一种基于光子聚合打印的光电集成芯片和制备方法与流程

1.本发明涉及光电集成芯片领域，尤其涉及一种基于光子聚合打印的光电集成芯片和制备方法。


背景技术：

2.移动互联网、云计算、大数据、5g通信等领域的快速发展对高速光通信提出新的要求与挑战，集成光电子芯片成为满足未来高效信息传输的必经之路。当前集成光电子系统为充分发挥不同材料体系的优势在各个功能模块使用不同的材料，如三五族材料被用作激光器，半导体光放大器等有源单元，硅、氮化硅、铌酸锂等被用作实现相应片上调制或谐振功能。这意味着实际应用过程中不可避免的需要将不同功能单元的小模场光斑进行耦合对接，故如何降低光耦合损耗至关重要。
3.现有一般采用透镜装配到光波导的出射端处，透镜需要耦合光芯片仅几微米的波导结构，因此无需现有方法无法高精度对准、转移及后续固定。


技术实现要素：

4.本发明的第一目的是提供一种基于光子聚合打印实现高精度透镜耦合的光电集成芯片。
5.本发明的第二目的是提供一种上述光电集成芯片的制备方法。
6.为了实现本发明第一目的，本发明提供一种基于光子聚合打印的光电集成芯片，包括光电芯片和微透镜；光电芯片设置有光波导通道，光波导通道在光电芯片的出射端面处设置有出射端，微透镜通过锚定连接结构固定设置在出射端面上，微透镜与出射端相对，锚定连接结构位于出射端的外周，微透镜和锚定连接结构由双光子聚合3d打印方式制成。
7.更进一步的方案是，微透镜的焦点位于出射端面上。
8.更进一步的方案是，微透镜的焦点位于出射端处，微透镜的焦点与出射端的偏差小于1微米。
9.更进一步的方案是，光波导通道可由铌酸锂、硅或氮化硅材料制成。
10.更进一步的方案是，微透镜的直径在100－500微米，微透镜的厚度200－600微米，微透镜的高度300－600微米，微透镜的曲率半径800－1500微米。
11.更进一步的方案是，微透镜可为球面、非球面透镜、二元衍射光学单元或超透镜。
12.为了实现本发明第二目的，本发明提供一种基于光子聚合打印的光电集成芯片的制备方法，光电集成芯片为上述权利要求1至6任一项的光电集成芯片；制备方法包括：在同轴显微镜下定位出射端的位置；以出射端为中心位置，通过双光子聚合3d打印在出射端的外周打印锚定连接结构；在锚定连接结构上以出射端为中心，通过双光子聚合3d打印微透镜。
13.更进一步的方案是，在定位出射端的位置之前，制备方法还包括：对光电芯片的出射端面进行预处理。
14.更进一步的方案是，在打印微透镜后，制备方法还包括：对微透镜进行抛光处理。
15.更进一步的方案是，对微透镜进行抛光处理时，使用粒径小于50nm的硅溶胶或氧化铝抛光液对微透镜进行抛光处理，抛光处理时微透镜置于溶液中，抛光转速小于1000rpm。
16.本发明的有益效果是，通过在同轴显微镜下精准定位出射端的位置，随后通过双光子聚合3d打印的方式在出射端的外周打印锚定连接结构，然后在锚定连接结构上以出射端为中心，再次利用双光子聚合3d打印的方式打印微透镜，形成的微准直透镜进行后续处理满足相应光学特性，因此通过本案制备方法可将微准直镜直接原位集成在光电芯片端面上形成自准直结构和耦合结构，无需传统方法需要高精度对准、转移及后续固定，同时也提高透镜的耦合精度，降低了加工难度。
附图说明
17.图1是本发明光电集成芯片实施例的示意图。
18.图2是本发明光电集成芯片的制备方法的流程图。
19.图3是本发明光电集成芯片采用传统透镜耦合与该方案采用集成准直透镜的耦合时效率与位置偏差的关系。
20.图4是本发明光电集成芯片经后续处理前后在特定波长的透过率示意图。
21.以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
具体实施方式
22.参照图1和图2，在制备光电集成芯片时，其制备方法包括，首先选取光电芯片11，光电芯片11的器件衬底可以由二氧化硅制成，并在器件衬底上制作各式各样的光波导通道12，光波导通道12可由铌酸锂、硅或氮化硅材料制成，光波导通道12在光电芯片11的出射端面111处设置有出射端121。
23.随后执行步骤s1，对光电芯片11的出射端面111进行预处理，预处理包括但不限于削平、抛光和/或清洁，然后执行步骤s2，在同轴显微镜下定位出射端面111上出射端121的具体位置，随后执行步骤s3，以出射端121为中心位置，通过双光子聚合3d打印在出射端121的外周打印锚定连接结构13，锚定连接结构具有多种布置方式，可呈环形、柱形、l形、弧形等结构。
24.然后执行步骤s4，在锚定连接结构13上以出射端121为中心，通过双光子聚合3d打印微透镜14，继而实现微透镜14通过锚定连接结构13固定设置在出射端面111上，微透镜14与出射端121相对，并且微透镜14的焦点位于出射端面111上，微透镜14的焦点位于出射端121处，微透镜14的焦点与出射端121的偏差小于1微米，微透镜14可为球面、非球面透镜、二元衍射光学单元或超透镜，优选地，在选用球面时，微透镜14的直径在100－500微米，微透镜14的厚度200－600微米，微透镜14的高度300－600微米，微透镜14的曲率半径800－1500微米，更进一步的是，球面微透镜的工作距离0.297mm，平面结构厚度0.5mm，非球面半径1100mm，非球系数－4.1，通过该微透镜设计及其参数，可将直径3微米内的光模场转换成直径大于400微米的模场。
25.最后执行步骤s5，对微透镜14进行抛光处理，对微透镜14进行抛光处理时，使用粒
径小于50nm的硅溶胶或氧化铝抛光液对微透镜14进行抛光处理，抛光处理时微透镜14置于溶液中，抛光转速小于1000rpm。
26.通过上述微透镜直接原位集成在光电芯片端面上形成自准直结构和耦合结构，通过图3可见光波导采用透镜直接耦合与经准直变换成不同光斑后位置偏差对耦合效率的影响。在对准误差为5微米时耦合效率由－45db提升至－0.12db。另外，图4是光学处理前后所打印的微透镜表面反射率对比图，通过特定扫描曝光方式及后续处理可以进一步提升微透镜在特定波长的透过率。
27.另外，关于双光子聚合3d打印方式可采用如cn105751511a所公开的打印机及其打印方法，采用双光子聚合3d打印装置来进行光敏树脂的固化交联，其分辨率可以通过调节激光的能量、曝光量，三维运动平台的扫描速率来改变，精度可以达到＜100nm，因此可提高微透镜的成像精度。
28.本案利用双光子聚合3d打印的方式打印微透镜，形成的微准直透镜进行后续处理满足相应光学特性，因此通过本案制备方法可将微准直镜直接原位集成在光电芯片端面上形成自准直结构和耦合结构，无需传统方法需要高精度对准、转移及后续固定，同时也提高透镜的耦合精度，降低了加工难度。


