CN111342903A - 异质集成cwdm4光发射芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种异质集成CWDM4光发射芯片，该芯片集成有四个MZ电光调制器、四个激光器和一个波分复用器，四个激光器键合在衬底上，衬底上设有SiO2层，SiO2层上设有Si层；MZ电光调制器均包括PLC波导合路器、PLC波导分路器和一对硅波导相移臂；四个MZ电光调制器的PLC波导合路器、分路器均设置在SiO2层内，四个MZ电光调制器的硅波导相移臂均设置在Si层上；波分复用器设置在SiO2层内；四个激光器输出的光信号分别端面耦合进入四个MZ电光调制器的PLC波导分路器，四个MZ电光调制器的PLC波导合路器的输出端分别通过PLC波导连接波分复用器。本发明的异质集成CWDM4光发射芯片兼具高调制速率和低损耗的技术优势，并且在出光端可以直接与单模光纤实现低损耗的端面耦合。

Description

异质集成CWDM4光发射芯片
技术领域
本发明涉及集成光收发芯片技术领域，涉及一种光发射芯片，具体涉及一种异质集成的CWDM4光发射芯片。
背景技术
硅基集成光收发芯片支持100G/400G乃至800G的高速率传输，同时支持COB封装工艺，在集成度、成本方面具有较大优势。100G/400G CWDM4硅基集成光发射(TX)芯片中集成了4个硅基电光调制器、1个硅基波分复用器和4个波长不同的激光器，通过波分复用器可实现4路波长不同的光信号的单纤发射。目前，基于纯硅波导的集成光发射芯片在单通道调制速率、可集成通道数、整个芯片集成度方面相比于其它技术方案具有较大优势，其单通道调制速率可以达到50Gbps以上，运用PAM4调制技术，4通道集成的CWDM4光发射芯片可以实现400Gbps以上的单纤光发射。不过，基于纯硅波导的集成光发射芯片也有一个不足之处就是光损耗太大，导致发射光信号太弱或者功耗过大，应用方面受到很大限制。相较于基于硅波导的光器件及其集成芯片，基于PLC波导(波导材料为SiO2)的光器件及集成芯片具有很低的光损耗，并且与单模光纤模场匹配，但其不足之处是不能实现高速电光调制。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种异质集成CWDM4光发射芯片，兼具高调制速率、低片上光损耗的技术优势，并且在出光端可以直接与单模光纤实现低损耗的端面耦合。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种异质集成CWDM4光发射芯片，包括四个MZ电光调制器、四个波长不同的激光器和一个波分复用器，四个激光器依次键合在衬底上；所述衬底上设有SiO2层，所述SiO2层上设有Si层；
所述MZ电光调制器均包括PLC波导合路器、PLC波导分路器和一对硅波导相移臂；所述四个MZ电光调制器的PLC波导合路器和PLC波导分路器均设置在SiO2层内，所述四个MZ电光调制器的硅波导相移臂均设置在Si层上；
构成MZ电光调制器的PLC波导分路器的两路分支基于倏逝波耦合分别与所述一对硅波导相移臂光路连通，构成MZ电光调制器的PLC波导合路器的两路分支基于倏逝波耦合分别与所述一对硅波导相移臂光路连通；
所述波分复用器设置在SiO2层内；
所述四个激光器输出的光信号分别端面耦合进入所述四个MZ电光调制器的PLC波导分路器，所述四个MZ电光调制器的PLC波导合路器的输出端分别通过PLC波导连接所述波分复用器。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述衬底上刻蚀有台阶槽，所述四个激光器依次键合在所述台阶槽上。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述一对硅波导相移臂在SiO2层上的正投影分别与所述PLC波导分路器两路分支的近输出端重叠，该重叠的长度或/宽度与倏逝波耦合的耦合效率相关关。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述PLC波导分路器两路分支近输出端与一对硅波导相移臂之间的垂直距离与倏逝波耦合的耦合效率相关。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述PLC波导分路器两路分支的近输出端均为倒锥形结构。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述一对硅波导相移臂在SiO2层上的正投影分别与所述PLC波导合路器两路分支的近输入端重叠，该重叠的长度或/宽度与倏逝波耦合的耦合效率相关。