專利名稱：多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信領(lǐng)域，特別是涉及一種多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
隨著通信容量需求的逐步提升，在單位路徑中傳輸?shù)墓庑盘栐絹碓蕉啵ǚ謴?fù)用等技術(shù)已無法滿足要求，多芯光纖技術(shù)因而得到重視。多芯光纖是在共同的包層區(qū)中存在多個纖芯的光纖，能夠減少光纖的數(shù)量，對于體積要求很高的數(shù)據(jù)通信，有很好的應(yīng)用前景。一般來說，光通信器件的陣列端在一條直線上，而多芯光纖的纖芯分布不在一條直線上，目前，將光信號從光通信器件的陣列端耦合進多芯光纖的常規(guī)方法是:采用自由空間光耦合器，將光通信器件陣列端的光信號耦合進入多芯光纖，采用熔融拉錐工藝制作，工藝非常復(fù)雜，體積較大，集成度較低，成本較高，不適合大規(guī)模生產(chǎn)，而且陣列端的端口分布必須與多芯光纖纖芯分布相似，在一定程度上限制了器件設(shè)計的自由度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了克服上述背景技術(shù)的不足，提供一種多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu)，工藝簡單，成本較低，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)，集成度較高，體積較小，提高了與多芯光纖互聯(lián)的陣列器件擺放的自由度，使電路版設(shè)計變得更加簡單。本發(fā)明提供的多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu)包括陣列端和多芯光纖，陣列端的端口分布入射的光通信器件陣列分布一致，呈一條直線，還包括光波導(dǎo)和用于將射入的光的方向改變90°的垂直耦合器，垂直耦合器的端口分布與多芯光纖的纖芯分布一致，光波導(dǎo)的一端與陣列端相連，另一端與垂直稱合器相連，多芯光纖垂直于光波導(dǎo)放置在垂直稱合器的上方；從陣列端入射的光信號沿光波 導(dǎo)傳播至垂直耦合器，垂直耦合器將光波導(dǎo)中光的傳播方向改變90°，變?yōu)榇怪庇诠獠▽?dǎo)的方向，耦合進垂直于光波導(dǎo)放置的多芯光纖相對應(yīng)的纖芯中；從多芯光纖入射的光信號，經(jīng)由垂直耦合器，傳播方向改變90°，變?yōu)檠毓獠▽?dǎo)方向傳播的光束，并耦合進入光波導(dǎo)，光信號經(jīng)由光波導(dǎo)導(dǎo)引，耦合進入陣列端的光電探測器陣列。在上述技術(shù)方案中，所述垂直耦合器為反射斜面，從陣列端入射的光信號沿光波導(dǎo)傳播到反射斜面，經(jīng)過反射斜面的全反射，變?yōu)檠卮怪庇诠獠▽?dǎo)的方向傳播的光，進入垂直于光波導(dǎo)放置的多芯光纖相對應(yīng)的纖芯中。在上述技術(shù)方案中，所述反射斜面的傾斜角為4(Γ60度。在上述技術(shù)方案中，所述反射斜面采用聚焦離子束刻蝕、灰度掩膜或壓印工藝制成。在上述技術(shù)方案中，所述垂直耦合器的出射端口的長度<多芯光纖的纖芯直徑，寬度<多芯光纖的纖芯直徑，具體尺寸根據(jù)實際應(yīng)用時的器件損耗要求設(shè)計:器件損耗包括光波導(dǎo)的傳輸損耗和垂直耦合器與多芯光纖纖芯之間的耦合損耗，通過波束傳播法計算光波導(dǎo)的傳輸損耗，通過計算模場的重疊因子，得到垂直耦合器與多芯光纖纖芯之間的耦合損耗。在上述技術(shù)方案中,所述垂直稱合器為垂直稱合光柵，從多芯光纖入射的光信號，經(jīng)由垂直I禹合光柵，在垂直I禹合光柵的衍射作用下，變?yōu)檠毓獠▽?dǎo)方向傳播的光束，并I禹合進入光波導(dǎo)，光信號經(jīng)由光波導(dǎo)導(dǎo)引，耦合進入陣列端的光電探測器陣列。