一种光电通讯器件的制作方法

1.本发明涉及光电通讯技术领域，特别是涉及一种光电通讯器件。


背景技术：

2.随着光通信、互联网等技术的飞速发展，数据传输与处理速度逐步向更高速率需求的方向发展。由于硅光子器件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，硅基光电子器件成为高速光通信器件的研究热门器件的之一。硅基光电芯片封装技术的关键是实现芯片片内的光信号与外部光信号的耦合连接，而硅光芯片和光纤之间进行光信号耦合传输，是目前常用的一种光信号耦合通讯传输的方式之一。
3.目前已有的硅基光电子器件和光纤之间进行光信号耦合实现光信号通讯的技术中，往往容易出现模场失配，导致耦合损耗较大的问题。因此，如何提高硅光芯片和光纤之间模场匹配程度，进而提升耦合效率是业内需要解决的问题之一。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种光电通讯器件，能够提高光电通讯器件中硅光芯片和光纤之间的光信号传输的耦合效率。
5.为解决上述技术问题，本发明提供一种光电通讯器件，包括光纤和微透镜部件；
6.其中，所述微透镜部件包括微元凸透镜以及和所述微元凸透镜一体成型的连接部，所述连接部上设有中心轴和所述微元凸透镜的光轴相对应的限位孔；所述限位孔的形状和所述光纤的端部形状相配合，且所述光纤的端部插入所述限位孔内；所述微元凸透镜和所述连接部之间固定连接。
7.在本技术的一种可选地实施例中，所述微透镜部件为由立方体结构和贴合于所述立方体结构的侧面的凸透镜结构组合为一体成型结构形成的光学部件，且所述立方体结构背离所述凸透镜结构一侧的表面设置有作为所述限位孔的盲孔。
8.在本技术的一种可选地实施例中，所述透光结构上的盲孔为采用mems工艺加工形成的孔状结构。
9.在本技术的一种可选地实施例中，所述光纤的数量为多个；所述微透镜部件包括线性排布的多个所述微元凸透镜，以及每个所述微元凸透镜对应设有一个所述连接部；各个所述微元凸透镜之间、各个所述连接部之间以及每个所述微元凸透镜和对应的所述连接部之间均为一体成型结构。
10.本发明所提供的一种光电通讯器件，包括光纤和微透镜部件；其中，微透镜部件包括微元凸透镜以及和微元凸透镜一体成型的连接部，连接部上设有中心轴和微元凸透镜的光轴相对应的限位孔；限位孔的形状和光纤的端部形状相配合，且光纤的端部插入限位孔内；微元凸透镜和连接部之间固定连接。
11.本技术中考虑到对于硅光芯片而言，其通讯端面的尺寸受限于硅光芯片的厚度尺寸，一般小于1um，而单模光钎的横截面直径一般在8um～10um左右，因此当硅光芯片和光纤
之间进行光信号耦合传输时，往往会因为硅光芯片的通讯端面和光纤的端面之间尺寸不匹配导致二者之间光信号通讯传输的耦合损失较大。为此本技术中在光纤上连接设置微元凸透镜，通过微元凸透镜对光波的汇聚作用，使得光波信号在经微元凸透镜聚光缩小光波信号光斑大小的基础上实现光纤和硅光芯片之间光信号的耦合，从而避免光信号传输过程中产生耦合损失；在此基础上，进一步地考虑到光纤的端面和微元凸透镜等都属于微米级器件，为了保证光纤的端部和微元凸透镜之间相对位置的配合精度，本技术中进一步地在和微元凸透镜一体成型的连接部上设置和微元凸透镜相对应的限位孔，当光纤的端部插入该限位孔，相当于实现了光纤和微元凸透镜之间的直接固定连接，避免了过多的中间连接件，也就在一定程度上简化了光纤和微元凸透镜之间连接部件的加工和组装难度且降低了加工成本和组装成本。
12.由此可见，本技术中能够在保证光纤和硅光芯片之间高效率光信号耦合的基础上，降低整个器件的组装难度，进而降低器件的生产成本。
附图说明
13.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
14.图1为本技术实施例提供的微透镜部件和光纤端部的组装示意图；
15.图2为本技术实施例提供的微透镜部件和光纤端部连接的另一结构示意图；
16.图3为本技术实施例提供的光电通讯器件爆炸结构示意图；
17.图4为本技术实施例提供的光电通讯器件的组装结构示意图。
