CN114326324B - 一种光波导垂直端面位置定准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光波导垂直端面位置定准方法，包括以下步骤：S1：测量探测光的定位界面与直写光的实际加工位置之间的偏差，并定义该偏差为offset_z偏差;S2：测量探测光的定位位置与实际位置之间的偏差，并定义该偏差为aberration_z偏差；S3：探测光的实际焦点值为探测值与offset_z偏差值、aberration_z偏差值之和。

Description

一种光波导垂直端面位置定准方法
技术领域
本发明属于激光定位技术领域，具体涉及一种光波导垂直端面位置定准方法。
背景技术
三维激光直写光刻技术近年来发展迅速，其具有三维可控加工、纳米级加工精度、加工速度快等优势，使得该技术在AR、汽车抬头显示、智能显示、精确医疗、美容、通信、微流控技术、微纳器件、航天航空、军工、新能源、新材料等领域发挥重要的作用。
激光直写系统的基本工作原理是由计算机控制高精度激光束扫描，在光刻胶上直接曝光写出所设计的任意图形，可以实现高速度、高精度、大运动范围的激光加工。以此技术依托研发的纳米级三维激光直写制造系统正逐步走向成熟，可用于制作超高精度三维模具、精确医疗器械、光芯片封装、微型光学器件、超材料等。
而借鉴金属打线的思路，采用激光纳米三维直写技术，将硅光芯片的出光口与单模光纤相连或者芯片与芯片之间的光子桥接方案，实现了不同光芯片、芯片与光纤之间的耦合互联。在光子桥接技术中起到连接作用的“线”不再是金属，而是利用激光直写制作的三维光波导。利用这种光子桥接技术可以在光电子芯片之间有效地进行耦合，从而大大简化光学系统的组装过程，有效避免了传统光学组装技术所依赖的复杂且成本高昂的高精度对准技术，并且制备简单快捷，利于大规模的生产。光子桥接技术在键合形状和轨迹方面有显著优势，可取代传统的集成光学的耦合组装技术。
硅光芯片对高端光器件的带宽、集成度、性能、功耗、可靠性和成本等要求极高，硅光器件之间的低损耗耦合以及大密度集成等等关键技术问题需要解决。
其中，耦合封装技术与光芯片的设计密切相关，是影响大规模生产的主要因素。三维光子桥接技术可以作为一种附加的光子集成技术，实现三维的光子芯片耦合集成。该方案的优势非常明显，成本可进一步降低，但实际应用中需要进一步提高其性能指标，尤其是耦合损耗问题，主要包含端口的定准问题，需要高精度地确定加工光与端口的精密重合。
现有技术中加工光与端口之间的位置定位存在偏差，位置定位不精确，增加了光波导的耦合损耗，降低了光信号传输的质量。此为现有技术的不足之处。
有鉴于此，本发明提供一种光波导垂直端面位置定准方法，以解决现有技术中存在的技术问题，是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术存在的缺陷，提供设计一种光波导垂直端面位置定准方法，以解决上述技术问题。
为实现上述目的，本发明给出以下技术方案：
一种光波导垂直端面位置定准方法，包括以下步骤：
S1：测量探测光的定位界面与直写光的实际加工位置之间的偏差，并定义该偏差为offset_z偏差；
S2：测量探测光的定位位置与实际位置之间的偏差，并定义该偏差为aberration_z偏差；
S3：激光微纳加工器件时激光实际焦点值为探测值与offset_z偏差值、aberration_z偏差值之和。
作为优选，所述步骤S1包括以下步骤：
S11：在平整规则的玻璃片与加工物镜之间填充光刻胶；
S12：稳定探测界面，重复位置处的界面定位偏差小于100纳米时，认定探测界面稳定；
S13：在玻璃片端口处界面测定z轴方向坐标值Pz，在测定值Pz之下写光波导结构，所述的z轴方向为垂直玻璃片平面的方向；
S14：采用显影液进行显影，将刻有光波导结构一面的玻璃片侧放，测量光波导结构与玻璃片上表面的实际偏差距离，该距离为offset_z偏差。
作为优选，所述步骤S11中，在填充光刻胶之前，对平整规则的玻璃片进行超声清洗处理。
作为优选，所述步骤S11中，所述的光刻胶为感光聚合物材料层，其折射率为1.48-1.6之间。
