CN101915965B - 光栅耦合器及其封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高性能、低成本、易封装的光栅耦合器，包括反射层、隔离层、波导层、下包层、衬底层，所述下包层、波导层、隔离层、反射层依次设置于衬底层上，波导层设置有光栅，衬底层设置有光纤对准槽。本发明所提供的光栅耦合器的封装结构为纳米波导器件提供了一种高效的封装方案，降低了工艺难度，提高了大规模封装集成的可行性。

Description

光栅耦合器及其封装结构
技术领域
本发明涉及光通信领域，特别涉及一种易封装的波导光栅耦合器。
背景技术
光互连作为下一代互连技术的强有力的竞争者，其具有频带宽、抗电磁干扰、保密性强、传输损耗低、功耗小等明显优于电互连的特点，是一种极具潜力的电互连的替代或补充方案。随着半导体激光器、光探测器及平面介质光波导技术的发展，以及在微电子技术蓬勃发展的带动下微细加工技术的日趋完善，使光电集成的实现成为可能。由于集成光电子器件具有体积小、功耗低、效率高、性能稳定可靠、成本低、使用方便等优点，使集成光电子学成为当今光电子学领域的发展前沿之一。集成光电子器件对光通信、自动控制、光学信息处理以及光学计算机的研究和应用等具有重要意义。在这一背景下，研究和发展集成光电技术和器件，将推动我国工业、农业、国防和科教等产业的发展。
随着集成光电子器件在光通信***中的应用，硅基波导器件如调制器、分束器等都取得了巨大的发展，但***对外的耦合，即如何将光纤与光电集成芯片高效、低成本对接起来，始终是一个严峻的挑战。由于硅基微纳光波导器件中导波的模场有效尺寸约为0.2μm2，而单模光纤的模场有效尺寸通常为70μm2，光从光纤直接进入这种小尺寸的波导时，两者之间模场尺寸以及有效折射率的失配会导致辐射模和背向反射的出现，从而产生很大的***损耗。波导的耦合方式大致可分为两种：端面耦合和光栅耦合。端面耦合是光纤通过波导端面直接将光耦合进波导的方法，但端面耦合结构的制备非常困难，制作容差小，还需要侧面抛光，而且封装困难，不适应大规模集成光路的发展。而光栅耦合器由于制备相对简单，且可以在***的任何地方实现信号的上载下载，能大大增强***的灵活性，因此光栅耦合器成为波导耦合研究的热点。现有技术中的光栅耦合器主要包括隔离层、波导层、反射层、下包层和衬底层，下包层、反射层、波导层、隔离层依次设置于衬底层的表面上，反射层设置于波导层与下包层之间，光纤输入接口设置于隔离层上，光纤中的光信号通过隔离层入射到波导层上从而通过波导耦合进集成芯片中。由于反射层设置于波导层与下包层之间，制备工艺与传统的CMOS制备工艺不兼容，成本较高，因此无法进行大规模的批量生产。
另外，如何实现光纤与光栅耦合器的自动对准封装也是实际应用中必须考虑的问题，到目前为止，仅有几种封装方案初步见于会议报道，但这些方案均存在一个问题：即无法实现光纤与光栅自动高效的对准，封装困难。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种耦合效率高、成本低、易封装的光栅耦合器和光栅耦合器封装结构。
一种光栅耦合器，包括隔离层、波导层、下包层和衬底层，所述下包层、波导层、隔离层依次设置于衬底层的表面，所述波导层包括一光栅与一波导，其中，所述光栅耦合器进一步包括一反射层，所述反射层设置于隔离层远离所述衬底层的一侧，所述衬底层进一步包括一光纤对准槽，所述光纤对准槽与所述光栅对准设置，外界光信号通过所述衬底层的光纤对准槽垂直入射到所述光栅上。
