CN115113328B - 基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了光通信技术领域一种基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器及其制备方法，包括基板、下包层结构以及锥形芯层结构，所述下包层结构设置在所述基板上，所述锥形芯层结构设置在所述下包层结构上，锥形芯层结构上设有第一上包层结构和第二上包层结构，所述第一上包层结构与所述第二上包层结构相互并列设置，所述第一上包层结构的端面与硅光芯片连接，所述第二上包层结构的端面与单模光纤连接。本发明通过芯层锥形结构的宽度变化和上包层材料的改变，能够在严格的单模条件下实现模场尺寸的转换，提高硅光芯片的标准单模光纤的耦合效率，且与光刻工艺兼容的，不需要多层结构或精确的相对位置关系，工艺复杂度低，对工艺的对准精度要求低。

Description

基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体地，涉及一种基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器及其制备方法。

背景技术

在新一代通信和计算需求的推动下，硅基光电子技术得到了长足的发展，并以光电子与微电子的深度交融为特征成为后摩尔时代的核心技术。拥有较高折射率差的硅基材料在实现高集成度的同时，也给硅光芯片和标准单模光纤的耦合提出了挑战。硅波导模场面积和标准单模光纤的模场面积之间存在两个数量级的差异，直接耦合会带来非常高的耦合损耗。

以光栅耦合器、端面耦合器和光纤端面结构为主要实现形式的传统耦合方案在实际应用中往往存在局限性。光栅耦合器因其实现原理基于光的干涉作用，耦合效率对波长和偏振敏感，损耗大，不适用于大带宽的应用场景。受绝缘体上硅的埋氧层厚度和硅衬底的影响，以硅倒锥结构为核心的端面耦合器的出射模场很难直接用于和标准单模光纤耦合。透镜光纤在实验研究中经常被使用，但其价格昂贵，且难以实现多通道耦合。

经现有技术检索发现，中国实用新型专利公告号为CN207780304U，公开了一种高耦合率光波导模斑转换装置。其特点是在绝缘体层上硅基底上，制作锥型硅波导，再利用光刻技术，在绝缘体层上，连续套刻三层材料为SU-8光刻胶的组合锥型光波导，最后沉积二氧化硅上包层实现模斑转换器的制作。该现有技术与本发明相比，缺点是不仅工艺步骤繁琐，工艺复杂度高，而且波导的某些部分不可避免地要在多模条件下工作，这将引入多模干涉和耦合效率降低等问题。

因此，基于聚合物波导的中间过渡耦合方案具有损耗低、保偏特性好、兼容性好和易于实现高密度耦合等优点，是新型光接口的有效解决方案。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器及其制备方法。

根据本发明提供的一种基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器，包括基板、下包层结构以及锥形芯层结构，所述下包层结构设置在所述基板上，所述锥形芯层结构设置在所述下包层结构上，所述锥形芯层结构上设有第一上包层结构和第二上包层结构，所述第一上包层结构与所述第二上包层结构相互并列设置，所述第一上包层结构的端面与硅光芯片连接，所述第二上包层结构的端面与单模光纤连接。

一些实施方式中，所述下包层结构的材料折射率低于所述锥形芯层结构的材料折射率，所述第一上包层结构、所述第二上包层结构的材料折射率均大于等于所述下包层结构的折射率，所述第一上包层结构、所述第二上包层结构的材料折射率均小于所述锥形芯层结构的材料折射率，所述第一上包层结构的材料折射率小于所述第二上包层结构的材料折射率。

一些实施方式中，所述下包层结构、所述锥形芯层结构、所述第一上包层结构以及所述第二上包层结构的材质分别采用有机无机杂化聚硅氧烷类型材料，所述下包层结构采用与所述第一上包层结构相同材料设置，所述下包层结构与所述第一上包层结构的折射率为1.561/1310nm，所述锥形芯层结构的折射率为1.579/1310nm，所述第二上包层结构的折射率为1.569/1310nm。

一些实施方式中，所述锥形芯层结构通过所述锥形芯层结构的材料和所述锥形芯层结构靠近硅光端的模场、所述硅光芯片模场尺寸设置，所述锥形芯层结构的起始宽度为2-4μm，所述锥形芯层结构的高度为2-4μm，所述锥形芯层结构的终止宽度为6-9μm。

