CN104155730B - 一种光纤与硅基混合集成芯片的对准装置及对准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤与硅基混合集成芯片的对准装置及对准方法，包括基板（2）、光纤微调装置（4）、顶起微调装置（5），所述顶起微调装置（5）和光纤微调装置（4）之间设置有光纤限制块（3），所述光纤限制块（3）内部设置多个与硅基混合集成芯片中V型槽数量相对应的光纤约束孔，光纤约束孔之间的横向间距与硅基混合集成芯片V型槽之间的对准轴间的间距保持一致，所述光纤限制块（3）与基板（2）垂直或者朝向硅基混合集成芯片方向倾斜固定设置，光纤约束孔中心轴（O）在硅基混合集成芯片上的投影与硅基混合集成（1）对准轴（X）重合，采用本发明保证了光纤与V形槽的固定贴合，可以在测试后再点粘接剂固定，使器件可进行返修。

Description

一种光纤与硅基混合集成芯片的对准装置及对准方法

技术领域

本发明涉及一种光纤与硅基混合集成芯片的对准装置及其对准方法，特别是一种多根光纤与硅基混合集成芯片的无源对准装置及其方法，本发明属于通信领域。

背景技术

为了满足不断增长的大数据和高速率传输需求以及不断降低设备和运维成本的需要，以光子集成、高速光信号调制技术、高速光器件封装技术等为代表的光混合集成技术正成为竞相开发的热点。

传统的光学模块建立在微光学基础上，由大量的组件如激光二极管、透镜、探测器、光纤、电路等通过管座或载体构成某功能模块，这种方法复杂费时。而光集成器件由于其综合成本低、体积小巧、易于大规模装配生产、工作速率高、性能稳定等优点，早在20世纪70年代就引起了世人的关注和研究。光集成的技术发展方向主要可分为两类：单片集成和混合集成。单片集成是指在半导体衬底上，经过同一制作工艺，把所有元件集成在一起，由于光学器件衬底材料并不相同，如激光器材料一般为InP，而波导为Si或SiO2，单片集成工艺复杂、技术难度极高，因此各种混合集成技术被业界广泛看好并逐步进入实用化阶段。

混合集成技术是指用不同的制作工艺制作一部分元件后，再组装在半导体或光学晶体衬底上。混合集成的回路中光器件和电子器件根据各自器件的材料结构和制作工艺的不同分别制作在不同的芯片上，各个器件再通过焊接、封装等技术固化组合互联在一起。混合集成回路具有器件优化程度高，产品成品率高，可充分发挥光子器件和电子器件的性能，选择功能器件灵活等优点，其中硅基光电集成由于兼容了微电子工艺，被认为是一种最佳的集成方案。在硅基混合集成中由于各个功能单元仍需要通过光纤进行互联，通常利用硅的晶向腐蚀出一个精密的V形槽，再将光纤压入其中进行光路对准。由于混合集成的芯片体积很小，要将光纤压入V形槽与槽的侧壁贴合并固定并不容易。

发明内容

本发明提出一种将多根光纤压入硅基混合集成芯片V形槽的对装装置和对准方法，本发明方法和装置简单易行，利于大批量的生产，可快速实现光纤与硅基混合集成芯片的对准并且不受通道数的限制。

本发明采用的技术方案是：

一种光纤与硅基混合集成芯片的对准装置，包括基板、光纤微调装置、顶起微调装置，所述顶起微调装置和光纤微调装置之间设置有光纤限制块，所述光纤限制块内部设置多个与硅基混合集成芯片中V型槽数量相对应的光纤约束孔，光纤约束孔之间的横向间距与硅基混合集成芯片V型槽之间的对准轴间的间距保持一致，所述光纤限制块与基板垂直或者朝向硅基混合集成芯片方向倾斜固定设置，光纤约束孔中心轴在硅基混合集成芯片上的投影与硅基混合集成对准轴重合。

