CN212009033U - 硅光芯片封装用的透镜光纤及硅光芯片封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种硅光芯片封装用的透镜光纤及硅光芯片封装结构，其中，所述透镜光纤包括光纤本体、细锥体及透镜体，所述光纤本体的一端热熔拉锥形成所述细锥体，所述细锥体远离光纤本体的末端设有所述透镜体，光线依次经过所述光纤本体、细锥体至所述透镜体后射出，以与硅芯片的光栅耦合器耦合；所述透镜体包括至少一反射面和至少一聚光面，所述反射面用以将从细锥体方向传输的光线偏转反射，所述聚光面用以将光线汇聚后射出至硅芯片的光栅耦合器进行耦合，本技术方案旨在减少耦合能量损失。

Description

硅光芯片封装用的透镜光纤及硅光芯片封装结构

技术领域

本实用新型涉及硅光芯片的封装领域，尤其提供一种硅光芯片封装用的透镜光纤。

背景技术

硅光就是建立在硅材料而不是砷化镓之类的半导体材料上的光器件，硅光工艺和现在的半导体主流工艺兼容，成本低，是光器件发展的方向。硅光芯片已大量出现，硅光是现在光通信行业非常热门的话题，不管是传统大厂还是刚刚成立的创业公司，都投入了大量资源在技术研发和商业拓展上。国内的热情也不遑多让，包括科研院所，光电子企业在内的硅光产业圈也逐渐成型，然而，如同其他半导体芯片一样，国内限于研究能力，工艺制程，设备水平等诸多条件的落后，在整体尤其是上游的集成芯片技术方面与国外还有较大差距。目前对于国内企业而言，最为现实的选择是封装业务，毕竟，传统上国内企业就是以封装为主要生存之道的。

但事实上，硅光芯片的封装难度是远远大于传统光器件的。对传统封装来说，主要方法就是用光纤抛光后，通过透镜与光电子芯片耦合，或者借助光纤阵列与无源器件的直接对准。但是在硅光芯片中，一个极大的问题在于硅波导的模场直径远远小于基于二氧化硅材料的光纤，仅为0.3～0.5微米，而单模光纤有9微米，因此，直接的耦合会造成严重的能量损失。另一方面，硅波导如此小的模场面积，也会导致对准容差非常小，稍有偏移，光信号就显著衰减了.现有的硅光耦合方式有多种，但是都有操作难，不稳定，成本高等确定，制约了硅光的发展。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种硅光芯片封装用的透镜光纤，旨在减少耦合能量损失。

为实现上述目的，本实用新型提供一种硅光芯片封装用的透镜光纤，包括光纤本体、细锥体及透镜体，所述光纤本体的一端热熔拉锥形成所述细锥体，所述细锥体远离光纤本体的末端设有所述透镜体，光线依次经过所述光纤本体、细锥体至所述透镜体后射出，以与硅芯片的光栅耦合器耦合；

所述透镜体包括至少一反射面和至少一聚光面，所述反射面用以将从细锥体方向传输的光线偏转反射，所述聚光面用以将光线汇聚后射出至硅芯片的光栅耦合器进行耦合。

可选地，所述光纤本体为去除涂覆层的纤芯，所述光纤本体的直径为9μm-10μm。

可选地，细锥体呈现锥形，且所述细锥体的直径由临近光纤本体的一端至远离光纤本体的一端逐渐减小，且所述细锥体远离光纤本体的一端直径为5μm。

可选地，透镜体呈半球形，半球形的球面形成所述聚光面，半球形的平面与光纤本体正出光方向的夹角为40°-45°。

可选地，透镜体呈现楔形，且包括第一楔形面和第二楔形面及连接所述第一楔形面和第二楔形面的弧形的交汇面，所述第一楔形面和所述第二楔形面形成两反射面，用以将从细锥体方向传输的光线偏转反射，所述交汇面形成所述聚光面。

可选地，第一楔形面和所述第二楔形面中心对称设于所述光纤本体的两侧，两者之间的交汇面为具有曲率半径的斜楔形，且交汇面与过所述光纤本体的中心轴的垂直面之间具有第一夹角。

可选地，第一夹角范围为6°至9°。

可选地，交汇面的曲率半径为8μm。

可选地，透镜体还包括朝向所述透镜体轴心倾斜的第三楔形面，所述第三楔形面的首端与所述细锥体连接，所述第三楔形面的两侧分别连接所述第一楔形面和所述第二楔形面，所述第三楔形面的末端连接所述交汇面。

