CN113985536B - 一种光电子集成器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本公开提供一种光电子集成器件，包括：第一激光器(1)；第二激光器(2)；光电子集成芯片(3)，第一激光器(1)、第二激光器(2)通过光子引线(4)与光电子集成芯片(3)实现光学连接和耦合。本公开还提供一种光电子集成器件的制备方法。本公开的器件在不大幅更改光电子集成器件结构和尺寸的情况下实现了光电子集成器件的双光源备份，提高了光电子集成器件的可靠性和实用性，有助于光电子集成技术的研究和商业化应用的发展。

Description

一种光电子集成器件及其制备方法
技术领域
本公开涉及光通信技术领域，具体涉及一种光电子集成器件及其制备方法。
背景技术
在过去的十年中，随着光子器件性能和光子集成复杂性的显著提高和扩展，硅光子学的研究和商业化得到了加强，其中将硅应用于光子学的关键因素在于硅波导具有尺寸紧凑、均匀性优异和损耗低的优点。如今CMOS封装技术正被应用于硅光子集成电路(PIC)中，从而大大降低了其成本，提高了可扩展性。随着带宽需求的不断增加，数据中心的互联带宽已经从100G向400G发展。为了实现未来带宽需求的扩展，硅光子集成电路(PIC)正在从电路板外围的可插拔收发器件发展成共同封装的光学和电子学。因为共封装光学器件的集成特性意味着任何光学器件的故障都需要更换整个系统，尤其是作为光源的激光器相对更易损坏。
发明内容
(一)要解决的技术问题
针对上述问题，本公开提供了一种光电子集成器件及其制备方法，用于至少部分解决传统光电子集成器件中激光器损坏导致整个系统故障等技术问题。
(二)技术方案
本公开一方面提供了一种光电子集成器件，包括：第一激光器，第二激光器，光电子集成芯片；第一激光器、第二激光器通过光子引线与光电子集成芯片实现光学连接和耦合。
进一步地，光子引线包括：第一光子引线分支、第二光子引线分支和光子引线合束；第一光子引线分支、第二光子引线分支在传输路径中合束为光子引线合束。
进一步地，光子引线包括：第一光子引线分支与第一激光器的出光波导相连；第二光子引线分支与第二激光器的出光波导相连；光子引线合束与光电子集成芯片上的光输入波导相连。
进一步地，光子引线包括：第一光子引线分支的模场与第一激光器的出光波导的模场相匹配；第二光子引线分支的模场与第二激光器的出光波导的模场相匹配；光子引线合束的模场与光输入波导的模场相匹配。
进一步地，第一激光器和第二激光器固定于第一热沉之上；光电子集成芯片固定于第二热沉之上。
进一步地，第一热沉由氮化铝、氧化铝或者陶瓷片中的一种组成，第一热沉的表面设有金属电极；第二热沉由硅片、钨铜片、镀金可伐合金、氧化铝、氮化铝或者陶瓷片中的一种组成。
进一步地，第一激光器、第二激光器的组成以半导体材料为介质，所述介质至少包括锑化镓、砷化镓、磷化铟、硫化锌中的一种或其组合。
进一步地，光电子集成芯片包括硅基光电子集成芯片、铌酸锂材料光电子集成芯片或硅基铌酸锂薄膜集成芯片中的一种。
进一步地，光电子集成芯片具有独立的光分束/合束功能、光调制功能、光放大功能、光偏振旋转功能、光探测功能中的至少一种。
进一步地，光输入波导包括有模斑转换的波导或光栅耦合器。
本公开另一方面提供了一种光电子集成器件的制备方法，包括：使用激光3D打印光子引线键合技术，制备光子引线，并通过光子引线使第一激光器、第二激光器与光电子集成芯片实现光学连接和耦合。
(三)有益效果
本公开提供的光电子集成器件及其制备方法，一方面通过光子引线将激光器与光电子集成芯片进行光耦合与互连，实现了光电子集成器件中的双光源备份，并提高了共封装光学器件的可靠性和实用性；另一方面，使用激光3D打印制备光子引线，该光子引线键合方法实现了光电子芯片间的高密度互连，提高了光学容差和光耦合效率，降低了光子集成器件组装中光芯片的摆放精度；还有一方面，通过热沉的分离，可有效避免激光器产生的热传导至对热敏感的光电子集成芯片上，从而避免对光电子集成芯片的热稳定性和可靠性的影响。
附图说明
图1示意性示出了根据本公开实施例光电子集成器件的结构示意图；
图2示意性示出了根据本公开实施例光电子集成器件中光子引线的结构示意图。
具体实施方式
