CN116207609B - 一种基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片，其特征在于，包括依次连接的激光器、硅光调制器、温度不敏感型阵列波导光栅和光发射芯片输出端，其中所述激光器和硅光调制器均设置有若干个，且所述激光器和所述硅光调制器一对一连接；所述激光器为相移光栅型分布反馈激光器，所述激光器与所述硅光调制器间通过苯并环丁烯材料键合，所述温度不敏感型阵列波导光栅通过硅波导实现，相邻阵列波导间存在长度差△L，每根阵列波导由粗波导和细波导级联而成。
Description
技术领域
本申请涉及光模块中光发射模块技术领域，尤其涉及一种基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片。
背景技术
人类正在逐渐进入一个信息化、数字化以及智能化的新世纪，并且当今社会对于信息的综合处理和传递的需求量也在日益增加。光纤通信的主要特点有宽频带通信、大容量、小损耗、长距离中继以及极强的抗干扰性, 并且保密性强, 重量小等。在光纤通信中，光模块进行信息的发送和接收，它是一个位于以太网协议中进行光纤通讯的物理传输媒体相关层。光模块在未来光纤通讯中的应用对于实现智能化、小型化的发展使在行业中具有重要意义。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下问题：
市场上普遍应用的光模块是由Ⅲ-Ⅴ族半导体材料(如InP、InGaAsP等)构成的，与集成电路工艺不兼容，且制备成本较高，约为SOI材料体系加工成本的200倍以上；仅使用SOI材料体系难以制备得到光源；采用Ⅲ-Ⅴ族半导体材料作为光源，由于该半导体材料的晶格常数与硅的晶格常数不同，因此需要与SOI材料体系的硅光发射芯片采用端面耦合器或透镜耦合的方式，体积较大，且耦合损耗和对准难度较大；采用光发射(或接收)芯片采用复用/解复用的器件，如AWG、刻蚀衍射光栅和微环等器件，对于温度变化较为敏感。在光模块工作时，激光器会产生热量，从而对光模块的所有元件温度产生明显影响，使得该器件的工作波长与激光器波长不再对应，使器件难以正常工作。
发明内容
针对现有技术的不足，本申请实施例的目的是提供一种基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片。
本申请实施例提供一种基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片，包括依次连接的激光器、硅光调制器、温度不敏感型阵列波导光栅和光发射芯片输出端，其中所述激光器和硅光调制器均设置有若干个，且所述激光器和所述硅光调制器一对一连接；
所述激光器为相移光栅型分布反馈激光器，所述激光器与所述硅光调制器间通过苯并环丁烯材料键合，所述温度不敏感型阵列波导光栅通过硅波导实现，相邻阵列波导间存在长度差△L，每根阵列波导由粗波导和细波导级联而成。
进一步地，所述激光器包括从底到顶的底电极、衬底、布拉格相移光栅、下包层、量子阱区、上包层、上覆盖层和顶电极，其中所述底电极和顶电极的厚度均小于200 nm，所述布拉格相移光栅的厚度在100-300 nm间，光栅周期在200-300 nm间，光栅长度在50-300 μm间，引入的相移长度为所述光栅周期的一半，量子阱区的厚度约为50-200 nm。
进一步地，所述量子阱区包括2-6层量子阱结构，每层量子阱结构均包括1个阱区和1个垒区，每个阱区和垒区的厚度为5-15 nm，所述量子阱区上方和下方为分别限制结构层，所述量子阱区以下的衬底、布拉格相移光栅、下包层均为N型掺杂，掺杂浓度在1016-1018/cm3量级；量子阱区以上的上包层和上覆盖层均为P型掺杂，掺杂浓度在1016-1018/cm3量级。
进一步地，所述布拉格相移光栅、下包层和上包层均采用GaxIn1-xAsyP1-y材料，x∈(0,1)，y∈(0,1)，量子阱的垒区采用GaxIn1-xAsyP1-y，阱区采用Gax’In1-x’Asy’P1-y’ 材料，x’∈(0,1)，y’∈(0,1)，衬底和上覆盖层采用InP，底电极和顶电极采用金或铜。
进一步地，每个激光器宽度约为50-100 μm，长度约为50-300 μm，相邻激光器间距约为100-200 μm。
进一步地，所述硅光调制器采用差分推挽或串联推挽，N型掺杂区和P型掺杂区的掺杂浓度在1016-1017/cm3量级，N+型掺杂区和P+型掺杂区的掺杂浓度在1018-1019/cm3量级，N++型掺杂区和P++型掺杂区的掺杂浓度在1019-1020/cm3量级，所述N型掺杂区、N+型掺杂区、P型掺杂区和P+型掺杂区的长度在0.4-2 μm之间，所有的电极宽度均大于5 μm，所述硅光调制器的电光3 dB带宽需大于30 GHz。
