CN116520499A - 少模光纤和硅基多模芯片耦合结构及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开少模光纤和硅基多模芯片耦合结构及制备方法，属于光学元件、系统或仪器技术领域。耦合结构包括硅基多模芯片、少模光纤、少模光子引线键合波导、光纤底座；硅基多模芯片包含硅衬底、埋氧层、硅基波导、上包层、亚波长光栅倒置级联锥形波导、对准标记；少模光纤包括纤芯和包层；少模光子引线键合波导包含亚波长光栅倒置级联锥形波导上方的方形波导、过渡波导、弯曲波导；光纤底座是一个用于固定芯片以及光纤位置的阶梯型底座。硅基多模芯片与少模光纤通过上层少模光子引线键合波导和下层亚波长光栅倒置级联锥形波导组合的少模耦合结构连接，增强模式杂化效应，实现硅基矩形矢量模与少模光纤圆形线偏振模匹配。
Description
技术领域
本发明公开少模光纤和硅基多模芯片耦合结构及制备方法，涉及集成光电子器件技术，属于光学元件、系统或仪器技术领域。
背景技术
随着光通信技术的发展，提高光通信传输的容量变得十分重要。近些年，一种很有前景的技术——模分复用(Mode Division Multiplexing，MDM)技术受到广泛关注，其将少模光纤中正交本征模作为传输信道，开辟了光通信系统复用的新维度，可实现 Pb/s 量级光传输，成为构建未来光网络的关键技术。基于硅基光电子技术的模式控制芯片为构建MDM光网络起到了重要作用。
硅基光电子集成芯片利用硅光技术将若干微纳量级光学器件或光电子器件集成在一个硅衬底上，形成一个完整的具有综合功能的新型大规模集成芯片，具有性能高、成本低、集成度高等优势。硅基多模波导内模式为矩形矢量模，模场尺寸一般小于1 μm2，然而少模光纤内模式为圆形线偏振(Linear Polarization，LP)模，模场尺寸大于80 μm2。两者间存在模式类型差异和模场尺寸失配，导致光纤与硅基光电子芯片耦合连接困难。
目前，硅基多模波导与少模光纤的耦合主要包含水平耦合和垂直耦合两种方案。水平耦合方案使芯片波导与光纤处于相互平行的位置，对准容差较小，因此两者间的高精度对准尤为重要；而且，需要磨抛芯片端面，额外增加工艺复杂度；此外，水平耦合方案无法支持垂直方向的模式，大大限制了耦合模式数目。垂直耦合方案基于光栅耦合器实现，光纤可在芯片表面任意位置耦合；但该方案存在工作带宽窄、偏振依赖大、相位敏感等问题，且支持的模式数量有限，难以满足MDM的传输要求。
本发明提出一种少模光纤和硅基多模芯片耦合结构，可以实现硅基矩形矢量模与少模光纤LP模匹配，解决硅基多模波导与少模光纤模式差异与尺寸失配的问题，具有多模式、低损耗、温度敏感性低特点。
发明内容
本发明的发明目的是针对上述背景技术的不足，提供少模光纤和硅基多模芯片耦合结构及制备方法，硅基芯片波导嵌入亚波长光栅倒置级联锥形（Subwavelength-GratingInverted Cascaded-Tapered，SWG-ICT）波导，在SWG-ICT波导上方使用光子引线键合（Photonic Wire Bonding，PWB）技术光刻刻蚀出少模光子引线键合（Few-Mode PhotonicWire Bonding，FM-PWB）波导，实现硅基多模芯片与少模光纤高效连接的发明目的，解决硅基多模波导与少模光纤模式和尺寸不匹配以及温度敏感的技术问题。
