光波導芯片和pd陣列透鏡耦合裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光波導芯片和PD陣列透鏡耦合裝置，包括波導芯片（101）、PD陣列（102）、熱沉（107）、波導墊片（108）、基板（109），波導墊片（108）；熱沉（107）位于基板（109）之上，PD陣列（102）位于熱沉（107）上，波導墊片（108）上設(shè)置有波導芯片（101），所述波導芯片（101）與PD陣列（102）之間的光路中設(shè)置有反射棱鏡(104)，波導芯片（101）輸出光經(jīng)過反射棱鏡(104)反射，由PD陣列（102）接收；且波導芯片（101）與PD陣列（102）之間的光路中設(shè)置有匯聚作用的透鏡陣列（103）；采用本發(fā)明裝置降低了成本，結(jié)構(gòu)簡單，組裝工藝較易實現(xiàn)，且光電轉(zhuǎn)換效率非常高。
【專利說明】光波導芯片和PD陣列透鏡耦合裝置
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種應(yīng)用于光通信技術(shù)光模塊的耦合裝置，尤其涉及光模塊中光學傳輸介質(zhì)(光纖，光波導)和光半導體元件(半導體激光器，光電二極管)之間具有較大容差光學耦合裝置，本發(fā)明屬于光通信領(lǐng)域。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]隨著智能設(shè)備以及云計算、物聯(lián)網(wǎng)的出現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)帶寬需求不斷攀升，提高系統(tǒng)傳輸速率迫在眉睫，100G及更高速率傳輸系統(tǒng)得到應(yīng)用。目前100G密集波分復用(DenseWavelength Division Multiplexing, DWDM)光傳輸系統(tǒng)采用相干接收雙偏振四相位鍵控調(diào)制(dual-polarization quadrature phase shift keying, DP-QPSK)技術(shù)，相對以往的傳輸系統(tǒng)，其跨越性主要在實現(xiàn)技術(shù)上進行了一系列重大變革，如QPSK調(diào)制技術(shù)、偏振復用技術(shù)，相干差分檢測技術(shù)等。
[0005]100G DWDM光傳輸系統(tǒng)主要由光發(fā)射機，傳輸線路和光接收機組成，其中，集成相干接收機(integrated coherent receiver, ICR)使系統(tǒng)通過分析信號光與外加參考光源的偏振與相位關(guān)系，來還原100G DP-QPSK相位與偏振星座圖的信號。100G集成相干接收機中采用4X25G的方式來實現(xiàn)，單通道傳輸電速率為25Gb/s，因為光探測器的帶寬與半導體材料內(nèi)載流子穿越時間和信號處理電路響應(yīng)時間有關(guān)，所以與高速光電二極管(Photodiode, PD)相比低速H)光電探測器具有更小的穿越時間，其光敏面也更小，其大小在幾十微米的量級。光波導芯片和光探測器之間采用混合集成方案的光學對準操作難度也更大，同時對光波導芯片出射光斑與PD光敏面的相對位置偏離也更敏感，混合集成對準的耦合效率直接影響器件的插損、CMRR、響應(yīng)度等指標。現(xiàn)有技術(shù)中的耦合結(jié)構(gòu)常見的主要有以下幾種:①NTT設(shè)計的利用雙透鏡加反射棱鏡的耦合結(jié)構(gòu)，見文獻:0hyama T, Ogawa I,Tanobe H.All-1n-one 100-Gbit/s DP-QPSK coherent receiver using novel PLC-basedintegration structure with low-loss and wide—tolerance mult1-channel opticalcoupling, 0ECC, 2010，其中，從光波導輸出的光束通過第一個透鏡擴束準直后，然后經(jīng)過全反射棱鏡反射，光線發(fā)生90度偏折，最后經(jīng)過第二個透鏡匯聚，匯聚后的光斑照射在H)表面。