CN107924034B - 一种光耦合装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例公开了一种光耦合装置，包括：第一光芯片、第二光芯片和光写波导块；所述第一光芯片通过第一耦合方式和所述光写波导块进行耦合，所述第二光芯片通过第二耦合方式和所述光写波导块进行耦合；所述第一光芯片和所述第二光芯片通过所述光写波导块进行光互联。通过以上的技术方案，实现了多种耦合方式的兼容。

Description

一种光耦合装置和方法
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种光耦合装置和方法。
背景技术
随着通信技术的发展，对通信系统的功能和性能的要求越来越高。光芯片实现了光电、电光信号的转换，而光纤实现了低损耗长距离的传输，光信号在不同的光芯片之间或者在光芯片和光纤之间传输，都需要使用复杂的光耦合结构。因此，光芯片是光通信发展的关键技术，而光芯片的光耦合技术时制约光芯片技术发展的瓶颈之一。
光芯片耦合的基本需求包括：(1)兼容“芯片-光纤”耦合和“芯片-芯片”耦合；(2)兼容EC(Edge coupler，边缘耦合器)、GC(Grating Coupler，光栅耦合器)、AC(AdiabaticCoupler，绝热耦合器)等耦合方式；(3)高密：单光纤连接器的容量不小于84路，密度不小于5.25channel/mm2；(4)单模或多模信号传输；(5)能够实现自动、高效、高精度光封装，减小光信号插损。
现有技术中，例如，Chiral公司采用的“PROFA(Pitch Reducing Optical FiberArray，间距缩小光纤阵列)”方案、PETRA(Photonics Electronics Technology ResearchAssociation，光电子技术研究协会)提出的“光PIN”方案、IBM公司采用的“聚合物光波导板”方案和KIT(Karlsruhe Institute of Technology，卡尔斯鲁厄理工学院)提出的“PWB(Photonics Wire Bonding，光引线键合)”方案等，都无法完全满足上述光芯片耦合的基本需求，尤其是不能满足多种耦合方式的兼容。
发明内容
本发明的实施例提供一种光耦合装置和方法，以满足光芯片耦合中多种耦合方式的兼容。为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供一种光耦合装置，包括：第一光芯片、第二光芯片和光写波导块；所述第一光芯片通过第一耦合方式和所述光写波导块进行耦合，所述第二光芯片通过第二耦合方式和所述光写波导块进行耦合；所述第一光芯片和所述第二光芯片通过所述光写波导块进行光互联。
本发明实施例中，在一个光写波导块中，可以采用多种耦合方式和光芯片进行耦合，实现了光芯片-光芯片之间的耦合以及多种耦合方式的兼容。
结合第一方面，在第一种可能的实现方式中，所述第一耦合方式和所述第二耦合方式分别包括绝热耦合器AC、光栅耦合器GC、边缘耦合器EC中任意一种或多种。
本发明实施例中，在一个光芯片中，可以采用多种耦合方式和光写波导块进行耦合，实现了多种耦合方式的兼容。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述光耦合装置还包括电基板，所述第一光芯片和所述第二光芯片设置于所述电基板的表面；所述第一光芯片和所述电基板进行电互联，所述第二光芯片和所述电基板进行电互联。
结合第一方面、第一方面的第一种可能的实现方式或第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述光写波导块至少部分设置于所述电基板的内部。
结合第一方面、第一方面的第一种可能的实现方式至第三种可能的实现方式任一种，在第四种可能的实现方式中，所述光写波导块设置于所述第一光芯片和/或所述第二光芯片的上表面。
结合第一方面、第一方面的第一种可能的实现方式至第四种可能的实现方式任一种，在第五种可能的实现方式中，所述光写波导块至少部分设置于所述第一光芯片和所述第二光芯片之间。
第二方面，本发明实施例提供一种光耦合装置，包括：光芯片、光写波导块和光纤；所述光芯片通过第一耦合方式和所述光写波导块进行耦合，所述光纤通过第二耦合方式和所述光写波导块进行耦合；所述光芯片和所述光纤通过所述光写波导块进行光互联。