所述光纤限制块垂直于基板设置时，其光纤约束孔垂直光纤限制块表面，其孔中心轴至基板的高度与硅基混合集成对准轴至基板的高度保持一致，高度差偏移小于2um。

所述光纤限制块倾斜基板设置时，光纤限制块同基板的粘贴面与其朝向硅基混合集成芯片的面之间形成角度小于90度，硅基混合集成芯片相邻的光纤限制块面上的孔中心位置高度略高于需要对准的硅基混合集成芯片的对准轴高度，相邻硅基混合集成芯片的光纤限制块面上的孔中心点同硅基混合集成芯片对准轴X在端面处的交点之间的连线同小孔中心轴形成的夹角设置为可使光纤在弯曲时因自身应力落于硅基混合集成芯片V形槽中。

所述光纤限制块光纤约束孔的形状是圆形或者方形或者菱形三角形。

一种光纤与硅基混合集成芯片的对准装置进行对准的方法，包括如下步骤：步骤1：将设硅基混合集成芯片和光纤限制块固定于基板上，光纤限制块的孔中心轴和与其相匹配设置的硅基混合集成芯片V型槽对准轴位于垂直基板的相同平面内；步骤2：将光纤穿入光纤限制块的孔中，用设置于光纤限制块后端的光纤微调装置将光纤端面移至接近硅基混合集成芯片的端面处，顶起设置于光纤限制块前端的顶起微调装置,使接近光纤端面处的光纤顶起稍弯曲，光纤端面中心略高于硅基混合集成芯片对准轴时，采用光纤微调装置继续将光纤移至硅基混合集成芯片的对准面处，松开顶起的顶起微调装置使光纤落入硅基混合集成芯片V形槽中；步骤3：重复步骤2至所有穿入光纤限制块小孔的光纤与硅基混合集成芯片相应的对准轴在对准面位置进行对准。

所述步骤4后包括如下步骤：步骤5：对准后的器件进行初步测试，若指标不合格，对光纤和光纤限制块进行拆除；步骤6：若指标合适，在硅基混合集成芯片V形槽和光纤限制块处的光纤上涂粘接剂，分别将光纤固定于硅基混合集成芯片V形槽和光纤限制块上。

