CN111045154A - 波导到光纤三维聚合物垂直耦合器 - Google Patents

波导到光纤三维聚合物垂直耦合器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，包括波导（1）、波导外延聚合物耦合波导结构（2）、聚合物三维波导（3）、聚合物光场模式转换器（4）、聚合物三维支撑结构（5）；其中所述波导（1）、波导外延聚合物耦合波导结构（2）、聚合物三维波导（3）、聚合物光场模式转换器（4）依次连接，波导外延聚合物耦合波导结构（2）的一端平行于水平面，聚合物光场模式转换器（4）的另一端平行于垂直面；所述聚合物三维支撑结构（5）与聚合物光场模式转换器（4）连接并支撑固定。本发明使得光模式能在波导与单模光纤之间进行低损耗、大波长带宽的耦合，并与CMOS工艺高度兼容。

Description

波导到光纤三维聚合物垂直耦合器
技术领域
本发明涉及光通信网路领域，更具体地，涉及一种波导到光纤三维聚合物垂直耦合器。
背景技术
随着在以光为载体的光通信网路中，硅基光子器件以其低成本、低损耗、高集成度等特点制成的集成光路代替了传统的集成电路成为通信网络的主导部分之一；与此同时，光纤也由于其大带宽、低损耗等优点已成为最主要的光信息传输介质。然而由于集成光路所使用的波导结构通常是高折射率材料（如硅n~3.3，铌酸锂n~2.5），而光纤所用介质材料为低折射率材料（n~1.44），它们之间光模式的有效折射率差别较大，导致光从集成光路传播到光纤的过程中有较大损耗。目前现有的垂直耦合方案有光栅耦合器和弯折悬臂梁耦合器两种。光栅耦合器通常耦合损耗较高（大于3dB），如若想提高耦合效率则需要加入金属反射层，导致与传统CMOS工艺不兼容，并且波长带宽较低（1dB带宽小于50nm）无法满足波分复用场景。弯折悬臂梁耦合器由于不便于进行外延加工，因此硅波导模式体积较小，需要采用特殊处理过的光纤以减小耦合损耗，常见的处理为拉锥光纤或透镜光纤，对光纤的要求过于局限。
发明内容
本发明的目的是解决现有的波导到光纤垂直耦合器不能同时满足低损耗、大带宽、CMOS兼容和单模光纤模式匹配的要求，设计一种波导到光纤三维聚合物垂直耦合器。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，包括波导、波导外延聚合物耦合波导结构、聚合物三维波导、聚合物光场模式转换器、聚合物三维支撑结构；其中所述波导、波导外延聚合物耦合波导结构、聚合物三维波导、聚合物光场模式转换器依次连接，波导外延聚合物耦合波导结构的一端平行于水平面，聚合物光场模式转换器的另一端平行于垂直面；所述聚合物三维支撑结构与聚合物光场模式转换器连接并支撑固定。本发明中波导外延聚合物耦合波导结构功能是与集成光路上已有的波导（如硅波导、SU8波导、铌酸锂波导等）进行对接外延，使波导光模式进入耦合器；聚合物三维波导作用是将光模式从水平方向传播低损耗地转换为垂直方向传播；聚合物光场模式转换器作用为将已有的光模式体积变换到能与单模光纤匹配的大小，从而达到高效耦合的目的；聚合物三维支撑结构作用是加强三维结构稳定性，减小重力及其他因素扰动带来的损耗波动。
优选的是，所述波导外延聚合物耦合波导结构、聚合物三维波导、聚合物光场模式转换器、聚合物三维支撑结构的组合材料为包括SU8光刻胶、IP-L光刻胶、IP-D光刻胶、IP-S光刻胶、AZ光刻胶中的一种或多种。本发明所涉及使用的聚合物材料包含但不限于在通信波段（10000nm~1700nm）表现为透明（即光吸收率低于1%）的光刻胶。
优选的是，所述波导外延聚合物耦合波导结构的长度小于450微米。
优选的是，所述波导1包括硅波导、SU8波导、铌酸锂波导中的一种。
优选的是，所述硅波导为宽度渐变型波导，宽度为80纳米~500纳米，厚度小于220纳米，长度小于300微米。
优选的是，所述铌酸锂波导为宽度渐变型波导，由两层组成，上层宽度由100纳米~1000纳米，厚度小于250纳米，长度小于150微米；下层宽度由50纳米~10000纳米，厚度小于350纳米，长度小于300微米。
优选的是，所述聚合物三维波导为垂直型欧拉弯曲结构。
