CN114815060A - 一种具有聚合物过渡结构的混合光传输模块及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有聚合物过渡结构的混合光传输模块的制作方法，是在硅基基板上涂覆高折射率透明光刻胶，对透明光刻胶采用曝光、显影工艺形成过渡结构和固定结构，将激光器通过固定结构黏附固定于硅基基板上，并使其出光端口与过渡结构的端口对准，然后对透明光刻胶进行固化。本发明采用聚合物材料作为过渡器件，可以将激光器和硅基光传输模块的设计相互独立，且在起到形成光传输结构的同时又可以依靠其黏性起到固定激光器位置的作用，拓展了激光器和硅基光传输模块的应用范围，降低了工艺成本。
Description
技术领域
本发明涉及光传输技术领域，尤其涉及一种具有聚合物过渡结构的混合光传输模块及其制作方法。
背景技术
在远距离传输中，信号光源必须具有较高的功率才能保证在远距离传输时仍能保持足够的信号强度，这就对激光器的尺寸产生了要求。而随着时代的变化，光通讯对传输模块的要求越来越高。光通讯中常用的传输波段集中在近红外波段，硅基材料在近红外波段具有良好的传输特性，硅基光传输模块是基于硅基材料器件搭建的片上硅基光路，且工艺成熟价格低廉，是最佳的传输材料。为了保证良好的传输特性，硅基光传输模块对于硅基波导等传输器件有着严格的尺寸要求。这将导致在实际应用中，激光器的输出端口和硅基光传输模块的输入端口产生不匹配，导致光在传输过程中产生损耗，造成信号的传输错误。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种具有聚合物过渡结构的混合光传输模块及其制作方法。
为了实现以上目的，本发明的技术方案为：
一种具有聚合物过渡结构的混合光传输模块的制作方法，所述混合光传输模块包括硅基光传输模块和激光器，所述硅基光传输模块包括硅基基板和设于硅基基板之上的波导端口，所述制作方法包括以下步骤：
1)于硅基基板上涂覆透明光刻胶，所述透明光刻胶的折射率大于SiO2的折射率(1.4682@1550nm)；
2)对所述透明光刻胶采用曝光、显影工艺形成过渡结构和固定结构；所述过渡结构具有第一端口和第二端口，其中第一端口与激光器的出光端口的脊波导宽度匹配，第二端口与所述波导端口的脊波导宽度匹配且对准；
3)将激光器通过固定结构黏附固定于硅基基板上，并使所述出光端口与所述第一端口对准；
4)对所述透明光刻胶进行固化。
可选的，所述步骤2)中，采用纳米压印的曝光方式，将具有紫外透光性能的模具与透明光刻胶直接接触，下压固定结构区域，然后进行曝光，形成所述固定结构。
可选的，所述步骤2)中，首先通过曝光、显影工艺在固定结构区域形成若干分立结构，然后采用硬模具下压所述若干分立结构形成所述固定结构。
可选的，控制所述固定结构与所述过渡结构的厚度差与所述激光器的高度相匹配。
可选的，所述过渡结构由所述第一端口至所述第二端口方向的脊波导宽度渐变。
可选的，所述脊波导宽度渐变的幅度不大于4°。
可选的，所述步骤3)中，使所述激光器的出光端口与所述过渡结构的第一端口相接触。
可选的，所述步骤4)中，采用热固化工艺，固化温度为100-250℃。
可选的，所述透明光刻胶包括SU-8光刻胶、BCB光刻胶、NOA61光刻胶、PMMA光刻胶、UV-15光刻胶。
一种上述制作方法制作的具有聚合物过渡结构的混合光传输模块，包括硅基光传输模块、激光器、过渡结构和固定结构；硅基光传输模块包括硅基基板和设于硅基基板之上的波导端口，过渡结构和固定结构设于硅基基板上，激光器通过固定结构固定于硅基基板上；过渡结构具有第一端口和第二端口，第一端口与激光器的出光端口的脊波导宽度相匹配且对准，第二端口与波导端口的脊波导宽度相匹配且对准；所述过渡结构和固定结构的材料是折射率＞SiO2的透明光刻胶。
本发明的有益效果为：
1)采用聚合物过渡结构作为过渡器件，可以将激光器和硅基光传输模块的设计相互独立，无需因考虑整体细节使得激光器或硅基光传输模式的部分性能被牺牲，降低设计成本和设计时间，拓展了激光器和硅基光传输模块的应用范围，使得二者的选择范围更加广泛。
2)选用透明光刻胶材料可以在起到形成光传输结构的同时又可以依靠其黏性起到固定激光器位置的作用，两种结构同时制作可以降低工艺成本，减少工艺复杂性，规避生产风险。
