CN114755768A - 光收发模块及制作方法、光纤耦合装置的制备及耦合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光收发模块及制作方法、光纤耦合装置的制备及耦合方法，包括：硅光子基板，所述硅光子基板包括硅片和设置在硅片上的SiO2波导层；光单元，其设置在硅光子基板上，所述光单元包括光发射单元，所述光发射单元包括激光器和1分多的硅基波导分路器、所述1分多的硅基波导分路器将所述激光器发射出的激光进行分光，获得多束分光信号；电单元，其设置在硅光子基板上，所述电单元包括TEC壳体和封装在所述TEC壳体内的EML调制系统，所述EML调制系统包括阵列排布的波导SIP调制器和驱动波导SIP调制器工作的调制电路，所述波导SIP调制器对多束分光信号进行调制。其体积小，稳定性好，精度高，性能佳。
Description
技术领域
本发明涉及光器件制造技术领域，尤其是指一种光收发模块及制作方法、光纤耦合装置的制备及耦合方法。
背景技术
光子技术目前已被光通信行业普遍认同为是下一代光通信器件及模块系统的核心技术，是解决数据中心互连速率限制、成本、及功耗问题最有希望的解决方案之一。
现有技术中的光收发模块，体积大，加工精度低，性能不佳。
发明内容
为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中光收发模块，体积大，加工精度低，性能不佳的技术缺陷。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于硅光子技术的光收发模块，包括：
硅光子基板，所述硅光子基板包括硅片和设置在硅片上的SiO2波导层；
光单元，其设置在硅光子基板上，所述光单元包括光发射单元，所述光发射单元包括激光器和1分多的硅基波导分路器、所述1分多的硅基波导分路器将所述激光器发射出的激光进行分光，获得多束分光信号；
电单元，其设置在硅光子基板上，所述电单元包括TEC壳体和封装在所述TEC壳体内的EML调制系统，所述EML调制系统包括阵列排布的波导SIP调制器和驱动波导SIP调制器工作的调制电路，所述波导SIP调制器对多束分光信号进行调制。
作为优选的，所述光单元还包括光接收单元，所述光接收单元包括LnP探测器，所述LnP探测器通过晶圆键合的方式粘贴到硅光子基板上。
作为优选的，还包括光耦合器，所述光耦合器包括FA光纤阵列，所述FA光纤阵列的入射端面进行45度角研磨以增加耦合面积。
作为优选的，所述FA光纤阵列包括玻璃盖板和多芯单模光纤，所述硅光子基板上设置有容纳多芯单模光纤的槽体，所述玻璃盖板盖设在多芯单模光纤上，所述玻璃盖板、多芯单模光纤和所述硅光子基板之间通过粘结剂固定。
作为优选的，所述电单元还包括金属壳体和放大系统，所述放大系统封装在所述金属壳体内部，所述放大系统包括硅光前置放大芯片、频谱滤波器和放大电路控制模块，所述放大电路控制模块用于感测硅光前置放大芯片的输出信号，在所述输出信号处于高电平状态下时，响应高电平并控制施加于放大系统输入端的电流，以保持所述放大系统处于线性工作状态。
作为优选的，所述1分多的硅基波导分路器为1分8的硅基波导分路器。
本发明公开了一种光收发模块的制作方法，基于上述的光收发模块，包括以下步骤：
使用无源耦合方式，将光发射单元和光接收单元通过光耦合单元耦合，获得耦合后的光电模块；
对耦合后的光电模块进行光纤传输数据测试，获得测试合格的产品；
将测试合格的产品进行封装。
作为优选的，包括以下步骤：
S1、在硅光子基板上设置FA光纤阵列，在所述FA光纤阵列的两端加盖玻璃盖板，并将硅光子基板与玻璃盖板通过粘结剂固定，获得基板-盖板复合件；
S2、对所述基板-盖板复合件的入射端面和出射端面进行研磨，获得研磨面与所述硅光子基板呈45度角。
作为优选的，所述S2中的研磨包括粗磨和抛光；
