CN117406352A - 硅光集成光模块及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通信技术领域，提供了一种硅光集成光模块，包括硅光芯片、光纤阵列组件以及用于提供光源的激光器组件，所述激光器组件、所述硅光芯片以及所述光纤阵列组件沿光路方向依次设置，在所述硅光芯片和所述光纤阵列组件之间的光路上还设有阵列硅透镜。还提供一种硅光集成光模块的制作方法。本发明使用阵列硅透镜可以提高硅光芯片与光纤阵列的耦合效率和插损容差范围，简化了耦合操作难度，同时拉大了硅光芯片端面与阵列硅透镜和光纤阵列的距离，为因工艺或硅光芯片封装过程需要返工提供了可能，提高了硅光器件的直通率和良品率，间接降低生产产品，易于大批量生产制造。

Description

硅光集成光模块及其制作方法

技术领域

本发明涉及光通信技术领域，具体为一种硅光集成光模块及其制作方法。

背景技术

随着大数据和云计算的快速发展和广泛应用，对数据中心和光互技术提出了更高的需求，同时也对光模块的传输容量和高效散热提出了更高的要求。在当前400G/800G等高速光模块中，传统EML方案采用分立器件，多路并行光组件，布板空间困难，物料成本昂贵，功耗高、耦合工艺封装难。为了解决这些问题，采用了硅光集成方案，该方案更满足光模块对于更低成本、更高集成度、更高速率、更低功耗和可靠性的迫切需求，是解决当前功耗、速率、布板空间等方面关键技术而被广泛研究与应用。

然而硅光集成方案也有其技术难点：硅光芯片的耦合封装。由于硅光芯片的硅波导模场直径远远小于单模光纤，如果直接与单模光纤耦合会存在模场失配的现象，造成插入损耗的增大，产生链路预算缺陷。因此硅光芯片和单模光纤的耦合成为重点。现阶段应用在硅光芯片上的耦合器结构分为光栅耦合器和边缘耦合器。光栅耦合器可以实现片上立式光耦合，具有耦合容差大和操作简单的优势，但耦合损耗大，垂直空间较大，难实现封装光模块壳体内；边缘耦合器，由于独特的结构使其具有模斑转换功能，可以实现平面边缘对接光耦合，耦合插损小、可以与光模块完美兼容而被广泛应用。

已经公开的CN 114578497 A、CN 215986598 U和CN 113495332 A等公开文献，均采用在硅光芯片输出光口与光纤阵列组件端面间隙填充光学匹配胶，借助玻璃条来增加光纤阵列组件端面与硅光芯片及盖板胶水的接触面积，提高光纤阵列组件的剪切力，同时光纤阵列组件底部与热沉悬空。存在光纤阵列组件剪切力不够大，器件可靠存在风险，由于硅光芯片、光纤阵列组件和玻璃条成为一体，返修非常困难，点胶工艺复杂，对自动化设备要求非常高。已经公布CN 114942497 A的公开文件中，采用FA直接与硅光芯片输出波口端面进行对接耦合，在光纤阵列组件底部点耦合胶固化，胶水厚度和接触面积可控，能够满足光器件可靠性要求。同时由于硅光芯片端面与光纤阵列端面间隙非常小，约为3-10微米，因工艺或其他原因需要返修光纤阵列组件困难较大，还存在耦合损耗相对较大且容差较小的问题，对器件光路可靠性存在较大挑战。

发明内容

本发明的目的在于提供一种硅光集成光模块及其制作方法，至少可以解决现有技术中的部分缺陷。

为实现上述目的，本发明实施例提供如下技术方案：一种硅光集成光模块，包括硅光芯片、光纤阵列组件以及用于提供光源的激光器组件，所述激光器组件、所述硅光芯片以及所述光纤阵列组件沿光路方向依次设置，在所述硅光芯片和所述光纤阵列组件之间的光路上还设有阵列硅透镜。

进一步，所述硅光芯片、所述激光器组件、所述阵列硅透镜以及所述光纤阵列组件均设在同一个垫块上。

进一步，所述垫块具有高低不同的多个台阶，所述硅光芯片、所述激光器组件以及所述光纤阵列组件均设在各所述台阶上。

进一步，还包括电路板，所述垫块嵌入所述电路板上开设的窗口内，所述垫块与所述电路板通过结构胶来定位与固定。

进一步，所述光纤阵列组件通过胶水固定在所述垫块上。

进一步，所述硅光芯片包括沿光路依次设置的输入波导和分光器，经由所述分光器分出的光束分别进入监控探测器和MZ调制器，所述MZ调制器输出的光束经过输出波导，通过阵列硅透镜进入到光纤阵列组件，传输到MPO光口。

