专利名称：光纤与光波导芯片高效垂直耦合互连的封装方法
技术领域：
本发明属于集成光学领域，特别涉及一种光纤与光波导芯片高效垂直耦合互连的封装方法。
背景技术：
随着高速信息化技术的发展，集成光学器件的发展已成为未来光通信、光计算、光传感等各领域交错发展的必然趋势。同时在微光学器件、光量子器件、精密时间频率测量、 光集成、高灵敏度传感器、光网络以及光量子计算机等领域也有着重大的潜在应用价值。硅基集成单元光互连系统是由包括激光器、调制器、探测器等在内的各种硅基光波导器件组成的以光为传输信号的互连系统。而SOKSilicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)材料由于高折射率对比度、与传统CMOS工艺兼容等优点，已成为光波导器件的主要应用材料。 随着微纳光电子集成技术的发展，光电子器件的尺寸越来越小，使更多功能的光电子器件集成在同一芯片上成为可能。然而现有激光光源体积大，未能实现激光光源与光电子器件的集成，所以在外界光源与集成光波导器件之间需要一个高效、低损耗的耦合器件及纳米光波导和光纤的互连器件。传统的耦合方式是让光纤与光波导器件直接对接耦合，由于插入损耗、模式转换损耗较大，导致耦合效率非常低，通常不超过10%。采用透镜光纤耦合虽然能够缩小光纤模斑，但是与波导之间需要精确对准，直接对准纳米波导几乎无法实现。本发明利用纳米波导光栅与单模光纤垂直耦合的光学互连方案，利用光的透射，改变光传播方向，实现垂直耦合，解决从直径数十微米的光纤到百纳米的光波导结构的低损耗光传输问题，能实现超过 50%的耦合效率。但采用垂直光栅耦合对光纤的入射角要求苛刻，对耦合系统的稳定性要求也非常高，而且不能实现重复性操作，需要每次对准。所以，如何使垂直光栅耦合系统更加稳定、可靠、易于重复使用，是提高光传输效率的关键，也是制约集成光学器件发展的瓶颈。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤与光波导芯片高效垂直耦合互连的封装方法，其克服目前光集成芯片上纳米波导与光栅垂直耦合系统的不稳定性和重复对准的缺点，且结构简单、稳定性好、抗外界干扰且易于阵列集成。为解决所述技术问题，本发明提供了一种光纤与光波导芯片高效垂直耦合互连的封装方法，其特征在于，其包括以下步骤在SOI材料上采用微加工工艺制备出硅基纳米波导光栅，并应用扫描电镜对硅基纳米波导光栅进行扫描；准备好实验封装时所应用的低折射率固化封装材料，并应用折射率检测仪测定低折射率固化封装材料的折射率；制备实验所用的单模光纤，主要为单模光纤进行刨层处理，然后进行酒精擦拭和端面切割；在硅基纳米波导光栅的表面涂覆光学增透膜；在以上基础上搭建垂直耦合测试系统，通过六维位移调节架结合长焦距CXD和红外CCD调整单模光纤和硅基纳米波导光栅两者之间的位置；用准备好的低折射率固化封装材料点胶单模光纤与硅基纳米波导光栅的耦合端， 并记录六维位移调节架所对应的硅基纳米波导光栅耦合单模光纤的入射角；对点胶的内部封装体进行曝光固化；根据上述记录的入射角，制备出顶部有一个与垂直方向成入射角的V型光纤定位槽；将上述点胶固化后的单模光纤放置到V型光纤定位槽中；用准备好的固化胶粘性材料点胶到V型光纤定位槽内进行单模光纤的固化封装；对点胶的V型光纤定位槽进行曝光固化；对最终封装后的结构进行测试。优选地，所述单模光纤的模场直径为lOum。优选地，所述单模光纤通过固化胶粘性材料固定在V型光纤定位槽内。本发明的积极进步效果在于一、本发明克服目前光集成芯片上纳米波导与光栅垂直耦合系统的不稳定性和重复对准的缺点，且结构简单、稳定性好、抗外界干扰且易于阵列集成，实现硅纳米光波导与光纤的高效、稳定光耦合与简便封装。二、本发明中采用垂直光栅耦合提高了光纤和光波导器件间的耦合效率。三、本发明中使用了光学增透膜，可进一步减少纳米光栅端面的菲涅尔反射损耗。四、本发明中使用固化胶来点胶纳米波导光栅和近垂直单模光纤的末端，提高了耦合封装的稳定性。五、本发明采用具有倾角的V型光纤定位槽，实现了光栅与单模光纤的高效光耦合，克服了垂直光栅耦合系统因外界扰动造成的不稳定性和重复对准的缺点，提高了耦合封装的入射角精确度。六、本发明中的稳固封装技术工艺简单，适用与阵列光纤与光栅的高效耦合与简便封装，具有非常大的实际应用价值，可用于批量生产。
