CN109239838A - 一种光波导及其制备方法、光波导系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种光波导及其制备方法、光波导系统，其中，所述光波导的入射单元的第一反射斜面用于将接收的光线反射向传导单元，所述光波导的出射单元的第二反射斜面用于反射所述入射单元传输的光线，以形成出射光线出射，并且所述第一反射斜面和第二反射斜面与所述衬底的夹角的角度相同或不同。所述第一反射斜面与衬底的夹角决定着入射单元对接收的光线的传播方向的改变程度，所述第二反射斜面与衬底的夹角决定着出射单元形成的出射光线的出射角度，而所述第一反射斜面和第二反射斜面与所述衬底的夹角既可以相同，也可以不同，从而使得光波导可以满足不同的光线入射角度和出射角度的要求，增加了光波导在各个应用场景的适用性。

Description

一种光波导及其制备方法、光波导系统

技术领域

本申请涉及光电子通信技术领域，更具体地说，涉及一种光波导及其制备方法、光波导系统。

背景技术

在光通信领域或光计测领域中，光互联技术是实现信息传递的基本技术。光互联是一种利用光作为传递信息的载体，实现各部件或各系统之间信息互连的技术。

光波导作为一种重要的光互联传输介质，广泛应用于芯片内、芯片间与芯片模块以及背板之间的光互联。现有技术中的光波导受限于其自身结构，使得其适用性较差。

发明内容

为解决上述技术问题，本申请提供了一种光波导及其制备方法、光波导系统，以实现增强光波导自身适用性的目的。

为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：

一种光波导，设置于衬底表面，所述光波导包括：入射单元、传导单元和出射单元；其中，

所述入射单元的顶表面高度与所述出射单元的顶表面高度相同，所述入射单元包括第一反射斜面，所述第一反射斜面用于将光线反射向所述传导单元；

所述传导单元位于所述入射单元与所述出射单元之间，包括位于衬底表面的第一包层和位于所述第一包层背离衬底一侧的芯层，所述芯层的折射率大于所述第一包层的折射率，所述芯层的顶表面的高度小于或等于所述入射单元和所述出射单元的高度，所述芯层用于接收所述入射单元反射的光线，所述光线在所述芯层内多次全反射后向所述出射单元出射；

所述出射单元包括第二反射斜面，所述第二反射斜面用于反射所述传导单元传输的光线，形成出射光线出射；所述第一反射斜面与所述第二反射斜面与所述衬底的夹角的角度相同或不同。

可选的，所述第一反射斜面与所述衬底的夹角的取值大于0°，且小于90°；

所述第二反射斜面与所述衬底的夹角的取值大于0°，且小于90°。

可选的，所述入射单元包括：第一限制结构和至少覆盖所述第一限制结构侧壁表面的第一反射斜面；

所述出射单元包括第二限制结构和至少覆盖所述第二限制结构侧壁的第二反射斜面，所述第一反射斜面和第二反射斜面之间具有限制凹槽，所述限制凹槽用于设置所述传导单元。

可选的，形成所述限制结构的材料为硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、石英玻璃和硼磷硅酸盐玻璃中的一种。

可选的，所述第一反射斜面和第二反射斜面均为金属斜面。

可选的，还包括：位于所述第一包层与所述衬底之间的反射金属层。

可选的，所述第一反射斜面、第二反射斜面和反射金属层相互连接，且由同一层金属层形成。

可选的，还包括：位于所述芯层背离所述第一包层一侧的第二包层；

所述第二包层的折射率小于所述芯层的折射率。

可选的，形成所述芯层的材料为正性光致抗蚀剂、负性光致抗蚀剂、感光性聚酰亚胺树脂或感光性溶胶凝胶中的一种或任意多种的混合物。

可选的，还包括：第一透镜结构和第二透镜结构；

所述第一透镜结构用于对光线进行处理后向所述入射单元传输；

所述第二透镜结构用于对出射单元出射的光线进行处理后出射。

可选的，所述第一透镜结构对光线的处理包括汇聚、发散和改变偏振状态中的一种或多种；

所述第二透镜结构对光线的处理包括汇聚、分束、发散和改变偏振状态中的一种或多种。

可选的，所述第一透镜结构和第二透镜结构为单个透镜或多个透镜组合形成的透镜组。

一种光波导的制备方法，包括：

提供衬底，所述衬底包括多个功能区和位于相邻所述功能区之间的切割道，所述功能区上形成有入射单元、出射单元和位于所述入射单元和出射单元之间的限制凹槽，所述入射单元的顶表面高度与所述出射单元的顶表面高度相同，所述入射单元包括第一反射斜面，所述出射单元包括第二反射斜面，所述第一反射斜面和第二反射斜面与所述衬底的夹角的角度相同或不同；

