CN107346048B - 平面光波导器件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请揭示了一种平面光波导器件及其制作方法，方法包括步骤提供一基板；于基板上形成一支撑层；于支撑层上形成一波导层；将波导层分割形成若干条状波导，每一条状波导的至少部分表面之间为尖角过渡；利用回流技术将尖角过渡变更为圆角过渡。本申请利用回流技术形成圆角过渡的波导，一方面，由于圆角过渡波导的横截面不存在尖角，其可以实现偏振不敏感；另一方面，由于圆角过渡波导的外表面为连贯的弧面，可以大大降低损耗；再一方面，相较于直线型波导，圆角过渡波导与支撑层的接触面积较小，圆角过渡波导未接触支撑层的区域直接接触空气，使得波导芯区与包层之间的折射率差值更大，以实现更大的有效折射率，从而整个器件的尺寸可进一步缩小。

Description

平面光波导器件及其制作方法

技术领域

本申请涉及光通信元件制造技术领域，尤其涉及一种平面光波导器件及其制作方法。

背景技术

在光通讯平面光波导(PLC，Planar Lightwave Circuit)中，圆柱形波导一直都是最理想的选择，但由于制备工艺的限制，波导一般只能够做成矩形或者脊形来进行光信号的传输与处理，直线型的波导(例如矩形波导)由于刻蚀的原因，其侧壁很粗糙，并且波导弯曲时角度突变会增加器件的损耗。

另外，偏振相关的特性也是平面光波导在处理光信号时不得不考虑的一个的问题，在平面光波导中传输需要额外解决入射光偏振态，而在直线型的波导中这个问题尤为严重。

再者，由于波导的入射孔径较小，激光器发出的光线难以耦合进波导中，导致耦合效率很低，目前的解决方案是在波导及激光器之间增设透镜，以辅助光线耦合进波导，但这不仅增加了制作成本、组装难度，也阻碍了整个平面光波导器件的小型化。

发明内容

本申请一实施例提供一种平面光波导制作方法，其可以实现偏振不敏感，结构紧凑，损耗极低，所述平面光波导制作方法包括步骤：

提供一基板；

于所述基板上形成一支撑层；

于所述支撑层上形成一波导层；

于所述波导层上放置一掩膜板，所述掩膜板上具有并排且分隔设置的若干掩膜口,所述掩膜口的边角呈弧形；

经过曝光显影后在所述基板上形成与所述若干掩膜口相对应的若干条状波导，每一条状波导的至少部分表面之间为尖角过渡；

利用回流技术将尖角过渡变更为圆角过渡。

一实施例中，曝光显影后的所述条状波导包括上表面及邻接所述上表面的若干侧表面，所述上表面与所述掩膜口的形状相匹配，至少所述若干侧表面与所述上表面之间为尖角过渡。

一实施例中，步骤“利用回流技术将尖角过渡变更为圆角过渡”具体包括：

于第一时间段内融化所述条状波导；

于第二时间段内固化所述条状波导，所述条状波导的尖角过渡变更为圆角过渡。

本申请一实施例提供一种平面光波导器件制作方法，包括步骤：

提供一基板；

于所述基板上形成一支撑层；

于所述支撑层上形成一波导层；

于所述波导层上放置一掩膜板，所述掩膜板上具有并排且分隔设置的若干掩膜口,所述掩膜口的边角呈弧形；

经过曝光显影后在所述基板上形成与所述若干掩膜口相对应的若干条状波导；

利用回流技术将每一条状波导变形为圆柱状波导。

一实施例中，步骤“经过曝光显影后在所述基板上形成与所述若干掩膜口相对应的若干条状波导”具体包括：

经过曝光显影后在所述基板上形成与所述若干掩膜口相对应的若干条状结构，每一所述条状结构依次包括所述条状波导及条状支撑结构。

一实施例中，所述掩膜口呈类矩形，且所述掩膜口的边角呈弧形，沿所述掩膜口垂直映射方向显影形成的条状波导对应包括长方体本体及位于所述长方体本体两端的弧状体。

一实施例中，步骤“利用回流技术将每一条状波导变形为圆柱状波导”具体包括：

于第一时间段内融化所述条状波导；

于第二时间段内固化所述条状波导，所述长方体本体变形为圆柱状本体，所述弧状体变形为半球体，所述圆柱状本体及所述半球体组合形成所述圆柱状波导。

与现有技术相比，本申请的技术方案利用回流技术形成圆角过渡波导，一方面，由于圆角过渡波导的横截面不存在尖角，其可以实现偏振不敏感，解决了入射光偏振态带来的问题；另一方面，由于圆角过渡波导的外表面为连贯的弧面，波导周围无突变且较光滑，可以大大降低损耗，从而降低整个器件的功耗；再一方面，相较于直线型波导，圆角过渡波导与支撑层(或者基板)的接触面积较小，圆角过渡波导未接触支撑层的区域直接接触空气，使得波导芯区与包层之间的折射率差值更大，以实现更大的有效折射率，从而整个器件的尺寸可进一步缩小，结构紧凑，利于大规模集成。

