CN103605192A - 一种光学耦合装置及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学耦合装置及其制作方法，发明装置包括出光单元（1）、受光单元（2），所述受光单元（2）上设置有耦合单元（3），所述耦合单元（3）材料采用包含高分子聚合物的透明、液态透光材料，其形状为透镜曲面形状，所述耦合单元（3）、受光单元（2）同出光单元（1）的光路对准；制作方法包括如下步骤：在受光单元的受光表面涂上一层主要成分是高分子聚合物的液态透光材料；使液态透光材料在受光表面形成透镜的曲面形状；使透光材料达到固化条件而固化成型，形成耦合单元；将出光单元与受光单元的光路对准、固定；采用本发明装置可以减小因为出射光的光学元件模场与接收光的光学元件模场不匹配造成的直接耦合损耗。

Description

一种光学耦合装置及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种光学元件之间实现高效光耦合的光学耦合装置及其制作方法，本发明装置和方法可以应用于信息或传感领域的光学集成器件制造，本发明属于光学领域。

背景技术

光通信和光传感领域的发展越来越要求各种光器件提供高集成度，低成本的解决方案。然而，各种光学元件在实现不同功能时所能够采用的最合适的材料是不同的，这些基于不同材料制作的元件，其制作工艺也不同，因此无法直接集成在一种衬底上。而且光束在这些元件中传播时的模场也有很大差异，导致这些光学元件在直接互连时存在很大的损耗。混合集成技术正是为了解决光学元件互连问题，从而实现高度的集成化的封装技术，在近年来得到了迅速的发展。混合集成技术中的两种互连方案已被人们普遍采用，一是在光学元件之间加入透镜或多透镜组合，将光束会聚到接收光元件中。另一种是在接收光元件中加入模场转换结构，就可以在光学元件直接耦合时降低原来因为模场不匹配引起的较大的损耗。然而，这两种方案也各有缺点。第一种方案虽然耦合效率高，但是光路复杂，要求操作人员具有熟练的技巧来调节透镜位置。第二种方案则存在设计和加工难度大，成品率不高的缺点，因为要对光学元件内部光路做改动。

发明内容

本发明的目的就是克服现有技术存在的技术缺陷，提供一种光学耦合装置及其制作方法，可以在不同光学元件之间实现高效的光耦合，应用在混合集成的光器件或模块中，而且具有制作简单，成本低廉的优点。

本发明光学耦合装置实现方法的工作原理是，采用的耦合单元由高分子聚合物如丙烯酸酯，环氧树脂等以及其它助剂组成，在固化成形前，保持液体形态。将这种材料附着在光学元件表面，如图1所示，利用液体附着在光学元件上的表面张力与其它外力或自身重力形成的力平衡，保持所需要的曲面形状。然后再通过适当的方法，如紫外光照射，加热等，使得这种材料固化成形。这样就在接收光的光学元件表面形成了一个类似于透镜的装置，起到会聚光束的作用。

本发明所采用的技术方案是：

一种光学耦合装置，包括出光单元、受光单元，所述受光单元（2）上设置有耦合单元，所述耦合单元材料采用包含高分子聚合物的透明、液态透光材料，其形状为透镜曲面形状，所述耦合单元、受光单元同出光单元的光路对准。

所述透光材料的折射率大于空气折射率。

所述高分子聚合物为丙烯酸酯或者环氧树脂。

所述出光单元为光元件阵列，受光单元为包括有阵列波导的平面光波导器件，受光单元上粘接有玻片，所述耦合单元设置于受光单元和玻片的侧面。

一种光学耦合装置的制作方法，包括如下步骤：步骤1：在受光单元的受光表面涂上一层包括有高分子聚合物的液态透光材料；步骤2：使液态透光材料在受光表面形成透镜的曲面形状；步骤3：使透光材料达到固化条件而固化成型，形成耦合单元；步骤4：将出光单元与受光单元的光路对准、固定。

所述步骤2方法采用将涂有液态透光材料的受光表面倒置，使透光材料的重力与液态透光材料本身的表面张力达到平衡。

所述步骤2方法采用受光单元安装于旋转的基座上，使透光材料在基座旋转中的离心力与透光材料本身的表面张力达到平衡。

所述步骤4中的固化方法为紫外光照射或者加热。

本发明的有益效果是：

通过本发明这种简单的制作方法而成的光学耦合装置，在接收光的光学元件表面形成一层能够会聚光束的类似透镜的透光材料，可以减小因为出射光的光学元件模场与接收光的光学元件模场不匹配造成的直接耦合损耗。

