CN108132499A - 基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器及其制备方法，应用于硅纳米线光波导与普通单模光纤的耦合。其结构采用集成光电子工艺方法制作，在绝缘体层上硅基底上，制作锥型硅波导，再利用光刻技术，在绝缘体层上，连续套刻三层材料为SU‑8光刻胶的组合锥型光波导，最后沉积二氧化硅上包层实现模斑转换器的制作。本发明通过所述三层SU‑8光刻胶组合锥型光波导的锥型部分，将单模光纤耦合进入的模斑的大小在水平方向与竖直方向上缩减，并与反向锥型硅波导级联，最终使光场耦合进入硅纳米线波导中。本发明可以实现硅纳米光波导与普通单模光纤直接进行端面连接，提高了与单模光纤模斑匹配度，提高了光耦合效率，便于大规模光路集成。
Description
技术领域
本发明属于光通信与光互连技术领域，更具体的涉及一种基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器及其制备方法，用于解决硅基光子芯片与普通单模光纤的接口问题。
背景技术
由于采用了发展较为成熟的CMOS工艺，基于硅基平台的光集成技术可为光互连提供一种低损耗、高性能的解决方案。拥有高折射率差的SOI平台有利于建立尺寸更小、集成度更高的集成光器件，因此一直以来都受到广泛的关注。然而对于硅基光子芯片来说一个亟需解决问题是如何低损耗地实现小尺寸的芯片内光信号与片外大尺寸的器件中光信号的耦合。硅基光波导的尺寸通常很小，其截面尺寸小于 0.5微米，而普通单模光纤的芯径约为8-10微米，两者尺寸相差较大，造成了严重的模场失配，从而引起很大的耦合损耗，因此需要在芯片上设计出特殊的模斑转换器以提高耦合效率。
模斑转换器有端面耦合和光栅耦合两种方式。光栅耦合是一种波长敏感，封装困难的耦合技术，其多用于芯片的测试。端面耦合是一种效率高且易于封装的耦合方法，现有的技术中曾采用引入低折射率的中介直波导的方法，其折射率低于硅，因此中介波导的模场与光纤的模场更加匹配，使得光场可以相对高效地从光纤中耦合进中介波导。之后，再通过引入锥型的硅波导，其宽度在光场进入的界面较窄，使得光场主要集中在硅波导外，再随着硅波导的逐渐加宽，从而使光场逐渐耦合进入硅波导中。在中介波导材料的选择上，SU-8胶是一种稳定的聚合物，已经广泛应用于各种光电芯片产品。它是一种负性厚光刻胶，具有良好的光敏性、抗化学腐蚀性和热稳定性等优点。它在近紫外光范围内光吸收度很低，且整个光刻胶层所获得的曝光量均匀一致，可得到具有垂直侧壁和高深宽比的厚膜图形，可以形成台阶等结构复杂的图形。直接采用SU-8光刻胶来制备深宽比高的微结构与微零件是一种灵活且成本低廉的方案。但通常的中介波导波导尺寸仍与单模光纤有一定差距，因此耦合效率仍然不高。如何进一步扩大中介波导尺寸，提高光纤耦合效率，同时仍然保持光可以耦合进入锥型的硅波导，是具有一定挑战性的。
因此，采用合理的材料设计一种封装工艺简单、与普通单模光纤耦合效率高的硅基模斑转换器是具有重要意义的。
发明内容
1、发明目的。
本发明提出了一种基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器及其制备方法，以解决现有技术中模斑转换器与普通单模光纤耦合效率低的问题，实现提高硅波导模斑转换器的耦合效率。
2、本发明所采用的技术方案。
本发明提出了一种基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器，包括：上包层，绝缘体层，衬底，第一光波导，第二光波导，第三光波导，第四光波导，所述绝缘体层置于所述衬底上，所述第一光波导置于所述绝缘体层上，所述第二光波导置于所述绝缘体层上并包裹所述第一光波导，所述第三光波导置于所述第二光波导上，所述第四光波导置于所述第三光波导上；所述第二光波导、所述第三光波导与所述第四光波导相向设置，所述第一光波导与第二光波导相对设置；所述第一光波导与所述第二光波导相对的一侧均为锥型，所述第三光波导、第四光波导与第二光波导相向的一侧为锥型，所述上包层置于所述绝缘体层上并包裹住所述第二光波导、所述第三光波导及所述第四光波导。
进一步的，还包括支撑体，所述支撑体设置于所述绝缘体层上，所述第二光波导、第三光波导、第四光波导均放置在所述支撑体之间，所述上包层(1)包裹住所述支撑体(8)。
