CN113176631A

CN113176631A - 一种基于流体通道的光波导及光子器件结构的制造方法

Info

Publication number: CN113176631A
Application number: CN202110508926.1A
Authority: CN
Inventors: 王鹏
Original assignee: Jiaxing Weizhi Photon Technology Co ltd
Current assignee: Jiaxing Weizhi Photon Technology Co ltd
Priority date: 2021-05-11
Filing date: 2021-05-11
Publication date: 2021-07-27

Abstract

本发明公开了一种基于流体通道的光波导及光子器件结构的制造方法，使用超快激光在材料表面制备流体通道，通道形状与尺寸可以精确控制；利用多种有效方式降低表面和通道结构内部的粗糙度，降低光波导的传输损耗；通过调节通道内部流体材料的成分及浓度，实现折射率的精确调节，从而实现光波导纤芯与包层之间折射率差的大范围精确调控；通过调节流体材料折射率与通道尺寸、形状，可精确调控光波导导波模场分布，与接入端相匹配的模场分布将极大的降低耦合损耗。并且，也有利于提升光子芯片的集成度和实现多功能大规模集成。

Description

一种基于流体通道的光波导及光子器件结构的制造方法

技术领域

本发明涉及光子集成芯片制造领域，特别涉及基于流体通道的光波导及光子器件结构的制造方法。

背景技术

光波导由折射率较高的纤芯和折射率较低的包层两部分结构组成，可实现光束的定向传输。光波导纤芯部分的折射率与横截面尺寸决定了光波导的传输模场分布、转弯半径与传输损耗等关键性能。如何实现纤芯部分折射率和横截面尺寸的精确调控是光波导加工中的主要难题，尤其是在集成光子芯片加工过程中。集成光子芯片可用于信息处理，具有能耗低、带宽大、体积小、成本低廉的优势。光波导结构与光子器件结构共同组成了集成光子芯片。大规模集成光子芯片需要使用传输损耗低、转弯半径小、传输模场易于调控的光波导结构。高品质集成光子芯片的制造对光波导折射率与截面尺寸的调控提出了高要求。制造集成光子芯片中的光波导结构的传统方法主要包括离子掺杂法、平面光刻法与飞秒激光改性加工法。离子掺杂法通过对衬底材料部分区域进行掺杂或成分调控来改变材料折射率，实现掺杂区域与未掺杂区域之间的折射率差，形成光波导结构。该方法产生的折射率变化较小，相应的光波导具有较大的弯曲半径；同时，通过该方法较难控制光波导纤芯区域的横截面尺寸与形状。平面光刻方法通过曝光、刻蚀等步骤，将掩膜图案转移至衬底材料上，可在半导体材料、薄膜材料等材料上加工集成光子芯片。该方法通常利用衬底材料与空气或镀膜材料间的折射率差形成光波导结构，很难灵活调控光波导纤芯区域的折射率。超快激光脉冲宽度短，峰值功率高，通过物镜将超快激光聚焦至透明材料内部可诱导材料产生折射率变化，扫描焦点即可加工出光波导结构。但直接诱导材料产生的折射率变化有限，使光波导的导光区域和周围衬底材料之间的折射率差很小，光波导转弯半径很大。

发明内容

本发明提出一种基于流体通道的光波导及光子器件结构的制造方法，克服了已有制造技术存在的光波导折射率调控困难、光波导模场调控困难以及光波导传输损耗高的问题，可用于低损耗大规模集成光子芯片的制造。

本发明目的通过采用以下技术方案实现：

一种基于流体通道的光波导及光子器件结构的制造方法，依次包括如下实施步骤：

1)使用超快激光在材料1表面制造所需形状和尺寸的流体通道2及其入口、出口3；

2)降低样品1表面及流体通道2内表面的粗糙度；

3)将制备有流体通道2的材料与其他的材料键合，以使流体通道除入口、出口3之外的区域密封；

4)通过入口3灌入所需折射率的流体材料4；

5)将入口、出口3用堵头5进行密封。

更进一步的，光子器件结构包括光束分束结构、光束模场转换结构、光束耦合结构或者其任意组合。

更进一步的，除集成光波导外，在结构上还可集成集成微电极、微加热器或微光学结构或者其任意组合，实现更复杂的功能。

其中，步骤1)还包括将材料1固定在三维平移台上，使用物镜将超快激光聚焦至材料1上表面，驱动三维平移台移动，三维平移台带动材料1移动，实现飞秒激光对材料1的聚焦扫描。

