[发明专利]光互连芯片间的微型转向耦合元件

说明书

技术领域

本发明涉及光传播路径中光学耦合元件，具体涉及高速光互连芯片间的微型转向耦合元件。

背景技术

近年来，高速光互连技术取得了快速的发展，阵列光纤、光源模块和探测接收模块等应用受到极大的关注。例如，垂直腔表面发射激光器VCSEL(Vertical Cavity Surface-emitting Laser)已经在商业上取得了应用。VCSEL是由12个间距为250μm的激光发射器组成的线性阵列。VCSEL、阵列光纤以及光探测器等光器件利用12阵列光纤带互连而形成平行光互连。平行光互连的一个关键问题是如何使得VCSEL阵列和阵列光纤带之间有效对准。目前，激光从波长为850nm的光源VSCEL发射孔(直径为2-3μm)射入光纤纤芯(芯径通常为50μm)，将纤芯定位为直接对准VSCEL发射孔是不实用的，因为VCSEL发射的激光的发散角非常大，通常大于30°，使得传输到光纤端面上的光斑直径大大超过纤芯直径，造成耦合效率低下；同时，也不可能使用标准光学连接器(如MPO、MT)来直接将VSCEL发射孔与光探测器相连，因为即使标准光学连接器使得光纤端面非常接近VSCEL发射孔，也因为与光纤数值孔径与VSCEL发射孔匹配失效等导致光损耗。

由于微机电技术MEMS的发展，进行芯片间光通讯时，光波的传输需要对光束进行转向。图1为光纤弯曲90°进行光束转向的转向耦合元件，但是这种转向耦合元件对集成光学应用而言占用空间较大，不便于一体化应用。同时当光纤带弯曲半径过小时，损耗严重增加。因此，光纤带的弯曲半径也是有限制的，在越来越微型化的光互连中，此转向耦合元件的应用范围受限，影响了最终在光互连转向中的应用。

图2为采用45°斜面光纤带的转向耦合元件。该元件由阵列光纤带够成。在光纤一个端面进行45°斜磨，使之成为斜端面，并在45°上斜端面镀上反射膜构成45°斜面光纤带的转向耦合元件。这种产品的主要缺点是斜面光纤带的制作非常困难，制作精度不易保证，没有透镜进行耦合，耦合效率很低，故最终应用范围不是很广泛。

专利号为200330120772.1的中国专利公开了一种光束传播转向耦合元件，这种转向耦合元件利用注射成型技术在模板中制成透镜阵列，能够有效解决光传输过程中光路转向和损耗问题。其结构如图3所示，该光路转换型耦合元件由直角棱镜、两个透镜阵列、保护台阶组成。直角棱镜的斜面与两个直角面成45°夹角，两个直角面相互垂直，每个直角面大小完全相同，均为矩形。两个透镜阵列分别模压成型在直角棱镜的两个直角面上，均由直径为250um，透镜中心间距250um，表面为球形的12个透镜排列。两个透镜阵列的参数完全相同，透镜排成线性的透镜阵列可以保证VCSEL激光在传输过程中激光光斑不发散，同时能够很好的标准耦合元件相耦合。在直角棱镜的两个直角面上透镜阵列两端分别挖有一个定位孔，定位孔的中心线与透镜阵列中心线重合，直径为0.7mm、孔深为1.2mm。由于定位孔是直接在直角棱镜进行挖孔，定位孔的深度是由直角棱镜斜面中点到直角面间的距离决定的。这种在直角棱镜上挖孔技术难度高，且定位孔深度受直角棱镜直角面厚度限制，不满足国际标准。定位孔具有防止与光学标准元件进行连接时对准误差太大，造成VCSEL传输损耗和串扰增加。直角棱镜两直角面上分别有4个正方体棱柱，这些正方体棱柱位于直角面四个直角附近，这种正方体棱柱用来保护光路转换型耦合元件在与标准光学元件连接时透镜阵列的球形表面不受外力的损坏，称为保护台阶。在两直角面相交的棱中间，切除了一个按照比例缩小的直角棱镜。切掉后的光路转换型耦合元件具有外形美观、装配方便等，也不影响实际光路转向和耦合作用。该转向耦合元件采用聚合物材料一次模压成型而成。

图3中的直角棱镜第一直角面上的2个定位孔的轴线与第二直角面的上2个定位孔的轴线垂直，由于同一直角面上2定位孔的中心线与透镜阵列中心线重合，当4个定位孔从直角棱镜的直角面挖到斜面时，第一直角面上的定位孔与第二直角面上的定位孔两两相互交叉。目前国际标准的定位针长为2mm，而图3中的定位深度仅为1.2mm，这会造成从第一直角面插入的定位针与从第二直角面插入的定位针在直角棱镜斜面处相互碰撞，导致标准连接器的连接端面与转向耦合元件的两直角面上的微透镜阵列间的空间间隙过大，导致光束在自由空间中传播的距离增大，最终致使光耦合效率降低。