一种基于激光环形刻蚀在光波导上制备球形凹面镜的方法与流程

本发明涉及微加工制造领域，提出了一种基于激光环形刻蚀在光波导上制备球形凹面镜的方法。

背景技术：

近年来，随着宽带通信、超级计算机及大数据中心等领域对数据处理速度的要求不断提升，推动了对高速带宽(≥50Gbps)相关技术的研究。基于印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)的光互连背板技术具有高带宽、低能耗、低成本等优势，成为近年来高端设备信息互连技术领域的研究热点。

目前，以聚合物为基础材料的光波导是最常见的光波导，而垂直耦合技术是光互连应用的关键技术之一，如何实现高效的垂直耦合成为研究的热点。专利(申请公布号：CN 105397300A)提出将光波导加工为带有斜面耦合端口的倾斜镜面反射法，“High-coupling-efficiency optical interconnection using a 90-bent fiber array connector in optical printed circuit boards”文中将光纤弯曲组合成耦合模块的弯曲光纤法，以及专利(申请公布号：CN 102540349A)提出在光波导上制备光栅的波导光栅法等，都能有效地实现垂直耦合。

实现垂直耦合的方法虽然多种多样，但光源、光纤、光波导等光学器件之间数值孔径的不匹配往往带来较大的耦合损耗。为了提高垂直耦合效率，有的提出在耦合器件中引入凹面镜(专利号：US 6529661B2)或凸透镜(专利申请公布号：CN 101813806A)以实现光束汇聚的思想，但又面临加工工艺精度较低、后期封装复杂的难题。由此，直接在背板光波导上制备凹面镜的方法更为简单有效。

截止目前，越来越多制备凹面镜的方法被发掘，但也都存在各自的不足。专利(公开号：CN 1272182A)采用化学腐蚀法制备凹面镜，但此种制备方法具有精度低、工艺复杂、仅在一个方向上具有汇聚效果等问题；专利(公开号：CN 103395739A)提出一种利用水分子不侵性制备凹面镜的方法，该方法对材料要求高，且液滴形状难以控制，因此存在工艺复杂、精度不高的缺点；“Design and fabrication of embedded micro-mirror inserts for out-of-plane coupling in PCB level optical interconnections”文中提出深质子写入(deep proton writing，DPW)技术在光波导上加工凹面镜，但仍具有工艺复杂、难以批量生产的弊端。以上凹面镜制备的方法，在材料、制备工艺、加工精度等方面存在较多问题，难以满足大批量的光背板工业生产的要求。

技术实现要素：

针对现有技术存在的缺陷，本发明提出一种基于激光环形刻蚀在光波导上制备球形凹面镜的方法，旨在降低光波导-光纤垂直耦合时因数值孔径不匹配所造成的较大耦合损耗。具有操作简单、精度较高、高效垂直耦合等优点，适用于大工业生产。

为达到上述目的，本发明的构思如下：

在光波导上包层表面确定加工区域，根据所要加工成的反射球形凹面半径R确定激光圆形刻蚀路径半径r＇＝R/2，反射球形凹面圆心和圆形刻蚀路径圆心重合，光波导上包层平面截取球为半径为R的圆；选择激光刻蚀掩模图形，掩模区域各点激光光强相同，掩模图形可以为圆形、椭圆形、自由曲线形等；以圆形掩模为例，刻蚀时，圆形掩模以一定角速度沿圆形刻蚀路径旋转刻蚀，掩模图形圆心始终沿圆形刻蚀路径移动，而圆形掩模圆周一点始终与反射球形凹面圆心重合；以球形截面圆圆心为圆心、半径为r_i所作的圆周各点刻蚀深度相同，刻蚀深度为在一定刻蚀时间内激光刻蚀深度的累积，假如单位时间内的刻蚀深度为h₀，刻蚀时间为t_i，则刻蚀深度为H_i＝h₀×t_i，不同r_i其t_i也不同，则H_i也不同，当r_i较大时，t_i较小，其H_i就越小，当激光刻蚀旋转一周时，形成类似球形的反射凹面。按照需要，通过设置激光圆形刻蚀路径半径、掩模图形半径以及刻蚀深度，来控制球形反射凹面半径大小、凹面深度及聚集光束焦点位置等参数。

