CN114976872A - 一种eml芯片及光模块 - Google Patents

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CN114976872A CN202110206578.2A CN202110206578A CN114976872A CN 114976872 A CN114976872 A CN 114976872A CN 202110206578 A CN202110206578 A CN 202110206578A CN 114976872 A CN114976872 A CN 114976872A
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章力明
王火雷
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Abstract

本申请提供的EML芯片及光模块，EML芯片用于光模块；所述EML芯片包括：衬底；DFB‑MQW层，设置在所述衬底的上方；EAM‑MQW层，设置在所述衬底的上方，所述EAM‑MQW层的首端连接所述DFB‑MQW层的末端；光栅层，设置在所述DFB‑MQW层的上方；InP包层，设置在所述EAM‑MQW层和所述光栅层的上方，且所述InP包层的上方设置有电隔离区，所述电隔离区的左侧设置DFB正电极和EML负电极，所述DFB正电极位于所述DFB‑MQW层的上方，所述电隔离区的右侧设置EAM正电极，所述EAM正电极位于所述EAM‑MQW层的上方。本申请实施例的EML芯片及光模块，充分提高光发射调制速率。

Description

一种EML芯片及光模块
技术领域
本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种EML芯片及光模块。
背景技术
在云计算、移动互联网、视频等新型业务和应用模式，均会用到光通信技术。而在光通信中，光模块是实现光电信号相互转换的工具，是光通信设备中的关键器件之一，光模块向外部光纤中输入的光信号强度直接影响光纤通信的质量。并且随着5G网络的快速发展，处于光通信核心位置的光模块得到了长足的发展，产生了形式多样的光模块。
其中，对于光模块的信号发射，可以采用VCSEL(Vertical Cavity SurfaceEmitting Laser，垂直共振腔表面放射激光)、EML(Electlro-absorption ModulatedLaser，电吸收调制半导体激光器)等类型的信号发射方式。对于采用EML的信号发射方式的光模块，其带宽大于50GHz、调制速率达到80Gb/s-100Gb/s，在光通信发展中有着非常广阔的发展前景。
发明内容
本申请实施例提供了一种EML芯片及光模块，充分提高光发射调制速率。
第一方面，本申请提供了一种EML芯片，用于光模块，包括：
衬底；
DFB-MQW层，设置在所述衬底的上方；
EAM-MQW层，设置在所述衬底的上方，所述EAM-MQW层的首端连接所述DFB-MQW层的末端；
光栅层，设置在所述DFB-MQW层的上方；
InP包层，设置在所述EAM-MQW层和所述光栅层的上方，且所述InP包层的上方设置有电隔离区，所述电隔离区的左侧设置DFB正电极和EML负电极，所述DFB正电极位于所述DFB-MQW层的上方，所述电隔离区的右侧设置EAM正电极，所述EAM正电极位于所述EAM-MQW层的上方。
第二方面，本申请提供了一种光模块，包括：
电路板；
光发射部件，与所述电路板电连接，用于产生并输出信号光，包括EML芯片；
其中，所述EML芯片包括：
衬底；
DFB-MQW层，设置在所述衬底的上方；
EAM-MQW层，设置在所述衬底的上方，所述EAM-MQW层的首端连接所述DFB-MQW层的末端；
光栅层，设置在所述DFB-MQW层的上方；
InP包层，设置在所述EAM-MQW层和所述光栅层的上方，且所述InP包层的上方设置有电隔离区，所述电隔离区的左侧设置DFB正电极和EML负电极，所述DFB正电极位于所述DFB-MQW层的上方，所述电隔离区的右侧设置EAM正电极，所述EAM正电极位于所述EAM-MQW层的上方。
