未來普及化的基本要件，有鑑於此本文將深入探討各種光回路元件的製作技術，並介紹有關光電複合封裝技術。 相關介紹請見「 光迴路元件製作與封裝技術」一文。 WDM（Wavelength Division Multiplexing）技術自1995年被發明之後，經過多年之改進，現在已逐漸成為光纖網路之主流，傳統之SONET或SDH網路架構成長率已趨緩，估計2000～2004年WDM設備之複合成長率CAGR為25.5％，SONET/SDH之CAGR只有12.2％。你可在「 西歐、亞太地區WDM市場現況」一文中得到進一步的介紹。 為求有效率地運用光纖寬廣的頻帶，分波多工（Wavelength Division Multiplexing；WDM）技術已廣泛應用在光學網路的架構。在「具可擴充性之分波多工光學網路的設計」一文為你做了相關的評析。

市場動態

雙頻式（double channel type）可以產生雷射光束的ridge型光導波路，如此便薴降低光導波路的光損失，進而獲得低動作電流特性。上述ridge型光導波路經過最佳化設計，可以大幅提高Kink Level。你可參考 「可錄式DVD用高功率紅光雷射最新技術動向」一文。 然NTT對於光開關一直有需求量，但整個光開關的市場不大，光導波式的光開關成長率較高，而且體積小、切換速度快，是未來光開關的趨勢。 你可在「日本光纖通訊市場現況分析」一文中得到進一步的介紹。 最近幾年由於網際網路的普及化，使得網路的大流通量與大傳輸容量的要求日益迫切。雖然光纖所構成的光化技術已經進入商業化，不過傳遞通道的封閉式連結位址drop（cross connector address）等波節（node）功能是建立於電子技術上，預期未來將因電子電路的速度極限，造成光通信發展上的技術瓶頸。.在「光通訊用AWG與PLC整合技術探微（上）」一文為你做了相關的評析。