CN113885132B - 一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器及其制作方法，其中，模斑变换器包括：沿从光纤到光学波导方向分为第一区域、第二区域和第三区域；第一区域从下到上包括衬底层、键合层、平板光学功能层，在键合层上形成掩埋过渡光波导结构；第二区域从下到上包括衬底层、键合层、完整光学功能层，在键合层上形成掩埋过渡光波导结构，完整光学功能层包含第一区域中的平板光学功能层，在光学功能层上形成单层倒锥过渡光波导结构，沿从光纤到光学波导方向，单层倒锥过渡光波导的宽度以预设方式逐渐增大，结构用于将光从键合层的掩埋过渡光波导耦合至第三区域的光学功能层的光学波导中；第三区域从下到上包括衬底层、键合层、完整光学功能层，在光学功能层上形成光学波导结构。由此，实现了低耦合损耗，大对准容差，低工艺复杂度，低成本和高普适性的模斑变换器方案。

Description

一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器及其制作方法

技术领域

本申请涉及光通信技术领域，特别涉及一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器及其制作方法。

背景技术

随着全球光通信技术的飞速发展，光信号处理集成芯片扮演着越来越重要的角色，近些年来，一种新型的绝缘体上薄膜铌酸锂(LNOI)平台吸引了越来越多关注，由于其超高速应用的潜力，被认为是新一代光子集成回路的候选者。最近，基于LNOI的各种器件已被报道并展现出优异的性能，例如低损耗光波导、高Q环形谐振器、可调滤波器、高速电光调制器、光频梳、二次谐波发生器等。

但是目前薄膜铌酸锂平台依然存在一些需要解决的问题，其中很关键的一项就是小尺寸的薄膜铌酸锂集成波导芯片与光纤之间的耦合问题。绝缘体上的薄膜铌酸锂平台(LNOI)由于具有高折射率差，大大减小了波导的截面尺寸，相对于传统体材料铌酸锂数十微米量级的波导截面尺寸，薄膜铌酸锂平台的波导尺寸基本在亚微米量级，这大大降低薄膜铌酸锂器件尺寸，提高了集成度。然而，标准单模光纤的模场尺寸在十微米量级，透镜拉锥光纤可以将模场减小至3微米左右，这仍远大于薄膜铌酸锂的波导尺寸，模场的失配使得薄膜铌酸锂芯片与光纤的耦合损耗居高不下。

通常为了解决这个问题，有两种主要的方案，光栅耦合器和水平边缘耦合器。光栅耦合器由于具有波长相关性，使得其带宽特性受到了很大的限制。而水平边缘耦合器则由于其耦合效率高、带宽宽、偏振无关以及稳定性和易于封装等优点，更好地满足实际应用的要求。

最近，已经报道了各种基于LNOI的边缘耦合器。例如，化学机械抛光(CMP)被用来制造氧化钽覆盖的波导，但它很难与一般的脊形波导兼容。通过单个脊形倒锥实现脊形波导和透镜锥形光纤之间的模式匹配，但耦合损耗仍然相对较高。利用双层倒锥耦合器来提高性能，但仅受锥尖几何形状控制的耦合器的模场分布与光纤不同，因此难以进一步提高耦合效率。还有利用双层锥形波导和包层波导组成的边缘耦合器，但是耦合器结构工艺复杂，需要两次电子束曝光套刻，加工成本高，工艺容差小，从而限制了其应用场，亟待解决。

发明内容

本申请提供一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器及其制作方法，该方法实现了低耦合损耗，大对准容差，低工艺复杂度，低成本和高普适性的模斑变换器方案。

本申请第一方面实施例提供一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器，包括：沿从光纤到光学波导方向分为第一区域、第二区域和第三区域；所述第一区域从下到上包括衬底层、键合层、平板光学功能层，折射率从下到上依次增加；其中在键合层上形成掩埋过渡光波导结构，光模场能量主要分布于键合层的掩埋过渡光波导中；所述第二区域从下到上包括衬底层、键合层、完整光学功能层，折射率从下到上依次增加，其中在键合层上形成掩埋过渡光波导结构；所述完整光学功能层包含所述第一区域中的平板光学功能层，在光学功能层上形成单层倒锥过渡光波导结构，沿从光纤到光学波导方向，所述单层倒锥过渡光波导的宽度以预设方式逐渐增大，光模场能量同时分布于键合层和光学功能层中；所述单层倒锥过渡光波导结构用于将光从键合层的掩埋过渡光波导耦合至第三区域的光学功能层的光学波导中；所述第三区域从下到上包括衬底层、键合层、完整光学功能层，折射率从下到上依次增加；在光学功能层上形成光学波导结构，光模场能量主要分布于光学功能层的光学波导之中。

