CN105717586B - 一种sip芯片与激光器的耦合方法及其组成的光收发模块 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种SIP芯片与激光器的耦合方法及其组成的光收发模块，包括采用使激光器(6)与SIP芯片(3)要求的偏振方向对齐的方法，具体为：先用图像视觉系统找到SIP芯片耦合端口的X轴和Y轴的十字线，将激光器芯片(6‑2)的发光端面(6‑2‑1)的X轴和Y轴构成的十字线等效标记到封装激光器芯片的TO管座底面上，然后将图像视觉系统对着激光器的TO管座底面，调节激光器的位置，使TO管座底面上的十字线与图像视觉系统上的十字线对齐。本发明光模块耦合过程中采取图像视觉系统进行无源耦合，生产效率高，易于大规模生产操作；光模块结构简单，体积小，可封装在小型可插拔结构(SFP)中；结构一体化，不易断纤；散热性好，具有高可靠性。

Description

一种SIP芯片与激光器的耦合方法及其组成的光收发模块
技术领域
本发明涉及一种光通信器件，具体涉及一种SIP芯片与激光器的耦合方法及其组成的光收发模块，本发明属于通信领域。
背景技术
在光收发模块中，按调制方式和光源的关系来分，激光器光源分直接调制和外调制两种。因外调制是改变已经输出的激光的参数，对激光器特性要求不高，且适用于高速率(2.5Gbps-40Gbps)、长距离的光通讯，人们更加关注和重视外调制型光收发模块的发展。当前，在长距离高速率的光收发模块中(如SFP+模块)，大多采用电吸收型外调制激光器(EML)。但电吸收外调制在电吸收的过程中会产生光生电流，带来的热效应会导致高功率时调制器的性能下降；而且电吸收外调制和激光器芯片一般被集成在一块芯片上，芯片价格非常昂贵，其高昂的价格也使得该芯片在局域网和接入网的应用受到限制。
传统的光收发模块由于发射部分(TOSA)、接收部分(ROSA)和数字诊断电路部分是分立的元件组成，元件较多，造成模块体积大，功耗高、电路板的布板复杂，模块布局繁琐，安装和拆卸都不方便。
近年来，用绝缘体上硅(SOI，silicon on insulator)片来集成制作IC(集成电路)芯片和光芯片的发展越来越迅速，即硅基光电子芯片(简称SIP芯片，SILICON PHOTONICS的缩写)。SIP芯片可以实现对光子信号的调制、探测、分束，放大等，同时也可以对电信号进行处理，如可以集成电子放大器，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。由于SIP芯片体积小巧、功耗低、工作速率高、综合成本低、易于大规模化的生产等优点，将其应用在光收发模块中，是光收发模块发展的有利选择。
由于硅所具有的能带结构决定了硅自身是一个弱的发光材料，硅基半导体激光器至今没有突破，所以当前对于使用SIP芯片的光收发模块而言，内置一个独立的半导体激光器依然是必要的。
SIP芯片与半导体激光器的耦合连接可以有两种方式，一种方式是半导体激光器芯片采取贴片焊接的方式直接与SIP芯片耦合，这种方式对SIP芯片的光端口的设计和制造工艺以及对激光器芯片贴片工艺都要求极高，难以实现；另一种方式是先将激光器芯片发出的光通过透镜等元件进行光斑模场变换后耦合进光纤，再将光纤与SIP芯片的光端口进行耦合，SIP芯片的光端口的设计为成熟工艺的斑模转换器(SSC)或光栅结构,可以与单模光纤可以进行斑模匹配，耦合损耗小。
SIP芯片上的光纤连接，特别的在耦合范围里和收发模块的端口的接头处，光纤都是去掉了涂覆层的裸纤，在耦合封装的过程中，容易发生光纤折断和损伤。
集成了Mach-Zander(MZ)调制器的SIP芯片在与激光器的出射光纤耦合时，有偏振态的要求，即只有特定方向的线偏振光才能以最小的损耗在SIP芯片内传输，通常采用的方式是有源耦合，即在耦合过程中给激光器和SIP芯片供电，通过监控输出的光功率的大小来判断入射光的偏振态是否是最佳进行耦合，这种方式繁琐，生产效率低，不利于大规模生产操作。
