CN112051642A - 一种光纤阵列结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种光纤阵列结构及其制作方法，包括了基板、输入/输出光纤和模式变换光纤的组合，其中，基板的一个面分为台阶状的平面区域和V型槽区域，一个端部去除部分涂覆层裸露其芯线的输入/输出光纤与一段芯线模场直径小于或者大于输入/输出光纤芯线模场直径的模式变换光纤芯线熔接拉锥形成光纤模式变换区，与V型槽数量一致且通过熔接拉锥的输入/输出光纤与模式变换光纤，通过粘结剂有序排列粘接在基板上，且其中的光纤模式变换区有序排列在基板的平面区域上或V型槽内、模式变换光纤部分或全部分别有序置于V型槽中。本发明通过拉锥的方法逐渐改变光模场，使拉锥后的光模场与硅光芯片输出波导的光模场尺寸匹配，可大幅减少耦合损耗，提高耦合效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤通讯器件及其制作方法，尤其涉及一种光纤阵列结构及其制作方法，属于光纤通讯元器件生产和制造技术领域。
背景技术
硅基波导型光芯片作为传统集成电路IC芯片的发展方向和替代方案，在普通CMOS芯片中加入了光子器件，同时包含了传统的电子电路和超薄激光通路，融通了电子计算和光通信之间的界面，具有带宽大、速度快等优势，是突破系统发展瓶颈的重要技术途径。
硅光芯片一般通过端面耦合方式与光纤进行耦合封装，实现光信号的输入和输出。
硅光芯片在与光纤的端面耦合时，为了减小芯片波导与光纤之间的模式失配，需要在三维空间上逐渐扩大波导的端面，形成喇叭锥形过渡结构。
然而，这种结构的制备非常困难，由于制作容差小，波导和9μm单模光纤相比，模场失配仍然很严重。
在硅光芯片输出模场尺寸无法进一步优化增加的情况下，现有技术尚无更好的方法解决硅光芯片与光纤端面耦合的模式失配。
发明内容
为克服相关技术的不足，本发明提供一种光纤阵列结构及其制作方法，目的在于：
提供一种新型的光纤阵列结构及其制作方法，通过光纤模场直径的变换与硅光芯片波导耦合，实现硅光芯片的低损耗耦合，提高耦合效率和光纤通讯的质量。
为此，本发明首先提供一种光纤阵列结构，包括：
基板、输入/输出光纤和模式变换光纤；其中：
所述基板为矩形板，所述矩形板中的一个面分为台阶状的两个部分，其中的底层台阶为平面区域，其中的上层台阶开挖有与所述矩形板长度方向一致的至少一条V型槽，且所述V型槽的底部与所述平面区域在一个水平面上；
所述输入/输出光纤的一个端部去除部分涂覆层裸露其芯线；
所述模式变换光纤为芯线模场直径小于或者大于所述输入/输出光纤芯线模场直径的光纤芯线；
所述输入/输出光纤的裸露芯线与所述模式变换光纤熔接拉锥形成光纤模式变换区；
与所述V型槽数量一致且通过熔接拉锥的所述输入/输出光纤与所述模式变换光纤通过粘结剂有序排列粘接在所述基板上，其中：
各所述光纤模式变换区分别有序排列在所述基板的平面区域上或V型槽内，各所述模式变换光纤部分或全部分别有序置于各所述V型槽中。
进一步的，所述光纤阵列结构，还包括盖板；
所述盖板其宽度与所述基板的宽度一致，所述盖板其长度不短于所述V型槽的长度且不超过所述基板的长度；
所述盖板通过粘结剂覆盖贴合在粘接着所述模式变换光纤和所述光纤模式变换区的所述基板面上，且所述盖板的一个端面与所述V型槽所在一侧的所述基板的端面对齐；
与所述盖板同一面却未被所述盖板覆盖的所述基板面用所述粘结剂覆盖。
进一步的，所述盖板其面对所述基板平面区域的端面上设有倒角，所述倒角位于所述盖板与所述基板贴合面的一侧。
进一步的，所述倒角为45°。
进一步的，所述基板和/或所述盖板，分别用石英玻璃材质或者硅基材质板材制成。