本申请提供的EML芯片及光模块中，EML芯片包括衬底以及设置在衬底上方DFB-MQW层和EAM-MQW层，DFB-MQW层的末端连接EAM-MQW层的首端，DFB-MQW层的上方设置光栅层，光栅层和EAM-MQW层上方设置InP包层，InP包层的上方设置有电隔离区电隔离区的左侧设置DFB正电极和EML负电极，电隔离区的右侧设置EAM正电极，DFB正电极位于DFB-MQW层的上方，EAM正电极位于EAM-MQW层的上方。如此EML芯片的正电极和负电极共面，便于实现EML芯片电极的共面测试，可以直接用高频探针测试，并且有效避免了封装打线带来的高频响应问题。进一步，EML芯片的正电极和负电极共面，正电极设置位置靠近芯片的侧边，便于形成EML芯片的引出端电极，可以有效减小封装测试的困难，减少封装成本。
另外，本申请提供的光模块中，EML芯片的DFB正电极和EML负电极位于EML芯片的同一个面上，即EML芯片的正电极和负电极共面，能够减少电极之间的寄生电容，有助于提高EML芯片的调制效率。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为光通信终端连接关系示意图；
图2为光网络终端结构示意图；
图3为本申请实施例提供的一种光模块结构示意图；
图4为本申请实施例提供光模块分解结构示意图；
图5为本申请实施例提供的一种光模块的内部结构示意图；
图6为本申请实施例提供的一种光发射次模块外形结构图；
图7为本申请实施例提供的一种光发射部件中管座和管帽分离的结构示意图；
图8为本申请实施例提供的一种EML芯片的剖面结构示意图；
图9为本申请实施例提供的一种EML芯片的俯视图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
光纤通信的核心环节之一是光、电信号的相互转换。光纤通信使用携带信息的光信号在光纤/光波导等信息传输设备中传输，利用光在光纤/光波导中的无源传输特性可以实现低成本、低损耗的信息传输；而计算机等信息处理设备使用的是电信号，为了在光纤/光波导等信息传输设备与计算机等信息处理设备之间建立信息连接，就需要实现电信号与光信号的相互转换。
光模块在光纤通信技术领域中实现上述光、电信号的相互转换功能，光信号与电信号的相互转换是光模块的核心功能。光模块通过其内部电路板上的金手指实现与外部上位机之间的电连接，主要的电连接包括供电、I2C信号、数据信号以及接地等；采用金手指实现的电连接方式已经成为光模块行业的主流连接方式，以此为基础，金手指上引脚的定义形成了多种行业协议/规范。
图1为光通信终端连接关系示意图。如图1所示，光通信终端的连接主要包括光网络终端100、光模块200、光纤101及网线103之间的相互连接；
光纤101的一端连接远端服务器，网线103的一端连接本地信息处理设备，本地信息处理设备与远端服务器的连接由光纤101与网线103的连接完成；而光纤101与网线103之间的连接由具有光模块200的光网络终端100完成。
光模块200的光口对外接入光纤101，与光纤101建立双向的光信号连接；光模块200的电口对外接入光网络终端100中，与光网络终端100建立双向的电信号连接；在光模块内部实现光信号与电信号的相互转换，从而实现在光纤与光网络终端之间建立信息连接；具体地，来自光纤的光信号由光模块转换为电信号后输入至光网络终端100中，来自光网络终端100的电信号由光模块转换为光信号输入至光纤中。
光网络终端具有光模块接口102，用于接入光模块200，与光模块200建立双向的电信号连接；光网络终端具有网线接口104，用于接入网线103，与网线103建立双向的电信号连接；光模块200与网线103之间通过光网络终端100建立连接，具体地，光网络终端将来自光模块的信号传递给网线，将来自网线的信号传递给光模块，光网络终端作为光模块的上位机监控光模块的工作。
