CN108490553B

CN108490553B - 光模块

Info

Publication number: CN108490553B
Application number: CN201810271414.6A
Authority: CN
Inventors: 隋少帅; 高凤
Original assignee: Hisense Broadband Multimedia Technology Co Ltd
Current assignee: Hisense Broadband Multimedia Technology Co Ltd
Priority date: 2018-03-29
Filing date: 2018-03-29
Publication date: 2020-04-07
Anticipated expiration: 2038-03-29
Also published as: CN108490553A

Abstract

本发明提供一种光模块。该光模块包括：硅光芯片、激光器和透镜组件；其中，所述硅光芯片包括依次层叠设置的硅衬底、掩埋氧化硅层、光波导和覆盖层；所述硅光芯片具有刻蚀槽；所述刻蚀槽为通过刻蚀所述覆盖层、所述掩埋氧化硅层和所述硅衬底形成的；所述硅光芯片具有透镜凹槽；所述透镜凹槽为通过刻蚀所述刻蚀槽形成的；所述激光器设置在所述刻蚀槽内；所述透镜组件设置在所述透镜凹槽内，所述透镜组件位于所述激光器和所述光波导之间，用于将所述激光器发射的光进行光束整形后发射至所述光波导。本发明实施例的光模块耦合效率较高，由于激光器和透镜组件设置在位于硅光芯片的硅衬底上的刻蚀槽内，而且体积较小，耦合容差较高。

Description

光模块

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光模块。

背景技术

随着信息传输对带宽的要求越来越高，光通信市场对100G/400G等高速光模块的需求越来越大，因此需要迫切实现低成本的高速光模块。基于传统III-V磷化铟InP基分布式反馈(Distributed Feed Back，简称DFB)激光器的高速光模块，由于其本身材料的限制，很难实现高于25G的调制带宽，随着带宽的提高，InP基DFB激光器芯片的成本也大幅度提高，从而提高了整体光模块产品的成本，并且利用传统InP基DFB激光器的光模块封装工艺相对复杂。

基于硅基材料SOI的硅光集成已经成为高速、高带宽和低能耗信息传输的重要技术，基于硅光集成平台可以实现高速率的硅光调制器、高速率探测器、低损耗传输波导和波分复用等无源硅光器件。由于硅是间接带隙材料，发光效率极低，不适合用作硅光集成平台的光源。目前人们利用III-V族直接带隙半导体材料与SOI硅光芯片混合集成的方案来解决硅光集成平台的光源难题，主要原理是通过键合技术将III-V半导体激光器与硅光芯片混合集成，通过在SOI硅光芯片上制作无源波导耦合结构，从而实现外界半导体激光器与硅光芯片之间的耦合。

目前，采用Laser box光源封装技术可以实现III-V族直接带隙半导体材料与SOI硅光芯片混合集成的方案，将激光器、透镜、隔离器等光学元件制作在一个硅材料盒子中，用以与硅光芯片耦合封装，为硅光芯片提供光源。图1为基于Laser box光源封装技术实现的激光器与硅光芯片耦合结构示意图。如图1所示，Laser box包括基板5、盖板6、半导体激光器7、透镜8、准直镜9、反射镜10和焊料层11组成，硅光芯片包括硅衬底1、掩埋氧化硅层2、光波导3、覆盖层4组成，其中Laser box位于硅光芯片上方，半导体激光器7中出射的光经过透镜8、准直镜9、反射镜10调整好，穿过基板5，从而与硅光芯片上的硅波导3进行耦合，将光耦合进硅光芯片中。上述方案中laser box成本较高、尺寸较大，并且由于laser box与硅光芯片是单独制备的，因此耦合较为复杂。

