CN102819066A - 多芯光纤与平面光波导耦合用的3d变换器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器及其制备方法，涉及光波导器件领域，它包括若干倾斜一定角度的光波导及其两端的端口，其一端的端口分布与多芯光纤的端口分布对应，呈中心对称分布，另一端的端口分布与平面光波导的端口分布对应，呈一条直线分布。本发明能将多芯光纤中不在同一直线上的端口通过空间倾斜的光波导连接到平面光波导器件端面呈直线分布的端口，实现两者的耦合互联，设计灵活性较好，体积较小，成本较低，耦合效率较高，工艺成熟，成品率高，且易于大批量生产。

Description

多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器及其制备方法

技术领域

本发明涉及光波导器件领域，特别是涉及一种多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器及其制备方法。

背景技术

随着通信系统容量需求的快速提高，对光纤通信链路的传输容量要求越来越大，波分复用等技术已无法满足，因此，基于多芯光纤的多路径空分复用技术，作为下一代光纤通信系统传输链路物理媒质的有力候选者，在特种功能领域具有广泛地应用前景，已成为全世界各国研发人员的一个研究热点。

目前广泛使用的普通单模光纤是由一个纤芯区和围绕它的包层区构成的。而多芯光纤则具有在一个共同的包层区中存在多个纤芯的新型结构。依多芯纤芯的用途和芯间间距离不同，可将多芯光纤分为两类：一类是纤芯间隔较大，即多芯之间不产生光耦合的结构，该种类型的多芯光纤，可以制成具有多个纤芯的柱形或带状光缆，能提高传输线路的单位面积的集成密度，可大幅提高系统传输速率；另一类是芯间间隔较近时，纤芯之间产生强烈的光耦合，可实现模分复用、大功率传输等不同用途。

随着集成技术的进步，由于平面光波导集成技术具有体积小，调试简单，适合大规模生产的优点，越来越多的光有源或无源器件使用平面光波导集成技术。传统的平面光波导器件的输出端位于同一条直线上，而多芯光纤的纤芯通常沿轴向呈中心对称分布，因此使用常规方法很难将平面光波导器件输出的光信号耦合进入多芯光纤。

目前的两种解决方式：一种是采用自由空间光耦合的方式，使用透镜组将光波导器件的输出光通过透镜聚焦到光纤端面上相应的位置与相应的纤芯耦合。这种方式装置复杂，器件体积大，耦合效率低下，成本高昂，不适合大规模的应用于器件中；另一种是采用飞秒激光器，采用激光全息加工的方式，在硅基或者铌酸锂中制造光波导，实现三维光波导互联，这种方式对工艺要求很高，加工成本比较高。

发明内容

本发明的目的是为了克服上述背景技术的不足，提供一种多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器及其制备方法，能将多芯光纤中不在同一直线上的端口通过空间倾斜的光波导连接到平面光波导器件端面呈直线分布的端口，实现两者的耦合互联，设计灵活性较好，体积较小，成本较低，耦合效率较高，工艺成熟，成品率高，且易于大批量生产。

本发明提供的多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器，包括若干倾斜一定角度的光波导及其两端的端口，其一端的端口分布与多芯光纤的端口分布对应，呈中心对称分布，另一端的端口分布与平面光波导的端口分布对应，呈一条直线分布。

在上述技术方案中，所述若干倾斜一定角度的光波导在空间中分布形成上、中间、下三个波导层，上波导层所在平面与中间波导层所在平面的夹角小于45度，下波导层所在平面与中间波导层所在平面的夹角也小于45度。

在上述技术方案中，所述光波导采用硅、硅基二氧化硅、III-V族半导体或聚合物材料制成。

在上述技术方案中，所述光波导采用离子注入工艺或者质子交换工艺制作。

在上述技术方案中，采用斜面抛光或者灰度掩膜刻蚀工艺实现光波导倾斜一定角度。

在上述技术方案中，所述平面光波导为阵列波导光栅、多模干涉器件、光纤阵列或者激光器阵列。

在上述技术方案中，包括第一上波导、第二上波导、第一中间波导、第二中间波导、第三中间波导、第一下波导、第二下波导、在一条直线上顺次排列的7个端口a、b、c、d、e、f、g、呈中心对称分布且与七芯光纤端口分布对应的端口a′、b′、c′、d′、e′、f′、g′，其中，端口a′和g′关于d′中心对称，端口b′和e′关于d′中心对称，端口c′和f′关于d′中心对称，端口a′、d′、g′位于同一直线上，端口b′、f′位于该直线上方，端口c′、e′位于该直线下方，端口b′、f′所在直线与该直线平行，端口c′、e′所在直线也与该直线平行，端口b′、f′所在直线、端口c′、e′所在直线与该直线之间的间距相等。

