CN105759373B - 一种多芯平面光波导结构及其耦合结构 - Google Patents

一种多芯平面光波导结构及其耦合结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光波导耦合技术领域，提供了一种多芯平面光波导结构及其耦合结构。其中，多芯平面光波导结构包括：所述平面光波导内包括用于传递光信号的二氧化硅主波导，以及辅助进光的副波导；所述副波导包括一个或者多个二氧化硅副波导，所述二氧化硅副波导与所述二氧化硅主波导按照预设中心距离设置。本发明实施例所提出的包括一个或者多个二氧化硅副波导的平面光波导结构能够完成激光器到PLC的被动对光和直接耦合，相比较现有技术能够提高对位容差；基于该对位容差的提高，能够进一步减轻自动化设备中对于工艺精度的要求，能够达到缩短对光和焊接时间，并进一步减少次品率，从而达到降低成本的目的。

Description

一种多芯平面光波导结构及其耦合结构
【技术领域】
本发明涉及光波导耦合技术领域，特别是涉及一种多芯平面光波导结构及其耦合结构。
【背景技术】
目前主流的40G/100G光模块基本上还是基于棱镜，透镜，光滤波片等的自由空间耦合技术，其特点是工艺比较复杂，需要主动对光，封装成本高，更大规模的集成非常困难。
另一方面，光子集成技术，泛指有源器件(激光器，探测器，光放大器，光调制器等)和无源器件(分光/合光器，光滤波器，光复用/解复用器等)的集成，从而实现单片多功能的光器件技术。光子集成技术被视为是近期乃至将来，特别是在数据中心等短距离光互联应用中，强有力的光模块技术。然而，如何有效地将单模激光器的光耦合到平面光波导(Planar Lightwave Circuit，PLC)或者其他硅基光集成芯片，还是目前的一个大课题。除了耦合效率以外，如何使得工艺简单易行，可以使用自动设备来达到减低成本的效果，也同样是重要的课题。
鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是如何有效地将单模激光器的光耦合到平面光波导或者其他硅基光集成芯片。
本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明实施例提供了一种多芯平面光波导结构，包括：
所述平面光波导内包括用于传递光信号的二氧化硅主波导，以及辅助进光的副波导；
所述副波导包括一个或者多个二氧化硅副波导，所述二氧化硅副波导与所述二氧化硅主波导按照预设中心距离设置。
优选的，所述副波导具体包括两条子副波导，其中，第一子副波导位于所述二氧化硅主波导的上侧，第二子副波导位于所述二氧化硅主波导的下侧。
优选的，所述第一子副波导和第二子副波导均由正梯体结构构成；
其中梯顶和二氧化硅主波导进光口位于同一侧；梯底向光传输方向延伸，并且梯底的宽度与二氧化硅主波导的宽度相同；
其中，第一子副波导梯体和第二子副波导梯体上与所述二氧化硅主波导上下平面相邻的侧面，分别保持与所述二氧化硅主波导上下平面平行。
优选的，在选择的单模有源器件的中心波长为1310nm-1660nm，远场发射角为25°×40°时，所述主波导和副波导的参数具体为：
主波导进光口的宽度W主＝3.0μm，高度H主＝3.0μm；
副波导进光口的宽度W副in＝2.6μm，高度H副in＝3.0μm；
副波导梯底的宽度W副out＝3.0μm，高度H副out＝3.0μm；
副波导长度L副＝100μm，主波导和副波导的中心距离Ay＝3.6μm。
优选的，主波导和副波导在多芯平面光波导结构中，其各自芯层内外为折射率相近的包层，其相对折射率差为0.013。
