CN102866459A - 一种集成光子芯片的耦合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成光子芯片的耦合方法，包括以下步骤：步骤1）：制作集成光子芯片和斜8°台形光纤：通过平面加工工艺制得集成光子芯片的晶圆，然后正切割晶圆得到集成光子芯片；对普通单模光纤熔融拉锥后，对其出射端面进行研磨和抛光，制得斜8°台形光纤；步骤2）：将集成光子芯片和斜8°台形光纤分别放置在微调架上，使集成光子芯片的芯层轴线与斜8°台形光纤的轴线之间具有夹角；步骤3）：光从斜8°台形光纤的纤芯入射到集成光子芯片的芯层中；步骤4）：集成光子芯片的出射端面与斜8°单模光纤的入射端面进行对准调节从而实现高效耦合。该耦合方法过程简单，并且能够保证光信号高效的从光纤耦合进入集成光子芯片中。
Description
技术领域
本发明属于集成光电子器件技术领域，具体来说，涉及一种集成光子芯片的耦合方法。
背景技术
集成光子芯片的耦合封装问题是光子芯片实用化过程中的关键问题。目前，集成光子芯片的耦合工艺步骤比较复杂。集成光子芯片需要经过切割、研磨、抛光步骤最终得到斜8°的光滑端面的集成光子芯片。研磨抛光加工作为集成光子芯片端面超平滑表面加工最有效的技术手段。研磨抛光是为了减小回波信号对光源和集成光子器件的影响,回波损耗要求达到50dB甚至60dB以上。
研磨抛光加工是工件随行星轮做行星式转动的同时，上下表面由下抛光盘施加压力，依靠抛光液中微小磨粒的划擦作用而微细去除表面材料的一种精密加工方法。研磨抛光是的一整套加工工艺,需要从研磨抛光到测量测试一系列的精密仪器。研磨抛光时，要求保持夹具有较高精度和刚性，而且要求晶圆尺寸不能太大。如果晶圆的直径达到400mm，那么对目前国内的一些已经投入生产的研磨抛光机提出了很大的挑战，甚至的大型晶片国内的很多企业都无能为力。
随着光子集成的发展，集成光子芯片的集成度也越来越高，而且集成光子芯片的尺寸也越来越小。由于集成光子芯片中的波导尺寸的变小，使得波导中的模斑尺寸小于1um,而光纤中的模斑尺寸为8-10um。光从光纤进入这种集成光子芯片的波导经常会带来很大的损耗。
发明内容
技术问题：本发明所要解决的技术问题是，提供一种集成光子芯片的耦合方法，该耦合方法过程简单，并且能够保证光信号高效的从光纤耦合进入集成光子芯片中。
技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：
一种集成光子芯片的耦合方法，该耦合方法包括以下步骤：
步骤1）：制作集成光子芯片和斜8°台形光纤：通过平面加工工艺制得含有数百只以上集成光子芯片的晶圆，然后利用晶圆切割机正切割晶圆得到集成光子芯片，并且集成光子芯片的入射端面和出射端面的粗糙度均小于等于0.05um；对普通单模光纤熔融拉锥后，对其出射端面进行研磨和抛光，制得斜8°台形光纤；
步骤2）：将步骤1制备的集成光子芯片和斜8°台形光纤分别放置在微调架上，通过调节微调架，使得斜8°台形光纤的出射端面和集成光子芯片的入射端面相对，并且集成光子芯片的芯层轴线与斜8°台形光纤的轴线之间具有夹角；
步骤3）：光从斜8°台形光纤的纤芯入射到集成光子芯片的芯层中；
步骤4）：集成光子芯片的出射端面与斜8°单模光纤的入射端面进行对准调节从而实现高效耦合。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：