一种光栅耦合器的封装结构，其包括光栅耦合器及与该光栅耦合器相连接的光纤，所述光栅耦合器包括：一衬底层，所述衬底层具有相对设置的第一表面与第二表面以及与该第一表面和第二表面相连的第三表面；一下包层、一波导层、一隔离层依次层叠设置于衬底层的第一表面；其中，所述光栅耦合器进一步包括一反射层，所述反射层设置于隔离层远离衬底层的表面，所述衬底层进一步包括一光纤对准槽，所述光纤对准槽与所述光栅对准设置，光纤中的光信号通过所述衬底层的光纤对准槽垂直入射到所述光栅上。
相较于现有技术，本发明所述的光栅耦合器，光信号从衬底层射入，输入端口可以放置在衬底层任何地方，且不需要对光栅耦合器解理、抛光，制备工艺简单。针对目前光栅耦合器件难以对准封装的缺点，本发明所述光栅耦合器在衬底层即光栅耦合器背面设置光信号输入端口，从输入端口输入光信号进行耦合，从而使得光栅耦合器易对准且封装简单。本发明所述光栅耦合器耦合性能高、成本低、易封装，制备工艺与CMOS兼容，提高了大规模光电子器件封装集成的可行性。
附图说明
图1是本发明光栅耦合器的第一实施例的示意图。
图2是本发明光栅耦合器第一实施例的光纤对准槽的示意图。
图3是本发明光栅耦合器的第二实施例的示意图。
图4是本发明光栅耦合器第二实施例的衬底层的结构示意图。
图5是本发明光栅耦合器第二实施例的光纤对准槽的示意图。
主要元件符号说明
Figure GDA00002436646600031
Figure GDA00002436646600041
具体实施方式
以下结合附图对本发明的光栅耦合器作进一步详细描述。
请参阅图1及图2，本发明第一实施例的光栅耦合器10，包括反射层100、隔离层110、波导层120、下包层130以及衬底层140。所述衬底层140具有一第一表面141、一与第一表面141相对的第二表面142及至少一与第一表面141和/或第二表面相连的第三表面143，假设将第一表面141称为正面，那么第二表面142可称为背面。所述下包层130、波导层120、隔离层110、反射层100依次层叠设置于衬底层140的第一表面141，所述反射层100设置于隔离层110远离衬底层140的表面。该光栅耦合器10应用时，利用一光纤50从衬底层140的第二表面142向该光栅耦合器10输入光信号，使得该光栅耦合器10接受外界光信号。
所述波导层120的材料优选的为硅（Si），其厚度为200～300nm。所述波导层120的折射率分别大于隔离层110与下包层130的折射率。所述波导层120设置在下包层130远离衬底层140的表面上，并且被隔离层110完全覆盖。波导层120包括一脊型结构波导122以及与该脊型结构波导122相连的光栅121，所述光栅121包括由多个平行的矩形沟槽与多个平行的矩形凸起间隔设置构成的光栅结构。所述光栅结构位于所述光栅121远离衬底层140的表面。优选的，所述光栅121呈矩形，且其长、宽均为20μm，所述光栅结构的沟槽相对于凸起的深度为70～100nm。所述光栅结构的光栅周期（单个沟槽的宽度和与之相邻的单个凸起的宽度之和）为300～600nm。
所述隔离层110的材料为二氧化硅（SiO2）或氮化硅（Si3N4），其厚度根据输入光的波长以及匹配条件可以在0.5μm到5μm中选择。
所述反射层100的材料为金（Au）、银（Ag）、铜（Cu）、铝（Al）及铬（Cr）中的任意一种，厚度为50nm～200nm；所述反射层100可通过金属蒸发沉积等方法淀积在隔离层110远离衬底层140的表面上。