优选的，所述副波导具体包括八条子副波导，其中，第一子副波导位于所述二氧化硅主波导的上侧；第二子副波导位于所述二氧化硅主波导的下侧；第三子副波导位于所述二氧化硅主波导的左侧；第四子副波导位于所述二氧化硅主波导的右侧；第五子副波导位于所述二氧化硅主波导的左上侧，且位于所述第一子副波导左侧，位于所述第三子副波导上侧；第六子副波导位于所述二氧化硅主波导的右上侧，且位于所述第一子副波导左侧，位于所述第四子副波导上侧；第七子副波导位于所述二氧化硅主波导的左下侧，且位于所述第二子副波导左侧，位于所述第三子副波导下侧；第八子副波导位于所述二氧化硅主波导的右下侧，且位于所述第二子副波导右侧，位于所述第四子副波导下侧。
优选的，所述各子副波导具体为正梯体结构，并且连接梯顶和梯底的四个侧面均为斜面，其中梯顶与二氧化硅主波导的进光口位于所述多芯平面光波导的同侧。
优选的，主波导和副波导在多芯平面光波导结构中，其各自芯层内外为折射率相近的包层，其相对折射率差为0.013
第二方面，本发明实施例还提供了一种多芯平面光波导耦合结构，包括第一方面所述结构的多芯平面光波导，则所述耦合结构还包括单模有源器件，具体的：
所述多芯平面光波导上位于所述二氧化硅主波导和二氧化硅副波导的进光侧设置有单模有源器件固定台；
所述固定台上设置有焊盘和对位标记，所述焊盘用于与所述单模有源器件上的相应焊盘完成焊接；所述对位标记用于为自动邦定机提供绑定焊点的寻址；
在所述耦合结构中，所述单模有源器件和所述二氧化硅主波导和二氧化硅副波导的进光口之间设置有耦合间隔空隙d，所述耦合间隔空隙中填充有用于折射率匹配的匹配胶。
优选的，由所述单模有源器件和多芯平面光波导构成的耦合结构具体包括EPON光模块、GPON光模块；数据通信中的高速单信道光模块SFP、SFP+；或者用于40G，100G光传输的并行模块QSFP、QSFP28。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明实施例所提出的包括一个或者多个二氧化硅副波导的平面光波导结构能够完成激光器到PLC的被动对光和直接耦合，相比较现有技术能够提高了对位容差；基于该对位容差的提高，能够进一步减轻自动化设备中对于工艺精度的要求，能够达到缩短对光和焊接时间，并进一步减少次品率，从而达到降低成本的目的。
【附图说明】
图1是本发明实施例提供的一种多芯平面光波导耦合结构示意图；
图2是本发明实施例提供的由图1中C-C’截面俯视图的局部放大图；
图3是本发明实施例提供的由图1中A-A’截面俯视图的局部放大图；
图4是本发明实施例提供的图1参考图3中D-D’截面的局部放大图；
图5是本发明实施例提供的参考图3并由图1中B-B’截面图的局部放大图；
图6是本发明实施例提供的基于模拟测试得到的定位公差图；
图7是本发明实施例提供的另一种由图1中A-A’截面俯视图的局部放大图；
图8是本发明实施例提供的图1参考图7中D-D’截面的局部放大图；
图9是本发明实施例提供的参考图7并由图1中B-B’截面图的局部放大图；
图10是本发明实施例提供的基于模拟测试得到的定位公差图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
需要强调的是，本发明说明书附图中给予的截面图采用的是带透视结构功能的，为的是更好的展现出二氧化硅主波导和二氧化硅副波导的层叠结构，以及在同一视角下，其尺寸之间的差异。
实施例1:
本发明实施例1提供了一种多芯平面光波导结构，如图1所示，所述多芯平面光波导结构包括：
所述平面光波导内包括用于传递光信号的二氧化硅主波导，以及辅助进光的副波导；
所述副波导包括一个或者多个二氧化硅副波导，所述二氧化硅副波导与所述二氧化硅主波导按照预设中心距离设置。
其中，所述中心距离用于保障所述一个或者多个二氧化硅副波导和所述二氧化硅主波导在光接受面上产生足够的耦合效应。
本发明实施例所提出的包括一个或者多个二氧化硅副波导的平面光波导结构能够完成激光器到PLC的被动对光和直接耦合，相比较现有技术能够提高了对位容差；基于该对位容差的提高，能够进一步减轻自动化设备中对于工艺精度的要求，能够达到缩短对光和焊接时间，并进一步减少次品率，从而达到降低成本的目的。