SIP芯片和激光器在工作时，不可避免的会发热，如产生的热量不及时导走，会使热量累积，从而使SIP芯片和激光器工作时的温度升高，导致SIP芯片和激光器相互影响，性能变差和寿命变短。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的困难，提供一种SIP芯片与激光器的耦合方法及其组成的光收发模块，该光收发模块使用成本较低的CW DFB或FP型激光器，利用SIP芯片对光信号进行调制和探测，并对电信号进行控制，实现2.5Gbps-25Gbps的光信号的收发。
本发明所采用的技术方案是：
一种SIP芯片与激光器的耦合方法，包括采用使激光器与SIP芯片要求的偏振方向对齐的方法，具体为：先用图像视觉系统找到SIP芯片耦合端口的X轴和Y轴的十字线，将激光器芯片的发光端面的X轴和Y轴构成的十字线等效标记到封装激光器芯片的TO管座底面上，然后将图像视觉系统对着激光器的TO管座底面，调节激光器的位置，使TO管座底面上的十字线与图像视觉系统上的十字线对齐。
所述激光器芯片的发光端面的X轴和Y轴构成的十字线等效标记到封装激光器芯片的TO管座底面的具体方法如下：在TO管座底面上设置有对称的两个凹槽，凹槽连线设为X轴；在垂直X轴的Y轴TO管座底面上设置一个凹槽；通过视觉系统观察，让SIP芯片耦合端口平面的X轴和Y轴的十字线与TO管座底面上X轴和Y轴分别对齐。
一种SIP芯片与激光器的耦合方法，包括如下步骤：步骤1、将SIP芯片的基板夹持在耦合平台上，将激光器和两只跳线的光纤分别夹持在六维微调架上；步骤2：先用水平放置的图像视觉系统找到SIP芯片耦合端口平面的平行和垂直的十字线，然后将图像视觉系统对着激光器的TO管座的底面，调节激光器的位置，使TO管座底面上的三个凹槽构成的十字线与图像视觉系统上的十字线对齐；步骤3：用竖直向下监控的图像视觉系统监控SIP耦合区，调节夹持激光器和跳线光纤的六维微调架，使激光器光纤、跳线光纤与SIP芯片三个端口的V形槽贴合；步骤4，在光纤与V形槽结合处和激光器与电路板结合处分别点胶固定。
一种SIP芯片与激光器的耦合方法制作的光收发模块，包括SIP芯片、激光器、电路板、垫块、基板，电路板上设置有孔洞，孔洞里设置有台阶结构的导热垫块，所述垫块的中间台阶平面与电路板的底面平行紧密接触固定，所述激光器与SIP芯片采用光纤耦合，SIP芯片、激光器固定在垫块上。
所述SIP芯片采用硅基光电子芯片，SIP芯片集成有Mach-Zander(MZ)调制器、光探测器以及集成电路中的内部诊断和控制处理器，实现控制激光器工作，接受外部的信息对光信号进行2.5Gpbs-25Gpbs的信号调制，接受外部的2.5Gpbs-25Gpbs的调制光信息将其转变成电信号。
所述SIP芯片上设有三个V型槽结构，三个V型槽彼此平行且垂直于SIP芯片耦合端口的平面。
所述激光器采用带尾纤的CW DFB或FP型激光器，封装形式采用TO同轴封装。
所述SIP芯片与激光器间采用光纤连接。
所述V型槽内设置有单模光纤。
所述垫块台阶结构中台阶的平面的形状为圆形、方形。
本发明的优点如下：
1)本发明采用成本较低的CW DFB或FP激光器芯片，能实现2.5Gpbs-25Gpbs的光信号调制，在高速传输的光收发模块里，成本优势明显；
2)本发明SIP集成芯片上的端口耦合采取图像视觉系统进行无源耦合，耦合效率高，易于大规模生产操作；
3)本发明模块结构简单，耦合部分一体化设计，安装和拆解方便，不易发生断纤问题；
4)本发明SIP集成芯片和激光器各自独立封装，中间采用光纤连接，两者产生的热量不会相互干扰，便于集成芯片和激光器各自散热；
5)本发明光模块耦合过程中采取图像视觉系统进行无源耦合，生产效率高，易于大规模生产操作；光模块结构简单，体积小，可封装在小型可插拔结构(SFP)中；结构一体化，不易断纤；散热性好，具有高可靠性。
附图说明
