CN110542949B - 一种用于硅光波导连接和耦合的光纤制作方法及加热装置 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种用于硅光波导连接和耦合的光纤制作方法及加热装置，属于光纤通信技术领域。首先将与模斑变换器输出模场匹配的细芯光纤进行局部加热，以使细芯光纤加热区域的纤芯模场增大到单模光纤的纤芯宽度，然后在细芯光纤的纤芯增大区域最中间截断细芯光纤，最后在细芯光纤的纤芯增大区域的断点处与一单模光纤进行熔接。由于采用局部加热的方式，将与模斑变换器输出模场连接的细芯光纤的纤芯模场扩大后再与单模光纤熔接，使得单模光纤与模斑变换器输出模场达到最优的耦合效率及最低的耦合损耗，同时采用这种方式连接和耦合的光纤具有低成本，生产效率高，耦合损耗低，适合大批量生产。
Description
技术领域
本申请属于光纤通信技术领域，具体涉及一种用于硅光波导连接和耦合的光纤制作方法及加热装置。
背景技术
近年来，随着硅光技术不断发展，硅光集成的应用也逐步成熟，其市场也逐步打开。在光纤通信技术领域，越来越多的光器件采用硅光技术。硅光子器件的耦合封装一直是硅光子研究的热门领域，也是研究难点。常规的光器件耦合封装中，单模光纤与常规的波导、激光器、探测器等可以很容易进行耦合对准。但是采用CMOS(互补金属氧化物半导体)工艺的硅光子波导尺寸大大减小，如基于SOI材料的硅光子器件的波导尺寸仅有0.3um～0.5um,而与波导耦合的标准单模光纤的纤芯为8～10um,两者物理尺寸的巨大差距，造成了耦合时很大的模场失配，导致耦合损耗极高。虽然现有方案在硅波导前面增加端面耦合器(SSC模斑变换器)，可以将0.5um宽度的波导扩大到3um模场输出，降低了与单模光纤的耦合损耗，但是3um模场和单模光纤9um纤芯还是有较大的模场失配，并不能完全降低耦合损耗。
发明内容
本申请公开了一种用于硅光波导连接和耦合的光纤制作方法及加热装置，将标准单模光纤匹配硅光子波导的模场，以实现最佳的耦合效率和最低的耦合损耗。
根据第一方面，一种实施例中提供一种用于硅光波导连接和耦合的光纤制作方法，包括：
将与模斑变换器输出模场匹配的细芯光纤进行局部加热，使所述细芯光纤加热区域的纤芯模场增大到单模光纤的纤芯宽度；
在所述细芯光纤的纤芯增大区域最中间截断所述细芯光纤；
在所述细芯光纤的纤芯增大区域的端面处与一单模光纤进行熔接。
进一步，对所述细芯光纤进行局部加热的温度至少为1300℃。
进一步，采用氢气-氧气火焰对所述细芯光纤进行局部加热。
进一步，所述细芯光纤的纤芯宽度为3um；和/或，所述单模光纤的纤芯宽度为8-9um。
进一步，还包括：
将所述细芯光纤非纤芯增大区域的一端通过所述模斑变换器与硅光子器件的波导耦合连接。
进一步，还包括：
对所述细芯光纤和所述单模光纤的熔接点进行二次高温加热处理。
进一步，所述对所述细芯光纤和所述单模光纤的熔接点进行二次高温加热处理，包括：
先将所述单模光纤的另一端连接激光光源，将所述细芯光纤的另一端与光功率计连接；
再对所述细芯光纤和所述单模光纤的熔接点进行高温加热处理，并在处理过程中，监测所述光功率计的功率数值变化；
当所述光功率计的功率数值不在增加或功率输出曲线达到最高点时，停止高温加热处理。
根据第二方面，一种实施例中提供一种耦合光纤，其一端的纤芯宽度为9um，另一端纤芯的宽度为3um。
进一步，纤芯宽度为9um的一端用作所述耦合光纤的输入端，纤芯宽度为3um的一端用作所述耦合光纤的输出端。
进一步，所述耦合光纤通过第一方面所述的方法获得。
根据第三方面，一种实施例中提供一种用于硅光波导连接和耦合的光纤制作的加热装置，包括光纤固定装置和两个氢气-氧气火焰喷头；所述光纤固定装置用于对与模斑变换器输出模场匹配的细芯光纤进行局部固定；所述两个氢气-氧气火焰喷头，用于对所述光纤固定装置固定的所述细芯光纤局部从双侧进行局部加热，以使所述细芯光纤加热区域的纤芯模场增大到单模光纤的纤芯宽度；其中，所述细芯光纤加热区域的纤芯模场增大到单模光纤的纤芯宽度后，所述细芯光纤在其纤芯增大区域被截断，并在断点处与一单模光纤进行熔接。
进一步，还包括激光光源和光功率计；在对所述细芯光纤和所述单模光纤的熔接点进行高温加热处理时，将熔接后的所述单模光纤的一端与所述激光光源连接，所述细芯光纤的一端与所述光功率计连接，所述激光光源用于发射固定波长的光源，所述光功率计用于监测所述细芯光纤一端接收光的功率值的变化；其中，当所述光功率计监测的功率值不在增加或其功率输出曲线达到最高点时，所述加热装置被停止加热。
