CN104350401A - 光耦合器件以及制造该器件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光耦合器件以及制造该器件的方法。该光耦合器件在透明基底13之上形成有耦合斑4，在两者之间夹有包层2。一个或多个波导芯1与该耦合斑接触，并在其平面内延伸。光穿过透明基底13和包层2，并进入耦合斑4，在此其被散射元件散射。至少有一部分光进入波导芯1。在耦合斑4面对透明基底13的表面上形成有第一反射镜5，其上具有供光穿过的光孔。在耦合斑4上与透明基底13相对一侧的表面上提供有背反射镜6。可以在包层2与透明基底13之间形成第二反射镜7。

Description

光耦合器件以及制造该器件的方法

技术领域

本发明涉及光耦合器件以及制造该器件的方法。具体而言，涉及光耦合器件的架构和构造，诸如适用于光纤网络的光耦合器件。

背景技术

已知有多种方式可用于在光发射元件或光接收元件与光波导之间进行光耦合。这通常涉及改变光束的方向，例如改变90度。遗憾的是，这些技术的光耦合效率通常较低。

首先，衍射光栅已被用于通过衍射来改变光的方向，使入射光的角度改变为所需的角度。然而，衍射光栅仅限于特定波长的光。此外，在采用衍射光栅的应用场合中，光源与波导之间的耦合效率通常低。为获得良好的耦合效率，需要采用昂贵的集成式技术。

45度角反射镜也被用于以反射方式将光线方向改变90度。然而，在采用此类反射镜的应用场合中，光源与波导之间的耦合效率通常低。此外，反射镜角度、位置的精度和表面平直度都会影响耦合效率。反射镜或反射器的对准也是一个问题。反射镜角度对于实现所需结果至关重要。当波导尺寸减小、例如当波导厚度小于50μm时，这些问题会更为严重。

棱镜耦合被用于使用高折射率棱镜对波导内的传播常数和入射光内的传播常数进行相位匹配。然而，棱镜通常较为昂贵，且光耦合仍然需要一定的对准度。还采用了衰减波方法，由此激发出一种传播方向模式，以便于实现光耦合。然而，这种方法采用的是非常细的波导，例如小于50μm，其效率通常不会很高。

仍然需要有一种使光被高效率地耦合到波导内且成本可接受的光耦合结构。

鉴于上述问题，本发明人此前已提出一种可解决其中一些问题的光耦合器。在PCT申请号为PCT/SG2011/000317的申请中对此进行了说明，该申请在本申请的优先权日尚未公布，但其公开内容整体并入本申请。

PCT/SG2011/00317的光耦合器有一个耦合斑(coupling spot)，其被布置为将光传输进入一个或多个波导。在图1中示出了一个这样的光耦合器的横截面。图1示出了两个长形的波导芯1，其延伸到图的任何一侧。波导芯1位于包层2上方。在两个波导芯之间是一个由嵌入有纳米级颗粒的聚合物基体组成的耦合斑4。本文中使用的“纳米颗粒”一词用于指代最大直径小于1微米的颗粒(即亚微米颗粒)。理想情况下，所有颗粒的直径均处于亚微米范围内。应注意，光耦合器可能包含其他未在图1中示出的与耦合斑4接触的波导芯，其未被示出的原因是它们不在示意图平面内。它们在图平面之外的各种方向上远离耦合斑4延伸。

耦合斑4的上表面携带有第一反射镜5(以横截面示出)，其包括一个中心光孔。入射光11(示为在图中向下传播)可通过第一反射镜5上的光孔进入耦合斑4。在耦合斑4处，光被耦合斑内的纳米颗粒散射到周围的波导芯1内。包层2的折射率比波导芯材料的折射率低，以将被耦合的光限制在波导芯内。在包层2与耦合斑4之间有一个背反射镜6，以使得未被散射或向前散射的光被背反射镜6反射出去，在此过程中，还有可能被纳米颗粒散射并耦合到周围的波导1内。第一反射镜5阻挡光向上射出耦合斑。应注意，耦合斑4及其反射镜5、6起到光学腔的作用。