结合本发明实施例存在一种优选的实现方案，如图2所示，所述二氧化硅主波导包括耦合段和传导段，所述耦合段为正梯体结构或者倒梯体结构，其中，所述耦合段与所述单模有源器件相耦合的面为梯顶，所述耦合段与所述传导段连接面为梯底。
实施例2:
基于实施例1所述的一种多芯平面光波导结构，本发明实施例2具体阐述其中一种可选的二氧化硅副波导的构成，如图3、图4和图5所示：
所述平面光波导内包括用于传递光信号的二氧化硅主波导，以及辅助进光的副波导；
所述副波导具体包括两条子副波导，其中，第一子副波导位于所述二氧化硅主波导的上侧，第二子副波导位于所述二氧化硅主波导的下侧,所述二氧化硅副波导与所述二氧化硅主波导按照预设中心距离设置。
其中，所述中心距离用于保障所述一个或者多个二氧化硅副波导和所述二氧化硅主波导在光接受面上产生足够的耦合效应。
结合本发明实施例，存在一种优选的实现方案，如图3所示(图1中A-A’水平截面俯视图)，所述第一子副波导和第二子副波导均由正梯体结构构成；
其中梯顶和二氧化硅主波导进光口位于同一侧；梯底向光传输方向延伸，并且梯底的宽度与二氧化硅主波导的宽度相同；
其中，第一子副波导梯体和第二子副波导梯体上与所述二氧化硅主波导上下平面相邻的侧面，分别保持与所述二氧化硅主波导上下平面平行。
在可选的实现方案中，所述第一子副波导和第二子副波导可以均由倒梯体结构构成，相比较上述方案，其特征在于第一子副波导和第二子副波导沿着光传输方向，如图5所示的截面积越来越小。
结合本发明实施例，在选择的单模有源器件的中心波长为1310nm-1660nm，远场发射角X方向10°-40°，Y方向10°-45°时，本发明实施例还提供了所述主波导和副波导的一组参数，参考图3和图4具体为：
主波导进光口的宽度W主＝3.0μm，高度H主＝3.0μm；
副波导进光口的宽度W副in＝2.6μm，高度H副in＝3.0μm；
副波导梯底的宽度W副out＝3.0μm，高度H副out＝3.0μm；
副波导长度L副＝100μm，主波导和副波导的中心距离Ay＝3.6μm。
在本实施例各种实现方式中，存在一种实现方式，其中，主波导和副波导在多芯平面光波导结构中，其各自芯层内外为折射率相近的包层，其相对折射率差为0.013。所有这些尺寸需要根据应用条件(工作波长，PLC功能及工艺等条件等)优化来决定。现有技术中前端和后端同样尺寸，则其最高耦合效率仅为25％，6dB对位容差只是一个点，即激光器和PLC的焊接固定要达到极高的准确度，稍有偏差就会达不到所述6dB对位容差。图6是本实施2在单模有源器件的中心波长为1310nm，远场发射角为25°×40°的参数设置下，模拟出的耦合效率分布图。最高耦合效率为32％，6dB对位容差(如图6)为：
X方向＝+/-0.825μm；
Y方向＝+/-0.9μm。
与单一波导的方法相比，上面的结果改善了最高耦合效率，并且进一步放宽了6dB对位容差。目前商用自动邦定机的精度可以达到+/-0.5μm，本发明实施例的结果完全可以直接用自动的方式来将激光器贴装至PLC上，完成激光器到PLC的被动对光和直接耦合。而自动化设备的应用可以极大地保证工艺质量，缩短对光和焊接时间，从而达到降低成本的目的。
实施例3:
基于实施例1所述的一种多芯平面光波导结构，本发明实施例3具体阐述其中一种可选的二氧化硅副波导的构成，如图7、图8和图9所示：
所述平面光波导内包括用于传递光信号的二氧化硅主波导，以及辅助进光的副波导；