一些实施方式中，所述第一上包层结构、所述第二上包层结构以及所述下包层结构的厚度通过所述锥形芯层结构的材料和所述锥形芯层结构靠近硅光端的模场、所述硅光芯片模场尺寸设置，所述第一上包层结构、所述第二上包层结构以及所述下包层结构的厚度大于20μm。

一些实施方式中，所述锥形芯层结构包含两段锥形结构波导和一段直波导，两段所述锥形结构波导设置在所述直波导的两端，所述直波导的宽度为4.1μm。

一些实施方式中，所述锥形芯层结构采用两段非线性锥形，所述非线性锥形的形状由材料折射率和波导尺寸设置，所述锥形芯层结构的锥形结构长度由模场转换损耗、材料吸收损耗和工艺设置。

一些实施方式中，两段所述非线性锥形结构根据各自材料和结构参数分别进行优化，所述非线性锥形的长度为5mm。

本发明还提供一种基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器的制备方法，包括以下步骤：步骤1.超声清洗基板，在基板上旋涂、紫外固化折射率较低的下包层光刻胶，热固化，制作出均匀的所述下包层结构；

步骤2.在已有的所述下包层结构上旋涂折射率较高的光刻胶，使用掩模光刻工艺制作聚合物波导的所述锥形芯层结构，显影，热固化；

步骤3.在已有的所述锥形芯层结构上旋涂第一种上包层光刻胶，通过包层掩模工艺，紫外固化形成所述第一上包层结构，显影，热固化；

步骤4.旋涂或点胶直写第二种上包层光刻胶，紫外固化，显影，热固化形成所述第二上包层结构。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明由于聚合物波导在靠近单模光纤端的上包层材料折射率提高，芯层对光场的束缚能力下降，所以波导基模的模场尺寸能够进一步扩大，输出模场与标准单模光纤模场匹配度更高，从而降低了耦合损耗；

2、本发明改变上包层材料后，波导的相对折射率差降低，波导能够在更大的芯层尺寸下仍然工作保持单模模式，所以该结构能够在1310nm波长处使得整个器件工作在严格的单模条件下，避免多模干涉；

3、本发明通过芯层锥形结构的宽度变化和上包层材料的改变，能够在严格的单模条件下实现模场尺寸的转换，提高硅光芯片的标准单模光纤的耦合效率，且与光刻工艺兼容的，不需要多层结构或精确的相对位置关系，工艺复杂度低，对工艺的对准精度要求低。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器的使用示意图；

图2为本发明基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器制备方法步骤1所得中间结构示意图；

图3为本发明基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器制备方法步骤2所得中间结构示意图；

图4为本发明基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器制备方法步骤3所得中间结构示意图；

图5为本发明基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器制备方法步骤4所得中间结构示意图；

图6为本发明基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器实施例2锥形芯层结构示意图；

图7为本发明基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器实施例2应用场景示意图；

图8为本发明基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器实施例3锥形芯层结构示意图；

图9为本发明基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器实施例3锥形芯层结构俯视图；

图10为本发明基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器实施例3应用场景示意图；

图11为本发明不同折射率差时模场直径随波导尺寸的变化示意图；

附图标记：

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1所示为基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器的使用示意图，包括基板1、下包层结构2以及锥形芯层结构3，下包层结构2设置在基板1上，锥形芯层结构3设置在下包层结构2上，锥形芯层结构3上设有第一上包层结构4和第二上包层结构5，第一上包层结构4与第二上包层结构5相互并列设置，第一上包层结构4的端面与硅光芯片6连接，第二上包层结构5的端面与单模光纤7连接。聚合物模斑转换器作为中间过渡阶段，实现两端模场的相互转换和高效耦合。

下包层结构2的材料折射率低于锥形芯层结构3的材料折射率，第一上包层结构4、第二上包层结构5的材料折射率均大于等于下包层结构2的折射率，第一上包层结构4、第二上包层结构5的材料折射率均小于锥形芯层结构3的材料折射率，第一上包层结构4的材料折射率小于第二上包层结构5的材料折射率。

下包层结构、锥形芯层结构3、第一上包层结构4以及第二上包层结构5的材质分别采用日产化学公司SUNCONNECT系列聚合物材料，该材料为一种有机无机杂化聚硅氧烷类型材料，具有出色的光学特性、热血特性及抗氧化能力。下包层结构2与第一上包层结构4采用型号NP-216材料设置，下包层结构2与第一上包层结构4的折射率为1.561/1310nm，锥形芯层结构3采用型号NP-846MF材料设置，锥形芯层结构3的折射率为1.579/1310nm，第二上包层结构5采用型号NP-847MF材料设置，第二上包层结构5的折射率为1.569/1310nm。

