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CN110888207A - 一种基于椭圆球镜的高度集成硅光组件及其耦合方法 - Google Patents

一种基于椭圆球镜的高度集成硅光组件及其耦合方法 Download PDF

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CN110888207A CN201911238403.9A CN201911238403A CN110888207A CN 110888207 A CN110888207 A CN 110888207A CN 201911238403 A CN201911238403 A CN 201911238403A CN 110888207 A CN110888207 A CN 110888207A
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Abstract

本发明提供一种基于椭圆球镜的高度集成硅光组件及其耦合方法，硅光组件包括激光器5、硅光芯片6、基板7、椭球透镜一1，所述椭球透镜一1椭圆球面101上镀增反膜，所述激光器5光输出端与所述椭球透镜一1焦点一104对准，所述硅光芯片6光输入端与所述椭球透镜一1焦点二103对准，所述硅光芯片6固定于所述基板7上，所述激光器5固定于所述硅光芯片6上，所述椭球透镜一1固定于所述基板7一侧。本发明利用椭圆球体固有的两焦点直接的光反射特性，将激光器、硅光芯片、光耦合装置固定于同一基板，在提高耦合效率的同时，能够减少耦合部件，且耦合后的组件抗机械震动性能良好，可以实现高效稳定的耦合效率。

Description

一种基于椭圆球镜的高度集成硅光组件及其耦合方法
技术领域
本发明涉及硅光组件及其耦合方法，具体涉及到一种基于椭圆球镜的高度集成硅光组件及其耦合方法。
背景技术
硅光芯片在最近几年逐渐进入到各个领域，尤其是通讯领域，硅光的低成本和优秀的光学性能也初步显现。然而作为进入大规模应用最大的障碍, 封装的难度和成本是工业界亟待解决的问题。在通信以及数通领域，光纤是作为信号传输的主要介质，激光器是作为光信号产生的主要器件, 所以作为封装的核心问题之一，如何做到高效率、 低成本、高可靠性的将他们耦合成为了大家广泛关注的焦点。
现阶段比较常见的耦合方式有两种，一种是双透镜耦合，这种方案通常用于激光器耦合, 通过第一个凸透镜做到准直, 然后通过第二个透镜再聚焦到硅光芯片上，这种做法可以做到较高的耦合效率以及比较高的调整容差。另一种方法是直接耦合，这种方案通常用于光纤耦合。普通的单模光纤或者透镜光纤直接对准硅光光口，待对准后用黏着剂粘合。
作为第一种方案的双透镜耦合方案，由于物料较多，成本较高，调节光路的参数很多，时间成本较高。而且耦合时需要考虑夹具大小，通常无法做到高集成度，占用空间较大。
第二种方案直接耦合，这种方法虽然简单，但是由于光纤和硅光芯片放在不同的介质上，在温度变化时，很容易出现形变，导致耦合效率变化。
以上这两种方案由于耦合对象通常分开放置，可能会由于受空气温度、湿度、或震动的影响，耦合效率发生变化等。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于椭圆球镜的高度集成硅光组件，利用椭圆球体固有的光学特性，将硅光芯片、激光器、光纤直接固定于同一基板上，解决硅光组件耦合后易受温度、湿度或震动的影响产生形变，可以使硅光组件耐温湿性能提高，耦合效果更稳定。
本发明提供一种基于椭圆球镜的高度集成硅光组件，包括激光器5、硅光芯片6、基板7、椭球透镜一1，所述椭球透镜一1椭圆球面101上镀增反膜，所述激光器5光输出端与所述椭球透镜一1焦点一104对准，所述硅光芯片6光输入端与所述椭球透镜一1焦点二103对准，所述硅光芯片6固定于所述基板7上，所述激光器5固定于所述硅光芯片6上，所述椭球透镜一1固定于所述基板7一侧。
进一步地，所述硅光芯片6光输出端还与椭球透镜二2焦点一204对准，所述椭球透镜二2焦点二203对准光纤8，所述光纤8固定于所述硅光芯片6上。可以更进一步减少耦合组件，降低工艺难度，减少制造成本。
进一步地，所述椭球透镜一1其焦点一104与焦点二103连线垂直于所述硅光芯片6所在平面，且焦点一104与焦点二103均在椭球透镜一1本体内。