所述步骤1中基板表面制作有用于固定硅基集成芯片和光纤限制块对准的标记图形。

本发明具有如下优点：

1、采用本发明方法，单个光纤逐一进行对准，不受光路数量的限制，并且可以根据光路要求精确调整到不同的对准面位置；

2、本发明方法制作的产品体积小，不用制作光纤阵列，消除了在光纤一端已装有器件的情况下制作光纤阵列的困难；

3、采用本发明对准装置和对准方法，整个产品结构保证了光纤与V形槽的固定贴合，可以在测试后再点粘接剂固定牢固，使器件可进行返修。

附图说明

图1是本发明耦合对准结构示意图；

图2是本发明基板示意图；

图3是本发明基板标记功能示意图；

图4是本发明光纤限制块一种实施示意图；

图5是本发明光纤限制块一种实施示意图；

图6是本发明光纤限制块一种实施示意图；

图7是本发明光纤限制块一种实施示意图；

图8是本发明光纤限制块一种实施示意图；

图9是本发明光纤限制块一种实施示意图；

图10是本发明光纤限制块一种实施示意图；

图11是本发明光纤限制块一种实施示意图；

图12是本发明光纤限制块与硅基混合集成芯片位置俯视示意图；

图13是本发明光纤限制块与硅基混合集成芯片一种位置主视示意图；

图14是本发明光纤限制块与硅基混合集成芯片另一种位置主视示意图；

图15是本发明一种具体实施例光纤限制块粘贴示意图；

图16是本发明一种具体实施例穿光纤示意图；

图17是本发明一种具体实施例耦合对准示意图；

图18是本发明一种具体实施例耦合对准位置示意图；

图19是本发明一种具体实施例固定光纤示意图。

其中：

1、硅基混合集成芯片；2、基板；

3、光纤限制块；3-1、光纤限制上块；

3-2、光纤限制下块；4、光纤微调装置；

5、顶起微调装置；6、光纤；

7、粘接胶；b、标记图形；

X1、硅基混合集成芯片的一个对准轴；

X2、硅基混合集成芯片的第二个对准轴；

X3、硅基混合集成芯片的第三个对准轴；

O1、光纤限制块一个小孔的中心轴；

O2、光纤限制块第二个小孔的中心轴；

O3、光纤限制块第三个小孔的中心轴；

W1、硅基混合集成芯片对准轴X1和对准轴X2的间距；

W2、硅基混合集成芯片对准轴X2和对准轴X3的间距；

d1、光纤限制块小孔的中心轴O1和小孔的中心轴O2的间距；

d2、光纤限制块小孔的中心轴O2和小孔的中心轴O3的间距；

O、光纤限制块小孔中心轴平面；

X、硅基混合集成芯片对准轴平面；

h1、硅基混合集成芯片对准轴平面至基板的距离；

a、相邻硅基混合集成芯片的光纤限制块面；

E、相邻硅基混合集成芯片的光纤限制块面上的孔中心点；

F、硅基混合集成芯片对准轴在端面处的交点；

H1、E点至基板的距离；

A、光纤端面中心点；

t、光纤限制块与基板的夹角；

r、EF与EA之间的夹角；

P1、硅基混合集成芯片的第一个对准面；

P2、硅基混合集成芯片的第二个对准面；

P3、硅基混合集成芯片的第三个对准面；

具体实施方式

为了更好地理解本发明，以下将结合具体实例及附图对发明的实施方式进行详细的说明。

如图1所示是本发明的实施示意图，包括刻有V形槽V的硅基混合集成芯片1、基板2、光纤限制块3、光纤微调装置4、顶起微调装置5、光纤6。

一种光纤与硅基混合集成芯片的对准装置，包括基板、光纤微调装置、顶起微调装置，所述顶起微调装置和光纤微调装置之间设置有光纤限制块，所述光纤限制块内部设置多个与硅基混合集成芯片中V型槽数量相对应的光纤约束孔，光纤约束孔之间的横向间距与硅基混合集成芯片V型槽之间的对准轴间的间距保持一致，所述光纤限制块与基板垂直或者朝向硅基混合集成芯片方向倾斜固定设置，光纤约束孔中心轴在硅基混合集成芯片上的投影与硅基混合集成对准轴重合。顶起微调装置5和光纤微调装置4可以选用精度合适的三维微调架来实现，顶起微调装置可以调整光纤上下运动，光纤微调装置4可以进行调整光纤精密对准。

本发明的技术方案是将硅基混合集成芯片和具有特定尺寸的光纤限制块固定于基板上，将光纤穿入光纤限制块上的小孔中，然后将光纤靠近端面的部分约束在硅基混合集成芯片的V形槽中，光纤端面与硅基混合集成芯片的耦合对准位置通过光纤微调装置自由调节，最后进行粘接固定。

具体步骤如下：

步骤1、将需要耦合对准刻有V形槽的硅基混合集成芯片固定于印有标记图形的基板上特定的位置；

所述基板可以根据需要选取不同材料，基板用于安装硅基集成芯片和光纤限制块，基板表面应平整，基板表面制作有用于安装硅基集成芯片和光纤限制块的标记图形，标记图形的作用是使硅基集成芯片和光纤限制块安装于基板上时，硅基混合集成芯片对准轴和相应的光纤限制块小孔中心轴在垂直于基板的同一个平面内。

步骤2、将开有多个小孔并具有特定尺寸的光纤限制块垂直或以一定角度倾斜固定于印有标记的基板的特定位置上，光纤限制块倾斜方向应朝硅基混合集成芯片方向倾斜；

步骤3、将需要耦合对准的光纤从光纤限制块的一个小孔中穿入，通过顶起微调装置，将光纤端面稍抬起使光纤中心轴高于对准轴，通过光纤微调装置将光纤置于V形槽内，通过光纤微调装置将光纤端面移至需要对准的对准面处，顶起微调装置和光纤微调装置可以选用精度合适的三维微调架来实现；