图1是本发明中SIP芯片内部功能结构示意图；
图2是本发明中模块整体结构示意图；
图3是本发明中激光器芯片封装结构图；
图4是本发明中SIP芯片与电路板的相对位置；
图5是本发明中SIP芯片上光耦合端口V型槽结构侧视图；
图6是本发明中SIP芯片上光耦合端口V型槽结构俯视图；
图7是本发明中激光器芯片与SIP芯片耦合时相对位置图；
图8是本发明中激光器芯片的发光端面与TO管座底面的相对位置图；
其中：
1：基板； 2：电路板；
2-1：电路板底面； 3：SIP芯片；
3-1：SIP芯片上的V型槽； 3-2：SIP芯片耦合端口平面；
4：光纤； 5：LC光接口；
6：激光器； 6-1：TO管座；
6-1-1：TO管座底面； 6-2：激光器芯片；
6-2-1：激光器芯片的发光端面； 6-3：透镜；
6-4：金属外壳； 6-5：插芯；
7：胶水； 8：垫块；
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的做出详细说明。
SIP芯片3是集成了Mach-Zander(MZ)调制器、光探测器以及集成电路中的内部诊断和控制处理器的硅基光电子芯片，SIP芯片内部部分功能结构如图1所示，它可以控制激光器工作，并接受外部的信息对光信号进行2.5Gpbs-25Gpbs的信号调制，还可以接受外部的2.5Gpbs-25Gpbs的调制光信息将其转变成电信号。
本发明的实施例提供一种内置硅基光电子芯片(SIP)的光收发模块的结构，为小型可插拔结构(SFP)，如图2所示，包括基板1、电路板2、SIP芯片3、光纤4、LC光接口5、激光器6、垫块8，
基板1承载两个功能，一是它是SFP外壳的一部分，与另一半SFP底壳结合成标准的SFP外壳；二是它是电路板和两只LC光接口5的载体，上设置了电路板2固定孔和跳线固定卡口，硬质电路板2和两只LC光接口5固定在这个基板上，组成一个整体，在生产过程中周转、安装和拆卸时不易发生断纤。
激光器6是带尾纤的CW DFB或FP型激光器。本发明采取的是TO同轴封装，但本领域技术人员应当可以理解本发明并不局限于此封装形式，采用蝶形封装等其他任何封装的形式都能达到同样的效果。如图3所示，激光器6包括TO56或者更小封装的TO46和TO39管座6-1、CW DFB或者FP型激光器芯片6-2、透镜6-3、连接金属件6-4、插针6-5以及光纤4依次设置。在进行短距离光传输时，激光器6可以选择使用FP芯片；当进行长距离光传输时，激光器6可以使用CW DFB芯片。
电路板2是硬质印刷电路板(PCB)，上设置有金手指结构，用于提供光模块与外界的电气连接。电路板2上开有孔洞的结构,靠近金手指端的孔洞放置有垫块8。垫块8采取台阶结构，台阶的形状可以为方台形、圆台形或其他形状，本发明采用T形结构。如图4所示，垫块8的上表面8-1、中间台阶平面8-2和底面8-3这三个平面平行。垫块8与电路板2粘接时，让垫块8的中间台阶平面8-2与电路板2的底面2-1平行紧密接触，然后将胶7点在垫块8与电路板2的缝隙处固定二者。SIP芯片3通过胶7固定贴装在垫块8的上表面8-1上。不让SIP芯片3直接贴装在电路板2上是因为普通材质的PCB不利于SIP散热，而特殊材质的PCB的成本又很高；通过在普通材质的电路板2开孔，在开孔内放置导热性好的垫块8，将SIP芯片3贴装在垫块8上，既解决了SIP芯片3的散热问题，又降低了成本；所开的孔洞周围可以设置焊盘，便于与SIP芯片3的焊盘就近进行连接，连接的方式为金丝球焊或金丝楔焊。远离金手指的开口处放置带尾纤的激光器6，激光器6的出纤方向正对着SIP芯片3。电路板2上有垫块放置的位置的标记。封装时，SIP芯片3、激光器6和垫块8会用胶7固定在电路板2上组成一个整体，当电路板2收到外力时，例如SFP模块插拔时，SIP芯片3和激光器6仍然会保持相对位置不变。