在上述技术方案中，所述第一上波导、第二上波导构成上波导层，第一中间波导、第二中间波导、第三中间波导位于同一平面，构成中间波导层，第一下波导和第二下波导构成下波导层，上波导层所在平面与中间波导层所在平面的夹角小于45度，下波导层所在平面与中间波导层所在平面的夹角也小于45度；第一上波导连接端口b和b′，第二上波导连接端口f和f′，第一中波导连接端口a和a′，第二中波导连接端口d和d′，第三中波导连接端口g和g′，第一下波导连接端口c和c′，第二下波导连接端口e和e′。

本发明提供一种上述多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器的制备方法，包括下列步骤：在衬底的正面采用灰度掩膜和化学腐蚀、抛光工艺制作出倾斜斜面，在倾斜斜面旋涂光刻胶以光刻出光波导图样，采用离子注入或者质子交换工艺在光波导区域制作第一上波导、第二上波导；将衬底翻面，在衬底背面抛光，抛光到一定厚度时，采用刻蚀或者腐蚀工艺在中间波导处刻蚀出深沟槽以达到中间波导的位置；采用抛光工艺制作出倾斜斜面，用以制作下波导，然后，旋涂光刻胶以便光刻出中间波导和下波导图案，采用质子交换或者离子注入工艺制作出第一中间波导、第二中间波导、第三中间波导、第一下波导和第二下波导。

本发明还提供一种上述多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器的制备方法，包括下列步骤：采用灰度掩膜工艺制作出斜面光刻胶：在衬底材料上旋涂光刻胶，采用灰度掩膜工艺控制曝光剂量实现斜面的光刻胶，曝光后光刻胶呈厚度渐变分布；再继续采用等离子刻蚀工艺制作斜面，光刻胶上的倾斜平面随着刻蚀转移到衬底材料上去，最终在衬底上形成倾斜的平面，在斜面上采用光刻和质子交换工艺或者离子注入工艺制作第一下波导和第二下波导；采用PECVD工艺将制作出的第一下波导和第二下波导掩埋，并继续采用光刻和质子交换工艺或者离子注入工艺制作第一中间波导、第二中间波导、第三中间波导；采用PECVD工艺将第一中间波导、第二中间波导、第三中间波导掩埋，并采用制作下波导的方法制作斜面和第一上波导、第二上波导；采用PECVD工艺覆盖整个器件，并抛光使器件表面平坦化。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

(1)本发明的3D变换器，其一端的端口分布与多芯光纤的端口分布对应，呈中心对称分布，另一端的端口分布与平面光波导的端口分布对应，呈一条直线分布，可将多芯光纤中不在同一直线上的端口通过空间倾斜的光波导连接到平面光波导器件端面呈直线分布的端口，实现两者的耦合互联，可作为空分复用技术的复用和解复用器。

(2)本发明可根据多芯光纤或平面光波导中所分布纤芯的不同直径及空间分布，相应调整3D变换器的波导设计，设计灵活性较好。

(3)本发明相比于空间耦合型的耦合装置，体积较小，成本较低，耦合效率较高。

(4)本发明采用斜面抛光或者灰度掩膜刻蚀等平面光波导工艺，制造空间任意倾斜角度的光波导器件，工艺成熟，成品率高，且易于大批量生产，即同一基片上可以同时生产大量器件。

附图说明

图1是本发明实施例中七芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器的结构示意图。

图2是本发明实施例中七芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器连接平面光波导的端口分布图。

图3是本发明实施例中七芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器连接七芯光纤的端口分布图。

图4是在抛光斜面上制作上波导的示意图。

图5是将图4中制作的器件翻面后刻蚀出槽状结构的示意图。

图6是将图5的刻蚀图形抛光出斜面后制作出下波导和中间波导的示意图。

图7是采用灰度掩膜制作出斜面光刻胶的示意图。

图8是在刻蚀出的斜面上制作出下波导的示意图。

图9是将下波导掩埋后继续制作出中间波导的示意图。

图10是掩埋后继续制作出上波导的示意图。

图11是制作完上波导后掩埋、抛光使器件表面平坦化的示意图。

图12是发明芯片量产示意图。

图中：1-第一上波导，2-第二上波导，3-第一中间波导，4-第二中间波导，5-第三中间波导，6-第一下波导，7-第二下波导，8-光刻胶，9-衬底材料。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

参见图1所示，本发明实施例提供一种多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器，包括若干倾斜一定角度的光波导及其两端的端口，其一端的端口分布与多芯光纤的端口分布对应，呈中心对称分布，另一端的端口分布与平面光波导的端口分布对应，呈一条直线分布。光波导采用硅、硅基二氧化硅、III-V族半导体或聚合物材料制成。采用离子注入工艺或者质子交换工艺制作光波导，采用斜面抛光或者灰度掩膜刻蚀工艺实现光波导倾斜一定角度。若干倾斜一定角度的光波导在空间中分布形成上、中间、下三个波导层，上波导层所在平面与中间波导层所在平面的夹角小于45度，下波导层所在平面与中间波导层所在平面的夹角也小于45度。