附图说明

图1是本申请一实施方式的平面光波导器件制作方法步骤图；

图2是本申请一实施方式的平面光波导器件初始状态示意图；

图3是本申请一实施方式的平面光波导器件曝光显影过程示意图；

图4是本申请一实施方式的掩膜板结构示意图；

图5是本申请一实施方式的曝光显影后的平面光波导器件结构示意图；

图6是本申请一实施方式的条状波导结构示意图；

图7是本申请一实施方式的回流工艺处理后的平面光波导器件横截面图；

图8是本申请一实施方式的回流工艺处理后的平面光波导器件立体图；

图9是本申请一实施方式的形成圆柱状波导的平面光波导器件制作方法步骤图；

图10是本申请一实施方式的回流工艺处理后的平面光波导器件俯视图；

图11是本申请一实施方式的回流工艺处理后的平面光波导器件侧视图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。

在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。

另外，本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。

如图1所示，为本申请一实施方式的平面光波导器件制作方法步骤图。结合图2至图8，本实施方式的平面光波导器件制作方法包括步骤：

提供一基板10；

于所述基板10上形成一支撑层20；

于所述支撑层20上形成一波导层30；

将所述波导层30分割形成若干条状波导31，每一条状波导31的至少部分表面之间为尖角过渡；

利用回流技术将尖角过渡变更为圆角过渡。

在本实施方式中，利用回流技术形成圆角过渡波导，一方面，由于圆角过渡波导的横截面不存在尖角，其可以实现偏振不敏感，解决了入射光偏振态带来的问题；另一方面，由于圆角过渡波导的外表面为连贯的弧面，波导周围无突变且较光滑，可以大大降低损耗，从而降低整个器件的功耗；再一方面，相较于直线型波导，圆角过渡波导与支撑层(或者基板)的接触面积较小，圆角过渡波导未接触支撑层的区域直接接触空气，使得波导芯区与包层之间的折射率差值更大，以实现更大的有效折射率，从而整个器件的尺寸可进一步缩小，结构紧凑，利于大规模集成。

在本实施方式中，参考图3至图8，本实施方式形成圆角过渡波导的过程具体包括：

于所述波导层30上放置一掩膜板40，所述掩膜板40上具有并排且分隔设置的若干掩膜口41；

经过曝光显影后在所述基板10上形成与所述若干掩膜口41相对应的若干条状波导31；

于第一时间段内融化所述条状波导31；

于第二时间段内固化所述条状波导31，所述条状波导31的尖角过渡变更为圆角过渡。

这里，当曝光显影后，所述条状波导31包括上表面及邻接所述上表面的若干侧表面，所述上表面与所述掩膜口41的形状相匹配，至少所述若干侧表面与所述上表面之间为尖角过渡，而后，经过回流技术便可将尖角过渡区域重新固化为圆角过渡区域。需要说明的是，本实施方式所述的条状波导31不限定为只能是直线条状波导，也就是说，本实施方式经过回流技术成型的波导不限定为如图8所示的圆柱状波导，通过改变掩膜口41形状、曝光过程照射角度等参数，可以形成其他形状的波导，例如波浪状波导、椭圆状波导等等。

下面，以圆柱状波导为例详述本实施方式的平面光波导器件制作方法，为避免累赘，相同的结构采用了相同的标记，一并参阅图9，所述制作方法包括步骤：

提供一基板10；

于所述基板10上形成一支撑层20；

于所述支撑层20上形成一波导层30；

将所述波导层30分割形成若干条状波导31；

利用回流技术将每一条状波导31变形为圆柱状波导32。

在本实施方式中，利用回流技术形成圆柱状波导，一方面，由于圆柱状波导的横截面呈圆形，其可以实现偏振不敏感，解决了入射光偏振态带来的问题；另一方面，由于圆柱状波导的外表面为连贯的弧面，波导周围无突变且较光滑，可以大大降低入射光损耗，从而降低整个器件的功耗；再一方面，相较于直线型波导，圆柱状波导与支撑层(或者基板)的接触面积较小，圆柱形波导未接触支撑层的区域直接接触空气，使得波导芯区与包层之间的折射率差值更大，以实现更大的有效折射率，从而整个器件的尺寸可进一步缩小，结构紧凑，利于大规模集成。