所述粗磨采用研磨粉研磨，所述研磨粉的粉体粒度为10nm-2000nm，所述研磨粉的分体莫氏硬度为7-9，所述研磨粉有晶格形态；
所述抛光采用抛光粉抛光，所述抛光粉的粉体粒度为5nm-200nm，所述抛光粉的分体莫氏硬度为5-9。
本发明公开了一种耦合方法，基于上述的光收发模块，包括以下步骤：
提供六位调节平台，所述六位调节平台用于放置和夹紧硅光子基板；
通过调节六位调节平台，使得光发射单元与光接收单元对准以使得接收光损耗最小。
有益效果：
1、在封装尺寸相同的情况下，本发明可以轻松实现800Gbps信号的收发，提升传统QSFP28系列模块速率8倍。
2、本发明中，光发射单元使用一个直流激光器与一个1分8的光分路器结合，成本节省80％以上，使得产品商业化竞争优势不断提升。
3、光发射单元发出来的8路光信号，只是用5个SIP调制器，与传统工艺8个SIP调制器相比成本节约50％以上。
4、光接收单元使用LnP探测器，通过晶圆键合方式粘贴到硅光子基板上，可以大批量商业加工，解决了当前SIP探测器灵敏度差、以及加工难度大等问题。光耦合单元使用无源耦合方式。无源耦合方式是把所述光发射单元与光接收单元与外部信号交换采用FA光纤阵列(monocrystalline silicon fiber array)，并进行耦合。在硅光子基板输入端与输出端需进行加贴玻璃盖板32，并对FA光纤阵列端面进行45度角研磨，从而增加耦合面积，简化耦合难度。
5、通过在硅光子基板上设置SiO2波导层，结构更为紧凑，体积小。
6、通过将EML调制系统封装在TEC壳体内，能够提高性能的稳定性。
附图说明
图1为本发明中的光收发模块的结构示意图；
图2为激光器、TEC壳体和波导SIP调制器的结构示意图；
图3为1分多的硅基波导分路器的结构示意图；
图4为FA光纤阵列；
图5为45°耦合原理示意图。
说明书附图标记说明：10、DSP芯；11、频谱滤波器；12、硅光前置放大芯片；13、EML调制系统；20、1分多的硅基波导分路器；21、波导SIP调制器；22、TEC壳体；23、激光器；24是波导SIP调制器21工作的调制电路；30、硅光子基片；31、多芯单模光纤；32、玻璃盖板。
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。
参照图1-图3所示，本发明公开了一种光收发模块，包括硅光子基板、光单元和电单元。
硅光子基板包括硅片和设置在硅片上的SiO2波导层。SiO2波导层提供波导。
光单元设置在硅光子基板上，光单元包括光发射单元，光发射单元包括激光器23和1分多的硅基波导分路器20。激光器23可选择EML直流激光器。1分多的硅基波导分路器20将激光器23发射出的激光进行分光，获得多束功率相等的分光信号。1分多的硅基波导分路器20为1分8的硅基波导分路器，如此，可将激光分成8束。
电单元设置在硅光子基板上，电单元包括TEC壳体22和封装在TEC壳体22内的EML调制系统13。由于EML调制系统13被封装在TEC壳体22内，TEC壳体22为温度可控制的壳体。EML调制系统13包括阵列排布的波导SIP调制器21和驱动波导SIP调制器21工作的调制电路22，波导SIP调制器21对多束分光信号进行调制。本发明还包括控制管理系统，控制管理系统包括9nm的DSP芯10片，DSP芯10片的偏制电流小于3A，功耗小于10W。DSP芯10片对所述调制电路的电流损耗不大于75mA，能够改善所述模块的热性能，并对EEPROM的指令进行执行。
电单元还包括金属壳体和放大系统，放大系统封装在金属壳体内部，如此，可以提高放大系统的稳定性。
放大系统包括硅光前置放大芯片12、频谱滤波器和放大电路控制模块，放大电路控制模块用于感测硅光前置放大芯片12的输出信号，在输出信号处于高电平状态下时，响应高电平并控制施加于放大系统输入端的电流，以保持放大系统处于线性工作状态。放大系统用于放大施加于所述50G/56G硅光接收芯片上的转换的电信号，以产生一个放大器输出信号。
