CN112859238A - 一种光纤阵列与光波导无源端面耦合方法及装置 - Google Patents

一种光纤阵列与光波导无源端面耦合方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种光纤阵列与光波导无源端面耦合装置，包括玻璃板底座和玻璃推拉板两部分，所述玻璃推拉板上表面用粘合剂固定有光纤阵列，玻璃推拉板放置于玻璃板底座中，玻璃推拉板与玻璃板底座之间通过相互匹配的三角导销和三角导销槽连接，玻璃板底座两侧均设置有凸起的玻璃挡板，玻璃挡板上方用粘合剂固定有光波导芯片，玻璃板底座上设置有矩形槽，矩形槽的大小与固定导销相匹配，通过固定导销对整体结构进行固定。制作方法简单，成本低，安装对准操作简单，借助玻璃推拉板，并结合玻璃板底座上三个限位结构完成三维对准和紧固，结构紧凑稳定，可大幅提高无源耦合效率及装配一致性。

Description

一种光纤阵列与光波导无源端面耦合方法及装置
技术领域
本发明属于硅光电子领域，涉及一种光纤阵列与光波导无源端面耦合方法及装置。
背景技术
随着光电子集成芯片的高速发展，其设计与制作工艺不断完善，集成度不断提高，在实现大规模光电集成方面拥有巨大的潜力。但硅光子器件集成还有些关键技术需要突破，比如波导器件之间无法高效耦合的问题。其中，光纤(柱状波导)与平面光波导芯片耦合问题是硅基光电子集成技术中不可避免的关键技术之一。现有的耦合方法分为有源耦合和无源耦合两种，有源耦合大多采用六轴精密对准平台,严格控制光纤与平面光波导芯片的对准位姿及对准精度，通过输入光源后实时反馈输出光功率值判断是否对准，并进行胶封，但这种方法要求操作员具备一定的操作经验，设备昂贵且耗时较长。无源对准无需辅助光源，利用预先设定的对准标记或凹槽结构实现快速组装对准，操作简单且成本低。目前，存在耦合效率较低，一致性差等问题。因此提高无源对准装配效率以及结构的稳定性是光电大规模集成应用的关键问题。本发明提出一种基于玻璃推拉板结合三个限位结构完成光纤与平面光波导无源端面耦合结构，解决无源耦合时耦合效率较低，一致性差等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种光纤阵列与光波导无源端面耦合方法，该方案解决了现有技术中存在的无源对准装配效率较低以及结构不稳的问题。
本发明的目的还在于提供一种光纤阵列与光波导无源端面耦合装置。
本发明采用的技术方案为：
一种光纤阵列与光波导无源端面耦合装置，包括玻璃板底座和玻璃推拉板两部分，所述玻璃推拉板上表面用粘合剂固定有光纤阵列，玻璃推拉板放置于玻璃板底座中，玻璃推拉板与玻璃板底座之间通过相互匹配的三角导销和三角导销槽连接，玻璃板底座两侧均设置有凸起的玻璃挡板，玻璃挡板上方用粘合剂固定有光波导芯片，玻璃板底座上设置有矩形槽，矩形槽的大小与固定导销相匹配，通过固定导销对整体结构进行固定。
本发明的特点还在于：
一种光纤阵列与光波导无源端面耦合方法，应用一种光纤阵列与光波导无源端面耦合装置，具体包括如下步骤：
步骤1：利用线切割技术在两块玻璃板两侧对称切割出两个大小一致的矩形玻璃块，在此基础上一块玻璃板利用线切割技术切割出与三角导销槽相匹配的斜面成玻璃推拉板，另一块玻璃板上设置有玻璃挡板和三角导销槽成了玻璃板底座，再将矩形玻璃块线切割成固定导销；
步骤2：光纤阵列采用石英玻璃基板，并采用高精度V型槽定位控制光纤间距，将光纤固定排列在基板上V型槽中，用玻璃盖片将光纤固定后，最后进行紫外固化胶封装；将加工好的光纤阵列利用粘合剂固定于玻璃推拉板上表面，其中光纤阵列端面与玻璃推拉板上表面中三角导销的边线对齐；