至此，远端服务器通过光纤、光模块、光网络终端及网线，与本地信息处理设备之间建立双向的信号传递通道。
常见的信息处理设备包括路由器、交换机、电子计算机等；光网络终端是光模块的上位机，向光模块提供数据信号，并接收来自光模块的数据信号，常见的光模块上位机还有光线路终端等。
图2为光网络终端结构示意图。如图2所示，在光网络终端100中具有电路板105，在电路板105的表面设置笼子106；在笼子106内部设置有电连接器，用于接入金手指等光模块电口；在笼子106上设置有散热器107，散热器107具有增大散热面积的翅片等凸起部。
光模块200插入光网络终端中，具体为：光模块的电口插入笼子106内部的电连接器，光模块的光口与光纤101连接。
笼子106位于电路板上，将电路板上的电连接器包裹在笼子中，从而使笼子内部设置有电连接器；光模块插入笼子中，由笼子固定光模块，光模块产生的热量传导给笼子106，然后通过笼子上的散热器107进行扩散。
目前第五代移动通信技术(5G)满足了当下日益增长的高速无线传输需求。5G通信采用的频谱远高于4G通信，这一方面为5G通信带来了大幅度提升的通信速率，但信号的传输衰减也相对明显增大。
5G新型业务特性和更高指标要求对承载网络架构及各层技术方案均提出了新的挑战，其中作为5G网络物理层基础构成单元的光模块也面临技术革新升级，这集中体现在应用于5G传输的光模块需要具有高速传输以及低回损两大基础技术特性。为了满足5G通信网络中对光模块的需求，本申请实施例提供了一种光模块。
图3为本申请实施例提供的一种光模块结构示意图，图4为本申请实施例提供一种光模块分解结构示意图。如图3、图4所示，本申请实施例提供的光模块200包括上壳体201、下壳体202、电路板203、圆方管体300、光发射部件400和光接收部件500。
上壳体201盖合在下壳体202上，以形成具有两个开口的包裹腔体；包裹腔体的外轮廓一般呈现方形体，具体地，下壳体包括主板以及位于主板两侧、与主板垂直设置的两个侧板；上壳体包括盖板，盖板盖合在上壳体的两个侧板上，以形成包裹腔体；上壳体还可以包括位于盖板两侧、与盖板垂直设置的两个侧壁，由两个侧壁与两个侧板结合，以实现上壳体盖合在下壳体上。
两个开口具体可以是在同一方向的两端开口(204、205)，也可以是在不同方向上的两处开口；其中一个开口为电口204，电路板的金手指从电口204伸出，插入光网络终端等上位机中；另一个开口为光口205，用于外部光纤接入；电路板203、圆方管体300、光发射部件400和光接收部件500等光电器件位于上、下壳体形成的包裹腔体中。
采用上壳体201、下壳体202结合的装配方式，便于将圆方管体300、光发射部件400和光接收部件500等器件安装到壳体中，由上壳体201、下壳体202形成光模块最外层的封装保护壳体；上壳体201及下壳体202一般采用金属材料，利于实现电磁屏蔽以及散热；一般不会将光模块的壳体做成一体部件，这样在装配电路板等器件时，定位部件、散热以及电磁屏蔽部件无法安装，也不利于生产自动化。
通常，光模块200还包括解锁部件位于包裹腔体/下壳体202的外壁，用于实现光模块与上位机之间的固定连接，或解除光模块与上位机之间的固定连接。
解锁部件具有与上位机笼子匹配的卡合部件；拉动解锁部件的末端可以在使解锁部件在外壁的表面相对移动；光模块插入上位机的笼子里，由解锁部件的卡合部件将光模块固定在上位机的笼子里；通过拉动解锁部件，解锁部件的卡合部件随之移动，进而改变卡合部件与上位机的连接关系，以解除光模块与上位机的卡合关系，从而可以将光模块从上位机的笼子里抽出。
电路板203上设置有电路走线、电子元件(如电容、电阻、三极管、MOS管)及芯片(如MCU、时钟数据恢复CDR、电源管理芯片、数据处理芯片DSP)等。
电路板203通过电路走线将光模块中的用电器件按照电路设计连接在一起，以实现供电、电信号传输及接地等电功能。
电路板203一般为硬性电路板，硬性电路板由于其相对坚硬的材质，还可以实现承载作用，如硬性电路板可以平稳的承载芯片；当光收发器件位于电路板上时，硬性电路板也可以提供平稳的承载；硬性电路板还可以插入上位机笼子中的电连接器中，具体地，在硬性电路板的一侧末端表面形成金属引脚/金手指，用于与电连接器连接；这些都是柔性电路板不便于实现的。