具体实施方式
18.在基于硅光子器件的光电通讯器件中，需要实现硅光芯片和光纤之间的光波信号的耦合传输。而硅光芯片的侧面也即作为其输出和接收光信号的通讯端面。显然该通讯端面的尺寸大小受硅光芯片的厚度限制，该硅光芯片的厚度一般在1um以内，也即是说该硅光芯片只能接收光斑大小尺寸小于1um的光信号，否则超出1um光斑之外的光信号也就会损失掉；而对于光纤而言，主要是指单模光纤，其输出和接收光信号的端面直径在8um～10um，显然对于光纤而言，其输出的光信号的光斑尺寸应当和光纤的端面尺寸相当；由此对于光纤端部直接输出的光信号，硅光芯片显然无法全部接收的。
19.如前所述，因为光纤的端面尺寸远大于硅光芯片的厚度，当硅光芯片向光纤输出光信号时，如果硅光芯片的端面和光纤端面直接贴合的足够近，显然光信号能够很好的耦合至光纤内，反之，当光纤向硅光芯片输出光信号时，因为硅光芯片的尺寸过小，导致该硅光芯片无法完全接收所有的光信号，进而导致硅光芯片和光纤之间的耦合效率低。
20.为此，本技术提出了一种能够提升硅光芯片和光纤之间的耦合效率的技术方案。
21.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提
下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
22.如图1至图4所示，图1为本技术实施例提供的微透镜部件和光纤端部的组装示意图，图2为本技术实施例提供的微透镜部件和光纤端部连接的另一结构示意图；图3为本技术实施例提供的光电通讯器件爆炸结构示意图，图4为本技术实施例提供的光电通讯器件的组装结构示意图。该光电通讯器件可以包括：
23.光纤2和微透镜部件3；
24.微透镜部件3包括微元凸透镜31以及和微元凸透镜31一体成型的连接部32；连接部32上设有中心轴和微元凸透镜31的光轴相对应的限位孔321，限位孔321的形状大小和光纤2的端部大小形状相配合，且光纤2的端部插入限位孔321内；微元凸透镜31和连接部32之间固定连接，
25.以该光电通讯器件和硅光芯片之间实现光信号通讯为例；
26.微透镜部件3设于硅光芯片1和光纤2之间；
27.其中，硅光芯片1的通讯端面11位于正对微元凸透镜31一侧，以使硅光芯片1的通讯端面11、微元凸透镜31以及光纤2的端面之间形成光信号通路。
28.需要说明的是，硅光芯片1和光纤2之间之所以光信号的耦合效率低，是因为硅光芯片1的通讯端面11和光纤2的端面之间的尺寸相差较大，而硅光芯片1的通讯端面11和光纤2的端面的尺寸大小分别决定了各自能够传输的光信号的最大光斑尺寸，由此导致二者可传输的光信号的光斑大小不匹配进而耦合效率低的问题。要提高二者之间的耦合效率，需要保证将硅光芯片1和光纤2之间传输的光信号的光斑调制到硅光芯片1和光纤2均可几乎完全接收耦合的大小。
29.为此，本技术中考虑到在硅光芯片1和光纤2之间设置微透镜部件3，其中该微透镜部件3包括微元凸透镜31，基于该微元凸透镜31的聚光作用，可以将光纤2的端部输出的光信号通过该微元凸透镜31的聚光作用先进行汇聚，从而在很大程度上缩小了光纤2的端部输出的光波信号对应的光斑大小，再将汇聚后的光波信号耦入至硅光芯片1中。因为光波信号经过了微元凸透镜31的汇聚作用，其光斑大小缩小进而能够和硅光芯片1的通讯端面11尺寸更好的匹配，从而提升了光信号耦入硅光芯片1的耦合效率。
30.而当硅光芯片1向光纤2中耦入光信号时，因为硅光芯片1输出的光信号相对于光纤2而言本身光斑尺寸就较小，只要硅光芯片1和光纤2之间对位准确，就不存在耦合效率低的问题，因此在经过微元凸透镜31的聚光作用后，更进一步的提升了光信号的耦合效率。
31.基于光学常识可知，要实现硅光芯片1和光纤2之间的光信号耦合，硅光芯片1的通讯端面11和光纤2的端面之间需要形成光信号通路。显然要形成这一光信号通路，微元凸透镜31和光纤2的端部之间的相对位置就需要满足一定的对准精度。但是对于光纤2和硅光芯片1而言，其均属于微米级的器件，对应的每个光纤对应的微元凸透镜31应当也是微米级的透镜，要实现微元凸透镜31和光纤端面之间的相对位置之间的精准对位，也即是说需要实现微米量级的细小部件之间相对位置精准对位的固定安装，显然这种安装难度相对较大。为此，本技术中进一步地在连接部上设置用于容纳设置光纤端部的限位孔321；如图1所示的箭头方向也即光纤端部插入限位孔321的方向。