根据本申请的实施例，所述单层倒锥过渡光波导包括预设厚度的平板层，用于保证所述掩埋过渡光波导和所述单层倒锥过渡光波导的键合强度、后续刻蚀工艺的稳定性，以及提供与其他光电器件的兼容性。

根据本申请的实施例，所述掩埋过渡光波导材料包括具有键合功能的光敏树脂，光刻胶，光学绝缘介质，以同时作为键合层和掩埋波导层。

根据本申请的实施例，所述掩埋过渡光波导的外侧端面和内侧端面分别与光纤模式截面和光学波导模式截面对应设置。

根据本申请的实施例，所述掩埋过渡光波导的边缘宽度和高度通过所述掩埋过渡光波导与光纤的最佳耦合效率确定；所述掩埋过渡光波导在与所述单层倒锥过渡光波导连接位置的宽度通过所述掩埋过渡光波导与所述单层倒锥过渡光波导的最佳耦合效率决定。

根据本申请的实施例，所述掩埋过渡光波导和所述单层倒锥过渡光波导均包括多段锥形波导。

根据本申请的实施例，每段锥形波导由耦合条件和绝热转换损耗条件确定。

根据本申请的实施例，所述单层倒锥过渡光波导和所述掩埋过渡光波导通过光刻进行对准设置。

本申请第二方面实施例提供一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器的制作方法，包括以下步骤：

形成衬底层；在所述衬底层上方通过旋涂或者沉积方式形成键合层，然后通过光刻曝光显影或者刻蚀方法在键合层的部分区域形成掩埋过渡光波导，并将光学功能材料键合至所述键合层上；键合完成后，处理剥离掉光学功能材料的多余部分，通过光刻在光学功能层上形成光学波导的刻蚀图案，再通过刻蚀工艺得到光学波导，最后再在键合层波导预设的与光纤模场匹配位置处进行划片和进行波导端面抛光处理。

本申请实施例的光纤与光学波导耦合的模斑变换器及其制作方法，利用键合层形成掩埋过渡光波导结构，与光纤模场进行匹配，之后再通过位于掩埋过渡光波导上方的单层倒锥过渡光波导将光从下层的掩埋过渡光波导耦合至上层的光学波导中，实现了低耦合损耗，大对准容差，低工艺复杂度，低成本和高普适性的模斑变换器方案，同时采用具有键合功能的光学功能材料同时作为键合层和掩埋过渡光波导层，仅利用简单的光刻工艺就能完成掩埋过渡光波导的制作，同时具备的键合功能又能够极大地拓展该模斑变换器的适用范围。

本申请附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

本申请上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为根据本申请实施例提供的一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器结构示意图；

图2为根据本申请实施例提供的一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器的一种具体结构示意图；

图3为根据本申请实施例提供的一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器的俯视图；

图4为根据本申请实施例提供的一个具体实施例的仿真计算结果图；

图5为根据本申请实施例提供的一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器的制作方法的流程图。

具体实施方式

下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

具体而言，图1为根据本申请实施例提供的一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器结构示意图。

如图1所示，该光纤与光学波导耦合的模斑变换器包括：

沿从光纤到光学波导方向分为第一区域、第二区域和第三区域。其中，截面1与截面2之间为第一区域，截面2与截面3之间为第二区域，截面3之后为第三区域。

其中，第一区域从下到上包括衬底层、键合层、平板光学功能层，折射率从下到上依次增加；其中在键合层上形成掩埋过渡光波导结构，光模场能量大部分分布于键合层的掩埋过渡光波导之中，但在其他层仍然存在少量的光模场能量。

第二区域从下到上包括衬底层、键合层、完整光学功能层，折射率从下到上依次增加；其中在键合层上形成掩埋过渡光波导结构，完整光学功能层包含第一区域中的平板光学功能层，在光学功能层上形成单层倒锥过渡光波导结构，沿从光纤到光学波导方向，单层倒锥过渡光波导的宽度以预设方式逐渐增大，光模场能量同时分布于键合层和光学功能层中，单层倒锥过渡光波导结构用于将光从键合层的掩埋过渡光波导耦合至第三区域的光学功能层的光学波导中。

