TWI440908B - 可二階段耦合之三維波導耦合器及其製造方法 - Google Patents

Description

可二階段耦合之三維波導耦合器及其製造方法

本發明係關於一種波導耦合器，尤指具有至少一三維結構層、至少一耦合介質層與至少一輔助光柵，而能夠透過該三維結構層、該耦合介質層該輔助光柵，以二階段耦合之方式，將光波耦合進入一波導層之中的一種可二階段耦合之三維波導耦合器及其製造方法。

光學元件可分為主動元件及被動元件，主動元件係指具有可執行能量轉換功能之光學元件；而被動元件所指的是對於光波呈現靜態轉換效應之光學元件。

耦合器(coupler)係屬於一種被動型光學元件，其係使用於兩個光學傳播介質之間，例如：波導管(waveguide)與波導管之間，或者光纖(fiber)與波導管之間，以執行光能量之耦合。而隨著半導體積體化製程技術之發展，目前已經能夠利用薄膜沉積與微影蝕刻等半導體製程技術來製造積體化之耦合器。此外，耦合器之一波導層表面更可形成一輔助光柵，使得耦合器成為一光柵輔助式波導耦合器，其可透過調整該輔助光柵之排列週期，以提升光能量之耦合效率。

然而，使用上述該光柵輔助式波導耦合器與其它光傳播裝置，例如一光纖，進行光能量轉換時，由於該光柵之 週期必須與光波長達到相位匹配，才能夠達到有效率之能量轉換，如此，係導致光柵輔助式波導耦合器對於寬頻光波之總體耦合效率，並非相當理想。且，由於光柵輔助式波導耦合器之高度(厚度)係受限於半導體之薄膜製程，因而無法被製作得太高，係更加導致光柵輔助式波導耦合器與該光纖連接上之困難。

有鑑於此，許多發明人係極力地研究，以期望改善上述該光柵輔助式波導耦合器之缺陷，如中華民國專利申請案號第098136872號所揭露之一種光柵輔助式之三維結構波導耦合裝置及其製造方法，請參閱第一A圖與第一B圖，係該光柵輔助式之三維結構波導耦合裝置之立體圖與其截面圖，該光柵輔助式之三維結構波導耦合裝置1a係包括：一第一基板11a，該第一基板11a為一半導體-絕緣層(silicon-on-insulator,SOI)基板，其具有一半導體層111a與一絕緣層112a；一波導層12a，係形成於第一基板11a之上，以作為光波之傳播層；一輔助光柵4a，係形成於該波導層12a之上，該輔助光柵4a可藉由相位匹配之方式而輔助地將光波導入波導層12a內；及複數個三維錐狀結構層19a，係形成於波導層12a之上，該三維錐狀結構層19a係整個包覆住輔助光柵4a，並且，三維錐狀結構層19a之下表面的兩側邊之間係具有一高度差，使得三維錐狀結構層19a之結構上係具有三維尺度之變化；如此，當光波於 三維錐狀結構層19a內傳遞時，由於三維錐狀結構層19a漸變之高度變化並搭配輔助光柵4a之使用，使得三維錐狀結構層19a與波導層12a之等效傳播常數一致，而提高了兩者間的耦合參數，而可進一步有效率地將光波由三維錐狀結構層19a內直接地導入於波導層12a內傳遞，係提升了光波於兩傳播介質間的能量耦合效率。

然而在實際應用之考量上，該三維錐狀結構層19a與該波導層12a之材料折射係數可能差異甚大，雖利用三維錐狀結構層19a漸變之高度變化並搭配該輔助光柵4a之使用，可使得三維錐狀結構層19a與波導層12a之等效傳播常數相近，因而提升光波於兩傳播介質間之耦合效率，但是光波仍會經由輔助光柵4a而產生相當程度的散射損耗，因此，該光柵輔助式之三維結構波導耦合裝置1a之耦合效率，仍具有改善之空間。

因此，本案之發明人有鑑於上述該光柵輔助式波導耦合器與該光柵輔助式之三維結構波導耦合裝置，兩者仍具有諸多缺點與不足，故極力加以研究創作，終於研發完成本發明之一種可二階段耦合之三維波導耦合器及其製造方法。

本發明之主要目的，在於提供一種可二階段耦合之三維波導耦合器，係於一三維結構層與一波導層之間，增設 至少一耦合介質層，並以至少二階段耦合之方式，將光波耦合入波導層之中，進而提升光波耦合之效率。

