CN108873184A - 一种具有侧向v形槽的激光刻写光纤连接器 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了一种具有侧向V形槽的用于光子芯片和光纤耦合的激光刻写光纤连接器，包括：激光刻写波导，其模式尺寸在一端与光子芯片(硅光或其它平面光波导芯片)波导匹配，用于和光子芯片的表面垂直耦合或边缘耦合；在另一端与光纤模式匹配，用于和输入输出光纤的对接耦合；在所述连接器上形成侧向V形槽，该V形槽具有V型槽角度，以对准激光刻写波导的位置。本发明的优点是：结构简单，作为硅光子和/或平面光波线路芯片的回流焊接兼容的光学输入输出(IO)接口。使用激光刻写的侧向V形槽的结构，用于玻璃光纤连接器与标准MT光纤阵列连接器的匹配接口，该标准MT光纤阵列连接器具有用于光子波导芯片和光纤之间的低差损耦合的突出定位针。所述光纤连接器具有低差损和低成本的特点。

Description

一种具有侧向V形槽的激光刻写光纤连接器
技术领域
本发明涉及一种具有侧向V形槽的激光刻写光纤连接器。
背景技术
当今世界，无论是高性能计算还是数据中心应用所需的电子系统性能正变得越来越依赖于数据通讯和互连技术。光互连技术由于在通讯距离和能量效率方面具有明显的优势，其应用逐步深入渗透到系统互连结构的各个层次中。标准化可插拔式光电收发模块已经成为链路距离大于5米，数据传输速率高于10Gbps互连通讯所广泛采用的解决方案。然而，随着系统对I/O总带宽需求的不断增长，电子功能芯片和收发器模块之间的电信号传输正在成为制约高效率通信的瓶颈。公认的解决方案是采用电子与光子技术的紧密集成。自然的技术演进路线将会是从板基光收发模块(板上光互联)逐步发展到专用集成电路(ASIC)多模块封装光互联，并最后发展成为基于2.5D或3D技术光电一体集成的具有高速大带宽光输入输出的ASIC封装(片上光互连)。对于短距离数据传输速率小于25Gbps的数据互连通讯(<100m)，基于VCSEL的解决方案在可插拔光模块和板基光收发模块方面会以其成本优势持续保持竞争力。然而，由数据中心和云计算等驱动的对于系统规模扩展的需求，正使基于硅光子(SiP)技术的单模光纤解决发案变得更有竞争力。特别是在未来高密度、大带宽、高能效的互联在大于100m的距离和超过EDR的数据传输速率的场合，硅光子技术将具有独特的优势。要实现具有高效，大带宽光输入输出的ASIC，基于硅光子技术的光、电一体集成是公认的唯一可行方案。
目前，由于硅波导和单模光纤之间的模式尺寸不匹配，实现光纤到SiP芯片的低差损、低成本耦合仍然是一个大的挑战。。目前常用的方法包括使用基于V型槽的光纤阵列通过有源对准和SiP芯片上的光栅耦合器实现表面垂直耦合，或和SiP芯片上的基于模斑尺寸转换器(SSC)硅波导耦合器实现直接边缘对接耦合，并粘合到SIP芯片上。这样的基于V型槽光纤阵列尾纤的IO对于可插拔的模块来说可能是足够的，但是对于MCM封装或光、电一体集成ASIC封装的光学输入输出来说是不够的。因为这后两者都需要回流焊兼容的光学IO接口集成技术。
光子波导芯片的回流焊兼容的光学IO接口需要一个与光纤阵列分离的片上波导到光纤耦合的适配连接器。使用苏格兰Hurio Watt大学和OptoScribe等公司提出的基于超快脉冲激光直接激光刻写技术，可以在玻璃坯件内直接刻写低折射率对比的三维(3D)光波导结构，如图1所示[1,3]。通过控制激光刻写的波导核芯尺寸和折射率，可以在玻璃中实现具有不同模式尺寸的3D光波导。除了局部改变玻璃材料的折射率外，激光刻技术还可以改变材料的化学性质，从而实现选择性蚀刻。通过选择性刻蚀激光刻写材料，也可以在玻璃基片上实现3D机械结构。结合这两个激光刻写特性，我们就可以建造一个玻璃材料的芯片/光纤连接器。这个连接器上有激光刻写的光波导，在一端和光子芯片的波导模式尺寸匹配并实现表面垂直耦合或直接边缘对接耦合；而在另一端和通用单模光纤模式匹配并直接边缘对接耦合。在芯片端，上述玻璃连接器可以和芯片输入输出耦合器对准后粘合在芯片上。但是，实现连接器和光纤阵列的低成本、低差损耦合需要特殊对准结构。
发明内容