图1的布置比上述已被公知的系统具备显著的优势，具体而言，即光耦合进入波导芯1的效率高，且对准容差低。

图2中示出了用于制造此类光耦合器的一种方便的方法(未在PCT/SG2011/000317中明示)。图3示出了此方法的步骤。起始点为图2(a)所示的基底3。在步骤21(在图3上示出)中，在基底3上沉积厚度为所需值(例如5μm)的包层2，如图2(b)所示。在步骤22中，背反射镜6被沉积到包层2上，如图2(c)所示。然后在步骤23中，波导芯1被沉积，如图2(d)所示，在它们与背反射镜6的上方之间留出一个腔。然后，如图2(e)所示，在步骤24中，包含散射元件的液体聚合物被施加到腔内并被固化，以形成耦合斑4。在固化之后，第一反射镜5在耦合斑4之上形成，如图2(f)所示。具体形成方式为，在步骤25中，采用光刻技术形成一个图案化的光致抗蚀剂结构(沉积一层光致抗蚀剂，通过经图案化光掩模向光致抗蚀剂上照射紫外(UV)光的方式，去除光致抗蚀剂层的所选部分，随后在一个显影步骤中，去除掉暴露于紫外光的光致抗蚀剂部分)，在步骤26中，在图案化的光致抗蚀剂结构的顶部沉积一个金属层，并执行剥离过程，在此过程中，图案化的光致抗蚀剂结构及其之上的金属层部分被去除。

然而，本发明人已发现，对于某些聚合物制剂，对液体聚合物固化的结果是如图4(a)所示结构，而非图2(e)所示结构。也就是说，聚合物在固化时可能出现收缩。在此情况下，耦合斑4的高度并非均匀地与波导处于同一高度，耦合斑的上表面不平整。图4(b)-(f)示出了在形成第一反射镜5的步骤中的这种后果。如上所述，此过程涉及在图4(a)的结构上沉积一层光致抗蚀剂131，如图4(b)所示，并如图4(c)所示，将其一部分通过光掩模133暴露到紫外光中。随后是一个显影阶段，在此阶段，将暴露于紫外光的光致抗蚀剂部分去除掉。由此使光致抗蚀剂131形成图案。

此后，如图4(d)所示，表面被涂覆金属原子135(例如通过蒸发、溅射或化学气相沉积(CVD))，以生成图4(e)所示的结构。然后将光致抗蚀剂131去除，留下图4(f)所示的结构，包括第一反射镜5。第一反射镜5由未被沉积到光致抗蚀剂131上的金属原子135构成。如图4(f)所示，第一反射镜5并不平。整个布置可能存在尺寸不精确的问题。具体而言，此技术可能无法以非常好的保真度再现光孔图案。

发明内容

本发明的目的是提供一种新的有用的光耦合器件，以及用于制造该器件的方法。

本发明基于PCT/SG2011/000317的原理。概括而言，本发明提出在透明基底上形成耦合斑，在使用中，光通过透明基底进入耦合斑。由此，在固化过程中可能变得不平整的耦合斑表面就是与光进入耦合斑所经表面相对的表面。这样就降低了任何不平整情况的重要程度。这种反向的配置可实现一种可减轻耦合斑材料在固化时发生收缩的影响的制造方法。

如PCT/SG2011/000317中所述，耦合斑被夹在背反射镜与带有光孔的第一反射镜之间。然而，与图1所示安排不同，第一反射镜位于朝向透明基底的耦合斑的表面上。在制造耦合斑之前进行第一反射镜的制造，由此可最大限度减小、甚至消除在耦合斑材料固化时光孔中发生的任何变化。

同样如PCT/SG2011/000317中所述，光耦合器件包括一个包层。此包层在透明层之上、且在耦合斑之下形成(即耦合斑在透明层之上，但不与之接触；耦合斑至少通过包层而与透明层隔开)。

在包层与透明层之间优选提供一个第二反射镜，其上有一个与第一反射镜上的光孔配准的光孔。这样可最大限度减少杂散光，由此提高在光介质中数据传输的信噪比。第二反射镜有两个作用。第一，光孔的尺寸用于控制从耦合斑反射出的杂散光的入射角，这样可将光孔配置为最大限度减少杂散光在透明基底内的内部反射。第二，第二反射镜用于通过在杂散光每次被反射时吸收其一部分，由此消散掉在透明基底内传播的任何杂散光。