在本实施方式中，如图2所示，初始状态时，波导层30、支撑层20及基板10依次对齐堆叠设置，在一示例中，基板10为硅基片，支撑层20为PI(Polyimide，聚酰亚胺)层，波导层30为PR层(Photoresist，光刻胶)。在实际操作中，首先，提供一平板状基板10，而后匀胶PI层，烘烤干燥之后再次匀胶PR层，再进行烘烤，便得到了如图2所示的层叠结构，但不以此为限。

在本实施方式中，参考图3至图5，步骤“将所述波导层30分割形成若干条状波导31”具体包括：

于所述波导层30上放置一掩膜板40，所述掩膜板40上具有并排且分隔设置的若干掩膜口41；

经过曝光显影后在所述基板10上形成与所述若干掩膜口41相对应的若干条状结构50，每一所述条状结构50依次包括所述条状波导31及条状支撑结构21。

这里，当将掩膜板40覆盖在波导层30上方后，利用光线(例如UV光，具体可根据波导层30、支撑层20材料决定)垂直照射掩膜板40，光线通过掩膜口41照射波导层30及支撑层20实现曝光，波导层30及支撑层20中被照射区域的性质发生变化，而后在显影过程中，利用特殊的显影液，该些被照射区域之外的其他区域被显影液消除，从而留下该些被照射区域，如图5所示，该些被照射区域即为在基板10上留下的若干条状结构50。需要说明的是，条状结构50可以仅包含上方的条状波导31，也就是说，此时支撑层20未被曝光显影或未完全曝光显影，支撑层20未被分隔形成若干相互分离的支撑结构21。

具体的，所述掩膜口41呈类矩形，且所述掩膜口41的边角呈弧形，也就是说，掩膜口41包括相互平行的第一侧边411、第二侧边412，第一侧边411及第二侧边412的两端分别通过第一弧形边413及第二弧形边414连接。当光线垂直照射掩膜板40时，条状结构50即为掩膜口41垂直映射方向所围成的区域，条状结构50的上表面与掩膜口41形状匹配。在本实施方式中，如图5及图6所示，条状结构50包括位于上层的条状波导31及位于下层的条状支撑结构21，条状波导31对应掩膜口41包括长方体本体311及位于所述长方体本体311两端的弧状体312，条状支撑结构21的形状与条状波导31的形状类似，当然，在其他实施方式中，通过改变支撑层的材料或曝光显影方式，也可控制曝光显影后的条状支撑结构21与条状波导31形状不一致。

在本实施方式中，一并参考图6-图8，步骤“利用回流技术将每一条状波导31变形为圆柱状波导32”具体包括：

于第一时间段内融化所述条状波导31；

于第二时间段内固化所述条状波导31，所述长方体本体311变形为圆柱状本体321，所述弧状体32变形为半球体322，所述圆柱状本体321及所述半球体322组合形成所述圆柱状波导32。

在本实施方式中，通过加热方式使条状波导31发生融化，条状波导31的表面区域最先融化而向四周发生流动，如此，长方体本体311的周围的直角区域逐渐变为圆角，从而使得整个长方体本体311逐渐变形为圆柱状本体321，弧状体312的直角区域也逐渐变为圆角，从而使得整个弧状体312逐渐变形为半球体322，固化后的所述圆柱状本体321及所述半球体322组合形成所述圆柱状波导32。这里，通过控制第一时间段、第二时间段、加热温度等因素，可以有效控制条状波导31的形变过程。

需要说明的是，半球体322位于整个圆柱状波导32的入射面及出射面处，当激光器发出的光线耦合进圆柱状波导32时，光线优先经过半球体322，此时半球体322起到透镜作用而辅助光线会聚耦合进圆柱状本体321内，如此，可解决光线耦合难题，利于整个平面光波导器件的集成与封装。这里，位于出射面处的半球体322也可辅助出射光线进入其他部件。

在本实施方式中，步骤“于第一时间段内融化所述条状波导31”具体包括：于第一时间段内以第一温度加热融化所述条状波导31，所述第一温度大于所述条状波导31的熔点，且所述第一温度小于所述条状支撑结构21的熔点。如此，可在条状波导31发生形变的同时避免下方的条状支撑结构21也发生形变，未发生形变的条状支撑结构21可以更好地支撑变形后的圆柱状波导32，当然，在其他实施方式中，条状支撑结构21也可发生一定的形变。

本申请一实施方式还提供一种平面光波导器件，一并参阅图10-11，平面光波导器件包括基板10、位于所述基板10上方的支撑层20，以及位于所述支撑层20上方的若干波导32，每一所述波导32的各个表面之间均为圆角过渡。本实施方式的平面光波导器件的其他说明可参考上述平面光波导器件制作方法的说明，在此不再赘述。