平面光波导包括：AWG(Arrayed Waveguide Grating，阵列波导光栅)、MMI(Multimode Interference，多模干涉器件)、FA(FiberArray，光纤阵列)、激光器阵列(LD Array)及其他输入、输出端口分布在一条直线上的平面光波导器件。

下面以七芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器为例进行详细说明。

参见图1所示，本发明实施例中七芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器，包括：第一上波导1、第二上波导2、第一中间波导3、第二中间波导4、第三中间波导5、第一下波导6、第二下波导7、在一条直线上顺次排列的7个端口a、b、c、d、e、f、g(参见图2所示)、呈中心对称分布且与七芯光纤端口分布(参见图3所示)对应的端口a′、b′、c′、d′、e′、f′、g′，参见图3所示，端口a′和g′关于d′中心对称，端口b′和e′关于d′中心对称，端口c′和f′关于d′中心对称，端口a′、d′、g′位于同一直线上，端口b′、f′位于该直线上方，端口c′、e′位于该直线下方，端口b′、f′所在直线与该直线平行，端口c′、e′所在直线也与该直线平行，端口b′、f′所在直线、端口c′、e′所在直线与该直线之间的间距相等。

参见图1所示，第一上波导1、第二上波导2构成上波导层，第一中间波导3、第二中间波导4、第三中间波导5位于同一平面，构成中间波导层，第一下波导6和第二下波导7构成下波导层，上波导层所在平面与中间波导层所在平面的夹角小于45度，下波导层所在平面与中间波导层所在平面的夹角也小于45度。第一上波导1连接端口b和b′，第二上波导2连接端口f和f′，第一中波导3连接端口a和a′，第二中波导4连接端口d和d′，第三中波导5连接端口g和g′，第一下波导6连接端口c和c′，第二下波导7连接端口e和e′。端口a、b、c、d、e、f、g与平面光波导端口相连，端口a′、b′、c′、d′、e′、f′、g′与七芯光纤相连。

下面分别以制备七芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器为例，说明两种多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器的制备方法。

实施例1、

步骤101、在衬底的正面采用灰度掩膜和化学腐蚀、抛光工艺制作出倾斜斜面；

步骤102、在倾斜斜面旋涂光刻胶以光刻出光波导图样；

步骤103、参见图4所示，采用离子注入或者质子交换工艺在光波导区域制作第一上波导1、第二上波导2；

步骤104、参见图5所示，将衬底翻面，在衬底背面抛光，抛光到一定厚度时，采用刻蚀或者腐蚀工艺在中间波导处刻蚀出深沟槽以达到中间波导的位置；

步骤105、采用抛光工艺制作出倾斜斜面，用以制作下波导，然后，旋涂光刻胶以便光刻出中间波导和下波导图案；

步骤106、参见图6所示，采用质子交换或者离子注入工艺，一次性制作出第一中间波导3、第二中间波导4、第三中间波导5、第一下波导6和第二下波导7。

至此，七芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器制备完毕。

实施例2、

步骤201、参见图7所示，采用灰度掩膜工艺制作出斜面光刻胶8：在衬底材料9上旋涂光刻胶8，采用灰度掩膜工艺控制曝光剂量实现斜面的光刻胶8，曝光后光刻胶8呈厚度渐变分布；

步骤202、再继续采用等离子刻蚀工艺制作斜面，由于光刻胶8厚度不同，光刻胶8上的倾斜平面随着刻蚀转移到衬底材料9上去，最终在衬底上形成倾斜的平面，参见图8所示，在斜面上采用光刻和质子交换工艺或者离子注入工艺制作第一下波导6和第二下波导7；

步骤203、参见图9所示，采用PECVD(Plasma Enhanced ChemicalVapor Deposition，等离子体增强化学气相沉积法)工艺，将制作出的第一下波导6和第二下波导7掩埋，并继续采用光刻和质子交换工艺或者离子注入工艺制作第一中间波导3、第二中间波导4、第三中间波导5；

步骤204、参见图10所示，采用PECVD工艺将第一中间波导3、第二中间波导4、第三中间波导5掩埋，并采用类似制作下波导的方法制作斜面和第一上波导1、第二上波导2；

步骤205、参见图11所示，采用PECVD工艺覆盖整个器件，并抛光使器件表面平坦化。

至此，七芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器制备完毕。

参见图12所示，由于采用的是平面光波导芯片工艺，还可以在一个衬底材料9上一次性制作出多个器件，实现量产。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明包含这些改动和变型在内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (10)