在所述限制凹槽中形成第一包层，所述第一包层的高度小于所述入射单元及所述出射单元的顶表面高度；

在所述第一包层表面形成芯层，所述芯层的折射率大于所述第一包层的折射率，所述芯层的顶表面的高度小于或等于所述入射单元和所述出射单元的高度，所述芯层用于接收所述入射单元反射的光线，所述光线在所述芯层内多次全反射后向所述出射单元出射；

沿所述切割道对所述衬底进行切割，以获得单个光波导。

可选的，所述入射单元、出射单元和位于所述入射单元和出射单元之间的限制凹槽的形成过程包括：

在所述衬底上形成限制层；

对所述限制层进行半导体切割处理，以在所述限制层中形成所述限制凹槽，所述限制凹槽两侧的限制层分别为第一限制结构和第二限制结构，所述第一限制结构朝向所述限制凹槽一侧和第二限制结构朝向所述限制凹槽一侧均为倾斜斜面；

形成至少覆盖所述第一限制结构的倾斜斜面表面的第一反射斜面，以及至少覆盖所述第二限制结构的倾斜斜面表面的第二反射斜面，所述第一反射斜面和第二反射斜面与所述衬底的夹角的角度不同。

可选的，所述入射单元、出射单元和位于所述入射单元和出射单元之间的限制凹槽的形成过程包括：

在所述衬底上形成限制层；

对所述限制层进行刻蚀工艺处理，以在所述限制层中形成所述限制凹槽，所述限制凹槽两侧的限制层分别为第一限制结构和第二限制结构，所述第一限制结构朝向所述限制凹槽一侧和第二限制结构朝向所述限制凹槽一侧均为倾斜斜面；

形成至少覆盖所述第一限制结构的倾斜斜面表面的第一反射斜面，以及至少覆盖所述第二限制结构的倾斜斜面表面的第二反射斜面，所述第一反射斜面和第二反射斜面与所述衬底的夹角的角度相同。

可选的，所述形成至少覆盖所述第一限制结构的倾斜斜面表面的第一反射斜面，以及至少覆盖所述第二限制结构的倾斜斜面表面的第二反射斜面包括：

形成覆盖所述第一限制结构表面、第二限制结构表面和所述限制凹槽底部表面的金属层，以形成所述第一反射斜面、第二反射斜面和连接所述第一反射斜面和第二反射斜面的反射金属层。

可选的，所述沿所述切割道对所述衬底进行切割之前还包括：

在所述芯层背离所述第一包层一侧形成第二包层；

所述第二包层的折射率小于所述芯层的折射率。

可选的，所述在所述第一包层表面形成芯层之后，所述沿所述切割道对所述衬底进行切割之前还包括：

形成用于对光线进行处理后向所述入射单元传输的第一透镜结构；

形成用于对出射单元出射的光线进行处理后出射的第二透镜结构。

一种光波导系统，包括：多个如上述任一项所述的光波导。

从上述技术方案可以看出，本申请实施例提供了一种光波导及其制备方法、光波导系统，其中，所述光波导的入射单元的第一反射斜面用于将接收的光线反射向传导单元，所述光波导的出射单元的第二反射斜面用于反射所述入射单元传输的光线，以形成出射光线出射，并且所述第一反射斜面和第二反射斜面与所述衬底的夹角的角度相同或不同。所述第一反射斜面与衬底的夹角决定着入射单元对接收的光线的传播方向的改变程度，所述第二反射斜面与衬底的夹角决定着出射单元形成的出射光线的出射角度，而所述第一反射斜面和第二反射斜面与所述衬底的夹角既可以相同，也可以不同，从而使得光波导可以满足不同的光线入射角度和出射角度的要求，增加了光波导在各个应用场景的适用性。

另外，所述光波导的结构适用于晶圆级半导体制备工艺，有利于降低光波导的尺寸，并使光波导具有一致性好和对准精度高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本申请的一个实施例提供的一种光波导的剖面结构示意图；

图2为本申请的另一个实施例提供的一种光波导的剖面结构示意图；

图3为本申请的又一个实施例提供的一种光波导的剖面结构示意图；

图4为本申请的再一个实施例提供的一种光波导的剖面结构示意图；

图5为本申请的一个可选实施例提供的一种光波导的剖面结构示意图；

图6为本申请的另一个可选实施例提供的一种光波导的剖面结构示意图；

图7为本申请的又一个可选实施例提供的一种光波导的剖面结构示意图；

图8为本申请的再一个可选实施例提供的一种光波导的剖面结构示意图；

图9为本申请的一个具体实施例提供的一种光波导的剖面结构示意图；

图10-图21为本申请的一个实施例提供的一种光波导的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有技术中的光波导受限于其自身结构，使得其适用性较差。这是因为现有技术中的光波导的制备工艺主要包括纳米压印技术和软膜转印技术，使得光波导的入射端面和出射端面的倾斜角度只能保持一致，无法满足入射光线角度和出射光线角度不同的要求。

