專利名稱：硅光子集成高速光通信收發(fā)模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
硅光子集成高速光通信收發(fā)模塊技術(shù)領(lǐng)域[0001]本實用新型涉及光子集成、光通信收發(fā)模塊和光纖通信，特別是應(yīng)用于高速光通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，采用硅光子集成技術(shù)實現(xiàn)高速、集成化、低功耗的光通信收發(fā)模塊。
背景技術(shù)：
[0002] 近年來網(wǎng)絡(luò)流量急速增長，主要來自于云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)視頻、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用急劇膨脹，這也直接導(dǎo)致了全球光纖通信行業(yè)向著高度集成化和低功耗的方向發(fā)展，作為光纖通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)，如何實現(xiàn)集成化的小尺寸、低功耗、低成本光通信收發(fā)模塊 (以下簡稱“光模塊”)成為了當(dāng)前市場的直接和迫切需求。[0003]借鑒于大規(guī)模集成電路的發(fā)展路線，目前國外正在開展研究將有源器件(例如激光器、光放大器、探測器和調(diào)制器等)和光波導(dǎo)器件(例如分光/耦合器等)集成到一個襯底上，形成光子單片集成或光子混合集成，從而獲得單片多功能的器件，實現(xiàn)類似大規(guī)模集成電路的優(yōu)點低成本、小尺寸、低功耗、靈活擴(kuò)展和高可靠性等。目前硅光子集成技術(shù)被業(yè)界認(rèn)為是最有前景的光子集成技術(shù)，采用硅光子集成技術(shù)可以將微電子和光電子結(jié)合起來， 構(gòu)成娃基光電混合集成芯片和器件，可充分發(fā)揮娃基微電子先進(jìn)成熟的工藝技術(shù)、高度集成化、低成本等的優(yōu)勢，具有廣泛的市場前景。[0004]硅光子集成工藝與微電子標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝兼容性好，不僅可以大大降低成本，還可集成娃基微電子電路。娃光子集成通常采用Silicon-on-1nsulator (SOI)材料形成的光波導(dǎo)，其光波導(dǎo)由Si芯層和Si02包層形成，其間較大的折射率差異對光場有很強(qiáng)的限制作用，從而可實現(xiàn)小到微米量級的波導(dǎo)彎曲半徑，從而為小型化和高密度集成化提供了實現(xiàn)的基礎(chǔ)。發(fā)明內(nèi)容[0005]本實用新型的目的在于針對上述迫切的市場需求，基于先進(jìn)的硅光子集成技術(shù)， 提供一種高密度集成、低功耗的硅光子集成高速光通信收發(fā)模塊，突破了當(dāng)前市場上的光模塊需要先單獨將光芯片封裝成光器件，再裝配到光模塊結(jié)構(gòu)件中。采用本實用新型的技術(shù)，可直接將多種功能光芯片與相應(yīng)需要的外圍支持電路芯片集成在硅襯底上，極大減小了當(dāng)前光模塊的尺寸、功耗和成本，易于批量生產(chǎn)，也直接降低了生產(chǎn)成本。[0006]本實用新型采用的技術(shù)方案[0007]娃光子集成高速光通信收發(fā)模塊，包括光發(fā)射部分、光接收部分和娃襯底、光纖， 其特征在于光發(fā)射部分、光接收部分均安裝在同一硅襯底上，光發(fā)射部分的輸出端和光接收部分的輸入端通過光纖與外部光通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互連互通。[0008]所述的光發(fā)射部分包括至少一個激光器、至少一個硅調(diào)制器、一個光波分復(fù)用芯片、至少一個硅光波導(dǎo)、一根光纖，每個激光器的輸出端通過一個硅調(diào)制器和一個硅光波導(dǎo)與光波分復(fù)用芯片的輸入端相連，光波分復(fù)用芯片的輸出端通過光纖輸出。