步骤4、重复步骤3，直至所有光纤均与硅基混合集成芯片对准轴进行对准；

步骤5、对对准后的器件进行初步测试，如不合格，可对光纤或光纤限制块进行拆除；

步骤6、在硅基混合集成芯片V形槽和光纤限制块处的光纤上涂粘接剂，分别将光纤固定于硅基混合集成芯片V形槽和光纤限制块上。

所述光纤限制块上有多个小孔，小孔的大小可以穿入光纤并且间隙尽可能小的将光纤约束在其中，小孔形状可以为园形、方形、菱形或其它形状。制作小孔的方法可以是刻蚀、激光、机械加工等直接成型，或采用两个部分叠加形成。光纤限制块可采用硅、玻璃、金属、塑料等材料但并不限于此类材料制作。

所述光纤限制块上小孔的横向间隔与需要对准的硅基混合集成芯片的对准轴间隔一致。

所述光纤限制块固定于基板上的方式有两种：光纤限制块垂直固定于基板上或光纤限制块以一定角度倾斜固定于基板上。光纤限制块垂直固定于基板上时，光纤限制块的尺寸特征是，小孔中心高度与需要对准的硅基混合集成芯片的对准轴高度一致，偏移应小于2um；光纤限制块以一定角度倾斜固定于基板上时，光纤限制块的尺寸特征是：小孔中心位置应高于需要对准的硅基混合集成芯片的对准轴高度，光纤限制块倾斜固定于基板上时，光纤穿入小孔至硅基混合集成芯片处时，光纤中心轴应不高于硅基混合集成芯片对准轴的高度，光纤与小孔至对准轴在芯片端面位置的连线形成的夹角根据光纤允许的弯曲程度予以控制，以确保光纤在弯曲时由于自身应力被约束在V形槽中但不影响其使用性能。

如图2所示，基板2可以根据需要选取不同材料，基板2用于安装硅基集成芯片1和光纤限制块3，基板2表面应平整并制作有用于安装硅基集成芯片1和光纤限制块3的十字标记图形b或其它可用于对准的标记图形。

如图3所示，标记图形b的位置使硅基集成芯片1和光纤限制块3安装于基板上时，硅基混合集成芯片对准轴x1、x2、x3和光纤限制块小孔中心轴线o1、o2、o3在垂直于基板的同一个平面内。

如图4、图5、图6、图7所示，光纤限制块3上有多个小孔，小孔垂直光纤限制块3表面，小孔形状可以为圆形、方形、菱形三角形或其它形状，制作小孔的方法可以是刻蚀、激光、机械加工等直接成型，也可采用光纤限制上块3-1和光纤限制下块3-2两个部分组合而成，两部分的挖空区域叠加形成各种形状的小孔，其形状如图8、图9、图10、图11所示，所述光纤限制块3小孔的大小可以穿入光纤并且间隙尽可能小的将光纤6约束在其中，光纤限制块3可采用硅、玻璃、金属、塑料等材料但并不限于此类材料制作。

如图12所示，光纤限制块3上小孔各中心轴O1、O2、O3之间的间隔与需要对准的硅基混合集成芯片的对准轴X1、X2、X3之间的间隔一致，即d1等于w1，d2等于w2。X1、硅基混合集成芯片的一个对准轴；此处X2为硅基混合集成芯片的第二个对准轴，X3为硅基混合集成芯片的第三个对准轴，O1为光纤限制块一个小孔的中心轴，O2为光纤限制块第二个小孔的中心轴，O3为光纤限制块第三个小孔的中心轴，W1为硅基混合集成芯片对准轴X1和对准轴X2的间距，W2为硅基混合集成芯片对准轴X2和对准轴X3的间距，d1为光纤限制块小孔的中心轴O1和小孔的中心轴O2的间距，d2为光纤限制块小孔的中心轴O2和小孔的中心轴O3的间距。

