CN103926663A - 一种多波长光源及其低成本制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多波长光源及其低成本制作方法，其制作方法包括以下步骤：在阵列波导光栅（1）输入端下方粘接一个设置有凹槽的玻璃垫块（6），抛光处理使玻璃垫块（6）与阵列波导光栅（1）输入端持平；阵列波导光栅（1）的和半导体光增益芯片（2）的输入与输出端面镀光学薄膜；阵列波导光栅输出端面耦合单芯光纤阵列（7），单芯光纤阵列（7）接光隔离器（8）；将半导体光增益芯片（2）焊接到热沉垫块（3）定位区域内；将半导体光增益芯片（2）与阵列波导光栅（1）耦合；将耦合在一起的半导体光增益芯片（2）与阵列波导光栅（1）粘接到铜基底（4）上，将铜基底粘接到半导体制冷器（5）上，本发明方法制作的光源装置具有结构稳定简单，成本低廉，输出多波长可同时调谐，热学性能良好。

Description

一种多波长光源及其低成本制作方法

技术领域

本发明涉及一种多波长光源及其低成本制作方法,具体涉及一种多波长光源以及利用阵列波导光栅（AWG Arrayed Waveguide Grating）芯片和半导体光增益芯片阵列集成方法制作该多波长光源的方法，本发明属于通信领域。

背景技术

在波分复用（WDM  Wavelength Division Multiplexing）系统中，多波长激光器和可调谐激光器具有重要的作用，在各种形式的多波长激光器和可调谐激光器中，通过将硅基二氧化硅材料的阵列波导光栅与半导体增益芯片集成从而共同组成一个激光谐振腔，由增益芯片提供光放大，阵列波导光栅提供滤波和合波，从而实现多波长输出是一种较为常见的多波长光源方案。这种方案的优点在于：首先，可以连续高效的在同一波导内输出所有指定波长的光信号；其次，硅基二氧化硅AWG是一种无源器件，因此可以长时间稳定输出谐振腔选定的波长；最后，各波长可以通过温度进行统一调谐，现对于通过改变注入电流来调节波长的方式，这种方案的调节原理更为简单可靠。

实现上述方案的关键步骤在于AWG与增益芯片的高效耦合的混合集成。尤其当所需波长较多，AWG通道数较大的时候，多个增益芯片与单个AWG的集成尤为重要。为了将AWG与增益芯片耦合对准，可以采用有源对准和无源对准两种技术。目前在混合集成领域，大量使用了无源对准的技术，虽然采用无源对准技术可以提高生产效率，但是由于宽谱增益芯片较大的发散角，使得增益芯片与AWG的耦合容差非常小，采用无源对准技术制作的多波长光源往往输出光功率很低。使用有源对准可以实现最高的耦合效率，通过改进耦合工艺以及简化封装结构，可以在保证器件性能指标良好的情况下有效提高混合集成的效率。

 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，提供一种多波长光源，以及通过采用AWG芯片与半导体光增益芯片混合集成的低成本制作方法。

本发明采用的技术方案是：

一种多波长光源，包括阵列波导光栅、半导体光增益芯片、单芯光纤阵列、光隔离器、热沉垫块、半导体制冷器，阵列波导光栅输入端下方粘接一个设置有凹槽的玻璃垫块，玻璃垫块与阵列波导光栅输入端持平，半导体光增益芯片与阵列波导光栅对准；阵列波导光栅的输入与输出端面和半导体光增益芯片的背面与输出端面镀有光学薄膜；阵列波导光栅输出端面与单芯光纤阵列耦合，单芯光纤阵列接光隔离器；半导体光增益芯片焊接于热沉垫块定位区域上，半导体光增益芯片阳极、阴极与热沉垫块上的电极连通；玻璃垫块与热沉垫块的连接端面固定，阵列波导光栅粘接在带有凹槽的铜基底的凸台上，玻璃垫块与热沉垫块设置于铜基底的凹槽内，铜基底粘接在半导体制冷器上。

