一種基于激光器封裝的硅基光電子芯片的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種基于激光器封裝的硅基光電子芯片，包括TOSA（24）、SIP芯片（25），SIP芯片（25）上設(shè)置有硅波導(dǎo)（26）和凹槽（27），硅波導(dǎo)（26）設(shè)置于SIP芯片（25）與光纖纖芯（2）耦合的端面區(qū)域，TOSA（24）的輸出光纖（23）采用單模光纖，其長(zhǎng)度為5~50mm，單模光纖（23）設(shè)置于凹槽（27）內(nèi)，單模光纖（23）與硅波導(dǎo)（26）對(duì)準(zhǔn)耦合；采用本發(fā)明技術(shù)方案大大簡(jiǎn)化了操作過(guò)程，降低了制作成本和物料成本，本發(fā)明技術(shù)方案工藝成熟，成本低，為硅基光集成芯片提供一種適合大批量生產(chǎn)的激光器封裝方案。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種基于激光器封裝的硅基光電子芯片
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種用于硅基光電子芯片，特別涉及一種激光器封裝的硅基光電子集成芯片，本發(fā)明屬于光子集成器件【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0003]
【背景技術(shù)】
[0004]IC (集成電路)芯片一般由硅片制作，它可以對(duì)電子信號(hào)進(jìn)行各種控制，實(shí)現(xiàn)很多功能，比如電子放大器，邏輯門(mén)電路，驅(qū)動(dòng)(DRIVER)，數(shù)模轉(zhuǎn)化器，DSP (數(shù)字信號(hào)處理)器，CPU (中央處理器)等等。光子信號(hào)是光纖通信的信號(hào)載體，不同于電子信號(hào)，它不能在電線中傳輸，也無(wú)法用IC芯片進(jìn)行處理。目前，人們開(kāi)始用絕緣體上硅(SOI，silicon oninsulator )片來(lái)制作 光芯片,可以集成多種光子功能器件,實(shí)現(xiàn)對(duì)光子信號(hào)的濾波,分束，放大，調(diào)制等多種功能。由于IC和光芯片都可以在SOI片上制作，一些研究機(jī)構(gòu)和公司開(kāi)始研究將IC功能和光芯片功能同時(shí)做在一塊SOI片上，實(shí)現(xiàn)所謂硅基光電子芯片(簡(jiǎn)稱(chēng)SIP芯片，SILICON PHOTONICS的縮寫(xiě))，該芯片既能處理電子信號(hào)，又能同時(shí)處理光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了光電功能器件的體積小，功耗低，成本低的目的。但是和IC芯片比較起來(lái)，光芯片的制作工藝和信號(hào)的輸入輸出方式有很大的不同。
[0005]基于II1- V族材料(如InP、GaAs等)的激光器已經(jīng)大批量生產(chǎn)，其封裝器件如TOSA等作為成熟光源已經(jīng)大量應(yīng)用于光通信等光電領(lǐng)域。同時(shí)SIP芯片中用于傳輸光信號(hào)的SOI波導(dǎo)尺寸越來(lái)越小，甚至縮小到亞微米尺度，波導(dǎo)尺寸與II1- V族激光器或其封裝器件輸出光斑失配嚴(yán)重，因此，SIP芯片的光信號(hào)輸入是一個(gè)亟待解決的難題。
[0006]光電子器件應(yīng)用中，邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器作為光源通常會(huì)封裝成光發(fā)射組件(T0SA Transmitter Optical Subassembly)。SIP 芯片由 SOI 片制作，如圖 3 所不，SOI 片包括頂硅層4、限制層5和襯底層6，限制層5在襯底層6上，頂硅層4在限制層5上，保護(hù)作用的覆蓋層7在頂硅層4上，硅波導(dǎo)8在頂硅層4上，其中硅波導(dǎo)橫截面為亞微米尺寸。TOSA中發(fā)出的光由于發(fā)散角過(guò)大,光斑尺寸大,不能直接與SIP芯片中亞微米娃波導(dǎo)f禹合。TOSA作為光源發(fā)出的光需要通過(guò)光纖與SIP芯片中硅波導(dǎo)耦合，圖2所示為單模光纖截面示意圖，包括光纖包層I和光纖纖芯2，光纖纖芯2直徑為8~10微米。