本实用新型还提供一种硅光芯片封装结构，包括硅光芯片封装用的透镜光纤，该硅光芯片封装用的透镜光纤包括光纤本体、细锥体及透镜体，所述光纤本体的一端热熔拉锥形成所述细锥体，所述细锥体远离光纤本体的末端设有所述透镜体，光线依次经过所述光纤本体、细锥体至所述透镜体后射出，以与硅芯片的光栅耦合器耦合；所述透镜体包括至少一反射面和至少一聚光面，所述反射面用以将从细锥体方向传输的光线偏转反射，所述聚光面用以将光线汇聚后射出至硅芯片的光栅耦合器进行耦合。

本实用新型技术方案通过将光纤本体的端部热熔后采用拉锥工艺，将光纤本体的拉成细锥体，从而减少光纤的模场。同时，在细锥体的末端打磨形成透镜体，形成耦合透镜，有助于对硅光进行相位匹配，提升耦合效率。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实用新型的一些实施例，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为本实用新型一实施例中硅光芯片封装用的透镜光纤的连接结构侧视示意图；

图2为本实用新型第二实施例中硅光芯片封装用的透镜光纤的连接结构立体示意图；

图3为本实用新型第二实施例中硅光芯片封装用的透镜光纤的连接结构侧视示意图；

图4为本实用新型图3中A处的局部放大示意图；

图5为本实用新型第二实施例中，透镜光纤从透镜体的一端观测的连接结构示意图。

附图标号说明：

标号	名称	标号	名称
				100	透镜光纤	54	第二楔形面
10	光纤本体	55	第三楔形面
				30	细锥体	551	第三楔形面的末端
50	透镜体	56	交汇面
				51	聚光面	α	第一夹角
52	反射面	β	第二夹角
				53	第一楔形面	X	中心轴

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，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。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参照图1至图5，本实用新型提供一种硅光芯片封装用的透镜光纤100，包括光纤本体10、细锥体30及透镜体50，所述光纤本体10的一端热熔拉锥形成所述细锥体30，所述细锥体30远离光纤本体10的末端设有所述透镜体50，光线依次经过所述光纤本体10、细锥体30至所述透镜体50后射出，以与硅芯片的光栅耦合器耦合；

所述透镜体50包括至少一反射面52和至少一聚光面51，所述反射面52用以将从细锥体30方向传输的光线偏转反射，所述聚光面51用以将光线汇聚后射出至硅芯片的光栅耦合器进行耦合。

本实用新型技术方案通过将光纤本体10的端部热熔后采用拉锥工艺，将光纤本体10的拉成细锥体30，从而减少光纤的模场。同时，在细锥体30的末端打磨形成透镜体50，形成耦合透镜，有助于对硅光进行相位匹配，提升耦合效率。

具体地，所述光纤本体10为去除涂覆层的纤芯，所述光纤本体10的直径为9μm-10μm的单模光纤，其具体尺寸规格可根据用户不同需求获不同厂家选定，如9μm、9.5μm、10μm等，在此本实用新型不做限定，均属于本实用新型保护范围之内。

具体地，通过采用对光纤本体10进行加热熔融，使光纤本体10软化具有一定塑性性能，再拉锥成锥形的细锥体30，细锥体30的直径由临近光纤本体10的一端至远离光纤本体10的一端逐渐减小，其拉锥的末端直径为5μm，从而减小光纤本体10的模场，降低与硅光芯片耦合时的能力损失。

具体地，如图1所示，在本实用新型一实施例中，透镜体50末端通过冷加工或机械打磨的方式加工呈半球形，半球形的球形表面形成所述聚光面51，半球形的平面与光纤本体10正出光方向的夹角为40°-45°呈倾斜状，形成反射面52，其倾斜角度为45°，用以将从光纤本体10传导过来的光线反射至所述聚光面51射出，无需额外设置反光或者导光棱镜，结构简单。

可以理解的是，在实际应用过程中，所述透镜体50不仅限于上述实施例中采用加工呈半球形的方式。例如，如图2至图5所示，在本实用新型第二实施例中，也可将透镜体50末端通过冷加工或机械打磨的方式加工呈现楔形的方式。具体地，在该实施例中，透镜体50包括第一楔形面53和第二楔形面54及连接所述第一楔形面53和第二楔形面54的弧形的交汇面56，所述第一楔形面53和所述第二楔形面54形成两反射面52，用以将从细锥体30方向传输的光线偏转反射，所述交汇面56形成所述聚光面51。在使用过程中，光纤本体10传输的光纤大部分沿所述聚光面51聚光射出，少部分在第一楔形面53和第二楔形面54发生反射，且倾斜的楔形面，可有效防止反射回来的光沿原路直接打到光源上，有效提升了光源的寿命。

