CN108333684A - 一种应用于硅光子光通信的光纤组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种应用于硅光子光通信的光纤组件所述光纤组件包括光纤阵列单元、插芯组件，所述光纤阵列单元包括耦合端面、玻璃盖板、玻璃基板、小模场光纤、常规模场光纤；所述小模场光纤与常规模场光纤熔接，小模场光纤固定在玻璃盖板与玻璃基板之间，其端面被抛光形成光纤阵列单元的耦合端面；光纤阵列单元的另一端常规模场光纤组装到所述插芯组件中。本发明制造成本低，通过不同模场直径光纤熔接，小模场光纤可直接对接硅光芯片，取消透镜，使组装难度降低，组装效率高，体积小、并能保证光信号传输性能。

Description

一种应用于硅光子光通信的光纤组件

技术领域

本发明涉及硅光子光通信，特别是涉及硅光子器件的输入输出光纤组件。

背景技术

硅光子技术，采用激光束代替电子信号传输数据，将光学与电子元件组合至一个独立的微芯片中以提升路由器和交换机线卡之间芯片与芯片之间的连接速度。在硅片上用光作为信息传导介质，能够取得比传统铜导线更优异的数据传输性能、并降低能量消耗。光纤组件是硅光子器件数据输入和输出的关键部件，其技术方案的创新是突破硅光子器件生产瓶颈的关键。随着数据中心及移动4G、5G网络铺设，对硅光子器件的传输速率与封装尺寸提出了日益苛刻的要求，是当前光信号传输领域面临的巨大挑战。

在硅光子技术中，将硅光芯片直接粘接于PCB之上，光纤组件与硅光芯片对接，省去了传统的同轴封装工艺中TO封装过程。但由于硅光芯片的模场直径只有3.0-4.0um或更小，而常规的光纤组件的模场直径在9-10um，为降低耦合损耗，满足传输要求，当前的工艺是在硅光芯片与光纤组件之间通过透镜聚焦耦合（图3），该工艺无法真正满足低制造成本和硅光子器件高密度集成的要求。基于上述原因，迫切需要对现有技术的光纤组件进行技术改进和改良，以满足使用需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于硅光子光通信的光纤组件，制造成本低，通过不同模场直径光纤熔接，小模场光纤可直接对接硅光芯片，取消透镜（图4），使组装难度降低，组装效率高，体积小、并能保证光信号传输性能。为此，本发明采用以下技术方案：

一种应用于硅光子光通信的光纤组件，所述光纤组件包括光纤阵列单元、插芯组件，所述光纤阵列单元包括耦合端面、玻璃盖板、玻璃基板、小模场光纤、常规模场光纤；其特征在于，所述小模场光纤与常规模场光纤熔接，小模场光纤固定在玻璃盖板与玻璃基板之间，其端面被抛光形成光纤阵列单元的耦合端面；光纤阵列单元的另一端常规模场光纤组装到所述插芯组件中。

进一步地，所述插芯组件包含耦合端面、陶瓷插芯、陶瓷套筒、金属结构件；光纤阵列单元的另一端常规模场光纤连接到陶瓷插芯，常规模场光纤和陶瓷插芯的端面被抛光成插芯组件的耦合端面，陶瓷插芯通过陶瓷套筒和金属结构件进行组装成插芯组件。

进一步地，小模场直径光纤处于光纤阵列单元的耦合端面一侧，小模场光纤的模场直径小于5um。

进一步地，所述玻璃基板尺寸，应对硅光子器件小型化的要求，其长度小于10mm，最小可做到5mm。

进一步地，两种不同模场直径光纤的熔接点放置在光纤阵列单元的软胶区域内。

进一步地，所述的光纤阵列单元被抛光成任意角度的耦合端面，可以镀增透膜或者不镀增透膜。

进一步地，所述光纤阵列单元的光通道数N≥1；所述的插芯组件对应光通道数量进行匹配。

进一步地，所述光纤阵列单元的光通道间距为0.127mm，或间距＞0.127mm。

进一步地，小模场光纤与常规模场光纤熔接尺寸小于5mm，最小可做到3mm。

光纤组件在硅光子器件中起着对接芯片与光输入输出的关键性作用，原方案的应用是将其中光纤阵列单元每个通道的耦合端面通过透镜与硅光芯片对接，单个透镜成本高且尺寸大，致使整个器件制造成本偏高，封装尺寸偏大，无法真正实现高密度集成。

