CN209342970U - 一种硅基光电子芯片与单模光纤的耦合装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光通信设备技术领域，具体涉及一种硅基光电子芯片与单模光纤的耦合装置，包括硅衬底、二氧化硅层、硅波导以及低折射率波导，单模光纤的端面处理成凸曲面形，单模光纤与二氧化硅层之间存在间隙，单模光纤与硅波导之间设置有至少一段低折射率波导，低折射率波导呈片状长方体形且两端为尖角，硅波导入射端为尖角，单模光纤的纤芯出射端与低折射率波导入射端对齐，低折射率波导与硅波导在水平方向上部分重叠，且在垂直方向上存在间隙，低折射率波导与硅波导两侧的二氧化硅层上均加工有刻槽，刻槽深度大于硅波导埋入二氧化硅层的深度。本实用新型的有益效果是：通过低折射率波导的过渡，提高单模光纤与硅光芯片之间的耦合效率及容差。

Description

一种硅基光电子芯片与单模光纤的耦合装置

技术领域

本实用新型涉及光通信设备技术领域，具体涉及一种硅基光电子芯片与单模光纤的耦合装置。

背景技术

随着互联网以及移动通讯网络的发展，数据中心以及5G通讯对于高速通讯器件的需求也水涨船高。硅基光电子作为其中一种可以显著降低光器件制造成本的手段，也得到市场的关注。由于硅波导在通讯波段具有低传输损耗，高折射率的优势，硅基光电子器件具有高度的可扩展，高集成度的优势。由于硅基光电子芯片的高集成特性，导致硅波导的尺寸与现有光通讯器件和传输线缆差异巨大，导致了耦合损耗巨大的问题。现有的光纤的纤芯直径通常为硅波导尺寸的10倍左右。耦合损耗导致硅基光电子芯片在许多应用上受到了限制。尽管为了降低这种损耗，已经有许多方案被提出。但同时兼具低成本、强抗干扰的耦合方式，仍然是业界目前需要解决的难题。

中国专利CN101533128B，公开日2010年11月10日，一种硅纳米光波导与光纤的耦合封装方法。为了实现硅纳米光波导与光纤的高效光耦合与简便封装，本发明提供一种硅纳米光波导与光纤的耦合封装方法，利用倒锥型模斑转换器实现硅纳米光波导中的小尺寸模斑向光纤的大尺寸模斑转换，并利用V型光纤定位槽的自对准特性实现硅纳米光波导与光纤的对准耦合和简便封装。本发明中倒锥形模斑转换器高效、宽带光耦合特性和光模场尺寸转换能力与SOI衬底特性、V型光纤定位槽相结合，实现波导与光纤的精确中心对准和高效光耦合，且光纤的固定封装工艺简便，非常适用于实际生产应用。但其仅通过模斑转换进行耦合，对光纤与硅波导的对准要求高，安装难度大，不适合推广使用。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是：目前单模光纤与硅波导耦合效率低的技术问题。提出了一种采用处理单模光纤出射端为凸曲面的以低折射率波导为过渡的硅基光电子芯片与单模光纤的耦合装置。

为解决上述技术问题，本实用新型所采取的技术方案为：一种硅基光电子芯片与单模光纤的耦合装置，应用于单模光纤与硅波导的耦合，包括硅衬底、二氧化硅层、硅波导以及低折射率波导，在所述硅衬底上设置所述二氧化硅层，所述硅波导设置在所述二氧化硅层内，单模光纤的端面处理成凸曲面形，单模光纤与所述二氧化硅层之间存在间隙，单模光纤与所述硅波导之间设置有至少一段所述低折射率波导，所述低折射率波导呈片状长方体形且两端为尖角，所述硅波导入射端为尖角，单模光纤的纤芯出射端与所述低折射率波导入射端对齐，所述低折射率波导与硅波导在水平方向上部分重叠，且在垂直方向上存在间隙，所述低折射率波导与硅波导两侧的二氧化硅层上均加工有刻槽，所述刻槽深度大于硅波导埋入二氧化硅层的深度。单模光纤的凸曲面形端面能够汇聚从单模光纤纤芯出射的信号光，使其模斑尺寸与硅波导尺寸相当，起到提高耦合效率的作用，低折射率波导入射端的尖角起到放大信号光模斑的作用，使信号光更容易进入硅波导中，起到提高耦合容差的作用。