第三区域从下到上包括衬底层、键合层、完整光学功能层，折射率从下到上依次增加；在光学功能层上形成光学波导结构，光模场能量大部分分布于光学功能层的光学波导之中，但在其他层仍然存在少量的光模场能量。

该结构可以灵活调整集成的波导和衬底，非常适合用于异质集成，实现异质集成平台上的模斑变换器。

作为一种具体的实施方式，单层倒锥过渡光波导可以为薄膜铌酸锂形成的铌酸锂单层倒锥脊波导或单层倒锥硅脊波导等符合折射率要求的光学功能材料所形成的光学波导。

在本申请的实施例中，掩埋过渡光波导材料包括具有键合功能的光敏树脂，光刻胶，光学绝缘介质等，以同时作为键合层和掩埋波导层。在一个具体实施例中，本申请的实施例采用了光敏BCB同时作为键合层和掩埋波导层，仅利用简单的光刻工艺就能完成掩埋波导的制作，同时具备的键合功能又能够极大地拓展该模斑变换器的适用范围。

以薄膜铌酸锂形成的铌酸锂单层倒锥脊波导为例，如图2所示，其中图2中的(1)为光纤与光学波导耦合的模斑变换器的三维示意图，由底下的衬底层，中间的键合层和顶部的薄膜铌酸锂光学波导层构成。图2中的(2)为对应于光纤与光学波导耦合的模斑变换器中不同截面处的TE0模式的光场分布。在图2中，采用的光敏BCB(BenzoCycloButene，苯并环丁烯)的折射率为1.56，与石英相差不大，可以实现弱约束波导，增大BCB波导的模场，实现与光纤模场的匹配，同时在键合前通过光刻形成BCB光波导也是非常简单的。

根据本申请的实施例，单层倒锥过渡光波导包括预设厚度的平板层，用于保证掩埋过渡光波导和单层倒锥过渡光波导的键合强度、后续刻蚀工艺的稳定性，以及提供与其他光电器件的兼容性。

具体地，设计的模斑变换器由两部分组成，薄膜铌酸锂下方的掩埋BCB锥形过渡波导和BCB上方的单层铌酸锂倒锥过渡脊波导。需要说明的是，铌酸锂倒锥过渡脊波导需要保留一定厚度的平板层，不能是全刻蚀，以保证键合强度和后续刻蚀工艺的稳定性，避免出现波导脱落的情况。同时，平板层的保留也与一些电光器件的实现相兼容，比如电光调制器就需要非全刻蚀的波导来提高电光重叠因子，实现更好的器件性能等。

根据本申请的一个实施例，所述掩埋过渡光波导的外侧端面和内侧端面分别与光纤模式截面和光学波导模式截面对应设置。

可以理解的是，掩埋过渡光波导的外侧端面，即与光纤耦合的端面，和掩埋过渡光波导的内侧端面，即与光学波导耦合的端面。

该光纤与光学波导耦合的模斑变换器可以灵活地设计为与不同模场直径(MFD)的透镜光纤耦合。通常用于模斑变换器的模式转换波导都是一段直波导，首次提出利用锥形波导的两个不同尺寸的端面分别匹配光纤模式截面1和光学波导模式截面2，以获得更好的耦合效率和更大的工艺容差。

根据本申请的实施例掩埋过渡光波导的边缘宽度和高度通过掩埋过渡光波导与光纤的最佳耦合效率确定；掩埋过渡光波导在与单层倒锥过渡光波导连接位置的宽度通过掩埋过渡光波导与单层倒锥过渡光波导的最佳耦合效率决定。

如图3所示，展示了设计的模斑变换器的俯视图，BCB锥形过渡波导用于在耦合器端面将模场与光纤匹配，实现BCB锥形过渡波导与铌酸锂倒锥过渡波导之间更有效的耦合。在图3中，BCB波导在芯片边缘的宽度表示为W_BT1，在接近铌酸锂倒锥处的宽度表示为W_BT3，高度表示为H_BW。给定一个特定的BCB高度H_BW，仿真不同的W_BT1下BCB波导的TE0模式，以获得与光纤的最佳耦合效率。然后仿真不同的W_BT3下BCB波导的TE0模式，以获得与铌酸锂倒锥过渡波导的最佳耦合效率。随后，以一定的步长逐步变化H_BW的值，在每一个H_BW处进行了与上述相同的仿真计算。最后，将两部分损耗结合起来表征模斑变换器总的耦合损耗。