步骤3：将固定好光纤阵列的玻璃推拉板放入玻璃板底座中，玻璃推拉板两侧的卡槽与玻璃板底座两侧的玻璃挡板宽度尺寸凹凸互补，实现光纤阵列与光波导芯片沿垂直于光纤阵列轴向的横向对准；
步骤4：将采用等离子交换技术加工制作的光波导芯片通过粘合剂固定于玻璃挡板上表面，其中光波导芯片端面与玻璃挡板上表面中三角导销槽的边线对齐；
步骤5：推动玻璃推拉板，将三角导销和三角导销槽对准连接，实现光纤阵列与光波导芯片沿垂直于光纤阵列轴向的纵向对准；将三角导销和三角导销槽对准后，玻璃推拉板两侧卡槽中留有一段与矩形槽以及固定导销宽度和长度一致的矩形凹槽，且矩形凹槽位于矩形槽正上方。
步骤6：将固定导销从侧面推入矩形槽完成推拉式对准结构的固定，此结构可实现光纤阵列与光波导芯片沿光纤阵列轴向的对准。
步骤7：将对准后的结构固化封胶。
步骤1中，固定导销整体长宽尺寸与矩形玻璃块一致，厚度上小于矩形玻璃块的厚度，且大于玻璃板底座的厚度。
玻璃挡板与卡槽组成卡槽结构，玻璃板底座上方的玻璃挡板与玻璃推拉板中卡槽宽度尺寸互补匹配。
玻璃推拉板上的三角导销和玻璃板底座上的三角导销槽组成三角导销结构，其中三角导销和三角导销槽凹凸互补。
矩形槽、卡槽与固定导销的形状相互匹配，固定导销放入后形成固定结构。
玻璃推拉板的厚度与玻璃挡板的厚度相同；所述玻璃推拉板两侧卡槽为直角梯形柱形状，直角梯形截面上底尺寸大于玻璃挡板上表面平行于直角梯形截面上底的边的尺寸，保证玻璃推拉板可以放入玻璃板底座中。
本发明的有益效果是：
本发明提供的是一种光纤阵列与光波导无源端面耦合对准结构，制作方法简单，成本低，安装对准操作简单，借助玻璃推拉板，并结合玻璃板底座上三个限位结构完成三维对准和紧固，结构紧凑稳定，可大幅提高无源耦合效率及装配一致性。
附图说明
图1是本发明所述光纤阵列与光波导无源端面耦合装置整体结构图；
图2是图1所示光纤阵列与光波导无源端面耦合装置各部分切割过程示意图；
图3是将光纤阵列固定于玻璃推拉板上表面示意图；
图4是将图3结构放入玻璃板底座示意图；
图5是光波导芯片固定于图4结构中玻璃挡板上表面示意图；
图6是将图5结构中玻璃推拉板与玻璃板底座对准连接示意图；
图7是对准固定后的光纤阵列与光波导无源端面耦合装置整体结构图。
其中：1.玻璃板、2.矩形玻璃块、3.玻璃推拉板、4.玻璃板底座、5.固定导销、6.玻璃挡板、7.卡槽、8.三角导销、9.三角导销槽、10.矩形槽、11.光纤阵列、12.光波导芯片。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
一种光纤阵列与光波导无源端面耦合装置，包括玻璃板底座4和玻璃推拉板3两部分，所述玻璃推拉板3上表面用粘合剂固定有光纤阵列11，玻璃推拉板3放置于玻璃板底座4中，玻璃推拉板3与玻璃板底座4之间通过相互匹配的三角导销8和三角导销槽9连接，玻璃板底座4两侧均设置有凸起的玻璃挡板6，玻璃挡板6上方用粘合剂固定有光波导芯片12，玻璃板底座4上设置有矩形槽10，矩形槽10的大小与固定导销5相匹配，通过固定导销5对整体结构进行固定。
一种光纤阵列与光波导无源端面耦合方法，应用一种光纤阵列与光波导无源端面耦合装置，具体包括如下步骤：
步骤1：利用线切割技术在两块玻璃板1两侧对称切割出两个大小一致的矩形玻璃块2，在此基础上一块玻璃板1利用线切割技术切割出与三角导销槽9相匹配的斜面成玻璃推拉板3，另一块玻璃板1上设置有玻璃挡板6和三角导销槽9成了玻璃板底座4，再将矩形玻璃块2线切割成固定导销5；
步骤2：光纤阵列11采用石英玻璃基板，并采用高精度V型槽定位控制光纤间距，将光纤固定排列在基板上V型槽中，用玻璃盖片将光纤固定后，最后进行紫外固化胶封装；将加工好的光纤阵列11利用粘合剂固定于玻璃推拉板3上表面，其中光纤阵列11端面与玻璃推拉板3上表面中三角导销8的边线对齐；