作为优选，还包括光纤压块和光纤固定块，所述单模光纤由光纤压块和光纤固定块固定，所述光纤固定块在二氧化硅层生成时同时成型，光纤固定块上表面以及光纤压块下表面均加工有V形槽，单模光纤由光纤压块和光纤固定块固定连接，单模光纤由所述V形槽夹紧固定。光纤固定块在二氧化硅层沉降生长时同时沉降生长成型能够使单模光纤与低折射率波导对齐。推荐但不限定的，二氧化硅层采用沉降生长方式生成，并同时将光纤固定块沉降生长，而后刻蚀成型。

作为优选，还包括光纤安装器，所述单模光纤通过光纤安装器安装到耦合位置，所述光纤安装器包括连接架、丝杆座、丝杆、旋转手柄、两个滑杆、滑块、光纤夹持座和光纤夹持压块，所述光纤夹持座与滑块固定连接，光纤夹持压块与光纤夹持座紧贴固定连接，光纤夹持压块与光纤夹持座接触面相同位置均开有V型槽，所述光纤由所述两个V型槽夹持，所述丝杆第二端与滑块铰接且沿轴线方向相对固定，所述滑块与滑杆活动卡接，所述丝杆与两个滑杆延伸方向相同，所述丝杆座加工有与所述丝杆匹配的螺纹孔，所述丝杆与丝杆座通过螺纹副连接，旋转手柄固定安装在丝杆第一端，所述滑杆固定安装在丝杆座上，所述丝杆座固定安装在所述连接架上，所述连接架与硅衬底可拆卸固定连接，将连接架与硅衬底固定连接后，将单模光纤夹持在光纤夹持压块以及光纤夹持座上，扭转旋转手柄带动丝杆转动，进而带动滑块移动，滑块带动单模光纤移动到耦合位置，安装光纤压块将单模光纤固定后，拆除光纤夹持压块以及连接架。

作为优选，所述将单模光纤安装到耦合位置时使用的光纤安装器还包括防撞装置，防撞装置在单模光纤出射端移动到耦合位置时锁死所述滑块。硅波导与二氧化硅的折射率差距巨大，因而与二氧化硅配合使用的硅波导具有很强的对光的束缚作用，所以硅波导可以具有更小的尺寸，通常仅有十几至几十微米，过小的尺寸导致其承受冲击力的能力十分微弱，单模光纤需要与硅波导以及二氧化硅层靠的很近，在安装单模光纤时，如果操作不当会使单模光纤撞击二氧化硅层以及硅波导，导致二氧化硅层以及硅波导损坏。通过防撞装置可以在单模光纤安装过程中，避免单模光纤与二氧化硅层以及硅波导的撞击。

作为优选，所述防撞装置包括接触开关，所述接触开关安装在单模光纤出射端前方，接触开关与障碍物接触时接通，所述防撞装置用于锁死滑块的锁死机构包括两个制动块、弹簧和电源，所述滑块与滑杆套接处开有通槽，所述通槽底部加工有T形槽，所述两个制动块底部均与所述T形槽卡接，所述两个制动块中部分别位于一个滑杆外侧，所述两个制动块内侧中部由所述弹簧连接，所述弹簧两端通过接触开关与电源连接。当接触开关与障碍物接触时接通，弹簧与电源接通而通电，弹簧通电后收缩，向中间拉动两个制动块，使制动块与滑杆抵接，产生摩擦力使滑块锁死。

作为优选，所述防撞装置包括探杆、接触开关和锁死机构，所述探杆第一端固定安装在光纤夹持座上，所述接触开关安装在探杆第二端，所述锁死机构与接触开关耦合，所述锁死机构在接触开关接通时锁死所述滑块，所述接触开关包括前触点、后触点和石墨管，所述前触点以及后触点均呈管状，所述石墨管外壁与前触点内壁套接，所述后触点固定在探杆末端，所述前触点通过绝缘层与后触点同心固定连接，所述石墨管前端位于单模光纤出射端前方。二氧化硅层以及硅波导承受冲击力的能力很弱，因而接触开关在触发时要尽可能需要更小的力，石墨管本身的密度较小，导电能力强，其尺寸可以更小，且石墨本身具有润滑作用，可以减小前触点与石墨管的摩擦力，使接触开关触发时需要的力更小，因而对二氧化硅层以及硅波导的冲击力更小。

作为优选，所述锁死机构包括两个制动块、弹簧和电源，所述滑块与滑杆套接处开有通槽，所述通槽底部加工有T形槽，所述两个制动块底部均与所述T形槽卡接，所述两个制动块中部分别位于一个滑杆外侧，所述两个制动块内侧中部由所述弹簧连接，所述前触点与电源正极连接，所述弹簧第一端与后触点电连接，所述弹簧第二端与电源负极连接。

