CN110476096B - 平面光波导及光学模块 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及平面光波导及光学模块。根据本公开的平面光波导包括芯和包层，包层分别设置在芯的上部和下部，并且上包层面向光源的端部被抛光以形成以第一角度倾斜的第一折射表面，用于折射发射到芯的上部的光并将光引导到芯。考虑光源的光束特性，在平面光波导的上包层和下包层处形成折射表面，以在没有单独的光波导透镜的情况下较少光耦合损耗。

Description

平面光波导及光学模块
技术领域
本公开涉及一种平面光波导，其包括用于聚焦波导光的透镜以及光学模块。
背景技术
当从传统光源(比如激光二极管(LD)或光电二极管(PD))发射光时，光具有椭圆形光束形状，椭圆形光束形状由于其结构特征而在正交方向(即垂直方向)上伸长。
因此，传统的平面光波导需要单独的光波导透镜，用于聚焦从光源发射的波导光以减少光耦合损耗。
在一个示例中，专利文件1公开了在光源与光纤之间使用至少一个透镜进行光耦合。
(专利文件1)KR10-2014-0011521A
发明内容
技术问题
本公开的一个方面提供一种能够在不提供单独的光波导透镜的情况下减少光耦合损耗的平面光波导，以及光学模块。
技术方案
根据本公开的一方面，平面光波导包括芯和包层，包层分别设置在芯的上部和下部，并且上包层面向光源的端部被抛光以形成以第一角度倾斜的第一折射表面，用于折射发射到芯的上部的光并将光引导到芯。
此外，下包层面向光源的端部被加工以形成具有以第二角度倾斜的第二折射表面的沟槽，用于折射发射到芯的下部的光并将光引导到芯。
此处，根据包层材料的折射率和光源的辐射特性来设定第一角度和第二角度。
此外，下包层面向光源的端部还可以包括粘结表面，粘结表面结合到其上安装有光源的基底的侧表面，以允许光源与光波导的芯保持一定距离。此处，下包层的粘结表面可以形成为允许光源的发射表面与芯间隔开一定距离。
在一个示例中，第一折射表面和第二折射表面可以涂覆有折射率高于包层材料的聚合物材料和硅酮粘合剂，以使折射表面上由抛光或加工而形成的粗糙表面最小化。
根据本公开的另一方面，一种用于制造平面光波导的方法包括形成下包层作为板式基底，在下包层上形成芯层，在芯层上形成上包层，以及在上包层面向光源的端部形成以第一角度倾斜的第一折射表面，用于折射发射到芯层的上部的光并将光引导到芯层。
此外，该用于制造平面光波导的方法还包括在下包层面向光源的端部形成具有以第二角度倾斜的第二折射表面的沟槽，用于折射发射到芯层的下部的光并将光引导到芯层。
此外，该用于制造平面光波导的方法还可以包括在下包层面向光源的端部的沟槽的下部形成结合到其上安装有光源的基底的侧表面的粘结表面，以允许光源与光波导的芯层保持一定距离。
在一个示例中，在形成粘结表面的过程中，粘结表面可以被抛光以具有相对于芯层设定的抛光深度。
同时，根据本公开的另一方面，一种光学模块包括光源、其上安装有光源的基底以及平面光波导，并且在平面光波导中，上包层面向光源的端部被抛光以形成以第一角度倾斜的第一折射表面，用于折射发射到芯的上部的光并将光引导到芯。
此外，在平面光波导中，下包层面向光源的端部被加工以形成具有以第二角度倾斜的第二折射表面的沟槽，用于折射发射到芯的下部的光并将光引导到芯。
下包层面向光源的端部结合到其上安装有光源的基底的侧表面以允许光源与芯保持一定距离。
有益效果
根据本公开，考虑光源的光束特性，在平面光波导的上包层和下包层中的每一个中形成折射表面，从而在没有单独的光波导透镜的情况下减少光耦合损耗。
根据以下实施例进一步描述本公开的其他效果。
附图说明
图1是用于说明激光二极管的光束特性的概念图；
图2是示出根据本公开的实施例的平面光波导的结构的侧视图；