光纖出來(lái)的光發(fā)散角遠(yuǎn)小于邊發(fā)射激光器直接發(fā)出的光，而硅波導(dǎo)通過(guò)模斑轉(zhuǎn)換波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以使硅波導(dǎo)耦合端面模場(chǎng)直徑擴(kuò)大到與光纖纖芯尺寸相當(dāng)，因此光纖與娃波導(dǎo)可以比較好的I禹合。由于TOSA中邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器發(fā)出的是單偏振光，而SIP芯片中功能結(jié)構(gòu)(如調(diào)制器)也需要單偏振光輸入才能正常工作，所以為了保持偏振態(tài)，需采用保偏光纖，圖1所示為熊貓保偏光纖截面示意圖，包括光纖包層1、光纖纖芯2和光纖應(yīng)力區(qū)3。當(dāng)光信號(hào)在單模光纖中傳輸時(shí)，實(shí)際制作光纖的任何非對(duì)稱(chēng)因素以及外在應(yīng)力的加載都將在光纖中引入雙折射效應(yīng)而導(dǎo)致光的畸變，輸出光的偏振狀態(tài)是不穩(wěn)定的。當(dāng)光信號(hào)在保偏光纖中傳輸時(shí)，保偏光纖中在纖芯兩邊引入應(yīng)力區(qū)產(chǎn)生高雙折射效應(yīng)來(lái)對(duì)抗外在應(yīng)力變化的干擾，輸出光的偏振狀態(tài)是穩(wěn)定的。
[0007]SIP芯片在SOI片上制作，光信號(hào)從芯片外部通過(guò)芯片上的硅波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)入芯片內(nèi)部。光信號(hào)一般由半導(dǎo)體激光器發(fā)出，如VCSEL，F(xiàn)P, DFB等，由三五族材料制作。DFB等邊發(fā)射半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光是單偏振，屬于TE模。SIP芯片上的硅波導(dǎo)功能結(jié)構(gòu)，如MZI調(diào)制器等，一般工作在單偏振狀態(tài)。因此，SIP芯片一般是由邊發(fā)射激光器實(shí)現(xiàn)光信號(hào)輸入。
[0008]半導(dǎo)體激光器中發(fā)出的光耦合進(jìn)入SIP芯片一般有兩種方式:直接耦合和間接耦合。直接耦合方式將II1-V發(fā)光材料鍵合到SOI上，或者將DFB芯片直接貼裝到SIP芯片的波導(dǎo)端面，之間不通過(guò)任何光纖，但是直接將II1-V發(fā)光材料鍵合到SOI上或DFB芯片貼裝到SIP芯片的端面，技術(shù)難度大，耦合容差小，器件的長(zhǎng)期可靠性難以保證。間接耦合方式可以將激光器芯片封裝成器件，通過(guò)光纖間接耦合進(jìn)入SIP芯片。普通光纖并不能保持輸出光的偏振模式，所以，要想使光信號(hào)從半導(dǎo)體激光器進(jìn)入SIP芯片而能正常工作，可以在SIP芯片上采用光柵耦合結(jié)構(gòu)保證單模耦合，但一般光柵耦合器與光纖的垂直耦合封裝較困難，光譜較窄，耦合效率較低?；蛘哌B接激光器和SIP芯片采用的光纖為偏振保持光纖，即保偏光纖。保偏光纖一般是所謂熊貓眼光纖，在使用時(shí)需要認(rèn)真對(duì)準(zhǔn)熊貓眼，為保證一定的消光比，一定要將熊貓眼對(duì)的很準(zhǔn)，比如角度偏離可能需要小于3度，導(dǎo)致操作難度大，成品率不能保證，成本高。
[0009]

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷，本發(fā)明提出一種基于激光器封裝的硅基光電子芯片，包括帶尾纖TOSA與SIP芯片，采用常規(guī)的單模光纖與SIP芯片中硅波導(dǎo)耦合。
[0011]本發(fā)明采用的技術(shù)方案是:
一種基于激光器封裝的硅基光電子芯片，包括TOSA、SIP芯片，SIP芯片上設(shè)置有硅波導(dǎo)和凹槽，硅波導(dǎo)設(shè)置于SIP芯片與光纖纖芯耦合的端面區(qū)域，TOSA的輸出光纖采用單模光纖，其長(zhǎng)度為5~50mm，單模光纖設(shè)置于凹槽內(nèi)，單模光纖與硅波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)耦合。
