CN101449491B - 用于混合集成1xn dwdm发射机的方法和系统 - Google Patents

用于混合集成1xn dwdm发射机的方法和系统 Download PDF

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Abstract

一种集成的DWDM发射机装置，包括位于第一支撑部件上的硅基二氧化硅衬底。硅基二氧化硅衬底包括位于硅衬底上的二氧化硅层。第一支撑部件的热膨胀系数和硅衬底的热膨胀系数基本上匹配。光复用器位于二氧化硅层内，并包括多个输入波导和至少一个输出波导。此外，该装置包括连接至第一支撑部件的侧表面的第二支撑部件。一个或多个半导体激光器阵列芯片位于第二支撑部件上。所述一个或多个半导体芯片的热膨胀系数和所述第二支撑部件的热膨胀系数基本上匹配。此外，所述一个或多个激光器阵列芯片的每一个均包括一个或多个激光器，每个激光器光耦合所述多个输入波导中相应的一个。

Description

用于混合集成1XN DWDM发射机的方法和系统
技术领域
本发明涉及光纤传输系统。更具体地，本发明提供用于集成氮化铝基台(submount)上的若干个半导体(例如InP)激光器/调制器芯片与二氧化硅/硅阵列波导光栅(AWG)的方法和系统。本发明仅以示例的方式用于波长复用发射机阵列。但是，应该理解，本发明有更广泛的应用。
背景技术
密集波分复用(DWDM)技术自90年代中期投入使用以来，已成为用于所有长距离和区域骨干传输网的主要技术，并且正逐步进入城域网。随着该技术日趋成熟，制造这种系统及相关部件的成本逐步降低。目前，价格瓶颈转移至单个光学元件的封装成本，如激光器、调制器和复用/解复用滤波器等的封装。
目前，DWDM传输系统中的光学元件是单独封装的。这些元件(如10G发射机)的封装成本成为瓶颈，阻止了价格进一步降低。例如，裸分布式反馈(DFB)激光器芯片的成本仅为几美元，而封装后的DFB售价为几百美元。因而，DWDM系统的销售商为了具有竞争力，希望消除该价格瓶颈，使得在光学元件制造中可以不那么关注封装成本。
在传统DWDM传输系统中，每个光学元件都是独立封装的，无论是激光器还是复用滤波器。例如，在包括激光器、调制器(或集成的激光器/调制器)和接收机的发射机/接收机模块周围制造的线卡。激光器通常是蝶形封装内的磷化铟(InP)芯片。线卡的光学输出通过波长复用器与不同波长的其他线卡结合，波长复用器通常包括由硅基二氧化硅制造的阵列波导光栅(AWG)。这些线卡利用光纤跳接器与复用器卡相连，组合后的光输出被放大，然后进入光纤网络。
虽然这些传统的DWDM系统在某些领域很有用，但许多缺点限制了它们在更广泛应用上的有效性。下文对一些缺点进行讨论，并且提出基于本发明实施例的改进技术。
发明内容
本发明涉及光纤传输系统。具体而言，本发明提供了用于集成氮化铝基台上的若干个半导体(InP)激光器/调制器芯片与二氧化硅/硅AWG的方法和系统。本发明仅以示例的方式用于波长复用发射机阵列。但是，应该理解，本发明有更广泛的应用。
根据本发明的一个具体实施例，集成的DWDM发射机装置包括第一支撑部件和位于所述第一支撑部件上的硅基二氧化硅衬底。所述硅基二氧化硅衬底包括位于硅衬底上的二氧化硅层。所述第一支撑部件的热膨胀系数和所述硅衬底的热膨胀系数基本上匹配。该装置还包括位于所述二氧化硅层内的光复用器，其包括多个输入波导和至少一个输出波导。此外，该装置包括连接至所述第一支撑部件的侧表面的第二支撑部件。一个或多个半导体激光器阵列芯片安装在所述第二支撑部件上。所述一个或多个半导体芯片的热膨胀系数和所述第二支撑部件的热膨胀系数基本上匹配。此外，所述一个或多个激光器阵列芯片的每一个均包括一个或多个激光器，每个激光器与所述多个输入波导中相应的一个光耦合。
根据本发明的另一个实施例，集成的DWDM发射机装置包括第一支撑部件和位于所述第一支撑部件上的硅基二氧化硅衬底。所述硅基二氧化硅衬底包括位于硅衬底上的二氧化硅层。所述第一支撑部件的热膨胀系数和所述硅衬底的热膨胀系数基本上匹配。该装置还包括位于所述二氧化硅层内的光复用器，其包括多个输入波导和至少一个输出波导。此外，该装置还包括连接至所述第一支撑部件的侧表面的第二支撑部件。一个或多个半导体激光器阵列芯片安装在所述第二支撑部件上。所述一个或多个半导体芯片的热膨胀系数和所述第二支撑部件的热膨胀系数基本上匹配。此外所述一个或多个激光器阵列芯片的每一个均包括一个或多个激光器，每个激光器与所述多个输入波导中相应的一个光耦合。该发射机装置还包括多个微加热器，所述多个微加热器中的每一个均位于一个或多个激光器中相应的一个激光器附近。该发射机装置的具体实施例中，一个或多个半导体激光器阵列芯片中的每一个均包括一个或多个铟磷(InP)激光器，第二支撑部件包括氮化铝(AlN)。