本發明之另一目的，在於提供一種可二階段耦合之三維波導耦合器之製造方法，可透過現有的半導體製程，製作一可二階段耦合之三維波導耦合器，而不需增購其它設備。

因此，為了達到上述之目的，本案之發明人提出一種可二階段耦合之三維波導耦合器1，係包括：第一基板；至少一波導層，係形成於該第一基板之上以作為光波之傳播層；至少一輔助光柵，係形成於該波導層之上，該輔助光柵可輔助地將光波導入波導層；至少一耦合介質層，係以覆蓋輔助光柵之方式而形成於波導層之上；及至少一三維結構層，係形成於耦合介質層之上，該三維結構層之兩側邊之間，係具有一高度差，使得三維結構層具有三維尺度之變化，當光波於三維結構層內傳遞時，將由於三維結構層漸變之高度，使得三維結構層與耦合介質層之傳播常數一致，而可有效率地將光波由三維結構層內直接地耦合進入耦合介質層，並且更進一步地，光波可透過輔助光柵與耦合介質層，而再一次地耦合進入波導層。其中，波導層之材料折射係數係高於三維結構層與耦合介質層。

並且，為了達成本發明之另一目的，本案之發明人提 出一種可二階段耦合之三維波導耦合器之製造方法，係包括：(1)製備一第一基板；(2)於該第一基板之上形成一波導層；(3)使用一第一光罩於該波導層之上製作至少一輔助光柵；(4)使用一第二光罩將波導層製作成至少一柱狀波導層；(5)於該至少一柱狀波導層之上形成一二氧化矽層，以作為一第二耦合介質層；(6)於該二氧化矽層之上形成一氮化氧矽層，以作為一第一耦合介質層；(7)使用一第三光罩將該氮化氧矽層製作成至少一柱狀氮化氧矽層；(8)塗佈一第一聚合物於該至少一柱狀氮化氧矽層之上；(9)製備一三維結構層模具；(10)使用該三維結構層模具壓印該第一聚合物；(11)靜置三維結構層模具一段時間；(12)將三維結構層模具從該柱狀氮化氧矽層之上移除；(13)一三維結構層係形成於該柱狀氮化氧矽層之上；及(14)使用一第五光罩將該三維結構層製作成至少一楔形三維結構層。

為了能夠更清楚地描述本發明所提出之一種可二階段耦合之三維波導耦合器，以下將配合圖示，詳盡說明本發明之實施例。

請參閱第二圖，係一種可二階段耦合之三維波導耦合器之截面圖，該可二階段耦合之三維波導耦合器1係包 括：一第一基板11、一波導層12、二輔助光柵13、一第二耦合介質層、一第一耦合介質層、及二個三維結構層16。其中，該第一基板11之材料可為：半導體-絕緣層(silicon-on-insulator)基板、氮化氧矽-絕緣層(SiON-on-insultor)基板、氮化矽-絕緣層(SiN-on-insulator)基板、與半導體基板；於本實施例中，係採用半導體-絕緣層(SOI)基板作為第一基板11，如第二圖所示，第一基板11係由一矽基板(Si)111與一二氧化矽層112疊合而成。

請繼續參閱第二圖，該波導層12係形成於該第一基板11之上以作為光波之傳播層，一般而言，作為波導層12之材料可為下列幾種：矽(silicon,Si)、氮化矽(silicon nitride,SiN)、氮化氧矽(silicon oxinitride,SiON)、與碳化矽(silicon carbine,SiC)，而本發明是採用矽(Si)以作為波導層12，並將其形成於該二氧化矽層112之上，使波導層12具有SOI之效果；該二輔助光柵13則相對地形成於波導層12之上，其中，輔助光柵13可輔助地將光波導入波導層12；該第二耦合介質層係以覆蓋輔助光柵13之方式形成於波導層12之上；該第一耦合介質層則形成於第二耦合介質層之上，其中，耦合介質層之材料可為下列幾種：二氧化矽(silicon dioxide,SiO2)與氮化氧矽(silicon oxinitride,SiON)，如第二圖所示，本實施例係採用一二氧化矽層14作為第二耦合介質層，並採用一氮化氧矽層15 作為第一耦合介質層。

