CN115185040B - 一种硅光子芯片被动对准光学封装结构和光开关设备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种硅光子芯片被动对准光学封装结构和光开关设备，包括基板，硅光子芯片，光纤阵列定位组件以及大模场光纤阵列，所述基板上设有对准标记，硅光子芯片以及光纤阵列定位组件依照对准标记固定于基板之上；硅光子芯片的光学耦合端口为大模场光栅耦合器阵列，其中各大模场光栅耦合器具有相同的最佳耦合角以及最佳耦合模场直径D；大模场光纤阵列中各光纤的模场直径与大模场光栅耦合器的最佳耦合模场直径D相匹配；大模场光纤阵列利用光纤阵列定位组件与硅光子芯片上的大模场光栅耦合器阵列实现最佳耦合，本发明解决了利用主动对准流程进行硅光子芯片光学封装带来的问题，降低了封装成本。

Description

一种硅光子芯片被动对准光学封装结构和光开关设备
技术领域
本发明涉及硅光子芯片封装领域，尤其涉及一种硅光子芯片被动对准光学封装结构和光开关设备。
背景技术
硅光子芯片具有功耗低、集成度高等优点，已经在光通信、光计算等领域展现出了广泛的应用前景。
光学封装是硅光子芯片产业领域的重要环节。通过光学封装，硅光子芯片可以实现片上光信号的输入/输出。光子芯片的光学封装一般使用单模光纤，封装时需要将其与芯片上的各个光学端口耦合对准并固定。由于单模光纤与片上光学端口在不借助其他结构器件情况下的对准容差通常不大于2微米，因此光学封装往往需要使用主动对准流程。主动对准的原理是将光源注入芯片上预留的对准波导路径的其中一个端口，通过监测路径上另一个端口的输出功率来实时调整光纤阵列与芯片各光学端口的相对位置，但是这一流程繁琐耗时，对设备精度及操作人员经验要求较高，最终导致封装成本高昂。
发明内容
针对现有技术中所存在的不足，本发明提供了一种硅光子芯片被动对准光学封装结构和光开关设备。
根据本发明的一方面，提供了一种硅光子芯片被动对准光学封装结，包括基板，硅光子芯片，光纤阵列定位组件以及大模场光纤阵列。所述基板上设有对准标记，用于硅光子芯片以及光纤阵列定位组件的定位，使得硅光子芯片以及光纤阵列定位组件获得特定的相对位置关系；所述硅光子芯片的光学耦合端口为大模场光栅耦合器阵列，所述大模场光栅耦合器阵列中各大模场光栅耦合器具有相同的耦合角以及耦合模场直径D，其中D不小于50微米，所述硅光子芯片依照基板上的对准标记固定于基板上；所述光纤阵列定位组件依照基板上设置的对准标记固定于基板之上，所述大模场光纤阵列设置于硅光子芯片的顶部并通过光纤阵列定位组件固定；所述大模场光纤阵列中各光纤的模场直径不小于50微米，并与所述硅光子芯片的大模场光栅耦合器的耦合模场直径D相匹配，所述大模场光纤阵列利用所述光纤阵列定位组件与所述硅光子芯片上的大模场光栅耦合器阵列实现耦合。
优选地，所述大模场光纤阵列为反射式，具有一个全反射抛光面，所述大模场光栅耦合器阵列输出的光经过该全反射抛光面全反射后耦合到大模场光纤阵列，所述大模场光纤阵列输出的光经过该全反射抛光面全反射后耦合到大模场光栅耦合器阵列；完成耦合时，所述大模场光纤阵列的下表面与所述硅光子芯片的上表面平行紧贴。
优选地，所述大模场光纤阵列与所述硅光子芯片之间可通过胶水固定。
优选地，所述光纤阵列定位组件，包括导向槽、导向槽盖板、压板；所述导向槽用于实现所述硅光子芯片与大模场光纤阵列在基板平面上的相对位置的定位；所述导向槽盖板与导向槽连接固定；所述压板通过弹簧与导向槽盖板相连，用于对所述大模场光纤阵列上表面施加压力，使得所述大模场光纤阵列下表面与所述硅光子芯片上表面紧贴。
优选地，一种硅光子芯片被动对准光学封装结，还可以包括模斑转换模块，用于将大模场光纤阵列中光纤的模斑尺寸转换为单模光纤的模斑尺寸。
优选地，所述模斑转换模块包含一系列的拉锥光纤，所述拉锥光纤芯径较大的一端与所述大模场光纤阵列中的光纤相连接且直径一致，所述拉锥光纤芯径较小的一端模斑直径与单模光纤的模斑直径相同。
