一种波导集成光学芯片的光纤端面封装方法

1.本发明涉及集成光学芯片的封装领域，具体涉及一种波导集成光学芯片的光纤端面封装方法。


背景技术：

2.集成光学芯片的光纤端面封装，是指将光纤出射光耦合进入片上光学芯片中，并且将其固定封装，使得整体光学器件能够稳定实现相关功能。一般的做法是利用移动平台对光学器件和光纤进行相对位置的调整，达到高效率光学耦合；然后将两者封装，一般采用粘合剂将光纤固定，使之与光学芯片之间不再有相对移动以保持高效率光学耦合。
3.目前针对光学芯片，比如以硅片作为衬底的集成光学探针，若要进行光纤的耦合封装，则需要在硬质衬底上进行额外的结构设计。例如，需要在硬质衬底上增加u型或者v型凹槽结构，以限制光纤位置、辅助滴加粘合剂。此类封装方法需要引入额外的片上结构，进而使得制作工艺更加复杂繁琐，有可能会因为过多的工艺步骤引入对光学器件的损伤；并且增加了光学器件制作的时间成本。
4.上述光纤的耦合封装方法，还存在封装机械强度过低的问题。由于光纤和光学器械直接通过粘合剂进行固定，在连接处产生的应力全部由光纤或者光学芯片承担。由于光纤本身较为脆弱，极易导致光纤破裂，整体器件损坏。因此，此类封装方法使光学器件整体机械强度较弱，不适合作为稳定的封装方案。
5.另一类光纤的封装方案，涉及定制化的金属模具，例如kovar hermetic封装方案。此类方案多用于商业光学器件的封装，最终封装效果稳定可靠，但是封装成本较高，并且需要提前确定最终的光学器件的设计参数。不具备普适性和应用的灵活性。除此之外，这类方案所需的模具的尺寸、重量往往过大，因此无法满足某些场景中光学芯片的光纤封装，例如可穿戴式光学设备中的封装。