但是采用雙透鏡耦合結(jié)構(gòu)，使用2個透鏡也增加了額外的成本，光路較復雜，在實際組裝過程中操作難度較大，生產(chǎn)效率較低；②中國專利200610125025.X，基于斜平面圓柱形透鏡光纖的高效耦合組件及其制作方法所示的耦合結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)難固定，其圓柱形透鏡只能在光束一個維度上進行匯聚壓縮，無法使用到光纖組或者多個輸出光波導與ro陣列的耦合，因為經(jīng)過圓柱形透鏡匯聚的光 斑呈細長型，光斑會照射到相鄰的ro上面產(chǎn)生串擾。
[0006]
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的克服現(xiàn)有技術(shù)存在的技術(shù)缺陷，提出一種結(jié)構(gòu)簡單、組裝工藝較易實現(xiàn)、光電轉(zhuǎn)換效率高的光電耦合裝置。
[0008]本發(fā)明的技術(shù)方案是:
光波導芯片和ro陣列透鏡耦合裝置，包括波導芯片、ro陣列、熱沉(107)、波導墊片、基板，波導墊片；熱沉位于基板之上，PD陣列位于熱沉上，波導墊片上設(shè)置有波導芯片，所述波導芯片與ro陣列之間的光路中設(shè)置有反射棱鏡，波導芯片輸出光經(jīng)過反射棱鏡反射，由PD陣列接收；且波導芯片與ro陣列之間的光路中設(shè)置有匯聚作用的透鏡陣列。
[0009]所述ro陣列兩側(cè)設(shè)置有透鏡支架，透鏡支架上固定透鏡陣列，所述透鏡陣列通光面中心同ro陣列光敏面中心對應(yīng)對準；波導芯片上端粘接蓋玻片，蓋玻片外側(cè)粘貼反射棱鏡，反射棱鏡的斜面同波導芯片的輸出端相對應(yīng)。
[0010]所述反射棱鏡反射角為40?50度，反射平面上面鍍有增反膜。
[0011]所述波導芯片的輸出端下部襯底設(shè)置有挖空區(qū)域，該挖空區(qū)域的長度為2?4_，厚度為0.3?0.5mm。
[0012]所述透鏡支架高度Hl等于H)陣列高度H2與光束經(jīng)過透鏡陣列匯聚后透鏡陣列下表面到匯聚點的距離L之和。
[0013]所述波導芯片上端粘接蓋玻片，所述波導芯片的輸出端面粘接有透光片，透鏡陣列粘接在透光片上，波導芯片與透鏡陣列孔徑中心一一對應(yīng)，反射棱鏡固定在反射棱鏡支架上，反射棱鏡支架粘接在ro陣列的旁，ro陣列與反射棱鏡的斜面相對應(yīng)。
[0014]所述波導芯片設(shè)置有4個輸出通道，通道之間間距為250um;透鏡陣列(104)相應(yīng)由4個透鏡組成，透鏡間距為250um。
[0015]所述波導芯片的輸出端下部襯底設(shè)置有挖空區(qū)域，該挖空區(qū)域的長度為2?4_，厚度為0.3?0.5mm。
[0016]所述波導芯片的輸出端面鍍有增透膜。
[0017]所述透光片是玻璃片或者硅片。
[0018]本發(fā)明具有以下優(yōu)點:
I)本發(fā)明裝置中棱鏡切角后貼裝在波導表面的蓋玻片上，棱鏡固定方便穩(wěn)固，結(jié)構(gòu)緊促，同時可以通過控制棱鏡粘貼的位置來控制棱鏡反射光路的光程，防止照射到透鏡陣列的光斑束腰過大，形成相鄰透鏡間的光信號串擾。
[0019]2)本發(fā)明裝置中省去了波導出射處的準直透鏡陣列，只采用一個短焦距聚焦透鏡陣列，降低了成本，且結(jié)構(gòu)簡單，組裝工藝較易實現(xiàn)，且光電轉(zhuǎn)換效率非常高。
[0020]3)本發(fā)明裝置中透鏡陣列通過兩個玻璃支架支撐固定在ro陣列正上方，透鏡陣列通過高精度貼片的方式實現(xiàn)透鏡陣列和ro陣列的無源光學對準，其高精度和高效率的特點都非常適合工業(yè)生產(chǎn)。
