CN104932066B - 一种硅波导耦合对准装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种硅波导耦合对准装置，包括微调架(5)、应力释放夹具(6，9)和硅光集成芯片受力传感器(4)，其中，硅光集成芯片(3)固定于硅光集成芯片受力传感器(4)上，耦合用光纤(2)的至少一部分固定于应力释放夹具(6，9)的一端，应力释放夹具(6，9)设置于微调架(5)上，通过微调架(5)的位置调整使得耦合用光纤(2)的端面与硅光集成芯片(3)的端面对准，所述应力释放夹具(6，9)内设置有缓冲机构以缓冲与所述耦合用光纤(2)端面垂直方向的碰撞力；本发明装置光纤端夹具具有应力释放作用，芯片端面受到的光纤接触力很容易通过夹具释放掉，从而保证芯片端面不会因为光纤的撞击力过大而造成破损。

Description

一种硅波导耦合对准装置
技术领域
本发明涉及一种实现光纤与硅波导耦合的对准装置，本发明属于通信领域。
背景技术
硅基(SOI)材料是一种新型的硅基集成电路和光电子集成材料，由于其集成度高、高频特性好、功耗低、与现有大规模集成电路工艺兼容，受到世界各大集成电路制造商的高度重视，也是目前高速光通信系统中最有竞争力的集成材料，各种硅基光子器件如高速电光调制器、光电探测器、以及集成芯片均已出现并逐步成熟。
SOI材料中的硅波导与二氧化硅的折射率差值大，大大增强了导波层对光的限制作用，可以把波导尺寸降到微米量级以下，这是SOI材料无与伦比的集成优势。然而，光纤纤芯的主要材料为二氧化硅，这种与SOI材料波导折射率不匹配的问题，将直接导致光纤与硅波导耦合对准的损耗较大。
为了解决耦合损耗大的问题，各种增加硅波导模场直径的模场转换结构应运而生，主要有正向楔形模场转换结构、反向楔形模场转换结构、棱镜耦合器和光栅耦合器等。其中，反向楔形模场转换结构由于其耦合效率高，对准容差大，便于集成等优势，在集成光器件领域得到应用。这种结构是通过减小硅波导的尺寸，使波导中心对模场的限制作用消弱，模场大量泄漏到与光纤纤芯折射率接近的芯片包层中，从而实现与光纤纤芯折射率匹配的。为防止模场通过芯片下包层再次进入到硅衬底层，造成很大的光功率损耗，通常会将用作模场转换结构的包层周围的硅刻蚀掉，图1和图2是两种悬浮波导1的结构示意图。这种悬浮结构的波导横截面直径只有几个微米，十分脆弱，不能承受较大的应力，而在与光纤耦合对准过程中，如图3所示，为实现较小的耦合损耗，光纤和波导的间距很小，稍有不慎就会造成光纤与波导的接触撞击力过大，造成悬浮波导的破损。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术存在的缺陷，提供一种硅波导耦合对准装置，实现光纤与悬浮硅波导的耦合对准，该装置可以避免悬浮波导的由于光纤的碰撞而破损。
本发明所采用的技术方案是：
一种硅波导耦合对准装置，包括微调架、应力释放夹具和硅光集成芯片受力传感器，其中，硅光集成芯片固定于硅光集成芯片受力传感器上，耦合用光纤的至少一部分固定于应力释放夹具的一端，应力释放夹具设置于微调架上，通过微调架的位置调整使得耦合用光纤的端面与硅光集成芯片的端面对准，所述应力释放夹具内设置有缓冲机构以缓冲与所述耦合用光纤端面垂直方向的碰撞力。
所述应力释放夹具内设置的缓冲机构是弹簧。
所述弹簧的弹性系数K为1～2g/mm。
所述硅光集成芯片受力传感器为轴向应力传感器，仅对与硅光集成芯片端面方向垂直的力敏感。
所述应力释放夹具为轴向应力释放夹具。
所述应力释放夹具为转向应力释放夹具。