图1为本发明耦合封装结构关键部分结构示意图。图2为本发明中V型光纤定位槽的横切面示意图。图3为本发明中V型光纤定位槽的侧切面示意图。
具体实施例方式下面举个较佳实施例，并结合附图来更清楚完整地说明本发明。 如图1所示，耦合封装结构包括硅基纳米波导光栅1、单模光纤2、内部封装体(耦合封装端)3、外部封装体4、V型光纤定位槽5，V型光纤定位槽5的倾角为θ。内部封装体由涂覆在光栅表面的折射率匹配膏与刨层的垂直光纤进行低折射率紫外固化胶粘性材
4料点胶固化凝固而成。而外部封装体主要由包容了整个光栅、内部封装体构成的外部封装盒，且其顶部拥有贯通的V型光纤定位槽。硅基纳米波导光栅的占空比为1 1，刻蚀深度为 h (150nm 190nm)，周期长度为 L(580nm 610nm)。如图2所示，其中d为未刨层的光纤半径，W为V型槽的开口半宽。α为V型槽的开口角度，本发明中我们设定为45° (也可为其他角度)，从而可得W应为2^d。如图3所示，其中V型光纤定位槽与垂直方向的夹角等于单模光纤垂直耦合波导光栅的入射角(即为倾角Θ)。本发明提供了一种光纤与光波导芯片高效垂直耦合互连的封装方法，其主要分为两个步骤来实现。其一是对耦合系统中单模光纤进行V型光纤定位槽入射角精确性和稳定性的工艺封装；其二是利用了一种低折射率紫外固化胶粘性材料，用来对硅基纳米波导光栅和单模光纤进行点胶固化封装。垂直耦合结构中由于对单模光纤的入射角要求苛刻，实验测试时需要频繁对准， 抗外界扰动能力差，造成耦合系统的不稳定性，使输出光功率的波动范围较大。所以实现高效、稳定的垂直纳米光栅耦合系统将极大地提高纳米波导光传输效率和推动集成光学光波导器件的应用。如上所述本发明光纤与光波导芯片高效垂直耦合互连的封装方法主要包括以下两大关键封装方法—、硅基纳米波导光栅和单模光纤点胶固化封装1. 1在S0I(Silicon-0n-Insulator，绝缘衬底上的硅)材料上采用微加工工艺 (比如微电子机械系统MEMS，Micro Electro Mechanical systems)制备出硅基纳米波导光栅，并应用扫描电镜(SEM)对硅基纳米波导光栅进行扫描，以确保制备的硅基纳米波导光栅满足高效耦合封装的要求。1. 2准备好实验封装时所应用的低折射率固化封装材料(如紫外胶)，并应用折射率检测仪测定该材料的折射率，以确保其折射率低于硅基纳米波导光栅和光学增透膜的折射率。1. 3制备实验所用的单模光纤，主要为单模光纤进行刨层处理，然后进行酒精擦拭和端面切割，切割时一定要保证内部封装体平整光滑。单模光纤的模场直径为10um。1. 4在硅基纳米波导光栅的表面涂覆光学增透膜(折射率匹配膏)以增强耦合效率。1. 5在以上基础上搭建垂直耦合测试系统，通过高精度的六维位移调节架结合长焦距CCD (Charge-coupled Device,电荷耦合元件)和红外CCD调整单模光纤和硅基纳米波导光栅两者之间的位置，使其保持稳定高效耦合。根据光路的可逆性，用光功率探测器在内部封装体探测输出功率。1. 6用准备好的低折射率固化封装材料点胶单模光纤与硅基纳米波导光栅的耦合端，点胶的过程要在高倍显微镜的检测下进行，并通过光功率探测器判断点胶过程对耦合效率的影响，如果点胶过程扰动了之前的高效耦合，则通过高精度位移调节台对二者之间的耦合进行微调，直到耦合效率达到最大。