CN103513348B - 光波导芯片和pd阵列透镜耦合装置 - Google Patents

光波导芯片和pd阵列透镜耦合装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光波导芯片和PD阵列透镜耦合装置，包括波导芯片（101）、PD阵列（102）、热沉（107）、波导垫片（108）、基板（109），波导垫片（108）；热沉（107）位于基板（109）之上，PD阵列（102）位于热沉（107）上，波导垫片（108）上设置有波导芯片（101），所述波导芯片（101）与PD阵列（102）之间的光路中设置有反射棱镜(104)，波导芯片（101）输出光经过反射棱镜(104)反射，由PD阵列（102）接收；且波导芯片（101）与PD阵列（102）之间的光路中设置有汇聚作用的透镜阵列（103）；采用本发明装置降低了成本，结构简单，组装工艺较易实现，且光电转换效率非常高。

Description

光波导芯片和PD阵列透镜耦合装置
技术领域
本发明涉及一种应用于光通信技术光模块的耦合装置，尤其涉及光模块中光学传输介质(光纤，光波导)和光半导体元件(半导体激光器，光电二极管)之间具有较大容差光学耦合装置,本发明属于光通信领域。
背景技术
随着智能设备以及云计算、物联网的出现，网络带宽需求不断攀升，提高系统传输速率迫在眉睫，100G及更高速率传输系统得到应用。目前100G密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing,DWDM)光传输系统采用相干接收双偏振四相位键控调制(dual-polarization quadrature phase shift keying,DP-QPSK)技术，相对以往的传输系统，其跨越性主要在实现技术上进行了一系列重大变革，如QPSK调制技术、偏振复用技术，相干差分检测技术等。
100G DWDM光传输系统主要由光发射机，传输线路和光接收机组成，其中，集成相干接收机(integrated coherent receiver,ICR)使系统通过分析信号光与外加参考光源的偏振与相位关系，来还原100G DP-QPSK相位与偏振星座图的信号。100G集成相干接收机中采用4×25G的方式来实现，单通道传输电速率为25Gb/s，因为光探测器的带宽与半导体材料内载流子穿越时间和信号处理电路响应时间有关，所以与高速光电二极管(Photodiode,PD)相比低速PD光电探测器具有更小的穿越时间，其光敏面也更小，其大小在几十微米的量级。光波导芯片和光探测器之间采用混合集成方案的光学对准操作难度也更大，同时对光波导芯片出射光斑与PD光敏面的相对位置偏离也更敏感，混合集成对准的耦合效率直接影响器件的插损、CMRR、响应度等指标。现有技术中的耦合结构常见的主要有以下几种：①NTT设计的利用双透镜加反射棱镜的耦合结构,见文献：Ohyama T,Ogawa I,Tanobe H.All-in-one 100-Gbit/s DP-QPSK coherentreceiver using novel PLC-based integration structure with low-loss andwide-tolerance multi-channel optical coupling,OECC,2010，其中，从光波导输出的光束通过第一个透镜扩束准直后，然后经过全反射棱镜反射，光线发生90度偏折，最后经过第二个透镜汇聚，汇聚后的光斑照射在PD表面。但是采用双透镜耦合结构，使用2个透镜也增加了额外的成本，光路较复杂，在实际组装过程中操作难度较大，生产效率较低；②中国专利200610125025.X，基于斜平面圆柱形透镜光纤的高效耦合组件及其制作方法所示的耦合结构，这种结构难固定，其圆柱形透镜只能在光束一个维度上进行汇聚压缩，无法使用到光纤组或者多个输出光波导与PD阵列的耦合，因为经过圆柱形透镜汇聚的光斑呈细长型，光斑会照射到相邻的PD上面产生串扰。