本发明将单根常规模场光纤，更改为两种不同模场直径光纤（如：一种小模场光纤3.0-4.0um、一种常规模场光纤9-10um）通过熔接技术集成在光纤阵列单元里，小模场直径光纤处于光纤阵列单元的耦合端面一侧，小模场光纤的模场直径小于5um。该方法可由目前光纤组件与硅光芯片通过透镜耦合，更改为直接由光纤组件与硅光芯片进行耦合，取消了透镜的应用。并且，光通道间距由原来的mm级别缩小至0.127mm，可实现多通道的高密度集成。

本发明具有以下有益效果：

1、低成本，本发明应用于硅光子器件，充分利用不同模场直径的光纤集成，物料上减少了透镜，并且可取消透镜进行耦合工序，降低了物料成本和制作成本，同时保证了光信号传输性能。

2、封装尺寸小，可实现高密度集成，由于减少透镜，封装尺寸小，光纤阵列可以实现多通道高密度的光波导传输；

3、封装效率高，光纤组件与硅光芯片的直接耦合，大大提升了封装效率。

附图说明

图1是本发明的应用于硅光子光通信的光纤组件外形示意图。

图2是本发明的应用于硅光子光通信的光纤组件结构示意图。

图3是传统的硅光子器件光路示意图。

图4是本发明的硅光子器件光路示意图。

图5为耦合实验1的实验装置示意图。

图6为耦合实验2的实验装置示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及应用于硅光子光通信的光纤组件，如图1和图2所示，包括光纤阵列单元100、插芯组件200。所述光纤阵列单元包括耦合端面10、玻璃盖板1、玻璃基板2、小模场光纤3、常规模场光纤4。所述小模场光纤3与常规模场光纤4熔接后，将小模场光纤3固定在玻璃盖板1与玻璃基板2之间，其端面10被抛光形成光纤阵列单元的耦合端面，附图标号300为熔接点。所述插芯组件，包含耦合端面9、陶瓷插芯6、陶瓷套筒8、金属结构件5、7。陶瓷插芯6与金属结构件5通过压接装配后，光纤阵列单元的另一端常规模场光纤4与陶瓷插芯6连接，通过陶瓷插芯6，其端面被抛光成插芯组件的耦合端面9，并通过陶瓷套筒8和金属结构件7进行组装。耦合端面9可以镀增透膜或者不镀增透膜。

如图2所示，所述的插芯组件，主要通过与光纤跳线的连接，起到光信号的输入输出作用。所述的光纤阵列单元，主要通过与硅光子芯片的耦合对接，起到光信号的输入输出作用。

如图2所示，所述金属结构件分为金属结构件5与金属结构件7两部分，金属结构件7主要用于固定陶瓷插芯，金属底座内径为1.24mm，外径为2.13mm。金属结构件5主要是以外封壳的形式将插芯组件与光有源模块进行封装，金属结构件5与金属结构件7配合端的内径为2.12mm，与陶瓷套筒配合端的内径为1.90mm，金属结构件5的最大外径为4.70mm，最小外径为2.92mm。金属结构件的结构、尺寸、外形不受限制，可根据光有源模块的结构进行设计，并起到固定连接的作用。

如图2所示，所述光纤阵列单元内小模场光纤3与常规模场光纤4的熔接点放置在UV软胶区域内。熔接后的光纤通过UV硬胶固定在玻璃盖板1与玻璃基板2之间。小模场光纤与常规模场光纤熔接尺寸小于5mm，最小可做到3mm。

所述的小模场光纤3与常规模场光纤4熔接，是通过光纤熔接机的电弧放电，将小模场光纤3切纤口的模斑放大，并与常规模场光纤4切纤口的模斑匹配后熔接。熔接产生的光学损耗，单模光纤可控制在0.4dB以下，保偏光纤可控制在0.5dB以下。光学损耗与常规非熔接的光纤组件相似。

所述光纤阵列单元的光通道数N≥1；所述的插芯组件对应光通道数量进行匹配。光通道间距由原来的mm级别缩小至0.127mm，可实现多通道的高密度集成，也可＞0.127mm或不受限制。所述玻璃基板尺寸，应对硅光子器件小型化的要求，其长度小于10mm，最小可做到5mm。

如图3所示，传统的硅光子器件是需要通过一个透镜B1耦合连接在光纤组件B2与硅光芯片B3之间。光路首先输入光纤组件B2，通过透镜B1的聚光功能，形成小模场的光束再进入硅光芯片B3。