本发明为实现上述发明目的采用如下技术方案：少模光纤和硅基多模芯片耦合结构，包括：上层FM-PWB波导、制备于硅基多模芯片埋氧层上的下层SWG-ICT波导；上层FM-PWB波导用于连接硅基多模芯片和少模光纤，将硅基矩形波导矢量转换为圆形线偏振矢量模；下层SWG-ICT波导与上层FM-PWB波导少模耦合，下层亚波长光栅倒置级联锥形波导为至少两个宽度逐渐减小的锥形波导级联而成的亚波长光栅，硅基多模芯片的硅基波导通过与其出入光端连接的锥形结构由矩形过渡到锥形级联结构后，嵌入下层亚波长光栅倒置级联锥形波导中。
作为少模光纤和硅基多模芯片耦合结构的进一步优化方案，上层FM-PWB波导由方形波导、方形到圆形的过渡波导以及连接过渡波导和光纤纤芯的弯曲波导构成，方形波导为宽和高相等的方形结构，过渡波导为方形过渡到圆形的棱台状过渡结构，弯曲波导为由细变粗的圆形结构，方形波导覆盖在硅基波导与下层SWG-ICT波导上方，且方形波导的一端覆盖在硅基波导出入光端的上方，方形波导的另一端连接过渡波导的方形端口，过渡波导的圆形端口连接弯曲波导的小口径圆形端口，弯曲波导的大口径圆形端口连接少模光纤，且弯曲波导轴的起止方向与光纤纤芯波导轴重合。
作为少模光纤和硅基多模芯片耦合结构的进一步优化方案，少模光纤包含光纤纤芯与光纤包层。光纤纤芯一端与上层FM-PWB波导中弯曲波导的大口径圆形端口连接，实现小尺寸方形波导与大尺寸圆形光纤的连接。
作为少模光纤和硅基多模芯片耦合结构的进一步优化方案，少模光纤和硅基多模芯片耦合结构固定在光纤底座上，光纤底座用于固定硅基多模芯片以及少模光纤的位置；还可以设计光纤底座的形状为阶梯形，补偿硅基多模芯片与少模光纤的高度差，避免因震动或角度问题引起的耦合损耗，实现光通信效率最大化。
作为少模光纤和硅基多模芯片耦合结构的进一步优化方案，硅基多模芯片包含硅衬底、埋氧层、硅基波导、上包层、下层SWG-ICT波导、对准标记；对准标记形状可以是十字标记也可以是方形标记等，对准标记的位置关于下层SWG-ICT波导对称，对准标记的数量可以是两个也可以是三个，根据具体芯片尺寸而定。
作为少模光纤和硅基多模芯片耦合结构的进一步优化方案，上层FM-PWB波导上方覆盖了一种低折射率材料，该材料折射率必须比上层FM-PWB波导的折射率低。方形波导与埋氧层具有不同的材料折射率，构成非对称结构，引发增强模式杂化效应，使硅基矩形波导矢量模转换为上层FM-PWB方形矢量模；然后，通过过渡波导和弯曲波导将上层FM-PWB方形矢量模转化为圆形矢量模，从而与光纤的LP模匹配。
少模光纤和硅基多模芯片耦合结构的制备方法，包括如下步骤：
步骤1，先在硅衬底上沉积一层埋氧层，然后在埋氧层上沉积硅层，对硅层光刻，刻蚀出硅基波导、下层SWG-ICT波导以及对准标记，最后在刻蚀硅层形成的波导层上沉积一层上包层；
步骤2，对硅基波导出入光端、下层SWG-ICT波导及对准标记上方的包层进行开窗；
步骤3，根据对准标记的位置，利用双光子聚合技术3D打印上层FM-PWB波导；
步骤4，将上层FM-PWB波导嵌入低折射率包层材料中，包层材料的折射率低于上层FM-PWB波导的折射率。
作为少模光纤和硅基多模芯片耦合结构的制备方法的进一步优化方案，步骤3中利用双光子聚合技术3D打印上层FM-PWB波导的具体方法为：
步骤3-1，将硅基多模芯片与少模光纤固定在同一光纤底座上；
