CN109283619B - 基于双层聚合物波导的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双层聚合物波导的波导模斑转换器及其制备方法，包括衬底，绝缘体层，第一光波导，第二光波导，第三光波导、第一支撑体、第二支撑体；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；所述第一支撑体一侧为锯齿形结构并置于所述绝缘体上，所述第二支撑体置于所述第一支撑体上，并覆盖第一支撑体形成高度渐变支撑体，所述第一光波导、第二光波导、第三光波导形成的多层光波导结构置于两个高度渐变支撑体之间。本发明可以实现单模光纤和硅基光子芯片的端面连接传输，提高了光耦合效率，便于实现大规模的集成光路。
Description
技术领域
本发明涉及光通信与光互连技术领域，具体为一种基于双层聚合物波导的模斑转换器及其制备方法。
背景技术
目前大规模集成电路的工艺已经很成熟，已经到了纳米的级别。其主流技术CMOS的集成度按照摩尔定律大约每18个月翻一番。集成度的提高使芯片的功能越来越强大。但是，随着器件特征尺寸的不断缩小，特别是进入纳米尺度的范围后，集成电路的这种一维发展模式面临着一系列物理限制的挑战，这些挑战有来自于基本物理规律的物理极限，也有来自于材料、技术、器件和系统方面的物理限制。而且当前，以“云计算”、“物联网”、“大数据”为代表的新型信息化技术的出现，使得对高速率、低功耗的数据处理与传输技术的需求更为迫切，通信容量的爆炸式增长促进了光子技术的发展，普遍认为以硅材料为基底的硅基光子器件与集成技术具有低功耗、高速率、结构紧凑等突出优势，将成为解决信息网络所面临的功耗、速率、体积等方面瓶颈的关键技术。首先，光以其特有的速度、带宽和低功耗优势在网络传输中已经居于主导，并且开始应用于近距离的机柜间、芯片间、甚至芯片内的互联。
然而对于硅基光芯片来说，如何能够让光信号低损耗的与外部器件进行耦合，进行信号传输仍是一个亟待解决的问题。硅基光波导的尺寸通常很小，其尺寸约为1um，而普通单模光纤的芯径约为9-10um，两者尺寸相差很大。很容易产生模场失配，从而造成较大的耦合损耗，因此需要设计出特殊结构的基于双层聚合物波导的模斑转换器来解决耦合损耗过大的问题，从而提高耦合效率。
该发明基于双层聚合物波导的模斑转换器采用的是端面耦合的方式，端面耦合是一种耦合效率高且易于封装的耦合技术。端面耦合时光波导的模场与单模光纤的模场更加匹配，光场可以高效的从硅基芯片上耦合进入外部单模光纤，从而实现与外部器件的互连。这里制作光波导的材料选择的是SU-8光刻胶，SU-8光刻胶是一种环氧型的、近紫外光负光刻胶，目前已经商业化的SU-8光刻胶有美国的Microlithography Chemical公司生产的SU-8光刻胶。SU-8光刻胶可以做出高深宽比的结构，目前报道的已经可以做到高宽比为15：1。此光刻胶在近紫外范围内光吸收率低，这使得它在整个光刻胶厚度上都有较好的曝光均匀性，可以得到很好的垂直侧壁和高深宽比的结构。采用SU-8光刻胶来制备高深宽比的基于双层聚合物波导的模斑转换器是一种灵活而且成本相对较低的方案。
一般的光波导模斑转换器，为了实现硅基光子芯片与外部单模光纤的高效率耦合，光波导需要多层叠加套刻，以满足硅基光波导的输出端面与外部单模光纤在同一水平面内。为了实现高效率耦合有时甚至需要进行3层以上光波导之间的套刻，这不仅增加了制作的难度而且费时、费力，而且上下层光波导套刻时很容易出现套刻偏差，造成上下层光波导之间不能保持对准，容易造成不必要的损耗。
发明内容
1、发明目的
本发明提出一种基于双层聚合物波导的模斑转换器及其制备方法，很好的解决多层套刻时所遇到的对不准、浪费资源的问题。
2、本发明采用的技术方案