所述半导体光增益芯片采用芯片数量大于4的增益芯片阵列，各通道具有相同的宽增益谱线。

所述玻璃垫块与热沉垫块之间采用紫外胶固定，所述阵列波导光栅与铜基底采用导热胶粘接，热沉垫块和铜基底采用导热硅脂相连，铜基底与半导体制冷器采用导热胶粘接。

所述半导体光增益芯片输出端面与阵列波导光栅输入端面所镀的光学薄膜为反射率小于十万分之一的增透膜；半导体光增益芯片背面所镀的光学薄膜为反射率在80%~90%的高反膜；阵列波导光栅输出端面所镀的光学薄膜为半透半反膜。

所述阵列波导光栅为高斯型阵列波导光栅，其光谱范围大于半导体光增益芯片3dB增益谱宽。

所述阵列波导光栅输入输出端面采用90度垂直抛光。

一种多波长光源的低成本制作方法，包括以下步骤：

步骤1：制作阵列波导光栅；步骤2：在阵列波导光栅输入端下方粘接一个设置有凹槽的玻璃垫块，抛光处理使玻璃垫块与阵列波导光栅输入端持平；步骤3：阵列波导光栅的输入与输出端面和半导体光增益芯片的背面与输出端面镀有光学薄膜；步骤4：阵列波导光栅输出端面耦合单芯光纤阵列，单芯光纤阵列接光隔离器；步骤5：在热沉垫块上制作定位区域以及制作电极；步骤6：将半导体光增益芯片焊接到热沉垫块定位区域内，通过引线键合将半导体光增益芯片阳极、阴极与热沉垫块上的电极连通；步骤7：将半导体光增益芯片与阵列波导光栅对准后，在玻璃垫块与热沉垫块的连接端面点胶固化，使半导体光增益芯片与阵列波导光栅耦合粘接在一起；步骤8：将耦合在一起的半导体光增益芯片、阵列波导光栅与带有凹槽的铜基底固定在一起，所述阵列波导光栅芯片固定于铜基底的凸台上，玻璃垫块和热沉垫块设置于铜基底的凹槽内，热沉垫块与铜基底之间粘导热硅脂，然后将铜基底粘接到半导体制冷器上。

所述步骤5中在热沉垫块上制作电极的具体方法是：在热沉垫块上旋涂光刻胶，利用光刻的方法制作出电极的图形，然后通过磁控溅射工艺制作出电极，最后将光刻胶剥离。

所述步骤7中半导体光增益芯片与阵列波导光栅对准的方法为：半导体光增益芯片采用金属探针供电，半导体光增益芯片下方设置半导体制冷器控制芯片工作温度，单芯光纤阵列连接3dB定向耦合器，3dB定向耦合器分别连接光谱仪和光功率计，调节半导体光增益芯片与阵列波导光栅输入端相对位置直至光功率计达到最大功率且光谱仪达到光谱稳定。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、相对于现有技术采用的硅基二氧化硅AWG与增益芯片的集成方法，本发明提供的方法可以使增益芯片与AWG芯片间的耦合效率达到最大，通过紫外胶固化粘接，实现了光路的无胶化和集成工艺的简单化,降低了集成的成本。

2、利用本发明方法制作的多波长光源装置具有结构稳定简单，成本低廉，输出多波长可同时调谐，热学性能良好。

 

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明中集成方法流程图；

图3为本发明中AWG芯片截面示意图；

图4为本发明中增益芯片与AWG芯片的耦合集成方法示意图；

图5为本发明中增益芯片阵列与阵列波导光栅粘接耦合端面横截面示意图；

图6为本发明实施例完成封装后的多波长光源输出光谱图；

图7为本发明实施例完成封装后的多波长光源PI曲线图；

其中：

1：阵列波导光栅；          2：半导体光增益芯片；

3：热沉垫块；              4：铜基底；

5：半导体制冷器；          6：玻璃垫块；

7：单芯光纤阵列；          8：光隔离器；

9：上包层；                10：芯层；

11：下包层；               12：硅基衬底；

13：金属探针；             14：3dB定向耦合器；

15：光谱仪；               16：光功率计；

17：紫外胶；               18：紫外光源；

19：导热胶；               20：导热硅脂。

 