另外，纳米压印技术是利用光刻、刻蚀等半导体平面工艺技术在基底表面的压膜材料，例如氧化硅或氮化硅中形成与光路形状相匹配的纳米压印模具。然后利用纳米压印模具在光波导表面的芯层材料中压制出光路。而光路的端面需要为镜面，以保证入射光的全反射耦合。这就对纳米压印模具的制作工艺提出了很高的要求，并且当光路改变时，需要定制相应的模具，使得该工艺制备的光波导的成本大大增加。

软模转印技术是在模具上制造好光路之后，再覆盖结合到底材之上。该方法也有它的缺点，首先其制备的光波导的入射端面和出射端面仍然无法调节，导致适用性较差；其次该工艺的制程较长，制备效率较低，增加了光波导的成本。

有鉴于此，本申请实施例提供了一种光波导，设置于衬底表面，所述光波导包括：入射单元、传导单元和出射单元；其中，

所述入射单元的顶表面高度与所述出射单元的顶表面高度相同，所述入射单元包括第一反射斜面，所述第一反射斜面用于将光线反射向所述传导单元；

所述传导单元位于所述入射单元与所述出射单元之间，包括位于衬底表面的第一包层和位于所述第一包层背离衬底一侧的芯层，所述芯层的折射率大于所述第一包层的折射率，所述芯层的顶表面的高度小于或等于所述入射单元和所述出射单元的高度，所述芯层用于接收所述入射单元反射的光线，所述光线在所述芯层内多次全反射后向所述出射单元出射；

所述出射单元包括第二反射斜面，所述第二反射斜面用于反射所述传导单元传输的光线，形成出射光线出射；所述第一反射斜面与所述第二反射斜面与所述衬底的夹角的角度相同或不同。

所述光波导的入射单元的第一反射斜面用于将接收的光线反射向传导单元，所述光波导的出射单元的第二反射斜面用于反射所述入射单元传输的光线，以形成出射光线出射，并且所述第一反射斜面和第二反射斜面与所述衬底的夹角的角度相同或不同。所述第一反射斜面与衬底的夹角决定着入射单元对接收的光线的传播方向的改变程度，所述第二反射斜面与衬底的夹角决定着出射单元形成的出射光线的出射角度，而所述第一反射斜面和第二反射斜面与所述衬底的夹角既可以相同，也可以不同，从而使得光波导可以满足不同的光线入射角度和出射角度的要求，增加了光波导在各个应用场景的适用性。

另外，所述光波导的结构适用于晶圆级半导体制备工艺，有利于降低光波导的尺寸，并使光波导具有一致性好和对准精度高的优点。

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请实施例提供的附图中的坐标系均是以衬底指向入射单元为Z轴正向建立的右手坐标系，参考图1和图6，图1和图6为本申请实施例提供的光波导的结构示意图，该光波导包括：入射单元20、传导单元40和出射单元30；其中，

所述入射单元20的顶表面高度与所述出射单元30的顶表面高度相同，所述入射单元20包括第一反射斜面22，所述第一反射斜面22用于将光线反射向所述传导单元40；

所述传导单元40位于所述入射单元20与所述出射单元30之间，包括位于衬底10表面的第一包层41和位于所述第一包层41背离衬底10一侧的芯层42，所述芯层42的折射率大于所述第一包层41的折射率，所述芯层42的顶表面的高度小于或等于所述入射单元20和所述出射单元30的高度，所述芯层42用于接收所述入射单元20反射的光线，所述光线在所述芯层42内多次全反射后向所述出射单元30出射；

所述出射单元30包括第二反射斜面32，所述第二反射斜面32用于反射所述传导单元40传输的光线，形成出射光线出射；所述第一反射斜面22与所述第二反射斜面32与所述衬底10的夹角的角度相同或不同。

需要说明的是，所述衬底10可以包括半导体元素，例如单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)；也可以包括混合的半导体结构，例如碳化硅、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓、合金半导体或其组合；也可以是绝缘体上硅(SOI)。此外，衬底10还可以包括其它的材料，例如外延层或掩埋层的多层结构。虽然在此描述了可以作为衬底10的材料的几个示例，但是可以作为半导体衬底10的任何材料均落入本发明的精神和范围。本发明的光波导所使用的衬底10的材料并无特殊限制，任何适合于支撑高分子聚合物的材料均可作为本申请光波导的衬底10。在一些实施例中使用的衬底10除半导体材料之外还可以是耐热玻璃(pyrex)，例如石英玻璃、硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)；或有机高分子树脂，例如但不限于聚酯树脂(polyester resin)、聚碳酸脂树脂(polycarbonate resin)、酚醛层压树脂或聚氨基甲酸酯树脂(polyurethane resin)；或它们的混合物，此外还可以是PCB板。