进一步地，所述激光器与所述硅光调制器间通过苯并环丁烯材料键合，具体为：
所述激光器下覆盖苯并环丁烯材料的键合层，所述键合层下设置有基底层，所述基底层上还设置有两端分别连接所述键合层和所述硅光调制器的硅波导，每个所述激光器的末端宽度均逐渐减小形成多段曲线锥形耦合区域，从而将输出的光信号耦合至所述键合层，经所述硅波导传递至所述硅光调制器。
进一步地，所述多段曲线锥形耦合区域采用三段式曲线锥形结构，包括第一曲线锥形结构、第二曲线锥形结构和第三曲线锥形结构；
所述第一曲线锥形结构包括第一上表面锥形耦合区、第一量子阱耦合区和第一下表面耦合区，所述第一上表面锥形耦合区的宽度以曲线形式逐渐减小，所述第一量子阱耦合区和第一下表面耦合区的宽度保持不变；
所述第二曲线锥形结构包括第二量子阱锥形耦合区和第二下表面锥形耦合区，所述第二量子阱锥形耦合区与所述第一量子阱耦合区相连接，所述第二下表面锥形耦合区与所述第一下表面耦合区连接，所述第二量子阱锥形耦合区和第二下表面锥形耦合区的宽度均以曲线形式逐渐减小；
所述第三曲线锥形结构包括硅波导锥形耦合区、第三量子阱锥形耦合区和第三下表面锥形耦合区，所述第三量子阱锥形耦合区与所述第二量子阱耦合区相连接，所述第三下表面锥形耦合区与所述第二下表面耦合区连接，所述硅波导锥形耦合区的起始宽度与所述第一上表面锥形耦合区最终的宽度相同且所述硅波导锥形耦合区的宽度以曲线形式逐渐增大后与所述硅波导连接，所述第三量子阱锥形耦合区的宽度以曲线形式逐渐减小至与所述第一上表面锥形耦合区最终的宽度相同，所述第三下表面锥形耦合区以直线形式逐渐减小至与所述第一上表面锥形耦合区最终的宽度相同。
进一步地，所述温度不敏感型阵列波导光栅中输入波导数不超过9，输出阵列波导数为1，相邻阵列波导长度差△L为5-15 μm，所述细波导的宽度W0在0.35-0.6 μm间，粗波导的宽度W1在0.8-1.2 μm间，相邻信道粗波导长度差△L’为100-300 μm。
进一步地，所述的激光器、硅光调制器和温度不敏感型阵列波导光栅的工作波长在1500-1600 nm范围内，且所述硅光调制器和温度不敏感型阵列波导光栅的光学带宽高于所述激光器的带宽。
本申请的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
由上述实施例可知，本申请中激光器中的光栅采用相移光栅，加入相移后，实现了更窄线宽的激光器，光束质量较好，易于实现高能量密度；激光器与硅光调制器采用键合的方式，利用多段曲线锥形耦合区域，且对每段耦合区域包含的耦合层和耦合宽度优化设计，使得耦合长度仅为8-20微米，耦合效率在很宽的波长范围内超过90%，而传统硅光模块需要激光器芯片与光发射芯片通过端面耦合器或透镜耦合，明显增大了耦合的工艺难度，采用本方案能够明显减小封装的尺寸，增大了耦合效率和工艺容差，采用键合结构的波分复用技术，可实现单路的光信号传输，减少光纤传输通道数，明显节约光纤成本；本申请采用的硅光调制器具有带宽大的优势，电光带宽可达到30 GHz以上，能够传输100 Gbit/s以上速率的PAM4高频信号；此外，阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating ，AWG）波分(解)复用为温度敏感型器件，通过每个阵列波导由粗波导和细波导级联的方式，能够有效地实现对外界温度的不敏感。因为在光模块工作时，激光器会产生热量，对波分(解)复用器的工作性能产生明显影响，因此需要温度不敏感的AWG有重要应用。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本申请的实施例，并与说明书一起用于解释本申请的原理。
图1为根据一示例性实施例示出的一种基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片的结构示意图。
图2为根据一示例性实施例示出的DFB激光器截面示意图。
图3为根据一示例性实施例DFB激光器仿真结果图，图3中的(a)为量子阱的增益系数与波长间的关系图；图3中的(b)为激光器的输出功率与波长关系图。
图4为根据一示例性实施例示出的曲线锥形耦合区示意图，图4中的(a)为第一段耦合区结构示意图；图4中的(b)为第二段耦合区结构示意图；图4中的(c)为第三段耦合区结构示意图。
图5为根据一示例性实施例示出的曲线锥形耦合区归一化耦合效率和耦合光场效果图，图5中的(a)为归一化耦合效率与波长关系图；图5中的(b)为曲线锥形耦合区耦合光场效果图。
图6为根据一示例性实施例示出的硅光调制器截面结构示意图，图6中的(a)为串联推挽调制器截面示意图；图6中的(b)为差分推挽调制器截面示意图。
图7为根据一示例性实施例示出的温度不敏感型阵列波导光栅结构示意图。
图8为根据一示例性实施例示出的阵列波导区细波导有效折射率neff1和粗波导有效折射率neff2随温度变化的仿真效果图。