本发明的目的在于克服上述不足，提供一种具有侧向V形槽的激光刻写光纤连接器，其使结构简单，利于系统集成。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种具有侧向V形槽的激光刻写光纤连接器，其特征在于：包括激光刻写波导，其模式尺寸在一端与光子芯片(硅光子或其它平面光波导芯片)波导匹配，用于和光子芯片的表面垂直耦合或边缘耦合；在另一端与光纤模式匹配，用于和输入输出光纤的对接耦合；在所述连接器上形成侧向V形槽，该V形槽具有V型槽角度，以对准激光刻写波导的位置。。
本发明的有益效果为：
结构简单，作为硅光子(SIP)和/或平面光波电路(PLC)芯片的回流焊兼容光学IO接口。使用激光刻写的侧向V形槽的结构，用于玻璃光纤连接器与标准MT光纤阵列连接器的匹配接口，该标准MT光纤阵列连接器具有用于光子波导芯片和光纤之间的低差损耦合的突出定位针。它结合了激光刻写的3D波导和侧向V形槽。激光刻写侧向V形槽能够精确地与标准MT光纤阵列连接器进行匹配，具有低差损和低成本的优点。连接器表面的激光刻写对准标记和金属垫进一步实现光子波导芯片和玻璃连接器之间波导耦合的无源对准，和玻璃连接器与光子波导芯片的稳定牢固结合。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1是现有技术的利用精确聚焦超快脉冲激光局部改变玻璃材料折射率的超快照射制备无掩模3D波导的示意图；
图2是本发明的一种用于光子波导芯片的低差损低成本IO的激光刻写侧向V形槽表面垂直耦合玻璃光纤连接器的实施例；
图3是本发明的显示一个表面垂直耦合玻璃连接器与标准单模光纤MT连接器通过测向V型槽接口的实施例；
图4是本发明的一种用于光子波导芯片的低差低成本IO的激光刻写侧向V形槽边缘对接耦合玻璃光纤连接器的实施例；
图5是本发明的一个边缘对接耦合的玻璃连接器与标准的单模光纤MT连接器通过侧向V型槽接口配合的实施例。
附图标记示意
11-对准标记12-金属垫13-激光刻写波导
14-具有侧向V形槽的激光刻写光纤连接器15-耦合器
16-倾角17-定位针18-标准MT光纤阵列连接器
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包含”为一开放式用语，故应解释成“包含但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
本发明的具有侧向V形槽的激光刻写光纤连接器，包括：激光刻写波导，其模式尺寸在一端与光子芯片(硅光子或其它平面光波导芯片)波导匹配，用于和光子芯片的表面垂直耦合或边缘耦合；在另一端与光纤模式匹配，用于和输入输出光纤的对接耦合；在所述连接器上形成侧向V形槽，该V形槽具有V型槽角度，以对准激光刻写波导的位置。
优选地，所述连接器与光子芯片片上输入输出(IO)耦合器对准并附着在光子波导芯片上。
优选地，所述芯片端波导耦合器的模式尺寸与光子波导芯片的输入输出耦合器(表面垂直或边缘耦合)的模式尺寸相匹配。
优选地，所述芯片端波导耦合器为自由空间镜面反射表面垂直光耦合器或激光刻写边缘波导对接耦合器。
优选地，所述V型槽角度和间距匹配标准MT光纤阵列连接器的突出定位金属针。
优选地，所述光纤连接器的光纤耦合端的波导端面角度抛光至8度。
优选地，所述标准MT光纤阵列连接器具有用于光纤连接器和MT光纤阵列之间的精密定位的突出定位针。
优选地，在连接器表面设置与光子芯片间焊接定位的金属垫。
优选地，在连接器光子芯片端波导末端设置激光刻写后刻蚀形成的自由空间镜面反射表面垂直光耦合器阵列。
优选地，所述光子波导芯片端波导和相应的自由空间镜面反射表面垂直光耦合器阵列的位置和间距与光子波导芯片上的表面垂直耦合器阵列的位置和间距相匹配(或光子波导芯片端波导和相应的激光刻写边缘波导对接耦合器的位置和间距与光子波导芯片上的边缘对接耦合器阵列的位置和间距相匹配)。
