3D硅基光端面耦合器及其制备方法

摘要：

本发明涉及集成光学技术领域，具体公开了一种3D硅基光端面耦合器及其制备方法，包括：硅衬底层；波导层，形成在硅衬底层上，包括尖端波导部分和与尖端波导部分连接的单模波导部分，尖端波导部分至少包括由背离单模波导部分的一端到与单模波导部分连接的一端呈横截面宽度逐渐增加的渐变结构，且尖端波导部分与单模波导部分连接的一端的宽度与单模波导部分的宽度相同；包覆层，至少包括锥形包覆结构，锥形包覆结构包覆波导层的尖端波导部分的预设比例结构，锥形包覆结构包括截面宽度和截面高度由靠近单模波导部分的一端至背离单模波导部分的一端以预设幅度逐渐增大的渐变结构。本发明提供的3D硅基光端面耦合器能够有效提升端面耦合器耦合效率。

专利类型：发明专利

申请/专利号：CN202311782583.3

申请日期：2023-12-22

公开/公告号：CN117452557A

公开/公告日：2024-01-26

主分类号：G02B6/12(2006.01)

申请/专利权人:无锡芯光互连技术研究院有限公司

发明/设计人:于圣韬;葛崇祜;刘军;吴建波;郝沁汾

主申请人地址:214000 江苏省无锡市锡山区安镇街道兖矿信达大厦A栋802

专利代理机构:无锡市观知成专利商标代理事务所(特殊普通合伙)

代理人:陈丽丽

国别省市代码:江苏;32

权利要求：

1.一种3D硅基光端面耦合器，其特征在于，包括： 硅衬底层； 波导层，形成在所述硅衬底层上，包括尖端波导部分和与所述尖端波导部分连接的单模波导部分，所述尖端波导部分至少包括由背离所述单模波导部分的一端到与所述单模波导部分连接的一端呈横截面宽度逐渐增加的渐变结构，且所述尖端波导部分与所述单模波导部分连接的一端的横截面宽度与所述单模波导部分的横截面宽度相同； 包覆层，至少包括锥形包覆结构，所述锥形包覆结构能够包覆所述波导层的尖端波导部分的预设比例结构，所述锥形包覆结构包括截面宽度和截面高度由靠近所述单模波导部分的一端至背离所述单模波导部分的一端以预设幅度逐渐增大的渐变结构。 2.根据权利要求1所述的3D硅基光端面耦合器，其特征在于，所述包覆层还包括凹槽型包覆结构， 所述凹槽型包覆结构与所述锥形包覆结构连接，所述锥形包覆结构位于所述凹槽型包覆结构的凹槽内，所述凹槽型包覆结构至少包覆所述单模波导部分。 3.根据权利要求2所述的3D硅基光端面耦合器，其特征在于，所述锥形包覆结构的高度小于所述凹槽型包覆结构的槽口的高度。 4.根据权利要求1所述的3D硅基光端面耦合器，其特征在于，所述锥形包覆结构包括第一部分和第二部分，所述第一部分的一端靠近所述单模波导部分，所述第一部分的另一端背离所述单模波导部分，所述第二部分的一端与所述第一部分的另一端连接， 所述第一部分为截面宽度和截面高度由靠近所述单模波导部分的一端至背离所述单模波导部分的一端以预设幅度逐渐增大的渐变结构； 所述第二部分为截面宽度和截面高度保持不变的不变结构，所述第二部分的截面宽度和所述第一部分的另一端的截面宽度相同，所述第二部分的截面高度和所述第一部分的另一端的截面高度相同。 5.根据权利要求1所述的3D硅基光端面耦合器，其特征在于，所述尖端波导部分的类型包括单引脚、双引脚和三引脚中的任意一种。 6.一种3D硅基光端面耦合器的制备方法，用于制备权利要求1至5中任意一项所述的3D硅基光端面耦合器，其特征在于，所述制备方法包括： 提供硅衬底层； 在所述硅衬底层上经过光刻与刻蚀形成包括尖端波导部分和与所述尖端波导部分连接的单模波导部分的波导层，所述尖端波导部分至少包括由背离所述单模波导部分的一端到与所述单模波导部分连接的一端呈横截面宽度逐渐增加的渐变结构，且所述尖端波导部分与所述单模波导部分连接的一端的横截面宽度与所述单模波导部分的横截面宽度相同； 采用压印工艺形成包覆层的垂直方向的结构，并采用套刻工艺对所述包覆层在二维方向的形貌进行约束，获得包覆层，所述包覆层至少包括锥形包覆结构，所述锥形包覆结构能够包覆所述波导层的尖端波导部分的预设比例结构，所述锥形包覆结构包括截面宽度和截面高度由靠近所述单模波导部分的一端至背离所述单模波导部分的一端以预设幅度逐渐增大的渐变结构。 7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，在所述硅衬底层上经过光刻与刻蚀形成包括尖端波导部分和与所述尖端波导部分连接的单模波导部分的波导层，包括： 在所述硅衬底层上，选取目标区域光刻后形成波导层的二维形状和用于压印工艺的对准标记图形；所述波导层的二维形状为形成在硅衬底层所在平面所涉及到的两个维度的形状； 在显影后的硅衬底层上对目标区域进行预设高度刻蚀形成包括尖端波导部分和与所述尖端波导部分连接的单模波导部分的波导层。 8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，采用压印工艺以形成包覆层的垂直方向的结构，并采用套刻工艺对所述包覆层的二维方向的形貌进行约束，包括： 在形成波导层后的硅衬底层上旋涂UV树脂； 根据压印模版对所述UV树脂进行压印后获得包覆层的垂直方向的结构； 在获得包覆层的垂直方向的结构上进行套刻以及刻蚀，获得包括凹槽型包覆结构和与所述凹槽型包覆结构连接的所述锥形包覆结构的包覆层，所述锥形包覆结构位于所述凹槽型包覆结构的凹槽内，所述凹槽型包覆结构至少包覆所述单模波导部分。 9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在获得包覆层的垂直方向的结构上进行套刻以及刻蚀，包括： 在获得包覆层的垂直方向的结构上涂覆第二光刻胶； 对涂覆第二光刻胶后的结构依次进行套刻和显影，获得能够约束所述锥形包覆结构的光刻胶牺牲层； 对所述光刻胶牺牲层进行刻蚀，获得包括凹槽型包覆结构和与所述凹槽型包覆结构连接的所述锥形包覆结构的包覆层。 10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，根据压印模版对所述UV树脂进行压印后获得包覆层的垂直方向的结构，包括： 根据压印模版对所述UV树脂进行压印； 对压印后的UV树脂进行固化和脱模，获得横截面为直角三角形的3D斜坡。