TWI864681B - 光耦合裝置 - Google Patents
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Abstract
一種光耦合裝置，包括中介層、光學晶片、光波導元件及光纖陣列連接器。光學晶片具有波導層，波導層的出光面位於光學晶片側邊。光波導元件包含面對出光面的入射面、位於頂面的出射面及位於內部的反射面。由出光面水平射出的光束經由入射面進入光波導元件內，經反射面全反射，由垂直方向經出射面輸出平行光。光纖陣列連接器包括載體、光波導透鏡及數個光纖。光波導透鏡面對出射面。光波導透鏡水平方向的兩端，一端為斜反射面，另一端為耦光面且對準光纖。光束由出射面射出進入光波導透鏡內，經斜反射面全反射後由水平方向耦合至光纖。
Description
本發明是關於一種光耦合裝置，特別是關於一種將波導中的光耦合並垂直反射至光纖中的光耦合裝置。
光纖陣列連接器（fiber array connector），例如上詮光纖通信（Foci）的可耐回焊透鏡式光纖陣列連接器（Reflowable Lensed Fiber Array Connector, ReLFACon
TM），可將光纖陣列（fiber array, FA）耦接至光學晶片的波導（waveguide）。當波導的出光面於側邊時，光學晶片一側可能還有其他各式元件位於波導的光路徑上，使光纖陣列無法直接耦接於波導正前方，故在波導中傳遞的光需要經由耦合器及反射裝置耦合至光纖中。
光柵耦合器（grating coupler）是利用光柵的繞射（diffraction）效應，改變光場的傳播方向，以將光從光纖耦合至波導中。相較於邊緣耦合器（edge coupler），光柵耦合器可被設置於晶片上的任意位置，且對光纖錯位（fiber misalignment）的容忍度較高。然而，由於繞射效應現象，導致光柵耦合器的耦合效率（coupling efficiency）普遍低於邊緣耦合器。一種改善耦合效率的方法是在晶片表面鍍上金屬反射層，然而此一方法必須減少晶片厚度，並增加製程的複雜度及成本。
因此，亟需一種光耦合裝置，可被設置於晶片上的任意位置，並具有較高的耦合效率，使波導中的光可被耦合並垂直反射至光纖中。
本發明的主要目的在於提供一種光耦合裝置，可被設置於晶片上的任意位置，並具有較高的耦合效率，使波導中的光可被耦合並垂直反射至光纖中。
為了達成前述的目的，本發明提供一種光耦合裝置，包括：一中介層；一光學晶片，設置於中介層之上，該光學晶片具有一波導層，該波導層的出光面於該光學晶片側邊；一光波導元件，設置於該中介層上且併排於該光學晶片，該光波導元件包含面對該出光面的入射面，位於頂面的出射面及於內部的反射面，由該出光面水平射出的光束是經由該入射面進入該光波導元件內，之後經該反射面全反射改由垂直方向經該出射面輸出平行光；一光纖陣列連接器，設置於該光學晶片上，該光纖陣列連接器包括一載體及固定於該載體的一光波導透鏡及數個光纖，該光波導透鏡位置面對該出射面，該光波導透鏡水平方向的兩端，一端為斜反射面，另一為耦光面且對準該等光纖，該光束由該出射面的射出進入該光波導透鏡內，經該斜反射面全反射後由水平方向耦合至該等光纖。
在一實施例中，該中介層上具有一定位槽，該光波導元件底部被固定於該定位槽中。
在一實施例中，該光波導元件包括折射率不同的一光傳輸層及一光反射層，該入射面於該光傳輸層的垂直方向，該出射面位於該光傳輸層的頂面，該反射面形成該光反射層與該光傳輸層相接的銜接面。
在一實施例中，該反射面為傾斜的平面鏡面，該出射面處為凸透鏡，水平方向的該光束經反射面全反射後經該凸透鏡收束，並經該出光面輸出平行光。
在一實施例中，該光反射層與該光傳輸介層為不同材料，使該光束經該反射面得以反射。