图3是示出图2的平面光波导的光耦合现象的图；
图4是用于示出图2的第一折射表面和第二折射表面的各种倾斜角度的示例图；
图5是用于示出图2的沟槽的各种深度的示例图；
图6是示出根据本公开的实施例的一种用于制造平面光波导的方法的流程图；以及
图7是示出根据本公开的实施例的光学模块的结构的侧视图。
具体实施方式
本公开可以进行各种修改并且具有各种实施例，并且具体实施例将在附图中示出并且在书面描述中详细描述。然而，这并不旨在将本公开限于特定实施例，并且应当理解为包括包含在本公开的精神和范围内的所有变换、等同物和替代物。在描述本公开时，当确定相关已知技术的详细描述模糊了本公开的要旨时，将省略其详细描述。
本文中使用的术语仅用于描述特定示例性实施例的目的，并不旨在限制本公开。除非上下文另外明确指出，单数表达包括复数表达。在本申请中，术语“包括”或“具有”旨在表示存在说明书中描述的特征、数字、步骤、操作、组件、部分或其组合。应当理解，本公开不排除存在或添加数字、步骤、操作、组件、部件或其组合的可能性。
在下文中，将参照附图详细描述根据本公开的实施例。在下面参照附图的描述中，相同或对应的部件将被赋予相同的附图标记及其重复描述，并且将被省略。
首先，将参照图1描述光源的光束特性。图1是用于说明激光二极管的光束特性的概念图。图1A是从侧面示出激光二极管发射光束的概念图，图1B是从正面示出激光二极管发射光束的光束形状的概念图。
如图1所示，当LD芯片上的激光二极管用作光源时，一部分激光场被传输穿过有源层的一侧以发射激光束“L”。由于激光二极管的有源层的横截面是矩形的，并且激光场的一部分由于有限的限制而从有源层漏出，所以激光二极管的发射表面处的光束“L”由有源层形成并且具有如图1B所示的椭圆形形状。单模激光二极管的光束的发散可以根据激光二极管的类型而变化，并且发散角度也可以在相同类型中变化。通常，激光二极管的发散角度在快轴上为约15度到40度，在慢轴上为约6度到12度。当从激光二极管发射光束时，由于光束在快轴方向上的发散尺寸大，所以光束具有在正交方向(即垂直方向)上伸长的椭圆形形状。同时，在图1中，激光二极管用作光源，但光电二极管可以用作光源。
因此，当以特定间隔在光源与光波导之间产生光耦合时，由于光源的光束特性，光耦合应该相对于发射到光波导的芯的上部和下部的光而有效地进行。
为此，存在一种使用光波导透镜(以下也简称为“透镜”)将来自光源的光(或光束)聚焦到光波导的方法。
例如，使用单透镜、双透镜、柱面透镜或GRIN透镜将来自光源的光聚焦，并且将收集的光耦合到光波导。
同时，在使用光波导透镜时，能够实现光源与光波导之间的光链路，但是在连接元件而保持光源与光波导之间恒定距离的方面存在结构性难题。
因此，本公开提供了一种用于光源与平面光波导之间光耦合的方法，其中光波导面向光源的端表面被加工，并且该加工过的表面被用作透镜，从而在没有单独透镜的情况下较少光耦合损耗。
依次地，将参照图2和图3描述根据本公开的光波导的结构。图2是示出根据本公开的实施例的平面光波导的结构的侧视图，图3是示出图2的平面光波导的光耦合现象的图。
如图2所示，根据本公开的平面光波导100可以主要分为芯20以及包层10和30，并且光可以穿过芯20。具体地，首先，平面光波导100是平面型(或平板型)基底，并且形成的方式为在下包层10上形成芯20，然后在芯20上形成上包层30，光被引导穿过芯20。
此处，上包层30面向光源的端部被抛光以形成以第一角度倾斜的第一折射表面31，用于折射发射到芯20的上部的光并将折射的光引导到芯20。
第一折射表面31可以使用例如抛光和研磨设备进行抛光而形成，同时相对于芯20的层具有第一角度。
