[发明专利]端面耦合器及其制作方法、端面耦合方法

说明书

本发明公开了一种端面耦合器及其制作方法，该制作方法包括：提供一光子芯片，在光子芯片的耦合端的上表面具有波导；在耦合端的上表面形成一层覆盖波导并与波导键合的衬底；在衬底表面涂布一层光刻胶层；通过分步曝光和显影，将光刻胶层制作成楔形结构，楔形结构的正投影至少与波导部分重叠，且越远离波导的端面，楔形结构的截面积越大；通过对衬底进行刻蚀，以在衬底上形成与楔形结构对应的模斑转换器。由于模斑转换器的制作是在光子芯片的波导完成后进行，因此属于后道工艺；通过采用分步曝光的方法制作，端面耦合器制作过程更快速；通过采用带槽的光纤固定块来实现模斑转换器与光纤的辅助对准和粘接，可以很好地保证光斑转换过程的高效可靠。

技术领域

本发明涉及光通信器件领域，尤其涉及一种端面耦合器及其制作方法、端面耦合方法。

背景技术

在光通信系统中，端面耦合器可以用于实现光在光纤和集成光子芯片之间的相互耦合。当光在光纤中传输时，光纤的端面尺寸常常在数百微米，光纤中模斑的尺寸也常在几个微米大小；当光在集成光子芯片中的光波导里传输时，波导端面的尺寸一般在数百纳米到几个微米，波导中模斑的尺寸也常在数百纳米到数微米；因此光纤中的模斑与光波导芯片中的模斑存在较大的尺寸失配，这给光在光纤和集成光子芯片之间的耦合带来了困难。

现有的实现光在光纤和集成光子芯片之间的耦合方法常常被分为两类：光栅偶合法和端面偶合法。在光栅耦合中：光纤与芯片之间存在一定的夹角，这给封装带来了困难；耦合效率对入射光波长、偏振、入射角度敏感，使得其不具备通用性。在端面耦合中：光纤从侧面连接于芯片，易于封装；耦合效率与入射光波长、偏振无关，因此具备通用性。

现有的端面耦合器可以被分为两类。第一类是通过在波导耦合端制作尖端结构来实现光高效地在光纤和集成光子芯片上光波导之间的相互耦合，具体是将波导耦合端制作成尖，然后在波导耦合端上面镀数微米厚(比光纤纤芯厚)的低折射率薄膜，将光纤粘在镀制而成的薄膜端面(非尖端)。光从波导到光纤，在薄膜里将光斑大小转换完成。然而，此种方法的缺点是：镀制数微米厚的薄膜成本很高，且薄膜质量差；光纤与镀制的薄膜的端面不易粘接。

第二类是通过在波导耦合端制作模斑转换器结构来实现光高效地在光纤和集成光子芯片上光波导之间的相互耦合，模斑转换器实际上是一个两端面尺寸不同、中间光滑连续变化的几何结构。模斑转换器中一端面的模斑尺寸与光纤中的模斑尺寸一致，另一端面的模斑尺寸与集成光子芯片上光波导中的模斑尺寸一致。具体是：将波导耦合端放大，然后与光纤粘接，在放大端形成喇叭状的锥体，常用的制作方法有：先制作出(如采用湿法腐蚀法、阴影腐蚀法、灰度掩模曝光法)模斑转换器，再做波导；(如采用阴影镀膜法)在光纤与波导之间镀制与波导相同的材料，然而，这些常用的制作方法要么仍然无法保证模斑转换器与光纤、波导的精确对准和可靠连接，从而影响光斑转换，要么成本也高。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种主要用于集成光子芯片的端面耦合器及其制作方法、端面耦合方法，可以在光子芯片完成后再制作模斑转换器，键合可靠性好，而且，端面耦合器的制作过程高效稳定，耦合对准精度高。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种端面耦合器的制作方法，包括：

提供一光子芯片，在所述光子芯片的耦合端的上表面具有波导；

在所述耦合端的上表面形成一层覆盖所述波导并与所述波导键合的衬底；

在所述衬底表面涂布一层光刻胶层；

通过分步曝光和显影，将所述光刻胶层制作成楔形结构，所述楔形结构的正投影至少与所述波导部分重叠，且越远离所述波导的端面，所述楔形结构的截面积越大；

通过对所述衬底进行刻蚀，以在所述衬底上形成与所述楔形结构对应的模斑转换器。

作为其中一种实施方式，所述衬底与所述波导键合的键合面高于所述衬底中的硅层的底面。