根据另一实施例，本发明提供了一种用于制造集成的DWDM发射机装置的方法。所述方法包括在硅基二氧化硅衬底内形成光复用器。所述硅基二氧化硅衬底包括位于硅衬底上的二氧化硅层，所述光复用器包括多个输入波导和至少一个输出波导。该方法还包括提供第一支撑部件。所述第一支撑部件的热膨胀系数和所述硅衬底的热膨胀系数基本上匹配。例如，第一支撑部件可以是以大约1mm厚度为特征的硅衬底。本方法还包括将所述硅基二氧化硅衬底连接至所述第一支撑部件。根据该方法，提供第二支撑部件。此外，在所述第二支撑部件的上表面安装一个或多个半导体激光器阵列芯片。所述一个或多个半导体激光器阵列芯片的热膨胀系数和所述第二支撑部件的热膨胀系数基本上匹配。所述一个或多个半导体激光器阵列芯片的每一个均包括一个或多个激光器。该方法还包括将所述一个或多个激光器的每一个与所述多个输入波导中相应的一个对准，以提供光耦合。此外，该方法还包括将所述第二支撑部件与所述第一支撑部件连接。
根据另一个实施例，本发明提供了一种将多个电信号转换成多信道密集波分复用(DWDM)信号的集成DWDM发射机装置。所述装置包括多个输入端，用于接收所述多个电信号。该装置还包括第一支撑部件和位于所述第一支撑部件上的硅基二氧化硅衬底。所述硅基二氧化硅衬底包括位于硅衬底上的二氧化硅层。所述第一支撑部件的热膨胀系数和所述硅衬底的热膨胀系数基本上匹配。该装置还包括连接至所述硅基二氧化硅衬底和第一支撑部件的第二支撑部件。一个或多个半导体激光器阵列芯片安装在所述第二支撑部件上。所述一个或多个半导体激光器阵列芯片耦合至所述多个输入端，用于接收所述多个电信号并将所述多个电信号转换成相应的多个光信号。所述一个或多个激光器阵列芯片的每一个包括一个或多个激光器。此外，该装置还包括耦合至所述一个或多个半导体激光器阵列芯片的光复用器，用于将所述多个光信号转换成所述多个多信道DWDM信号。所述光复用器位于安装在第一支撑部件(如第二硅衬底)上的硅基二氧化硅衬底内。所述光复用器包括多个输入波导，每个输入波导耦合至相应的激光器，用于接收相应的光信号；以及包括至少一个输出波导，用于输出所述多信道DWDM信号。
通过本发明获得很多优于传统技术的益处。例如，一些实施例中，本发明提供了使用InP和AlN之间的良好CTE匹配以及AlN的良好导热性来集成各种光学部件的方法。根据本发明的实施例，本方法可以容易地扩展到大的激光器阵列芯片，以进一步降低成本和系统占用面积，并增加产品可靠性和产量。根据本发明的一些实施例，大的阵列芯片可以进一步改善AWG和发射机之间的光耦合。例如，如果多个发射机形成在一个阵列芯片上，那么对于每一个发射机，相对于波导的高度的垂直变化可以最小化。相比而言，由于CET失配，传统倒装接合方法中不能使用大的阵列芯片，因而，对于各个芯片的垂直高度不同，这会引起不一致的耦合效率。
本发明的一些实施例提供了降低产品制造中的复杂度的技术，这是因为可以在不同的集成等级容易地进行质量控制。例如，AlN上的激光器阵列可以由专家制造，在企业中，最终的集成可以简化为阵列和AWG的简单对准，并且可以采用传统封装车间制造。因而，最终产品的性能偏差最小，其封装产量可以比将InP芯片直接集成在PLC上高很多。具体实施例中，提供了用对接方法在激光器阵列和AWG之间光耦合的技术。这样，预期耦合效率将很高。一个实施例中，可以对激光器/波导表面进行抗反射(AR)涂敷，以降低反射损耗以及可能返回到激光器腔体内的反射，从而获得高的激光器性能和稳定性。在一些实施例中，本发明提供了使用微加热器调整发射机中每个单独激光器的中心频率的方法和系统。
参考下文的详细描述和附图可以更好地理解本发明的各种额外目的、特征和益处。
附图说明
图1A是根据本发明实施例的混合集成DWDM发射机的简化俯视图；
图1B是图1A的根据本发明实施例的混合集成DWDM发射机的简化横截面视图；
图2A是根据本发明实施例的混合集成DWDM发射机的简化扩展俯视图；
图2B是图2A的根据本发明实施例的混合集成DWDM发射机的简化扩展横截面视图；
图3是根据本发明另一实施例的混合集成DWDM发射机的简化视图；
图4A是根据本发明实施例的用于保持集成DWDM发射机的目标波长的方法的简化流程图；
图4B至图4D是说明根据本发明的以上实施例用于保持集成DWDM发射机的目标波长的方法的简化波长图；
图5是制造根据本发明另一实施例的集成DWDM发射机的方法的简化流程图；
图6A是根据本发明又一个实施例的封装的混合集成DWDM发射机的简化俯视图；
图6B是图4A的根据本发明实施例的封装的混合集成DWDM发射机的简化横截面视图。
具体实施方式
本发明涉及光纤传输系统，具体而言，本发明提供了将若干个半导体(InP)激光器/调制器芯片集成在具有二氧化硅/硅AWG的氮化铝基台上的方法和系统。本发明仅以示例的方式用于波长复用发射机阵列。但是，应该理解，本发明有更广泛的应用。
如上所述，传统DWDM系统中的光学元件通常是独立封装的。分立光学元件通常具有大的占用面积，因而体积大。例如，蝶形封装中的10G发射机的尺寸通常约为30x14x11.5mm。如果DWDM系统的线侧需要12个这样的发射机，占用的空间就太大，以至于不能安装到传统的线卡上。因而，需要多个线卡和线架来支持高的DWDM信道量，这样导致系统尺寸的瓶颈。此外，多个线卡在进入网络之前，需要由复用器进行波长复用。同复用器卡的连接通常需要大量的光纤跳线核(fiber patch core)，这不仅增加了光纤管理的复杂度，而且增加了光纤管理成本。
