基于双层聚合物波导的模斑转换器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于双层聚合物波导的波导模斑转换器及其制备方法，包括衬底，绝缘体层，第一光波导，第二光波导，第三光波导、第一支撑体、第二支撑体；所述绝缘体层置于所述衬底上，所述第一光波导置于所述绝缘体层上，所述第二光波导置于所述绝缘体层上并包裹所述第一光波导，所述第三光波导置于所述第二光波导上；所述第一支撑体一侧为锯齿形结构并置于所述绝缘体上，所述第二支撑体置于所述第一支撑体上，并覆盖第一支撑体形成高度渐变支撑体，所述第一光波导、第二光波导、第三光波导形成的多层光波导结构置于两个高度渐变支撑体之间。本发明专利技术可以实现单模光纤和硅基光子芯片的端面连接传输，提高了光耦合效率，便于实现大规模的集成光路。

Modal pattern converter based on double-layer polymer waveguide and its preparation method

The invention discloses a waveguide pattern converter based on a double-layer polymer waveguide and a preparation method thereof, including a substrate, an insulator layer, a first optical waveguide, a second optical waveguide, a third optical waveguide, a first support and a second support; the insulator layer is placed on the substrate, the first optical waveguide is placed on the insulator layer, and the second optical waveguide is placed on the insulator layer. The first optical waveguide is wrapped on the body layer, the third optical waveguide is placed on the second optical waveguide, the first supporting body is serrated on one side and placed on the insulator, the second supporting body is placed on the first supporting body, and the first supporting body is covered to form a highly gradient supporting body, and the first optical waveguide, the second optical waveguide and the third optical waveguide form more than one. The layered optical waveguide structure is placed between two high gradient supports. The invention can realize end-to-end connection transmission of single-mode optical fibers and silicon-based photonic chips, improve optical coupling efficiency, and facilitate large-scale integrated optical path.

【技术实现步骤摘要】
基于双层聚合物波导的模斑转换器及其制备方法
本专利技术涉及光通信与光互连
，具体为一种基于双层聚合物波导的模斑转换器及其制备方法。
技术介绍
