本发明涉及光通信，涉及两种光芯片的耦合封装结构，尤其涉及两种用于存在翘曲情况下的多通道光芯片的耦合封装结构。
背景技术：
1、随着光芯片(pic)通道数目的增加，例如通道数从4增加到8再增加到16,32,72，将导致pic与光纤阵列(fa)的耦合难度显著增加，pic在封装过程中由于温度变化和多材料的热膨胀系数存在差异，导致不可避免地存在翘曲，如图1所示。在相同的pic翘曲的情况下，通道数越大，意味着沿着pic端面耦合器那一边的宽度越大，对翘曲越敏感。
2、比如对于3d集成的光学引擎而言，单个封装模块的翘曲也仅能控制在50μm左右。由于fa的所有通道在截面的高度相同，这导致pic与fa所有通道要实现对准时需要在截面处的高度相同，才能实现两者所有通道的对准，如图1(a)为多通道pic端面耦合器处的截面图，此时pic可与fa正常耦合。由于pic与fa的耦合对于位置偏差极为敏感，如对于硅光芯片(sipic)而言1db的位置容差≤±1μm。图1(b)为多通道pic发生翘曲时端面耦合器的截面图，此时pic由于并非所有通道都处于同一高度，而无法实现与fa的低损耗耦合。
3、针对上述问题，目前有采用波分复用的方案，通过采用该方案将不同通道在pic中通过复用器耦合到一根波导中，再与fa进行耦合，fa耦合到pic接收端后再通过解复用器再耦合到不同的波导中，从而使得需要耦合的通道数目大幅减小，因此显著改善了在翘曲情况下的pic与fa的耦合损耗。然而在pic上集成复用器和解复用器是困难的并增加了额外的损耗，并且不利于需要高光纤数目的互连场景，如面向ai的交换机或服务器中。还有一种解决方案是利用扇出波导转接板方案，常规fa相邻光纤的间距目前最小是127μm，这受限于光纤的直径125μm的限制。而pic的波导可以减低至20μm，这样在相同的pic翘曲的情况下，多通道端面耦合器的总宽度越小，则pic与fa的耦合损耗越低。但该方案难以兼容大通道数的耦合，并且多通道的扇出转接板也将引入额外的插损。另外，为解决上述问题，还有一种光栅耦合器的解决方案，采用光栅耦合器通过将光几乎垂直耦合出pic，这样即便pic翘曲时，pic中不同的光栅耦合器不在同一高度，也几乎不会对pic与fa的耦合产生影响。但光栅耦合器的插入损耗较大，并且存在偏振，加工精度高，光谱带宽低等其他问题。
4、透镜阵列耦合是一种广泛用于多通道pic的耦合封装的方法，然而pic与靠近pic的透镜的耦合位置公差极低，因此无法适用于存在翘曲情况下的多通道pic耦合。
技术实现思路
1、为解决现有技术中的上述问题中的至少一部分问题，本发明提供了两种光芯片的耦合封装结构，具体提供两种用于存在翘曲情况下的多通道光芯片的耦合封装结构。本发明通过在不同通道处设置具有不同厚度的倾斜透镜阵列，或者设置透镜中心高度变化的透镜阵列，从而实现低耗损耦合，能够极大降低翘曲情况下的耦合损耗。
2、本发明提供一种光芯片的耦合封装结构，包括：
3、第一光芯片；
4、第一光纤阵列，其包括多根光纤，并与所述第一光芯片耦合；
5、第一透镜阵列，其设于所述第一光芯片与所述第一光纤阵列之间，所述第一透镜阵列包括倾斜透镜阵列，
6、所述倾斜透镜阵列中，倾斜透镜的入光面与所述光纤的光轴不垂直，且倾斜透镜在不同通道处呈不同厚度。
7、进一步地，倾斜透镜包括倾斜透镜本体、以及设于倾斜透镜本体一侧的第一梯级槽，所述第一梯级槽沿所述倾斜透镜本体轴向由两端向中心呈梯度状内收，以使所述倾斜透镜沿其轴向呈厚度阶梯，所述倾斜透镜本体的倾斜角度和厚度阶梯满足式1)，从而得到基于不同厚度倾斜透镜的耦合封装结构，以对各通道光路进行矫正；
