CN113204074A - 一种基于紫外灰度光刻法制备的非等高光波导定向模式耦合器 - Google Patents

一种基于紫外灰度光刻法制备的非等高光波导定向模式耦合器 Download PDF

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CN113204074A CN202110430087.6A CN202110430087A CN113204074A CN 113204074 A CN113204074 A CN 113204074A CN 202110430087 A CN202110430087 A CN 202110430087A CN 113204074 A CN113204074 A CN 113204074A
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王雪婷
邓传鲁
黄怿
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Abstract

本发明涉及一种基于紫外灰度光刻法的非等高光波导定向模式耦合器。该光波导定向模式耦合器，包括基底、波导下包层、波导芯层和波导上包层，所述波导芯层被波导上包层和波导下包层所包覆，主要由一根芯层高度和宽度都较大的主波导和另一根芯层高度和宽度较小的光波导组成。优化光波导的结构参数及光波导有效间距，满足模式相位匹配条件，实现二维维度上模式序数m相同且n不同的两种模式的高效率耦合。在实际光波导制备中，采用紫外灰度光刻法，在不增加工艺流程的同时，完成二维维度上不等高光波导的制备，由此实现非等高光波导定向模式耦合器。

Description

一种基于紫外灰度光刻法制备的非等高光波导定向模式耦 合器
技术领域
本发明所涉及的是光背板互连技术领域，特别涉及一种基于紫外灰度光刻法制备的非等高光波导定向模式耦合器。
背景技术
在光波导板互连领域，模分复用技术因其信道拓展功能成为研究热点，此外其还具有集成度高、传输损耗低等优点。常见的光波导耦合器有多种结构，包括光栅耦合器、定向模式耦合器、分支型耦合器和多模干涉耦合器等，其中，光波导定向模式耦合器以其制备工艺简单、耦合效率高、损耗小、兼容性强且无波长依赖等优势，成为模分复用系统中很常用的一种结构。
在光波导定向模式耦合结构中，最常见的是两根等高光波导平行放置的定向模式耦合结构，文献“AccurateAnalysis oftheMode(de)multiplexerUsingAsymmetricDirectional Coupler”研究了一种实现基模与高阶模耦合的二模式耦合器，通过改变两根等高矩形光波导的宽度，使得两光波导中的两耦合模式的有效折射率相等，从而能够实现最大耦合效率的模式能量转换。但由于模场奇偶性的分布特点，只有在模式
Figure BDA0003031130740000011
的模式序数m不同且n相同的两种模式情况下才能发生耦合，因此存在一定局限性。如果发生耦合的两个模式没有模式序数m、n的奇偶性限制，则能进一步拓宽信道。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现状，提出一种基于紫外灰度光刻法制备的非等高光波导定向模式耦合器，以达到在不增加额外工艺流程的同时避免模式序数m、n限制的目的，可应用于模分复用系统中，提高用于模式耦合的模式多样性，推动模分复用技术的发展，拓展系统信道容量。
根据上述发明目的，本发明的构思为：
一种基于紫外灰度光刻法制备的非等高光波导定向模式耦合器，由基底、下包层、芯层和上包层组成。芯层结构主要为一根厚度较大的主波导和一根厚度较小的波导，其中主波导为一根直长波导，另一根波导由两个直波导结构和一个S型波导结构组成。通过改变波导尺寸，使得两波导中要进行耦合的两个模式满足相位匹配条件，即模式的有效折射率相等，实现模式能量的高效转换。针对同一水平面上的不等高矩形光波导芯层的制备，采用紫外灰度光刻的方法，在制备好的下包层上旋涂芯层材料，利用可生成灰度掩模图案的光刻机进行紫外曝光，灰度图案的形状与波导芯层结构的俯视图一致，但针对不同芯层高度的光波导部分，设置不同的灰度值，使得光刻机中出射紫外光的曝光能量不同，从而在显影后生成不等高的波导芯层。该方法与通常采用的制备等高光波导的紫外光刻法相比，除了使用的掩模板不同外，并没有增加任何工艺流程，即可完成非等高的光波导定向模式耦合器的制备。