[0021]4)本發(fā)明裝置中波導芯片的輸出波導上面鍍有增透膜，增透膜主要作用是減少光線在射出波導芯片后產(chǎn)生回波損耗。
[0022]5)本發(fā)明裝置中提供的透鏡耦合方案，經(jīng)過透鏡陣列匯聚后光束束腰半徑小，不僅適用于波導芯片或者光纖陣列與低速ro陣列的耦合，同樣適用于高速ro陣列的耦合。[0023]
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1本發(fā)明第一實施例透鏡耦合裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2本發(fā)明第一實施例透鏡耦合裝置結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；
圖3本發(fā)明第二實施例透鏡耦合裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4本發(fā)明第一實施例透鏡耦合裝置的波導芯片切割示意圖；
其中:
ιο?.波導芯片；102.ro陣列；
103.透鏡陣列104.反射棱鏡；
105.蓋玻片；106.透鏡支架；
107.熱沉；108.波導墊片；
109.基板；110.透光片；
111.反射棱鏡支架；
Hl:透鏡支鏡106高度；`
H2:PD陣列102高度；
L:光束經(jīng)過透鏡陣鏡103匯聚后透鏡陣列103下表面到匯聚點的距離；
【具體實施方式】
[0025]以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進行說明詳細說明。
[0026]如圖1所示，用于光波導芯片和ro陣列透鏡耦合結(jié)構(gòu)，包括波導芯片iouro陣列102、透鏡陣列103、反射棱鏡104、蓋玻片105、透鏡支架106、熱沉107、波導墊片108、基板109。圖1所示的熱沉107位于基板109之上，PD陣列102通過導電膠粘貼在熱沉107之上，熱沉107上設(shè)置有透鏡支架106，透鏡支架106為兩個支架組合，兩個支架分列于H)陣列102的兩側(cè)；透鏡支架106架設(shè)有長條形的透鏡陣列103，透鏡陣列103先固定在透鏡支架106上，透鏡支架106的材料為玻璃。通過貼片的操作把帶有透鏡支架106的透鏡陣列103貼到H)陣列102正上方，用膠把透鏡支架106與熱沉107粘接固定，貼片時保證透鏡陣列103通光面的中心以一對一的方式與ro陣列102的光敏面的中心進行對準，一個ro中心對準一個透鏡中心。波導墊片108位于基板109上的熱沉107旁側(cè)，波導墊片108上設(shè)置有波導芯片101，波導芯片101輸出端面為垂直平面，該表面鍍有石英到空氣的增透膜，波導芯片101上端粘接蓋玻片105，蓋玻片105外側(cè)粘貼有一個反射棱鏡104，反射棱鏡104與蓋玻片105的上表面平行,使反射棱鏡104的斜面同波導芯片101的輸出端相對應(yīng),反射棱鏡104的反射角度為40~50度，反射平面上面鍍有增反膜，由波導芯片101的射出光線經(jīng)過反射棱鏡104的斜面反射后的產(chǎn)生80~100度的偏轉(zhuǎn)，并投射到透鏡陣列103上。本發(fā)明實施例中的反射棱鏡104的反向角度為45度角。波導芯片101的輸出端下部襯底設(shè)置有挖空區(qū)域，該挖空區(qū)域的長度2~4_，厚度0.3^0.5_。本實施方案實現(xiàn)過程具體如下:切除波導輸出端一部分襯底，切除部分襯底長度2~4mm，厚度0.3^0.5mm,切除一部分襯底厚度主要是由于耦合結(jié)構(gòu)采用單透鏡方案的設(shè)計，需要控制輸入波導到透鏡的輸入光程的長度；由波導芯片101的射出光線經(jīng)過反射棱鏡104的斜面反射后的產(chǎn)生度的偏轉(zhuǎn)，并投射到透鏡陣列103上，經(jīng)過透鏡陣列103匯聚后的光線最終入射ro陣列102的光敏面上，被ro陣列102接收。ro陣列102通過金線與其連接的電學部件共同實現(xiàn)信號的傳輸。如圖2所示，本發(fā)明實施例方案中的透鏡支架106高度Hl等于ro陣列102高度H2+光束經(jīng)過透鏡陣列匯聚后透鏡陣列下表面到匯聚點距離L。
