專利名稱：實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光耦合的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于通信用光電子器件領(lǐng)域。涉及一種實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光耦合的方法。
背景技術(shù)：
隨著信息的爆炸式增長，對網(wǎng)絡(luò)帶寬的需求持續(xù)快速地增長。要獲得更大的光通信容量，一個方向是使用更高速的器件，例如100G、400G的光器件，這些高速光器件的技術(shù)門檻很高，導(dǎo)致研發(fā)周期長，生產(chǎn)成本高。另一個方向是開發(fā)空分復(fù)用技術(shù)，使用多芯光纖來傳輸光信號。如圖I所示，多芯光纖與傳統(tǒng)單模光纖的尺寸相當(dāng)，但在包層中均勻地分布著多根纖芯，這些纖芯能同時獨立地傳輸光信號，因此在同樣容量要求下，可以大大降低對器件速率的要求，技術(shù)門檻相對較低。使用這種多芯光纖的同時也帶來了一個新的問題，S卩如何方便地實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列的光耦合。因為多芯光纖中的纖芯通常是呈中心對稱排列，而光電子芯片陣列通常是呈直線排列，傳統(tǒng)的單模光纖和光電子芯片之間的耦合方式顯然不再適用。在多芯光纖和光電子芯片陣列之間必須加上一個合適的模場轉(zhuǎn)換器，以實現(xiàn)中心對稱的模場分布和呈直線型模場分布之間的相互轉(zhuǎn)換?，F(xiàn)有的實現(xiàn)方式有三種，一種是利用塊狀光學(xué)元件來實現(xiàn)，使用透鏡組將多芯光纖中的光散開，再用呈中心對稱排列的光纖束進(jìn)行耦合對準(zhǔn)，最后在光纖束的另一端與器件進(jìn)行互聯(lián)。這種裝置實現(xiàn)很復(fù)雜，體積較大，生產(chǎn)成本高，不適合大規(guī)模應(yīng)用。另一種是利用拉錐光纖束來實現(xiàn)，即將多根光纖放在一起加熱并拉錐，再從中間切開，這樣得到的光纖束一端能和多芯光纖的纖芯匹配，另一端則是分散的光纖，可用來與器件進(jìn)行互聯(lián)。這種方式占用的空間也很大，不適合放在管殼中和器件一起封裝。最后一種方案是利用三維波導(dǎo)芯片來實現(xiàn)，使用飛秒激光器直接在襯底材料中加工出三維波導(dǎo)，使其一端呈中心對稱分布，與多芯光纖匹配，另一端呈直線排列，與光纖陣列匹配。這種對波導(dǎo)進(jìn)行三維加工的方式,相關(guān)技術(shù)并不成熟,成本很高。另外由于激光直寫技術(shù)更適合加工直波導(dǎo)，而該方式不可避免地存在光路轉(zhuǎn)折，所以會帶來額外的損耗。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種占用體積小、適合低成本、大規(guī)模應(yīng)用于實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光耦合的方法。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光耦合的方法，包括將墊塊固定在管殼中，然后在墊塊上的小凹槽中放入焊料；將光電子芯片放在對應(yīng)的凹槽中，使焊料融化以固定光電子芯片，再通過打線方式完成光電子芯片的電氣連接；將多層波導(dǎo)的端面與墊塊的出光面對準(zhǔn)后，固定多層波導(dǎo)；調(diào)整并固定透鏡組的位置，然后對準(zhǔn)多芯光纖并固定，實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光耦合。所述多層波導(dǎo)制作步驟如下