本发明原理：
在同一平面内，水平并列放置两根不同高度的光波导，较高者为光波导1，较矮者波导为光波导2，其高度和宽度分别为h1、h2和w1、w2，且满足h1>h2，w1>w2。光波导2中的耦合长度为L，光波导1与光波导2的耦合直波导部分间的有效间距为D。光波导1中可稳定注入模式
Figure BDA0003031130740000021
光波导2中可稳定注入
Figure BDA0003031130740000022
改变光波导的宽度，从而改变这两个模式对应的有效折射率，使得光波导1中模式
Figure BDA0003031130740000023
与光波导2中模式
Figure BDA0003031130740000024
的有效折射率相等，且有效间距D取3-10μm时，光波导1中的模式
Figure BDA0003031130740000025
与光波导2中的基模
Figure BDA0003031130740000026
可以发生耦合转换，即两种模式所携带的能量可相互转移。在实现模式能量耦合后，光波导1与光波导2之间的能量呈周期性相互转换的状态，为使得光波导1中模式
Figure BDA0003031130740000027
的能量最大效率地转换为光波导2中基模
Figure BDA0003031130740000028
的能量，在光波导2中能量最大时采用S型波导结构，避免发生模式串扰且光波导2中的能量又回到光波导1，从而实现不等高波导间的模式高效率耦合。
紫外灰度光刻波导制备方法，主要是通过将灰度掩模图案导入紫外光刻机中对芯层材料进行紫外曝光。灰度掩模图案与芯层波导结构的俯视图的形状相同，但光波导1对应图案部分的灰度值比光波导2对应图案部分的灰度值小，当采用正性光刻胶作为波导芯层材料时，光刻机中的紫外光通过灰度掩模板照射到光波导1区域上的光强相比照射到光波导2区域上的光强更小，导致显影过程中光波导2区域内的更多的上层部分被显影除去，使得光波导2对应区域的芯层材料厚度比光波导1小，完成非等高的光波导定向模式耦合器的制备。
根据上述发明构思，本发明采用以下技术方案：
一种基于紫外灰度光刻法的非等高光波导定向模式耦合器，包括基底、波导下包层、波导芯层和波导上包层，所述波导芯层被波导上包层和波导下包层所包覆，由一根高度和宽度相对较大的直光波导以及相对较小的含S型结构的弯曲光波导组成；两根波导在同一水平面上并排放置，其中，弯曲光波导由两个直波导结构和一个连接直波导的S波导结构组成；改变直光波导和弯曲光波导的芯层宽度，使得直光波导中的模式
Figure BDA0003031130740000029
与弯曲光波导中的模式
Figure BDA00030311307400000210
的有效折射率相等，实现模式
Figure BDA00030311307400000211
中序数m相同且n不同的模式耦合；芯层材料使用正性光刻胶，并通过紫外灰度光刻技术，实现在不增加工艺流程的同时制备不等高波导结构，得到二维维度上非等高的光波导定向模式耦合器。
优选地，其中芯层结构包括：一根厚度较大的主波导和一根厚度较小的波导，两根波导并列放置，主波导为直波导，另一根光波导由两个直波导结构和一个S波导结构组成。通过改变波导尺寸，使得直光波导中模式
Figure BDA0003031130740000031
的有效折射率与弯曲光波导中模式
Figure BDA0003031130740000032
的有效折射率相等；弯曲光波导中的S型结构起到能量转移的作用，在弯曲光波导中能量最高时将其转移至远离直光波导的方向，有效避免了光在继续传输过程中发生模式串扰，保证了高效率的模式耦合。在制备工艺方面，采用紫外灰度光刻工艺，并使用正性光刻胶作为波导的芯层材料，生成对应的灰度掩模图案，通过无掩模光刻机进行紫外灰度光刻。灰度掩模图案的形状与波导芯层结构的俯视图一致，通过掩模图案中不同区域灰度值的不同改变紫外光照射在光刻胶上的曝光能量，使得不同区域受光照射的深度不同，从而在显影后形成高度不等的波导芯层。由此，实现二维维度上模式序数m相同且n不同的两种模式的高效率耦合器的制备。
