一种基于激光阶梯刻蚀法在光波导侧面加工凹反射面的方法与流程

本发明涉及微加工制造领域，提出了一种基于激光阶梯刻蚀法在光波导侧面加工凹反射面的方法。

背景技术：

随着宽带通信、超级计算机及大数据中心的高速发展，传统的印刷电路板(printedcircuitboard,pcb)互连技术显露出在高速带宽(50gbps)处理能力的瓶颈，而基于pcb的光互连背板技术因具有高带宽、低能耗、无电磁干扰、低成本等诸多优势得到了快速发展，有望成为未来子板与背板、背板内、模块间的主流互连方式。

在光互连背板技术应用中，如何实现光器件-光波导或光纤-光波导之间的高效耦合是其关键技术之一，尤其垂直耦合更为重要，因为它可以充分利用空间、便于集成。目前，实现垂直耦合的方法主要有倾斜镜面反射法(把光波导加工成斜面)、耦合元件嵌入法(带有斜面的耦合元件嵌入到光波导中)、软波导法(在背板中光波导剥离引申出来，可自由弯曲)、弯曲光纤法(把光纤弯曲组合成耦合模块嵌入到光波导中)、波导光栅法(在光波导上制备光栅实现垂直耦合)等，其中，倾斜镜面反射法是一种常用的方法。虽然这些方法都能够实现垂直耦合，但往往由于光源、光纤或光波导这些光学器件的数值孔径不匹配而造成一定的耦合损耗，因此，又发展了一种带有具有汇聚作用的凹面镜或凸透镜的耦合器件，以此实现高效率的垂直耦合。在具有光束汇聚作用的耦合技术中，更多的是把带有凹面镜或凸透镜的耦合元件嵌入到光背板中，这又加大了制备、耦合封装和定位等难度。因此，有必要发展一种制作简单、高耦合效率、成本低廉的光互连垂直耦合器件，在背板光波导上直接制备凹面镜是一种非常具有前景的技术方案。

目前，在背板光波导上加工斜面镜的方法主要有金刚石切割法、模具压印法、光刻法、激光刻蚀法等，但在光波导上加工凹面镜的方法发展缓慢。专利(公开号：cn1272182a)提出一种化学腐蚀法制备凹面镜，通过在基片上进行化学腐蚀，覆盖光刻胶的区域形成凹面结构，再经过涂下包层、镀铝膜、涂芯层等流程，形成带有凹面镜的光波导垂直耦合系统，此种制备方法具有精度低，工艺复杂等问题；专利(公开号：cn103395739a)提出一种利用水分子不侵性制备凹面镜的方法，该方法需要在基底表面分布亲疏水差异的材料，实现液滴在基底表面的图形化分布，以液滴为模具，利用材料的致密性获得凹面，此种制备方法对材料要求高，且液滴形状难以控制，因此存在工艺复杂、精度不高的缺点。上述两种凹面镜的制备方法对光背板大工业生产并不实用，有鉴于此，需要一种更为简单有效、且适用于大工业生产的凹面镜制备方法，既可以实现垂直耦合又能提高耦合效率。

技术实现要素：

本发明拟解决光波导-光纤垂直耦合时由于数值孔径不匹配而造成耦合效率低下的问题，提出了一种基于激光阶梯刻蚀法在光波导侧面加工凹反射面的方法。本方法加工流程简单，加工精度高，可批量生产。为达到上述目的，本发明的构思是：在光波导侧面确定若干、连续的、其轴向在一条直线的子加工区域，这若干子加工区域组成一个总加工区域；每一个子加工区域确定至少两个或部分重合的加工区域，并根据所要加工成具体的凹面形状确定加工深度，以此形成规则的阶梯反射面；根据需要每个子加工区域的阶梯个数、阶梯宽度、阶梯深度需要特别设定，可以相同也可以不同，由此，总加工区域形成连续的、但各子加工区域具有不同最大深度的阶梯凹反射面，这个阶梯凹反射面可作为光波导凹面反射镜。加工时，激光每定点刻蚀完成后，便沿设定方向移动一定距离再次刻蚀，但要确保移动前后的刻蚀区域具有重叠，前后两次刻蚀具有不同的深度，以至形成阶梯状，重复这个加工步骤，在加工区域最终形成阶梯凹反射面。根据需要，阶梯凹反射面可加工成抛物线面、双曲面、圆面、自由曲面等形态。每个子加工区域都是阶梯状的打标重叠区域，通过控制阶梯个数、阶梯深度、阶梯宽度，即可控制所刻蚀凹面的曲率，焦点等参数。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种基于激光阶梯刻蚀法在光波导侧面加工凹反射面的方法，其操作步骤如下：1)确定子加工区域个数及总加工区域：在光波导侧面确定若干、连续的、其轴向在一条直线的子加工区域，而这若干子加工区域组成一个总加工区域；2)确定加工参数：根据所刻蚀的具体凹面形状(比如抛物线、双曲线、圆弧、自由曲线)，确定每个子加工区域的最大深度，以此确定每个子加工区域所要加工的阶梯个数、阶梯宽度、阶梯深度；3)对各子加工区域分别进行加工：具体刻蚀时，每一个子加工区域确定至少两个或部分重合区域，重合区域的刻蚀深度为前次刻蚀非重合区域刻蚀深度的2倍，由此形成规则的阶梯反射面；4)总加工区域形成双侧阶梯凹反射面：当刻蚀完成后，所加工的各子加工区域的阶梯反射面连续，但具体的阶梯形状有所不同，以此总体形成各子区域具有不同最大深度且和凹面形状最大深度一一对应的阶梯状反射凹面，所加工形状为双侧阶梯凹面反射面，一侧阶梯凹反射面可作为光波导凹面反射镜。5)去除一侧不需要的阶梯凹反射面：对双侧阶梯凹反射面进行处理，可以通过后期定点刻蚀或在不需要区域添加金属片用以遮挡激光的方式，获得单侧阶梯凹反射面。