SIP芯片3上设有3个V型槽3-1结构，如图5-7所示，3个V型槽3-1彼此平行，且垂直于SIP芯片3耦合端口平面3-2；V型槽3-1里设置有与SIP芯片3相连接的的光纤。与3个V形槽3-1贴合的3根光纤4分别与SIP芯片3的TXIN发射输入、TXOUT发射输出和RXIN接收输入端口连接。
光纤4是普通单模光纤。当模块中光信号输出端口TXOUT和光信号接收端口RXIN出纤的弯曲半径过大时，可以采用单模微弯光纤。
LC光接口5指带单模光纤的宝塔套结构的LC接头，包含宝塔套结构的金属件、陶瓷插芯、开口陶瓷套筒和025型的单模光纤依次设置。
SIP芯片3与激光器的光纤4的耦合固定具体的步骤如下：
步骤一，将装有PCB 2的基板1夹持在耦合平台上，将激光器6和两只跳线的光纤分别夹持在六维微调架上；
步骤二，因SIP芯片3要求入射到其端口TXIN的光信号是固定方向的TE线偏振光，此实例中SIP芯片3要求进入的TE线偏振光的方向定为平行于SIP芯片的上下表面,当进入SIP芯片的线偏振光方向有角度偏差时，其信号质量会变差。激光器芯片6-2发出的光为TE线偏振光，此实例中激光器发出的TE线偏振光的方向定为平行于激光器芯片上下表面。激光器与SIP芯片耦合可以采用有源耦合，即给激光器和SIP供电，调节激光器和SIP芯片的相对位置，通过监控输出的光强的变化来判断耦合的最佳位置，此方法步骤繁琐，生产效率低，不适用于大规模生产。本发明采用另外一种耦合方法，即无源耦合，SIP芯片3要求进入的TE偏振光的方向为平行于SIP芯片的上下表面，而激光器芯片6-2发出的TE线偏振光的方向定为平行于激光器芯片上下表面，即当SIP芯片3的上下表面与激光器芯片6-2的上下表面平行时，激光器芯片6-2发出的光能以最小的插入损耗在SIP芯片3内传输。如图7、图8所示，定义SIP芯片3的耦合端口平面3-2的底边为X轴，垂直于底边的侧边为Y轴，X轴和Y轴构成一个十字线；定义激光器芯片6-2的发光端面6-2-1的底边为X轴，垂直于底边的侧边为Y轴，X轴和Y轴构成一个十字线，当SIP芯片3的耦合端口平面3-2的十字线和激光器芯片6-2的发光端面6-2-1的十字线的X轴和Y轴分别对齐时，就能保证激光器芯片6-2发出的线偏振光以最小的损耗在SIP芯片3内传输。本发明中，激光器芯片6-2被封装在TO管座6-1里，不能直接用图像视觉系统观察，本发明将激光器芯片6-2的发光端面6-2-1的X轴和Y轴构成的十字线与TO管座底面6-1-1上的三个定位凹槽构成的十字线的X轴和Y轴分别对齐，如图8所示，TO管座底面6-1-1上的对称的两个凹槽的连线定义为X轴，另一个凹槽相对于对称凹槽的垂线定义为Y轴,此时激光器芯片6-2的发光端面6-2-1的X轴和Y轴构成的十字线就等效标记到封装激光器芯片的TO管座底面上,可以通过视觉系统直接观察，让SIP芯片3耦合端口平面3-2的X轴和Y轴的十字线与TO管座底面6-1-1上X轴和Y轴分别对齐，即可保证激光器芯片6-2发出的TE线偏振光以最小的损耗在SIP芯片3内传输。当然,TO管座底面6-1-1上的三个凹槽构成的十字线这个等效面可以选择与激光器芯片6-2有相对关系的任何可用图像视觉系统观察到的平面。具体操作为先用水平放置的图像视觉系统找到SIP芯片耦合端口的平面的平行和垂直的十字线，然后将图像视觉系统对着激光器6的TO管座的底面6-1-1，调节激光器的位置，使TO管座底面6-1-1上的三个凹槽构成的十字线与图像视觉系统上的十字线对齐，则激光器6与SIP芯片3要求的偏振方向已对齐；
步骤三，用竖直向下监控的图像视觉系统监控SIP耦合区，调节夹持激光器6和LC光接口5的光纤4的六维微调架的水平和竖直维度钮，使3根光纤4与SIP芯片3的发射输入TXIN、发射输出TXOUT和接收输入RXIN端口的V形槽3-1贴合，则光纤4与SIP芯片3耦合端口已对齐；
步骤四，在光纤4与V形槽3-1结合处和激光器6与电路板2结合处分别点胶固定。这样SIP芯片3与光纤4的耦合固定完成。
