专利名称：一种切割后集成光子芯片直接耦合装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于集成光电子器件技术领域，具体来说，涉及一种切割后集成光子芯片直接耦合装置。
背景技术：
集成光子芯片的耦合封装问题是光子芯片实用化过程中的关键问题。目前，集成光子芯片的耦合工艺步骤比较复杂。集成光子芯片需要经过切割、研磨、抛光步骤最终得到斜8°的光滑端面的集成光子芯片。研磨抛光加工作为集成光子芯片端面超平滑表面加工最有效的技术手段。研磨抛光是为了减小回波信号对光源和集成光子器件的影响，回波损耗要求达到50dB甚至60dB以上。研磨抛光加工是工件随行星轮做行星式转动的同时，上下表面由下抛光盘施加压力，依靠抛光液中微小磨粒的划擦作用而微细去除表面材料的一种精密加工方法。研磨抛光是的一整套加工工艺，需要从研磨抛光到测量测试一系列的精密仪器。研磨抛光时，要求保持夹具有较高精度和刚性，而且要求晶圆尺寸不能太大。如果晶圆的直径达到400mm，那么对目前国内的一些已经投入生产的研磨抛光机提出了很大的挑战，甚至的大型晶片国内的很多企业都无能为力。图1为现有技术中使用的耦合装置，包括光源、集成光子芯片和两个斜8°单模光纤，集成光子芯片的出射端面和入射端面都为光滑的斜8°平面。光源与一个斜8°单模光纤的入射端面相对，该斜8°单模光纤的出射端面为斜8°光滑平面，且与集成光子芯片的入射端面相对，集成光子芯片的出射端面与另一个斜8°单模光纤的入射端面相对，且该斜8°单模光纤的入射端面为斜8°光滑平面。随着光子集成的发展，集成光子芯片的集成度也越来越高，而且集成光子芯片的尺寸也越来越小。由于集成光子芯片中的波导尺寸的变小，使得波导中的模斑尺寸小于lum，而光纤中的模斑尺寸为8-10um。光从光纤进入这种集成光子芯片的波导经常会带来很大的损耗。
发明内容技术问题本实用新型所要解决的技术问题是，提供一种切割后集成光子芯片直接耦合装置，该耦合装置能够保证光信号高效的从光纤耦合进入集成光子芯片中。技术方案为解决上述技术问题，本实用新型采用如下的技术方案—种切割后集成光子芯片直接耦合装置，该耦合装置包括光源、集成光子芯片和斜8°单模光纤；还包括斜8°台形光纤，斜8°台形光纤包括斜8°台形光纤纤芯和包覆在斜8°台形光纤纤芯外表面的斜8°台形光纤包层，且斜8°台形光纤的出射端面为斜8°端面，台形光纤纤芯为圆台状；斜8°单模光纤的入射端面为斜8°端面，集成光子芯片的入射端面和出射端面均与集成光子芯片的衬底垂直，且集成光子芯片的入射端面和出射端面的粗糙度均小于等于0.05um;光源与斜8°台形光纤的入射端面相对，斜8°台形光纤的出射端面与集成光子芯片的入射端面相对，集成光子芯片的出射端面与斜8°单模光纤的入射端面相对，并且集成光子芯片的芯层轴线与斜8°台形光纤的轴线之间具有夹角。有益效果与现有技术相比，本实用新型具有如下优点1.部件获取简单。目前基于集成光子芯片研磨抛光时，要求保持夹具有较高精度和刚性，而且要求晶圆尺寸不能太大。本实用新型的集成光子芯片的入射端面和出射端面的粗糙度均小于等于O. 05um。这样，在制备集成光子芯片时，可以省去研磨和抛光步骤，使得本实用新型中的集成光子芯片的获取更简易，同时节省了设备材料所需的成本。2.实现高效耦合。本实用新型中，通过具有高粗糙度的集成光子芯片端面，利用粗糙度高的特点可以有效的降低菲涅尔反射，同样可以使得回波损耗要求达到50dB甚至60dB以上，并且插入损耗可以降低至O. 17dB以下。而现有耦合装置，回波损耗在50dB-60dB之间，但是插入损耗为IdB左右。本实用新型利用斜8°台形光纤和集成光子芯片端面成特定角度范围的入射，可以降低回波，提高入射效率，从而可以实现两者的高效耦合。