进一步，所述分光器包括3dBm分光器和3:97比例分光器，3:97比例分光器分出的3％分光比例的光束进入所述监控探测器，97％分光比例的光束进入所述MZ调制器。

进一步，所述激光器组件包括沿光路方向依次设置的激光器芯片、准直透镜、会聚透镜以及阵列隔离器，经过所述阵列隔离器的光进入所述硅光芯片。

进一步，所述光纤阵列组件包括V槽、盖板和单模光纤组，所述单模光纤组由所述盖板压在所述V槽中，所述V槽和所述盖板的一端对其设置，且该端连接所述阵列硅透镜。

本发明实施例提供另一种技术方案：一种硅光集成光模块的制作方法，用于制作上述的硅光集成光模块，包括如下步骤：

S1，在垫块的不同高度的台阶上完成硅光芯片和激光器芯片、阵列隔离器的高精度贴装，

S2，键合完毕后给所述激光器组件加电，并监控所述硅光芯片3％分光比的探测器，调节所述激光器组件内透镜的位置，在所述探测器的光电流最大时，固定所述激光器组件中透镜的位置，

S3，再在所述垫块的台阶上完成阵列硅透镜的贴装，

S4，抓起所述光纤阵列组件，使其一端光纤接入光功率计，调节所述光纤阵列组件的位置，使所述光纤阵列组件的光纤与所述硅光芯片的输出波导对齐，并在所述光功率计的光功率值在最大时，记录下当前光纤阵列组件的坐标位置，

S5，将所述光纤阵列组件抬起，在所述光纤阵列组件下方的垫块处点胶，

S6，再根据S4步骤中记录的坐标位置将所述光纤阵列组件调回原位，

S7，加热固化胶水，完成光模块制作。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、使用阵列硅透镜可以提高硅光芯片与光纤阵列的耦合效率和插损容差范围，简化了耦合操作难度，同时拉大了硅光芯片端面与阵列硅透镜和光纤阵列的距离，为因工艺或硅光芯片封装过程需要返工提供了可能，提高了硅光器件的直通率和良品率，间接降低生产产品，易于大批量生产制造。

2、将光纤阵列组件设置在金属垫块上，在光纤阵列组件下方垫块区域点UV胶来实现光纤阵列组件与金属垫块的固定，与光纤阵列组件端面点光学匹配液方案相比，胶水的接触面积增大且胶水厚度可控，光纤阵列组件固化后的剪切力更强，提高了硅光器件的可靠性，简化的点胶方式及操作难度，降低了封装成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种硅光集成光模块的俯视视角示意图；

图2为本发明实施例提供的一种硅光集成光模块的仰视视角示意图；

图3为本发明实施例提供的一种硅光集成光模块的侧视视角示意图；

图4为本发明实施例提供的一种硅光集成光模块的立体示意图；

图5为本发明实施例提供的一种硅光集成光模块的硅光芯片、垫块、光纤阵列组件、激光器组件、阵列硅透镜的组装示意图；

图6为本发明实施例提供的一种硅光集成光模块的硅光芯片的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种硅光集成光模块的硅光芯片的光纤阵列组件的示意图(集成阵列硅透镜)；