图9为根据一示例性实施例示出的该阵列波导光栅解复用效果图。
图中的附图标记包括：
001、基底层；002、键合层；003、硅波导；100、DFB激光器；101、底电极；102、衬底；103、布拉格相移光栅；104、下包层；105、SCH层；106、垒区；107、阱区；108、上包层；109、上覆盖层；110、顶电极；111、相移光栅相移区；120、三段式锥形耦合区；121、第一上表面锥形耦合区；122、第一量子阱耦合区；123、第一下表面耦合区；124、第二量子阱锥形耦合区；125、第二下表面锥形耦合区；126、硅波导锥形耦合区；127、第三量子阱锥形耦合区；128、第三下表面锥形耦合区；200、硅光调制器；201、第一金属电极；202、第二金属电极；203、第三金属电极；204、第四金属电极；205、第五金属电极；300、温度不敏感型阵列波导光栅；301、输入波导；302、平板波导；303、细波导；304、粗波导；305、输出波导；400、光发射芯片输出端。
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申请相一致的所有实施方式。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解，尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本申请范围的情况下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
图1是根据一示例性实施例示出的一种基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片的结构示意图，如图1所示，该温度不敏感型硅光发射芯片可以包括依次连接的激光器、硅光调制器200、温度不敏感型阵列波导光栅300和光发射芯片输出端400，其中所述激光器和硅光调制器200均设置有若干个，且所述激光器和所述硅光调制器200一对一连接；所述激光器为相移光栅型分布反馈激光器，所述激光器与所述硅光调制器200间通过苯并环丁烯材料键合，所述温度不敏感型阵列波导光栅300通过硅波导003实现，相邻阵列波导间存在长度差△L，每根阵列波导由粗波导304和细波导303级联而成。
由上述实施例可知，本申请中激光器中的光栅采用相移光栅，加入相移后，实现了更窄线宽的激光器，光束质量较好，易于实现高能量密度；激光器与硅光调制器200采用键合的方式，使得耦合长度仅为几十微米，而传统硅光模块需要激光器芯片与光发射芯片通过端面耦合器或透镜耦合，明显增大了耦合的工艺难度，采用本方案能够明显减小封装的尺寸，增大了耦合效率和工艺容差，采用键合结构的波分复用技术，可实现单路的光信号传输，减少光纤传输通道数，明显节约光纤成本；本申请采用的硅光调制器200具有带宽大的优势，电光带宽可达到30 GHz以上，能够传输100 Gbit/s以上速率的PAM4高频信号；此外，阵列波导光栅（Arrayed Waveguide Grating ，AWG）波分(解)复用为温度敏感型器件，通过每个阵列波导由粗波导304和细波导303级联的方式，能够有效地实现对外界温度的不敏感。因为在光模块工作时，激光器会产生热量，对波分(解)复用器的工作性能产生明显影响，因此需要温度不敏感的AWG有重要应用。
具体地，所述硅光调制器200、温度不敏感型阵列波导光栅300和光发射芯片输出端400以及中间的连接波导均采用SOI(Silicon On Insulator,绝缘体上硅)材料，在一实施例中，所有波导的下包层104均为二氧化硅，芯层为硅材料，波导的高度为220 nm。采用SOI结构明显减小波导尺寸，设计的波导高度220 nm为SOI波导普适尺寸，通过集成电路工艺即可加工。
具体地，如图2所示，本申请中激光器为DFB激光器100，所述DFB激光器100包括从底到顶的底电极101、衬底102、布拉格相移光栅103、下包层104、量子阱区、上包层108、上覆盖层109和顶电极110，其中所述底电极101和顶电极110的厚度均小于200 nm，所述布拉格相移光栅103的厚度在100-300 nm间，光栅周期在200-300 nm间，光栅长度在50-300 μm间，引入的相移长度为所述光栅周期的一半，量子阱区的厚度约为50-200 nm。DFB激光器为分布式反馈激光器，其不同之处是内置了布拉格光栅，属于侧面发射的半导体激光器。DFB激光器最大特点是具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1MHz以内，以及具有非常高的边模抑制比，可高达40-50dB以上。
DFB激光器100的量子阱结构通过K·P微扰模型求解其吸收系数。对于量子阱的导带结构可以通过下式（1）进行描述：