附图说明

通过阅读对本发明的实施例的以下说明，并结合附图，可以更加容易地明晰了解本发明的优势。在附图中：

图1为PCT/SG2011/000317中光耦合器件的简图。

图2由图2(a)-2(f)组成，其是图1所示器件的一种生产方法的步骤的示意图。

图3为图4的工序的流程图。

图4由图4(a)-4(f)组成，示出了图2和图3中工序的一种可能的问题。

图5所示为具有第一和第二反射镜的本发明的第一个实施例的横截面。

图6所示为没有第二反射镜的本发明的第二个实施例的横截面，以及在第二个实施例中从耦合斑反射出的杂散光可能经过的路径。

图7为图5的实施例的顶视图。

图8为图5的实施例的中心部分的放大顶视图。

图9为在图5的实施例中从耦合斑反射出的杂散光可能经过的路径的示意图。

图10为在图5的实施例中可以如何计算从耦合斑反射出的杂散光的最大入射角的示意图。

图11为图5的实施例中传播损耗与包层模的函数关系图。

图12为图5的实施例中所需包层最小厚度与透明基底折射率之间的函数关系图。

图13为在图5的实施例中沿透明基底传播的杂散光可能如何被第二反射镜削弱强度的示意图。

图14为杂散光的入射角可能如何被图5的实施例的第一和第二反射镜的光孔控制的示意图。

图15由图15(a)-15(g)组成，其是图6的实施例的加工工序的步骤的示意图。

图16为图15的工序的流程图。

图17由图17(a)-17(g)组成，其是图5的实施例的加工工序的步骤的示意图。

图18为图17的工序的流程图。

实施例的详细说明

现在将参照图5对本发明的一个实施例进行说明。图1和2中的参考数字具有相同的意义。此实施例是一个光耦合器件，包括一个透明基底13，在透明基底上形成一个包层2。在包层2上形成耦合斑4。耦合斑4与由波导芯材料形成的多个波导芯1共面。波导芯1处于一个波导平面内。图1中只有两个波导芯1可见，但如下文所述，本实施例包括其他未示出的波导芯，其未示出的原因是它们并未处于此图的平面内。本文中的术语“光”用于指代具有在400nm至1600nm范围内的任何波长值的一个或多个分量的电磁辐射。

入射光21穿过透明基底13的下表面进入光耦合器件。透明基底13允许所需波长的光穿过，而不发生实质性的干涉和吸收。随后光穿过包层2，从下方进入耦合斑4。耦合斑包括对入射光21的频率的光可透射的聚合物基体，以及起散射中心作用的纳米颗粒。更具体而言，聚合物基体和透明基底对至少一个波长λ可透射，使得a/λ＜1，其中a为平均颗粒直径。

在耦合斑4内，光被纳米颗粒散射到周围的波导芯1内。入射光21优选为垂直于波导平面，因为这样可实现散射光更好的径向强度分布。包层2的折射率低于波导芯材料的折射率，以将耦合的光限制在波导芯内部。在包层2与耦合斑4之间有第一反射镜5，使背散射的光在第一反射镜5上被反射出，在此过程中，还有可能被纳米散射器散射，并被耦合到周围的波导芯1内。第一反射镜上的光孔让入射光21进入耦合斑4。背反射镜6起到将背散射或反射的光限制在耦合斑4内的类似作用。此外，包层2与透明基底之间有一个第二反射镜7。此第二反射镜7的作用是减少杂散光的传播。此外，第二反射镜7的光孔还控制着从耦合斑4逸出的光可进入透明基底13的角度范围。如下所述，这样可以最大限度降低被反射回到透明基底13内的光的比例。

与图1的安排相对照，图5的反向设计可为生成耦合斑4的工艺提供便利，且无需担心第一反射镜5内的光孔因固化而出现的尺寸精度的问题。

图6所示为本发明的第二个实施例，其与第一个实施例的区别在于它没有第二反射镜。它与第一个实施例共同的优势在于，第一反射镜5处于耦合斑4的下表面上，因此不会受到固化过程的损害。

不过，在两个实施例中都存在一个风险，即进入耦合斑4的光的一部分可能穿过光孔被反射回去，并到达透明基底3。这在图6的实施例中更为严重，因为透明基底3与包层2和波导芯1一起可以支持“包层模”，其使杂散光302在波导芯1的层、包层2与透明基底3之间往复行进。这样可能导致数据处理中的信噪比较差，因为杂散光在此“包层模”内的传播可能影响被置于波导芯1通道的末端的检测器的传感器读数。相比而言，在图5的实施例中，第二反射层意味着光无法从透明基底13再次进入通道。此外，由于存在第一反射镜5和第二反射镜7，在包层2中移动的光会被快速消散。