其次，本发明还提供一种光纤阵列结构的制作方法，包括如下步骤：
将一块矩形板的一个面分作台阶状的两个部分，其中的底层台阶加工成平面区域，其中的上层台阶开挖出与所述矩形板长度方向一致的至少一条V型槽，且所述V型槽的底部与所述平面区域在一个水平面上，以此作为基板；
在一根输入/输出光纤的一个端部去除部分涂覆层裸露其芯线；
截取一段芯线模场直径小于或者大于所述输入/输出光纤芯线模场直径的光纤芯线作为模式变换光纤；
将所述输入/输出光纤的裸露芯线与所述模式变换光纤进行熔接并拉锥形成光纤模式变换区；
将通过熔接拉锥其数量与所述V型槽数量一致的所述输入/输出光纤与所述模式变换光纤分别通过粘结剂有序排列粘接在所述基板上，其中：
各所述光纤模式变换区分别有序排列在所述基板的平面区域上或V型槽内，各所述模式变换光纤部分或全部分别有序置于各所述V型槽中，即完成所述光纤阵列结构的制作。
进一步的，所述光纤阵列结构的制作方法，还包括如下步骤：
用一宽度与所述基板一致、长度不短于所述V型槽的长度且不超过所述基板长度的矩形平板制成盖板；或
取一宽度与所述基板一致、长度不短于所述V型槽的长度且不超过所述基板长度的矩形平板，在所述矩形平板面对所述平面区域且与所述基板贴合的端面上设置倒角，所述倒角为45°，以此制成盖板；
将所述盖板通过粘结剂覆盖贴合在粘接着所述模式变换光纤和所述光纤模式变换区的所述基板面上，且所述盖板的一个端面与所述V型槽所在一侧的所述基板的端面对齐；
与所述盖板同一面却未被所述盖板覆盖的所述基板面用所述粘结剂覆盖，即完成所述光纤阵列结构的制作。
进一步的，所述光纤阵列结构的制作方法，还包括如下步骤：
对所述V型槽、所述输入/输出光纤和所述模式变换光纤的端面进行研磨抛光，使所述 V型槽、所述述输入/输出光纤和所述模式变换光纤的端面形成确定角度的抛光面；或
对所述V型槽、所述输入/输出光纤、所述模式变换光纤和所述盖板的端面进行研磨抛光，使所述V型槽、所述输入/输出光纤、所述模式变换光纤和所述盖板的端面形成确定角度的抛光面。
与现有技术相比，本发明有益效果及显著进步在于：
1)本发明提供的一种光纤阵列结构及其制作方法，其光纤阵列结构包括了基板、输入 /输出光纤和模式变换光纤，基板的一个面分为台阶状的平面区域和V型槽区域，一个端部去除部分涂覆层裸露其芯线的输入/输出光纤与一段芯线模场直径小于或者大于输入/输出光纤芯线模场直径的模式变换光纤芯线熔接拉锥形成光纤模式变换区，与V型槽数量一致且通过熔接拉锥的输入/输出光纤与所述模式变换光纤，通过粘结剂有序排列粘接在基板上，且使其中的光纤模式变换区有序排列在基板的平面区域上或V型槽内、模式变换光纤部分或全部分别有序置于V型槽中，如此形成的光纤阵列结构由于对普通单模光纤的端面光模场通过拉锥的方法逐渐改变其光模场，使拉锥后的光模场与硅光芯片输出波导的光模场尺寸匹配，因此，可大幅减少耦合损耗，提高耦合效率和光纤通讯的质量；
2)由于实际生产中，硅光芯片和模式变换后的光纤进行直接耦合及粘结固定非常困难，因而很难进行实际应用，而本发明提供的光纤阵列结构及其制作方法，通过硅光芯片波导与小芯径模式变换光纤耦合、小芯径模式变换光纤与普通单模输入/输出光纤通过模式变换耦合这样两级耦合的方法，实现模场尺寸的逐级匹配，从而有效减少光纤与硅光芯片的端面耦合损耗，提高耦合效率，实现了普通单模输入/输出光纤的模场直径逐步变换后与硅光芯片波导耦合，使得硅光芯片的低损耗耦合封装成为了现实；
3)本发明提供的一种光纤阵列结构及其制作方法，设计新颖独特，制作使用方便，光纤阵列结构工作可靠、稳定性高、耦合损耗低、通讯质量好，实验证明，硅光芯片与光纤耦合的端面耦合损耗可以降低到0.5dB以内，因此，极具推广和应用价值。
