用于硅光芯片的四芯透镜光纤及其楔形透镜加工方法

摘要

本发明提供了一种用于硅光芯片的四芯透镜光纤及其楔形透镜加工方法，该四芯透镜光纤包括包层以及位于包层内并排设置的四根光纤纤芯，各所述光纤纤芯的头部均加工有楔形透镜，且各所述楔形透镜的上切面均位于同一平面，下切面也均位于同一平面，所述楔形透镜的上切面和下切面沿四根所述光纤纤芯的中心线所在的平面上下对称设置。本发明大大缩小了光纤的体积占用，同时解决了需要利用光纤V槽基板固定才能使光纤按周期排布的问题，去除光纤V槽基板后，光通道的空间占用大大降低；在四芯光纤的基础上，在各光纤纤芯的头部均加工楔形透镜，将垂直模场压缩，使得模场进一步缩小，能够有效的提升与硅光芯片之间的耦合效率。

说明书

技术领域

本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种用于硅光芯片的四芯透镜光纤及其楔形透镜加工方法。

背景技术

随着半导体技术的发展成熟，近年来硅光概念也得到了蓬勃的发展。

随着硅光技术的实现，光通信系统的集成度进一步提高；器件体积明显缩小，与之对应的光、电接口体积也必须随之一起缩小。现有的光接口受限于光纤体积，FA基板体积等一系列问题很难缩小体积，从而影响到光芯片的面积利用率。另一个问题是光耦合，光纤耦合技术是影响光纤系统的关键技术，光纤微透镜则是光纤耦合的关键部件。原有透镜光纤FA（光纤阵列）由于设计制作工艺复杂，无法满足大批量、低成本生产的要求，尽管性能出众，仍然停留在实验室应用阶段。而使用价格低廉的普通FA，遇到的则是耦合效率低下，或者光芯片输入输出接口设计复杂，实现难度加大的困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于硅光芯片的四芯透镜光纤及其楔形透镜加工方法，旨在用于解决现有技术存在的上述至少部分问题。

本发明是这样实现的：

第一方面，本发明提供一种用于硅光芯片的四芯透镜光纤，包括包层以及位于包层内并排设置的四根光纤纤芯，各所述光纤纤芯的头部均加工有楔形透镜，且各所述楔形透镜的上切面均位于同一平面，下切面也均位于同一平面，所述楔形透镜的上切面和下切面沿四根所述光纤纤芯的中心线所在的平面上下对称设置。

进一步地，各所述光纤纤芯沿所述包层的直径方向排布。

进一步地，各所述光纤纤芯的外部均设有隔离层。

进一步地，所述包层的直径为125~140um。

进一步地，所述四芯透镜光纤的工作波长为1550nm±10nm，所述光纤纤芯的芯径为9um±10um，所述光纤纤芯与所述包层的折射率差为0.36%±0.1%。

进一步地，各所述光纤纤芯等间距排列且相邻两根光纤纤芯的芯径间距为25um±10um。

第二方面，本发明还提供一种如上任一所述的用于硅光芯片的四芯透镜光纤的楔形透镜的加工方法，该方法包括：在磨制楔形透镜的过程中，使用光源照射光纤纤芯的尾端，利用同一个光功率计分别监测楔形透镜上下两个研磨面上透射光的光功率，根据上下两个研磨面上透射光的光功率差来调整研磨角度，保证楔形透镜的上切面和下切面沿四根所述光纤纤芯的中心线所在的平面上下对称设置。

第三方面，本发明还提供一种硅光芯片封装结构，包括如上任一所述的用于硅光芯片的四芯透镜光纤。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明提供的这种用于硅光芯片的四芯透镜光纤及其楔形透镜加工方法，四芯透镜光纤包括包层以及位于包层内并排设置的四根光纤纤芯，利用光纤空分复用技术，在光纤整体直径不变的情况下，空间内容纳下更多的通光芯数，这样大大缩小了光纤的体积占用，同时解决了需要利用光纤V槽基板固定才能使光纤按周期排布的问题，去除光纤V槽基板后，光通道的空间占用大大降低；在四芯光纤的基础上，在各光纤纤芯的头部均加工楔形透镜，将垂直模场压缩，使得模场进一步缩小，能够有效的提升与硅光芯片之间的耦合效率。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种用于硅光芯片的四芯透镜光纤的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种用于硅光芯片的四芯透镜光纤的横截面示意图；

图3为本发明实施例提供的基模电场在光纤横截面的分布图；

图4为本发明实施例提供的相邻光纤纤芯基模电场的横向分布图；

图5为本发明实施例提供的楔形透镜加工的示意图。

附图标记说明：1-包层、2-光纤纤芯、3-楔形透镜、4-隔离层。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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它实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明实施例提供一种用于硅光芯片的四芯透镜光纤，包括包层1以及位于包层1内并排设置的四根光纤纤芯2，利用光纤空分复用技术，在光纤整体直径不变的情况下，空间内容纳下更多的通光芯数，这样大大缩小了光纤的体积占用问题，同时解决了需要利用光纤V槽基板固定才能使光纤按周期排布的问题，去除光纤V槽基板后，光通道的空间占用大大降低；各所述光纤纤芯2的头部均加工有楔形透镜3，且各所述楔形透镜3的上切面均位于同一平面，下切面也均位于同一平面，所述楔形透镜3的上切面和下切面沿四根所述光纤纤芯2的中心线所在的平面上下对称设置，提高楔形透镜将垂直模场压缩，使得模场进一步缩小，能够有效的提升与硅光芯片之间的耦合效率。