步骤3：将固定好光纤阵列11的玻璃推拉板3放入玻璃板底座4中，玻璃推拉板3两侧的卡槽7与玻璃板底座4两侧的玻璃挡板6宽度尺寸凹凸互补，实现光纤阵列11与光波导芯片12沿垂直于光纤阵列11轴向的横向对准；
步骤4：将采用等离子交换技术加工制作的光波导芯片12通过粘合剂固定于玻璃挡板6上表面，其中光波导芯片12端面与玻璃挡板6上表面中三角导销槽9的边线对齐；
步骤5：推动玻璃推拉板3，将三角导销8和三角导销槽9对准连接，实现光纤阵列11与光波导芯片12沿垂直于光纤阵列11轴向的纵向对准；将三角导销8和三角导销槽9对准后，玻璃推拉板3两侧卡槽7中留有一段与矩形槽10以及固定导销5宽度和长度一致的矩形凹槽，且矩形凹槽位于矩形槽10正上方。
步骤6：将固定导销5从侧面推入矩形槽10完成推拉式对准结构的固定，此结构可实现光纤阵列11与光波导芯片12沿光纤阵列轴向的对准。
步骤7：将对准后的结构固化封胶。
步骤1中，固定导销5整体长宽尺寸与矩形玻璃块2一致，厚度上小于矩形玻璃块2的厚度，且大于玻璃板底座4的厚度。
玻璃挡板6与卡槽7组成卡槽结构，玻璃板底座4上方的玻璃挡板6与玻璃推拉板3中卡槽7宽度尺寸互补匹配。
玻璃推拉板3上的三角导销8和玻璃板底座4上的三角导销槽9组成三角导销结构，其中三角导销8和三角导销槽9凹凸互补。
矩形槽10、卡槽7与固定导销5的形状相互匹配，固定导销5放入后形成固定结构。
玻璃推拉板3的厚度与玻璃挡板6的厚度相同；所述玻璃推拉板3两侧卡槽7为直角梯形柱形状，直角梯形截面上底尺寸大于玻璃挡板6上表面平行于直角梯形截面上底的边的尺寸，保证玻璃推拉板3可以放入玻璃板底座4中。
本发明提供了一种光纤阵列与光波导无源端面耦合方法及装置，整体安装结构如图1所示，其中光纤阵列与光波导无源端面耦合装置主要包括玻璃板底座4和玻璃推拉板3两部分，其中光纤阵列11利用粘合剂固定于玻璃推拉板3上表面，玻璃推拉板3放置于玻璃板底座4中，光波导芯片12利用粘合剂固定于玻璃板底座4两侧凸起的玻璃挡板6上，最后利用固定导销5对整体结构进行固定。
一种光纤阵列与光波导无源端面耦合方法的具体包括如下步骤：
步骤一：如图2所示，利用线切割技术沿玻璃板1表面粗虚线表示的刻线对称切割出两个大小一致的矩形玻璃块2，在此基础上利用线切割技术沿玻璃板1表面细虚线表示的刻线切割出玻璃推拉板3和玻璃板底座4，再将矩形玻璃块2线切割成固定导销5。
其中固定导销5整体长宽尺寸与矩形玻璃块2一致，厚度上小于矩形玻璃块2的厚度，且大于玻璃板底座4中与玻璃推拉板3下表面贴合的面到玻璃板底座4下表面的厚度。
其中玻璃板底座4与玻璃推拉板3中设有三个限位结构。一是玻璃挡板6与卡槽7组成的卡槽结构，玻璃板底座4两侧凸起的部分为玻璃挡板6，与玻璃推拉板3中卡槽7宽度尺寸互补匹配，玻璃推拉板3的厚度与玻璃挡板6的厚度相同。所述玻璃推拉板3两侧卡槽7为直角梯形柱形状，直角梯形截面上底尺寸大于玻璃挡板6上表面平行于直角梯形截面上底的边的尺寸，保证玻璃推拉板3可以放入玻璃板底座4中。二是由玻璃推拉板3上的三角导销8和玻璃板底座4上的三角导销槽9组成的三角导销结构，其中三角导销8和三角导销槽9凹凸互补。三是由矩形槽10、卡槽7以及固定导销5组成的整体装置的固定结构。
步骤二：光纤阵列11采用石英玻璃基板，并通过高精度V型槽定位控制光纤间距，将光纤固定排列在基板上V型槽中,用玻璃盖片将光纤固定后，最后进行紫外固化胶封装。如图3所示，将加工好的光纤阵列11利用粘合剂固定于玻璃推拉板3上表面，其中光纤阵列11端面与玻璃推拉板3上表面中三角导销8的边线对齐。