作为优选，所述步骤S12中，探测界面由探测光路经电荷耦合原件探测后经计算机内部成像后显示。
作为优选，所述步骤S14中，显影液为丙酮与异丙酮的混合物。
作为优选，所述步骤S2包括以下步骤：
S21：准备接口平整规则的光芯片，将其放置在加工平台后，调节z轴坐标值使探测界面呈现清晰的像以找到光芯片的纤芯位置；
S22：在纤芯位置定位探测，确定探测值的z轴坐标，然后将步骤S1中的offset_z偏差加到探测值的z轴坐标上，得到新的z轴坐标；
S23：在新的z轴坐标上再加待定值aberration_z，以小于等于1um的幅度改变待定值aberration_z来可写光波导结构；
S24：显影后，用透射光观察端口处的光波导位置偏差，光波导与纤芯对准连接时，光路导光明亮，光波导与纤芯错位连接时，光路有阴影；当观察到光路导光明亮时，即光波导与纤芯对准连接，选择该对准连接的光波导结构所对应的待定值aberration_z为aberration_z偏差。
作为优选，所述步骤S21中，对接口平整规则的光芯片进行超声清洗处理。
本发明的有益效果在于，本技术方案通过获取offset_z偏差和aberration_z偏差，提高了加工光与端口重合的精度，提高了激光刻写的精度。
此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1是本发明提供的一种光波导垂直端面位置定准方法的流程图。
图2是本发明提供的一种光波导垂直端面位置定准方法中步骤S1的流程图。
图3是本发明提供的一种光波导垂直端面位置定准方法中步骤S2的流程图。
图4为本发明的实施例测量值与设定值的偏差曲线图。
图5为实施例不同距离处测量值与设定值的偏差曲线图。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明进行详细阐述，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施方式。
如图1至5所示，本实施例提供的一种光波导垂直端面位置定准方法，包括以下步骤：
测量探测光的定位界面与直写光的实际加工位置之间的偏差，并定义该偏差为offset_z偏差；该步骤包括：
首先准备一块洁净的玻璃片。对此玻璃片的要求是：玻璃片切面平整规则。对玻璃片的尺寸要求因三维平台不同而有所区别，本实施例中的玻璃片厚度为0.5mm，长度为1cm，宽度为1cm。将平整规则的玻璃片用超声清洗干净。
将玻璃片放置在三维微纳加工平台上，将光刻胶填充于玻璃片于加工物镜之间，在端口位置由玻璃片上表面向下加工光波导结构。
确定探测界面是否稳定，其标准为：重复位置处的界面定位偏差小于100nm。本实施例的探测界面由探测光路经电荷耦合元件(CCD图像传感器)探测后在计算机特定软件内部成像后显示。
然后在玻璃片端口处界面测定z轴坐标值Pz，在测定值Pz以下写光波导结构(光波导的形状等参数大小由计算机内特定软件设计)。
由上而下写几组不同z深度的光波导(比如10um、20um、30um、40um等)。对光波导结构的要求是：尺寸尽量小，本实施例中光波导的高度为2um、宽度为2um、长度为10um。
使用显影液显影后，将刻有结构一面的玻璃片侧放，用电子显微镜测量光波导与玻璃上表面的实际偏差距离，计算实际的位置偏差值，即为offset_z。图1、图2为实施例系统的测定参数。
三维微纳加工平台由计算机编程控制，其移动精度为1nm。
所述光刻胶为感光聚合物材料，其折射率为1.48–1.6之间，本实施例选择折射率为1.520。
所述显影液为特定比例的丙酮与异丙酮。
测量探测光的定位位置与实际位置之间的偏差，并定义该偏差为aberration_z偏差；该步骤包括：
首先准备一块光芯片。对此光芯片的要求是：芯片接口平整规则，接口内部纤芯结构清晰完整。本实施例中光芯片的长度为5mm、宽度为5mm、厚度为1mm。
将接口平整规则，接口内部波导结构清晰完整的芯片用超声清洗干净。
放到加工平台上，找到芯片位置，(调节z轴坐标值使探测界面呈现清晰的像)。设计高度为2um、宽度为2um、长度为10um的与芯片内的纤芯连接的光波导路径。