本发明还提供了一种光开关设备，包括所述的硅光子芯片被动对准光学封装结构，所述硅光子芯片被动对准光学封装结构的硅光子芯片与所述光开关设备的电学电路板之间形成电气互联。
通过本发明提供的硅光子芯片被动对准光学封装结构，解决了利用主动对准流程进行硅光子芯片光学封装带来流程繁琐耗时，对设备精度及操作人员经验要求较高，最终导致封装成本高昂的问题。被动对准流程不使用外部光源，而是直接利用芯片上制作的对准结构或标记来完成对准，其成本低廉，在大规模生产时更受青睐降低了封装成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
图1为本发明一实施例提供的已经组装上大模场光纤阵列的总体光学封装结构剖面示意图。
图2为大模场光纤阵列与硅光子芯片耦合的示意图。
图3为已经固定上光纤阵列定位组件以及硅光子芯片的基板示意图。
图4为模斑转换模块中的拉锥光纤的示意图。
其中：1.基板、2.硅光子芯片、3.光纤阵列定位组件、4.大模场光纤阵列、5.入射或者出射光线、6.模斑转换模块、21.大模场光栅耦合器阵列、31.导向槽、32.导向槽盖板、33.压板、34.弹簧、41.全反射抛光面、42. 大模场光纤阵列光纤纤芯、61.拉锥光纤、611.拉锥光纤纤芯。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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做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，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
如图1所示，本实施例中公开了一种硅光子芯片被动对准光学封装结构，包括基板1，硅光子芯片2，光纤阵列定位组件3以及大模场光纤阵列4；所述基板1上设有对准标记，用于硅光子芯片2以及光纤阵列定位组件3的定位，所述硅光子芯片2和光纤阵列定位组件3依照基板1上的对准标记固定于基板1上，所述大模场光纤阵列4设置于硅光子芯片2的顶部并通过光纤阵列定位组件3固定；所述硅光子芯片2的光学耦合端口为大模场光栅耦合器阵列21，其中大模场光栅耦合器的耦合模场直径D不小于50微米，大模场光纤阵列4中各光纤的模场直径不小于50微米。与普通单模光纤/光纤（通常具有9微米的模场直径）耦合相比，这种大模场光纤/光栅的耦合理论上可以极大地提升对准容差，大的对准容差使得基于被动对准的光学封装成为可能。
图2给出了大模场光纤阵列4与硅光子芯片2耦合的示意图，其中，在图2中的5为入射或者出射光线。大模场光纤阵列4为反射式结构，具有一个全反射抛光面41，抛光面的角度可以为45度。大模场光栅耦合器阵列21输出的光经过全反射抛光面41全反射后可以耦合到大模场光纤阵列4的光纤纤芯42。同理，大模场光纤阵列4的光纤纤芯42输出的光经过全反射抛光面41全反射后可以耦合到大模场光栅耦合器阵列21。完成耦合时，大模场光纤阵列4的下表面与硅光子芯片2的上表面平行紧贴。
基板1上设有对准标记，所述对准标记可采用标记线、定位槽等多种形式，硅光子芯片2以及光纤阵列定位组件3可利用对准标记进行定位，从而形成特定位置关系，这种特定位置关系用于实现大模场光纤阵列4与大模场光栅耦合器阵列21的有效耦合，图3给出了已经固定的光纤阵列定位组件3以及硅光子芯片2的基板示意图。
光纤阵列定位组件3主要包括导向槽31、导向槽盖板32和压板33。导向槽31的宽度大于大模场光纤阵列4的宽度，其尺寸满足被动对准精度要求。大模场光纤阵列4可沿着导向槽31向前滑动，导向槽31上设置了一倾斜面311，其与基板1平面的角度与大模场光纤阵列抛光面41角度相等。大模场光纤阵列4向前滑动并与此面紧密接触，从而完成大模场光纤阵列4与大模场光栅耦合器阵列21在基板平面的位置对准。压板33与导向槽盖板32通过弹簧34连接，导向槽盖板32与导向槽31的上表面连接固定形成管状结构。未组装大模场光纤阵列4时，压板33的下表面与硅光子芯片2上表面的距离小于大模场光纤阵列4的厚度。当大模场光纤阵列4组装进导向槽31时，压板33被向上顶起，弹簧34被压缩从而使得压板33向大模场光纤阵列4施加一个向下的压力，最终使得大模场光纤阵列4下表面与硅光子芯片2上表面紧密接触，完成大模场光纤阵列4在芯片厚度方向上的位置对准及初步固定。大模场光纤阵列4与硅光子芯片2之间可使用UV固化胶水进一步固定。
