CN114690315A - 一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器，包括：聚合物耦合波导结构、聚合物三维波导、聚合物三维透镜光模式转换器。本发明使得光模式能在波导与单模光纤之间进行低损耗、大波长带宽的耦合，在与CMOS工艺高度兼容的前提下，耦合损耗小于2dB，工作波长带宽大于200nm，并具有偏振相关性低，能够一次成型，结构紧凑，方便封装等特点。
Description
技术领域
本发明属于光通信网路技术领域，尤其涉及一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器。
背景技术
随着通信网路技术的快速发展，以硅基光子器件为基础的集成光子芯片以其低成本、低损耗、高集成度等优越性能，将代替传统的网络收发元器件，逐步成为光通信网络的主导技术。与此同时，光纤也由于其大带宽、低损耗等优点已成为最主要的光信息传输介质。然而由于集成光子芯片的波导模式尺寸与输入输出光斑的尺寸通常存在较大差异，导致光模式失配的问题，因此光从集成光路的输入输出过程中存在较大损耗。
目前现有的耦合方案主要分为水平耦合和垂直耦合两种。其中垂直耦合包括光栅耦合器、三维垂直耦合器等，适用场景主要局限于晶圆测试；水平耦合包括二氧化硅平面波导和SU8水平波导等，适用范围更广，尤其适配芯片耦合封装。二氧化硅平面波导和SU8水平波导都是将高折射率材料的光波导模式在水平方向上转换到低折射率材料并从端面出射，但由于平面工艺加工限制，转换后的光模式体积仍然较小，通常只能与透镜光纤耦合，或者需要增加片外耦合元件，且耦合效率较低，对耦合空间及成本要求更高。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于波导与光纤之间低损耗耦合的三维聚合物水平耦合器，以解决现有的片上水平耦合器耦合效率较低，且耦合封装要求较高的技术问题。
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键／重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
在一些可选的实施例中，提供一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器，包括：聚合物耦合波导结构，用于将波导中的光模式耦合到聚合物波导中；聚合物三维波导，用于将贴近衬底的光模式提升一定高度至等同聚合物透镜光模式转换器的高度并进入所述聚合物透镜光模式转换器；聚合物三维透镜光模式转换器，用于改变光模式体积；其中，所述聚合物耦合波导结构与所述聚合物三维透镜光模式转换器的底面等高且均与衬底表面接触，使其自立于芯片上而无需其它支撑结构相连，继而减少额外损耗。显然，结合后续附图可见，水平透镜耦合器的耦合方向为平行于波导的方向。而光模式的体积变化过程主要发生在三维聚合物水平透镜耦合器整体结构之中。
进一步的，所述聚合物三维透镜光模式转换器由三维锥形扩束结构和三维圆锥曲面结构构成，其中三维锥形扩束结构将波导模式在垂直于传播方向的平面上等比例放大，紧接的三维圆锥曲面则是将放大后的模式进一步进行波前整形，使最终出射模斑满足应用要求。此结构的特点是：第一，三维锥形扩束结构使得光模式扩束更加对称，而传统二维锥形结构会导致光模式畸变（长宽不等）；第二，三维圆锥曲面可以对光模式进行三维变换，通过设计可以分别满足扩束、聚焦、变形等要求，能很大程度上提高出射光模式与目标光模式之间的重叠率，而其他现有方案仅能实现二维聚焦，普适性不强；第三，由于三维聚合物光模式转换器直接集成于波导之上，相较于传统装配的微透镜动辄毫米级的厚度能节省更多封装空间；第四，三维聚合物光模式转换器因为其复杂的三维结构特点，无法通过使用传统平面加工工艺实现，因此在制备工艺上具有不可替代性。
进一步的，三维锥形扩束结构长度不大于30微米，轴向截面从3.5微米×3.5微米逐渐扩展到不超过30微米×30微米，在此参数限制下，通过模拟计算得到的结构透射损耗应小于5%。
进一步的，三维圆锥曲面结构的曲率半径应大于3微米并小于20微米，圆锥系数绝对值不大于3，轴向长度不大于50微米，在此参数限制下，可将出射模斑尺寸控制在直径1微米至15微米范围内，并通过模拟计算得到的相应模式重叠积分结果大于90%。
进一步的，所述聚合物三维波导为镜像对称欧拉弯波导结构，其中单个欧拉弯曲最小转弯半径点在结构中心之前。此结构的作用是将贴近衬底的光模式提升一定高度至等同聚合物透镜光模式转换器的高度。此结构的特点是：第一，弯曲部分的弯曲半径处处渐变，即参考采用数学上欧拉弯的几何形貌，可极大降低光模式在弯曲部分的传播损耗；第二弯曲波导仅前后与结构相连，其他部分悬空于芯片表面，并且由于结构受力均匀，可免除使用额外支架带来的光损耗。
进一步的，所述镜像对称欧拉弯波导结构的转弯角度小于等于10°，最小转弯半径大于等于200微米，总高度小于等于10微米，总长度小于等于300微米。在此参数限制下，通过模拟计算得到的结构透射损耗应小于5%。
进一步的，聚合物的组成材料包括SU8光刻胶、IP-L光刻胶、IP-D光刻胶、IP-S光刻胶、AZ光刻胶中的一种或多种。以上所选光刻胶均具备在1000~1700nm波长高于99%的透射率。
