TWI565992B - 光波導透鏡及其製造方法 - Google Patents

光波導透鏡及其製造方法 Download PDF

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Description

光波導透鏡及其製造方法
本發明涉及一種光波導透鏡及其製造方法。
集成光學中普遍採用方向性較佳的雷射作為光源，然而雷射發出的光束仍具有一定的發散角，如果直接讓光源與光學元件對接，光束中的發散光線將無法進入光學元件，光利用率低。為了增加光利用率，一般會在原有的光學元件的基礎上鍍一層高折射率薄膜，但是選擇能夠跟原有的光學元件相匹配並且成本低的薄膜相當困難。
有鑒於此，有必要提供一種能夠提高光利用率且制程簡單，製造成本低的光波導透鏡及其製造方法。
一種光波導透鏡，其包括一基底、一形成於該基底上的平板光波導及一形成於該平板光波導上的介質光柵。該平板光波導用於與一雷射光源對接以接收該雷射光源發出的雷射光束，該介質光柵沿平行於該雷射光束的入射方向設置，並與該平板光波導構成一衍射型光波導透鏡以會聚該雷射光束。
一種製造上述光波導透鏡的製造方法，其包括以下步驟： 提供基底；在該基底上形成平板光波導；在該平板光波導上鍍上一遮擋層；將設置有該遮擋層的基底浸入第一種蝕刻液中進行濕式蝕刻形成介質光柵；及去掉該遮擋層形成光波導透鏡。
本發明的光波導透鏡及其製造方法，該平板光波導載入該介質光柵的部分的等效折射率變大，提高了光利用率，而且不需要再採用高折射率薄膜，避免了選擇低成本高折射率薄膜來與基板匹配的問題，另外採用藉由在基底上設置遮擋層，再進行濕蝕刻，整個制程簡單，製造成本低。
100‧‧‧光波導透鏡
110‧‧‧基底
111‧‧‧頂面
112‧‧‧側面
120‧‧‧平板光波導
130‧‧‧介質光柵
131‧‧‧第一介質部
132‧‧‧第二介質部
210‧‧‧遮擋層
211‧‧‧第一遮擋部
212‧‧‧第二遮擋部
20‧‧‧雷射光源
21‧‧‧雷射光束
30‧‧‧光學元件
圖1為本發明提供的光波導透鏡的結構示意圖。
圖2為圖1的光波導透鏡沿線II-II的剖面示意圖。
圖3為圖1中的介質光柵的平面示意圖。
圖4為本發明提供的光波導透鏡的製造方法的制程示意圖。
圖5為本發明提供的光波導透鏡的製造方法的流程圖。
下面將結合附圖對本發明實施方式作進一步的詳細說明。
請一並參閱圖1及圖2，本發明實施方式提供的光波導透鏡10包括一基底110、一形成於該基底110上的平板光波導120及一形成於 該平板光波導120上的介質光柵130。該平板光波導120用於與一雷射光源20對接以接收該雷射光源20發出的雷射光束21。該介質光柵130沿平行於該雷射光束21的入射方向設置，並與該平板光波導120構成一衍射型光波導透鏡以會聚該雷射光束21。
該介質光柵130與該平板光波導120構成載入型光波導，該平板光波導120載入該介質光柵130的部分的等效折射率變大。如此，藉由合理設置該介質光柵130的結構，例如設置成啁啾光柵便可構成一啁啾光柵類型的衍射型光波導透鏡。
該基底110基本呈矩形，並包括一頂面111及一與該頂面111連接的側面112。考慮到鈮酸鋰擴散金屬鈦(單質)可以形成折射率漸變型的載入光波導，因此，該基底110的材料採用鈮酸鋰晶體。
該平板光波導120藉由向該頂面111鍍上金屬鈦後高溫將金屬鈦擴散入該基底110而形成。如此，在載入該介質光柵130後，該平板光波導120的折射率發生漸變，是產生啁啾光柵類型的衍射型光波導透鏡的有利條件。在本實施方式中，對應該基底110的形狀，該平板光波導120為矩形，該頂面111即為該平板光波導120的頂面，該側面112為該平板光波導120的側面。
該介質光柵130藉由從該平板光波導120的頂面(即該頂面111)蝕刻該平板光波導120而形成，因此材料也為擴散有金屬鈦的鈮酸鋰晶體。該介質光柵130可以是一啁啾光柵。具體的，該介質光柵130是一啁啾光柵，其包括一位於中間的第一介質部131及複數對稱分佈於該第一介質部131兩側的第二介質部132，該第一介質部131及該第二介質部132的數量之和為奇數，該第一介質部131與複數第二介質部132均為矩形且互相平行設置，該第一介質部 131的寬度大於每個第二介質部132的寬度，且從該第一介質部131到遠離該第一介質部131的方向，該複數第二介質部132的寬度逐漸變小，而該第二介質部132與第一介質部131及相鄰兩個第二介質部132之間的間隙也有逐漸變小。