图7所示为图5的实施例从光耦合器件顶部观察的视图(从此方向看，图6的实施例与之很大程度上相同)。可以看出，其具有12个波导芯1，这些波导芯1均处于波导平面内。波导芯1围绕被背反射镜6隐藏的耦合斑4被沿径向布置。可通过波导芯1之间的缝隙看到未被波导芯1覆盖的包层2的部分。

图8所示为本发明的同一实施例的近景顶视图。除径向布置的波导芯1和包层2之外，还可看到背反射镜6的外边缘61。虚线示出了第一反射镜5的外边缘51、耦合斑4的外边缘41、第二反射镜7中的光孔的轮廓71以及第一反射镜5中的光孔的轮廓52的位置。耦合斑4是具有中心轴线的圆柱体，其外边缘41为圆形。应注意，光孔52、71以及第一反射镜51和背反射镜61为圆形，且与耦合斑4的中心轴线同心对齐。

图9为同一实施例(即图5的实施例)的横截面图。具体而言，它示出了被导向到耦合斑4的入射光21可能如何经历一次或多次散射，并可能被耦合到其中一个波导芯1内。第一反射镜5可将部分散射光反射回耦合斑4，以进行进一步的散射。图9还示出了被反射出耦合斑4并进入透明基底3的杂散光602可能如何被第二反射镜7的光孔加以控制，以使其能够全部从透明基底3射出，而不会沿包层2以“包层模”传播并导致噪音读数。

计算光耦合器件的尺寸

图10与图9类似，但示出了若干参数的定义。它们在下文用于计算可射出耦合斑并仍进入透明基底的杂散光的最大入射角。继而此值被用于设置包层2的厚度的最小适用限值。

为了减少杂散光，带光孔的第二反射镜可被作如下设计：

首先，图10所示的符号的定义为：

来自第一反射镜5中的光孔52、经光孔71散射的光的最小入射角

经光孔52散射到包层/基底界面的光的最大入射角

r_ap：“散射光孔”(即光孔52)的半径

r_sh：“背散射光孔遮罩”(即光孔71)的半径

t_clad：包层2的厚度

n_clad：包层2的折射率

n_sb：透明基底13的折射率

包层/基底界面处的折射角

基底中的导波的传播角。

从图10所示的几何关系可以得出：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\θ}}_{\min }$

${\mathrm{\θ}}_{\min }={\tan }^{-1}\left[\frac{t_{\mathrm{clad}}}{r_{\mathrm{sh}}+r_{\mathrm{ap}}}\right]$

接下来，对包层/基底界面处的折射光应用斯涅尔定律，可得出：

n_cladsinθ_inc＝n_sbsinθ_r

${\mathrm{\θ}}_r={\sin }^{-1}[\frac{n_{\mathrm{clad}}}{n_{\mathrm{sd}}}\·\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}]$

由此，空气/基底/金属波导的传播角为：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{pr}}{|}_{\min }=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\mathrm{\θ}}_r=\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\sin }^{-1}[\frac{n_{\mathrm{clad}}}{n_{\mathrm{sb}}}\·\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}}]$

依据波导理论，导模的传播角可以被写为该模的有效折射率(n_eff)的函数，即：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{pr}}={\cos }^{-1}\left(\frac{n_{\mathrm{eff}}}{n_{\mathrm{sb}}}\right)$

(A)

$n_{\mathrm{eff}}{|}_{\mathrm{cutoff}}=n_{\mathrm{sb}}\·\cos \{\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\sin }^{-1}(\frac{n_{\mathrm{clad}}}{n_{\mathrm{sb}}}\·\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}})\}$

通过对波导内的导模的传播损耗设置一个合理的阈值，可以得出空气/基底/金属波导内的导模的截止有效折射率。由于金属包层波导固有的消散，所有导模都会因作为波导结构的一部分的金属层5、7的存在而产生传播损耗。

以α_th作为n阶导模的阈值传播损耗(dB/cm)，如下所示，其中所有模均应被光孔结构所阻挡。传播损耗与导模有效折射率的虚部相关，被示为：

$\mathrm{Im}\left({n^n}_{\mathrm{eff}}\right)=\frac{{\mathrm{\α}}_{\mathrm{th}}{\mathrm{\λ}}_0}{4\mathrm{\π}\·10\·{\log }_{10}\left(e\right)}$

