CN105739015B - 一种光纤与硅光芯片的耦合方法及其芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种光纤与硅光芯片的耦合方法及其硅光芯片，方法包括以下步骤：将硅光芯片(1)粘贴固定在基板(2)上，所述硅光芯片(1)的端面耦合波导为悬臂梁结构，具有模斑变换器(1‑1)；通过图像系统、微调架将光纤(4)端面与耦合波导的模斑变换器(1‑1)耦合对准，固定块(5)从侧面紧挨光纤(4)并固定在基板(2)上；硅光芯片(1)的输入端和输出端分别粘贴垫块(3)并支撑光纤(4)未剥除涂覆层的部分；使用微调架将光纤(4)端面与模斑变换器(1‑1)区域精确对准，调节至合适耦合间距后采用紫外胶(6)将光纤(4)分别与固定块(5)和垫块(3)粘接固定；本发明方案简易可靠、工艺复杂度低、通用性好、适用于批量制作。

Description

一种光纤与硅光芯片的耦合方法及其芯片

技术领域

本发明涉及一种光纤与硅光芯片的耦合方法及其硅光芯片，本发明属于通信领域。

背景技术

随着光通信、互联网等飞速发展，数据传输与处理速度向更高速率发展，硅光子技术成为高速光通信器件及系统的解决方案之一。由于硅光子器件与现有CMOS标准工艺兼容，可与微电子集成电路集成，实现高性能、低成本、小尺寸和高集成度的片上光互联。因此，基于SOI的硅基光电子器件成为研究热点。

硅基光电芯片封装技术的关键部分是实现芯片片内的光信号与外部光信号(多数为光纤)的耦合连接。单模光纤的芯径约8～10微米，硅光芯片波导横截面尺寸小于1微米，两者尺寸相差较大，造成严重的模场失配，导致耦合损耗很大。因此，需要在芯片的输入/输出端设计特殊的模斑变换器，实现模场匹配，提高耦合效率。

模斑变换器有端面耦合和垂直光栅耦合两种方式。由于光栅耦合器耦合效率较低、不利于封装等缺点，多被用于硅光芯片的设计测试。端面耦合具有封装工艺简单、耦合效率高等特点得到了广泛的应用。

端面耦合是通过模斑变换器，实现芯片输入/输出端口的波导横截面与光纤的横截面直接对准，使单模光纤的模场与硅波导的模场相匹配，达到最优的耦合效率。悬臂梁楔形模斑变换器设计机构，由于产品尺寸小，光学指标优良，作为一种成熟的设计被广泛采用。

常规平面波导类芯片的耦合方法是通过光纤阵列(FA，Fiber Array)与芯片端面波导对准耦合。芯片与光纤阵列的耦合端面只使用一种胶，同时实现折射率匹配和强度粘接。但采用悬臂梁结构设计的硅光芯片，端面波导四周悬空，仅靠悬臂与芯片主体连接，该结构对应力敏感，应力较大时会损坏悬臂结构，导致芯片报废。常规耦合方式选用的硬胶，环境变化会产生较大应力，无法用于悬臂梁波导芯片耦合。此外，芯片端面底部有凸起(突出部分大于耦合间距)，无法使用常规光纤阵列，要定制特殊规格光纤阵列用于耦合对准，该类光纤阵列制作工艺复杂，加工难度高，成本较高，且与芯片的耦合工艺复杂。

发明内容

本发明所解决的问题是，克服现有技术存在的困难，提供一种光纤与硅光芯片的耦合方法及其硅光芯片，即提供一种简易可靠、工艺复杂度低、通用性好、适用于批量制作的耦合对准结构及方法。