請參閱圖3，本實施方式中，以該第一介質部131的寬度方向的中心點的連線作為對稱軸O，該介質光柵130的寬度方向為x軸，該對稱軸O於x軸的相交點為原點，沿該對稱軸O到遠離該對稱軸O的方向為x軸正向，以該雷射光束21在x處與原點處的相位差為y軸，根據平板光波導波動理論可得： ，其中x>0，則該介質光柵130的第n個 邊界x n 滿足如下條件：，其中，n為正 整數，y n =nπ(為構成該衍射型光波導透鏡)，a及k為常數與該衍射型光波導透鏡的焦距相關。如此，可推得：。而x<0的情況，即該對稱軸O左邊的該介質光柵130的邊界可藉由對稱性獲得。
該雷射光源20採用分散式回饋雷射器(distributed feedback laser,DFB)，其屬於側面發射的半導體雷射器，可以藉由晶片焊接(die bond)方式將發光的側面直接焊接到該側面112上，以使該雷射光束21沿該對稱軸O入射。當然，該雷射光源20也可以採用其他類型雷射光源，並藉由其他方式設置，只要保證其可沿 該對稱軸O出射該雷射光束21即可。
所述光波導透鏡10還進一步包括一設置於該介質光柵130的出光側的光學元件30，以會聚從該介質光柵130出射的光。該光學元件30可以為條狀光波導、光纖或者分光器(splitter)。本實施方式中，該光學元件30為條狀光波導。
請一並參閱圖4及圖5，上述光波導透鏡10的製造方法，其包括以下步驟：
S10：提供基底110；
S12：在該基底110的頂面111上形成平板光波導120；
S14：在該平板光波導120上鍍上一遮擋層210；其中，該遮擋層210包括一位於中間的第一遮擋部211及複數對稱分佈於該第一遮擋部211兩側的第二遮擋部212。該第一遮擋部211與該第二遮擋部212的數量之和為奇數，且該第一遮擋部211與該複數第二遮擋部212互相平行設置，該第一遮擋部211的寬度大於每個第二遮擋部212的寬度，且從該第一遮擋部211到遠離該第一遮擋部211的方向，該複數第二遮擋部212的寬度逐漸變小，而該第二遮擋部212與該第一遮擋部211及相鄰兩個該第二遮擋部212的間隙也逐漸變小。其中，該第一遮擋部211與該第二遮擋部212的採用鉻金屬。具體地，是先在該平板光波導120上整個表面旋轉鍍上遮擋部分，再利用曝光顯影的方式留下該遮擋層210。
S16：將設置有該遮擋層210的基底110浸入第一種蝕刻液中進行濕式蝕刻形成介質光柵130；由於該基底110為鈮酸鋰晶體，則該第一種蝕刻液為氫氟酸。在 蝕刻過程中，由於該基底110的一部分被該遮擋層210所覆蓋，被覆蓋的部分以及該遮擋層210均不會被蝕刻掉。
S18：去掉該遮擋層210形成光波導透鏡10；具體是將該遮擋層210浸入第二種蝕刻液中。本實施方式中，該第二種蝕刻液為含有硝酸的鉻蝕刻液。
上述光波導透鏡及其製造方法，該介質光柵與該平板光波導構成載入型光波導(strip/grating loaded waveguide)，該平板光波導載入該介質光柵的部分的等效折射率變大。如此，藉由合理設置該介質光柵的結構，例如設置成啁啾光柵(chirped grating)便可構成一啁啾光柵類型的衍射型光波導透鏡，不需要再採用高折射率薄膜，避免了選擇低成本高折射率薄膜來與基板匹配的問題，並且藉由在基底上設置遮擋層，再進行濕蝕刻，整個制程簡單，製造成本低，較適合量產。
另外，本領域技術人員還可在本發明精神內做其他變化，當然，這些依據本發明精神所做之變化，都應包括在本發明所要求保護之範圍之內。
10‧‧‧光波導透鏡
110‧‧‧基底
111‧‧‧頂面
112‧‧‧側面
120‧‧‧平板光波導
130‧‧‧介質光柵
131‧‧‧第一介質部
132‧‧‧第二介質部
20‧‧‧雷射光源
30‧‧‧光學元件