其中，λ₀为真空中的光的波长。模态折射率的相应的实部则应满足上述公式(A)，其可被重写为：

$\mathrm{Re}\left({n_{\mathrm{eff}}}^n\right)=n_{\mathrm{sb}}\·\cos [\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\sin }^{-1}\{\frac{n_{\mathrm{clad}}}{n_{\mathrm{sb}}}\·\sin (\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\tan }^{-1}\left(\frac{t_{\mathrm{clad}}}{r_{\mathrm{sh}}+r_{\mathrm{ap}}}\right))\left\}\right]---\left(B\right)$

现在，从上述表达式可以得出下包层的正确厚度：

$t_{\mathrm{clad}}(n_{\mathrm{sb}},r_{\mathrm{sh}},n_{\mathrm{clad}})=(r_{\mathrm{sh}}+r_{\mathrm{ap}})\·\tan [\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\sin }^{-1}\{\frac{n_{\mathrm{sub}}}{n_{\mathrm{clad}}}\·\sin [\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\cos }^{-1}\left(\frac{{n_{\mathrm{eff}}}^n}{n_{\mathrm{sub}}}\right)]\left\}\right]---\left(C\right)$

在以上表达式中，n_eff ⁿ本身为基底厚度和折射率的函数。此表达式给出了在一特定折射率下所需的包层的最小厚度，使得第二反射镜的光孔可以阻挡传播损耗低于α_th的预选值的所有传播模式。因此，此公式(C)是定义公式，其可以提供对包层、透明基底的几何尺寸和光学性质以及第二反射镜的光孔直径等进行设计所需的各种值。

例如，为计算包层厚度，需采取的步骤应为：

(1)测量基底、下包层和芯层在所需波长下的折射率。测量基底的厚度。

(2)设置第一光孔半径：r_ap

(3)设置第二光孔半径的下阈值(lower threshold)：r_sh

(4)计算金属-基底-空气波导的所有传播模式

(5)对将被允许在金属-基底-空气波导内传播的模式的传播损耗设置阈值(α_th)。

(6)给出对应于阈值传播损耗的传播模式的有效折射率值(n_eff ⁿ)

(7)从表达式(C)计算下包层的厚度的阈值(t_clad)

(8)选择一个大于t_clad的合适的包层厚度值。

以图11为例。在此，透明基底和包层的折射率已被分别设置为n_sb＝1.73和n_clad＝1.51。对于反射镜材料，选用金，工作波长设置为650nm。此外，第一反射镜的光孔直径设置为125μm，包层厚度设置为50μm。在对空气/PEN/金波导结构的本征模(Eigen-modes)进行求解之后，我们可以计算波导的所有导模的复折射率。所得出的图如图11所示。由此，如果我们选择阈值传播损耗为4dB/cm，则对于最低的导引传播模式而言，该导模的有效折射率(实部)为1.500914，其传播角为29.8度。代入公式(B)，我们可得出r_sh＝330μm。

图12所示为，在第一反射镜的光孔直径为250μm、第二反射镜的光孔直径为500μm的条件下，所需包层最小厚度与透明基底折射率的函数关系。此外，基底13的厚度被假定为200μm，由基底、第二光孔层和空气所形成的金属包层波导的阈值传播损耗被假定为4dB/cm。金属材料假定为金。

在绘制图12时，选择第二反射镜的光孔的半径，使得其以合理的对准容差被施加图案。根据所使用的加工设备的类型，任何合理的第一反射镜光孔半径的倍数都将满足需要。在上例中，考虑到非常宽松的光刻对准容差，选择系数2作为合理的倍数。

从图12我们可以看出，在特定的包层和透明基底折射率组合条件下，有一个确定的截止点。当在金属-基底-空气波导中的传播模式的有效折射率等于或大于包层折射率时，出现这种情况。为激励这些模式，杂散光必须以90度入射角进入第二反射镜的光孔，这在实践中不可能做到。因此，这一条件可以是非常有用的，因为几乎任何包层厚度都将阻挡住其传播损耗小于金属-基底-空气传播模式的传播损耗的预定阈值的传播模式。包层厚度应足以使在波导芯和透明基底内传播的光之间没有功率耦合。例如，如果工作波长为650nm，则2-5μm的厚度即足够。