目前大规模集成电路的工艺已经很成熟，已经到了纳米的级别。其主流技术CMOS的集成度按照摩尔定律大约每18个月翻一番。集成度的提高使芯片的功能越来越强大。但是，随着器件特征尺寸的不断缩小，特别是进入纳米尺度的范围后，集成电路的这种一维发展模式面临着一系列物理限制的挑战，这些挑战有来自于基本物理规律的物理极限，也有来自于材料、技术、器件和系统方面的物理限制。而且当前，以“云计算”、“物联网”、“大数据”为代表的新型信息化技术的出现，使得对高速率、低功耗的数据处理与传输技术的需求更为迫切，通信容量的爆炸式增长促进了光子技术的发展，普遍认为以硅材料为基底的硅基光子器件与集成技术具有低功耗、高速率、结构紧凑等突出优势，将成为解决信息网络所面临的功耗、速率、体积等方面瓶颈的关键技术。首先，光以其特有的速度、带宽和低功耗优势在网络传输中已经居于主导，并且开始应用于近距离的机柜间、芯片间、甚至芯片内的互联。然而对于硅基光芯片来说，如何能够让光信号低损耗的与外部器件进行耦合，进行信号传输仍是一个亟待解决的问题。硅基光波导的尺寸通常很小，其尺寸约为1um，而普通单模光纤的芯径约为9-10um，两者尺寸相差很大。很容易产生模场失配，从而造成较大的耦合损耗，因此需要设计出特殊结构的基于双层聚合物波导的模斑转换器来解决耦合损耗过大的问题，从而提高耦合效率。该专利技术基于双层聚合物波导的模斑转换器采用的是端面耦合的方式，端面耦合是一种耦合效率高且易于封装的耦合技术。端面耦合时光波导的模场与单模光纤的模场更加匹配，光场可以高效的从硅基芯片上耦合进入外部单模光纤，从而实现与外部器件的互连。这里制作光波导的材料选择的是SU-8光刻胶，SU-8光刻胶是一种环氧型的、近紫外光负光刻胶，目前已经商业化的SU-8光刻胶有美国的MicrolithographyChemical公司生产的SU-8光刻胶。SU-8光刻胶可以做出高深宽比的结构，目前报道的已经可以做到高宽比为15：1。此光刻胶在近紫外范围内光吸收率低，这使得它在整个光刻胶厚度上都有较好的曝光均匀性，可以得到很好的垂直侧壁和高深宽比的结构。采用SU-8光刻胶来制备高深宽比的基于双层聚合物波导的模斑转换器是一种灵活而且成本相对较低的方案。一般的光波导模斑转换器，为了实现硅基光子芯片与外部单模光纤的高效率耦合，光波导需要多层叠加套刻，以满足硅基光波导的输出端面与外部单模光纤在同一水平面内。为了实现高效率耦合有时甚至需要进行3层以上光波导之间的套刻，这不仅增加了制作的难度而且费时、费力，而且上下层光波导套刻时很容易出现套刻偏差，造成上下层光波导之间不能保持对准，容易造成不必要的损耗。
技术实现思路
1、专利技术目的本专利技术提出一种基于双层聚合物波导的模斑转换器及其制备方法，很好的解决多层套刻时所遇到的对不准、浪费资源的问题。2、本专利技术采用的技术方案本专利技术公开了一种基于双层聚合物波导的模板转换器，包括衬底，绝缘体层，第一光波导，第二光波导，第三光波导、第一支撑体、第二支撑体；所述绝缘体层置于所述衬底上，所述第一光波导置于所述绝缘体层上，所述第二光波导置于所述绝缘体层上并包裹所述第一光波导，所述第三光波导置于所述第二光波导上，三个光波导形成多层光波导结构；所述第二光波导、第三光波导的锥形结构相向设置；所述第一光波导与所述第二光波导的锥形结构相对设置；所述第一支撑体一侧为锯齿形结构并置于所述绝缘体上，所述第二支撑体置于所述第一支撑体上，并覆盖第一支撑体形成高度渐变支撑体，所述第一光波导、第二光波导、第三光波导形成的多层光波导结构置于两个高度渐变支撑体之间。更进一步，还包括上包层，位于第三光波导上。更进一步，所述衬底为硅。更进一步，所述第一光波导为硅，厚度在300nm以下。更进一步，所述第二光波导为SU-8光刻胶，厚度在2-4um之间，非锥形的一侧宽度在11-13um之间。更进一步，所述第三光波导为SU-8光刻胶，厚度在6-8um之间，非锥形的一侧宽度在11-13um之间。更进一步，所述第一支撑体为SU-8光刻胶，厚度在2-4um之间，所述第一支撑体与所述第二光波导、所述第三光波导锥形结构相向的一侧为锯齿状结构，支撑体的面积越来越小。更进一步，所述第二支撑体为SU-8光刻胶，厚度在6-8um之间。更进一步，所述第二光波导、所述第三光波导非锥形的一侧宽度相等。本专利技术提出了一种基于双层聚合物波导的模斑转换器的制备方法，包括以下步骤：步骤1、在衬底上生长绝缘体层；步骤2、在绝缘体层上采用电子束曝光技术制作第一光波导；步骤3、在步骤制得片子上旋涂SU-8光刻胶，形成第二光波导、第一支撑体对应的SU-8光刻胶层，采用紫外曝光技术在该层光刻胶上制作出第二光波导、以及分布在第二光波导左右两侧，与第二光波导等高的第一支撑体；步骤4、在步骤制得的片子上旋涂SU-8光刻胶，形成第三光波导、第二支撑体对应的SU-8光刻胶层，采用紫外曝光技术在该层光刻胶上制作出第三光波导、以及分布在第三光波导左右两侧，与第三光波导等高的第二支撑体；步骤5、在步骤制得的片子上沉积上包层二氧化硅。3、本专利技术所产生的技术效果(1)本专利技术通过叠加的多层锥形光波导，使得硅基光子芯片可以和外部的单模光纤高效率的耦合。