所述衬底层140的材料优选为硅（Si），厚度为300～500μm。所述衬底层140由第二表面142向第一表面141方向凹陷形成有一光纤对准槽150。所述光纤对准槽150在衬底层140的第二表面142上形成有一供光纤50***的***口151，即所述光纤对准槽150可以称为垂直于衬底层第二表面142设置。所述光纤对准槽150在所述凹陷方向上的横截面为圆形、方形、三角形或其它几何形状中的一种，且该凹陷方向上的任何一个横截面的尺寸和形状均相同。进一步，所述光纤对准槽150还包括与该第二表面142平行的底面153和与该底面153相连的侧面152。其中，该底面153与所述***口151相对；所述侧面152位于其间。本实施例中所述横截面优选为圆形。光纤对准槽150的深度可为100～500μm，优选的为400μm。光纤对准槽150可采用湿法刻蚀或干法深刻蚀的方法制备。所述光纤对准槽150的横截面直径与输入光信号的光纤50直径相匹配，以使光纤对准槽150与输入光信号的光纤50紧密结合；所述光纤对准槽150可采用双面套刻光刻的微加工工艺与波导层120上的光栅121对准，即光纤对准槽150中心轴的延长线穿过光栅121的几何中心，所述底面153的几何中心也位于此延长线上。输入光信号的光纤50在封装时可根据所述光纤对准槽150来实现输入的光信号与光栅121的自动对准。
所述下包层130的材料优选的为二氧化硅（SiO2），其厚度为2～5μm。
另外，所述光栅耦合器10可进一步设置多个重叠对应设置的光栅121，所述光栅121位于隔离层110与下包层130之间，每一光栅121的光栅结构均设置于光栅121远离衬底层140的表面上。所述多个光栅121均与一脊型结构波导122相连接，共同构成波导层120，用以进一步增强光栅耦合器10的耦合效率。
本实施例所述光栅耦合器10应用时，将所述光纤50通过所述***口151***所述光栅耦合器10的光纤对准槽150中进行封装，以形成一光栅耦合器封装结构。所述光纤50为平面光纤，这里所称之平面光纤指的是具有立体结构的细长光纤50的端面为垂直于轴向的平面。光纤50与光纤对准槽150采用固化胶等进行牢固封装。从光栅耦合器10外部输入的光信号从所述光纤50垂直入射到光栅121上，进而耦合进波导122中。本实施例光栅耦合器封装结构工作时，光纤50可与外部光电器件相连接，并由其接收光信号，再通过光栅耦合器10的波导122导向相应的光电集成芯片。
请参阅图3、图4及图5，本发明第二实施例提供的光栅耦合器20，所述光栅耦合器20包括反射层200、隔离层210、波导层220、下包层230以及衬底层240，上述元件的相对位置关系与第一实施例基本相同。本实施例与第一实施例所述光栅耦合器10的主要区别在于光纤对准槽的设置方式，具体的，所述衬底层240具有一第一表面241、一与第一表面241相对的第二表面242、至少二与第一表面241和/或第二表面242相连的第三表面243及第四表面244，且该第三表面243及第四表面244相对设置。假设将第一表面241称为正面，那么第二表面242可称为背面，而第三表面243及第四表面244可称为相对的二侧面。所述衬底层240由第三表面243向第四表面244方向凹陷形成有一光纤对准槽250。所述光纤对准槽250在衬底层240的第三表面243上形成有一供光纤60***的***口251。即，所述光纤对准槽250可以称之为平行于衬底层第二表面242设置。所述光纤对准槽250在所述凹陷方向上的横截面为圆形、方形、三角形或其它几何形状中的一种，本实施例优选为三角形，且该凹陷方向上的任何一个横截面的尺寸和形状均相同。进一步，所述光纤对准槽250还包括与该第三表面243平行的底面253和与该底面253相连的侧面252。其中，该底面253与所述***口251相对，所述侧面252位于其间。该底面253与***口251之间的距离根据输入光信号的光纤60直径的不同而不同。
