三维立体光波导过渡接入装置及其制备方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910879572.4 (22)申请日 2019.09.18 (71)申请人 东南大学 地址 210096 江苏省南京市玄武区四牌楼2 号 申请人 南京曦光信息科技有限公司 南京华脉科技股份有限公司 (72)发明人 孙小菡闫微蒋卫锋胥爱民 朱孟达 (74)专利代理机构 南京经纬专利商标代理有限 公司 32200 代理人 葛潇敏 (51)Int.Cl. G02B 6/122(2006.01) G02B 6/14(2006.01) (54)发明名称 一种三维立体光波导过渡接入装。

2、置及其制 备方法 (57)摘要 本发明公开了一种三维立体光波导过渡接 入装置及其制备方法， 所述三维立体光波导过渡 接入装置包括： 衬底、 固定在衬底上的透明框架、 透明框架内的包层和设置在包层中用于光传播 和转换光模斑的波导芯层。 所述波导芯层由两层 平行排列的 “S” 形弯曲锥形波导阵列构成， 其形 状上下对称， 间隔设置。 所述 “S” 形弯曲锥形波导 阵列的宽端与光纤阵列连接， 窄端与光子集成波 导阵列对准。 本发明可以实现紧密排列的双层波 导阵列与标准光纤阵列的高效耦合， 有效地解决 了立体层间波导的耦合问题。 此外， 本发明的制 备方法具有工艺简单， 易于实现， 可控性强等优 点，。

3、 极大程度上降低了生产成本。 权利要求书1页 说明书4页 附图3页 CN 110646881 A 2020.01.03 CN 110646881 A 1.一种三维立体光波导过渡接入装置， 包括： 衬底、 固定在衬底上的透明框架、 透明框 架内的包层和设置在包层中用于光传播和转换光模斑的波导芯层， 其特征在于： 波导芯层 由两层平行排列的 “S” 形弯曲锥形波导阵列构成， 其形状上下对称， 间隔设置；“S” 形弯曲锥 形波导包括宽端和窄端， 由窄端到宽端成锥形渐变， 且在垂直方向上弯曲， 宽端与光纤连 接， 窄端与光子集成波导对准。 2.根据权利要求1所述的三维立体光波导过渡接入装置， 其特征在。

4、于，“S” 形弯曲锥形 波导的宽端和窄端横截面均为圆形； 装置两端面是垂直的， 或者是研磨成具有一定倾角的 斜端面， 该倾角为斜8 。 3.根据权利要求1所述的三维立体光波导过渡接入装置， 其特征在于， 上下两层 “S” 形 弯曲锥形波导的位置对齐， 或是在水平方向上错开距离g。 4.根据权利要求1所述的三维立体光波导过渡接入装置， 其特征在于， 衬底由硅、 二氧 化硅、 氮化硅或者玻璃材料制成。 5.根据权利要求1所述的三维立体光波导过渡接入装置， 其特征在于， 透明框架由亚克 力、 玻璃或者环氧树脂聚合物材料制成。 6.根据权利要求1所述的三维立体光波导过渡接入装置， 其特征在于， 包层和。

5、波导芯层 均由紫外固化聚合物材料制成， 所述紫外固化聚合物材料包括硅酸盐基树脂、 变性丙烯酸 酯、 环氧树脂和有机-无机杂化树脂。 7.根据权利要求6所述的三维立体光波导过渡接入装置， 其特征在于， 包层材料的粘度 为v1， 折射率为n1， 波导芯层材料的粘度为v2， 折射率为n2， 且v1v2、 n1n2。 8.一种三维立体光波导过渡接入装置的制备方法， 其特征在于， 步骤是： 步骤1： 取一衬底， 用胶水将透明框架固定在衬底上； 步骤2： 用滴管将液态包层材料均匀分散在框架内， 将其充满； 步骤3： (a)将点胶机的针筒固定在桌面控制机械手臂上； (b)把液态芯层材料加入到点胶机的针筒中；。