并记录六维位移调节架所对应的硅基纳米波导光栅耦合单模光纤的入射角θ。1. 7对点胶的内部封装体进行曝光固化，持续时间依赖于封装结构点胶处的大小，一般在五分钟左右。二、V型光纤定位槽(垂直倾角为θ )稳定性封装2. 1根据上述记录的入射角θ，制备出顶部有一个与垂直方向成入射角θ的V型光纤定位槽，V型光纤定位槽倾斜θ角主要作用为稳固垂直光纤耦合的入射角。2. 2将上述点胶固化后的单模光纤放置到V型光纤定位槽中，要保持光纤处于无弯曲状态，光纤侧端面与V型光纤定位槽内切面尽可能大接触，外露与V型光纤定位槽下端的刨层光纤不易过长。此外要保障固化点处不发生形变以确保二次封装的稳定性。2. 3用准备好的粘性固化材料(如紫外胶或AB胶)点胶到V型光纤定位槽内进行单模光纤的固化封装。2. 4对点胶的V型光纤定位槽进行曝光固化，持续时间大约为五分钟。单模光纤通过固化胶粘性材料固定在V型光纤定位槽内。2. 5对最终封装后的结构进行测试，主要为抗扰动性测试，在不同的外界扰动下观察其输出最大功率的值确定其稳定程度。虽然以上描述了本发明的具体实施方式
，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。
权利要求
1.一种光纤与光波导芯片高效垂直耦合互连的封装方法，其特征在于，其包括以下步骤在SOI材料上采用微加工工艺制备出硅基纳米波导光栅，并应用扫描电镜对硅基纳米波导光栅进行扫描；准备好实验封装时所应用的低折射率固化封装材料，并应用折射率检测仪测定低折射率固化封装材料的折射率；制备实验所用的单模光纤，主要为单模光纤进行刨层处理，然后进行酒精擦拭和端面切割；在硅基纳米波导光栅的表面涂覆光学增透膜；在以上基础上搭建垂直耦合测试系统，通过六维位移调节架结合长焦距CCD和红外 CCD调整单模光纤和硅基纳米波导光栅两者之间的位置；用准备好的低折射率固化封装材料点胶单模光纤与硅基纳米波导光栅的耦合端，并记录六维位移调节架所对应的硅基纳米波导光栅耦合单模光纤的入射角； 对点胶的内部封装体进行曝光固化；根据上述记录的入射角，制备出顶部有一个与垂直方向成入射角的V型光纤定位槽；将上述点胶固化后的单模光纤放置到V型光纤定位槽中；用准备好的固化胶粘性材料点胶到V型光纤定位槽内进行单模光纤的固化封装；对点胶的V型光纤定位槽进行曝光固化；对最终封装后的结构进行测试。
2.如权利要求1所述的光纤与光波导芯片高效垂直耦合互连的封装方法，其特征在于，所述单模光纤的模场直径为lOum。
3.如权利要求1所述的光纤与光波导芯片高效垂直耦合互连的封装方法，其特征在于，所述单模光纤通过固化胶粘性材料固定在V型光纤定位槽内。
全文摘要
本发明公开了一种光纤与光波导芯片高效垂直耦合互连的封装方法，其包括以下步骤制备出硅基纳米波导光栅，并应用扫描电镜对硅基纳米波导光栅进行扫描；准备好低折射率固化封装材料；制备单模光纤；在硅基纳米波导光栅的表面涂覆光学增透膜；调整单模光纤和硅基纳米波导光栅之间的位置；点胶单模光纤与硅基纳米波导光栅的耦合端；对点胶的内部封装体进行曝光固化；制备出V型光纤定位槽；将单模光纤放置到V型光纤定位槽中；进行单模光纤的固化封装；对点胶的V型光纤定位槽进行曝光固化；对最终封装后的结构进行测试。本发明克服目前光集成芯片上纳米波导与光栅垂直耦合系统的不稳定性等缺点，且结构简单、稳定性好、抗外界干扰且易于阵列集成。
文档编号G02B6/34GK102540349SQ20121001409
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月18日 优先权日2012年1月18日
发明者仝晓刚, 崔丹凤, 张文栋, 晋玉剑, 焦新泉, 王景雪, 王永华, 田学东, 臧俊斌, 苏淑靖, 薛晨阳, 闫树斌, 韦丽萍 申请人:中北大学