CN113281860A - 一种光电集成电路板通信系统 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光电技术领域，公开了一种光电集成电路板通信系统，包括vcsel激光发射器、光电电路板、光波导器件和光电转换器件；光波导器件包括第一垂直耦合结构、信道波导和第二垂直耦合结构；第一垂直耦合结构包括第一入射平面和第一反射平面，且两平面夹角控制在44.7°‑46.5°的范围内；第二垂直耦合结构包括第二反射平面和第二入射平面，且两平面之间的夹角控制在44.7°‑46.5°的范围内。本发明解决了现有技术中光束传输效率较低、激光与光波导器件的耦合效率较低的问题，能够极大地提升传输效率、使得耦合效率最大化。

Description

一种光电集成电路板通信系统
技术领域
本发明属于光电技术领域，更具体地，涉及一种光电集成电路板通信系统。
背景技术
在数据流量日益庞大和快速的今天，高端电子系统中使用纯电子电路印制板将不能满足长线路、高密度和高功率的需要，采用在电子装置内导入光电子电路组装技术是当务之急。为此，一种新的带光互连层的印制板技术——光电印制电路板发展形成。光电印制板是由传统的PCB层和光波导层叠层压合而成，它是将光与电整合，以光作为信号传输，以电进行运算的新一代高速运算所需的封装基板，将目前发展的非常成熟的印制电路板加上一层光导层，使得线路板的使用由现有的电连接技术延伸到光传输领域。
光电印制板通常是在基板上形成光波导层，采用激光成像或曝光菲林形成光互连图形，然后经特殊显影液(水溶性显影液)显影去掉未成像部分光波导层，形成含有光波导互连图形的内层芯板，然后将含光波导层的芯板和含电路层的芯板压合在一起形成成品PCB。因此，光电印制板制作有两个核心工艺：一是光波导层制作；二是光波导层与铜导线路层的压合。
目前，大多数光波导器件制作工艺复杂、程序繁琐、集成度不高、通用性较差，光束传输效率低、激光与光波导器件的耦合效率较低。因此，提供一种对现有工艺兼容、制作高效、通用性好、使得光束传输效率高、与激光耦合效率高，且能实现器件集成化的光波导器件成为当前需要解决的技术问题。
发明内容
本发明通过提供一种光电集成电路板通信系统，解决现有技术中光束传输效率较低、激光与光波导器件的耦合效率较低的问题。
本发明提供一种光电集成电路板通信系统，包括：vcsel激光发射器、光电电路板、光波导器件和光电转换器件；
所述光波导器件包括第一垂直耦合结构、信道波导和第二垂直耦合结构；所述第一垂直耦合结构包括第一入射平面和第一反射平面，所述第一入射平面与所述第一反射平面之间的夹角控制在44.7°-46.5°的范围内；所述第二垂直耦合结构包括第二反射平面和第二入射平面，所述第二入射平面与所述第二反射平面之间的夹角控制在44.7°-46.5°的范围内；
所述光波导器件可拆卸地安装在所述光电电路板上，所述vcsel激光发射器发射的光束首先入射并穿过所述第一入射平面，然后经所述第一反射平面反射后进入所述信道波导，经所述信道波导后输出的光束经所述第二反射平面反射并穿过所述第二入射平面，最终所述光束到达所述光电转换器件。
优选的，所述光电集成电路板通信系统还包括：第一准直透镜；所述第一准直透镜设置在所述vcsel激光发射器与所述第一垂直耦合结构之间；
所述vcsel激光发射器发射的光束经过所述第一准直透镜聚焦后，焦点的中心在所述第一反射平面的聚焦位置控制在所述第一反射平面中心位置对所述第一入射平面投影位置的±2μm范围内。
优选的，所述vcsel激光发射器发射的光束的光斑直径控制在所述光波导器件宽度的60％-100％范围内。
优选的，所述光波导器件的宽度和高度相同。
优选的，所述光波导器件采用SU8胶在二氧化硅衬底上制作而成，所述光波导器件采用空气包层。
优选的，所述信道波导采用级联型环形器上下路器；所述级联型环形器上下路器包含上输入波导、环形器和下输出波导；多个所述环形器的大小各不相同，用于实现不同波段光源的分段输出。
优选的，所述信道波导采用光分路器或分路放大器。
优选的，所述信道波导采用阵列波导光栅或波导光栅传感器。