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 (10)

1.一种硅基光电子芯片与激光器的耦合方法，其特征在于：包括采用使激光器(6)与硅基光电子芯片(3)要求的偏振方向对齐的方法，具体为：先用图像视觉系统找到硅基光电子芯片耦合端口的底边X轴和垂直于底边的侧边Y轴形成的十字线，将激光器芯片(6-2)的发光端面(6-2-1)的底边X轴和垂直于底边的侧边Y轴构成的十字线等效标记到封装激光器芯片的晶体管外形管座底面上，然后将图像视觉系统对着激光器的晶体管外形管座底面，调节激光器的位置，使晶体管外形管座底面上的十字线与图像视觉系统上的十字线对齐。
2.根据权利要求1所述一种硅基光电子芯片与激光器的耦合方法，其特征在于：所述激光器芯片(6-2)的发光端面(6-2-1)的X轴和Y轴构成的十字线等效标记到封装激光器芯片的晶体管外形管座底面的具体方法如下：在晶体管外形管座底面(6-1-1)上设置有对称的两个凹槽，凹槽连线设为X轴；在垂直X轴的Y轴晶体管外形管座底面上设置一个凹槽；通过视觉系统观察，让硅基光电子芯片耦合端口平面(3-2)的X轴和Y轴的十字线与晶体管外形管座底面(6-1-1)上X轴和Y轴分别对齐。
3.根据权利要求2所述的一种硅基光电子芯片与激光器的耦合方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1、将硅基光电子芯片的基板(1)夹持在耦合平台上，将激光器(6)和两只跳线的光纤分别夹持在六维微调架上；
步骤2：先用水平放置的图像视觉系统找到硅基光电子芯片(3)耦合端口平面的平行和垂直的十字线，然后将图像视觉系统对着激光器(6)的晶体管外形管座的底面(6-1-1)，调节激光器的位置，使晶体管外形管座底面(6-1-1)上的三个凹槽构成的十字线与图像视觉系统上的十字线对齐；
步骤3：用竖直向下监控的图像视觉系统监控硅基光电子耦合区，调节夹持激光器(6)和跳线光纤的六维微调架，使激光器光纤、跳线光纤与硅基光电子芯片(3)三个端口的V形槽(3-1)贴合；
步骤4，在光纤(4)与V形槽(3-1)结合处和激光器(6)与电路板(2)结合处分别点胶固定。
4.利用权利要求1或2所述的一种硅基光电子芯片与激光器的耦合方法制作的光收发模块，其特征在于：包括硅基光电子芯片(3)、激光器(6)、电路板(2)、垫块(8)、基板(1)，所述电路板(2)接触固定在基板(1)上，激光器(6)接触固定在电路板(2)上，电路板(2)上设置有孔洞，孔洞里设置有台阶结构的导热垫块(8)，所述垫块(8)的中间台阶平面与电路板(2)的底面平行紧密接触固定，硅基光电子芯片(3)固定在垫块(8)上，所述激光器(6)与硅基光电子芯片(3)采用光纤耦合。
5.根据权利要求4所述的一种光收发模块，其特征在于：所述硅基光电子芯片(3)采用硅基光电子芯片，硅基光电子芯片集成有马赫-曾德尔调制器、光探测器以及集成电路中的内部诊断和控制处理器，实现控制激光器工作，接受外部的信息对光信号进行2.5Gpbs-25Gpbs的信号调制，接受外部的2.5Gpbs-25Gpbs的调制光信息将其转变成电信号。
6.根据权利要求4所述的一种光收发模块，其特征在于：所述硅基光电子芯片(3)上设有三个V型槽结构，三个V型槽彼此平行且垂直于硅基光电子芯片耦合端口的平面。
7.根据权利要求4所述的一种光收发模块，其特征在于：所述激光器(6)采用带尾纤的分布式反馈型激光器或法布里-珀罗型激光器，封装形式采用晶体管外形同轴封装。
8.根据权利要求4所述的一种光收发模块，其特征在于：所述硅基光电子芯片与激光器间采用光纤连接。
9.根据权利要求6所述的一种光收发模块，其特征在于：所述V型槽内设置有单模光纤。
10.根据权利要求4所述的一种光收发模块，其特征在于：所述垫块(8)台阶结构中台阶的平面的形状为圆形、方形。
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