专利名称：实现多芯光纤和光电子芯片阵列光耦合的方法
技术领域：
本发明属于通信用光电子器件领域。涉及一种实现多芯光纤和光电子芯片阵列光耦合的方法。
背景技术：
随着信息的爆炸式增长，对网络带宽的需求持续快速地增长。要获得更大的光通信容量，一个方向是使用更高速的器件，例如100G、400G的光器件，这些高速光器件的技术门槛很高，导致研发周期长，生产成本高。另一个方向是开发空分复用技术，使用多芯光纤来传输光信号。如图I所示，多芯光纤与传统单模光纤的尺寸相当，但在包层中均匀地分布着多根纤芯，这些纤芯能同时独立地传输光信号，因此在同样容量要求下，可以大大降低对器件速率的要求，技术门槛相对较低。使用这种多芯光纤的同时也带来了一个新的问题，S卩如何方便地实现多芯光纤和光电子芯片阵列的光耦合。因为多芯光纤中的纤芯通常是呈中心对称排列，而光电子芯片阵列通常是呈直线排列，传统的单模光纤和光电子芯片之间的耦合方式显然不再适用。在多芯光纤和光电子芯片阵列之间必须加上一个合适的模场转换器，以实现中心对称的模场分布和呈直线型模场分布之间的相互转换。现有的实现方式有三种，一种是利用块状光学元件来实现，使用透镜组将多芯光纤中的光散开，再用呈中心对称排列的光纤束进行耦合对准，最后在光纤束的另一端与器件进行互联。这种装置实现很复杂，体积较大，生产成本高，不适合大规模应用。另一种是利用拉锥光纤束来实现，即将多根光纤放在一起加热并拉锥，再从中间切开，这样得到的光纤束一端能和多芯光纤的纤芯匹配，另一端则是分散的光纤，可用来与器件进行互联。这种方式占用的空间也很大，不适合放在管壳中和器件一起封装。最后一种方案是利用三维波导芯片来实现，使用飞秒激光器直接在衬底材料中加工出三维波导，使其一端呈中心对称分布，与多芯光纤匹配，另一端呈直线排列，与光纤阵列匹配。这种对波导进行三维加工的方式,相关技术并不成熟,成本很高。另外由于激光直写技术更适合加工直波导，而该方式不可避免地存在光路转折，所以会带来额外的损耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种占用体积小、适合低成本、大规模应用于实现多芯光纤和光电子芯片阵列光耦合的方法。为解决上述技术问题，本发明提供了一种实现多芯光纤和光电子芯片阵列光耦合的方法，包括将垫块固定在管壳中，然后在垫块上的小凹槽中放入焊料；将光电子芯片放在对应的凹槽中，使焊料融化以固定光电子芯片，再通过打线方式完成光电子芯片的电气连接；将多层波导的端面与垫块的出光面对准后，固定多层波导；调整并固定透镜组的位置，然后对准多芯光纤并固定，实现多芯光纤和光电子芯片阵列光耦合。所述多层波导制作步骤如下
步骤10、在衬底材料上沉积一层低折射率材料做包层，通过光刻形成两条波导图形，再用扩散或离子注入的方法形成第一层高折射率波导；步骤11、在步骤10形成的第一层波导芯片上沉积一层衬底层，其高度与所述多芯光纤的纤芯距对应，再通过光刻形成三条波导图形，并用扩散或离子注入的方法形成第二层高折射率波导；步骤12、在步骤11形成的第二层波导芯片上沉积一层衬底层，其高度与所述多芯光纤的线芯距对应，再通过光刻形成两条波导图形，并用扩散或离子注入的方法形成第三层高折射率波导；步骤13、生长一层保护层，经过解理，端面处理，镀膜等工艺后，得到多层波导。所述垫块的实施步骤如下 先加工出具有三个不同高度的平台，其高度差与所述多芯光纤的纤芯距对应；在对应的光电子芯片安装位置，用刻蚀的方法做出凹槽，其大小与光电子芯片尺寸一致；在凹槽中再刻蚀出一个小凹槽，最后在平台上印制所需的电路。本发明提供的一种实现多芯光纤和光电子芯片阵列光稱合的方法，核心部件为一多层波导，采用平面光波导工艺加工，其优点如下I.可以充分利用现有的工艺条件。在一块晶圆上可以一次生产大量多层波导芯片，适合大规模、低成本，高一致性的生产。2.多层波导占用的体积较小，形状规则，可以方便地放置在管壳中，因此更适合与各种形状和用途的光电子芯片一起封装。
