一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器的制作方法

本发明涉及聚合物集成光子器件结构设计与制造技术领域，特别涉及一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器。

背景技术：

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，Indium phosphide)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。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于提供一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器，该聚合物波导光栅耦合器结构简单，耦合效率高，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。

为实现上述目的，本实用新型的技术方案是：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。

本实用新型的有益效果是提出了一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器，该波导光栅耦合器通过在聚合物光波导的芯层与下包层之间嵌入一层低温沉积的高折射率介质层结构，显著增强了聚合物波导光栅耦合器的耦合效率，为普通单模、多模光纤或空间光与聚合物集成光波导模式的耦合提供了除水平端面对准耦合之外的另一种有效方法。与水平端面对准耦合方法相比，本实用新型所提供的耦合方式具有准容忍度大、结构紧凑，制作难度低、具有偏振选择性等优点。本实用新型提供的光通信波段聚合物波导光栅耦合器可以为聚合物集成光子功能芯片在光传感与光互连领域的应用提供极大便利条件，具有很好的潜在应用价值。

附图说明

图1是本实用新型实施例的波导光栅耦合器的结构示意图。

图2是本实用新型实施例中利用主模具制作软副模具的制作过程示意图。

图3是本实用新型实施例中利用软副模具制作衬底和低折射率波导下包层的制作过程示意图。

图4是本实用新型实施例中制作高折射率介质层和高折射率波导芯层的制作过程示意图。

图1中，1为衬底，2为低折射率波导下包层，3为高折射率介质层，4为高折射率波导芯层，5为波导耦合光栅结构区域，6为过渡区，7为波导结构区域。

图2中，201为硅衬底，202为SU-8负性紫外光刻胶，203为聚二甲基硅氧烷。

图3、图4中，301为硅衬底或其它适合的衬底材料上，302为低折射率波导下包层材料，303为高折射率介质层，304为高折射率波导芯层。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本实用新型作进一步说明。

本实用新型提供一种光通信波段聚合物波导光栅耦合器，如图1所示，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1、低折射率波导下包层2、高折射率介质层3、高折射率波导芯层4和空气层构成，所述波导结构由衬底1、低折射率波导下包层2、高折射率波导芯层4和空气层构成。波导耦合光栅结构及波导结构一体化制作于同一衬底上，二者通过高折射率波导芯层有效连接。根据具体应用目标，衬底材料可灵活选择。衬底材料除了本实施例选择的硅之外，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，同样可用于衬底。波导耦合光栅结构的低折射率波导下包层2和波导结构的低折射率波导下包层2对应连接为一体，波导耦合光栅结构的高折射率波导芯层4和波导结构的高折射率波导芯层4对应连接为一体。

在本实施例中，所述波导耦合光栅结构的衬底1、低折射率波导下包层2、高折射率波导芯层4和空气层从下至上依次设置，所述高折射率介质层3设置于低折射率波导下包层2与高折射率波导芯层4之间。高折射率介质层制作的具体位置，除了可制作于低折射率波导下包层和高折射率波导芯层之间，根据设计参数的不同，还可选择设置于高折射率波导芯层和上方空气层之间。所述波导结构的衬底1、低折射率波导下包层2、高折射率波导芯层4和空气层从下至上依次设置。

本实用新型可通过光栅结构参数的调整(周期、深度、占空比、高折射率介质层材料、折射率、生长厚度等)，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。特别的，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(即无特殊要求)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。

该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。以普通单模光纤为例，耦合的具体方式为：以集成芯片作为水平面，普通单模光纤端面切平，并与集成芯片法线方向成一定角度倾斜放置于波导耦合光栅上方，该角度根据所提出的耦合光栅结构的设计参数和制备结构而有所变化。从外置光源进入单模光纤的光能够通过该耦合光栅，耦合进入聚合物波导模式之中传输。反之，聚合物波导中传输的光，也能够通过该耦合光栅，耦合进入连接至光探测器的普通单模光纤之中。

为了更清楚地说明本实用新型的结构，下面对如何制作该波导光栅耦合器的方法作进一步阐述。本实用新型的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；具体方法为：

(101)严格清洗硅衬底，利用旋涂仪将SU-8负性紫外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须保持一致。本实施例采用硅作为衬底材料，除此之外，与波导制备工艺相兼容的材料，如石英、陶瓷乃至其它柔性衬底等，也可用于本实用新型的衬底。

(102)将涂覆有光刻胶的衬底片进行前道烘烤固化；

(103)利用高精度的光刻掩模板和紫外光刻机(Karl Suss,MA6)在I线下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(图2中a)；

(106)进一步高温烘烤使光刻胶完全固化和变坚硬，从而得到主模具。

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；具体方法为：

(201)将PDMS的两种组分(本底硅胶和固化剂)按一定比例配比并充分搅拌，搅拌过程中产生的大量气泡放入密闭的真空干燥器予以去除；

(202)将液态PDMS材料平铺于主模具表面，通过控制溶液体积控制厚度并再次予以真空处理；

(203)将平铺有液态PDMS的主模具水平置于烘箱中予以一定温度烘烤，固化平铺于上面的液态PDMS；由于PDMS具有很好的流动性，因此固化之后的PDMS能完好复制主模具上的图形(图2中b)；

(204)利用手术刀对结构区域的PDMS进行切割，并与主模具分离；固化之后的 PDMS具有柔软和疏水的材料表面特性，极易与主模具分离；至此，获得结构形状与主模具相反以形成互补的软副模具(图2中c)。

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；具体方法为：

(301)严格清洗衬底，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，厚度通过悬涂的转速控制 (图3中a)；

(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，固化过程必要时可以在氮气保护氛围中完成(图3中b)；

(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，通过以上复制过程，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 (图3中c)；

(305)对低折射率聚合物下包层进一步有效热固化，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；具体方法为：

(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(本实施例以氮化硅为例，但不限于氮化硅)；其中，沉积温度作为关键控制参数，既保证高折射率介质层光学性质的稳定，又不至于因温度过高导致步骤3制得的半成品结构形状发生形变(图4中a)；

(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(本实施例中湿法液为稀释的氢氟酸缓冲液)移除非波导耦合光栅结构区域的高折射率介质层材料，并通过控制湿法液浓度和腐蚀时间确保其移除干净(图4中b)；

(404)利用丙酮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。

该步骤利用低温等离子体增强化学气相沉积工艺(Plasma -enhanced-chemical-vapor-deposition)，实现在低折射率波导下包层上沉积高折射率介质层(如氮化硅，但不仅限于氮化硅)，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。

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(图4中c)。

该方法结合了紫外软压印技术和低温沉积技术，避免了采用复杂的制备工艺流程，使得器件的制备成本大为降低。其次，该方法采用柔性“软”模具，结合紫外光固化技术，一体化制备聚合物波导耦合光栅结构及聚合物波导结构，有效降低了工艺复杂度。此外，该方法利用柔性“软”模具将所提出的结构实现于不同的材料衬底，特别是某些柔性衬底上，对衬底平面的平整性要求有效降低。

以上是本实用新型的较佳实施例，凡依本实用新型技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本实用新型技术方案的范围时，均属于本实用新型的保护范围。