发明内容
本发明的目的克服现有技术存在的技术缺陷，提出一种结构简单、组装工艺较易实现、光电转换效率高的光电耦合装置。
本发明的技术方案是：
光波导芯片和PD阵列透镜耦合装置，包括波导芯片、PD阵列、热沉(107)、波导垫片、基板，波导垫片；热沉位于基板之上，PD阵列位于热沉上，波导垫片上设置有波导芯片，所述波导芯片与PD阵列之间的光路中设置有反射棱镜，波导芯片输出光经过反射棱镜反射，由PD阵列接收；且波导芯片与PD阵列之间的光路中设置有汇聚作用的透镜阵列，波导芯片上端粘接盖玻片，所述波导芯片、PD阵列、反射棱镜、透镜阵列的排列组合采用以下方式之一：第一组合方式：所述PD阵列两侧设置有透镜支架，透镜支架上固定透镜阵列，所述透镜阵列通光面中心同PD阵列光敏面中心对应对准；盖玻片外侧粘贴反射棱镜，反射棱镜的斜面同波导芯片的输出端相对应；第二组合方式：所述波导芯片的输出端面粘接有透光片，透镜阵列粘接在透光片上，波导芯片与透镜阵列孔径中心一一对应，反射棱镜固定在反射棱镜支架上，反射棱镜支架粘接在PD阵列旁，PD阵列与反射棱镜的斜面相对应。
所述反射棱镜反射角为40～50度，反射平面上面镀有增反膜。
所述波导芯片的输出端下部衬底设置有挖空区域，该挖空区域的长度为2～4mm，厚度为0.3～0.5mm。
所述第一组合方式中的透镜支架高度H1等于PD阵列高度H2与光束经过透镜阵列汇聚后透镜阵列下表面到汇聚点的距离L之和。
所述波导芯片设置有4个输出通道，通道之间间距为250um；透镜阵列相应由4个透镜组成，透镜间距为250um。
所述第一组合方式中的波导芯片的输出端面镀有增透膜。
所述第二组合方式中的透光片是玻璃片或者硅片。
本发明具有以下优点：
1)本发明装置中棱镜切角后贴装在波导表面的盖玻片上，棱镜固定方便稳固，结构紧促，同时可以通过控制棱镜粘贴的位置来控制棱镜反射光路的光程，防止照射到透镜阵列的光斑束腰过大，形成相邻透镜间的光信号串扰。
2)本发明装置中省去了波导出射处的准直透镜阵列，只采用一个短焦距聚焦透镜阵列，降低了成本，且结构简单，组装工艺较易实现，且光电转换效率非常高。
3)本发明装置中透镜阵列通过两个玻璃支架支撑固定在PD阵列正上方，透镜阵列通过高精度贴片的方式实现透镜阵列和PD阵列的无源光学对准，其高精度和高效率的特点都非常适合工业生产。
4)本发明装置中波导芯片的输出波导上面镀有增透膜，增透膜主要作用是减少光线在射出波导芯片后产生回波损耗。
5)本发明装置中提供的透镜耦合方案，经过透镜阵列汇聚后光束束腰半径小，不仅适用于波导芯片或者光纤阵列与低速PD阵列的耦合，同样适用于高速PD阵列的耦合。
附图说明
图1本发明第一实施例透镜耦合装置结构示意图；
图2本发明第一实施例透镜耦合装置结构侧视图；
图3本发明第二实施例透镜耦合装置结构示意图；
图4本发明第一实施例透镜耦合装置的波导芯片切割示意图；
其中：
101.波导芯片；      102.PD阵列；
103.透镜阵列        104.反射棱镜；
105.盖玻片；        106.透镜支架；
107.热沉；          108.波导垫片；
109.基板；          110.透光片；
111.反射棱镜支架；
H1：透镜支镜106高度；
H2：PD阵列102高度；
L：光束经过透镜阵镜103汇聚后透镜阵列103下表面到汇聚点的距离；
具体实施方式
以下结合附图对本发明进行说明详细说明。
