一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器及其制作方法技术

本发明专利技术涉及一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器及其制作方法，波导光栅耦合器包括光栅结构及波导结构，光栅结构由衬底、低折射率波导下包层、高折射率介质层、高折射率波导芯层和空气层构成，波导结构由衬底、低折射率波导下包层、高折射率波导芯层和空气层构成。其关键制备工艺包括：制作主模具和软副模具；制作光栅结构及波导结构的衬底和低折射率波导下包层；制作光栅结构的高折射率介质层；旋涂高折射率聚合物波导芯层材料。本发明专利技术实现工艺简单、成本低，能有效降低聚合物波导与普通单模光纤之间通过端面耦合方式进行对准的难度，有助于推动聚合物集成光子器件在光传感与光互连方面的应用研究。

【技术实现步骤摘要】
一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器及其制作方法
本专利技术涉及聚合物集成光子器件结构设计与制造
，特别涉及一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器及其制作方法。
技术介绍
光子集成技术已经在光传感以及光通信领域显示出巨大潜力。目前，该技术同时在几种不同的材料平台上发展，比如二氧化硅（SiO2）、绝缘体硅（SOI，Silicon-on-insulator）、磷化铟（InP，Indiumphosphide）以及有机聚合物等。相比于无机材料，有机聚合物集成光子器件在折射率可调控性、制备工艺简单性、低成本等方面具有明显优势。同时，材料本身柔韧性好的特点能够“天然”的为柔性集成光子芯片和光互连所利用，这也必然将是该领域下一步的研究热点。无论基于何种平台，光波导作为光的有效“载体”，均是集成光子器件的基础性原件。如何将光耦合进集成光波导是一项很具有挑战性的工作。传统的方法是光纤与波导间的直接端面耦合（Butt-coupling）。然而，这种方法具有许多的不足之处，比如对波导端面的质量要求很高（要求有很好的芯片解理和抛光工艺），对准的容忍度较差，容易受机械振动的干扰、模式失配导致插入损耗大等等。近来，在光波导上直接平面制备的波导光栅耦合器成为连接光纤与波导的另一座“桥梁”。这种光子器件结构可以有效的避免以上提到的端面耦合的诸多缺点，并且，它还拥有十分紧凑的结构尺寸，可以方便的设置在光子芯片表面上的任意地方，使得光子器件和链路的设计以及测试分析变得容易。然而到目前为止，几乎所有对波导光栅耦合器的研究都是建立在具有高折射率差的材料平台上，比如，绝缘体硅SOI在这方面已经取得了很大的进展。然而，相同的原理却很难被应用在折射率差较小的聚合物材料平台上。聚合物材料平台所能提供的折射率差通常只有百分之几或者千分之几，当然，特殊的光学聚合物除外。特别是，对于有限的报道过聚合物波导光栅耦合器的工作来说，通常也仅给出了能被光栅结构耦合出聚合物波导平面的向上传播的光能量。其中有多少光能量能与光纤，尤其是单模光纤耦合，仍然是一个没有解决的问题。这样的不足极大的限制了聚合物基集成光子器件乃至功能芯片在光传感及光互连方面的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器及其制作方法，该聚合物波导光栅耦合器的耦合效率高，其对应的制作方法简单，制作成本低。为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器，包括波导耦合光栅结构及波导结构，所述波导耦合光栅结构由衬底、低折射率波导下包层、高折射率介质层、高折射率波导芯层和空气层构成，所述波导结构由衬底、低折射率波导下包层、高折射率波导芯层和空气层构成，所述波导耦合光栅结构及波导结构一体化制作于同一衬底上，所述波导耦合光栅结构及波导结构通过高折射率波导芯层有效连接；根据具体应用目标，所述衬底材料可选择硅或其它与波导制备工艺相兼容的材料，包括石英、陶瓷或或柔性聚合物。