在上述技術(shù)方案中，所述垂直耦合器的出射端口的長度>多芯光纖的纖芯直徑，寬度 > 多芯光纖的纖芯直徑，具體尺寸根據(jù)實際應(yīng)用時的器件損耗要求設(shè)計器件損耗包括光波導(dǎo)的傳輸損耗和垂直耦合器與多芯光纖纖芯之間的耦合損耗，通過波束傳播法計算光波導(dǎo)的傳輸損耗，通過計算模場的重疊因子，得到垂直耦合器與多芯光纖纖芯之間的耦合損耗。在上述技術(shù)方案中，所述垂直耦合器與多芯光纖纖芯之間放置有聚焦透鏡或準直透鏡和聚焦透鏡組成的準直聚焦透鏡系統(tǒng)。在上述技術(shù)方案中，所述光波導(dǎo)連接陣列端的一端寬度與陣列端端口寬度相等，光波導(dǎo)的寬度沿著光波導(dǎo)逐漸變化，光波導(dǎo)連接垂直耦合器的一端寬度與垂直耦合器端口寬度相等。在上述技術(shù)方案中，所述多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu)還包括晶圓襯底，所述陣列端、光波導(dǎo)、垂直耦合器均制作在晶圓襯底上。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點如下( I)本發(fā)明采用光波導(dǎo)器件，將光信號從陣列端耦合進多芯光纖，工藝簡單，成本較低，非常適合大規(guī)模生產(chǎn)，克服了采用自由空間的光耦合器帶來的工藝復(fù)雜、成本較高、不適合大規(guī)模生產(chǎn)的缺陷。(2)光波導(dǎo)器件采用微納工藝在半導(dǎo)體或聚合物材料上制作，可與其他器件(例如陣列端光源)集成，與使用自由空間光漸變耦合器相比，具有集成度較高、體積較小的優(yōu)點。(3)本發(fā)明降低了對陣列端光源位置分布的要求，陣列端的分布不需要與多芯光纖纖芯分布一致，只需在一條直線上即可，與使用自由空間光漸變耦合器相比，本發(fā)明提高了器件設(shè)計的自由度，電路版設(shè)計變得更加簡單。


圖1是本發(fā)明實施例中多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu)的示意圖。圖2是垂直耦合器為反射斜面時將光波導(dǎo)中的光耦合進多芯光纖對應(yīng)纖芯的示意圖。圖3是垂直稱合器為垂直稱合光柵時將光波導(dǎo)中的光稱合進多芯光纖對應(yīng)纖芯的示意圖。圖中1_陣列端,2-光波導(dǎo),3-垂直f禹合器,4-多芯光纖,5-晶圓襯底,6-反射斜面，7-垂直稱合光柵,8-光信號。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述。參見圖1所示，本發(fā)明實施例提供一種多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu)，包括陣列端1、光波導(dǎo)2、用于將射入的光的方向改變90°的垂直稱合器3、多芯光纖4、晶圓襯底5,陣列端1、光波導(dǎo)2、垂直耦合器3均制作在晶圓襯底5上，光波導(dǎo)2的一端與陣列端I相連，另一端與垂直稱合器3相連,多芯光纖4垂直于光波導(dǎo)2放置在垂直稱合器3的上方。陣列端I的端口分布入射的光通信器件陣列分布一致，呈一條直線，垂直耦合器3的端口分布與多芯光纖4的纖芯分布一致。垂直耦合器3為垂直耦合光柵或反射斜面。參見圖2所示，從陣列端I入射的光信號8沿光波導(dǎo)2傳播至垂直稱合器3,垂直稱合器3將光波導(dǎo)2中光的傳播方向改變90°，變?yōu)榇怪庇诠獠▽?dǎo)2的方向，耦合進垂直于光波導(dǎo)2放置的多芯光纖4相對應(yīng)的纖芯中；參見圖3所示，從多芯光纖4入射的光信號8，經(jīng)由垂直耦合器3，傳播方向改變90°，變?yōu)檠毓獠▽?dǎo)2方向傳播的光束，并耦合進入光波導(dǎo)2，光信號8經(jīng)由光波導(dǎo)2導(dǎo)弓丨，耦合進入陣列端I的光電探測器陣列。下面以陣列端入射的光信號耦合進多芯光纖為例進行說明。