CN103944060A - 一种基于激光器封装的硅基光电子芯片 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于激光器封装的硅基光电子芯片，包括TOSA（24）、SIP芯片（25），SIP芯片（25）上设置有硅波导（26）和凹槽（27），硅波导（26）设置于SIP芯片（25）与光纤纤芯（2）耦合的端面区域，TOSA（24）的输出光纤（23）采用单模光纤，其长度为5~50mm，单模光纤（23）设置于凹槽（27）内，单模光纤（23）与硅波导（26）对准耦合；采用本发明技术方案大大简化了操作过程，降低了制作成本和物料成本，本发明技术方案工艺成熟，成本低，为硅基光集成芯片提供一种适合大批量生产的激光器封装方案。

Description

一种基于激光器封装的硅基光电子芯片

 

技术领域

本发明涉及一种用于硅基光电子芯片，特别涉及一种激光器封装的硅基光电子集成芯片，本发明属于光子集成器件技术领域。

 

背景技术

IC（集成电路）芯片一般由硅片制作，它可以对电子信号进行各种控制，实现很多功能，比如电子放大器，逻辑门电路，驱动（DRIVER），数模转化器，DSP（数字信号处理）器，CPU（中央处理器）等等。光子信号是光纤通信的信号载体，不同于电子信号，它不能在电线中传输，也无法用IC芯片进行处理。目前，人们开始用绝缘体上硅（SOI，silicon on insulator ）片来制作光芯片，可以集成多种光子功能器件，实现对光子信号的滤波，分束，放大，调制等多种功能。由于IC和光芯片都可以在SOI片上制作，一些研究机构和公司开始研究将IC功能和光芯片功能同时做在一块SOI片上，实现所谓硅基光电子芯片（简称SIP芯片，SILICON PHOTONICS的缩写），该芯片既能处理电子信号，又能同时处理光信号，实现了光电功能器件的体积小，功耗低，成本低的目的。但是和IC芯片比较起来，光芯片的制作工艺和信号的输入输出方式有很大的不同。

基于Ⅲ-Ⅴ族材料（如InP、GaAs等）的激光器已经大批量生产，其封装器件如TOSA等作为成熟光源已经大量应用于光通信等光电领域。同时SIP芯片中用于传输光信号的SOI波导尺寸越来越小，甚至缩小到亚微米尺度，波导尺寸与Ⅲ-Ⅴ族激光器或其封装器件输出光斑失配严重，因此，SIP芯片的光信号输入是一个亟待解决的难题。

光电子器件应用中，边发射半导体激光器作为光源通常会封装成光发射组件（TOSA Transmitter Optical Subassembly）。SIP芯片由SOI片制作，如图3所示，SOI片包括顶硅层4、限制层5和衬底层6，限制层5在衬底层6上，顶硅层4在限制层5上，保护作用的覆盖层7在顶硅层4上，硅波导8在顶硅层4上，其中硅波导横截面为亚微米尺寸。TOSA中发出的光由于发散角过大，光斑尺寸大，不能直接与SIP芯片中亚微米硅波导耦合。TOSA作为光源发出的光需要通过光纤与SIP芯片中硅波导耦合，图2所示为单模光纤截面示意图，包括光纤包层1和光纤纤芯2，光纤纤芯2直径为8~10微米。光纤出来的光发散角远小于边发射激光器直接发出的光，而硅波导通过模斑转换波导结构可以使硅波导耦合端面模场直径扩大到与光纤纤芯尺寸相当，因此光纤与硅波导可以比较好的耦合。由于TOSA中边发射半导体激光器发出的是单偏振光，而SIP芯片中功能结构（如调制器）也需要单偏振光输入才能正常工作，所以为了保持偏振态，需采用保偏光纤，图1所示为熊猫保偏光纤截面示意图，包括光纤包层1、光纤纤芯2和光纤应力区3。当光信号在单模光纤中传输时，实际制作光纤的任何非对称因素以及外在应力的加载都将在光纤中引入双折射效应而导致光的畸变，输出光的偏振状态是不稳定的。当光信号在保偏光纤中传输时，保偏光纤中在纤芯两边引入应力区产生高双折射效应来对抗外在应力变化的干扰，输出光的偏振状态是稳定的。

SIP芯片在SOI片上制作，光信号从芯片外部通过芯片上的硅波导结构进入芯片内部。光信号一般由半导体激光器发出，如VCSEL，FP，DFB等，由三五族材料制作。DFB等边发射半导体激光器发出的光是单偏振，属于TE模。SIP芯片上的硅波导功能结构，如MZI调制器等，一般工作在单偏振状态。因此，SIP芯片一般是由边发射激光器实现光信号输入。