本发明的技术方案是：

一种光纤与硅光芯片的耦合方法，包括以下步骤：步骤1：将硅光芯片粘贴固定在基板上，所述硅光芯片的端面耦合波导为悬臂梁结构，具有模斑变换器；步骤2：剥除光纤部分涂覆层，使用光纤切割刀切割得到整齐的光纤端面，通过图像系统、微调架将光纤端面与耦合波导的模斑变换器耦合对准，固定块从侧面紧挨光纤并固定在基板上；硅光芯片的输入端和输出端分别粘贴垫块并支撑光纤未剥除涂覆层的部分；步骤3：使用微调架将光纤端面与模斑变换器区域精确对准，调节至合适耦合间距后采用紫外胶将光纤分别与固定块和垫块粘接固定；步骤4：在硅光芯片的耦合端面及悬臂梁波导区域点上匹配液以实现折射率匹配。

所述光纤端面附近剥除涂覆层部分为0.5-4毫米，优选为2毫米左右。

所述步骤1中所述垫块高度比硅光芯片(1)低0.1-0.4毫米，优选为0.2毫米。

所述光纤为单模光纤，其端面切割整齐或进行抛光处理。

所述步骤2中所述固定块高度比硅光芯片高0.2-0.5毫米。

所述步骤2中采用图像系统调节固定块从侧面紧靠光纤，且距离芯片端面间距为0.05-0.1毫米。

所述步骤3中光纤固定在固定块上，胶层厚度控制为10-20微米。

所述步骤4中匹配液采用折射率合适的软胶。

一种光纤与硅光芯片的耦合方法制作的硅光芯片，包括硅光芯片、基板、垫块、光纤、固定块，光纤与硅光芯片耦合端面波导对准，靠近硅光芯片的输入/输出端均设置有垫块，固定块侧面紧挨光纤设置，光纤采用紫外胶固定在固定块和垫块上，硅光芯片的耦合端面处和模斑变换器区域设置有匹配液实现光路折射率匹配。

所述硅光芯片耦合端面波导采用悬臂梁结构，耦合端面波导由硅波导和四周包裹的二氧化硅组成，每个耦合通道的耦合端面波导四周镂空，通过波导支撑臂与芯片整体连接。

本发明的优点在于：

1)本发明采用光纤直接与硅波导耦合对准，固定块与光纤之间的胶层厚度可控、一致好；

2)本发明光纤固定块结构简单，加工容易，主要考虑高度尺寸即可，通用性强，物料成本低；

3)本发明采用的耦合方法不受限芯片的通道间距，结构灵活；

4)本发明采用的光纤固定方式，结构简单、紧凑，便于产品小型化封装。

附图说明

图1是本发明第一实施例耦合对准结构俯视图；

图2是本发明第一实施例耦合对准结构侧视图；

图3是本发明第二实施例耦合对准结构图；

图4是本发明中悬臂梁结构波导示意图；

图5是本发明中悬臂梁结构波导正视图；

图6是本发明中悬臂梁结构波导俯视图；

图7是本发明芯片粘贴示意图；

其中：

1：硅光芯片； 1-1：模斑变换器；

1-1-1：硅波导； 1-1-2:二氧化硅

1-1-3：波导支撑臂 2：基板；

3：垫块； 4：光纤；

5：固定块； 6：紫外胶；

7：匹配液；

具体实施方式

为了更好理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种光纤与硅光芯片的耦合方法，如图1-3所示，耦合后的装置由硅光芯片1、基板2、垫块3、光纤4、固定块5、紫外胶6和匹配液7组成。所述硅光芯片1是基于SOI工艺制作的硅光子芯片或光电集成芯片，光纤4与硅光芯片1耦合端面波导对准，耦合端面波导是基于悬臂梁结构设计的波导结构。硅光芯片1、垫块3、固定块5都粘接在基板2上，基板2作为光路对准承载平台、起到结构固定和芯片散热的作用。靠近硅光芯片1的输入/输出端均设置有垫块3，固定块5侧面紧挨光纤4设置，光纤4为普通单模光纤，根据产品需要也可选择单模微弯光纤或多模光纤。剥除光纤涂覆层切割得到整齐的光纤端面，再与芯片耦合端面波导对准，使用硬度适中的紫外胶6将光纤分别固定在固定块5和垫块3上，最后在硅光芯片1的耦合端面处和模斑变换器1-1区域加入匹配液7，实现光路折射率匹配。