在图1和图6所示的实施例中，所述衬底10由第一包层41和芯层42构成，且形成第一包层41的材料的折射率小于形成芯层42的材料的折射率，这是因为光线需要在芯层42中以全反射的方式传播，因此需要在芯层42和第一包层41之间的界面形成光密介质向光疏介质入射的情况，以为全反射提供必要条件。在芯层42背离第一包层41一侧可以是空气层，这是因为空气层的折射率为1，通常小于绝大多数的材料的折射率，因此，相较于芯层42而言，空气层也为光疏介质，能够使得光线在芯层42与空气层的界面以全反射的方式传播。

还需要说明的是，所述第一反射斜面22与所述衬底10的夹角和第二反射斜面32与所述衬底10的夹角均是指反射斜面与衬底10所成的锐角，即所述第一反射斜面22与所述衬底10的夹角的取值大于0°，且小于90°；

所述第二反射斜面32与所述衬底10的夹角的取值大于0°，且小于90°。

所述第一反射斜面22与衬底10的夹角的取值可以是45°、30°、15°、60°和75°等；同样的，所述第二反射斜面32与衬底10的夹角的取值可以是45°、30°、15°、60°和75°等。所述第一反射斜面22与所述衬底10的夹角可以与所述第二反射斜面32与所述衬底10的夹角相同，也可以与所述第二反射斜面32与所述衬底10的夹角不同，本申请对此并不做限定。

可选的，形成所述第一包层41的材料可以是聚压克力酸酯(polyacrylate)、聚硅氧烷(polysiloxane)、聚酰亚胺(polyimide)或聚碳酸脂(polycarbonate)或通过3-异丁烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷(MPETS)和苯基三乙氧基硅烷(PhTES)的混合溶液旋涂形成。本申请对此并不做限定，具体视实际情况而定。

可选的，形成所述芯层42的材料为正性光致抗蚀剂、负性光致抗蚀剂、感光性聚酰亚胺树脂或感光性溶胶凝胶中的一种或任意多种的混合物。

在图1中，所述芯层42的顶表面与所述入射单元20的顶表面在同一水平面上；可选的，在图6中，所述芯层42的顶表面的高度小于所述入射单元20的顶表面的高度。

在图1和图6所示的光波导中，所述入射单元20包括：第一限制结构21和至少覆盖所述第一限制结构21侧壁表面的第一反射斜面22；

所述出射单元30包括第二限制结构31和至少覆盖所述第二限制结构31侧壁的第二反射斜面32，所述第一反射斜面22和第二反射斜面32之间具有限制凹槽，所述限制凹槽用于设置所述传导单元40。

可选的，形成所述限制结构的材料为硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、石英玻璃和硼磷硅酸盐玻璃中的一种。在本申请的一些实施例中，还可以采用化学气相沉积的方法形成所述限制结构；此外也可以使用粘接的方式，用环氧树脂等粘接剂将限制结构与衬底10粘接在一起。也可以采用旋涂的方法，用可选图氧化硅形成所述限制结构。

所述限制凹槽形成可以是先形成限制层后，对限制层进行刻蚀或机械切割或激光切割的方法形成该限制凹槽，形成限制凹槽后剩余的限制层成为所述限制结构。

可选的，所述第一反射斜面22和第二反射斜面32均为金属斜面。金属斜面具有较高的反射率，可以提升入射光线及出射光线的光能利用率，减少光能损失。

参考图2和图7，图2和图7为本申请的另一个实施例提供的一种光波导的剖面结构示意图，所述光波导还包括：位于所述芯层42背离所述第一包层41一侧的第二包层43；

所述第二包层43的折射率小于所述芯层42的折射率。

同样的，所述第二包层43的折射率小于所述芯层42的折射率是保证光线能够在芯层42中进行全反射传播的必要条件。在图2所示的实施例中，所述第二包层43覆盖所述芯层42以及所述限制结构的表面；在图7所示的实施例中，所述第二包层43覆盖所述芯层42背离所述第一包层41一侧表面。

在图2和图7所示的实施例中，由于所述第二包层43的存在，使得所述芯层42被第一包层41和第二包层43包裹，避免了裸露在空气中被外界杂质腐蚀的风险。增强了光波导的防腐蚀性能。

