光引擎、光模块及适用于光芯片耦合的光学系统和FA结构的制作方法

本发明涉及光通信，特别涉及一种光引擎、光模块及适用于光芯片耦合的光学系统和fa结构。

背景技术：

1、近年来随着光模块在光通信领域的不断发展，以光子为载体的微纳米量级信息器件集成技术竞相得到关注并逐渐应用于实际生活场景，而光芯片的高精度优化集成为其它光器件的微型化及高性能化设计、空间放置提供了更多的可能性，其中如何利用光波导收集外界自由空间光束信息成为领域里各专家的核心探索方向之一，即基于模场适配的高效率光耦合技术。

2、根据光芯片内部集成器件的设计概念，为实现多通道信息传输、降低硅衬底集成难度及提高光耦合效率，光芯片一般会通过mmi达到一分四、一分八等类似的分光形式，直接决定着激光器的功率选用，并在芯片上设计不同类型的端面耦合器、模斑转换器来减少空间中的耦合损耗，但模场失配带来的损耗依旧不可忽视，其中尤以光通信用光纤与光芯片模斑直径因尺寸不匹配导致的损耗最为严重。

3、经过光芯片波导传输、内部调制器处理后的光束还需为外界接收，一般采用板上芯片封装方案(chip on board)，用光纤阵列(fiber array，简称fa)的形式对多通道光芯片的端面耦合器进行水平耦合，但由于光通信领域里中长距离传输采用的一般是单模光纤，其na在0.11～0.14，从而导致作为与光芯片耦合器水平耦合的fa的光接收范围有限，再加上模场匹配原则的约束，光线之间的轴线对准一致是耦合工作的前提，这些因素归总起来引起的能量损耗一直是光学开发前期的重要讨论课题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提出了一种光引擎、光模块及适用于光芯片耦合的光学系统和fa结构。

2、本发明的技术方案是这样实现的：本发明公开了一种适用于硅光芯片耦合的光学系统，包括设置在激光器与光芯片之间的准直透镜和会聚透镜，所述准直透镜用于对激光器发射的激光进行准直，所述会聚透镜用于对准直透镜的出射光进行会聚。

3、在一些实施例中，所述准直透镜的数值孔径na∈(0.5,0.65)；

4、或/和，所述准直透镜的厚度t∈(0.7,0.84)mm；

5、或/和，所述会聚透镜的数值孔径na∈(0.17,0.2)；

6、或/和，所述会聚透镜的厚度t∈(0.62,0.75)mm；

7、或/和，激光器远场发散角所对应的na始终小于准直透镜的入射面对应的na；

8、或/和，所述准直透镜的入射面为第一非球面，所述准直透镜的出射面为第二非球面，第一非球面的曲率半径为(1.416±3％)mm，第二非球面的曲率半径为(-0.503±3％)mm，第一非球面的圆锥系数为-38.671，第二非球面的圆锥系数为-1.769；所述会聚透镜的入射面为第三非球面，所述会聚透镜的出射面为第四非球面，第三非球面的曲率半径为(1.194±3％)mm，第四非球面的曲率半径为(-6.417±3％)mm，第三非球面的圆锥系数为-0.825，第四非球面的圆锥系数为18.635。

9、在一些实施例中，所述准直透镜的数值孔径na为0.6，会聚透镜的数值孔径na为0.17。

10、本发明的适用于硅光芯片耦合的光学系统还包括位于会聚透镜与光芯片之间的隔离器，会聚透镜的出射光经隔离器后耦合进光芯片的入光耦合器。

11、本发明还公开了一种适用于硅光芯片耦合的fa结构，包括光纤阵列和尾纤，尾纤采用单模光纤，所述光纤阵列采用小模光纤，尾纤的单模光纤与光纤阵列的小模光纤熔接，所述光纤阵列的光纤端面镀增透膜。

12、在一些实施例中，小模光纤采用高数值孔径光纤；

13、或/和，增透膜的膜层厚度与工作波长应用范围呈正相关；

14、或/和，增透膜的膜层厚度为56nm～60nm，工作波长在1304.5nm～1317.5nm。

15、在一些实施例中，小模光纤的数值孔径为0.28。

16、在一些实施例中，所述光纤阵列的光纤端面与竖直面之间设有夹角，形成上端前倾8°±0.1°斜面。

17、在一些实施例中，小模光纤固定在v槽基板与下盖板之间，下盖板靠近光芯片的端面与光纤阵列的光纤端面之间设有沿第一方向的水平间距l，第一方向与激光器的激光发射方向平行，水平间距l的最小值为0.28～0.31mm。

18、本发明还公开了一种光引擎，包括光芯片、激光器以及如上所述的fa结构，所述光芯片的入光耦合器与激光器之间设有如上所述的光学系统，所述光芯片的出光耦合器与fa结构的光纤阵列耦合。