图4是本发明中悬臂梁结构波导示意图，作为硅光芯片1的耦合端面结构。图5是本发明中悬臂梁结构波导正视图，硅光芯片1包含一个或多个耦合通道，每个耦合通道的耦合波导1-1由硅波导1-1-1和四周包裹的二氧化硅1-1-2组成，耦合波导四周镂空，波导通过多个支撑臂1-1-3与芯片主体连接，形成悬臂梁支撑结构。图6是本发明中悬臂梁结构波导俯视图。

图1是本发明第一实施例耦合对准结构俯视图，图2是本发明第一实施例耦合对准结构侧视图，所示的实施案例中，包括以下步骤：

1)将硅光芯片1粘贴在基板2上，如图7所示，粘接胶选用导热型胶水，要求涂胶均匀，无空胶；

2)用切割刀将光纤4端面切割整齐，剥除涂覆层的光纤长度为2毫米左右(0.5-4mm)，将光纤端面与硅光芯片1耦合端面波导调试对准，将固定块5从侧面紧挨光纤4，并控制固定块5到硅光芯片1端面间距，将固定块5点胶粘贴到基板2上

3)在距离耦合端面合适位置粘贴垫块3，对光纤4起到支撑、固定作用，方便封装盘纤；

4)采用微调架将光纤4与硅光芯片1耦合波导精确对准，控制光纤4与硅光芯片1耦合端面间距，调节至IL指标达到最优后，点紫外胶6将光纤4固定在固定块5上；再次点紫外胶6，将光纤4固定在垫块3上；

5)在耦合端面及悬臂梁波导区域点上匹配液7，实现折射率匹配。

图3是本发明第二实施例耦合对准结构图；所述案例为单端多个通道耦合对准，所述实施案例包括以下步骤：

1)将硅光芯片1粘贴在基板2上，如图7所示，粘接胶选用导热型胶水，要求涂胶均匀，无空胶；

2)用切割刀将光纤4端面切割整齐，剥除涂覆层的光纤长度为2毫米左右，将光纤端面与芯片耦合端面波导对准，将固定块5从侧面紧挨光纤，并控制固定块5到硅光芯片1端面间距，将固定块5点胶粘贴到基板2上；依此操作完成每个耦合通道的固定块5的粘贴固定；

3)在距离每个耦合通道合适位置粘贴垫块3，用于光纤4固定，方便封装盘纤；

4)采用微调架将光纤4与硅光芯片1耦合波导精确对准，控制光纤4与硅光芯片1耦合端面间距，调节至IL指标达到最优后，点紫外胶6将光纤4固定在固定块5上，依此操作完成所有耦合通道的光纤4对准及固定；再点紫外胶6将每个耦合通道的光纤4固定在垫块3上；

5)在每个耦合通道的耦合端面及悬臂梁波导区域点上匹配液7，实现折射率匹配。

所述光纤4与硅光波导的耦合方法的特点在于：

本发明中采用图像系统调节固定块5侧面紧靠光纤4，且距离硅光芯片1端面间距为0.05-0.1毫米。

采用固定块5作为耦合光纤4的固定结构，该方法可以有效控制光纤4与固定块5间的胶层厚度，厚度为10-20微米，一致性好，对耦合结构的可靠性提供了保证。常规耦合方法之一是在光纤4下方放置固定块5，该方法在光纤4与固定块5之间的胶层厚度控制方面有较大难度。主要原因是制作硅光芯片1的CMOS工艺厚度偏差为±30微米，为了保证胶层厚度需要定制加工特定高度的固定块5，工艺要求高且较难控制。

本发明所述固定块5结构简单，光纤4被固定在固定块5侧面，固定块5高度比硅光芯片1高0.2-0.5毫米即可。考虑基于SOI工艺的硅光芯片工艺厚度偏差一般为30微米，因此本发明中所述固定块5有很大容差范围，可适用于多种硅光芯片，通用性好，物料成本低。