（1）
其中，k为波矢，mn,t和mn,z分别为电子垂直于生长方向和平行与生长方向的有效质量，Ve(z) 是无应变的导带势能，ac是导带形变势，ε为应变张量，为导带的哈密顿算符，/>为普朗克常量，/>，i为虚数单位，Tr()为,/>为沿x方向的衬底102与相移光栅材料间晶格常数差值的百分比，/>沿y方向的衬底102与相移光栅材料间晶格常数差值的百分比, />是沿高度z方向的衬底102与相移光栅材料间晶格常数差值的百分比，x和y是两个能带方向。
导带的能带结构En c(kt)可以通过下式（2）得到：
（2）
其中是量子阱区域平行量子阱有效质量，/>，/>为待求的波函数。价带的能带结构（考虑了重空穴带、轻空穴带和自旋－轨道分裂带的耦合）能被一个6×6的哈密尔顿算符/>描述。在傍轴近似条件下，可近似看做为对角的哈密顿算符：
（3）
, γ1、γ2和γ3是能带结构参数，av和b是Bir-Pikus形变势，△(z)是自旋-轨道分裂能。σ=U和σ=L分别代表上矩阵块和下矩阵块，i为虚数单位。
对于量子阱的价带能量分布通过下式（4）得到：
（4）
其中，j=hh,lh和so(hh表示重空穴带，lh表示轻空穴带，so表示自旋耦合劈裂带)，为价带量子阱势能，其余参数均为中间变量，无实际含义。
量子阱结构的增益系数由下式（5）给出：
（5）
在这里，Fc和Fv是电子和空穴的准费米能级，e为单位电荷量，m0为自由空间中电子质量，c和ε0分别为真空中光速和介电常数，为电场的极化矢量，nr和Lz分别是量子阱材料的折射率和阱宽，γ为洛伦兹函数的半宽，/>是矩阵动量元，p为动量算符，/>为上下自旋，对于/>的计算如下公式（6）所示：
（6）
这里为体材料的矩阵动量元，Ep为能量参数，与应变量子阱TE和TM偏振态的矩阵动量元和应变有关。
具体地，所述量子阱区包括2-6层量子阱结构，每层量子阱结构均包括1个阱区107和1个垒区106，每个阱区107和垒区106的厚度为5-15 nm，所述量子阱区上方和下方为分别限制结构（SCH）层，所述量子阱区以下的衬底102、布拉格相移光栅103、下包层104均为N型掺杂，掺杂浓度在1016-1018/cm3量级；量子阱区以上的上包层108和上覆盖层109均为P型掺杂，掺杂浓度在1016-1018/cm3量级。所述布拉格相移光栅103、下包层104和上包层108均采用GaxIn1-xAsyP1-y材料，x∈(0,1)，y∈(0,1)，量子阱的垒区106采用GaxIn1-xAsyP1-y，阱区107采用Gax’In1-x’Asy’P1-y’ 材料，x’∈(0,1)，y’∈(0,1)，衬底102和上覆盖层109采用InP，底电极101和顶电极110采用金或铜。
在一实施例中，量子阱区采用4层的量子阱结构，每层量子阱结构由1个阱区107和1个垒区106构成，阱区107材料为Ga0.24In0.76As0.79P0.21,厚度约为8 nm，垒区106材料为Ga0.29In0.71As0.61P0.39,厚度约为10 nm。量子阱增益区的长度约为73 μm。经计算该量子阱的增益系数与波长间的关系如图3中的(a)所示，器件在1550 nm附近的增益系数可达到2000cm-1。量子阱区以下的层均为N型掺杂，掺杂浓度约为5×1017/cm3；量子阱区以上的层均为P型掺杂，掺杂浓度约为5×1017/cm3。衬底102和上覆盖层109采用InP，底电极101和顶电极110通常采用金或铜等。
进一步地，为了实现更窄线宽的DFB激光器100，常采用布拉格相移光栅103。这样设计使得器件反射峰较窄，边模抑制较好，进而易于实现高能量密度。设计的光栅需满足光栅方程，以下表达式(7)给出光栅谐振方程和光栅长度表达式，表达式(8)给出器件的耦合系数、峰值反射率表达式。
(7)
(8)
其中，λ0是光栅谐振波长，neff为波导有效折射率，Λ为光栅周期，为器件的相移，用弧度制表示，N为光栅周期数，L为光栅长度。/>和/>分别为TE0模式随波导位置电场强度的共轭和TE0模式本身随波导位置的电场强度，ε(x,y)为计算的波导位置处介电常数，是折射率值的平方，κ为耦合系数，ng为基模TE0群折射率，/>为角频率，为/>，c为光速，λ为仿真的波长，R为峰值反射率。
对于相移光栅常采用传输矩阵法进行求解。光栅器件存在前向传输的模式和后向传输的模式，此器件为双端口器件。将该光栅沿长度方向平均分为M段，在第i段光栅(i≤M-1,且i为正整数)中，A(zi)为前向传输的输入端模式振幅，B(zi)为反向传输的输入端模式振幅，A(zi+1)为前向传输的输出端模式振幅，B(zi+1)为反向传输的输出端模式振幅。即输入量为A(zi)和B(zi),输出量为A(zi+1)和B(zi+1)，传输矩阵表达式如(9)所示。
(9)
令。λ为仿真的波长，不是光栅谐振波长λ0。其中，
（10）