如图1所示，用于光波导芯片和PD阵列透镜耦合结构，包括波导芯片101、PD阵列102、透镜阵列103、反射棱镜104、盖玻片105、透镜支架106、热沉107、波导垫片108、基板109。图1所示的热沉107位于基板109之上，PD阵列102通过导电胶粘贴在热沉107之上，热沉107上设置有透镜支架106，透镜支架106为两个支架组合，两个支架分列于PD阵列102的两侧；透镜支架106架设有长条形的透镜阵列103，透镜阵列103先固定在透镜支架106上，透镜支架106的材料为玻璃。通过贴片的操作把带有透镜支架106的透镜阵列103贴到PD阵列102正上方，用胶把透镜支架106与热沉107粘接固定，贴片时保证透镜阵列103通光面的中心以一对一的方式与PD阵列102的光敏面的中心进行对准，一个PD中心对准一个透镜中心。波导垫片108位于基板109上的热沉107旁侧，波导垫片108上设置有波导芯片101，波导芯片101输出端面为垂直平面，该表面镀有石英到空气的增透膜，波导芯片101上端粘接盖玻片105，盖玻片105外侧粘贴有一个反射棱镜104，反射棱镜104与盖玻片105的上表面平行，使反射棱镜104的斜面同波导芯片101的输出端相对应，反射棱镜104的反射角度为40～50度，反射平面上面镀有增反膜，由波导芯片101的射出光线经过反射棱镜104的斜面反射后的产生80～100度的偏转，并投射到透镜阵列103上。本发明实施例中的反射棱镜104的反向角度为45度角。波导芯片101的输出端下部衬底设置有挖空区域，该挖空区域的长度2～4mm，厚度0.3～0.5mm。本实施方案实现过程具体如下：切除波导输出端一部分衬底，切除部分衬底长度2～4mm，厚度0.3～0.5mm，切除一部分衬底厚度主要是由于耦合结构采用单透镜方案的设计，需要控制输入波导到透镜的输入光程的长度；由波导芯片101的射出光线经过反射棱镜104的斜面反射后的产生度的偏转，并投射到透镜阵列103上，经过透镜阵列103汇聚后的光线最终入射PD阵列102的光敏面上，被PD阵列102接收。PD阵列102通过金线与其连接的电学部件共同实现信号的传输。如图2所示，本发明实施例方案中的透镜支架106高度H1等于PD阵列102高度H2+光束经过透镜阵列汇聚后透镜阵列下表面到汇聚点距离L。
本发明此处的基板109仅仅提供一个粘接固定平面，在实际应用中，本发明这种波导芯片101和PD阵列102耦合结构可以使用在模块盒内，放置波导垫片108的基板109此时即是模块盒的底面。
如图1结构所示的本发明光波导芯片和PD阵列透镜耦合结构实现包括如下步骤：
步骤1：通过贴片操作把热沉107粘贴在基板109上，PD阵列102粘贴在热沉107上，PD阵列102光敏面向上，它们之间粘接用胶是导电胶；
步骤2：把长条形的透镜阵列103的粘贴在透镜支架106上，透镜支架106的高度预先设计好的，透镜支架106高度H1等于PD阵列102高度H2+光束经过透镜阵列汇聚后透镜阵列下表面到汇聚点距离L；
步骤3：将透镜阵列103粘接于透镜支架106上，在显微镜下把粘接有透镜支架106的透镜阵列103调整到PD阵列102正上方，贴片过程中，我们可以通过透镜阵列103的看到放大的PD阵列102的像，调整透镜阵列103左右位置使PD阵列102的光敏面的像位于对应透镜通光孔径的正中心，点胶固化；
步骤4：切除波导输出端一部分衬底，切除部分衬底长度2～4mm，厚度0.3～0.5mm，如图4所示；
步骤5：衬底切除完成后，我们把反射棱镜104粘贴在波导芯片101的盖玻片105外侧边上，粘贴时保证反射棱镜104与盖玻片105的上表面平行，使反射棱镜104的斜面同波导芯片101的输出端相对应；
