[发明专利]一种光纤与硅光芯片的耦合方法及其芯片

说明书

本发明提供一种光纤与硅光芯片的耦合方法及其硅光芯片，方法包括以下步骤：将硅光芯片(1)粘贴固定在基板(2)上，所述硅光芯片(1)的端面耦合波导为悬臂梁结构，具有模斑变换器(1‑1)；通过图像系统、微调架将光纤(4)端面与耦合波导的模斑变换器(1‑1)耦合对准，固定块(5)从侧面紧挨光纤(4)并固定在基板(2)上；硅光芯片(1)的输入端和输出端分别粘贴垫块(3)并支撑光纤(4)未剥除涂覆层的部分；使用微调架将光纤(4)端面与模斑变换器(1‑1)区域精确对准，调节至合适耦合间距后采用紫外胶(6)将光纤(4)分别与固定块(5)和垫块(3)粘接固定；本发明方案简易可靠、工艺复杂度低、通用性好、适用于批量制作。

技术领域

本发明涉及一种光纤与硅光芯片的耦合方法及其硅光芯片，本发明属于通信领域。

背景技术

随着光通信、互联网等飞速发展，数据传输与处理速度向更高速率发展，硅光子技术成为高速光通信器件及系统的解决方案之一。由于硅光子器件与现有CMOS标准工艺兼容，可与微电子集成电路集成，实现高性能、低成本、小尺寸和高集成度的片上光互联。因此，基于SOI的硅基光电子器件成为研究热点。

硅基光电芯片封装技术的关键部分是实现芯片片内的光信号与外部光信号(多数为光纤)的耦合连接。单模光纤的芯径约8～10微米，硅光芯片波导横截面尺寸小于1微米，两者尺寸相差较大，造成严重的模场失配，导致耦合损耗很大。因此，需要在芯片的输入/输出端设计特殊的模斑变换器，实现模场匹配，提高耦合效率。

模斑变换器有端面耦合和垂直光栅耦合两种方式。由于光栅耦合器耦合效率较低、不利于封装等缺点，多被用于硅光芯片的设计测试。端面耦合具有封装工艺简单、耦合效率高等特点得到了广泛的应用。

端面耦合是通过模斑变换器，实现芯片输入/输出端口的波导横截面与光纤的横截面直接对准，使单模光纤的模场与硅波导的模场相匹配，达到最优的耦合效率。悬臂梁楔形模斑变换器设计机构，由于产品尺寸小，光学指标优良，作为一种成熟的设计被广泛采用。

常规平面波导类芯片的耦合方法是通过光纤阵列(FA，Fiber Array)与芯片端面波导对准耦合。芯片与光纤阵列的耦合端面只使用一种胶，同时实现折射率匹配和强度粘接。但采用悬臂梁结构设计的硅光芯片，端面波导四周悬空，仅靠悬臂与芯片主体连接，该结构对应力敏感，应力较大时会损坏悬臂结构，导致芯片报废。常规耦合方式选用的硬胶，环境变化会产生较大应力，无法用于悬臂梁波导芯片耦合。此外，芯片端面底部有凸起(突出部分大于耦合间距)，无法使用常规光纤阵列，要定制特殊规格光纤阵列用于耦合对准，该类光纤阵列制作工艺复杂，加工难度高，成本较高，且与芯片的耦合工艺复杂。

发明内容

本发明所解决的问题是，克服现有技术存在的困难，提供一种光纤与硅光芯片的耦合方法及其硅光芯片，即提供一种简易可靠、工艺复杂度低、通用性好、适用于批量制作的耦合对准结构及方法。

本发明的技术方案是：

一种光纤与硅光芯片的耦合方法，包括以下步骤：步骤1：将硅光芯片粘贴固定在基板上，所述硅光芯片的端面耦合波导为悬臂梁结构，具有模斑变换器；步骤2：剥除光纤部分涂覆层，使用光纤切割刀切割得到整齐的光纤端面，通过图像系统、微调架将光纤端面与耦合波导的模斑变换器耦合对准，固定块从侧面紧挨光纤并固定在基板上；硅光芯片的输入端和输出端分别粘贴垫块并支撑光纤未剥除涂覆层的部分；步骤3：使用微调架将光纤端面与模斑变换器区域精确对准，调节至合适耦合间距后采用紫外胶将光纤分别与固定块和垫块粘接固定；步骤4：在硅光芯片的耦合端面及悬臂梁波导区域点上匹配液以实现折射率匹配。

所述光纤端面附近剥除涂覆层部分为0.5-4毫米，优选为2毫米左右。

所述步骤1中所述垫块高度比硅光芯片(1)低0.1-0.4毫米，优选为0.2毫米。

所述光纤为单模光纤，其端面切割整齐或进行抛光处理。