步骤3-2，首先，使用酒精、丙酮等清洗硅基多模芯片和光纤纤芯截面；然后，在硅基多模芯片波导与光纤纤芯之间沉积光刻胶，利用3D机器视觉技术检测光刻胶中硅基波导与下层亚波长光栅倒置级联锥形波导的实际位置；之后，根据硅基多模芯片与少模光纤的位置设计上层FM-PWB波导的形状，并使用双光子光刻技术进行曝光，在硅基波导及下层SWG-ICT波导上方光刻刻蚀出方形波导，再刻蚀出过渡波导以及弯曲波导；
步骤3-4，最后清除未曝光的光刻胶，制得上层FM-PWB波导结构。
作为少模光纤和硅基多模芯片耦合结构的制备方法的进一步优化方案，硅基多模芯片波导与光纤纤芯之间沉积的光刻胶使用的是掺入一定比例Ti02等高折射率无机纳米粒子的双光子聚合丙烯酸酯聚合物材料。
作为少模光纤和硅基多模芯片耦合结构的制备方法的进一步优化方案，埋氧层以及上包层采用硅基氧化物制成，例如SiO2等材料。
作为少模光纤和硅基多模芯片耦合结构的制备方法的进一步优化方案，硅基多模芯片波导以及下层SWG-ICT波导采用硅材料制成。
作为少模光纤和硅基多模芯片耦合结构的制备方法的进一步的优化方案，光纤底座可采用陶瓷、铜、铁、钢等硬度大的材料。
本发明采用上述技术方案，具有以下有益效果：
（1）本发明所提少模光纤和硅基多模波导的新型耦合结构，克服硅基波导与光纤模式差异以及几何尺寸失配的问题，实现小尺寸的硅基波导矩形矢量模到大尺寸的少模光纤LP模的转换。
（2）本发明引入亚波长光栅倒置级联锥形波导作为下层波导，通过宽度减小的SWG-ICT波导将光从SWG-ICT波导压缩扩散到FM-PWB波导内，将SWG-ICT波导内光场扩散到杂化材料FB-PWB波导层内，增大倏逝场和耦合强度，可以极大缩短上下两层波导间模式演变所需结构长度，进而降低结构传输损耗，同时可以通过控制 SWG 结构参数，实现耦合所需的复杂 LP 模式数目。
（3）本发明引入FM-PWB技术，通过弯曲波导将硅基波导与少模光纤连接，无需对波导端面进行处理，大大减少端面处理以及对准容差的问题。
（4）由于TiO2具有负热光系数，可以抵消下层硅基波导的温度敏感性，所以对FM-PWB杂化材料中掺入一定比例的高折射率无机纳米粒子，使硅基波导受温度变化影响减小。
附图说明
图1为本发明的硅基多模芯片的结构示意图。
图2为本发明的硅基波导与下层SWG-ICT 波导连接结构示意图。
图3为本发明的上层FM-PWB波导和下层SWG-ICT 波导的耦合结构示意图。
图4为本发明的少模光纤结构示意图。
图5为本发明的硅基多模芯片波导通过FM-PWB弯曲波导结构与少模光纤连接的结构示意图。
图6为本发明的FM-PWB制作工艺中在芯片与光纤间沉积光刻胶的示意图。
图7为本发明的FM-PWB波导的光刻刻蚀的过程示意图。
图8为本发明的FM-PWB波导示意图。
图9为本发明的FM-PWB波导嵌入低折射率包层材料的示意图。
图中标号说明：101、上包层，102、埋氧层，103、硅衬底，104、硅基波导，105、对准标记，106、锥形结构，107、SWG-ICT波导，108、第一过渡段，109、第二过渡段，201、方形波导，202、过渡波导，203、弯曲波导，301、光纤纤芯，302、光纤包层，401、光纤底座，501、光刻胶，502、飞秒激光，503、扩束镜，504、激光焦点，505、低折射率包层材料。
实施方式
下面结合附图对发明的技术方案进行详细说明。