所述副波导具体包括八条子副波导，其中，第一子副波导01位于所述二氧化硅主波导的上侧；第二子副波导02位于所述二氧化硅主波导的下侧；第三子副波导03位于所述二氧化硅主波导的左侧；第四子副波导04位于所述二氧化硅主波导的右侧；第五子副波导05位于所述二氧化硅主波导的左上侧，且位于所述第一子副波导左侧，位于所述第三子副波导上侧；第六子副波导06位于所述二氧化硅主波导的右上侧，且位于所述第一子副波导左侧，位于所述第四子副波导上侧；第七子副波导07位于所述二氧化硅主波导的左下侧，且位于所述第二子副波导左侧，位于所述第三子副波导下侧；第八子副波导08位于所述二氧化硅主波导的右下侧，且位于所述第二子副波导右侧，位于所述第四子副波导下侧,所述二氧化硅副波导与所述二氧化硅主波导按照预设中心距离设置。
其中，所述中心距离用于保障所述一个或者多个二氧化硅副波导和所述二氧化硅主波导在光接受面上产生足够的耦合效应。
结合本发明实施例，存在一种优选的实现方案，如图7所示(图1中A-A’水平截面俯视图)，所述各子副波导具体为正梯体结构，并且连接梯顶和梯底的四个侧面均为斜面，其中梯顶与二氧化硅主波导的进光口位于所述多芯平面光波导的同侧。
在可选的实现方案中，所述各二氧化硅副波导可以均由倒梯体结构构成，相比较上述方案，其特征在于第一子副波导和第二子副波导沿着光传输方向，如图9所示的截面积越来越小。
在本实施例各种实现方式中，存在一种实现方式，其中，主波导和副波导在多芯平面光波导结构中，其各自芯层内外为折射率相近的包层，其相对折射率差为0.013。
结合本发明实施例，在选择的单模有源器件的中心波长为1310nm-1660nm，远场发射角X方向10°-40°，Y方向10°-45°时，本发明实施例还提供了所述主波导和副波导的一组参数，参考图7和图8具体为：
主波导进光口的宽度W主＝3.0μm，高度H主＝3.0μm；
副波导进光口的宽度W副in＝2.5μm，高度H副in＝1.7273μm；
副波导梯底的宽度W副out＝3.0μm，高度H副out＝3.5μm；
副波导长度L副＝100μm；
主波导和副波导在X方向的中心距离Ax＝3.5μm；
主波导和副波导在Y方向的中心距离Ay＝3.5μm。
所有这些尺寸需要根据应用条件(工作波长，PLC功能及工艺等条件等)优化来决定。现有技术中前端和后端同样尺寸，则其最高耦合效率仅为25％，6dB对位容差只是一个点，即激光器和PLC的焊接固定要达到极高的准确度，稍有偏差就会达不到所述6dB对位容差。图10是本实施3在单模有源器件的中心波长为1310nm，远场发射角为25°×40°的参数设置下，模拟出的耦合效率分布图。最高耦合效率为33％，6dB对位容差(如图10所述)为：
X方向＝+/-0.95μm；
Y方向＝+/-0.95μm。
与单一波导的方法相比，上面的结果改善了最高耦合效率，并且进一步放宽了6dB对位容差。目前商用自动邦定机的精度可以达到+/-0.5μm，本发明实施例的结果完全可以直接用自动的方式来将激光器贴装至PLC上，完成激光器到PLC的被动对光和直接耦合。而自动化设备的应用可以极大地保证工艺质量，缩短对光和焊接时间，从而达到降低成本的目的。
本发明实施例2和实施例3给出了一字型和口字型二氧化硅副波导的结构布局方式，本领域技术人员基于上述优选方案基础上，设计出的还有例如十字型、交叉型二氧化硅副波导的布局方式也同样属于本发明所要保护的范围内。
实施例4:
本发明实施例还提供了一种多芯平面光波导耦合结构，包括如实施例1、2或3所述结构的多芯平面光波导，所述耦合结构还包括单模有源器件，其中，单模有源器件包括但不限于法布里-珀罗激光器(Fabry-Perot，简写为：FP)、分布式反馈激光器(DistributedFeedback Laser，简写为：DFB)、电吸收调制激光器(Electlro-absorption ModulatedLaser，简写为：EML)、基于半导体光放大器(semiconductor opticalamplifier，简写为：SOA)等。如图1所示，所述耦合结构具体为：
所述多芯平面光波导上位于所述二氧化硅主波导和二氧化硅副波导的进光侧设置有单模有源器件固定台；