所述确定子加工区域个数及总加工区域，在确保总加工区域一定时，所确定的子加工区域个数越多，所加工的阶梯反射凹面越接近于所要设计的凹面形状，其反射聚焦效果就越好。

所述确定加工参数，可以选择两种加工方式加工成所要设计的凹面形状，一种方式为：控制阶梯个数依次递减、阶梯宽度依次递减、但阶梯深度相同，另一种方式为：控制阶梯个数相同、阶梯宽度相同，但阶梯深度依次递减。

所述对各子加工区域分别进行加工，以确定4个长度相等的子加工区域来阐述具体的刻蚀流程，总加工区域长度等于掩模长度l，当某个子加工区域确定刻蚀5个阶梯形状时，其加工步骤为：首先，在某个子加工区域内，激光定点刻蚀一次，这个区域深度变为h；接着，沿设定路径移动l/(4×5)的距离，在这个子加工区域内，移动后的加工区域与刻蚀前加工区域有4/5的区域重合，激光再次刻蚀，重合区域深度变为2h；之后，重复以上加工步骤，激光每次加工时重合区域依次变为4/5、3/5、2/5、1/5，而深度依次变为2h、3h、4h、5h，在这个区域内最终形成5个阶梯的反射面。每个子加工区域刻蚀流程都如上述步骤一致，但在每个子加工区域内具体加工的阶梯个数、阶梯宽度、阶梯深度有所区别，加工完成后总体形成各子加工区域具有不同最大深度且和凹面形状最大深度一一对应的阶梯状反射凹面。

所述总加工区域形成双侧阶梯凹反射面，当刻蚀完成后，总体形成各子加工区域连续的、具有不同最大深度的双侧阶梯反射凹面，一侧阶梯反射凹面镀金属膜后，可作为光波导凹面反射镜。

所述去除一侧不需要的阶梯凹反射面，对双侧阶梯反射凹面的处理方法，按下列两种方法中任选一种可去除不需要的一侧反射凹面，一是，双侧阶梯反射凹面加工完成后再定点刻蚀不需要的一侧，二是，在加工前，事先在紧邻子加工区域外位置处放置一个金属块用以遮挡激光，获得单侧阶梯反射凹面。

本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的、突出的实质性特点和显著的技术进步：

本发明提出的基于激光阶梯刻蚀法在光波导侧面制备凹反射面的方法，克服了现有专利提出的化学腐蚀法和利用水分子不侵性制备凹反射面的方法，存在着工艺复杂、精度不高、难以大工业生产的弊端，本发明提供的凹反射面制备方法具有工艺流程简单、加工精度高、可批量生产等优点。后期工艺镀金属膜后形成的凹反射镜可用于光波导-光纤连接，既能实现垂直耦合，又能克服由于数值孔径不匹配而造成的耦合效率低下的问题，进而提高耦合效率。此外，垂直耦合方式有利于光背板空间集成，有力推动光背板互连技术的应用。