优选的是，所述垂直型欧拉弯曲结构的。转弯角度为90°，转弯半径大于等于35微米，转弯高度大于等于65微米。
优选的是，所述聚合物光场模式转换器为三维渐变结构，横截面尺寸大小为3.5微米*3.5微米~14.5微米*14.5微米，总渐变长度为100微米~200微米。
优选的是，所述聚合物三维支撑结构的顶部与聚合物光场模式转换器连接，聚合物三维支撑结构的高度略低于波导到光纤三维聚合物垂直耦合器的总高度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明通过设计一种波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，利用三维激光直接技术直接在集成光路的波导上制造出具有三维形貌的聚合物垂直耦合器，使得光模式能在波导与单模光纤之间进行低损耗、大波长带宽的耦合，并与CMOS工艺高度兼容。
附图说明
图1为本发明的结构适宜图；
图2为本发明的侧视图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
一种波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，请参考图1~2，包括波导1、波导1外延聚合物耦合波导结构2、聚合物三维波导3、聚合物光场模式转换器4、聚合物三维支撑结构5；其中所述波导1、波导外延聚合物耦合波导结构2、聚合物三维波导3、聚合物光场模式转换器4依次连接，波导外延聚合物耦合波导结构2的一端平行于水平面，聚合物光场模式转换器4的另一端平行于垂直面；所述聚合物三维支撑结构5与聚合物光场模式转换器4连接并支撑固定。波导外延聚合物耦合波导结构2将硅基光学结构1中的光束由硅光模式转换成聚合物光模式逐步耦合进入波导外延聚合物耦合波导结构2和聚合物三维波导3中。通过聚合物三维波导3将水平方向的光模式转变成垂直方向的光模式，进而进入聚合物模式转换器4中。光模式在聚合物模式转换器4中由于波导尺寸逐渐变大导致模场尺寸变大，并最终与单模光纤6的光模式匹配，达到高效耦合的目的。聚合物三维支撑结构5用于支撑整个三维结构并增加其稳定性。
本实施例中，所述波导外延聚合物耦合波导结构2、聚合物三维波导3、聚合物光场模式转换器4、聚合物三维支撑结构5的组合材料为包括SU8光刻胶、IP-L光刻胶、IP-D光刻胶、IP-S光刻胶、AZ光刻胶中的一种或多种。
本实施例中，所述波导外延聚合物耦合波导结构2的长度小于450微米。其中在与SU8波导对接时为小于10微米，与硅波导对接时为小于300微米，与铌酸锂波导对接时为小于450微米。
本实施例中，所述所述波导外延聚合物耦合波导结构2尺寸为3.5微米*3.5微米，SU8波导尺寸为3.5微米*3.5微米。
本实施例中，所述波导1包括硅波导、SU8波导、铌酸锂波导中的一种。所述硅波导为宽度渐变型波导，宽度为80纳米~500纳米，厚度小于220纳米，长度小于300微米。所述铌酸锂波导为宽度渐变型波导，由两层组成，上层宽度由100纳米~1000纳米，厚度小于250纳米，长度小于150微米；下层宽度由50纳米~10000纳米，厚度小于350纳米，长度小于300微米。
本实施例中，所述聚合物三维波导3为垂直型欧拉弯曲结构，所述垂直型欧拉弯曲结构的转弯角度为90°，转弯半径大于等于35微米，转弯高度大于等于65微米。所述欧拉弯波导尺寸为3.5微米*3.5微米。
本实施例中，所述聚合物光场模式转换器4为三维渐变结构，横截面尺寸大小为3.5微米*3.5微米~14.5微米*14.5微米，总渐变长度为100微米~200微米。
本实施例中，所述聚合物三维支撑结构5的顶部与聚合物光场模式转换器4连接，聚合物三维支撑结构5的高度略低于波导到光纤三维聚合物垂直耦合器的总高度。
本实施例中，所述波导到光纤三维聚合物垂直耦合器通过三维激光直写技术定位于集成光路上的波导结构。具体制作方法包括以下步骤：
S1：绝缘体上硅（铌酸锂）薄膜的基片上利用光刻刻蚀技术制作硅（铌酸锂）基光学结构（和SU8波导结构）；
S2：在所述步骤S1得到的光学结构上滴涂（IP-D）光刻胶；