步骤6：把波导垫块108粘接在波导芯片101下表面上。现在可以开始波导芯片101与PD阵列102的对准工作。耦合的对准是通过有源对准的方式，用两台皮安表监控PD阵列102的首尾两个通道的光电流，波导芯片101通过夹具固定在六维微调架上，通过调节微调架的旋扭，来实现耦合对准的操作，调节过程中我们实时监控产生的光电流大小，当两台皮安表的读数同时达到最大，此时表明波导芯片101与PD阵列102达到最大耦合效率。耦合对准完成，在波导垫块108与基板109之间点胶固化，即实现了波导芯片101与PD阵列102的耦合对准。
步骤4-6中的波导芯片101有4个输出通道，通道之间间距250um，使用到的透镜阵列也相应由4个透镜组成，透镜间距也为250um，波导芯片101每4个通道与一个反射棱镜104耦合。
在步骤3中：透镜贴片过程中可以改进成用图像处理软件辅助判断透镜阵列103的通光孔径中心与PD阵列102光敏面中心的是否对准。方式如下：用CCD(Charge-coupled Device,，电荷耦合元件)替代显微镜来实时采集贴片操作的图像，CCD连接到电脑上面数据采集卡上，在电脑上面用图像处理方式分析出透镜阵列的通光孔径中心位置，并分析PD阵列光敏面的像的中心位置，并计算两者之间的像素差，供操作者辅助判断。这样通过实时分析通光孔径中心与光敏面的中心位置差，可以实现透镜阵列103与PD阵列102的高精度对准，而且重复性好。
如图4波导芯片侧视图所示，波导芯片101的耦合端衬底被切除一部分，减小入射光的光程，保证波导芯片101可以的下降到设计的高度，有利与透镜阵列103的耦合。并且波导芯片101的输出端面镀有增透膜，根据菲涅尔反射定律，如果不镀增透膜，在芯片的端面将会有4.5％的入射光反射回去，而镀膜之后可以使99.9％以上的入射光透过波导的耦合面，整个器件的回损将控制在-30dB以下。
本发明专利提供的这种高效的透镜耦合方案，该方案利用光学无源与有源结合的对准方式，使波导芯片101与PD阵列102之间的光路中设置有反射棱镜104，波导芯片101输出光经过反射棱镜104反射，由PD阵列102接收，且波导芯片101与PD阵列102之间的光路中设置有汇聚作用的透镜阵列103。本发明技术方案可以实现阵列波导芯片101与透镜阵列103、PD阵列102之间的高精度对准。透镜阵列103与PD阵列102的无源对准方案的使用减少对准时间，提高对准效率及保证对准重复性，降低了对操作人员的操作要求，保证产品的一致性。
在此方案中，透镜阵列103与PD阵列102之间的对准采用手动贴片方式进行操作，并可以结合图像处理软件进行位置中心的图像分析，提高了对准精度及重复性。对准精度高，操作简单方便，提高了生产效率，适合批量生产使用；整个方案采用一个透镜阵列103，与NTT设计的利用双透镜阵列加反射棱镜的耦合结构方案相比，可以减少组件的构件数量，节约成本，降低工艺难度。
本发明提出的第一种耦合结构，棱镜切角后贴装在波导表面的玻璃片上，光从波导射出后沿空气发散传播，经棱镜反射，光路发生80～100°转折，到达透镜上表面的光斑束腰约为60um，最后光通过透镜聚焦会聚照射到光敏面上，实现光电转换。基于上述使用一个透镜阵列和一个反射棱镜来实现光到电耦合的思想，本发明提供了第二种光到电耦合的设计结构。第二实施方案的一种耦合设计结构如图3所示：基板109，热沉107，PD阵列102的粘接方式与位置同第一实施例方案，热沉107位于基板109之上，PD阵列102通过导电胶粘贴在热沉107之上，透光片110粘接在波导芯片101的输出端面，透镜阵列103凸面沿着光路方向，粘接在透光片110上，透镜粘接需要做到波导芯片101与透镜阵列103孔径中心一一对应，对准过程类似上述步骤3的贴片操作：波导芯片101竖直放置，在显微镜下面透过透镜看到方形波导的像，调节透镜阵列位置，当看到波导阵列位于透镜阵列孔径中心时点胶固化；反射棱镜104固定在反射棱镜支架111上，反射棱镜104的反射角度为40～50度，反射棱镜支架111粘接在PD阵列102的旁，使PD阵列102与反射棱镜104的斜面相对应。