附图说明

图1为本发明所提出的在光波导侧面加工凹反射面方法所需要的加工设备系统结构框图。

图2为本发明所加工的抛物线面示意图。

图3为加工抛物线面所述的加工思想、加工方法所作的结构示意图，图3a是其俯视示意图，图3b是其侧视示意图。

图4为所加工的阶梯抛物线面示意图(图4a为采用控制各子加工区域阶梯深度相同、阶梯宽度依次递减、阶梯个数依次递减的加工方式所刻蚀的阶梯抛物线面结构示意图，图4b为设置较多子加工区域所刻蚀的阶梯抛物线面结构示意图)。

图5为具体阐述图4所示的加工方式而给出的加工过程示意图(图5a、图5b、图5c、图5d分别为子加工区域i、ii、iii、iv加工示意图)。

图6为加工成单侧阶梯抛物线面而采取的处理方式示意图(图6a为双侧阶梯抛物线面加工完成后再定点刻蚀不需要的右侧阶梯抛物面而形成单侧阶梯抛物线面，图6b为在加工前事先在紧邻子加工区域iv外位置处放置一个金属块用以遮挡激光而形成的单侧阶梯抛物线面)。

图7为采取另一种加工方式所加工的阶梯抛物线面示意图(图7a为采用控制各子加工区域阶梯个数相同、阶梯宽度相同、但阶梯深度依次递减的加工方式所刻蚀的阶梯抛物线面结构示意图，图7b为设置较多子加工区域所刻蚀的阶梯抛物线面结构示意图)。

图8为本发明所提出的在光波导侧面加工凹反射面方法的加工流程框图。

图9为加工好的抛物线面镀金属后形成凹反射镜、应用于光纤-光波导垂直耦合的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式结合附图对本发明做进一步详细说明。

实施例一

参加图8，本实施例提出了一种基于激光阶梯刻蚀法在光波导侧面加工凹反射面的加工流程。

首先，在光波导侧面确定若干、连续的、其轴向在一条直线的子加工区域，而这若干子加工区域组成一个总加工区域；接着，根据所刻蚀的具体凹面形状(比如抛物线、双曲线、圆弧、自由曲线)，确定每个子加工区域的最大深度，以此确定每个子加工区域所要加工的阶梯个数、阶梯宽度、阶梯深度；然后，对各子加工区域分别进行加工，具体刻蚀时，每一个子加工区域确定至少两个或部分重合区域，重合区域的刻蚀深度为前次刻蚀非重合区域刻蚀深度的2倍，由此形成规则的阶梯反射面；其次，刻蚀完成后，所加工的各子加工区域的阶梯反射面连续，但具体的阶梯形状有所不同，由此总体形成各子区域具有不同最大深度且和凹面形状最大深度一一对应的阶梯状反射凹面，所加工形状为双侧阶梯凹反射面，一侧阶梯凹反射面可作为光波导凹面反射镜。最后，对双侧阶梯凹反射面进行处理，可以通过后期定点刻蚀或在不需要区域添加金属片用以遮挡激光方式，获得单侧阶梯凹反射面。

实施例二

参加图1-图9，本实施例与实施例一基本相同，其特别之处如下：

一是，在确保总加工区域一定时，所确定的子加工区域个数越多，所加工的阶梯反射凹面越接近于所要设计的凹面形状，其反射聚焦效果就越好。

二是，在具体选择加工参数时，可以选择两种加工方式加工成所要设计的凹面形状，一种方式为：控制阶梯个数依次递减、阶梯宽度依次递减、但阶梯深度相同，另一种方式为：控制阶梯个数相同、阶梯宽度相同，但阶梯深度依次递减。

三是，以确定4个长度相等的子加工区域来阐述具体的刻蚀流程，总加工区域长度等于掩模长度l，当某个子加工区域确定刻蚀5个阶梯形状时，其加工步骤为：1)在某个子加工区域内，激光定点刻蚀一次，这个区域深度变为h；2)之后沿设定路径移动l/(4×5)的距离，在这个子加工区域内，移动后的加工区域与刻蚀前加工区域有4/5的区域重合，激光再次刻蚀，重合区域深度变为2h；3)重复以上加工步骤，激光每次加工时重合区域依次变为4/5、3/5、2/5、1/5，而深度依次变为2h、3h、4h、5h，在这个区域内最终形成5个阶梯的反射面。每个子加工区域刻蚀流程都如上述步骤一致，但每个子加工区域内具体加工的阶梯个数、阶梯宽度、阶梯深度有所区别，加工完成后总体形成各子加工区域具有不同最大深度且和凹面形状最大深度一一对应的阶梯状反射凹面。