作为优选，所述两个滑杆外侧均加工有平面部，所述平面部与所述制动块内侧面相对且存在间隙。

本实用新型的实质性效果是：单模光纤的凸曲面形端面汇聚信号光模斑，能够提高耦合效率，低折射率波导入射端的尖角放大信号光模斑，使信号光更容易进入硅波导中，起到提高耦合容差的作用。

附图说明

图1为实施例一耦合结构示意图。

图2为实施例一耦合结构侧剖面示意图。

图3为实施例一耦合结构俯视图。

图4为实施例二光纤安装器结构图。

图5为实施例二光纤安装器执行部分结构示意图。

图6为实施例三光纤安装器防撞装置结构示意图。

图7为实施例三锁死机构结构示意图。

图8为实施例三锁死机构结构示意图二。

图9为实施例三接触开关结构示意图。

图10为实施例三接触开关剖面图。

图11为实施例三电路连接示意图。

其中：1、光纤压块，2、单模光纤，3、刻槽，4、二氧化硅层，5、硅波导，6、低折射率波导，7、光纤固定块，8、硅衬底，9、连接架，10、旋转手柄，11、光纤夹持压块，12、探杆，13、滑块，14、丝杆座，15、丝杆，16、滑杆，17、光纤夹持座，18、弹簧，19、T形槽，20、制动块，21、后触点，22、石墨管，23、前触点。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本实用新型的具体实施方式作进一步具体说明。

实施例一：

一种硅基光电子芯片与单模光纤2的耦合装置，应用于单模光纤2与硅波导5的耦合，如图1所示，为实施例一耦合结构示意图，如图2所示，为实施例一耦合结构侧剖面示意图，如图3所示，为实施例一耦合结构俯视图，本实施例包括硅衬底8、二氧化硅层4、硅波导5以及低折射率波导6，在硅衬底8上设置二氧化硅层4，推荐通过沉降生长出二氧化硅层4，硅波导5设置在二氧化硅层4内，单模光纤2的端面处理成凸曲面形，单模光纤2与二氧化硅层4之间存在间隙，单模光纤2与硅波导5之间设置有至少一段低折射率波导6，低折射率波导6呈片状长方体形且两端为尖角，硅波导5入射端为尖角，单模光纤2的纤芯出射端与低折射率波导6入射端对齐，低折射率波导6与硅波导5在水平方向上部分重叠，且在垂直方向上存在间隙，低折射率波导6与硅波导5两侧的二氧化硅层4均加工有刻槽3，刻槽3深度大于硅波导5埋入二氧化硅层4的深度。单模光纤2的凸曲面形端面能够汇聚从单模光纤2纤芯出射的信号光，使其模斑尺寸与硅波导5尺寸相当，起到提高耦合效率的作用，低折射率波导6入射端的尖角起到放大信号光模斑的作用，使信号光更容易进入硅波导5中，起到提高耦合容差的作用。

单模光纤2由光纤压块1和光纤固定块7固定，光纤固定块7在二氧化硅层4沉降生长时同时沉降生长成型，光纤固定块7上表面以及光纤压块1下表面均加工有V形槽，单模光纤2由光纤压块1和光纤固定块7固定连接，单模光纤2由V形槽夹紧固定。光纤固定块7在二氧化硅层4沉降生长时同时沉降生长成型能够使单模光纤2与低折射率波导6对齐。

实施例二：

一种硅基光电子芯片与单模光纤2的耦合装置，本实施例对单模光纤2的安装过程进行了具体的改进，如图4所示，为实施例二光纤安装器结构图，如图5所示，为实施例二光纤安装器执行部分结构示意图，单模光纤2通过光纤安装器安装到耦合位置，光纤安装器包括连接架9、丝杆座14、丝杆15、旋转手柄10、两个滑杆16、滑块13、光纤夹持座17和光纤夹持压块11，光纤夹持座17与滑块13固定连接，光纤夹持压块11与光纤夹持座17紧贴固定连接，光纤夹持压块11与光纤夹持座17接触面相同位置均开有V型槽，光纤由两个V型槽夹持，丝杆15第二端与滑块13铰接且沿轴线方向相对固定，滑块13与滑杆16活动卡接，丝杆15与两个滑杆16延伸方向相同，丝杆座14加工有与丝杆15匹配的螺纹孔，丝杆15与丝杆座14通过螺纹副连接，旋转手柄10固定安装在丝杆15第一端，滑杆16固定安装在丝杆座14上，丝杆座14固定安装在连接架9上，连接架9与硅衬底8可拆卸固定连接，将连接架9与硅衬底8固定连接后，将单模光纤2夹持在光纤夹持压块11以及光纤夹持座17上，扭转旋转手柄10带动丝杆15转动，进而带动滑块13移动，滑块13带动单模光纤2移动到耦合位置，安装光纤压块1将单模光纤2固定后，拆除光纤夹持压块11以及连接架9。其余部分同实施例一。

