[發明專利]基于多層聚合物結構的硅波導模斑轉換器及其制備方法

在審

• 申請號: 201810107936.2
• 申請日: 2018-02-02
• 公開（公告）號: CN108132499A
• 公開（公告）日: 2018-06-08
• 發明（設計）人: 秦子翔;彭超;張仙;劉洋;溫雪沁;劉柳;陳偉
• 申請（專利權）人: 蘇州易纜微光電技術有限公司
• 主分類號: G02B6/14
• 分類號: G02B6/14;G02B6/122;G02B6/13
• 代理公司: 常州佰業騰飛專利代理事務所(普通合伙) 32231
• 代理人: 滕詣迪

本發明公開了一種基于多層聚合物結構的硅波導模斑轉換器及其制備方法，應用于硅納米線光波導與普通單模光纖的耦合。其結構采用集成光電子工藝方法制作，在絕緣體層上硅基底上，制作錐型硅波導，再利用光刻技術，在絕緣體層上，連續套刻三層材料為SU?8光刻膠的組合錐型光波導，最后沉積二氧化硅上包層實現模斑轉換器的制作。本發明通過所述三層SU?8光刻膠組合錐型光波導的錐型部分，將單模光纖耦合進入的模斑的大小在水平方向與豎直方向上縮減，并與反向錐型硅波導級聯，最終使光場耦合進入硅納米線波導中。本發明可以實現硅納米光波導與普通單模光纖直接進行端面連接，提高了與單模光纖模斑匹配度，提高了光耦合效率，便于大規模光路集成。

技術領域

本發明屬于光通信與光互連技術領域，更具體的涉及一種基于多層聚合物結構的硅波導模斑轉換器及其制備方法，用于解決硅基光子芯片與普通單模光纖的接口問題。

背景技術

由于采用了發展較為成熟的CMOS工藝，基于硅基平臺的光集成技術可為光互連提供一種低損耗、高性能的解決方案。擁有高折射率差的SOI平臺有利于建立尺寸更小、集成度更高的集成光器件，因此一直以來都受到廣泛的關注。然而對于硅基光子芯片來說一個亟需解決問題是如何低損耗地實現小尺寸的芯片內光信號與片外大尺寸的器件中光信號的耦合。硅基光波導的尺寸通常很小，其截面尺寸小于 0.5微米，而普通單模光纖的芯徑約為8-10微米，兩者尺寸相差較大，造成了嚴重的模場失配，從而引起很大的耦合損耗，因此需要在芯片上設計出特殊的模斑轉換器以提高耦合效率。

模斑轉換器有端面耦合和光柵耦合兩種方式。光柵耦合是一種波長敏感，封裝困難的耦合技術，其多用于芯片的測試。端面耦合是一種效率高且易于封裝的耦合方法，現有的技術中曾采用引入低折射率的中介直波導的方法，其折射率低于硅，因此中介波導的模場與光纖的模場更加匹配，使得光場可以相對高效地從光纖中耦合進中介波導。之后，再通過引入錐型的硅波導，其寬度在光場進入的界面較窄，使得光場主要集中在硅波導外，再隨著硅波導的逐漸加寬，從而使光場逐漸耦合進入硅波導中。在中介波導材料的選擇上，SU-8膠是一種穩定的聚合物，已經廣泛應用于各種光電芯片產品。它是一種負性厚光刻膠，具有良好的光敏性、抗化學腐蝕性和熱穩定性等優點。它在近紫外光范圍內光吸收度很低，且整個光刻膠層所獲得的曝光量均勻一致，可得到具有垂直側壁和高深寬比的厚膜圖形，可以形成臺階等結構復雜的圖形。直接采用SU-8光刻膠來制備深寬比高的微結構與微零件是一種靈活且成本低廉的方案。但通常的中介波導波導尺寸仍與單模光纖有一定差距，因此耦合效率仍然不高。如何進一步擴大中介波導尺寸，提高光纖耦合效率，同時仍然保持光可以耦合進入錐型的硅波導，是具有一定挑戰性的。

因此，采用合理的材料設計一種封裝工藝簡單、與普通單模光纖耦合效率高的硅基模斑轉換器是具有重要意義的。

發明內容

1、發明目的。

本發明提出了一種基于多層聚合物結構的硅波導模斑轉換器及其制備方法，以解決現有技術中模斑轉換器與普通單模光纖耦合效率低的問題，實現提高硅波導模斑轉換器的耦合效率。

2、本發明所采用的技術方案。

本發明提出了一種基于多層聚合物結構的硅波導模斑轉換器，包括：上包層，絕緣體層，襯底，第一光波導，第二光波導，第三光波導，第四光波導，所述絕緣體層置于所述襯底上，所述第一光波導置于所述絕緣體層上，所述第二光波導置于所述絕緣體層上并包裹所述第一光波導，所述第三光波導置于所述第二光波導上，所述第四光波導置于所述第三光波導上；所述第二光波導、所述第三光波導與所述第四光波導相向設置，所述第一光波導與第二光波導相對設置；所述第一光波導與所述第二光波導相對的一側均為錐型，所述第三光波導、第四光波導與第二光波導相向的一側為錐型，所述上包層置于所述絕緣體層上并包裹住所述第二光波導、所述第三光波導及所述第四光波導。

進一步的，還包括支撐體，所述支撐體設置于所述絕緣體層上，所述第二光波導、第三光波導、第四光波導均放置在所述支撐體之間，所述上包層(1)包裹住所述支撐體(8)。