所述轴向应力释放夹具包括固定座、定位螺栓、导向块、刻度、光纤定位滑块、光纤压块和所述弹簧；其中，所述固定座用于支撑所述轴向应力释放夹具并将其固定在所述微调架上，所述导向块固定在所述固定座上，所述导向块内设置有滑槽，所述滑槽内安装所述弹簧，所述光纤定位滑块包括平台及位于平台一侧的两个不同直径的圆柱体，光纤定位滑块较大的圆柱体直径大于弹簧外径，光纤定位滑块较小的圆柱体穿过弹簧中间通孔，其较大的圆柱体与弹簧一端接触，所述弹簧的另一端与所述定位螺栓接触定位，所述定位螺栓用来调节所述弹簧的初始位置；所述光纤定位滑块受力后可以沿着所述固定座的滑槽移动；所述光纤定位滑块内设置有V型槽，通过所述光纤压块将所述耦合用光纤被固定在所述光纤定位滑块的V型槽内。
所述光纤定位滑块与固定座的接触面采用特氟龙材料以减小两者接触面的摩擦力。
所述转向应力释放夹具包括基板、定位板、转动杆、器件固定槽、转轴和所述弹簧；所述基板用于所述转向应力释放夹具并将其固定在所述微调架上，所述转动杆上设置所述转轴，所述转动杆通过所述转轴固定在所述基板上，所述转动杆左端或右端的一侧与所述定位板的一端接触，所述转动杆左端的另一侧与所述定位板的另一端之间安装所述弹簧；所述转动杆一端设置所述器件固定槽以固定带有所述耦合用光纤的被耦合光器件。
所述转动杆在与所述弹簧相接触一侧设置有定位结构以定位所述弹簧的活动方向。
本发明的优点在于：
1)本发明装置光纤端夹具具有应力释放作用，芯片端面受到的光纤接触力很容易通过夹具释放掉，从而保证芯片端面不会因为光纤的撞击力过大而造成破损；
2)本发明装置可以有效避免由于光纤端的器件本身的摩擦力对光纤接触力的影响。
附图说明
图1是现有技术一种悬浮波导结构示意图；
图2是现有技术具有对准V型槽的悬浮波导结构示意图；
图3是现有技术光纤端面与波导耦合示意图；
图4是本发明的一种耦合平台结构示意图；
图5是本发明所述的轴向应力释放夹具结构示意图；
图6是本发明光纤固定部分示意图；
图7是本发明所述的另一种耦合平台结构示意图；
图8是本发明的转向应力释放夹具结构示意图；
其中：
1：悬浮波导；2：光纤；
3：硅光集成芯片；4：传感器；
5：微调架；6：轴向应力释放夹具；
6-1：固定座；6-2：定位螺栓；
6-3：导向块；6-4：刻度；
6-5：光纤定位滑块；6-6：光纤压块；
7：弹簧；8：被耦合的光器件；
9：转向应力释放夹具；9-1：基板；
9-2：定位板；9-3：转动杆；
9-4：器件固定槽；10：转轴；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的做出详细说明。
图4为本发明所述的一种控制耦合端面应力的耦合平台结构示意图，包括传感器4、微调架5、轴向应力释放夹具6。轴向应力释放夹具6一端被固定在微调架5上，另一端固定有耦合用光纤2，硅光集成芯片3被固定在传感器4上方。传感器4为轴向应力传感器，只对光纤2与硅光集成芯片端面接触的受力方向敏感，如传感器4上方所示箭头方向。
图5为轴向应力释放夹具6的结构示意图，包括固定座6-1、定位螺栓6-2、导向块6-3、刻度6-4、光纤定位滑块6-5、光纤压块6-6、弹簧7。固定座6-1用于支撑整个夹具并将其固定在微调架5上，导向块6-3被固定在固定座6-1上，内设置有滑槽，滑槽内安装有压缩弹簧7，弹簧7的左侧一端与定位螺栓6-2的接触，右侧一端与光纤定位滑块6-5接触。光纤定位滑块6-5包括平台及位于平台一侧的两个不同直径大小的圆柱体，如图6所示，较小的圆柱体用于穿过弹簧7中间通孔，防止弹簧脱落，较大的圆柱体直径大于弹簧外径，与弹簧7接触，并部分穿过导向块6-3，在光纤定位滑块6-5受力移动时起导向作用。光纤定位滑块6-5位于固定座6-1的上方，受力后可以沿着固定座6-1方向水平移动。为使光纤定位滑块6-5滑动方向为轴向方向，固定座6-1可以通过两侧侧壁加高限制光纤定位滑块6-5的滑动方向，或在光纤定位滑块6-5和固定座6-1之间采用相互配合的凸凹滑槽结构。光纤定位滑块6-5内设置有V型槽，光纤2被固定在光纤定位滑块6-5和光纤压块6-6之间的V型槽内，如图6所示。通过旋转调节定位螺栓6-2的位置，可以调节弹簧7的初始位置，并通过刻度6-4的刻度线记录弹簧初始位置和长度。
