CN112394446A - 端面耦合器及其制作方法、端面耦合方法 - Google Patents

端面耦合器及其制作方法、端面耦合方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种端面耦合器及其制作方法，该制作方法包括：提供一光子芯片，在光子芯片的耦合端的上表面具有波导；在耦合端的上表面形成一层覆盖波导并与波导键合的衬底；在衬底表面涂布一层光刻胶层；通过分步曝光和显影，将光刻胶层制作成楔形结构，楔形结构的正投影至少与波导部分重叠，且越远离波导的端面，楔形结构的截面积越大；通过对衬底进行刻蚀，以在衬底上形成与楔形结构对应的模斑转换器。由于模斑转换器的制作是在光子芯片的波导完成后进行，因此属于后道工艺；通过采用分步曝光的方法制作，端面耦合器制作过程更快速；通过采用带槽的光纤固定块来实现模斑转换器与光纤的辅助对准和粘接，可以很好地保证光斑转换过程的高效可靠。

Description

端面耦合器及其制作方法、端面耦合方法
技术领域
本发明涉及光通信器件领域，尤其涉及一种端面耦合器及其制作方法、端面耦合方法。
背景技术
在光通信系统中，端面耦合器可以用于实现光在光纤和集成光子芯片之间的相互耦合。当光在光纤中传输时，光纤的端面尺寸常常在数百微米，光纤中模斑的尺寸也常在几个微米大小；当光在集成光子芯片中的光波导里传输时，波导端面的尺寸一般在数百纳米到几个微米，波导中模斑的尺寸也常在数百纳米到数微米；因此光纤中的模斑与光波导芯片中的模斑存在较大的尺寸失配，这给光在光纤和集成光子芯片之间的耦合带来了困难。
现有的实现光在光纤和集成光子芯片之间的耦合方法常常被分为两类：光栅偶合法和端面偶合法。在光栅耦合中：光纤与芯片之间存在一定的夹角，这给封装带来了困难；耦合效率对入射光波长、偏振、入射角度敏感，使得其不具备通用性。在端面耦合中：光纤从侧面连接于芯片，易于封装；耦合效率与入射光波长、偏振无关，因此具备通用性。
现有的端面耦合器可以被分为两类。第一类是通过在波导耦合端制作尖端结构来实现光高效地在光纤和集成光子芯片上光波导之间的相互耦合，具体是将波导耦合端制作成尖，然后在波导耦合端上面镀数微米厚(比光纤纤芯厚)的低折射率薄膜，将光纤粘在镀制而成的薄膜端面(非尖端)。光从波导到光纤，在薄膜里将光斑大小转换完成。然而，此种方法的缺点是：镀制数微米厚的薄膜成本很高，且薄膜质量差；光纤与镀制的薄膜的端面不易粘接。
第二类是通过在波导耦合端制作模斑转换器结构来实现光高效地在光纤和集成光子芯片上光波导之间的相互耦合，模斑转换器实际上是一个两端面尺寸不同、中间光滑连续变化的几何结构。模斑转换器中一端面的模斑尺寸与光纤中的模斑尺寸一致，另一端面的模斑尺寸与集成光子芯片上光波导中的模斑尺寸一致。具体是：将波导耦合端放大，然后与光纤粘接，在放大端形成喇叭状的锥体，常用的制作方法有：先制作出(如采用湿法腐蚀法、阴影腐蚀法、灰度掩模曝光法)模斑转换器，再做波导；(如采用阴影镀膜法)在光纤与波导之间镀制与波导相同的材料，然而，这些常用的制作方法要么仍然无法保证模斑转换器与光纤、波导的精确对准和可靠连接，从而影响光斑转换，要么成本也高。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种主要用于集成光子芯片的端面耦合器及其制作方法、端面耦合方法，可以在光子芯片完成后再制作模斑转换器，键合可靠性好，而且，端面耦合器的制作过程高效稳定，耦合对准精度高。
为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：
一种端面耦合器的制作方法，包括：
提供一光子芯片，在所述光子芯片的耦合端的上表面具有波导；
在所述耦合端的上表面形成一层覆盖所述波导并与所述波导键合的衬底；
在所述衬底表面涂布一层光刻胶层；