本实施例提供的耦合结构实现少模光纤与硅基多模芯片的连接。硅基芯片波导嵌入亚波长光栅倒置级联锥形（Subwavelength-Grating Inverted Cascaded-Tapered，SWG-ICT）波导，在SWG-ICT波导上方使用光子引线键合（Photonic Wire Bonding，PWB）技术光刻刻蚀出少模光子引线键合（Few-Mode Photonic Wire Bonding，FM-PWB）波导。上层FM-PWB波导和下层SWG-ICT波导形成的耦合结构，利用增强模式杂化的少模耦合机理，通过上层杂化材料与埋氧层材质折射率不同，在耦合结构内部产生系列增强模式杂化效应，硅基矩形波导矢量模通过SWG-ICT波导转换为上层FM-PWB方形矢量模，FM-PWB波导将上层FM-PWB方形矢量模转换为圆形矢量模，与少模光纤LP模匹配，从而实现硅基多模芯片和少模光纤的耦合。
如图1、图2所示，硅基多模芯片包含：上包层101、BOX层102、硅衬底103、硅基波导104、对准标记105、锥形结构106、SWG-ICT波导107。硅基波导104的出入端刻蚀上锥形结构106后嵌入到SWG-ICT 波导107中。锥形结构106的理想针尖宽度为零，但是制作工艺限制，只能使针尖足够窄，选定针尖宽度为60-120 nm，且锥形结构106的中心线应该与SWG-ICT波导107的中心线共线。SWG-ICT波导107为逐渐变细的多个锥形级联的亚波长光栅，包含宽度逐渐减小的第一过渡段108、第二过渡段109，每个栅距为0.5 μm，狭缝距离为0.2 μm，第一过渡段108由1 μm宽过渡到0.7 μm，第二过渡段109由0.7 μm宽过渡到0.4 μm。在空间上确定SWG-ICT波导107位置后，沿着SWG-ICT波导107中心线放置四个对称的对准标记105，一边两个，一共四个。对准标记可以是十字形，也可以是方形等方便对准的形状，既可以是一边两个也可以是一边三个、四个等，视具体芯片决定。
如图3所示，本实施例所提FM-PWB波导结构，前段为包覆在SWG-ICT波导107上的方形波导201，中段是一个由方形到圆形的棱台状的过渡波导202，后段是一根弯曲波导203。通过过渡波导202将方形波导201与弯曲波导203连接，实现矩形波导到圆形波导的过渡。FM-PWB波导前段方形波导201宽和高相等约为1 μm，且FM-PWB波导沿SWG-ICT波导107中心线对称。
如图5所示，上层FM-PWB波导201与SWG-ICT波导107的耦合波导通过弯曲波导203连接到少模光纤纤芯301上，硅基多模芯片与少模光纤放置于阶梯形的光纤底座401上，光纤纤芯301的中心对准弯曲波导203端面的中心。在垂直方向上可以根据需要设置光纤底座401的高低和少模光纤的前后位置，即少模光纤在y轴和x轴移动，在x轴光纤中心与光出入波导中心一致，弯曲波导203仅在垂直方向上弯曲。
如图4所示，少模光纤包含：光纤纤芯301与光纤包层302，内部为光纤纤芯301，外部是光纤包层302。光纤纤芯301直径一般为50 μm，远大于单模光纤的直径，光纤包层302直径与单模光纤直径相等约为125 μm。
参见图1至图9，本实施例所提耦合结构的制备方法，具体包括如下9个步骤。
步骤1，设置硅衬103，硅衬底为5 μm厚的硅晶片，去除表面的颗粒、有机物等污染物以及水蒸气，使用等离子体增强化学汽相沉积技术在硅衬底上沉积3 μm的SiO2，形成埋氧层（Buried Oxide，BOX）102以提供底部光学绝缘。