图1是背景技术中斜8°单模光纤和集成光子芯片的耦合装配示意图。图2是本实用新型中斜8°台形光纤和集成光子芯片的耦合装配示意图。图3是本实用新型实施例中提供的实验的测试结果线条图。图中有斜8°台形光纤包层1、斜8°台形光纤纤芯2、斜8°单模光纤包层3、斜8°单模光纤纤芯4、衬底5、缓冲层6、芯层7、覆盖层8、光源9,其中，Θ为集成光子芯片的芯层轴线与斜8°台形光纤轴线之间的夹角。
具体实施方式为进一步说明本实用新型的内容及特点，
以下结合附图对本实用新型作进一步说明，但本实用新型不仅限制于实施例。如图2所示，本实用新型的一种切割后集成光子芯片直接耦合装置，该耦合装置包括光源9、集成光子芯片、斜8°台形光纤和斜8°单模光纤。光源9、集成光子芯片和斜8°单模光纤是现有的部件，已经商用。集成光子芯片包括依次从下向上叠加的衬底5、缓冲层6、芯层7和覆盖层8。斜8°单模光纤包括斜8°单模光纤纤芯4和包覆在斜8°单模光纤纤芯4外表面的斜8°单模光纤包层3。斜8°台形光纤包括斜8°台形光纤纤芯2和包覆在斜8°台形光纤纤芯2外表面的斜8°台形光纤包层1，且斜8°台形光纤的出射端面为斜8°端面，台形光纤纤芯2为圆台状；斜8°单模光纤的入射端面为斜8°端面。斜8°台形光纤可以首先通过对普通单模光纤熔融拉锥得到普通锥形光纤，然后对普通锥形光纤端面通过研磨得到斜8°的端面，从而得到斜8°台形光纤。集成光子芯片的入射端面和出射端面均与集成光子芯片的衬底5垂直，且集成光子芯片的入射端面和出射端面的粗糙度均小于等于O. 05um。光源9与斜8°台形光纤的入射端面相对,斜8°台形光纤的出射端面与集成光子芯片的入射端面相对，集成光子芯片的出射端面与斜8°单模光纤的入射端面相对，并且集成光子芯片的芯层7轴线与斜8°台形光纤的轴线之间具有夹角。作为优选，集成光子芯片的入射端面的粗糙度在O. 005um-0. 05um之间，例如
O.005um、0. 008um、0. 01um、0. 02um、0. 035um 或者 0. 05um。作为优选，所述的集成光子芯片的芯层7轴线与斜8°台形光纤的轴线之间的夹角为1-10°，例如可以是1°、4°、8°或者10°。利用上述耦合装置进行耦合方法包括以下步骤步骤I):制作集成光子芯片和斜8°台形光纤通过平面加工工艺制得含有数百只以上集成光子芯片的晶圆，然后利用晶圆切割机正切割晶圆得到集成光子芯片，并且集成光子芯片的入射端面和出射端面的粗糙度均小于等于O. 05um ;对普通单模光纤熔融拉锥后，对其出射端面进行研磨和抛光，制得斜8 °台形光纤。步骤2):将步骤I制备的集成光子芯片和斜8°台形光纤分别放置在微调架上，通过调节微调架，使得斜8°台形光纤的出射端面和集成光子芯片的入射端面相对，并且集成光子芯片的芯层7轴线与斜8°台形光纤的轴线之间具有夹角。步骤3):光从斜8°台形光纤的纤芯2入射到集成光子芯片的芯层7中。步骤4):集成光子芯片的出射端面与斜8°单模光纤的入射端面进行对准调节，从而实现高效耦合。通过上述四个步骤，即可实现光信号从光纤耦合进入集成光子芯片中。在步骤I)中，晶圆在正切割过程后不需要研磨和抛光，直接制得集成光子芯片。这样，集成光子芯片的入射端面和出射端面均具有较大的粗糙度。本实用新型利用集成光子芯片端面粗糙度高的特点，通过将斜8°台形光纤和集成光子芯片端面设置特定角度范围的入射，可以实现两者的高效耦合，并有效的降低菲涅尔反射，同样可以使得回波损耗要求达到50dB甚至60dB以上。由于集成光子芯片不需要研磨和抛光，所以简化了芯片耦合封装的工艺步骤。下面，通过实验来验证利用本实用新型的耦合装置可以实现集成光子芯片的高效耦合。实验部件 采用长度17. 5mm的硅基二氧化硅波导作为集成光子芯片，端面粗糙度为