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开的实施例提供了一种光电子集成器件，请参见图1，包括：第一激光器1；第二激光器2；光电子集成芯片3，第一激光器1、第二激光器2通过光子引线4与光电子集成芯片3实现光学连接和耦合。
具体地，第一激光器1可以是主激光器，第二激光器可以是备用激光器，通常，第一激光器1作为光电子集成器件的主激光器提供光源，第二激光器处于休眠状态，但当第一激光器1由于静电损伤或老化等原因无法维持正常工作状态时，经由光电子集成器件内部或外部探测感知后，将由控制电路或信号关闭第一激光器1，同时切换由第二激光器2代替第一激光器1提供光源。
本公开通过光子引线将两个激光器与光集成芯片连接到一起，实现芯片级的光子集成，并且两个激光器的双光源结构提高了光电子集成器件的可靠性与实用性。
在上述实施例的基础上，请参见图2，光子引线4包括：第一光子引线分支41、第二光子引线分支42和光子引线合束43；第一光子引线分支41、第二光子引线分支42在传输路径中进行合束生成光子引线合束43。
在上述实施例的基础上，光子引线4包括：第一光子引线分支41一端与第一激光器1的出光波导相连；第二光子引线分支42一端与第二激光器2的出光波导相连；第一光子引线分支41另一端与第二光子引线分支42另一端在接近光电子集成芯片3的光输入波导7附近时合束生成光子引线合束43，并与光电子集成芯片3的光输入波导7相连。
在上述实施例的基础上，光输入波导7是光电子集成芯片3的光输入端口，激光器的出光经由光子引线4和光输入波导7传入光电子集成芯片内部，由外部控制芯片或电路实现光电子集成芯片的相关功能。
在上述实施例的基础上，光子引线4包括：第一光子引线分支41与第一激光器1出光波导连接处得的模场尺寸与第一激光器1出光波导模场相匹配；第二光子引线分支42与第二激光器2出光波导连接处得的模场尺寸与第二激光器2出光波导模场相匹配；光子引线合束43与光输入波导7相连接处的模场尺寸相匹配。
在上述实施例的基础上，光子引线4的第一光子引线分支41和第二光子引线分支42的模场尺寸从与第一激光器1和第二激光器2出光波导连接处在向光电子集成芯片3的光输入波导7延伸过程中，模场尺寸逐渐变换，实现光子引线4两端的模场尺寸分别于激光器和光电子集成芯片相匹配，降低光耦合的损耗，提高耦合效率
在上述实施例的基础上，第一激光器1和第二激光器2固定于第一热沉5之上；光电子集成芯片3固定于第二热沉6之上。
通过热沉5与热沉6分离设计，使第一激光器1和第二激光器2工作中所产生的热量无法传递到光电子集成芯片3上，可有效避免激光器产生的热传导至对热敏感的光电子集成芯片3上，从而提高了光电子集成芯片3的稳定性。
在上述实施例的基础上，第一热沉5由氮化铝、氧化铝或者陶瓷片中的一种组成，第一热沉5的表面设有金属电极；第二热沉6由硅片、钨铜片、镀金可伐合金、氧化铝、氮化铝或者陶瓷片中的一种组成。
第一热沉5表面加工有金属电极，用于将激光器正负电极引出与外部控制电路连接和散热的作用。
第二热沉6与第一热沉5的材质可以相同也可以不同，第二热沉6还可以采用硅片、钨铜片、镀金可伐合金等材料，具有为光电子集成芯片3提供固定支撑和散热的作用。
在上述实施例的基础上，第一激光器1、第二激光器2主要以锑化镓(GaSb)、砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等半导体材料为介质制备生成。
在上述实施例的基础上，光电子集成芯片3包括硅基光电子集成芯片、铌酸锂材料光电子集成芯片或硅基铌酸锂薄膜集成芯片中的一种。
在上述实施例的基础上，光电子集成芯片3具有独立的光分束/合束功能、光调制功能、光放大功能、光偏振旋转功能、光探测功能中的至少一种。
在上述实施例的基础上，光电子集成芯片3和激光器芯片是光电子集成器件的核心元件，作为有源元件的激光器芯片相对光电子集成芯片3容易因静电损伤或老化等原因损坏，从而降低了集成光电子器件的可靠性和使用寿命，因此，通过使用光子引线4的方法，在不大幅更改器件结构的情况下，添加备用激光器来提高了集成光电子器件的可靠性和使用寿命。
在上述实施例的基础上，光输入波导7包括有模斑转换的波导或光栅耦合器。
