一种锥形波导的制备方法、锥形波导与流程

本发明涉及波导，尤其涉及一种锥形波导的制备方法、锥形波导。

背景技术：

1、波导(wave guide)是集成光电子器件中不可缺少的元件，可广泛应用于光功率分裂器、光耦合器、光调制器、基于干涉仪的交换机、半导体激光器和密集波分多路复用(dense wavelength divisionmultiplexing，dwdm)通信系统等领域。

2、在波导的设计与制造过程中，散射损失(scattering loss)是评估其传输效率与质量的重要指标之一，该损失与波导的中心层(core layer)和包覆层(cladding layer)之间的折射率差值平方成正比关系。传统硅(si)/二氧化硅(sio2)波导体系虽已成熟应用，但受限于其较大的折射率差，导致散射损失相对较高，在光源波长低于1100nm时会遭遇显著的光吸收现象，限制了其在特定波长范围内的应用效果。相比之下，氮化硅(sin)/二氧化硅(sio2)波导体系凭借其较小的折射率差，理论上能够显著降低散射损失，从而在更宽的波长范围内(如400-2000nm)实现高效、低损耗的光传输，使得sin/sio2波导可广泛应用于包括但不限于扩展现实显示(xr displays)、量子计算(quantum computing)、量子传感(quantum sensing)、数据通信(datacom)、陀螺仪(gyros)以及电信(telecom)等领域。

3、传统的脊(rib)波导和通道(channel)波导结构在与激光器或单模光纤进行光耦合时，存在模态不匹配现象，导致耦合损耗，降低光耦合效率，增加系统的整体损耗。

4、为克服模态不匹配的问题，现有技术中主流方案是通过在波导中引入锥形结构，锥形结构通过逐渐改变波导的横截面尺寸和形状，在波导与光源之间实现更平滑的模态过渡，减少因模态不匹配引起的耦合损耗，从而提高光耦合效率。

5、然而，尽管锥形结构在理论上具有显著优势，其制造工艺却面临诸多挑战。目前主流的制造方案是通过灰度级掩模在中心层上形成具有倾斜外形的光敏抗抗蚀剂图案，将光敏抗蚀剂图案的形状转录到中心层上。该方案需要搭配光敏抗蚀剂和灰度级掩膜来形成3d锥形波导。

6、另一种制造锥形结构的方案是根据锥形结构的形状和尺寸，利用3d灰度光刻技术对光刻胶进行曝光、显影，得到光刻胶层锥形结构图案，然后将光刻胶层锥形结构图案转移至顶部硅层。该方案需要依赖于3d灰度光刻技术。