四是，当总加工区域刻蚀完成后，总体形成各子加工区域连续的、具有不同最大深度的双侧阶梯反射凹面，一侧阶梯反射凹面镀金属膜后，可作为光波导凹面反射镜。

五是，对双侧阶梯反射凹面进行处理，按下列两种方法中任选一种去除不需要的一侧反射凹面，1)双侧阶梯反射凹面加工完成后再定点刻蚀不需要的一侧；2)在加工前，事先在紧邻子加工区域外位置处放置一个金属块用以遮挡激光，获得单侧阶梯反射凹面。

实施例三

本实施例提供了一种更具体的、基于激光阶梯刻蚀法在光波导侧面加工凹反射面的方法，所采用arf准分子激光器(optec生产)的工作波长为193nm，能量、掩模图形等参数可选，图1显示了凹面加工的设备系统示意图。

本实施例在光波导上确定刻蚀一种类似图2所示的抛物线反射面01，抛物线反射面对平行于抛物线轴线的平行光束起到反射作用，并将反射光束汇聚到其焦点，可以根据光纤-光波导垂直耦合实际需求确定焦点位置，当焦点位置选定后，所刻蚀的抛物线也就唯一确定。图2示例在抛物线上010分成4个等间距的区域i、ii、iii、iv，每个区域的最大深度分别为h1、h2、h3、h4。在光波导10(图3a)上也确定连续的、轴线在一条直线的4个等间距的子加工区域i、ii、iii、iv，这个4个子加工区域和图2所示的4个区域一一对应，需要把光波导上的4个子加工区域加工成图2设定的抛物线面，为此，可以把4个子加工区域分别刻蚀成阶梯面且每个子加工区域中的最大深度和图2所示区域最大深度大小相等，用这4个连续的阶梯面等效于图2所示的抛物线面，如图4a和图7a所示。当设定的子加工区域个数较多时，阶梯面和抛物线面相似性更好。选定矩形掩模11，其长度l等于总加工区域的长度，设定加工路径12，由4个连续的加工节点a、b、c、d构成，节点长度等于一个子加工区域的长度，但起始节点a开始位置在掩模中心点，如图3a所示，加工时激光沿设定方向13依次加工，每定点刻蚀完成后，便沿设定方向移动一定距离后再次刻蚀，但要确保移动前后的加工区域具有重合，重合区域深度是非重合区域的2倍，以此形成阶梯状，重复这个加工步骤，依次加工其他区域，最终形成阶梯抛物线反射面。图3b给出了加工光波导阶梯抛物线反射面的侧视示意图。

由于h1、h2、h3、h4并非等比例增加，因此在每个子加工区域所加工的阶梯形状有所不同，有两种加工方式可以实行：一是，在加工区域内，控制阶梯个数依次递减、阶梯宽度依次递减、但阶梯深度相同；二是，在加工区域内，控制阶梯个数相同、阶梯宽度相同、但阶梯深度依次递减。两种加工方式都可以加工成类似抛物线反射面。

实施例四

本实施例具体加工方式是，在加工区域内，控制阶梯个数依次递减、阶梯宽度依次递减、但阶梯深度相同，图4a给出了此加工方式的结构示意图。

根据图2中确定的各区域最大深度h1、h2、h3、h4分别设置激光加工参数，图2中i区域的长度l/4及其深度h1，设置激光加工参数能量e及其“shotdose”，“shotdose”表示激光定点刻蚀后沿设定方向移动的距离等于l/shotdose，能量值e的选择需要满足定点刻蚀后的一个阶梯深度h＝h1/n1，n1为i区域中的阶梯个数。对于区域ii、iii、iv内的激光加工参数设置也需满足类似特定关系，但其各自区域内的阶梯深度依次满足关系为：h＝(h2-h1)/n2、h＝(h3-h2)/n3、h＝(h4-h3)/n4，n2、n3、n4分别为区域ii、iii、iv内的阶梯个数，由抛物线几何知识得知，相邻区域内的最大深度之差是依次减小的，本实施例一个特例设置各子加工区域内的阶梯个数分别为5、4、3、2。由于各子加工区域内h相同，则激光能量e相同，但各区域内的“shotdose”不同，分别为4*n1、4*n2、4*n3、4*n4。如果子加工区域选择越多，所刻蚀的阶梯面越接近于抛物线面16，其反射效果就越好，如图4b所示。