本发明公开了一种基于双层聚合物波导的模板转换器，包括衬底，绝缘体层，第一光波导，第二光波导，第三光波导、第一支撑体、第二支撑体；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，三个光波导形成多层光波导结构；所述第二光波导、第三光波导的锥形结构相向设置；所述第一光波导与所述第二光波导的锥形结构相对设置；所述第一支撑体一侧为锯齿形结构并置于所述绝缘体上，所述第二支撑体置于所述第一支撑体上，并覆盖第一支撑体形成高度渐变支撑体，所述第一光波导、第二光波导、第三光波导形成的多层光波导结构置于两个高度渐变支撑体之间。
更进一步，还包括上包层，位于第三光波导上。
更进一步，所述衬底为硅。
更进一步，所述第一光波导为硅，厚度在300nm以下。
更进一步，所述第二光波导为SU-8光刻胶，厚度在2-4um之间，非锥形的一侧宽度在11-13um之间。
更进一步，所述第三光波导为SU-8光刻胶，厚度在6-8um之间，非锥形的一侧宽度在11-13um之间。
更进一步，所述第一支撑体为SU-8光刻胶，厚度在2-4um之间，所述第一支撑体与所述第二光波导、所述第三光波导锥形结构相向的一侧为锯齿状结构，支撑体的面积越来越小。
更进一步，所述第二支撑体为SU-8光刻胶，厚度在6-8um之间。
更进一步，所述第二光波导、所述第三光波导非锥形的一侧宽度相等。
本发明提出了一种基于双层聚合物波导的模斑转换器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在衬底上生长绝缘体层；
步骤2、在绝缘体层上采用电子束曝光技术制作第一光波导；
步骤3、在步骤制得片子上旋涂SU-8光刻胶，形成第二光波导、第一支撑体对应的SU-8光刻胶层，采用紫外曝光技术在该层光刻胶上制作出第二光波导、以及分布在第二光波导左右两侧，与第二光波导等高的第一支撑体；
步骤4、在步骤制得的片子上旋涂SU-8光刻胶，形成第三光波导、第二支撑体对应的SU-8光刻胶层，采用紫外曝光技术在该层光刻胶上制作出第三光波导、以及分布在第三光波导左右两侧，与第三光波导等高的第二支撑体；
步骤5、在步骤制得的片子上沉积上包层二氧化硅。
3、本发明所产生的技术效果
(1)本发明通过叠加的多层锥形光波导，使得硅基光子芯片可以和外部的单模光纤高效率的耦合。
(2)本发明使用SU-8光刻胶作为波导材料，并采用支撑体结构，且第一层支撑体采用一端为锯齿状局部覆盖到完全覆盖的渐变结构，当第二层波导进行光刻显影后在此处会形成支撑体及波导整体上的一个高度渐变，渐变的范围为下层即第一层波导的厚度。这样的一个高度渐变可以将光信号由高处引向低处，利用SU-8光刻胶可以制得高深宽比的特性，可以减少波导的多层套刻，从而大大降低了多层套刻时所遇到的对不准的问题，而且大大节约了资源。
(3)本发明的制作方法中，首先制作波导逐渐变细处的支撑体，并非是完全覆盖衬底，而是覆盖的面积逐渐减少，其表现为锯齿状局部覆盖到完全覆盖渐变结构，在匀上一层光刻胶，上层光刻胶会填充下层的空缺处，之前已经有光刻胶的地方会再匀上一层，支撑体及光波导整体上形成一个光刻胶在高度上的渐变。
(4)本发明提出的第一支撑体7和第二支撑体8的特殊结构设计，配合多层波导的结构，可以形成支撑体及光波导整体上的高度渐变。而且在制作完成后起到对多层光波导的保护支撑作用，同时在加工过程中缓解了各工艺步骤对波导结构的相对位置的冲击，使得结构更加稳定。
附图说明：
下面对说明书附图所表达的内容做简要说明：
图1是本发明基于双层聚合物波导的模斑转换器的示意图。为清楚的展示光波导的结构，省略支撑体和上包层。
图2是本发明基于双层聚合物波导的模斑转换器的光波导支撑体示意图。
图3是本发明制备方法步骤2所得中间结构侧面示意图。
图4是本发明制备方法步骤2所得中间结构俯视示意图。
图5是本发明制备方法步骤2所得中间结构端面示意图。
图6是本发明制备方法步骤3所得中间结构侧面示意图。
图7是本发明制备方法步骤3所得中间结构俯视示意图。
图8是本发明制备方法步骤3所得中间结构端面示意图。