本发明实施例中，在一个光写波导块中，可以采用不同的耦合方式分别和光芯片、光纤进行耦合，实现了光芯片-光纤之间的耦合以及多种耦合方式的兼容。
结合第二方面，在第一种可能的实现方式中，所述第一耦合方式包括绝热耦合器AC、光栅耦合器GC、边缘耦合器EC中任意一种或多种。
本发明实施例中，在一个光芯片中，可以采用多种耦合方式和光写波导块进行耦合，实现了多种耦合方式的兼容。
结合第二方面或第二方面的第一种可能的实现方式，在第二种可能的实现方式中，所述第二耦合方式包括EC。
结合第二方面、第二方面的第一种可能的实现方式或第二种可能的实现方式，在第三种可能的实现方式中，所述光耦合装置还包括电基板，所述光芯片设置于所述电基板的表面，所述光芯片和所述电基板进行电互联。
结合第二方面、第二方面的第一种可能的实现方式至第三种可能的实现方式任一种，在第四种可能的实现方式中，所述光写波导块至少部分设置于所述光芯片的上表面。
第三方面，本发明实施例提供一种光耦合方法，包括：光信号从第一光芯片中出射，通过第一耦合方式和光写波导块进行耦合；所述光信号从所述光写波导块中出射，通过第二耦合方式和第二光芯片进行耦合。
结合第三方面，在第一种可能的实现方式中，所述第一耦合方式和所述第二耦合方式分别包括绝热耦合器AC、光栅耦合器GC、边缘耦合器EC中任意一种或多种。
第四方面，本发明实施例提供一种光耦合方法，包括：光信号从光芯片中出射，通过第一耦合方式和光写波导块进行耦合；所述光信号从所述光写波导块中出射，通过第二耦合方式和光纤进行耦合。或者，光信号从光纤中出射，通过第一耦合方式和光写波导块进行耦合；所述光信号从所述光写波导块中出射，通过第二耦合方式和光芯片进行耦合。
结合第四方面，在第一种可能的实现方式中，所述第一耦合方式包括绝热耦合器AC、光栅耦合器GC、边缘耦合器EC中任意一种或多种。
本发明实施例中，在一个光写波导块中，可以采用不同的耦合方式实现光芯片-光芯片之间的耦合以及光芯片-光纤之间的耦合，实现了多种耦合方式的兼容。采用多芯光纤，实现了高密的需求。采用光写波导技术，实现了单模或多模信号传输以及高效、高精度的封装。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为现有技术中的一种光写波导装置的结构示意图；
图2为现有技术的一种多芯光纤的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种光耦合装置的结构示意图；
图4a为图3所示的光耦合装置沿VI-VI线的部分剖视图；
图4b为本发明实施例提供一种光芯片-光芯片耦合结构示意图；
图5a为本发明实施例提供一种光芯片-光芯片耦合结构示意图；
图5b为本发明实施例提供一种光芯片-光芯片耦合结构示意图；
图6a为本发明实施例提供的另一种光芯片-光芯片耦合结构示意图；
图6b为本发明实施例提供的另一种光芯片-光芯片耦合结构示意图；
图7为图3所示的光耦合装置沿VI-VI线的部分剖视图；
图8为本发明实施例提供的一种光芯片-光纤耦合结构示意图；
图9为本发明实施例提供的一种光芯片和光写波导块GC耦合的结构示意图；
图10为本发明实施例提供一种光芯片和光写波导块AC耦合的结构示意图；
图11为本发明实施例提供的一种光芯片和光写波导块EC耦合的结构示意图；
图12为本发明实施例提供一种光纤和光写波导块EC耦合的结构示意图；
图13a、图13b、图13c、图13d为本发明实施例提供的一种光纤-光芯片耦合的封装过程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行描述。
本文中的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。本文中的“多种”表示两种或两种以上。
本发明实施例中涉及到光写波导技术、多芯光纤技术。下面对这两种技术作出简单的介绍。
图1是现有技术中光写波导装置的结构示意图。如图1所示，该光写波导装置包括激光器10和波导基底11。其中，激光器10可以为飞秒激光器，波导基底11的材质可以包括玻璃、晶体等。具体地，飞秒激光器聚焦在波导基底内一点处，提高该点处的折射率，连点成线形成光波导。例如，图1中的虚线为形成的光波导。形成光波导的波导基底称为光写波导块。光写波导块可以支持单模或多模光信号的传输。