具体地，如图2至图5所示，第一楔形面53和所述第二楔形面54中心对称设于所述光纤本体10的两侧，使光耦合的效果更佳，且便于交汇面56的加工。同时，两者之间的交汇面56为具有曲率半径的斜楔形，且交汇面56与过所述光纤本体10的中心轴X的垂直面之间具有第一夹角α，进而使两者的交汇面56与过所述光纤本体10的中心轴X的垂直面之间具有第一夹角αα，该第一夹角α范围为6°至9°，在本实施例中优选为8°，交汇面56的曲率半径为8μm。因交汇面56具有一定的曲率半径且为斜楔形，因此形成斜楔形且具有一定曲面弧度的透镜，与硅基波导端面结构吻合，有效提高了耦合效率。

具体地，如图2至图5所示，为避免透镜体50与硅光芯片封装结构内的器件碰撞，在本实施例中，所述透镜体50还包括朝向所述透镜体50轴心倾斜的第三楔形面55，所述第三楔形面55的首端与所述细锥体30连接，所述第三楔形面55的两侧分别连接所述第一楔形面53和所述第二楔形面54，所述第三楔形面的末端551连接所述交汇面56。通过切削加工有第三楔形面55，所述第三楔形面55与细锥体30中心轴X之间具有的第二夹角β为30°，且第三楔形面的末端551到中心轴X的距离h的范围为0.005mm。通过设有第三楔形面55，形成避让面，有效防止与硅光芯片封装结构内的器件碰撞。同时对少部分光进行反射，避免原路返回对光源造成损伤，同时减少信号噪声。

本实用新型还提供一种硅光芯片封装结构，包括硅光芯片封装用的透镜光纤100，该透镜光纤100的具体结构参照上述实施例，由于硅光芯片封装结构采用了上述所有实施例的全部技术方案，因此至少具有上述实施例的技术方案所带来的所有有益效果，在此不再一一赘述。

以上仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种硅光芯片封装用的透镜光纤，其特征在于，包括光纤本体、细锥体及透镜体，所述光纤本体的一端热熔拉锥形成所述细锥体，所述细锥体远离光纤本体的末端设有所述透镜体，光线依次经过所述光纤本体、细锥体至所述透镜体后射出，以与硅芯片的光栅耦合器耦合；

所述透镜体包括至少一反射面和至少一聚光面，所述反射面用以将从细锥体方向传输的光线偏转反射，所述聚光面用以将光线汇聚后射出至硅芯片的光栅耦合器进行耦合。

2.如权利要求1所述的硅光芯片封装用的透镜光纤，其特征在于，所述光纤本体为去除涂覆层的纤芯，所述光纤本体的直径为9-10μm。

3.如权利要求1所述的硅光芯片封装用的透镜光纤，其特征在于，所述细锥体呈现锥形，且所述细锥体的直径由临近光纤本体的一端至远离光纤本体的一端逐渐减小，且所述细锥体远离光纤本体的一端直径为5μm。

4.如权利要求3所述的硅光芯片封装用的透镜光纤，其特征在于，所述透镜体呈半球形，半球形的球面形成所述聚光面，半球形的平面与光纤本体正出光方向的夹角为40°-45°。

5.如权利要求3所述的硅光芯片封装用的透镜光纤，其特征在于，所述透镜体呈现楔形，且包括第一楔形面和第二楔形面及连接所述第一楔形面和第二楔形面的弧形的交汇面，所述第一楔形面和所述第二楔形面形成两反射面，用以将从细锥体方向传输的光线偏转反射，所述交汇面形成所述聚光面。

6.如权利要求5所述的硅光芯片封装用的透镜光纤，其特征在于，第一楔形面和所述第二楔形面中心对称设于所述光纤本体的两侧，两者之间的交汇面为具有曲率半径的斜楔形，且交汇面与过所述光纤本体的中心轴的垂直面之间具有第一夹角。

7.如权利要求6所述的硅光芯片封装用的透镜光纤，其特征在于，所述第一夹角范围为6°至9°。

8.如权利要求5所述的硅光芯片封装用的透镜光纤，其特征在于，所述交汇面的曲率半径为8μm。

9.如权利要求6所述的硅光芯片封装用的透镜光纤，其特征在于，所述透镜体还包括朝向所述透镜体轴心倾斜的第三楔形面，所述第三楔形面的首端与所述细锥体连接，所述第三楔形面的两侧分别连接所述第一楔形面和所述第二楔形面，所述第三楔形面的末端连接所述交汇面。

10.一种硅光芯片封装结构，其特征在于，包括如权利要求1至9中任一项所述的硅光芯片封装用的透镜光纤。

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