加工过程描述如下：首先加工i区域，如图5a所示，设置“shotdose＝20”，在子加工区域i加工时，当激光定点刻蚀1次后出现了一个阶梯，区域i的深度都为h，然后向设定方向移动距离l/20后第2次定点刻蚀，这时i区域内有4/5的重合区域再次刻蚀，重合区域深度变为2h，重复以上步骤依次刻蚀，刻蚀的重合区域依次为4/5、3/5、2/5、1/5，当完成i区域的刻蚀工作后最终形成5个阶梯的斜面140。在刻蚀完i区域后，ii、iii、iv区域都变成了深度为5h的平面形状，原因是掩模图形覆盖整个ii、iii、iv区域，在刻蚀i区域的同时也在刻蚀ii、iii、iv区域。而对于i、ii、iii、iv区域外的右方相邻区域，同刻蚀i区域类似，也会出现相类似的阶梯面150。同加工区域i类似，加工ii区域时设置“shotdose＝16”，ii区域加工完成后形成4个阶梯斜面，同时iii、iv区域的深度变为9h，在加工区域外右侧又出现了ii区域阶梯形状一致的阶梯面141，如图5b所示。依次加工iii、iv区域，分别如图5c和图5d所示，最终形成阶梯抛物线反射面。

本实施例中，在光波导各子加工区域内所刻蚀的阶梯斜面近似等于图2所示抛物线相应区域内的弧面，如果设置更多的子加工区域，同时要保证总加工区域的长度等于掩模长度，如此需要对激光加工参数如能量e、阶梯宽度d及阶梯深度h更为精确的设置，所获得的阶梯抛物线面更为精确。所设定的子加工区域内的阶梯个数也并非固定，根据实际需要可以选择更多的阶梯个数，原则上，阶梯个数越多，则越接近所要刻蚀的抛物线面16，但需要降低能量值，以此减小阶梯深度。

本实施例中，所加工得到的为在光波导两端形成形状完全一致的一个阶梯抛物线反射面，但并非对称。真正实用时，仅需左侧阶梯抛物线反射面起到光束转向、汇聚的作用，因此需要把右侧阶梯抛物线反射面去除，有两种方式可实现，一是，双侧阶梯抛物线反射面加工完成后再定点刻蚀不需要的右侧阶梯抛物线反射面，最终形成如图6a所示的刻蚀形态；二是，在加工前，事先在紧邻子加工区域iv外位置处放置一个金属块用以遮挡激光，最终形成图6b所示的刻蚀形态。

本实施例中，各子加工区域内“shotdose”值的设置仅为形象说明此加工思想，并不限于实施例中设定的值依次相差为1，具体加工时需要精确确定各值，但各值必定为依次减小。

实施例五

本实施例具体加工方式是，在加工区域内，控制阶梯个数相同、阶梯宽度相同、但阶梯深度依次递减，图7a给出了此加工方式的结构示意图。

设定各子加工区域内阶梯个数等于4，阶梯宽度都等于d，阶梯深度依次等于h1、h2、h3、h4，且依次减小，因此各区域内的“shotdose”都相等，以“shotdose＝16”为例，而激光能量依次设为e1、e2、e3、e4，且依次减小。实施例五的加工过程所呈现的特点同实施例四类似，在刻蚀完子加工区域i后，i区域形成了宽度为d、深度为h1的4个阶梯，但ii、iii、iv区域变成了深度为4h1的平面；加工完ii区域后，ii区域形成了宽度为d、深度为h2的4个阶梯，iii、iv区域变成了深度为4(h1+h2)的平面；当各区域都加工完成后，形成了各区域宽度为d、阶梯深度依次等于h1、h2、h3、h4、且阶梯个数为4、连续的阶梯抛物线反射面。而对于加工区域外的右侧区域，同样刻蚀出了与左侧形状一致的阶梯抛物线反射面，但也不对称。

本实施例中，也可设定更多的长度相等的子加工区域，获得更精确的阶梯抛物线反射面16，如图7b所示，但需要对激光加工参数如能量e、阶梯宽度d及阶梯深度h更为精确的设置。所设定的子加工区域内的阶梯个数也并非固定，根据实际需要可以选择更多的阶梯个数，原则上，阶梯个数越多，则越接近所要刻蚀的抛物线面16，但需要降低能量值，以此减小阶梯深度。

本实施例中，所加工的形状两侧同样为形状一致的阶梯抛物线反射面，可以采取实施例四中提供的方式去除不需要的右侧阶梯抛物线反射面。

对加工得到的抛物线反射面镀一层金属膜17，形成抛物线反射镜，把此反射镜应用于光纤-光波导垂直耦合，如图9所示，抛物线反射镜对光束具有汇聚作用，进一步提高了耦合效率。

以上所述结合本发明的实施方式所作的进一步详细说明，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图所作的等效结构或等效思想，做出简单推演或替换，都应当属于本发明的保护范围。