[發(fā)明專利]光互連芯片間的微型轉向耦合元件

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010148652.1
• 申請日: 2010-04-16
• 公開（公告）號: CN101813806A
• 公開（公告）日: 2010-08-25
• 發(fā)明（設計）人: 竇文華;計永興;劉光明;陳雄斌;崔大為;師帥;錢悅
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G02B6/26
• 分類號: G02B6/26
• 代理公司: 國防科技大學專利服務中心 43202
• 代理人: 郭敏

技術領域

本發(fā)明涉及光傳播路徑中光學耦合元件，具體涉及高速光互連芯片間的微型轉向耦合元件。

背景技術

近年來，高速光互連技術取得了快速的發(fā)展，陣列光纖、光源模塊和探測接收模塊等應用受到極大的關注。例如，垂直腔表面發(fā)射激光器VCSEL(Vertical?Cavity?Surface-emitting?Laser)已經(jīng)在商業(yè)上取得了應用。VCSEL是由12個間距為250μm的激光發(fā)射器組成的線性陣列。VCSEL、陣列光纖以及光探測器等光器件利用12陣列光纖帶互連而形成平行光互連。平行光互連的一個關鍵問題是如何使得VCSEL陣列和陣列光纖帶之間有效對準。目前，激光從波長為850nm的光源VSCEL發(fā)射孔(直徑為2-3μm)射入光纖纖芯(芯徑通常為50μm)，將纖芯定位為直接對準VSCEL發(fā)射孔是不實用的，因為VCSEL發(fā)射的激光的發(fā)散角非常大，通常大于30°，使得傳輸?shù)焦饫w端面上的光斑直徑大大超過纖芯直徑，造成耦合效率低下；同時，也不可能使用標準光學連接器(如MPO、MT)來直接將VSCEL發(fā)射孔與光探測器相連，因為即使標準光學連接器使得光纖端面非常接近VSCEL發(fā)射孔，也因為與光纖數(shù)值孔徑與VSCEL發(fā)射孔匹配失效等導致光損耗。

由于微機電技術MEMS的發(fā)展，進行芯片間光通訊時，光波的傳輸需要對光束進行轉向。圖1為光纖彎曲90°進行光束轉向的轉向耦合元件，但是這種轉向耦合元件對集成光學應用而言占用空間較大，不便于一體化應用。同時當光纖帶彎曲半徑過小時，損耗嚴重增加。因此，光纖帶的彎曲半徑也是有限制的，在越來越微型化的光互連中，此轉向耦合元件的應用范圍受限，影響了最終在光互連轉向中的應用。

圖2為采用45°斜面光纖帶的轉向耦合元件。該元件由陣列光纖帶夠成。在光纖一個端面進行45°斜磨，使之成為斜端面，并在45°上斜端面鍍上反射膜構成45°斜面光纖帶的轉向耦合元件。這種產品的主要缺點是斜面光纖帶的制作非常困難，制作精度不易保證，沒有透鏡進行耦合，耦合效率很低，故最終應用范圍不是很廣泛。

專利號為200330120772.1的中國專利公開了一種光束傳播轉向耦合元件，這種轉向耦合元件利用注射成型技術在模板中制成透鏡陣列，能夠有效解決光傳輸過程中光路轉向和損耗問題。其結構如圖3所示，該光路轉換型耦合元件由直角棱鏡、兩個透鏡陣列、保護臺階組成。直角棱鏡的斜面與兩個直角面成45°夾角，兩個直角面相互垂直，每個直角面大小完全相同，均為矩形。兩個透鏡陣列分別模壓成型在直角棱鏡的兩個直角面上，均由直徑為250um，透鏡中心間距250um，表面為球形的12個透鏡排列。兩個透鏡陣列的參數(shù)完全相同，透鏡排成線性的透鏡陣列可以保證VCSEL激光在傳輸過程中激光光斑不發(fā)散，同時能夠很好的標準耦合元件相耦合。在直角棱鏡的兩個直角面上透鏡陣列兩端分別挖有一個定位孔，定位孔的中心線與透鏡陣列中心線重合，直徑為0.7mm、孔深為1.2mm。由于定位孔是直接在直角棱鏡進行挖孔，定位孔的深度是由直角棱鏡斜面中點到直角面間的距離決定的。這種在直角棱鏡上挖孔技術難度高，且定位孔深度受直角棱鏡直角面厚度限制，不滿足國際標準。定位孔具有防止與光學標準元件進行連接時對準誤差太大，造成VCSEL傳輸損耗和串擾增加。直角棱鏡兩直角面上分別有4個正方體棱柱，這些正方體棱柱位于直角面四個直角附近，這種正方體棱柱用來保護光路轉換型耦合元件在與標準光學元件連接時透鏡陣列的球形表面不受外力的損壞，稱為保護臺階。在兩直角面相交的棱中間，切除了一個按照比例縮小的直角棱鏡。切掉后的光路轉換型耦合元件具有外形美觀、裝配方便等，也不影響實際光路轉向和耦合作用。該轉向耦合元件采用聚合物材料一次模壓成型而成。

圖3中的直角棱鏡第一直角面上的2個定位孔的軸線與第二直角面的上2個定位孔的軸線垂直，由于同一直角面上2定位孔的中心線與透鏡陣列中心線重合，當4個定位孔從直角棱鏡的直角面挖到斜面時，第一直角面上的定位孔與第二直角面上的定位孔兩兩相互交叉。目前國際標準的定位針長為2mm，而圖3中的定位深度僅為1.2mm，這會造成從第一直角面插入的定位針與從第二直角面插入的定位針在直角棱鏡斜面處相互碰撞，導致標準連接器的連接端面與轉向耦合元件的兩直角面上的微透鏡陣列間的空間間隙過大，導致光束在自由空間中傳播的距離增大，最終致使光耦合效率降低。