1.工艺更简单。目前基于集成光子芯片研磨抛光时，要求保持夹具有较高精度和刚性，而且要求晶圆尺寸不能太大。本发明的集成光子芯片的耦合方法，晶圆在正切割过程后不需要研磨和抛光，从而省去了制备集成光子芯片的研磨和抛光工艺步骤，使得本发明中制备集成光子芯片的工艺更简单，同时节省了设备材料所需的成本。另外，本发明中，在制备集成光子芯片时，对晶圆尺寸没有限制。
2.实现高效耦合。本发明中，通过晶圆正切割得到具有高粗糙度的集成光子芯片端面，利用粗糙度高的特点可以有效的降低菲涅尔反射，同样可以使得回波损耗要求达到50dB甚至60dB以上。本发明利用熔融拉锥得到的斜8°台形光纤和集成光子芯片端面成特定角度范围的入射，可以降低回波，提高入射效率，从而可以实现两者的高效耦合。
附图说明
图1是背景技术中斜8°单模光纤和集成光子芯片的耦合装配示意图。
图2是本发明中斜8°台形光纤和集成光子芯片的耦合装配示意图。
图3是本发明实施例中提供的实验的测试结果线条图。
图中有：斜8°台形光纤的包层1、斜8°台形光纤的纤芯2、斜8°单模光纤的包层3、斜8°单模光纤的纤芯4、集成光子芯片的衬底5；集成光子芯片的缓冲层6、集成光子芯片的芯层7、集成光子芯片的覆盖层8，其中，θ为集成光子芯片的芯层轴线与斜8°台形光纤轴线之间的夹角。
具体实施方式
为进一步说明本发明的内容及特点，下面结合附图对本发明作进一步说明，但本发明不仅限制于实施例。
本发明中将使用到以下部件：斜8°台形光纤、集成光子芯片和斜8°单模光纤。其中，斜8°台形光纤包括斜8°台形光纤的纤芯2和斜8°台形光纤的包层1，斜8°台形光纤的包层1包覆在斜8°台形光纤的纤芯2的外表面。斜8°台形光纤是首先通过对普通单模光纤熔融拉锥得到普通锥形光纤，然后对普通锥形光纤端面通过研磨得到斜8°的端面，从而得到斜8°台形光纤。集成光子芯片和斜8°单模光纤是现有的部件，已经商用。集成光子芯片包括集成光子芯片的衬底5、集成光子芯片的缓冲层6、集成光子芯片的芯层7和集成光子芯片的覆盖层8。斜8°单模光纤包括斜8°单模光纤的包层3和斜8°单模光纤的纤芯4。
如图2所示，本发明的一种集成光子芯片的耦合方法，包括以下步骤：
步骤1）：制作集成光子芯片和斜8°台形光纤：通过平面加工工艺制得含有数百只以上集成光子芯片的晶圆，然后利用晶圆切割机正切割晶圆得到集成光子芯片，并且集成光子芯片的入射端面和出射端面的粗糙度均小于等于0.05um；对普通单模光纤熔融拉锥后，对其出射端面进行研磨和抛光，制得斜8°台形光纤。
在步骤1）中，集成光子芯片的入射端面的粗糙度优选在0.005um-0.05um之间，例如0.005um、0.008um、0.01um、0.02um、0.035um或者0.05um。
步骤2）：将步骤1制备的集成光子芯片和斜8°台形光纤分别放置在微调架上，通过调节微调架，使得斜8°台形光纤的出射端面和集成光子芯片的入射端面相对，并且集成光子芯片的芯层7轴线与斜8°台形光纤的轴线之间具有夹角。
在步骤2）中，集成光子芯片的芯层7轴线与斜8°台形光纤的轴线之间的夹角优选为1-10°，例如可以是1°、4°、8°或者10°。
步骤3）：光从斜8°台形光纤的纤芯2入射到集成光子芯片的芯层7中。
步骤4）：集成光子芯片的出射端面与斜8°单模光纤的入射端面进行对准调节，从而实现高效耦合。