优选地，包括：图2示出了本发明的示意图，一种玻璃材料表面垂直耦合光纤连接器，其具有用于光子波导芯片的低差损和低成本IO的激光刻写侧向V形槽。玻璃连接器的厚度约为1mm。理论上，任何类型的光学玻璃都可以使用。但在实践中，热膨胀系数接近光子波导芯片的光学玻璃是优选的，例如熔融石英、硼硅酸盐等。3D激光波导使用激光刻写写入玻璃基板内部。在光纤连接器侧，如图2所示，端面抛光至8度，以匹配标准MT单模光纤阵列连接器的端面角度。玻璃连接器光纤端的激光刻写波导耦合器也具有与MT单模光纤阵列匹配的位置、间距和模式尺寸。使用激光刻写和选择性刻蚀工艺在玻璃连接器上形成侧向V形槽，该V形槽具有精确的V型槽角度和对准激光刻写波导的位置。光子波导芯片侧的波导被写入连接器的接合表面附近，并且由具有表面垂直耦合的自由空间镜面反射光耦合器，如图1所示。自由空间镜面反射垂直光耦合器也采用激光刻蚀和选择性刻蚀制作。芯片端波导的模式尺寸与光子波导芯片的垂直耦合器(例如光栅耦合器)的模式尺寸相匹配。将芯片端波导和相应的自由空间镜面反射垂直光耦合器阵列的位置和间距与光子波导芯片上的表面垂直耦合器阵列的位置和间距相匹配。对准标记(可以是通常用于微制造的任何对准标记)，其位置精确地对准自由空间镜面反射垂直光耦合器和波导，还使用激光刻写来创建用于将玻璃连接器精确地定位到具有匹配对准的光子波导芯片的激光标记。此外，在接合表面上制造的金属垫可以用于回流焊兼容的粘合集成，例如使用AuSn，它也可用于实现气密封装界面。
图3为通过侧向V型槽接口与标准MT光纤阵列连接器配合的表面垂直耦合玻璃光纤连接器的示意图。与标准MT光纤阵列连接器上的定位针配合的精密侧向V型槽实现光纤与激光刻写的玻璃波导的精密对准，和低差损耦合。
同样的原理可应用于边缘耦合光纤连接器。图4示出了一种边缘耦合的玻璃光纤连接器，其具有用于光子波导芯片的低差损和低成本IO的激光刻写侧向V形槽。
图5示出了通过侧向V型槽接口与标准MT光纤阵列连接器配合的边缘耦合玻璃纤维连接器的示意图。与标准MT光纤阵列连接器上的定位针配合的精密侧向V型槽实现光纤与激光刻写的玻璃波导的精密对准和低差损耦合。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种具有侧向V形槽的激光刻写光纤连接器，其特征在于，包括：激光刻写波导，其模式尺寸在一端与光子芯片(硅光子或其它平面光波导芯片)波导匹配，用于和光子芯片的表面垂直耦合或边缘耦合；在另一端与光纤模式匹配，用于和输入输出光纤的对接耦合；在所述连接器上形成侧向V形槽，该V形槽具有V型槽角度，以对准激光刻写波导的位置。
2.根据权利要求1所述的具有侧向V形槽的激光刻写光纤连接器，其特征在于，所述连接器与光子芯片片上输入输出(IO)耦合器对准并附着在光子波导芯片上。
3.根据权利要求1所述的具有侧向V形槽的激光刻写光纤连接器，其特征在于，所述芯片端波导耦合器的模式尺寸与光子波导芯片的输入输出耦合器(表面垂直或边缘耦合)的模式尺寸相匹配。
4.根据权利要求3所述的具有侧向V形槽的激光刻写光纤连接器，其特征在于，所述芯片端波导耦合器为自由空间镜面反射表面垂直光耦合器或激光刻写边缘波导对接耦合器。
5.根据权利要求1所述的具有侧向V形槽的激光刻写光纤连接器，其特征在于，所述V型槽角度和间距匹配标准MT光纤阵列连接器的突出定位金属针。
6.根据权利要求5所述的具有侧向V形槽的激光刻写光纤连接器，其特征在于，所述光纤连接器的光纤耦合端的波导端面角度抛光至8度。
7.根据权利要求1所述的具有侧向V形槽的激光刻写光纤连接器，其特征在于，所述标准MT光纤阵列连接器具有用于光纤连接器和MT光纤阵列之间的精密定位的突出定位针。
8.根据权利要求1所述的具有侧向V形槽的激光刻写光纤连接器，其特征在于，在连接器表面设置与光子芯片间焊接定位的金属垫。
9.根据权利要求8所述的具有侧向V形槽的激光刻写光纤连接器，其特征在于，在连接器光子芯片端波导末端设置激光刻写后刻蚀形成的自由空间镜面反射表面垂直光耦合器阵列。
10.根据权利要求9所述的具有侧向V形槽的激光刻写光纤连接器，其特征在于，所述光子波导芯片端波导和相应的自由空间镜面反射表面垂直光耦合器阵列的位置和间距与光子波导芯片上的表面垂直耦合器阵列的位置和间距相匹配。
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