CN112698444A - 一种光波导模斑转换器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信技术领域，且公开了一种光波导模斑转换器，包括模斑转换波导、衬底和盖板，所述盖板设于衬底的正上方；所述模斑转换波导还包括小模斑波导、模斑过渡波导和大模斑波导。本发明提供了一种光波导模斑转换器及其制作方法，能够明显提高硅光波导与光纤之间的耦合效率，其相比于传统的透镜耦合方式，可以使用粘合剂粘接，实现一体化封装，提高集成度。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，具体为一种光波导模斑转换器及其制作方法。
背景技术
随着通信技术的快速发展，在大数据时代的背景下，数据流量急剧增长，对带宽的要求越来越大，而传统的电互连在带宽，距离，能耗等方面的局限性也越来越突出，已经难以满足高速通信以及高性能微电子芯片的发展需求。近年来，随着新兴硅基光子芯片集成技术的不断迅速发展，利用大规模集成光子芯片实现如芯片与芯片间的短距离光互连成为可能。
由于硅基光子器件具有与互补金属氧化物半导体工艺兼容，大带宽，低延迟，低能耗，低串扰等显著的优点，可以实现高性能，低成本，小尺寸，高集成的片上光互联。而对于硅基光子芯片来说，一个亟待解决的问题是实现芯片片内的光信号与片外的光信号的高效耦合连接。由于硅和二氧化硅或者空气具有很大的折射率差，硅基光波导具有很强的限制光场的能力，硅基光波导的尺寸通常很小，其截面尺寸小于0.5微米，现有的技术是通过硅波导的边缘倒锥形耦合器设计，使硅波导模斑扩大到3-4um，而普通单模光纤的芯径约为8-10微米，两者尺寸仍相差很大，造成了严重的模场失配，从而导致很大的耦合损耗。所以现有耦合方案是采用耦合透镜转接耦合，通过透镜使光斑与光纤匹配，工艺复杂且不利于集成。
因此，为了提高光纤和3-4um的硅波导直接耦合效率，设计制作一种工艺简单的模斑转换器是非常重要和有意义的。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明提供了一种基于玻璃基的光波导模斑转换器及其制作方法。该转换器可以起到转接作用，连接小模斑的硅波导和大模斑的光纤，解决了现有的技术中必须使用耦合透镜，工艺成本高且集成度低的问题。
(二)技术方案
为实现上述光波导模斑转换器，本发明提供如下技术方案：
一种光波导模斑转换器，包括模斑转换波导、衬底和盖板，所述盖板设于衬底的正上方；所述模斑转换波导还包括小模斑波导、模斑过渡波导和大模斑波导。
进一步的，盖板覆盖于衬底的表面，其两侧抛光，两侧端面的通光孔径一大一小。
进一步的，所述模斑转换波导的左侧设有硅波导，右侧设有光纤阵列；所述硅波导和光纤阵列与衬底间均通过粘合剂粘结相连。
进一步的，所述小模斑波导与硅波导的模斑相匹配，所述大模斑波导与光纤阵列的光纤模斑相匹配。
进一步的，所述模斑转换波导设于衬底上。
进一步的，所述衬底为玻璃材质。
一种光波导模斑转换器的制备方法，包括如下步骤：
(1)在玻璃上做好带波导图形的掩膜：在高温下，通过银离子交换衬底中的钠离子，完成第一次离子交换，形成半圆形的波导图案；
(2)第二次离子交换：在高温下加电使银离子加速进入衬底的玻璃内部，在电场和热扩散的共同作用下，把半圆形波导制作为圆形波导；通过工艺控制使小模斑波导变为圆形，模斑尺寸变为m2 x m2，该尺寸与硅光波导模斑尺寸完全一致；大模斑波导变为椭圆形，模斑尺寸为n2 x m2。
(3)梯度退火：从模斑过渡波导的小模斑侧a点至大模斑侧b点，在相同温度下，做时间梯度退火，通过电机使波导在高温退火设备中从a点至b 点缓慢拉出，ab之间按照设定时间进行梯度退火，a点以外位置退火时间为0， b点以外退火时间为T，ab之间按照0至T的时间梯度退火，大模斑波导最后变为圆形，模斑尺寸为n3 x n3，从而完成制备。
(三)有益效果
与现有技术相比，本发明提供了一种光波导模斑转换器及其制作方法，能够明显提高硅光波导与光纤之间的耦合效率，其相比于传统的透镜耦合方式，可以使用粘合剂粘接，实现一体化封装，提高集成度，极具推广和应用价值。
附图说明
图1为本发明整体的结构示意图；
图2为本发明的俯视图；
图3为本发明的侧视图；
图4为本发明模斑转换波导的结构示意图和端面模斑的示意图；
图5为本发明模斑转换波导的生产流程示意图。