参考图3，图3为本申请的又一个实施例提供的一种光波导的剖面结构示意图，所述光波导还包括：位于所述第一包层41与所述衬底10之间的反射金属层RE。

该反射金属层RE可以提升光线在芯层42中传播过程中的反射率，提升光线的光能利用率。

仍然参考图3，所述第一反射斜面22、第二反射斜面32和反射金属层RE相互连接，且由同一层金属层形成。

由同一层金属层形成的第一反射斜面22、第二反射斜面32和反射金属层RE可以减少光波导的制备工艺流程，有利于简化光波导的工序，提升光波导的制备效率。

参考图4、图5以及图8和图9，图4、图5、图8和图9为本申请的再一个实施例提供的一种光波导的剖面结构示意图，在本实施例中，所述光波导还包括：第一透镜结构50和第二透镜结构60；

所述第一透镜结构50用于对光线进行处理后向所述入射单元20传输；

所述第二透镜结构60用于对出射单元30出射的光线进行处理后出射。

所述第一透镜结构50的存在可以使得光波导可以接收更大入射角范围的入射光线，使得这些光线均可以被入射单元20接收并在芯层42中以全反射的方式传播。

所述第二透镜结构60的存在可以使得光波导出射的光线具有一个更大范围的可选的出射角度，使得光波导的出射光线角度可以满足后续的光学元件的要求。

因此，所述第一透镜结构50和第二透镜结构60的存在进一步提升了所述光波导的适用性。

可选的，所述第一透镜结构50对光线的处理包括汇聚、发散和改变偏振状态中的一种或多种；

所述第二透镜结构60对光线的处理包括汇聚、分束、发散和改变偏振状态中的一种或多种。

那么相应的，所述透镜结构中可以包括凸透镜、凹透镜、偏振片、分束镜中的一种或任意多种的组合，以使所述透镜结构具有相应的光线处理功能。

仍然参考图4和图8，在图4和图8所示的光波导中，所述第一透镜结构50和第二透镜结构60均为单个透镜。当所述第一透镜结构50和第二透镜结构60为单个透镜时，所述第一透镜结构50和第二透镜结构60对光线的处理包括汇聚、分束、发散和改变偏振状态中的一种功能。

仍然参考图5和图9，在图5和图9所示的光波导中，所述第一透镜结构50和第二透镜结构60均为多个透镜组合形成的透镜组。当所述第一透镜结构50和第二透镜结构60为多个透镜组合形成的透镜组时，所述第一透镜结构50和第二透镜结构60对光线的处理可以包括汇聚、分束、发散和改变偏振状态中的一种或多种功能。本申请对所述第一透镜结构50和第二透镜结构60的具体构成并不做限定，具体视实际情况而定。

本申请实施例还提供了一种光波导的制备方法，用于形成上面任意一个实施例所述的光波导，所述光波导的制备方法如图10-20所示，该制备方法包括：

S101：提供衬底10，所述衬底10包括多个功能区11和位于相邻所述功能区11之间的切割道12，所述功能区11上形成有入射单元20、出射单元30和位于所述入射单元20和出射单元30之间的限制凹槽，所述入射单元20的顶表面高度与所述出射单元30的顶表面高度相同，所述入射单元20包括第一反射斜面22，所述出射单元30包括第二反射斜面32，所述第一反射斜面22和第二反射斜面32与所述衬底10的夹角的角度相同或不同；

如图10和图11所示，图10为所述衬底10的俯视结构示意图，图11为图10沿PP’线的剖面结构示意图，所述衬底10可以包括半导体元素，例如单晶、多晶或非晶结构的硅或硅锗(SiGe)；也可以包括混合的半导体结构，例如碳化硅、锑化铟、碲化铅、砷化铟、磷化铟、砷化镓或锑化镓、合金半导体或其组合；也可以是绝缘体上硅(SOI)。此外，衬底10还可以包括其它的材料，例如外延层或掩埋层的多层结构。虽然在此描述了可以作为衬底10的材料的几个示例，但是可以作为半导体衬底10的任何材料均落入本发明的精神和范围。本发明的光波导所使用的衬底10的材料并无特殊限制，任何适合于支撑高分子聚合物的材料均可作为本申请光波导的衬底10。在一些实施例中使用的衬底10除半导体材料之外还可以是耐热玻璃(pyrex)，例如石英玻璃、硼磷硅酸盐玻璃(BPSG)；或有机高分子树脂，例如但不限于聚酯树脂(polyester resin)、聚碳酸脂树脂(polycarbonate resin)、酚醛层压树脂或聚氨基甲酸酯树脂(polyurethane resin)；或它们的混合物，此外还可以是PCB板。

如图12-图14所示，在本申请的一个实施例中，位于衬底10上的所述入射单元20、出射单元30和位于所述入射单元20和出射单元30之间的限制凹槽TH的形成过程包括：