图I是本发明实施例提供的一种实现多芯光纤和光电子芯片阵列光耦合的方法中多芯光纤截面示意图；图2是本发明实施例提供的一种实现多芯光纤和光电子芯片阵列光耦合的方法中多芯光纤与光电子芯片阵列光互联示意图；图3是本发明实施例提供的一种实现多芯光纤和光电子芯片阵列光耦合的方法中多层波导与多芯光纤耦合的端面示意图；图4是本发明实施例提供的一种实现多芯光纤和光电子芯片阵列光耦合的方法中多层波导与光电子芯片阵列耦合的端面示意图；图5是本发明实施例提供的一种实现多芯光纤和光电子芯片阵列光稱合的方法中装有光电子芯片阵列后的垫块示意图；图6是本发明实施例提供的一种实现多芯光纤和光电子芯片阵列光稱合的方法中装有圆柱形光电子芯片阵列后的V槽示意图；图7-11是本发明实施例提供的一种实现多芯光纤和光电子芯片阵列光稱合的方法中多层波导的制作流程示意图；图12是本发明实施例提供的一种实现多芯光纤和光电子芯片阵列光耦合的方法中多层波导制作完成后的效果图；图13是本发明实施例提供的一种实现多芯光纤和光电子芯片阵列光耦合的方法中垫块的截面示意图；其中，I—多芯光纤，2—透镜组，3—多层波导，4一垫块，5—光电子芯片，6—多层波导面向多芯光纤的端面，7—多层波导面向光电子芯片阵列的端面，8—焊料，9一衬底层，10-16—波导，17—凹槽，18—小凹槽。
具体实施例方式如图1-13所示，本发明提供了一种实现多芯光纤I和光电子芯片5阵列光耦合的方法，以激光器阵列和七芯光纤耦合为例，对本发明进行详细介绍。实现激光器阵列和七芯光纤耦合的具体方法包括以下步骤步骤I、将垫块4固定在管壳中，然后在垫块4上的小凹槽18中放入焊料8 ；步骤2、将光电子芯片5放在对应的凹槽17中，使焊料8融化以将光电子芯片5固 定，再通过打线方式完成光电子芯片5的电气连接，在垫块4的端面就出现了水平方向呈直线性，竖直方向具有等距高度差的模场分布；步骤3、将多层波导3的端面与垫块4的出光面对准后，固定多层波导3 ;这样在多层波导3的端面上可出现呈中心对称的模场分布；步骤4、调整并固定透镜组2的位置，然后对准多芯光纤I并固定，即可实现多芯光纤I和光电子芯片5阵列光f禹合。在进行光耦合之前，必须根据多芯光纤I的尺寸加工出所需的多层波导3和垫块4。如图7-11所示，多层波导3可以用平面波导加工工艺来实现。实现多层波导3的制备包括以下步骤步骤10、在衬底材料上沉积一层低折射率材料做包层，通过光刻形成两条波导图形，再用扩散或离子注入的方法形成一层具有两条高折射率的波导10和11的波导芯片；步骤11、在步骤10形成的一层波导芯片上沉积一层衬底层9，其高度与多芯光纤I的线芯距对应，再用步骤10的方法做出三根波导12、13、14 ；步骤12、在步骤11形成的一层波导芯片上再沉积一层与步骤11同样高度的衬底层9，用与步骤10或11同样方法形成两根波导15、16 ；步骤13、再生长一层衬底层9作为保护层，经过解理，断面处理，镀膜等工艺，从而得到多层波导3。多层波导3加工完成后，其效果如图12所示。如图13所示，垫块4可通过以下方式制备步骤20、先在垫块4上加工出具有三个不同高度的平台；步骤30、在平台上光电子芯片5对应的安装位置，用刻蚀的方法做出凹槽17，其大小与光电子芯片5尺寸一致,其高度差必须与多层波导3之间高度差一致；步骤40、在凹槽17中再刻蚀出一个小凹槽18，然后在平台上印制所需的电路。垫块4加工完成后，其端面如图13所示。如图I所示，多芯光纤1，其纤芯呈中心对称排列，典型的纤芯数量是七个，也可以是其它个数。如图2所示，透镜组2，其作用是将多芯光纤I和多层波导3之间的光场进行适当的汇聚和准直，以增加耦合容差并提高耦合效率。透镜组2可以是单个透镜，也可以是透镜组。在一些能进行精密耦合的场合下，透镜组2可以省掉，直接将多芯光纤I和多层波导3的端面进行对准。如图3所示，多层波导3是一种具有多层多芯的波导结构，其作用是实现中心对称模场分布和呈直线型模场分布之间的相互转换。多层波导3的一个端面6,其波导呈中心对称分布，与多芯光纤I纤芯分布匹配。如图4所示，多层波导3另一端面7，在水平方向上呈直线分布，竖直方向上具有一定的高度差。如图5所示，垫块4控制光电子芯片5的位置和高度，以实现多层波导3与光电子芯片5阵列的直接对接。光电子芯片5安装位置与多层波导另一端面7的波导位置对应。为了方便光电子芯片5放置和固定，需要在光电子芯片5安装位刻蚀出凹槽17，凹槽17底部填上焊料8。为了方便光电子芯片5列的电气连接，垫块4上必须按需求加工出电路。当光电子芯片5阵列是圆柱形时，可将垫块加工成V槽的形式，如图6所示。本实施例中光电子芯片5可以是通信用的有源芯片、无源芯片或光纤，如激光器芯片，探测器芯片，光纤，半导体光放大器芯片，掺铒光纤放大器芯片