图13所示为在包层2薄时会出现的示例情况。杂散光102可能能够穿过透明基底传播。然而，在区域103内，杂散光会因金属包层效应而被第二反射镜消散，在此效应中，所传播的光由于在光频率下的金属的吸收性质而被消耗。

在图13的示例中，采用以下规定条件。透明塑料基底(厚度(t_sb)＝200μm，折射率(n_sb)＝1.73)，波导包层(t_clad＝50μm，n_clad＝1.51)，波导芯(t_core＝50μm，n_core＝1.59)，光耦合斑材料(r_couple＝0.5mm，n_couple＝1.49)，散射中心材料(r_np＝35nm，n_np＝2.49)，带有光孔(r_ap＝0.125mm)的第一反射镜(r_m1＝0.75mm)，带有光孔(r_sh＝0.35mm)的第二反射镜(覆盖透明塑料基底的所有表面)。应注意，波导芯的折射率高于包层的折射率，透明基底的折射率高于空气(外界环境)的折射率。

图14所示为包层2厚时会出现的情况示例。杂散光射出透明基底，而不是沿通道传播。基本上，背散射的杂散光可被视为生成一个“包层模”，使得杂散光以与在波导芯内行进的光相同的方向传播。在此同样应注意，由于包层模而增加的杂散光会导致高的信噪比，除非存在降低杂散光强度的措施。在此，通过控制第二反射镜的光孔，可以对从其穿过到达透明基底的杂散光的入射角加以控制。如果杂散光的入射角小于维持透明基底的包层模所需的临界角度，部分或全部杂散光将在区域112射出透明基底，成为光线113，且不传播。此外，在包层或透明基底内不传播的任何杂散光会因金属包层效应而被第二反射镜所消散。

在图14示例中，采用以下规定条件。透明塑料基底(t_sb＝200μm，n_sb＝1.49)，波导包层(t_clad＝500μm，n_clad＝1.54)，波导(t_core＝50μm，n_core＝1.59)，光耦合斑材料(r_couple＝0.5mm，n_couple＝1.49)，散射中心材料(r_np＝35nm，n_np＝2.49)，带有光孔(r_ap＝125μm)的第一反射镜(r_m1＝0.5mm)，带有光孔(r_sh＝300μm)的第二反射镜(覆盖透明塑料基底的所有表面)。

图15所示为生产图6的实施例的工序步骤。流程图在图16中示出。此工序从作为基体的透明基底13开始，如图15(a)所示。在步骤31(图16中)中，包层2的材料通过旋转涂覆或棒式涂覆法被设置在透明基底13上，形成有一定厚度的层，例如5μm厚，如图15(b)所示。

在步骤32中，带有一个光孔的第一反射镜5通过例如光刻技术、溅射或金属剥离技术等常规技术在波导包层2上形成。由于包层2的平整性，第一反射镜5的光孔的尺寸精度得以保持。结果在图15(c)中示出。

接下来，在步骤33中，波导芯1的材料通过例如旋转涂覆和光刻等常规技术被设置在波导包层2上。其上形成有一个空腔，光耦合斑4的材料将在此处被施加，如图15(d)所示。

接下来，在步骤34中，耦合斑4的材料被施加在腔内并固化。它在固化时发生收缩，如图15(e)所示。

最后，在步骤35中，背反射镜6在聚合的光耦合斑4的顶面上形成。这可能通过多种方法完成，例如通过荫罩掩模154轰击金属原子135(通过蒸发、溅射或化学气相沉积(CVD)方式形成)，如图15(f)所示。尽管光耦合斑4的顶面不规则，但无需对背反射镜6保持严格的尺寸一致性。最终生成的产品如图15(g)所示。

图17所示为生产图5的实施例的工序步骤。流程图在图18中示出。此工序从作为基体的透明基底13开始，如图17(a)所示。

与图15和16的方法不同的是，图17和18的方法有一个初始步骤81(在图18中)，即采用例如在光致抗蚀剂沉积之后进行紫外光照射等标准光刻技术，在透明基底13的表面上使第二反射镜7图案化，如图17(b)所示。随后是标准的金属图案化技术，例如金属剥离工艺。