在所述衬底10上形成限制层DL；

对所述限制层DL进行半导体切割处理，以在所述限制层DL中形成所述限制凹槽TH，所述限制凹槽TH两侧的限制层DL分别为第一限制结构21和第二限制结构31，所述第一限制结构21朝向所述限制凹槽TH一侧和第二限制结构31朝向所述限制凹槽TH一侧均为倾斜斜面；可选的，所述半导体切割处理可以为激光切割处理，还可以为机械切割处理。

形成至少覆盖所述第一限制结构21的倾斜斜面表面的第一反射斜面22，以及至少覆盖所述第二限制结构31的倾斜斜面表面的第二反射斜面32，所述第一反射斜面22和第二反射斜面32与所述衬底10的夹角的角度不同。

利用半导体切割处理形成限制凹槽TH后，第一反射斜面22和第二反射斜面32与所述衬底10的夹角的角度可以不同，当然地，也可以相同。

仍然参考图12-图14，在本申请的另一个实施例中，所述入射单元20、出射单元30和位于所述入射单元20和出射单元30之间的限制凹槽TH的形成过程包括：

在所述衬底10上形成限制层DL；

对所述限制层DL进行刻蚀工艺处理，以在所述限制层DL中形成所述限制凹槽TH，所述限制凹槽TH两侧的限制层DL分别为第一限制结构21和第二限制结构31，所述第一限制结构21朝向所述限制凹槽TH一侧和第二限制结构31朝向所述限制凹槽TH一侧均为倾斜斜面；

形成至少覆盖所述第一限制结构21的倾斜斜面表面的第一反射斜面22，以及至少覆盖所述第二限制结构31的倾斜斜面表面的第二反射斜面32，所述第一反射斜面22和第二反射斜面32与所述衬底10的夹角的角度相同。

受限于刻蚀工艺的限制，利用刻蚀工艺形成限制凹槽TH后，第一反射斜面22和第二反射斜面32与所述衬底10的夹角的角度相同。

所述限制层DL的材料包括但不限于硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、石英玻璃和硼磷硅酸盐玻璃中的一种。在本申请的一些实施例中，还可以采用化学气相沉积的方法形成所述限制结构；此外也可以使用粘接的方式，用环氧树脂等粘接剂将限制结构与衬底10粘接在一起。也可以采用旋涂的方法，用可选图氧化硅形成所述限制层DL，形成限制凹槽TH后剩余的限制层DL成为所述限制结构。

可选的，所述第一反射斜面22和第二反射斜面32均为金属斜面。金属斜面具有较高的反射率，可以提升入射光线及出射光线的光能利用率，减少光能损失。

在形成所述第一包层41之前，可选的，参考图15，所述形成至少覆盖所述第一限制结构21的倾斜斜面表面的第一反射斜面22，以及至少覆盖所述第二限制结构31的倾斜斜面表面的第二反射斜面32包括：

形成覆盖所述第一限制结构21表面、第二限制结构31表面和所述限制凹槽TH底部表面的金属层，以形成所述第一反射斜面22、第二反射斜面32和连接所述第一反射斜面22和第二反射斜面32的反射金属层RE。

该反射金属层RE可以提升光线在芯层42中传播过程中的反射率，提升光线的光能利用率。

参考图16，S102：在所述限制凹槽TH中形成第一包层41，所述第一包层41的高度小于所述入射单元20及所述出射单元30的顶表面高度；

参考图17，S103：在所述第一包层41表面形成芯层42，所述芯层42的折射率大于所述第一包层41的折射率，所述芯层42的顶表面的高度小于或等于所述入射单元20和所述出射单元30的高度，所述芯层42用于接收所述入射单元20反射的光线，所述光线在所述芯层42内多次全反射后向所述出射单元30出射；

在图17所示的结构中，所述芯层42的顶表面与所述反射单元的顶表面位于同一水平面。可选的，在本申请的一些可选实施例中，所述芯层42的顶表面高度还可以小于所述反射单元的顶表面的高度。