在一些实施例中，更宽的W_BT3有利于提高制造公差，这是因为更宽的W_BT3会增加铌酸锂倒锥过渡波导尖端处的模式横向尺寸，使得铌酸锂倒锥相对于模式中心位置的偏离对耦合效率影响更小。在本申请中，可以通过调整BCB过渡波导的宽度和高度来灵活地设计模式尺寸，以实现对不同模场直径的光纤都能获得好的耦合效率，这使得该方案具有更高的通用性。

根据本申请的实施例，掩埋过渡光波导和单层倒锥过渡光波导均包括多段锥形波导。

根据本申请的实施例，每段锥形波导由耦合条件和绝热转换损耗条件确定。

具体地，同时为了减小耦合器尺寸，还对BCB锥形过渡波导和铌酸锂单层倒锥过渡波导采用多段式设计，即分为多段锥形波导，每一段波导分别进行优化，以保证模式绝热转换无损耗的情况下，减小模斑变换器的尺寸，提高集成度。事实上，为了获得高的耦合效率，倒锥的尖端宽度越小越好，不过这需要考虑制造工艺的限制。

根据本申请的实施例，单层倒锥过渡光波导和和掩埋过渡光波导通过光刻进行对准设置。

具体地，光刻可以包括多种光刻方法，例如紫外光刻，电子束曝光等等，波导的形成包括多种方案，如RIE，ICP等干法刻蚀，湿法腐蚀，化学机械抛光CMP，飞秒激光直写等，结构的应用材料或者平台可以更加广泛，除了应用于铌酸锂，还可以应用硅，磷化铟，砷化镓等等，不作具体限定。

在本申请的实施例中，制造模斑变换器仅需要一步对准曝光，即单层铌酸锂脊波导与BCB波导的对准曝光，这使得加工更加简单，但在实际的工艺中，BCB波导和铌酸锂倒锥之间的重叠错位仍然是不可避免的。但是一步对准曝光的工艺优势就在此得到了体现，相比于双层倒锥结构，单层倒锥只需要将很窄的铌酸锂波导尖端和很宽的BCB波导通过电子束曝光进行一次对准，大大降低了对准误差。同时在本申请的实施例中，使用了更宽的BCB波导宽度，不仅降低了BCB波导与铌酸锂倒锥之间的耦合损耗，也降低了对准误差对耦合损耗的影响。与普通的单层铌酸锂倒锥模斑变换器相比，本申请实施的耦合损耗更低，性能更好；与普通的双层铌酸锂倒锥模斑变换器相比，本申请的耦合器在保证低损耗的情况下，有着更加简单的工艺，更大的工艺容差和更优的通用性。

为了更详细地说明本申请实施例的光纤与光学波导耦合的模斑变换器，通过光纤与光学波导耦合的模斑变换器的加工过程进行详细描述。

加工方案为：(1)预先准备一块衬底晶圆，准备一片带有牺牲层的薄膜铌酸锂晶圆，该晶圆从下往上的材料依次为衬底层，绝缘层，牺牲层和薄膜铌酸锂层；

(2)在石英衬底上旋涂一层光敏BCB，通过光刻曝光显影使得BCB层的部分区域形成波导，并以BCB层为键合层将薄膜铌酸锂晶片键合至石英晶体上；

(3)键合完成后，通过选择性腐蚀液进行处理，剥离掉薄膜铌酸锂晶圆的衬底部分；

(4)通过光刻形成薄膜铌酸锂的刻蚀图案；

(5)再通过刻蚀工艺得到单层倒锥的铌酸锂波导；

(6)最后再在键合层波导预设的与光纤模场匹配位置处进行划片和进行波导端面抛光处理，完成整个模斑变换器的制造工艺。

实施例一：

预先准备一块石英晶体以作为后续的衬底，准备一片带有铬牺牲层的薄膜铌酸锂晶圆，该晶圆从下往上的材料依次为硅或者二氧化硅衬底，二氧化硅层，金属牺牲层(如铬层)和薄膜铌酸锂层；紫外光刻曝光显影获得BCB波导，并以BCB层为键合层将薄膜铌酸锂晶片键合至石英晶体上；键合完成后，通过金属腐蚀液(如铬腐蚀液)进行处理，剥离掉薄膜铌酸锂晶圆的衬底部分；再通过电子束曝光形成薄膜铌酸锂的刻蚀图案；再通过反应等离子体刻蚀RIE得到单层倒锥的铌酸锂波导，最后再在键合层波导预设的与光纤模场匹配位置处进行划片和进行波导端面抛光处理，完成整个模斑变换器的制造工艺。