步骤三：如图4所示，将固定好光纤阵列11的玻璃推拉板3放入玻璃板底座4中，玻璃推拉板3两侧的卡槽7与玻璃板底座4两侧的玻璃挡板6宽度尺寸凹凸互补，可实现光纤阵列11与光波导芯片12沿垂直于光纤阵列11轴向的横向对准。
步骤四：如图5所示，将采用等离子交换技术加工制作的光波导芯片12通过粘合剂固定于玻璃挡板6上表面，其中光波导芯片12端面与玻璃挡板6上表面中三角导销槽9的边线对齐。
步骤五：如图6所示，推动玻璃推拉板3，将三角导销8和三角导销槽9对准连接，此结构可实现光纤阵列11与光波导芯片12沿垂直于光纤阵列11轴向的纵向对准。将三角导销8和三角导销槽9对准后，玻璃推拉板3两侧卡槽7中留有一段与矩形槽10以及固定导销5宽度和长度一致的矩形凹槽，且矩形凹槽位于矩形槽10正上方。
步骤六：将固定导销5从侧面推入矩形槽10完成推拉式对准结构的固定，此结构可实现光纤阵列11与光波导芯片12沿光纤阵列轴向的对准，对准后的结构如图7所示。
步骤七：将对准后的结构固化封胶。
实施例：
光纤阵列11采用石英玻璃基板，基板上刻有16个V型槽,V型槽中心间距为250μm，将裸露的光纤固定排列在V型槽上,用玻璃盖片将光纤固定后，最后进行紫外固化胶封装。加工好的光纤阵列11宽度为5000μm，每根纤芯中心距光纤阵列11下表面高度为300μm。
通过离子交换技术制作玻璃光波导芯片12，波导通道为16条，相邻波导中心间距为250μm，整体宽度5000μm。光波导芯片12波导通道水平中心到光波导芯片12下表面的距离为300μm。
在一块厚3000μm宽5000μm的玻璃板1上通过激光刻蚀技术刻蚀出两个矩形块切割线，通过精密线切割技术切割出两个矩形玻璃块2，矩形玻璃块2厚度为3000μm,再将矩形玻璃块2切割成带有锥尖的固定导销5，固定导销5厚度为2500μm,沿光纤阵列轴向方向长度为2000μm，整体宽度为1000μm,锥尖部分宽度为400μm。然后通过激光刻蚀技术刻蚀出玻璃板底座4和玻璃推拉板3切割线并进行线切割。其中玻璃推拉板3的厚度为1500μm,玻璃板底座4与玻璃推拉板3的下表面贴合部分距离玻璃板底座4下表面厚度为1500μm,玻璃板底座4两侧凸起的玻璃挡板6的厚度为1500μm，沿垂直于光纤阵列轴向横向宽度为1000μm，上表面沿光纤阵列轴向边长为3000μm。下方三角导销槽9向内凹陷长度为1000μm。卡槽7梯形截面上底尺寸为4000μm,下底尺寸为5000μm。玻璃推拉板3中三角导销结构6向前凸出长度为1000μm，与玻璃挡板6中的三角导销槽9尺寸相匹配。
将加工好的光纤阵列11用UV光固化粘合剂固定于玻璃推拉板上表面，光纤阵列11端面与玻璃推拉板3上表面中三角导销8的边线对齐。将固定有光纤阵列11的玻璃推拉板3放入玻璃板底座4中，将玻璃光波导芯片12用UV光固化粘合剂固定于玻璃挡板6上表面，其固定高度与光纤阵列11一致，芯片端面与玻璃挡板6上表面中三角导销槽9的边线对齐。
推动玻璃推拉板3，将三角导销8和三角导销槽9对准后，再将固定导销5从推拉对准结构侧面推入，完成整体结构的固定。最后进行紫外胶固化封装。
以上所述具体实例实施方式是对本发明的解释说明，并非对本发明做任何限制，本发明的应用范围并不限于具体实施方式，依照本发明做出的任何改动，均包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种光纤阵列与光波导无源端面耦合装置，其特征在于，包括玻璃板底座(4)和玻璃推拉板(3)两部分，所述玻璃推拉板(3)上表面用粘合剂固定有光纤阵列(11)，玻璃推拉板(3)放置于玻璃板底座(4)中，玻璃推拉板(3)与玻璃板底座(4)之间通过相互匹配的三角导销(8)和三角导销槽(9)连接，玻璃板底座(4)两侧均设置有凸起的玻璃挡板(6)，玻璃挡板(6)上方用粘合剂固定有光波导芯片(12)，玻璃板底座(4)上设置有矩形槽(10)，矩形槽(10)的大小与固定导销(5)相匹配，通过固定导销(5)对整体结构进行固定。