在步骤82中，包层2的材料通过旋转涂覆或棒式涂覆法被布置在透明基底13上，以形成有一定厚度的层，例如5μm厚，如图17(c)所示。

在步骤83中，带有一个光孔的第一反射镜5通过例如光刻工艺、溅射或金属剥离技术等常规技术在波导包层2上形成。由于包层2的平整性，第一反射镜5的光孔的尺寸精度得以保持。结果在图17(d)中示出。

接下来，在步骤84中，波导芯1的材料通过例如旋转涂覆和光刻等常规技术被布置在波导包层2上。其上形成有一个腔，光耦合斑4材料将在此处被施加，如图17(e)所示。

接下来，在步骤85中，耦合斑4的材料被施加在腔内并固化。它在固化时发生收缩，如图17(f)所示。

最后，形成背反射镜6。如上文与图16相关内容所述，这可通过若干种方式实现。在图18的方法中，该工序在步骤86和87中完成，在步骤86中，形成一个图案化的光致抗蚀剂层，在步骤87中，在光致抗蚀剂之上形成一个金属层，随后该层被去除。同样，尽管光耦合斑4的顶面不规则，但无需对背反射镜6保持严格的尺寸一致性。最终生成的产品如图17(g)所示。

材料选择

本发明中的耦合斑4包括聚合物基体和可以是纳米级颗粒以导致米氏散射的散射中心。聚合物基体可能包括任何材料，只要该材料对所需波长足够透明即可。耦合斑4的散射效率取决于颗粒尺寸、与聚合物基体(介质)的折射率差异以及光的波长。纳米颗粒可由任何材料形成，但优选的是，聚合物基体与颗粒具有大的折射率差。例如，对于直径尺寸为100nm的颗粒，该处聚合物基体的折射率(n_couple)为1.488，每个颗粒的折射率(n_np)需要超过1.888，以便在整个可见光波长范围内实现超过1％的光散射效率。

第一反射镜5和背反射镜6的材料可以是金属。理想情况是，反射镜的反射率应尽可能高，例如在所需光波长下高于50％。

第二反射镜7的材料可以是任何吸光材料。可替换地，它也可以是金属，以提供金属包层效果。

其他考虑因素

在聚合物基体内采用散射中心作为耦合方式具有多种优点。举例而言，对于波导厚度小于100μm的情况，耦合斑的直径可以是1mm。由此，光源与波导之间的对准容差可得以放宽松。简单的对接耦合式光源在与100μm厚波导对准时可能存在问题，但1mm的耦合斑可使光源很容易被对准。例如，如果我们有一个50μm的波导，并采用50μm芯材直径的光纤来激励光波导，我们可能需要小于+/-25μm的定位精度来实现合理的耦合效率，而不使信噪比有过大的提高。

变化形式

尽管仅对本发明的两个实施例进行了详细说明，但具备本领域技能的读者应可明晰，在本发明的范围内可以有许多种变化形式。例如，在其他实施例中，多个波导芯1可以被单个平板波导芯所取代。除了包括一个腔，用于容纳随后形成耦合斑的材料之外，这是一个在波导包层之上沉积为基本均匀的层的波导材料体。也就是说，在最终产品中，平板波导芯围绕着耦合斑，并在平行于透明基底的表面的所有方向上远离耦合斑延伸。

Claims (20)