步骤2，在埋氧层102上使用PECVD技术沉积220 nm的Si层，用来制作波导层；在Si层上涂敷光刻胶，将光刻胶滴在Si层表面，高速旋转芯片，使用旋涂的方法涂敷光刻胶，可以使光刻胶层更加均匀。
步骤3，涂敷好光刻胶，提前设计好光路掩模版，利用曝光设备使光线有选择性地通过掩模版，光线穿过光路图案的掩膜时，就可以将设计好的光路图案印刻到涂有光刻胶的Si层上，掩模版与光刻胶图形为1：1关系。
步骤4，曝光之后，在光刻胶上喷涂显影液，去除图案未覆盖区域的光刻胶，从而让印刷好的光路图案显现出来，显影的温度范围要控制在21-23℃误差±0.5°，显影完成后还要通过测量设备和光学显微镜进行检查，确保光路质量。
步骤5，完成光路图案的光刻后，需要使用刻蚀工艺去除多余的Si，只留下需要的硅基波导104、SWG-ICT波导107以及对准标记105，刻蚀方法使用的是反应离子刻蚀，利用等离子体进行电离物理刻蚀的同时，借助等离子体活化后产生的自由基进行化学刻蚀，实现高精细度光路的刻蚀。
步骤6，刻蚀完成后，使用PECVD技术在波导层上沉积上3 μm的SiO2，作为包覆芯层的上包层101，包覆工艺会在所有硅上方形成脊，因此使用化学机械抛光工艺将芯片表面变得更加平坦。
步骤7，硅基多模芯片制作完成后，对硅基多模芯片开窗，使用化学腐蚀方法去除硅基波导、SWG-ICT波导及对准标记上方的SiO2层，露出硅基波导104、SWG-ICT波导107和对准标记105。
步骤8，开窗完成后，使用双光子聚合技术，3D打印出FM-PWB波导，将硅基多模波导和少模光纤连接。3D打印出FM-PWB波导的具体过程为：首先，将硅基多模芯片与少模光纤放置在光纤底座401上，可以设计光纤底座401形状，补偿硅基多模芯片与少模光纤的高度差；其次，使用丙酮、酒精等清洗硅基多模芯片，在需要互联的硅基多模芯片与少模光纤间沉积光刻胶501，光刻胶501使用了掺入一定比例TiO2的高折射率无机纳米粒子的TPP丙烯酸酯聚合物材料；然后，使用飞秒激光502作为激发光源，飞秒激光的波长532 nm，重复频率为50MHz，脉冲宽度为55 fs，飞秒激光502的光束经扩束镜503后由物镜聚焦到丙烯酸酯聚合物杂化材料501中，利用三维移动系统控制激光焦点504在光刻胶501中按照设计的路径进行扫描刻出方形波导201、过渡波导202以及弯曲波导203，如图7所示，三维移动系统为三维移动台或者二维振镜与一维移动台组合；之后，将未聚合的光刻胶501用乙醇等溶剂洗去，就可以得到图8所示FM-PWB波导结构,。
步骤9，最后，将FM-PWB波导嵌入3 μm低折射率包层材料505中，如图9所示：首先，沉积低折射率光刻胶，然后利用紫外固化工艺将其固化，最后制备完成PWB耦合结构。
虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。
Claims (10)
1.少模光纤和硅基多模芯片耦合结构，其特征在于，包括：
上层少模光子引线键合波导，用于连接硅基多模芯片和少模光纤，将硅基矩形波导矢量转换为圆形线偏振矢量模；及，
制备于硅基多模芯片埋氧层上的下层亚波长光栅倒置级联锥形波导，所述下层亚波长光栅倒置级联锥形波导与所述上层少模光子引线键合波导少模耦合，下层亚波长光栅倒置级联锥形波导为至少两个宽度逐渐减小的锥形波导级联而成的亚波长光栅，所述硅基多模芯片的硅基波导通过与其出入光端连接的锥形结构嵌入下层亚波长光栅倒置级联锥形波导中。