进一步的，所述聚合物耦合波导结构在与SU8波导对接时长度小于10微米，在与硅波导对接时长度小于300微米，在与铌酸锂波导对接时长度小于450微米。
进一步的，三维聚合物光模式转换器的曲面部分的外切面齐平或略微突出芯片端面，便于与光纤耦合。
进一步的，三维水平耦合器所对应的目标耦合模式的直径范围为1微米至15微米。
进一步的，经模拟仿真计算光模式从波导波导经三维耦合器结构与目标模式的总体耦合效率（包含结构插入损耗）应大于80%。
进一步的，所述芯片到光纤三维聚合物水平耦合器通过三维激光直写技术在波导上一次打印成型。
进一步的，本发明还提供了一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器的制备工艺，用于制备上述波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器，包括如下步骤：
S1：在绝缘体上硅薄膜的基片上利用光刻刻蚀技术制作硅基光学结构和SU8波导结构，或，在绝缘体上铌酸锂薄膜的基片上利用光刻刻蚀技术制作铌酸锂基光学结构和SU8波导结构；
S2：在步骤S1得到的光芯片边缘上滴涂光刻胶；
S3：将步骤S2得到样品放入三维激光直写机，利用光学成像系统定位到对接的波导结构并光刻出三维耦合器；
S4：将步骤S3得到的样品放入显影液中显影去除多余光刻胶得到最终结构。
本发明所带来的有益效果：本发明所述结构能使光模式在波导与单模光纤之间进行低损耗、大波长带宽的耦合，耦合损耗小于2dB，工作波长带宽大于200nm，并具备偏振相关性低，能够一次成型，结构紧凑，方便封装等特点。
附图说明
图1是本发明一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器的三维示意图；
图2是本发明一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器的侧视图。
具体实施方式
以下描述和附图充分地展示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。
如图1-2所示，在一些说明性的实施例中，提供一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器，包括：聚合物耦合波导结构4、聚合物三维波导3、聚合物三维透镜光模式转换器2。其中，聚合物耦合波导结构4、聚合物三维波导3、聚合物三维透镜光模式转换器2依次连接。
聚合物耦合波导结构4，用于将集成光子芯片上已有波导中的光束由波导光模式转换成聚合物光模式并逐步耦合进入耦合器。当以硅波导到单模光纤耦合为例进行说明时聚合物耦合波导结构4的作用是将将硅波导中的光模式逐步耦合转换成聚合物波导的光模式，并最终进入到聚合物三维波导3中。聚合物耦合波导结构4平放于水平面，其可与集成光路上已有的波导，如硅波导、SU8波导、铌酸锂波导等进行对接外延，使波导光模式进入耦合器。
聚合物三维波导3，用于将贴近衬底的光模式通过弯曲波导结构提升一定高度至等同聚合物三维透镜光模式转换器2的高度，进而使得光模式进入聚合物三维透镜光模式转换器2。
聚合物三维透镜光模式转换器2，用于放大当前光模式体积，即将已有的光模式体积变换到能与光纤1匹配的大小，光模式在聚合物透镜光模式转换器2中由于波导尺寸逐渐变大导致模场尺寸变大，并最终与光纤1的光模式匹配，达到高效耦合的目的。
其中，光纤1包括但不限于单模光纤、少模光纤、拉锥光纤。
聚合物耦合波导结构4与聚合物三维透镜光模式转换器2的底面均与衬底表面接触，使得三维结构稳固，最终耦合效率接近1dB，即达到80%。其中，衬底材料包括但不限于硅、二氧化硅、氮化硅。由于聚合物三维波导3为弯曲波导结构，因此其不与衬底表面接触。
聚合物三维透镜光模式转换器2为三维透镜结构，是由一个锥形扩束结构201和一个圆锥曲面202构成。为使波导与光纤实现高效耦合，锥形扩束结构长度不大于30微米且逐渐变大，横截面从3.5微米×3.5微米扩展到不超过30微米×30微米；所述圆锥曲面的曲率半径大于3微米小于20微米，圆锥系数绝对值不大于3，长度不大于50微米。此结构目的是将光纤通过曲面的折射作用汇聚到一定的尺寸，实现与单模光纤模斑的高度重叠。
当以硅波导到单模光纤耦合为例进行说明时，锥形扩束结构长度为15微米，横截面从3.5微米×3.5微米扩展到16微米×16微米，圆锥面曲率半径为7微米，圆锥系数为-0.5，耦合器长度等于20微米。
聚合物耦合波导结构4、聚合物三维波导3、聚合物三维透镜光模式转换器2的组合材料为包括SU8光刻胶、IP-L光刻胶、IP-D光刻胶、IP-S光刻胶、AZ光刻胶中的一种或多种。当以硅波导到单模光纤耦合为例进行说明时，聚合物耦合波导结构4、聚合物三维波导3、聚合物透镜光模式转换器2的组合材料选为IP-L光刻胶。
本发明所涉及使用的聚合物材料包含但不限于通信波段在1000nm~1700nm之间且表现为透明的光刻胶，即光吸收率低于1%的光刻胶。
聚合物耦合波导结构4在与SU8波导对接时长度小于10微米，在与硅波导对接时长度小于300微米，在与铌酸锂波导对接时长度小于450微米。