过去几年，业界一直致力于将若干个激光器、若干个调制器、若干个接收机和AWG以单片方式集成到单个InP芯片上，以降低DWDM端的占用面积，并且简化光纤管理和现场部署。然而，传统的单片集成方法严重依赖于InP技术，而该技术尚未成熟。与硅加工相比，该技术目前的产量较低，即使对单个DWDM激光器芯片也是如此。将多个元件集成到同一芯片上，可望使产量成指数下降。此外，无源AWG通常比有源元件(如激光器和检测器)占用大得多的集成芯片面积，致使昂贵的InP材料不能有效利用。InP晶圆的直径通常为2英寸或3英寸，硅晶圆的直径要大一个量级，为8英寸甚至12英寸。InP晶圆每单位面积的加工成本可能比硅晶圆高两个量级。低芯片产量加上高加工费用，使得DWDM发射机的单片集成很不经济。
另一种技术涉及混合集成。InP芯片中的模式转换(扩束器)的成功开发使得InP芯片和PLC的混合集成变得可行。已证明InP激光器到PLC波导的耦合损耗可低至2dB，并且制造了多种混合集成的器件。然而，虽然这些混合集成方法在提高产量和减小尺寸方面很有前途，但是存在其他集成/封装问题。例如，不同技术造成混合集成中的有源/无源元件的基底材料通常不同。这样，传统的混合集成方法有许多限制。
在传统混合集成技术中，半导体激光器或调制器主要是InP基的，而AWG和其他无源器件是二氧化硅/硅基的。这两种材料的热性能和机械性能不同。例如，InP的热膨胀系数(CTE)约为4.6ppm/K，但是硅的CTE为约3.0ppm/K。融合DML和AWG的温度约为300℃，而发射机的工作温度约为30℃。因而，大小相当于四个直接调制激光器DML的一个2mm芯片在融合后相对于硅衬底(AWG)会缩小约1.1μm。这样的失配不仅影响波导对准，而且会在激光器芯片上引入张力，这会损害激光器性能，如张力导致的谱线增宽。和CTE失配相关的另一个问题是在激光器/PLC接口处出现应力。应力的出现会导致满足环境要求时的复杂状况，例如，-65和75℃之间的温度周期要求。
由上可见，需要一种集成半导体(InP)激光器/调制器芯片和AWG的改进技术。
图1A示出根据本发明实施例的混合集成DWDM发射机的简化俯视图。该视图仅作为例子，不应不适当地限制权利要求的范围。本领域技术人员可以想到其他变型、修改和替代方案。如图所示，混合集成DWDM发射机100包括硅平台101。具体实施例中，硅平台101包括硅基二氧化硅衬底，即，位于硅衬底上的二氧化硅层。混合集成发射机100还包括硅平台中的光复用器。具体实施例中，光复用器包括在硅平台中的硅基二氧化硅平面光波导线路(PLC)中制造的阵列波导光栅(AWG)110。混合集成发射机110还包括一个或多个多激光器阵列芯片，例如，安装在如基台126的支撑部件上的激光器阵列芯片114和115。优选实施例中，激光器阵列芯片包括在InP中制造的DML激光器。具体实施例中，每个InP激光器阵列芯片包括两个或多个激光器。当然，也可能有其他变型、修改和替代。
具体实施例中，AWG110包括一个光输出端口112、多个输入端口113以及若干个光栅波导116。一个实施例中，输出端口112光耦合至光纤119，光纤119可以耦合到光传输系统。例如，输出和输入端口都可以波导的形式实现。具体实施例中，光栅波导116包括若干用于耦合至输入和输出端口的波导。这些波导长度不同，用于进行波分复用和解复用功能。一些实施例中，AWG的每个输入端口具有和光传输相关的中心波长和通带。
图1B是根据本发明实施例的混合集成DWDM发射机100的简化横截面视图。该视图仅作为例子，不应不适当地限制权利要求的范围。本领域技术人员可以想到其他变型、修改和替代。如图所示，波导包括硅衬底124上未掺杂的二氧化硅层122包围的掺杂的二氧化硅区域121。具体实施例中，掺杂的二氧化硅区域121的折射系数比未掺杂的二氧化硅区域高。具体实施例中，掺杂的二氧化硅区域121的折射系数约为1.47，而未掺杂的二氧化硅区域折射系数约为1.45。
根据本发明的某些实施例，集成发射机100包括一个或多个激光器阵列芯片，每个激光器阵列芯片均可以包括两个或多个激光器。图1A所示的具体实施例中，集成的发射机100包括两个直接调制激光器(DML)阵列芯片114和115。
如图1B所示，DML阵列芯片安装在基台126上。一个例子中，DML阵列芯片焊接在氮化铝(AlN)基台126上。另外，如图1B所示，硅衬底124安装在硅基台132上。AlN基台126连接至硅基台132。具体实施例中，基台132安装在如热电冷却器(TEC)的温度调节元件134上。
如图1A和1B所示，混合集成DWDM发射机100包括由硅基二氧化硅平面光波导线路(PLC)制成的阵列波导光栅(AWG)以及一个或多个由InP制成的多直接调制激光器(DML)阵列芯片。根据这些实施例，激光器芯片以外延生长表面向下(epi-down)或者外延生长表面向上(epi-up)的几何形状安装在氮化铝(ALN)基台上，以形成发射机阵列，然后与AWG对接进行波长复用。一些实施例中，AWG具有一个光输出端口和多(N)个输入端口，都采用波导的形式。每个输入端口发射具有ITU-T标准规定的预先选定波长(如193.1THz)及已知通带带宽的光。
具体实施例中，每个DML阵列可以包括多于一个DML。例如，DML类型可以为分布式反馈(DFB)激光器，因而工作于单频率模式。两个相邻DML之间的间隔和波导之间的间隔及波导的工作波长匹配，以实现有效传输。更普遍地，替代实施例中，DML阵列可以是单个DML芯片。DML也可以由集成的CW激光器和调制器代替，例如，具有电吸收(EA)调制器的集成DFB激光器。激光器也可以为分布式布拉格光栅(DBR)激光器。当然，还可以有其他变型、修改和替代。