[0009]所述的光發(fā)射部分還包括驅(qū)動電路芯片，驅(qū)動電路芯片分別與激光器的光增益芯片和硅調(diào)制器相連。[0010]所述的激光器由光增益芯片、娃光波導(dǎo)、娃反射鏡、娃微環(huán)諧振芯片組成，當(dāng)光增益芯片發(fā)出的光進(jìn)入到娃光波導(dǎo)，一部分光會進(jìn)入到娃微環(huán)諧振芯片形成光濾波器，一部分光通過硅反射鏡，通過硅反射鏡的光作為種子光反射回到光增益芯片中形成激光振蕩， 即光增益芯片和硅反射鏡形成振蕩腔。[0011]所述的硅調(diào)制芯片由1X2多模(麗)干涉儀、硅光波導(dǎo)、硅延遲線、兩個硅相移芯片、2XmM干涉儀組成，輸入直流光與1X2多模(麗)干涉儀相連，1X2多模(麗)干涉儀二個輸出端分別連接硅光波導(dǎo)和硅延遲線，硅光波導(dǎo)和硅延遲線分別通過一硅相移芯片與 2X1MM干涉儀相連并輸出調(diào)制光。[0012]所述的硅相移芯片由硅波導(dǎo)層、二氧化硅層和硅襯底組成，硅襯底上依次為二氧化娃層、娃波導(dǎo)層。所述的光接收部分包括至少一個限制放大電芯片、至少一個變阻放大電芯片、至少一個光電探測芯片、一個光解復(fù)用芯片、至少一個硅光波導(dǎo)、光纖，光纖與光解復(fù)用芯片的輸入端相連，光解復(fù)用芯片的輸出端分別與各娃光波導(dǎo)相連，光解復(fù)用芯片分別與各光電探測芯片的輸入端相連，每個光電探測芯片的輸出端分別依次對應(yīng)一變阻放大電芯片和一個限制放大電芯片。[0014]所述的光接收部分還包括一光放大器，光放大器連接在光纖與光解復(fù)用芯片的輸入端之間。[0015]本實用新型采用硅光子集成技術(shù)可以將微電子和光電子結(jié)合起來構(gòu)成硅光子集成高速光通信收發(fā)模塊，可充分發(fā)揮硅基微電子先進(jìn)成熟的工藝技術(shù)、高度集成化、低成本等的優(yōu)勢，具有廣泛的市場前景。采用光增益芯片、硅微環(huán)諧振芯片、硅反射鏡實現(xiàn)的激光發(fā)射，具有高密度集成、靈活配置激射波長等優(yōu)點，可實現(xiàn)緊湊的陣列多波長發(fā)射。


[0016]圖1為本實用新型的硅光子集成高速光模塊的結(jié)構(gòu)框圖。[0017]圖1 一 I為本實用新型的半導(dǎo)體探測器安裝結(jié)構(gòu)示意圖。[0018]圖1 一 2為本實用新型的光增益芯片嵌入固結(jié)在硅襯底上結(jié)構(gòu)示意圖。[0019]圖2為本實用新型采用光增益芯片實現(xiàn)激光發(fā)射的仿真結(jié)果示意圖。[0020]圖3為本實用新型采用MZ干涉儀實現(xiàn)的硅調(diào)制芯片結(jié)構(gòu)示意圖。[0021]圖3 — I為硅相移芯片結(jié)構(gòu)示意圖。[0022]圖4為本實用新型的采用微環(huán)諧振芯片實現(xiàn)的硅調(diào)制芯片結(jié)構(gòu)示意圖。[0023]圖4 一 I為外部調(diào)制信號源結(jié)構(gòu)示意圖。[0024]圖5為采用硅光子集成實現(xiàn)高速光模塊的一個具體實例。
具體實施方式
[0025]為了使本實用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，
以下結(jié)合附圖及實施例，對本實用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。[0026]如圖1所示，單片集成或混合集成多個不同功能的芯片在同一硅襯底100上。首先說明光發(fā)射部分的原理。圖1以光增益芯片110形成的激光器109為例，當(dāng)光增益芯片發(fā)出的光進(jìn)入到硅光波導(dǎo)111，一部分光會進(jìn)入到硅微環(huán)諧振芯片113形成的光濾波器，這個光濾波器會選擇性地將所需波長濾出，一部分光通過硅反射鏡112，作為種子光反射回到光增益芯片110中，形成激光振蕩，即1光增益芯片10和硅反射鏡112形成振蕩腔，硅微環(huán)諧振芯片113作為光濾波器，實現(xiàn)激光振蕩激射。