所述光纤4与硅光芯片1的耦合方法在单端多通道耦合应用中不受限于耦合通道之间的间距。常规耦合方法需要根据耦合通道间距制备间距不同的光纤固定结构，工艺复杂，加工成本高。

本方法光纤固定结构紧凑，采用固定块5和垫块3固定光纤，整个长度可控制在3-4毫米，有利于产品小型化封装。

虽然本发明已详细地示出并描述了相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和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)

1.一种光纤与硅光芯片的耦合方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：将硅光芯片(1)粘贴固定在基板(2)上，所述硅光芯片(1)的端面耦合波导为悬臂梁结构，具有模斑变换器(1-1)；

步骤2：剥除光纤(4)部分涂覆层，使用光纤切割刀切割得到整齐的光纤(4)端面，通过图像系统、微调架将光纤(4)端面与耦合波导的模斑变换器(1-1)耦合对准，固定块(5)从侧面紧挨光纤(4)并固定在基板(2)上；硅光芯片(1)的输入端和输出端分别粘贴垫块(3)并支撑光纤(4)未剥除涂覆层的部分；

步骤3：使用微调架将光纤(4)端面与模斑变换器(1-1)区域精确对准，调节至合适耦合间距后采用紫外胶(6)将光纤(4)分别与固定块(5)和垫块(3)粘接固定；

步骤4：在硅光芯片(1)的耦合端面及悬臂梁波导区域点上匹配液(7)以实现折射率匹配。

2.根据权利要求1所述的一种光纤与硅光芯片的耦合方法，其特征在于：所述光纤(4)端面附近剥除涂覆层部分为0.5-4毫米。

3.根据权利要求1所述的一种光纤与硅光芯片的耦合方法，其特征在于：所述步骤1中所述垫块(3)高度比硅光芯片(1)低0.1-0.4毫米。

4.根据权利要求1所述的一种光纤与硅光芯片的耦合方法，其特征在于：所述光纤(4)为单模光纤，其端面切割整齐或进行抛光处理。

5.根据权利要求1所述的一种光纤与硅光芯片的耦合方法，其特征在于：所述步骤2中所述固定块(5)高度比硅光芯片(1)高0.2-0.5毫米。

6.根据权利要求1所述的一种光纤与硅光芯片的耦合方法，其特征在于：所述步骤2中采用图像系统调节固定块(5)从侧面紧靠光纤(4)，且距离芯片端面间距为0.05-0.1毫米。

7.根据权利要求1所述的一种光纤与硅光芯片的耦合方法，其特征在于：所述步骤3中光纤(4)固定在固定块(5)上，胶层厚度控制为10-20微米。

8.根据权利要求1所述的一种光纤与硅光芯片的耦合方法，其特征在于：所述步骤4中匹配液(7)采用折射率合适的软胶。

9.一种应用根据权利要求1所述一种光纤与硅光芯片的耦合方法制作的芯片，其特征在于：包括硅光芯片(1)、基板(2)、垫块(3)、光纤(4)、固定块(5)，光纤(4)与硅光芯片(1)端面耦合波导对准，靠近硅光芯片(1)的输入/输出端均设置有垫块(3)，固定块(5)侧面紧挨光纤(4)设置，光纤采用紫外胶(6)固定在固定块(5)和垫块(3)上，硅光芯片(1)的耦合端面处和模斑变换器(1-1)区域设置有匹配液(7)实现光路折射率匹配。

10.根据权利要求9所述的一种芯片，其特征在于：所述硅光芯片(1)端面耦合波导采用悬臂梁结构，端面耦合波导由硅波导(1-1-1)和四周包裹的二氧化硅(1-1-2)组成，每个耦合通道的端面耦合波导四周镂空，通过波导支撑臂(1-1-3)与芯片整体连接。