具体实施方式

下面结合附图和具体实例对本发明做进一步的说明，如图1所示为本发明一种低成本的多波长光源装置结构立体示意图，包括阵列波导光栅1、半导体光增益芯片2、单芯光纤阵列7、光隔离器8、热沉垫块3、半导体制冷器5，阵列波导光栅1输入端下方粘接一个设置有凹槽的玻璃垫块6，玻璃垫块6与阵列波导光栅1输入端持平，半导体光增益芯片2与阵列波导光栅1对准；阵列波导光栅1的输入与输出端面和半导体光增益芯片2的背面与输出端面镀有光学薄膜；阵列波导光栅1输出端面与单芯光纤阵列7耦合，单芯光纤阵列7接光隔离器8；半导体光增益芯片2焊接于热沉垫块3定位区域内，半导体光增益芯片2阳极、阴极与热沉垫块3上的电极连通；玻璃垫块6与热沉垫块3的连接端面固定，热沉垫块3与阵列波导光栅1粘接在铜基底4上，铜基底4粘接在半导体制冷器5上。玻璃垫块6与热沉垫块3则均与铜基底的凹槽底部不直接接触，玻璃垫片6与铜基底之间有缝隙，热沉垫块３与铜基底凹槽底部的缝隙填充导热硅脂20。

阵列波导光栅1输入端面与宽谱半导体光增益芯片2输出端面耦合，半导体光增益芯片与阵列波导光栅输入输出端面镀有光学薄膜，使得半导体光增益芯片与阵列波导光栅形成激光谐振腔，阵列波导光栅输出端面与单芯光纤阵列7耦合，单模光纤接入光隔离器8后输出多波长。在阵列波导光栅波导输入端，芯片下有玻璃垫块6与其粘接并同时抛光；玻璃垫块6上带有凹槽，其凹槽可以通过刻蚀和切割机切割获得，可以有效防止紫外胶由于毛细作用溢出到半导体光增益芯片端面；阵列波导光栅输入输出端面皆为90度垂直抛光。阵列波导光栅芯片通过导热胶与铜基底4粘接，粘接面无气泡；半导体光增益芯片2通过硅脂与铜基底4相连；铜基底4通过导热胶与半导体制冷器5粘接。半导体光增益芯片2采用增益芯片阵列，增益芯片阵列集成芯片数量大于4，其中各通道具有相同的宽增益谱线。

本发明这种低成本的多波长光源其制作步骤如图2流程图所示： 

第一步：设计制作阵列波导光栅芯片，要求芯片具有小尺寸，低插损，宽自由光谱范围和小光程；要求AWG自由光谱范围大于增益芯片3dB增益谱宽，要求AWG光程小于50mm以满足多波长光源的调制特性要求；利用硅基二氧化硅平面光波导工艺制作AWG芯片1，采用本步骤制作的AWG芯片截面图如图3所示，由上至下分别包括上包层9、芯层10、下包层11和硅基衬底12；

第二步：阵列波导光栅1输入端下方粘接一个带有凹槽的玻璃垫块6，同时采用90°垂直抛光方式使玻璃垫块与阵列波导光栅输入端持平；垂直抛光可以减小反射往返损耗，从而降低激光谐振腔内的损耗；

第三步：阵列波导光栅1与半导体光增益芯片阵列输入与输出端面分别镀光学薄膜；增益芯片输出端面与阵列波导光栅输入端面的光学薄膜为增透膜，要求反射率小于十万分之一；增益芯片背面镀光学薄膜为高反膜，反射率在80%~90%；阵列波导光栅输出端面镀光学薄膜为半透半反膜；镀膜通过镀膜机完成；

第四步：单芯光纤阵列7与阵列波导光栅1输出端面耦合，然后接入光隔离器8；耦合过程在六维微调架上完成，在阵列波导光栅AWG输入端输入宽谱光源，单芯光纤阵列7输出端接光功率计16，调节单芯光纤阵列7与阵列波导光栅1的相对位置，通过光功率计16监控光纤阵列输出功率，得到最大功率时即为最佳对准位置，固定，并通过紫外胶将单芯光纤阵列7与阵列波导光栅AWG输出端耦合固化在一起；通过光纤焊接将输出光纤与光隔离器相连接，如图1中所示，可以有效降低光反射所引起的信号劣变；

