光纤连接器及光芯片连接装置

1.本实用新型涉及但不限于光电子器件和模块领域，具体地，涉及一种光纤连接器及光芯片连接装置。


背景技术：

2.包括硅光芯片在内的光子集成芯片需要与光纤进行耦合以实现片上到光纤的信号互连，这部分光学封装需要低损耗、低成本、高可靠性的光纤连接器及连接方法，但是由于光纤与硅光波导中模斑尺寸的差异，会产生严重模场失配，耦合器是实现光芯片与光纤高效耦合的重要器件。根据耦合方式的不同，目前常用的耦合器主要分成垂直耦合与水平耦合两类。水平耦合指光芯片中的波导与光纤相互平行，其代表器件为基于倒锥形逆向模斑转换器的边缘耦合器。相较于垂直耦合的代表器件——光栅耦合器，边缘耦合器具有高耦合效率、大带宽、低损耗、偏振不敏感等诸多优点，对高质量的光通信链路具有重要价值。根据光芯片的使用方式不同，可分为正置封装和倒置封装两类，光芯片的倒置封装有利于更高速率的电信号互连和更高集成度的芯片封装，但是倒置封装光芯片会导致光波导靠近封装底部、传统水平耦合和垂直耦合方法难以支持的问题。
3.边缘耦合器在实际应用中，存在水平对准难度高、固定装置困难、机械对准要求高的缺点，其与光纤的相对位置的差异将会严重影响耦合效率。因此，亟需提出新的光纤连接器及光芯片连接方法，降低边缘耦合器与光纤的对准难度，提高光芯片发射以及入射部分光信号传输的稳定性，同时又能做到垂直封装效果使得结构可靠性更高，封装尺寸更小，从而推动边缘耦合器的实际应用。