通过分步曝光和显影，将所述光刻胶层制作成楔形结构，所述楔形结构的正投影至少与所述波导部分重叠，且越远离所述波导的端面，所述楔形结构的截面积越大；
通过对所述衬底进行刻蚀，以在所述衬底上形成与所述楔形结构对应的模斑转换器。
作为其中一种实施方式，所述衬底与所述波导键合的键合面高于所述衬底中的硅层的底面。
作为其中一种实施方式，所述衬底为硅片，所述键合面高于所述硅片的底面。
或者，所述衬底为SOI(Silicon-On-Insulator，即绝缘衬底上的硅)片，所述键合面高于所述SOI片中的顶层硅的底面。
作为其中一种实施方式，在所述衬底表面涂布一层光刻胶层的步骤前，还包括步骤：将所述衬底减薄至预定厚度，所述预定厚度大于所述波导的厚度。
作为其中一种实施方式，通过分步曝光和显影，将所述光刻胶层制作成楔形结构的步骤包括：
在所述光刻胶层的至少一个表面形成朝向所述波导的端面延伸的阶梯状表面，所述阶梯状表面包括多个依次相连的台阶，且越靠近所述波导的端面，所述台阶所在的断面的面积越小。
作为其中一种实施方式，通过分步曝光和显影，将所述光刻胶层制作成楔形结构的步骤还包括：
在形成所述阶梯状表面后，采用热熔回流的方式使所述阶梯状表面形成连续的平面。
本发明的另一目的在于提供一种端面耦合器，根据一种上述的端面耦合器的制作方法制作而成，包括光子芯片和模斑转换器，所述模斑转换器的一个楔形端的底面至少部分与所述波导的上表面键合。
本发明的又一目的在于提供一种端面耦合方法，包括：
提供一光纤固定块，所述光纤固定块的底面开设有沿其长度方向上开设的长槽；
将光纤放置于所述长槽内，并使光纤的外周面紧贴于所述长槽内壁，所述光纤的端面与所述光纤固定块的端面间隔预定距离，所述光纤的纤芯位于所述长槽内并与所述光纤固定块的底面相切；
将所述光纤固定块的底面贴合于光子芯片的上表面，并使所述光纤的端面抵接所述光子芯片的端面，使所述纤芯与所述光子芯片上的所述模斑转换器的端面对准并将二者粘合。
作为其中一种实施方式，所述长槽的截面为V型。
本发明的模斑转换器是集成在光子芯片上，其制作过程是在光子芯片的波导完成后进行，因此属于后道工艺，其制作过程相对简单，制作成本相对较低，而且，通过采用分步曝光的方法制作，端面耦合器制作过程更快速，可以很好地保证波导端的耦合效果；通过采用带槽的光纤固定块来实现模斑转换器与光纤的辅助对准和粘接，可以很好地保证光斑转换过程的高效可靠进行。
附图说明
图1为本发明实施例的端面耦合器的制作过程示意图；
图2为本发明实施例的端面耦合器的制作流程框图；
图3为本发明实施例的端面耦合状态示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参阅图1和图2，本发明的实施例提供了一种端面耦合器的制作方法，模斑转换器100形成于已完成的光子芯片(即光波导芯片)1上，该制作方法包括：
S01、提供一光子芯片1，在光子芯片1的耦合端的上表面具有波导1b。
举例来说，光子芯片1通常包括基底层1a、基底层1a上表面的绝缘层1c以及绝缘层1c上表面的波导1b，基底层1a优选采用硅制成，绝缘层1c优选为SiO2。
S02、在耦合端的上表面形成一层覆盖波导1b并与波导1b键合的衬底10(如图1中的A所示)。
衬底10优选具有与波导1b同质的材料，优选波导1b为硅材质，衬底10中具有与之键合的硅层。
衬底10与波导1b键合的键合面P高于衬底10中的硅层的底面，即，衬底10的硅层一部分形成于光子芯片1的绝缘层1c表面，另一部分形成于波导1b的表面将其覆盖并与之键合。
这里，衬底10为硅片或SOI片，本发明的附图仅示出了衬底为硅片的实施方式，在衬底10为硅片的实施方式中，硅片整层覆盖于光子芯片1的上表面，硅片与波导1b的键合面P高于硅片的底面。可以理解的是，在衬底10为SOI片的实施方式中，SOI片的顶层硅和背衬底之间具有埋氧化层，SOI片仅顶层硅与波导1b键合，因此，其键合面P高于SOI片中的顶层硅的底面，其中的埋氧化层可以保护后续的刻蚀过程不会破坏下方的光子芯片1。
