CN114252966A - 用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光耦合器件技术领域，具体为一种用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器及其制备方法。本发明多芯光纤芯片耦合器包括：具有第一芯片间距的光芯片阵列，具有第二纤芯间距的多芯光纤，所述多芯光纤一端未处理，另一端具有锥形过渡区和反向拉锥腰区结构，所述锥形过渡区和反向拉锥腰区结构是通过直接对多芯光纤在高温下反向拉锥后，在反向拉锥结构腰区居中切割得到的。通过调整拉锥参数，得到的反向拉锥腰区结构端可以实现纤芯间距的连续可调，直到与光芯片阵列达到波导匹配。本发明提出的用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器及其制备方法，可以简单有效地实现不同多芯光纤与光芯片阵列的耦合，解决光互连系统中光纤与光芯片高密度耦合的难题。

Description

用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器及其制备方法
技术领域
本发明属于光耦合器件技术领域，具体涉及一种适用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器及其制备方法。
背景技术
伴随5G时代流量需求爆发增长，带动全球互联网数据中心高速发展，大量数据需要进行高速传输和处理。为了克服未来数据中心以及片上集成光子系统的容量需求，光互连被认为是一种很有前途的技术。然而，使用传统单芯光纤或带状光纤的光互连模块可能难以满足更大容量数据高速传输的要求。为了应对下一代超大规模短距离光互连中数据量需求的指数式增长，基于多芯光纤的光互连配置有望解决这一问题。相比传统的单芯光纤，多芯光纤可以在单个包层中包含多个纤芯，因此为了有效利用多芯光纤的高密度信道，亟需发展一种适用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器。
在保证相邻纤芯的串扰较低的情况下，为了最大限度地提高纤芯数，多芯光纤的纤芯间距都较小，而对于集成光芯片阵列如VCSEL阵列，其阵列间距一般为上百微米，使得无法实现完全匹配耦合。对此，目前的一个方案是利用多芯光纤的隔芯对准耦合，即每两个或者多个纤芯只耦合一个芯片波导，然而这将大大降低了多芯光纤高密度信道利用率。为了解决因多芯光纤纤芯间距与光芯片阵列间距不匹配导致的光耦合困难的问题，需要发展一种适用于光芯片阵列高密度耦合的多芯光纤芯片耦合器。
发明内容
本发明的目的是克服现有光耦合技术存在的高密度信道利用率不足的缺陷，提供一种低成本、高效的适用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器及其制备方法。
本发明提出的适用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器，包括：
光芯片阵列，光芯片阵列中芯片间具有间距；
多芯光纤，所述多芯光纤一端未处理，另一端具有锥形过渡区和反向拉锥腰区结构；所述锥形过渡区和反向拉锥腰区结构是通过直接对多芯光纤在高温下反向拉锥后，在反向拉锥结构腰区居中切割而得到；所述反向拉锥腰区结构端的纤芯间距和光芯片阵列中的芯片间距匹配，可以实现与光芯片阵列的直接对准耦合；
所述光芯片阵列的芯片数为N，N≥2，光芯片阵列可以为一维排列，也可以为二维排列；
所述光芯片阵列中芯片间距为30μm到150μm之间；
所述多芯光纤具有与所述光芯片阵列相似的排列形状，所述多芯光纤中纤芯间距等于或者小于所述光芯片阵列中芯片间距，使两者实现直接对准耦合；
所述锥形过渡区和反向拉锥腰区结构为所述多芯光纤的一部分，所述反向拉锥腰区结构具有比多芯光纤未处理端更大的纤芯间距，使得其可与所述光芯片阵列的芯片间距达到匹配耦合；
所述多芯光纤的锥形过渡区满足绝热过渡条件，使得所述多芯光纤未处理端纤芯内的能量可以绝热转换到所述反向拉锥腰区结构端；
所述光芯片阵列为VCSEL阵列或硅基光栅波导阵列的一种。
本发明还提供适用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器的制备方法，具体步骤为：
（1）使用光纤拉锥机对所述多芯光纤进行高温熔融反向拉锥处理，使得多芯光纤在反向拉锥腰区处包层直径增大，同时纤芯间距也等比例扩大至与光芯片阵列的芯片间距相等；
