CN115701552A - 光纤阵列连接器及制造超构表面透镜的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光纤阵列连接器及制造超构表面透镜的方法，光纤阵列连接器包括基板、光纤和盖板，基板设置有若干个凹槽；光纤放置在凹槽中；光纤的端面设置为倾斜的光学平面；盖板对应光纤的端面的出光区域设置有用于汇聚光线的超构表面透镜；光线在光纤内部传导至端面时，倾斜的光学平面使得光线发生反射后朝向盖板传播，光线在盖板中因传播会发散，当传播至盖板上的对应光纤的端面的出光区域时，由于设置有超构表面透镜，超构表面透镜会使得从该区域出射的光线产生汇聚作用，从而可以调制因传播而变形的模场，以匹配接收光纤模场，提高耦合效率；超构表面透镜设置在盖板上，无需对光纤阵列进行重新设计，可以简化生产制造流程，降低成本。
Description
技术领域
本发明涉及光电子集成芯片和模块领域，尤其涉及一种光纤阵列连接器及制造超构表面透镜的方法。
背景技术
常见的光纤阵列是通过在基板上刻划V型槽确定光纤的位置，把一组光纤以一定间隔固定在基板上所构成的阵列。光通信中的光纤阵列主要结构包括基板、盖板和光纤。玻璃或硅是基板、盖板常用的材质，此外也可以根据需求采用陶瓷、塑料等材料。
光纤或波导出射的光信号在传播时，会在介质中逐渐发散，模场直径增大，当传播距离较长时，到耦合位置的模场直径已经远大于接收光纤纤芯的模场直径。模式的失配会极大地降低耦合效率并带来很大的损耗。有研究表明，采用透镜耦合的方式可以提高耦合效率，但是在光纤阵列上制造微透镜的制造流程复杂，成本高，结构参数较难控制，加工误差带来的影响比较大。
发明内容
本发明提供一种光纤阵列连接器及制造超构表面透镜的方法，能够提高耦合效率，减少损耗，还可以简化生产制造流程，降低成本。
第一方面，本发明实施例提供一种光纤阵列连接器，包括基板、光纤、盖板和超构表面透镜，其中：
所述基板设置有若干个凹槽；所述光纤放置在所述凹槽中；所述盖板位于所述基板设置有所述凹槽的一侧，所述盖板配合所述基板以将所述光纤限定在所述凹槽中；所述光纤的端面设置为倾斜的光学平面，以使在所述光纤内部传播的光线朝向所述盖板反射；所述超构表面透镜位于所述盖板对应所述光纤的端面的出光区域，用于汇聚光线。
第二方面，本发明实施提供一种制造如上第一方面实施例所述的超构表面透镜的方法，包括以下步骤：
在预设位置沉积预设厚度的硅薄膜；
在所述硅薄膜上涂光刻胶；
在所述光刻胶上蚀刻出预设图形；
显影，定影并沉积预设厚度的保护层；
通过干法蚀刻将所述预设图形转移到所述硅薄膜。
本发明实施例包括：光纤阵列连接器及制造超构表面透镜的方法。根据本发明实施例提供的方案，光纤阵列连接器包含基板、光纤、盖板和超构表面透镜，光线在光纤内部传导至端面时，由于设置有倾斜的光学平面，使得光线发生反射，反射后朝向盖板传播，光线在盖板中因传播会发散，当传播至盖板上的对应光纤的端面的出光区域时，由于设置有超构表面透镜，超构表面透镜会使得从该区域出射的光线产生汇聚作用，从而可以调制因传播而变形的模场，以匹配接收光纤模场，提高耦合效率；而且超构表面透镜设置在盖板上，无需对光纤阵列进行重新设计，可以简化生产制造流程，降低成本。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
附图用来提供对本发明技术方案的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明的技术方案，并不构成对本发明技术方案的限制。
下面结合附图和实施例对本发明进一步地说明；
图1是本发明实施例提供的一种光纤阵列连接器的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种光纤阵列连接器的剖视图；
图3是本发明实施例提供的一种光纤阵列连接器的超构表面透镜的示意图；
图4是本发明实施例提供的一种光纤阵列连接器的入射偏移量为0微米情况下的光强分布曲线仿真计算结果；
图5是本发明实施例提供的一种光纤阵列连接器的入射偏移量为5微米情况下的光强分布曲线仿真计算结果；