在芯片的纤芯位置定位探测，找到纤芯位置并确定探测值的z轴坐标，再将第一步确定的offset_z值加在探测坐标值上，作为新的z轴坐标。
将z轴坐标加上一个待确定的值aberration_z，逐步改变aberration_z值，刻写光波导结构。以小于等于1um的幅度改变待定值aberration_z来可写光波导结构。本实施例aberration_z的改变量分别为：-4um、-3um、-2um、-1um、0um、1um、2um、3um、4um、5um。
显影后，将芯片侧放在显微镜下，用透射光观察端口处的光波导位置偏差。其标准是：光波导与纤芯对准连接时，光路导光明亮，光波导与纤芯错位连接时，光路有阴影。
根据光波导与纤芯中心对准的值，确定aberration_z。
激光微纳加工器件时激光实际焦点值为探测值加上offset_z值加上aberration_z值。
以上公开的仅为本发明的优选实施方式，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的没有创造性的变化，以及在不脱离本发明原理前提下所作的若干改进和润饰，都应落在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种光波导垂直端面位置定准方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：测量探测光的定位界面与直写光的实际加工位置之间的偏差，并定义该偏差为offset_z偏差；
S2：测量探测光的定位位置与实际位置之间的偏差，并定义该偏差为aberration_z偏差；
S3：激光微纳加工器件时激光实际焦点值为探测值与offset_z偏差值、aberration_z偏差值之和；
所述步骤S1包括以下步骤：
S11：在平整规则的玻璃片与加工物镜之间填充光刻胶；
S12：稳定探测界面，重复位置处的界面定位偏差小于100纳米时，认定探测界面稳定；
S13：在玻璃片端口处界面测定z轴方向坐标值Pz，在测定值Pz之下写光波导结构，所述的z轴方向为垂直玻璃片平面的方向；
S14：采用显影液进行显影，将刻有光波导结构一面的玻璃片侧放，测量光波导结构与玻璃片上表面的实际偏差距离，该距离为offset_z偏差；
所述步骤S2包括以下步骤：
S21：准备接口平整规则的光芯片，将其放置在加工平台后，调节z轴坐标值使探测界面呈现清晰的像以找到光芯片的纤芯位置；
S22：在纤芯位置定位探测，确定探测值的z轴坐标，然后将步骤S1中的offset_z偏差加到探测值的z轴坐标上，得到新的z轴坐标；
S23：在新的z轴坐标上再加待定值aberration_z，以小于等于1um的幅度改变待定值aberration_z来可写光波导结构；
S24：显影后，用透射光观察端口处的光波导位置偏差，光波导与纤芯对准连接时，光路导光明亮，光波导与纤芯错位连接时，光路有阴影；当观察到光路导光明亮时，即光波导与纤芯对准连接，选择该对准连接的光波导结构所对应的待定值aberration_z为aberration_z偏差。
2.根据权利要求1所述的一种光波导垂直端面位置定准方法，其特征在于，所述步骤S11中，在填充光刻胶之前，对平整规则的玻璃片进行超声清洗处理。
3.根据权利要求2所述的一种光波导垂直端面位置定准方法，其特征在于，所述步骤S11中，所述的光刻胶为感光聚合物材料层，其折射率为1.48–1.6之间。
4.根据权利要求3所述的一种光波导垂直端面位置定准方法，其特征在于，所述步骤S12中，探测界面由探测光路经电荷耦合原件探测后经计算机内部成像后显示。
5.根据权利要求4所述的一种光波导垂直端面位置定准方法，其特征在于，所述步骤S14中，显影液为丙酮与异丙酮的混合物。
6.根据权利要求5所述的一种光波导垂直端面位置定准方法，其特征在于，所述步骤S21中，对接口平整规则的光芯片进行超声清洗处理。
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