附图说明
为更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对本发明的实施例所需使用的附图作一简单介绍。
显而易见地，下面描述中的附图仅是本发明中的部分实施例的附图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，但这些其他的附图同样属于本发明实施例所需使用的附图之内。
图1为本发明提供的一种光纤阵列结构的立体结构示意图；
图2为本发明提供的一种光纤阵列结构的立体分解结构示意图；
图3为本发明提供的一种光纤阵列结构中光纤模式变换区的结构示意图。
图中：
10-基板，11-平面区域，12-V型槽；
20-输入/输出光纤，21-芯线；
30-模式变换光纤；
40-光纤模式变换区；
50-盖板，51-倒角；
60-粘结剂。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案、有益效果及显著进步更加清楚，下面，将结合本发明实施例中所提供的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所有描述的这些实施例仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是：
本发明的说明书和权利要求书以及本发明实施例附图中的术语“首先”、“其次”等，仅是用于区别不同的对象，而非用于描述特定的顺序。
此外，术语“包括”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
需要理解的是：
在本发明实施例的描述中，使用到的一些指示性方位或位置用词，仅为基于本发明实施例附图所示的方位或位置关系，是为了便于描述本发明的实施例和简化说明，而不是指示或暗示所述的装置或元件必须具有的特定方位、特定的方位构造和操作，因此，不能理解为是对本发明的限制。
本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接或活动连接，亦可是成为一体；可以是直接连接，也可以是通过中间媒介的间接连接或是无形的信号连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还需要说明的是，以下的具体实施例可以相互结合，对于其中相同或相似的概念或过程可能在某些实施例中不再赘述。
下面，以具体的实施例对本发明的技术方案进行详细说明。
实施例一
本实施例提供一种光纤阵列结构。
如图1本发明提供的一种光纤阵列结构的立体结构示意图、图2本发明提供的一种光纤阵列结构的立体分解结构示意图、图3本发明提供的一种光纤阵列结构中光纤模式变换区的结构示意图所示：
一种光纤阵列结构，包括：
基板10、输入/输出光纤20和模式变换光纤30；其中：
基板10为矩形板，矩形板中的一个面分为台阶状的两个部分，其中的底层台阶为平面区域11，其中的上层台阶开挖有与矩形板长度方向一致的至少一条V型槽12，且V型槽12的底部与平面区域11在一个水平面上；
输入/输出光纤20的一个端部去除部分涂覆层裸露其芯线21；
模式变换光纤30为芯线模场直径小于或者大于输入/输出光纤20芯线模场直径的光纤芯线；
输入/输出光纤20的裸露芯线与模式变换光纤30熔接拉锥形成光纤模式变换区40；
与V型槽12数量一致且通过熔接拉锥的输入/输出光纤20与模式变换光纤30通过粘结剂有序排列粘接在基板10上，其中：
各光纤模式变换区40分别有序排列在基板10的平面区域11上或V型槽12内，各模式变换光纤20全部分别有序置于各V型槽12中。
从上述描述中，可以看出：