參見圖1所示，射入陣列端I的信號來自垂直腔面發(fā)射激光器陣列，7個端口垂直腔面發(fā)射激光器在一條直線上，間隔為250 μ m,每個端口的寬度為50um，陣列端I發(fā)射的光信號進入光波導(dǎo)2，參見圖2所示，陣列端I的端口分布與入射的光通信器件陣列分布一致，在一條直線上，光波導(dǎo)2的寬度沿著光波導(dǎo)從50 μ m漸變到6 μ m，光波導(dǎo)2將陣列端I射出的光信號8導(dǎo)引至垂直稱合器3,垂直稱合器3的端口長度和寬度均為6 μ m,垂直稱合器3的端口分布與多芯光纖4的纖芯分布一致，呈二維分布(不在一條直線上)，多芯光纖4的纖芯端口直徑為8 μ m,端口間隔38 μ m,多芯光纖垂直于光波導(dǎo)2放置在垂直稱合器3的上方。參見圖2所不，陣列端1、光波導(dǎo)2、垂直f禹合器3均固定在晶圓襯底5上,垂直率禹合器為反射斜面6,反射斜面6的傾斜角為40 60度,優(yōu)選為45度,反射斜面6米用聚焦離子束刻蝕、灰度掩膜或壓印工藝制成。參見圖3所示，沿光波導(dǎo)2傳播到反射斜面6的光信號8，經(jīng)過反射斜面6的全反射，變?yōu)檠卮怪庇诠獠▽?dǎo)2的方向傳播的光，進入垂直于光波導(dǎo)2放置的多芯光纖4相對應(yīng)的纖芯中。為了提高垂直耦合器3與多芯光纖4的纖芯的耦合效率，垂直耦合器3的出射端口的長度<多芯光纖4的纖芯直徑，寬度<多芯光纖4的纖芯直徑，具體尺寸可根據(jù)實際應(yīng)用時的器件損耗要求設(shè)計，器件損耗包括光波導(dǎo)2的傳輸損耗和垂直耦合器3與多芯光纖4纖芯之間的f禹合損耗,可以通過BPM (Beam Propagation Method,波束傳播法)計算光波導(dǎo)2的傳輸損耗，通過計算模場的重疊因子，得到垂直耦合器3與多芯光纖4纖芯之間的耦合損耗。為了進一步減少垂直耦合器3與多芯光纖4纖芯之間的耦合損耗，可以在垂直耦合器3與多芯光纖4纖芯之間放置聚焦透鏡，也可在垂直耦合器3與多芯光纖4纖芯之間放置準直透鏡和聚焦透鏡組成的準直聚焦透鏡系統(tǒng)，先通過準直透鏡將出射的光束準直，再利用聚焦透鏡將準直后的光束聚焦到多芯光纖4的纖芯，準直透鏡和聚焦透鏡組成的準直聚焦透鏡系統(tǒng)可利用ZEMAX (—種常用的光學(xué)設(shè)計軟件)軟件輔助設(shè)計，其他減少耦合損耗的方法也同樣適用，并不限于準直聚焦透鏡系統(tǒng)。下面以多芯光纖入射的光信號耦合進陣列端為例進行說明。參見圖1所示，陣列端I為光電探測器陣列，7個端口在一條直線上，間隔為250 μ m,每個端口的寬度為50um,多芯光纖4的纖芯直徑為8 μ m,多芯光纖4垂直于光波導(dǎo)2放置在垂直耦合器3的上方，多芯光纖4發(fā)射的光信號入射到垂直耦合器3上，垂直耦合器3端口的長度和寬度均為20um,參見圖2所不,垂直稱合器3的端口分布分布與多芯光纖4的纖芯分布一致。參見圖3所示，陣列端1、光波導(dǎo)2、垂直耦合器3均固定在晶圓襯底5上，垂直耦合器3為垂直耦合光柵7，垂直耦合光柵7的優(yōu)化設(shè)計可以采用嚴格耦合波分析方法，利用camfer或有限時域差分FDTD計算軟件實現(xiàn)。多芯光纖4入射的光信號耦合進陣列端I的過程，與陣列端I入射的光信號耦合進多芯光纖4的過程相似從多芯光纖4入射的光信號8,經(jīng)由垂直I禹合光柵7,在垂直I禹合光柵7的衍射作用下,變?yōu)檠毓獠▽?dǎo)2方向傳播的光束，并率禹合進入光波導(dǎo)2,光波導(dǎo)2的寬度由20um漸變到50um,光信號8經(jīng)由光波導(dǎo)2導(dǎo)引，率禹合進入陣列端I的光電探測器陣列。為了提高垂直耦合器3與多芯光纖4的纖芯的耦合效率，垂直耦合器3的端口的長度>多芯光纖4的纖芯直徑,寬度>多芯光纖4的纖芯直徑,具體尺寸可根據(jù)實際應(yīng)用時的器件損耗要求設(shè)計。器件損耗包括光波導(dǎo)2的傳輸損耗和垂直稱合器3與多芯光纖4纖芯之間的耦合損耗，可以通過BPM計算光波導(dǎo)2的傳輸損耗，通過計算模場的重疊因子，得到垂直耦合器3與多芯光纖4纖芯之間的耦合損耗。