一种空间光波导制备方法与流程

本申请涉及光通信技术领域，更具体地说，涉及一种空间光波导制备方法。

背景技术：

随着光通信行业的迅猛发展，近年来，4g、5g通信技术的相继推出离不开集成光学，尤其是硅光子学的迅猛发展。芯片与芯片集成光波导间的连接，芯片集成光波导与光纤间的连接技术成为研究的热点，也成为制约集成光路发展的关键因素。

现有技术解决芯片与芯片之间耦合连接思路是利用耦合器模斑转换匹配，具体连接方式为：芯片1→耦合器1→光纤→耦合器2→芯片2，通常选用透镜耦合器、光栅耦合器或楔形耦合器来解决芯片与光纤间耦合。

现有技术使用光纤来实现两片芯片集成光波导之间的连接，芯片集成上通光口的尺寸小于1微米(通光口指载体上光波导的连接截面)，而单模光纤芯径约8-10微米，直接进行连接损耗高达99％以上，通常使用耦合器对芯片光波导模斑与光纤模斑进行匹配，即使这样耦合连接损耗也高于50％，现有技术方案无法实现芯片集成光波导之间的低损耗连接。

技术实现要素：

为解决上述技术问题，本申请提供了一种空间光波导制备方法，以实现通光口之间的低损耗连接为目的，并且可同时实现通光口之间的大间距连接、通光器件的自动化连接及快速连接、提升光波导载体集成度、并突破平面连接的限制实现任意三维形态的光波导连接。

为实现上述技术目的，本申请实施例提供了如下技术方案：

一种空间光波导制备方法，该方法包括：

在待连接的通光口载体之间覆涂光刻胶；

识别通光口上任意光波导连接点；

根据传输光信号传播模式、波长的不同设计连接路径；

沿所述连接路径多次螺旋照射光刻胶，在连接路径外侧加工一层支撑结构；

照射所述支撑结构包裹的光刻胶，所述支撑结构包裹的光刻胶固化，所述支撑结构和固化的支撑结构包裹的光刻胶组成空间光波导，以实现空间光波导的制备。

可选的，所述支撑结构是网状支撑结构或线状支撑结构。

可选的，所述光刻胶是液态时，所述照射所述支撑结构包裹的光刻胶，所述支撑结构包裹的光刻胶固化，所述支撑结构和固化的支撑结构包裹的光刻胶组成空间光波导，以实现空间光波导的制备包括：

除去所述支撑结构周围的光刻胶，照射所述支撑结构包裹的光刻胶，所述支撑结构包裹的光刻胶固化，所述支撑结构和固化的支撑结构包裹的光刻胶组成空间光波导，以实现空间光波导的制备。

可选的，所述照射所述支撑结构包裹的光刻胶，所述支撑结构包裹的光刻胶固化，所述支撑结构和固化的支撑结构包裹的光刻胶组成空间光波导，以实现空间光波导的制备后，还包括：

除去所述空间光波导周围的光刻胶，在所述空间光波导上覆涂光敏胶，照射所述光敏胶，所述光敏胶固化并包裹所述空间光波导。

可选的，所述照射所述支撑结构包裹的光刻胶，所述支撑结构包裹的光刻胶固化，所述支撑结构和固化的支撑结构包裹的光刻胶组成空间光波导，以实现空间光波导的制备后，还包括：

除去所述空间光波导周围的光刻胶，在所述空间光波导上覆涂热敏胶，加热所述热敏胶，所述热敏胶固化并包裹所述空间光波导。

可选的，所述照射所述支撑结构包裹的光刻胶，所述支撑结构包裹的光刻胶固化，所述支撑结构和固化的支撑结构包裹的光刻胶组成空间光波导，以实现空间光波导的制备后，还包括：

