CN109358395A - 一种新型波导面耦合模斑转换器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型波导面耦合模斑转换器及其制备方法，应用于光纤与光集成芯片间的低损耗耦合。其制备采用光集成芯片的微加工工艺，首先使用电子束曝光技术在SOI片的最上层硅上制作出锥形硅波导，及其后续套刻所需的对准标记；之后制作波导图形掩膜版使用紫外光刻机(EVG620)运用紫外光刻技术在原硅波导上套刻一层光波导，其光波导材料为SU‑8 3005光刻胶。此层光波导采用特殊结构。最后在第一层光波导上再套刻一层光波导，此层光刻胶包裹原硅波导及第一层光波导，同样使用SU‑8 3005光刻胶作为波导材料。本发明公开的一种新型波导面耦合模斑转换器具有制作、封装简单、成本低、耦合效率高的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光通信与光互连技术领域，具体为一种新型波导面耦合模斑转换器及其制备方法。
背景技术
信息时代数据流量爆发式增长，这对数据的传输、储存、处理提出了更高的要求，诸如超高清视频、大型游戏、云服务等业务，需要高性能、低成本的器件提强有力的物理层支持。传统的电互连方案随着数据量的增加和长程传输而遇到了高信号衰减、色散、串扰等瓶颈，光互连技术由于低信号衰减、大带宽、抗电磁干扰等特点代替电互连成为现代信息通信的最佳解决方案。同时，光互连技术允许集成分立的光器件在单个材料衬底上，实现高集成度的集成光路。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芯片内光信号与芯片外大尺寸的器件中光信号的耦合。硅基光波导的截面尺寸通常是亚微米级别，而普通单模光纤是基于低折射率差的二氧化硅材料，其模场大小约为8-10微米，两者如此大的尺寸差别造成了严重的模场失配，从而引起很大的耦合损耗，单模光纤和硅基波导直接耦合时其损耗高达25dB。因此需要设计出高性能的耦合器件实现光信息在光纤与芯片间进行高效互连。
本发明介绍的一种新型光波导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、偏振相关损耗小且易于封装的耦合技术。端面耦合可以通过合理设计光波导的截面，使其模场与单模光纤的模场相匹配，实现光场高效地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。本项目制作光模斑转换器的材料选择的是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光波导模斑转换器是一种灵活而且成本相对较低的方案。
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，其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，再通过引入倒锥型的硅波导，其宽度在光场进入的界面较窄，对光限制作用较弱，使得光场模斑尺寸和中介波导中的模场尺寸更接近，降低二者的耦合损耗，随着硅波导的逐渐加宽，从而使光场逐渐无损地耦合进入硅波导中，进而实现光从中介波导中低损耗地耦合到硅波导中。中介波导的材料选用SU-8聚合物，SU-8具有良好的光敏性、抗化学腐蚀性和热稳定性等优点，且已广泛应用于各种光电芯片产品中。此外，采用SU-8作为波导材料可以简化工艺，仅需要曝光显影等工艺即可实现波导的制作，避免薄膜沉积、刻蚀等复杂繁琐的微加工工艺。
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，造成不必要的损耗。且一般的光波导模斑转换器在进行多层光波导套刻时很容易造成光场的突变，一般是由于光刻机的分辨率极限所导致的，我们提出的发明则避开了光刻机分辨率极限的问题，减少了光场突变所引起的部分损耗，更加提高了模斑转换器的耦合效率。
发明目的
1、发明目的
本发明提出了一种新型面耦合波导模斑转换器及其制备方法，解决了普通光波导模斑转换器为了达到与光纤的模场适配而进行的多层光波导套刻时的对准精度问题、资源浪费问题。通过光波导将光纤中的模场逐渐耦合到硅波导里面，从而实现单模光纤和硅基光子芯片之间的互连。
2、本发明的技术方案
本发明提出了一种新型波导面耦合模斑转换器，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；
所述绝缘体层与衬底面积相同并置于所述衬底上；所述第一光波导为锥形结构，置于所述绝缘体层上，并且尖端朝向向衬底中部；所述第二光波导为一端矩形结构、另一端锥形结构，置于所述绝缘体层上，其锥形结构部分同矩形结构位于第三光波导矩形结构的内部；所述第三光波导为渐变结构置于所述第二光波导上，并包裹所述第二光波导及所述第一光波导，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(4)的锥形结构相对设置；所述第一支撑体一端为锥形结构、另一端为矩形结构，其长度设置大于第三光波导的矩形结构同方向的长度，并置于所述绝缘体上；
所述第二支撑体覆盖在所述第一支撑体上，为斜坡式结构，两端为平台，中段为高度渐变的坡度且，其长度与衬底的宽度相同；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由第一支撑体、第二支撑体构成的支撑体组之间。
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6-8um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2-4um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6-8um之间。
更进一步，所述第二支撑体为SU-8光刻胶，厚度在2-4um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。
本发明提出的一种新型面耦合波导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，采用紫外光刻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，采用紫外光刻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)本发明通过第三光波导长于第二光波导，并且完全覆盖第二光波导，光场会逐渐耦合到尖端，没有波导的突变，会减少由于波导突变引起的部分光损耗，提高耦合效率。
(2)本发明叠加多层锥形光波导且其锥形方向朝向、以及矩形和锥形的结构设置，使得硅基光子芯片可以和外部的单模光纤高效率的耦合。
(3)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锥形结构，当第二层波导进行光刻显影后在此处会形成波导的一个高度渐变。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，而且节约了资源。
(4)本发明的制作方法中，首先制作波导逐渐变细处的第一支撑体，其表现为锥形结构，在其上匀上一层光刻胶覆盖整个表面，上层光刻胶会填充下层无光刻胶处，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。