在一實施例中，該反射面為凹面鏡面，該出射面為平面，使水平方向的該光束經反射面全反射後經形成平行光經該出射面輸出。
在一實施例中，該光傳輸層由可透光材料所製成。
在一實施例中，該光學晶片上具有至少一定位孔，該載體於對應該定位孔位置延伸出至少一定位柱，當該定位柱黏固於定位孔內時，該光纖陣列連接器被固定於該光學晶片上。
本發明的功效在於，提供一種兼具通用性及耦合效率的光耦合裝置，並改變光束的傳遞路徑，使波導與光纖得以有效耦接，且本發明利用該定位槽固定該光波導元件的位置，該定位孔固定該光纖陣列連接器的位置，藉此被動對準的方式，能縮短組裝的時間及維持組裝的精度，大幅提高生產效率及產品良率。
以下配合圖式及元件符號對本發明的實施方式做更詳細的說明，俾使熟習該項技藝者在研讀本說明書後能據以實施。
請參閱圖1，為本發明光耦合裝置，包括：一中介層110、一光學晶片120、一光波導元件130及光纖陣列連接器140。中介層110上承載著並排的光學晶片120及光波導元件130，光纖陣列連接器140固定於光波導元件130上方。請一併參閱圖2所示，本發明是將光學晶片120由側邊發射出的光束210，先經光波導元件130第一次全反射垂直向上，之後再經光纖陣列連接器140進行第二次全反射而為水平路徑輸出，藉此使光束210路徑上升，有利於中介層110上的空間能進行利用，如例如本實施於中介層110上可增設支撐物150，或是讓中介層110上的其他電子元件能更方便地於不同位置佈置。
光學晶片120為矽光子晶片（silicon photonic chip）或光學積體電路（ Photonic integrated circuit，PIC），光學晶片120可採黏固方式固定於中介層110上，或直接以半導體製程成型於中介層110上。光學晶片120中具有波導層121，於光學晶片120側邊垂直面具有波導層121的光束出光面122。在本實施例中，光學晶片120厚度約0.7mm。
中介層110為矽基板，能使各構件準確地固定其上，再由中介層110安裝於預定位置或電路板上。中介層110在以半導體製程形成該光學晶片120時，能同時形成一定位槽111，定位槽111是以垂直於圖面的方向延伸，因此定位槽111的精度與光學晶片120的相對位置更為準確。在組裝時，先將光波導元件130底部設置於定位槽111內 ，即可快速定位，之後經微調及校正，最後透過接著劑112（例如紫外線固化接著劑（UV glue））將該光波導元件130固定於中介層110上，藉此精準及快速地完成光學晶片120與光波導元件130的組裝及定位，此被動對準的方式，可大幅縮短組裝工時，提昇組裝效率及精準度。
請一併參閱圖2所示，光波導元件130包含於垂直面的入射面131、位於頂面的出射面132及於內部的反射面133。入射面131是面對於波導層121 的出光面122。當出光面122射出光束210，是經由入射面131進入光波導元件130內，之後經反射面133全反射後改由垂直方向經出射面132輸出平行光。為了達到全反射的效果，本發明光波導元件130是由折射率不同的一光傳輸層134及一光反射層135所構成，入射面131於光傳輸層134的垂直方向，出射面132位於光傳輸層134的頂面，反射面133形成光反射層135與光傳輸層134的銜接面。為使反射面133達到全反射的效果，光傳輸層134的折射率會小於光反射層135的折射率，在本實施例中光傳輸層134由可透光材料製成，例如樹脂（resin）、膠材（adhesives）等。光反射層135也可由可透光且折射率不同的材料製成，例如玻璃、類玻璃等。另外光反射層135也可為金屬，如此直接於反射面133形成鏡面，達到全反射的效果。為使光束210經光波導元件130後於出射面132輸出平行光，在本實施例中，反射面133為傾斜45度的鏡面，出射面132所在處為凸透鏡136，如圖2所示，當光束210經由入射面131射入光波導元件130時，出射光211、212及213於光傳輸層134內傳輸，經反射面133全反射垂直向上，再透過凸透鏡136收束為平行光經出射面132射出，其中光束210的出射方向垂直於光束210的入射方向。