[0027]本發(fā)明此處的基板109僅僅提供一個粘接固定平面，在實際應(yīng)用中，本發(fā)明這種波導芯片101和ro陣列102耦合結(jié)構(gòu)可以使用在模塊盒內(nèi)，放置波導墊片108的基板109此時即是模塊盒的底面。
[0028]如圖1結(jié)構(gòu)所示的本發(fā)明光波導芯片和ro陣列透鏡耦合結(jié)構(gòu)實現(xiàn)包括如下步驟:
步驟1:通過貼片操作把熱沉107粘貼在基板109上，PD陣列102粘貼在熱沉107上，PD陣列102光敏面向上，它們之間粘接用膠是導電膠；
步驟2:把長條形的透鏡陣列103的粘貼在透鏡支架106上，透鏡支架106的高度預(yù)先設(shè)計好的，透鏡支架106高度Hl等于H)陣列102高度H2+光束經(jīng)過透鏡陣列匯聚后透鏡陣列下表面到匯聚點距離L ；
步驟3:將透鏡陣列103粘接于透鏡支架106上，在顯微鏡下把粘接有透鏡支架106的透鏡陣列103調(diào)整到H)陣列102正上方，貼片過程中，我們可以通過透鏡陣列103的看到放大的ro陣列102的像，調(diào)整透鏡陣列103左右位置使ro陣列102的光敏面的像位于對應(yīng)透鏡通光孔徑的正中心，點膠固化；
步驟4:切除波導輸出端一部分襯底，切除部分襯底長度2?4mm，厚度0.3?0.5mm,如圖4所示；
步驟5:襯底切除完成后，我們把反射棱鏡104粘貼在波導芯片101的蓋玻片105外側(cè)邊上，粘貼時保證反射棱鏡104與蓋玻片105的上表面平行，使反射棱鏡104的斜面同波導芯片101的輸出端相對應(yīng)；
步驟6:把波導墊塊108粘接在波導芯片101下表面上。現(xiàn)在可以開始波導芯片101與ro陣列102的對準工作。耦合的對準是通過有源對準的方式，用兩臺皮安表監(jiān)控ro陣列102的首尾兩個通道的光電流，波導芯片101通過夾具固定在六維微調(diào)架上，通過調(diào)節(jié)微調(diào)架的旋扭，來實現(xiàn)耦合對準的操作，調(diào)節(jié)過程中我們實時監(jiān)控產(chǎn)生的光電流大小，當兩臺皮安表的讀數(shù)同時達到最大，此時表明波導芯片101與ro陣列102達到最大耦合效率。耦合對準完成，在波導墊塊108與基板109之間點膠固化，即實現(xiàn)了波導芯片101與ro陣列102的耦合對準。
[0029]步驟4-6中的波導芯片101有4個輸出通道，通道之間間距250um，使用到的透鏡陣列也相應(yīng)由4個透鏡組成，透鏡間距也為250um，波導芯片101每4個通道與一個反射棱鏡104耦合。
[0030]在步驟3中:透鏡貼片過程中可以改進成用圖像處理軟件輔助判斷透鏡陣列103的通光孔徑中心與F1D陣列102光敏面中心的是否對準。方式如下:用(XD(Charge-coupledDevice,，電荷耦合元件)替代顯微鏡來實時采集貼片操作的圖像，CXD連接到電腦上面數(shù)據(jù)采集卡上，在電腦上面用圖像處理方式分析出透鏡陣列的通光孔徑中心位置，并分析H)陣列光敏面的像的中心位置，并計算兩者之間的像素差，供操作者輔助判斷。這樣通過實時分析通光孔徑中心與光敏面的中心位置差，可以實現(xiàn)透鏡陣列103與H)陣列102的高精度對準，而且重復性好。