光集成芯片3与光子引线4相连的光输入波导7可以是常规波导，也可以是设计有模斑转换的波导或光栅耦合器，部分材料体系(例如硅基)的常规波导模斑尺寸非常小，与光子引线4相连接时容差小、耦合损耗大，因此，可以在光集成芯片3的光输入波导7前端设计模斑转换结构来增加模场尺寸，提高与光子引线4的光耦合效率。
本公开的光电子集成器件不仅具有集成度高、成本低、传输带宽更高等固有特点，还具有更高的可靠性和实用性。
本公开还提供了一种光电子集成器件的制备方法，包括：使用激光3D打印光子引线键合技术，制备光子引线4，并通过光子引线4使第一激光器1、第二激光器2与光电子集成芯片3实现光学连接和耦合。
光子引线4是基于双光子聚合原的光子引线键合技术生成，分成光子引线分支41、光子引线分支42和光子引线43合束三部分组成。光子引线4中光子引线分支41与主激光器1出光波导相连，光子引线分支42与备用激光器2出光波导相连，光子引线分支41与光子引线分支42在传输路径中进行合束为光子引线43，光子引线43与光电子集成芯片3上的光输入波导7相连。
将光学器件通过光子引线相连，大大简化了光学系统的组装，并且光子引线键合的形状和轨迹可以适应模式场分布和芯片的位置，可以有效避免了组件之间光学对准的严格要求，使连接处光斑尺寸相近，模式相同，有效提高光学器件间的耦合效率。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光电子集成器件，其特征在于，包括：
第一激光器(1)；
第二激光器(2)；
光电子集成芯片(3)，所述第一激光器(1)、所述第二激光器(2)通过光子引线(4)与所述光电子集成芯片(3)实现光学连接和耦合；所述光子引线(4)包括：第一光子引线分支(41)、第二光子引线分支(42)和光子引线合束(43)；所述第一光子引线分支(41)、第二光子引线分支(42)在传输路径中合束为光子引线合束(43)。
2.根据权利要求1所述的光电子集成器件，其特征在于，所述光子引线(4)包括：
所述第一光子引线分支(41)与所述第一激光器(1)的出光波导相连；所述第二光子引线分支(42)与所述第二激光器(2)的出光波导相连；所述光子引线合束(43)与所述光电子集成芯片(3)上的光输入波导(7)相连。
3.根据权利要求2所述的光电子集成器件，其特征在于，所述光子引线(4)包括：
所述第一光子引线分支(41)的模场与所述第一激光器(1)的出光波导的模场相匹配；所述第二光子引线分支(42)的模场与所述第二激光器(2)的出光波导的模场相匹配；所述光子引线合束(43)的模场与所述光输入波导(7)的模场相匹配。
4.根据权利要求1所述的光电子集成器件，其特征在于，包括：
所述第一激光器(1)和所述第二激光器(2)固定于第一热沉(5)之上；所述光电子集成芯片(3)固定于第二热沉(6)之上。
5.根据权利要求4所述的光电子集成器件，其特征在于，所述第一热沉(5)由氮化铝、氧化铝或者陶瓷片中的一种组成，所述第一热沉(5)的表面设有金属电极；
所述第二热沉(6)由硅片、钨铜片、镀金可伐合金、氧化铝、氮化铝或者陶瓷片中的一种组成。
6.根据权利要求1所述的光电子集成器件，其特征在于，包括：所述第一激光器(1)、所述第二激光器(2)的组成以半导体材料为介质，所述介质至少包括锑化镓、砷化镓、磷化铟、硫化锌中的一种或其组合。
7.根据权利要求1所述的光电子集成器件，其特征在于，包括：
所述光电子集成芯片(3)包括硅基光电子集成芯片、铌酸锂材料光电子集成芯片或硅基铌酸锂薄膜集成芯片中的一种。
8.根据权利要求1所述的光电子集成器件，其特征在于，包括：
所述光电子集成芯片(3)具有独立的光分束/合束功能、光调制功能、光放大功能、光偏振旋转功能、光探测功能中的至少一种。
9.根据权利要求2所述的光电子集成器件，其特征在于，包括：
所述光输入波导(7)包括有模斑转换的波导或光栅耦合器。
10.一种光电子集成器件的制备方法，其特征在于，包括：
使用激光3D打印光子引线键合技术，制备光子引线(4)，并通过所述光子引线(4)使第一激光器(1)、第二激光器(2)与光电子集成芯片(3)实现光学连接和耦合；所述光子引线(4)包括：第一光子引线分支(41)、第二光子引线分支(42)和光子引线合束(43)；所述第一光子引线分支(41)、第二光子引线分支(42)在传输路径中合束为光子引线合束(43)。
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