光纤阵列和硅光芯片的耦合方法以及光模块与流程

1.本发明涉及光通信技术领域，具体为一种光纤阵列和硅光芯片的耦合方法以及光模块。


背景技术：

2.随着大数据和云计算的飞速发展，数据中心的网络流量呈现出爆炸式增长，这也对数据中心网络和光互连技术提出了更高要求。硅光子技术因具有低功耗、高速率、高集成和高互联密度等优点，且与传统的光子技术相比，更能满足数据中心的各种需求，因此，一经出现就被广泛研究和应用。
3.对于硅光子技术来说，技术难点在于硅光芯片的封装。硅光芯片的硅波导的模场直径是远远小于光纤的，如果直接跟光纤耦合的话就会存在模场不匹配问题，进而带来严重的耦合损耗。因此，解决硅光芯片和光纤的耦合问题成为重中之重。
4.目前，应用最广泛的方法是端面耦合法和光栅耦合法。光栅耦合法分为光栅垂直耦合和光栅水平耦合，虽然具有容差大、易调装等优点，但是封装损耗大。因此，端面耦合因封装损耗低、体积小等优点受到广泛推崇，也是未来光电子器件封装的主要形式。
5.对于带有多个光输入/输出端口的高密度集成硅光子芯片同外部光互联的问题，常见的方法是在硅光芯片的输入/输出端设计特殊的模斑转换器(ssc:spot size converter)，实现模场匹配，再让光纤阵列(fa，fiberarra1至图7)与ssc直接耦合，并在硅光芯片和fa的耦合端面使用光学胶水固定。但直接用胶粘接光纤阵列和芯片的端面不仅粘接强度不高、散热性能差，而且易飞胶、操作难度大。此外，对于模斑转换器没有与硅光芯片端面齐平的情况，fa与硅光芯片的ssc的耦合工艺难度就会增加。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种光纤阵列和硅光芯片的耦合方法以及光模块，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。
7.为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种光纤阵列和硅光芯片的耦合方法，包括如下步骤：
8.s1，将硅光芯片固定在基板上，所述硅光芯片的四个端面耦合波导均能与光纤阵列进行模场匹配，
9.s2，待所述硅光芯片固定完毕后，将所述基板安装在pcb板上；
10.s3，将光纤阵列的两根耦合参考单模光纤分别接可调谐激光光源和光电探测器；
11.s4，将光学胶水涂在pcb板上，调节所述光纤阵列与所述硅光芯片的端面耦合波导对准，当所述光电探测器上的功率达到最大时停止移动所述光纤阵列，并将此位置的所述光纤阵列粘接到pcb板上。
12.进一步，在所述s3步骤和所述s4步骤之间，先对所述光纤阵列的位置进行预调整，预调整的方法具体为：调节所述光纤阵列与所述硅光芯片的端面耦合波导对准，当所述光
电探测器上的功率值达到最大时停止移动所述光纤阵列，即当前位置为最佳耦合位置。
13.进一步，在预调整完后，直接将所述光纤阵列向上移动，再将光学胶水均匀涂在pcb板上，最后移回光纤阵列重新对准。
14.进一步，调节的方式具体为采用三维位移调节架和ccd相机实时调节和监控。
15.进一步，在所述s2步骤中，将所述硅光芯片和所述基板用光学胶水粘贴在固定板上，再将所述固定板粘贴在所述pcb板上。
16.进一步，所述硅光芯片的端面耦合波导与侧端面之间有10～14μm的距离差，端面耦合波导与上端面之间有3～7μm的高度差。
17.进一步，所述硅光芯片的两根耦合参考单模光纤导通连接。
18.进一步，所述光纤阵列的另外一个端面伸出有若干段小模光纤，每根所述耦合参考单模光纤连接一段所述小模光纤，所述小模光纤的模斑半径和所述硅光芯片的端面耦合波导的模斑半径相等。
19.进一步，所述光纤阵列还包括光输入端单模光纤和光输出端单模光纤，所述光输入端单模光纤、两根所述耦合参考单模光纤以及所述光输出端单模光纤呈一排设置，所述光输入端单模光纤和所述光输出端单模光纤也分别与对应的所述小模光纤连接。
20.本发明实施例提供另一种技术方案：一种光模块，包括光纤阵列和硅光芯片，采用上述的耦合方法将所述光纤阵列和所述硅光芯片耦合。
21.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
22.1、采用本方法对光纤阵列和硅光芯片进行耦合对准，结构紧凑、操作简单、工艺流程少，重复性好，损耗少。
23.2、采用硅光芯片的两个耦合参考波导可以用来实时显示耦合过程的光信号变化，提供耦合信息，加快耦合工艺流程，找准最佳耦合位置。