实施例三：

一种硅基光电子芯片与单模光纤2的耦合装置，本实施例对单模光纤2的安装过程进行了具体的改进，如图6所示，为实施例三光纤安装器防撞装置结构示意图，本实施例将单模光纤2安装到耦合位置时使用的光纤安装器还包括防撞装置，防撞装置在单模光纤2出射端移动到耦合位置时锁死滑块13。硅波导5与二氧化硅的折射率差距巨大，因而与二氧化硅配合使用的硅波导5具有很强的对光的束缚作用，所以硅波导5可以具有更小的尺寸，通常仅有十几至几十微米，过小的尺寸导致其承受冲击力的能力十分微弱，单模光纤2需要与硅波导5以及二氧化硅层4靠的很近，在安装单模光纤2时，如果操作不当会使单模光纤2撞击二氧化硅层4以及硅波导5，导致二氧化硅层4以及硅波导5损坏。通过防撞装置可以在单模光纤2安装过程中，避免单模光纤2与二氧化硅层4以及硅波导5的撞击。

如图7所示，为实施例三锁死机构结构示意图，如图8所示，为实施例三锁死机构结构示意图二，防撞装置包括接触开关，接触开关与障碍物接触时接通，防撞装置用于锁死滑块13的锁死机构包括两个制动块20、弹簧18和电源，滑块13与滑杆16套接处开有通槽，通槽底部加工有T形槽19，两个制动块20底部均与T形槽卡接，两个制动块20中部分别位于滑杆16外侧，两个制动块20内侧中部由弹簧18连接，弹簧18两端通过接触开关与电源连接。当接触开关与障碍物接触时接通，弹簧18与电源接通而通电，弹簧18通电后收缩，向中间拉动两个制动块20，使制动块20与滑杆16抵接，产生摩擦力使滑块13锁死。

防撞装置包括探杆12、接触开关和锁死机构，探杆12第一端固定安装在光纤夹持座17上，接触开关安装在探杆12第二端，锁死机构与接触开关耦合，锁死机构在接触开关接通时锁死滑块13，如图9所示，为实施例三接触开关结构示意图，如图10所示，为实施例三接触开关剖面图，接触开关包括前触点23、后触点21和石墨管22，前触点23以及后触点21均呈管状，石墨管22外壁与前触点23内壁套接，后触点21固定在探杆12末端，前触点23通过绝缘层与后触点21同心固定连接，石墨管22前端位于单模光纤2出射端前方。二氧化硅层4以及硅波导5承受冲击力的能力很弱，因而接触开关在触发时要尽可能需要更小的力，石墨管22本身的密度较小，导电能力强，其尺寸可以更小，且石墨本身具有润滑作用，可以减小前触点23与石墨管22的摩擦力，使接触开关触发时需要的力更小，因而对二氧化硅层4以及硅波导5的冲击力更小。

如图11所示，为实施例三电路连接示意图，前触点23与电源正极连接，弹簧18第一端与后触点21电连接，弹簧18第二端与电源负极连接。

可选的，两个滑杆16外侧均加工有平面部，平面部与制动块20内侧面相对且存在间隙。平面部使滑杆16与制动块20的接触由线接触变成面接触，可提高锁紧力。其余部分同实施例二。

以上所述的实施例只是本实用新型的一种较佳的方案，并非对本实用新型作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims (8)

1.一种硅基光电子芯片与单模光纤的耦合装置，应用于单模光纤与硅波导的耦合，其特征在于，

包括硅衬底、二氧化硅层、硅波导以及低折射率波导，在所述硅衬底上设置所述二氧化硅层，所述硅波导设置在所述二氧化硅层内，单模光纤的端面处理成凸曲面形，单模光纤与所述二氧化硅层之间存在间隙，单模光纤与所述硅波导之间设置有至少一段所述低折射率波导，所述低折射率波导呈片状长方体形且两端为尖角，所述硅波导入射端为尖角，单模光纤的纤芯出射端与所述低折射率波导入射端对齐，所述低折射率波导与硅波导在水平方向上部分重叠，且在垂直方向上存在间隙，所述低折射率波导与硅波导两侧的二氧化硅层上均加工有刻槽，所述刻槽深度大于硅波导埋入二氧化硅层的深度。