6、 (c)将针头插入到液态包层材料中， 通过控制机械手臂设置针头插入的位置和高度、 移 动轨迹和移动速度； (d)对针筒中的液态芯层材料施加一定的压强， 使针头按照设定的速度和轨迹将液态 芯层材料分散到液态包层材料中； (e)将针头从液态包层材料中拔出； (f)重复步骤(b)(e)； 步骤4： 在紫外光源下固化， 然后在50温度条件下老化12小时； 步骤5： 对三维立体光波导过渡接入装置两端进行切割、 研磨和抛光处理。 9.根据权利要求8所述的三维立体光波导过渡接入装置的制备方法， 其特征在于， 波导 形状由针头移动轨迹来决定， 波导直径大小由压强、 针头内径、 针头移动速度控制， 压强越 小、。

7、 针头内径越小、 针头移动速度越快， 波导直径越小。 10.根据权利要求8所述的三维立体光波导过渡接入装置的制备方法， 其特征在于， 在 制作波导芯层时，“S” 形弯曲锥形波导窄端起始部分以及宽端结束部分包含一段均匀结构， 用于后续切割和研磨处理。 权利要求书 1/1 页 2 CN 110646881 A 2 一种三维立体光波导过渡接入装置及其制备方法 技术领域 0001 本发明涉及集成光子器件技术领域， 具体来说， 涉及一种三维立体光波导过渡接 入装置及其制备方法。 背景技术 0002 随着光互联技术对于速度和集成密度的要求提高， 传统集成光子芯片由于片上空 间、 损耗、 制造容差的限制已经。

8、不能满足要求。 近年来， 三维立体集成技术逐渐引起了人们 的关注。 多层结构利用三维集成的性质和多功能材料， 可以解决传统集成光子平台的发展 限制， 额外的光器件层可以提供更高密度的集成、 更低的损耗、 更优良的器件性能和更高的 制造容差。 但是， 多层结构带来上述优点的同时也面临着一个巨大的问题， 那就是集成光子 芯片的耦合封装。 0003 多层集成光子芯片层与层间的距离为几至几十微米， 而标准单模光纤的包层直径 约为125微米， 光纤较大的包层直径为多层紧密间隔的波导阵列与标准光纤元件的耦合带 来了重大的挑战。 因此， 需要一种过渡装置， 来解决立体多层波导与光纤阵列耦合的问题。 0004。

9、 目前多使用锥形模斑转换器作为过渡装置来实现光子集成芯片与光纤之间的耦 合。 最常见的是二维锥形模斑转换器， 其结构较为简单， 仅在水平方向上实现尺寸的变化。 然而由于垂直方向上的限制， 其模场分布一般为扁平的椭圆形， 大大降低了与光纤的耦合 效率。 三维锥形模斑转换器在水平和垂直方向上均可变化其尺寸， 从而提高了与光纤模场 的匹配。 但是其制备工艺较为复杂， 且只能在垂直方向上做尺寸的变化， 无法实现垂直方向 上弯曲等形状变化， 这种三维模斑转换器也只能实现单层光子集成波导与光纤的耦合， 不 能克服光纤较大的包层直径对多层紧密间隔的波导与光纤元件耦合的限制。 发明内容 0005 针对现有技术。

10、中的缺陷， 本发明的目的在于提供一种三维立体光波导过渡接入装 置， 克服光纤较大包层直径的限制， 实现紧密排列的立体多层波导阵列与标准光纤阵列的 耦合。 0006 技术方案： 为解决上述技术问题， 本发明采用如下的技术方案： 0007 本发明所述的一种三维立体光波导过渡接入装置， 包括一个衬底， 固定在衬底上 的透明框架， 在框架内有包层和设置在包层中用于光传播和转换光模斑的波导芯层。 波导 芯层由两层平行排列的 “S” 形弯曲锥形波导阵列构成， 其形状上下对称， 间隔设置。 所述 “S” 形弯曲锥形波导包括宽端和窄端， 由窄端到宽端成锥形渐变， 不仅在水平和垂直方向上实 现尺寸的变化， 还在。