此处，第一角度可以设定在10度或更大并且小于90度的角度范围内，并且可以根据包层材料的折射率和光源的辐射特性来设定。此处，芯材料和包层材料可以是聚合物、二氧化硅、金属氧化物等。因此，在抛光和研磨期间，第一折射表面31的第一角度可以基于待使用的包层材料的折射率和光源的辐射特性(例如，来自光源的垂直方向上的发散角度)来调节。例如，包层材料的折射率可以为约1.45至2.0。
因此，如图3所示，从光源发射并辐射到芯20上部的光“L”可以被第一折射表面31折射以引导到芯20的层。即，第一折射表面31用作光波导透镜。
类似地，下包层10面向光源的端部被加工以形成具有以第二角度倾斜的第二折射表面11的沟槽15，用于折射发射到芯20的下部的光并将折射的光引导到芯20。
具有第二折射表面11的沟槽15可以使用例如切割刀片进行加工而形成，同时相对于芯20的层具有第二角度。
此处，第二角度可以设定在10度或更大并且小于90度的角度范围内，并且可以根据包层材料的折射率和光源的辐射特性来设定。例如，第一折射表面31的第一角度和第二折射表面11的第二角度可以设定为彼此相等并且因此可以相对于芯20的层对称，或者可以设定为彼此不同。
因此，如图3所示，从光源发射并辐射到芯20的下部的光“L”可以被第二折射表面11折射以将折射的光引导到芯20的层。换句话说，第二折射表面11也用作光波导透镜。
因此，考虑光源的光束特性，在平面光波导100的上包层30和下包层10的每一个中形成折射表面11和31，从而在没有单独的光波导透镜的情况下减少光耦合损耗。
依次地，图4是用于示出图2的第一折射表面和第二折射表面的各种倾斜角度的示例图。如图4A所示，第一折射表面31的第一角度和第二折射表面11的第二角度可以形成为相对于芯20的层倾斜大约30度。或者是，如图4B所示，第一折射表面31的第一角度和第二折射表面11的第二角度可以形成为相对于芯20的层倾斜大约45度。或者是，如图4C所示，第一折射表面31的第一角度和第二折射表面11的第二角度可以形成为相对于芯20的层倾斜大约60度。
然后，下包层10面向光源的端部还可以包括粘结表面17，粘结表面17结合到其上安装有光源的基底(例如，图7的下安装基底110)的一侧，以允许光源与光波导100的芯间隔开特定距离。为此，下包层10形成为厚度大于上包层30。例如，下包层10的粘结表面17可以形成为允许光源的发射表面与芯20间隔开一定距离。
下包层10的粘结表面17可以形成在沟槽15的下部，并且例如可以在沟槽15加工之后使用抛光设备相对于芯20的层被抛光到90度。此处，沟槽15可以被抛光为粘结表面17相对于芯20的抛光深度被调节，以设定光源与光波导之间的距离。或者是，为了设定光源与光波导之间的距离，芯20面向光源的端表面相对于粘结表面17被抛光，以相对地调节粘结表面17的抛光深度。另外，在制造平面光波导时，如果平面光波导面向光源的端表面预先形成为相对于芯20的层为90度时，可以省略形成粘结表面17的抛光过程。
因此，光波导100的粘结表面17用于结合并固定到其上安装有光源的基底上。因此，与使用传统的单独光波导透镜相比，光源与光波导之间的距离可以在结构上设定，并且设定的距离可以保持恒定。
然后，位于光波导100的下包层10中的具有第二折射表面11的沟槽15可以被加工成具有各种深度。
图5是用于示出图2的沟槽的各种深度的示例图。如图5A、5B和5C所示，当第二折射表面11相对于芯20的层的第二角度大约为45度时，沟槽15可以被加工成具有不同的深度。也就是说，本发明的沟槽15可以被加工成具有不同的深度，同时保持第二折射表面11的第二角度。因此，可以容易地调节粘结表面17的抛光深度。
然后，可以在通过使用抛光设备的抛光过程或使用切割刀片加工而形成的，上包层30的第一折射表面31和下包层10的第二折射表面11上，涂覆折射率高于包层材料的聚合物材料或硅酮粘合剂，从而使折射表面上的粗糙表面最小化。例如，待涂覆的聚合物材料或硅酮粘合剂使用折射率比包层材料的折射率高约0.1至1.0％的材料，并且优选地，其折射率与芯的折射率大致相同。