依据上述实施例的一种用于硅光波导连接和耦合的光纤制作方法及加热装置，首先将与模斑变换器输出模场匹配的细芯光纤进行局部加热，以使细芯光纤加热区域的纤芯模场增大到单模光纤的纤芯宽度，然后在细芯光纤的纤芯增大区域截断细芯光纤，最后在细芯光纤的纤芯增大区域的断点处与一单模光纤进行熔接。由于采用局部加热的方式，将与模斑变换器输出摸场匹配的细芯光纤的纤芯模场增宽后再与单模光纤熔接，使得单模光纤与模斑变换器输出模场达到最优的耦合效率及最低的耦合损耗，同时采用这种方式连接和耦合的光纤具有低成本，生产效率高，耦合损耗低，适合大批量生产。
附图说明
图1为硅光子器件的波导与模斑变换器连接示意图；
图2为单模光纤与模斑变换器的波导宽度比较示意图；
图3为一种实施例中用于硅光波导连接和耦合的光纤制作方法的流程示意图；
图4为一种实施例中细芯光纤进行局部加热示意图；
图5为一种实施例中细芯光纤的断点示意图；
图6为一种实施例中细芯光纤与单模光纤的熔接示意图；
图7为一种实施例中单模光纤与模斑变换器连接示意图；
图8为一种实施例中熔接点进行二次高温加热处理的示意图；
图9为一种实施例中熔接点进行二次高温加热处理的示意图；
图10为一种实施例中耦合光纤的结构示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。其中不同实施方式中类似元件采用了相关联的类似的元件标号。在以下的实施方式中，很多细节描述是为了使得本申请能被更好的理解。然而，本领域技术人员可以毫不费力的认识到，其中部分特征在不同情况下是可以省略的，或者可以由其他元件、材料、方法所替代。在某些情况下，本申请相关的一些操作并没有在说明书中显示或者描述，这是为了避免本申请的核心部分被过多的描述所淹没，而对于本领域技术人员而言，详细描述这些相关操作并不是必要的，他们根据说明书中的描述以及本领域的一般技术知识即可完整了解相关操作。
另外，说明书中所描述的特点、操作或者特征可以以任意适当的方式结合形成各种实施方式。同时，方法描述中的各步骤或者动作也可以按照本领域技术人员所能显而易见的方式进行顺序调换或调整。因此，说明书和附图中的各种顺序只是为了清楚描述某一个实施例，并不意味着是必须的顺序，除非另有说明其中某个顺序是必须遵循的。
本文中为部件所编序号本身，例如“第一”、“第二”等，仅用于区分所描述的对象，不具有任何顺序或技术含义。而本申请所说“连接”、“联接”，如无特别说明，均包括直接和间接连接(联接)。
请参考图1和图2，为硅光子器件的波导与模斑变换器连接示意图和单模光纤与模斑变换器的波导宽度比较示意图，硅光子器件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，硅光子器件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，多被用于硅光子器件的设计测试。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子器件，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。
在本发明实施例中的光纤连接和耦合的制作方法及加热装置，首先将与模斑变换器输出模场匹配的细芯光纤进行局部加热，以使细芯光纤加热区域的纤芯模场增大到单模光纤的纤芯宽度，然后在细芯光纤的纤芯增大区域截断细芯光纤，最后在细芯光纤的纤芯增大区域的断点处与一单模光纤进行熔接。由于采用局部加热的方式，将与模斑变换器输出摸场匹配的细芯光纤的纤芯模场增宽后再与单模光纤熔接，使得单模光纤与模斑变换器输出模场达到最优的耦合效率及最低的耦合损耗，同时采用这种方式连接和耦合的光纤具有低成本，生产效率高，耦合损耗低，适合大批量生产。
实施例一
请参考图3，为一种实施例中用于硅光波导连接和耦合的光纤制作方法的流程示意图，包括：
步骤一，对细芯光纤进行局部加热。