发明内容

本发明提供一种光模块，以解决现有技术中尺寸较大，耦合较为复杂的问题。

第一方面，本发明提供一种光模块，包括：

硅光芯片、激光器和透镜组件；

其中，硅光芯片包括依次层叠设置的硅衬底、掩埋氧化硅层、光波导和覆盖层；

硅光芯片具有刻蚀槽；刻蚀槽为通过刻蚀覆盖层、掩埋氧化硅层和硅衬底形成的；

硅光芯片具有透镜凹槽；透镜凹槽为通过刻蚀刻蚀槽形成的；

激光器设置在刻蚀槽内；

透镜组件设置在透镜凹槽内，透镜组件位于激光器和光波导之间，用于将激光器发射的光进行光束整形后发射至光波导。

第二方面，本发明提供一种光模块，包括：

依次层叠设置的硅衬底、光波导和覆盖层，以及激光器和透镜组件；

其中，硅衬底和覆盖层之间设有刻蚀槽；刻蚀槽的底部位于硅衬底内；刻蚀槽的顶部位于覆盖层；

刻蚀槽底部设有透镜凹槽；

激光器设置在刻蚀槽内；

本发明提供的光模块，包括：硅光芯片、激光器和透镜组件；其中，硅光芯片包括依次层叠设置的硅衬底、掩埋氧化硅层、光波导和覆盖层；硅光芯片具有刻蚀槽；刻蚀槽为通过刻蚀所述覆盖层、掩埋氧化硅层和硅衬底形成的；硅光芯片具有透镜凹槽；透镜凹槽为通过刻蚀刻蚀槽形成的；激光器设置在刻蚀槽内；透镜组件设置在透镜凹槽内，透镜组件位于激光器和光波导之间，用于将激光器发射的光进行光束整形后发射至光波导，上述光模块结构可以实现将激光器发射的光耦合进入光波导中，由于透镜组件的存在，使得耦合效率较高，由于激光器和透镜组件设置在位于硅光芯片的硅衬底上的刻蚀槽内，因此耦合结构体积较小，而且耦合容差较高。

附图说明

图1是现有的硅光芯片与激光器耦合结构示意图；

图2是本发明提供的光模块一实施例的结构示意图；

图3是本发明提供的光模块另一实施例的结构示意图；

图4是本发明提供的光模块又一实施例的结构示意图；

图5是本发明提供的光模块又一实施例的结构示意图；

图6是本发明提供的激光器耦合方法一实施例的制作流程示意图；

图7是本发明提供的激光器耦合方法一实施例的流程示意图。

附图标记说明：

1、硅衬底； 2、掩埋氧化硅层； 3、光波导；

4、覆盖层； 5、基板； 6、盖板；

7、半导体激光器； 8、透镜； 9、准直镜；

10、反射镜； 11、焊料层； 12、硅衬底；

13、掩埋氧化硅层； 14、光波导； 15、覆盖层；

16、刻蚀槽； 17、透镜凹槽； 18、透镜组件；

19、焊料层； 20、激光器； 21、避光槽。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

本发明的说明书和权利要求书及所述附图中的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

首先，对本发明的应用场景进行介绍：

本发明实施例的光模块中激光器直接通过透镜组件将光信号耦合进硅光芯片的光波导中，然后将耦合结构直接放置在光模块的电路板上，而现有的光发射组件需要柔性线路板或印刷电路板等连接至电路板，因此本发明实施例的光模块体积较小。

图2是本发明提供的光模块一实施例的结构示意图。如图2所示，本实施例提供的光模块，包括：

硅光芯片、激光器20和透镜组件18；

其中，硅光芯片包括依次层叠设置的硅衬底12、掩埋氧化硅层13、光波导14和覆盖层15；

硅光芯片具有刻蚀槽16；刻蚀槽16为通过刻蚀覆盖层15、掩埋氧化硅层13和硅衬底12形成的；

硅光芯片具有透镜凹槽17；透镜凹槽17为通过刻蚀刻蚀槽16形成的；

激光器20设置在刻蚀槽16内；

透镜组件18设置在透镜凹槽17内，透镜组件18位于激光器20和光波导14之间，用于将激光器20发射的光进行光束整形后发射至光波导14。

具体的，如图2所示，光模块包括硅光芯片和激光器的耦合结构，其中，激光器20和透镜组件18设置在硅光芯片上的刻蚀槽16内，因此降低了耦合对准要求，提高了制作容差率。

该刻蚀槽16位于硅衬底12和覆盖层15之间；刻蚀槽16的底部位于硅衬底12内；刻蚀槽16的顶部位于覆盖层15；该刻蚀槽16为通过依次刻蚀覆盖层15、掩埋氧化硅层13和硅衬底12形成的。

该刻蚀槽的大小、位置及与光波导之间的间距都可以根据实际情况进行设定，进而通过光刻工艺进行精确的控制。该刻蚀槽的深度是由整体的光路深度所决定的，根据实际设计，可以通过控制刻蚀工艺来实现不同的刻蚀槽深度。

上述结构中由于将激光器集成在刻蚀槽内，激光器发出的光与硅光芯片中的光波导耦合，从而为硅光芯片提供光注入。

进一步，如图2、图3所示，由于激光器发射的光是发散的，为了提高耦合效率，因此在激光器20和光波导14之间设置透镜组件18，该透镜组件18设置在透镜凹槽内，透镜凹槽17为刻蚀槽16底部的凹槽，通过对刻蚀槽16的底部进行刻蚀形成的。透镜组件18对激光器发出的光进行光束整形，即准直后进入光波导中。