图9是本发明制备方法步骤4所得中间结构侧面示意图。
图10是本发明制备方法步骤4所得中间结构俯视示意图。
图11是本发明制备方法步骤4所得中间结构端面示意图。
图12是本发明制备方法步骤4所得的支撑体示意图。
图13是本发明的立体结构图。
其中，1-衬底、2-绝缘体层、3-第一光波导、4-第二光波导、5-第三光波导、6-上包层、7-第一支撑体、8-第二支撑体。
具体实施方式
下面对本发明具体的实施方式如所涉及的各构件的形状、构造、各部分之间的相互连接关系、各部分的作用及工作原理、制作工艺及操作使用方法等，做进一步详细的说明。以便于对本发明的构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解。
实施例1
本发明用于解决硅基光子芯片与普通单模光纤对接的问题，具体体现在结构上的创新，首先制作波导逐渐变细处的支撑体，并非是完全覆盖衬底，而是覆盖的面积逐渐减少，其表现为面积由密到疏的渐变结构，在匀上一层光刻胶，上层光刻胶会填充下层的空缺处，之前已经有光刻胶的地方会再匀上一层，整体上形成一个光刻胶在高度上的渐变。
如图1所示，本发明为一种基于双层聚合物波导的模斑转换器，包括衬底1，绝缘体层2，第一光波导3，第二光波导4，第三光波导5，第一支撑体7，第二支撑体8。如图2所示，该发明中设计的第一支撑体7的锯齿状局部覆盖到完全覆盖的渐变结构会使在其上方的第二支撑体8形成一个类梯形的高度渐变。
本发明所述的基于双层聚合物波导的模斑转换器中，衬底1为硅，衬底1上沉积绝缘体层2。绝缘体层2制作有第一光波导3，材料为硅，包含一段反向锥形光波导，包裹于第二光波导4中；第二光波导4置于绝缘体层2上，材料为SU-8光刻胶，包含一段直波导4a，一段锥形光波导4b，一段直波导4c；第三光波导5置于第二光波导4上，材料为SU-8光刻胶，包含一段直波导5a，一段锥形波导5b；第一支撑体7置于绝缘体层2上，与第二光波导等高；第二支撑体8置于第一支撑体7上，包含一段高度无变化支撑体8a，一段高度渐变支撑体8b，高度渐变的范围为第一支撑体的高度。第一支撑体7位于第二光波导4两侧，与第二光波导等高；第二支撑体8位于第三光波导5两侧，与第三光波导等高。
实施例2
本实施例提供一种上述基于双层聚合物波导的模斑转换器的制备方法，具体步骤如下：
(1)在衬底上沉积绝缘体层。
(2)在绝缘体层上采用电子束曝光技术制作第一光波导，该步骤完成后，其结构如图3、4、5所示。
(3)采用紫外曝光技术在步骤(2)制得的芯片上制作第二光波导，并产生分布在第二光波导两侧的第一支撑体7,该步骤完成后，其结构如图6、7、8所示。
(4)采用采用紫外曝光技术在步骤(3)制得的芯片上制作第三光波导，并产生分布在第三光波导两侧的第二支撑体8a、8b,该步骤完成后，其结构如图9、10、11所示。
(5)采用等离子增强化学气象沉积在步骤(4)制得的芯片上沉积二氧化硅，用作上包层，该步骤完成后，其结构如图12所示。
在本发明的结构中，光从右侧入射。第二光波导4、第三光波导5的非锥形结构叠加在一起，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4、第三光波导5中。由于第三光波导5的宽度逐渐减小，因此第三光波导5中的光场逐渐减少，至第三光波导5的左侧尖端处，模斑已主要集中在第二光波导4中。之后，第二光波导4的宽度逐渐减小，使得模斑的大小逐渐减小，至第二光波导4锥型部分的右侧尖端处，第一光波导3左侧尖端的模场可与第二光波导4右侧尖端处的模斑相匹配，同时第一光波导3的宽度逐渐增大，由于耦合，光场逐渐转移到第一光波导3中；最终产生本发明的最终效果，实现光场从单模光纤到硅波导的耦合。
普通的模斑转换器由于多层波导在制备过程中的多道工序会直接作用于多层波导之间，导致校准不准确。本发明提出的第一支撑体7和第二支撑体8的特殊结构设计，配合多层波导的结构，可以形成支撑体及光波导整体上的高度渐变。而且在制作完成后起到对多层光波导的保护支撑作用，同时在加工过程中缓解了各工艺步骤对波导结构的相对位置的冲击，使得结构更加稳定。