附图标记中：10-电路板；101-窗口；20-垫块；30-硅光芯片；301-输入波导；302-3dBm分光器；303-3:97比例分光器；304-探测器；305-MZ调制器；306-输出波导；40-激光器组；401-激光器芯片；402-热沉；50-准直透镜；60-会聚透镜；70-阵列隔离器；80-光纤阵列组件；801-盖板；802-V槽；803-单模光纤组；804-玻璃片；90-阵列硅透镜。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1至图5，本发明实施例提供一种硅光集成光模块，包括硅光芯片30、光纤阵列组件80以及用于提供光源的激光器组件，所述激光器组件、所述硅光芯片30以及所述光纤阵列组件80沿光路方向依次设置，在所述硅光芯片30和所述光纤阵列组件80之间的光路上还设有阵列硅透镜90。在本实施例中，使用阵列硅透镜90可以提高硅光芯片30与光纤阵列的耦合效率和插损容差范围，简化了耦合操作难度，同时拉大了硅光芯片30端面与阵列硅透镜90和光纤阵列的距离，为因工艺或硅光芯片30封装过程需要返工提供了可能，提高了硅光器件的直通率和良品率，间接降低生产产品，易于大批量生产制造。其中的阵列硅透镜90可以是单独的部件，也可以是集成在光纤阵列组件80上的部件。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1至图5，所述硅光芯片30、所述激光器组件、所述阵列硅透镜90以及所述光纤阵列组件80均设在同一个垫块20上。所述垫块20具有高低不同的多个台阶，所述硅光芯片30、所述激光器组件以及所述光纤阵列组件80均设在各所述台阶上。在本实施例中，垫块20设置不同台阶高度，来满足激光器芯片40、准直透镜50、会聚透镜60、阵列隔离器70、硅光芯片30、阵列硅透镜90、光纤阵列组件80贴装在垫块20上，并保证光轴中心在同一水平面，且保持高精度位置关系，能够提高光路稳定性及可靠性，同时还需要保证硅光芯片30上表面与电路板10表面齐平或稍高约0～0.15mm，以缩短金丝键合长度，增强高频信号的传输性能。所述垫块20材质优先选择金属材料，比如钨铜合金，具有高导热性能和热膨胀系数与芯片差异小，既保证对激光器产生热量进行高效散热，增强硅光器件的散热性能，提高激光器的使用寿命，又可以避免高低温条件由于热应力导致光路跑位而掉光现象，提高光路稳定性和硅光器件可靠性。

作为本发明实施例的优化方案，本光模块还包括电路板10，所述垫块20嵌入所述电路板10上开设的窗口101内，所述垫块20与所述电路板10通过结构胶来定位与固定。在本实施例中，垫块20嵌入电路板10贯穿窗口101内，在垫块20四周设置槽边点结构胶与电路板10贴近固化，槽边点胶宽度优选0.1～0.15mm，并保证两者压紧和压平。将固化后的组装件，在电路板10背面与垫块20搭接面填充结构胶来补强，保证组装结合牢固度程度。

作为本发明实施例的优化方案，所述光纤阵列组件80通过胶水固定在所述垫块20上。在本实施例中，在光纤阵列组件80底部点UV胶固化，点胶面积和厚度均可控制，进一步提高光纤阵列组件80的剪切力，增强了硅光器件的可靠性。既可以避免无透镜方案，在光纤阵列组件80下方金属垫块20区域点胶过多，调节光纤阵列组件80带胶耦合的空间位置时，UV胶水沿着光纤阵列组件80往硅光芯片30输出光口移动时，往硅光芯片30输出光口方向堆积，造成光纤阵列组件80出光光功率下降，导致耦合插损损耗过大，满足不了性能要求的情况，无法返修直接报废。又可以避免在硅光芯片30与光纤阵列组件80端面点匹配液方案。固化后光纤阵列组件80、玻璃的盖板801和硅光芯片30成为一体，光纤阵列组件80的剪切力偏小，硅光器件可靠性存在风险，同时点匹配液操作复杂难度高，而且无法返修，一般直接报废。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图6，所述硅光芯片30包括沿光路依次设置的输入波导301和分光器，经由所述分光器分出的分光分别进入监控探测器304和MZ调制器305，所述MZ调制器305输出的光束经过输出波导306，通过阵列硅透镜90进入到光纤阵列组件，传输到MPO光口。所述分光器包括3dBm分光器302和3:97比例分光器303，3:97比例分光器303分出的3％分光比例的光束进入所述监控探测器304，97％分光比例的光束进入所述MZ调制器305。在本实施例中，光源进入硅光芯片30输入光口，再沿着波导进入3dBm分光器302将光束一分为二路光束，每一路光束再进入3:97比例分光器303，其中3％分光比例的光束进入监控探测器304内，通过监控探测器304的能量值，反馈激光器芯片401耦合到硅光芯片30输入波导链路的损耗(即耦合插损)，97％分光比例的光束进入MZ调制器，生产具有调制信号的光束，沿着波导传输到硅光芯片30输出光口组，同时形成稳定持续的发散光束，经过阵列硅透镜90阵列耦合会聚到光纤阵列组件80，传输到MPO型光接口，实现与外部光信号的互联。该过程为硅光芯片30耦合封装的光路传输路径。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1、图4和图5，所述激光器组件包括沿光路方向依次设置的激光器芯片401、准直透镜50、会聚透镜60以及阵列隔离器70，经过所述阵列隔离器70的光进入所述硅光芯片30。在本实施例中，外部电压源通过电路板10的金手指给光引擎供电，激光器芯片401传输的激光光束，经过准直透、会聚透镜60和隔离器之后输出的光进入硅光芯片30。所述激光器芯片401、准直透镜50、会聚透镜60以及阵列隔离器70均设置在同一垫块20不同台阶上。所述激光器组件发出光束输入硅光芯片30，通过阵列硅透镜进入光纤阵列组件，传输到MPO光口。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1、图4和图5，所述激光器组40包括激光器芯片401和热沉402。所述热沉402优先选择高导热系数材质的载体，同时也需要与激光器芯片材料的热膨胀系数差异小，如AlN陶瓷、硅热沉。所述激光器芯片401通过共晶贴片方式贴装在热沉402焊料区域上方，同时在热沉402上表面设置有激光器芯片的正电极和负电极的镀金层，与电路板窗口101设置的电源信号焊盘通过金丝键合，实现电源信号的互连，达到给激光器供电的作用。所述激光器芯片401的出光方向朝硅光芯片输入波导(光口)301方向，依次经过准直透镜50、会聚透镜60、阵列隔离器70，之后进入到硅光芯片30的输入光口301。