(5)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，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，第二层光波导完整包裹第一层光波导，配合支撑体整体形成的类斜坡结构，可以很好的将光从高处引向低处，减少不必要的损耗，提高耦合效率。
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是本发明一种新型面耦合波导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是本发明一种新型面耦合波导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。
图14是本发明的支撑体和波导高度渐变关系图。
图15是本发明的倾斜结构处(taper)的光场分布侧视图。
图16是本发明的倾斜结构(taper)处光场分布的俯视图。
图17是本发明的taper长度与TE耦合效率示意图。
图18是本发明的taper长度与TM耦合效率示意图。
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第一支撑体为锥形结构，在其上匀上一层光刻胶，上层光刻胶会填充下层无光刻胶处，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会形成一个光刻胶在高度上的渐变。第二层光波导完整包裹第一层光波导，配合支撑体整体形成的类斜坡结构，可以很好的将光从高处引向低处，减少不必要的结构突变引起的损耗，提高耦合效率。
如图1所示，本发明为一种新型波导面耦合模斑转换器，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。
本发明所述的一种新型波导面耦合模斑转换器中，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，包裹于第三光波导5中；第二光波导4置于绝缘体层2上，包裹于第三光波导5中；材料为SU-8光刻胶，包含一段直波导4a，一段锥形光波导4b；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，，一段直波导5c；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一种新型波导面耦合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)采用紫外光刻技术在步骤(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)采用紫外光刻技术在步骤(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。由于第二光波导4的宽度逐渐减小，因此第二光波导4中的光场逐渐减少，至第二光波导4的左侧尖端处，模斑已主要集中在第三光波导5中。之后，第三光波导5的宽度逐渐减小，使得模斑的大小逐渐减小，至第三光波导5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三光波导5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。第二层光波导完整包裹第一层光波导，配合支撑体整体形成的类斜坡结构，可以很好的将光从高处引向低处，减少不必要的损耗，提高耦合效率。支撑体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。
本发明中模斑转换器由于特殊结构的设计，第一支撑体之间的距离是越来越远的，第一支撑体高度为7um，当在此基础上再匀一层3um厚的光刻胶时会填充两个锥形支撑体之间的区域分别形成下面的情况图14的结构，波导位于两个锥形的支撑体之间。因为两侧是比较高的7um支撑体，在其间匀3um厚的光刻胶时会形成：越靠近第一支撑体的锥形部分，高度越低，则在此处的第三光波导会形成一个高度的渐变。
图15-16，可以看到光场很好的从高处耦合到低处。图17可以看出当taper长度为400um左右时TE模耦合效率可以达到98％以上，图18看出当taper长度为400um左右时TM模耦合效率也可以达到98％以上。
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。
Claims (10)
1.一种新型波导面耦合模斑转换器，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)与衬底面积相同并置于所述衬底(1)上；所述第一光波导(3)为锥形结构，置于所述绝缘体层(2)上，并且尖端朝向向衬底中部；所述第二光波导(4)为一端矩形结构、另一端锥形结构，置于所述绝缘体层(2)上，其锥形结构部分同矩形结构位于第三光波导(5)矩形结构的内部；所述第三光波导(5)为渐变结构置于所述第二光波导(4)上，并包裹所述第二光波导(4)及所述第一光波导(3)，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)一端为锥形结构、另一端为矩形结构，其长度设置大于第三光波导(5)的矩形结构同方向的长度，并置于所述绝缘体(2)上；
所述第二支撑体(8)覆盖在所述第一支撑体(7)上，为斜坡式结构，两端为平台，中段为高度渐变的坡度且其长度与衬底的宽度相同；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由第一支撑体(7)、第二支撑体(8)构成的支撑体组之间。
2.根据权利要求1所述的一种新型波导面耦合模斑转换器，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所述的一种新型波导面耦合模斑转换器，其特征在于：所述衬底(1)为硅。
4.根据权利要求3所述的一种新型波导面耦合模斑转换器，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所述的一种新型波导面耦合模斑转换器，其特征在于，所述第二光波导(4)为SU-8光刻胶，厚度在6-8um之间，非锥形的一侧宽度在11-13um之间。
6.根据权利要求1所述的一种新型波导面耦合模斑转换器，其特征在于，所述第三光波导(5)为SU-8光刻胶，厚度在2-4um之间，非锥形的一侧宽度在11-13um之间。
7.根据权利要求1所述的一种新型波导面耦合模斑转换器，其特征在于，所述第一支撑体(7)为SU-8光刻胶，厚度在6-8um之间。
8.根据权利要求1所述的一种新型波导面耦合模斑转换器，其特征在于，所述第二支撑体(8)为SU-8光刻胶，厚度在2-4um之间。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的一种新型波导面耦合模斑转换器，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。
10.一种如权利要求1-9中任一项所述的一种新型波导面耦合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，采用紫外光刻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，采用紫外光刻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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