1.一种多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器，其特征在于：包括若干倾斜一定角度的光波导及其两端的端口，其一端的端口分布与多芯光纤的端口分布对应，呈中心对称分布，另一端的端口分布与平面光波导的端口分布对应，呈一条直线分布。

2.如权利要求1所述的多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器，其特征在于：所述若干倾斜一定角度的光波导在空间中分布形成上、中间、下三个波导层，上波导层所在平面与中间波导层所在平面的夹角小于45度，下波导层所在平面与中间波导层所在平面的夹角也小于45度。

3.如权利要求1所述的多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器，其特征在于：所述光波导采用硅、硅基二氧化硅、III-V族半导体或聚合物材料制成。

4.如权利要求1所述的多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器，其特征在于：所述光波导采用离子注入工艺或者质子交换工艺制作。

5.如权利要求1所述的多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器，其特征在于：采用斜面抛光或者灰度掩膜刻蚀工艺实现光波导倾斜一定角度。

6.如权利要求1所述的多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器，其特征在于：所述平面光波导为阵列波导光栅、多模干涉器件、光纤阵列或者激光器阵列。

7.如权利要求1至6中任一项所述的多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器，其特征在于：包括第一上波导(1)、第二上波导(2)、第一中间波导(3)、第二中间波导(4)、第三中间波导(5)、第一下波导(6)、第二下波导(7)、在一条直线上顺次排列的7个端口a、b、c、d、e、f、g、呈中心对称分布且与七芯光纤端口分布对应的端口a′、b′、c′、d′、e′、f′、g′，其中，端口a′和g′关于d′中心对称，端口b′和e′关于d′中心对称，端口c′和f′关于d′中心对称，端口a′、d′、g′位于同一直线上，端口b′、f′位于该直线上方，端口c′、e′位于该直线下方，端口b′、f′所在直线与该直线平行，端口c′、e′所在直线也与该直线平行，端口b′、f′所在直线、端口c′、e′所在直线与该直线之间的间距相等。

8.如权利要求7所述的多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器，其特征在于：所述第一上波导(1)、第二上波导(2)构成上波导层，第一中间波导(3)、第二中间波导(4)、第三中间波导(5)位于同一平面，构成中间波导层，第一下波导(6)和第二下波导(7)构成下波导层，上波导层所在平面与中间波导层所在平面的夹角小于45度，下波导层所在平面与中间波导层所在平面的夹角也小于45度；第一上波导(1)连接端口b和b′，第二上波导(2)连接端口f和f′，第一中波导(3)连接端口a和a′，第二中波导(4)连接端口d和d′，第三中波导(5)连接端口g和g′，第一下波导(6)连接端口c和c′，第二下波导(7)连接端口e和e′。

9.如权利要求1至8中任一项所述的多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

在衬底的正面采用灰度掩膜和化学腐蚀、抛光工艺制作出倾斜斜面，在倾斜斜面旋涂光刻胶以光刻出光波导图样，采用离子注入或者质子交换工艺在光波导区域制作第一上波导(1)、第二上波导(2)；

将衬底翻面，在衬底背面抛光，抛光到一定厚度时，采用刻蚀或者腐蚀工艺在中间波导处刻蚀出深沟槽以达到中间波导的位置；采用抛光工艺制作出倾斜斜面，用以制作下波导，然后，旋涂光刻胶以便光刻出中间波导和下波导图案，采用质子交换或者离子注入工艺制作出第一中间波导(3)、第二中间波导(4)、第三中间波导(5)、第一下波导(6)和第二下波导(7)。

10.如权利要求1至8中任一项所述的多芯光纤与平面光波导耦合用的3D变换器的制备方法，其特征在于，包括下列步骤：

采用灰度掩膜工艺制作出斜面光刻胶：在衬底材料上旋涂光刻胶，采用灰度掩膜工艺控制曝光剂量实现斜面的光刻胶，曝光后光刻胶呈厚度渐变分布；再继续采用等离子刻蚀工艺制作斜面，光刻胶上的倾斜平面随着刻蚀转移到衬底材料上去，最终在衬底上形成倾斜的平面，在斜面上采用光刻和质子交换工艺或者离子注入工艺制作第一下波导(6)和第二下波导(7)；

采用PECVD工艺将制作出的第一下波导(6)和第二下波导(7)掩埋，并继续采用光刻和质子交换工艺或者离子注入工艺制作第一中间波导(3)、第二中间波导(4)、第三中间波导(5)；采用PECVD工艺将第一中间波导(3)、第二中间波导(4)、第三中间波导(5)掩埋，并采用制作下波导的方法制作斜面和第一上波导(1)、第二上波导(2)；采用PECVD工艺覆盖整个器件，并抛光使器件表面平坦化。

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