（2）使用光纤切割刀对步骤（1）得到的多芯光纤反向拉锥结构在拉锥腰区切割，得到含有锥形过渡区及拉锥腰区结构的多芯光纤；
（3）将步骤（2）切割得到的多芯光纤反向拉锥腰区端与光芯片阵列直接对准耦合。
本发明中，通过调整拉锥参数，使得到的反向拉锥腰区结构端实现纤芯间距的连续可调，直至与光芯片阵列达到波导匹配。
相比先前技术，本发明提出的适用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器及其制备方法，通过对多芯光纤进行反向拉锥处理，形成绝热锥形过渡区和反向拉锥腰区结构，其中反向拉锥腰区结构的纤芯间距可根据反向拉锥参数连续可调，从而使得同一种多芯光纤能够兼容不同间距的光芯片阵列，实现多芯光纤信道的高效利用，极大提高了多芯光纤以及光芯片阵列设计的灵活性和制造容差。本发明提出的适用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器可以实现与光芯片阵列的高效耦合。
本发明提出的多芯光纤芯片耦合器及其制备方法，工艺流程较少，重复性高，成本较低，易于实现。
附图说明
图1为本发明实施例1的结构示意图。
图2为本发明实施例1中具有锥形过渡区和反向拉锥腰区结构的多芯光纤的侧面结构图。
图3为本发明实施例1中多芯光纤未处理端截面示意图（a）和反向拉锥腰区结构端截面示意图（b）。
图4为本发明实施例2的结构示意图。
图5为本发明中用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器件的制备方法的流程图。
图中标号：1为光芯片阵列，11为光芯片，2为多芯光纤，21为多芯光纤未处理端，22为多芯光纤锥形过渡区，23为多芯光纤反向拉锥腰区结构端。
具体实施方式
实施例1
如图1所示，为本实施例中的适用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器的结构示意图。本实施例提出的用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器中，包括：
光芯片阵列1，光芯片11，多芯光纤2，所述多芯光纤2包括未处理端多芯光纤21、多芯光纤锥形过渡区22以及多芯光纤反向拉锥腰区结构端23。
所述光芯片阵列芯片数为7，为六边形分布的二维光芯片阵列，芯片间距为d1。
所述多芯光纤为七芯光纤，纤芯分布呈六边形排列，纤芯间距为d2，且d2小于d1。
如图2所示为，通过直接对七芯光纤在高温下反向拉锥处理后，在反向拉锥腰区切割得到的具有锥形过渡区22和反向拉锥腰区结构23的七芯光纤侧面结构图。需要注意的是，所述锥形过渡区和反向拉锥腰区结构端为所述七芯光纤的一部分。
所述反向拉锥结构腰区结构端23具有比七芯光纤更大的纤芯间距d3，并且d3＝d1，使得所述七芯光纤的反向拉锥腰区结构端23可与所述光芯片阵列1的芯片间距达到匹配耦合。
如图3所示为，七芯光纤未处理端21截面示意图（a）和七芯光纤反向拉锥处理后得到的反向拉锥腰区结构端23截面示意图（b）。可以看出，在反向拉锥结构腰区结构端23中，纤芯排列形状不会发生改变，而纤芯间距等比例增大至d3，可与二维光芯片阵列1达到波导一一匹配耦合。
所述七芯光纤的锥形过渡区22满足绝热过渡条件，使得所述七芯光纤未处理端21纤芯内的能量可以绝热转换到所述反向拉锥腰区结构端23的各个纤芯中。
本实施例中，所述二维光芯片阵列1为VCSEL阵列或硅基光栅波导阵列的一种。
实施例2
如图4所示为，另一实施例中的适用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器的结构示意图。本实施例提出的用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器中，包括：
光芯片阵列1，光芯片11，多芯光纤2，所述多芯光纤2包括未处理端多芯光纤21、多芯光纤锥形过渡区22以及多芯光纤反向拉锥腰区结构端23。
所述光芯片阵列芯片数为8，为二维光芯片阵列，芯片间距为d1。
所述多芯光纤为八芯光纤，纤芯分布形状与光芯片阵列形状相同，纤芯间距为d2，且d2小于d1。
通过直接对八芯光纤在高温下反向拉锥处理后，在反向拉锥腰区切割得到了具有锥形过渡区22和反向拉锥腰区结构23的八芯光纤2。需要注意的是，所述锥形过渡区和反向拉锥腰区结构端为所述八芯光纤的一部分。