11、垂直方向上弯曲。 所述 “S” 形弯曲锥形波导阵列的宽端与光纤连接， 窄 端与光子集成波导对准。 0008 本发明还可以采用以下技术措施来进一步优化三维立体光波导过渡接入装置： 0009 可选的， 装置两端面可以是垂直的， 也可以研磨成具有一定倾角的斜端面。 0010 可选的，“S” 形弯曲锥形波导的宽端和窄端横截面均为圆形， 窄端直径为D1， 宽端 说明书 1/4 页 3 CN 110646881 A 3 直径为D2。 0011 可选的， 每一层中相邻两个 “S” 形弯曲锥形波导间距为d， 两层 “S” 形弯曲锥形波导 阵列间的垂直间距为h。 0012 可选的， 上下两层 “S” 形弯曲锥形。

12、波导的位置可以对齐， 也可在水平方向上错开一 定距离g。 0013 可选的， 衬底是硅、 二氧化硅、 氮化硅或者玻璃等材料。 0014 可选的， 透明框架是亚克力、 玻璃或者环氧树脂聚合物等材料。 0015 可选的， 包层和波导芯层均由紫外固化聚合物材料制成， 例如硅酸盐基树脂、 变性 丙烯酸酯、 环氧树脂和有机-无机杂化树脂等。 0016 可选的， 包层材料的粘度为v1， 折射率为n1， 芯层材料的粘度为v2， 折射率为n2， 且 v1v2、 n1n2。 0017 本发明还提供一种三维立体光波导过渡接入装置的制备方法， 包括以下步骤： 0018 步骤1： 取一衬底， 用胶水将透明框架固定在衬。

13、底上。 0019 步骤2： 用滴管将液态包层材料均匀分散在框架内， 将其充满。 0020 步骤3： a)将点胶机的针筒固定在桌面控制机械手臂上。 0021 b)把液态芯层材料加入到点胶机的针筒中。 0022 c)将针头插入到液态包层材料中， 通过控制机械手臂设置针头插入的位置和高 度、 移动轨迹和移动速度。 0023 d)对针筒中的液态芯层材料施加一定的压强， 使针头按照设定的速度和轨迹将液 态芯层材料分散到液态包层材料中。 0024 e)将针头从液态包层材料中拔出。 0025 f)重复步骤b)e)。 0026 步骤4： 在紫外光源下固化， 然后在50温度条件下老化12小时； 0027 步骤5。

14、： 对三维立体光波导过渡接入装置两端进行切割、 研磨和抛光处理。 0028 可选的， 波导形状由针头移动轨迹来决定， 波导直径大小由压强、 针头内径、 针头 移动速度控制， 压强越小、 针头内径越小、 针头移动速度越快， 波导直径越小。 0029 可选的， 在制作波导芯层时，“S” 形弯曲锥形波导窄端起始部分以及宽端结束部分 包含一段均匀结构， 用于后续切割和研磨处理。 0030 有益效果： 与现有技术相比， 本发明具有如下优点： 0031 1.实现立体多层波导与光纤阵列的耦合。 本发明提出一种三维立体光波导过渡接 入装置， 相比于普通的三维锥形模斑转换装置， 不仅实现了尺寸的变化， 而且在垂。

15、直方向上 弯曲， 可以将紧密排列的多层波导的层间距(几微米)扩大到几百微米， 以克服光纤包层直 径的限制， 实现立体多层波导阵列与光纤阵列的高效耦合。 0032 2.工艺简单， 成本低。 本发明一种三维立体光波导过渡接入装置的制备方法， 利用 一种新型针管分散方法制作三维立体光波导过渡接入装置， 不同于传统光刻方法， 无需光 掩模， 工艺简单， 几分钟就可完成制作， 很好地降低了生产成本。 0033 3.调节方法简便高效， 可控性高。 本发明三维立体光波导过渡接入装置的制备方 法， 只需对针头移动轨迹、 移动速度、 压强等参数进行调节， 就可控制波导的形状和尺寸， 进 而获得性能更加优异的装置。