最终，器件的传输矩阵如下：
（11）
经过相移光栅的反射率为
（12）
为了让激光器的输出波长在1550 nm附近，设计的该光栅周期约为240 nm，光栅长度与量子阱增益区长度相同。器件的相移选为/>。其中某个激光器输出效果如图3中的(b)所示，其最大输出功率为1000 mW/eV，带宽很窄，边模抑制明显实现了激光器窄带宽的效果。
具体地，每个激光器宽度约为50-100 μm，长度约为50-300 μm，由于提出的器件含有若干个DFB激光器100，这些DFB激光器100间的差别仅为光栅周期略有不同，以实现不同的谐振波长，相邻激光器间距约为100-200 μm。
为了使得DFB激光器100产生的光耦合进入硅光调制器200中，所述激光器与所述硅光调制器200间通过苯并环丁烯材料键合，具体为：所述激光器下覆盖苯并环丁烯材料的键合层002，所述键合层002下设置有基底层001，所述基底层001为上面覆盖数微米厚二氧化硅的硅基底，所述基底层001上还设置有两端分别连接所述键合层002和所述硅光调制器200的硅波导003，每个所述激光器的末端宽度均逐渐减小形成多段曲线锥形耦合区域，从而将输出的光信号耦合至所述键合层002，经所述硅波导003传递至所述硅光调制器200，实现了光信号从Ⅲ-Ⅴ材料到硅材料的耦合，经硅光调制器200调制的光信号经温度不敏感型阵列波导光栅300复用后通过光发射芯片输出端400输出。采用多段曲线锥形耦合区域，能够有效减小耦合区尺寸，耦合区总尺寸在8-20 μm间。
具体地，激光器和硅光调制器200间通过BCB键合层002（厚度在30-100 nm间，可通过旋涂、烘干等方式得到）连接。在键合层002上，激光器宽度逐渐变窄，耦合长度仅为几十微米。因BCB光刻胶的折射率(约为1.54)远小于DFB激光器100和硅波导003的有效折射率，且激光器区域采用了多段多层的曲线锥形耦合结构，使得在很短的耦合长度下，从而使得激光器产生的光信号高效率地耦合到硅光调制器200中，耦合效率可超过90%。采用该键合方式实现的器件具有以下优势：克服了仅使用SOI材料体系难以制备得到光源的难点问题；无需采用端面耦合器或透镜与光发射芯片耦合，克服了耦合长度需达到几百微米甚至毫米量级，耦合损耗超过3 dB，光纤或透镜的耦合位置误差需小于5 μm的一系列难点问题；且采用多段多层曲线锥形耦合区域，减小了耦合尺寸，增大了耦合效率和工艺容差；克服了Ⅲ-Ⅴ族半导体材料与硅直接采用BCB键合或采用单段锥形耦合区使得耦合长度较长的问题(耦合长度通常大于50 μm)。
DFB激光器100与硅波导003间采用多段多层的耦合区域，在耦合区域中，锥形的耦合区需采用曲线锥形的表达式。锥形的最窄区域宽度在50-200 nm间，量子阱的最宽宽度在0.8-2.0 μm间，耦合区域总长度在5-20 μm间。耦合区域在1300-1700 nm波长范围内的耦合效率超过90%。
在一实施例中，所述多段曲线锥形耦合区域采用了三段式曲线锥形结构，包括第一曲线锥形结构、第二曲线锥形结构和第三曲线锥形结构；如图4所示。首先在L1长度的所述第一曲线锥形结构中，最顶端的第一上表面锥形耦合区121，包含的是图2中上包层108和上覆盖层109两层，经L1的长度(L1选取为5 μm)后，宽度W(x)由WpInP(约1 μm)变为Wtip(约150nm)，宽度变化的表达式如表达式(13.1)。该表达式说明该锥形区为曲线锥形结构，相比于普通的曲线锥形结构，该结构使得器件的耦合长度有明显的减小。而此时第一量子阱耦合区122 (包含的是图2中布拉格相移光栅103-阱区107五层)的宽度保持WMQW1(约1 μm，且与WInP相同)，第一下表面耦合区123 (包含的是图2中衬底102区域)宽度保持WnInp1不变(约为3μm)。
经L1长度的耦合光，在L2长度(L2选取为1 μm)的所述第二曲线锥形结构中，与第一量子阱耦合区122相连的第二量子阱锥形耦合区124宽度WMQW(x)由WMQW1变为WMQW2(WMQW2约为500 nm)，宽度变化表达式如(13.2.1)。与第一下表面耦合区123相连的第二下表面锥形耦合区125宽度WnInp(x)由WnInp1变为WnInp2(WnInp2约为1 μm)，宽度变化表达式如(13.3.1)所示。在第二锥形耦合区中，第一上表面锥形耦合区121不再存在。
最后经L3长度(L3选取为8 μm)的所述第三曲线锥形结构，与第二量子阱锥形耦合区124相连的第三量子阱锥形耦合区127宽度WMQW(x)由WMQW2变为Wtip，宽度变化表达式如(13.2.2)。与第二下表面锥形耦合区125相连的第三下表面锥形耦合区128宽度WnInp(x)由WnInp2变为Wtip，宽度变化表达式如(13.3.2)所示。与此同时，硅波导锥形耦合区126宽度W2(x)的初始宽度为Wtip，逐渐变化为WSi，变化表达式如(13.4)所示，硅波导锥形耦合区126经L3长度后与硅波导003区域相连。