进一步的，所述上包层为二氧化硅，厚度在1-5um之间。
进一步的，所述绝缘体层为二氧化硅，厚度在1-5um之间。
进一步的，所述衬底为硅。
进一步的，所述第一光波导为硅，厚度在500nm以下。
进一步的，所述第二光波导为SU-8光刻胶，厚度在1-5um之间，非锥形的一侧用于与光纤耦合，其宽度在9-16um之间。
进一步的，所述第三光波导为SU-8光刻胶，厚度在2-6um之间，与光纤耦合的一端宽度在9-16um之间。
进一步的，所述第四光波导为SU-8光刻胶，厚度在2-6um之间，与光纤耦合的一端宽度在9-16um之间。
进一步的，所述第二光波导，所述第三光波导和所述第四光波导与光纤耦合的一端宽度相等。
本发明还公开了上述基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在衬底上生长绝缘体层；
(2)在绝缘体层上采用集成微电子工艺制作第一光波导，得到芯片基材；
(3)在步骤(2)制得的芯片上旋涂匀胶，形成第二光波导对应的光刻胶层，采用光刻、显影的方法在该光刻胶层上制出第二光波导，以及分布在第二光波导左右两侧，与第二光波导等高的支撑体；
(4)在步骤(3)制得的芯片上旋涂匀胶，形成第三光波导对应的光刻胶层，采用光刻、显影的方法在该光刻胶层上制出第三光波导，以及分布在第三光波导左右两侧，与第三光波导等高的支撑体；
(5)在步骤(4)制得的芯片上旋涂匀胶，形成第四光波导对应的光刻胶层，采用光刻、显影的方法在该光刻胶层上制出第四光波导；
(6)在步骤(5)所得芯片上沉积二氧化硅上包层，获得最终结构。
3、本发明所产生的技术效果。
(1)本发明通过采用叠加的三层锥型波导，使得基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器可以与普通单模光纤直接进行端面连接，而不必使用小模场光纤或锥型透镜光纤。
(2)本发明采用SU-8光刻胶作为波导结构，并采用支撑体结构，可以使用旋涂匀胶、光刻、显影的方法一层一层制作波导结构，降低了工艺难度，且提高了与单模光纤模斑匹配度，提高了光的耦合效率，便于大规模光路集成。
附图说明
图1是本发明硅波导模斑转换器的结构示意图。为清楚表示波导结构，省略上包层和支撑体。
图2是本发明制备方法步骤1所得中间结构侧面示意图。
图3是本发明制备方法步骤1所得中间结构俯视示意图。
图4是本发明制备方法步骤1所得中间结构端面示意图。
图5是本发明制备方法步骤2所得中间结构侧面示意图。
图6是本发明制备方法步骤2所得中间结构俯视示意图。
图7是本发明制备方法步骤2所得中间结构端面示意图。
图8是本发明制备方法步骤3所得中间结构侧面示意图。
图9是本发明制备方法步骤3所得中间结构俯视示意图。
图10是本发明制备方法步骤3所得中间结构端面示意图。
图11是本发明制备方法步骤4所得中间结构侧面示意图。
图12是本发明制备方法步骤4所得中间结构俯视示意图。
图13是本发明制备方法步骤4所得中间结构端面示意图。
图14是本发明制备方法步骤5所得最终结构侧面示意图。
图15是本发明硅波导模斑转换器的结构示意图。省略上包层和一侧支撑体。
图16是横电模式光在本发明所述基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器中传输时，光场分布俯视图。
图17是横电模式光在本发明所述基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器中传输时，光场分布侧视图。
图18是横磁模式光在本发明所述基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器中传输时，光场分布俯视图。
图19是横磁模式光在本发明所述基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器中传输时，光场分布侧视图。
附图标记说明：1-上包层、2-绝缘体层、3-衬底、4-第一光波导、5-第二光波导、6-第三光波导、7-第四光波导，8-支撑体。
具体实施方式
实施例1