根据本发明的实施例，为了使CTE失配最小，芯片安装在氮化铝基台上。一些基台材料可能存在热失配问题。例如，芯片接合后焊料(如AuSn)固化，将芯片冻结到基台上。随着组件从焊料的凝固点(如280℃)冷却到室温，芯片和基台的不同CTE可能会在激光器结构中引入不期望出现的应力。焊料越硬，焊料凝固点和工作温度之间温差越大，该影响往往越严重。
根据本发明的实施例，氮化铝(AlN)具有作为基台材料的某些期望特性。例如，其CTE(4.5ppm/K)和InP的CTE匹配紧密。该特性可以使激光器结构上不期望的应力最小，这些应力可以是芯片安装后凝固导致的或者由器件工作时热循环引起的。此外，已知高等级AlN在室温表现出230W/m·K的高导热率。虽然该导热率不像如Cu等其他材料那样高，但是该值是InP导热率(室温70W/m·K)的三倍，这通过降低外延生长表面向下或者外延生长表面向上几何结构的热阻而自然增强了从激光器的有源区域向热冷却部分的传热。
此外，AlN是电绝缘体，因而其使得容易在基台上形成电互连，以将各种有源监控元件结合至集成的载体上芯片(CoC)组件。因而，根据本发明的实施例，AlN/AuSn系统保证安装的半导体激光器的高热性能同时提供高可扩展的生产级制造的益处。本发明的一些实施例中，AlN有可能使得最终可以经济地大规模生产高性能、高可靠性、低成本的集成DWDM发射机。本发明的替代实施例中，具有和AlN类似特性的其他材料也可用作激光器基台。
图2A是根据本发明实施例的混合集成DWDM发射机的简化扩展俯视图。图2B是根据本发明实施例的图2A的混合集成DWDM发射机的简化扩展横截面视图。这些视图仅作为例子，不应限制权利要求的范围。本领域技术人员可以想到其他变型、修改和替代。
如图2A所示，混合集成DWDM发射机200包括连接到光复用器的波导212和213，光复用器例如为阵列波导光栅(AWG)(未示出)。例如，如图1A所述，波导和AWG在硅基二氧化硅平面光波导线路(PLC)中制成。集成发射机200还包括安装在基台226上的激光器214和215。激光器的例子在前文结合图1A和图1B进行了讨论。
图2B示出硅衬底224上包围在未掺杂二氧化硅层222内的二氧化硅波导213。具体实施例中，硅衬底安装在如硅基台的支撑元件232上。关于元件对准有各种考虑。例如，激光器215以约±2μm的精度与二氧化硅波导213垂直和水平对准。另一个例子中，激光器215和二氧化硅波导213的晶面(输出端口)没有直接接触。具体例子中，晶面之间的距离218保持在约10-20μm。当然，也可以存在其他变型、修改和替代。
具体实施例中，阵列上DML之间的物理间隔以及由此造成的AWG输入波导之间的间隔足够大，以使热串扰及由高速数据调制引起的电串扰最小。例如，一个实施例中，图2A中激光器214和215之间适当的距离可以为约0.3-0.5mm。当然，也存在其他变型、修改和替代。
虽然上文用选择的元件组示出了集成DWDM发射机系统，但是可以存在许多替代、修改和变型。例如，一些元件可以扩展并/或组合。其他元件可以插入前文示出的元件中。根据实施例，元件的排列可以与其他替代元件互换。
根据本发明的实施例，DML阵列条以期望的间隔安装到AlN基台上后，与图2A和2B示出的硅基二氧化硅AWG对接。一个实施例中，DML芯片或芯片阵列具有集成的模式转换器，两个阵列器件的对准相对简单。例如，在1,550nm模式，标准二氧化硅PLC的直径通常为约8-10μm，输出波束发散性为约7-10°，这和模式转换后的InP芯片类似。因而，具体实施例中，可以期望大至+/-2μm的对准公差，这极大简化了对准工艺。
根据本发明的实施例，要求有源对准获得结合在AlN条上的发射机阵列和硅基二氧化硅AWG之间每个信道的良好光耦合。对准达到期望的精度后，用具有良好导热性的环氧树脂将AlN条粘在AWG上。要特别加以小心以保证不同材料的连接不会由于不同的CTE在温度周期下而开裂或者变形。具体实施例中，为了防止连接处的机械故障，使用厚度为约1mm的硅基台。先用具有良好导热性的环氧树脂将硅基二氧化硅AWG如图2B所示粘到硅基台232上，以增加其厚度获得更坚固的连接。在波导输入所在的一侧将两个器件齐平对准。在环氧树脂凝固后，打磨该侧以获得垂直于波导芯的良好表面。一个实施例中，AWG的输入涂敷有1550nm厚的抗反射涂层，以获得好的光耦合，并防止光反射回激光器腔体内。具体实施例中，包括基台的AWG芯片的总厚度约为2-3mm。替代实施例中，更普遍地，AWG基台可以是特性和硅类似的任何材料。更普遍地，可以用PLC宽带耦合器或者PLC波导输入集线器代替AWG。后者要匹配DML要求的宽波导间隔及标准AWG中通常使用的窄间隔。
仅举例而言，支撑12个间隔为0.5mm的DML发射机之阵列的AlN条的优选尺寸约为1.5x2x6mm。具有导电薄膜电极的1.5x6mm的表面用于安装激光器芯片。芯片的输出表面选择为不与具有10-20μm小凹陷的AlN基台(参考图2A和2B)齐平，以防止与AWG的直接接触并保证良好的光耦合。然后将AlN基台的该侧通过有源对准与AWG的输入侧粘合。然后，将整个部件放在热电冷却器(TEC)上，用于将工作温度通常控制在约25℃。优选地，TEC的尺寸选择为适合支撑AWG的硅基台的尺寸，这样TEC不会接触阵列条。