技术实现要素：

4.针对现有技术中的缺陷，本实用新型的目的是提供一种光纤连接器及光芯片连接装置，实现光芯片到光纤的低损耗水平耦合和无源对准，解决传统垂直耦合方法损耗大、传统水平耦合方法难以对准、以及传统方法难以支持倒置封装光芯片的光纤耦合问题。
5.根据本实用新型提供的一种光纤连接器，包括上层玻璃盖板、中层玻璃盖板、下层玻璃盖板以及光纤阵列，上层玻璃盖板连接于中层玻璃盖板上，中层玻璃盖板错位连接于下层玻璃盖板上，中层玻璃盖板上设有v型槽，光纤阵列通过上层玻璃盖板和中层玻璃盖板的固定连接于v型槽中；
6.上层玻璃盖板和中层玻璃盖板上设有斜切面，中层玻璃盖板和下层玻璃盖板之间设有台阶面。
7.一些实施例中，斜切面与水平面呈45
°
夹角。
8.一些实施例中，光纤阵列包括去除塑料包覆层的光纤前端以及保留塑料包覆层的光纤后端，多个光纤前端分别连接于与之相对应的v型槽中，光纤前端与光纤后端一体成型，光纤前端直径＜光纤后端直径；
9.光纤包括纤芯和包层，包层包裹于纤芯上。
10.一些实施例中，光纤前端固定于v型槽内，且光纤前端与斜切面连接处抛光45
°
。
11.一些实施例中，中层玻璃盖板底部局部和上层玻璃盖板端部斜切抛光形成斜切面。
12.一些实施例中，台阶面的角度为90
°
。
13.一些实施例中，v型槽均匀分布于中层玻璃盖板上端面。
14.本实用新型还提供了一种包括光纤连接器的光芯片连接装置，包括硅光子集成芯片、微型焊球以及印制线路基板，硅光子集成芯片通过微型焊球连接于印制线路基板上，台阶面连接于硅光子集成芯片侧边；
15.下层玻璃盖板连接于硅光子集成芯片上方，中层玻璃盖板连接于硅光子集成芯片侧边。
16.一些实施例中，硅光子集成芯片包括硅衬底、下包层、硅光波导层以及上包层，下包层连接于硅光波导层上方，上包层连接于硅光波导层下方，下包层连接于硅衬底下方，下层玻璃盖板连接于硅衬底上方。
17.一些实施例中，硅光波导层包括输入波导、逆向模斑转换器以及间隙，输入波导连接逆向模斑转换器，逆向模斑转换器与中层玻璃盖板之间设有间隙。
18.与现有技术相比，本实用新型具有如下的有益效果：
19.(1)本实用新型中光纤连接器底部45度斜切抛光面和对准结构，可将光信号以水平耦合方式扭转90度低损耗耦合进入光纤阵列中；
20.(2)本实用新型中光纤连接器通过台阶面以被动方式扣在芯片侧边形成纵向的无源对准，可实现芯片到光纤的低损耗水平耦合，同时，具备对准精度高、封装稳定性和可靠性强的特点，同时还能够兼容光芯片倒置封装的应用场景，具有广阔的应用前景。
附图说明
21.通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
22.图1为本实用新型的光纤连接器的整体结构图；
23.图2为本实用新型的光纤连接器的截面示意图；
24.图3为本实用新型的光纤阵列示意图；
25.图4为图3中光纤横截面示意图；
26.图5为本实用新型实施例2的整体设计图；
27.图6为本实用新型实施例2的硅光波导层结构示意图；
28.图7为本实用新型实施例2的耦合效率仿真结果图。
29.图中标号：
30.上层玻璃盖板1、中层玻璃盖板2、v型槽20、斜切面21、台阶面22、下层玻璃盖板3、光纤阵列4、纤芯41、纤芯上端的位置4100、包层42、光纤前端411、光纤后端412、硅光子集成芯片5、硅衬底51、下包层52、硅光波导层53、输入波导531、输入波导的位置5310、逆向模斑转换器532、间隙533、上包层54、微型焊球6、印制线路基板7。
具体实施方式
31.下面结合具体实施例对本实用新型进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本实用新型，但不以任何形式限制本实用新型。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本实用新型的保护范围。
32.实施例1
33.根据本实用新型提供的一种光纤连接器，如图1-2所示，包括上层玻璃盖板1、中层玻璃盖板2、下层玻璃盖板3以及光纤阵列4，上层玻璃盖板1连接于中层玻璃盖板2上，中层玻璃盖板2错位连接于下层玻璃盖板3上，中层玻璃盖板2和下层玻璃盖板3之间设有台阶面22。优选的，台阶面22的角度为90
°
。中层玻璃盖板2上端面设有均匀分布的v型槽20，光纤阵列4固定连接于v型槽20中。
34.如图2所示，中层玻璃盖板2底部局部和上层玻璃盖板1端部斜切抛光形成斜切面 21。优选的，斜切面21与水平面呈45
°
夹角。
35.如图3-4所示，光纤阵列4包括去除塑料包覆层的光纤前端411以及保留塑料包覆层的光纤后端412。多个光纤前端411分别连接于与之相对应的v型槽20中，且光纤前端411与斜切面21连接处抛光45
°