照射或加热所述空间光波导周围的光刻胶，所述空间光波导周围的光刻胶固化并包裹所述空间光波导。

可选的，所述光刻胶由丙烯酸酯或改性丙烯酸酯类中可发生自由基聚合的光敏材料组成。

可选的，所述待连接的通光口载体之间的距离是10-1000微米。

可选的，所述识别通光口上任意光波导连接点，包括：

使用光源照射通光口，识别所述通光口上任意光波导连接点与周围材料的图像特征差异，得到所述任意光波导连接点的三维坐标信息。

可选的，所述根据传输光信号传播模式、波长的不同设计连接路径，包括：

根据任意光波导连接点的三维坐标信息，和传输光信号传播模式、波长的不同设计连接路径。

可选的，所述连接路径是根据光波导连接点为端点构造的直线或曲线。

可选的，所述沿所述连接路径多次螺旋照射光刻胶和照射所述支撑结构包裹的光刻胶，包括：

用连续激光或飞秒激光沿所述连接路径多次螺旋照射光刻胶和照射所述支撑结构包裹的光刻胶。

可选的，所述待连接的通光口载体是集成光波导芯片、光纤或微激光器件。

从上述技术方案可以看出，本申请的空间光波导制备方法通过光刻胶对照射光能量的非线性吸收效果，造成光刻胶物理特性的变化，促使光刻胶发生聚合、交联反应而固化，可突破衍射极限，实现加工的分辨率小于100纳米的任意三维形态的空间光波导的加工，因此可以实现空间光波导的三维形态与待连接的通光口尺寸匹配，降低了光波导耦合过程中的损耗。且本申请的空间光波导制备方法中螺旋加工的支撑结构提升了空间光波导的强度，实现了高质量的大间距器件互连。

同背景技术相比，本申请的空间光波导制备方法不需要通过耦合器将芯片与光纤进行耦合，可免除芯片与芯片间及芯片与光纤间耦合时复杂的对准工艺，可实现非对准通光口载体的快速桥接，完全实现自动化。且本申请的空间光波导制备方法将通光口载体间的空间光波导由大尺寸光纤变为高集成度小尺寸的空间光波导，通光口载体的集成密度与连接密度相对应，通光口载体的集成度显著提升。空间光波导根据实际连接需要可加工成任意三维形态，完成任意三维光波导结构的构造，可突破平面连接的限制实现三维空间内通光口载体间的自由连接。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请的一个实施例提供的一种空间光波导制备方法的流程图；

图2为本申请的另一个实施例提供的一种空间光波导制备方法的流程图；

图3为本申请的又一个实施例提供的一种空间光波导制备方法的流程图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

本说明书所提及的“实施例”或类似用语表示与实施例有关的特性、结构或特征，包括在本申请的至少一实施例中。因此，本说明书所出现的用语“在一实施例中”、“在实施例中”以及类似用语可能但不必然都指向相同实施例。

再者，本申请所述特性、结构或特征可以以任何方式结合在一个或多个实施例中。以下说明将提供许多特定的细节以提供对本申请实施例的了解。然而相关领域的普通技术人员将看出本申请，即使没有利用其中一个或多个特定细节，或利用其它方法、组件、材料等亦可实施。另一方面，为避免混淆本申请，公知的结构、材料或操作并没有详细描述。

本申请的一个实施例提供了一种空间光波导制备方法，如图1所示，包括：

步骤s101：在待连接的通光口载体之间覆涂光刻胶；

将待连接的通光口载体放置于加工的载物台上，在待连接的通光口载体之间覆涂光刻胶。具体实施中，覆涂光刻胶可以手动覆涂，也可以通过实际加工装置中的微流体控制模块自动覆涂。

步骤s102：识别通光口上任意光波导连接点；

识别通光口上的任意光波导连接点，是利用实际加工装置中的光学识别模块去识别、辨认光波导连接点。具体的，光学识别模块可通过待连接的通光口载体本身的材料特性、表面特征或通光口位置处的标记等图像特征差异来识别、辨认通光口上的光波导连接点。

步骤s103：根据传输光信号传播模式、波长的不同设计连接路径；

设计连接路径是利用实际加工装置中的数据处理模块处理由步骤s102得到的光波导连接点的位置信息，结合具体传输光信号的传播模式和不同波长，计算并生成一条可行的光波导连接点的连接路径。在具体实施中连接路径可以是任意三维形态，可根据传播模式及波长的不同自由设计连接路径，并视具体应用场景选取最佳连接方案。

步骤s104：沿所述连接路径多次螺旋照射光刻胶，在连接路径外侧加工一层支撑结构；

如果采用单纯沿连接路径直接加工方式，空间光波导是由n条线构成的，而单条线加工过程中由于机械强度不足，再加上光刻胶的流动、三维移动平台的移动等，很容易造成变形、塌陷，无法获得具有高强度、高平滑度的空间光波导，也就无法实现高质量的大间距器件互连。

