CN109814213A - 一种光模块用集成光学组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光模块用集成光学组件，包括垂直耦合直波导阵列芯片(1)、光纤阵列(2)、光纤适配器(3)，所述的垂直耦合直波导阵列芯片(1)与所述的光纤阵列(2)的V槽端(22)通过光纤耦合胶(4)耦合粘接，所述的光纤阵列(2)的带涂覆层的光纤尾纤端(23)与所述的光纤适配器(3)连接，三者共同构成光模块内传输用集成光学组件。与现有技术相比，本发明具有结构紧凑、加工难度低且光学性能优良等优点。
Description
技术领域
本发明属于集成光学领域，尤其涉及一种光模块用集成光学组件。
背景技术
随着Vcsel光源在光模块中的大量应用，建立与Vcsel光源有效耦合的光路结构将光信号引出，变得愈发重要。随着5G技术的快速发展，Vcsel光源阵列在100G与400G光模块中使用量呈爆发性增长，而与光源阵列匹配的转接耦合光路组件则要求体积小巧、紧凑、光学性能良好。
目前广泛采用了两种光模块用集成光学组件方案：一种方案是通过棱镜、透镜组成90度空间光学转接模组，将Vcsel光源垂直发射的光信号通过透镜聚光，再通过反射棱镜将光束转为水平传输，再通过准直透镜耦合进入光纤链路中；另一种方案更为紧凑，将多模光纤的裸光纤露出端研磨成45度角作为反射镜端，Vcsel光源垂直发射的光直接透过光纤底部照至45度反射面，转为水平光在光纤中水平传输。
第一种方案不利于系统集成，且随着光源阵列数量的增加，该方案的实现难度显著增加；
第二种方案因裸光纤的45度斜面的加工难度较大，其成品率和光学性能受限于光纤反射镜面加工工艺；其次，由于光纤底部的圆弧结构，垂直发射的光辐照至裸光纤底部存在部分光散射，降低了光耦合效率；再次，随着光源阵列数量增加，对应的光纤数也随之增加，对光纤反射镜的一致性要求也随之提高，反射镜的加工要求也将进一步提高，制作成本会大幅上升。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种结构紧凑、加工难度低且光学性能优良的光模块用集成光学组件。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种光模块用集成光学组件，其特征在于，包括垂直耦合直波导阵列芯片(1)、光纤阵列(2)、光纤适配器(3)，所述的垂直耦合直波导阵列芯片(1)与所述的光纤阵列(2)的V槽端(22)通过光纤耦合胶(4)耦合粘接，所述的光纤阵列(2)的带涂覆层的光纤尾纤端(23)与所述的光纤适配器(3)连接，三者共同构成光模块内传输用集成光学组件。
所述的垂直耦合直波导阵列芯片(1)的右端端面(11)和左端端面(12)均为倾斜面，其中右端端面(11)的倾角为41～45°；左端端面(12)的倾角为0～15°角或0～-15°角。
所述的光纤阵列(2)的V槽端(22)与所述左端端面(12)粘结，V槽端(22)与左端端面(12)的粘结面相匹配，呈0～-15°倾角或0～15°倾角。
所述的垂直耦合直波导阵列芯片(1)包含直波导(14)、渐变直波导(13)和展宽直波导(15)，其中直波导(14)一端连接光纤阵列(2)内裸光纤(21)，另一端依次连接渐变直波导(13)和展宽直波导(15)。
所述的直波导(14)的数量为1-1024，相邻直波导间间距为50-1002微米，直波导芯层直径为5-1000微米。
所述的直波导(14)距离衬底下表面0-20微米。
所述的渐变直波导(13)的长度为200-500微米，渐变直波导(13)的芯层直径由左至右线性展宽。
所述的展宽直波导(15)较直波导(14)展宽0-20微米，长度为0-500微米。
所述的光纤阵列(2)中裸光纤(21)的数量与垂直耦合直波导阵列芯片(1)中直波导(14)的数量一致。
所述的光纤阵列(2)的V槽端(22)的V槽间距与所述的垂直耦合直波导阵列芯片(1)的直波导(14)间距一致，确保V槽中的裸光纤(21)与垂直耦合直波导阵列芯片(1)中的直波导(14)一一对准。
与现有技术相比，本发明具有的优点是：
1.更高的耦合效率：a)通过直波导阵列芯片45度角一端的直波导芯径的渐变，增加光源的耦合效率；b)通道间的误差通过掩膜板设计与光刻来控制，较划片机切割而成的V槽间距误差更小，与Vcsel光源阵列的对准精度更高。