3)光刻胶可以利用曝光工艺简便的制作更复杂的图形，形成复杂的光学结构，避免其他材料使用多次蚀刻工艺带来的工艺风险，且能适合器件的封装要求。
4)不同于其他材料复杂的外延生长或沉积技术形成在硅基基板上，光刻胶可以采用涂布工艺，其工艺简单便捷，减少工艺复杂性，降低了成本，适于实际生产应用。
附图说明
图1为实施例1的混合光传输模块100的结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为实施例1的制备方法中光刻胶曝光显影后的示意图；
图4为实施例1的过渡结构的俯视图；
图5为实施例2的固定结构和过渡结构制备过程示意图；
图6为实施例2的制备方法中光刻胶曝光显影后的示意图；
图7为实施例3的混合光传输模块100的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步解释。本发明的各附图仅为示意以更容易了解本发明，其具体比例可依照设计需求进行调整。文中所描述的图形中相对元件的上下关系以及正面/背面的定义，在本领域技术人员应能理解是指构件的相对位置而言，因此皆可以翻转而呈现相同的构件，此皆应同属本说明书所揭露的范围。
实施例1
参考图1和图2，实施例1的混合光传输模块100包括硅基光传输模块10、激光器20、过渡结构30和固定结构40；硅基光传输模块10包括硅基基板11和设于硅基基板之上的波导12，波导12具有波导端口1a，过渡结构30和固定结构40设于硅基基板11上，激光器20通过固定结构40固定于硅基基板11上。过渡结构30具有第一端口3a和第二端口3b，第一端口3a与激光器20的出光端口2a的脊波导宽度相匹配且对准，第二端口3b与波导端口1a的脊波导宽度相匹配且对准。过渡结构30和固定结构40的材料是SU-8系列透明光刻胶。
其制作工艺如下：
根据实际情况选择合适的激光器设计方案；根据实际情况选择合适的硅基光传输模块设计方案；根据选择的激光器设计方案和硅基光传输模块设计方案设计聚合物过渡结构，使其分别与激光器的出光端口和硅基光传输模块的波导端口相匹配，定义过渡结构的耦合参数；同时，定义激光器在硅基光传输模块上的位置。根据设计方案分别制作激光器20和硅基光传输模块10。这里的激光器可以是化合物半导体外延技术制作的边侧型激光器芯片。
然后，在硅基基板11上旋涂预设厚度的SU-8系列透明光刻胶，涂覆后在90-100℃温度下热烘20-50s，其目的在于去除溶剂以增大光引发剂在光刻胶中的比例，然后对透明光刻胶采用曝光、显影工艺形成过渡结构30和固定结构40。具体，通过纳米压印的曝光方式，采用具有紫外透光性能的石英模具下压固定结构区域，然后进行曝光、显影，通过调整石英模具的尺寸，就可以控制固定结构的厚度，从而在同一道曝光工艺中得到具有不同厚度的过渡结构30和固定结构40，参考图3。固定结构40的厚度优选不大于1μm，以实现黏附效果的同时不增加整体厚度。
制作的过渡结构30具有第一端口3a和第二端口3b，第一端口3a与激光器20的出光端口2a的脊波导宽度匹配，第二端口3b与波导端口1a的脊波导宽度匹配且对准。第二端口3b与波导端口1a尽量靠近，其间距最优不超过5μm，以达到较好的传输效果。固定结构40位于过渡结构30远离波导端口1a的一侧。
下一步，将激光器20通过固定结构40黏附固定于硅基基板11上，并使出光端口2a与第一端口3a对准。第一端口3a与出光端口2a尽量靠近，其间距最优不超过5μm，以达到较好的光传输效果。由于固化前光刻胶通常处于柔软状态，有较好的黏性，可以起到粘结固定激光器20的作用。
激光器20固定对准完成后，在120°温度下加热30分钟，热固化光刻胶，使固定结构40和过渡结构30同时得到固化，得到稳定的结构。
参考图4，过渡结构30由第一端口3a至第二端口3b方向的脊波导宽度渐变，俯视为梯形结构，且通过合适的长度选择使渐变的幅度(图中α角)不大于4°。例如，如图所示，激光器20的出光波段在1300-1650nm，SU-8系列透明光刻胶的折射率大约为1.573@1550um，激光器出光端口2a的脊波导宽度大于波导端口1a的宽度，则过渡结构3由第一端口3a至第二端口3b方向的脊波导宽度渐变减小，通过过渡结构30进行耦合连接，减少了光损耗。
实施例2