半导体激光器中发出的光耦合进入SIP芯片一般有两种方式：直接耦合和间接耦合。直接耦合方式将III-V发光材料键合到SOI上，或者将DFB芯片直接贴装到SIP芯片的波导端面，之间不通过任何光纤，但是直接将III-V发光材料键合到SOI上或DFB芯片贴装到SIP芯片的端面，技术难度大，耦合容差小，器件的长期可靠性难以保证。间接耦合方式可以将激光器芯片封装成器件，通过光纤间接耦合进入SIP芯片。普通光纤并不能保持输出光的偏振模式，所以，要想使光信号从半导体激光器进入SIP芯片而能正常工作，可以在SIP芯片上采用光栅耦合结构保证单模耦合，但一般光栅耦合器与光纤的垂直耦合封装较困难，光谱较窄，耦合效率较低。或者连接激光器和SIP芯片采用的光纤为偏振保持光纤，即保偏光纤。保偏光纤一般是所谓熊猫眼光纤，在使用时需要认真对准熊猫眼，为保证一定的消光比，一定要将熊猫眼对的很准，比如角度偏离可能需要小于3度，导致操作难度大，成品率不能保证，成本高。

 

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的缺陷，本发明提出一种基于激光器封装的硅基光电子芯片，包括带尾纤TOSA与SIP芯片，采用常规的单模光纤与SIP芯片中硅波导耦合。

本发明采用的技术方案是：

一种基于激光器封装的硅基光电子芯片，包括TOSA、SIP芯片，SIP芯片上设置有硅波导和凹槽，硅波导设置于SIP芯片与光纤纤芯耦合的端面区域，TOSA的输出光纤采用单模光纤，其长度为5~50mm，单模光纤设置于凹槽内，单模光纤与硅波导对准耦合。

所述单模光纤的长度为5~20mm。

所述硅波导采用模斑转换结构。

所述单模光纤与硅波导的耦合间距为10~30微米，该耦合间距中设置有折射率匹配液。

所述凹槽内设置有固定单模光纤的固化胶。

所述模斑转换结构是倒锥结构或者正锥结构。

所述凹槽上设置有对准标记。

所述凹槽是V型槽。

本发明具有以下优点和积极效果：

本发明这种硅基光电子芯片采用很短单模光纤的带尾纤TOSA与SIP芯片中硅波导耦合封装，利用现有激光器封装形式和单模光纤，采用常规的单模光纤替代保偏光纤，在连接激光器和SIP芯片时，不需要保证光纤的轴向角度对准的问题，大大简化了操作过程，降低了制作成本和物料成本。本发明技术方案工艺成熟，成本低，为硅基光集成芯片提供一种适合大批量生产的激光器封装方案。

 

附图说明

图1是现有技术熊猫保偏光纤截面示意图；

图2是现有技术单模光纤截面示意图；

图3是现有技术SIP芯片中硅波导截面示意图；

图4是现有技术保偏光纤的偏振状态随轴向距离的示意图；

图5是现有技术长距离单模光纤的偏振状态随轴向的变化示意图；

图6是本发明短距离单模光纤的偏振状态随轴向的变化示意图；

图7是本发明带短单模光纤尾纤的TOSA与SIP芯片连接的示意图；

图8是本发明单模光纤与硅波导连接的示意图；

其中：

1：光纤包层；            2：光纤纤芯；

3：光纤应力区；          4：顶硅层；

5：限制层；              6：衬底层；

7：覆盖层；              8：硅波导；

9：熊猫保偏光纤；       

10：边发射激光器发出的线偏振光；

11：光纤轴向上以原偏振模式传输；    

12：光纤轴向上以垂直于原偏振模式传输；

13：保偏光纤输出光基本保持原偏振态；

14：长单模光纤输出光随机偏振态；

15：短单模光纤输出光基本保持原偏振态；

16：单模光纤；   

17：TO；                18：支架；

19：隔离器；             20：外套；

21：管壳；              22：带涂覆层尾纤；

23：光纤；              24： TOSA；

25：SIP芯片；          26：硅波导；

27：凹槽；             28：折射率匹配液；

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7所示,带尾纤的TOSA 24作为光源与SIP芯片25耦合。带尾纤的TOSA 24结构包括TO 17、支架18、隔离器19、外套20、管壳21、带涂覆层尾纤22、光纤23。TO17中的激光器为边发射激光器，如DFB等构形。带尾纤的TOSA 24可以为现有成熟的激光器封装形式，也可以更改尺寸适用于SFP等模块形式。TOSA 24输出光纤23采用单模光纤，其长度为5~20mm。