因此，本申请提出一种新型连接路径加工方式，即按照连接路径，多次螺旋照射光刻胶，在连接路径外侧加工一层支撑结构。这样加工得到的支撑结构具有高强度的特点，不会发生光波导塌陷问题，然后再填充固化支撑结构内部区域。

步骤s105：照射所述支撑结构包裹的光刻胶，所述支撑结构包裹的光刻胶固化，所述支撑结构和固化的支撑结构包裹的光刻胶组成空间光波导，以实现空间光波导的制备。

固化支撑结构包裹的光刻胶可以有两种方式：

1)与加工支撑结构类似方式，通过激光扫描内部光刻胶进行固化。采用此种加工方式，加工速度会受到极大限制。

2)可以在支撑结构加工完成后，除去支撑结构周围未固化光刻胶，然后使用紫外光源照射，使内部区域光刻胶固化。采用此种方式在液体胶中亦可实现大间距空间光波导的制备，且加工速度快。

光刻胶吸收能量发生聚合、交联反应而固化生成具有良好适配性与传输效果的空间光波导。空间光波导的截面尺寸与通光口截面尺寸匹配，解决耦合过程中的模斑匹配问题，降低连接过程中的损耗。

具体实施中，所述识别过程、设计路径过程和照射固化过程可以由实际加工装置中的光学系统实现，所述光学系统中包括：光学识别模块、数据处理模块和光刻模块，分别对应上述识别过程、生成路径过程和照射过程的加工过程。具体的，所述光学识别模块识别通光口载体上的光波导连接点，并将识别的位置信息传递给数据处理模块；所述数据处理模块接收光学识别模块传递的位置信息后根据传输光信号传播模式、波长的不同设计连接路径，并向所述光源模块和三维移动平台发出工作指令，所述三维移动平台上载有加工用的载物台；所述光刻模块接收数据处理模块的命令信息并发射照射光刻胶所用的激光束。而载有通光口载体的三维移动平台接收数据处理模块的工作指令后沿连接路径在三维空间内相对移动。

本申请的空间光波导制备方法通过光刻胶对照射光能量的非线性吸收效果，促使光刻胶发生聚合、交联反应而固化，可突破衍射极限，实现精度小于100纳米的任意三维形态的空间光波导的加工，因此可以实现空间光波导的三维形态与待连接的通光口尺寸匹配，降低了光波导耦合过程中的损耗。且本申请的空间光波导制备方法中螺旋加工的支撑结构提升了空间光波导的强度，实现了高质量的大间距器件互连。

具体的，本申请的空间光波导制备方法中空间光波导加工的分辨率小于1微米，更优的，可达到500纳米以下，最优的，可达到100纳米以下。加工的分辨率指实际加工装置所能加工的最小的位移量。

具体实施中，本申请的空间光波导制备方法基于超快激光三维加工技术实现，可实现突破衍射极限的直至小于1微米精度的任意三维形态光波导的加工。

本申请的一个实施例中，所述支撑结构是网状支撑结构或线状支撑结构。

具体实施中，网状支撑结构和线状支撑结构由螺旋加工实现，网状支撑结构和线状支撑结构都可以对空间光波导的加工提供支持，都具有高强度的特点，不会发生空间光波导塌陷问题。

本申请的另一个实施例中，如图2所示，所述光刻胶是液态时，所述步骤s105：照射所述支撑结构包裹的光刻胶，所述支撑结构包裹的光刻胶固化，所述支撑结构和固化的支撑结构包裹的光刻胶组成空间光波导，以实现空间光波导的制备，包括：

步骤s1051：除去所述支撑结构周围的光刻胶，照射所述支撑结构包裹的光刻胶，所述支撑结构包裹的光刻胶固化，所述支撑结构和固化的支撑结构包裹的光刻胶组成空间光波导，以实现空间光波导的制备。

具体实施中，在液态胶里使用线性加工时，由于液体的流动、三维移动平台的移动等，很容易造成空间光波导的变形、塌陷，无法获得具有高强度、高平滑度的空间光波导。所以本实施例中按照上述固化支撑结构包裹的光刻胶两种方式的2)，先在连接路径周围快速加工一层支撑结构，在支撑结构加工完成后，除去周围未固化的光刻胶，然后使用紫外光源照射支撑结构包裹的光刻胶，使内部区域的光刻胶固化。