因此，形成在第一折射表面31和第二折射表面11上的粗糙表面的折射率彼此匹配，以减少光所穿过的第一折射表面31和第二折射表面11的粗糙表面处的反射或散射引起的损耗，从而使光耦合损耗最小化。
然后，将参照图6描述根据本公开的一种用于制造平面光波导的方法。图6是示出根据本公开的实施例的一种用于制造平面光波导的方法的流程图。
如图6所示，根据本公开的一种用于制造平面光波导的方法包括：在S10中，形成下包层，即平坦基底，在S20中，在下包层上形成芯层，以及在S30中，在芯层上形成上包层以形成平面光波导。
然后，在S40中，使用例如抛光和研磨设备在上包层面向光源的端表面上形成以第一角度倾斜的第一折射表面，从而折射发射到芯层的上部的光并将折射的光引导到芯层。另外，在S50中，使用例如切割刀片在下包层面向光源的端表面上形成具有以第二角度倾斜的第二折射表面的沟槽，从而折射发射到芯层的下部的光并将折射的光引导到芯层。
此处，形成第一折射表面和形成第二折射表面的顺序不受限制。
在一个示例中，第一角度和第二角度可以分别设定在10度或更大并且小于90度的角度范围内，并且可以根据包层材料的折射率和光源的辐射特性来设定。因此，考虑光源的光束特性，在平面光波导的上包层和下包层中形成折射表面，从而在不提供单独的光波导透镜的情况下减少光耦合损耗。
然后，在S60中，结合到其上安装有光源的基底的侧表面的粘结表面，形成在下包层面向光源的端表面的沟槽的下部，以允许光源与光波导的芯层保持一定距离。在一个示例中，在S60中形成粘结表面的过程中，粘结表面可以被抛光以具有相对于芯层设定的抛光深度。因此，与使用传统的单独光波导透镜相比，光波导的抛光的粘结表面可以结合并固定到其上安装有光源的基底，从而在结构上设定光源与光波导之间的特定距离并保持该特定距离。
此外，根据本公开的用于制造平面光波导的方法可以包括在第一折射表面和第二折射表面上涂覆折射率高于包层材料的聚合物材料或硅酮粘合剂，以使由使用抛光设备抛光或使用划片刀片加工而形成的粗糙表面最小化。因此，形成在第一折射表面和第二折射表面上的粗糙表面的折射率彼此匹配，以减少光所穿过的第一折射表面和第二折射表面的粗糙表面处的反射或散射引起的损耗，从而使光耦合损耗最小化。
然后，将参照图7描述根据本公开的光学模块。图7是示出根据本公开的实施例的光学模块的结构的侧视图。
如图7所示，根据本公开的光学模块200可以主要包括平面光波导和光源。
光源可以是例如激光二极管LD或光电二极管PD。例如，光源可以由LD芯片120和其上安装有LD芯片的下安装基底110形成。LD芯片120包括激光二极管LD。
同时，平面光波导包括下包层10、芯20和上包层30。具体地，平面光波导100形成的方式为在下包层10(即板式基底)上形成芯20，然后在芯20上形成上包层30，光被引导穿过芯20。
在平面光波导中，上包层30面向光源的端部被抛光以形成以第一角度倾斜的第一折射表面31，用于折射发射到芯20的上部的光并将折射的光引导到芯20。
第一折射表面31可以通过使用例如抛光和研磨设备抛光以相对于芯20的层具有第一角度而形成。此处，第一角度可以设定在10度或更大并且小于90度的角度范围内，并且可以根据包层材料的折射率和光源的辐射特性来设定。因此，从光源发射并辐射到芯20的上部的光可以被第一折射表面31折射以被引导到芯20的层。
类似地，下包层10面向光源的端部被加工以形成具有以第二角度倾斜的第二折射表面的沟槽，用于折射发射到芯20的下部的光并将折射的光引导到芯20。
此外，下包层10面向光源的端部还包括粘结表面，粘结表面结合到其上安装有光源的基底110的侧表面，以允许光源与光波导100的芯保持恒定距离。因此，如图7所示，下包层10面向光源的端部结合到其上安装有光源的基底110的侧表面，以允许光源与光波导的芯保持恒定距离GaP。