19、在一些实施例中，激光器、准直透镜、会聚透镜、隔离器、光芯片以及fa结构均安装在基板上，激光器发光端面、光芯片的入光耦合器二者的中心线间距在0.01mm～0.015mm。

20、本发明还公开了一种光模块，采用了如上所述的光引擎。

21、本发明至少具有如下有益效果：本发明设计的双透镜光学系统，可适用于光通信领域中快慢轴发散角18°～27°@fwhm的dfb激光器，光学仿真耦合效率83％～96％，实际应用耦合效率可达到90％左右,同时在满足较高耦合效率的前提下大大缩减整个光引擎的长度，其光路长度最短仅为3.7mm，不仅降低了钨铜基板、fiber array的制作加工成本，而且为pcba前期的数字模拟电路设计走线布局腾出大量的空间。

22、本发明还提出一种特殊化设计并实际应用的镀膜型小模fa，不仅兼容光芯片output端单模、小模耦合器的两种结构设计，端面耦合效率相比于业界常规使用的单模fa更高，同时由于光纤端面镀膜的缘故，解决了单模光纤与小模光纤熔纤处的低回损现象，镀膜后的实际回损与单模光纤无二，大大提升了硅光方案模块的出光功率、回损等性能。

23、由于硅晶圆在切割后，一般会留有20um～40um的切割凹槽，对应地，fa光纤端面与芯片耦合器波导存在这样的gap，会发生6db～8db的损耗，因此本结构将下盖板会回退0.3mm，上盖板与光纤在制作过程中同时研磨成上下斜8°，不仅保证了光纤与耦合器波导充分接触，大约只有5um以内的gap，耦合效率在70％左右，而且由于增透膜的作用，模块级的回损最终在35db～40db。

技术特征：

1.一种适用于硅光芯片耦合的光学系统，其特征在于：包括设置在激光器与光芯片之间的准直透镜和会聚透镜，所述准直透镜用于对激光器发射的激光进行准直，所述会聚透镜用于对准直透镜的出射光进行会聚。

2.如权利要求1所述的适用于硅光芯片耦合的光学系统，其特征在于：所述准直透镜的数值孔径na∈(0.5,0.65)；

3.如权利要求1所述的适用于硅光芯片耦合的光学系统，其特征在于：还包括位于会聚透镜与光芯片之间的隔离器，会聚透镜的出射光经隔离器后耦合进光芯片的入光耦合器。

4.一种适用于硅光芯片耦合的fa结构，其特征在于：包括光纤阵列和尾纤，尾纤采用单模光纤，所述光纤阵列采用小模光纤，尾纤的单模光纤与光纤阵列的小模光纤熔接，所述光纤阵列的光纤端面镀增透膜。

5.如权利要求4所述的适用于硅光芯片耦合的fa结构，其特征在于：小模光纤采用高数值孔径光纤；

6.如权利要求4所述的适用于硅光芯片耦合的fa结构，其特征在于：所述光纤阵列的光纤端面与竖直面之间设有夹角，形成上端前倾7.9°～8.1°斜面。

7.如权利要求6所述的适用于硅光芯片耦合的fa结构，其特征在于：小模光纤固定在v槽基板与下盖板之间，下盖板靠近光芯片的端面与光纤阵列的光纤端面之间设有沿第一方向的水平间距l，第一方向与激光器的激光发射方向平行，水平间距l的最小值为0.28～0.31mm。

8.一种光引擎，其特征在于：包括光芯片、激光器以及如权利要求4至7任一所述的fa结构，所述光芯片的入光耦合器与激光器之间设有如权利要求1至3任一所述的光学系统，所述光芯片的出光耦合器与fa结构的光纤阵列耦合。

9.如权利要求8所述的光引擎，其特征在于：激光器、准直透镜、会聚透镜、隔离器、光芯片以及fa结构均安装在基板上；

10.一种光模块，其特征在于：采用了如权利要求8所述的光引擎。

技术总结
本发明提供了一种光引擎、光模块及适用于光芯片耦合的光学系统和FA结构，该光引擎包括沿光路依次设置的激光器、准直透镜、会聚透镜、隔离器以及光芯片，准直透镜用于对激光器发射的激光进行准直；会聚透镜用于对准直透镜的出射光进行会聚,会聚透镜的出射光经隔离器后耦合进光芯片的入光耦合器，光芯片的出光耦合器与FA结构的光纤阵列耦合。FA结构包括光纤阵列和尾纤，尾纤采用单模光纤，光纤阵列采用小模光纤，尾纤的单模光纤与光纤阵列的小模光纤熔接，光纤阵列的小模光纤端面镀56nm～60nm增透膜。本发明提高了光引擎的整体系统耦合效率，在满足较高耦合效率的前提下大大缩减整个光引擎的长度，且大大提升了硅光方案模块的出光功率、回损等性能。

技术研发人员：张昊,杨凌冈,杨进议,张晶
受保护的技术使用者：武汉华工正源光子技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/3/27