图6是本发明实施例提供的一种光纤阵列连接器的不同偏移量对耦合效率的影响情况示意图；
图7是本发明另一实施例提供的一种光纤阵列连接器的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的一种制造超构表面透镜的方法的流程图。
具体实施方式
本部分将详细描述本发明的具体实施例，本发明之较佳实施例在附图中示出，附图的作用在于用图形补充说明书文字部分的描述，使人能够直观地、形象地理解本发明的每个技术特征和整体技术方案，但其不能理解为对本发明保护范围的限制。
在本发明的描述中，如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
本发明实施例提供一种光纤阵列连接器及制造超构表面透镜的方法，能够提高耦合效率，减少损耗，还可以简化生产制造流程，降低成本。
下面结合附图，对本发明实施例作进一步阐述。
参照图1或者图2，本发明的第一方面实施例提供一种光纤阵列连接器，包括基板100、光纤200、盖板300和超构表面透镜400，其中：
基板100设置有若干个凹槽110；光纤200放置在凹槽110中；盖板300位于基板100设置有凹槽110的一侧，盖板300配合基板100以将光纤200限定在凹槽110中；光纤200的端面设置为倾斜的光学平面，以使在光纤200内部传播的光线朝向盖板300反射；超构表面透镜400位于盖板300对应光纤200的端面的出光区域，用于汇聚光线。
根据本发明实施例提供的方案，光纤阵列连接器包含基板100、光纤200、盖板300和超构表面透镜400，光线在光纤200内部传导至端面时，由于设置有倾斜的光学平面，使得光线发生反射，反射后朝向盖板300传播，光线在盖板300中因传播会发散，当传播至盖板300上的对应光纤200的端面的出光区域时，由于设置有超构表面透镜400，超构表面透镜400会使得从该区域出射的光线产生汇聚作用，从而可以调制因传播而变形的模场，以匹配接收光纤模场，提高耦合效率；而且超构表面透镜400设置在盖板300上，无需对光纤阵列进行重新设计，可以简化生产制造流程，降低成本。
如图1所示，基板100上的凹槽110一般为V型槽，可以理解的是，在本发明中并不限定凹槽110为V型槽，其他形状的凹槽也可以采用，只要能够定位光纤200即可。基板100、光纤200和盖板300通过粘合剂粘合固定，可以理解的是，基板100和盖板300的固定方式也不限于通过粘合剂粘合固定，也可以采用其他固定方式。盖板300位于基板100之上并与基板100贴合。光纤200的端面通过研磨或切割等方式处理成倾斜的光学平面，使得光线在该倾斜的光学平面上发生全反射，以匹配光栅或光纤的耦合角度。优选地，如图2和图3所示，光纤200的端面设置为45度倾斜的光学平面，超构表面透镜400位于该45度倾斜的光学平面的正上方。
可以理解的是，超构表面透镜400加工在盖板300对应光纤200的端面的出光区域，即位于与光纤模场位置匹配的位置，使得光纤阵列连接器的耦合效率提高。
参照图2和图3，超构表面透镜400通过在盖板300上制作出周期性排列的微结构单元410制成。
可以理解的是，超构表面透镜400是一种由微结构单元410二维周期性排列而成的衍射器件，对耦合入射和耦合出射光场进行聚焦或者扩束调控；入射部分的超构表面透镜400可以抑制入射光在穿过盖板300过程中模场直径的增加，可以提高穿过盖板300的光信号与光栅耦合器衍射角的匹配效率，提高入射耦合效率；出射部分的超构表面透镜400可以将由于在盖板300中的传播而展宽的出射光的模场直径减小，提高出射耦合效率。
参照图1，每根光纤200对应一个超构表面透镜400。构成超构表面透镜400的微结构单元410包括但不限于圆形凸柱结构，其中圆形凸柱结构如图3所示，另外微结构单元410也可以是满足对工作波长的光波调制需求的其它结构，例如为方形凸柱、圆形凹槽或者方形凹槽。
下面结合附图和一种典型的应用场合对本发明实施例的光纤阵列连接器作进一步说明。