SIP芯片25采用CMOS工艺在SOI顶硅层表面制作光子功能结构和微电子集成电路，光子功能结构为硅基光波导器件，可包括波导，调制器，滤波器，复用器，探测器等，微电子集成电路可包括电子放大器，逻辑门电路，驱动电路，数字信号处理器等。SIP芯片25可实现除光源外所用光电子器件的集成。如图8所示，SIP芯片25与光纤耦合部分包括有硅波导26和凹槽27，硅波导26设置于SIP芯片25耦合端面区域与光纤纤芯2耦合，硅波导26采用模斑转换结构在耦合端面形成与单模光纤纤芯尺寸大小相当的模斑尺寸，以便更好地实现单模光纤与硅波导26的耦合。模斑转换结构是一种将波导中亚微米的模斑尺寸变大到光纤纤芯尺寸大小相当。这个结构是现有技术存在的，包括有倒锥结构、正锥结构等。SIP芯片25上通过刻蚀或腐蚀得到用于对准和支撑的凹槽27，凹槽27设置硅波导26的一侧，光纤23放在凹槽27上与硅波导26端面耦合，凹槽27上设置对准标记，或者凹槽27采用V型槽，但不限于V型槽的其它定位装置结构，这些结构的定位装置或者对准标记用于光纤23与硅波导26的无源或有源对准耦合。

本发明实现的技术原理具体如下：当边发射激光器发出的光进入单模光纤并进行传输时，光的偏振状态随着传输距离而随机变化：当单模传输光纤的距离很长时，如数米，输出光的偏振状态不稳定，如图5所示，边发射激光器发出的线偏振光10，在单纤光纤16中将随机在光纤轴向上以原偏振模式传输11和光纤轴上以垂直于原偏振模式传输12，长单模光纤输出光为随机偏振态14。图4显示的熊猫保偏光纤由于光纤应力区3的存在，保偏光纤输出光基本保持原偏振态13。当单模光纤的长度很短时，从激光器发出的单偏振光在很短的单模光纤里传输时，如数十毫米，其偏振状态基本保持不变，如图6所示，短单模光纤输出光基本保持原偏振态15。其实，光在光纤中传输时，由于光纤在制造过程中的工艺，使用过程中的外部应力和弯曲等原因，导致光纤本身的不完美和不均匀应力的存在，如折射率分布不均匀，局部应力的存在，本来圆形的芯可能局部存在椭圆的情况等。这些内外原因，导致沿光纤轴线方向的双折射现象，使得光的偏振状态不稳定。如果单模光纤的距离很短，且又不弯曲，保持直线，那么外部应力影响很小，光纤轴线向双折射效应大大减弱，可以保持光的偏振状态稳定。

本发明提供一种硅基光电子芯片，采用带尾纤的TOSA，尾纤为很短的单模光纤，单模光纤与SIP芯片中硅波导耦合，本发明硅基光集成芯片具有性能良好,操作方便的激光器封装结构。

半导体激光器发出的光通过TOSA尾纤与硅波导26耦合进入SIP芯片25，本发明TOSA尾纤采用单模光纤在长度5~50mm时可以保持偏振态，其中采用长度为5~20mm时，效果较好。单模光纤长度小，由于光纤自身非对称引起的应力累积小，输出光保持比较稳定的偏振状态。

光纤23设置于SIP芯片25的凹槽27内，光纤23与硅波导26对准耦合，凹槽27对光纤23支撑，光纤不弯曲，保持直线，外部应力影响小。单模光纤23与硅波导26端面端面约10~30微米间距，加入折射率匹配液28，以利于耦合。在SIP芯片上的凹槽27内加固化胶,进行光纤和硅波导耦合的固定封装。

如图6所示，采用本发明技术方案后，短距离单模光纤的输出偏振状态基本保持不变，耦合进入SIP芯片满足其对偏振的需求。

以上所说实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (8)

1.一种基于激光器封装的硅基光电子芯片，其特征在于：包括TOSA（24）、SIP芯片（25），SIP芯片（25）上设置有硅波导（26）和凹槽（27），硅波导（26）设置于SIP芯片（25）与光纤纤芯（2）耦合的端面区域，TOSA（24）的输出光纤（23）采用单模光纤，其长度为5~50mm，单模光纤（23）设置于凹槽（27）内，单模光纤（23）与硅波导（26）对准耦合。

2.根据权利要求1所述的一种基于激光器封装的硅基光电子芯片，其特征在于：所述单模光纤（23）的长度为5~20mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于激光器封装的硅基光电子芯片，其特征在于：所述硅波导（26）采用模斑转换结构。

4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于激光器封装的硅基光电子芯片，其特征在于：所述单模光纤（23）与硅波导（26）的耦合间距为10~30微米，该耦合间距中设置有折射率匹配液（28）。

5.根据权利要求1或2或3所述的一种基于激光器封装的硅基光电子芯片，其特征在于：所述凹槽（27）内设置有固定单模光纤（23）的固化胶。

6.根据权利要求3所述的一种基于激光器封装的硅基光电子芯片，其特征在于：所述模斑转换结构是倒锥结构或者正锥结构。

7.根据权利要求1或2或3所述的一种基于激光器封装的硅基光电子芯片，其特征在于：所述凹槽（27）上设置有对准标记。

8.根据权利要求1或2或3所述的一种基于激光器封装的硅基光电子芯片，其特征在于：所述凹槽（27）是V型槽。