本实施例提供的光纤阵列结构，包括了基板、输入/输出光纤和模式变换光纤，基板的一个面分为台阶状的平面区域和V型槽区域，一个端部去除部分涂覆层裸露其芯线的输入/ 输出光纤与一段芯线模场直径小于或者大于输入/输出光纤芯线模场直径的模式变换光纤芯线熔接拉锥形成光纤模式变换区，与V型槽数量一致且通过熔接拉锥的输入/输出光纤与所述模式变换光纤，通过粘结剂有序排列粘接在基板上，且使其中的光纤模式变换区有序排列在基板的平面区域上或V型槽内、模式变换光纤部分或全部分别有序置于V型槽中；
如此形成的光纤阵列结构由于对普通单模光纤的端面光模场通过拉锥的方法逐渐改变其光模场，使拉锥后的光模场与硅光芯片输出波导的光模场尺寸匹配，因此，可大幅减少耦合损耗，提高耦合效率和光纤通讯的质量，实验证明，本实施例提供的光纤阵列结构其硅光芯片与光纤耦合的端面耦合损耗可以降低到0.5dB以内，获得了非常令人满意的结果。
本实施例提供的光纤阵列结构可以作进一步的改进，例如，可在上述光纤阵列结构上设置盖板。
如图1和图2所示：
盖板50的宽度与基板10的宽度一致，盖板50的长度不短于V型槽12的长度且不超过基板10的长度；
盖板50通过粘结剂覆盖贴合在粘接着模式变换光纤20和光纤模式变换区40的基板 10面上，且盖板50的一个端面与V型槽12所在一侧的基板10的端面对齐；
与盖板50同一面却未被盖板50覆盖的基板10面用粘结剂60覆盖。
通过设置盖板50，可对本实施例提供的光纤阵列结构中的模式变换光纤20和光纤模式变换区40进行更好的保护；
而且，与盖板50同一面却未被盖板50覆盖的基板10面用粘结剂60覆盖后，位于基板10面上一部分的输入/输出光纤以及输入/输出光纤去除部分涂覆层裸露出的芯线在固化的粘结剂60覆盖下也得到了更好地保护。
进一步的，盖板50其面对基板平面区域11的端面上可设置倒角51，倒角51位于盖板50与基板10贴合面的一侧，以便与粘结剂更好地结合。
倒角一般为45°。
在上述光纤阵列结构中，光纤模式变换区40可以设置在基板10的平面区域11上，通过固化的粘结剂60进行保护，也可以设置在V型槽12内，但是，较佳的，是将光纤模式变换区40安置在V型槽12内，通过V型槽12或过V型槽12及盖板50对光纤模式变换区40进行更为有效的保护，使得光纤阵列结构具有更好的可靠性。
进一步的，本实施例提供的光纤阵列结构，其基板10和/或盖板50，可分别用石英玻璃材质或者硅基材质板材制成。
实施例二
本实施例提供一种光纤阵列结构的制作方法。
一种光纤阵列结构的制作方法，包括如下步骤：
将一块矩形板的一个面分作台阶状的两个部分，其中的底层台阶加工成平面区域，其中的上层台阶开挖出与矩形板长度方向一致的至少一条V型槽，且V型槽的底部与平面区域在一个水平面上，以此作为基板；
在一根输入/输出光纤的一个端部去除部分涂覆层裸露其芯线；
截取一段芯线模场直径小于或者大于输入/输出光纤芯线模场直径的光纤芯线作为模式变换光纤；
将输入/输出光纤的裸露芯线与模式变换光纤进行熔接并拉锥形成光纤模式变换区；
将通过熔接拉锥其数量与V型槽数量一致的输入/输出光纤与模式变换光纤分别通过粘结剂有序排列粘接在基板上，其中：
各光纤模式变换区分别有序排列在基板的平面区域上或V型槽内，各模式变换光纤部分或全部分别有序置于各V型槽中，即完成光纤阵列结构的制作。
通过上述描述可以看出：
由于实际生产中，硅光芯片和模式变换后的光纤进行直接耦合及粘结固定非常困难，因而很难进行实际应用；
而本发明提供的光纤阵列结构及其制作方法，通过硅光芯片波导与小芯径模式变换光纤耦合、小芯径模式变换光纤与普通单模输入/输出光纤通过模式变换耦合这样两级耦合的方法，实现模场尺寸的逐级匹配，就可有效减少光纤与硅光芯片的端面耦合损耗，提高耦合效率，实现了普通单模输入/输出光纤的模场直径逐步变换后与硅光芯片波导耦合，使得硅光芯片的低损耗耦合封装成为了现实。