請再繼續參閱第二圖，上述該三維結構層16為一編號SU-8之感光材料，其係形成於該第一耦合介質層之上，其中，三維結構層16之兩側邊之間，係具有一高度差，使得三維結構層16具有三維尺度之變化，因此，當光波於三維結構層16內傳遞時，將由於三維結構層16漸變之高度，使得三維結構層16與第一耦合介質層之傳播常數一致，而可有效率地將光波由三維結構層16內直接地耦合進入第一耦合介質層，並且進一步地，第一耦合介質層係透過該第二耦合介質層與該輔助光柵13，將光波耦合進入該波導層12之中。於本實施例中，該氮化氧矽層15與該二氧化矽層14係分別作為該第一耦合介質層與該第二耦合介質層；其中，該編號SU-8之感光材料之折射係數係小於氮化氧矽層15，且，氮化氧矽層15之折射係數係大於二氧化矽層14，而二氧化矽層14之折射係數又小於波導層12；如此，使得三維結構層16可將光波耦合進入氮化氧矽層15之中，再由氮化氧矽層15進一步地透過輔助光柵13與二氧化矽層14，將光波耦合進入波導層12之中，而完成光波之二階段耦合。

上述係藉由該截面圖以揭露本發明之該可二階段耦合之三維波導耦合器1，然而，該截面圖僅為該可二階段耦合之三維波導耦合器1之概念架構，其製作上，仍須考慮 實際應用層面，請參閱第三圖，係可二階段耦合之三維波導耦合器1之立體圖，如第三圖所示，本發明之可二階段耦合之三維波導耦合器1，其實體架構係包括：該第一基板11；該波導層12，係被製作成兩個相互平行之柱狀波導層121；該二對輔助光柵13，係分別形成於該二柱狀波導層121之上；該二氧化矽層14，係以覆蓋該二對輔助光柵13之方式而形成於柱狀波導層121之上，以作為該第二耦合介質層；該氮化氧矽層15，係被製作成四個柱狀氮化氧矽層151，並成對地置於第二耦合介質層之上，且其形成之位置係相對於第二耦合介質層下方之柱狀波導層121，故，間隔著第二耦合介質層，每一個柱狀波導層121上方皆具有相對的兩個柱狀氮化氧矽層151，以作為該第一耦合介質層；該三維結構層16，被製作成四個楔形三維結構層161，該四個楔形三維結構層161係成對地形成於二氧化矽層14之上，且其形成之位置係相對於二氧化矽層14下方之柱狀波導層121，同時，楔形三維結構層161更包覆部分柱狀氮化氧矽層151。