优选的，所述光电集成电路板通信系统还包括：第二准直透镜；所述第二准直透镜设置在所述第二垂直耦合结构与所述光电转换器件之间，所述第二准直透镜用于对穿过所述第二入射平面出射的光束进行聚焦。
本发明中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：
在发明中，将光波导器件中第一垂直耦合结构的第一入射平面与第一反射平面之间的夹角控制在44.7°-46.5°的范围内，将光波导器件中第二垂直耦合结构的第二入射平面与第二反射平面之间的夹角控制在44.7°-46.5°的范围内，通过夹角的控制能够保证光束传播损耗达到最小，能够极大地提升传输效率。此外，结合vcsel激光发射器发射的光斑直径控制与焦点中心控制，能够使得激光与光波导器件的耦合效率最大化，可确保耦合效率在75％以上。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种光电集成电路板通信系统的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种光电集成电路板通信系统中光波导器件的平面结构示意图；
图3为本发明实施例提供的一种光电集成电路板通信系统中光波导器件的立体结构示意图；
图4为本发明实施例提供的级联型环形器上下路器的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的光波导器件的仿真结果示意图；
图6为激光与光波导器件垂直耦合中空间位置偏差的三种形式；
图7为激光光束与45°耦合结构的中心耦合时，在三维方向上出现偏差对耦合效率影响的仿真图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面将结合说明书附图以及具体的实施方式对上述技术方案进行详细的说明。
本实施例提供了一种光电集成电路板通信系统，包括：包括：vcsel激光发射器、光电电路板、光波导器件和光电转换器件。
所述光波导器件包括第一垂直耦合结构、信道波导和第二垂直耦合结构；所述第一垂直耦合结构包括第一入射平面和第一反射平面，所述第一入射平面与所述第一反射平面之间的夹角控制在44.7°-46.5°的范围内；所述第二垂直耦合结构包括第二反射平面和第二入射平面，所述第二入射平面与所述第二反射平面之间的夹角控制在44.7°-46.5°的范围内。
所述光波导器件可拆卸地安装在所述光电电路板上，所述vcsel激光发射器发射的光束首先入射并穿过所述第一入射平面，然后经所述第一反射平面反射后进入所述信道波导，经所述信道波导后输出的光束经所述第二反射平面反射并穿过所述第二入射平面，最终所述光束到达所述光电转换器件。
所述vcsel激光发射器发射的光束的光斑直径控制在所述光波导器件宽度的60％-100％范围内。
此外，所述光电集成电路板通信系统还可包括：第一准直透镜；所述第一准直透镜设置在所述vcsel激光发射器与所述第一垂直耦合结构之间。所述vcsel激光发射器发射的光束经过所述第一准直透镜聚焦后，焦点的中心在所述第一反射平面的聚焦位置控制在所述第一反射平面中心位置对所述第一入射平面投影位置的±2μm范围内。
此外，所述光电集成电路板通信系统还可包括：第二准直透镜；所述第二准直透镜设置在所述第二垂直耦合结构与所述光电转换器件之间，所述第二准直透镜用于对穿过所述第二入射平面出射的光束进行聚焦。
下面对本发明做进一步的说明。
本申请实施例提供一种光电集成电路板通信系统，如图1所示，包括依次连接的vcsel激光发射器11、第一准直透镜12、光电电路板13、光波导器件14、第二准直透镜15、光电转换器件16。
其中，所述光波导器件14可采用SU8胶在二氧化硅衬底上制作而成，所述光波导器件14采用空气包层。
如图3所示，所述光波导器件包含第一入射平面31、第一反射平面32、信道波导33、第二反射平面34、第二入射平面35。所述第一入射平面31与所述第一反射平面32之间的夹角控制在44.7°-46.5°的范围内；所述第二入射平面35与所述第二反射平面34之间的夹角控制在44.7°-46.5°的范围内；将夹角控制在这个范围之内能够保证光束传播损耗达到最小，极大的提升传输效率。