24.3、pcb板、基板以及固定板的高度尺寸可控，因此光纤阵列与pcb板之间的空隙是可控的，使用的光学胶水厚度也是可控的。
25.4、光纤阵列中小模光纤伸出的距离不受限光纤阵列的固定方式，结构灵活，工艺成本低。
26.5、采用的耦合方式和具有耦合参考波导的硅光芯片为多端口的同时对准耦合提供了一种简便快速的方案。
附图说明
27.图1为本发明实施例提供的一种光纤阵列和硅光芯片耦合的立体图；
28.图2为本发明实施例提供的一种光纤阵列和硅光芯片耦合的正视图；
29.图3为本发明实施例提供的一种光纤阵列和硅光芯片耦合的俯视图；
30.图4为本发明实施例提供的一种光纤阵列的示意图；
31.图5为本发明实施例提供的一种硅光芯片的立体图；
32.图6为本发明实施例提供的一种硅光芯片的主视图；
33.图7为本发明实施例提供的一种固定块的示意图；
34.附图标记中：1-pcb板；2-光纤阵列；211-光输入端单模光纤；212-第一耦合参考单模光纤；213-第二耦合参考单模光纤；214-光输出端单模光纤；22-v槽；23-小模光纤；24-盖
板；3-硅光芯片；31-模斑变换器；4-基板；5-固定块。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
36.请参阅图1至图7，本发明实施例提供一种光纤阵列和硅光芯片的耦合方法，包括如下步骤：s1，将硅光芯片3固定在基板4上，所述硅光芯片3的四个端面耦合波导均能与光纤阵列2进行模场匹配，s2，待所述硅光芯片3固定完毕后，将所述基板4安装在pcb板1上；s3，将光纤阵列2的两根耦合参考单模光纤分别接可调谐激光光源和光电探测器；s4，将光学胶水涂在pcb板1上，调节所述光纤阵列2与所述硅光芯片3的端面耦合波导对准，当所述光电探测器上的功率达到最大时停止移动所述光纤阵列2，并将此位置的所述光纤阵列2粘接到pcb板1上。在本实施例中，采用本方法对光纤阵列2和硅光芯片3进行耦合对准，结构紧凑、操作简单、工艺流程少，重复性好，损耗少。采用硅光芯片3的两个耦合参考波导可以用来实时显示耦合过程的光信号变化，提供耦合信息，加快耦合工艺流程，找准最佳耦合位置。具体地，通过给光纤阵列2设计两根耦合参考单模光纤，可以通过它们分别接可调谐激光光源和光电探测器，然后进行调节，通过光电探测器来判断光纤阵列2是否移动到最佳耦合位置，找准位置后通过光学胶水将光纤阵列2粘接到pcb板1上即可。其中的四个端面耦合波导均具有模斑变换器31作用。优选的，在s2步骤时，先将所述硅光芯片3和所述基板4用光学胶水粘贴在固定板上，再将所述固定板粘贴在所述pcb板1上。优选的，所述光纤阵列2还包括光输入端单模光纤211和光输出端单模光纤214，所述光输入端单模光纤211、两根所述耦合参考单模光纤以及所述光输出端单模光纤214呈一排设置，所述光输入端单模光纤211和所述光输出端单模光纤214也分别与对应的所述小模光纤连接。优选的，固定块5具有供基板4嵌入的凹槽。
37.作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1至图7，在所述s3步骤和所述s4步骤之间，先对所述光纤阵列2的位置进行预调整，预调整的方法具体为：调节所述光纤阵列2与所述硅光芯片3的端面耦合波导对准，当所述光电探测器上的功率值达到最大时停止移动所述光纤阵列2，即当前位置为最佳耦合位置。在本实施例中，在进行s4步骤的调节前，先进行预调整，先调一次，得到最佳耦合位置，这样s4步骤的调节就会更快，因为在预调完整后，就直接将所述光纤阵列2向上移动，再将光学胶水均匀涂在pcb板1上，最后移回光纤阵列2重新对准，这样直上直下的方式可以加快第二次调节的速度，如此可以保证光学胶水的有效性，避免调节时间过长光学胶水变干，现有技术的调节中，没有预调整，需要极快地速度进行耦合，时间仓促，常常会出现光学胶水快要变干，粘接不牢固的情况。而通过预调整后，已经找准了最佳耦合位置，直上直下的位置不会变动太大，这样再调节的速度就会非常快，不会出现光学胶水变干的情况。
38.作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1至图7，调节的方式具体为采用三维位移调节架和ccd相机实时调节和监控。在本实施例中，调节的方式可以采用三维位移调节架来在xyz三个方向进行调节，然后可以通过ccd相机实时监控，确保调节的精准。