上述係透過截面圖與立體圖分別地敘述該可二階段耦合之三維波導耦合器1之概念架構與其實體架構，接著，以下將詳細地揭露本發明之可二階段耦合之三維波導耦合器的製作方式，請同時參閱第四A圖與第四B圖，係本發明之一種可二階段耦合之三維波導耦合器的製造方法流程 圖，一種可二階段耦合之三維波導耦合器的製造方法，係包括：首先，執行步驟(201)，製備該第一基板11，請同時參閱第五圖，係該可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板的截面圖，如第五圖所示，該第一基板11係由該矽基板(Si)111與該二氧化矽層112疊合而成；接著，執行步驟(202)，於第一基板11之上形成該波導層12，請同時參閱第六圖，係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板與波導層之截面圖，如第六圖所示，波導層12係藉由爐管成長或利用晶片接合之方式，而形成於第一基板11之上；然後，執行步驟(203)，使用一第一光罩於波導層12之上製作至少一該輔助光柵13，請同時參閱第七圖，係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層與輔助光柵之立體圖，如第七圖所示，經過微影蝕刻之後，兩個輔助光柵13係形成於波導層12之上；承接上述步驟(203)之後，繼續地執行步驟(204)，使用一第二光罩3將該波導層12製作成至少一柱狀波導層121，請同時參閱第八圖，係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層與輔助光柵之第二立體圖，如第八圖所示，透過該第二光罩3(第二光罩3係繪製於第二十一圖)對波導層12進行微影蝕刻之後，波導層12係被製作成為該兩個柱狀波導層121，且該兩個柱狀波導層121 係相互平行地置於該二氧化矽層112之上；接著，執行步驟(205)，於該二柱狀波導層121之上形成該二氧化矽層14，以作為該第二耦合介質層，請同時參閱第九圖，係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、輔助光柵、與二氧化矽層之立體圖，如第九圖所示，於本實施例中，係採用旋塗式玻璃法(spin-on glass,SOG)，於柱狀波導層121之上，形成具有平整表面的二氧化矽層14，並同時覆蓋柱狀波導層121與該輔助光柵13；承接於上述步驟(205)之後，接著，執行步驟(206)，於該二氧化矽層14之上形成該氮化氧矽層15，以作為該第一耦合介質層，請同時參閱第十圖，係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、輔助光柵、二氧化矽層、與氮化氧矽層之立體圖，如第十圖所示，於本實施例中，係採用電漿輔助化學氣相沈積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)以形成氮化氧矽層15於二氧化矽層14之上；繼續執行步驟(207)，使用一第三光罩4(繪製於第二十四圖)將氮化氧矽層15製作成至少一柱狀氮化氧矽層151，請同時參閱第十一圖，係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、輔助光柵、二氧化矽層、與氮化氧矽層之第二立體圖，如第十一圖所示，該柱狀氮化氧矽層151係成對地形成於該第二耦合介質層之上，且其形成之位置係相對於第二耦合介質層下方 之該柱狀波導層121，故，間隔著第二耦合介質層，每一個柱狀波導層121上方係有相對的兩個柱狀氮化氧矽層151，以作為該第一耦合介質層；接著，執行步驟(208)，塗佈一第一聚合物1A於該至少一柱狀氮化氧矽層151之上，請同時參閱第十二圖，係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、輔助光柵、二氧化矽層、氮化氧矽層、與第一聚合物之立體圖，如第十二圖所示，該第一聚合物1A係覆蓋於柱狀氮化氧矽層151之上，其材料為該編號SU-8之感光材料；上述之製程步驟，係已將該第一聚合物1A塗佈於該柱狀氮化氧矽層151之上，其中，第一聚合物1A係用以製作至少一三維結構層16；然而，製作該三維結構層16仍須使用一特殊之模具，故，必須先執行步驟(209)，製備一三維結構層模具5；接著，執行步驟(210)，使用該三維結構層模具5壓印第一聚合物1A，請同時參閱第十三圖，係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、輔助光柵、二氧化矽層、氮化氧矽層、第一聚合物、與三維結構層模具之立體圖，如第十三圖所示，第一聚合物1A係填入三維結構層模具5的二缺口之中；然後，執行步驟(211)，靜置三維結構層模具5一段時間；接著，執行步驟(212)，將三維結構層模具5從該柱狀氮化氧矽層151之上移除；然後，執行步驟(213)，該至少一三維結構層 16係形成於柱狀氮化氧矽層151之上，請同時參閱第十四圖，係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、輔助光柵、二氧化矽層、氮化氧矽層、第一聚合物、與三維結構層之立體圖，如第十四圖所示，柱狀氮化氧矽層151上方係形成兩個相對的三維結構層16；最後，執行步驟(214)，使用一第五光罩將三維結構層16製作成至少一楔形三維結構層161，如第三圖所示，三維結構層16係被製作成四個楔形三維結構層161，該四個楔形三維結構層161係成對地形成於該二氧化矽層14之上，且其形成之位置係相對於二氧化矽層14下方之柱狀波導層121，同時楔形三維結構層161更包覆部分該柱狀氮化氧矽層151。

此外，請參閱第十五圖，係步驟(201)之詳細步驟流程圖，於上述該一種可二階段耦合之三維波導耦合器之製造方法中，該步驟(201)更包括兩個詳細步驟，首先，執行步驟(2011)，製備該矽基板111；接著，執行步驟(2012)，將矽基板111送入一爐管中；然後，執行步驟(2013)，於矽基板111之表面形成該二氧化矽層112。

並且，請參閱第十六圖，係步驟(203)之詳細步驟流程圖，於上述該一種可二階段耦合之三維波導耦合器之製造方法中，該步驟(203)更包括以下詳細步驟：首先，執行步驟(2031)，塗佈一第一感光材料17於該波導層12之上，請同時參閱第十七圖，係可二階段耦合 之三維波導耦合器之第一基板、波導層與第一感光材料之立體圖，如第十七圖所示，該第一感光材料17係塗佈於波導層12之上；接著，執行步驟(2032)，將具有至少一光柵圖形21之該第一光罩2置於該第一感光材料17上方，請同時參閱第十八圖，係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、第一感光材料、與第一光罩之立體圖，如第十八圖所示，當第一光罩2被置於第一感光材料17上方之後，即可開始進行曝光；故，執行步驟(2033)，以曝光之方式，將該光柵圖形21轉移至第一感光材料17；接著，執行步驟(2034)，以顯影之方式，於第一感光材料17上形成光柵圖形21；最後，執行步驟(2035)，以蝕刻之方式，製作出該輔助光柵13，如第七圖所示，經過微影蝕刻之後，輔助光柵13係形成於波導層12之上。