所述一种基于紫外灰度光刻法的非等高光波导定向模式耦合器，其主要结构有基底、下包层、芯层和上包层。其中，波导芯层包括一根厚度较大的主波导和一根厚度较小的波导，两根波导在同一水平面上并列放置，主波导为直波导，另一根光波导包括一个实现模式耦合的直波导结构、一个转移能量的S型波导结构和最后稳定传输能量的直波导结构。
所述一种基于紫外灰度光刻法的非等高光波导定向模式耦合器，主波导和另一根波导分别为直光波导和弯曲光波导，其高度和宽度分别h1、h2和w1、w2，且满足h1>h2，w1>w2。其中，直光波导和弯曲光波导在同一水平面上并排放置，直光波导与弯曲光波导中耦合区域的直波导部分之间的有效间距为D，该有效间距过小会增加制备难度，过大会降低耦合效率，应取值适当。
所述一种基于紫外灰度光刻法的非等高光波导定向模式耦合器，在确定了直光波导和弯曲光波导的高度之后，改变波导宽度w1和w2，使得直光波导中模式
Figure BDA0003031130740000033
的有效折射率与弯曲光波导中模式
Figure BDA0003031130740000034
的有效折射率相等，达到模式的相位匹配条件，从而实现模式能量转换。
所述一种基于紫外灰度光刻法的非等高光波导定向模式耦合器，弯曲光波导采用了S型波导结构进行能量的转移，该S型波导结构将耦合的能量向远离直光波导的方向进行转移，改变了弯曲光波导和直光波导之间的有效距离，避免了大部分能量转换到弯曲光波导中的模式
Figure BDA0003031130740000035
后又发生模式串扰而导致耦合损耗。S型结构的横向距离取值应适当，过小则无法起到避免串扰的作用，过大则会引起损耗。而弯曲光波导中起着耦合作用的直波导结构的耦合长度L直接决定了模式的耦合效率，由于满足相位匹配条件后，模式能量的转换是呈周期性变化，耦合长度L取半个周期所对应的波导长度，可使得能量在弯曲光波导中最大时被S型波导结构进行转移，从而保证能量最大化转换。
所述一种基于紫外灰度光刻法的非等高光波导定向模式耦合器，采用紫外灰度光刻工艺，利用导入了灰度掩模图案的无掩模光刻机，对旋涂的芯层材料进行紫外灰度光刻。采用正性光刻胶作为芯层材料，灰度掩模图案的形状与波导芯层结构的俯视图一致，芯层材料吸收的曝光能量会受灰度掩模图案中不同灰度值的影响，紫外光照射的深度也不同，因此在显影后形成不同的高度，从而在无需增加额外工艺流程的同时，完成在二维维度上不等高波导的制备。
本发明对于现有技术而言，具备以下突破性的实质性特点和显著的优点：
1.本发明在模式耦合方面，相较于采用双层波导芯层进行模式垂直耦合的复杂结构，本发明提出的波导结构通过使水平方向上的波导不等高，就可实现二维维度上模式序数m相同且n不同的两种模式耦合，并利用S型波导结构和最优的耦合长度L，确保模式的高效率耦合；
2.本发明在制备工艺方面，利用紫外灰度光刻技术，选取正性光刻胶作为波导芯层材料，只将传统光刻工艺中的掩模板改进为灰度掩模板，就实现了二维维度上不等高波导的制备，避免对制备好的芯层结构进行二次加工或处理，简化了工艺流程；
3.本发明基于紫外灰度光刻法制备的非等高光波导定向模式耦合器，在保证较大耦合效率的同时，可以实现在二维维度上不受模式序数m、n限制的模分复用功能，且不增加额外的工艺流程。
附图说明
图1为光波导非等高的光波导定向模式耦合器结构模型图。
图2为光波导定向模式耦合相位匹配条件与模式关系对应图。
图3为模式
Figure BDA0003031130740000041
端面中心激发直光波导时直光波导自身的能量行进图。
图4为模式
Figure BDA0003031130740000042
端面中心激发直光波导时等长的直光波导和弯曲光波导之间的能量交换图。
图5为模式
Figure BDA0003031130740000043
端面中心激发直光波导时模式耦合器中各波导的能量行进图。
图6为紫外灰度光刻工艺中采用的灰度掩模图案。
具体实施方式
以下根据具体实例对所述制备方案做深入说明。
实施例一：
参见图1，一种基于紫外灰度光刻法的非等高的光波导定向模式耦合器，包括基底、波导下包层、波导芯层和波导上包层，所述波导芯层被波导上包层和波导下包层所包覆，由一根高度和宽度相对较大的直光波导1以及相对较小的含S型结构的弯曲光波导2组成；两根波导在同一水平面上并排放置，其中，弯曲光波导2由两个直波导结构和一个连接直波导的S波导结构组成；改变直光波导1和弯曲光波导2的芯层宽度，使得直光波导1中的模式