步骤1)的流体通道2制备过程还包括两种情形：1)当激光能量较大时，激光焦点直接烧蚀去除材料1，在材料1表面形成流体通道；2)当激光能量较小时，先使用激光对材料1进行扫描改性，再将材料1置入化学溶液中进行腐蚀，激光扫描过的区域会被腐蚀去除，从而在材料1表面形成流体通道2。

所述化学溶液包括氢氟酸溶液、氢氧化钾溶液、磷酸溶液或者其任意组合。所述材料1为熔石英玻璃。

其中，步骤2)通过高温炉退火、二氧化碳激光辐照、氢氧焰烘烤、干法刻蚀、磨粒流抛光、化学机械抛光等方式处理激光加工好的通道结构2，降低通道内表面的粗糙度。或者，对材料1整体进行机械抛光，降低材料1表面粗糙度。

其中，步骤3)的键合方式可根据所需光波导排布的要求灵活调整，包括将一块加工了流体通道2结构的材料1与一块未加工流体通道结构的材料1键合到一起，或是两块都加工了流体通道结构2的材料1将结构对准后键合到一起，也可以是将多块已加工和/或未加工流体通道结构的任意组合的材料键合至一起，形成多层集成光子芯片。

键合方法包括机械固定、热键合、低温键合或阳极键合方法。

其中，步骤4)通过注射泵、蠕动泵、齿轮泵或柱塞泵等压力驱动装置将适合的流体材料4引入所加工的流体通道2结构内，使通道内部充满流体材料4。所述流体材料4的折射率略高于光波导材料的折射率，可作为光波导的纤芯实现导光功能。

流体材料4包括离子盐溶液、液晶、无机溶剂、有机溶液、加热至熔点的固体材料或者其任意组合；有机溶液可为溶于溶剂中的聚合物材料；聚合物材料包括聚全氟丁烯基乙烯基醚和/或聚四氟乙烯；加热至熔点的固体材料包括二氧化硅和/或掺杂二氧化硅；掺杂二氧化硅为掺杂GeO₂、P₂O₅或B₂O₃的二氧化硅。

其中，步骤5)流体通道的入口、出口3可通过机械封堵、填充封堵或二氧化碳激光热熔封堵方法进行密封。

本发明具有如下优点：

1)使用超快激光在样品表面制备流体通道结构过程简单，通道形状与尺寸可以精确控制，通道长度不受限制，任意复杂的排布图样都可加工，有利于光子芯片的多功能大规模集成；

2)表面通道结构内部的粗糙度可通过多种方式有效降低，沟道内部表面越光滑，光波导的传输损耗越低；

3)通过调节通道内部流体材料的成分及浓度，可精确调节其折射率，调节范围宽，从而实现光波导纤芯与包层之间折射率差的大范围精确调控，折射率差越大，光波导转弯半径越小，光子芯片集成度越高；

4)通过调节流体材料折射率与通道尺寸、形状，可精确调控光波导导波模场分布，与接入端相匹配的模场分布将极大的降低耦合损耗；

5)使用该制造方法可在多种透明和/或不透明的材料上制备集成多层光子芯片。

附图说明

图1为本发明光波导及光分束结构制造流程的侧视角图；

图2为本发明光波导及光分束结构制造流程的俯视角图；

图中示出：1-材料、2-流体通道、3-流体通道的入口、出口、4-流体材料、5-堵头。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例及附图对本发明作进一步的详细描述，但本发明的实施方式不限于此。

1)使用波长为1030nm的飞秒超快激光，其重复频率为100kHz，脉冲宽度为300fs，平均功率为100mW。通过放大倍率为20倍的物镜将飞秒激光聚焦熔石英玻璃上，由位移平台带动熔石英玻璃移动，使得激光焦点由玻璃内部至表面扫描出流体通道结构。再在流体通道端点处扫描出由通道至玻璃背面的圆柱形流体出入口结构。将玻璃放入10mol/L的KOH溶液中，并进行超声与加热处理，直至扫描出的流体通道区域与出入口区域腐蚀完毕；