本实施例中的光模块与图1相比减少了反射镜10等组件，而且整个耦合结构的高度减小了，因此减小了光模块的体积。

本实施例提供的光模块，包括：硅光芯片、激光器和透镜组件；其中，硅光芯片包括依次层叠设置的硅衬底、掩埋氧化硅层、光波导和覆盖层；硅光芯片具有刻蚀槽；刻蚀槽为通过刻蚀所述覆盖层、掩埋氧化硅层和硅衬底形成的；硅光芯片具有透镜凹槽；透镜凹槽为通过刻蚀刻蚀槽形成的；激光器设置在刻蚀槽内；透镜组件设置在透镜凹槽内，透镜组件位于激光器和光波导之间，用于将激光器发射的光进行光束整形后发射至光波导，上述光模块结构可以实现将激光器发射的光耦合进入光波导中，由于透镜组件的存在，使得耦合效率较高，由于激光器和透镜组件设置在位于硅光芯片的硅衬底上的刻蚀槽内，因此耦合结构体积较小，而且耦合容差较高。

在上述实施例的基础上，进一步的，透镜凹槽17的顶部与刻蚀槽16的底部位于同一水平面；或，

透镜凹槽17的顶部与刻蚀槽16的底部位于不同水平面。

具体的，刻蚀透镜凹槽时可以根据实际光路耦合需要，如图3所示，通过对刻蚀槽16进行二次刻蚀，然后在二次刻蚀后的表面刻蚀透镜凹槽17，从而保持光路的连续，即透镜凹槽17的顶部与刻蚀槽16的底部位于不同水平面；

或者，如图2所示，直接对刻蚀槽16的底部进行刻蚀形成透镜凹槽17，即透镜凹槽17的顶部与刻蚀槽16的底部位于同一水平面。

将透镜组件18固定在透镜凹槽17内，该透镜组件18用于对激光器20发射的光束进行整形，并控制光斑的大小，实现与光波导14的最佳耦合效率。

可选的，刻蚀槽16的底部设有焊料层19。

激光器20通过倒装焊Flip-chip方式设置在焊料层19上。

具体的，通过沉积等半导体加工工艺在刻蚀槽16的底部形成焊料层19，然后通过Flip-chip倒装焊技术将激光器20固定在焊料层19上。

其中，激光器、透镜组件和硅光芯片的光波导之间通过工艺制备过程中的对准标记进行耦合对准，能够实现高对准容差和无源耦合，上述耦合结构具有耦合效率高、体积小和便于集成的优点。

本实施例中，在硅光芯片上制作出刻蚀槽结构，在刻蚀槽结构内部利用Flip-chip倒装焊技术集成激光器，并通过工艺加工集成透镜组件。其中激光器发出的光经过透镜组件整形后，与硅光芯片中的波导结构耦合，实现光从激光器到硅光芯片的高效率耦合，从而为硅光芯片提供光注入。

在上述实施例的基础上，为了获得更小的光学损耗和更高的光耦合效率，可选的，如图4所示，刻蚀槽16内设有避光槽21，避光槽21位于透镜组件18和光波导14之间的硅衬底12内。

具体的，可以在刻蚀槽16的底部形成避光槽21，能够降低激光器20发射的光向硅衬底12的散射损耗，从而提高耦合效率。

本实施例中，由于在刻蚀的底部形成有避光槽，能够降低激光器发射的光向硅衬底的散射损耗，从而提高耦合效率。

图7是本发明提供的激光器耦合方法一实施例的流程示意图。如图7所示，本实施例提供的方法，包括：

步骤701、对硅光芯片进行刻蚀，形成刻蚀槽；所述刻蚀槽的底部位于所述硅光芯片的硅衬底内。

具体的，为了实现硅光芯片和激光器的耦合，本步骤中，对硅光芯片进行刻蚀，形成刻蚀槽。

为了降低耦合对准要求，提高制作容差，可选的，如图2、图6所示，依次对硅光芯片的覆盖层15、掩埋氧化硅层13和硅衬底12进行刻蚀，形成刻蚀槽16。

刻蚀槽的底部位于硅光芯片的硅衬底12内。

步骤702、将透镜组件和激光器固定在刻蚀槽内，以使激光器发射的光经过透镜组件耦合进入硅光芯片的光波导中；其中，透镜组件位于光波导和激光器之间。

本步骤中，将激光器集成在刻蚀槽内，激光器发出的光与硅光芯片中的光波导耦合，从而为硅光芯片提供光注入。

进一步，如图2所示，由于激光器发射的光是发散的，为了提高耦合效率，因此在激光器20和光波导14之间设置透镜组件18。透镜组件对激光器发出的光进行整形，即准直后进入光波导中。