本申请的又一个实施例中，可选择的，如图3所示，照射所述支撑结构包裹的光刻胶，所述支撑结构包裹的光刻胶固化，所述支撑结构和固化的支撑结构包裹的光刻胶组成空间光波导，以实现空间光波导的制备后，还包括：

步骤s1061：除去所述空间光波导周围的光刻胶，在所述空间光波导上覆涂光敏胶，照射所述光敏胶，所述光敏胶固化并包裹所述空间光波导。

可以用溶剂溶解除去空间光波导周围多余的未固化的光刻胶。用低折射率的光敏胶包裹空间光波导可获得更好的传输效果并起到保护的作用。

具体实施中，除去空间光波导周围的光刻胶可以用能溶解光刻胶的溶剂，比如：丙酮、乙二醇、纯水等。为保证空间光波导有更好的物理、化学特性，将其嵌入光敏胶包层中，使用紫外光源照射促使光敏胶的物理特性发生变化，使光敏胶引发聚合、交联反应而固化。

步骤s1062：除去所述空间光波导周围的光刻胶，在所述空间光波导上覆涂热敏胶，加热所述热敏胶，所述热敏胶固化并包裹所述空间光波导。

可以用溶剂溶解除去空间光波导周围多余的未固化的光刻胶。用低折射率的热敏胶包裹空间光波导可获得更好的传输效果并起到保护的作用。

具体实施中，除去空间光波导周围的光刻胶可以用能溶解光刻胶的溶剂，比如：丙酮、乙二醇、纯水等。为保证空间光波导有更好的物理、化学特性，将其嵌入热敏胶包层中，加热热敏胶促使热敏胶的物理特性发生变化，使热敏胶引发聚合、交联反应而固化。

步骤s1063：照射或加热所述空间光波导周围的光刻胶，所述空间光波导周围的光刻胶固化并包裹所述空间光波导。

在空间光波导生成后，直接将包裹在空间光波导周围的光刻胶制备成包裹空间光波导的包层。

具体实施中，对于部分类型的光刻胶来说，除去周围光刻胶时会造成形成空间光波导的光刻胶产生形变，所以这时周围的光刻胶不能除去，需在空间光波导制备完成后，通过紫外光源照射或加热使周围光刻胶固化，固化后的光刻胶材料折射率与空间光波导折射率存在差异，实现包层的制备。

由上述技术方案可见，步骤s1061、步骤s1062、步骤s1063是三种不同的空间光波导包层制备方法，包层需满足低折射率的要求，满足光波传输的需求及空间光波导的物理、化学特性需求，可视具体加工情景选取适合的包层制备方式。

本实施例中，所述照射所述网状结构包裹的光刻胶、所述光敏胶和所述空间光波导周围的光刻胶的光源都是紫外光源。紫外光源利用紫外线电磁辐射光刻胶产生辐射聚合、辐射交联等反应，迅速将光刻胶固化，且辐照后固化效果好，固化后的空间光波导包层的折射率与空间光波导折射率存在差异。

本申请的一个实施例中，所述光刻胶由丙烯酸酯或改性丙烯酸酯类中可发生自由基聚合的光敏材料组成。

本申请所使用的光刻胶加入了超支化丙烯酸树脂，具有高平滑度的特点，用此种优化的光刻胶制备的空间光波导可降低光信号传输时由于光波导表面不平滑造成的散射，实现光信号低损耗传输。

具体实施中，想实现通光口连接间距不受限需要使用的光刻胶具有高弹性、高强度的特点，而本申请提供的空间光波导制备方法中，通过将丙烯酸酯或改性丙烯酸酯类中可发生自由基聚合的光敏材料按一定比例混合，实现了高弹性、高强度光刻胶的制备，可用于300微米以上的大间距、低损耗空间光波导的制备，实现通光口间距不受限连接。

本申请的一个实施例中，所述待连接的通光口载体之间的距离是10-1000微米。

具体实施中，本申请通过对加工方式和光刻胶的优化，可实现通光器件间通光口连接间距不受限，优选的，待连接的通光口载体之间的距离是10-1000微米，此区间的空间光波导传播效果与加工强度都比较好。