技术实现要素：

6.针对现有光纤封装方案的不足，本发明提出一种波导集成光学芯片的光纤端面封装方法，采用3d打印而成的封装托盘取代额外的片上结构，通过移动平台的辅助对光纤和光学芯片进行耦合，采用uv胶对光纤进行固定、封装。该方法能够简化光学芯片的设计、制作工艺。由于光纤和光学器件之间没有直接相连，封装后的光学器件有着高机械强度。并且该方法有着一定的普适性和灵活性，通过调整3d打印封装平台的结构，对不同类型、尺寸的光学器件都能进行简单可靠的光纤封装。
7.一种波导集成光学芯片的光纤端面封装方法，该方法包括如下步骤：
8.步骤一：通过3d打印定制带有光纤引导槽和芯片放置平台的封装托盘，且所述光纤引导槽和芯片放置平台满足如下条件：将光纤放置在所述光纤引导槽，将光学芯片放置在芯片放置平台后，光纤的中心低于光学芯片的上表面；
9.步骤二：将光学芯片粘合在所述封装托盘的芯片放置平台上；
10.步骤三：拔除光纤前端的覆盖层胶皮、外包层，将光纤切割至指定长度；
11.步骤四：将光学芯片和封装托盘作为整体固定在一个位移平台上，将所述光纤固定在另一个位移平台上，在所述封装托盘上的光纤引导槽的引导下，对光纤和光学芯片进行耦合；
12.步骤五：将uv胶滴在光纤与封装托盘之间的空隙内，并采用uv光源，对uv胶进行照射，等uv胶完全固化后，即完成光学芯片的光纤封装。
13.进一步地，所述光纤引导槽内设置有台阶型高低平面，光纤放置在光纤引导槽的较低平面，光学芯片放置在较高平面，从而满足将光纤放置在所述光纤引导槽，将光学芯片放置在芯片放置平台后，光纤的中心低于光学芯片的上表面。
14.进一步地，所述封装托盘采用聚酰胺通过3d打印定制而成。
15.进一步地，所述的光学芯片上的聚合物耦合波导的横截面尺寸：高为2-25微米，宽为2-200微米；对于耦合波导横截面为220nm
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400nm的无机物波导光学芯片，在光学芯片上通过设计模斑转换来进一步提高耦合效率。
16.进一步地，所述步骤五中，将uv胶滴在光纤与封装托盘之间的空隙内时，先将uv胶点在光纤的覆盖层胶皮处，然后向裸露的光纤内芯部分蔓延，最终覆盖光纤整体，但是不能蔓延至光学芯片表面。
17.进一步地，uv光源照射应采取多次、短时间照射模式。
18.本发明的有益效果如下：
19.(1)本发明中的制备方法中，因为采用了3d打印而成的封装托盘，无需在光学芯片上进行额外的结构设计，进而简化制作工艺，排除了繁琐工艺步骤可能对光学器件的损伤；并且节约了器件制作的时间成本。
20.(2)在整个光纤耦合封装过程中，由于光纤和光学芯片之间没有直接相连，没有应力作用于裸露的光纤或者光学芯片上，使得封装后的光学器件有着高机械强度。
21.(3)本发明的方法有着一定的普适性和灵活性，通过调整3d打印封装托盘的结构，对不同类型、尺寸的光学芯片结构都能进行简单可靠的光纤封装。由于该方法可以灵活调整封装托盘的设计，不需要确定最终的光学器件的设计参数，适合于实验室光学器件开发过程中的封装。并且3d打印封装托盘在尺寸、重量上较小，适合针对光学芯片的封装。
附图说明
22.图1为实施例1的光学探针的光纤封装的示意图。
23.图2为实施例2的集成光学芯片的光纤封装的示意图。
24.图中，1为光纤，2为光学芯片，3为封装托盘，301为光纤引导槽，302为芯片放置平台，303为台阶型高低平面。
具体实施方式
25.下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
26.本发明提出的集成光学芯片的光纤封装方法，采用3d打印而成的封装托盘取代额外的片上结构，通过移动平台的辅助对光纤和光学芯片进行耦合，采用uv胶对光纤进行固
定以及封装。具体包括如下步骤：
27.步骤一：通过3d打印定制带有光纤引导槽301和芯片放置平台302的封装托盘3，且光纤引导槽301和芯片放置平台302满足如下条件：将光纤1放置在光纤引导槽301，将光学芯片2放置在芯片放置平台302后，光纤1的中心低于光学芯片2的上表面；
28.作为其中一种实施方式，如图1所示，光纤引导槽301内设置有台阶型高低平面303，光纤1放置在光纤引导槽301的较低平面，光学芯片2放置在较高平面，即该较高平面即为芯片放置平台302，从而满足将光纤1放置在光纤引导槽301，将光学芯片2放置在芯片放置平台302后，光纤1的中心低于光学芯片2的上表面。
29.作为另一种实施方式，如图2所示，芯片放置平台302位于封装托盘3的延伸部，此时适用于尺寸较大的光学芯片与光纤进行封装，光学芯片2的大小不受光纤引导槽301的限制。
30.此处3d打印要根据目标芯片硬质衬底的厚度、光学结构的位置、光纤的尺寸等，设计定制光纤封装平台；可以采取各类3d打印材料进行制作，如聚丙烯、聚酰胺、聚酯、聚碳酸酯、聚乙烯等，高打印精度为佳。其中，优选聚酰胺。
31.步骤二：通过热胶，将光学芯片2的硬质衬底粘合在封装托盘3的芯片放置平台302上。
32.该步骤中，除了光学芯片2之外，其他类型的集成光学器件也可以进行光纤封装；结合步骤一，定制与其匹配的3d打印封装托盘。
33.步骤三：拔除光纤1前端的覆盖层胶皮、外包层，将光纤切割至指定长度；
34.该步骤中，除了光纤之外，其他光学器件也能通过定制化的封装平台对目标光学器件进行封装，例如led通过聚焦透镜而成的光源。
35.步骤四：将光学芯片2和封装托盘3作为整体固定在一个位移平台上，将光纤1固定在另一个位移平台上，在所述封装托盘3上的光纤引导槽301的引导下，对光纤1和光学芯片2进行耦合；
36.步骤五：将uv胶滴在光纤1与封装托盘3之间的空隙内，并采用uv光源，对uv胶进行照射，等uv胶完全固化后，即完成光学芯片的光纤封装。
37.为了便于对光纤1和光学芯片2进行精确定位，在将uv胶滴在光纤与封装托盘之间的空隙内时，先将uv胶应点在光纤的覆盖层胶皮处，然后向裸露的光纤内芯部分蔓延，最终覆盖光纤整体。为了保证光学芯片的正常性能，uv胶不能蔓延至光学芯片表面，即避免uv胶过量。
38.另外，为了达到最佳光学耦合效率，在对uv胶进行照射时，uv光源照射应采取多次、短时间照射模式。在照射间隔，重复光纤1和光学芯片2进行耦合，以确保uv胶完全固化之前，光学芯片2与光纤1之间的光学耦合一直处于最佳效率。
39.具体的点胶步骤如下：
40.(1)在光纤1和光学芯片2初步耦合之后，将液态uv胶滴加至台阶型高低平面303的较低平面；在靠近平台边缘的位置，采用多次少量的方式进行点胶，直至uv胶向台阶处蔓延，并且充分填充台阶的台阶型高低平面303的较低平面：即uv胶的上表面恰好与台阶型高低平面303的较高表面持平、并且充分浸没了上方的光纤的外层胶皮的下表面。
41.(2)对光纤1和光学芯片2进行重新耦合。之后采取uv光源对uv胶进行照射，采用多
次、短时间的照射模式，并且在照射间隔进行耦合调整，具体如下：采用uv光源进行大约5至10秒的照射(避免直射uv胶)，使得uv胶初步凝固，同时观察光纤1与光学芯片2之间的耦合效率；若耦合效率下降或者丢失，则需要进行重新耦合。在确保最佳耦合效率的前提下，重复前面的操作。总共实施5至6次，直至uv胶完全固化，同时保持最佳耦合效率。
42.(3)为了保证光纤前端，即裸露部分的光纤位置固定，需要进行额外的点胶。将uv胶点在1号位置处已经固化完成的uv胶上表面，同样在靠近平台边缘的位置开始点胶，使uv胶向光纤前端位置蔓延。为了避免大量uv胶固化时体积变化而引入的光纤、光学芯片相对位置的变化，采取多次少量固化的方式，具体步骤如下：在少量点胶之后，待uv胶蔓延至光纤前端且稳定之后，采用uv光源进行照射，避免uv光源直射uv胶，直至uv胶完全固化。重复上述步骤点胶、打光步骤，直至前端光纤被uv胶完全固定。
43.本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。