2.根据权利要求1所述的一种硅基光电子芯片与单模光纤的耦合装置，其特征在于，

还包括光纤压块和光纤固定块，所述单模光纤由光纤压块和光纤固定块固定，所述光纤固定块在二氧化硅层生成时同时成型，光纤固定块上表面以及光纤压块下表面均加工有V形槽，单模光纤由光纤压块和光纤固定块固定连接，单模光纤由所述V形槽夹紧固定。

3.根据权利要求1或2所述的一种硅基光电子芯片与单模光纤的耦合装置，其特征在于，

还包括光纤安装器，所述单模光纤通过光纤安装器安装到耦合位置，所述光纤安装器包括连接架、丝杆座、丝杆、旋转手柄、两个滑杆、滑块、光纤夹持座和光纤夹持压块，所述光纤夹持座与滑块固定连接，光纤夹持压块与光纤夹持座紧贴固定连接，光纤夹持压块与光纤夹持座接触面相同位置均开有V型槽，所述光纤由所述两个V型槽夹持，所述丝杆第二端与滑块铰接且沿轴线方向相对固定，所述滑块与滑杆活动卡接，所述丝杆与两个滑杆延伸方向相同，所述丝杆座加工有与所述丝杆匹配的螺纹孔，所述丝杆与丝杆座通过螺纹副连接，旋转手柄固定安装在丝杆第一端，所述滑杆固定安装在丝杆座上，所述丝杆座固定安装在所述连接架上，所述连接架与硅衬底可拆卸固定连接，将连接架与硅衬底固定连接后，将单模光纤夹持在光纤夹持压块以及光纤夹持座上，扭转旋转手柄带动丝杆转动，进而带动滑块移动，滑块带动单模光纤移动到耦合位置，安装光纤压块将单模光纤固定后，拆除光纤夹持压块以及连接架。

4.根据权利要求3所述的一种硅基光电子芯片与单模光纤的耦合装置，其特征在于，

所述将单模光纤安装到耦合位置时使用的光纤安装器还包括防撞装置，防撞装置在单模光纤出射端移动到耦合位置时锁死所述滑块。

5.根据权利要求4所述的一种硅基光电子芯片与单模光纤的耦合装置，其特征在于，

所述防撞装置包括接触开关，所述接触开关安装在单模光纤出射端前方，接触开关与障碍物接触时接通，所述防撞装置用于锁死滑块的锁死机构包括两个制动块、弹簧和电源，所述滑块与滑杆套接处开有通槽，所述通槽底部加工有T形槽，所述两个制动块底部均与所述T形槽卡接，所述两个制动块中部分别位于一个滑杆外侧，所述两个制动块内侧中部由所述弹簧连接，所述弹簧两端通过接触开关与电源连接。

6.根据权利要求4所述的一种硅基光电子芯片与单模光纤的耦合装置，其特征在于，

所述防撞装置包括探杆、接触开关和锁死机构，所述探杆第一端固定安装在光纤夹持座上，所述接触开关安装在探杆第二端，所述锁死机构与接触开关耦合，所述锁死机构在接触开关接通时锁死所述滑块，所述接触开关包括前触点、后触点和石墨管，所述前触点以及后触点均呈管状，所述石墨管外壁与前触点内壁套接，所述后触点固定在探杆末端，所述前触点通过绝缘层与后触点同心固定连接，所述石墨管前端位于单模光纤出射端前方。

7.根据权利要求6所述的一种硅基光电子芯片与单模光纤的耦合装置，其特征在于，

所述锁死机构包括两个制动块、弹簧和电源，所述滑块与滑杆套接处开有通槽，所述通槽底部加工有T形槽，所述两个制动块底部均与所述T形槽卡接，所述两个制动块中部分别位于一个滑杆外侧，所述两个制动块内侧中部由所述弹簧连接，所述前触点与电源正极连接，所述弹簧第一端与后触点电连接，所述弹簧第二端与电源负极连接。

8.根据权利要求5或7所述的一种硅基光电子芯片与单模光纤的耦合装置，其特征在于，

所述两个滑杆外侧均加工有平面部，所述平面部与所述制动块内侧面相对且存在间隙。