39.作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1至图7，所述硅光芯片的端面耦合波导与侧端面之间有10～14μm的距离差，端面耦合波导与上端面之间有3～7μm的高度差。在本实施例中，端面耦合波导与侧端面之间有～12μm的距离差,端面耦合波导与上端面之间有～5μm的高度差。
40.作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1至图7，所述硅光芯片3的两根耦合参考单模光纤导通连接。在本实施例中，两根耦合参考单模光纤可以定义为第一耦合参考单模光纤212和第二耦合参考单模光纤213，它们是导通连接的。
41.作为本发明实施例的优化方案，请参阅图4，所述光纤阵列2的另外一个端面伸出有若干段小模光纤23，每根所述耦合参考单模光纤连接一段所述小模光纤23，所述小模光纤23的模斑半径和所述硅光芯片3的端面耦合波导的模斑半径相等。所述光纤阵列还包括光输入端单模光纤和光输出端单模光纤，所述光输入端单模光纤、两根所述耦合参考单模光纤以及所述光输出端单模光纤呈一排设置，所述光输入端单模光纤和所述光输出端单模光纤也分别与对应的所述小模光纤连接。在本实施例中，单模光纤和小模光纤23熔接而成，其中小模光纤23的模斑半径和硅光芯片3的端面耦合波导的模斑半径相等。光纤阵列2的小模光纤23全部剥除涂覆层，并且伸出光纤阵列2前端面50～300μm的距离。
42.作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1至图7，先将光学胶水均匀涂敷在基板4的对应位置上，再将硅光芯片3放在基板4上固定，此时光学胶水用于固定和导热；把固定板的u型槽里面的对应位置均匀涂敷光学胶水，再把固定硅光芯片3的基板4放在固定板的u型槽上粘贴固定，此时光学胶水也是用于固定和导热；把固定板的上表面均匀涂敷光学胶水，再把pcb板1放在固定板上固定，此时光学胶水仅用于固定；将光纤阵列2的耦合参考单模光纤和耦合参考单模光纤分别连接可调谐激光光源和光电探测器；用三维位移调节架移动光纤阵列2，让其与硅光芯片3的端面耦合波导对准，通过ccd相机显示实时位置，通过光电探测器显示实时耦合光信号的功率变化，当移动光纤阵列2，光电探测器显示最大值时，此时为最佳耦合位置；从最佳耦合位置向上移动光纤阵列2，在pcb板1的对应位置均匀涂敷光学胶水，然后向下移动光纤阵列2，微调位置重新对准硅光芯片3的端面耦合波导，等光电探测器显示最大功率值时停止移动，此时最大功率值应与上述步骤的相等，且可以忽略不计，最后固定在pcb板1上，此时光学胶水仅用于固定。
43.本发明实施例提供一种光模块，包括光纤阵列2和硅光芯片3，采用上述的耦合方法将所述光纤阵列2和所述硅光芯片3耦合。在本实施例中，将上述的pcb板1、光纤阵列2、硅光芯片3、基板4以及固定块5装配好，光纤阵列2和硅光芯片3耦合好后，再装配光模块的其他部分。pcb板1、基板4以及固定板的高度尺寸可控，因此光纤阵列2与pcb板1之间的空隙是可控的，使用的光学胶水厚度也是可控的。所述光纤阵列2中各小模光纤23的间距和v型槽的设置，为实现每一小模光纤23和硅光芯片3端面耦合波导的对准提供了便利。所述光纤阵列2和硅光芯片3形成的耦合结构只需要光纤阵列2固定在pcb板1上，以及硅光芯片3通过基板4、固定板固定在pcb板1上，而不需要把光纤阵列2固定在硅光芯片3端面。此耦合结构能够提高元器件的强度、结构稳定性，同时提高其散热性能。在设计硅光芯片3的端面耦合波导时可以加入两个耦合参考波导，以用于实时显示耦合过程的光信号变化，加快耦合工艺流程，找准最佳耦合位置。
44.作为本发明实施例的优化方案，如图4所示，为0度角的光纤阵列2的结构示意图，
由光输入端单模光纤211、第一耦合参考单模光纤212、第二耦合参考单模光纤213，光输出端单模光纤214、v槽22、小模光纤23和盖板24组成，其中单模光纤和小模光纤23熔接接在一起，用于模斑转换。硅光芯片3属于光电集成芯片，结构如图5所示，在端面有四个端面耦合波导，其中两个耦合波导是导通连接的，用于耦合时监测光信号变化，另外两个耦合波导分别是输入光口和输出光口。pcb板1用作光路承载和电路导通；而基板4用于芯片控温以及芯片固定；固定板用于芯片散热以及芯片固定，如图7所示。
45.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。