进一步地，所述波导耦合光栅结构的衬底、低折射率波导下包层、高折射率波导芯层和空气层从下至上依次设置，根据设计参数不同，所述高折射率介质层可选择设置于低折射率波导下包层与高折射率波导芯层之间，或高折射率波导芯层与空气层之间；所述波导结构的衬底、低折射率波导下包层、高折射率波导芯层和空气层从下至上依次设置。进一步地，可通过光栅结构参数的调整，包括周期、深度、占空比、高折射率介质层材料、折射率、生长厚度，实现不同波段的空间光或光纤中传输的光与聚合物波导模式光之间的有效耦合；对于光通信波长1550nm，光栅周期的典型值为1.6-1.8微米，入射角度典型值为35-45度，所述聚合物波导光栅耦合器关键尺寸利用普通光刻掩膜板即可满足制备要求，有效降低光栅制备工艺中对光刻分辨率的要求。进一步地，所述波导耦合光栅结构可制作于聚合物集成光子功能芯片上的任意位置，不受端面所在位置限制；以集成芯片作为水平面，普通单模或者多模光纤与集成芯片法线方向成一定角度放置，可实现耦合。本专利技术还提供了上述光通信波段聚合物波导光栅耦合器的制作方法，包括以下步骤：步骤1：制作上端面结构形状与波导光栅耦合器半成品相同的主模具，所述波导光栅耦合器半成品由仅具有衬底和低折射率波导下包层的波导耦合光栅结构以及仅具有衬底和低折射率波导下包层的波导结构构成；步骤2：根据主模具，制作软副模具，所述软副模具下端面的结构形状与所述主模具上端面的结构形状相反以形成互补；步骤3：制作波导耦合光栅结构及波导结构的衬底和低折射率波导下包层；（301）清洗衬底，得到波导耦合光栅结构及波导结构的衬底；（302）在衬底上悬涂一定厚度的低折射率聚合物材料；（303）采用步骤2制得的下端面具有一定结构形状的软副模具对所述低折射率聚合物材料进行压印，压印的同时利用紫外光从上方透过软副模具对低折射率聚合物材料进行紫外光固化；（304）经过一定时间的紫外光固化，将所述软副模具与低折射率聚合物材料脱模分离，固化得到的低折射率聚合物材料上端面结构形状与软副模具下端面结构形状相反，即得到了波导耦合光栅结构及波导结构的低折射率波导下包层；（305）对低折射率聚合物下包层进一步热固化，得到具有衬底和低折射率波导下包层的波导耦合光栅结构及波导结构；步骤4：制作波导耦合光栅结构的高折射率介质层；（401）采用低温等离子体增强化学气相沉积法在步骤3制得的产品表面沉积一层高折射率介质层材料；（402）利用光刻及显影工艺将波导耦合光栅结构区域用光刻胶予以保护；（403）利用湿法腐蚀工艺移除非波导耦合光栅结构区域的高折射率介质层材料；（404）去除波导耦合光栅结构区域的光刻胶，得到波导耦合光栅结构的高折射率介质层；步骤5：在步骤4制得的产品上旋涂高折射率聚合物材料，得到波导耦合光栅结构及波导结构的高折射率波导芯层，从而完成波导光栅耦合器的制作。进一步地，步骤4中，利用低温等离子体增强化学气相沉积工艺，实现在低折射率波导下包层上沉积高折射率介质层，所述高折射率介质层包括氮化硅，且不对步骤3制得的产品表面结构形状产生影响；所提出光刻、显影以及湿法腐蚀三者结合的工艺，可以实现耦合光栅区高折射率介质层的选择性制备，以此实现光在普通单模或多模光纤与聚合物波导模式之间有效耦合的功能，并且同时保证聚合物波导中光的低损耗传输，具有工艺简单的特点。进一步地，该制作方法采用紫外透明的柔性软模具，并结合了紫外软压印技术和低温沉积技术，具备在同一衬底上一体化制备波导耦合光栅结构及波导结构的能力，且衬底材料具备多种不同选择，可选择硅或其它与波导制备工艺相兼容的材料，包括石英、陶瓷以及其它柔性衬底，对衬底表面平整性要求降低；该制作方法避免了其它更复杂的制备工艺流程，有效降低了工艺复杂度，使得聚合物器件乃至集成芯片的制备成本大为降低。进一步地，步骤1中，主模具的制作方法为：（101）清洗衬底，将光刻胶材料旋涂于衬底上，光刻胶厚度与所述波导光栅耦合器结构深度保持一致；（102）将涂覆有光刻胶的衬底片进行前道烘烤固化；（103）对该层光刻胶进行紫外曝光；（104）对曝光之后的产品进行后道烘烤；（105）经过光刻胶专用显影液的显影，得到所需要的结构形状，结构形状与波导光栅耦合器半成品相同；（106）进一步高温烘烤使光刻胶完全本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器，其特征在于，包括波导耦合光栅结构及波导结构，所述波导耦合光栅结构由衬底、低折射率波导下包层、高折射率介质层、高折射率波导芯层和空气层构成，所述波导结构由衬底、低折射率波导下包层、高折射率波导芯层和空气层构成，所述波导耦合光栅结构及波导结构一体化制作于同一衬底上，所述波导耦合光栅结构及波导结构通过高折射率波导芯层有效连接；根据具体应用目标，所述衬底材料可选择硅或其它与波导制备工艺相兼容的材料，包括石英、陶瓷或柔性聚合物。