第五步：在热沉垫块3上制作定位区域，并制作电极，具体过程为：在整个热沉垫块上旋涂光刻胶，利用光刻的方法制作出电极的图形，然后通过磁控溅射工艺制作出电极，，然后将光刻胶剥离；

第六步：将半导体光增益芯片焊接到热沉垫块焊接区域内，本过程通过高精度贴片机完成，半导体光增益芯片通过焊锡与热沉垫块相链接，其中半导体光增益芯片输出端面相比于热沉垫块端面突出5到10微米，为获得最大的耦合效果提供位移余量，如图5中所示；

第七步：将半导体光增益芯片与阵列波导光栅耦合在一起；该步骤在六维微调架上完成，通过有源对准的方法完成耦合对准，如图4所示，在耦合过程中，半导体光增益芯片由金属探针13供电，其下方有半导体制冷器5在热沉垫块3下方控制芯片工作温度，已经耦合完成的单芯光纤阵列7通过一个3dB定向耦合器14分别连入光谱仪15和光功率计16，通过调节凹槽与阵列波导光栅AWG芯片输入端相对位置，当达到最大功率，且光谱稳定后即达到最佳耦合位置，此时在玻璃垫块6与热沉垫块3连接端面点紫外胶17，紫外光源18发射紫外光如图所示通过玻璃垫块6照射在连接端面使得紫外胶固化完成集成，整个光路无胶。

第八步：将耦合在一起的半导体光增益芯片2与阵列波导光栅1粘接到的带有凹槽的铜基底4上；阵列波导光栅芯片1放置于铜基底4的凸台上，玻璃垫块6和热沉垫块3嵌于处于凹槽内，在阵列波导光栅芯片1与铜基底4接触面上使用热固化胶粘接完成固定，玻璃垫块6与热沉垫块3则均与铜基底的凹槽底部不直接接触，玻璃垫片6与铜基底之间有缝隙，热沉垫块３与铜基底凹槽底部的缝隙填充导热硅脂20实现散热。

其中阵列波导光栅芯片与铜基底粘接面通过导热胶19粘接，粘接面导热胶需要均匀无气饱；热沉垫块3通过导热硅脂20与铜基底4相连以提供可靠的散热窗口；最后将铜基底4通过导热胶19粘接到半导体制冷器5上，粘接面导热胶需要均匀无气饱，如图所示；粘接完成后通过热固化即可制作出多波长光源器件，完成后集成端面截面示意图如图5所示。

如图6，图7分别为本发明实施例完成封装后的多波长光源输出光谱图和通道5的PI曲线图，可以看到起具有输出光谱具有良好的一致性和较高的输出功率，性能良好。

虽然本发明已详细地示出并描述了相关的特定的实施例参考，但本领域的技术人员应该能够理解，在不背离本发明的精神和范围内可以在形式上和细节上作出各种改变。这些改变都将落入本发明的权利要求所要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种多波长光源，其特征在于：包括阵列波导光栅（1）、半导体光增益芯片（2）、单芯光纤阵列（7）、光隔离器（8）、热沉垫块（3）、半导体制冷器（5），阵列波导光栅（1）输入端下方粘接一个设置有凹槽的玻璃垫块（6），玻璃垫块（6）与阵列波导光栅（1）输入端持平，半导体光增益芯片（2）与阵列波导光栅（1）对准；阵列波导光栅（1）的输入与输出端面和半导体光增益芯片（2）的背面与输出端面镀有光学薄膜；阵列波导光栅（1）输出端面与单芯光纤阵列（7）耦合，单芯光纤阵列（7）接光隔离器（8）；半导体光增益芯片（2）焊接于热沉垫块（3）定位区域上，半导体光增益芯片（2）阳极、阴极与热沉垫块（3）上的电极连通；玻璃垫块（6）与热沉垫块（3）的连接端面固定，阵列波导光栅（1）粘接在带有凹槽的铜基底（4）的凸台上，玻璃垫块（6）与热沉垫块（3）设置于铜基底（4）的凹槽内，铜基底（4）粘接在半导体制冷器（5）上。