S3：在所述步骤S2得到样品放入三维激光直写机，利用光学成像系统定位需要对接的波导结构；
S4：在所述步骤S2得到样品中光刻出三维耦合器；
S5：在所述步骤S4得到的样品放入显影液中显影去除多余光刻胶得到最终结构。
本发明提供了一种波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，可以使集成光路中的波导光模式有效地垂直耦合到单模光纤中，相对于现有的光栅耦合器等垂直耦合方案，在与CMOS工艺高度兼容的前提下，耦合损耗小于2dB，工作波长带宽大于100nm，并具有偏振相关性低的特点。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，其特征在于，包括波导（1）、波导外延聚合物耦合波导结构（2）、聚合物三维波导（3）、聚合物光场模式转换器（4）、聚合物三维支撑结构（5）；其中所述波导（1）、波导外延聚合物耦合波导结构（2）、聚合物三维波导（3）、聚合物光场模式转换器（4）依次连接，波导外延聚合物耦合波导结构（2）的一端平行于水平面，聚合物光场模式转换器（4）的另一端平行于垂直面；所述聚合物三维支撑结构（5）与聚合物光场模式转换器（4）连接并支撑固定。
2.根据权利要求1所述的波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，其特征在于，所述波导外延聚合物耦合波导结构（2）、聚合物三维波导（3）、聚合物光场模式转换器（4）、聚合物三维支撑结构（5）的组合材料为包括SU8光刻胶、IP-L光刻胶、IP-D光刻胶、IP-S光刻胶、AZ光刻胶中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，其特征在于，所述波导外延聚合物耦合波导结构（2）的长度小于450微米。
4.根据权利要求2所述的波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，其特征在于，所述波导（1）包括硅波导、SU8波导、铌酸锂波导中的一种。
5.根据权利要求4所述的波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，其特征在于，所述硅波导为宽度渐变型波导，宽度为80纳米~500纳米，厚度小于220纳米，长度小于300微米。
6.根据权利要求4所述的波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，其特征在于，所述铌酸锂波导为宽度渐变型波导，由两层组成，上层宽度由100纳米~1000纳米，厚度小于250纳米，长度小于150微米；下层宽度由50纳米~10000纳米，厚度小于350纳米，长度小于300微米。
7.根据权利要求1所述的波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，其特征在于，所述聚合物三维波导（3）为垂直型欧拉弯曲结构，所述垂直型欧拉弯曲结构的转弯角度为90°，转弯半径大于等于35微米，转弯高度大于等于65微米。
8.根据权利要求1所述的波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，其特征在于，所述聚合物光场模式转换器（4）为三维渐变结构，横截面尺寸大小为3.5微米*3.5微米~14.5微米*14.5微米，总渐变长度为100微米~200微米。
9.根据权利要求1所述的波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，其特征在于，所述聚合物三维支撑结构（5）的顶部与聚合物光场模式转换器（4）连接，聚合物三维支撑结构（5）的高度略低于波导到光纤三维聚合物垂直耦合器的总高度。
10.根据权利要求1~9任一项所述的波导到光纤三维聚合物垂直耦合器，其特征在于，所述波导到光纤三维聚合物垂直耦合器通过三维激光直写技术定位于集成光路上的波导结构。
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