。光纤前端411与光纤后端412一体成型，光纤前端411直径＜光纤后端412直径。其中，光纤包括纤芯41和包层42，包层42包裹于纤芯41上。优选的，包层42采用二氧化硅材料。
36.工作原理：光纤连接器通过台阶面连接于光芯片上，光信号传播至斜切面21时发生全内反射，斜切面21将光信号进行90
°
翻折，使光信号在光纤阵列4中稳定传播。
37.更为具体的，斜切面21的研磨深度大于光纤前端411的直径且小于中层玻璃盖板2 的厚度，确保中层玻璃盖板2底部不被全部抛光为45度，确保光纤前端411端部全部被抛光为45度，用于光信号的全内反射。由于斜切面21与水平面的夹角为45
°
，且光信号在光芯片中传输方向与水平面平行，因此光信号到达斜切面21时入射角为45
°
。
38.可通过公式计算出斜切面21发生全内反射时的临界角θ，公式如下：
[0039][0040]
其中，n
_air
表示空气折射率，n
_core
表示纤芯折射率，空气折射率为1，经计算，临界角θ为43.79度。由于光信号的入射角为45
°
，大于临界角θ，因此光信号可以在斜切面21处发生全内反射。光信号发生全内反射后，传输方向旋转90
°
，在纤芯41中稳定传输。采用本实用新型中的光纤连接器，可实现光芯片到光纤的低损耗水平耦合和无源对准，并兼容光芯片倒置封装的应用场景。
[0041]
实施例2
[0042]
本实用新型还提供了一种包括光纤连接器的光芯片连接装置，如图5所示，还包括硅光子集成芯片5、微型焊球6以及印制线路基板7，硅光子集成芯片5通过微型焊球6 固定于印制线路基板7上，台阶面22连接于硅光子集成芯片5侧边。即，下层玻璃盖板3连接于硅光子集成芯片5上方，中层玻璃盖板2连接于硅光子集成芯片5侧边，实现光纤连接器和光芯片的连接，将硅光子集成芯片5中的光信号耦合至光纤阵列4中。
[0043]
硅光子集成芯片5包括硅衬底51、下包层52、硅光波导层53以及上包层54，硅光波
导层53倒置封装，下包层52连接于硅光波导层53上方，上包层54连接于硅光波导层53下方，下包层52连接于硅衬底51下方，下层玻璃盖板3连接于硅衬底51上方。
[0044]
硅光波导层53包括输入波导531、逆向模斑转换器532以及间隙533，输入波导531 连接逆向模斑转换器532，逆向模斑转换器532与中层玻璃盖板2之间设有间隙533。
[0045]
工作原理：光信号从输入波导531处输入，逆向模斑转换器532放大光信号，使光信号在硅光波导层53内与水平面平行传播，光信号到达斜切面21时发生全内反射，使光信号传输方向旋转90
°
，在纤芯41内稳定传输。
[0046]
更为具体的，输入波导531用于光信号的输入，长度为5um，宽度为0.28um；逆向模斑转换器532用于放大传输模式的模斑尺寸，使之与光纤阵列中模式模斑尺寸匹配，较宽端的宽度为0.28um，可与输入波导531无缝衔接，较窄端的宽度为0.12um，长度为140.9um。除此之外，逆向模斑转换器532较窄端边缘与硅光子集成芯片5侧边边缘存在一定的间隙533，间隙533长度为1um，用于防止逆向模斑转换器532边缘暴露在硅光子集成芯片5外侧时其端面被损坏，从而影响整体的耦合效率。
[0047]
其中，硅衬底51和硅光波导层53采用硅材料，下包层52与上包层54采用二氧化硅材料。硅衬底51厚度为18um，折射率为3.476；下包层52与上包层54的厚度均为 3um，折射率为1.444；硅光波导层53厚度220nm，折射率为3.476。光纤阵列4中，纤芯41的半径为4um，折射率为1.445；包层42的半径为20um，折射率为1.434816。以硅光波导层53中的基模作为光信号传输为例，光信号从输入波导531输入，进入到逆向模斑转换器532中，由于逆向模板转换器532的宽度随着光信号的传输而减小，其对基模模场的束缚能力也在减弱，使得基模模场的模斑尺寸经过逆向模斑转换器532的传输后变大，更接近光纤阵列4中基模模场的模斑尺寸。模斑尺寸经由逆向模斑转换器532 放大的光信号随后从光纤阵列4侧壁进入包层42中并继续传输，随后进入纤芯41中。经过lumerical fdtd solutions对该模型的仿真，得到在1550nm波长时，从硅光波导层中的输入波导531的位置5310处到纤芯41上端的位置4100处的耦合效率为0.553257。该实施例在1450nm至1650nm时的耦合效率如图7所示，3db带宽超过200nm。
[0048]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
[0049]
以上对本实用新型的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本实用新型的实质内容。在不冲突的情况下，本技术的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。