步驟10、在襯底材料上沉積一層低折射率材料做包層，通過光刻形成兩條波導(dǎo)圖形，再用擴(kuò)散或離子注入的方法形成第一層高折射率波導(dǎo)；步驟11、在步驟10形成的第一層波導(dǎo)芯片上沉積一層襯底層，其高度與所述多芯光纖的纖芯距對應(yīng)，再通過光刻形成三條波導(dǎo)圖形，并用擴(kuò)散或離子注入的方法形成第二層高折射率波導(dǎo)；步驟12、在步驟11形成的第二層波導(dǎo)芯片上沉積一層襯底層，其高度與所述多芯光纖的線芯距對應(yīng)，再通過光刻形成兩條波導(dǎo)圖形，并用擴(kuò)散或離子注入的方法形成第三層高折射率波導(dǎo)；步驟13、生長一層保護(hù)層，經(jīng)過解理，端面處理，鍍膜等工藝后，得到多層波導(dǎo)。所述墊塊的實施步驟如下 先加工出具有三個不同高度的平臺，其高度差與所述多芯光纖的纖芯距對應(yīng)；在對應(yīng)的光電子芯片安裝位置，用刻蝕的方法做出凹槽，其大小與光電子芯片尺寸一致；在凹槽中再刻蝕出一個小凹槽，最后在平臺上印制所需的電路。本發(fā)明提供的一種實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光稱合的方法，核心部件為一多層波導(dǎo)，采用平面光波導(dǎo)工藝加工，其優(yōu)點如下I.可以充分利用現(xiàn)有的工藝條件。在一塊晶圓上可以一次生產(chǎn)大量多層波導(dǎo)芯片，適合大規(guī)模、低成本，高一致性的生產(chǎn)。2.多層波導(dǎo)占用的體積較小，形狀規(guī)則，可以方便地放置在管殼中，因此更適合與各種形狀和用途的光電子芯片一起封裝。


圖I是本發(fā)明實施例提供的一種實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光耦合的方法中多芯光纖截面示意圖；圖2是本發(fā)明實施例提供的一種實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光耦合的方法中多芯光纖與光電子芯片陣列光互聯(lián)示意圖；圖3是本發(fā)明實施例提供的一種實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光耦合的方法中多層波導(dǎo)與多芯光纖耦合的端面示意圖；圖4是本發(fā)明實施例提供的一種實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光耦合的方法中多層波導(dǎo)與光電子芯片陣列耦合的端面示意圖；圖5是本發(fā)明實施例提供的一種實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光稱合的方法中裝有光電子芯片陣列后的墊塊示意圖；圖6是本發(fā)明實施例提供的一種實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光稱合的方法中裝有圓柱形光電子芯片陣列后的V槽示意圖；圖7-11是本發(fā)明實施例提供的一種實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光稱合的方法中多層波導(dǎo)的制作流程示意圖；圖12是本發(fā)明實施例提供的一種實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光耦合的方法中多層波導(dǎo)制作完成后的效果圖；圖13是本發(fā)明實施例提供的一種實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光耦合的方法中墊塊的截面示意圖；其中，I—多芯光纖，2—透鏡組，3—多層波導(dǎo)，4一墊塊，5—光電子芯片，6—多層波導(dǎo)面向多芯光纖的端面，7—多層波導(dǎo)面向光電子芯片陣列的端面，8—焊料，9一襯底層，10-16—波導(dǎo)，17—凹槽，18—小凹槽。
具體實施例方式如圖1-13所示，本發(fā)明提供了一種實現(xiàn)多芯光纖I和光電子芯片5陣列光耦合的方法，以激光器陣列和七芯光纖耦合為例，對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)介紹。實現(xiàn)激光器陣列和七芯光纖耦合的具體方法包括以下步驟步驟I、將墊塊4固定在管殼中，然后在墊塊4上的小凹槽18中放入焊料8 ；步驟2、將光電子芯片5放在對應(yīng)的凹槽17中，使焊料8融化以將光電子芯片5固 定，再通過打線方式完成光電子芯片5的電氣連接，在墊塊4的端面就出現(xiàn)了水平方向呈直線性，豎直方向具有等距高度差的模場分布；步驟3、將多層波導(dǎo)3的端面與墊塊4的出光面對準(zhǔn)后，固定多層波導(dǎo)3 ;這樣在多層波導(dǎo)3的端面上可出現(xiàn)呈中心對稱的模場分布；步驟4、調(diào)整并固定透鏡組2的位置，然后對準(zhǔn)多芯光纖I并固定，即可實現(xiàn)多芯光纖I和光電子芯片5陣列光f禹合。