8、h＝t·sin(β-α)/cosα 1)
9、其中，h为光轴偏移的大小，t为倾斜透镜本体的厚度，θ为倾斜透镜本体的倾斜角度，n为倾斜透镜本体的折射率，β＝90-θ为光入射到倾斜透镜阵列的角度，α为光在倾斜透镜阵列的折射角，α＝arcsin(sin(β)/n)。
10、进一步地，倾斜透镜本体的倾斜角度≥45℃，厚度≥0.1mm。
11、进一步地，该耦合封装结构为基于不同厚度倾斜透镜的耦合封装结构。
12、进一步地，顾名思义，所述倾斜透镜阵列由多个倾斜透镜构成，可以矫正由于光芯片翘曲等因素导致的光斑高度偏差，通过对光线的折射调整光路，使不同通道的光信号能在合适的位置进行传输。
13、进一步地，该耦合封装结构还包括：
14、第一衬底，其沿着光信号传输的方向设于所述第一光芯片一侧；
15、第二衬底，其设于所述第一光纤阵列底部。
16、进一步地，所述第一光纤阵列包括光纤阵列v槽、置于所述光纤阵列v槽中的光纤、以及用于固定光纤的光纤阵列盖板。
17、进一步地，所述第一光芯片包括第一光芯片衬底以及设于所述第一光芯片衬底上的第一光芯片包层。
18、进一步地，所述第一光芯片为硅光芯片，所述第一光芯片衬底为硅光芯片衬底，所述第一光芯片包层为硅光芯片sio2层。所述硅光芯片sio2层起到绝缘作用。
19、进一步地，所述第一透镜阵列还包括至少一个凸透镜阵列。凸透镜阵列能够聚焦光线，实现光芯片与光纤之间模场的匹配，减少光信号传输的损耗。
20、进一步地，所述倾斜透镜阵列为倾斜凸透镜阵列。
21、进一步地，所述倾斜凸透镜阵列中，倾斜凸透镜包括倾斜凸透镜本体、设于所述倾斜凸透镜本体一侧的第一球形凸面、以及设于所述倾斜凸透镜本体另一侧的第二梯级槽，所述第二梯级槽沿所述倾斜凸透镜本体轴向由两端向中心呈梯度状内收，以使所述倾斜凸透镜沿其轴向呈厚度阶梯，所述倾斜凸透镜本体的倾斜角度和厚度阶梯满足式1)。
22、进一步地，所述凸透镜阵列中，凸透镜单元包括凸透镜本体、以及设于所述凸透镜本体一侧的第二球形凸面；所述凸透镜阵列设于所述第一光纤阵列的一端，以形成带凸透镜阵列的光纤阵列，和/或所述凸透镜阵列设于所述第一衬底上、靠近所述第一光纤阵列的一侧；所述倾斜透镜阵列或倾斜凸透镜阵列设于所述第一衬底上。所述带凸透镜阵列的光纤阵列与凸透镜阵列配合，实现光信号从光芯片到光纤的高效耦合传输。
23、进一步地，所述凸透镜阵列包括第一凸透镜阵列和/或第二凸透镜阵列。
24、进一步地，所述第一透镜阵列的透镜单元可以采用硅、玻璃、树脂等材料实现。
25、进一步地，所述第一透镜阵列表面镀有镀膜层。即在透镜表面镀上一层或多层光学薄膜。镀膜层用于减少光线在透镜表面的反射，提高透光率。
26、进一步地，所述镀膜层包括增透膜、滤光膜或偏振膜的任一种。进一步优选的，所述镀膜层为增透膜。
27、该基于不同厚度倾斜透镜的耦合封装结构在不同通道处具有不同厚度的倾斜透镜，能将翘曲情况下的第一光芯片输出和输入的模斑矫正到同一高度，由于光斑在空间传输始终处于发散，倾斜凸透镜和/或凸透镜阵列用于将光实现聚焦准直，确保了与光纤或光芯片端面耦合器的模斑匹配，从而实现低损耗耦合。
28、进一步地，该基于不同厚度倾斜透镜的耦合封装结构可采用下述两种方法：