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述PLC波导合路器两路分支近输入端与一对硅波导相移臂之间的垂直距离与倏逝波耦合的耦合效率相。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述PLC波导合路器两路分支的近输入端均为倒锥形结构。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述Si层上设有相互平行的第一电极、第二电极和共用电极，所述公共电极设于所述一对硅波导相移臂之间位置，所述第一电极平行设于第一硅波导相移臂另一侧，所述第二电极平行设于第二硅波导相移臂另一侧；通过所述第一电极和共用电极给所述第一硅波导相移臂施加电压，通过所述第二电极和公共电极给所述第二硅波导相移臂施加电压。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述硅波导相移臂上的电压与MZ电光调制器的输出光强度相关。
本发明的有益效果：
其一、本发明的异质集成CWDM4光发射芯片，设计在由SiO2层和Si层构成的两层结构上异质集成MZ调制器，构成MZ调制器的分路器和合路器均基于PLC波导，PLC波导为掺杂SiO2波导，具有较小的光传输损耗；构成MZ调制器的相移臂采用硅波导相移臂调制光信号，具有较高的调制速率。位于异质层结构上的分路器、合路器与相移臂基于倏逝波耦合实现光路连通，使得异质集成的MZ调制器同时具有高调制速率和低传输光损耗的技术优势。
其二、本发明的异质集成CWDM4光发射芯片，设计在由衬底、SiO2层和Si层构成的三层结构上异质集成异质集成CWDM4光发射芯片，构成异质集成CWDM4光发射芯片的四个激光器键合在衬底上，四个MZ调制器均位于SiO2层和Si层上异质集成，基于PLC波导的波分复用器集成在SiO2层内；构成异质集成CWDM4光发射芯片的所有器件均采用PLC波导连接并传输光信号，PLC波导为掺杂SiO2波导，具有较小的传输损耗，同时基于PLC波导的波分复用器本身也是低损耗器件，使得整个异质集成的CWDM4光发射芯片具有较小的传输损耗，同时PLC波导与单模光纤模场失配小，在光发射芯片的出光端可以直接与单模光纤实现低损耗的端面耦合；以及，异质集成的MZ调制器使用硅波导相移臂调制光信号，具有较高的调制速率，使得异质集成的异质集成CWDM4光发射芯片同时具有高调制速率和低传输光损耗的技术优势，并且在出光端可以直接与单模光纤实现低损耗的端面耦合。
其三、采用Si层和SiO2层上下层叠的两层结构设计，位于SiO2层的PLC波导分路器、PLC波导合路器与位于Si层的两个硅波导相移臂基于倏逝波耦合实现光路连通，有效简化光发射芯片异质集成工艺。
附图说明
图1是本发明优选实施例中光发射芯片的立体结构示意图；
图2是图1所示光发射芯片的透视示意图；
图3是图2所示A的局部放大图；
图4是PLC波导分路器的结构示意图。
图中标号说明：
1-激光器，3-PLC波导，5-台阶槽，7-波分复用器；
2-衬底，4-SiO2层，6-Si层，8-第一硅波导相移臂，10-第二硅波导相移臂，12-PLC波导分路器，14-PLC波导合路器，16-第一电极，18-第二电极，20-共用电极，22-近输出端。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例
本实施例公开一种适用于CWDM4光模块的光发射芯片，参照图1～4所示，该光发射芯片具有依次层叠设置的衬底2、SiO2层4和Si层6；该光发射芯片集成有四个MZ电光调制器、四个波长不同的激光器1和一个波分复用器7，波分复用器7设置在SiO2层4内，其优选使用PLC波导波分复用器；此处，PLC波导波分复用器7为使用PLC波导传输光信号的波分复用器。
上述四个激光器1依次键合在衬底2上。其中，上述衬底2上通过刻蚀工艺加工台阶槽5，四个波长不同的激光器1“一”字型排开，并通过键合工艺集成在台阶槽5上，台阶槽5的深度由激光器1的输出光波导与MZ电光调制器内接收光波导在同一平面上唯一确定。
四个MZ电光调制器均包括PLC波导合路器14、PLC波导分路器12和一对硅波导相移臂；四个MZ电光调制器的PLC波导合路器14和PLC波导分路12器均设置在SiO2层4内，四个MZ电光调制器的硅波导相移臂均设置在Si层6上。此处，PLC波导分路器12为使用PLC波导传输光信号的分路器，PLC波导合路器14为使用PLC波导传输光信号的合路器，硅波导相移臂为使用硅波导调制光信号的相移臂。