根据上述构思，本发明采用如下技术方案：

一种基于激光环形刻蚀在光波导上制备球形凹面镜的方法，操作步骤如下：

1)在光波导上包层表面确定加工区域，根据所要加工成的反射球形凹面半径确定激光圆形刻蚀路径半径，反射球形凹面圆心和圆形刻蚀路径圆心重合；

2)根据所刻蚀的具体球形凹面形状，选择激光刻蚀掩模图形，掩模图形为圆形、椭圆形或自由曲线形，确定激光功率P及其表征激光旋转刻蚀的移动步长S；

3)激光掩模以一定角速度沿圆形刻蚀路径旋转刻蚀，不同的点则其刻蚀深度不同；

4)当激光刻蚀旋转一周时，总体形成球形反射凹面；

5)对双侧球形反射凹面进行处理，选择通过定点刻蚀或通过在不需要区域放置金属片以遮挡激光的方式，获取单侧球形反射凹面。

所述步骤1)在加工区域所要加工成的反射球形凹面直径需大于光波导芯层截面宽度，以此能够全部接收芯层传输的光，球形圆心在光波导芯层对称纵切平面上，以此确保球形反射凹面反射光束汇聚于凹面正上方。

所述步骤2)具体为：选择圆形掩模、椭圆形掩模或自由曲线面掩模作为激光刻蚀形状；对于激光参数的确定，首先确定激光功率P，在这个激光功率下，实验测得激光刻蚀一次的深度h₀，再根据其关系式确定表征激光旋转刻蚀的移动步长S。

所述步骤3)具体刻蚀机理：刻蚀时，激光掩模以一定角速度沿圆形刻蚀路径旋转刻蚀，掩模图形圆心始终沿圆形刻蚀路径移动，而掩模圆周一点始终与反射球形凹面圆心重合；以球形截面圆圆心为圆心、半径为r_i所作的圆周各点刻蚀深度相同，刻蚀深度为在一定刻蚀时间内激光刻蚀深度的累积，不同r_i其刻蚀深度不同，当r_i较大时，其刻蚀深度就越小。

所述步骤4)刻蚀样品质量：选择圆形掩模、椭圆形掩模作为激光刻蚀形状时，所刻蚀的纵向反射凹面并非严格的球形反射凹面，但仍具有汇聚作用，能够有效地提高垂直耦合效率；自由曲线面掩模是根据球形反射凹面反推而得到的激光掩模图形，所刻蚀的纵向反射凹面是严格的球形反射凹面，对于耦合光纤的位置放置非常有利，能够高效地提高垂直耦合效率。

所述步骤5)对双侧球形反射凹面的处理方法，有两种方法去除不需要的一侧球形反射凹面：

一是，双侧球形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，获得单侧球形反射凹面。

与现有技术相比，本发明的有益结果是：

本发明提出的基于激光环形刻蚀在光波导上制备球形反射凹面的方法，可以实现两个垂直方向的光束汇聚，主要优点是制作工艺简单，加工精度高，制备成本低，在实现垂直耦合的同时较大程度地降低由于数值孔径不匹配所造成的耦合损耗，进一步提高垂直耦合效率。另外，相比于其他如利用化学腐蚀法和水分子不侵性制备凹面镜的方法，本发明方法不需要额外的制备材料，降低了制备过程出现额外弊端的可能性，适合大批量光背板工业生产的要求，推进了光背板互连技术的应用。

附图说明

图1为本发明提出的在光波导上所要加工的球形反射凹面的3维立体结构示意图。

图2为本实施方式一中采用圆形掩模加工球形反射凹面的结构示意图。图2A为加工前各参量的设置示意图，图2B为圆形掩模旋转刻蚀加工示意图，图2C为各点刻蚀深度分析示意图，图2D为确定激光加工参数而所作的球形凹面横截面分析示意图，图2E为双侧球形反射凹面加工完成后再定点刻蚀去除一侧而形成的单侧球形反射凹面结构示意图，图2F为加工前在紧邻需要的单侧球形反射凹面外位置处放置一个金属块用以遮挡激光而形成的单侧球形反射凹面。

