CN114089473A - 一种片上微腔光子集成芯片结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种片上微腔光子集成芯片结构及其制备方法，包括：第一波导结构、第二波导结构、反射镜、耦合透镜和基底；其中，第一波导结构和第二波导结构置于基底上，且第一波导结构和第二波导结构中涂覆反射镜的表面相对，其中，第一波导结构和第二波导结构中均包含微腔；耦合透镜置于基底上并于第一波导结构中未涂覆反射镜的表面相对。本发明提出的制备方法，将光耦合透镜与光波导微腔结构全部集成于片上结构简化了制造工艺。

Description

一种片上微腔光子集成芯片结构及其制备方法
技术领域
本发明实施例涉及片上微腔技术领域，尤其是一种片上微腔光子集成芯片结构及其制备方法。
背景技术
光学微腔在光通信和光传感中具有重要的应用价值，可以用作光学滤波器、光频疏器以及光传感器等。常用的光学微腔是基于光纤法布里波罗结构或者光子晶体光纤的微腔等结构，但是该类型器件的大小一般都是mm量级以上，很难满足未来光通信对低功耗、高效率、高度集成结构的微纳光子集成器件的需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明创造的实施例提供一种片上微腔光子集成芯片结构，包括：
第一波导结构、第二波导结构、反射镜、耦合透镜和基底；其中，
第一波导结构和第二波导结构置于基底上，且第一波导结构和第二波导结构中涂覆反射镜的表面相对，其中，第一波导结构和第二波导结构中均包含微腔；
耦合透镜置于基底上并于第一波导结构中未涂覆反射镜的表面相对。
进一步地，微腔的长度为10-60um。
一种片上微腔光子集成芯片的制备方法，包括：
将光刻胶按照预设的排布规则粘贴于基底表面，通过激光入射入所述光刻胶并使所述激光跟所述光刻胶产生双光子聚合效应以对所述光刻胶进行固化形成第一波导结构和第二波导结构，其中，第一波导结构和第二波导结构中均包含微腔；
通过倾斜镀膜工艺对所述第一波导结构和所述第二波导结构相对的两个表面进行镀膜形成所述第一波导结构和所述第二波导结构的反射镜；
将藕合透镜集成于所述基底上并且与所述第一波导结构的另一个表面相对，以使入射光通过耦合透镜聚焦后进入所述第一波导结构和所述第二波导结构以对入射光的波长进行调制。
进一步地，将两片预设尺寸的光刻胶按照预设位置粘贴于所述基底表面，通过基底固定架将所述基底固定于载物片上，利用将激光通过载物片入射光刻胶，产生光斑，以使得光斑对光刻胶进行固化得到所述第一波导结构和所述第二波导结构。
进一步地，所述第一波导结构的长度为50-100um，宽度为2～6um。
进一步地，第二波导结构的长度为30-60um，宽度为2～4um。
进一步地，镀膜材料为石墨烯、纳米管、硫化钨和二硫化钼中的至少一种。
进一步地，镀膜厚度为5～20nm。
进一步地，所述基底为硅/二氧化硅，硅的厚度为300～600um，二氧化硅的厚度为2～4um。
进一步地，波导结构的材料为聚合物材料、SiC或SiN。
本发明实施例的有益效果是：本发明提出的片上微腔光子集成芯片的制备方法，将光耦合透镜与光波导微腔结构全部集成于片上结构提高了该类型微纳器件的集成度以及器件的光学耦合效率，利用激光双光子聚合工艺实现波导结构的制造，由于该工艺是直接3D打印的工艺，区别于传统的半导体的光刻、刻蚀和镀膜等的工艺，简化了制造工艺，提高了效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的片上微腔光子集成芯片的结构示意图；
图2(a)和图2(b)分别为本发明实施例提供的为制备的器件入射基模的模场分布图和反射回的基模和高阶模的模场分布。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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。
在本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的描述的一些流程中，包含了按照特定顺序出现的多个操作，但是应该清楚了解，这些操作可以不按照其在本文中出现的顺序来执行或并行执行，操作的序号如101、102等，仅仅是用于区分开各个不同的操作，序号本身不代表任何的执行顺序。另外，这些流程可以包括更多或更少的操作，并且这些操作可以按顺序执行或并行执行。需要说明的是，本文中的“第一”、“第二”等描述，是用于区分不同的消息、设备、模块等，不代表先后顺序，也不限定“第一”和“第二”是不同的类型。
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，本领域技术人员在没有作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。
请参照图1，图1为本发明实施例提供一种片上微腔光子集成芯片结构，包括：第一波导结构1、第二波导结构2、反射镜3、耦合透镜4和基底；其中，基底包括二氧化硅5和硅6。
第一波导结构1和第二波导结构2置于基底的二氧化硅5上，且第一波导结构1和第二波导结构2中涂覆反射镜3的表面相对，其中，第一波导结构1和第二波导结构2中均包含微腔；耦合透镜3置于基底的二氧化硅5上并于第一波导结构1中未涂覆反射镜的表面相对。
进一步地，微腔的长度为10-60um。
本发明实施例还提供一种片上微腔光子集成芯片的制备方法具体包括如下步骤：
步骤一、将光刻胶按照预设的排布规则粘贴于基底表面，通过激光入射入所述光刻胶并使所述激光跟所述光刻胶产生双光子聚合效应以对所述光刻胶进行固化形成第一波导结构和第二波导结构；