通過改變硅微環(huán)諧振芯片113的尺寸大小，可實現(xiàn)不同波長的激光，圖1舉例展示了通過四組激光器109實現(xiàn)的四個不同激射波長λ η λ 2、λ 3、λ 4,這四個不同激射波長λ η λ 2、λ 3、入4分別經(jīng)過一娃調(diào)制器114調(diào)制并加入所需信息，通過四個硅光波導(dǎo)116進(jìn)入到同一光波分復(fù)用芯片115，實現(xiàn)將四個不同波長信號光復(fù)用到一個硅光波導(dǎo)內(nèi)，最后將光信號直接耦合到定位于硅襯底100的V型槽 107中的光纖108，作為光發(fā)射輸出。圖1中以四組不同波長信號光為例，如果每組信號光的帶寬為10G，從而可實現(xiàn)傳輸40G信息的目的；如果設(shè)計N組不同波長信號光，每組信號光帶寬為10G，就能實現(xiàn)NXlOG的帶寬輸出，其中N為不等于零的自然數(shù)。另外，作為光增益芯片110和硅調(diào)制器114的驅(qū)動電路芯片117，可采用標(biāo)準(zhǔn)硅CMOS技術(shù)得以實現(xiàn)并可和以上光芯片集成在同一硅襯底上。由光增益芯片嵌入固結(jié)在硅襯底上，并直接光耦合到由二氧化硅芯層和二氧化硅包層實現(xiàn)的光波導(dǎo)內(nèi)，如圖1 一 2所示。[0027]對于光接收部分，來自光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的入射光通過位于硅襯底100的V型槽107中的光纖108進(jìn)入到本實用新型的光模塊，基于不同應(yīng)用，可以通過一個光放大器106將入射光放大或無需使用106，再進(jìn)入到光解復(fù)用芯片104中，入射光信號解復(fù)用后輸出不同的波長到不同硅光波導(dǎo)105，圖1中以四組不同入射波長λ” λ2、λ3、λ4為例，每個入射波長進(jìn)入到一光電探測芯片103中轉(zhuǎn)為電信號輸出，然后分別經(jīng)過一變阻放大電芯片(TIA) 102和一限制放大電芯片(LA) 101整形放大后作為接收電信號輸出。考慮到不同光電探測器103類型，以面接收光電探測器為例，說明了接收部分的材料結(jié)構(gòu)圖由二氧化硅芯層和二氧化硅包層實現(xiàn)的光波導(dǎo)將入射信號光導(dǎo)入到光模塊中，然后經(jīng)過一個45度金屬反射鏡將入射光反射到面接收半導(dǎo)體探測器中，如圖1 一 I所示。同樣，與發(fā)射部分類似，如果設(shè)計N組不同波長入射信號光，每組信號光帶寬為10G，采用這一方案，同樣能夠支持NXlOG 的帶寬輸入，其中N為不等于零的自然數(shù)。[0028]圖2通過光學(xué)仿真進(jìn)一步說明圖1中采用光增益芯片實現(xiàn)激光芯片109的工作原理圖2中200表示圖1中實現(xiàn)的激光芯片109，由光增益芯片201、硅光波導(dǎo)202、硅微環(huán)諧振芯片203以及硅反射鏡204組成，通過改變硅微環(huán)諧振芯片203的尺寸，采用本實用新型這一模塊可以實現(xiàn)四組不同粗波分復(fù)用(CWDM)波長的激射波長輸出，包括1271nm、 1291nm、1311nm和1331nm四組波長和相應(yīng)光譜。在目前40G和100G以太網(wǎng)光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)客戶端中，要求采用四組CWDM波長光復(fù)用形成40G和100G的信號光，因此，本實用新型這一模塊可應(yīng)用到40G和100G的光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中。[0029]圖3和圖4舉例說明了實現(xiàn)圖1中娃調(diào)制芯片114的兩種結(jié)構(gòu)，實際情況中并不僅限于這兩種結(jié)構(gòu)實現(xiàn)硅調(diào)制芯片114，這里只是舉例說明而已。