7、综上，现有的锥形结构制造工艺通常都需要定制化的灰度光刻板或昂贵的直写式曝光设备，增加了生产成本和工艺复杂度，不利于大规模推广应用。

技术实现思路

1、为了解决以上技术问题，本发明提供了一种锥形波导的制备方法、锥形波导。

2、本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案实现：

3、一种锥形波导的制备方法，包括：

4、步骤s1，在基片上依次形成下包覆层和第一中心层；

5、步骤s2，在所述第一中心层上形成具有倾斜侧壁的光刻胶；

6、步骤s3，以具有倾斜侧壁的所述光刻胶为掩膜，对所述第一中心层进行刻蚀，形成锥形中心层；

7、步骤s4，根据锥形波导的应用波长，调整所述锥形中心层的厚度；

8、步骤s5，在所述锥形中心层上形成上包覆层，以制备得到所述锥形波导。

9、优选地，所述基片为硅衬底、玻璃衬底、砷化镓衬底、磷化铟衬底、氮化镓衬底、蓝宝石衬底中的任意一种。

10、优选地，所述步骤s2包括：

11、步骤s21，在所述第一中心层上涂覆光刻胶；

12、步骤s22，对所述光刻胶进行曝光且曝光不足，以在所述第一中心层上形成具有倾斜侧壁的所述光刻胶。

13、优选地，所述步骤s22中，根据所述光刻胶的类型，调整曝光时间，以实现曝光不足。

14、优选地，所述步骤s22中，采用以下方式调整曝光时间包括：

15、若所述光刻胶的类型为正性光刻胶，减少曝光时间；

16、若所述光刻胶的类型为负性光刻胶，增加曝光时间。

17、优选地，所述步骤s4中，根据锥形波导的应用波长，增加所述锥形中心层的厚度。

18、优选地，所述步骤s5中，在所述锥形中心层上形成上包覆层后，还包括：

19、对所述基片、所述下包覆层、所述锥形中心层和所述上包覆层在垂直于所述基片的第一方向上一同进行光刻和刻蚀，以制备得到所述锥形波导。

20、本发明还提供一种锥形波导，采用如上述述的锥形波导的制备方法制备得到，所述锥形波导包括：

21、下包覆层，形成于基片上；

22、锥形中心层，采用具有倾斜侧壁的光刻胶为掩膜刻蚀形成于所述下包覆层上，所述锥形中心层的厚度关联于所述锥形波导的应用波长；

23、上包覆层，形成于所述锥形中心层上。

24、优选地，所述锥形波导在垂直于所述基片的第一方向上依次包括第一锥形波导部分、第二锥形波导部分和第三锥形波导部分；

25、所述第一锥形波导部分的厚度和所述第三锥形波导部分的厚度均保持不变，所述第二锥形波导部分的厚度以第一预设锥度趋势减小，直至与所述第三锥形波导部分的厚度相同为止；

26、所述第一锥形波导部分和所述第二锥形波导部分的宽度以第二预设锥度趋势减小，直至与所述第三锥形波导部分的宽度相同为止；

27、所述第三锥形波导部分的宽度以第三预设锥度趋势减小；

28、所述第二预设锥度趋势与所述第三预设锥度趋势不同。

29、优选地，所述第二预设锥度趋势大于所述第三预设锥度趋势。

30、优选地，所述第一锥形波导部分和所述第二锥形波导部分为多模锥形波导，所述第三锥形波导部分为单模锥形波导。

31、本发明技术方案的优点或有益效果在于：

32、本发明制备得到的锥形波导，能够降低与激光器光源或光纤耦合时的光损耗，提升器件的整体效能；同时，在锥形波导制备过程中，以具有侧壁倾斜的光刻胶作为掩膜，形成具有侧壁倾斜的锥形中心层，无需额外定制灰度光刻板或昂贵的直写渐变光刻机，降低了生产成本，能够大规模推广应用。

技术特征：

1.一种锥形波导的制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述基片为硅衬底、玻璃衬底、砷化镓衬底、磷化铟衬底、氮化镓衬底、蓝宝石衬底中的任意一种。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s2包括：

4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s22中，根据所述光刻胶的类型，调整曝光时间，以实现曝光不足。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s22中，采用以下方式调整曝光时间包括：

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中，根据锥形波导的应用波长，增加所述锥形中心层的厚度。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中，在所述锥形中心层上形成上包覆层后，还包括：

8.一种锥形波导，其特征在于，采用如权利要求1-7任意一项所述的锥形波导的制备方法制备得到，所述锥形波导包括：

9.根据权利要求8所述的锥形波导，其特征在于，所述锥形波导在垂直于所述基片的第一方向上依次包括第一锥形波导部分、第二锥形波导部分和第三锥形波导部分；

10.根据权利要求9所述的锥形波导，其特征在于，所述第二预设锥度趋势大于所述第三预设锥度趋势。

11.根据权利要求9所述的锥形波导，其特征在于，所述第一锥形波导部分和所述第二锥形波导部分为多模锥形波导，所述第三锥形波导部分为单模锥形波导。

技术总结本发明提供一种锥形波导的制备方法、锥形波导，属于波导技术领域，包括：步骤S1，在基片上依次形成下包覆层和第一中心层；步骤S2，在第一中心层上形成具有倾斜侧壁的光刻胶；步骤S3，以具有倾斜侧壁的光刻胶为掩膜，对第一中心层进行刻蚀，形成锥形中心层；步骤S4，根据锥形波导的应用波长，调整锥形中心层的厚度；步骤S5，在锥形中心层上形成上包覆层，以制备得到所述锥形波导。有益效果：本发明以具有侧壁倾斜的光刻胶作为掩膜，形成具有侧壁倾斜的锥形中心层，无需额外定制灰度光刻板或昂贵的直写渐变光刻机，降低了生产成本，能够大规模推广应用。技术研发人员：请求不公布姓名,朱忻受保护的技术使用者：苏州矩阵集成电路科技有限公司技术研发日：技术公布日：2025/1/6