[0031]如圖4波導芯片側(cè)視圖所示，波導芯片101的耦合端襯底被切除一部分，減小入射光的光程，保證波導芯片101可以的下降到設(shè)計的高度，有利與透鏡陣列103的耦合。并且波導芯片101的輸出端面鍍有增透膜，根據(jù)菲涅爾反射定律，如果不鍍增透膜，在芯片的端面將會有4.5%的入射光反射回去，而鍍膜之后可以使99.9%以上的入射光透過波導的耦合面，整個器件的回損將控制在_30dB以下。
[0032]本發(fā)明專利提供的這種高效的透鏡耦合方案，該方案利用光學無源與有源結(jié)合的對準方式，使波導芯片101與ro陣列102之間的光路中設(shè)置有反射棱鏡104，波導芯片101輸出光經(jīng)過反射棱鏡104反射，由ro陣列102接收，且波導芯片101與PD陣列102之間的光路中設(shè)置有匯聚作用的透鏡陣列103。本發(fā)明技術(shù)方案可以實現(xiàn)陣列波導芯片101與透鏡陣列103、ro陣列102之間的高精度對準。透鏡陣列103與ro陣列102的無源對準方案的使用減少對準時間，提高對準效率及保證對準重復性，降低了對操作人員的操作要求，保證產(chǎn)品的一致性。
[0033]在此方案中，透鏡陣列103與ro陣列102之間的對準采用手動貼片方式進行操作，并可以結(jié)合圖像處理軟件進行位置中心的圖像分析，提高了對準精度及重復性。對準精度高，操作簡單方便，提高了生產(chǎn)效率，適合批量生產(chǎn)使用；整個方案采用一個透鏡陣列103，與NTT設(shè)計的利用雙透鏡陣列加反射棱鏡的耦合結(jié)構(gòu)方案相比，可以減少組件的構(gòu)件數(shù)量，節(jié)約成本，降低工藝難度。
[0034]本發(fā)明提出的第一種耦合結(jié)構(gòu)，棱鏡切角后貼裝在波導表面的玻璃片上，光從波導射出后沿空氣發(fā)散傳播，經(jīng)棱鏡反射，光路發(fā)生80?100°轉(zhuǎn)折，到達透鏡上表面的光斑束腰約為60um，最后光通過透鏡聚焦會聚照射到光敏面上，實現(xiàn)光電轉(zhuǎn)換。基于上述使用一個透鏡陣列和一個反射棱鏡來實現(xiàn)光到電耦合的思想，本發(fā)明提供了第二種光到電耦合的設(shè)計結(jié)構(gòu)。第二實施方案的一種耦合設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示:基板109，熱沉107，Η)陣列102的粘接方式與位置同第一實施例方案，熱沉107位于基板109之上，H)陣列102通過導電膠粘貼在熱沉107之上，透光片110粘接在波導芯片101的輸出端面，透鏡陣列103凸面沿著光路方向，粘接在透光片110上，透鏡粘接需要做到波導芯片101與透鏡陣列103孔徑中心一一對應(yīng)，對準過程類似上述步驟3的貼片操作:波導芯片101豎直放置，在顯微鏡下面透過透鏡看到方形波導的像，調(diào)節(jié)透鏡陣列位置，當看到波導陣列位于透鏡陣列孔徑中心時點膠固化；反射棱鏡104固定在反射棱鏡支架111上，反射棱鏡104的反射角度為40?50度，反射棱鏡支架111粘接在ro陣列102的旁，使ro陣列102與反射棱鏡104的斜面相對應(yīng)。由波導芯片101射出的光線先經(jīng)過透鏡陣列103匯聚在反射棱鏡104的斜面上，經(jīng)過斜面反射以后，發(fā)生80?100度方向的偏轉(zhuǎn)，匯聚到ro陣列102的光敏面上，波導芯片101與ro陣列102對準時同樣采取有源對準方式，參照上述的步驟6。透光片110可以選擇為玻璃片或者硅片，一般可優(yōu)選石英玻璃片，其作用是防止波導芯片101輸出光發(fā)散到外面?zhèn)鬏?。第二實施例中波導芯?01的輸出端下部襯底設(shè)置有挖空區(qū)域，該挖空區(qū)域的長度2?4mm,厚度0.3?0.5mm。本實施方案中的波導芯片輸出端下部襯底挖空區(qū)域設(shè)置的作用是減小透鏡陣列中的透鏡輸出后的輸出光程。