O.Olum-O. 05um。斜8°台形光纤、采用型号为安捷伦81910A的可调谐激光光源、斜8°单模光纤、Newport公司生产的型号为2935-C的光功率计。实验方法首先安装设备将斜8°台形光纤和可调谐激光光源相连接，斜8°台形光纤出射端面和集成光子芯片的入射端面相对，集成光子芯片的出射端面斜8°单模光纤的入射端相对，将斜8°单模光纤的出射端和光功率计相连接。然后调节角度调节微调架，使得集成光子芯片的芯层7轴线与斜8°台形光纤的轴线之间夹角Θ。接着进行实验打开并调节可调谐激光光源，射出波长为1550nm的光；光从斜8°台形光纤的纤芯2射入到集成光子芯片的芯层7中；光从集成光子芯片的芯层7中射入斜8°单模光纤中；光从斜8°单模光纤中射入光功率计中。最后，光功率计测试接收到的光功率。每次实验，夹角Θ依次为0°到10°之间的整数值。也就是说，总计进行11次实验。实验结果如图3所示。图3中，横坐标表示集成光子芯片的芯层7轴线与斜8°台形光纤的轴线之间夹角Θ，单位度；纵坐标表示集成光子芯片的插入损耗，单位dB。从图3中可以看出在夹角Θ在0°到10°之间时，插入损耗均小于O. 17dB，最小可以达到
O.12dB，均小于国标YD/T 2000. 1-2009规定的插入损耗。由此可见本实用新型可以利用简易的工艺实现高效的耦合。
权利要求1.一种切割后集成光子芯片直接耦合装置，该耦合装置包括光源(9)、集成光子芯片和斜8°单模光纤；其特征在于，还包括斜8°台形光纤，斜8°台形光纤包括斜8°台形光纤纤芯(2)和包覆在斜8°台形光纤纤芯(2)外表面的斜8°台形光纤包层(1)，且斜8°台形光纤的出射端面为斜8°端面，台形光纤纤芯(2)为圆台状；斜8°单模光纤的入射端面为斜8°端面，集成光子芯片的入射端面和出射端面均与集成光子芯片的衬底(5)垂直，且集成光子芯片的入射端面和出射端面的粗糙度均小于等于O. 05um ;光源(9)与斜8°台形光纤的入射端面相对，斜8°台形光纤的出射端面与集成光子芯片的入射端面相对，集成光子芯片的出射端面与斜8°单模光纤的入射端面相对，并且集成光子芯片的芯层(7)轴线与斜8°台形光纤的轴线之间具有夹角。
2.按照权利要求1所述的切割后集成光子芯片直接耦合装置，其特征在于，所述的集成光子芯片的入射端面的粗糙度在O. 005um-0. 05um之间。
3.按照权利要求1所述的切割后集成光子芯片直接耦合装置，其特征在于，所述的集成光子芯片的芯层(7)轴线与斜8°台形光纤的轴线之间的夹角为1-10°。
专利摘要本实用新型公开了一种切割后集成光子芯片直接耦合装置，该耦合装置包括光源、集成光子芯片、斜8°单模光纤和斜8°台形光纤，斜8°台形光纤包括斜8°台形光纤纤芯和斜8°台形光纤包层，且斜8°台形光纤的出射端面为斜8°端面，台形光纤纤芯为圆台状；集成光子芯片的入射端面和出射端面的粗糙度均小于等于0.05um；光源与斜8°台形光纤的入射端面相对，斜8°台形光纤的出射端面与集成光子芯片的入射端面相对，集成光子芯片的出射端面与斜8°单模光纤的入射端面相对，并且集成光子芯片的芯层轴线与斜8°台形光纤的轴线之间具有夹角。该耦合装置能够保证光信号高效的从光纤耦合进入集成光子芯片中。
文档编号G02B6/26GK202904062SQ20122041311
公开日2013年4月24日 申请日期2012年8月20日 优先权日2012年8月20日
发明者孙小菡, 蒋卫锋, 刘旭, 柏宁丰, 肖金标, 胥爱民, 鲁仲明 申请人:东南大学, 南京华脉科技有限公司