[发明专利]光纤与光波导芯片高效垂直耦合互连的封装方法

说明书

技术领域

本发明属于集成光学领域，特别涉及一种光纤与光波导芯片高效垂直耦合互连的封装方法。

背景技术

随着高速信息化技术的发展，集成光学器件的发展已成为未来光通信、光计算、光传感等各领域交错发展的必然趋势。同时在微光学器件、光量子器件、精密时间频率测量、光集成、高灵敏度传感器、光网络以及光量子计算机等领域也有着重大的潜在应用价值。硅基集成单元光互连系统是由包括激光器、调制器、探测器等在内的各种硅基光波导器件组成的以光为传输信号的互连系统。而SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)材料由于高折射率对比度、与传统CMOS工艺兼容等优点，已成为光波导器件的主要应用材料。随着微纳光电子集成技术的发展，光电子器件的尺寸越来越小，使更多功能的光电子器件集成在同一芯片上成为可能。然而现有激光光源体积大，未能实现激光光源与光电子器件的集成，所以在外界光源与集成光波导器件之间需要一个高效、低损耗的耦合器件及纳米光波导和光纤的互连器件。

传统的耦合方式是让光纤与光波导器件直接对接耦合，由于插入损耗、模式转换损耗较大，导致耦合效率非常低，通常不超过10％。采用透镜光纤耦合虽然能够缩小光纤模斑，但是与波导之间需要精确对准，直接对准纳米波导几乎无法实现。本发明利用纳米波导光栅与单模光纤垂直耦合的光学互连方案，利用光的透射，改变光传播方向，实现垂直耦合，解决从直径数十微米的光纤到百纳米的光波导结构的低损耗光传输问题，能实现超过50％的耦合效率。但采用垂直光栅耦合对光纤的入射角要求苛刻，对耦合系统的稳定性要求也非常高，而且不能实现重复性操作，需要每次对准。所以，如何使垂直光栅耦合系统更加稳定、可靠、易于重复使用，是提高光传输效率的关键，也是制约集成光学器件发展的瓶颈。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种光纤与光波导芯片高效垂直耦合互连的封装方法，其克服目前光集成芯片上纳米波导与光栅垂直耦合系统的不稳定性和重复对准的缺点，且结构简单、稳定性好、抗外界干扰且易于阵列集成。

为解决所述技术问题，本发明提供了一种光纤与光波导芯片高效垂直耦合互连的封装方法，其特征在于，其包括以下步骤：

在SOI材料上采用微加工工艺制备出硅基纳米波导光栅，并应用扫描电镜对硅基纳米波导光栅进行扫描；

准备好实验封装时所应用的低折射率固化封装材料，并应用折射率检测仪测定低折射率固化封装材料的折射率；

制备实验所用的单模光纤，主要为单模光纤进行刨层处理，然后进行酒精擦拭和端面切割；

在硅基纳米波导光栅的表面涂覆光学增透膜；

在以上基础上搭建垂直耦合测试系统，通过六维位移调节架结合长焦距CCD和红外CCD调整单模光纤和硅基纳米波导光栅两者之间的位置；

用准备好的低折射率固化封装材料点胶单模光纤与硅基纳米波导光栅的耦合端，并记录六维位移调节架所对应的硅基纳米波导光栅耦合单模光纤的入射角；

对点胶的内部封装体进行曝光固化；

根据上述记录的入射角，制备出顶部有一个与垂直方向成入射角的V型光纤定位槽；

将上述点胶固化后的单模光纤放置到V型光纤定位槽中；

用准备好的固化胶粘性材料点胶到V型光纤定位槽内进行单模光纤的固化封装；

对点胶的V型光纤定位槽进行曝光固化；

对最终封装后的结构进行测试。

优选地，所述单模光纤的模场直径为10um。

优选地，所述单模光纤通过固化胶粘性材料固定在V型光纤定位槽内。

本发明的积极进步效果在于：

一、本发明克服目前光集成芯片上纳米波导与光栅垂直耦合系统的不稳定性和重复对准的缺点，且结构简单、稳定性好、抗外界干扰且易于阵列集成，实现硅纳米光波导与光纤的高效、稳定光耦合与简便封装。

二、本发明中采用垂直光栅耦合提高了光纤和光波导器件间的耦合效率。

三、本发明中使用了光学增透膜，可进一步减少纳米光栅端面的菲涅尔反射损耗。

四、本发明中使用固化胶来点胶纳米波导光栅和近垂直单模光纤的末端，提高了耦合封装的稳定性。

五、本发明采用具有倾角的V型光纤定位槽，实现了光栅与单模光纤的高效光耦合，克服了垂直光栅耦合系统因外界扰动造成的不稳定性和重复对准的缺点，提高了耦合封装的入射角精确度。

六、本发明中的稳固封装技术工艺简单，适用与阵列光纤与光栅的高效耦合与简便封装，具有非常大的实际应用价值，可用于批量生产。