Claims (9)

  1. 一種光波導透鏡，其包括一基底、一形成於該基底上的平板光波導及一形成於該平板光波導上的介質光柵，該平板光波導用於與一雷射光源對接以接收該雷射光源發出的雷射光束，該介質光柵沿平行於該雷射光束的入射方向設置，並與該平板光波導構成一衍射型光波導透鏡以會聚該雷射光束，其中，該介質光柵的寬度方向為x軸，該第一介質部的寬度方向的中心點的連線作為對稱軸，該對稱軸與x軸的相交點為原點，沿該對稱軸到遠離該對稱軸的方向為x軸正向，以該雷射光束在x處與原點處的相位差為y軸，根據平板光波導波動理論可得：，其中x>0，則該介質光柵的第n個邊界 x n 滿足如下條件：，其中，n為正整數y n =nπ，a及k為常數與該衍射型光波導透鏡的焦距相關。
  2. 如請求項1所述之光波導透鏡，其中，該基底的材料採用鈮酸鋰晶體。
  3. 如請求項1所述之光波導透鏡，其中，該基底基本呈矩形，並包括一頂面及一與該頂面連接的側面，該平板光波導藉由向該頂面鍍上金屬鈦後高溫將金屬鈦擴散入該基底而形成，該平板光波導為矩形，該頂面即為該平板光波導的頂面，該側面為該平板光波導的側面。
  4. 如請求項3所述之光波導透鏡，其中，該介質光柵藉由從該平板光波導的頂面蝕刻該平板光波導而形成。
  5. 如請求項3所述之光波導透鏡，其中，該介質光柵是一啁啾光柵，其包括 一位於中間的第一介質部及複數對稱分佈於該第一介質部兩側的第二介質部，該第一介質部及該第二介質的數量之和為奇數，該第一介質部與複數第二介質部均為矩形且互相平行設置，該第一介質部的寬度大於每個第二介質部的寬度，且從該第一介質部到遠離該第一介質部的方向，該複數第二介質部的寬度逐漸變小，而該第二介質部與第一介質部及相鄰兩個第二介質部之間的間隙也有逐漸變小。
  6. 一種製造如請求項1~5任一項所述之光波導透鏡的製造方法，其包括以下步驟：提供基底；在該基底上形成平板光波導；在該平板光波導上鍍上一遮擋層；將設置有該遮擋層的基底浸入第一種蝕刻液中進行濕式蝕刻形成介質光柵，其中，該介質光柵的寬度方向為x軸，該第一介質部的寬度方向的中心點的連線作為對稱軸，該對稱軸與x軸的相交點為原點，沿該對稱軸到遠離該對稱軸的方向為x軸正向，以該雷射光束在x處與原點處的相位差為y軸，根據平板光波導波動理論可得：，其中x>0，則該介質光柵的第n個邊界x n 滿足如下條件：，其中，n為正整數，y n =nπ，α及k為常數與該衍射型光波導透鏡的焦距相關；及去掉該遮擋層形成光波導透鏡。
  7. 如請求項6所述之光波導透鏡的製造方法，其中，該基底為鈮酸鋰晶體，則該第一種蝕刻液為氫氟酸。
  8. 如請求項6所述之光波導透鏡的製造方法，其中，該遮擋層包括一位於中間的第一遮擋部及複數對稱分佈於該第一遮擋部兩側的第二遮擋部，該第一遮擋部與該第二遮擋部的數量之和為奇數，且該第一遮擋部與該複數第二遮擋部互相平行設置，該第一遮擋部的寬度大於每個第二遮擋部的寬度，且從該第一遮擋部到遠離該第一遮擋部的方向，該複數第二遮擋部的寬度逐漸變小，而該第二遮擋部與該第一遮擋部及相鄰兩個該第二遮擋部的間隙也逐漸變小。
  9. 如請求項6所述之光波導透鏡的製造方法，其中，該遮擋層採用鉻金屬，將該遮擋層均浸入第二種蝕刻液中去掉，該第二種蝕刻液為含有硝酸的鉻蝕刻液。
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