具体的，上述Si层6上通过刻蚀形成硅波导，再通过掺杂形成PN结构或者PIN结构的第一硅波导相移臂8；以及，上述Si层6上通过刻蚀形成硅波导，再通过掺杂形成PN结构或者PIN结构的第二硅波导相移臂10。
构成MZ电光调制器的PLC波导分路器12的两路分支基于倏逝波耦合分别与第一硅波导相移臂8和第二硅波导相移臂10光路连通；构成MZ电光调制器的PLC波导合路器14的两路分支基于倏逝波耦合分别与第一硅波导相移臂8和第二硅波导相移臂10光路连通；由上述PLC波导分路器12、第一硅波导相移臂8、第二硅波导相移臂10和PLC波导合路器14构成上述MZ电光调制器。上述四个激光器1输出的光信号分别耦入四个MZ电光调制器的PLC波导分路器12，上述四个MZ电光调制器的PLC波导合路器14的输出端分别通过PLC波导3连接上述波分复用器7。
本发明以上结构设计的光发射芯片，使用PLC波导分路器/合路器与硅波导相移臂配合实现电光调制，使用PLC波分复用器实现四个通道光信号的合波并输出，具有较小的传输损耗和较高的调制速率，其技术优势体现在以下几个方面：
(1)设计在由SiO2层和Si层构成的两层结构上异质集成MZ调制器，构成MZ调制器的分路器和合路器均基于PLC波导，PLC波导为掺杂SiO2波导，具有较小的光传输损耗；构成MZ调制器的相移臂采用硅波导相移臂调制光信号，具有较高的调制速率。位于异质层结构上的分路器、合路器与相移臂基于倏逝波耦合实现光路连通，使得异质集成的MZ调制器同时具有高调制速率和低传输光损耗的技术优势。
(2)设计在由衬底、SiO2层和Si层构成的三层结构上异质集成异质集成CWDM4光发射芯片，构成异质集成CWDM4光发射芯片的四个激光器键合在衬底上，四个MZ调制器均位于SiO2层和Si层上异质集成，基于PLC波导的波分复用器集成在SiO2层内；构成异质集成CWDM4光发射芯片的所有器件均采用PLC波导连接并传输光信号，PLC波导为掺杂SiO2波导，具有较小的传输损耗，同时基于PLC波导的波分复用器本身也是低损耗器件，使得整个异质集成的CWDM4光发射芯片具有较小的传输损耗，同时PLC波导与单模光纤模场失配小，在光发射芯片的出光端可以直接与单模光纤实现低损耗的端面耦合；以及，异质集成的MZ调制器使用硅波导相移臂调制光信号，具有较高的调制速率，使得异质集成的异质集成CWDM4光发射芯片同时具有高调制速率和低传输光损耗的技术优势，并且在出光端可以直接与单模光纤实现低损耗的端面耦合。
(3)采用Si层和SiO2层上下层叠的两层结构设计，位于SiO2层的PLC波导分路器、PLC波导合路器与位于Si层的两个硅波导相移臂基于倏逝波耦合实现光路连通，有效简化光发射芯片异质集成工艺。
构成MZ结构电光调制器的PLC光分路器、PLC光合路器和与两者分层设置的两个硅波导相移臂分别基于倏逝波耦合实现光路连通，本实施例技术方案中，通过以下几种方式调节光耦合效率：
(1)参照图2所示，上述第一硅波导相移臂8和第二硅波导相移臂10在SiO2层4上的正投影分别与上述PLC波导分路器12两路分支的近输出端22重叠，该重叠的长度或/宽度与倏逝波耦合的耦合效率相关。制成本发明硅基电光调制器过程中，以获得最大化的耦合效率为目标来设计该重叠长度或/和宽度。
(2)参照图2所示，上述第一硅波导相移臂8和第二硅波导相移臂10在SiO2层4上的正投影分别与上述PLC波导合路器14两路分支的近输入端重叠，该重叠的长度或/宽度与倏逝波耦合的耦合效率相关。制成本发明硅基电光调制器过程中，以获得最大化的耦合效率为目标来设计该重叠长度或/和宽度。
(3)通过改变PLC波导分路器12第一分支近输出端与第一硅波导相移臂8之间的垂直距离与两者之间的倏逝波耦合的耦合效率相关。PLC波导分路器12第二分支近输出端与第二硅波导相移臂10之间的垂直距离与两者之间的倏逝波耦合的耦合效率相关。制成本发明硅基电光调制器过程中，以获得最大化的耦合效率为目标来设计PLC波导分路器12第一分支近输出端与第一硅波导相移臂8之间的垂直距离、PLC波导分路器12第二分支近输出端与第二硅波导相移臂10之间的垂直距离。
(4)通过改变上述PLC波导合路器14第一分支近输入端与第一硅波导相移臂8之间的垂直距离与两者之间的倏逝波耦合的耦合效率相关。PLC波导合路器14第二分支近输入端与第二硅波导相移臂10之间的垂直距离与两者之间的倏逝波耦合的耦合效率相关。制成本发明硅基电光调制器过程中，以获得最大化的耦合效率为目标来设计PLC波导合路器14第一分支近输入端与第一硅波导相移臂8之间的垂直距离、PLC波导合路器14第二分支近输入端与第二硅波导相移臂10之间的垂直距离。