聚合物三维波导3为镜像对称欧拉弯波导结构，所述镜像对称欧拉弯波导结构的转弯角度小于等于10°，最小转弯半径大于等于200微米，总高度小于等于10微米，总长度小于等于300微米。当以硅波导到单模光纤耦合为例进行说明时，聚合物三维波导3的转弯角度为6.5°，最小转弯半径为200微米，总高度为6微米，总长度为200微米。
单个欧拉弯曲最小转弯半径点在结构中心之前。
本发明的波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器通过三维激光直写技术定位于集成光路上的波导结构。具体制作方法包括以下步骤：
S1：在绝缘体上硅薄膜的基片上利用光刻刻蚀技术制作硅基光学结构和SU8波导结构，或，在绝缘体上铌酸锂薄膜的基片上利用光刻刻蚀技术制作铌酸锂基光学结构和SU8波导结构；
S2：在步骤S1得到的光芯片边缘上滴涂光刻胶；
S3：将步骤S2得到样品放入三维激光直写机，利用光学成像系统定位需要对接的波导结构；
S4：在步骤S3得到样品中光刻出三维耦合器；
S5：将步骤S4得到的样品放入显影液中显影去除多余光刻胶得到最终结构。
本发明所述结构能使光模式在波导与单模光纤之间进行低损耗、大波长带宽的耦合，耦合损耗小于2dB，工作波长带宽大于200nm，并具备偏振相关性低，能够一次成型，结构紧凑，方便封装等特点。
本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。
Claims (10)
1.一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器，其特征在于，包括：
聚合物耦合波导结构，用于将集成光子芯片上已有波导中的光束由波导光模式转换成聚合物光模式并逐步耦合进入耦合器；
聚合物三维波导，用于将贴近衬底的光模式提升一定高度至等同聚合物透镜光模式转换器的高度并进入所述聚合物透镜光模式转换器；
聚合物三维透镜光模式转换器，用于放大当前光模式体积；
其中，所述聚合物耦合波导结构与所述聚合物三维透镜光模式转换器的底面均与衬底表面接触。
2.根据权利要求1所述的一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器，其特征在于，所述聚合物透镜光模式转换器为三维透镜结构，由三维锥形扩束结构和三维圆锥曲面构成。
3.根据权利要求2所述的一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器，其特征在于，所述的三维锥形扩束结构长度不大于30微米，轴向截面从3.5微米×3.5微米逐渐扩大到不超过30微米×30微米。
4.根据权利要求2或3所述的一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器，其特征在于，所述的三维圆锥曲面结构的曲率半径大于3微米小于20微米，圆锥系数绝对值不大于3，轴向长度不大于50微米。
5.根据权利要求1所述的一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器，其特征在于，所述聚合物三维波导为镜像对称欧拉弯波导结构，单个欧拉弯曲最小转弯半径点在结构中心之前。
6.根据权利要求5所述的一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器，其特征在于，所述对称镜像欧拉弯曲结构的转弯角度小于等于10°，最小转弯半径大于等于200微米，总高度小于等于10微米，总长度小于等于300微米。
7.根据权利要求1所述的一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器，其特征在于，聚合物结构的组成材料包括SU8光刻胶、IP-L光刻胶、IP-D光刻胶、IP-S光刻胶、AZ光刻胶中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器，其特征在于，所述聚合物耦合波导结构在与SU8波导对接时长度小于10微米，在与硅波导对接时长度小于300微米，在与铌酸锂波导对接时长度小于450微米。
9.根据权利要求1所述的一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器，其特征在于，所述波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器通过三维激光直写技术定位于集成光路上的波导结构。
10.一种波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器的制备工艺，其特征在于，用于制备权利要求1-9中任意一项所述的波导到光纤三维聚合物水平透镜耦合器，包括如下步骤：
S1：在绝缘体上硅薄膜的基片上利用光刻刻蚀技术制作硅基光学结构和SU8波导结构，或，在绝缘体上铌酸锂薄膜的基片上利用光刻刻蚀技术制作铌酸锂基光学结构和SU8波导结构；
S2：在步骤S1得到的光学结构上滴涂光刻胶；
S3：将步骤S2得到样品放入三维激光直写机，利用光学成像系统定位到对接的波导结构并光刻出三维耦合器；
S4：将步骤S3得到的样品放入显影液中显影去除多余光刻胶得到最终结构。
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