29、方法一：倾斜透镜、凸透镜或者倾斜凸透镜可以先完成第一光芯片的电学封装，测量第一光芯片的翘曲，获得第一光芯片上不同通道端面耦合器的相对高度分布，再根据这些高度分布定制透镜阵列的掩模板，从而获得具有不同高度分布的透镜阵列掩模板，再进行倾斜透镜或者凸透镜的设计和加工。优点是低损耗，低成本，缺点是耦合封装流程时间长，效率低。
30、方法二：第一光芯片的最大翘曲为m，按照一定间隔的翘曲量n制作m/n组的透镜阵列，获得具有不同厚度变化差的倾斜透镜阵列、凸透镜阵列或倾斜凸透镜阵列，这里n由可接受的耦合损耗确定。优点是耦合封装流程时间短，效率高，缺点是高损耗，高成本。
31、进一步地，所述倾斜透镜阵列、凸透镜阵列或倾斜凸透镜阵列可采用下述方法制作：
32、所述倾斜透镜阵列中，所述第一梯级槽的厚度阶梯形成方法：可以通过激光预加工+湿法蚀刻、3d激光打印、纳米压印、灰度光刻等方法实现在不同位置处加工出厚度阶梯的形貌；所述倾斜透镜本体的倾斜形成方法：通过切割后再研磨出一定的角度，从而实现倾斜。
33、所述倾斜凸透镜阵列中，所述第一球形凸面的形成方法：可以借助常规的光刻或者纳米压印等技术实现；所述第二梯级槽的厚度阶梯形成方法与所述第一梯级槽的厚度阶梯形成方法类似；所述倾斜凸透镜本体的倾斜形成方法与所述倾斜透镜本体的倾斜形成方法类似。
34、所述凸透镜阵列中，所述第二球形凸面的形成方法与所述第一球形凸面的形成方法类似。
35、本发明提供一种光芯片的耦合封装结构，包括：
36、第二光芯片；
37、第二光纤阵列，其与所述第二光芯片耦合；
38、第二透镜阵列，其设于所述第二光芯片与所述第二光纤阵列之间，所述第二透镜阵列包括靠近所述第二光芯片的第三凸透镜阵列以及靠近所述第二光纤阵列的第四凸透镜阵列，所述第三凸透镜阵列中，第三凸透镜单元的中心高度随第二光芯片端面耦合器高度变化相同，得到基于中心高度不一的透镜阵列的耦合封装结构。
39、所述第三凸透镜阵列中各透镜中心高度是根据所述第二光芯片的翘曲情况特别设计的，不同高度的透镜可以对从翘曲光芯片不同位置发出的光信号进行针对性的矫正，改变光线路径，使光信号朝着合适的方向传输。
40、进一步地，所述第四凸透镜阵列采用常规高度。
41、进一步地，该耦合封装结构为基于中心高度不一的透镜阵列的耦合封装结构。
42、进一步地，所述第二光芯片包括第二光芯片衬底以及设于第二光芯片衬底上第二光芯片包层。
43、进一步地，该耦合封装结构还包括：
44、第三衬底，其设于所述第二光芯片一侧；
45、第四衬底，其设于所述第二光纤阵列一侧。
46、进一步地，所述第三衬底设于所述第二光芯片底部；所述第四衬底设于所述第二光纤阵列底部。
47、进一步地，第二透镜阵列中的透镜单元可以采用硅、玻璃、树脂等材料实现。
48、进一步地，所述第二透镜阵列表面镀有镀膜层。
49、进一步地，所述镀膜层包括增透膜、滤光膜或偏振膜的任一种。进一步优选的，所述镀膜层为增透膜。
50、该基于中心高度不一的透镜阵列的耦合封装结构，将靠近第二光芯片第二光芯片透镜阵列设置为透镜中心高度变化的透镜阵列(也就是中心高度不一的透镜阵列)，解决了能够在大翘曲情况下的第二光芯片与第二光纤阵列的低损耗耦合问题，并提出了关键器件透镜中心高度变化的透镜阵列的制作方法，实现了多通道数，低损耗，大容差，高耦合效率的耦合。
51、进一步地，所述基于中心高度不一的透镜阵列的耦合封装结构可采用下述两种方法：
52、方法一：先完成第二光芯片的电学封装，测量第二光芯片的翘曲，获得第二光芯片上不同通道端面耦合器的相对高度分布，再根据这些高度分布定制透镜阵列的掩模板(与常规的透镜阵列的掩模板相比，仅改变了开窗的相对位置)，从而获得具有不同高度分布的透镜阵列掩模板，接着按常规的透镜工艺完成透镜的加工。该方法优点是低损耗，低成本，缺点是耦合封装流程时间长，效率低。
