光互连芯片间的微型转向耦合元件制造技术

本发明专利技术公开了一种光互连芯片间的微型转向耦合元件，目的是提供一种与标准连接器互连时具有更好的对准和定位的微型转向耦合元件。它由两个微透镜阵列和一个直角反射棱镜组成，两个微透镜阵列分别粘在直角反射棱镜的相互垂直的外表面上；微透镜阵列由透镜阵列和长方体基底组成，透镜阵列模压或粘贴在长方体基底上；透镜阵列由１２个透镜排列成一条直线，长方体基底下表面与直角反射棱镜粘接在一起；在长方体基底上透镜阵列两端分别挖有定位孔；直角反射棱镜斜边面镀有反射膜。本发明专利技术可保证与标准连接器互连时具有更好的对准和定位，降低光路传输损耗，并使得焦距、透镜直径等参数容易变化，且参数改变时不需设计不同的模具从而降低了成本。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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VCSEUVertical Cavity Surface-emitting Laser)已经在商业上取得了应用。VCSEL是由12个间距为250 μ m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_3 μ m)射入光 纤纤芯(芯径通常为50 μ m)，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ΜΡ0、ΜΤ)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。此外，这种光路转换型耦合元件中的透镜阵列的焦距、透镜直径、透镜间距等参数 是固定的，使得在不同的激光光源中，如在VCSEL激光光源和LED激光光源下，需要修改透 镜阵列的透镜参数；且在不同的光互连中，互连空间尺寸有特定的限制，因此光路转换型耦 合元件的外形也受到了限制，而图3中光路转换型耦合元件不能很好的满足互连空间尺寸 方面的要求。第三，针对不同的光学元件应用的需求，需要焦距、透镜直径、透镜间距等不同 参数光路转换型耦合元件，而这种光路转换型耦合元件制作工艺是整体模压成型，因此需 要设计各种不同的模具来实现不同参数的转向耦合元件，模具成本高，针对每一种参数制 作一种模具，会造成成本过高和资源上的浪费。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是提供一种光互连芯片间的微型转向耦合元件，保证与 标准连接器互连时具有更好的对准和定位，降低光路传输损耗，并使得焦距、透镜直径、空 间尺寸等参数容易变化，使得不需要设计不同的模具从而降低成本。本专利技术由两个微透镜阵列和一个直角反射棱镜组成，两个微透镜阵列分别用紫外 光胶粘在直角反射棱镜的两个相互垂直的外表面上，构成具有光路聚焦、准直以及转向功 能的微型光学元件。微透镜阵列由透镜阵列和长方体基底组成，透镜阵列模压或粘贴在长方体基底 上。透镜阵列按国际标准由N(N = 12)个透镜排列成一条直线，透镜直径为M，M为210 250um，相邻透镜中心间距为250um。透镜可采用与
技术介绍
相同的聚合物材料进行模压而制成，这种透镜的表面轮廓 是球面的平凸型，通过改变透镜的面型轮廓的高低、直径以及透镜基底的大小可以改变透 镜的焦距、直径。采用这种透镜时，透镜模压在长方体基底上。透镜也可采用渐变折射率光纤制作。渐变折射率光纤根据光纤的长短对光路具有 渐变折射特性，可以根据光纤的长短制作不同参数的透镜。这些裁剪的光纤段即为透镜， 而光纤段的长短决定了透镜的焦距；光纤段的直径是透镜的直径；光纤段为圆柱形，将这 些圆柱形的透镜按照圆柱竖直方向排列成线性，圆柱形的透镜的下表面粘贴在长方体基底上，形成微透镜阵列。长方体基底是一块采用聚合物或石英材料制成的长方体。长方体基底上表面有透 镜阵列，长方体基底下表面与直角反射棱镜粘接在一起。在长方体基底上透镜阵列两端分 别挖有一个定位孔，长方体基底厚度决定了定位孔的深度。长方体基底厚度越大，定位孔的 深度就越深。为了满足国际连接器标准，采用厚度为2. Omm的长方体基底。定位孔直径为 0. 7mm，定位孔中心线与透镜阵列中心线重合。由于微透镜阵列的长方体基底厚度为2. Omm, 因此定位孔的孔深也为2. Omm,满足目前标准连接器连接要求，保证了精确定位和对准技 术 。且由于只在长方体基底上挖孔，避免了在直角反射棱镜直接挖孔的难本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光互连芯片间的微型转向耦合元件，其特征在于该微型转向耦合元件由两个微透镜阵列（２１）和一个直角反射棱镜（１９）组成，两个微透镜阵列（２１）分别用紫外光胶粘在直角反射棱镜（１９）的两个相互垂直的外表面上；微透镜阵列（２１）由透镜阵列（１１）和长方体基底（１３）组成，透镜阵列（１１）模压或粘贴在长方体基底（１３）上；透镜阵列（１１）由Ｎ个透镜排列成一条直线，Ｎ＝１２；透镜采用聚合物材料进行模压制成或采用渐变折射率光纤制成，采用聚合物材料进行模压制成的透镜时，透镜的表面轮廓是球面的平凸型，透镜模压在长方体基底（１３）上，采用渐变折射率光纤制作的的透镜时，透镜为裁剪的光纤段，光纤段为圆柱形，将这些圆柱形的透镜按照圆柱竖直方向排列成线性，圆柱形的透镜的下表面粘贴在长方体基底（１３）上；长方体基底（１３）是一块采用聚合物或石英材料制成的长方体，长方体基底（１３）上表面有透镜阵列（１１），长方体基底（１３）下表面与直角反射棱镜（１９）粘接在一起；在长方体基底（１３）上透镜阵列（１１）两端分别挖有一个定位孔（１０），长方体基底（１３）厚度决定定位孔（１０）的深度，定位孔（１０）直径为０．７ｍｍ，定位孔（１０）中心线与透镜阵列（１１）中心线重合；直角反射棱镜（１９）两斜角为４５°，其斜边面镀有反射膜，反射膜为金属膜。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：窦文华，计永兴，刘光明，陈雄斌，崔大为，师帅，钱悦，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：43[中国|湖南]