CN117761846A - 一种提高对准耦合效率的硅光集成芯片及其对准耦合方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种提高对准耦合效率的硅光集成芯片结构及其对准耦合方法，在光纤阵列的第一和第二通道光传递路径上分别设置有第一分光器和第二分光器，第一和第二分光器进行光路连接；在进行光纤阵列耦合对准时，通过外部激光器由第一通道入光，入光经第一分光器分光的部分光进入第二分光器，进入第二分光器的分光进入第二通道并将分光传递到连接在光纤阵列尾端的外部探测器；在进行模块内激光器耦合对准时，模块内激光器发射的光经第三分光器分光后，分光经第一或第二分光器进入第一或第二通道并传递到连接在光纤阵列尾端的外部探测器；当外部探测器探测的光功率为最大值时，则光纤阵列或模块内激光器耦合对准。
Description
技术领域
本发明涉及光芯片设计技术领域，特别是涉及一种提高对准耦合效率的硅光集成芯片及其对准耦合方法。
背景技术
在现有的硅光集成芯片封装过程中，由于硅材料本身无法发光，因此硅光器件的封装，必须与一个或多个激光器芯片以及光纤阵列（FA）进行对准耦合。这是硅光器件封装的一个必要工艺，也是时间成本以及难度较高的工艺步骤之一。任何包含进出多通道的硅光集成芯片，在封装过程当中，必须与对应通道数的激光器芯片以及光纤阵列进行耦合固化，以增强组件结构的稳固性，确保耦合效率不变。比如在硅光DR4的光模块当中，一个硅光集成芯片必须与1到4个激光器进行耦合，以及与一个4通道的FA进行耦合，如图1所示。在这种耦合组件当中，可分为边缘耦合组件和表面光栅耦合组件。相比之下，边缘耦合的方式更为通用，因为其耦合性能对光波长以及偏振的不敏感，所以更能保证器件的整体良率。
在封装工艺中，为了确保耦合对准，必须对硅光芯片进行加电激活，并通过芯片上的监控探测器来判断是否对准。此方法虽然可行，但是为了激活探测器，必须在芯片的金属接触焊盘上进行加电。加电方法不外乎通过外部探针或者打线封装，此两种方法均会影响芯片的金属接触焊盘的后续光模块产品制作，因为焊盘必须重复使用。故，如果能够在不使用芯片的金属接触焊盘的情况下进行对准耦合，将会提升产品的封装良率。
发明内容
有鉴于此，本发明提出了一种提高对准耦合效率的硅光集成芯片及其对准耦合方法，其不需要在硅光芯片上加电，通过在芯片上的无源波导路径设计，来达到硅光芯片和激光器以及FA的高效率对准耦合。
为了达到目的，一方面，本发明提出一种提高对准耦合效率的硅光集成芯片结构，其特征在于：在光纤阵列的第一和第二通道光传递路径上分别设置有第一分光器和第二分光器，所述第一和第二分光器进行光路连接；在进行光纤阵列耦合对准时，通过外部激光器由所述第一通道入光，所述第一通道入光经所述第一分光器分光后的一部分光进入所述第二分光器，进入所述第二分光器的分光进入所述第二通道并传递到连接在光纤阵列尾端的外部探测器，当所述外部探测器探测到的光功率为最大值时，则可确定所述光纤阵列耦合对准；在进行模块内激光器耦合对准时，模块内激光器发射的光经设置在所述模块内激光器发射的光的光路上的第三分光器分光后，分光后的部分光经所述第一分光器或第二分光器进入与所述第一分光器或第二分光器对应的所述第一通道或第二通道并传递到连接在光纤阵列尾端的所述外部探测器，当所述外部探测器探测到的光功率为最大值时，则可确定所述模块内激光器耦合对准。
优选地，所述第一通道和所述第二通道可互换。
优选地，所述第一通道和第二通道可为光纤阵列中的任何两个通道。
优选地，所述第一和第二分光器的分光比例为50%。
优选地，所述模块内激光器发射的光的光路上还设置有第四分光器，所述第四分光器接收所述第三分光器另一部分的分光，所述第四分光器连接模块内探测器阵列，所述模块内探测器阵列通过对进入所述第四分光器的光的实时监控，以探测所述模块内激光器的入射光功率并据此对所述模块内激光器进行及时调整。
优选地，所述第四分光器设置在所述模块内激光器的分光进入所述光纤阵列耦合结构的路径上，或设置在所述模块内激光器的分光进入调制器阵列的路径上。
优选地，所述第三分光器和第四分光器的分光比例介于0.5-8%之间。
优选地，所述第一至第四分光器可适用于任何波段的光。
优选地，所述硅光芯片的材料可为氮化硅、磷化铟、砷化镓、氧化硅以及薄膜铌酸氯。
另一方面，本发明提出一种提高对准耦合效率的硅光集成芯片结构对准耦合方法，其特征在于：在进行光纤阵列耦合对准时，通过外部激光器由光纤阵列的第一通道入光，所述入光经设置在所述第一通道光路上的第一分光器分光的一部分光进入所述光纤阵列的第二通道上设置的第二分光器，进入所述第二分光器的所述一部分光进入所述第二通道并将光传递到连接在光纤阵列尾端的外部探测器，当所述外部探测器探测到的光功率为最大值时，则可确定所述光纤阵列耦合对准；在进行模块内激光器耦合对准时，模块内激光器发射的光经设置在所述模块内激光器发射的光的光路上的第三分光器分光后，分光后的部分光经所述第一分光器或第二分光器进入与所述第一分光器或第二分光器对应的所述第一通道或第二通道并传递到连接在光纤阵列尾端的所述外部探测器，当所述外部探测器探测到的光功率为最大值时，则可确定所述模块内激光器耦合对准。