部分光模块中也会使用柔性电路板，作为硬性电路板的补充；柔性电路板一般与硬性电路板配合使用，如硬性电路板与光收发器件之间可以采用柔性电路板连接。
光发射部件及光接收部件可以统称为光学次模块。如图4所示，本实施例提供的光模块中，光发射部件400和光接收部件500同设置在圆方管体300上，光发射部件400用于产生并输出信号光，光接收部件500用于接收来自光模块外部的信号光。圆方管体300上设置光纤适配器，光纤适配器用于实现光模块与外部光纤的连接，且圆方管体300中通常设置在透镜组件，透镜组件用于改变光发射部件400输出信号光或外部光纤输入信号光的传播方向。光发射部件400、光接收部件500与电路板203物理分离，因而光发射部件400和光接收部件500很难直接连接电路板203，所以本申请实施例中光发射部件400和光接收部件500分别通过柔性电路板实现电连接。但本申请实施例中，光发射部件400和光接收部件500的装配结构不局限于图3和图4所示结构，还可为其他装配组合结构，如光发射部件400和光接收部件500设置在不同的管体上，本实施例只是以图3和图4所示结构为例。
附图5为本申请实施例提供的一种光模块的内部结构示意图。如图5所示，本申请实施例提供的光模块200的内部包括圆方管体300、光发射部件400和光接收部件500。光发射部件400设置在圆方管体300上且与圆方管体300的光纤适配器同轴，光接收部件500设置在圆方管体300的侧边，与光纤适配器不同轴；但本申请实施例中，可以采用光接收部件500与光纤适配器同轴、光发射部件400与光纤适配器不同轴。将光发射部件400和光接收部件500通过圆方管体300一方面便于实现信号光传输光路的控制，另一方面便于实现光模块内部紧凑型设计，缩小信号光传输光路所占用空间等。另外，随着波分复用技术的发展，在一些光模块中，圆方管体300上设置不止一个光发射部件400和光接收部件500。
在本申请一些实施例中，圆方管体300中还设置透反镜，通过透反镜改变光接收部件500待接收信号光的传播方向或改变光发射部件400所产生信号光的信号光的传播方向，便于光接收部件500接收信号光或光发射部件400所产生信号光的输出。
图6为本申请实施例提供的一种光发射部件的外形结构图。如图6所示，本实施例提供的光发射部件400包括管座410、管帽420以及设置在管帽420和管座410内其他器件，管帽420罩设在管座410的一端，管座410上包括若干管脚，管脚用于实现柔性电路板与光发射次模块400内其他电学器件的电连接，进而实现光发射部件400与电路板203的电连接，本实施例只是以图6所示结构为例。
图7为本申请实施例提供的一种光发射部件中管座和管帽分离的结构示意图。如图7所示，光发射部件400中包括EML(Electlro-absorption Modulated Laser)芯片600，EML芯片600用于产生信号光且产生的信号光透过管帽420。
图8为本申请实施例提供的一种EML芯片的剖面结构示意图。如图8所示，本申请实施例提供的EML芯片包括衬底601、DFB-MQW层602、EAM-MQW层603、光栅层604、InP包层605和电极层606。具体的：DFB-MQW层602和EAM-MQW层603设置在衬底601的上方，且EAM-MQW层603的首端连接DFB-MQW层602的末端；光栅层604设置在DFB-MQW层602的上方；InP包层605设置在光栅层604和EAM-MQW层603的上方；InP包层605的上方设置电极层606。
图9为本申请实施例提供的一种EML芯片的俯视图。如图8和9所示，电极层606包括电隔离区6061，电隔离区6061的左侧设置有DFB正电极6062和EML负电极6063，电隔离区6061的右侧设置有EAM正电极6064，电隔离区6061用于隔离DFB正电极6062和EAM正电极6064。在本申请实施例中，DFB正电极6062位于DFB-MQW层602的上方，用于为DFB-MQW层602施加电场，EAM正电极6064位于EAM-MQW层603的上方，用于为EAM-MQW层603施加电场。EML负电极6063设置在DFB正电极6062的一侧。