通过上述制作方法获得光纤阵列结构，过程简单、方便，产品工作可靠、性能稳定、耦合损耗低、通讯质量好。
进一步的，本实施例还提供了一种具有盖板的光纤阵列结构的制作方法，其中：
盖板的制作及盖板的使用包括了如下步骤：
用一宽度与基板一致、长度不短于V型槽的长度且不超过基板长度的矩形平板制成盖板；或
取一宽度与基板一致、长度不短于V型槽的长度且不超过基板长度的矩形平板，在矩形平板面对平面区域且与基板贴合的端面上设置倒角，倒角为45°，以此制成盖板；
将盖板通过粘结剂覆盖贴合在粘接着模式变换光纤和光纤模式变换区的基板面上，且盖板的一个端面与V型槽所在一侧的基板的端面对齐；
与盖板同一面却未被盖板覆盖的基板面用粘结剂覆盖，即可完成具有盖板得光纤阵列结构的制作。
进一步的，光纤阵列结构的制作方法中，还包括了如下步骤：
对V型槽、输入/输出光纤和模式变换光纤的端面进行研磨抛光，使V型槽、述输入/输出光纤和模式变换光纤的端面形成确定角度的抛光面；或
对V型槽、输入/输出光纤、模式变换光纤和盖板的端面进行研磨抛光，使V型槽、输入/输出光纤、模式变换光纤和盖板的端面形成确定角度的抛光面。
综上所述，可以看出：
本发明实施例提供的一种光纤阵列结构及其制作方法，设计新颖独特，制作使用方便，光纤阵列结构工作可靠、稳定性高、耦合损耗低、通讯质量好，实验证明，硅光芯片与光纤耦合的端面耦合损耗可以降低到0.5dB以内，因此，极具推广和应用价值。
在上述说明书的描述过程中：
术语“本实施例”、“本发明实施例”、“如……所示”、“进一步的”、“作为一种可选的技术方案”等的描述，意指该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中；
在本说明书中，对上述术语的示意性表述不是必须针对相同的实施例或示例，而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点等可以在任意一个或者多个实施例或示例中以合适的方式结合或组合；
此外，在不产生矛盾的前提下，本领域的普通技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合或组合。
最后应说明的是：
以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非是对其的限制，尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，本领域技术人员根据本说明书内容所做出的非本质改进和调整或者替换，均属本发明所要求保护的范围。
Claims (8)
1.一种光纤阵列结构，其特征在于，包括：
基板、输入/输出光纤和模式变换光纤；其中：
所述基板为矩形板，所述矩形板中的一个面分为台阶状的两个部分，其中的底层台阶为平面区域，其中的上层台阶开挖有与所述矩形板长度方向一致的至少一条V型槽，且所述V型槽的底部与所述平面区域在一个水平面上；
所述输入/输出光纤的一个端部去除部分涂覆层裸露其芯线；
所述模式变换光纤为芯线模场直径小于或者大于所述输入/输出光纤芯线模场直径的光纤芯线；
所述输入/输出光纤的裸露芯线与所述模式变换光纤熔接拉锥形成光纤模式变换区；
与所述V型槽数量一致且通过熔接拉锥的所述输入/输出光纤与所述模式变换光纤通过粘结剂有序排列粘接在所述基板上，其中：
各所述光纤模式变换区分别有序排列在所述基板的平面区域上或V型槽内，各所述模式变换光纤部分或全部分别有序置于各所述V型槽中。