如图13所示，当光纤限制块3垂直固定于基板上时，光纤限制块3的尺寸特征是，小孔中心轴O至基板2的高度与需要对准的硅基混合集成芯片1的对准轴X至基板的高度一致，偏移应小于2um；

如图14所示，光纤限制块3以一定角度倾斜固定于基板上时，光纤限制块3的尺寸特征是：光纤限制块与基板粘贴的面与朝向硅基混合集成芯片的面形成的角度t小于90度，光纤限制块3朝向硅基混合集成芯片1一侧，即：相邻硅基混合集成芯片的光纤限制块面a面小孔的中心位置高度H1应高于需要对准的硅基混合集成芯片1的对准轴高度h1，光纤穿入光纤限制块的小孔至硅基混合集成芯片位置时光纤端面中心A应不高于硅基混合集成芯片1对准轴X的高度，小孔中心轴O与EF连线形成的夹角r设计为确保光纤在弯曲时由于自身应力被约束在V形槽中但不受损坏，所述E为光纤限制块3的a面小孔的中心点，F为对准轴X在硅基混合集成芯片1端面处的交点。

下面以开有圆形小孔的光纤限制块以一定角度倾斜固定于基板上的实施例,对本发明的多根光纤与硅基混合集成芯片的无源对准方法做出详细说明。

具体步骤如下：

步骤1：按照基板上制作的标记图形，将需要耦合对准刻有V形槽的硅基混合集成芯片1粘接固定于基板2上，硅基混合集成芯片对准轴和光纤限制块小孔中心轴线在垂直于基板的同一个平面内。

步骤2：将光纤限制块3切割加工成所需要的特定尺寸，如图15所示，光纤限制块3为一侧角度为t的梯形；按照基板上制作的标记图形b将光纤限制块3粘贴固定于基板2上。对准标记b和光纤限制块3的尺寸保证光纤限制块3的小孔中心轴O和相应的对准轴X在垂直于硅基混合集成芯片1的同一个平面内。

如图14所示，光纤限制块3的尺寸保证光纤限制块3朝向硅基混合集成芯片一面小孔的中心高度H1高于硅基混合集成芯片对准轴的高度h1，光纤穿入光纤限制块3的小孔至硅基混合集成芯片1时光纤端面中心A应不高于硅基混合集成芯片1对准轴X的高度，小孔中心轴O与EF连线形成的夹角r设计为确保光纤在弯曲时由于自身应力被约束在V形槽中但不受损坏，所述E为光纤限制块3的a面小孔的中心点，F为对准轴X在硅基混合集成芯片1端面处的交点。

步骤3：如图16所示，将光纤穿入光纤限制块3的小孔中，用光纤微调装置4将光纤端面移至接近硅基混合集成芯片1的端面处，采用顶起微调装置5将接近光纤端面处的光纤顶起使光纤稍弯曲，光纤端面中心A略高于硅基混合集成芯片1的对准轴X。如图17所示，采用光纤微调装置4继续将光纤移至硅基混合集成芯片的对准面P1处，松开顶起微调装置5，使光纤由于自身弯曲产生的应力被约束在V形槽中。