請繼續參閱第十九圖，係步驟(204)之詳細步驟流程圖，上述該步驟(204)係更包括以下詳細步驟：首先，執行步驟(2041)，塗佈一第二感光材料18於該波導層12之上，請同時參閱第二十圖，係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層與第二感光材料之立體圖，如第二十圖所示，該第二感光材料18係旋塗於波導層12之上；接著，執行步驟(2042)，將具有至少一波導層圖形31之該第二光罩3置於該第二感光材料18上方，請同時參閱第二十一圖，係可二階段耦合之三維波導 耦合器之第一基板、波導層、第二感光材料、與第二光罩之立體圖，如第二十一圖所示，當第二光罩3被置於第二感光材料18上方之後，即可開始進行曝光；然後，執行步驟(2043)，以曝光之方式，將該波導層圖形31轉移至第二感光材料18；接著，執行步驟(2044)，以顯影之方式，於第二感光材料18上形成波導層圖形31；最後，執行步驟(2045)，以蝕刻之方式，將波導層12製作成該柱狀波導層121，如第八圖所示，該波導層12係形成兩個相互平行的柱狀波導層121，且每個柱狀波導層121之上皆置有一個輔助光柵13。

請繼續參閱第二十二圖，係步驟(207)之詳細步驟流程圖，上述該步驟(207)係更包括以下詳細步驟：首先，執行步驟(2071)，塗佈一第三感光材料19於該氮化氧矽層15之上，請同時參閱第二十三圖，係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、氮化氧矽層、與第三感光材料之立體圖，如第二十三圖所示，該第三感光材料19係旋塗於氮化氧矽層15之上；接著，執行步驟(2072)，將具有至少一柱狀氮化氧矽層圖形41的該第三光罩4置於該第三感光材料19上方，請同時參閱第二十四圖，係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、氮化氧矽層、第三感光材料、與第三光罩之立體圖，如第二十四圖所示，當第三光罩4被置於第三感光材 料19上方之後，即可開始進行曝光；然後，執行步驟(2073)，以曝光之方式，將該柱狀氮化氧矽層圖形41轉移至第三感光材料19；接著，執行步驟(2074)，以顯影之方式，於第三感光材料19上形成柱狀氮化氧矽層圖形41；最後，執行步驟(2075)，以蝕刻之方式，將氮化氧矽層15製作成該柱狀氮化氧矽層151，如第十一圖所示，柱狀氮化氧矽層151係成對地形成於該二氧化矽層14之上。

請再繼續參閱第二十五圖，係步驟(209)之詳細步驟流程圖，上述該步驟(209)係更包括以下詳細步驟：首先，執行步驟(2091)，製備一第二基板51；接著，執行步驟(2092)，塗佈一第四感光材料52於該第二基板51之上，請同時參閱第二十六圖，係第二基板與第四感光材料之截面圖，如第二十六圖所示，該第四感光材料52係塗佈於第二基板51之上；然後，執行步驟(2093)，壓印該第四感光材料52，使其具有一特定角度，請同時參閱第二十七圖，係第二基板與第四感光材料之第二截面圖，如第二十七圖所示，第四感光材料52經過壓印之後，係具有該特定角度；接著，執行步驟(2094)，使用一第四光罩6將該第四感光材料52製作成二個三維錐狀結構53(三維錐狀結構53係繪製於第二十九圖)，請同時參閱第二十八圖，係第二基板、第四感光材料與第四光罩之立體圖，如第二十八圖所示，當該第四光罩6被置於第四感光材料52 上方之後，即可開始進行微影蝕刻；承上述步驟(2094)之後，接著執行步驟(2095)，將該第二基板51對半切開，使其分別具有一個三維錐狀結構53；繼續地執行步驟(2096)，銜接兩個半切之第二基板51，使該兩個三維錐狀結構53形成相對之狀態，請同時參閱第二十九圖，係第二基板與二個三維錐狀結構之截面圖，如第二十九圖所示，該兩個三維錐狀結構53係相對地形成於第二基板51；接著，執行步驟(2097)，於第二基板51之上填入一第二聚合物54，請同時參閱第三十圖，係第二基板、三維錐狀結構與第二聚合物之截面圖，如第三十圖所示，該第二聚合物54被填入第二基板51之上，並凝固成固定形狀；然後，執行步驟(2098)，靜置該第二聚合物54一段時間；最後，執行步驟(2099)，將第二聚合物54由第二基板51之上移除，請同時參閱第三十一圖，係該三維結構層模具之截面圖，如第三十一圖所示，由第二基板51之上所移除下來的第二聚合物54，係已凝固成該三維結構層模具5。