如图1、图15所示，本实施例一种基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器，包括上包层1，绝缘体层2，衬底3，第一光波导4，第二光波导5，第三光波导6，第四光波导7，支撑体8。通常的硅光芯片中，绝缘体层2的厚度通常在1-5um之间，第一光波导4的厚度通常在500nm以下。
本实施例所述基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器中，衬底 3为硅，衬底3上制作有绝缘体层2。绝缘体层2表面制作有第一光波导4，第一光波导4材料为硅，包含一段反向锥型光波导，放置在第二光波导5之中。第二光波导5放置在绝缘体层2上，第二光波导材料为SU-8光刻胶，包含一段直波导5a，一段锥型光波导5b，一段直波导5c。第三光波导6放置在第二光波导5上，第三光波导6材料为SU-8光刻胶，一段锥型光波导6a，包含一段直波导6b。第四光波导7放置在第三光波导6上，第四光波导7材料为SU-8光刻胶，第四光波导7包含一段锥型光波导。其中，第二光波导5和第三光波导6两侧均有支撑体8。上包层1置于所述绝缘体层2上并包裹住支撑体8、第二光波导5、第三光波导6及第四光波导7。
实施例2
本实施例提供一种上述基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器的制备方法，具体步骤如下：
(1)在衬底上生长绝缘体层；
(2)在绝缘体层上的硅基底上，采用电子束光刻或深紫外曝光以及干法刻蚀等集成微电子工艺制作第一光波导。该步骤完成后，其结构如图2、3、4所示。
(3)采用旋涂匀胶、光刻、显影的方法在步骤2所得芯片上制作第二光波导，并产生分布在第二光波导左右两侧的支撑体8a，该步骤完成后，其结构如图5、6、7所示。
(4)采用旋涂匀胶、光刻、显影的方法在步骤3所得芯片上制作第三光波导，并产生分布在第三光波导左右两侧的支撑体8b。由于在步骤2中制作有支撑体，整个芯片表面仅有支撑体与第二光波导之间的槽，因此在旋涂匀胶时可以制作出一层均匀的、具有一定厚度的 SU-8层。该步骤完成后，其结构如图8、9、10所示。
(5)采用旋涂匀胶、光刻、显影的方法在步骤4所得芯片上制作第四光波导。由于在步骤2中制作有支撑体，整个芯片表面仅有支撑体与第二光波导之间的槽，因此在旋涂匀胶时可以制作出一层均匀的、具有一定厚度的SU-8层。该步骤完成后，其结构如图11、12、 13所示。
(6)在步骤5所得芯片上沉积上包层二氧化硅，用作保护层。该步骤完成后，其结构如图14所示。
在使用本发明的结构时，光从右侧入射。第二光波导、第三光波导和第四光波导的右侧结构叠加在一起，其模场与单模光纤中的模场相匹配，可将单模光纤中的光耦合入第二光波导、第三光波导及第四光波导。由于第四光波导的宽度逐渐减小，因此第四光波导中的光场逐渐减少，至第四光波导的左侧尖端处，模斑已主要集中在第二光波导及第三光波导中。之后，第三光波导的宽度也逐渐减小，使得第三光波导中的光场也逐渐减少，至第三光波导的右侧尖端处，模斑已主要集中在第二光波导中。之后，第二光波导的宽度逐渐减小，使得模斑的大小逐渐减小，至第二光波导锥型部分的右侧尖端处，第一光波导左侧尖端的模场可与第二光波导右侧尖端处的模斑匹配，同时第一光波导的宽度逐渐增大，由于耦合，光场逐渐转移到第一光波导中。本发明的最终效果为，实现光场从单模光纤到硅波导的耦合。
图16、17中，对横电模式光在本发明实现的基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器中的传输情况进行数值模拟。光从右侧输入，从左侧硅波导出射。传输过程直观地演示了以上描述。
图18、19中，对横电模式光在本发明实现的基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器中的传输情况进行数值模拟。光从右侧输入，从左侧硅波导出射。传输过程直观地演示了以上描述。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
在本发明的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
Claims (10)