S03、在衬底10表面涂布一层光刻胶层20(如图1中的C所示)。
需要注意的是，为了优化后续步骤中衬底10的刻蚀过程，提高刻蚀效率，如图1中的B所示，在步骤S03涂布光刻胶层20的步骤前，还需要事先将衬底10减薄至预定厚度，该预定厚度大于波导1b的厚度，需要与光纤端的模斑匹配的厚度一致。
S04、通过分步曝光和显影，将光刻胶层20制作成楔形结构202(如图1中的E所示)，楔形结构202的正投影至少与波导1b部分重叠，且越远离波导1b的端面，楔形结构的截面积越大。
具体地，该步骤S04包括：
S041、在光刻胶层20的至少一个表面形成朝向波导1b的端面延伸的阶梯状表面，阶梯状表面包括多个依次相连的台阶(如图1中的D所示)，且越靠近波导1b的端面，台阶所在的断面的面积越小。
S042、在形成阶梯状表面后，采用热熔回流的方式使阶梯状表面形成连续的平面(如图1中的E所示)。
在上述两步骤S041、S042中，光刻胶层20首先被通过分步曝光和显影将其对应的表面(例如，上表面，和/或两侧表面)按照多个台阶依次相连的方式制作，一步一台阶，其中，各台阶的步长和高度具体是根据所需的模斑转换器100的整体尺寸进行适当改变和组合，以形成特定形状的模斑转换器100。然后，通过热熔回流的方式，使得光刻胶层20的不平整的台阶状的表面被流平为连续、平整的倾斜面，以保证后续的模斑转换器100具有同样连续平整的刻蚀表面。
S05、通过对衬底10进行刻蚀，将楔形结构202对应的形状转移至衬底10，以在衬底10上形成与楔形结构202对应的模斑转换器100(如图1中的F所示)。
本实施例提供的端面耦合器的制作方法，由于是在已完成的光子芯片上制作模斑转换器，将模斑转换器集成在光子芯片上，复杂的光子芯片制作工艺可以事先完成而不需要将端面耦合器的制作工艺与光子芯片的制作工艺穿插进行，可以提高制作便利性，简化制作工艺，降低制作难度和制作成本，因此，从另一角度来说也提高了器件制作的可靠性。
根据本发明的另一方面，还提供了一种端面耦合器，该端面耦合器可以是例如根据上述的制作方法制作而成，主要包括光子芯片1和模斑转换器100，模斑转换器100的一个楔形端的底面至少部分与波导1b的上表面键合，其另一个楔形端的端面具有更大的截面积，用于与光纤端耦合。
结合图3所示，本发明的端面耦合方法具体可以包括：
(1)提供一光纤固定块200，光纤固定块200的底面开设有沿其长度方向上开设的长槽200a；该长槽200a的截面优选为V型，具有两个相对设置的施力面。
(2)将光纤2放置于长槽200a内，并使光纤2的外周面紧贴于长槽200a内壁，光纤2的端面与光纤固定块200的端面间隔预定距离，光纤2的纤芯2a位于长槽200a内并与光纤固定块200的底面相切。在光纤2放置到长槽200a内后，光纤2的外表面的两侧分别被挤压于长槽200a的两个构成V形的侧壁上，因此光纤2的位置可以可靠地被限位在长槽200a内。
可以理解的是，在其他实施方式中，长槽200a的形状也可以为其它形状，例如，U形、圆弧形等。
(3)将光纤固定块200的底面贴合于光子芯片1的上表面，并使光纤2的端面抵接光子芯片1的端面，使纤芯2a与光子芯片1上的模斑转换器100的端面对准并将二者粘合。
当光纤固定块200的底面贴合于光子芯片1的上表面后，且光纤2的端面与光子芯片1的端面抵接后，由于光纤2的纤芯2a与光纤固定块200的底面相切，纤芯2a与光子芯片1上的模斑转换器100的端面贴合后即自动对准模斑转换器100的端面，此时，只需利用粘结剂将光纤2端面与模斑转换器100的端面粘结即可。