如图1和图2所示，本发明的一种带有超构表面透镜400的光纤阵列连接器，包括有基板100、盖板300、光纤200和超构表面透镜400。以光纤阵列到光芯片的耦合过程为例，入射光在光纤纤芯图2中两条虚线之间的部分中传播，在光纤200的端面上发生全反射，光纤200的端面被加工成具有45°倾角的斜面，光信号被斜面反射后垂直于盖板300向上传播，在盖板300中因传播而发散，经过超构表面透镜400会聚，以与光栅耦合器的衍射角匹配的方向入射进上方的光栅耦合器中。其中的超构表面透镜400可以将增大的模场直径减小，相比没有超构表面透镜400调制的情况，提高了能量的利用率，减少了损耗。可以理解的是，在本发明中并没有限定光纤200的端面必须被加工成具有45°倾角的斜面，也可以是其他倾斜角度的斜面，可以根据实际需要灵活设置斜面的倾斜角度。
图3是本发明实施例提供的一种光纤阵列连接器的超构表面透镜400的示意图。本实施例中的微结构单元410呈矩形阵列排布在盖板300对应光纤200的端面的出光区域；微结构单元410的行间距和列间距的范围为1.2微米±0.3微米；微结构单元410的高度为0.9微米±0.3微米。
图3中所示的超构表面透镜400呈方形，可以理解的是，超构表面透镜400也可以如图1般所示为圆形，也可以为正多边形。超构表面透镜400为圆形或者为正多边形时，其半径一般为100微米±30微米。
另外，微结构单元410的直径与其所处位置相关，由该处的相位调制程度决定。相位
与位置坐标(x,y)的对应关系如下式所示：
其中，上式中f为焦距，(x,y)为相对于超构表面透镜400的中心的位置坐标；λ为波长。
另外，超构表面透镜400的一种可参考的加工流程如下，首先在盖板300的相应位置沉积所需厚度的硅，然后在硅薄膜上涂光刻胶，使用电子束曝光在光刻胶上刻蚀出图形，经显影、定影等步骤后，继续沉积一定厚度的保护层，最后通过干法刻蚀将图形转移到硅上。
图4是本发明实施例提供的一种光纤阵列连接器的入射偏移量为0微米情况下的光强分布曲线仿真计算结果；图5是本发明实施例提供的一种光纤阵列连接器的入射偏移量为5微米情况下的光强分布曲线仿真计算结果；可以看到，在入射偏移量为0微米和5微米时，使用一根接收光纤测量光强峰值所在位置的耦合效率，可以看到在模场中心和超构表面透镜中心具有一定偏移量时，光强峰值依然能够保持在光纤中心位置，此时模场直径约为10微米，能够匹配大部分器件的耦合需求。
另外，图6是本发明实施例提供的一种光纤阵列连接器的不同偏移量对耦合效率的影响情况示意图，图6展示了入射模场中心和超构表面透镜400中心具有偏移量时的耦合效率随偏移量大小的变化，本实施例中的超构表面透镜可以使偏移量在±4微米以内能够保持1dB的损耗。
另外，参照图7，图7是本发明另一实施例提供的一种光纤阵列连接器的结构示意图。区别于图1所示的光纤阵列连接器，图7中的光纤阵列连接器设置有用于承载超构表面透镜400的透镜载板500。
设置透镜载板500来承载超构表面透镜400，可以先在透镜载板500上制作出超构表面透镜400，然后再将透镜载板500固定到盖板300的相应位置上，方便加工制作超构表面透镜400。可以理解的是，透镜载板500既可以承载一个超构表面透镜400，也可以承载多个超构表面透镜400，可以根据实际需要和加工的便利性灵活设置。
参照图8，本发明的第二方面实施例提供的一种制造超构表面透镜的方法，包括以下步骤：
步骤S810：在预设位置沉积预设厚度的硅薄膜；
步骤S820：在所述硅薄膜上涂光刻胶；
步骤S830：在所述光刻胶上蚀刻出预设图形；
步骤S840：显影，定影并沉积预设厚度的保护层；
步骤S850：通过干法蚀刻将所述预设图形转移到所述硅薄膜。
可以理解的是，若是需要制作出图1所示的超构表面透镜400，步骤S810中的预设位置位于盖板300上；若是需要制作出图7所示的超构表面透镜400，步骤S810中的预设位置位于透镜载板500上。
本发明实施例的光纤阵列连接器包含基板、盖板、光纤和超构表面透镜，超构表面透镜可以调制因传播而变形的模场，以匹配接收光纤模场，提高耦合效率；而超构表面设置在盖板上，无需对光纤阵列进行重新设计，并可以根据后续需求调控光场。同时，超构表面透镜的平面结构适宜且方便沉积保护层，保护后可以保持光纤阵列的表面平整度，不会对后续的集成步骤产生影响；本发明实施例的超构表面透镜还可以通过仿真计算优化得到高性能低损耗的调制效果，并且可以根据实际情况的需要进行灵活、精确的功能设计，以满足在不同场合的应用；另外由于超构表面的调制原理，生产制造过程中误差带来的影响也能够得到降低；因此，采用超构表面的策略加工方便，可以在提高调制精度的同时简化生产制造流程，降低成本；此外，本发明中的超构表面透镜加工在盖板上，起到对传播过程中发散的光信号重新会聚的作用，对超构表面透镜的加工位置和光纤端面的切割角度均有一定的误差容忍度。
