Fiber optic pigtailing and packaging of photonic integrated circuits

Abstract

This work studies a coupling method and resulting coupling losses of a photonics module composed of a silicon-on-insulator (SOI) photonic integrated circuit, a 16-channel single mode fiber array and a spot size converter chip. The converter chip is used to optimize the coupling efficiency between the fiber array and the SOI circuit by matching the mode field diameter of the fiber array to that of the SOI circuit. The SOI circuit has multiple 180° loop waveguides to facilitate active alignment by optical loss measurements through edge coupling during assembly. The SOI circuit is attached to a copper plate with a printed circuit board.

The input and output couplings of the converter chip were made up using the active alignment method, a 1536 nm super luminescent light emitting diode (SLED) as a light source, an ultraviolet light curable adhesive and a computer controlled high precision alignment and assembly station. As a result, light travels through the fiber array and the spot size converter to the 180° optical loops on the SOI circuit and after that back to the fiber array through the spot size converter. The goal of this work was coupling loss of less than 4.5 decibels measured through a loop of the finished module. The coupling losses of the best and worst loops of the module were measured to be 4.4 dB and 7.9 dB, respectively. Possible reasons for the high coupling loss difference between the loops were concluded to be the inaccuracy in the waveguide facet polishing angles on the spot size converter chip, worn-out fiber connector and misalignment caused by the shrinking of the adhesive during curing.

Tässä työssä tutkitaan kytkentämenetelmää ja siitä aiheutuvia kytkentähäviöitä fotoniikkamoduulissa, joka koostuu integroidusta silicon-on-insulator (SOI) piiristä, 16-kanavaisesta yksimuotokuiturivistä ja spottikoon muunninsirusta. Muunninsirua käytetään optimoimaan kuiturivin ja SOI-piirin välinen kytkentätehokkuus sovittamalla kuiturivin kuiduissa ja SOI-piirissä etenevät muotokentät toisiinsa. SOI-piirissä on useita 180 asteen silmukkavalokanavia, jotka helpottavat aktiivista kohdistusta optisen häviömittauksen avulla kokoonpanon aikana. SOI-piiri on kiinnitetty kuparilevyyn piirilevyn kanssa.

Muunninsirun tulo- ja lähtökytkennät tehtiin käyttämällä aktiivista kohdistusmenetelmää, valonlähteenä 1536 nm:n superluminesenssi lediä (SLED), ultraviolettivalolla kovettuvaa liimaa sekä tietokoneohjattua erittäin tarkkaa kohdistus- ja kokoonpanoasemaa. Tämän seurauksena valo kulkee kuiturivin ja muunninsirun läpi SOI-piirin 180° optisiin silmukoihin ja sen jälkeen takaisin kuituriviin muunninsirun kautta. Tämän työn tavoitteena oli alle 4,5 desibelin kytkentähäviö mitattuna valmiin moduulin silmukasta. Moduulin parhaan ja huonoimman silmukan kytkentähäviöiksi mitattiin 4,4 dB ja 7,9 dB. Mahdollisia syitä silmukoiden väliseen suureen kytkentähäviöeroon pääteltiin olevan epätarkkuudet muunninsirun valokanavien päiden kiillotuskulmissa, kulunut kuituliitin ja liiman kutistumisesta kovettumisen aikana aiheutunut kohdistusvirhe.