图3为本实施方式二中采用椭圆形掩模加工球形反射凹面的结构示意图。图3A为各点刻蚀深度分析示意图，图3B为确定激光加工参数而所作的球形凹面横截面分析示意图。

图4为本实施方式三中采用自由曲线面掩模加工球形反射凹面的结构示意图。图4A为各点刻蚀深度分析示意图，图4B为确定激光加工参数而所作的球形凹面横截面分析示意图，图4B插图为根据标准球形凹面反推得到的自由曲线面掩模的函数图像。

图5为本发明所提出的在光波导上加工球形反射凹面方法的加工流程框图。

图6为将加工好的球形反射凹面内表面镀金属膜后形成球形凹面反射镜，并将其应用于光纤-光波导垂直耦合结构示意图。

具体实施方式

本发明提出一种基于激光环形刻蚀在光波导上制备球形凹面镜的方法，旨在降低光波导-光纤垂直耦合时因数值孔径不匹配所造成的较大耦合损耗，图1为本发明提出的在光波导上所要加工的球形反射凹面的3维立体结构示意图。下面结合具体的实施方式和附图对本发明做进一步详细说明。

实施例一

本实施例具体给出了基于OPTEC生产的ArF准分子激光器在光波导上加工球形反射凹面的加工流程，其激光波长为193nm，加工参数如激光功率、移动步长、掩模图形可选。本实施例采用圆形掩模11(图2A所示)进行激光刻蚀，其制备流程如下。

首先，在光波导上包层表面确定加工区域，所要加工的球形凹面直径需大于光波导芯层截面宽度，以此能够全部接收芯层的传输光，球形圆心O在光波导芯层对称纵切平面上，以此确保球形反射凹面反射光束汇聚于凹面正上方，便于光纤耦合接收。根据所需加工成的反射球形凹面半径R确定激光圆形刻蚀路径12半径r'＝R/2，反射球形凹面圆心和圆形刻蚀路径圆心重合，光波导上包层平面截取球形为半径为R的圆13，各参数设置如图2A所示。

接着，选择激光功率P；选择激光刻蚀圆形掩模，掩模区域各点激光光强相同，圆形掩模半径r＝R/2；选择圆形掩模旋转刻蚀的角速度(OPTEC生产的ArF准分子激光器操作软件有加工参数S，S决定了激光刻蚀移动的距离，即激光定点刻蚀一次后沿设定方向移动的距离等于R/S，相当于圆形掩模旋转角度为Δθ，因此通过设置S可以控制角速度大小)。

然后，圆形掩模按设定方向14以一定角速度沿圆形路径12旋转刻蚀，如图2B所示。旋转刻蚀时掩模图形圆心始终沿圆形路径移动，而圆形掩模圆周一点始终与反射球形凹面圆心O重合。以O点为圆心、半径为r_i所作的圆周各点刻蚀深度相同，刻蚀深度为在一定刻蚀时间内激光刻蚀深度的累积。选择刻蚀区域内的A、B两点分析，如图2C所示，对于A点来说，以圆心O、半径为r_A的圆周151穿过A点，A点的总深度为激光圆弧线161扫过A点特定时间t_A内的刻蚀深度累积，设单位时间内的刻蚀深度为h，则A点的刻蚀深度为H_A＝h×t_A，同理，B点的刻蚀深度为H_B＝h×t_B。圆形掩模各点的角速度相同，加工区域各点的刻蚀深度可表示为H_i＝(2h/π)×arccos(r_i/R)，H_i与r_i为反余弦关系，当r_i较大时，H_i就越小。

其次，当激光刻蚀旋转一周，形成类似球形的双侧球形反射凹面，如图2D所示。

最后，对双侧球形反射凹面进行处理，可以选择通过定点刻蚀或通过在不需要区域设置金属片以遮挡激光的方式，获取单侧球形反射凹面17，如图2E及图2F所示。

结合图2C和图2D具体分析如何获得适宜的加工参数(激光功率P及S)。选择反射球形凹面半径R、圆形刻蚀路径半径r'＝R/2、圆形掩模半径r＝R/2。当激光定点刻蚀一次时刻蚀深度为h₀，接着圆形掩模旋转角度为Δθ后再次刻蚀，对于A点来说，激光圆弧线扫过A点总的刻蚀深度为H_A，刻蚀次数为N，有关系式N＝H_A/h₀。对应激光圆弧线l_A刻蚀次数为N，根据S的定义可得关系式l_A/N＝R/S，简化后得S＝RH_A/(l_Ah₀)，当A点所处的刻蚀圆周与圆形刻蚀路径重合时，有l_A＝(π/3)×R，则S＝3H_A/(πh₀)。按照设计，可以求得H_A的具体数值，在激光功率P下可以实验测得h₀的具体数值。