在一个示例中，下包层10的粘结表面可以形成在沟槽的下部，并且例如可以在沟槽加工之后使用抛光设备抛光以相对于芯20的层形成90度。此处，沟槽可以被抛光为粘结表面相对于芯20的抛光深度被调节以设定光源与光波导之间的距离。因此，光波导的粘结表面用于结合并固定到其上安装有光源的基底，从而设定光源与光波导之间的距离并容易地固定所设定的距离。因此，可以减少光耦合损耗。
如上所述，根据本公开，考虑光源的光束特性，可以分别在上包层和下包层处形成折射表面，以在不提供单独的光波导透镜的情况下减少光耦合损耗。
以上描述仅仅是说明本公开的技术精神，并且本领域技术人员将理解，在不脱离本公开的基本特征的情况下，可以对其进行各种改变和修改。因此，本公开中公开的实施例并不旨在限制本公开的技术思想而是描述本公开，并且本公开的技术思想的范围并不限于这些实施例。本公开的保护范围应当由所附权利要求来解释，并且等同范围内的所有技术思想应当被解释为包括在本公开的范围内。

Claims (7)

1.一种平面光波导，包括芯和包层，所述包层分别设置在所述芯的上部和下部，
其中，上包层面向光源的端部被抛光以形成以第一角度倾斜的第一折射表面，以折射发射到所述芯的所述上部的光并将所述光引导到所述芯；
其中，下包层面向所述光源的端部被加工以形成具有以第二角度倾斜的第二折射表面的沟槽，以折射发射到所述芯的所述下部的光并将所述光引导到所述芯；且
其中，所述下包层面向所述光源的所述端部还包括粘结表面，所述粘结表面结合到其上安装有所述光源的基底的侧表面，以允许所述光源与所述光波导的所述芯保持一定距离。
2.如权利要求1所述的平面光波导，其中所述第一角度和所述第二角度是根据包层材料的折射率和所述光源的辐射特性来设定。
3.如权利要求1所述的平面光波导，其中所述第一折射表面和所述第二折射表面涂覆有折射率高于包层材料的聚合物材料和硅酮粘合剂，以使所述折射表面上由抛光或加工而形成的粗糙表面最小化。
4.如权利要求1所述的平面光波导，其中所述下包层的所述粘结表面形成为允许所述光源的发射表面与所述芯间隔开一定距离。
5.一种光学模块，包括光源、其上安装有所述光源的基底以及平面光波导，
其中，在所述平面光波导中，上包层面向所述光源的端部被抛光以形成以第一角度倾斜的第一折射表面，用于折射发射到芯的上部的光并将所述光引导到所述芯；
其中，下包层面向所述光源的端部被加工以形成具有以第二角度倾斜的第二折射表面的沟槽，用于折射发射到所述芯的下部的光并将所述光引导到所述芯；且
其中，所述下包层面向所述光源的所述端部还包括粘结表面，所述粘结表面结合到其上安装有所述光源的基底的侧表面，以允许所述光源与所述光波导的所述芯保持一定距离。
6.一种用于制造平面光波导的方法，所述方法包括：
形成下包层作为板式基底；
在所述下包层上形成芯层；
在所述芯层上形成上包层；
在所述上包层面向光源的端部形成以第一角度倾斜的第一折射表面，用于折射发射到所述芯层的上部的光并将所述光引导到所述芯层；
在所述下包层面向所述光源的端部形成具有以第二角度倾斜的第二折射表面的沟槽，用于折射发射到所述芯层的下部的光并将所述光引导到所述芯层；以及
在所述下包层面向所述光源的端部的沟槽的下部，形成结合到其上安装有所述光源的基底的侧表面的粘结表面，以允许所述光源与所述光波导的芯层保持一定距离。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，在形成所述粘结表面的过程中，所述粘结表面被抛光成具有相对于所述芯层设定的抛光深度。
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