所述光波导器件的宽度(进给深度)和高度均相同，能够保证角度控制在44.7°-46.5°之内时，耦合效率最大化。
所述信道波导可以采用多种形式，包括但不限于光分路器、阵列波导光栅、级联型环形器上下路器等。
例如，所述信道波导为级联型环形器上下路器结构，如图4所示。所述级联型环形器上下路器包含上输入波导41、环形器42以及下输出波导43；所述级联型环形器上下路器能够将光波分成多个波段，分别输出；所述级联型环形器上下路器中的所述环形器42为多个，分别记为：a1,a2…an；多个所述环形器42的大小各不相同，从而实现不同波段光源的分段输出。
所述vcsel激光发射器发射的光束的光斑直径控制在所述光波导器件宽度的60％-100％范围内。图5的仿真结果表示，在光斑直径小于光波导宽度的60％或者光斑直径大于光波导宽度的100％时，波导归一化功率急剧下降，因此将光束的光斑直径控制在光波导器件宽度的60％-100％能够使波导的光功率维持在一个较高的水平；图5的仿真是以光斑直径为10μm+d2的模拟结果，其中d2在±5μm范围内；横坐标坐标零点对应的光斑直径为10μm。
所述vcsel激光发射器发射的光束经过所述准直透镜聚焦后，焦点的中心在所述第一反射平面的聚焦位置控制在所述第一反射平面中心位置对所述第一入射平面投影位置的±2μm范围内。
本发明提供的所述光波导器件的结构具有通用性，结合vcsel激光发射器发射的光斑直径控制与焦点中心控制，能够使得激光与光波导器件的耦合效率最大化(耦合效率75％以上)。
此外，本发明中的所述光波导器件对应的具体种类很多，可以有有源的，也可以有无源的。无源的器件中可以有阵列波导光栅AWG、光分路器、微环波分复用器等。有源的可以有分路放大器等。还可以集成波导光栅传感器等。整个光电集成电路板可以是单向的，也可以是双向的，光路具有互易性。因此，本发明具有很好的通用性。
下面结合参数给出一个具体的实施例。
所述光波导器件的波导宽度和高度均为10μm(参看图2)、所述第一入射平面21与所述第一反射平面22所成夹角为45°、所述第二入射平面25与所述第二反射平面24所成夹角为45°。所述信道波导23的中心波长为1550nm，波长间隔为0.3nm，所述信道波导为级联型环形器上下路器结构，所述级联型环形器上下路器中含一个上输入信道波导，11个环形器a1,a2…a11以及11个下输出信道波导b1，b2…b11。
参看图1-图4，vcsel激光发射器发出一束以1550nm为中心波长光信号，首先经过准直透镜聚焦后，然后入射并穿过所述第一入射平面，之后经过所述第一反射平面反射，光信号进入光波导器件中心的所述信道波导，在进入所述信道波导后，光信号在上输入信道波导传输过程中发生衍射并与环形器发生耦合，不同波段的光信号耦合到对应环形器中，再经过下输出信道波导输出，输出的光信号的波长分别是1548.5nm、1548.8nm、1549.1nm、1549.4nm、1549.7nm、1550nm、1550.3nm、1550.6nm、1550.9nm、1551.2nm、1551.5nm。输出的光信号之后经过第二反射平面反射穿过第二入射平面后，再经准直透镜，进入对应的通道，随之光电转换器件接收到光信号信息，其中光电转换器件中集成了11个接收口，从而实现对不同波段信号的接收，从而实现在光电电路板中的传输作用，同时也实现了波长分配的作用。整个衍射耦合过程完全服从光栅衍射方程。
图6表示信道波导对应的垂直耦合的位置偏差，图6(a)代表了特定尺寸的光斑与45°耦合结构的距离，Δa表示特定尺寸的光斑与45°耦合结构的中心的距离；图6(b)代表了特定尺寸的光斑与45°耦合结构的中心的纵向对齐偏差，Δd表示特定尺寸的光斑与45°耦合结构的中心的纵向对齐偏差；图6(c)代表了特定尺寸的光斑与45°耦合结构的中心的横向对齐偏差，Δb表示特定尺寸的光斑与45°耦合结构的中心的横向对齐偏差。
图7反映了特定尺寸的光斑与45°耦合结构的中心耦合时，在三维方向上出现偏差对耦合效率的影响。从仿真结果，我们可以看到，Δa、Δd、Δb分别在±2μm范围内变化时，耦合效率基本上可以保持在80％以上，此时的耦合效率是最优的。因此，本发明中所述vcsel激光发射器发射的光束经过所述准直透镜聚焦后，焦点的中心在所述第一反射平面的聚焦位置控制在所述第一反射平面中心位置对所述第一入射平面投影位置的±2μm范围内，以保证获得高耦合效率。