根据本发明的具体实施例，AWG基台使用的材料和AWG相同，该连接部的几何形状不会由于温度改变引起阵列条的垂直倾斜。温度从-40℃上升到+85℃(存储温度的标准范围)的温度倾斜对凹陷引起的变化小于+/-0.045μm，可以忽略。例如，AWG通常工作于约25℃。该温度下，DML的中心波长大致与AWG输入端口的中心波长匹配，例如193.1THz、193.2THz、193.3THz等。AWG的中心波长随温度偏移大约为0.01nm/℃，InP激光器的中心波长随温度漂移大约为0.1nm/℃。由于制造公差的原因，在TEC工作温度，激光器的中心波长没有恰好落入ITU-T网格。偏差通常大约为1nm。具体实施例中，临近每个DML波导放置一个微加热器，微加热器放在激光器芯片上或者AlN激光器基台上。通过将局部温度相对于衬底提高0-10℃，可以将DML中心波长微调至ITU网格。
本发明的不同实施例还包括与微调(Vernier)AWG的混合集成，以进一步提高AWG产量，从而降低制造成本。一个实施例中，VernierAWG通过在输入和输出都增加额外的端口来补偿由波导参数(如波导有效指数)的微小制造误差造成的可能的中心波长偏移。当然，本领域技术人员可以想到其他变型、修改和替代。
根据本发明的实施例，提供了一种微调DML中心波长的方法。由于制造公差，在温度调节元件的工作温度，激光器的中心波长不会恰好落在ITU-T网格上。通常，偏差例如大约为1nm。本发明的一些实施例中，用微加热器来提高DML波导的温度。例如，具体实施例中，临近每个DML波导放置一个微加热器，加热器放在激光器芯片上或者PLC上。根据本发明的具体实施例，通过将局部温度相对于衬底提高0-10℃，可以将DML中心波长微调至ITU网格。下面参考图3对本方法的细节进行讨论。
图3是根据本发明另一实施例的集成DWDM发射机系统的简化视图。该视图仅作为例子，不应不适当地限制权利要求的范围。本领域技术人员可以想到其他变型、修改和替代。如图所示，集成发射机系统300包括与前文结合图1A和1B讨论的发射机100类似的混合集成发射机350。为了便于参考，器件的相同部分标号相同。如所示，混合集成发射机350包括位于如氮化铝(AlN)基台126的支撑部件之上的激光器115和形成于硅平台101上的二氧化硅波导121，硅平台101包括位于硅衬底124上的未掺杂的二氧化硅层122。硅衬底124位于支撑部件130上，支撑部件130包括基台132(例如硅衬底)和温度调节元件134(如热电冷却器(TEC))。具体实施例中，集成发射机系统300还包括激光器115附近的微加热器335、光分析仪362和控制器364。光分析仪362光耦合至集成DWDM发射机中的输出波导，该发射机可通过光纤119光耦合至光通信系统。控制器364电连接至光分析仪362和微加热器335。图3中显示微加热器335位于激光器115之上。根据实施例，微加热器可以位于可以调节激光器温度的位置。例如，微加热器可以位于硅衬底上并且临近激光器。一个实施例中，微加热器临近每个激光器，微加热器位于激光器芯片上或PLC上。具体实施例中，微加热器是阻性元件，如图3所示为沉积在激光器115附近的金属条。
虽然上文示出了将选择的元件组用于集成DWDM发射机系统，但是可能存在许多替代、修改和变型。例如，一些元件可以扩展并/或组合。其他元件可以插入前文示出的元件中。根据实施例，元件的排列可以用其他替代元件互换。例如，集成发射机350可以包括结合图2A和2B讨论的发射机200中的特征。
图4A是根据本发明实施例保持集成DWDM发射机的目标波长的方法的简化流程图。图4B-4D是根据本方法的简化波长图。这些图仅作为例子，不应不适当地限制权利要求的范围。本领域技术人员可以想到其他变型、修改和替代。以下参考图3的集成DWDM系统、图4A的流程图和图4B-4D的波长图，可以概要说明本方法。
(步骤410)确定在预定整体TEC温度下的激光器波长分布。图4B示出25℃的TEC温度下的波长分布例子。
(步骤420)调节TEC至第二整体温度以将所有激光器波长偏移到低于对应ITU-T网格的目标波长。图4C示出一个例子。
(步骤430)对于每个激光器，使用光分析仪362确定输出波导的中心波长。
(步骤440)使用控制器364确定测量的中心波长和目标波长之间的偏差。
(步骤450)利用控制器364调节微加热器335的温度，以将激光器的中心波长增加到接近根据ITU-T网格的相应目标波长。图4D是偏移到根据ITU-T网格的相应目标波长的例子。
上述步骤序列提供了根据本发明实施例保持与集成DWDM发射机相关的目标波长的方法。如所示，该方法使用一些步骤的组合，包括使用TEC将所有激光器的波长偏移到网格的较短波长侧，以及使用局部微加热器根据需要增加每个激光器的局部温度，以将所有激光器波长偏移到ITU-T网格。还可以提供其他替代实施例，其中在不脱离权利要求范围的前提下增加了步骤、删去一步或多步，或者以不同顺序提供一步或多步。本方法进一步的细节可以在本说明书找到。