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，任何其它的结构若符合我们结构上疏密变化的情况以及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。
Claims (9)
1.一种基于双层聚合物波导的模斑转换器，其特征在于：包括衬底(1)，绝缘体层(2)，第一光波导(3)，第二光波导(4)，第三光波导(5)、第一支撑体(7)、第二支撑体(8)；所述绝缘体层(2)置于所述衬底(1)上；所述第一光波导(3)置于所述绝缘体层(2)上，所述第二光波导(4)置于所述绝缘体层(2)上并包裹所述第一光波导(3)，所述第三光波导(5)置于所述第二光波导(4)上，三个光波导形成多层光波导结构；所述第二光波导(4)、第三光波导(5)的锥形结构相向设置；所述第一光波导(3)与所述第二光波导(4)的锥形结构相对设置；所述第一支撑体(7)一侧为锯齿形结构并置于所述绝缘体层(2)上，所述第一支撑体分布在第二光波导左右两侧，与第二光波导等高，所述第二支撑体(8)置于所述第一支撑体(7)上，并覆盖第一支撑体(7)形成高度渐变支撑体；所述第一光波导(3)、第二光波导(4)、第三光波导(5)形成的多层光波导结构置于两个高度渐变的第二支撑体之间；
所述第一支撑体(7)为SU-8光刻胶，厚度在2-4um之间，所述第一支撑体(7)与所述第二光波导(4)、所述第三光波导(5)锥形结构相向的一侧为锯齿状结构，支撑体的面积越来越小。
2.根据权利要求1所述的基于双层聚合物波导的模斑转换器，其特征在于：还包括上包层(6)，位于第三光波导(5)上。
3.根据权利要求1所述的基于双层聚合物波导的模斑转换器，其特征在于：所述衬底(1)为硅。
4.根据权利要求3所述的基于双层聚合物波导的模斑转换器，其特征在于，所述第一光波导(3)为硅，厚度在300nm以下。
5.根据权利要求1所述的基于双层聚合物波导的模斑转换器，其特征在于，所述第二光波导(4)为SU-8光刻胶，厚度在2-4um之间，非锥形的一侧宽度在11-13um之间。
6.根据权利要求1所述的基于双层聚合物波导的模斑转换器，其特征在于，所述第三光波导(5)为SU-8光刻胶，厚度在6-8um之间，非锥形的一侧宽度在11-13um之间。
7.根据权利要求1所述的基于双层聚合物波导的模斑转换器，其特征在于，所述第二支撑体(8)为SU-8光刻胶，厚度在6-8um之间。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的基于双层聚合物波导的模斑转换器，其特征在于，所述第二光波导(4)、所述第三光波导(5)非锥形的一侧宽度相等。
9.一种如权利要求1-8中任一项所述的基于双层聚合物波导的模斑转换器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、在衬底(1)上生长绝缘体层(2)；
步骤2、在绝缘体层上采用电子束曝光技术制作第一光波导(3)；
步骤3、在步骤(2)制得片子上旋涂SU-8光刻胶，形成第二光波导(4)、第一支撑体(7)对应的SU-8光刻胶层，采用紫外曝光技术在该层光刻胶上制作出第二光波导(4)、以及分布在第二光波导(4)左右两侧，与第二光波导等高的第一支撑体(7)；
步骤4、在步骤(3)制得的片子上旋涂SU-8光刻胶，形成第三光波导(5)、第二支撑体(8)对应的SU-8光刻胶层，采用紫外曝光技术在该层光刻胶上制作出第三光波导(5)、以及分布在第三光波导(5)左右两侧，与第三光波导(5)等高的第二支撑体(8)；
步骤5、在步骤(4)制得的片子上沉积上包层二氧化硅。
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