图2是现有技术中多芯光纤的结构示意图。如图2所示，多芯光纤中的包层光纤直径可以定制或固定为125μm，芯数可以为4，7，19等，例如图2中为7。每个芯为独立的通道，可以支持单模或少模。多芯光纤相对于单芯光纤的优势是通道密度高。
图3是本发明实施例提供的一种光耦合装置的结构示意图。如图3所示，该光耦合装置包括电基板31、光芯片32、33、34，光写波导块35、36和光纤37。其中，电基板31用于向光芯片提供电源或电信号。光芯片32、33、34中具有一个或多个光耦合器，用于发送或接收光信号。光写波导块35、36中具有光波导，光波导的两端可以与光芯片或光纤相连，实现光芯片-光芯片之间或光芯片-光纤之间的光互联。光芯片32、33、34设置于电基板31的上表面，可以通过回流焊或引线键合等方式与电基板31形成电互联。可选地，光芯片33、34还可以做出一片光芯片。光纤37可以为多芯光纤，若光纤37包含12根光纤阵列，每根光纤阵列为7芯，则可实现84通道的光耦合。假设光写波导块的横截面积与标准的MT连接器大小相同，均为2.5mm×6.4mm，则光耦合密度可以达到5.25channel/mm2。
本发明实施例中，采用多芯光纤，实现了光耦合高密的需求。
图4a是图3所示的光耦合装置沿VI-VI线的部分剖视图。图4a为本发明实施例提供的一种光芯片-光芯片之间的耦合结构示意图。具体地，光芯片32和光写波导块36之间、光芯片33和光写波导块36之间的耦合方式包括AC、GC、EC中的任意一种或多种。例如，光芯片32和光写波导块36之间通过GC和/或AC进行耦合，光芯片33和光写波导块36之间通过GC和/或AC进行耦合。或者，光芯片32和光写波导块36之间通过AC和/或GC耦合，光芯片33和光写波导块36之间通过EC进行耦合。或者，光芯片32和光写波导块36之间、光芯片33和光写波导块36之间均通过EC进行耦合。光芯片和光写波导块之间的耦合实质上是光芯片中的光波导和光写波导块中光波导之间的耦合。以光芯片32和光写波导块36之间通过GC进行耦合，光芯片33和光写波导块36之间通过AC进行耦合为例进行说明。光信号从光芯片32上的GC出射，耦合进入光写波导块36的光波导中，在光写波导块36中沿着光波导传输，通过AC耦合进入光芯片33。
图4b是本发明实施例提供的一种光芯片-光芯片之间耦合结构示意图。如图4b所示，光写波导块36还可以部分设置于光芯片32、33之间，部分位于光芯片32的上方。具体地，光芯片32和光写波导块36之间通过AC和/或GC耦合，光芯片33和光写波导块36之间通过EC进行耦合。可选地，光写波导块36还可以全部设置于光芯片32、33之间。具体地，光芯片32和光写波导块36之间、光芯片33和光写波导块36之间均通过EC进行耦合。
图5a、5b分别为本发明实施例提供的一种光芯片-光芯片之间耦合结构示意图。如图5a和图5b所示，光写波导块36可以设置于光芯片32、33的下方，即电基板31内部。具体地，可以在电基板31上挖孔或挖槽后将光写波导块36嵌入其中。如图5a所示，光写波导块36可以完全设置于电基板31的内部；如图5b所示，光写波导块36也可以从基板的下表面凸出。具体地，光芯片32和光写波导块36之间通过GC和/或AC进行耦合，光芯片33和光写波导块36之间通过GC和/或AC进行耦合。
图6a、6b分别为本发明实施例提供的另一种光芯片-光芯片之间耦合结构示意图。如图6a和图6b所示，光芯片32和光芯片33可以通过3D电封装，光芯片32可以部分或全部位置光芯片33上方。如图6a所示，光写波导块36部分位置光芯片32的上方，部分位于光芯片33的上方。具体地，光芯片32和光写波导块36之间通过AC和/或GC耦合，光芯片33和光写波导块36之间通过AC和/或GC进行耦合。如图6b所示，光写波导块36位于光芯片33的上方。具体地，光芯片33和光写波导块36之间通过AC和/或GC耦合，光芯片32和光写波导块36之间通过EC进行耦合。
本发明实施例中，光芯片-光芯片之间通过光写波导块进行光耦合，在一个光写波导块中采用AC、GC、EC任意一种或多种耦合方式，兼容性强。