[0035]以上所述實施例僅表達了本發(fā)明的幾種實施方式，其描述較為具體和詳細，但并不能因此而理解為對本發(fā)明專利范圍的限制。應(yīng)當指出的是，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。因此，本發(fā)明專利的保護范圍應(yīng)以所附權(quán)利要求為準。
【權(quán)利要求】
1.光波導芯片和ro陣列透鏡耦合裝置，包括波導芯片(101)、ro陣列(102)、熱沉(107)、波導墊片(108)、基板(109)，波導墊片(108);熱沉(107)位于基板(109)之上，PD陣列(102)位于熱沉(107)上，波導墊片(108)上設(shè)置有波導芯片(101 )，其特征在于:所述波導芯片(101)與ro陣列(102)之間的光路中設(shè)置有反射棱鏡(104)，波導芯片(101)輸出光經(jīng)過反射棱鏡(104)反射，由ro陣列(102)接收；且波導芯片(101)與ro陣列(102)之間的光路中設(shè)置有匯聚作用的透鏡陣列(103)。
2.如權(quán)利要求1所述的光波導芯片和ro陣列透鏡耦合裝置，其特征在于:所述ro陣列(102)兩側(cè)設(shè)置有透鏡支架(106)，透鏡支架(106)上固定透鏡陣列(103)，所述透鏡陣列(103)通光面中心同ro陣列(102)光敏面中心對應(yīng)對準；波導芯片(101)上端粘接蓋玻片(105)，蓋玻片(105)外側(cè)粘貼反射棱鏡(104)，反射棱鏡(104)的斜面同波導芯片(101)的輸出端相對應(yīng)。
3.如權(quán)利要求1或2所述的光波導芯片和ro陣列透鏡耦合裝置，其特征在于:所述反射棱鏡(104)反射角為40?50度,反射平面上面鍍有增反膜。
4.如權(quán)利要求3所述的光波導芯片和ro陣列透鏡耦合裝置，其特征在于:所述波導芯片(101)的輸出端下部襯底設(shè)置有挖空區(qū)域，該挖空區(qū)域的長度為2?4_，厚度為0.3?0.5mm O
5.如權(quán)利要求3所述的光波導芯片和ro陣列透鏡耦合裝置，其特征在于:所述透鏡支架(106)高度Hl等于ro陣列(102)高度H2與光束經(jīng)過透鏡陣列(103)匯聚后透鏡陣列(103)下表面到匯聚點的距離L之和。
6.如權(quán)利要求1所述的光波導芯片和H)陣列透鏡耦合裝置，其特征在于:所述波導芯片(101)上端粘接蓋玻片(105)，所述波導芯片(101)的輸出端面粘接有透光片(110)，透鏡陣列(103)粘接在透光片(110)上，波導芯片(101)與透鏡陣列(103)孔徑中心一一對應(yīng)，反射棱鏡(104)固定在反射棱鏡支架(111)上，反射棱鏡支架(111)粘接在ro陣列(102)的旁，PD陣列(102)與反射棱鏡(104)的斜面相對應(yīng)。
7.如權(quán)利要求1或6所述的光波導芯片和ro陣列透鏡耦合裝置，其特征在于:所述波導芯片(101)設(shè)置有4個輸出通道，通道之間間距為250um;透鏡陣列(104)相應(yīng)由4個透鏡組成，透鏡間距為250um。
8.如權(quán)利要求6所述的光波導芯片和H)陣列透鏡耦合裝置，其特征在于:所述波導芯片(101)的輸出端下部襯底設(shè)置有挖空區(qū)域，該挖空區(qū)域的長度為2?4_，厚度為0.3?0.5mmο
9.如權(quán)利要求2所述的光波導芯片和ro陣列透鏡耦合裝置，其特征在于:所述波導芯片(101)的輸出端面鍍有增透膜。
10.如權(quán)利要求6所述的光波導芯片和ro陣列透鏡耦合裝置，其特征在于:所述透光片(110)是玻璃片或者硅片。
【文檔編號】G02B6/42GK103513348SQ201310433022
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年9月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月23日
【發(fā)明者】石川, 習華麗, 梁雪瑞, 陳征, 江雄 申請人:武漢光迅科技股份有限公司