结合图4和图5，对所述的轴向应力释放夹具应用和原理做以下说明：
芯片耦合前，将光纤固定在光纤定位滑块6-5和光纤压块6-6之间，调节定位螺栓6-2的位置，使弹簧7移动到初始位置并记录弹簧初始位置和长度。耦合对准过程通过调节微调架5，使光纤和芯片波导耦合对准并达到指标最优化。
耦合过程中，光纤很容易发生端面与芯片波导碰撞的情况。此时传感器4虽然能够反馈给出芯片端面受力情况，但要求调试过程非常小心，如微调架运动过快，撞击速度过猛，在传感器4给出反馈的同时，芯片很可能已经破损。因此本发明在光纤夹具一端，设计有应力释放的弹簧结构，芯片端面受力迅速通过光纤2传递到光纤定位滑块6-5上，导向块6-3不动，光纤定位滑块6-5受力后沿着固定座6-1滑动并压缩弹簧7，从而使应力通过弹簧7的压缩迅速减小到芯片波导可以承受的力度范围内。此时芯片端面接收到的最大力度F为：
F＝f+Kx
f为光纤定位滑块6-5受力后沿着固定座6-1表面的滑动/静摩擦力，K为弹簧的弹性系数，x为弹簧的压缩长度。光纤定位滑块6-5与固定座6-1的接触面可以采用特氟龙等摩擦系数很小的材料降低滑动/静摩擦力f；通过选用弹性系数K很小的弹簧，如1～2g/mm，降低弹簧力度Kx。从而可以使端面受力F控制在很小的范围内，避免芯片波导的破损。
当被耦合的光纤为光器件的情况下，如将光器件固定在光纤定位滑块6-5上，会增加光纤定位滑块6-5的总体重量，使摩擦力f增加，针对这种情况，本发明可采用转轴和杠杆结构来避免摩擦力f的影响。
图7为本发明所述的另一种控制耦合端面应力的耦合平台结构示意图，包括传感器4，微调架5，转向应力释放夹具9。转向应力释放夹具9一端被固定在微调架5上，另一端固定有带光纤的被耦合光器件8，硅光集成芯片3被固定在传感器4上方。传感器4为轴向应力传感器，受力敏感方向如传感器4上方所示箭头方向。图8为转向应力释放夹具9的结构示意图，包括基板9-1、定位板9-2、转动杆9-3、器件固定槽9-4、转轴10、弹簧7。基板9-1用于支撑整个夹具并将其固定在微调架5上，转动杆9-3延伸定位板9-2的区域上设置有转轴10，转动杆9-3通过转轴10被固定在基板9-1上，转动杆9-3左端一侧与定位板9-2一端接触，转动杆9-3左端另一侧与定位板9-2另一端之间安装有弹簧7。为了保证弹簧7装配稳定，转动杆9-3装有弹簧一侧有定位圆柱结构，定位板9-2装有弹簧一侧有定位孔，弹簧7一端通过定位圆柱与转动杆9-3接触，另一端穿过定位板9-2上的定位孔与定位板9-2接触。转动杆9-3右端设置有器件固定槽9-4，用于固定被耦合光器件8。本实施例中转动杆9-3也可以采用转动杆9-3右端另一侧与定位板9-2另一端之间安装有弹簧7，其它部件组成做相应调整，可使转动杆9-3受力后后退，并围绕转轴10转动和压缩弹簧7。
结合图7和图8，对本发明转向应力释放夹具应用和原理做以下说明：
当光纤端面与芯片波导碰撞时，芯片端面受到的应力迅速通过光纤2以及被耦合光器件8传递到转动杆9-3右端，转动杆9-3受力后后退，并围绕转轴10转动和压缩弹簧7。采用转轴结构可以极大的减小摩擦力对芯片端面受力的影响，通过调整转轴10在转动杆9-3的位置，利用杠杆原理，可以极大的提高转动杆9-3对应力的敏感度，从而通过转动杆的后退使芯片受力迅速减小到芯片波导可以承受的力度范围内。本实施例应力释放夹具的移动部件减小摩擦力，采用转轴和杠杆结构，利用滚动摩擦降低摩擦力，利用杠杆结构提高夹具对应力的敏感度，使芯片受力迅速减小到芯片波导可以承受的力度范围内。
本发明采用弹簧是缓冲机构的一个实施例，本发明也可采用缓冲机构的其它实施例，缓冲机构不局限使用弹簧，也可以采用具有相同功能的高弹性高韧度其它材料，如高弹性橡胶类材料替代。