2.一种光纤阵列与光波导无源端面耦合方法，其特征在于，应用一种光纤阵列与光波导无源端面耦合装置，具体包括如下步骤：
步骤1：利用线切割技术在两块玻璃板(1)两侧对称切割出两个大小一致的矩形玻璃块(2)，在此基础上一块玻璃板(1)利用线切割技术切割出与三角导销槽(9)相匹配的斜面成玻璃推拉板(3)，另一块玻璃板(1)上设置有玻璃挡板(6)和三角导销槽(9)成了玻璃板底座(4)，再将矩形玻璃块(2)线切割成固定导销(5)；
步骤2：光纤阵列(11)采用石英玻璃基板，并采用高精度V型槽定位控制光纤间距，将光纤固定排列在基板上V型槽中，用玻璃盖片将光纤固定后，最后进行紫外固化胶封装；将加工好的光纤阵列(11)利用粘合剂固定于玻璃推拉板(3)上表面，其中光纤阵列(11)端面与玻璃推拉板(3)上表面中三角导销(8)的边线对齐；
步骤3：将固定好光纤阵列(11)的玻璃推拉板(3)放入玻璃板底座(4)中，玻璃推拉板(3)两侧的卡槽(7)与玻璃板底座(4)两侧的玻璃挡板(6)宽度尺寸凹凸互补，实现光纤阵列(11)与光波导芯片(12)沿垂直于光纤阵列(11)轴向的横向对准；
步骤4：将采用等离子交换技术加工制作的光波导芯片(12)通过粘合剂固定于玻璃挡板(6)上表面，其中光波导芯片(12)端面与玻璃挡板(6)上表面中三角导销槽(9)的边线对齐；
步骤5：推动玻璃推拉板(3)，将三角导销(8)和三角导销槽(9)对准连接，实现光纤阵列(11)与光波导芯片(12)沿垂直于光纤阵列(11)轴向的纵向对准；将三角导销(8)和三角导销槽(9)对准后，玻璃推拉板(3)两侧卡槽(7)中留有一段与矩形槽(10)以及固定导销(5)宽度和长度一致的矩形凹槽，且矩形凹槽位于矩形槽(10)正上方。
步骤6：将固定导销(5)从侧面推入矩形槽(10)完成推拉式对准结构的固定，此结构可实现光纤阵列(5)与光波导芯片(12)沿光纤阵列轴向的对准。
步骤7：将对准后的结构固化封胶。
3.根据权利要求2所述的一种光纤阵列与光波导无源端面耦合方法，其特征在于，所述步骤1中，固定导销(5)整体长宽尺寸与矩形玻璃块(2)一致，厚度上小于矩形玻璃块(2)的厚度，且大于玻璃板底座(4)的厚度。
4.根据权利要求2所述的一种光纤阵列与光波导无源端面耦合方法，其特征在于，所述玻璃挡板(6)与卡槽(7)组成卡槽结构，玻璃板底座(4)上方的玻璃挡板(6)与玻璃推拉板(3)中卡槽(7)宽度尺寸互补匹配。
5.根据权利要求2所述的一种光纤阵列与光波导无源端面耦合方法，其特征在于，所述玻璃推拉板(3)上的三角导销(8)和玻璃板底座(4)上的三角导销槽(9)组成三角导销结构，其中三角导销(8)和三角导销槽(9)凹凸互补。
6.根据权利要求2所述的一种光纤阵列与光波导无源端面耦合方法，其特征在于，所述矩形槽(10)、卡槽(7)与固定导销(5)的形状相互匹配，固定导销(5)放入后形成固定结构。
7.根据权利要求2所述的一种光纤阵列与光波导无源端面耦合方法，其特征在于，所述玻璃推拉板(3)的厚度与玻璃挡板(6)的厚度相同；所述玻璃推拉板(3)两侧卡槽(7)为直角梯形柱形状，直角梯形截面上底尺寸大于玻璃挡板(6)上表面平行于直角梯形截面上底的边的尺寸，保证玻璃推拉板(3)可以放入玻璃板底座(4)中。
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