可选的，参考图18，所述沿所述切割道12对所述衬底10进行切割之前还包括：

在所述芯层42背离所述第一包层41一侧形成第二包层43；

所述第二包层43的折射率小于所述芯层42的折射率。

同样的，所述第二包层43的折射率小于所述芯层42的折射率是保证光线能够在芯层42中进行全反射传播的必要条件。

由于所述第二包层43的存在，使得所述芯层42被第一包层41和第二包层43包裹，避免了裸露在空气中被外界杂质腐蚀的风险。增强了光波导的防腐蚀性能。

参考图19-图21，所述在所述第一包层41表面形成芯层42之后，所述沿所述切割道12对所述衬底10进行切割之前还包括：

形成用于对光线进行处理后向所述入射单元20传输的第一透镜结构50；

形成用于对出射单元30出射的光线进行处理后出射的第二透镜结构60。

所述第一透镜结构50的存在可以使得光波导可以接收更大入射角范围的入射光线，使得这些光线均可以被入射单元20接收并在芯层42中以全反射的方式传播。

所述第二透镜结构60的存在可以使得光波导出射的光线具有一个更大范围的可选的出射角度，使得光波导的出射光线角度可以满足后续的光学元件的要求。

因此，所述第一透镜结构50和第二透镜结构60的存在进一步提升了所述光波导的适用性。

可选的，所述第一透镜结构50对光线的处理包括汇聚、发散和改变偏振状态中的一种或多种；

所述第二透镜结构60对光线的处理包括汇聚、分束、发散和改变偏振状态中的一种或多种。

那么相应的，所述透镜结构中可以包括凸透镜、凹透镜、偏振片、分束镜中的一种或任意多种的组合，以使所述透镜结构具有相应的光线处理功能。

参考图19，在图19所示的结构中，所述第一透镜结构50和第二透镜结构60均为单个透镜。当所述第一透镜结构50和第二透镜结构60为单个透镜时，所述第一透镜结构50和第二透镜结构60对光线的处理包括汇聚、分束、发散和改变偏振状态中的一种功能。

参考图20，在图20所示的结构中，所述第一透镜结构50和第二透镜结构60均为多个透镜组合形成的透镜组。当所述第一透镜结构50和第二透镜结构60为多个透镜组合形成的透镜组时，所述第一透镜结构50和第二透镜结构60对光线的处理可以包括汇聚、分束、发散和改变偏振状态中的一种或多种功能。本申请对所述第一透镜结构50和第二透镜结构60的具体构成并不做限定，具体视实际情况而定。

参考图1-图9，S104：沿所述切割道12对所述衬底10进行切割，以获得单个光波导。

相应的，本申请实施例还提供了一种光波导系统，包括多个如上述任一实施例所述的光波导。

综上所述，本申请实施例提供了一种光波导及其制备方法、光波导系统，其中，所述光波导的入射单元20的第一反射斜面22用于将接收的光线反射向传导单元40，所述光波导的出射单元30的第二反射斜面32用于反射所述入射单元20传输的光线，以形成出射光线出射，并且所述第一反射斜面22和第二反射斜面32与所述衬底10的夹角的角度相同或不同。所述第一反射斜面22与衬底10的夹角决定着入射单元20对接收的光线的传播方向的改变程度，所述第二反射斜面32与衬底10的夹角决定着出射单元30形成的出射光线的出射角度，而所述第一反射斜面22和第二反射斜面32与所述衬底10的夹角既可以相同，也可以不同，从而使得光波导可以满足不同的光线入射角度和出射角度的要求，增加了光波导在各个应用场景的适用性。

另外，所述光波导的结构适用于晶圆级半导体制备工艺，有利于降低光波导的尺寸，并使光波导具有一致性好和对准精度高的优点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (19)

1.一种光波导，其特征在于，设置于衬底表面，所述光波导包括：入射单元、传导单元和出射单元；其中，

所述入射单元的顶表面高度与所述出射单元的顶表面高度相同，所述入射单元包括第一反射斜面，所述第一反射斜面用于将光线反射向所述传导单元；

所述传导单元位于所述入射单元与所述出射单元之间，包括位于衬底表面的第一包层和位于所述第一包层背离衬底一侧的芯层，所述芯层的折射率大于所述第一包层的折射率，所述芯层的顶表面的高度小于或等于所述入射单元和所述出射单元的高度，所述芯层用于接收所述入射单元反射的光线，所述光线在所述芯层内多次全反射后向所述出射单元出射；

所述出射单元包括第二反射斜面，所述第二反射斜面用于反射所述传导单元传输的光线，形成出射光线出射；所述第一反射斜面与所述第二反射斜面与所述衬底的夹角的角度相同或不同。

2.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述第一反射斜面与所述衬底的夹角的取值大于0°，且小于90°；

所述第二反射斜面与所述衬底的夹角的取值大于0°，且小于90°。

3.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，所述入射单元包括：第一限制结构和至少覆盖所述第一限制结构侧壁表面的第一反射斜面；

所述出射单元包括第二限制结构和至少覆盖所述第二限制结构侧壁的第二反射斜面，所述第一反射斜面和第二反射斜面之间具有限制凹槽，所述限制凹槽用于设置所述传导单元。

4.根据权利要求3所述的光波导，其特征在于，形成所述限制结构的材料为硅、氧化硅、氮化硅、氮氧化硅、石英玻璃和硼磷硅酸盐玻璃中的一种。

5.根据权利要求3所述的光波导，其特征在于，所述第一反射斜面和第二反射斜面均为金属斜面。

6.根据权利要求5所述的光波导，其特征在于，还包括：位于所述第一包层与所述衬底之间的反射金属层。

7.根据权利要求6所述的光波导，其特征在于，所述第一反射斜面、第二反射斜面和反射金属层相互连接，且由同一层金属层形成。

8.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，还包括：位于所述芯层背离所述第一包层一侧的第二包层；