並且，請繼續參閱第三十二圖，係步驟(214)之詳細步驟流程圖，上述該步驟(214)係更包括以下詳細步驟：首先，執行步驟(2141)，將具有至少一楔形圖形71之該第五光罩7置於該三維結構層16上方，請同時參閱第三十三圖，係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基 板、波導層、輔助光柵、二氧化矽層、氮化氧矽層、第一聚合物、三維結構層、與第五光罩之立體圖，如第三十三圖所示，當第五光罩7置於三維結構層16上方之上，即可接續著進行曝光之動作；故，繼續執行步驟(2142)，以曝光之方式，將該楔形圖形71轉移至三維結構層16；最後，執行步驟(2143)，以顯影之方式，於三維結構層16上形成楔形圖形71，如第三圖所示，本發明之該可二階段耦合之三維波導耦合器1係透過其製造方法，而被製作完成。

上述係以搭配截面圖、立體圖、與方法流程圖之方式，完整且清楚地揭露了本發明之該可二階段耦合之三維波導耦合器及其製造方法，經由上述，可以得知本發明係具有下列之優點：

1.相較於習知的該光柵輔助式之三維結構波導耦合裝置，本發明係於該三維結構層與該波導層之間，增設該第一耦合介質層與該第二耦合介質層，以二階段耦合之方式，將光波耦合入波導層之中。

2.承上述第一個優點，該二階段耦合之方式係有效地提升了光波耦合之效率。

3.透過該可二階段耦合之三維波導耦合器的製造方法，係可透過現有的半導體製程，製作該可二階段耦合之三維波導耦合器，而不需增購其它設備。

上述之詳細說明係針對本發明可行實施例之具體說 明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本案之專利範圍中。