通过上述四个步骤，即可实现光信号从光纤耦合进入集成光子芯片中。在步骤1）中，晶圆在正切割过程后不需要研磨和抛光，直接制得集成光子芯片。这样，集成光子芯片的入射端面和出射端面均具有较大的粗糙度。本发明利用集成光子芯片端面粗糙度高的特点，通过将斜8°台形光纤和集成光子芯片端面设置特定角度范围的入射，可以实现两者的高效耦合，并有效的降低菲涅尔反射，同样可以使得回波损耗要求达到50dB甚至60dB以上。由于集成光子芯片不需要研磨和抛光，所以简化了芯片耦合封装的工艺步骤。
下面，通过实验来验证利用本发明的方法，可以实现斜集成光子芯片的高效耦合。
实验部件：
采用长度17.5mm的硅基二氧化硅波导作为集成光子芯片，端面粗糙度为0.01um-0.05um。
斜8°台形光纤、采用型号为安捷伦81910A的可调谐激光光源、斜8°单模光纤、Newport公司生产的型号为2935-C的光功率计。
实验方法：
首先安装设备：将斜8°台形光纤和可调谐激光光源相连接，斜8°台形光纤出射端面和集成光子芯片的入射端面相对，集成光子芯片的出射端面斜8°单模光纤的入射端相对，将斜8°单模光纤的出射端和光功率计相连接。然后调节角度：调节微调架，使得集成光子芯片的芯层7轴线与斜8°台形光纤的轴线之间夹角θ。接着进行实验：打开并调节可调谐激光光源，射出波长为1550nm的光；光从斜8°台形光纤的纤芯2射入到集成光子芯片的芯层7中；光从集成光子芯片的芯层7中射入斜8°单模光纤中；光从斜8°单模光纤中射入光功率计中。最后，光功率计测试接收到的光功率。
每次实验，夹角θ依次为0°到10°之间的整数值。也就是说，总计进行11次实验。
实验结果如图3所示。图3中，横坐标表示集成光子芯片的芯层7轴线与斜8°台形光纤的轴线之间夹角θ，单位：度；纵坐标表示集成光子芯片的插入损耗，单位dB。从图3中可以看出：在夹角θ在0°到10°之间时，小于0.17dB，最小可以达到0.12dB，均小于国标YD/T 2000.1-2009规定的插入损耗。由此可见本发明可以利用简易的工艺实现高效的耦合。
Claims (3)
1.一种集成光子芯片的耦合方法，其特征在于，该耦合方法包括以下步骤：
步骤1）：制作集成光子芯片和斜8°台形光纤：通过平面加工工艺制得含有数百只以上集成光子芯片的晶圆，然后利用晶圆切割机正切割晶圆得到集成光子芯片，并且集成光子芯片的入射端面和出射端面的粗糙度均小于等于0.05um；对普通单模光纤熔融拉锥后，对其出射端面进行研磨和抛光，制得斜8°台形光纤；
步骤2）：将步骤1制备的集成光子芯片和斜8°台形光纤分别放置在微调架上，通过调节微调架，使得斜8°台形光纤的出射端面和集成光子芯片的入射端面相对，并且集成光子芯片的芯层（7）轴线与斜8°台形光纤的轴线之间具有夹角；
步骤3）：光从斜8°台形光纤的纤芯（2）入射到集成光子芯片的芯层（7）中；
步骤4）：集成光子芯片的出射端面与斜8°单模光纤的入射端面进行对准调节从而实现高效耦合。
2.按照权利要求1所述的集成光子芯片的耦合方法，其特征在于，所述的步骤1）中，集成光子芯片的入射端面的粗糙度在0.005um-0.05um之间。
3.按照权利要求1所述的集成光子芯片的耦合方法，其特征在于，所述的步骤2）中，集成光子芯片的芯层（7）轴线与斜8°台形光纤的轴线之间的夹角为1-10°。
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