图5是根据本发明实施例制造集成DWDM发射机的方法的简化流程图。该图仅作为例子，不应限制权利要求的范围。本领域技术人员可以想到其他变型、修改和替代。下面参考图5对本方法进行简要说明。
(步骤510)在硅基二氧化硅衬底中形成光复用器；
(步骤520)提供第一支撑部件；
(步骤530)将硅基二氧化硅衬底连接至第一支撑部件；
(步骤540)提供第二支撑部件；
(步骤550)将一个或多个半导体激光器阵列芯片安装在第二支撑部件上；
(步骤560)将激光器和相应的输入波导对准；以及
(步骤570)将第二支撑部件连接至第一支撑部件。
如所示，图5提供了制造集成DWDM发射机装置的方法。该方法包括(步骤510)在硅基二氧化硅衬底中形成光复用器。硅基二氧化硅衬底包括位于硅衬底上的二氧化硅层，光复用器具有多个输入波导和至少一个输出波导。一个实施例中，光复用器包括阵列波导光栅。具体实施例中，形成光复用器包括如下步骤：
在硅衬底上形成第一未掺杂的二氧化硅次层；
在第一未掺杂的二氧化硅次层上形成掺杂的二氧化硅次层；
蚀刻掺杂的二氧化硅次层的至少第二部分；以及
在蚀刻的掺杂二氧化硅次层和第一未掺杂的二氧化硅次层上沉积第二未掺杂的二氧化硅次层。
步骤520中，该方法包括提供第一支撑部件。第一支撑部件的热膨胀系数基本上和硅衬底的热膨胀系数匹配。第一支撑部件具有的厚度使得一个或多个激光器中的每一个和相应的多个输入波导中一个可对准。例如，第一部件可以是特性为厚度约1mm的硅衬底。步骤530中，该方法包括将硅基二氧化硅衬底连接至第一支撑部件。
根据步骤540，提供第二支撑部件。步骤550中，将一个或多个半导体激光器阵列芯片安装在第二支撑部件的上表面。一个或多个半导体激光器阵列芯片的热膨胀系数和第二支撑部件的热膨胀系数基本匹配。一个或多个半导体激光器阵列芯片的每一个包括一个或多个激光器。一个实施例中，激光器阵列芯片包括一个或多个InP激光器。为了匹配热膨胀系数，第二支撑部件可以是氮化铝(AlN)基台。具体实施例中，用焊接工艺将激光器阵列芯片安装在第二支撑部件上。具体实施例中，在每个激光器附近安装一个微加热器以微调激光器的中心频率。
步骤560中，该方法还包括将每个激光器和多个输入波导中的相应一个对准，以提供光耦合。此外，该方法包括将第二支撑部件连接至第一支撑部件(步骤570)。一个实施例中，第二支撑部件和第一支撑部件的侧表面对接。例如，可以用具有良好导热性的环氧树脂将第二支撑部件粘合到第一支撑部件。另一个实施例中，该方法还包括在第一支撑部件下增加温度调节元件。例如，根据图1A、1B、2A、2B和相关文字描述实现该方法。
上述步骤序列提供了根据本发明实施例制造集成DWDM发射机装置的方法。如所示，该方法使用一些步骤的组合，包括在硅基二氧化硅衬底中制造光复用器，以及将激光器阵列芯片安装在衬底的一部分上。还可以提供其他替代实施例，其中在不脱离权利要求范围的前提下增加了步骤、删去一步或多步，或者以不同顺序提供一步或多步。本方法进一步的细节可以在本说明书找到。
具体实施例中，在正确地通过电引线接合DML芯片、AWG、基台和TEC后，这些部件被放在同一个封装内以形成DWDM发射机。一个实施例中，发射机具有多个控制和监控AWG和DML温度、DML的直流电流和RF调制等的电输入。特定实施例中，发射机的一个光输出发出多信道DWDM信号，这通常是通过尾光纤进行的。当然，还有其他变型、修改和替代。
图6A是根据本发明另一实施例的封装后的混合集成DWDM发射机的简化俯视图。图6B是图6A的封装后的混合集成DWDM发射机的简化横截面视图。这些图仅作为例子，不应限制权利要求的范围。本领域技术人员可以想到其他变型、修改和替代。如图6A所示，封装后的集成密集波分复用(DWDM)发射机装置600可以将多个电信号转换成多信道DWDM信号。具体实施例中，发射机装置600包括用于接收多个电信号的多个输入端610，和封装601内的功能块100。一个实施例中，功能块100可以是和前文结合图1A和1B讨论的块100类似的混合集成发射机。
以下，参考图1A和1B对发射机装置600中的块100进行讨论。具体实施例中，混合集成发射机100包括支撑部件132和硅平台101，硅平台100包括位于支撑部件上的硅基二氧化硅衬底。硅基二氧化硅衬底包括位于硅衬底124上的二氧化硅层122。
混合集成发射机100还包括一个或多个半导体激光器芯片阵列(如114和115)，该激光器芯片阵列耦合至图6A所示的用于接收多个电信号的输入端610。激光器芯片阵列将多个电信号转换成相应的多个光信号。该一个或多个半导体激光器芯片阵列(如114和115)位于第二支撑部件126上。具体实施例中，一个或多个半导体激光器芯片阵列(如114和115)中的每一个均包括两个或多个激光器。
混合集成发射机100还包括光复用器110，光复用器110可以包括图1A和1B所示的在硅基二氧化硅平面光波导线路(PLC)中制造的阵列波导光栅(AWG)116。光复用器110耦合至一个或多个半导体激光器阵列芯片(如114和115)以将多个光信号转换成多信道DWDM信号。如所示，光复用器110位于硅衬底124的至少一部分上的二氧化硅层122内。一个实施例中，光复用器110包括多个输入波导113，每个输入波导耦合至一个或多个激光器阵列芯片中的相应的激光器，以接收相应的光信号。光复用器110将多个光信号转换成多信道DWDM信号，通过输出波导112，多信道DWDM信号可被传输到发射机之外。当然，还有其他变型、修改和替代。例如，根据实施例，发射机100中可以有多于一个输出波导。