(13.1)
(13.4)
, /> , />都需在0和1之间。在以上表达式中，/>, /> , />和/>分别选取为0.9,0.6,0.6和2.2。经仿真后可得该锥形耦合区的归一化耦合效率与波长的关系如图5中的(a)所示，在波长为1300-1700 nm的很宽波长范围内，都能实现90%以上的耦合效率，实现绝大部分光功率耦合至硅波导003区域。耦合区域的传输光场如图5中的(b)所示，经过约14 μm左右的传输后，绝大部分光信号已经进入到硅波导003传输层。该光耦合区采用了多段的耦合区域，可以对每段耦合区域包含的耦合层和耦合宽度优化设计，最大限度的减小耦合区域整体尺寸，且能够有效地增大耦合效率。
具体地，所述硅光调制器200采用差分推挽或串联推挽，N型掺杂区和P型掺杂区的掺杂浓度在1016-1017/cm3量级，N+型掺杂区和P+型掺杂区的掺杂浓度在1018-1019/cm3量级，N++型掺杂区和P++型掺杂区的掺杂浓度在1019-1020/cm3量级。N型掺杂区、N+型掺杂区、P型掺杂区和P+型掺杂区的长度在0.4-2 μm之间，所有的电极宽度均大于5 μm，所述硅光调制器200的电光3 dB带宽需大于30 GHz。
在一实施例中，串联推挽或差分推挽的结构图分别如图6中的(a)和图6中的(b)所示。图6中的(a)为串联推挽调制器截面示意图，第一金属电极201与地端相连，即电势值为零；第二金属电极202接负电压的直流信号，使得器件PN结处于反偏状态；第三金属电极203接高频电信号。所有的金属电极均由铜或铝制备而成。Wwg为脊波导宽度，约为400-600 nm，Hrib为平板区厚度，约为70-100 nm。波导部分以P++型掺杂区中心位置为轴对称中心，在P++型掺杂区中心位置左边，从左到右分别由N++、N+、N、P、P+、P++六个区域(N掺杂区表示半导体掺入磷原子成为N型掺杂，P型掺杂区表示半导体掺入硼原子成为P型掺杂，N、N+、N++区域的掺杂浓度依次增加，P区同理)构成。N型掺杂区和P型掺杂区的掺杂浓度在1016-1017/cm3量级，N+型掺杂区和P+型掺杂区的掺杂浓度在1018-1019/cm3量级，N++型掺杂区和P++型掺杂区的掺杂浓度在1019-1020/cm3量级。N+、N、P、P+区宽度在0.4-2 μm间，N++和P++区域宽度大于5μm。第一金属电极201、第二金属电极202、第三金属电极203宽度均大于5 μm，以方便工艺制备。图6中的(b)为差分推挽调制器截面示意图，第四金属电极204与地端相连，电势值为零；第五金属电极205接高频电信号，其他参数定义与上述串联推挽调制器相同。这两种调制器的长度设置在2-4 mm间，使得器件既有较高的调制效率，又具有较高的电光带宽。两种器件均可以采用，采用串联推挽调制器电容值较低，使得器件的电光带宽更高，可超过40 GHz；采用差分推挽结构由于有2个第五金属电极205且两臂的结构完全对称的优势，在两个电极上施加频率和电压幅值相同但相位相差π的奇数倍的高频信号，则每个第五金属电极205施加电压即为串联推挽电压的一半，降低了高频信号的要求。同时经过该器件后高频电信号噪声会明显减小。该器件虽不如串联推挽调制带宽高，但也可达到30 GHz以上，完全能够满足调制需求。上述两种调制器均可采用，电光带宽可达到30 GHz以上，能够传输100 Gbit/s以上速率的PAM4高频信号。
具体地，设计的波分复用器采用阵列波导光栅器件，该器件具有通道数多、串扰低等优势，能够很好地实现波分(解)复用的功能。由于激光器与该AWG器件在同一芯片上，激光器产生的热量会影响AWG器件的工作波长，使AWG的工作波长不能覆盖激光器对应的波长，因此提出的温度不敏感型AWG具有重要意义。如图7所示，本专利提出的温度不敏感型AWG仅通过硅波导003，无需采用多种材料，明显减少了工艺复杂度和不需考虑材料兼容性的问题。所述温度不敏感型阵列波导光栅300中输入波导301数不超过9，输出阵列波导数为1，相邻阵列波导长度差△L为5-15 μm，所述细波导303的宽度W0在0.35-0.6 μm间，粗波导304的宽度W1在0.8-1.2 μm间，相邻信道粗波导304长度差△L’为100-300 μm。
进一步地，为了设计该温度不敏感型的AWG，器件需满足光栅方程:
（14）
这里,m是衍射级数，是AWG器件的中心波长，/>是粗波导304的有效折射率与细波导303有效折射率差值，以下用neff1表示细波导303的有效折射率，neff2表示粗波导304的有效折射率，即/>。然后对表达式两边对温度T求导，即可得到:
（15）
M为修正后的衍射级数，考虑到了波导的有效折射率随波长的变化。为了实现器件对温度不敏感的效果，令为0，即可得到/>。