锥形芯层结构3通过锥形芯层结构3的材料和锥形芯层结构3靠近硅光端的模场、硅光芯片6模场尺寸设置，锥形芯层结构3的起始宽度为2-4μm，锥形芯层结构3的高度为2-4μm，锥形芯层结构3的终止宽度为6-9μm。在本实施例中，锥形芯层结构3的起始宽度为2.6μm，锥形芯层结构3的高度为2.6μm，锥形芯层结构3的终止宽度为7.6μm。

如图11所示为不同折射率差时模场直径随波导尺寸的变化示意图，锥形芯层结构3材料的折射率确定后，先扫描起始宽度和宽度找到最优值，使锥形芯层结构3靠近硅光端的模场和硅光芯片6模场匹配，耦合效率最高，再扫描终止宽度，使锥形芯层结构3靠近光纤端的模场和光纤模场匹配，耦合效率最高。

第一上包层结构4、第二上包层结构5以及下包层结构2的厚度通过锥形芯层结构3的材料和锥形芯层结构3靠近硅光端的模场、硅光芯片6模场尺寸设置，厚度需要足够厚，使得光能够被有效束缚。第一上包层结构4、第二上包层结构5以及下包层结构2的厚度大于20μm。

基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器的制备方法，包括以下步骤：步骤1.如图2所示为基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器制备方法步骤1所得中间结构示意图，超声清洗基板1，在基板1上旋涂、紫外固化折射率较低的下包层光刻胶，热固化，制作出均匀的下包层结构2；

步骤2.如图3所示为基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器制备方法步骤2所得中间结构示意图，在已有的下包层结构2上旋涂折射率较高的光刻胶，使用掩模光刻工艺制作聚合物波导的锥形芯层结构3，显影，热固化；

步骤3.如图4所示为基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器制备方法步骤3所得中间结构示意图，在已有的锥形芯层结构3上旋涂第一种上包层光刻胶，通过包层掩模工艺，紫外固化形成第一上包层结构4，显影，热固化；

步骤4.如图5所示为基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器制备方法步骤4所得中间结构示意图，旋涂或点胶直写第二种上包层光刻胶，紫外固化，显影，热固化形成第二上包层结构5。

实施例2

本实施例2是在实施例1的基础上形成，区别在于锥形芯层结构3包含两段锥形结构波导和一段直波导，如图6所示为基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器实施例2锥形芯层结构3示意图，三段结构均使用相同芯层材料。两段锥形结构波导设置在直波导的两端，直波导的宽度为4.1μm。

直波导宽度为由波导材料决定的上包层材料发生改变的最优宽度。在此处改变上包层材料，具有第一种上包层结构的波导仍工作在单模条件下，且两段波导在交界面处具有最低的耦合损耗。直波导长度由工艺精度和工艺可行性决定，确保在当前工艺精度下，上包层结构的改变发生于直波导部分。

锥形芯层结构3的起始宽度、终止宽度和高度由聚合物波导材料和两端模场尺寸决定，与实施例1相同。聚合物波导芯层锥形结构的长度由模场转换损耗、材料吸收损耗和工艺可行性共同决定，与实施例1相同。上包层和下包层结构2的厚度由聚合物波导材料和模场尺寸决定，与实施例1相同。

如图7所示为基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器实施例2应用场景示意图，第一上包层结构4所在端面用于和硅光芯片6连接，第二上包层结构5所在端面用于和标准单模光纤7连接。上包层材料的改变发生于直波导部分，器件性能不会发生改变。本实施例通过增加一段过渡直波导，降低了制备步骤3中包层掩模工艺对包层改变位置的精确要求，进一步降低器件对工艺精度的要求，有利于器件的大规模生产和应用。

实施例3

本实施例3是在实施例1的基础上形成，区别在于：锥形芯层结构3采用两段非线性锥形，如图8所示为基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器实施例3锥形芯层结构3示意图，如图9所示为基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器实施例3锥形芯层结构3俯视图，非线性锥形的形状由材料折射率和波导尺寸设置，锥形芯层结构3的锥形结构长度由模场转换损耗、材料吸收损耗和工艺设置。