光单元还包括光接收单元，光接收单元包括LnP探测器，LnP探测器通过晶圆键合的方式粘贴到硅光子基板上。
如图4所示，本发明还包括光耦合器，光耦合器包括FA光纤阵列，FA光纤阵列的入射端面进行45度角研磨以增加耦合面积。光耦合器是连接外部光信号与光电单元的桥梁。
如图4所示，FA光纤阵列包括玻璃盖板32和多芯单模光纤31，在硅光子基板上设置有容纳多芯单模光纤31的槽体，该槽体可为V型或U型槽。玻璃盖板32盖设在多芯单模光纤31上，玻璃盖板32、多芯单模光纤31和硅光子基板之间通过粘结剂固定。其中，硅光子基板与FA光纤阵列分别经过UV、烘烤、TC老化、45度角研磨、测试等过程。
所述光耦合器还包括模斑转换器，见附图3、4。把所述电单元SIP调制器发出的光进行模斑转换，使得所述发出的光能与FA端面光波导模式适配。同时还能够从外部经FA进来的光进行模斑转换，使得所述进来的光能与FA端面光波导模式适配。
通过手动调节二维调节平衡轴可控制玻璃盖板32与硅光子基板之间的胶层厚度，使得胶层均匀分布。玻璃盖板32与硅光子基板端面的对齐方式由夹具的锯齿形对齐平台控制，提高了硅光子基板装载的稳定性，增加了耦合面积，简化了耦合难度，避免因较小面积的耦合导致硅光子基板损伤。
硅光子基板粘接并固化于夹层，从而进行45度角研磨，其中对于45度角研磨，使得入射光器件有最佳的回波损耗和最小的色散。
对光耦合是使用无源耦合六位调节平台对光纤组件FA与接收单元进行对准，以便使得接收光损耗最小。
参照图5所示，FA光纤阵列为45度角，激光在FA光纤阵列内传输时，通过45度角端面全反射到所述接收单元。同时光信号在g.652单模光纤制作的光纤阵列传输时回波损耗值能达到最大，总色散系数能达到较小值。
对FA光纤阵列进行45度角研磨能够一次性增加硅光子基板的研磨数量，并克服该在制作过程中带来的形变。研磨方式能够精确定位45度角，同时避免该芯片的损伤，其定位范围为45°±0.3°。
将研磨步骤分为粗磨过程和锡磨，粗磨过程研磨粉采用粉体粒度为10nm～2000nm，分体莫氏硬度为7～9，粉体晶型为片状、六角柱体、四方，单斜，立方体等的氧化铁、绿炭化硅、氧化铬等物质。所述粗磨粉颗粒有一定的晶格形态，破碎时形成锐利的尖角。所述抛光过程研磨粉采用粉体粒度为5nm～200nm，分体莫氏硬度为5～9，粉体晶型为片状、六角柱体、四方，单斜，立方体等的氧化铝、氧化铈、氧化锆等物质。所述抛光粉具有合适的硬度和密度，和水有很好的浸润性和悬浮性。
本发明公开了一种光纤耦合装置的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在硅光子基板上设置FA光纤阵列，在FA光纤阵列的两端加盖玻璃盖板32，并将硅光子基板与玻璃盖板32通过粘结剂固定，获得基板-盖板复合件；
步骤二、对基板-盖板复合件的入射端面和出射端面进行研磨，获得研磨面与硅光子基板呈45度角。步骤二中的研磨包括粗磨和抛光。粗磨采用研磨粉研磨，研磨粉的粉体粒度为10nm-2000nm，研磨粉的分体莫氏硬度为7-9，研磨粉有晶格形态。抛光采用抛光粉抛光，抛光粉的粉体粒度为5nm-200nm，抛光粉的分体莫氏硬度为5-9。
本发明公开了一种无源耦合方法，基于上述的光收发模块，包括以下步骤：
步骤一、提供六位调节平台，六位调节平台用于放置和夹紧硅光子基板；
步骤二、通过调节六位调节平台，使得光发射单元与光接收单元对准以使得接收光损耗最小。
本发明公开了一种光收发模块的制作方法，基于上述的光收发模块，包括以下步骤：
步骤一、使用无源耦合方式，将光发射单元和光接收单元通过光耦合单元耦合，获得耦合后的光电模块；
步骤二、对耦合后的光电模块进行光纤传输数据测试，获得测试合格的产品；
步骤三、将测试合格的产品进行封装。