技术特征：
1.一种基于光子聚合打印的光电集成芯片，其特征在于，包括光电芯片和微透镜；所述光电芯片设置有光波导通道，所述光波导通道在所述光电芯片的出射端面处设置有出射端，所述微透镜通过锚定连接结构固定设置在所述出射端面上，所述微透镜与所述出射端相对，所述锚定连接结构位于所述出射端的外周，所述微透镜和所述锚定连接结构由双光子聚合3d打印方式制成。2.根据权利要求1所述的光电集成芯片，其特征在于：所述微透镜的焦点位于所述出射端面上。3.根据权利要求2所述的光电集成芯片，其特征在于：所述微透镜的焦点位于所述出射端处，所述微透镜的焦点与所述出射端的偏差小于1微米。4.根据权利要求1至3任一项所述的光电集成芯片，其特征在于：所述光波导通道可由铌酸锂、硅或氮化硅材料制成。5.根据权利要求1至3任一项所述的光电集成芯片，其特征在于：所述微透镜的直径在100－500微米，所述微透镜的厚度200－600微米，所述微透镜的高度300－600微米，所述微透镜的曲率半径800－1500微米。6.根据权利要求1至3任一项所述的光电集成芯片，其特征在于：所述微透镜可为球面、非球面透镜、二元衍射光学单元或超透镜。7.一种基于光子聚合打印的光电集成芯片的制备方法，其特征在于，所述光电集成芯片为上述权利要求1至6任一项所述的光电集成芯片；所述制备方法包括：在同轴显微镜下定位所述出射端的位置；以所述出射端为中心位置，通过双光子聚合3d打印在所述出射端的外周打印所述锚定连接结构；在所述锚定连接结构上以所述出射端为中心，通过双光子聚合3d打印所述微透镜。8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：在定位所述出射端的位置之前，所述制备方法还包括：对所述光电芯片的出射端面进行预处理。9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：在打印所述微透镜后，所述制备方法还包括：对所述微透镜进行抛光处理。10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：对所述微透镜进行抛光处理时，使用粒径小于50nm的硅溶胶或氧化铝抛光液对所述微透镜进行抛光处理，抛光处理时所述微透镜置于溶液中，抛光转速小于1000rpm。

技术总结
本发明提供一种基于光子聚合打印的光电集成芯片和制备方法，制备方法包括：在同轴显微镜下定位出射端的位置；以出射端为中心位置，通过双光子聚合3D打印在出射端的外周打印锚定连接结构；在锚定连接结构上以出射端为中心，通过双光子聚合3D打印微透镜。本案将微准直镜直接原位集成在光电芯片端面上形成自准直结构和耦合结构，无需传统方法需要高精度对准、转移及后续固定，同时也提高透镜的耦合精度，降低了加工难度。降低了加工难度。降低了加工难度。


技术研发人员：卢金龙 郝婷 李志浩 陆龙钊 周赤 吉贵军 王兴龙 胡彦斌 赵希
受保护的技术使用者：珠海光库科技股份有限公司
技术研发日：2023.06.21
技术公布日：2023/9/20