一种光子芯片的端口耦合结构及其制备方法

技术领域

本发明涉及光子芯片技术领域，具体为一种光子芯片的端口耦合结构及其制备方法。

背景技术

近些年来，全球通信网络流量以惊人的速度持续增长。为了满足日益旺盛的信息需求，更强大的光信息传输与处理能力是尤为重要的。大规模光子集成芯片在超高速光信息处理中表现出极好的应用前景。然而，光子芯片和通信光纤间的高效耦合目前还未成熟。光子芯片和标准单模光纤之间的模场尺寸通常相差较大，直接进行端面对准耦合会产生极大的损耗。为解决此问题，人们通常在耦合过程中加入光栅结构、锥形结构等来进行片上和标准光纤的模场转换，进而提高耦合效率。这些方法通常被归为两类耦合方式：垂直耦合与端面耦合。悬空波导就是一种端面耦合方式。实际应用中，悬空波导结构具有机械稳定性差的问题；此外，悬空波导中的悬空结构需要支撑结构，传统的支撑结构为分离的柱状支撑结构，此方式一方面增加了加工难度，另一方面也增加了耦合时的损耗的问题，为此，我们提出一种光子芯片的端口耦合结构及其制备方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光子芯片的端口耦合结构及其制备方法，解决了现有的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种光子芯片的端口耦合结构，包括自下至上依次设置的衬底材料、二氧化硅薄膜、铌酸锂薄膜和金属铬膜。

优选的，所述衬底材料采用硅材料，厚度为300-500μm。

优选的，所述二氧化硅薄膜的厚度3-4.7μm。

优选的，所述铌酸锂薄膜的厚度为300-500nm。

优选的，所述金属铬膜的厚度为300-500nm。

一种光子芯片的端口耦合结构的制备方法，包括以下步骤：

S1、根据光子芯片结构利用飞秒激光进行铬掩膜加工，并在加工光子芯片结构时同时加工出平面楔形结构；

S2、利用化学机械抛光对上述的飞秒激光加工后的掩膜进行抛光，将结构周围的铌酸锂薄膜层去掉，完成抛光清洗样品后，利用铬腐蚀液将结构上的铬保护膜去除；

S3、遮挡楔型结构，在其余部分镀500nm厚度的铬保护膜，去掉楔形结构的遮挡物并利用化学机械抛光完成对楔形结构的斜面加工，以及在清洗样品后，利用铬腐蚀液将铬保护膜去除；

S4、在结构最上方镀铬保护膜，并利用飞秒激光将楔形结构两侧的铬保护膜去掉一部分，此时裸露在外面的是去除了铌酸锂薄膜层后的二氧化硅薄膜层；

S5、利用化学机械抛光对裸露的二氧化硅薄膜进行抛光，通过控制压力和时间使得该部分形成一个脊形波导，留下的脊形波导侧壁的部分完全连接在旁边的二氧化硅层上，在完成抛光后，利用铬腐蚀液将最上层的铬保护膜去掉；

S6、将脊形波导下方的衬底硅去除，进而形成脊形的悬空波导。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明不需要支撑结构，耦合损耗更小，加工方式更简洁，成本更低，。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明硅、二氧化硅薄膜、铌酸锂薄膜的结构示意图；

图3为本发明镀上金属铬膜的结构示意图；

图4为本发明在铬膜保护下抛光去除多余的铌酸锂状态示意图；

图5为本发明去除铬膜的楔形结构示意图；

图6为本发明遮挡楔形结构前端，其余部分镀上铬膜状态示意图；

图7为本发明在铬膜保护下将楔形结构尖端面抛斜状态示意图；

图8为本发明去除铬膜状态示意图；

图9为本发明再次镀上铬膜状态示意图；

图10为本发明打掉部分掩膜，使二氧化硅层裸露状态示意图；

图11为本发明二氧化硅层形成脊形波导状态示意图；

图12为本发明去掉铬膜状态示意图；

图13为本发明去掉部分硅衬底，使脊形波导悬空状态示意图；

图14为本发明耦合结构的示意图；

图15为本发明的剖视示意图含有具体尺寸；

图16为光场耦合路径侧剖面的示意图，箭头方向表示光场方向

图17为耦合区域各部分的光场示意图

图18为楔形结构的长短对光场透过率和损耗的影响

图中：1、衬底材料；2、二氧化硅薄膜；3、铌酸锂薄膜；4、金属铬膜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

如图1所示，一种光子芯片的端口耦合结构及其制备方法，包括自下至上依次设置的衬底材料1、二氧化硅薄膜2、铌酸锂薄膜3和金属铬膜4。

如图1-18所示，一种光子芯片的端口耦合结构的制备方法，包括以下步骤：

步骤1、准备材料：选用商用的铌酸锂薄膜材料，其中从下至上分别为衬底材料(500μm厚的硅)、二氧化硅薄膜(厚度为4.7μm)、铌酸锂薄膜(厚度为500nm)，在铌酸锂薄膜材料最上方镀厚度为500nm的金属铬膜；

步骤2、根据光子芯片结构利用飞秒激光进行铬掩膜加工，打掉的部分即为下一步化学机械抛光需要去除的部分，在此步需要确定耦合端的位置，并且在加工光子芯片结构时同时加工出平面楔形结构，要保证楔形结构的最尖端距离芯片边界有适当距离；

步骤3、利用化学机械抛光对上述的飞秒激光加工后的掩膜进行抛光，通过压力与时间的精确控制，将铌酸锂薄膜层所需的光子芯片结构抛光出来，通常是将结构周围的铌酸锂薄膜层完全去掉。完成抛光清洗样品后，利用铬腐蚀液将结构上的铬保护膜去除；

步骤4、遮挡平面楔型结构部分，在其他部分镀上500nm厚度的铬保护膜，完成镀膜后去掉遮挡物，接着利用化学机械抛光完成对楔形结构的斜面加工，如图所示。清洗样品后，利用铬腐蚀液将铬保护膜去除；

步骤5、在结构最上方镀铬保护膜，此次铬保护膜是遍布所有结构的，利用飞秒激光将楔形结构两侧的铬保护膜去掉一部分，此时裸露在外面的是去除了铌酸锂薄膜层后的二氧化硅薄膜层；

步骤6、利用化学机械抛光对裸露的二氧化硅薄膜进行抛光，通过控制压力和时间使得该部分形成一个脊形波导，留下的脊形波导侧壁的部分完全连接在旁边的二氧化硅层上，完成抛光后，利用铬腐蚀液将最上层的铬保护膜去掉；

步骤7、将脊形波导下方的衬底硅去除，进而形成脊形的悬空波导。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。