作为本发明实施例的优化方案，请参阅图1、图4、图5和图7，所述光纤阵列组件80包括V槽802、盖板801和单模光纤组803，所述单模光纤组803由所述盖板801压在所述V槽802中，所述V槽802和所述盖板801的一端对其设置，且该端连接所述阵列硅透镜90。在本实施例中，所述光纤阵列组件80，优先4芯或8芯单模光纤，每芯之间间距与硅光芯片输出波导组保持一致，优选0.127mm或0.25mm。其中光纤阵列组件端面需要研磨角度，即设玻璃片804的这一端，角度与硅光芯片输出波导(光口)组306的倾斜角度保持一致，优先6°～10°。所述光纤阵列组件80，包括V槽802、盖板801、多芯光纤803。其中盖板801朝下，V槽802朝上，V槽802长度比盖板801大2mm以上，间隙和尾部填充胶水，提高光纤阵列组件的可靠性。所述光纤阵列组件各芯光纤与硅光芯片输出波导(光口)组305一一对齐，借助于阵列硅透镜能够实现低的耦合损耗和扩大容差范围的目的。也拉大了光纤阵列组件和阵列硅透镜与硅光芯片端面的距离，为因工艺或其他原因返修光纤阵列组件提供可能，降低报废率，提高直通率和综合良率，节约了生产成本，简化的耦合操作难度，提高耦合封装的效率。

请参阅图1至图5，本发明实施例提供一种硅光集成光模块的制作方法，用于制作上述的硅光芯片30光模块，包括如下步骤：S1，在垫块20的不同高度的台阶上完成硅光芯片30和激光器芯片40、阵列隔离器70的高精度贴装，S2，键合完毕后给所述激光器组件加电，并监控所述硅光芯片30的3％分光比的探测器，调节所述激光器组件内透镜的位置，在所述探测器的光电流最大时，固定所述激光器组件中透镜的位置，S3，再在所述垫块20的台阶上完成阵列硅透镜90的贴装，S4，抓起所述光纤阵列组件80，使其一端光纤接入光功率计，调节所述光纤阵列组件80的位置，使所述光纤阵列组件80的光纤与所述硅光芯片30的输出波导对齐，并在所述光功率计的光功率值在最大时，记录下当前光纤阵列组件80的坐标位置，S5，将所述光纤阵列组件80抬起，在所述光纤阵列组件80下方的垫块20处点胶，S6，再根据S4步骤中记录的坐标位置将所述光纤阵列组件80调回原位，S7，加热固化胶水，完成光模块制作。在本实施例中，具体的步骤为：先使垫块20与PCBA板的组装，需要保证两者结合牢固程度，进而保证光路的稳定性和光组件的可靠性。然后通过高精度贴片机在垫块20不同位置完成硅光芯片30、激光器组40、阵列隔离器70等贴装，并保持高精度位置关系。接着通过自动键合机完成PCBA板与硅光芯片30和激光器组件的金丝键合。然后给激光器加载合适电流，监控硅光芯片30的3％分光比的探测器，调节准直透镜50、会聚透镜60空间位置，使监控的探测器光电流最大时，通过UV胶水先后预固化准透镜和会聚透镜60，再经过烤箱实现完全固化。接着通过高精度贴片机将阵列硅透镜90贴装在垫块20表面上，与硅光芯片30输出光口保持高精度位置关系。然后采用电动抓手固定光纤阵列组件80，将光纤阵列组件80另一端接到光功率中，调节光纤阵列组件80位置，使其多芯光纤与硅光芯片30输出波导对齐，借助外置激光发射器来调节空间位置，使发射的红光与硅光芯片30输出波导对齐，达到各通道光功率保持在合适范围，调节heated电压，使调制器插损最小，即各通道光功率最大值，保持heated电压不变，继续微调节光纤阵列组件80空间位置，使各通道光功率值到最大值(标准值)时，记录当时的坐标位置。接着将光纤阵列组件80往上抬高，在光纤阵列组件80下方的垫块20区域点上UV胶，并涂抹均匀。然后将光纤阵列组件80调回上述记录坐标位置，并微调光纤阵列组件80的位置至光功率到达最大值(合格值)，使用紫外灯进行预固化，最后放入烤箱实现完全固化。待完全固化后的硅光器件，复测各通道光功率是否达到要求，如达到要求留入下一步，未达到要求，需要返修光纤阵列组件80，重复上述光纤阵列组件80调整的操作(即采用电动抓手这一步)，直到满足要求。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种硅光集成光模块，包括硅光芯片、光纤阵列组件以及用于提供光源的激光器组件，其特征在于：所述激光器组件、所述硅光芯片以及所述光纤阵列组件沿光路方向依次设置，在所述硅光芯片和所述光纤阵列组件之间的光路上还设有阵列硅透镜。