进一步地，所述椭球透镜二2其焦点二203不在所述椭球透镜二2本体内。依然能保持其固有的光学特性，同时还能减小椭球透镜二的尺寸，可以更进一步提高组件集成度。
可以作为优选，所述椭球透镜一1、椭球透镜二2为二氧化硅、硅、高分子聚合物的一种。
可以作为优选，所述基板7采用硅片、金属片、电路板、陶瓷板中的一种。
本发明还提供一种基于椭圆球镜的高度集成硅光耦合方法，包括如下步骤，
第一步，将硅光芯片6固定于基板7上，
第二步，将椭球透镜一1固定于所述基板7一侧，调整其位置，使硅光芯片6的光输入端对准椭球透镜一1的焦点一104，
第三步，激光器5固定于硅光芯片6上，并调整激光器5的位置，使激光器5的光输出端对准椭球透镜一1的焦点二103。
附图说明
图1为实施例一中椭球透镜一侧面及正面示意图
图2为实施例二中椭球透镜二侧面与正面示意图
图3为实施例二中椭球透镜二光线发散示意图
图4为实施例一中硅光组件侧面示意图
图5为实施例二中硅光组件侧面示意图
图6为实施例二中硅光组件俯视示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。
实施例一：
如图4所示，本实施例提供一种基于椭圆球镜的高度集成硅光组件耦合方法，基板7上用胶水粘结或直接焊接硅光芯片6，椭球透镜一1固定于基板7的一侧边沿，安装时调整其位置，使硅光芯片6的光输入端与椭球透镜一1的焦点一104对准。
激光器5倒装焊于硅光芯片6上部，先将激光器5光输出端对准椭球透镜一1的焦点二103，然后进行焊接固定。
基板7可以采用硅片、电路板等材料，椭球透镜一1一般采用二氧化硅材料，也可以选择硅或者高分子聚合物材料。
将硅光芯片6、激光器5、椭球透镜一1直接固定于同一基板7上，机械稳定性好，不易受到外界震动影响，耦合效果较稳定。
图1所示为椭球透镜一1的侧面与正面视图，椭圆球面101上镀增反膜，镀增反膜可以实现目标波长的光尽可能多的反射，增加椭球透镜一1的光汇聚效果。焦点一104、焦点二103在椭球透镜一1的剖面102上。
耦合装配好后的硅光组件，激光器5的发射端口处于椭球透镜一1的一个焦点一104上，其发出光经由椭球透镜一1的椭圆球面101反射，光线经过反射汇聚在椭球透镜的另一个焦点103上，经硅光芯片6的光输入端，最终会被耦合进入硅光芯片6的波导。
实施例二：
如图5和图6所示，本实施例提供一种基于椭圆球镜的高度集成硅光组件，采用椭球透镜耦合硅光芯片6、激光器5、光纤8。基板7上固定硅光芯片6，可采用胶水粘合的方式固定。再将椭球透镜一1固定于基板7侧沿，并调整其位置，使其焦点一104对准硅光芯片6的光输入端。
激光器5倒装焊于硅光芯片6上部，焊接前调整其位置，使激光器5光输出端对准椭球透镜一1的焦点二103。
椭球透镜二2固定于基板7侧沿，并调整其位置，使其焦点一204对准硅光芯片6的光输出端。光纤8固定于硅光芯片6上，其对准椭球透镜二2焦点二203。光纤8可用金属套筒或胶水固化等方式固定于硅光芯片6上。
图2为椭球透镜二2的侧面及正面示意图，椭圆球面201可以镀增反膜，以增加光反射效率，焦点一204在其剖面202上，焦点二203不在椭球透镜二2实体几何空间内。但由于耦合对象（如激光器、光纤）发散角不大，且发散距离较短，从椭球一个焦点上发出的光仍可以被反射到另一个焦点上，如图3所示。
耦合装配好后的硅光组件，激光器5的发射端口处于椭球透镜一1的一个焦点上，其发出光经由椭球透镜一1的椭圆球面101反射，光线经过反射汇聚在椭球透镜一1另一个焦点上，即硅光芯片的入光口位置，最终会被耦合进入硅光芯片的波导。在硅光芯片光出口端，硅光芯片光出口位置同样位于椭球透镜二2的一个焦点上，光从硅光波导出射，经由椭球透镜反射面反射，最终汇聚在椭球透镜二2的另一个焦点，即光纤纤芯的端面中心，最终被耦合进入光纤。
从上述实施例的描述中可以得知，椭球透镜一1与椭球透镜二2功能相同，都用于汇聚光波。可以理解为椭球透镜一1与椭球透镜二2是同一技术手段的不同表现形式，在耦合应用场景中可以互换替代使用，即激光器5与硅光芯片6之间也可采用椭球透镜二2进行耦合，光纤8与硅光芯片6之间也可采用椭球透镜一1进行耦合。当然在不脱离本发明的总的构思的情况下，椭球透镜其他形式也应当理解为本发明的保护内容，如改变椭球透镜的切割大小、焦点设置位置等。
上述实施例仅列举了较佳的具体技术方案及技术手段，不排除在本发明权利要求范围内，有其他可以解决该技术问题的等换技术手段的替换形式，也应当理解为本发明要求保护的内容。