2.更好的通道间能量均匀性：直波导阵列芯片的入射面为平面，光接收的一致性更高，避免了裸光纤表面缺陷、脏污或光纤径向伸缩、轴向旋转引起的光散射、偏移；
3.更易于加工：垂直耦合直波导阵列芯片的端面研磨为面研磨，研磨的工艺更为简单，光洁度更易控制。
4.更高的成品率：芯片研磨的合格率较裸光纤研磨的合格率高。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为图1的俯视图；
图3为图1中垂直耦合直波导阵列芯片的示意图；
图4为图2的俯视图；
图5位本发明光学组件工作原理图。
图中标号所示：
1、垂直耦合直波导阵列芯片，2、光纤阵列，3、光纤适配器，4、光纤耦合胶，21、裸光纤，22、V槽端，23、带涂覆层的光纤尾纤；
11、右端端面，12、左端端面，13、渐变直波导，14、直波导，15、展宽直波导，16、右端端面倾角，17、左端端面倾角；5、Vcsel光源。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
实施例1
如图1～4所示，一种光模块用集成光学组件，该结构包括垂直耦合直波导阵列芯片1、光纤阵列2、光纤适配器3，垂直耦合直波导阵列芯片1与光纤阵列2的V槽22端通过光纤耦合胶4耦合粘接，光纤阵列2的带涂覆层的光纤尾纤23端与光纤适配器3连接，三者共同构成光模块内传输用集成光学组件。
垂直耦合直波导阵列芯片1的右端端面11的倾角16为45°；垂直耦合直波导阵列芯片1的左端端面12倾角17为0°，对应的光纤阵列2的V槽22端端面倾角为0°。
垂直耦合直波导阵列芯片1的直波导14的数量为2，两根直波导14间距为50微米；直波导14芯层直径为5微米；直波导14距离衬底下表面0微米；
垂直耦合直波导阵列芯片1的直波导14右端连有渐变直波导13，渐变直波导13长度为200微米，光波导芯层直径由左至右线性展宽，渐变直波导13右侧为展宽直波导15，较直波导14展宽0微米，长度为0微米；
光纤阵列2中的光纤数量与垂直耦合直波导阵列芯片1的直波导数量一致，数量为2；光纤阵列2的V槽端的V槽22间距与垂直耦合直波导阵列芯片1的直波导间距一致，以确保V槽22中的裸光纤21与垂直耦合直波导阵列芯片中的光波导14一一对准。
使用时，如图5所示，Vcsel光源5垂直发射的光信号通过垂直耦合直波导阵列芯片1倾斜的右端端面11反射，将光束转为水平传输，再通过垂直耦合直波导阵列芯片1进入光纤阵列2中各裸光纤21中；传输至光纤适配器3。
实施例2
一种光模块用集成光学组件，该结构包括垂直耦合直波导阵列芯片1、光纤阵列2、光纤适配器3,垂直耦合直波导阵列芯片1与光纤阵列2的V槽22端通过光纤耦合胶4耦合粘接，光纤阵列2的带涂覆层的光纤尾纤23端与光纤适配器3连接，三者共同构成光模块内传输用集成光学组件。
垂直耦合直波导阵列芯片1的右端端面11的倾角16为41°；垂直耦合直波导阵列芯片1的左端端面12倾角17为15°，对应的光纤阵列2的V槽22端端面倾角为-15°。
垂直耦合直波导阵列芯片1的直波导数量为1024；直波导14间距为1002微米；直波导14芯层直径为1000微米；直波导14距离衬底下表面20微米；
垂直耦合直波导阵列芯片1的直波导14右端连有渐变直波导13，渐变直波导13长度为500微米，光波导芯层直径由左至右线性展宽，渐变直波导13右侧为展宽直波导15，较直波导14展宽20微米，长度为500微米；
光纤阵列2中的光纤数量与垂直耦合直波导阵列芯片1的直波导数量一致，数量为1024；光纤阵列2的V槽端的V槽22间距与垂直耦合直波导阵列芯片1的直波导间距一致，以确保V槽22中的裸光纤21与垂直耦合直波导阵列芯片中的光波导14一一对准。
实施例3
一种光模块用集成光学组件，该结构包括垂直耦合直波导阵列芯片1、光纤阵列2、光纤适配器3,垂直耦合直波导阵列芯片1与光纤阵列2的V槽22端通过光纤耦合胶4耦合粘接，光纤阵列2的带涂覆层的光纤尾纤23端与光纤适配器3连接，三者共同构成光模块内传输用集成光学组件。
垂直耦合直波导阵列芯片1的右端端面11的倾角16为42.5°；垂直耦合直波导阵列芯片1的左端端面12倾角17为8°，对应的光纤阵列2的V槽22端端面倾角为-8°。