参考图5和图6，实施例2与实施例1的差别在于，对光刻胶进行曝光的工艺中，采用普通的曝光工艺，首先使固定结构区域50’和过渡结构30保留相同的厚度，其中固定结构区域50’采用若干分立结构设计，例如分隔的点状或块状，然后通过硅基、金属基或者石英的硬模具D采用一个定额均匀的压力下压该分立结构实现高度的下降，得到预设高度的固定结构50，然后将激光器20通过固定结构50黏附固定于硅基基板11上使激光器20的出光端口2a与过渡结构30的第一端口3a对准，然后采用相同的工艺进行固化。
实施例3
参考图7，实施例3的混合光传输模块300与实施例1的区别在于，过渡结构30和固定结构60之间没有间隔，在激光器20的固定对准操作时，使激光器20的出光端口与过渡结构30的第一端口相接触。由于固化前光刻胶通常处于柔软状态，有较低的流动性。此时使激光器20的出光端口2a与过渡结构30的第一端口3a相接触，激光器20的部分端面有部分膜脱落的话在键合过程中会被聚合物光刻胶填补。此外，激光器的出光端口的热效应比较严重，端面损伤在热效应作用下被放大，影响激光器的输出性能。而聚合物材料具有负的热光系数，使聚合物和出光端口相接触，可以增加整体的温度稳定性。
上述实施例仅用来进一步说明本发明的一种具有聚合物过渡结构的混合光传输模块及其制作方法和应用，但本发明并不局限于实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。
Claims (10)
1.一种具有聚合物过渡结构的混合光传输模块的制作方法，其特征在于，所述混合光传输模块包括硅基光传输模块和激光器，所述硅基光传输模块包括硅基基板和设于硅基基板之上的波导端口，所述制作方法包括以下步骤：
1)于硅基基板上涂覆透明光刻胶，所述透明光刻胶的折射率大于SiO2的折射率；
2)对所述透明光刻胶采用曝光、显影工艺形成过渡结构和固定结构；所述过渡结构具有第一端口和第二端口，其中第一端口与激光器的出光端口的脊波导宽度匹配，第二端口与所述波导端口的脊波导宽度匹配且对准；
3)将激光器通过固定结构黏附固定于硅基基板上，并使所述出光端口与所述第一端口对准；
4)对所述透明光刻胶进行固化。
2.根据权利要求1所述的具有聚合物过渡结构的混合光传输模块的制作方法，其特征在于：所述步骤2)中，采用纳米压印的曝光方式，将具有紫外透光性能的模具与透明光刻胶直接接触，下压固定结构区域，然后进行曝光，形成所述固定结构。
3.根据权利要求1所述的具有聚合物过渡结构的混合光传输模块的制作方法，其特征在于：所述步骤2)中，首先通过曝光、显影工艺在固定结构区域形成若干分立结构，然后采用硬模具下压所述若干分立结构形成所述固定结构。
4.根据权利要求2或3所述的具有聚合物过渡结构的混合光传输模块的制作方法，其特征在于：控制所述固定结构与所述过渡结构的厚度差与所述激光器的高度相匹配。
5.根据权利要求1所述的具有聚合物过渡结构的混合光传输模块的制作方法，其特征在于：所述过渡结构由所述第一端口至所述第二端口方向的脊波导宽度渐变。
6.根据权利要求5所述的具有聚合物过渡结构的混合光传输模块的制作方法，其特征在于：所述脊波导宽度渐变的幅度不大于4°。
7.根据权利要求1所述的具有聚合物过渡结构的混合光传输模块的制作方法，其特征在于：所述步骤3)中，使所述激光器的出光端口与所述过渡结构的第一端口相接触。
8.根据权利要求1所述的具有聚合物过渡结构的混合光传输模块的制作方法，其特征在于：所述步骤4)中，采用热固化工艺，固化温度为100-250℃。
9.根据权利要求1所述的具有聚合物过渡结构的混合光传输模块的制作方法，其特征在于：所述透明光刻胶包括SU-8光刻胶、BCB光刻胶、NOA61光刻胶、PMMA光刻胶、UV-15光刻胶。
10.一种权利要求1～9任一项所述制作方法制作的具有聚合物过渡结构的混合光传输模块，其特征在于：包括硅基光传输模块、激光器、过渡结构和固定结构；硅基光传输模块包括硅基基板和设于硅基基板之上的波导端口，过渡结构和固定结构设于硅基基板上，激光器通过固定结构固定于硅基基板上；过渡结构具有第一端口和第二端口，第一端口与激光器的出光端口的脊波导宽度相匹配且对准，第二端口与波导端口的脊波导宽度相匹配且对准；所述过渡结构和固定结构的材料是折射率大于二氧化硅折射率的透明光刻胶。
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