如圖3 、圖4為本發明另一實施例，本實施例是提供另一種光波導元件130a的架構圖及局部放大圖。本實施例光波導元件130a仍具有入射面131、出射面132及反射面133a，光波導元件130a仍由光傳輸層134及光反射層135所構成。本實施例也能使光束210經光波導元件130後由出射面132輸出平行光，不同之處在於：本實施例中反射面133a為凹面鏡面，出射面132為平面，當光束210經由入射面131射入光波導元件130a時，出射光211、212及213經由反射面133a收束為平行光且垂直向上全反射，經光傳輸層134傳輸由出射面132輸出平行光，如此一來，本施實例就不用在出射面132形成凸透鏡，有利於生產及加工作業。
如圖1及圖5所示，光纖陣列連接器140是固定於光波導元件130上方，使光束210經二次全反射路徑改為水平。光纖陣列連接器140包括一載體141及固定於載體141的一光波導透鏡142及數個光纖143，該光波導透鏡142位置面對出射面132，光波導透鏡142具有水平方向的兩端，一端為斜反射面144，另一端為耦光面145，耦光面145對準數個光纖143。在本實施例中，斜反射面144的角度為45度，光波導透鏡142的折射率大於周邊環境(如空氣)的折射率，如此一來，光束210由出射面132射出進入光波導透鏡142內，經斜反射面144全反射後由水平方向經耦光面145射出耦合至對應的光纖143。另外，為了使光纖陣列連接器140在組裝時能更為確準及快速，本發明採用被動對準方式，光纖陣列連接器140的載體141朝光學晶片120的方向另延伸出二個定位柱146，在本實施該定位柱146縱向呈L型(如圖1)，光學晶片120上具有數定位孔123，定位孔123是由以半導體製程形成光學晶片120時一併成型，所以位置可以非常精準。組裝時先以光纖陣列連接器140的定位柱146插入於定位孔123內，初步快速完成對準，之後經微調校正後，透過接著劑(例如紫外線固化接著劑（UV glue）)加以固化，如此能大幅縮短光纖陣列連接器140與光波導元件130之間的對準作業，讓產品在生產及製造上更為方便。
在上述實施例中，光學晶片120為側邊出光，在出光方向可能存在著元件150，本發明藉由光波導元件130與光纖陣列連接器140的配合，就能改變光束的路徑方向，如圖1所示，光束210先可水平方向由左向右進入光波導元件130內，之後經第一次全反射垂直向上，之後經光波導透鏡142第二次全反射，改為由左向右的水平方向耦合至光纖143內。
如圖6所示，為本發明另一實施例的示意圖，能提供另一種光束傳輸路徑。在本實施例中光纖陣列連接器140是固定於光學晶片120上，使光波導透鏡142位於光波導元件130上方，設置方向與圖1之實施例剛好相反，如圖中由右向左分佈。另外在本實施例中，光纖陣列連接器140是於載體141底部兩側直接形成向下延伸的定位柱146a，在定位柱146a插入定位孔123內，光纖陣列連接器140即準確地固定於光學晶片120上。在本實施例中，光束210先可水平方向由左向右進入光波導元件130內，之後經第一次全反射垂直向上，之後經光波導透鏡142第二次全反射，改為由右向左的水平方向耦合至光纖143內。
相較於習知的光柵耦合器，在本發明中，光耦合裝置並不使用光柵進行光耦合，而是使用平面鏡或凹面鏡結構，將來自波導層121的光束210耦合並垂直反射至光纖陣列連接器140，使光纖陣列連接器140得以將光束210進行全反射而改為水平方向，進而將光束210耦合至光纖143中。此一結構改善了光柵耦合器耦合效率較差的問題，並使中介層110上方得以平行設置光學晶片120及支撐物150，充分利用中介層110上方的平面空間，增加電路佈局的彈性。另外在組裝時，中介層110是以定位槽111快速定位光波導元件130，光學晶片120以定位孔123快速定位光纖陣列連接器140，此被動對準的組裝方式，能大幅縮短對準校正時間，大幅提昇工作效率，且不容易出現錯位，提高生產良率。