先制作热扩芯光纤。即将与模斑变换器输出模场匹配的细芯光纤进行局部加热，使细芯光纤加热区域的纤芯模场增大到单模光纤的纤芯宽度。请参考图4，为一种实施例中细芯光纤进行局部加热示意图，包括细芯光纤10、细芯光纤纤芯20、氢气-氧气火焰30和加热区域40。一实施例中，细芯光纤的纤芯宽度为3um。使用氢气-氧气火焰30对细芯光纤10局部进行高温加热，其加热的温度至少为1300℃。当加热温度超过1300℃时，细芯光纤纤芯20中的锗离子就会扩散到包层，最后导致光纤纤芯扩大，这种加热扩芯方式，可以使纤芯模场扩大，同时不会改变光纤单模传输的性质。通过一段时间的氢气-氧气火焰高温加热，细芯光纤的3um纤芯直径可以扩束到8-9um模场输出。
步骤二，在细芯光纤纤芯的增大区域截断。
在细芯光纤的纤芯增大区域截断细芯光纤。请参考图5，为一种实施例中细芯光纤的断点示意图，细芯光纤10加热扩芯结束后，在细芯光纤10扩芯区域最中间将光纤切割，即每根光纤热扩芯处理后可以切割成两根扩芯光纤使用。
步骤三，在断点处与单模光纤熔接。
请参考图6，为一种实施例中细芯光纤与单模光纤的熔接示意图，包括细芯光纤10、细芯光纤纤芯20、单模光纤50和单模光纤纤芯60。在细芯光纤20的纤芯增大区域的断点处与一单模光纤50进行熔接。一实施例中，单模光纤的纤芯宽度为8-9um。
一实施例中，将细芯光纤非纤芯增大区域的一端通过模斑变换器与硅光子器件的波导耦合连接。请参考图7，为一种实施例中单模光纤与模斑变换器连接示意图，包括细芯光纤10、细芯光纤纤芯20、单模光纤50、单模光纤纤芯60、模斑变换器70和硅光子器件波导70。其中，单模光纤纤芯60的宽度为8-9um，细芯光纤纤芯20的宽度为3um，模斑变换器70的宽度为0.5um。熔接后的光纤是一种新的耦合光纤，能够与波导的SSC模斑变换器输出模场更好的匹配，达到最优的耦合效率，新的耦合光纤一端具有单模光纤9um纤芯，可以作为光信号输入端，另一端具有3um纤芯，可以作为输出端。本申请公开的耦合光纤可以输出3um的光模场大小，与波导通过SSC模斑变换器或3um模场大小接近，两者之间进行光耦合时候，耦合效率更高。相比使用普通单模光纤与波导进行耦合，本申请公开的耦合光纤具有更低的耦合损耗。
一实施例中，本申请公开的用于硅光波导连接和耦合的光纤制作方法还包括：
步骤四，对熔接点进行二次高温处理。
对细芯光纤和单模光纤的熔接点进行二次高温加热处理。请参考图8，为一种实施例中熔接点进行二次高温加热处理的示意图，包括细芯光纤10、细芯光纤纤芯20、氢气-氧气火焰30、加热区域40、单模光纤50和单模光纤纤芯60。单模光纤50与扩芯的细芯光纤10熔接之后，仍然会存在光纤传输损耗，两边的光纤端面切割也会存在角度差，两边端面的包层区域、纤芯不能完全熔合或者不均匀。因此本实施例中还可对光纤熔接区域采用步骤一的方法进行高温处理，使熔接位置的包层、纤芯更好的熔合，均匀化。
进一步，请参考图9，为一种实施例中熔接点进行二次高温加热处理的示意图，包括细芯光纤10、细芯光纤纤芯20、氢气-氧气火焰30、加热区域40、单模光纤50和单模光纤纤芯60，还包括激光光源100和光功率计。先将单模光纤50的另一端连接激光光源100，将细芯光纤10的另一端与光功率计200连接。再对细芯光纤10和单模光纤50的熔接点进行高温加热处理，并在处理过程中，监测光功率计200的功率数值变化。当光功率计200的功率数值不在增加或功率输出曲线达到最高点时，停止高温加热处理。一实施例中，激光光源100输出光源的波长为1310nm或者1550nm。在单模光纤与扩芯的细芯光纤熔接之后，将单模光纤的另一端连接波长为1310nm或者1550nm的激光光源，将细芯光纤的另一端与光功率计连接，测试初步光纤传输功率。再将光纤熔接点置于氢气-氧气火焰加热区，设置好工艺参数开始加热，在加热的过程中同时监测光功率计的功率数值变化，开始加热后，监视器显示的功率值会慢慢上升，当功率值达到最大不再上升，或者功率曲线达到最高点趋于平坦时，立即停止加热，此时光纤传输达到了最小的熔接损耗，甚至可以达到零损耗。
采用上述工艺可获得一种耦合光纤，请参考图10，为一种实施例中耦合光纤的结构示意图，一端纤芯的宽度为9um用作输入端，一端纤芯的宽度为3um用作输出端，9um纤芯区域和3um纤芯区域可以依据实际需要加工成所要的长度。