所述第二包层的折射率小于所述芯层的折射率。

9.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，形成所述芯层的材料为正性光致抗蚀剂、负性光致抗蚀剂、感光性聚酰亚胺树脂或感光性溶胶凝胶中的一种或任意多种的混合物。

10.根据权利要求1所述的光波导，其特征在于，还包括：第一透镜结构和第二透镜结构；

所述第一透镜结构用于对光线进行处理后向所述入射单元传输；

所述第二透镜结构用于对出射单元出射的光线进行处理后出射。

11.据权利要求10所述的光波导，其特征在于，所述第一透镜结构对光线的处理包括汇聚、发散和改变偏振状态中的一种或多种；

所述第二透镜结构对光线的处理包括汇聚、分束、发散和改变偏振状态中的一种或多种。

12.根据权利要求10所述的光波导，其特征在于，所述第一透镜结构和第二透镜结构为单个透镜或多个透镜组合形成的透镜组。

13.一种光波导的制备方法，其特征在于，包括：

提供衬底，所述衬底包括多个功能区和位于相邻所述功能区之间的切割道，所述功能区上形成有入射单元、出射单元和位于所述入射单元和出射单元之间的限制凹槽，所述入射单元的顶表面高度与所述出射单元的顶表面高度相同，所述入射单元包括第一反射斜面，所述出射单元包括第二反射斜面，所述第一反射斜面和第二反射斜面与所述衬底的夹角的角度相同或不同；

在所述限制凹槽中形成第一包层，所述第一包层的高度小于所述入射单元及所述出射单元的顶表面高度；

在所述第一包层表面形成芯层，所述芯层的折射率大于所述第一包层的折射率，所述芯层的顶表面的高度小于或等于所述入射单元和所述出射单元的高度，所述芯层用于接收所述入射单元反射的光线，所述光线在所述芯层内多次全反射后向所述出射单元出射；

沿所述切割道对所述衬底进行切割，以获得单个光波导。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述入射单元、出射单元和位于所述入射单元和出射单元之间的限制凹槽的形成过程包括：

在所述衬底上形成限制层；

对所述限制层进行半导体切割处理，以在所述限制层中形成所述限制凹槽，所述限制凹槽两侧的限制层分别为第一限制结构和第二限制结构，所述第一限制结构朝向所述限制凹槽一侧和第二限制结构朝向所述限制凹槽一侧均为倾斜斜面；

形成至少覆盖所述第一限制结构的倾斜斜面表面的第一反射斜面，以及至少覆盖所述第二限制结构的倾斜斜面表面的第二反射斜面，所述第一反射斜面和第二反射斜面与所述衬底的夹角的角度不同。

15.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述入射单元、出射单元和位于所述入射单元和出射单元之间的限制凹槽的形成过程包括：

在所述衬底上形成限制层；

对所述限制层进行刻蚀工艺处理，以在所述限制层中形成所述限制凹槽，所述限制凹槽两侧的限制层分别为第一限制结构和第二限制结构，所述第一限制结构朝向所述限制凹槽一侧和第二限制结构朝向所述限制凹槽一侧均为倾斜斜面；

形成至少覆盖所述第一限制结构的倾斜斜面表面的第一反射斜面，以及至少覆盖所述第二限制结构的倾斜斜面表面的第二反射斜面，所述第一反射斜面和第二反射斜面与所述衬底的夹角的角度相同。

16.根据权利要求14或15任一项所述的方法，其特征在于，所述形成至少覆盖所述第一限制结构的倾斜斜面表面的第一反射斜面，以及至少覆盖所述第二限制结构的倾斜斜面表面的第二反射斜面包括：

形成覆盖所述第一限制结构表面、第二限制结构表面和所述限制凹槽底部表面的金属层，以形成所述第一反射斜面、第二反射斜面和连接所述第一反射斜面和第二反射斜面的反射金属层。

17.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述沿所述切割道对所述衬底进行切割之前还包括：

在所述芯层背离所述第一包层一侧形成第二包层；

所述第二包层的折射率小于所述芯层的折射率。

18.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述在所述第一包层表面形成芯层之后，所述沿所述切割道对所述衬底进行切割之前还包括：

形成用于对光线进行处理后向所述入射单元传输的第一透镜结构；

形成用于对出射单元出射的光线进行处理后出射的第二透镜结构。

19.一种光波导系统，其特征在于，包括：多个如权利要求1-12任一项所述的光波导。