2.如权利要求1所述的硅光集成光模块，其特征在于：所述硅光芯片、所述激光器组件、所述阵列硅透镜以及所述光纤阵列组件均设在同一个垫块上。

3.如权利要求2所述的硅光集成光模块，其特征在于：所述垫块具有高低不同的多个台阶，所述硅光芯片、所述激光器组件以及所述光纤阵列组件均设在各所述台阶上。

4.如权利要求2所述的硅光集成光模块，其特征在于：还包括电路板，所述垫块嵌入所述电路板上开设的窗口内，所述垫块与所述电路板通过结构胶来定位与固定。

5.如权利要求2所述的硅光集成光模块，其特征在于：所述光纤阵列组件通过胶水固定在所述垫块上。

6.如权利要求1所述的硅光集成光模块，其特征在于：所述硅光芯片包括沿光路依次设置的输入波导和分光器，经由所述分光器分出的光束分别进入监控探测器和MZ调制器，所述MZ调制器输出的光束经过输出波导，通过阵列硅透镜进入到光纤阵列组件，传输到MPO光口。

7.如权利要求6所述的硅光集成光模块，其特征在于：所述分光器包括3dBm分光器和3:97比例分光器，3:97比例分光器分出的3％分光比例的光束进入所述监控探测器，97％分光比例的光束进入所述MZ调制器。

8.如权利要求1所述的硅光集成光模块，其特征在于：所述激光器组件包括沿光路方向依次设置的激光器芯片、准直透镜、会聚透镜以及阵列隔离器，经过所述阵列隔离器的光进入所述硅光芯片。

9.如权利要求1所述的硅光集成光模块，其特征在于：所述光纤阵列组件包括V槽、盖板和单模光纤组，所述单模光纤组由所述盖板压在所述V槽中，所述V槽和所述盖板的一端对其设置，且该端连接所述阵列硅透镜。

10.一种硅光集成光模块的制作方法，其特征在于，用于制作如权利要求1-9任一所述的硅光集成光模块，包括如下步骤：

S1，在垫块的不同高度的台阶上完成硅光芯片和激光器芯片、阵列隔离器的高精度贴装，

S2，键合完毕后给所述激光器组件加电，并监控所述硅光芯片3％分光比的探测器，调节所述激光器组件内透镜的位置，在所述探测器的光电流最大时，固定所述激光器组件中透镜的位置，

S3，再在所述垫块的台阶上完成阵列硅透镜的贴装，

S4，抓起所述光纤阵列组件，使其一端光纤接入光功率计，调节所述光纤阵列组件的位置，使所述光纤阵列组件的光纤与所述硅光芯片的输出波导对齐，并在所述光功率计的光功率值在最大时，记录下当前光纤阵列组件的坐标位置，

S5，将所述光纤阵列组件抬起，在所述光纤阵列组件下方的垫块处点胶，

S6，再根据S4步骤中记录的坐标位置将所述光纤阵列组件调回原位，

S7，加热固化胶水，完成光模块制作。