所述反向拉锥结构腰区结构端23具有比八芯光纤更大的纤芯间距d3，并且d3＝d1，使得所述八芯光纤的反向拉锥腰区结构端23可与所述光芯片阵列1的芯片间距达到匹配耦合。
本实施例中，所述二维光芯片阵列1为VCSEL阵列或硅基光栅波导阵列的一种。
以上实施例还提供了一种适用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器的制备方法，如图5所示，为一种适用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器的制备流程图。
以上实施例中提供的一种适用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器的制备方法中，包括以下步骤：
（1）使用光纤拉锥机对所述多芯光纤进行高温熔融反向拉锥处理，使得多芯光纤在反向拉锥腰区处包层直径增大，同时纤芯间距也等比例扩大至与光芯片阵列的芯片间距相等；
（2）使用光纤切割刀对步骤（1）得到的多芯光纤反向拉锥结构在拉锥腰区切割，得到含有锥形过渡区及拉锥腰区结构的多芯光纤；
（3）将步骤（2）切割得到的多芯光纤反向拉锥腰区端与光芯片阵列直接对准耦合。
最后，上述具体实施可由本领域技术人员在不背离本发明原理和宗旨的前提下以不同的方式对其进行局部调整，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器，其特征在于，包括：
光芯片阵列，光芯片阵列中芯片间具有间距；
多芯光纤，所述多芯光纤一端未处理，另一端具有锥形过渡区和反向拉锥腰区结构；所述锥形过渡区和反向拉锥腰区结构是通过直接对多芯光纤在高温下反向拉锥后，在反向拉锥结构腰区居中切割而得到；所述反向拉锥腰区结构端的纤芯间距和光芯片阵列中的芯片间距匹配，可以实现与光芯片阵列的直接对准耦合。
2.根据权利要求1所述的用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器，其特征在于，所述光芯片阵列的芯片数为N，N≥2，光芯片阵列为一维排列，或者为二维排列。
3.根据权利要求2所述的用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器，其特征在于，所述光芯片阵列中芯片间距为30μm到150μm。
4.根据权利要求3所述的用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器，其特征在于，所述多芯光纤具有与所述光芯片阵列相似的排列形状，所述多芯光纤中纤芯间距等于或者小于所述光芯片阵列中芯片间距，使两者实现直接对准耦合。
5.根据权利要求1-4之一所述的用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器，其特征在于，所述锥形过渡区和反向拉锥腰区结构为所述多芯光纤的一部分，反向拉锥腰区结构具有比多芯光纤未处理端更大的纤芯间距，使得其与所述光芯片阵列的芯片间距达到匹配耦合。
6.根据权利要求5所述的用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器，其特征在于，所述多芯光纤的锥形过渡区满足绝热过渡条件，使得所述多芯光纤未处理端纤芯内的能量绝热转换到所述反向拉锥腰区结构端。
7.根据权利要求6所述的用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器，其特征在于，所述光芯片阵列为VCSEL阵列或硅基光栅波导阵列的一种。
8.如权利要求1-7之任一所述的用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器的制备方法，其特征在于，具体步骤为：
（1）使用光纤拉锥机对所述多芯光纤进行高温熔融反向拉锥处理，使得多芯光纤在反向拉锥腰区处包层直径增大，同时纤芯间距也等比例扩大至与光芯片阵列的芯片间距相等；
（2）使用光纤切割刀对步骤（1）得到的多芯光纤反向拉锥结构在拉锥腰区切割，得到含有锥形过渡区及拉锥腰区结构的多芯光纤；
（3）将步骤（2）切割得到的多芯光纤反向拉锥腰区端与光芯片阵列直接对准耦合。
9.根据权利要求8所述的用于光芯片阵列耦合的多芯光纤芯片耦合器的制备方法，其特征在于，通过调整拉锥参数，使得到的反向拉锥腰区结构端实现纤芯间距的连续可调，直至与光芯片阵列达到波导匹配。
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