所述固定台上设置有焊盘和对位标记，所述焊盘用于与所述单模有源器件上的相应焊盘完成焊接；所述对位标记用于为自动邦定机提供绑定焊点的寻址；
如图1所示，多芯平面光波导上的焊盘也被称为邦定焊点。
在所述耦合结构中，所述单模有源器件和所述二氧化硅主波导和二氧化硅副波导的进光口之间设置有耦合间隔空隙d，所述耦合间隔空隙中填充有用于折射率匹配的匹配胶。
结合本发明实施例，由所述单模有源器件和多芯平面光波导构成的耦合结构具体包括EPON光模块、GPON光模块；数据通信中的高速单信道光模块SFP、SFP+；或者用于40G，100G光传输的并行模块QSFP、QSFP28。
值得说明的是，上述装置和***内的模块、单元之间的信息交互、执行过程等内容，由于与本发明的处理方法实施例基于同一构思，具体内容可参见本发明方法实施例中的叙述，此处不再赘述。
本领域普通技术人员可以理解实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种多芯平面光波导结构，其特征在于，包括：
所述平面光波导内包括用于传递光信号的二氧化硅主波导，以及辅助进光的副波导；
所述副波导包括八条二氧化硅子副波导，所述二氧化硅子副波导与所述二氧化硅主波导按照预设中心距离设置；
在所述八条二氧化硅子副波导中，第一子副波导位于所述二氧化硅主波导的上侧；第二子副波导位于所述二氧化硅主波导的下侧；第三子副波导位于所述二氧化硅主波导的左侧；第四子副波导位于所述二氧化硅主波导的右侧；第五子副波导位于所述二氧化硅主波导的左上侧，且位于所述第一子副波导左侧，位于所述第三子副波导上侧；第六子副波导位于所述二氧化硅主波导的右上侧，且位于所述第一子副波导左侧，位于所述第四子副波导上侧；第七子副波导位于所述二氧化硅主波导的左下侧，且位于所述第二子副波导左侧，位于所述第三子副波导下侧；第八子副波导位于所述二氧化硅主波导的右下侧，且位于所述第二子副波导右侧，位于所述第四子副波导下侧。
2.根据权利要求1所述的多芯平面光波导结构，其特征在于，在选择的单模有源器件的中心波长为1310nm-1660nm，远场发射角为25°×40°时，所述主波导和副波导的参数具体为：
主波导进光口的宽度W主＝3.0μm，高度H主＝3.0μm；
副波导进光口的宽度W副in＝2.6μm，高度H副in＝3.0μm；
副波导梯底的宽度W副out＝3.0μm，高度H副out＝3.0μm；
副波导长度L副＝100μm，主波导和副波导的中心距离Ay＝3.6μm。
3.根据权利要求1所述的多芯平面光波导结构，其特征在于，主波导和副波导在多芯平面光波导结构中，其各自芯层内外为折射率相近的包层，其相对折射率差为0.013。
4.根据权利要求1所述的多芯平面光波导结构，其特征在于，所述各子副波导具体为正梯体结构，并且连接梯顶和梯底的四个侧面均为斜面，其中梯顶与二氧化硅主波导的进光口位于所述多芯平面光波导的同侧。
5.一种多芯平面光波导耦合结构，其特征在于，包括如权利要求1-4任一所述结构的多芯平面光波导，则所述耦合结构还包括单模有源器件，具体的：
所述多芯平面光波导上位于所述二氧化硅主波导和二氧化硅副波导的进光侧设置有单模有源器件固定台；
所述固定台上设置有焊盘和对位标记，所述焊盘用于与所述单模有源器件上的相应焊盘完成焊接；所述对位标记用于为自动邦定机提供绑定焊点的寻址；
在所述耦合结构中，所述单模有源器件和所述二氧化硅主波导和二氧化硅副波导的进光口之间设置有耦合间隔空隙d，所述耦合间隔空隙中填充有用于折射率匹配的匹配胶。
6.根据权利要求5所述的耦合结构，其特征在于，由所述单模有源器件和多芯平面光波导构成的耦合结构具体包括EPON光模块、GPON光模块；数据通信中的高速单信道光模块SFP、SFP+；或者用于40G，100G光传输的并行模块QSFP、QSFP28。
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