32.与此同时，该连接部32和微元凸透镜31之间一体成型，且连接部32上设置有和微元凸透镜31相对应的限位孔321，光纤2的端部可插入该限位孔321中，进而实现该微元凸透
镜31和光纤端部之间相对位置的固定。由此要实现微元凸透镜31和光纤端部之间相对位置的精准对位，直接通过合理设定微元凸透镜31和连接部32上的限位孔321之间的相对位置即可，在此基础上，将连接部32通过限位孔321和光纤端部进行组装之后，也即实现微元凸透镜31和光纤端部之间相对位置的精准对位安装，无需在组装微元凸透镜31和光纤端部时，反复调整二者之间的相对位置，从而在很大程度上降低光纤端部和微元凸透镜31之间对位安装难度。
33.需要说明的是，微元凸透镜31和连接部32之间也可以为分体结构，例如连接部32可以是一侧可镶嵌微元凸透镜31另一侧可镶嵌光纤端部的部件，例如可以在连接部32一侧设置一个和微元凸透镜形状相配合的环形框，另一侧设置有和光纤端部相配合的限位孔321，且该环形框的对称中心轴和限位孔321的对称中心轴应当重合。该环形框的框内空间和限位孔321之间可以相互连通，也可以在二者之间存在一层透光介质层。当微元凸透镜31和光纤2的端部分别和连接件嵌套连接时，即可使得实现微元凸透镜31和光纤端部之间的对准组装。
34.但显然这种连接结构需要在连接部32上加工更多的限位连接结构，连接光纤2和微元凸透镜32的两个部位也要求精准对位，并且需要实现更多部件的组装，在一定程度上提高了加工和组装的难度及成本。
35.因此，本实施例中在微透镜一体成型的连接件32上加工形成用于连接光纤2的限位孔321，
36.相当于直接实现微透镜和光纤之间的固定连接，进而实现微透镜和光纤端部之间的相对对位，简化了光纤和微元凸透镜之间对位连接的连接结构、降低了加工和组装的难度及成本。
37.为了使得硅光芯片和光纤之间的光信号通道对光信号的传输具有较高的耦合效率，除了微元凸透镜31和光纤端部之间需要满足一定的相对位置关系之外，微元凸透镜31和硅光芯片1的通讯端面11之间也需要满足一定的位置关系。也可以采用了类似微元凸透镜31和光纤端部之间对位的方式，通过一个连接部件分别连接微元凸透镜31和硅光芯片1，进而实现微元凸透镜31和硅光芯片1之间相对位置关系的精准对位。
38.综上所述，本技术中的光电通讯器件中，为了提升硅光芯片和光纤之间传输光信号的耦合效率，将该硅光芯片和光纤之间增加设置了包含有微元凸透镜的微透镜部件，利用微元凸透镜的聚光作用，对光纤和硅光芯片之间传输的光信号进行汇聚，进而解决了因硅光芯片的厚度尺寸和光纤的端面直径之间的尺寸不匹配造成的光信号耦合效率低的问腿；并在此基础上考虑到光纤端部和微元凸透镜之间相对位置对准安装难度大，进一步地通过连接件实现光纤端部和微元凸透镜之间的精准对位，从而在保证光纤端部和微元凸透镜之间对位安装精准度的基础上，降低二者安装难度。由此可见，本技术所述提供的光电通讯器件，既能够保证硅光芯片和光纤之间的光信号耦合效率，又避免了安装难度大的问题。
39.基于上述任意实施例，为了更详细的介绍微元凸透镜31、光纤端面以及连接部32之间的连结结构，下面将以更具体的实施例进行举例说明。
40.以光纤2和硅光芯片1之间的光信号大体沿直线光路传输为例，光纤端面的中心轴就需要和微元凸透镜31的光轴重合，且垂直于光纤端面和通讯端面11。
41.要实现光纤端部的中心轴和微元凸透镜31的光轴重合，组装难度相对较大。为此
本技术中进一步地将微元凸透镜31和连接部32相连接，该连接部32上设置有限位孔321，光纤2的端部可以插入该限位孔321中。
42.在本技术的一种可选的实施例中，微透镜部件31为由立方体结构和贴合于立方体结构的侧面的凸透镜结构组合为一体成型结构形成的光学部件，且立方体结构背离凸透镜结构一侧的表面设置有作为限位孔321的盲孔。