附图说明

图1是本发明实施例一的结构图；

图2是本发明所采用的耦合单元结构示意图；

图3是本发明的技术原理图；

图4是本发明的实施例二的结构图；

图5是本发明的实施例三的结构图；

其中：

1：出光单元；      2：受光单元；

3：耦合单元；      2a：光敏区域；

2b：导光层；       2c：波导阵列；

5：底板；          6：玻片；

4a：出射的高斯光束；

4b：转换后的高斯光束；

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做出详细说明。

本发明一种光学耦合装置，包括出光单元1、受光单元2，所述受光单元2上设置有耦合单元3，所述耦合单元3采用固化形成透镜曲面形状的透光材料，该透光材料的主要成分为高分子聚合物，所述出光单元1与带有耦合单元3的受光单元2的光路对准。

本发明的实施例一的结构如图1所示，出光单元1发出的光经过耦合单元3会聚到受光单元2的光敏区域2a。其中，耦合单元的作用类似于透镜，可以将从出光单元1发出的发散光束会聚，使得到达光敏区域2a的光功率比没有耦合单元时大大增加。这种耦合单元是一种主要成份为高分子聚合物,常温下为液态的透光材料，通常由高分子聚合物如丙烯酸酯，环氧树脂等以及其它助剂组成，其制作方法如图2所示，将受光单元的受光面上附着一层具有特定折射率和粘滞性的液态透光材料，该液态透光材料是透明的，且折射率比空气大。然后将其倒置，利用材料的表面张力与自身重力形成的力平衡，可以形成类似于透镜表面的曲面的形状，然后施加紫外光或高温让材料固化。于是我们就在接收光元件的受光面上得到了一层类似透镜的能够会聚。这些固化的方法包括，紫外光照射，加热等。以光器件行业常用的丙烯酸酯耦合粘接剂为例，其初始状态是透明，比水略稠的，折射率接近二氧化硅的液体，在紫外光的照射下，这种胶粘剂内部将发生交联聚合反应，形成网状的高分子结构，其形态也从液体转化成固体。

图3说明了这种结构在光耦合光路中的原理。通常从出光元件发出的光是发散型的高斯光束，如果直接入射到受光单元2中，相对于受光面的光传播模场往往光斑已发散得非常大了，因此导致能量损耗非常大。而在受光单元上加入采用本发明提供的方法制作的耦合单元3，就可以将出射的高斯光束4a转换成更接近受光单元传播模场大小的高斯光束4b，从而减小耦合损耗。这一光束变换过程可以等效为一个薄透镜光学系统。用公式表述如下：

$\frac{1}{w_{02}^2}=\frac{1}{w_{01}^2}{(1-\frac{d_1}{f^{\′}})}^2+\frac{1}{f^{\′2}}{\left(\frac{\mathrm{\π}{w}_{01}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2$

其中w₀₁和w₀₂分别是出射的高斯光束4a和转换后的高斯光束4b的束腰半径，d₁是出射光束束腰位置距等效薄透镜的距离，f′是该等效透镜的焦距，λ是波长。通过选取适当的参数，就可以得到合适的高斯光束束腰位置和大小，从而减小耦合到接收光元件中的损耗。

在本发明中，f′是等效透镜的焦距，由耦合单元的形状及折射率决定，进一步的，这种耦合单元的形状由透光材料在力平衡条件下的表面张力和本身重力或附加外力决定。选取适当的参数，就可以得到所需要的透镜焦距。d₁这可以调节出光元件与耦合单元的相对距离获得。

耦合单元的形状由透光材料在力平衡条件下的表面张力和本身重力或附加外力下形成的具体过程如下：可以将附着了透光材料的受光单元倒置，使受光面朝下，则透光材料受其重力的作用，以及液体表面的表面张力的合力作用，形成曲面。除了利用重力外，还可以将附着了透光材料的受光单元安装在一个旋转轴的基座上，并以一定速度使其旋转。利用这种旋转中的离心力，与表面张力的力平衡状态，也可以使透光材料形成曲面的形状。

本发明这种结构可以应用于光的接收端器件中。以光通信中常用的ROSA部件为例，通常我们将光纤传输的光信号经过一个透镜聚集后送入探测器中获得电流信号。而本例中，透镜部分可以直接制作在探测器的光敏面上面，简化了操作步骤，降低了成本。