圖3說明了采用馬涉曾德(MZ)干涉儀實現(xiàn)的硅調(diào)制芯片的結(jié)構(gòu)，所述的硅調(diào)制芯片由1X2多模(MM)干涉儀300、硅光波導(dǎo)301、硅延遲線304、兩個硅相移芯片302、2X1MM干涉儀303組成，輸入直流光與1X2 多模(MM)干涉儀300相連，1X2多模(MM)干涉儀300 二個輸出端分別連接硅光波導(dǎo)301和硅延遲線304，硅光波導(dǎo)301和硅延遲線304分別通過一硅相移芯片302與2ΧΒΜ干涉儀303相連并輸出調(diào)制光。進(jìn)一步，硅相移芯片302結(jié)構(gòu)包括了硅波導(dǎo)層308、二氧化硅層307 以及硅襯底306，如圖3-1所示。輸入直流光經(jīng)過1X2多模(MM)干涉儀300后分成兩束同相位、等功率的光束并沿兩個分支傳播，在經(jīng)過調(diào)制區(qū)時，由于載流子注入改變了調(diào)制器一個臂的光學(xué)常數(shù)，使該波導(dǎo)上的光束相位發(fā)生改變，在2X1MM干涉儀303處兩光束干涉，發(fā)生振幅的疊加或相消，這樣，通過調(diào)制光傳輸?shù)膬杀壅凵渎什钜哉{(diào)節(jié)相對相位，可以形成相干或相消最終達(dá)到光調(diào)制的效果，實現(xiàn)輸出調(diào)制光。[0030]圖4中采用了微環(huán)諧振芯片實現(xiàn)硅調(diào)制器400的結(jié)構(gòu)，由硅光直波導(dǎo)401、具有波長選擇功能的硅微環(huán)諧振芯片403、p+摻雜404 (內(nèi)部)和η+摻雜402 (外部)形成的電極組成，可通過外部調(diào)制信號源405實現(xiàn)調(diào)制功能，其具體的材料結(jié)構(gòu)如圖4 -1所示。微環(huán)諧振芯片403的內(nèi)部404和外部402形成了電極結(jié)構(gòu)，用于注入載流子當(dāng)加調(diào)制信號時，“I”電平會導(dǎo)致硅光直波導(dǎo)401的一端輸入直流光直接通過401，從另一端輸出；“O” 電平時，401中的光被I禹合進(jìn)403中，401輸出端將無光輸出，這樣形成了輸出調(diào)制光。如 406所示，該方法采用了高折射率差結(jié)構(gòu)，不僅可以保證小尺寸，并且可以實現(xiàn)開關(guān)速度的提聞，即聞?wù){(diào)制速度。[0031]本實用新型以單個激光器和單個探測器為例，提供了一個硅光子集成實現(xiàn)光模塊的具體方案，如圖5所示。類似的方案也可應(yīng)用于可采用激光器和探測器陣列，實現(xiàn)更高速的光模塊，如圖5所不。圖5中的標(biāo)識了整個方案,包括一個光增益芯片507、一個微環(huán)諧振芯片509、一個硅反射鏡508、一個硅調(diào)制芯片(511、512、513)、一個硅探測器504、一個光增益芯片驅(qū)動電芯片507以及接收電芯片501，全部集成在同一個硅襯底上。對于集成化的光模塊發(fā)射部分(506、508、509)實現(xiàn)的激光發(fā)射輸出到硅光波導(dǎo)510內(nèi)，進(jìn)入到硅調(diào)制芯片獲得光信號調(diào)制。為了實現(xiàn)與光纖更高的光耦合效率，從硅調(diào)制芯片輸出的調(diào)制光通過一個光模式變化芯片514，把其輸出光模場能夠與光纖515匹配上，實現(xiàn)更高的光耦合效率。對于接收部分，輸入信號光從光纖505進(jìn)入到光電探測芯片504后,輸出的電信號經(jīng)過電波導(dǎo)502進(jìn)入到接收電芯片501后，最終形成電調(diào)制信號輸出。[0032]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實用新型專利的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.硅光子集成高速光通信收發(fā)模塊，包括光發(fā)射部分、光接收部分和硅襯底、光纖，其特征在于光發(fā)射部分、光接收部分均安裝在同一硅襯底上，光發(fā)射部分的輸出端和光接收部分的輸入端通過光纖與外部光通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互連互通。