垂直耦合直波导阵列芯片1的直波导数量为12；直波导14间距为250微米；直波导14芯层直径为50微米；直波导14距离衬底下表面5微米；
垂直耦合直波导阵列芯片1的直波导14右端连有渐变直波导13，渐变直波导13长度为250微米，光波导芯层直径由左至右线性展宽，渐变直波导13右侧为展宽直波导15，较直波导14展宽20微米，长度为300微米；
光纤阵列2中的光纤数量与垂直耦合直波导阵列芯片1的直波导数量一致，数量为12；光纤阵列2的V槽端的V槽22间距与垂直耦合直波导阵列芯片1的直波导间距一致，以确保V槽22中的裸光纤21与垂直耦合直波导阵列芯片中的光波导14一一对准。
实施例4
所述的直波导的数量为1，对应的裸光纤21的数量为1，其余同实施例1。
对比例1
采用透镜和棱镜组合的方案，即在棱镜、透镜组成90度空间光学转接模组，将Vcsel光源垂直发射的光信号通过透镜聚光，再通过反射棱镜将光束转为水平传输，再通过准直透镜耦合进入光纤链路中。
对比例2
将多模光纤的裸光纤露出端研磨成45度角作为反射镜端，Vcsel光源垂直发射的光直接透过光纤底部照至45度反射面，转为水平光在光纤中水平传输。
对比例3
将多模光纤的裸光纤露出端研磨成45度角作为反射镜端，Vcsel光源垂直发射的光直接透过光纤底部照至45度反射面，转为水平光在光纤中水平传输。
对比例4
采用透镜和棱镜组合的方案，即在棱镜、透镜组成90度空间光学转接模组，将Vcsel光源垂直发射的光信号通过透镜聚光，再通过反射棱镜将光束转为水平传输，再通过准直透镜耦合进入光纤链路中。
上述各实施例中光模块用集成光学组件与对比例的性能如下表所示：
Claims (10)
1.一种光模块用集成光学组件，其特征在于，包括垂直耦合直波导阵列芯片(1)、光纤阵列(2)、光纤适配器(3)，所述的垂直耦合直波导阵列芯片(1)与所述的光纤阵列(2)的V槽端(22)通过光纤耦合胶(4)耦合粘接，所述的光纤阵列(2)的带涂覆层的光纤尾纤端(23)与所述的光纤适配器(3)连接，三者共同构成光模块内传输用集成光学组件。
2.根据权利要求1所述的一种光模块用集成光学组件，其特征在于，所述的垂直耦合直波导阵列芯片(1)的右端端面(11)和左端端面(12)均为倾斜面，其中右端端面(11)的倾角为41～45°；左端端面(12)的倾角为0～15°角或0～-15°角。
3.根据权利要求2所述的一种光模块用集成光学组件，其特征在于，所述的光纤阵列(2)的V槽端(22)与所述左端端面(12)粘结，V槽端(22)与左端端面(12)的粘结面相匹配，呈0～-15°倾角或0～15°倾角。
4.根据权利要求1所述的一种光模块用集成光学组件，其特征在于，所述的垂直耦合直波导阵列芯片(1)包含直波导(14)、渐变直波导(13)和展宽直波导(15)，其中直波导(14)一端连接光纤阵列(2)内裸光纤(21)，另一端依次连接渐变直波导(13)和展宽直波导(15)。
5.根据权利要求4所述的一种光模块用集成光学组件，其特征在于，所述的直波导(14)的数量为1-1024，相邻直波导间间距为50-1002微米，直波导芯层直径为5-1000微米。
6.根据权利要求4所述的一种光模块用集成光学组件，其特征在于，所述的直波导(14)距离衬底下表面0-20微米。
7.根据权利要求4所述的一种光模块用集成光学组件，其特征在于，所述的渐变直波导(13)的长度为200-500微米，渐变直波导(13)的芯层直径由左至右线性展宽。
8.根据权利要求4所述的一种光模块用集成光学组件，其特征在于，所述的展宽直波导(15)较直波导(14)展宽0-20微米，长度为0-500微米。
9.根据权利要求1所述的一种光模块用集成光学组件，其特征在于，所述的光纤阵列(2)中裸光纤(21)的数量与垂直耦合直波导阵列芯片(1)中直波导(14)的数量一致。
10.根据权利要求1所述的一种光模块用集成光学组件，其特征在于，所述的光纤阵列(2)的V槽端(22)的V槽间距与所述的垂直耦合直波导阵列芯片(1)的直波导(14)间距一致，确保V槽中的裸光纤(21)与垂直耦合直波导阵列芯片(1)中的直波导(14)一一对准。
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