图4是本发明的第二实施例，出光单元1发出的光经过附着在受光单元2上的耦合单元3的会聚进入到受光单元的导光层2b。本结构可以应用在光的发射端器件中。以光通信中常用的TOSA部件为例，出光单元1是激光器，发出的高斯光束散射角很大，一般在中间用一个透镜将发散的光束会聚到波导中。本实施例中的耦合单元3可以提供类似于透镜的聚光作用，将激光器发出的光会聚到波导中。

图5是本发明的第三实施例。其中出光单元1是一个光元件阵列，粘贴在底板5上，该阵列的每个光元件都发射出光。而受光单元2是含有多个接收光部分的光器件，例如平面光波导器件，其中波导阵列2c是包含在受光单元中的导光部分阵列，它们与出光单元中的发射光元件一一对应，可以接收来自这些光元件发出的光。为了使这些导光部分阵列或光敏面阵列在将要形成的耦合单元的中心汇聚位置，可以在受光单元2的靠近导光部分阵列的表面上粘接一块玻片6。在受光单元的包含导光部分阵列侧面涂上一层液态透光材料，此时玻片6与受光单元2的侧面共同附着耦合单元3，受光单元2的侧面就是受光面。采用图2展示的方法，使之固化成形，成为类似于柱透镜的耦合单元3。当出光单元发出的光到达耦合单元后，其类似于柱透镜的结构可以在纵向将发散的光束会聚，适当选择透光材料的折射率，并控制好形状，就可以提高纵向的光束耦合效率。与此同时，如果能够在光波导的受光端制作横向的模场转换结构，与表面附着的耦合单元配合使用，就可以大大提高总的耦合效率，而且又避免了在波导中设计复杂的三维模场转换结构或者使用独立的透镜阵列。本实施例的典型应用领域是多路发光单元，以光通信中的10×10Gbps或4×25GbpsTOSA为例，出光单元1是多个激光器或激光器与半导体调制器集成的阵列，受光单元2是将各路光信号复用的AWG平面光波导芯片。光源发出经过调制的光信号经耦合单元3在纵向会聚进入AWG的波导阵列2c，而且这些阵列波导靠近受光面的一端可以制作成横向的模场渐变结构，从而在横向上也减小光损耗。

综上所述，本发明这种光学耦合装置的制作方法，包括如下步骤：步骤1：在受光单元2的受光表面涂上一层包括有高分子聚合物的液态透光材料；步骤2：使液态透光材料在受光表面形成透镜的曲面形状；步骤3：使透光材料达到固化条件而固化成型，形成耦合单元3；步骤4：将出光单元1与受光单元2的光路对准、固定。

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 (8)

1.一种光学耦合装置，包括出光单元（1）、受光单元（2），其特征在于：所述受光单元（2）上设置有耦合单元（3），所述耦合单元（3）材料采用包含高分子聚合物的透明、液态透光材料，其形状为透镜曲面形状，所述耦合单元（3）、受光单元（2）同出光单元（1）的光路对准。

2.如权利要求1所述的一种光学耦合装置，其特征在于：所述透光材料的折射率大于空气折射率。

3.如权利要求1或2所述的一种光学耦合装置，其特征在于：所述高分子聚合物为丙烯酸酯或者环氧树脂。

4.如权利要求1或2或3所述的一种光学耦合装置，其特征在于：所述出光单元（1）为光元件阵列，受光单元（2）为包括有波导阵列（2c）的平面光波导器件，受光单元（2）上粘接有玻片（6），所述耦合单元（3）设置于受光单元（2）和玻片（6）的侧面。

5.如权利要求1所述一种光学耦合装置的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：在受光单元（2）的受光表面涂上一层包括高分子聚合物的液态透光材料；

步骤2：使液态透光材料在受光表面形成透镜的曲面形状；

步骤3：使透光材料达到固化条件而固化成型，形成耦合单元（3）；

步骤4：将出光单元（1）与受光单元（2）的光路对准、固定。

6.如权利要求5所述的一种光学耦合装置制作方法，其特征在于：所述步骤2方法采用将涂有液态透光材料的受光表面倒置，使透光材料的重力与液态透光材料本身的表面张力达到平衡。

7.如权利要求5所述的一种光学耦合装置制作方法，其特征在于：所述步骤2方法采用受光单元安装于旋转的基座上，使透光材料在基座旋转中的离心力与透光材料本身的表面张力达到平衡。

8.如权利要求5所述的一种光学耦合装置制作方法，其特征在于：其特征在于：所述步骤4中的固化方法为紫外光照射或者加热。

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