43.参照图1，图1中微透镜部件3大体上可以视为一个部分球体形成的凸透镜结构和一个立方体结构相互拼接形成的一体成型的立体结构，该立体结构为透光部件，显然该透光部件的部分球体也就相当于微元凸透镜31，而立方体结构也即相当于连接件，该立方体结构背离凸透镜结构的一侧中心位置设置有盲孔，该盲孔也即是和光纤端部相配合的限位孔321。当光纤端部插入该限位孔321中显然该限位孔321的中心轴和凸透镜结构的中心轴重合，由此，即可实现光纤端部和微元凸透镜31之间的对位安装，无需反复调试光纤端部和微元凸透镜之间的相对位置，降低二者之间组装时精准对位的难度。
44.另外，对于立方体结构而言，可以仅仅在限位孔321到微元凸透镜31这一段光路上为透光材质形成的部位，其他部分可以透光也可以不透光，对此，本技术中不做具体限制。
45.如前所述，针对图1所示，是以硅光芯片1和光纤2之间的光信号大致沿直线光路传输的实施例。在实际应用过程中，基于安装空间需求或者是其他方面的原因，该硅光芯片1的通讯端面11和光纤2的光纤端面之间的光路也可以是存在偏折的光信号通道。
46.如图2所示，图2中示出的微透镜部件3可以视为一个部分球体形成的凸透镜结构和一个直角三棱镜拼接形成的一体成型的立体结构，该一体成型的立体结构同样是透光部件。不同的是，该立体结构中的直角三棱镜部分的斜角表面上应当设置有反光膜层。由此该直角三棱镜的一个直角表面贴合相当于微元凸透镜31的部分球体，而另一直角表面上设置有盲孔，该盲孔也即是用于插入光纤端部的限位孔321。该盲孔的对称中心轴和微元凸透镜31的对称中心轴所在的直线均经过直角三棱镜的斜角面中心，且两条对称中心轴相互垂直，那么从光纤端部输出的光信号即可经过斜角面的反射膜层的反射作用入射至微元凸透镜32中，光路的传输路径可以参照图2中的箭头方向。
47.基于图2可以理解的是，基于微透镜部件3中的直角三棱镜的斜角面反光作用，可以使得硅光芯片1的通讯端面11和光纤2的端面之间的光信号通道存在一个90度直角的偏转，也同样可以实现光纤2和硅光芯片1之间的光信号通路。结合光波传输的常识可以确定，通过合理设置微透镜部件3的形状结构，或者在光路中添加一些可以使得光路发生偏折的其他光学元件。使得光纤端面和硅光芯片1之间的光信号通路存在一定角度的偏转，也能够不影响本技术中硅光芯片1和光纤2之间的光信号传输。
48.上述图2中示出了微元凸透镜31和连接部32为一体成型的结构时，硅光芯片1的通讯端面11和光纤2的端面之间的光路存在偏折的实施例。还可以基于实际应用需求在通讯端面11和光纤端面之间设置其他光学元件，对此，本技术中不做具体限制。
49.此外，对于上述图1和图2所示的微元凸透镜31其结构都相当于一个部分球体的透光结构，也即是说该微元凸透镜31可以是一个中心对称的透镜结构。但实际上对于硅光芯片1而言，其主要是厚度方向的尺寸过小限制了其光线耦合效率。因此实际上在利用微元凸透镜31对光纤2的端部输出的光波信号进行汇聚时，可以考虑采用关于轴对称的部分圆柱体结构的微元凸透镜31，也即是说微元凸透镜31的外凸曲面为部分圆柱侧曲面。显然，在对
微元凸透镜31和硅光芯片1之间的相对规定安装时，微元凸透镜31的对称轴应当和硅光芯片1的通讯端面11平行且垂直于硅光芯片1的厚度方向。
50.如前所述，对于微元凸透镜31而言其属于微米量级的透镜结构，显然连接部32以及连接部32上的限位孔321显然也需要设置为微米量级的尺寸。因此要在连接部32上加工形成限位孔321，也是微米量级的精细加工。
51.为此，在本技术的一种可选的实施例中，该连接部32上的限位孔321可以采用mems工艺加工形成，保证加工形成的限位孔321的精度。
52.另外在光纤端部插入限位孔321固定安装时，可以将该限位孔321中填充少量的胶水，并通过紫外照射固化，实现光纤端部和连接部32之间的紧固连接。
53.此外，本技术中通过在连接部32上设置用于容纳设置光纤端部的限位孔321，而连接部32和微元凸透镜31之间又固定连接形成微透镜部件3，进而实现微元凸透镜31和光纤端部之间相对位置的对位组装。而对于微元凸透镜31而言，其和硅光芯片1之间的相对位置也需要进行一定精度的组装对位。