上面结合附图对本发明实施例作了详细说明，但是本发明不限于上述实施例，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。
Claims (12)
1.一种光纤阵列连接器，其特征在于，包括：
基板，所述基板设置有若干个凹槽；
光纤，所述光纤放置在所述凹槽中；
盖板，所述盖板位于所述基板设置有所述凹槽的一侧，所述盖板配合所述基板以将所述光纤限定在所述凹槽中；所述光纤的端面设置为倾斜的光学平面，以使在所述光纤内部传播的光线朝向所述盖板反射；
超构表面透镜，所述超构表面透镜位于所述盖板对应所述光纤的端面的出光区域，用于汇聚光线。
2.根据权利要求1所述的光纤阵列连接器，其特征在于，所述超构表面透镜通过在所述盖板上制作出周期性排列的微结构单元制成。
3.根据权利要求2所述的光纤阵列连接器，其特征在于，所述微结构单元为圆形凸柱、方形凸柱、圆形凹槽或者方形凹槽。
4.根据权利要求2所述的光纤阵列连接器，其特征在于，所述微结构单元呈矩形阵列排布在所述盖板对应所述光纤的端面的出光区域。
5.根据权利要求4所述的光纤阵列连接器，其特征在于，所述微结构单元的行间距和列间距的范围为1.2微米±0.3微米。
6.根据权利要求2所述的光纤阵列连接器，其特征在于，所述微结构单元的高度为0.9微米±0.3微米。
7.根据权利要求1所述的光纤阵列连接器，其特征在于，所述超构表面透镜为圆形或者为正多边形。
8.根据权利要求7所述的光纤阵列连接器，其特征在于，所述超构表面透镜的半径为100微米±30微米。
9.根据权利要求1所述的光纤阵列连接器，其特征在于，所述光纤的端面设置为45度倾斜的光学平面，所述超构表面透镜位于所述45度倾斜的光学平面的正上方。
10.根据权利要求1所述的光纤阵列连接器，其特征在于，所述基板、所述光纤和所述盖板通过粘合剂粘合固定。
11.根据权利要求1所述的光纤阵列连接器，其特征在于，还包括用于承载所述超构表面透镜的透镜载板。
12.一种制造权利要求1所述的超构表面透镜的方法，其特征在于，包括：
在预设位置沉积预设厚度的硅薄膜；
在所述硅薄膜上涂光刻胶；
在所述光刻胶上蚀刻出预设图形；
显影，定影并沉积预设厚度的保护层；
通过干法蚀刻将所述预设图形转移到所述硅薄膜。
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- 2021-08-02 CN CN202110880830.8A patent/CN115701552A/zh active Pending
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2022
- 2022-07-06 WO PCT/CN2022/104170 patent/WO2023011096A1/zh unknown
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116609896A (zh) * | 2023-07-18 | 2023-08-18 | 中天通信技术有限公司 | 硅光芯片耦合器、光模块及硅光芯片耦合器的加工方法 |
| CN116609896B (zh) * | 2023-07-18 | 2023-10-31 | 中天通信技术有限公司 | 硅光芯片耦合器、光模块及硅光芯片耦合器的加工方法 |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2023011096A1 (zh) | 2023-02-09 |
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