53、方法二：预设一个可接受最大翘曲q，这里q由两个透镜阵列的物理参数和预设的耦合损耗确定，按照一定间隔的翘曲量p制作q/p组的透镜阵列，获得具有不同高度变化差的透镜阵列，这里p的选择应该小于等于设定的靠近第二光芯片的透镜位置公差(由该处透镜阵列与第二光芯片的耦合损耗确定)。这样可以预加工备好q/p组的透镜阵列。紧接着进行第二光芯片的电学封装，测量第二光芯片的翘曲，获得第二光芯片上不同通道端面耦合器的相对高度分布，选择最接近该相对高度分布的透镜阵列。该方法优点是耦合封装流程时间短，效率高，缺点是高损耗，高成本。
54、本发明中基于倾斜透镜阵列耦合封装结构降低翘曲情况下耦合损耗的原理如下：
55、如图2所示，当光从空气(折射率n＝1)通过倾斜透镜后，其光轴将发生位置偏移，位置偏移的大小与透镜的倾角度和透镜的厚度相关，光轴偏移的大小计算为：
56、h＝t·sin(β-α)/cosα 1)
57、其中t为透镜的厚度，θ为透镜的倾斜角度，n为透镜的折射率，这里假设光从空气入射，β＝90-θ为光入射到倾斜透镜的角度，α＝arcsin(sin(β)/n)为光在倾斜透镜的折射角。
58、因此，处于不同高度的多通道的光束通过不同厚度或者不同倾角的倾斜透镜阵列后，通过设计不同通道处合适厚度的倾斜透镜阵列，便可实现将其矫正在同一高度，另外，由于光束在空间中传播时始终处于发散，凸透镜阵列用于将光聚焦于光纤和pic中，实现两者的模场匹配，从而实现高的耦合效率。
59、本发明中基于中心高度不一的透镜阵列的耦合封装结构降低翘曲情况下耦合损耗的原理如下：
60、本发明涉及4种器件，如图3所示，为本发明中4种器件的截面图。该耦合封装结构分别包括第二光芯片、第三凸透镜阵列(靠近第二光芯片的透镜阵列)、第二光纤阵列以及第四凸透镜阵列(靠近第二光纤阵列的透镜阵列),图4为第三凸透镜阵列与第二光芯片的耦合效率位置容差图，图5为第三凸透镜阵列与第四凸透镜阵列的耦合效率位置容差图。相比第三凸透镜阵列与第二光芯片的80％耦合效率位置容差，第三凸透镜阵列与第四凸透镜阵列的80％耦合效率位置容差显著增加，因此将第三凸透镜阵列设置为随第二光芯片翘曲的变化，可以维持两者的低损耗耦合，而利用第三凸透镜阵列与第四凸透镜阵列高的位置容差从而在位置不对准的情况下实现两者的低损耗耦合。
61、本发明至少具有下列有益效果：
62、1)本发明提供了一种基于倾斜透镜阵列的耦合封装结构，解决了pic翘曲情况下与光纤阵列耦合的问题，凸透镜阵列被用于将光聚焦于光纤和pic中，不同通道厚度不同的倾斜透镜阵列能够将多通道pic中处于不同高度上的端面耦合器输出或输入的光斑中心矫正在同一高度；
63、2)本发明中提供的另一种耦合封装结构为将靠近pic的透镜阵列中心的高度设置为随pic端面耦合器高度变化相同的透镜阵列，靠近fa的透镜阵列选择为常规的高度无变化的透镜阵列，这样确保了在pic高翘曲情况下实现低损耗耦合，很好地解决了pic与靠近pic的透镜阵列的低耦合位置容差低的问题，并且又通过透镜扩束，两个透镜阵列之间的模斑较大，两者的相对位置公差极大，从而用于缓解翘曲带来的垂直方向位置无法实现对准的问题；
64、3)本发明能够兼容多通道数、大翘曲的光芯片-光纤阵列的耦合封装，耦合损耗低，耦合容差大；
65、4)本发明的核心器件制作工艺简单、容差大、成本低。