本申请的一个实施例中，进一步的，所述步骤s102：识别通光口上任意光波导连接点，包括：

使用光源照射通光口，识别所述通光口上任意光波导连接点与周围材料的图像特征差异，得到所述任意光波导连接点的三维坐标信息。

具体实施中，使用光源照射待连接的通光口，识别所述光波导连接点与周围材料的反射光差异，得到所述光波导连接点的三维坐标信息。光波导连接点的识别可以通过待连接的通光口所在的光波导载体本身的材料特性/表面差异，也可以在通光口载体加工过程中便做好标记，当使用光源照射时，照射通光口载体样品平面反射光，经3d共聚焦成像后被相机接收，经图像处理后，通光口与周围材料的图像特征差异被识别，便可以实现光波导连接点的自动识别。

本申请的一个实施例中，进一步的，所述步骤s103：根据传输光信号传播模式、波长的不同设计连接路径，包括：

根据任意光波导连接点的三维坐标信息，和传输光信号传播模式、波长的不同设计连接路径。

可选的，所述连接路径是根据光波导连接点为端点构造的直线或曲线。

具体实施中，在确定需耦合的光波导连接点之后，就可以根据光波导连接点的三维坐标和传输光信号传播模式、波长的不同设计生成连接耦合路径。生成连接耦合路径可以是根据两端点构造的一条直线，也可以是具有特定曲率半径的曲线。

本申请的一个实施例中，进一步的，所述步骤s104中的：沿所述连接路径多次螺旋照射光刻胶和照射所述支撑结构包裹的光刻胶，包括：

用连续激光或飞秒激光沿所述连接路径多次螺旋照射光刻胶和照射所述支撑结构包裹的光刻胶。

具体实施中，连续激光或飞秒激光的输出功率一般都比较低，适合于要求激光连续工作的场合，当用物镜等将其进一步聚焦到材料时，由于焦点附近能量密度很高，能引起各种强烈的非线性效应。用连续激光或飞秒激光加工光刻胶可以获得良好的加工效果，光刻胶对激光能量吸收良好。

具体实施中，所述连续激光或飞秒激光可以由实际加工装置中的光刻模块实现，所述光刻模块中包括：光源单元、光路调整单元和聚焦单元。具体的，光源单元用于发射加工空间光波导所用激光束，光路调整单元用于将发射激光束进行准直，聚焦单元是通过物镜将准直后激光束聚焦为一激光光斑，聚焦后的激光光斑精准度高，更有利于空间光波导的加工。

本申请的一个实施例中，所述待连接的通光口载体是集成光波导芯片、光纤或微激光器件。

具体实施中，本申请的空间光波导制备方法可以实现空间光波导的三维形态制备，实现空间光波导截面尺寸与通光口截面尺寸匹配，解决耦合过程中模斑匹配问题，降低连接过程中的损耗。具体的，可用于微激光器件与芯片间的连接，芯片与光纤间的连接，芯片与芯片间的连接及光纤与光纤间的连接。

综上所述，本申请提供了一种空间光波导制备方法，以实现通光口之间的低损耗连接为目的，并且可同时实现通光器件的大间距连接、自动化连接及快速连接、提升光波导载体集成度、并突破平面连接的限制实现任意三维形态的光波导连接。

从上述技术方案可以看出，本申请的空间光波导制备方法通过光刻胶对照射光能量的非线性吸收效果，造成光刻胶物理特性的变化，促使光刻胶发生聚合、交联反应而固化，可突破衍射极限，实现精度小于100纳米的任意三维形态的空间光波导的加工，因此可以实现空间光波导的三维形态与待连接的通光口尺寸匹配，降低了光波导耦合过程中的损耗。且本申请的空间光波导制备方法中螺旋加工的支撑结构提升了空间光波导的强度，实现了高质量的大间距器件互连。

同背景技术相比，本申请的空间光波导制备方法不需要通过耦合器将芯片与光纤进行耦合，可免除芯片与芯片间及芯片与光纤间耦合时复杂的对准工艺，可实现非对准通光口载体的快速桥接，完全实现自动化。且本申请的空间光波导制备方法将通光口载体间的空间光波导由大尺寸光纤变为高集成度小尺寸的空间光波导，通光口载体的集成密度与连接密度相对应，通光口载体的集成度显著提升。空间光波导根据实际连接需要可加工成任意三维形态，完成任意三维光波导结构的构造，可突破平面连接的限制实现三维空间内通光口载体间的自由连接。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。