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅光子集成高速光通信收發(fā)模塊，其特征在于所述的光發(fā)射部分包括至少一個激光器、至少一個硅調(diào)制器、一個光波分復(fù)用芯片、至少一個硅光波導(dǎo)、一根光纖，每個激光器的輸出端通過一個娃調(diào)制器和一個娃光波導(dǎo)與光波分復(fù)用芯片的輸入端相連，光波分復(fù)用芯片的輸出端通過光纖輸出。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅光子集成高速光通信收發(fā)模塊，其特征在于還包括驅(qū)動電路芯片，驅(qū)動電路芯片分別與激光器的光增益芯片和硅調(diào)制器相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的硅光子集成高速光通信收發(fā)模塊，其特征在于所述的激光器由光增益芯片、娃光波導(dǎo)、娃反射鏡、娃微環(huán)諧振芯片組成，當(dāng)光增益芯片發(fā)出的光進(jìn)入到硅光波導(dǎo)，一部分光會進(jìn)入到硅微環(huán)諧振芯片形成光濾波器，一部分光通過硅反射鏡，通過硅反射鏡的光作為種子光反射回到光增益芯片中形成激光振蕩，即光增益芯片和硅反射鏡形成振蕩腔。
5.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的硅光子集成高速光通信收發(fā)模塊，其特征在于所述的硅調(diào)制芯片由1X2多模(MM)干涉儀、硅光波導(dǎo)、硅延遲線、兩個硅相移芯片、2X1MM干涉儀組成，輸入直流光與1X2多模(MM)干涉儀相連，1X2多模(MM)干涉儀二個輸出端分別連接硅光波導(dǎo)和硅延遲線，硅光波導(dǎo)和硅延遲線分別通過一硅相移芯片與2X1MM干涉儀相連并輸出調(diào)制光。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅光子集成高速光通信收發(fā)模塊，其特征在于所述的硅相移芯片由娃波導(dǎo)層、二氧化娃層和娃襯底組成，娃襯底上依次為二氧化娃層、娃波導(dǎo)層。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的硅光子集成高速光通信收發(fā)模塊，其特征在于所述的光接收部分包括至少一個限制放大電芯片、至少一個變阻放大電芯片、至少一個光電探測芯片、一個光解復(fù)用芯片、至少一個硅光波導(dǎo)、光纖，光纖與光解復(fù)用芯片的輸入端相連，光解復(fù)用芯片的輸出端分別與各硅光波導(dǎo)相連，光解復(fù)用芯片分別與各光電探測芯片的輸入端相連，每個光電探測芯片的輸出端分別依次對應(yīng)一變阻放大電芯片和一個限制放大電芯片。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的硅光子集成高速光通信收發(fā)模塊，其特征在于所述的光接收部分還包括一光放大器，光放大器連接在光纖與光解復(fù)用芯片的輸入端之間。
專利摘要本實用新型涉及一種硅光子集成高速光通信收發(fā)模塊，包括光發(fā)射部分、光接收部分和硅襯底、光纖，其特征在于光發(fā)射部分、光接收部分均安裝在同一硅襯底上，光發(fā)射部分的輸出端和光接收部分的輸入端通過光纖與外部光通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)互連互通。本實用新型采用硅光子集成技術(shù)可以將微電子和光電子結(jié)合起來構(gòu)成硅光子集成高速光通信收發(fā)模塊，可充分發(fā)揮硅基微電子先進(jìn)成熟的工藝技術(shù)、高度集成化、低成本等的優(yōu)勢，具有廣泛的市場前景。采用光增益芯片、硅微環(huán)諧振芯片、硅反射鏡實現(xiàn)的激光發(fā)射，具有高密度集成、靈活配置激射波長等優(yōu)點，可實現(xiàn)緊湊的陣列多波長發(fā)射。
文檔編號H04B10/25GK202872791SQ20122045737
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月10日
發(fā)明者胡朝陽, 余燾, 石章如 申請人:胡朝陽, 余燾, 石章如