薄膜铌酸锂厚度为300nm，铌酸锂脊波导顶部宽度为2um，侧壁倾角为60°，刻蚀深度为200nm。BCB键合层的厚度为3微米，模斑变换器设计为与模场直径(MFD)为3.5μm的透镜光纤耦合。考虑到耦合效率和制造条件，选择了0.2μm的尖端宽度，即W_LN1为0.2μm。以0.2μm的步长将BCB波导的厚度H_BW的值从2μm以0.2μm为梯度线性变化到5μm，进行了上述方案中的仿真计算，结果如图4中的(1)所示。图4中的(1)为模斑变换器的耦合损耗，图4中的(2)为对准偏差引入的额外损耗，可以看到在H_BW为3μm时，总耦合损耗最小，分别对应于4.8μm的W_BT1和6μm的W_BT3。

同时为了减小耦合器尺寸，采用了两段式设计，即对BCB的锥形波导和单层铌酸锂倒锥波导，各自分为两段锥形波导，每一段波导分别进行优化，以保证模式绝热转换无损耗的情况下，减小模斑变换器的尺寸，提高集成度。

最终，通过仿真优化，对于TE0模式，模斑变换器在1550nm波长处获得了0.27dB/facet的耦合损耗。耦合损耗包含从光纤到BCB波导的功率耦合损耗以及从BCB波导到铌酸锂波导的模式转换损耗。BCB锥形波导和单层倒锥的尺寸参数标记在图3中。优化后的参数列于表1。

表1优化后的模斑变换器的参数

同时对于BCB波导和铌酸锂倒锥之间的重叠错位所引起的额外耦合损耗也进行了分析。图4中的(2)展示了1550nm波长处，由于铌酸锂倒锥与BCB波导之间对准偏差所引入的每个端面的额外损耗，铌酸锂倒锥相对于BCB波导中心位置的横向偏移表示为Δz。本申请实施例的方案对TE0模式有着非常高的对准容差，Z方向1dB耦合损耗的容差为±1.34μm。200nm横向偏移引入的额外损耗低至0.023dB。与普通的单层铌酸锂倒锥模斑变换器相比，本申请实施例的耦合损耗更低，性能更好；与普通的双层铌酸锂倒锥模斑变换器相比，本申请实施例的耦合器在保证低损耗的情况下，有着更加简单的工艺，更大的工艺容差和更优的通用性。

实施例二：

将带有铬牺牲层的300nm厚的薄膜铌酸锂晶圆通过上述工艺键合至标准SOI波导上，实现铌酸锂与硅基的异质集成，其中用于键合的BCB厚度可以灵活调整。相比于已有的通过BCB薄层进行异质集成的方案来说，本申请中BCB的厚度比较厚，不需要严格控制厚度，降低了工艺难度。硅基波导需要在耦合区域形成一个锥形，以将硅波导中的光逐步耦合至硅波导上方的锥形BCB波导中，再通过锥形BCB波导将光耦合至BCB波导上方的单层倒锥铌酸锂脊波导中，最后再过渡到正常的单模铌酸锂脊波导中。本申请采用锥形BCB波导的原因与上述原因相同，即通过锥形BCB波导的两个不同端面分别实现对硅波导的良好耦合与对铌酸锂波导的良好耦合。

实施例三：

相对于实施例一中的两段BCB锥形波导和锥形铌酸锂波导，可以将BCB和铌酸锂的线性锥形波导换成以抛物线型或者指数型或者正余弦型变化的锥形波导进行参数优化设计，获得更好的性能，进一步降低器件尺寸。

实施例四：

相对于实施例一，将BCB和铌酸锂的两段锥形波导增加为3段或者4段或者更多段的锥形波导并分别进行优化，以进一步减小模斑变换器的尺寸。

实施例五：

相对于实施例一，将BCB锥形波导靠近芯片边缘的宽度W_BT1进一步减小，由4.8微米减小为3微米，实现与模场直径3微米的透镜光纤的最优耦合。

实施例六：

相对于实施例一，将铌酸锂单层倒锥波导的尖端宽度由200nm进一步减小，比如减小为100nm，实现铌酸锂单层倒锥波导与BCB波导之间更好的耦合，进一步降低耦合损耗。