54.在实际应用中可以考虑设置类似于中间连接件等部件，分别对微元凸透镜31和硅光芯片1的安装位置进行限制固定，进而保证了微元凸透镜31相对于硅光芯片1的通讯端面11的精准对位，保证硅光芯片1和光纤2之间良好的光信号耦合效率。
55.在本技术的一种可选地实施例中，进一步地考虑到硅光芯片1一般是固定安装在硅基底4上，为此，可以在该硅基底4上分别设置第一限位槽41和第二限位槽42，第一限位槽41用于限定安装硅光芯片1的位置，而第二限位槽42用于限定微透镜部件3的安装位置。
56.可以理解的是，可以通过合理设定第一限位槽41和第二限位槽42之间的相对位置，使得设于第一限位槽41中的硅光芯片1和设于第二限位槽42中的微透镜部件3之间满足耦合光路的需求。
57.在本技术的一种可选地实施例中，为了进一步地保证硅光芯1片和光2之间传输光信号的耦合效率，微透镜部件3中的微元凸透镜31的焦点和硅光芯片1的通讯端面11之间的间距应当在5um之内。
58.显然，在采用上述硅基底4上的第一限位槽41和第二限位槽42限制固定硅光芯片1和微透镜部件3的相对位置的实施例中，即可通过合理设置第一限位槽41和第二限位槽42之间的相对间距，实现微元凸透镜31和硅光芯片1的通讯端面11之间的间距在5um之间的设置。
59.此外，采用第一限位槽41和第二限位槽42将硅光芯片1和微透镜部件3固定设置在硅基底4上，也能够在一定程度上减小硅光芯片1、微透镜部件3和硅基底4组成的部件的整体厚度，使得这一厚度在200um左右，有利于整个光电通讯器件的小型化。
60.当然，可以理解的是，本技术中也并不排除直接在硅基底4上分别设置其他对硅光芯片1和微透镜部件3的安装位置进行限位的机构的实施例。或者如果硅光芯片1和微透镜部件3的固定安装精度能够满足需求的情况下，不采用限位部件，直接将硅光芯片1和微透镜部件3控制在合理的相对位置上固定安装也能够实现本技术的技术方案。
61.在光电通讯器件中，还需要将硅基底4安装设置于pcb板5上，使得硅光芯片1和pcb板5上的线路相连接。为此，在本技术的一种可选地实施例中，可以进一步地将pcb板5设置第三限位槽51，由此可以将硅基底4安装设置在该第三限位槽51中可以进一步减小整个光
电通讯器件的厚度。
62.为了提高整个光电通讯器件的组装精度，对于上述第一限位槽41、第二限位槽42以及第三限位槽43均可以采用mems工艺加工而成，在硅光芯片1、微透镜部件3以及硅基底4分别设于第一限位槽41、第二限位槽42以及第三限位槽43中时，可以通过胶水填充的方式实现粘接连接，也能够在限位槽深度过大时，通过胶水补偿一定的厚度。
63.基于上述实施例，在实际应用过程中，每个硅光芯片1一般需要同时和多个光纤2之间进行光信号通讯，各个光纤2的端部可以呈直线型阵列排布，且排布方向和硅光芯片1狭长的通讯端面11的长度方向平行。为了进一步地简化微透镜部件3和光纤端部之间的安装，在本技术的一种可选地实施例中，还可以进一步地包括：
64.微透镜部件3包括线性排布的多个微元凸透镜31，以及每个微元凸透镜31对应连接有一个连接部32；各个微元凸透镜31之间、各个连接部32之间以及每个微元凸透镜31和连接部32之间均为一体结构。
65.参照图1，本实施例中的微透镜部件3为一侧表面具有多个线性排布的曲凸面，而另一侧具有多个分别和各个曲凸面对应设置的盲孔，该盲孔也即是用于设置光纤端部的限位孔321，而各个曲凸面也即是各个微元凸透镜的光学界面。
66.本实施例中的各个微元凸透镜31、各个连接部32以及微元凸透镜31和连接部32之间一体成型，减少了微元凸透镜31以及连接部32的相互组装，从而在很大程度上降低光电通讯器件的整体组装难度。
67.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。另外，本技术实施例提供的上述技术方案中与现有技术中对应技术方案实现原理一致的部分并未详细说明，以免过多赘述。
68.本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。