[发明专利]光波导芯片和PD阵列透镜耦合装置

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种应用于光通信技术光模块的耦合装置，尤其涉及光模块中光学传输介质（光纤，光波导）和光半导体元件（半导体激光器，光电二极管）之间具有较大容差光学耦合装置, 本发明属于光通信领域。

 

背景技术

随着智能设备以及云计算、物联网的出现，网络带宽需求不断攀升，提高系统传输速率迫在眉睫，100G及更高速率传输系统得到应用。目前100G 密集波分复用(Dense Wavelength Division Multiplexing, DWDM)光传输系统采用相干接收双偏振四相位键控调制(dual-polarization quadrature phase shift keying, DP-QPSK)技术，相对以往的传输系统，其跨越性主要在实现技术上进行了一系列重大变革，如QPSK调制技术、偏振复用技术，相干差分检测技术等。

100G DWDM光传输系统主要由光发射机，传输线路和光接收机组成，其中，集成相干接收机(integrated coherent receiver, ICR)使系统通过分析信号光与外加参考光源的偏振与相位关系，来还原100G DP-QPSK相位与偏振星座图的信号。100G集成相干接收机中采用4×25G的方式来实现，单通道传输电速率为25Gb/s，因为光探测器的带宽与半导体材料内载流子穿越时间和信号处理电路响应时间有关，所以与高速光电二极管(Photodiode, PD)相比低速PD光电探测器具有更小的穿越时间，其光敏面也更小，其大小在几十微米的量级。光波导芯片和光探测器之间采用混合集成方案的光学对准操作难度也更大，同时对光波导芯片出射光斑与PD光敏面的相对位置偏离也更敏感，混合集成对准的耦合效率直接影响器件的插损、CMRR、响应度等指标。现有技术中的耦合结构常见的主要有以下几种：①NTT设计的利用双透镜加反射棱镜的耦合结构,见文献：Ohyama T, Ogawa I, Tanobe H. All-in-one 100-Gbit/s DP-QPSK coherent receiver using novel PLC-based integration structure with low-loss and wide-tolerance multi-channel optical coupling,OECC,2010，其中，从光波导输出的光束通过第一个透镜扩束准直后，然后经过全反射棱镜反射，光线发生90度偏折，最后经过第二个透镜汇聚，汇聚后的光斑照射在PD表面。但是采用双透镜耦合结构，使用2个透镜也增加了额外的成本，光路较复杂，在实际组装过程中操作难度较大，生产效率较低；②中国专利200610125025.X，基于斜平面圆柱形透镜光纤的高效耦合组件及其制作方法所示的耦合结构，这种结构难固定，其圆柱形透镜只能在光束一个维度上进行汇聚压缩，无法使用到光纤组或者多个输出光波导与PD阵列的耦合，因为经过圆柱形透镜汇聚的光斑呈细长型，光斑会照射到相邻的PD上面产生串扰。

 

发明内容

本发明的目的克服现有技术存在的技术缺陷， 提出一种结构简单、组装工艺较易实现、光电转换效率高的光电耦合装置。

本发明的技术方案是：

光波导芯片和PD阵列透镜耦合装置，包括波导芯片、PD阵列、热沉（107）、波导垫片、基板，波导垫片；热沉位于基板之上，PD阵列位于热沉上，波导垫片上设置有波导芯片，所述波导芯片与PD阵列之间的光路中设置有反射棱镜，波导芯片输出光经过反射棱镜反射，由PD阵列接收；且波导芯片与PD阵列之间的光路中设置有汇聚作用的透镜阵列。

所述PD阵列两侧设置有透镜支架，透镜支架上固定透镜阵列，所述透镜阵列通光面中心同PD阵列光敏面中心对应对准；波导芯片上端粘接盖玻片，盖玻片外侧粘贴反射棱镜，反射棱镜的斜面同波导芯片的输出端相对应。

所述反射棱镜反射角为40～50度，反射平面上面镀有增反膜。

所述波导芯片的输出端下部衬底设置有挖空区域，该挖空区域的长度为2～4mm，厚度为0.3～0.5mm。

所述透镜支架高度H1等于PD阵列高度H2与光束经过透镜阵列汇聚后透镜阵列下表面到汇聚点的距离L之和。

所述波导芯片上端粘接盖玻片，所述波导芯片的输出端面粘接有透光片，透镜阵列粘接在透光片上，波导芯片与透镜阵列孔径中心一一对应，反射棱镜固定在反射棱镜支架上，反射棱镜支架粘接在PD阵列的旁， PD阵列与反射棱镜的斜面相对应。