在本发明实施例中的用于硅光波导连接和耦合的光纤制作方法及加热装置，首先将与模斑变换器输出模场匹配的细芯光纤进行局部加热，以使细芯光纤加热区域的纤芯模场增大到单模光纤的纤芯宽度，然后在细芯光纤的纤芯增大区域截断细芯光纤，最后在细芯光纤的纤芯增大区域的断点处与一单模光纤进行熔接。由于采用局部加热的方式，将与模斑变换器输出摸场匹配的细芯光纤的纤芯模场增宽后再与单模光纤熔接，使得单模光纤与模斑变换器输出模场达到最优的耦合效率及最低的耦合损耗，同时采用这种方式连接和耦合的光纤具有低成本，生产效率高，耦合损耗低，适合大批量生产。
实施例二：
本申请还公开了一种用于硅光波导连接和耦合的光线制作的加热装置，请参考图9，包括光纤固定装置和两个氢气-氧气火焰喷头30。光纤固定装置用于对与模斑变换器输出模场匹配的细芯光纤进行局部固定。两个氢气-氧气火焰喷头30用于对光纤固定装置固定的细芯光纤10局部从双侧进行局部加热，以使细芯光纤10加热区域的纤芯模场增大到单模光纤50的纤芯宽度。其中细芯光纤10加热区域的纤芯模场增大到单模光纤50的纤芯宽度后，细芯光纤10在其纤芯增大区域被截断，并在断点处与一单模光纤50进行熔接。一实施例中，该加热装置还包括激光光源100和光功率计200。在对细芯光纤10和单模光纤50的熔接点进行高温加热处理时，将熔接后的单模光纤50的一端与激光光源100连接，细芯光纤10的一端与光功率计200连接，激光光源100用于发射固定波长的光源，光功率计200用于监测细芯光纤10一端接收光的功率值的变化。其中，当光功率计200监测的功率值不在增加或其功率输出曲线达到最高点时，加热装置被停止加热。
以上应用了具体个例对本发明进行阐述，只是用于帮助理解本发明，并不用以限制本发明。对于本发明所属技术领域的技术人员，依据本发明的思想，还可以做出若干简单推演、变形或替换。
Claims (6)
1.一种用于硅光波导连接和耦合的光纤制作方法，其特征在于，包括：
将与模斑变换器输出模场匹配的细芯光纤进行局部加热，使所述细芯光纤加热区域的纤芯模场增大到单模光纤的纤芯宽度；
在所述细芯光纤的纤芯增大区域最中间截断所述细芯光纤；
在所述细芯光纤的纤芯增大区域的端面处与一单模光纤进行熔接；
对所述细芯光纤和所述单模光纤的熔接点进行二次高温加热处理；
所述对所述细芯光纤和所述单模光纤的熔接点进行二次高温加热处理，包括：
先将所述单模光纤的另一端连接激光光源，将所述细芯光纤的另一端与光功率计连接；
再对所述细芯光纤和所述单模光纤的熔接点进行高温加热处理，并在处理过程中，监测所述光功率计的功率数值变化；
当所述光功率计的功率数值不再增加或功率输出曲线达到最高点时，停止高温加热处理。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述细芯光纤进行局部加热的温度至少为1300℃。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，采用氢气-氧气火焰对所述细芯光纤进行局部加热。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述细芯光纤的纤芯宽度为3um；和/或，所述单模光纤的纤芯宽度为8-9 um。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
将所述细芯光纤非纤芯增大区域的一端通过所述模斑变换器与硅光子器件的波导耦合连接。
6.一种用于硅光波导连接和耦合的光纤制作的加热装置，其特征在于，包括光纤固定装置和两个氢气-氧气火焰喷头；所述光纤固定装置用于对与模斑变换器输出模场匹配的细芯光纤进行局部固定；所述两个氢气-氧气火焰喷头，用于对所述光纤固定装置固定的所述细芯光纤局部从双侧进行局部加热，以使所述细芯光纤加热区域的纤芯模场增大到单模光纤的纤芯宽度；其中，所述细芯光纤加热区域的纤芯模场增大到单模光纤的纤芯宽度后，所述细芯光纤在其纤芯增大区域被截断，并在断点处与一单模光纤进行熔接；
还包括激光光源和光功率计；在对所述细芯光纤和所述单模光纤的熔接点进行高温加热处理时，将熔接后的所述单模光纤的一端与所述激光光源连接，所述细芯光纤的一端与所述光功率计连接，所述激光光源用于发射固定波长的光源，所述光功率计用于监测所述细芯光纤一端接收光的功率值的变化；其中，当所述光功率计监测的功率值不再增加或其功率输出曲线达到最高点时，所述加热装置被停止加热。
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