Figure BDA0003031130740000051
与弯曲光波导2中的模式
Figure BDA0003031130740000052
的有效折射率相等，实现模式
Figure BDA0003031130740000053
中序数m相同且n不同的模式耦合；芯层材料使用正性光刻胶，并通过紫外灰度光刻技术，实现在不增加工艺流程的同时制备不等高波导结构，得到二维维度上非等高的光波导定向模式耦合器。
本实施例光波导定向模式耦合器包括基底、下包层、芯层和上包层三个部分，芯层实则被包层所包覆，主要由两根不等高不等宽的光波导组成。高度较高的光波导为直光波导1，另一根光波导为弯曲光波导2，它们的高度和宽度分别为h1、h2和w1、w2，且满足h1>h2，w1>w2。直光波导1位于弯曲光波导2同一水平面的右侧，且对齐并排放置，它们之间的最小有效间距为D。弯曲光波导2包括一个长度为L的直波导结构、另一个直波导结构以及连接这两个直波导结构的S型波导结构。在确定h1和h2的值后，通过改变w1和w2的大小，使得直光波导1中模式
Figure BDA0003031130740000054
的有效折射率与弯曲光波导2中模式
Figure BDA0003031130740000055
的有效折射率相等，达到相位匹配的条件。控制有效间距D，为保证耦合效率较大，有效间距D不可取过大，同时，考虑光波导制备难度，D也不可取过小，从而实现光波导中模式
Figure BDA0003031130740000056
的能量与弯曲光波导2中模式
Figure BDA0003031130740000057
的能量之间的周期性转换。弯曲光波导2中采用S型波导结构，将第一个起耦合作用的直波导结构中的能量转移至距离直光波导1更远的另一个直波导结构中，有效避免之后的模式串扰问题，且尽可能取较小的横向距离，减小S型结构带来的损耗。此外，控制弯曲光波导2中起耦合作用的直波导长度，即控制耦合长度L的值，使得周期性变化的能量在最大时通过S型波导结构转移并稳定地在弯曲光波导2中传输。从而，最终确定二维维度上模式序数m相同且n不同的两种模式高效率耦合器结构。
在实际波导制备中，使用无掩模光刻机并导入灰度掩模图案进行紫外灰度光刻工艺。采用正性光刻胶作为芯层材料，灰度掩模图案的形状与波导芯层结构的俯视图一致，非波导芯层结构部分的灰度值取最大，直光波导1对应部分取较小灰度值，弯曲光波导2对应部分取较大灰度值。通过改变灰度值，改变照射在芯层材料上的光强，使其在显影后形成不同的高度，最后旋涂上包层，即完成二位维度上模式序数m相同且n不同的两种模式高效率耦合器的制备。
实施例二
参见图2、图3、图4、图5和图6，本实施例给出实施例一中的具体参数值，进行具体结构尺寸的介绍与说明。
首先取直光波导1的高度h1＝8μm，则弯曲光波导2的高度取为h2＝4μm。图2显示了直光波导1中模式
Figure BDA0003031130740000061
与弯曲光波导2中模式
Figure BDA0003031130740000062
的相位匹配结果，确定了当w1＝12μm且w2＝5.14μm时，两模式的有效折射率相等，为1.57。为保证较高耦合效率，将D取值为1.99μm；为保证最高的耦合效率，将耦合长度取为L＝5922.3μm；为保证大部分能量转换到弯曲光波导2中后不再发生模式串扰而回到直光波导1中，同时不会造成过大损耗，采用S型波导将能量转移至更远离直光波导1处，其横向偏移距离为8μm，纵向偏移距离为1000μm。
图3显示了模式
Figure BDA0003031130740000063
注入到单独的直光波导1中时，波导内能量的行进图，可以看出模式
Figure BDA0003031130740000064
可稳定存在于直光波导1中且无能量损耗。图4显示了足够长且无S型波导结构的弯曲光波导2存在时，将模式
Figure BDA0003031130740000065
注入直光波导1中后，两波导之间的能量行进图，可以看出大部分能量在两波导间进行周期性的来回传递，半个周期中的波导长为5922.3μm，最高能量耦合效率为97.793％。图5显示了模式
Figure BDA0003031130740000066
注入直光波导1后，模式耦合器结构中的两根波导能量的行进图，可以看出，当能量最大化地耦合至弯曲光波导2中时，进入到了S型波导结构中，最后稳定地在更远离直光波导1的直波导结构中传输并形成基模