经一段时间的应用，承载业务运行稳定，光收发模块件合格率明显上升，其具有广阔的应用前景，可有效提升了业务开通效率，节省的人力成本，实现大规模对硅光模块产能问题。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于硅光子技术的光收发模块，其特征在于，包括硅光子基板和设置在硅光子基板上的光单元、电单元和控制管理系统；
所述的硅光子基板包括硅片和设置在硅片上的SiO2波导层,SiO2波导层提供波导；
所述的光单元包括光发射单元和光接收单元，所述光发射单元包括激光器和1分多的硅基波导分路器，所述1分多的硅基波导分路器将所述激光器发射出的激光进行分光，获得多束分光信号；
所述的电单元包括放大系统和TEC壳体，所述TEC壳体内封装有EML调制系统，所述EML调制系统包括阵列排布的波导SIP调制器和驱动波导SIP调制器工作的调制电路，所述波导SIP调制器对多束分光信号进行调制；
所述的激光器与所述1分多的硅基波导分路器连接，所述1分多的硅基波导分路器与所述波导SIP调制器连接。
2.根据权利要求1所述的基于硅光子技术的光收发模块，其特征在于，所述光接收单元包括LnP探测器，所述LnP探测器通过晶圆键合的方式粘贴到硅光子基板上；所述的控制管理系统包括DSP芯片。
3.根据权利要求1所述的基于硅光子技术的光收发模块，其特征在于，还包括光耦合器，所述光耦合器包括FA光纤阵列图4，所述FA光纤阵列的入射端面进行45度角研磨以增加耦合面积。
4.根据权利要求3所述的基于硅光子技术的光收发模块，其特征在于，所述FA光纤阵列包括玻璃盖板和多芯单模光纤，所述硅光子基板上设置有容纳多芯单模光纤的槽体，所述玻璃盖板盖设在多芯单模光纤上，所述玻璃盖板、多芯单模光纤和所述硅光子基板之间通过粘结剂固定。
5.根据权利要求1所述的基于硅光子技术的光收发模块，其特征在于，所述放大系统封装在金属壳体内部，所述放大系统包括硅光前置放大芯片、频谱滤波器和放大电路控制模块，所述放大电路控制模块用于感测硅光前置放大芯片的输出信号，在所述输出信号处于高电平状态下时，响应高电平并控制施加于放大系统输入端的电流，以保持所述放大系统处于线性工作状态。
6.根据权利要求1所述的基于硅光子技术的光收发模块，其特征在于，所述1分多的硅基波导分路器为1分8的硅基波导分路器。
7.权利要求1-6任一项所述的基于硅光子技术的光收发模块的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
使用无源耦合方式，将光发射单元和光接收单元通过光耦合单元耦合，获得耦合后的光电模块；
对耦合后的光电模块进行光纤传输数据测试，获得测试合格的产品；
将测试合格的产品进行封装。
8.根据权利要求7所述的基于硅光子技术的光收发模块的制备方法，其特征在于，耦合装置的制备，包括以下步骤：
S1、在硅光子基板上设置FA光纤阵列，在所述FA光纤阵列的两端加盖玻璃盖板，并将硅光子基板与玻璃盖板通过粘结剂固定，获得基板-盖板复合件；
S2、对所述基板-盖板复合件的入射端面和出射端面进行研磨，获得研磨面与所述硅光子基板呈45度角。
9.根据权利要求8所述的基于硅光子技术的光收发模块的制备方法，其特征在于，所述S2中的研磨包括粗磨和抛光；
所述粗磨采用研磨粉研磨，所述研磨粉的粉体粒度为10nm-2000nm，所述研磨粉的分体莫氏硬度为7-9，所述研磨粉有晶格形态；
所述抛光采用抛光粉抛光，所述抛光粉的粉体粒度为5nm-200nm，所述抛光粉的分体莫氏硬度为5-9。
10.根据权利要求8所述的基于硅光子技术的光收发模块的制备方法，其特征在于，其特征在于，所述的无源耦合方式，包括以下步骤：
提供六位调节平台，所述六位调节平台用于放置和夹紧硅光子基板；
通过调节六位调节平台，使得光发射单元与光接收单元对准以使得接收光损耗最小。
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