為了進一步減少垂直耦合器3與多芯光纖4纖芯之間的耦合損耗，可以在垂直耦合器3與多芯光纖4纖芯之間放置聚焦透鏡，也可在垂直耦合器3與多芯光纖4纖芯之間放置準直透鏡和聚焦透鏡組成的準直聚焦透鏡系統(tǒng)，先通過準直透鏡將出射的光束準直，再利用聚焦透鏡將準直后的光束聚焦到多芯光纖4的纖芯，準直透鏡和聚焦透鏡組成的準直聚焦透鏡系統(tǒng)可利用ZEMAX軟件輔助設(shè)計，其他減少耦合損耗的方法也同樣適用，并不限于準直聚焦透鏡系統(tǒng)。如果陣列端I端口的寬度與垂直耦合器3端口的寬度不一致，可以采用漸變光波導(dǎo)2寬度的方式實現(xiàn)，光波導(dǎo)2連接陣列端I的一端寬度與陣列端I端口寬度相等，光波導(dǎo)2的寬度沿著光波導(dǎo)2逐漸變化，最后光波導(dǎo)2連接垂直耦合器3的一端寬度與垂直耦合器3端口寬度相等。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明實施例進行各種修改和變型，倘若這些修改和變型屬在本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，則這些修改和變型也在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。說明書中未詳細描述的內(nèi)容為本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。
權(quán)利要求
1.一種多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu),包括陣列端(I)和多芯光纖(4),陣列端(I)的端口分布入射的光通信器件陣列分布一致，呈一條直線，其特征在于:還包括光波導(dǎo)(2)和用于將射入的光的方向改變90 °的垂直稱合器(3 ),垂直稱合器(3 )的端口分布與多芯光纖(4 )的纖芯分布一致，光波導(dǎo)(2)的一端與陣列端(I)相連,另一端與垂直稱合器(3)相連,多芯光纖(4)垂直于光波導(dǎo)(2)放置在垂直耦合器(3)的上方；從陣列端(I)入射的光信號(8)沿光波導(dǎo)(2)傳播至垂直耦合器(3)，垂直耦合器(3)將光波導(dǎo)(2)中光的傳播方向改變90°，變?yōu)榇怪庇诠獠▽?dǎo)(2 )的方向，稱合進垂直于光波導(dǎo)(2 )放置的多芯光纖(4)相對應(yīng)的纖芯中；從多芯光纖(4)入射的光信號(8)，經(jīng)由垂直耦合器(3)，傳播方向改變90°，變?yōu)檠毓獠▽?dǎo)(2)方向傳播的光束,并I禹合進入光波導(dǎo)(2),光信號(8)經(jīng)由光波導(dǎo)(2)導(dǎo)引，I禹合進入陣列端(I)的光電探測器陣列。
2.如權(quán)利要求1所述的多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述垂直耦合器(3)為反射斜面(6)，從陣列端(I)入射的光信號(8)沿光波導(dǎo)(2)傳播到反射斜面(6)，經(jīng)過反射斜面(6)的全反射,變?yōu)檠卮怪庇诠獠▽?dǎo)(2)的方向傳播的光,進入垂直于光波導(dǎo)(2)放置的多芯光纖(4)相對應(yīng)的纖芯中。
3.如權(quán)利要求2所述的多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述反射斜面(6)的傾斜角為40 60度。
4.如權(quán)利要求2所述的多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述反射斜面(6)采用聚焦離子束刻蝕、灰度掩膜或壓印工藝制成。
5.如權(quán)利要求2所述的多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu),其特征在于:所述垂直稱合器(3)的出射端口的長度<多芯光纖(4)的纖芯直徑，寬度<多芯光纖(4)的纖芯直徑，具體尺寸根據(jù)實際應(yīng)用時的器件損耗要求設(shè)計:器件損耗包括光波導(dǎo)(2)的傳輸損耗和垂直耦合器(3)與多芯光纖(4)纖芯之間的耦合損耗，通過波束傳播法計算光波導(dǎo)(2)的傳輸損耗，通過計算模場的重疊因子，得到垂直 耦合器(3)與多芯光纖(4)纖芯之間的耦合損耗。