图7是图3所示的光耦合装置沿VI-VI线的部分剖视图。图7为本发明实施例提供的一种光芯片-光纤之间的耦合结构示意图。如图7所示，光芯片33和光写波导块35之间、光芯片34和光写波导块35之间的耦合方式包括EC、GC、AC等。光芯片33和光芯片34层叠关系形成3D电封装，对于光芯片33和光芯片34的重叠区域不作限制。光芯片33和光芯片34通过3D电封装，可以将两个芯片的光信号分别和光纤37进行耦合。可选地，光芯片33和光芯片34还可以相互之间进行耦合，例如如图6a和图6b所示。光纤37可以为多芯光纤。光纤37通过EC的耦合方式和光写波导块35进行耦合。光芯片33可以通过EC耦合和光写波导块35进行耦合，光芯片34可以通过EC、GC、AC任意一种或多种耦合方式和光写波导块35进行耦合。光纤和光写波导块之间的耦合实质上是光纤和光写波导块中光波导的耦合。光芯片和光写波导块之间的耦合实质上是光芯片中的光波导和光写波导块中的光波导之间的耦合。例如，光波导a、b、c的一端和光纤37进行EC耦合，光波导a的另一端和光芯片33进行EC耦合，光波导b的另一端和光芯片34进行GC耦合，光波导c的另一端和光芯片34进行AC耦合。具体地，光信号从光芯片33中的EC耦合出射，进入光波导a中，通过光波导a入射到光纤37中。光信号从光芯片34的GC耦合出射，进入光波导b中，通过光波导b入射到光纤37中。光信号从光芯片34的AC耦合出射，进入光波导c中，通过光波导c入射到光纤37中。
图8是光芯片-光纤之间的耦合结构的另一种实施方式。如图8所示，光写波导块35还可以有一部分位于光芯片33的上方。因此，光芯片33还可以通过AC、GC耦合方式和光写波导块35进行耦合。
本发明实施例中，光芯片-光纤之间通过光写波导块进行光耦合，在一个光写波导块中采用AC、GC、EC任意一种或多种耦合方式，兼容性强。
下面对GC、AC、EC等不同耦合方式的原理进行说明。其中，光芯片和光写波导块之间的耦合可以包括GC、AC、EC，光纤和光写波导块之间的耦合包括EC。
图9是本发明实施例提供的一种光芯片和光写波导块GC耦合的结构示意图。如图9所示，光芯片41和光写波导块42通过GC的方式进行耦合，光信号从光芯片41的光波导通过光栅43折射后，垂直于光芯片41的表面出射，入射到光写波导块42中的光波导中。在写入光波导的过程中，可以对光波导的参数进行灵活设计。具体地，可以将光波导设计成不同倾斜角度和/或弯曲弧度等，以匹配不同的波长和/或光栅。例如，一个光芯片中有多种光栅，可以针对不同的光栅将光波导和光栅耦合的部分设计成不同的倾斜角度和/或弯曲弧度。
图10是本发明实施例提供的一种光芯片和光写波导块AC耦合的结构示意图。如图10所示，光芯片51和光写波导块52通过AC的方式进行耦合，光信号从光芯片51的光波导通过倏逝波耦合的方式进入光写波导块52的光波导中。在写入光波导的过程中，可以对光波导的参数进行灵活设计。具体地，可以将光写波导块中的光波导设计成二维taper结构，光波导在垂直于光传播方向上具有楔形结构。且相对于光传播方向，沿横向、纵向方向的楔形收敛角度可以相同或不同。本发明实施例中，光波导设计成二维taper结构和楔形结构，可以减小光芯片耦合波导设计和加工的难度。
图11是本发明实施例提供的一种光芯片和光写波导块EC耦合的结构示意图。如图11所示，光芯片61和光写波导块62通过EC的耦合方式进行耦合，光信号从光芯片61的光波导直射入射到光写波导块62的光波导中。在写入光波导的过程中，可以对光波导的参数进行灵活设计。具体地，可以将光波导设计成具有不同的尺寸模斑的taper结构，以匹配光芯片EC模斑的大小。本发明实施例中，将光波导设计成不同尺寸模斑的taper结构，可以适应不同的应用场景，并且提高光耦合效率。
图12是本发明实施例提供的一种光纤和光写波导块EC耦合的结构示意图。如图12所示，光纤71和光写波导块72通过EC的耦合方式进行耦合。光纤、光写波导块EC耦合的原理和光芯片、光写波导块EC耦合的原理类似，此处不再赘述。
图9至图12中虚线为光波导。其中，光芯片中的光波导可以是在芯片制作的过程中通过沉积、刻蚀、掺杂等工艺形成的，光写波导块中的光波导可以采用如图1所示的方法形成的。
下面介绍光芯片-光芯片之间耦合以及光芯片-光纤之间耦合的封装过程。分别以图4a和图7为例进行说明：
图4a所示的光芯片32-光芯片33之间的耦合的封装过程如下：首先将光芯片32、33通过回流焊或引线键合等方式与电基板31形成电互联，然后在mark点对准后，通过贴片机安装、胶粘或焊接等方式将波导基底(即光写波导块36在形成光波导之前的结构)固定在光芯片32、33上。最后可以通过机器视觉在高精度平台的控制下写出光波导，即图4a中的虚线。