如图4所示，本发明直接将两种不同模场直径的光纤通过熔接技术集成在光纤阵列单元里，不需通过透镜B1的聚光功能，直接在光纤阵列单元里实现了这一功能。光路首先输入光纤组件B2，通过熔接点，形成小模场的光束直接进入硅光芯片B3。

为验证本发明的光纤组件取代了透镜耦合应用后，在光学性能方面与常规耦合方案的差异，做以下两组对比实验。

耦合实验1：

实验方案：仪器连接方案如图5所示，使用图3所示的传统的硅光子器件（选用常规模场9um光纤），通过透镜，与硅光芯片耦合对接，测试光功率损耗值(IL）及偏振损耗值（PDL）。

实验要求：测试波长1310nm，耦合后IL<2dB，PDL<0.2dB。

实验数据：

序号	IL（dB）	PDL（dB）	序号	IL（dB）	PDL（dB）
						1	1.13	0.02	6	1.14	0.03
2	1.02	0.04	7	1.21	0.03
						3	1.12	0.02	8	0.90	0.02
4	0.97	0.01	9	1.05	0.01
						5	1.02	0.03	10	0.92	0.02

耦合实验2：

实验方案：如图6所示，使用本发明的光纤组件（选用小模场4um光纤+常规模场9um光纤），与芯片耦合对接，测试光功率损耗值(IL）及偏振损耗值（PDL）。

实验要求：测试波长1310nm，耦合后IL<2dB，PDL<0.2dB。

实验数据：

序号	IL（dB）	PDL（dB）	序号	IL（dB）	PDL（dB）
						1	0.95	0.03	6	1.07	0.03
2	0.68	0.01	7	0.90	0.02
						3	0.95	0.01	8	0.93	0.02
4	0.89	0.02	9	1.10	0.04
						5	1.12	0.04	10	0.97	0.03

实验结论：

本发明的光纤组件在光学性能满足硅光子器件的要求，并与常规光纤组件的光学性能差异不大，但本发明利用熔接不同模场直径的光纤，取代了透镜耦合的应用，简化了产品结构，具有成本低，封装尺寸小，封装效率高的优点。同时采用本发明制作的光纤组件操作流程简单，适宜批量生产。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改、组合和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (9)

1.一种应用于硅光子光通信的光纤组件，所述光纤组件包括光纤阵列单元、插芯组件，所述光纤阵列单元包括耦合端面、玻璃盖板、玻璃基板、小模场光纤、常规模场光纤；其特征在于，所述小模场光纤与常规模场光纤熔接，小模场光纤固定在玻璃盖板与玻璃基板之间，其端面被抛光形成光纤阵列单元的耦合端面；光纤阵列单元的另一端常规模场光纤组装到所述插芯组件中。

2.根据权利要求1所述的一种应用于硅光子光通信的光纤组件，其特征在于，所述插芯组件包含耦合端面、陶瓷插芯、陶瓷套筒、金属结构件；光纤阵列单元的另一端常规模场光纤连接到陶瓷插芯，常规模场光纤和陶瓷插芯的端面被抛光成插芯组件的耦合端面，陶瓷插芯通过陶瓷套筒和金属结构件进行组装成插芯组件。

3.根据权利要求1所述的一种应用于硅光子光通信的光纤组件，其特征在于，小模场直径光纤处于光纤阵列单元的耦合端面一侧，小模场光纤的模场直径小于5um。

4.根据权利要求3所述的一种应用于硅光子光通信的光纤组件，其特征在于，所述玻璃基板尺寸，应对硅光子器件小型化的要求，其长度小于10mm。

5.根据权利要求1所述的一种应用于硅光子光通信的光纤组件，其特征在于，两种不同模场直径光纤的熔接点放置在光纤阵列单元的软胶区域内。

6.根据权利要求1所述的一种应用于硅光子光通信的光纤组件，其特征在于，所述的光纤阵列单元被抛光成任意角度的耦合端面，可以镀增透膜或者不镀增透膜。

7.根据权利要求1所述的一种应用于硅光子光通信的光纤组件，其特征在于，所述光纤阵列单元的光通道数N≥1；所述的插芯组件对应光通道数量进行匹配。

8.根据权利要求1所述的一种应用于硅光子光通信的光纤组件，其特征在于，所述光纤阵列单元的光通道间距为0.127mm，或间距＞0.127mm。

9.根据权利要求1所述的一种应用于硅光子光通信的光纤组件，其特征在于，小模场光纤与常规模场光纤熔接尺寸小于5mm。