2.根据权利要求1所述的一种多波长光源，其特征在于：所述半导体光增益芯片（2）采用芯片数量大于4的增益芯片阵列，各通道具有相同的宽增益谱线。

3.根据权利要求1所述的一种多波长光源，其特征在于：所述玻璃垫块（6）与热沉垫块（3）之间采用紫外胶（17）固定，所述阵列波导光栅（1）与铜基底（4）采用导热胶（19）粘接，热沉垫块（3）和铜基底（4）采用导热硅脂（20）相连，铜基底（4）与半导体制冷器（5）采用导热胶(19)粘接。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种多波长光源，其特征在于：所述半导体光增益芯片（2）输出端面与阵列波导光栅（1）输入端面所镀的光学薄膜为反射率小于十万分之一的增透膜；半导体光增益芯片（2）背面所镀的光学薄膜为反射率在80%~90%的高反膜；阵列波导光栅（1）输出端面所镀的光学薄膜为半透半反膜。

5.根据权利要求4所述的一种多波长光源，其特征在于： 所述阵列波导光栅（1）为高斯型阵列波导光栅，其光谱范围大于半导体光增益芯片（2）3dB增益谱宽。

6.根据权利要求5所述的一种多波长光源，其特征在于：所述阵列波导光栅（1）输入输出端面采用90度垂直抛光。

7.根据权利要求1所述的一种多波长光源的低成本制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：制作阵列波导光栅（1）；

步骤2：在阵列波导光栅（1）输入端下方粘接一个设置有凹槽的玻璃垫块（6），抛光处理使玻璃垫块（6）与阵列波导光栅（1）输入端持平；

步骤3：阵列波导光栅（1）的输入与输出端面和半导体光增益芯片（2）的背面与输出端面镀有光学薄膜；

步骤4：阵列波导光栅（1）输出端面耦合单芯光纤阵列（7），单芯光纤阵列（7）接光隔离器（8）；

步骤5：在热沉垫块（3）上制作定位区域以及制作电极；

步骤6：将半导体光增益芯片（2）焊接到热沉垫块（3）定位区域内，通过引线键合将半导体光增益芯片阳极、阴极与热沉垫块（3）上的电极连通；

步骤7：将半导体光增益芯片（2）与阵列波导光栅（1）对准后，在玻璃垫块（6）与热沉垫块（3）的连接端面点胶固化，使半导体光增益芯片（2）与阵列波导光栅（1）耦合粘接在一起；

步骤8：将耦合在一起的半导体光增益芯片（2）、阵列波导光栅（1）与带有凹槽的铜基底（4）固定在一起，所述阵列波导光栅芯片（1）固定于铜基底的凸台上，玻璃垫块（6）和热沉垫块（3）设置于铜基底（4）的凹槽内，热沉垫块（3）与铜基底（4）之间粘导热硅脂，然后将铜基底（4）粘接到半导体制冷器（5）上。

8.根据权利要求7所述的一种低成本的多波长光源制作方法，其特征在于：所述步骤5中在热沉垫块上制作电极的具体方法是：在热沉垫块（3）上旋涂光刻胶，利用光刻的方法制作出电极的图形，然后通过磁控溅射工艺制作出电极，最后将光刻胶剥离。

9.根据权利要求7所述的一种低成本的多波长光源制作方法，其特征在于：所述步骤7中半导体光增益芯片（2）与阵列波导光栅（1）对准的方法为：半导体光增益芯片（2）采用金属探针（13）供电，半导体光增益芯片（2）下方设置半导体制冷器（5）控制芯片工作温度，单芯光纤阵列（7）连接3dB定向耦合器（14），3dB定向耦合器（14）分别连接光谱仪（15）和光功率计（16），调节半导体光增益芯片（2）与阵列波导光栅（1）输入端相对位置直至光功率计（16）达到最大功率且光谱仪（15）达到光谱稳定。