以上所述者僅為用以解釋本發明的較佳實施例，並非企圖據以對本發明做任何形式上的限制，是以，凡有在相同的發明精神下所作有關本發明的任何修飾或變更，皆仍應包括在本發明意圖保護的範疇。
110:中介層
111:定位槽
112: 接著劑
120:光學晶片
121:波導層
122:出光面
123:定位孔
130:光波導元件
130a: 光波導元件
131:入射面
132:出射面
133:反射面
133a:反射面
134:光傳輸層
135:光反射層
136:凸透鏡
140:光纖陣列連接器
141:載體
142:光波導透鏡
143:光纖
144:斜反射面
145:耦光面
146:定位柱
146a:定位柱
150: 支撐物
210:光束
211, 212, 213: 出射光
圖1是本發明提供的光耦合裝置的一實施例。
圖2是本發明提供的光耦合裝置之光波導元件的一實施例。
圖3是本發明提供的光耦合裝置的另一實施例。
圖4是本發明提供的光耦合裝置之光波導元件的另一實施例。
圖5為本發明提供的光耦合裝置的俯視圖。
圖6為本發明提供的光耦合裝置的再一實施例。
110:中介層
111:定位槽
112: 接著劑
120:光學晶片
121:波導層
122:出光面
123:定位孔
130:光波導元件
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143:光纖
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146:定位柱
150:支撐物
Claims (6)
- 一種光耦合裝置，包括：一中介層，該中介層上具有一定位槽；一光學晶片，設置於中介層之上，該光學晶片具有一波導層，該波導層的出光面位於該光學晶片側邊；一光波導元件，設置於該中介層上且併排於該光學晶片，該光波導元件底部被固定於該定位槽中，該光波導元件包含面對該出光面的入射面、位於頂面的出射面及位於內部的反射面，由該出光面水平射出的光束經由該入射面進入該光波導元件內，經該反射面全反射後，改由垂直方向經該出射面輸出平行光；一光纖陣列連接器，設置於該光學晶片上，該光纖陣列連接器包括一載體、固定於該載體的一光波導透鏡及數個光纖，該光波導透鏡位置面對該出射面，該光波導透鏡水平方向的兩端，一端為斜反射面，另一端為耦光面且對準該等光纖，該光束由該出射面射出進入該光波導透鏡內，經該斜反射面全反射後由水平方向耦合至該等光纖，另外該光學晶片上具有至少一定位孔，該載體於對應該定位孔位置延伸出至少一定位柱，當該定位柱黏固於定位孔內時，該光纖陣列連接器被固定於該光學晶片上。
- 如請求項1所述的光耦合裝置，該光波導元件包括折射率不同的一光傳輸層及一光反射層，該入射面於該光傳輸層的垂直方向，該出射面位於該光傳輸層的頂面，該反射面形成該光反射層與該光傳輸層相接的銜接面。
- 如請求項2所述的光耦合裝置，該反射面為傾斜的平面鏡面，該出射面處為凸透鏡，水平方向的該光束經該反射面全反射後經該凸透鏡收束，並經該出光面輸出平行光。
- 如請求項3所述的光耦合裝置，該光反射層與該光傳輸介層為不同材料，使該光束經該反射面得以反射。
- 如請求項2所述的光耦合裝置，該反射面為凹面鏡面，該出射面為平面，使水平方向的該光束經該反射面全反射後經形成平行光經該出射面輸出。
- 如請求項2所述的光耦合裝置，該光傳輸層由可透光材料所製成。
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