坐寸ο若光电子芯片5是半导体光放大器，掺铒光纤放大器芯片等，两端都需 要和多芯光纤I互连，则需要在光电子芯片5阵列的另一端再使用一个多层波导3和一个透镜组2，实现与另一根多芯光纤I的光耦合。本发明提供的一种实现多芯光纤和光电子芯片阵列光稱合的方法，其核心部件多层波导采用平面光波导工艺加工，可以充分利用现有的工艺条件。在一块晶圆上可以一次生产大量多层波导芯片，适合大规模、低成本，高一致性的生产。多层波导占用的体积较小，形状规则，可以方便地放置在管壳中，因此更适合与适合与各种形状和用途的光电子芯片
一起封装。最后所应说明的是，以上具体实施方式
仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种实现多芯光纤和光电子芯片阵列光稱合的方法，其特征在于，包括 将垫块固定在管壳中，然后在垫块上的小凹槽中放入焊料； 将光电子芯片放在对应的凹槽中，使焊料融化以固定光电子芯片，再通过打线方式完成光电子芯片的电气连接； 将多层波导的端面与垫块的出光面对准后，固定多层波导； 调整并固定透镜组的位置，然后对准多芯光纤并固定，实现多芯光纤和光电子芯片阵列光耦合。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述多层波导通过以下步骤制得 通过在衬底上沉积低折射率材料做保持，通过光刻形成波导图形，然后用扩散或离子注入的办法形成具有高折射率多层波导。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述多层波导通过以下步骤制得 步骤10、在衬底材料上沉积一层低折射率材料做包层，通过光刻形成两条波导图形，再用扩散或离子注入的方法形成第一层高折射率波导； 步骤11、在步骤10形成的第一层波导芯片上沉积一层衬底层，其高度与所述多芯光纤的纤芯距对应，再通过光刻形成三条波导图形，并用扩散或离子注入的方法形成第二层高折射率波导； 步骤12、在步骤11形成的第二层波导芯片上沉积一层衬底层，其高度与所述多芯光纤的线芯距对应，再通过光刻形成两条波导图形，并用扩散或离子注入的方法形成第三层高折射率波导； 步骤13、生长一层保护层，经过解理，端面处理，镀膜工艺后，得到多层波导。
4.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述垫块的实施步骤如下 先加工出具有三个不同高度的平台，其高度差与所述多芯光纤的纤芯距对应； 在对应的光电子芯片安装位置，用刻蚀的方法做出凹槽，其大小与光电子芯片尺寸一致； 在凹槽中再刻蚀出一个小凹槽，最后在平台上印制所需的电路。
5.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述多芯光纤纤芯呈中心对称排列。
6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于所述多层波导一端呈中心对称分布，所述多层波导另一端在水平方向呈直线分布，在竖直方向具有高度差。
7.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述透镜组是单个透镜或透镜组。
8.根据权利要求I所述的方法，其特征在于所述光电子芯片为有源芯片、无源芯片或光纤。
全文摘要
本发明涉及一种实现多芯光纤和光电子芯片阵列光耦合的方法，包括将垫块固定在管壳中,然后在垫块上的小凹槽中放入焊料；将光电子芯片放在对应的凹槽中，使焊料融化以固定光电子芯片，再通过打线方式完成光电子芯片的电气连接；将多层波导的端面与垫块的出光面对准后，固定多层波导；调整并固定透镜组的位置，然后对准多芯光纤并固定，实现多芯光纤和光电子芯片阵列光耦合。本发明使用一种多层波导，将多芯光纤呈中心对称排列的模斑转换成呈直线排列的模斑，具有体积小，适合在管壳中进行封装等优点，容易实现低成本、大规模应用。
文档编号G02B6/42GK102902024SQ201210380270
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月29日 优先权日2012年9月29日
发明者赵彦立, 刘卫华, 许远忠, 刘 文 申请人:华中科技大学