为了进一步提高耦合效率，参照图4所示，上述PLC波导分路器12两路分支的近输出端均为倒锥形结构，以及，上述PLC波导合路器14两路分支的近输入端均为倒锥形结构。
参照图1所示，上述Si层6上对应每个MZ电光调制器均设有相互平行的第一电极16、第二电极18和共用电极20，上述公共电极20设于第一硅波导相移臂8和第二硅波导相移臂10之间位置，上述第一电极16平行设于第一硅波导相移臂8另一侧，上述第二电极18平行设于第二硅波导相移臂10另一侧；通过上述第一电极16和共用电极20给上述第一硅波导相移臂8施加电压，通过上述第二电极18和公共电极20给上述第二硅波导相移臂10施加电压。设计第一硅波导相移臂8和第二硅波导相移臂10共用一组电极(即公共电极20)，能够减小调制器的整体尺寸。当然，根据实际使用，第一硅波导相移臂8和第二硅波导相移臂10也可以各自具有独立的两组电极。
第一硅波导相移臂8上的电压、第二硅波导相移臂10上的电压与MZ电光调制器的输出光强度相关。
以上所述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，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (10)

1.一种异质集成CWDM4光发射芯片，包括四个MZ电光调制器、四个波长不同的激光器和一个波分复用器，其特征在于：四个激光器依次键合在衬底上；所述衬底上设有SiO2层，所述SiO2层上设有Si层；
所述MZ电光调制器均包括PLC波导合路器、PLC波导分路器和一对硅波导相移臂；所述四个MZ电光调制器的PLC波导合路器和PLC波导分路器均设置在SiO2层内，所述四个MZ电光调制器的硅波导相移臂均设置在Si层上；
构成MZ电光调制器的PLC波导分路器的两路分支基于倏逝波耦合分别与所述一对硅波导相移臂光路连通，构成MZ电光调制器的PLC波导合路器的两路分支基于倏逝波耦合分别与所述一对硅波导相移臂光路连通；
所述波分复用器设置在SiO2层内；
所述四个激光器输出的光信号分别端面耦合进入所述四个MZ电光调制器的PLC波导分路器，所述四个MZ电光调制器的PLC波导合路器的输出端分别通过PLC波导连接所述波分复用器。
2.如权利要求1所述的异质集成CWDM4光发射芯片，其特征在于：所述衬底上刻蚀有台阶槽，所述四个激光器依次键合在所述台阶槽上。
3.如权利要求1所述的异质集成CWDM4光发射芯片，其特征在于：所述一对硅波导相移臂在SiO2层上的正投影分别与所述PLC波导分路器两路分支的近输出端重叠，该重叠的长度或/宽度与倏逝波耦合的耦合效率相关。
4.如权利要求1所述的异质集成CWDM4光发射芯片，其特征在于：所述PLC波导分路器两路分支近输出端与一对硅波导相移臂之间的垂直距离与倏逝波耦合的耦合效率相关。
5.如权利要求1所述的异质集成CWDM4光发射芯片，其特征在于：所述PLC波导分路器两路分支的近输出端均为倒锥形结构。
6.如权利要求1～5任一项所述的异质集成CWDM4光发射芯片，其特征在于：所述一对硅波导相移臂在SiO2层上的正投影分别与所述PLC波导合路器两路分支的近输入端重叠，该重叠的长度或/宽度与倏逝波耦合的耦合效率相关。
7.如权利要求1～5任一项所述的异质集成CWDM4光发射芯片，其特征在于：所述PLC波导合路器两路分支近输入端与一对硅波导相移臂之间的垂直距离与倏逝波耦合的耦合效率相关。
8.如权利要求1～5任一项所述的异质集成CWDM4光发射芯片，其特征在于：所述PLC波导合路器两路分支的近输入端均为倒锥形结构。
9.如权利要求1所述的异质集成CWDM4光发射芯片，其特征在于：所述Si层上设有相互平行的第一电极、第二电极和共用电极，所述公共电极设于所述一对硅波导相移臂之间位置，所述第一电极平行设于第一硅波导相移臂另一侧，所述第二电极平行设于第二硅波导相移臂另一侧；通过所述第一电极和共用电极给所述第一硅波导相移臂施加电压，通过所述第二电极和公共电极给所述第二硅波导相移臂施加电压。
10.如权利要求9所述的异质集成CWDM4光发射芯片，其特征在于：所述硅波导相移臂上的电压与MZ电光调制器的输出光强度相关。
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