优选地，如图2所示，各所述光纤纤芯2沿所述包层1的直径方向排布，此时排布的空间最大。进一步优选地，各所述光纤纤芯2的外部均设有隔离层4，可以减少相邻纤芯之间的串扰。

本优选实施例中，所述包层1的直径为125~140um，相当于一根传统单模光纤的直径，使得本实施例的四芯透镜光纤在提供四个通道的同时，整体直径仅相当于一根传统单模光纤的直径。优选地，所述四芯透镜光纤的工作波长为1550nm±10nm，所述光纤纤芯2的芯径为9um±10um，所述光纤纤芯2与所述包层1的折射率差为0.36%±0.1%，此时四芯透镜光纤的相邻光纤纤芯2之间的串扰较小。

本发明通过采用APSS数值仿真分析软件，计算不同光源波长、不同光纤纤芯2芯径、不同光纤纤芯2与包层1的折射率差下基模的场分布，其中光纤纤芯2和包层1的的折射率均取随波长变化的三阶Sellmeier公式计算值。当光源波长为1.55mm、光纤芯径为9mm、光纤纤芯2与包层1的折射率差为0.36%时，计算得到的基模电场在光纤横截面的分布如图3所示，此时效果较佳。

进一步优选地，各所述光纤纤芯2等间距排列且相邻两根光纤纤芯2的芯径间距为25um±10um。

如图4所示是光纤纤芯2中心间距25mm时，相邻光纤纤芯2基模电场的横向分布。可以通过APSS软件模拟仿真光在波导中传输时，不同间距相邻波导之间模式的耦合和功率转换。也可以通过下式计算相邻波导之间模式的耦合系数Cij：

其中Ni, Nj是模式的归一化系数，ψi,ψj是两个基模的场分布。

从图4可见，对于相邻的两根光纤纤芯2中的基模电场，一根光纤的场到达另一根光纤纤芯2位置（25mm处）时，幅度已经下降至10

本实施例的用于硅光芯片的四芯透镜光纤的楔形透镜3利用专用设备进行磨制，在磨制过程中，有一个很重要的问题需要解决，就是磨制过程中要保持透镜上方和下方的角度一致。

参见图5所示，本发明实施例还提供一种如上述的用于硅光芯片的四芯透镜光纤的楔形透镜3的加工方法，该方法包括：在磨制楔形透镜3的过程中，使用光源照射光纤纤芯2的尾端，在楔形透镜3上下两个研磨面上会分别透射一束光，为了防止不同功率计之间的误差，本实施例利用同一个光功率计分别监测楔形透镜3上下两个研磨面上透射光的光功率，使用设备对两个研磨面进行研磨时，根据上下两个研磨面上透射光的光功率差来调整研磨角度，当一边的数值高于另一边，例如当上切面透射光（透射光1）的数值高于下切面的透射光（透射光2），则加快上切面的研磨。利用这种方式保证楔形透镜3的上切面和下切面沿四根所述光纤纤芯2的中心线所在的平面上下对称设置，即上切面和下切面角度一致，且光纤纤芯2中心处于两个切面的正中，可以使得研磨出来的楔形透镜3的精度较高。

相应的，本发明实施例还提供一种硅光芯片封装结构，包括如上所述的用于硅光芯片的四芯透镜光纤，四芯透镜光纤与硅光芯片耦合对准后采用激光焊接或者钎焊的方式进行固定。由于采用该体积较小的四芯透镜光纤，使得该硅光芯片封装结构的体积也较小，且四芯透镜光纤与硅光芯片的耦合效率也大大提高。

硅光芯片与单模光纤的耦合实质上是模场的匹配问题。由硅光芯片发出的光耦合进入光纤中的光越多，损耗越小，光纤通信传输的距离就越远，中继距离就越远。对于四芯透镜光纤，相当于在平端光纤面上加了一个微透镜柱，起到一个传输因子的作用。在XZ截面结构与锥形光纤结构一致，通过调整曲率半径与激光器模场半径相匹配，不仅可以减少相位不匹配带来的耦合损失，而且减少了模场半径不匹配带来的耦合损失，提高耦合效率，YZ截面则维持光纤材料原有模场半径。

综上所述，本发明提供的这种用于硅光芯片的四芯透镜光纤及其楔形透镜3加工方法，四芯透镜光纤包括包层1以及位于包层1内并排设置的四根光纤纤芯2，利用光纤空分复用技术，在光纤整体直径不变的情况下，空间内容纳下更多的通光芯数，这样大大缩小了光纤的体积占用，同时解决了需要利用光纤V槽基板固定才能使光纤按周期排布的问题，去除光纤V槽基板后，光通道的空间占用大大降低；在四芯光纤的基础上，在各光纤纤芯2的头部均加工楔形透镜3，将垂直模场压缩，使得模场进一步缩小，能够有效的提升与硅光芯片之间的耦合效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。