由波导芯片101射出的光线先经过透镜阵列103汇聚在反射棱镜104的斜面上，经过斜面反射以后，发生80～100度方向的偏转，汇聚到PD阵列102的光敏面上，波导芯片101与PD阵列102对准时同样采取有源对准方式，参照上述的步骤6。透光片110可以选择为玻璃片或者硅片，一般可优选石英玻璃片，其作用是防止波导芯片101输出光发散到外面传输。第二实施例中波导芯片101的输出端下部衬底设置有挖空区域，该挖空区域的长度2～4mm，厚度0.3～0.5mm。本实施方案中的波导芯片输出端下部衬底挖空区域设置的作用是减小透镜阵列中的透镜输出后的输出光程。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (7)

1.光波导芯片和PD阵列透镜耦合装置，包括波导芯片(101)、PD阵列(102)、热沉(107)、波导垫片(108)、基板(109)；热沉(107)位于基板(109)之上，PD阵列(102)位于热沉(107)上，波导垫片(108)上设置有波导芯片(101)，其特征在于：所述波导芯片(101)与PD阵列(102)之间的光路中设置有反射棱镜(104)，波导芯片(101)输出光经过反射棱镜(104)反射，由PD阵列(102)接收；且波导芯片(101)与PD阵列(102)之间的光路中设置有汇聚作用的透镜阵列(103)，波导芯片(101)上端粘接盖玻片(105)，所述波导芯片(101)、PD阵列(102)、反射棱镜(104)、透镜阵列(103)的排列组合采用以下方式之一：
第一组合方式：所述PD阵列(102)两侧设置有透镜支架(106)，透镜支架(106)上固定透镜阵列(103)，所述透镜阵列(103)通光面中心同PD阵列(102)光敏面中心对应对准；盖玻片(105)外侧粘贴反射棱镜(104)，反射棱镜(104)的斜面同波导芯片(101)的输出端相对应；
第二组合方式：所述波导芯片(101)的输出端面粘接有透光片(110)，透镜阵列(103)粘接在透光片(110)上，波导芯片(101)与透镜阵列(103)孔径中心一一对应，反射棱镜(104)固定在反射棱镜支架(111)上，反射棱镜支架(111)粘接在PD阵列(102)旁，PD阵列(102)与反射棱镜(104)的斜面相对应。
2.如权利要求1所述的光波导芯片和PD阵列透镜耦合装置，其特征在于：所述反射棱镜(104)反射角为40～50度，反射平面上面镀有增反膜。
3.如权利要求1所述的光波导芯片和PD阵列透镜耦合装置，其特征在于：所述波导芯片(101)的输出端下部衬底设置有挖空区域，该挖空区域的长度为2～4mm，厚度为0.3～0.5mm。
4.如权利要求2所述的光波导芯片和PD阵列透镜耦合装置，其特征在于：所述第一组合方式中透镜支架(106)高度H1等于PD阵列(102)高度H2与光束经过透镜阵列(103)汇聚后透镜阵列(103)下表面到汇聚点的距离L之和。
5.如权利要求1所述的光波导芯片和PD阵列透镜耦合装置，其特征在于：所述波导芯片(101)设置有4个输出通道，通道之间间距为250um；透镜阵列(103)相应由4个透镜组成，透镜间距为250um。
6.如权利要求1所述的光波导芯片和PD阵列透镜耦合装置，其特征在于：所述第一组合方式中的波导芯片(101)的输出端面镀有增透膜。
7.如权利要求1所述的光波导芯片和PD阵列透镜耦合装置，其特征在于：所述第二组合方式中的透光片(110)是玻璃片或者硅片。
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