本实施例的激光器耦合方法，对硅光芯片进行刻蚀，形成刻蚀槽；所述刻蚀槽的底部位于所述硅光芯片的硅衬底内，将透镜组件和激光器固定在刻蚀槽内，以使激光器发射的光经过透镜组件耦合进入硅光芯片的光波导中；其中，透镜组件位于光波导和激光器之间，通过上述方法形成的硅光芯片与激光器的耦合结构可以实现将激光器发射的光耦合进入光波导中，由于透镜组件的存在，使得耦合效率较高，由于激光器和透镜组件设置在位于硅光芯片的硅衬底上的刻蚀槽内，因此耦合结构体积较小，而且耦合容差较高。

在上述实施例的基础上，可选的，如图3所示，可以采用如下方式将透镜组件固定在刻蚀槽内：

在刻蚀槽16的底部通过刻蚀形成透镜凹槽17；

将透镜组件18固定在透镜凹槽17内。

具体的，刻蚀透镜凹槽时可以根据实际光路耦合需要，如图3所示，通过对刻蚀槽16进行二次刻蚀，然后在二次刻蚀后的表面刻蚀透镜凹槽17，从而保持光路的连续；

或者，直接对刻蚀槽的底部进行刻蚀形成透镜凹槽。

可选的，可以采用如下方式将激光器固定在刻蚀槽内：

在刻蚀槽16的底部形成焊料层19；

将激光器20固定在焊料层19上。

具体的，通过沉积等半导体加工工艺在刻蚀槽的底部形成焊料层，然后通过Flip-chip倒装焊技术将激光器固定在焊料层上。

在上述实施例的基础上，为了获得更小的光学损耗和更高的光耦合效率，可选的，如图4所示，将透镜组件和激光器固定在刻蚀槽内之前，还包括：

在刻蚀槽16的底部形成避光槽21；避光槽21位于透镜组件18和光波导14之间的硅衬底12内。

具体的，可以在刻蚀槽的底部形成避光槽，能够降低激光器20发射的光向硅衬底12的散射损耗，从而提高耦合效率。

本实施例中，由于在刻蚀的底部形成避光槽，能够降低激光器发射的光向硅衬底的散射损耗，从而提高耦合效率。

以下为硅光芯片和激光器耦合结构的制备流程，如图6所示，图6中的每一个结构分别对应以下每一个步骤：

步骤一：制备硅光芯片，该硅光芯片能够实现实际所要求的功能，主要包括硅衬底、掩埋氧化硅层、光波导和覆盖层，其中光波导用于实现与激光器的光耦合，可根据实际效果设计不同的耦合结构；

步骤二：制备刻蚀槽，利用半导体加工工艺在硅光芯片表面依次刻蚀覆盖层、掩埋氧化硅层和硅衬底形成刻蚀槽，该刻蚀槽的大小、位置及与光波导之间的间距都可以通过光刻工艺进行精确的控制。该刻蚀槽的深度是由整体的光路深度所决定的，根据实际设计，可以通过控制刻蚀工艺来实现不同的刻蚀槽深度；

步骤三：制备不同深度刻蚀槽，在实际应用中，可能很难在同一水平面上实现光束的完整传播，因此需要不同深度的刻蚀槽结构，可以利用半导体加工工艺再次在刻蚀槽表面进行二次刻蚀形成；

步骤四：制备透镜凹槽，利用半导体加工工艺在步骤三中二次刻蚀形成的刻蚀槽表面进行刻蚀形成，该透镜凹槽的大小和深度由具体的透镜组件大小所决定，该透镜凹槽位置由实际光路需求决定。其次，在该步骤中可以同时制备对准标记，以方便后期与透镜组件的耦合对准；

步骤五：制备焊料层，利用加工工艺在步骤三中的刻蚀槽表面形成焊料层，该焊料层的位置决定了激光器的位置，由实际光路要求决定，实现硅光芯片与激光器的最大耦合效率。其次，在该步骤中可以同时制备对准标记，以方便后期与半导体激光器的耦合对准；