具体地，机器视觉的工作原理是：成像系统自动识别位置坐标，记录后协助光写波导块定位，精度为500nm。高精度平台的工作原理是：空气轴承，可精确控制波导基底移动，波导位置精度50nm，平台综合定位精度约550nm。
图13a至图13d是本发明实施例提供的一种光纤-光芯片耦合的封装过程示意图。图7所示的光纤37-光芯片34之间的耦合的封装过程如下：如图13a所示，在波导基底35上打孔，如图中虚线框所示，用于固定光纤。其中波导基底35可以采用玻璃或晶体制成，波导基底中形成光波导后称为光写波导块。如图13b所示，将光纤37封装到波导基底35的孔中。如图13c所示，在mark点对准后，通过胶粘、焊接等的方式将固定有光纤的波导基底35与光芯片34相耦合。如图13d所示，经过三维视觉定位，在波导基底35中刻写光波导，实现光纤37和光芯片34之间的光耦合。图13d中，光纤37和光芯片34通过光栅81相连接，通过GC耦合方式进行耦合。本实施例，还可以先在波导基底35中刻写光波导，然后实现光写波导块35和光芯片34的耦合封装。
本发明实施例中，通过先将波导基底和光纤、波导基底和光芯片进行封装，然后在波导基底中写入光波导，可以实现光波导参数的灵活设计，以及能够实现在一个光写波导块兼容不同的耦合方式。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (11)

1.一种光耦合装置，其特征在于，所述光耦合装置包括：第一光芯片、第二光芯片和光写波导块；
所述第一光芯片通过第一耦合方式和所述光写波导块进行耦合，所述第二光芯片通过第二耦合方式和所述光写波导块进行耦合，所述第一耦合方式和所述第二耦合方式分别包括绝热耦合器AC、光栅耦合器GC、边缘耦合器EC中任意一种或多种，所述光写波导块是通过激光器发出激光聚焦在波导基底内改变波导基底内的折射率形成的；
所述第一光芯片和所述第二光芯片通过所述光写波导块进行光互联。
2.如权利要求1所述的光耦合装置，其特征在于，所述光耦合装置还包括电基板，
所述第一光芯片和所述第二光芯片设置于所述电基板的表面；
所述第一光芯片和所述电基板进行电互联，所述第二光芯片和所述电基板进行电互联。
3.如权利要求2所述的光耦合装置，其特征在于，所述光写波导块至少部分设置于所述电基板的内部。
4.如权利要求1或2任一所述光耦合装置，其特征在于，所述光写波导块设置于所述第一光芯片和/或所述第二光芯片的上表面。
5.如权利要求1或2任一所述的光耦合装置，其特征在于，所述光写波导块至少部分设置于所述第一光芯片和所述第二光芯片之间。
6.一种光耦合装置，其特征在于，所述光耦合装置包括：光芯片、光写波导块和光纤；
所述光芯片通过第一耦合方式和所述光写波导块进行耦合，所述光纤通过第二耦合方式和所述光写波导块进行耦合，所述第一耦合方式包括绝热耦合器AC、光栅耦合器GC、边缘耦合器EC中任意一种或多种，所述光写波导块是通过激光器发出激光聚焦在波导基底内改变波导基底内的折射率形成的；
所述光芯片和所述光纤通过所述光写波导块进行光互联。
7.如权利要求6所述的光耦合装置，其特征在于，所述第二耦合方式包括EC。
8.如权利要求7所述的光耦合装置，其特征在于，所述光耦合装置还包括电基板，
所述光芯片设置于所述电基板的表面，所述光芯片和所述电基板进行电互联。
9.如权利要求6-8任一所述的光耦合装置，其特征在于，所述光写波导块至少部分设置于所述光芯片的上表面。
10.一种光耦合方法，其特征在于，所述方法包括：
光信号从第一光芯片中出射，通过第一耦合方式和光写波导块进行耦合，所述第一耦合方式和第二耦合方式分别包括绝热耦合器AC、光栅耦合器GC、边缘耦合器EC中任意一种或多种，所述光写波导块是通过激光器发出激光聚焦在波导基底内改变波导基底内的折射率形成的；
所述光信号从所述光写波导块中出射，通过第二耦合方式和第二光芯片进行耦合。
11.一种光耦合方法，其特征在于，所述方法包括：
光信号从光芯片中出射，通过第一耦合方式和光写波导块进行耦合，所述第一耦合方式包括绝热耦合器AC、光栅耦合器GC、边缘耦合器EC中任意一种或多种，所述光写波导块是通过激光器发出激光聚焦在波导基底内改变波导基底内的折射率形成的；
所述光信号从所述光写波导块中出射，通过第二耦合方式和光纤进行耦合。
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