Figure BDA0003031130740000067
从而实现了直光波导1中模式
Figure BDA0003031130740000068
携带的能量大部分转移至左侧弯曲光波导2中的模式
Figure BDA0003031130740000069
内，由于S型波导结构会导致一定的能量损耗，因此最终的耦合效率为97.197％。
在实际的制备工艺流程中，采用如图6所示的灰度掩模图案，利用无掩模光刻机对波导芯层材料进行紫外灰度光刻。其中，灰度掩模图案的形状与波导芯层结构的俯视图一致，非波导芯层结构部分的灰度值取255，直光波导1对应部分所取灰度值应小于弯曲光波导2对应部分的灰度值，通过系列灰度光刻实验确定在同一曝光能量下，灰度值与波导厚度之间的函数关系，并选取合适灰度值进行制备来保证波导厚度的精确性，最后制备上包层。由此，完成二位维度上模式序数m相同且n不同的两种模式高效率耦合器的制备。
综上所述，本发明上述实施例基于紫外灰度光刻法的非等高光波导定向模式耦合器。该光波导定向模式耦合器，包括基底、波导下包层、波导芯层和波导上包层，所述波导芯层被波导上包层和波导下包层所包覆，主要由一根芯层高度和宽度都较大的主波导和另一根芯层高度和宽度较小的光波导组成。优化光波导的结构参数及光波导有效间距，满足模式相位匹配条件，实现二维维度上模式序数m相同且n不同的两种模式的高效率耦合。在实际光波导制备中，采用紫外灰度光刻法，在不增加工艺流程的同时，完成二维维度上不等高光波导的制备，由此实现非等高光波导定向模式耦合器。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于紫外灰度光刻法的非等高的光波导定向模式耦合器，包括基底、波导下包层、波导芯层和波导上包层，其特征在于：所述波导芯层被波导上包层和波导下包层所包覆，由一根高度和宽度相对较大的直光波导(1)以及相对较小的含S型结构的弯曲光波导(2)组成；两根波导在同一水平面上并排放置，其中，弯曲光波导(2)由两个直波导结构和一个连接直波导的S波导结构组成；改变直光波导(1)和弯曲光波导(2)的芯层宽度，使得直光波导(1)中的模式
Figure FDA0003031130730000011
与弯曲光波导(2)中的模式
Figure FDA0003031130730000012
的有效折射率相等，实现模式
Figure FDA0003031130730000013
中序数m相同且n不同的模式耦合；芯层材料使用正性光刻胶，并通过紫外灰度光刻技术，实现在不增加工艺流程的同时制备不等高波导结构，得到二维维度上非等高的光波导定向模式耦合器。
2.根据权利要求1所述基于紫外灰度光刻法的非等高的光波导定向模式耦合器，其特征在于：非等高的结构实现在模式
Figure FDA0003031130730000014
中序数m相同且n不同的模式间的耦合，从而实现等高光波导定向模式耦合器只能实现序数m不同的模式间耦合。
3.根据权利要求1所述基于紫外灰度光刻法的非等高的光波导定向模式耦合器，其特征在于：所述的直光波导(1)和弯曲光波导(2)的高度和宽度分别为h1、h2和w1、w2，且满足h1>h2，w1>w2，并使得直光波导(1)中的模式
Figure FDA0003031130730000015
与弯曲光波导(2)中的模式
Figure FDA0003031130730000016
的有效折射率相等，满足模式相位匹配条件；
直光波导(1)和弯曲光波导(2)在同一水平面上并排放置，弯曲光波导(2)包括了两个直波导结构和一个S型波导结构，第一个直波导结构实现模式耦合，其耦合长度为L，第二个直波导结构通过S型光波导结构远离直光波导(1)，保证能量转移；为实现最高效率的耦合，直光波导(1)与弯曲光波导(2)耦合区域的直波导结构间的有效间距为D。
4.根据权利要求1所述基于紫外灰度光刻法的非等高的光波导定向模式耦合器，其特征在于：采用紫外灰度光刻工艺，利用无掩模光刻机生成的灰度掩模板对旋涂的芯层材料进行紫外灰度光刻；使用正性光刻胶作为波导芯层材料，灰度掩模图案的形状与波导芯层结构的俯视图一致。
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