1.一种基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器，其特征在于：包括：上包层(1)，绝缘体层(2)，衬底(3)，第一光波导(4)，第二光波导(5)，第三光波导(6)，第四光波导(7)，所述绝缘体层(2)置于所述衬底(3)上，所述第一光波导(4)置于所述绝缘体层(2)上，所述第二光波导(5)置于所述绝缘体层(2)上并包裹所述第一光波导(4)，所述第三光波导(6)置于所述第二光波导(5)上，所述第四光波导(7)置于所述第三光波导(6)上；所述第二光波导(5)、所述第三光波导(6)与所述第四光波导(7)相向设置，所述第一光波导(4)与第二光波导(5)相对设置；所述第一光波导(4)与所述第二光波导(5)相对的一侧均为锥型，所述第三光波导(5)、第四光波导(6)与第二光波导(7)相向的一侧为锥型，所述上包层(1)置于所述绝缘体层(2)上并包裹住所述第二光波导(5)、所述第三光波导(6)及所述第四光波导(7)。
2.根据权利要求1所述的基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器，其特征在于：还包括支撑体(8)，所述支撑体(8)设置于所述绝缘体层(2)上，所述第二光波导(5)、第三光波导(6)、第四光波导(7)均放置在所述支撑体(8)之间，所述上包层(1)包裹住所述支撑体(8)。
3.根据权利要求1所述的基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器，其特征在于：所述上包层(1)为二氧化硅，厚度在1-5um之间；所述绝缘体层(2)为二氧化硅，厚度在1-5um之间。
4.根据权利要求1所述的基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器，其特征在于：所述衬底(3)为硅。
5.根据权利要求1所述的基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器，其特征在于：所述第一光波导(4)为硅，厚度在500nm以下。
6.根据权利要求1所述的基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器，其特征在于：所述第二光波导(5)为SU-8光刻胶，厚度在1-5um之间，非锥形的一侧宽度在9-16um之间。
7.根据权利要求1所述的基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器，其特征在于：所述第三光波导(6)为SU-8光刻胶，厚度在2-6um之间，非锥形的一侧宽度在9-16um之间。
8.根据权利要求1所述的基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器，其特征在于：所述第四光波导(7)为SU-8光刻胶，厚度在2-6um之间，非锥形的一侧宽度在9-16um之间。
9.根据权利要求1所述的基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器，其特征在于：所述第二光波导(5)、所述第三光波导(6)和所述第四光波导(7)非锥形的一侧宽度相等。
10.根据权利要求6-8中任一项所述的基于多层聚合物结构的硅波导模斑转换器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
(1)在衬底(3)上生长绝缘体层(2)；
(2)在绝缘体层上采用集成微电子工艺制作第一光波导(4)，得到芯片基材；
(3)在步骤(2)制得的芯片上旋涂匀胶，形成第二光波导(5)对应的光刻胶层，采用光刻、显影的方法在该光刻胶层上制出第二光波导(5)，以及分布在第二光波导(5)左右两侧，与第二光波导(5)等高的支撑体(8)；
(4)在步骤(3)制得的芯片上旋涂匀胶，形成第三光波导(6)对应的光刻胶层，采用光刻、显影的方法在该光刻胶层上制出第三光波导(6)，以及分布在第三光波导(6)左右两侧，与第三光波导(6)等高的支撑体(8)；
(5)在步骤(4)制得的芯片上旋涂匀胶，形成第四光波导(7)对应的光刻胶层，采用光刻、显影的方法在该光刻胶层上制出第四光波导(7)；
(6)在步骤(5)所得芯片上沉积二氧化硅上包层(1)，获得最终结构。
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