DFB-MQW层602为分布式反馈激光器多量子阱(Distributed Feedback Laser-Multiple Quantum Well，简称DFB-MQW)材料在衬底601上直接形成，如在衬底601上生长形成DFB-MQW层602；当施加电场时，DFB-MQW层602发光。光栅层604设置在DFB-MQW层602的上方，用于对DFB-MQW层602发出光根据波长进行选择。进而DFB-MQW层602和光栅层604组合可选取输出特定波长的光。EAM-MQW层603为电吸收多量子阱(Electlro-absorptionModulated-Multiple Quantum Well，简称EAM-MQW)材料在衬底601上直接形成，如在衬底601上生长形成EAM-MQW层603。DFB-MQW层602的末端连接EAM-MQW层603的首端，进而特定波长的光传输至EAM-MQW层603，EAM-MQW层603对该光进行吸收调制然后输出携带了信号的信号光。
在本申请实施例中，EML芯片600的正电极和负电极共面，便于实现EML芯片600电极的共面测试，可以直接用高频探针测试，并且有效避免了封装打线带来的高频响应问题。进一步，EML芯片600的正电极和负电极共面，正电极设置位置靠近芯片的侧边，便于形成EML芯片600的引出端电极，可以有效减小封装测试的困难，减少封装成本。
在本申请实施例中，DFB-MQW层602的中轴线与EAM-MQW层603的中轴线位于同一平面上。
在本申请实施例中，光栅层604的长度小于或等于DFB-MQW层602的长度。可选的，光栅层604的长度DFB-MQW层602的长度比为0.3-1。进一步，光栅层604的长度不小于DFB-MQW层602长度的三分之一。
InP包层605有InP(磷化铟)材料沉积形成。
在本申请实施例中，如图8所示，EML芯片600的左端面设置高反射镀膜层607，高反射镀膜层607连接DFB-MQW层602的首端。当DFB-MQW层602产生的光传输至高反射镀膜层607，高反射镀膜层607用于反射该光，提高EML芯片600的左端面反射，有效避免EML芯片600的左端面漏光。
在本申请实施例中，高反射镀膜层607采用SiO2和TiO2等材料组成的多层结构。可选的，高反射镀膜层607包括第一SiO2层和第二TiO2层，第一SiO2层和第二TiO2层沿背离DFB-MQW层602的方向依次设置。
在本申请实施例中，如图8所示，EML芯片600的右端面设置增透膜层608，增透膜层608连接EAM-MQW层603的末端。增透膜层608具有较小的反射率，当经EAM-MQW层603调制获得的信号光传输至增透膜层608，降低EML芯片600的右端面反射，该信号光可较大比例透射增透膜层608，进而实现该信号光可较大比例的从EML芯片600的端面输出。
在本申请实施例中，增透膜层608采用SiO2和TiO2等材料组成的多层结构。可选的，增透膜层608包括第一SiO2层、第二TiO2层、第三SiO2层、第四TiO2层、第五SiO2层和第六TiO2层，第一SiO2层、第二TiO2层、第三SiO2层、第四TiO2层、第五SiO2层和第六TiO2层沿背离EAM-MQW层603的方向依次设置。
在本申请实施例中，电隔离区6061的宽度为20um-120um。电隔离区6061可通过刻蚀InP包层或离子注入的方式形成，实现电极层606上DFB正电极6062和EAM正电极6064的隔离。
在本申请实施例中，InP包层605的上方镀p-金属形成DFB正电极6062和EAM正电极6064以及镀n-金属形成EML负电极6063。可选的，EML负电极6063可通过n-金属电极区域采用湿法或干法刻蚀的方式刻蚀InP包层605，然后镀n-金属。