图8为计算的neff1和neff2随温度变化的关系图，细波导303采用0.4 μm宽，粗波导304采用1 μm宽。由图可得，在温度从20 ℃变化到100 ℃时，neff1从2.228变化到了2.244,约为2.0025×10-4/℃;neff2从2.744变到了2.760,即/>约为1.9025×10-4/℃，即可得到△L/△L’的值,使得器件随温度不敏感。
在△L采用5 μm时，即可得到器件的△L’约为100 μm。为了表征该复用器的性能，常利用光的可逆性，将宽谱光从输出波的输入，从输入波导301仿真得到输出端的性能。仿真设置输入波导301相邻信道波长间隔约为3.2 nm，信道数为9信道(最中间的信道按照IEEE通信规范可以不使用)，由此要求设计的8个DFB激光器100的信道间隔也需为3.2 nm。图9为仿真的该AWG解复用特性。由图可得到该器件的中心波长约为1550 nm，每个信道插入损耗最大约为3 dB，各信道间串扰值<-20 dB,说明该器件的性能良好，可以用在硅光复用器中。最后复用的光信号通过光发射芯片输出端400输出。
由上述实施例可知，本申请中DFB激光器100中的光栅采用相移光栅，加入相移后，实现了更窄线宽的激光器，边模抑制和光束质量较好，易于实现高能量密度；若干个DFB激光器100与硅光调制器200采用BCB键合的方式，且对每段耦合区域DFB激光器100包含的耦合层和耦合宽度优化设计，使得耦合长度仅为8-20微米，在400 nm波长范围内实现了超过90%的耦合效率，使得耦合长度仅为几十微米，而传统硅光模块需要激光器芯片与光发射芯片通过端面耦合器或透镜耦合，明显增大了耦合的工艺难度，采用本方案能够明显减小封装的尺寸和工艺难度；本申请采用的硅光调制器200具有带宽大的优势，电光带宽可达到30GHz以上，能够传输100 Gbit/s以上速率的PAM4高频信号；设计了温度敏感型AWG器件，采用了粗波导304与细波导303级联的方式，使各信道波长对温度不敏感，克服了激光器产生热量的问题。本申请实施例提供的一种基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片的工作过程包括：
数个DFB激光器100产生了不同谐振波长(波长间隔约为几nm)的光信号，通过旋涂BCB光刻胶键合层002的三段式锥形耦合区120耦合进入硅波导003中，硅波导003中的光信号进入到硅光调制器200中，光信号经高速电信号调制后进入到温度不敏感的AWG输入波导301，经波分复用器后，从光发射芯片输出端400,进而将载波信号输出。
本申请中，所述的激光器、硅光调制器200和温度不敏感型阵列波导光栅300的工作波长在1500-1600 nm范围内，且调制器和温度不敏感型阵列波导光栅300的光学带宽明显高于DFB激光器100的带宽。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的内容后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、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申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。
应当理解的是，本申请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。
Claims (10)
1.一种基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片，其特征在于，包括依次连接的激光器、硅光调制器、温度不敏感型阵列波导光栅和光发射芯片输出端，其中所述激光器和硅光调制器均设置有若干个，且所述激光器和所述硅光调制器一对一连接；
所述激光器为相移光栅型分布反馈激光器，所述激光器与所述硅光调制器间通过苯并环丁烯材料键合，所述温度不敏感型阵列波导光栅通过硅波导实现，相邻阵列波导间存在长度差△L，每根阵列波导由粗波导和细波导级联而成；
其中，所述温度不敏感型阵列波导光栅中相邻信道粗波导长度差△L’为100-300 μm，且满足，neff1表示细波导的有效折射率，neff2表示粗波导的有效折射率，T为温度。
2.根据权利要求1所述的基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片，其特征在于，所述激光器包括从底到顶的底电极、衬底、布拉格相移光栅、下包层、量子阱区、上包层、上覆盖层和顶电极，其中所述底电极和顶电极的厚度均小于200 nm，所述布拉格相移光栅的厚度在100-300 nm间，光栅周期在200-300 nm间，光栅长度在50-300 μm间，引入的相移长度为所述光栅周期的一半，量子阱区的厚度为50-200 nm。