[0012]所述單模光纖的長(zhǎng)度為5~20mm。
[0013]所述硅波導(dǎo)采用模斑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。
[0014]所述單模光纖與硅波導(dǎo)的耦合間距為10-30微米，該耦合間距中設(shè)置有折射率匹配液。
[0015]所述凹槽內(nèi)設(shè)置有固定單模光纖的固化膠。
[0016]所述模斑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是倒錐結(jié)構(gòu)或者正錐結(jié)構(gòu)。
[0017]所述凹槽上設(shè)置有對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。
[0018]所述凹槽是V型槽。
[0019]本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果:
本發(fā)明這種硅基光電子芯片采用很短單模光纖的帶尾纖TOSA與SIP芯片中硅波導(dǎo)耦合封裝，利用現(xiàn)有激光 器封裝形式和單模光纖，采用常規(guī)的單模光纖替代保偏光纖，在連接激光器和SIP芯片時(shí)，不需要保證光纖的軸向角度對(duì)準(zhǔn)的問(wèn)題，大大簡(jiǎn)化了操作過(guò)程，降低了制作成本和物料成本。本發(fā)明技術(shù)方案工藝成熟，成本低，為硅基光集成芯片提供一種適合大批量生產(chǎn)的激光器封裝方案。
[0020]
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0021]圖1是現(xiàn)有技術(shù)熊貓保偏光纖截面示意圖；
圖2是現(xiàn)有技術(shù)單模光纖截面示意圖；
圖3是現(xiàn)有技術(shù)SIP芯片中硅波導(dǎo)截面示意圖；
圖4是現(xiàn)有技術(shù)保偏光纖的偏振狀態(tài)隨軸向距離的示意圖；
圖5是現(xiàn)有技術(shù)長(zhǎng)距離單模光纖的偏振狀態(tài)隨軸向的變化示意圖；
圖6是本發(fā)明短距離單模光纖的偏振狀態(tài)隨軸向的變化示意圖；
圖7是本發(fā)明帶短單模光纖尾纖的TOSA與SIP芯片連接的示意圖； 圖8是本發(fā)明單模光纖與硅波導(dǎo)連接的示意圖；
其中:
1:光纖包層；2:光纖纖芯；
3:光纖應(yīng)力區(qū)；4:頂硅層；
5:限制層；6:襯底層；
7:覆蓋層；8:硅波導(dǎo)；
9:熊貓保偏光纖；
10:邊發(fā)射激光器發(fā)出的線偏振光；
I1:光纖軸向上以原偏振模式傳輸；
12:光纖軸向上以垂直于原偏振模式傳輸；
13:保偏光纖輸出光基本保持原偏振態(tài)；
14:長(zhǎng)單模光纖輸出光隨機(jī)偏振態(tài)；
15:短單模光纖輸出光基本保持原偏振態(tài)；
16:單模光纖；
17:T0 ；18:支架；
19:隔離器；20:外套；
21:管殼；22:帶涂覆層尾纖；
23:光纖；24: TOSA ；
25=SIP芯片；26:娃波導(dǎo)；
27:凹槽；28:折射率匹配液；
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖和具體實(shí)例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0023]如圖7所示，帶尾纖的TOSA 24作為光源與SIP芯片25耦合。帶尾纖的TOSA 24結(jié)構(gòu)包括TO 17、支架18、隔離器19、外套20、管殼21、帶涂覆層尾纖22、光纖23。Τ017中的激光器為邊發(fā)射激光器，如DFB等構(gòu)形。帶尾纖的TOSA 24可以為現(xiàn)有成熟的激光器封裝形式，也可以更改尺寸適用于SFP等模塊形式。TOSA 24輸出光纖23采用單模光纖，其長(zhǎng)度為5~20mm。
[0024]SIP芯片25采用CMOS工藝在SOI頂硅層表面制作光子功能結(jié)構(gòu)和微電子集成電路，光子功能結(jié)構(gòu)為硅基光波導(dǎo)器件，可包括波導(dǎo)，調(diào)制器，濾波器，復(fù)用器，探測(cè)器等，微電子集成電路可包括電子放大器，邏輯門(mén)電路，驅(qū)動(dòng)電路，數(shù)字信號(hào)處理器等。SIP芯片25可實(shí)現(xiàn)除光源外所用光電子器件的集成。如圖8所示，SIP芯片25與光纖耦合部分包括有硅波導(dǎo)26和凹槽27,娃波導(dǎo)26設(shè)置于SIP芯片25稱(chēng)合端面區(qū)域與光纖纖芯2稱(chēng)合,娃波導(dǎo)