【技术特征摘要】
1.一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器，其特征在于，包括波导耦合光栅结构及波导结构，所述波导耦合光栅结构由衬底、低折射率波导下包层、高折射率介质层、高折射率波导芯层和空气层构成，所述波导结构由衬底、低折射率波导下包层、高折射率波导芯层和空气层构成，所述波导耦合光栅结构及波导结构一体化制作于同一衬底上，所述波导耦合光栅结构及波导结构通过高折射率波导芯层有效连接；根据具体应用目标，所述衬底材料可选择硅或其它与波导制备工艺相兼容的材料，包括石英、陶瓷或柔性聚合物。2.根据权利要求1所述的一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器，其特征在于，所述波导耦合光栅结构的衬底、低折射率波导下包层、高折射率波导芯层和空气层从下至上依次设置，根据设计参数不同，所述高折射率介质层可选择设置于低折射率波导下包层与高折射率波导芯层之间，或高折射率波导芯层与空气层之间；所述波导结构的衬底、低折射率波导下包层、高折射率波导芯层和空气层从下至上依次设置。3.根据权利要求1或2所述的一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器，其特征在于，可通过光栅结构参数的调整，包括周期、深度、占空比、高折射率介质层材料、折射率、生长厚度，实现不同波段的空间光或光纤中传输的光与聚合物波导模式光之间的有效耦合；对于光通信波长1550nm，光栅周期的典型值为1.6-1.8微米，入射角度典型值为35-45度，所述聚合物波导光栅耦合器关键尺寸利用普通光刻掩膜板即可满足制备要求，有效降低光栅制备工艺中对光刻分辨率的要求。4.根据权利要求1或2所述的一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器，其特征在于，所述波导耦合光栅结构可制作于聚合物集成光子功能芯片上的任意位置，不受端面所在位置限制；以集成芯片作为水平面，普通单模或者多模光纤与集成芯片法线方向成一定角度放置，可实现耦合。5.如权利要求1所述的一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：制作上端面结构形状与波导光栅耦合器半成品相同的主模具，所述波导光栅耦合器半成品由仅具有衬底和低折射率波导下包层的波导耦合光栅结构以及仅具有衬底和低折射率波导下包层的波导结构构成；步骤2：根据主模具，制作软副模具，所述软副模具下端面的结构形状与所述主模具上端面的结构形状相反以形成互补；步骤3：制作波导耦合光栅结构及波导结构的衬底和低折射率波导下包层；（301）清洗衬底，得到波导耦合光栅结构及波导结构的衬底；（302）在衬底上悬涂一定厚度的低折射率聚合物材料；（303）采用步骤2制得的下端面具有一定结构形状的软副模具对所述低折射率聚合物材料进行压印，压印的同时利用紫外光从上方透过软副模具对低折射率聚合物材料进行紫外光固化；（304）经过一定时间的紫外光固化，将所述软副模具与低折射率聚合物材料脱模分离，固化得到的低折射率聚合物材料上端面结构形状与软副模具下端面结构形状相反，即得到了波导耦合光栅结构及波导结构的低折射率波导下包层；（305）对低...

【专利技术属性】
技术研发人员：王凌华，张雅珍，王少昊，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建,35