一个实施例中，输入端610通过如605的电连接件耦合至发射机100中的激光器阵列芯片。一个实施例中，封装后的DWDM发射机600包括若干个电放大器603，用于使电信号升压并将之耦合到激光器阵列芯片。一个实施例中，发射机的输出波导112可以耦合到光纤619，以将多信道DWDM信号发射到例如外部光通信系统。具体实施例中，发射机还具有多个电输入和输出连接，以控制并监控AWG的温度和封装后的发射机装置600的其他部件。
根据实施例，本发明包括可以使用的不同特征。这些特征包括：
1、混合集成DWDM发射机阵列，包括一个或多个由InP制成的直接调制激光器(DML)阵列芯片和由硅基二氧化硅平面光波导线路(PLC)制造的阵列波导光栅(AWG)；
2、集成激光器芯片或阵列芯片在氮化铝基台上，以防止CET失配和与失配相关的复杂状况。该AlN上的阵列条可以和PLC对接以获得高的耦合效率；
3、使用微加热器调整发射机中每个单个激光器的中心频率的方法和系统；
4、使用抗反射(AR)涂层来防止光反射回激光器腔体内的方法；
5、使用硅基台来增加AWG芯片厚度以获得牢固对接的方法。
如上所示，上述特征可包括在一个或多个实施例内。这些特征仅作为例子，不应解释为限制本申请的范围。本领域的技术人员可以想到很多的变型、修改和替代。
通过本发明获得很多优于传统技术的优点。例如，一些实施例中，本发明提供了使用InP和AlN之间的良好CTE匹配以及AlN的良好导热性来集成各种光学部件的方法。根据本发明的实施例，本方法可以容易地扩展到大的激光器阵列芯片，以进一步降低成本和系统占用面积，并增加产品可靠性和产量。根据本发明的一些实施例，大的阵列芯片可以进一步改善AWG和发射机之间的光耦合。例如，如果多个发射机形成在单个阵列芯片上，那么对于这些发射机的每一个，相对于波导的高度的垂直变化可以最小化。相比而言，由于CET失配，传统倒装接合方法中不能使用大的阵列芯片，因而，对于各个芯片，垂直高度不同，这会引起不一致的耦合效率。
本发明的一些实施例提供了降低产品制造中的复杂性的技术，这是因为可以在不同的集成等级容易地进行质量控制。例如，AlN上的激光器阵列可以由专家制造，最终的集成可以简化为阵列和AWG的简单对准，并且可以由企业的传统封装工厂制造。因而，最终产品的性能偏差最小，封装产量可以比将InP芯片直接集成在PLC上高很多。具体实施例中，提供了用对接方法光耦合在激光器阵列和AWG之间的技术。这样，可以预料到耦合效率将很高。在实施例中，可以对激光器/波导表面进行抗反射涂敷，以降低反射损耗以及可能的回到激光器腔体内的反射，从而获得高的激光器性能和稳定性。
应该理解，这里描述的例子和实施例仅供说明之用，由它们向本领域技术人员教示的各种修改或变化包括在本申请的精神和范围及所附的权利要求范围内。

Claims (30)

1.一种集成的密集波分复用(DWDM)发射机装置，所述装置包括：
第一支撑部件；
位于所述第一支撑部件上的硅基二氧化硅衬底，所述硅基二氧化硅衬底包括位于硅衬底上的二氧化硅层，所述第一支撑部件的热膨胀系数和所述硅衬底的热膨胀系数基本上匹配；
位于所述二氧化硅层内的光复用器，所述光复用器包括多个输入波导和至少一个输出波导；
附接至所述第一支撑部件的侧表面的第二支撑部件；以及
位于所述第二支撑部件上的一个或多个半导体激光器阵列芯片，所述一个或多个半导体激光器阵列芯片的热膨胀系数和所述第二支撑部件的热膨胀系数基本上匹配，所述一个或多个半导体激光器阵列芯片的每一个均包括一个或多个激光器，所述一个或多个激光器中的每一个光耦合所述多个输入波导中相应的一个。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一支撑部件包括硅衬底，该硅衬底的特征是其厚度使所述一个或多个激光器中的每一个和所述多个输入波导中相应的一个之间对准。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一支撑部件包括硅衬底，该硅衬底的特征为厚度约为1mm。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二支撑部件包括氮化铝(AlN)。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二支撑部件与所述第一支撑部件的所述侧表面对接。
6.根据权利要求1所述的装置，其中所述光复用器包括排成阵列的波导光栅。
7.根据权利要求1所述的装置，其中所述一个或多个半导体激光器阵列芯片中的每一个包括的激光器是磷化铟(InP)激光器。
8.根据权利要求1所述的装置，还包括位于所述第一支撑部件下的温度调节部件。
9.根据权利要求8所述的装置，其中所述温度调节部件包括热电冷却器(TEC)。
10.根据权利要求1所述的装置，还包括位于每个激光器附近的微加热器，用于微调该激光器的中心频率。
11.一种集成的DWDM发射机装置，所述装置包括：
第一支撑部件；