1‧‧‧可二階段耦合之三維波導耦合器

11‧‧‧第一基板

111‧‧‧矽基板

112‧‧‧二氧化矽層

12‧‧‧波導層

121‧‧‧柱狀波導層

13‧‧‧輔助光柵

14‧‧‧二氧化矽層

15‧‧‧氮化氧矽層

151‧‧‧柱狀氮化氧矽層

16‧‧‧三維結構層

161‧‧‧楔形三維結構層

17‧‧‧第一感光材料

18‧‧‧第二感光材料

19‧‧‧第三感光材料

1A‧‧‧第一聚合物

1a‧‧‧光柵輔助式之三維結構波導耦合裝置

11a‧‧‧第一基板

111a‧‧‧半導體層

112a‧‧‧絕緣層

12a‧‧‧波導層

19a‧‧‧三維錐狀結構層

2‧‧‧第一光罩

21‧‧‧光柵圖形

201~214‧‧‧方法步驟

2011~2013‧‧‧方法步驟

2031~2035‧‧‧方法步驟

2041~2045‧‧‧方法步驟

2071~2075‧‧‧方法步驟

2081~2089‧‧‧方法步驟

2441~2143‧‧‧方法步驟

3‧‧‧第二光罩

31‧‧‧波導層圖形

4‧‧‧第三光罩

4a‧‧‧輔助光柵

41‧‧‧柱狀氮化氧矽層圖形

5‧‧‧三維結構層模具

51‧‧‧第二基板

52‧‧‧第四感光材料

53‧‧‧三維錐狀結構

54‧‧‧第二聚合物

6‧‧‧第四光罩

7‧‧‧第五光罩

71‧‧‧楔形圖形

第一A圖 係一種光柵輔助式之三維結構波導耦合裝置之立體圖；第一B圖 係一種光柵輔助式之三維結構波導耦合裝置之截面圖；第二圖 係本發明之一種可二階段耦合之三維波導耦合器之截面圖；第三圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之立體圖；第四A圖與第四B圖 係本發明之一種可二階段耦合之三維波導耦合器之製造方法流程圖；第五圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之一第一基板的截面圖；第六圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板與一波導層之截面圖；第七圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層與一輔助光柵之立體圖；第八圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基 板、波導層與輔助光柵之第二立體圖；第九圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、輔助光柵、與一二氧化矽層之立體圖；第十圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、輔助光柵、二氧化矽層、與一氮化氧矽層之立體圖；第十一圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、輔助光柵、二氧化矽層、與氮化氧矽層之第二立體圖；第十二圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、輔助光柵、二氧化矽層、氮化氧矽層、與一第一聚合物之立體圖；第十三圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、輔助光柵、二氧化矽層、氮化氧矽層、第一聚合物、與一三維結構層模具之立體圖；第十四圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、輔助光柵、二氧化矽層、氮化氧矽層、第一聚合物、與一三維結構層之立體圖；第十五圖 係步驟(201)之詳細步驟流程圖； 第十六圖 係步驟(203)之詳細步驟流程圖；第十七圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層與一第一感光材料之立體圖；第十八圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、第一感光材料、與一第一光罩之立體圖；第十九圖 係步驟(204)之詳細步驟流程圖；第二十圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層與一第二感光材料之立體圖；第二十一圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、第二感光材料、與一第二光罩之立體圖；第二十二圖 係步驟(207)之詳細步驟流程圖；第二十三圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、氮化氧矽層、與一第三感光材料之立體圖；第二十四圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、氮化氧矽層、第三感光材料、與一第三光罩之立體圖第二十五圖 係步驟(208)之詳細步驟流程圖；第二十六圖 係三維結構層模具之一第二基板與一第四感光材料之截面圖； 第二十七圖 係三維結構層模具之第二基板與第四感光材料之第二截面圖；第二十八圖 係三維結構層模具之第二基板、第四感光材料與一第四光罩之立體圖；第二十九圖 係三維結構層模具之第二基板與二個三維錐狀結構之截面圖；第三十圖 係三維結構層模具之第二基板、三維錐狀結構與一第二聚合物之截面圖；第三十一圖 係三維結構層模具之截面圖；第三十二圖 係步驟(214)之詳細步驟流程圖；及第三十三圖 係可二階段耦合之三維波導耦合器之第一基板、波導層、輔助光柵、二氧化矽層、氮化氧矽層、第一聚合物、三維結構層、與一第五光罩之立體圖。

1‧‧‧可二階段耦合之三維波導耦合器

11‧‧‧第一基板

111‧‧‧矽基板

112‧‧‧二氧化矽層

12‧‧‧波導層

13‧‧‧輔助光柵

14‧‧‧二氧化矽層

15‧‧‧氮化氧矽層

16‧‧‧三維結構層

Claims (14)