2)使用聚焦后的二氧化碳激光照射流道区域，使流道内壁发生热熔融，在表面张力作用下形成光滑的表面。将加工有流道结构的熔石英玻璃与另一块大小相同的玻璃进行表面抛光；

3)将两块玻璃放入丙酮中，超声清洗10分钟。取出再置入蒸馏水中超声清洗10分钟。然后将一滴浓度为2％的氢氧化钠溶液滴到玻璃样品表面，将两块玻璃样品贴合到一起，仔细调整其相对位置使得加工的流体通道全部密封。将整个样品轻轻挤压，在室温下保持24个小时，然后放入退火炉中，在200摄氏度下保温24小时，使两块玻璃完全粘合；

4)通过入口灌入CS₂溶液；

5)通过夹具与机械堵头将入口与出口密封，形成光波导及光子器件结构。

Claims

1.一种基于流体通道的光波导及光子器件结构的制造方法，其特征在于，依次包括如下步骤：

1)使用超快激光在材料表面制备所需形状和尺寸的流体通道及流体通道的入口、出口；

2)降低材料表面及流体通道内表面的粗糙度；

3)将制备有流体通道的材料与其他的材料键合，以使除流体通道入口、出口之外的其他区域密封；

4)通过入口灌入所需折射率的流体材料；

5)将入口、出口进行密封。

2.根据权利要求1所述的一种基于流体通道的光波导及光子器件结构的制造方法，其特征在于，光子器件结构包括光束分束结构、光束模场转换结构、光束耦合结构或者其任意组合。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于流体通道的光波导及光子器件结构的制造方法，其特征在于，所述光波导及光子器件结构加工完成后，在结构上集成微电极、微加热器或微光学结构或者其任意组合。

4.根据权利要求1-3之一所述的一种基于流体通道的光波导及光子器件结构的制造方法，其特征在于，步骤1)包括将材料固定在三维平移台上，使用物镜将超快激光聚焦至材料上表面，驱动三维平移台移动，三维平移台带动材料移动，实现超快激光对材料的聚焦扫描。

5.根据权利要求4所述的一种基于流体通道的光波导及光子器件结构的制造方法，其特征在于：当聚焦扫描的激光能量较大时，激光焦点直接烧蚀去除材料，在材料表面形成流体通道；当聚焦扫描的激光能量较小时，先使用激光对材料进行扫描改性，再将材料置入化学溶液中进行腐蚀，激光扫描过的区域被腐蚀去除后在材料表面形成流体通道。

6.根据权利要求5所述的一种基于流体通道的光波导及光子器件结构的制造方法，其特征在于，所述化学溶液包括氢氟酸溶液、氢氧化钾溶液、磷酸溶液或者其任意组合。

7.根据权利要求1-6之一所述的一种基于流体通道的光波导及光子器件结构的制造方法，其特征在于，步骤2)包括通过高温炉退火、二氧化碳激光辐照、氢氧焰烘烤、干法刻蚀、磨粒流抛光、化学机械抛光方式或者其任意组合的方式降低通道内表面的粗糙度；通过对材料整体进行机械抛光的方式降低材料表面粗糙度。

8.根据权利要求1-7之一所述的一种基于流体通道的光波导及光子器件结构的制造方法，其特征在于，步骤3)中所述其他的材料包括一个或多个已加工流体通道结构的材料、一个或多个未加工流体通道结构的材料或者两者任意数量的组合；进一步的，两个已加工流体通道结构的材料相互对准后再进行键合；或者，将多个已加工和/或未加工所述流体通道结构的任意组合的材料键合至一起，形成多层集成光子芯片；优选的，步骤3)中所使用的键合方法包括机械固定、热键合、低温键合或阳极键合。

9.根据权利要求1-8之一所述的一种基于流体通道的光波导及光子器件结构的制造方法，其特征在于，其所述步骤4)的灌入步骤所采用的装置包括注射泵、蠕动泵、齿轮泵或柱塞泵压力驱动装置；进一步的，所述步骤4)的所需折射率流体材料通过成分及浓度实现折射率可调；或者，所需折射率流体材料与流体通道的形状、尺寸进行匹配，以实现光波导导波模场分布可调。

10.根据权利要求1-9之一所述的一种基于流体通道的光波导及光子器件结构的制造方法，其特征在于，所述步骤5)的入口、出口密封方法包括机械封堵、填充封堵或二氧化碳激光热熔封堵或者其任意组合。