本申请一实施方式还提供一种平面光波导器件，一并参阅图10-11，平面光波导器件包括基板10、位于所述基板10上方的支撑层20，以及位于所述支撑层20上方的若干圆柱状波导32，所述若干圆柱状波导32并排且分隔设置。

在本实施方式中，一方面，由于圆柱状波导的横截面呈圆形，其可以实现偏振不敏感，解决了入射光偏振态带来的问题；另一方面，由于圆柱状波导的外表面为连贯的弧面，波导周围无突变且较光滑，可以大大降低入射光损耗，从而降低整个器件的功耗；再一方面，相较于直线型波导，圆柱状波导与支撑层(或者基板)的接触面积较小，圆柱形波导未接触支撑层的区域直接接触空气，使得波导芯区与包层之间的折射率差值更大，以实现更大的有效折射率，从而整个器件的尺寸可进一步缩小，结构紧凑，利于大规模集成。

在本实施方式中，所述支撑层20包括与若干圆柱状波导32相对应的若干条状支撑结构21，所述若干圆柱状波导32相互平行排列，每一圆柱状波导32包括圆柱状本体321及半球体322，所述圆柱状本体321沿其轴向具有相对设置的第一端及第二端，所述半球体322位于所述第一端和/或所述第二端。这里，半球体322位于整个圆柱状波导32的入射面及/或出射面处，当激光器发出的光线耦合进圆柱状波导32时，光线优先经过半球体322，此时半球体322起到透镜作用而辅助光线会聚耦合进圆柱状本体321内，如此，可解决光线耦合难题，利于整个平面光波导器件的集成与封装。这里，位于出射面处的半球体322也可辅助出射光线进入其他部件。

在本实施方式中，所述半球体322与所述圆柱状本体321一体成型，圆柱状本体321与半球体322交界处顺滑过渡。另外，所述半球体322的中心轴与所述圆柱状本体321的中心轴重合，从而使得光线更好的耦合进圆柱状本体321内。这里，需要说明的是，半球体322不一定正好是球体的二分之一，例如，半球体322仅是一个球体的四分之一。

在本实施方式中，如图9及图10所示，半球体322朝远离圆柱状本体321的方向凸伸出基板10，如此，可便于整个平面光波导器件与其他器件的配合组装。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种平面光波导器件制作方法，其特征在于包括步骤：

提供一基板；

于所述基板上形成一支撑层；

于所述支撑层上形成一波导层；

于所述波导层上放置一掩膜板，所述掩膜板上具有并排且分隔设置的若干掩膜口,所述掩膜口的边角呈弧形；

经过曝光显影后在所述基板上形成与所述若干掩膜口相对应的若干条状波导，每一条状波导的至少部分表面之间为尖角过渡；

利用回流技术将尖角过渡变更为圆角过渡。

2.根据权利要求1所述的平面光波导器件制作方法，其特征在于，曝光显影后的所述条状波导包括上表面及邻接所述上表面的若干侧表面，所述上表面与所述掩膜口的形状相匹配，至少所述若干侧表面与所述上表面之间为尖角过渡。

3.根据权利要求1或2所述的平面光波导器件制作方法，其特征在于步骤“利用回流技术将尖角过渡变更为圆角过渡”具体包括：

于第一时间段内融化所述条状波导；

于第二时间段内固化所述条状波导，所述条状波导的尖角过渡变更为圆角过渡。

4.一种平面光波导器件制作方法，其特征在于包括步骤：

提供一基板；

于所述基板上形成一支撑层；

于所述支撑层上形成一波导层；

于所述波导层上放置一掩膜板，所述掩膜板上具有并排且分隔设置的若干掩膜口,所述掩膜口的边角呈弧形；

经过曝光显影后在所述基板上形成与所述若干掩膜口相对应的若干条状波导；

利用回流技术将每一条状波导变形为圆柱状波导。

5.根据权利要求4所述的平面光波导器件制作方法，其特征在于步骤“经过曝光显影后在所述基板上形成与所述若干掩膜口相对应的若干条状波导”具体包括：

经过曝光显影后在所述基板上形成与所述若干掩膜口相对应的若干条状结构，每一所述条状结构依次包括所述条状波导及条状支撑结构。

6.根据权利要求5所述的平面光波导器件制作方法，其特征在于，所述掩膜口呈类矩形，沿所述掩膜口垂直映射方向显影形成的条状波导对应包括长方体本体及位于所述长方体本体两端的弧状体。

7.根据权利要求6所述的平面光波导器件制作方法，其特征在于步骤“利用回流技术将每一条状波导变形为圆柱状波导”具体包括：

于第一时间段内融化所述条状波导；

于第二时间段内固化所述条状波导，所述长方体本体变形为圆柱状本体，所述弧状体变形为半球体，所述圆柱状本体及所述半球体组合形成所述圆柱状波导。

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