步骤4：重复步骤3，如图18所示，至所有光纤都穿入光纤限制块3小孔中分别与硅基混合集成芯片1相应的对准轴X1、X2、X3在对准面P1、P2、P3位置进行对准。

步骤5：对对准后的器件进行初步测试，如不合格，可对相应的对准光纤6或光纤限制块3进行拆除；

步骤6：如图19所示，在V形槽和光纤限制块3处的光纤6上涂粘接剂7，分别将光纤固定于硅基混合集成芯片1的V形槽V和光纤限制块3上。

虽然本发明已经详细示例并描述了相关的特定实施例做参考，但对本领域的技术人员来说，在阅读和理解了该说明书和附图后，在不背离本发明的思想和范围特别是上述装置实施的功能上，可以在装置形式和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种光纤与硅基混合集成芯片的对准装置，包括基板(2)、光纤微调装置(4)、顶起微调装置(5)，其特征在于：所述顶起微调装置(5)和光纤微调装置(4)之间设置有光纤限制块(3)，所述光纤限制块(3)内部设置多个与硅基混合集成芯片中V型槽数量相对应的光纤约束孔，光纤约束孔之间的横向间距与硅基混合集成芯片V型槽之间的对准轴间的间距保持一致，所述光纤限制块(3)与基板(2)垂直或者朝向硅基混合集成芯片方向倾斜固定设置，光纤约束孔中心轴(O)在硅基混合集成芯片上的投影与硅基混合集成芯片(1)对准轴(X)重合。

2.根据权利要求1所述的一种光纤与硅基混合集成芯片的对准装置，其特征在于：所述光纤限制块(3)垂直于基板(2)设置时，其光纤约束孔垂直光纤限制块(3)表面，其孔中心轴(O)至基板(2)的高度与硅基混合集成芯片(1)对准轴(X)至基板(2)的高度保持一致，高度差偏移小于2um。

3.根据权利要求1所述的一种光纤与硅基混合集成芯片的对准装置，其特征在于：所述光纤限制块(3)倾斜基板(2)设置时，光纤限制块(3)同基板(2)的粘贴面与其朝向硅基混合集成芯片(1)的面之间形成角度(t)小于90度，硅基混合集成芯片(1)相邻的光纤限制块面上的孔中心位置高度(H1)略高于需要对准的硅基混合集成芯片(1)的对准轴高度(h1)，相邻硅基混合集成芯片(1)的光纤限制块面上的孔中心点(E)同硅基混合集成芯片(1)对准轴X在端面处的交点(F)之间的连线(EF)同小孔中心轴(O)形成的夹角(r)设置为可使光纤在弯曲时因自身应力落于硅基混合集成芯片(1)V形槽中。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种光纤与硅基混合集成芯片的对准装置，其特征在于：所述光纤限制块(3)光纤约束孔的形状是圆形或者方形。

5.一种应用权利要求1所述一种光纤与硅基混合集成芯片的对准装置进行对准的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：将设硅基混合集成芯片(1)和光纤限制块(3)固定于基板(2)上，光纤限制块(3)的孔中心轴(O)和与其相匹配设置的硅基混合集成芯片V型槽对准轴(X)位于垂直基板(2)的相同平面内；

步骤2：将光纤穿入光纤限制块(3)的孔中，用设置于光纤限制块(3)后端的光纤微调装置(4)将光纤端面移至接近硅基混合集成芯片(1)的端面处，顶起设置于光纤限制块前端的顶起微调装置(5),使接近光纤端面处的光纤顶起稍弯曲，光纤端面中心略高于硅基混合集成芯片(1)对准轴时，采用光纤微调装置(4)继续将光纤移至硅基混合集成芯片的对准面处，松开顶起的顶起微调装置(5)使光纤落入硅基混合集成芯片(1)V形槽中；

步骤3：重复步骤2至所有穿入光纤限制块(3)小孔的光纤与硅基混合集成芯片(1)相应的对准轴在对准面位置进行对准。

6.根据权利要求5所述的一种光纤与硅基混合集成芯片的对准装置进行对准的方法，其特征在于：所述步骤4后包括如下步骤：

步骤5：对准后的器件进行初步测试，若指标不合格，对光纤和光纤限制块(3)进行拆除；

步骤6：若指标合适，在硅基混合集成芯片(1)V形槽和光纤限制块(3)处的光纤上涂粘接剂，分别将光纤固定于硅基混合集成芯片(1)V形槽和光纤限制块(3)上。

7.根据权利要求5或6所述的一种光纤与硅基混合集成芯片的对准装置进行对准的方法，其特征在于:所述步骤1中基板(2)表面制作有用于固定硅基混合集成芯片(1)和光纤限制块(3)对准的标记图形。