2.根据权利要求1所述的光纤阵列结构，其特征在于：
还包括盖板；
所述盖板其宽度与所述基板的宽度一致，所述盖板其长度不短于所述V型槽的长度且不超过所述基板的长度；
所述盖板通过粘结剂覆盖贴合在粘接着所述模式变换光纤和所述光纤模式变换区的所述基板面上，且所述盖板的一个端面与所述V型槽所在一侧的所述基板的端面对齐；
与所述盖板同一面却未被所述盖板覆盖的所述基板面用所述粘结剂覆盖。
3.根据权利要求2所述的光纤阵列结构，其特征在于：
所述盖板其位于所述基板平面区域的端面上设有倒角，所述倒角位于所述盖板与所述基板贴合面的一侧。
4.根据权利要求3所述的光纤阵列结构，其特征在于：所述倒角为45°。
5.根据权利要求1或2所述的光纤阵列结构，其特征在于：所述基板和/或所述盖板，分别用石英玻璃材质或者硅基材质板材制成。
6.一种光纤阵列结构的制作方法，其特征在于，包括如下步骤：
将一块矩形板的一个面分作台阶状的两个部分，其中的底层台阶加工成平面区域，其中的上层台阶开挖出与所述矩形板长度方向一致的至少一条V型槽，且所述V型槽的底部与所述平面区域在一个水平面上，以此作为基板；
在一根输入/输出光纤的一个端部去除部分涂覆层裸露其芯线；
截取一段芯线模场直径小于或者大于所述输入/输出光纤芯线模场直径的光纤芯线作为模式变换光纤；
将所述输入/输出光纤的裸露芯线与所述模式变换光纤进行熔接并拉锥形成光纤模式变换区；
将通过熔接拉锥其数量与所述V型槽数量一致的所述输入/输出光纤与所述模式变换光纤分别通过粘结剂有序排列粘接在所述基板上，其中：
各所述光纤模式变换区分别有序排列在所述基板的平面区域上或V型槽内，各所述模式变换光纤部分或全部分别有序置于各所述V型槽中，即完成所述光纤阵列结构的制作。
7.根据利要求6所述的光纤阵列结构的制作方法，其特征在于，还包括如下步骤：
用一宽度与所述基板一致、长度不短于所述V型槽的长度且不超过所述基板长度的矩形平板制成盖板；或
取一宽度与所述基板一致、长度不短于所述V型槽的长度且不超过所述基板长度的矩形平板，在所述矩形平板面对所述平面区域且与所述基板贴合的端面上设置倒角，所述倒角为45°，以此制成盖板；
将所述盖板通过粘结剂覆盖贴合在粘接着所述模式变换光纤和所述光纤模式变换区的所述基板面上，且所述盖板的一个端面与所述V型槽所在一侧的所述基板的端面对齐；
与所述盖板同一面却未被所述盖板覆盖的所述基板面用所述粘结剂覆盖，即完成所述光纤阵列结构的制作。
8.根据利要求6或7所述的光纤阵列结构的制作方法，其特征在于，还包括如下步骤：
对所述V型槽、所述输入/输出光纤和所述模式变换光纤的端面进行研磨抛光，使所述V型槽、所述述输入/输出光纤和所述模式变换光纤的端面形成确定角度的抛光面；或
对所述V型槽、所述输入/输出光纤、所述模式变换光纤和所述盖板的端面进行研磨抛光，使所述V型槽、所述输入/输出光纤、所述模式变换光纤和所述盖板的端面形成确定角度的抛光面。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113959952A (zh) * | 2021-12-21 | 2022-01-21 | 中山大学 | 一种光声探测芯片与光纤端面的防水封装结构及方法 |
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2020
- 2020-08-27 CN CN202010876326.6A patent/CN112051642A/zh active Pending
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