图中：1、模斑转换波导；11、小模斑波导；12、模斑过渡波导；13、大模斑波导；2、衬底；3、盖板；4、硅波导；5、粘合剂；6、光纤阵列。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
参考图1-4，一种光波导模斑转换器，包括模斑转换波导1，衬底2和盖板3，盖板3设于衬底2的正上方；模斑转换波导1还包括小模斑波导11、模斑过渡波导12和大模斑波导13。
盖板3覆盖于衬底2的表面，其两侧抛光，两侧端面的通光孔径一大一小。
模斑转换波导1的左侧设有硅波导4，右侧设有光纤阵列6；硅波导4和光纤阵列6与衬底2间均通过粘合剂5粘结相连。
小模斑波导11与硅波导4的模斑相匹配，大模斑波导13与光纤阵列6 的光纤模斑相匹配。
模斑转换波导1设于衬底2上。
衬底2为玻璃材质。
参考图5，一种光波导模斑转换器的制备方法，包括如下步骤：
(1)在玻璃上做好带波导图形的掩膜：模斑转换波导1在掩膜图形设计时，小模斑波导宽度为m1,大模斑宽度波导为n1,模斑过渡波导宽度从m1变化为n1，在高温下，通过银离子交换衬底2中的钠离子，完成第一次离子交换，形成半圆形的波导图案；
(2)第二次离子交换：在高温下加电使银离子加速进入衬底2的玻璃内部，在电场和热扩散的共同作用下，把半圆形波导制作为圆形波导；通过工艺控制使小模斑波导11变为圆形，模斑尺寸变为m2 x m2，该尺寸与硅光波导模斑尺寸完全一致；大模斑波导13变为椭圆形，模斑尺寸为n2 x m2。
(3)梯度退火：从模斑过渡波导12的小模斑侧a点至大模斑侧b点，在相同温度下，做时间梯度退火，通过电机使波导在高温退火设备中从a点至b点缓慢拉出，ab之间按照设定时间进行梯度退火，a点以外位置退火时间为0，b点以外退火时间为T，ab之间按照0至T的时间梯度退火，大模斑波导(13)最后变为圆形，模斑尺寸为n3 x n3，从而完成制备。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种光波导模斑转换器，其特征在于，包括模斑转换波导(1)、衬底(2)和盖板(3)，所述盖板(3)设于衬底(2)的正上方；所述模斑转换波导(1)还包括小模斑波导(11)、模斑过渡波导(12)和大模斑波导(13)。
2.根据权利要求1所述的一种光波导模斑转换器，其特征在于，盖板(3)覆盖于衬底(2)的表面，其两侧抛光，两侧端面的通光孔径一大一小。
3.根据权利要求1所述的一种光波导模斑转换器，其特征在于，所述模斑转换波导(1)的左侧设有硅波导(4)，右侧设有光纤阵列(6)；所述硅波导(4)和光纤阵列(6)与衬底(2)间均通过粘合剂(5)粘结相连。
4.根据权利要求3所述的一种光波导模斑转换器，其特征在于，所述小模斑波导(11)与硅波导(4)的模斑相匹配，所述大模斑波导(13)与光纤阵列(6)的光纤模斑相匹配。
5.根据权利要求1所述的一种光波导模斑转换器，其特征在于，所述模斑转换波导(1)设于衬底(2)上。
6.根据权利要求1所述的一种光波导模斑转换器，其特征在于，所述衬底(2)为玻璃材质。
7.一种光波导模斑转换器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在玻璃上做好带波导图形的掩膜：在高温下，通过银离子交换衬底(2)中的钠离子，完成第一次离子交换，形成半圆形的波导图案；
(2)第二次离子交换：在高温下加电使银离子加速进入衬底(2)的玻璃内部，在电场和热扩散的共同作用下，把半圆形波导制作为圆形波导；通过工艺控制使小模斑波导(11)变为圆形，模斑尺寸变为m2 x m2，该尺寸与硅光波导模斑尺寸完全一致；大模斑波导(13)变为椭圆形，模斑尺寸为n2 x m2。
(3)梯度退火：从模斑过渡波导(12)的小模斑侧a点至大模斑侧b点，在相同温度下，做时间梯度退火，通过电机使波导在高温退火设备中从a点至b点缓慢拉出，ab之间按照设定时间进行梯度退火，a点以外位置退火时间为0，b点以外退火时间为T，ab之间按照0至T的时间梯度退火，大模斑波导(13)最后变为圆形，模斑尺寸为n3 x n3，从而完成制备。
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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