16、。 说明书 2/4 页 4 CN 110646881 A 4 附图说明 0034 图1是本发明实施例提供的三维立体光波导过渡接入装置的基本结构示意图； 0035 图2是 “S” 形弯曲锥形波导的局部放大图； 0036 图3是本发明三维立体光波导过渡接入装置的前视图； 0037 图4是本发明三维立体光波导过渡接入装置的后视图； 0038 图5图9是三维立体光波导过渡接入装置的制备步骤； 0039 图中有： 衬底1、 透明框架2、 包层3、“S” 形弯曲锥形波导4。 具体实施方式 0040 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明， 但本发明不限于实施例。 0041 如图1所示， 本发明三维立体。

17、光波导过渡接入装置， 包括一个衬底1、 在衬底上有一 个固定的透明框架2、 透明框架内有包层3以及波导芯层(图中未标出)。 波导芯层由两层平 行排列的 “S” 形弯曲锥形波导4阵列构成， 其形状上下对称， 间隔设置。 如图2，“S” 形弯曲锥 形波导4包括宽端和窄端， 宽端和窄端截面形状均为圆形， 由窄端到宽端成锥形渐变， 且在 垂直方向上弯曲。 宽端直径为10 m， 与光纤对准， 窄端直径为3 m， 与光子集成波导连接。 装 置两端面均垂直， 端面结构如图3和图4所示， 所述 “S” 形弯曲锥形波导4阵列的窄端上下两 层的层间距为21um， 宽端上下两层的层间距为250 m。 每层中相邻 “。

18、S” 形弯曲锥形波导4的横 向间距为127 m。 0042 所述衬底1材料是玻璃， 透明框架2由亚克力板制成。 所述包层3和波导芯层均由美 国NORLAND公司的紫外固化光学胶水制成。 包层3材料的型号为NOA76， 粘度为4,000mPas， 折射率为1.51。 芯层材料的型号为NOA68T， 粘度为25,000mPas， 折射率为1.54。 0043 本实施例的三维立体光波导过渡接入装置的制备步骤如下： 0044 步骤1： 取一尺寸为500mm150mm的玻璃基板作为衬底， 用胶水将透明框架固定在 衬底上， 与衬底形成一个长300mm， 宽100mm， 高1mm的凹槽， 如图5。 0045。

19、 步骤2： 用滴管将液态包层材料均匀分散在框架内的凹槽中， 将其充满， 如图6。 0046 步骤3： a)将内径为20 m的针头安装在点胶机的针筒上， 并将点胶机的针筒固定在 桌面控制机械手臂上； 0047 b)把液态芯层材料加入到点胶机的针筒中。 0048 c)将针头插入到液态包层材料中， 通过控制机械手臂设置针头插入的位置和高 度、 移动轨迹和移动速度。 0049 d)对针筒中的液态芯层材料施加150kPa的压强， 使针头按照设定的轨迹将液态芯 层材料分散到液态包层材料中， 在分散过程中， 调节针头移动速度其从300mm/s逐渐变化到 20mm/s， 即可得到 “S” 形弯曲锥形波导； 0。

20、050 e)将针头从液态包层材料中拔出； 0051 f)重复步骤b)e)， 即可得到两层 “S” 形弯曲锥形波导阵列， 如图7和图8； 0052 步骤4： 在波长为365nm， 功率为8W的紫外光源下固化3分钟， 然后在50温度条件 下老化12小时， 如图9。 0053 步骤5： 对三维立体光波导过渡接入装置两端进行切割、 研磨和抛光处理。 0054 本发明不局限于上述实施方式， 对于本技术领域的普通技术人员来说， 在不脱离 说明书 3/4 页 5 CN 110646881 A 5 本发明原理的前提下， 还可以做出若干改进， 这些改进也视为本发明的保护范围之内。 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。 说明书 4/4 页 6 CN 110646881 A 6 图1 图2 图3 图4 说明书附图 1/3 页 7 CN 110646881 A 7 图5 图6 图7 图8 说明书附图 2/3 页 8 CN 110646881 A 8 图9 说明书附图 3/3 页 9 CN 110646881 A 9 。