步骤六：在硅光芯片上的透镜凹槽内设置透镜组件，利用胶水或其他粘贴材料将透镜组件固定于步骤四中形成的透镜凹槽上方；

步骤七：在硅光芯片上的刻蚀槽内设置半导体激光器，利用Flip-chip倒装焊技术将已经制备完成的半导体激光器固定在步骤五中形成的焊料层的上方。

上述只是给出了一种具体流程，在实际的制备过程中，可根据不同的设计和器件结构采用不同的制备工艺和工艺步骤，只要能够实现上述的硅光芯片与激光器耦合结构即可。

本发明实施例的方法还具备集成度高和便于集成的优点。

上述图2-图4给出的是单通道的硅光芯片与激光器的耦合结构，对于多通道的硅光芯片与激光器耦合结构，只需要在上述步骤一至步骤六中增加相对应的设计即可，不需要增加工艺复杂度，图5给出了四通道集成的硅光芯片与激光器耦合立体示意图。

如图2所示，本发明实施例还提供一种光模块，包括：

依次层叠设置的硅衬底12、光波导14和覆盖层15，以及激光器20和透镜组件18；

其中，硅衬底12和覆盖层15之间设有刻蚀槽16；刻蚀槽16的底部位于硅衬底12内；刻蚀槽16的顶部位于覆盖层15；

刻蚀槽16底部设有透镜凹槽17；

激光器20设置在刻蚀槽16内；

可选的，还包括：

设置在硅衬底12和覆盖层15之间的掩埋氧化硅层13；

其中，光波导14位于掩埋氧化硅层13和覆盖层15之间。

可选的，如图2、图3所示，透镜凹槽17的顶部与刻蚀槽16的底部位于同一水平面；或，

透镜凹槽17的顶部与刻蚀槽16的底部位于不同水平面。

可选的，刻蚀槽17内设有避光槽21，避光槽21位于透镜组件18和光波导14之间的硅衬底12内。

可选的，刻蚀槽17的底部设有焊料层19；

激光器20通过倒装焊Flip-chip方式设置在焊料层19上。

本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其它实施方案。本发明旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由下面的权利要求书指出。

应当理解的是，本公开并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本公开的范围仅由所附的权利要求书来限制。

Claims

1.一种光模块，其特征在于，包括：

硅光芯片、激光器和透镜组件；

其中，所述硅光芯片包括依次层叠设置的硅衬底、掩埋氧化硅层、光波导和覆盖层；

所述硅光芯片具有刻蚀槽；所述刻蚀槽为通过刻蚀所述覆盖层、所述掩埋氧化硅层和所述硅衬底形成的；

所述硅光芯片具有透镜凹槽；所述透镜凹槽为通过刻蚀所述刻蚀槽形成的；

所述激光器设置在所述刻蚀槽内；

所述透镜组件设置在所述透镜凹槽内，所述透镜组件位于所述激光器和所述光波导之间，用于将所述激光器发射的光进行光束整形后发射至所述光波导。

2.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述刻蚀槽内设有避光槽，所述避光槽位于所述透镜组件和所述光波导之间的硅衬底内。

3.根据权利要求1或2所述的光模块，其特征在于，所述透镜凹槽的顶部与所述刻蚀槽的底部位于同一水平面；或，

所述透镜凹槽的顶部与所述刻蚀槽的底部位于不同水平面。

4.根据权利要求1或2所述的光模块，其特征在于，所述刻蚀槽的底部设有焊料层。

5.根据权利要求4所述的光模块，其特征在于，

所述激光器通过倒装焊Flip-chip方式设置在所述焊料层上。

6.一种光模块，其特征在于，包括：

其中，所述硅衬底和所述覆盖层之间设有刻蚀槽；所述刻蚀槽的底部位于所述硅衬底内；所述刻蚀槽的顶部位于所述覆盖层；

所述刻蚀槽底部设有透镜凹槽；

所述激光器设置在所述刻蚀槽内；

7.根据权利要求6所述的光模块，其特征在于，还包括：

设置在所述硅衬底和所述覆盖层之间的掩埋氧化硅层；

其中，所述光波导位于所述掩埋氧化硅层和所述覆盖层之间。

8.根据权利要求6或7所述的光模块，其特征在于，所述透镜凹槽的顶部与所述刻蚀槽的底部位于同一水平面；或，

所述透镜凹槽的顶部与所述刻蚀槽的底部位于不同水平面。

9.根据权利要求6或7所述的光模块，其特征在于，

所述刻蚀槽内设有避光槽，所述避光槽位于所述透镜组件和所述光波导之间的硅衬底内。

10.根据权利要求6或7所述的光模块，其特征在于，所述刻蚀槽的底部设有焊料层；

所述激光器通过倒装焊Flip-chip方式设置在所述焊料层上。