虽然本发明已经详细示例并描述了相关的特定实施例做参考，但对本领域的技术人员来说，在阅读和理解了该说明书和附图后，在不背离本发明的思想和范围上，可以在耦合对准装置的结构和制作细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种硅波导耦合对准装置，其特征在于：包括微调架(5)、应力释放夹具(6，9)和硅光集成芯片受力传感器(4)，其中，硅光集成芯片(3)固定于硅光集成芯片受力传感器(4)上，耦合用光纤(2)的至少一部分固定于应力释放夹具(6，9)的一端，应力释放夹具(6，9)设置于微调架(5)上，通过微调架(5)的位置调整使得耦合用光纤(2)的端面与硅光集成芯片(3)的端面对准，所述应力释放夹具(6，9)内设置有缓冲机构以缓冲与所述耦合用光纤(2)端面垂直方向的碰撞力。
2.根据权利要求1所述的一种硅波导耦合对准装置，其特征在于：所述应力释放夹具(6，9)内设置的缓冲机构是弹簧(7)。
3.根据权利要求2所述的一种硅波导耦合对准装置，其特征在于：所述弹簧(7)的弹性系数K为1～2g/mm。
4.根据权利要求1所述的一种硅波导耦合对准装置，其特征在于：所述硅光集成芯片受力传感器(4)为轴向应力传感器，仅对与硅光集成芯片(3)端面方向垂直的力敏感。
5.根据权利要求2或3所述的一种硅波导耦合对准装置，其特征在于：所述应力释放夹具(6)为轴向应力释放夹具。
6.根据权利要求2或3中任一项所述的一种硅波导耦合对准装置，其特征在于：所述应力释放夹具(9)为转向应力释放夹具。
7.根据权利要求5所述的一种硅波导耦合对准装置，其特征在于：所述轴向应力释放夹具包括固定座(6-1)、定位螺栓(6-2)、导向块(6-3)、刻度(6-4)、光纤定位滑块(6-5)、光纤压块(6-6)和所述弹簧(7)；其中，所述固定座(6-1)用于支撑所述轴向应力释放夹具并将其固定在所述微调架(5)上，所述导向块(6-3)固定在所述固定座(6-1)上，所述导向块(6-3)内设置有滑槽，所述滑槽内安装所述弹簧(7)，所述光纤定位滑块(6-5)包括平台及位于平台一侧的两个不同直径的圆柱体，光纤定位滑块(6-5)较大的圆柱体直径大于弹簧(7)外径，光纤定位滑块(6-5)较小的圆柱体穿过弹簧(7)中间通孔，其较大的圆柱体与弹簧(7)一端接触，所述弹簧(7)的另一端与所述定位螺栓(6-2)接触定位，所述定位螺栓(6-2)用来调节所述弹簧(7)的初始位置；所述光纤定位滑块(6-5)受力后沿着所述固定座(6-1)的滑槽移动；所述光纤定位滑块(6-5)内设置有V型槽，通过所述光纤压块(6-6)将所述耦合用光纤(2)被固定在所述光纤定位滑块(6-5)的V型槽内。
8.根据权利要求7所述的一种硅波导耦合对准装置，其特征在于：所述光纤定位滑块(6-5)与固定座(6-1)的接触面采用特氟龙材料以减小两者接触面的摩擦力。
9.根据权利要求6所述的一种硅波导耦合对准装置，其特征在于：所述转向应力释放夹具包括基板(9-1)、定位板(9-2)、转动杆(9-3)、器件固定槽(9-4)、转轴(10)和所述弹簧(7)；所述基板(9-1)用于所述转向应力释放夹具并将其固定在所述微调架(5)上，所述转动杆(9-3)上设置所述转轴(10)，所述转动杆(9-3)通过所述转轴(10)固定在所述基板(9-1)上，所述转动杆(9-3)左端或右端的一侧与所述定位板(9-2)的一端接触，所述转动杆(9-3)的另一侧与所述定位板(9-2)的另一端之间安装所述弹簧(7)；所述转动杆(9-3)一端设置所述器件固定槽(9-4)以固定带有所述耦合用光纤(2)的被耦合光器件(8)。
10.根据权利要求9所述的一种硅波导耦合对准装置，其特征在于：所述转动杆(9-3)在与所述弹簧(7)相接触一侧设置有定位结构以定位所述弹簧(7)的活动方向。
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