1.一种光耦合器件，包括：

在一个平面内延伸的一个或多个波导芯；

被设置在所述平面内且包含多个散射中心的耦合斑；

平行于所述平面并沿所述一个或多个波导芯定位的包层；

平行于所述平面并沿所述包层定位的透明基底；以及

被置于所述耦合斑上的背反射镜，所述背反射镜与所述透明基底处于所述耦合斑的相对侧；

其中在光穿过所述透明基底时，至少有一部分光穿过所述包层，进入所述耦合斑内，并且所述多个散射中心将至少一部分的所述光通过散射耦合到所述一个或多个波导芯内。

2.如前述任一权利要求所述的光耦合器件，还包括一个设置在所述耦合斑与所述包层之间的第一反射镜，其中所述第一反射镜具有光孔，用于使光穿过所述包层，进入所述耦合斑。

3.如前述任一权利要求所述的光耦合器件，还包括在所述包层与所述透明基底之间的第二反射镜，其中所述第二反射镜具有光孔，用于使光穿过所述透明层，进入所述包层。

4.如前述任一权利要求所述的光耦合器件，其中所述耦合斑包括聚合物基体。

5.如权利要求4所述的光耦合器件，其中所述聚合物基体包括聚合物，所述聚合物对至少一个波长λ为透明、使得a/λ＜1，其中a为平均颗粒直径。

6.如权利要求5在引用权利要求2和3时所述的光耦合器件，其中所述包层的厚度根据以下公式配置：

$t_{\mathrm{clad}}(n_{\mathrm{sb}},r_{\mathrm{sh}},n_{\mathrm{clad}})=(r_{\mathrm{sh}}+r_{\mathrm{ap}})\·\tan [\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\sin }^{-1}\{\frac{n_{\mathrm{sb}}}{n_{\mathrm{clad}}}\·\sin [\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\cos }^{-1}\left(\frac{{n_{\mathrm{eff}}}^n}{n_{\mathrm{sb}}}\right)]\left\}\right],$

其中t_clad表示所述包层的厚度，

n_sb表示所述透明基底的折射率，

r_sh表示在所述第二反射镜中的所述光孔的半径，

n_clad表示所述包层的折射率，

r_ap表示在所述第一反射镜中的所述光孔的半径，

n_eff ⁿ为基于以下公式的所述基底的厚度和折射率的函数

$n_{\mathrm{eff}}{|}_{\mathrm{cutoff}}=n_{\mathrm{sb}}\·\cos \{\frac{\mathrm{\π}}{2}-{\sin }^{-1}(\frac{n_{\mathrm{clad}}}{n_{\mathrm{sb}}}\·\sin {\mathrm{\θ}}_{\mathrm{inc}})\},$

n为正整数；以及

θ_inc表示从所述第一反射镜的光孔射出的杂散光可以进入所述第二反射镜的光孔的最大可能入射角。

7.如前述任一权利要求所述的光耦合器件，其中有围绕所述耦合斑布置的多个所述波导芯，所述波导芯为长形，并沿各自的方向远离所述耦合斑而延伸。

8.一种制造光耦合器件的方法，包括：

在透明基底之上形成包层；

在所述包层之上形成一个或多个波导芯，所述一个或多个波导芯在一个平面内延伸；

在所述包层之上形成耦合斑，所述耦合斑被设置在所述平面内，并包含多个散射中心；以及

在所述耦合斑上形成背反射镜；

所述多个散射中心用于将穿过所述透明层和所述包层并进入所述耦合斑的光散射到所述一个或多个波导芯内。

9.如权利要求8所述的方法，还包括：在形成所述一个或多个波导芯的所述步骤之前，在所述包层之上形成第一反射镜，所述第一反射镜具有光孔，用于使光穿过所述包层而进入所述耦合斑。

10.如权利要求8或9所述的方法，还包括：在形成所述包层的所述步骤之前，在所述透明基底之上形成第二反射镜，所述第二反射镜具有光孔，用于使光穿过所述透明基底而进入所述包层。

11.如权利要求8至10中任一项所述的方法，其中，在形成所述一个或多个波导芯的所述步骤中，形成多个所述波导芯，并在所述波导芯之间限定腔；

形成所述耦合斑的所述步骤在形成所述波导芯的所述步骤之后执行，并包括将材料沉积到所述腔内。

12.如权利要求8至11中任一项所述的方法，其中所述包层的厚度至少为约5μm。

13.如权利要求8至12中任一项所述的制造光耦合器件的方法，其中所述包层由旋转涂覆技术形成。

14.如权利要求8至12中任何一项所述的制造光耦合器件的方法，其中所述包层由棒式涂覆技术形成。

15.如权利要求8至14中任一项所述的制造光耦合器件的方法，其中所述波导芯由旋转涂覆技术形成。

16.如权利要求8至14中任一项所述的制造光耦合器件的方法，其中所述波导芯由光刻技术形成。

17.如权利要求9或如权利要求10至16中任一项在引用权利要求9时所述的制造光耦合器件的方法，其中所述第一反射镜采用光刻技术和随后采用金属图案化技术形成。

18.如权利要求17所述的制造光耦合器件的方法，其中所述金属图案化技术为金属剥离工艺。

19.如权利要求9或如权利要求10至16中任一项在引用权利要求9时所述的制造光耦合器件的方法，其中所述第一反射镜采用荫罩掩模沉积技术形成。

20.如权利要求10或如权利要求11至19中任一项在引用权利要求10时所述的制造光耦合器件的方法，其中所述第二反射镜采用荫罩掩模沉积技术形成。