Claims (7)

1.一种基于椭圆球镜的高度集成硅光组件，其特征在于：包括激光器（5）、硅光芯片（6）、基板（7）、椭球透镜一（1），所述椭球透镜一（1）椭圆球面（101）上镀增反膜，所述激光器（5）光输出端与所述椭球透镜一（1）焦点一（104）对准，所述硅光芯片（6）光输入端与所述椭球透镜一（1）焦点二（103）对准，所述硅光芯片（6）固定于所述基板（7）上，所述激光器（5）固定于所述硅光芯片（6）上，所述椭球透镜一（1）固定于所述基板（7）一侧。
2.根据权利要求1所述的基于椭圆球镜的高度集成硅光组件，其特征在于：所述硅光芯片（6）光输出端还与椭球透镜二（2）焦点一（204）对准，所述椭球透镜二（2）焦点二（203）对准光纤（8），所述光纤（8）固定于所述硅光芯片（6）上。
3.根据权利要求1所述的基于椭圆球镜的高度集成硅光组件，其特征在于：所述椭球透镜一（1）其焦点一（104）与焦点二（103）连线垂直于所述硅光芯片（6）所在平面，且焦点一（104）与焦点二（103）均在椭球透镜一（1）本体内。
4.根据权利要求2所述的基于椭圆球镜的高度集成硅光组件，其特征在于：所述椭球透镜二（2）其焦点二（203）不在所述椭球透镜二（2）本体内。
5.根据权利要求1或2所述的基于椭圆球镜的高度集成硅光组件，其特征在于：所述椭球透镜一（1）、椭球透镜二（2）为二氧化硅、硅、高分子聚合物的一种。
6.根据权利要求1所述的基于椭圆球镜的高度集成硅光组件，其特征在于：所述基板（7）采用硅片、金属片、电路板、陶瓷板中的一种。
7.一种基于椭圆球镜的高度集成硅光耦合方法，其特征在于：包括如下步骤，
第一步，将硅光芯片（6）固定于基板（7）上，
第二步，将椭球透镜一（1）固定于所述基板（7）一侧，调整其位置，使硅光芯片（6）的光输入端对准椭球透镜一（1）的焦点一（104），
第三步，激光器（5）固定于硅光芯片（6）上，并调整激光器（5）的位置，使激光器（5）的光输出端对准椭球透镜一（1）的焦点二（103）。
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