在進(jìn)行光耦合之前，必須根據(jù)多芯光纖I的尺寸加工出所需的多層波導(dǎo)3和墊塊4。如圖7-11所示，多層波導(dǎo)3可以用平面波導(dǎo)加工工藝來實現(xiàn)。實現(xiàn)多層波導(dǎo)3的制備包括以下步驟步驟10、在襯底材料上沉積一層低折射率材料做包層，通過光刻形成兩條波導(dǎo)圖形，再用擴(kuò)散或離子注入的方法形成一層具有兩條高折射率的波導(dǎo)10和11的波導(dǎo)芯片；步驟11、在步驟10形成的一層波導(dǎo)芯片上沉積一層襯底層9，其高度與多芯光纖I的線芯距對應(yīng)，再用步驟10的方法做出三根波導(dǎo)12、13、14 ；步驟12、在步驟11形成的一層波導(dǎo)芯片上再沉積一層與步驟11同樣高度的襯底層9，用與步驟10或11同樣方法形成兩根波導(dǎo)15、16 ；步驟13、再生長一層襯底層9作為保護(hù)層，經(jīng)過解理，斷面處理，鍍膜等工藝，從而得到多層波導(dǎo)3。多層波導(dǎo)3加工完成后，其效果如圖12所示。如圖13所示，墊塊4可通過以下方式制備步驟20、先在墊塊4上加工出具有三個不同高度的平臺；步驟30、在平臺上光電子芯片5對應(yīng)的安裝位置，用刻蝕的方法做出凹槽17，其大小與光電子芯片5尺寸一致,其高度差必須與多層波導(dǎo)3之間高度差一致；步驟40、在凹槽17中再刻蝕出一個小凹槽18，然后在平臺上印制所需的電路。墊塊4加工完成后，其端面如圖13所示。如圖I所示，多芯光纖1，其纖芯呈中心對稱排列，典型的纖芯數(shù)量是七個，也可以是其它個數(shù)。如圖2所示，透鏡組2，其作用是將多芯光纖I和多層波導(dǎo)3之間的光場進(jìn)行適當(dāng)?shù)膮R聚和準(zhǔn)直，以增加耦合容差并提高耦合效率。透鏡組2可以是單個透鏡，也可以是透鏡組。在一些能進(jìn)行精密耦合的場合下，透鏡組2可以省掉，直接將多芯光纖I和多層波導(dǎo)3的端面進(jìn)行對準(zhǔn)。如圖3所示，多層波導(dǎo)3是一種具有多層多芯的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其作用是實現(xiàn)中心對稱模場分布和呈直線型模場分布之間的相互轉(zhuǎn)換。多層波導(dǎo)3的一個端面6,其波導(dǎo)呈中心對稱分布，與多芯光纖I纖芯分布匹配。如圖4所示，多層波導(dǎo)3另一端面7，在水平方向上呈直線分布，豎直方向上具有一定的高度差。如圖5所示，墊塊4控制光電子芯片5的位置和高度，以實現(xiàn)多層波導(dǎo)3與光電子芯片5陣列的直接對接。光電子芯片5安裝位置與多層波導(dǎo)另一端面7的波導(dǎo)位置對應(yīng)。為了方便光電子芯片5放置和固定，需要在光電子芯片5安裝位刻蝕出凹槽17，凹槽17底部填上焊料8。為了方便光電子芯片5列的電氣連接，墊塊4上必須按需求加工出電路。當(dāng)光電子芯片5陣列是圓柱形時，可將墊塊加工成V槽的形式，如圖6所示。本實施例中光電子芯片5可以是通信用的有源芯片、無源芯片或光纖，如激光器芯片，探測器芯片，光纖，半導(dǎo)體光放大器芯片，摻鉺光纖放大器芯片
坐寸ο若光電子芯片5是半導(dǎo)體光放大器，摻鉺光纖放大器芯片等，兩端都需 要和多芯光纖I互連，則需要在光電子芯片5陣列的另一端再使用一個多層波導(dǎo)3和一個透鏡組2，實現(xiàn)與另一根多芯光纖I的光耦合。本發(fā)明提供的一種實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光稱合的方法，其核心部件多層波導(dǎo)采用平面光波導(dǎo)工藝加工，可以充分利用現(xiàn)有的工藝條件。在一塊晶圓上可以一次生產(chǎn)大量多層波導(dǎo)芯片，適合大規(guī)模、低成本，高一致性的生產(chǎn)。多層波導(dǎo)占用的體積較小，形狀規(guī)則，可以方便地放置在管殼中，因此更適合與適合與各種形狀和用途的光電子芯片
一起封裝。最后所應(yīng)說明的是，以上具體實施方式
僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照實例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光稱合的方法，其特征在于，包括 將墊塊固定在管殼中，然后在墊塊上的小凹槽中放入焊料； 將光電子芯片放在對應(yīng)的凹槽中，使焊料融化以固定光電子芯片，再通過打線方式完成光電子芯片的電氣連接； 將多層波導(dǎo)的端面與墊塊的出光面對準(zhǔn)后，固定多層波導(dǎo)； 調(diào)整并固定透鏡組的位置，然后對準(zhǔn)多芯光纖并固定，實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光耦合。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述多層波導(dǎo)通過以下步驟制得 通過在襯底上沉積低折射率材料做保持，通過光刻形成波導(dǎo)圖形，然后用擴(kuò)散或離子注入的辦法形成具有高折射率多層波導(dǎo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，所述多層波導(dǎo)通過以下步驟制得 步驟10、在襯底材料上沉積一層低折射率材料做包層，通過光刻形成兩條波導(dǎo)圖形，再用擴(kuò)散或離子注入的方法形成第一層高折射率波導(dǎo)； 步驟11、在步驟10形成的第一層波導(dǎo)芯片上沉積一層襯底層，其高度與所述多芯光纖的纖芯距對應(yīng)，再通過光刻形成三條波導(dǎo)圖形，并用擴(kuò)散或離子注入的方法形成第二層高折射率波導(dǎo)； 步驟12、在步驟11形成的第二層波導(dǎo)芯片上沉積一層襯底層，其高度與所述多芯光纖的線芯距對應(yīng)，再通過光刻形成兩條波導(dǎo)圖形，并用擴(kuò)散或離子注入的方法形成第三層高折射率波導(dǎo)； 步驟13、生長一層保護(hù)層，經(jīng)過解理，端面處理，鍍膜工藝后，得到多層波導(dǎo)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述墊塊的實施步驟如下 先加工出具有三個不同高度的平臺，其高度差與所述多芯光纖的纖芯距對應(yīng)； 在對應(yīng)的光電子芯片安裝位置，用刻蝕的方法做出凹槽，其大小與光電子芯片尺寸一致； 在凹槽中再刻蝕出一個小凹槽，最后在平臺上印制所需的電路。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述多芯光纖纖芯呈中心對稱排列。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述多層波導(dǎo)一端呈中心對稱分布，所述多層波導(dǎo)另一端在水平方向呈直線分布，在豎直方向具有高度差。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述透鏡組是單個透鏡或透鏡組。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于所述光電子芯片為有源芯片、無源芯片或光纖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光耦合的方法，包括將墊塊固定在管殼中,然后在墊塊上的小凹槽中放入焊料；將光電子芯片放在對應(yīng)的凹槽中，使焊料融化以固定光電子芯片，再通過打線方式完成光電子芯片的電氣連接；將多層波導(dǎo)的端面與墊塊的出光面對準(zhǔn)后，固定多層波導(dǎo)；調(diào)整并固定透鏡組的位置，然后對準(zhǔn)多芯光纖并固定，實現(xiàn)多芯光纖和光電子芯片陣列光耦合。本發(fā)明使用一種多層波導(dǎo)，將多芯光纖呈中心對稱排列的模斑轉(zhuǎn)換成呈直線排列的模斑，具有體積小，適合在管殼中進(jìn)行封裝等優(yōu)點，容易實現(xiàn)低成本、大規(guī)模應(yīng)用。
文檔編號G02B6/42GK102902024SQ201210380270
公開日2013年1月30日 申請日期2012年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月29日
發(fā)明者趙彥立, 劉衛(wèi)華, 許遠(yuǎn)忠, 劉 文 申請人:華中科技大學(xué)