1. 一種可二階段耦合之三維波導耦合器，係包括：一第一基板；至少一波導層，係形成於該第一基板之上以作為光波之傳播層；至少一輔助光柵，係形成於該波導層之上，該輔助光柵可輔助地將光波導入波導層；至少一耦合介質層，係以覆蓋輔助光柵之方式而形成於波導層之上；及至少一三維結構層，係形成於該耦合介質層之上，且該三維結構層係為一類錐狀之結構，其截面積係沿水平方向遞減，使得三維結構層具有三維尺度之變化，因此，當光波於三維結構層內傳遞時，將由於三維結構層漸變之截面積，使得三維結構層與耦合介質層之傳播常數一致，而可有效率地將光波由三維結構層內直接地耦合進入耦合介質層，並且更進一步地，光波由耦合介質層再耦合進入波導層；其中，波導層之材料折射係數係高於耦合介質層與三維結構層之材料折射係數。
2. 如申請專利範圍第1項所述之一種可二階段耦合之三維波導耦合器，其中，該第一基板可為下列任一種：半導體-絕緣層(silicon-on-insulator)基板、氮化氧矽-絕 緣層(SiON-on-insultor)基板、氮化矽-絕緣層(SiN-on-insulator)基板、與半導體基板。
3. 如申請專利範圍第1項所述之一種可二階段耦合之三維波導耦合器，其中，該波導層之材料可為下列之任一種：矽(silicon,Si)、氮化矽(silicon nitride,SiN)、氮化；氧矽(silicon oxinitride,SiON)、與碳化矽(silicon carbine,SiC)。
4. 如申請專利範圍第1項所述之一種可二階段耦合之三維波導耦合器，其中，該耦合介質層之材料可為下列任一種：二氧化矽(silicon dioxide,SiO2)、氮化氧矽(silicon oxinitride,SiON)及二氧化矽與氮化氧矽之疊合。
5. 如申請專利範圍第1項所述之一種可二階段耦合之三維波導耦合器，其中，該三維結構層為一感光材料。
6. 一種可二階段耦合之三維波導耦合器之製造方法，係包括：(1)製備一第一基板；(2)於該第一基板之上形成一波導層；(3)使用一第一光罩於該波導層之上製作至少一輔助光柵；(4)使用一第二光罩將波導層製作成至少一柱狀波導層； (5)於該至少一柱狀波導層之上形成一二氧化矽層，以作為一第二耦合介質層；(6)於該二氧化矽層之上形成一氮化氧矽層作為一第一耦合介質層；(7)使用一第三光罩將該氮化氧矽層製作成至少一柱狀氮化氧矽層；(8)塗佈一第一聚合物於該至少一柱狀氮化氧矽層之上；(9)製備一三維結構層模具；(10)使用該三維結構層模具壓印該第一聚合物；(11)靜置三維結構層模具以待該第一聚合物硬化；(12)將三維結構層模具從該柱狀氮化氧矽層之上移除；(13)一三維結構層係形成於該柱狀氮化氧矽層之上；及(14)使用一第五光罩將該三維結構層製作成至少一楔形三維結構層。
7. 如申請專利範圍第6項所述之一種可二階段耦合之三維波導耦合器之製造方法，其中，該步驟(1)更包括：(11)製備一矽基板；(12)將該矽基板送入一爐管中；(13)於矽基板之表面形成一二氧化矽層。
8. 如申請專利範圍第6項所述之一種可二階段耦合之三維波導耦合器之製造方法，其中，該步驟(3)更包括以下步驟：(31)塗佈一第一感光材料於該波導層之上；(32)將具有至少一光柵圖形之該第一光罩置於該第一感光材料上方；(33)以曝光之方式，將該光柵圖形轉移至第一感光材料；(34)以顯影之方式，於第一感光材料上形成光柵圖形；及(35)以蝕刻之方式，製作出該輔助光柵。
9. 如申請專利範圍第6項所述之一種可二階段耦合之三維波導耦合器之製造方法，其中，該步驟(4)更包括以下步驟：(41)塗佈一第二感光材料於該波導層之上；(42)將具有至少一波導層圖形之該第二光罩置於該第二感光材料上方；(43)以曝光之方式，將該波導層圖形轉移至第二感光材料；(44)以顯影之方式，於第二感光材料上形成波導層圖形；及(45)以蝕刻之方式，將波導層製作成該柱狀波導層。
10. 如申請專利範圍第6項所述之一種可二階段耦合之三維波導耦合器之製造方法，其中，該步驟(5)係採用旋塗式玻璃法(spin-on glass,SOG)，於該柱狀波導層之上形成具有平整表面的該二氧化矽層。
11. 如申請專利範圍第6項所述之一種可二階段耦合之三維波導耦合器之製造方法，其中，該步驟(7)更包括以下步驟：(71)塗佈一第三感光材料於該氮化氧矽層之上；(72)將具有至少一柱狀氮化氧矽層圖形的該第三光罩置於該第三感光材料上方；(73)以曝光之方式，將該柱狀氮化氧矽層圖形轉移至第三感光材料；(74)以顯影之方式，於第三感光材料上形成柱狀氮化氧矽層圖形；及(75)以蝕刻之方式，將氮化氧矽層製作成該柱狀氮化氧矽層。
12. 如申請專利範圍第6項所述之一種可二階段耦合之三維波導耦合器之製造方法，其中，該步驟(9)更包括以下步驟：(81)製備一第二基板；(82)塗佈一第四感光材料於該第二基板之上；(83)壓印該第四感光材料，使其具有一特定角度； (84)使用一第四光罩將該第四感光材料製作成二個三維錐狀結構；(85)將第二基板對半切開，使其分別具有一個三維錐狀結構；(86)銜接兩個半切之第二基板，使該兩個三維錐狀結構形成相對之狀態；(87)於第二基板之上填入一第二聚合物；(88)靜置該第二聚合物一段時間；及(89)將第二聚合物由第二基板之上移除。
13. 如申請專利範圍第6項所述之一種可二階段耦合之三維波導耦合器之製造方法，其中，該步驟(14)更包括以下步驟：(141)將具有至少一楔形圖形之該第五光罩置於該三維結構層上方；(142)以曝光之方式，將該楔形圖形轉移至三維結構層；及(143)以顯影之方式，於三維結構層上形成楔形圖形。
14. 如申請專利範圍第6項所述之一種可二階段耦合之三維波導耦合器之製造方法，其中，該步驟(6)係採用電漿輔助化學氣相沈積(Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition,PECVD)以形成該氮化氧矽層於該二氧化矽層之上。