步骤二、通过倾斜镀膜工艺对所述第一波导结构和所述第二波导结构相对的两个表面进行镀膜形成所述第一波导结构和所述第二波导结构的反射镜；
步骤三、将藕合透镜集成于所述基底上并且与所述第一波导结构的另一个表面相对，以使入射光通过耦合透镜聚焦后进入所述第一波导结构和所述第二波导结构以对入射光的波长进行调制。
本发明的一个实施例，将两片预设尺寸的光刻胶按照预设位置粘贴于所述基底表面，通过基底固定架将所述基底固定于载物片上，利用将激光通过载物片入射光刻胶，产生光斑，以使得光斑对光刻胶进行固化得到所述第一波导结构和所述第二波导结构。
需要说明的是，光刻胶的尺寸和位置可以按照波导结构的尺寸和位置进行设置，高度可以按照入射光的入射时间进行设置，波导结构的材料可以根据所选用的光刻胶的材料来设置。本实施例中，波导结构的材料为聚合物材料、SiC或SiN。第一波导结构的长度为50-100um，宽度为2～6um。优选地，第一波导结构的长度为80um，宽度为4um，高度3um。第二波导结构的长度为30-60um，宽度为2～4um。优选地，第二波导结构的长度为40um，宽度为3um，高度3um。
可选地，基底为硅/二氧化硅，其中，硅的厚度为300～600um，二氧化硅的厚度为2～4um。优选地，硅的厚度为500um，二氧化硅的厚度为3um。
可选地，镀膜材料为石墨烯、纳米管、硫化钨和二硫化钼中的至少一种。镀膜厚度为5～20nm，优选为10nm。采用倾斜镀膜工艺时的倾斜角度为45度。本发明的一个实施例，镀膜工艺可以采用磁控溅射倾斜镀膜的方法。倾斜镀膜是镀膜在微腔里面，倾斜的方式可以镀膜到微腔的反射镜上面，膜层控制在10nm左右。通过一个倾斜45度的极地支撑，将该器件固定在基底上面，然后将腔体的一个反射镜对准靶材进行镀膜，同样的工艺流程来镀膜另一个反射镜。
本发明的一个实施例，藕合透镜的最大直径小于等于10um，通过透镜的尺寸最大直径在10um以下，入射光通过透镜进行聚焦可以使聚焦的光斑在3um以下。入射光入射入进第一波导结构后入射的焦点在4-7um左右，入射的光入射入微腔内形成多光束干涉。微腔涂敷有非线性光学材料如石墨烯、二硫化钼等，作为腔体的两个反射镜，如图1腔体的黑色薄膜所示。光作用于非线性光学材料会发生相应的非线性光学克尔效应和热光效应，将会对薄膜的有效折射率和厚度进行调制，从而改变该微腔的工作波长。如图2(a)所示，为制备的器件入射基模的模场分布图，如2(b)为反射回的基模和高阶模的模场分布，由上图可以看出有高阶模式激发从而跟基模产生干涉，从而在腔内产生多光束光学干涉。
本发明提出的片上微腔光子集成芯片的制备方法，将光耦合透镜与光波导微腔结构全部集成于片上结构提高了该类型微纳器件的集成度以及器件的光学耦合效率，利用激光双光子聚合工艺实现波导结构的制造，由于该工艺是直接3D打印的工艺，区别于传统的半导体的光刻、刻蚀和镀膜等的工艺，简化了制造工艺，提高了效率。
以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种片上微腔光子集成芯片结构，其特征在于，包括：第一波导结构、第二波导结构、反射镜、耦合透镜和基底；其中，
第一波导结构和第二波导结构置于基底上，且第一波导结构和第二波导结构中涂覆反射镜的表面相对，其中，第一波导结构和第二波导结构中均包含微腔；
耦合透镜置于基底上并于第一波导结构中未涂覆反射镜的表面相对。
2.根据权利要求1所述的片上微腔光子集成芯片结构，其特征在于，微腔的长度为10-60um。
3.一种片上微腔光子集成芯片的制备方法，其特征在于，包括：
将光刻胶按照预设的排布规则粘贴于基底表面，通过激光入射入所述光刻胶并使所述激光跟所述光刻胶产生双光子聚合效应以对所述光刻胶进行固化形成第一波导结构和第二波导结构，其中，第一波导结构和第二波导结构中均包含微腔；
通过倾斜镀膜工艺对所述第一波导结构和所述第二波导结构相对的两个表面进行镀膜形成所述第一波导结构和所述第二波导结构的反射镜；
将藕合透镜集成于所述基底上并且与所述第一波导结构的另一个表面相对，以使入射光通过耦合透镜聚焦后进入所述第一波导结构和所述第二波导结构以对入射光的波长进行调制。
4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，
将两片预设尺寸的光刻胶按照预设位置粘贴于所述基底表面，通过基底固定架将所述基底固定于载物片上，利用将激光通过载物片入射光刻胶，产生光斑，以使得光斑对光刻胶进行固化得到所述第一波导结构和所述第二波导结构。
5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述第一波导结构的长度为50-100um，宽度为2～6um。
6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，第二波导结构的长度为30-50um，宽度为2～4um。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，镀膜材料为石墨烯、纳米管、硫化钨和二硫化钼中的至少一种。
8.根据权利要求3或7所述的制备方法，其特征在于，镀膜厚度为5～20nm。
9.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述基底为硅/二氧化硅，其中，硅的厚度为300～600um，二氧化硅的厚度为2～4um。
10.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，波导结构的材料为聚合物材料、SiC或SiN。
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