26采用模斑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在耦合端面形成與單模光纖纖芯尺寸大小相當(dāng)?shù)哪０叱叽?，以便更好地?shí)現(xiàn)單模光纖與硅波導(dǎo)26的耦合。模斑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是一種將波導(dǎo)中亞微米的模斑尺寸變大到光纖纖芯尺寸大小相當(dāng)。這個(gè)結(jié)構(gòu)是現(xiàn)有技術(shù)存在的，包括有倒錐結(jié)構(gòu)、正錐結(jié)構(gòu)等。SIP芯片25上通過(guò)刻蝕或腐蝕得到用于對(duì)準(zhǔn)和支撐的凹槽27，凹槽27設(shè)置硅波導(dǎo)26的一偵牝光纖23放在凹槽27上與硅波導(dǎo)26端面耦合，凹槽27上設(shè)置對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記，或者凹槽27采用V型槽，但不限于V型槽的其它定位裝置結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)的定位裝置或者對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記用于光纖23與硅波導(dǎo)26的無(wú)源或有源對(duì)準(zhǔn)耦合。[0025]本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的技術(shù)原理具體如下:當(dāng)邊發(fā)射激光器發(fā)出的光進(jìn)入單模光纖并進(jìn)行傳輸時(shí)，光的偏振狀態(tài)隨著傳輸距離而隨機(jī)變化:當(dāng)單模傳輸光纖的距離很長(zhǎng)時(shí)，如數(shù)米，輸出光的偏振狀態(tài)不穩(wěn)定，如圖5所不,邊發(fā)射激光器發(fā)出的線偏振光10,在單纖光纖16中將隨機(jī)在光纖軸向上以原偏振模式傳輸11和光纖軸上以垂直于原偏振模式傳輸12,長(zhǎng)單模光纖輸出光為隨機(jī)偏振態(tài)14。圖4顯不的熊貓保偏光纖由于光纖應(yīng)力區(qū)3的存在,保偏光纖輸出光基本保持原偏振態(tài)13。當(dāng)單模光纖的長(zhǎng)度很短時(shí)，從激光器發(fā)出的單偏振光在很短的單模光纖里傳輸時(shí)，如數(shù)十毫米，其偏振狀態(tài)基本保持不變，如圖6所示，短單模光纖輸出光基本保持原偏振態(tài)15。其實(shí)，光在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖在制造過(guò)程中的工藝，使用過(guò)程中的外部應(yīng)力和彎曲等原因，導(dǎo)致光纖本身的不完美和不均勻應(yīng)力的存在，如折射率分布不均勻，局部應(yīng)力的存在，本來(lái)圓形的芯可能局部存在橢圓的情況等。這些內(nèi)外原因，導(dǎo)致沿光纖軸線方向的雙折射現(xiàn)象，使得光的偏振狀態(tài)不穩(wěn)定。如果單模光纖的距離很短，且又不彎曲，保持直線，那么外部應(yīng)力影響很小，光纖軸線向雙折射效應(yīng)大大減弱，可以保持光的偏振狀態(tài)穩(wěn)定。
[0026]本發(fā)明提供一種硅基光電子芯片，采用帶尾纖的T0SA，尾纖為很短的單模光纖，單模光纖與SIP芯片中硅波導(dǎo)耦合，本發(fā)明硅基光集成芯片具有性能良好，操作方便的激光器封裝結(jié)構(gòu)。
[0027]半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光通過(guò)TOSA尾纖與硅波導(dǎo)26耦合進(jìn)入SIP芯片25，本發(fā)明TOSA尾纖采用單模光纖在長(zhǎng)度5~50mm時(shí)可以保持偏振態(tài)，其中采用長(zhǎng)度為5~20mm時(shí)，效果較好。單模光纖長(zhǎng)度小，由于光纖自身非對(duì)稱(chēng)引起的應(yīng)力累積小，輸出光保持比較穩(wěn)定的偏振狀態(tài)。