另外，为降低制造工艺难度及封装难度，所述光纤对准槽250的侧面252上进一步设置有一开口2520，所述开口2520位于所述衬底层240的第二表面242。所述开口2520呈一矩形，其长度与所述光纤对准槽250的凹陷长度相等，其宽度根据输入光信号的光纤60直径的不同而不同。所述光纤对准槽250的在垂直于第二表面242方向上的高度，根据输入光信号的光纤60直径的不同而不同。优选的，所述开口2520的宽度大于或等于光纤的直径，所述光纤对准槽250的在垂直于第二表面242方向上的高度大于光纤的半径。
衬底层240的第二表面242可进一步包括一固定元件（图未示），所述固定元件可以为卡扣、胶带等，其材料不限，其形状优选为中间具有凹槽的长条形板状结构。所述固定元件横跨于光纤对准槽250的开口2520上，且板状结构的两端固定于第二表面242，并且固定元件的凹槽与光纤对准槽中的光纤紧密结合，用于固定所述输入光信号的光纤。
本实施例所述光栅耦合器20应用时，所述光纤60采用45°斜面光纤，即光纤的端面与光纤的轴向成45°。将光纤60从衬底层240的第三表面243上的***口251平行于所述衬底层240的方式***光纤对准槽250中，使光纤60的45°斜面表面背离光栅221，且与所述衬底层240的第二表面242成45°。光纤对准槽250的侧面252上可进一步涂有固化胶，用于固定所述光纤60。光纤60平行于衬底层240***光纤对准槽250中，所述光纤60的45°斜面的中心与光栅221的中心直线连线垂直于所述衬底层240的第二表面242。所述连线与光纤对准槽250的底面253之间的距离等于光纤60的半径，从而实现光纤对准槽250与光栅221的对准设置。从光纤60中输入的光信号通过45°斜面实现90°转向，从而使光信号垂直入射到光栅221上，进而耦合进波导222中。本实施例光栅耦合器封装结构工作时，光纤60可与外部光电器件相连接，并由其接收光信号，再通过光栅耦合器20的波导222导向相应的光电集成芯片。
当从光纤输入的光信号经由衬底层、下包层入射到波导层的光栅上以后，在光栅的作用下会发生衍射。一部分光透过光栅，成为透射衍射光射向反射层，一部分光在光栅界面发生反射，成为反射衍射光。当衍射光某一级的波矢等于波导中某一模式的传输常数时，该部分光就被耦合进了波导中。耦合进波导的光在波导的引导下导入到光电集成芯片中，实现光信号的传输。此时衍射光满足相位匹配条件，或称之为Bragg条件：
Kin+m·KT=β(m=0,±1,±2…)    （1）
Kin是输入光的波矢，KT是光栅矢量，β为波导的传输常数。相位匹配条件可以通过控制隔离层的厚度来满足。光栅耦合器工作时，有很大一部分光会穿过光栅而泄漏掉造成信号损失。因此，在光栅透射光的方向加上一反射层，透射光通过该反射层反射后至所述光栅，当反射光与入射光满足相位匹配条件时，进一步发生相干增强，耦合效率会大大提高。
本发明所提供的光栅耦合器并不限于上述实施例所述，如图1和图2中的光栅可以为扇形光栅结构、三角形光栅结构、梯形光栅结构等其他形状。
本发明所提供光栅耦合器，利用光栅反射衍射光进行耦合，反射层可以通过金属蒸发淀积的简单工艺淀积在隔离层上，避免了现有技术在波导层与下包层之间制作反射层的复杂工艺。本发明所提供的光栅耦合器的封装结构，光纤对准槽可利用双面套刻的微加工工艺直接制备在光栅耦合器的衬底层上，光纤可以通过光纤对准槽来实现输入光信号与光栅的自动对准，光纤的封装简单。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。

Claims (15)