3.根据权利要求2所述的基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片，其特征在于，所述量子阱区包括2-6层量子阱结构，每层量子阱结构均包括1个阱区和1个垒区，每个阱区和垒区的厚度为5-15 nm，所述量子阱区上方和下方为分别限制结构层，所述量子阱区以下的衬底、布拉格相移光栅、下包层均为N型掺杂，掺杂浓度在1016-1018/cm3量级；量子阱区以上的上包层和上覆盖层均为P型掺杂，掺杂浓度在1016-1018/cm3量级。
4.根据权利要求3所述的基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片，其特征在于，所述布拉格相移光栅、下包层和上包层均采用GaxIn1-xAsyP1-y材料，x∈(0,1)，y∈(0,1)，量子阱的垒区采用GaxIn1-xAsyP1-y，阱区采用Gax’In1-x’Asy’P1-y’材料，x’∈(0,1)，y’∈(0,1)，衬底和上覆盖层采用InP，底电极和顶电极采用金或铜。
5.根据权利要求1所述的基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片，其特征在于，每个激光器宽度为50-100 μm，长度为50-300 μm，相邻激光器间距为100-200 μm。
6.根据权利要求1所述的基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片，其特征在于，所述硅光调制器采用差分推挽或串联推挽，N型掺杂区和P型掺杂区的掺杂浓度在1016-1017/cm3量级，N+型掺杂区和P+型掺杂区的掺杂浓度在1018-1019/cm3量级，N++型掺杂区和P++型掺杂区的掺杂浓度在1019-1020/cm3量级，所述N型掺杂区、N+型掺杂区、P型掺杂区和P+型掺杂区的长度在0.4-2 μm之间，所有的电极宽度均大于5 μm，所述硅光调制器的电光3 dB带宽需大于30 GHz。
7.根据权利要求1所述的基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片，其特征在于，所述激光器与所述硅光调制器间通过苯并环丁烯材料键合，具体为：
所述激光器下覆盖苯并环丁烯材料的键合层，所述键合层下设置有基底层，所述基底层上还设置有两端分别连接所述键合层和所述硅光调制器的硅波导，每个所述激光器的末端宽度均逐渐减小形成多段曲线锥形耦合区域，从而将输出的光信号耦合至所述键合层，经所述硅波导传递至所述硅光调制器。
8.根据权利要求7所述的基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片，其特征在于，所述多段曲线锥形耦合区域采用三段式曲线锥形结构，包括第一曲线锥形结构、第二曲线锥形结构和第三曲线锥形结构；
所述第一曲线锥形结构包括第一上表面锥形耦合区、第一量子阱耦合区和第一下表面耦合区，所述第一上表面锥形耦合区的宽度以曲线形式逐渐减小，所述第一量子阱耦合区和第一下表面耦合区的宽度保持不变；
所述第二曲线锥形结构包括第二量子阱锥形耦合区和第二下表面锥形耦合区，所述第二量子阱锥形耦合区与所述第一量子阱耦合区相连接，所述第二下表面锥形耦合区与所述第一下表面耦合区连接，所述第二量子阱锥形耦合区和第二下表面锥形耦合区的宽度均以曲线形式逐渐减小；
所述第三曲线锥形结构包括硅波导锥形耦合区、第三量子阱锥形耦合区和第三下表面锥形耦合区，所述第三量子阱锥形耦合区与所述第二量子阱耦合区相连接，所述第三下表面锥形耦合区与所述第二下表面耦合区连接，所述硅波导锥形耦合区的起始宽度与所述第一上表面锥形耦合区最终的宽度相同且所述硅波导锥形耦合区的宽度以曲线形式逐渐增大后与所述硅波导连接，所述第三量子阱锥形耦合区的宽度以曲线形式逐渐减小至与所述第一上表面锥形耦合区最终的宽度相同，所述第三下表面锥形耦合区以直线形式逐渐减小至与所述第一上表面锥形耦合区最终的宽度相同。
9.根据权利要求1所述的基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片，其特征在于，所述温度不敏感型阵列波导光栅中输入波导数不超过9，输出阵列波导数为1，相邻阵列波导长度差△L为5-15 μm，所述细波导的宽度W0在0.35-0.6 μm间，粗波导的宽度W1在0.8-1.2 μm间。
10.根据权利要求1所述的基于键合结构的温度不敏感型硅光发射芯片，其特征在于，所述的激光器、硅光调制器和温度不敏感型阵列波导光栅的工作波长在1500-1600 nm范围内，且所述硅光调制器和温度不敏感型阵列波导光栅的光学带宽高于所述激光器的带宽。
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