在本发明的实施例中，所加工的类球形反射凹面，在一个方向上是严格的圆曲线形状，而在相垂直的另一个方向上不是严格的圆曲线形状，但对平行光束在两个方向上具有汇聚效果，优于专利提出的凹面(申请公布号：CN104503024A)仅有一个方向的光束汇聚效应，可以进一步提高耦合效率。

实施例二

本实施例采用椭圆形掩模图形18(如图3A所示)在光波导上加工球形反射凹面。

本实施例的加工思想与刻蚀流程同实施例一基本一致，不同的是所加工成的球形反射凹面形状有所差别。设椭圆方程为椭圆掩模以一定角速度沿圆形路径旋转刻蚀，椭圆圆心始终沿圆形刻蚀路径153移动，椭圆短轴的一个端点始终与反射球形凹面圆心O重合。以O点为圆心、半径为r_i所作的圆周各点刻蚀深度相同。选择刻蚀区域的A、B两点作为分析，对于A点来说，以圆心O、半径r_A所作的圆周穿过A点，A点的总深度为激光圆弧线163扫过A点特定时间t_A内的刻蚀深度累积，表示为H_A＝h×t_A，B点的刻蚀深度为H_B＝h×t_B。椭圆掩模各点的角速度相同，则对任意一点刻蚀的时间t_i取决于θ_i，θ_i与该点到圆心O的距离r_i有关，故对于椭圆掩模来说，其加工区域各点的刻蚀深度H_i可表示为与r_i有关的函数，即H_i＝f(r_i)，经过仿真得到H_i与r_i的函数图像如图3B所示的侧面轮廓，其凹面质量相比圆形掩模具有更好的汇聚效果。同样要对获得的双侧球形反射凹面进行处理，得到单侧球形反射凹面，处理方法同实施例一相同。

结合图3A和图3B可以分析得到实施例二所采用的加工参数(激光功率P及S)，在激光功率P确定下，得到S＝RH_A/(l_Ah₀)，当A点所处的刻蚀圆周与圆形刻蚀路径重合时时，按照设计可以求得H_A的具体数值，由实验测试可得到h₀的具体数值，最终得到S值。

本实施例所加工得到的样品在横截面上也并非为严格的球形反射凹面，但优于实施例一中的加工样品，同样对平行光束在两个垂直方向上具有汇聚效果。

实施例三

本实施例采用自由曲线面掩模图形在光波导上刻蚀球形反射凹面，可得到严格的球形反射凹面，其刻蚀流程与实施例一类似。自由曲线面掩模19图形是由所要得到的严格的球形反射凹面函数反推得到的，如图4A所示。

可以结合图4A进和图4B确定自由曲线面的函数表达式。由于所加工的横向截面图形是半径为R的一个半圆，记A点的刻蚀深度为H_A，需要扫过A点的激光圆弧线长度为l_A，在激光功率P确定下定点刻蚀一次的刻蚀深度为h₀，掩模图形内各点到球形反射凹面O点的距离为r。通过分析得到自由曲线面的函数表达式为其函数图像如图4B中的插图所示。进一步地可得到本实施例所采用的加工参数S＝RH_A/(l_Ah₀)，当A点所处的刻蚀圆周与圆形刻蚀路径重合时，按照设计可以求得H_A的具体数值，由此得到S＝3^1/2R²/(2l_Ah₀)。

同样要对获得的双侧球形反射凹面进行处理，得到单侧球形反射凹面，处理方法同实施例一相同。

本实施例所加工的样品为严格的球形反射凹面，对平行光束在两个垂直方向上具有汇聚效果，能够高效地提高垂直耦合效率。

对加工得到的球形凹反射面镀一层金属膜，形成球形凹反射镜，把此反射镜应用于光纤-光波导垂直耦合，如图6所示，球形凹反射镜对光束进行汇聚，进一步提高了垂直耦合效率。

以上所述为进一步结合本发明的实施思想与实施方式所作的详细说明，并非因此限制本发明的专利范围，凡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。