本实施例中还使用了模斑转换模块，用于将大模场光纤阵列4中各光纤的模斑尺寸转换为单模光纤的模斑尺寸。模斑转换模块包含一系列的拉锥光纤61，所述拉锥光纤61芯径较大的一端模斑直径为D，并与所述大模场光纤阵列4中的各光纤相连接，所述拉锥光纤61芯径较小的一端模斑直径与单模光纤的模斑直径相同，模斑转换模块中的拉锥光纤61如图4所示，图4中611为拉锥光纤纤芯。
还发明还提供了一种光开关设备，包括所述的硅光子芯片被动对准光学封装结构，所述硅光子芯片被动对准光学封装结构的硅光子芯片2与所述光开关设备的电学电路板之间形成电气互联。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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 (7)

1.一种硅光子芯片被动对准光学封装结构，其特征在于：包括基板，硅光子芯片，光纤阵列定位组件以及大模场光纤阵列；所述基板上设有对准标记，用于硅光子芯片以及光纤阵列定位组件的定位，所述硅光子芯片和光纤阵列定位组件依照基板上的对准标记固定于基板上，所述大模场光纤阵列设置于硅光子芯片的顶部并通过光纤阵列定位组件固定；所述硅光子芯片的光学耦合端口为大模场光栅耦合器阵列，所述大模场光栅耦合器阵列中的所有大模场光栅耦合器具有相同的耦合角以及耦合模场直径；所述大模场光纤阵列中光纤的模场直径与所述大模场光栅耦合器的耦合模场直径相匹配，所述大模场光纤阵列利用所述光纤阵列定位组件与所述硅光子芯片上的大模场光栅耦合器阵列实现耦合；所述耦合模场直径不小于50微米，所述大模场光纤阵列中各光纤的模场直径不小于50微米。
2.根据权利要求1所述的一种硅光子芯片被动对准光学封装结构，其特征在于：所述大模场光纤阵列为反射式，具有一个全反射抛光面，所述大模场光栅耦合器阵列输出的光经过该全反射抛光面全反射后耦合到大模场光纤阵列，所述大模场光纤阵列输出的光经过该全反射抛光面全反射后耦合到大模场光栅耦合器阵列；完成耦合时，所述大模场光纤阵列的下表面与所述硅光子芯片的上表面平行紧贴。
3.根据权利要求1所述的一种硅光子芯片被动对准光学封装结构，其特征在于：所述大模场光纤阵列与所述硅光子芯片之间使用胶水固定。
4.根据权利要求1所述的一种硅光子芯片被动对准光学封装结构，其特征在于：所述光纤阵列定位组件包括导向槽、导向槽盖板、压板；所述导向槽用于实现所述硅光子芯片与大模场光纤阵列在基板平面上相对位置的定位；所述导向槽盖板与导向槽连接固定；所述压板通过弹簧与导向槽盖板相连，用于对所述大模场光纤阵列上表面施加压力，使所述大模场光纤阵列下表面与所述硅光子芯片上表面紧贴。
5.根据权利要求1所述的一种硅光子芯片被动对准光学封装结构，其特征在于：还包括模斑转换模块，该模斑转换模块用于将大模场光纤阵列中光纤的模斑尺寸转换为单模光纤的模斑尺寸。
6.根据权利要求5所述的一种硅光子芯片被动对准光学封装结构，其特征在于：所述模斑转换模块包含拉锥光纤，所述拉锥光纤芯径较大的一端与所述大模场光纤阵列中的光纤相连接且直径一致，所述拉锥光纤芯径较小的一端的直径与单模光纤的模斑直径相同。
7.一种光开关设备，其特征在于，包括权利要求1-6任一项所述的硅光子芯片被动对准光学封装结构，所述硅光子芯片被动对准光学封装结构的硅光子芯片与所述光开关设备的电学电路板之间形成电气互联。
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