最优的非线性锥形形状由材料折射率和波导尺寸决定。两段锥形结构根据各自材料和结构参数分别进行优化。在本实施例中，两段非线性锥形结构根据各自材料和结构参数分别进行优化，非线性锥形的长度为5mm。聚合物波导芯层锥形结构的长度由模场转换损耗、材料吸收损耗和工艺可行性共同决定，根据非线性锥形结构重新进行设计，可与实施例1不同。

本实施例通过进一步优化聚合物波导锥形芯层结构3的形状，采用非线性锥形形状，降低模场转换损耗，从而降低器件总损耗。如图10所示为基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器实施例3应用场景示意图。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (6)

1.一种基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器，其特征在于，包括基板（1）、下包层结构（2）以及锥形芯层结构（3），所述下包层结构（2）设置在所述基板（1）上，所述锥形芯层结构（3）设置在所述下包层结构（2）上，所述锥形芯层结构（3）上设有第一上包层结构（4）和第二上包层结构（5），所述第一上包层结构（4）与所述第二上包层结构（5）相互并列设置，所述第一上包层结构（4）的端面与硅光芯片（6）连接，所述第二上包层结构（5）的端面与单模光纤（7）连接；

所述下包层结构（2）的材料折射率低于所述锥形芯层结构（3）的材料折射率，所述第一上包层结构（4）、所述第二上包层结构（5）的材料折射率均大于等于所述下包层结构（2）的折射率，所述第一上包层结构（4）、所述第二上包层结构（5）的材料折射率均小于所述锥形芯层结构（3）的材料折射率，所述第一上包层结构（4）的材料折射率小于所述第二上包层结构（5）的材料折射率；

所述下包层结构、所述锥形芯层结构（3）、所述第一上包层结构（4）以及所述第二上包层结构（5）的材质分别采用有机无机杂化聚硅氧烷类型材料，所述下包层结构（2）采用与所述第一上包层结构（4）相同材料设置，所述下包层结构（2）与所述第一上包层结构（4）的折射率为1.561/1310nm，所述锥形芯层结构（3）的折射率为1.579/1310nm，所述第二上包层结构（5）的折射率为1.569/1310nm；

所述锥形芯层结构（3）包含两段锥形结构波导和一段直波导，两段所述锥形结构波导设置在所述直波导的两端，所述直波导的宽度为4.1μm；

上包层材料的改变发生于直波导部分。

2.根据权利要求1所述的基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器，其特征在于，所述锥形芯层结构（3）通过所述锥形芯层结构（3）的材料和所述锥形芯层结构（3）靠近硅光端的模场、所述硅光芯片（6）模场尺寸设置，所述锥形芯层结构（3）的起始宽度为2-4μm，所述锥形芯层结构（3）的高度为2-4μm，所述锥形芯层结构（3）的终止宽度为6-9μm。

3.根据权利要求2所述的基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器，其特征在于，所述第一上包层结构（4）、所述第二上包层结构（5）以及所述下包层结构（2）的厚度通过所述锥形芯层结构（3）的材料和所述锥形芯层结构（3）靠近硅光端的模场、所述硅光芯片（6）模场尺寸设置，所述第一上包层结构（4）、所述第二上包层结构（5）以及所述下包层结构（2）的厚度大于20μm。

4.根据权利要求1所述的基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器，其特征在于，所述两段锥形结构波导采用两段非线性锥形，所述非线性锥形的形状由材料折射率和波导尺寸设置，所述锥形芯层结构（3）的锥形结构长度由模场转换损耗、材料吸收损耗和工艺设置。

5.根据权利要求4所述的基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器，其特征在于，两段所述非线性锥形结构根据各自材料和结构参数分别进行优化，所述非线性锥形的长度为5mm。

6.一种根据权利要求1-5任意一项所述的基于聚合物波导的低损耗单模模斑转换器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1. 超声清洗基板（1），在基板（1）上旋涂、紫外固化折射率较低的下包层光刻胶，热固化，制作出均匀的所述下包层结构（2）；

步骤2.在已有的所述下包层结构（2）上旋涂折射率较高的光刻胶，使用掩模光刻工艺制作聚合物波导的所述锥形芯层结构（3），显影，热固化；

步骤3. 在已有的所述锥形芯层结构（3）上旋涂第一种上包层光刻胶，通过包层掩模工艺，紫外固化形成所述第一上包层结构（4），显影，热固化；

步骤4. 旋涂或点胶直写第二种上包层光刻胶，紫外固化，显影，热固化形成所述第二上包层结构（5）。