位于所述第一支撑部件上的硅基二氧化硅衬底，所述硅基二氧化硅衬底包括位于硅衬底上的二氧化硅层，所述第一支撑部件的热膨胀系数和所述硅衬底的热膨胀系数基本上匹配；
位于所述二氧化硅层内的光复用器，所述光复用器包括多个输入波导和至少一个输出波导；
附接至所述第一支撑部件的侧表面的第二支撑部件；
位于所述第二支撑部件上的一个或多个半导体激光器阵列芯片，所述一个或多个半导体激光器阵列芯片的热膨胀系数和所述第二支撑部件的热膨胀系数基本上匹配，所述一个或多个半导体激光器阵列芯片的每一个均包括一个或多个激光器，所述一个或多个激光器中的每一个与所述多个输入波导中相应的一个光耦合；以及
多个微加热器，所述多个微加热器中的每一个均位于所述一个或多个激光器中相应的一个的附近。
12.根据权利要求11所述的装置，其中所述一个或多个半导体激光器阵列芯片的每一个包括的激光器是InP激光器，所述第二支撑部件包括氮化铝(AlN)。
13.一种制造集成的DWDM发射机装置的方法，所述方法包括：
在硅基二氧化硅衬底内形成光复用器，所述硅基二氧化硅衬底包括位于硅衬底上的二氧化硅层，所述光复用器包括多个输入波导和至少一个输出波导；
提供第一支撑部件，所述第一支撑部件的热膨胀系数和所述硅衬底的热膨胀系数基本上匹配；
将所述硅基二氧化硅衬底附接至所述第一支撑部件；
提供第二支撑部件；
在所述第二支撑部件的上表面安装一个或多个半导体激光器阵列芯片，所述一个或多个半导体激光器阵列芯片的热膨胀系数和所述第二支撑部件的热膨胀系数基本上匹配，所述一个或多个半导体激光器阵列芯片的每一个均包括一个或多个激光器；
将所述一个或多个激光器的每一个与所述多个输入波导中相应的一个对准以提供光耦合；以及
将所述第二支撑部件附接至所述第一支撑部件。
14.根据权利要求13所述的方法，其中形成所述光复用器包括：
在所述硅衬底上形成第一未掺杂的二氧化硅次层；
在所述第一未掺杂的二氧化硅次层上形成掺杂的二氧化硅次层；
蚀刻所述掺杂的二氧化硅次层的至少第二部分；以及
在被蚀刻的所述掺杂的二氧化硅次层和第一未掺杂的二氧化硅次层上沉积第二未掺杂的二氧化硅次层。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一支撑部件包括硅衬底，该硅衬底的特征是其厚度使所述一个或多个激光器中的每一个和所述多个输入波导中相应的一个之间对准。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述第一支撑部件包括硅衬底，该硅衬底的特征为厚度约为1mm。
17.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二支撑部件包括氮化铝(AlN)。
18.根据权利要求13所述的方法，其中所述第二支撑部件与所述第一支撑部件的侧表面对接。
19.根据权利要求13所述的方法，其中所述光复用器包括排成阵列的波导光栅。
20.根据权利要求13所述的方法，其中所述一个或多个半导体激光器阵列芯片中的每一个包括的激光器是InP激光器。
21.根据权利要求13所述的方法，还包括增加位于所述第一支撑部件下的温度调节部件。
22.根据权利要求13所述的方法，还包括在每个激光器附近安装微加热器，用于微调该激光器的中心频率。
23.一种将多个电信号转换成多信道密集波分复用(DWDM)信号的集成DWDM发射机装置，所述装置包括：
多个输入端，用于接收所述多个电信号；
第一支撑部件；
位于所述第一支撑部件上的硅基二氧化硅衬底，所述硅基二氧化硅衬底包括位于硅衬底上的二氧化硅层，所述第一支撑部件的热膨胀系数和所述硅衬底的热膨胀系数基本上匹配；
附接在所述硅基二氧化硅衬底和第一支撑部件上的第二支撑部件；
位于所述第二支撑部件上的一个或多个半导体激光器阵列芯片，所述一个或多个半导体激光器阵列芯片耦合至所述多个输入端，从而接收所述多个电信号并将所述多个电信号转换成相应的多个光信号，所述一个或多个半导体激光器阵列芯片的每一个均包括一个或多个激光器；以及
耦合至所述一个或多个半导体激光器阵列芯片的光复用器，用于将所述多个光信号转换成所述多信道DWDM信号，所述光复用器位于所述硅基二氧化硅衬底内，所述光复用器包括：
多个输入波导，每个输入波导耦合至相应的激光器，用于接收相应的光信号；以及
至少一个输出波导，用于输出所述多信道DWDM信号。
24.根据权利要求23所述的装置，其中所述第一支撑部件包括硅衬底，该硅衬底的特征是其厚度使所述一个或多个激光器中的每一个和所述多个输入波导中相应的一个之间对准。
25.根据权利要求23所述的装置，其中所述第一支撑部件包括硅衬底，该硅衬底的特征为厚度约为1mm。
26.根据权利要求23所述的装置，其中所述第二支撑部件包括氮化铝(AlN)。
27.根据权利要求23所述的装置，其中所述第二支撑部件与所述第一支撑部件的侧表面对接。
28.根据权利要求23所述的装置，其中所述光复用器包括排成阵列的波导光栅。
29.根据权利要求23所述的装置，其中所述一个或多个半导体激光器阵列芯片中的每一个包括的激光器是InP激光器。
30.根据权利要求23所述的装置，还包括位于每个激光器附近的微加热器，用于微调该激光器的中心频率。
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