1.一种光栅耦合器，其包括隔离层、波导层、下包层和衬底层，所述下包层、波导层、隔离层依次层叠设置于衬底层的一表面，所述波导层包括一光栅与一波导，所述光栅包括一光栅结构，所述光栅结构设置于光栅远离衬底的表面，其特征在于，所述光栅耦合器进一步包括一反射层，所述反射层设置于隔离层远离所述衬底层的一侧，所述衬底层进一步包括一光纤对准槽，所述光纤对准槽与所述光栅对准设置，外界光信号通过所述衬底层的光纤对准槽垂直入射到所述光栅结构上。
2.如权利要求1所述的光栅耦合器，其特征在于，所述反射层的材料为金、银、铜、铝及铬中的一种。
3.如权利要求1所述的光栅耦合器，其特征在于，所述反射层的厚度为50nm～200nm。
4.如权利要求1所述的光栅耦合器，其特征在于，所述衬底层包括相对设置的第一表面与第二表面以及与该第一表面和第二表面相连的至少一第三表面，所述下包层设置于所述衬底层的第一表面。
5.如权利要求4所述的光栅耦合器，其特征在于，所述光纤对准槽设置于衬底层的第二表面且与光栅对准设置。
6.如权利要求5所述的光栅耦合器，其特征在于，所述光纤对准槽具有一光纤***口、一底面及侧面，所述光纤***口与底面相对，所述侧面位于所述光纤***口及底面之间。
7.如权利要求6所述的光栅耦合器，其特征在于，所述光纤对准槽由所述衬底层的第二表面向第一表面方向凹陷形成，所述光纤对准槽的光纤***口位于所述衬底层的第二表面。
8.如权利要求6所述的光栅耦合器，其特征在于，所述光纤对准槽的光纤***口位于所述衬底层的第三表面。
9.如权利要求8所述的光栅耦合器，其特征在于，所述光纤对准槽进一步包括一开口，位于所述衬底层的第二表面。
10.如权利要求1所述的光栅耦合器，其特征在于，所述波导层折射率分别大于隔离层与下包层的折射率。
11.一种光栅耦合器的封装结构，其包括光栅耦合器及与该光栅耦合器相连接的光纤，所述光栅耦合器包括：
一衬底层，所述衬底层具有相对设置的第一表面与第二表面以及与该第一表面和第二表面相连的第三表面；
一下包层、一波导层、一隔离层依次层叠设置于衬底层的第一表面，所述波导层包括一光栅与一波导，所述光栅包括一光栅结构，
所述光栅结构设置于光栅远离衬底的表面；
其特征在于，所述光栅耦合器进一步包括一反射层，所述反射层设置于隔离层远离衬底层的表面，所述衬底层进一步包括一光纤对准槽，所述光纤对准槽与所述光栅对准设置，光纤通过所述衬底层的光纤对准槽与所述光栅耦合器相连接，光纤中的光信号通过所述衬底层的光纤对准槽垂直入射到所述光栅结构上。
12.如权利要求11所述的光栅耦合器的封装结构，其特征在于，所述光纤对准槽设置于衬底层的第二表面且与光栅对准设置。
13.如权利要求12所述的光栅耦合器的封装结构，其特征在于，所述光纤对准槽具有一光纤***口、一底面及侧面，所述光纤***口与底面相对，所述侧面位于所述光纤***口及底面之间。
14.如权利要求13所述的光栅耦合器的封装结构，其特征在于，所述光纤对准槽由所述衬底层的第二表面向第一表面方向凹陷形成，所述光纤对准槽的光纤***口位于所述衬底层的第二表面，所述光纤为平面光纤，光纤通过光纤***口***光纤对准槽中，所述光纤对准槽的中心轴穿过所述光栅结构的几何中心。
15.如权利要求13所述的光栅耦合器的封装结构，其特征在于，所述光栅对准槽进一步包括一开口，所述开口位于衬底层的第二表面，所述光纤对准槽的光纤***口位于所述衬底层的第三表面，所述光纤为45°斜面光纤，光纤平行于衬底层***光纤对准槽，光纤斜面的中心与光栅的几何中心的直线连线垂直于衬底层。
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