实施例七：

相对于实施例一应用于铌酸锂脊波导，该结构也可以应用于硅脊波导。通过BCB键合工艺将硅波导键合至硅衬底上，获得一个从下到上分别为硅衬底，BCB层，薄膜硅波导层的SOI晶圆。BCB的锥形波导通过键合前的光刻显影获得，硅的锥形波导通过干法刻蚀得到，锥形波导设计为三段线性锥波导，具体波导参数需要根据硅脊波导的尺寸，待耦合光纤模场尺寸进行优化设计。

实施例八：

相对于实施例一，将通过光刻形成BCB波导的方案调整为通过干法刻蚀直接形成掩埋BCB波导，以应用于某些特殊需求或者场景。具体实施方案为，预先准备一块石英晶体以作为后续的衬底，准备一片带有铬牺牲层的薄膜铌酸锂晶圆，该晶圆从下往上的材料依次为硅或者二氧化硅衬底，二氧化硅层，金属铬层和薄膜铌酸锂层；通过匀胶机在石英衬底上旋涂一层BCB，无需光刻，直接以BCB层为键合层将薄膜铌酸锂晶片键合至石英晶体上；键合完成后，通过铬腐蚀液进行处理，剥离掉薄膜铌酸锂晶圆的衬底部分；然后通过光刻获得BCB锥形波导的图案，再通过干法刻蚀获得BCB锥形波导；再通过电子束曝光形成薄膜铌酸锂的刻蚀图案；最后通过反应等离子体刻蚀RIE得到单层倒锥的铌酸锂波导，完成整个模斑变换器的制造工艺。

实施例九：

相对于实施例一，也可以对单层倒锥波导全刻蚀，不保留平板层，应用于不同的需求和场景。

根据本申请实施例提出的光纤与光学波导耦合的模斑变换器，利用键合层形成掩埋过渡光波导结构，与光纤模场进行匹配，之后再通过位于掩埋过渡光波导上方的单层倒锥过渡光波导将光从下层的掩埋过渡光波导耦合至上层的光学波导中，实现了低耦合损耗，大对准容差，低工艺复杂度，低成本和高普适性的模斑变换器方案，同时采用具有键合功能的光学功能材料同时作为键合层和掩埋过渡光波导层，仅利用简单的光刻工艺就能完成掩埋过渡光波导的制作，同时具备的键合功能又能够极大地拓展该模斑变换器的适用范围。

其次参照附图描述根据本申请实施例提出的光纤与光学波导耦合的模斑变换器的制作方法。

图5为根据本申请实施例提供的一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器的制作方法的流程图。

如图5所示，该光纤与光学波导耦合的模斑变换器的制作方法包括：

步骤S101：形成衬底层。

步骤S102：在衬底层上方通过旋涂或者沉积方式形成键合层，然后通过光刻曝光显影或者刻蚀方法在键合层的部分区域形成掩埋过渡光波导，并将光学功能材料键合至所述键合层上。

步骤S103：键合完成后，处理剥离掉光学功能材料的多余部分，通过光刻在光学功能层上形成光学波导的刻蚀图案，再通过刻蚀工艺得到光学波导，最后再在键合层波导预设的与光纤模场匹配位置处进行划片和进行波导端面抛光处理。

下面为一个具体的实施方式：

1)形成衬底层。

2)衬底层上方通过旋涂或者沉积方式形成键合层，然后通过光刻曝光显影或者刻蚀方法在键合层的部分区域形成掩埋过渡光波导，并将薄膜铌酸锂键合至键合层上。

3)键合完成后，通过处理剥离掉薄膜铌酸锂晶圆的衬底部分，通过光刻形成薄膜铌酸锂的刻蚀图案，再通过刻蚀工艺得到铌酸锂单层倒锥脊波导，最后再在键合层波导预设与光纤模场匹配位置处进行划片以及波导端面抛光处理。