(2)本专利技术使用SU-8光刻胶作为波导材料，并采用支撑体结构，且第一层支撑体采用一端为锯齿状局部覆盖到完全覆盖的渐变结构，当第二层波导进行光刻显影后在此处会形成支撑体及波导整体上的一个高度渐变，渐变的范围为下层即第一层波导的厚度。这样的一个高度渐变可以将光信号由高处引向低处，利用SU-8光刻胶可以制得高深宽比的特性，可以减少波导的多层套刻，从而大大降低了多层套刻时所遇到的对不准的问题，而且大大节约了资源。(3)本专利技术的制作方法中，首先制作波导逐渐变细处的支撑体，并非是完全覆盖衬底，而是覆盖的面积逐渐减少，其表现为锯齿状局部覆盖到完全覆盖渐变结构，在匀上一层光刻胶，上层光刻胶会填充下层的空缺处，之前已经有光刻胶的地方会再匀上一层，支撑体及光波导整体上形成一个光刻胶在高度上的渐变。(4)本专利技术提出的第一支撑体7和第二支撑体8的特殊结构设计，配合多层波导的结构，可以形成支撑体及光波导整体上的高度渐变。而且在制作完成后起到对多层光波导的保护支撑作用，同时在加工过程中缓解了各工艺步骤对波导结构的相对位置的冲击，使得结构更加稳定。附图说明：下面对说明书附图所表达的内容做简要说明：图1是本专利技术基于双层聚合物波导的模斑转换器的示意图。为清楚的展示光波导的结构，省略支撑体和上包层。图2是本专利技术基于双层聚合物波导的模斑转换器的光波导支撑体示意图。图3是本专利技术制备方法步骤2所得中间结构侧面示意图。图4是本专利技术制备方法步骤2所得中间结构俯视示意图。图5是本专利技术制备方法步骤2所得中间结构端面示意图。图6是本专利技术制备方法步骤3所得中间结构侧面示意图。图7是本专利技术制备方法步骤3所得中间结构俯视示意图。图8是本专利技术制备方法步骤3所得中间结构端面示意图。图9是本专利技术制备方法步骤4所得中间结构侧面示意图。图10是本专利技术制备方法步骤4所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于双层聚合物波导的模斑转换器，其特征在于：包括衬底(1)，绝缘体层(2)，第一光波导(3)，第二光波导(4)，第三光波导(5)、第一支撑体(7)、第二支撑体(8)；所述绝缘体层(2)置于所述衬底(1)上；所述第一光波导(3)置于所述绝缘体层(2)上，所述第二光波导(4)置于所述绝缘体层(2)上并包裹所述第一光波导(3)，所述第三光波导(5)置于所述第二光波导(4)上，三个光波导形成多层光波导结构；所述第二光波导(4)、第三光波导(5)的锥形结构相向设置；所述第一光波导(3)与所述第二光波导(4)的锥形结构相对设置；所述第一支撑体(7)一侧为锯齿形结构并置于所述绝缘体(2)上，所述第二支撑体(8)置于所述第一支撑体(7)上，并覆盖第一支撑体(7)形成高度渐变支撑体；所述第一光波导(3)、第二光波导(4)、第三光波导(5)形成的多层光波导结构置于两个高度渐变支撑体之间。

【技术特征摘要】
1.一种基于双层聚合物波导的模斑转换器，其特征在于：包括衬底(1)，绝缘体层(2)，第一光波导(3)，第二光波导(4)，第三光波导(5)、第一支撑体(7)、第二支撑体(8)；所述绝缘体层(2)置于所述衬底(1)上；所述第一光波导(3)置于所述绝缘体层(2)上，所述第二光波导(4)置于所述绝缘体层(2)上并包裹所述第一光波导(3)，所述第三光波导(5)置于所述第二光波导(4)上，三个光波导形成多层光波导结构；所述第二光波导(4)、第三光波导(5)的锥形结构相向设置；所述第一光波导(3)与所述第二光波导(4)的锥形结构相对设置；所述第一支撑体(7)一侧为锯齿形结构并置于所述绝缘体(2)上，所述第二支撑体(8)置于所述第一支撑体(7)上，并覆盖第一支撑体(7)形成高度渐变支撑体；所述第一光波导(3)、第二光波导(4)、第三光波导(5)形成的多层光波导结构置于两个高度渐变支撑体之间。2.根据权利要求1所述的基于双层聚合物波导的模斑转换器，其特征在于：还包括上包层(6)，位于第三光波导(5)上。3.根据权利要求1所述的基于双层聚合物波导的模斑转换器，其特征在于：所述衬底(1)为硅。4.根据权利要求3所述的基于双层聚合物波导的模斑转换器，其特征在于，所述第一光波导(3)为硅，厚度在300nm以下。5.根据权利要求1所述的基于双层聚合物波导的模斑转换器，其特征在于，所述第二光波导(4)为SU-8光刻胶，厚度在2-4um之间，非锥形的一侧宽度在11-13um之间。6.根据权利要求1所述的基于双层聚合物波导的模斑转换器，其特征在于，所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：张仙，温雪沁，刘柳，陈伟，
申请(专利权)人：苏州易缆微光电技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32