6.如權(quán)利要求1所述的多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述垂直稱合器(3)為垂直率禹合光柵(7)，從多芯光纖(4)入射的光信號(8),經(jīng)由垂直稱合光柵(7)，在垂直稱合光柵(7)的衍射作用下，變?yōu)檠毓獠▽?dǎo)(2)方向傳播的光束，并耦合進入光波導(dǎo)(2)，光信號(8)經(jīng)由光波導(dǎo)(2 )導(dǎo)弓丨，耦合進入陣列端(I)的光電探測器陣列。
7.如權(quán)利要求6所述的多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu),其特征在于:所述垂直稱合器(3)的出射端口的長度>多芯光纖(4)的纖芯直徑，寬度>多芯光纖(4)的纖芯直徑，具體尺寸根據(jù)實際應(yīng)用時的器件損耗要求設(shè)計:器件損耗包括光波導(dǎo)(2)的傳輸損耗和垂直耦合器(3)與多芯光纖(4)纖芯之間的耦合損耗，通過波束傳播法計算光波導(dǎo)(2)的傳輸損耗，通過計算模場的重疊因子，得到垂直耦合器(3)與多芯光纖(4)纖芯之間的耦合損耗。
8.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu)，其特征在于:所述垂直耦合器(3)與多芯光纖(4)纖芯之間放置有聚焦透鏡或準直透鏡和聚焦透鏡組成的準直聚焦透鏡系統(tǒng)。
9.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu),其特征在于:所述光波導(dǎo)(2)連接陣列端(I)的一端寬度與陣列端(I)端口寬度相等，光波導(dǎo)(2)的寬度沿著光波導(dǎo)(2)逐漸變化，光波導(dǎo)(2)連接垂直耦合器(3)的一端寬度與垂直耦合器(3)端口寬度相等。
10.如權(quán)利要求1至7中任一項所述的多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu),其特征在于:所述多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu)還包括晶圓襯底(5)，所述陣列端(I)、光波導(dǎo)(2)、垂直耦合器(3)均制作在晶圓襯底(5)上。`
全文摘要
本發(fā)明公開了一種多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu)，涉及光通信領(lǐng)域，該多芯光纖光互聯(lián)結(jié)構(gòu)包括陣列端、光波導(dǎo)、垂直耦合器、多芯光纖，光波導(dǎo)一端與陣列端相連，另一端與垂直耦合器相連，多芯光纖垂直于光波導(dǎo)放置在垂直耦合器上方；從陣列端入射的光信號沿光波導(dǎo)傳播至垂直耦合器，傳播方向改變90°，變?yōu)榇怪庇诠獠▽?dǎo)的方向，耦合進多芯光纖相對應(yīng)的纖芯中；從多芯光纖入射的光信號，經(jīng)由垂直耦合器，傳播方向改變90°，變?yōu)檠毓獠▽?dǎo)方向傳播的光束，經(jīng)由光波導(dǎo)導(dǎo)引，耦合進入陣列端的光電探測器陣列。本發(fā)明工藝簡單，成本較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)，集成度較高，體積較小，提高了與多芯光纖互聯(lián)的陣列器件擺放的自由度，使電路版設(shè)計變得更加簡單。
文檔編號G02B6/12GK103076659SQ20131001121
公開日2013年5月1日 申請日期2013年1月11日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月11日
發(fā)明者王磊, 劉 文, 趙建宜, 陳鑫, 周鵬 申請人:武漢郵電科學(xué)研究院