需要说明的是，前述对光纤与光学波导耦合的模斑变换器实施例的解释说明也适用于该实施例的光纤与光学波导耦合的模斑变换器的制作方法的制作方法，此处不再赘述。

根据本申请实施例提出的一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器的制作方法，通过形成衬底层；在衬底层上方通过旋涂或者沉积方式形成键合层，然后通过光刻曝光显影或者刻蚀方法在键合层的部分区域形成掩埋过渡光波导，并将薄膜铌酸锂键合至键合层上；键合完成后，通过处理剥离掉薄膜铌酸锂晶圆的衬底部分，通过光刻形成薄膜铌酸锂的刻蚀图案，再通过刻蚀工艺得到铌酸锂单层倒锥脊波导，最后再在键合层波导预设与光纤模场匹配位置处进行划片以及波导端面抛光处理。实现了低耦合损耗，大对准容差，低工艺复杂度，低成本和高普适性的模斑变换器方案，同时采用了具有键合功能的光学功能材料同时作为键合层和掩埋波导层，仅利用简单的光刻工艺就能完成掩埋波导的制作，同时具备的键合功能又能够极大地拓展该模斑变换器的适用范围。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或N个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，“N个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或N个用于实现定制逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本申请的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本申请的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

Claims (9)

1.一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器，其特征在于，包括：沿从光纤到光学波导方向分为第一区域、第二区域和第三区域；

所述第一区域从下到上包括衬底层、键合层、平板光学功能层，折射率从下到上依次增加；其中在键合层上形成掩埋过渡光波导结构，光模场能量主要分布于键合层的掩埋过渡光波导中；

所述第二区域从下到上包括衬底层、键合层、完整光学功能层，折射率从下到上依次增加，其中在键合层上形成掩埋过渡光波导结构；所述完整光学功能层包含所述第一区域中的平板光学功能层和在平板光学功能层上形成单层倒锥过渡光波导结构；沿从光纤到光学波导方向，所述单层倒锥过渡光波导的宽度以预设方式逐渐增大，光模场能量同时分布于键合层和完整光学功能层中；所述单层倒锥过渡光波导结构用于将光从键合层的所述掩埋过渡光波导耦合至所述第三区域的完整光学功能层的光学波导中；

所述第三区域从下到上包括衬底层、键合层、完整光学功能层，折射率从下到上依次增加；在平板光学功能层上形成光学波导结构，光模场能量主要分布于完整光学功能层的光学波导之中。

2.根据权利要求1所述的光纤与光学波导耦合的模斑变换器，其特征在于，所述单层倒锥过渡光波导包括预设厚度的平板光学功能层，用于保证所述掩埋过渡光波导和所述单层倒锥过渡光波导的键合强度、后续刻蚀工艺的稳定性，以及提供与其他光电器件的兼容性。

3.根据权利要求1所述的光纤与光学波导耦合的模斑变换器，其特征在于，所述掩埋过渡光波导材料包括具有键合功能的光敏树脂，光刻胶，光学绝缘介质，以同时作为键合层和掩埋波导层。

4.根据权利要求1所述的光纤与光学波导耦合的模斑变换器，其特征在于，所述掩埋过渡光波导的外侧端面和内侧端面分别与光纤模式截面和光学波导模式截面对应设置。

5.根据权利要求1所述的光纤与光学波导耦合的模斑变换器，其特征在于，所述掩埋过渡光波导的边缘宽度和高度通过所述掩埋过渡光波导与光纤的最佳耦合效率确定；所述掩埋过渡光波导在与所述单层倒锥过渡光波导连接位置的宽度通过所述掩埋过渡光波导与所述单层倒锥过渡光波导的最佳耦合效率决定。

6.根据权利要求1所述的光纤与光学波导耦合的模斑变换器，其特征在于，所述掩埋过渡光波导和所述单层倒锥过渡光波导均包括多段锥形波导。

7.根据权利要求6所述的光纤与光学波导耦合的模斑变换器，其特征在于，每段锥形波导由耦合条件和绝热转换损耗条件确定。

8.根据权利要求1所述的光纤与光学波导耦合的模斑变换器，其特征在于，所述单层倒锥过渡光波导和所述掩埋过渡光波导通过光刻进行对准设置。

9.一种光纤与光学波导耦合的模斑变换器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

形成衬底层；

在所述衬底层上方通过旋涂或者沉积方式形成键合层，然后通过光刻曝光显影或者刻蚀方法在键合层的部分区域形成掩埋过渡光波导，并将光学功能材料键合至所述键合层上；

键合完成后，处理剥离掉光学功能材料的多余部分，通过光刻在光学功能层上形成光学波导的刻蚀图案，再通过刻蚀工艺得到光学波导，最后再在键合层波导预设的与光纤模场匹配位置处进行划片和进行波导端面抛光处理。

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