2.根据权利要求1所述少模光纤和硅基多模芯片耦合结构，其特征在于，所述上层少模光子引线键合波导包括：方形波导、过渡波导、弯曲波导，所述方形波导包覆在所述硅基波导和下层亚波长光栅倒置级联锥形波导上方，所述过渡波导为由方形渐变至圆形的棱台状过渡结构，所述弯曲波导为由细变粗的圆形结构，且方形波导的一端覆盖在硅基波导出入光端上方，方形波导的另一端连接过渡波导的方形端口，过渡波导的圆形端口连接弯曲波导的小口径圆形端口，弯曲波导的大口径圆形端口连接少模光纤。
3.根据权利要求2所述少模光纤和硅基多模芯片耦合结构，其特征在于，所述少模光纤包括：光纤纤芯以及包覆在光纤纤芯外部的光纤包层，所述光纤纤芯的一端连接所述弯曲波导的大口径圆形端口，弯曲波导轴的起止方向与光纤纤芯波导轴重合。
4.根据权利要求2所述少模光纤和硅基多模芯片耦合结构，其特征在于，所述上层少模光子引线键合波导的上方覆盖了一层折射率低于上层少模光子引线键合波导的材料，所述方形波导与硅基多模芯片埋氧层构成非对称结构。
5.根据权利要求1所述少模光纤和硅基多模芯片耦合结构，其特征在于，所述耦合结构整体固定在一个阶梯形光纤底座上。
6.根据权利要求1所述少模光纤和硅基多模芯片耦合结构，其特征在于，所述硅基多模芯片埋氧层上还制备有关于下层亚波长光栅倒置级联锥形波导对称的对准标记，所述对准标记用于对齐上层少模光子引线键合波导 。
7.根据权利要求1至6中任意一项所述少模光纤和硅基多模芯片耦合结构的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，在硅衬底上沉积埋氧层，在埋氧层上沉积硅层，光刻硅层形成硅基波导、下层亚波长光栅倒置级联锥形波导以及对准标记，在刻蚀硅层形成的波导层上沉积一层上包层；
步骤2，对硅基波导出入光端、下层亚波长光栅倒置级联锥形波导及对准标记上方的上包层进行开窗，露出硅基波导、下层亚波长光栅倒置级联锥形波导及对准标记；
步骤3，根据对准标记的位置，利用双光子聚合技术3D打印上层少模光子引线键合波导；
步骤4，将上层少模光子引线键合波导嵌入低折射率包层材料中。
8.根据权利要求7所述少模光纤和硅基多模芯片耦合结构的制备方法，其特征在于，所述步骤3中利用双光子聚合技术3D打印上层少模光子引线键合波导的具体方法为：
步骤3-1，将硅基多模芯片与少模光纤放置在光纤底座上；
步骤3-2，清洗硅基多模芯片和光纤纤芯截面，在硅基多模芯片波导与光纤纤芯之间沉积光刻胶；
步骤3-3，使用飞秒激光作为激发光源，飞秒激光的光束经扩束镜后由物镜聚焦到丙烯酸酯聚合物杂化材料中，利用三维移动系统控制激光焦点在光刻胶中按照既定路径进行扫描，刻蚀出方形波导、过渡波导以及弯曲波导；
步骤3-4，洗去未聚合的光刻胶，制得上层少模光子引线键合波导结构。
9.根据权利要求7少模光纤和硅基多模芯片耦合结构的制备方法，其特征在于，所述上包层为3 μm厚的二氧化硅层。
10.根据权利要求7少模光纤和硅基多模芯片耦合结构的制备方法，其特征在于，所述光刻胶为掺入一定比例TiO2的高折射率无机纳米粒子的双光子聚合丙烯酸酯聚合物材料。
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