[0028]光纖23設(shè)置于SIP芯片25的凹槽27內(nèi)，光纖23與硅波導(dǎo)26對(duì)準(zhǔn)耦合，凹槽27對(duì)光纖23支撐,光纖不彎曲,保持直線,外部應(yīng)力影響小。單模光纖23與娃波導(dǎo)26端面端面約10-30微米間距，加入折射率匹配液28，以利于耦合。在SIP芯片上的凹槽27內(nèi)加固化膠，進(jìn)行光纖和硅波導(dǎo)耦合的固定封裝。
[0029]如圖6所示，采用本發(fā)明技術(shù)方案后，短距離單模光纖的輸出偏振狀態(tài)基本保持不變，耦合進(jìn)入SIP芯片滿(mǎn)足其對(duì)偏振的需求。[0030]以上所說(shuō)實(shí)施例僅是為充分說(shuō)明本發(fā)明而所舉的較佳的實(shí)施例，本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于此。本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明基礎(chǔ)上所作的等同替代或變換，均在本發(fā)明保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書(shū)為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于激光器封裝的娃基光電子芯片，其特征在于:包括TOSA (24)、SIP芯片(25), SIP芯片(25)上設(shè)置有硅波導(dǎo)(26)和凹槽(27)，硅波導(dǎo)(26)設(shè)置于SIP芯片(25)與光纖纖芯(2)稱(chēng)合的端面區(qū)域,TOSA (24)的輸出光纖(23)米用單模光纖,其長(zhǎng)度為5~50mm,單模光纖(23)設(shè)置于凹槽(27)內(nèi)，單模光纖(23)與娃波導(dǎo)(26)對(duì)準(zhǔn)f禹合。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光器封裝的娃基光電子芯片，其特征在于:所述單模光纖(23)的長(zhǎng)度為5~20mm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于激光器封裝的娃基光電子芯片，其特征在于:所述硅波導(dǎo)(26)采用模斑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種基于激光器封裝的娃基光電子芯片,其特征在于:所述單模光纖(23)與硅波導(dǎo)(26)的耦合間距為10-30微米，該耦合間距中設(shè)置有折射率匹配液(28)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種基于激光器封裝的娃基光電子芯片,其特征在于:所述凹槽(27)內(nèi)設(shè)置有固定單模光纖(23)的固化膠。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種基于激光器封裝的娃基光電子芯片,其特征在于:所述模斑轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是倒錐結(jié)構(gòu)或者正錐結(jié)構(gòu)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種基于激光器封裝的娃基光電子芯片,其特征在于:所述凹槽(27)上設(shè)置有對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或 2或3所述的一種基于激光器封裝的娃基光電子芯片,其特征在于:所述凹槽(27)是V型槽。
【文檔編號(hào)】H01S5/026GK103944060SQ201410197515
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年5月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月12日
【發(fā)明者】馬衛(wèi)東, 熊康, 宋瓊輝 申請(qǐng)人:武漢光迅科技股份有限公司