在本申请实施例中，EML芯片600的制备过程可为：提供一衬底601；在衬底601上形成DFB-MQW层602和EAM-MQW层603，DFB-MQW层602的末端与EAM-MQW层603的首端连接对齐；DFB-MQW层602的上方形成光栅层604；光栅层604上方与EAM-MQW层603上方沉积InP包层605；InP包层605上方刻蚀形成电隔离区6061，电隔离区6061的左侧形成DFB正电极6062和EML负电极6063，电隔离区6061的右侧形成EAM正电极6064。
进一步，EML芯片600的左端面形成高反射镀膜层607，EML芯片600的右端面形成增透膜层608。
本申请提供的光模块中，EML芯片600的DFB正电极6062和EML负电极6063位于EML芯片的同一个面上，即EML芯片600的正电极和负电极共面，能够减少电极之间的寄生电容，有助于提高EML芯片的调制效率。另外，EML芯片600的正电极和负电极共面，便于实现EML芯片600电极的共面测试，可以直接用高频探针测试，并且有效避免了封装打线带来的高频响应问题。进一步，EML芯片600的正电极和负电极共面，正电极设置位置靠近芯片的侧边，便于形成EML芯片600的引出端电极，可以有效减小封装测试的困难，减少封装成本。
最后应说明的是：本实施例采用递进方式描述，不同部分可以相互参照；另外，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种EML芯片，其特征在于，用于光模块，包括：
衬底；
DFB-MQW层，设置在所述衬底的上方；
EAM-MQW层，设置在所述衬底的上方，所述EAM-MQW层的首端连接所述DFB-MQW层的末端；
光栅层，设置在所述DFB-MQW层的上方；
InP包层，设置在所述EAM-MQW层和所述光栅层的上方，且所述InP包层的上方设置有电隔离区，所述电隔离区的左侧设置DFB正电极和EML负电极，所述DFB正电极位于所述DFB-MQW层的上方，所述电隔离区的右侧设置EAM正电极，所述EAM正电极位于所述EAM-MQW层的上方。
2.根据权利要求1所述的EML芯片，其特征在于，所述EML芯片的左端面设置高反射镀膜层，所述高反射镀膜层连接所述DFB-MQW层的首端；
所述EML芯片的右端面设置增透膜层，所述增透膜层连接所述EAM-MQW层的末端。
3.根据权利要求1所述的EML芯片，其特征在于，所述光栅层的长度与所述DFB-MQW层长度比为0.3-1。
4.根据权利要求1所述的EML芯片，其特征在于，所述DFB-MQW层的中轴线与所述EAM-MQW层的中轴线位于同一水平面。
5.根据权利要求2所述的EML芯片，其特征在于，所述高反射镀膜层沿背离所述DFB-MQW层的方向依次设置第一SiO2层和第二TiO2层。
6.根据权利要求2所述的EML芯片，其特征在于，所述增透膜层沿背离所述EAM-MQW层的方向依次设置第一SiO2层、第二TiO2层、第三SiO2层、第四TiO2层、第五SiO2层和第六TiO2层。
7.根据权利要求1所述的EML芯片，其特征在于，所述电隔离区的宽度为20um-120um。
8.根据权利要求1所述的EML芯片，其特征在于，所述电隔离区采用刻蚀接触层或离子注入的方式形成。
9.一种光模块，其特征在于，包括：
电路板；
光发射部件，与所述电路板电连接，用于产生并输出信号光，包括EML芯片；
其中，所述EML芯片包括：
衬底；
DFB-MQW层，设置在所述衬底的上方；
EAM-MQW层，设置在所述衬底的上方，所述EAM-MQW层的首端连接所述DFB-MQW层的末端；
光栅层，设置在所述DFB-MQW层的上方；
InP包层，设置在所述EAM-MQW层和所述光栅层的上方，且所述InP包层的上方设置有电隔离区，所述电隔离区的左侧设置DFB正电极和EML负电极，所述DFB正电极位于所述DFB-MQW层的上方，所述电隔离区的右侧设置EAM正电极，所述EAM正电极位于所述EAM-MQW层的上方。
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