本发明实施例提供的一种光电集成电路板通信系统至少包括如下技术效果：
(1)本发明将光波导器件中的第一入射平面与第一反射平面之间的夹角控制在44.7°-46.5°的范围内，将第二入射平面与第二反射平面之间的夹角控制在44.7°-46.5°的范围内，通过夹角的控制能够保证光束传播损耗达到最小，能够极大地提升传输效率；结合vcsel激光发射器发射的光斑直径控制与焦点中心控制，能够使得激光与光波导器件的耦合效率最大化，可确保耦合效率在75％以上。
(2)光波导器件安装在光电电路板上，光波导器件中的信道波导可以采用多种形式(光分路器、阵列波导光栅、级联型环形器上下路器等)，这就极大地增加了光波导器件的通用性。
(3)在二氧化硅衬底上使用SU8胶材料制成光波导器件，光波导器件采用空气包层。由于SU8胶的固有特性，使得其制成的光波导器件传输损耗小，传输效率高，由于采用空气包层，对应的加工方法简单，能够解决现有技术中光波导器件的制作过程复杂的问题。
(4)由于第一垂直耦合结构和第二垂直耦合结构的存在，能够实现器件的垂直互连，进而可以在光电集成电路板里面集成多层光波导器件或者在一层集成多种不同的光波导器件，实现不同的功能，因此本发明能够实现器件的高度集成化。
最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种光电集成电路板通信系统，其特征在于，包括：vcsel激光发射器、光电电路板、光波导器件和光电转换器件；
所述光波导器件包括第一垂直耦合结构、信道波导和第二垂直耦合结构；所述第一垂直耦合结构包括第一入射平面和第一反射平面，所述第一入射平面与所述第一反射平面之间的夹角控制在44.7°-46.5°的范围内；所述第二垂直耦合结构包括第二反射平面和第二入射平面，所述第二入射平面与所述第二反射平面之间的夹角控制在44.7°-46.5°的范围内；
所述光波导器件可拆卸地安装在所述光电电路板上，所述vcsel激光发射器发射的光束首先入射并穿过所述第一入射平面，然后经所述第一反射平面反射后进入所述信道波导，经所述信道波导后输出的光束经所述第二反射平面反射并穿过所述第二入射平面，最终所述光束到达所述光电转换器件。
2.根据权利要求1所述的光电集成电路板通信系统，其特征在于，还包括：第一准直透镜；所述第一准直透镜设置在所述vcsel激光发射器与所述第一垂直耦合结构之间；
所述vcsel激光发射器发射的光束经过所述第一准直透镜聚焦后，焦点的中心在所述第一反射平面的聚焦位置控制在所述第一反射平面中心位置对所述第一入射平面投影位置的±2μm范围内。
3.根据权利要求1所述的光电集成电路板通信系统，其特征在于，所述vcsel激光发射器发射的光束的光斑直径控制在所述光波导器件宽度的60％-100％范围内。
4.根据权利要求1所述的光电集成电路板通信系统，其特征在于，所述光波导器件的宽度和高度相同。
5.根据权利要求1所述的光电集成电路板通信系统，其特征在于，所述光波导器件采用SU8胶在二氧化硅衬底上制作而成，所述光波导器件采用空气包层。
6.根据权利要求1所述的光电集成电路板通信系统，其特征在于，所述信道波导采用级联型环形器上下路器；所述级联型环形器上下路器包含上输入波导、环形器和下输出波导；多个所述环形器的大小各不相同，用于实现不同波段光源的分段输出。
7.根据权利要求1所述的光电集成电路板通信系统，其特征在于，所述信道波导采用光分路器或分路放大器。
8.根据权利要求1所述的光电集成电路板通信系统，其特征在于，所述信道波导采用阵列波导光栅或波导光栅传感器。
9.根据权利要求1所述的光电集成电路板通信系统，其特征在于，还包括：第二准直透镜；所述第二准直透镜设置在所述第二垂直耦合结构与所述光电转换器件之间，所述第二准直透镜用于对穿过所述第二入射平面出射的光束进行聚焦。
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