因此，本发明的模斑转换器是集成在光子芯片上，其制作过程是在光子芯片的波导完成后进行，因此属于后道工艺，其制作过程相对简单，制作成本相对较低，而且，通过采用分步曝光的方法制作，端面耦合器制作过程更快速，可以很好地保证波导端的耦合效果；通过采用带槽的光纤固定块来实现模斑转换器与光纤的辅助对准和粘接，可以很好地保证光斑转换过程的高效可靠进行。由于模斑转换器在制作过程中即与波导通过表面键合的方式结合在一起，因此二者具有非常高的对准精度，可以保证光斑大小的有效转换。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种端面耦合器的制作方法，其特征在于，包括：
提供一光子芯片(1)，在所述光子芯片(1)的耦合端的上表面具有波导(1b)；
在所述耦合端的上表面形成一层覆盖所述波导(1b)并与所述波导(1b)键合的衬底(10)；
在所述衬底(10)表面涂布一层光刻胶层(20)；
通过分步曝光和显影，将所述光刻胶层(20)制作成楔形结构(202)，所述楔形结构(202)的正投影至少与所述波导(1b)部分重叠，且越远离所述波导(1b)的端面，所述楔形结构的截面积越大；
通过对所述衬底(10)进行刻蚀，以在所述衬底(10)上形成与所述楔形结构(202)对应的模斑转换器(100)。
2.根据权利要求1所述的端面耦合器的制作方法，其特征在于，所述衬底(10)与所述波导(1b)键合的键合面(P)高于所述衬底(10)中的硅层的底面。
3.根据权利要求2所述的端面耦合器的制作方法，其特征在于，所述衬底(10)为硅片，所述键合面(P)高于所述硅片的底面。
4.根据权利要求2所述的端面耦合器的制作方法，其特征在于，所述衬底(10)为SOI片，所述键合面(P)高于所述SOI片中的顶层硅的底面。
5.根据权利要求1-4任一所述的端面耦合器的制作方法，其特征在于，在所述衬底(10)表面涂布一层光刻胶层(20)的步骤前，还包括步骤：将所述衬底(10)减薄至预定厚度，所述预定厚度大于所述波导(1b)的厚度。
6.根据权利要求1-4任一所述的端面耦合器的制作方法，其特征在于，通过分步曝光和显影，将所述光刻胶层(20)制作成楔形结构(202)的步骤包括：
在所述光刻胶层(20)的至少一个表面形成朝向所述波导(1b)的端面延伸的阶梯状表面，所述阶梯状表面包括多个依次相连的台阶，且越靠近所述波导(1b)的端面，所述台阶所在的断面的面积越小。
7.根据权利要求6所述的端面耦合器的制作方法，其特征在于，通过分步曝光和显影，将所述光刻胶层(20)制作成楔形结构(202)的步骤还包括：
在形成所述阶梯状表面后，采用热熔回流的方式使所述阶梯状表面形成连续的平面。
8.一种端面耦合器，其特征在于，根据权利要求1-7任一所述的端面耦合器的制作方法制作而成，包括光子芯片(1)和模斑转换器(100)，所述模斑转换器(100)的一个楔形端的底面至少部分与所述波导(1b)的上表面键合。
9.一种端面耦合方法，其特征在于，包括：
提供一光纤固定块(200)，所述光纤固定块(200)的底面开设有沿其长度方向上开设的长槽(200a)；
将光纤(2)放置于所述长槽(200a)内，并使光纤(2)的外周面紧贴于所述长槽(200a)内壁，所述光纤(2)的端面与所述光纤固定块(200)的端面间隔预定距离，所述光纤(2)的纤芯(2a)位于所述长槽(200a)内并与所述光纤固定块(200)的底面相切；
将所述光纤固定块(200)的底面贴合于光子芯片(1)的上表面，并使所述光纤(2)的端面抵接所述光子芯片(1)的端面，使所述纤芯(2a)与所述光子芯片(1)上的权利要求8所述的模斑转换器的端面对准并将二者粘合。
10.根据权利要求9所述的端面耦合方法，其特征在于，所述长槽(200a)的截面为V型。
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