本发明通过在硅光芯片上设计了独特的波导分光与回路结构，使光芯片在耦合封装的过程当中，能够不使用芯片上的监控探测器和金属焊盘完成高精度的耦合对准工艺步骤，耦合对准工艺步骤相对现有技术更加少且简单，同时也减少了模块制作打线返工的可能性。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
附图1为现有技术中硅光DR4发射端芯片封装结构构示意图；
附图2为本发明一实施方式的硅光集成芯片结构示意图；
附图3为本发明又一实施方式的硅光集成芯片结构示意图；
附图4为利用MMI分光器监控的实时耦合功率状态模场仿真结果；
附图5为附图4实施例监控FA耦合的实时状态下C波段波长的分光效率仿真结果；
附图6为激光器耦合回路利用MMI分光器监控的实时耦合功率状态模场仿真结果；
附图7为图6实施例的监控FA耦合的实时状态下C波段波长的分光效率仿真结果。
具体实施方式
为更进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效,以下结合附图及较佳实施例，对本发明的具体实施方式、结构、特征及其功效详细说明如后。在下述说明中，不同的“一实施例”或“实施例”指的不一定是同一实施例。此外，一或多个实施例中的特定特征、结构、或特点可由任何合适形式组合。
本文中术语“和/或”，仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，具体的理解为：可以同时包含有A与B，可以单独存在A，也可以单独存在B，能够具备上述三种任一种情况。
参考图1，现有技术的硅光DR4发射端芯片封装架构中，为了不在封装对准耦合时加电激活影响产品的良率，本发明的一个实施方式中，提出了一种新的提升对准耦合效率的结构，在光纤阵列的其中两个通道上设置有分光器。如图2和图3示出的实施方式中，可在通道5和6上设置有分光器5-1和6-1。在进行光纤阵列FA耦合的工艺步骤时，可以通过外部激光器（未示出）由通道5或6入光，然后由另一通道口接收光并（如果入光通道为5，接收光通道便是6）连接到外部探测器。外部探测器连接在耦合FA的尾端。
以从通道5入光为例，从通道5进入的光经分光器5-1分光后，一部分光经过通道6上的分光器6-1中进入通道6，该部分光光被位于FA末端的外部探测器（未示出）探测到；若该探测器探测测到的光功率为最大值，便可确定FA已经耦合对准。在本发明的优选实施方式中，FA耦合部分通道的分光器，如图2和图3中所示的通道5和6的分光器5-1和6-1均是50%的分光器，分光比例偏移可介于40-60%之间。
另一方面，在模块内的激光器耦合对准部分，激光器的入光可以通过分光器进行分光，如图2和3所示的实施例中，激光器进入的光通过分光器1-1和2-1将部分光传导至光纤阵列的通道5和6的分光器5-1和6-1，进入分光器5-1和6-1的光进入通道5和6并被连接到FA末端的外部探测器探测，该外部探测器若探测到光功率为最大值，便可确定模块内的激光器已经耦合对准。位于激光器入光通道的分光器1-1和2-1分光到本发明的耦合结构部分，即进入分光器5-1和6-1部分的比例可以介于0.5-8%之间，而分光器5-1和6-1的分光比例为50%。在本发明的优选实施方式中，分光器可以是多模耦合干涉器、定向耦合器或Y型分光器等。
在本发明的一个具体实施例中，通道5或6的分光器5-1和6-1使用多模耦合干涉器（MMI），图4为利用分光器监控的实时耦合功率状态模场仿真结果。图4中的MMI为1分2结构。图5为图4实施例的监控FA耦合的实时状态下C波段波长的分光效率，从图5中可以看出，分光器5-1的两个出口在C波段有大概50%的分光，也即有50%的分光进入通道6。在本发明的另一个具体实施例中，图6同样是通道5或6使用MMI，但是是从模块内激光器端发射的光，比如通道2，进入到通道5或6监控的实时耦合功率状态模场仿真结果。图7为图6实施例的监控FA耦合的实时状态下C波段波长的分光效率，结果显示由模块内激光器段发射光的有50%分光可进入通道5或6。
在本发明的其他实施方式中，分光不仅仅针对C波段的光，也适用于O波段或者其它波段的光。
在图2和图3的实施例中，在通道5或6上设置有分光器，实际上在本发明的其他实施方式中，可在光纤阵列对应的任何两个通道上设置分光器，并且可以达到图2和图3的实施例的效果。
在本发明的实施方式中，模块内探测器阵列9通过探测进入分光器的光来实时监控激光器的入射功率并可据此对对激光器进行调整。如图2和图3中分光器1-2和2-2，为了整体结构中器件布局的合理性并减少波导交叉，其可以设置在模块内激光器分光进入FA耦合结构的路径上（如图2），也可设置在模块内激光器分光进入调制器阵列的路径上（如图3所示）。分光器1-2和2-2的分光比例可以介于0.5-8%之间。在本发明的实施方式中，在上述的硅光集成芯片结构的基础上，提供了硅光集成芯片的对准耦合方法。
对于FA的对准耦合，可以通过外部激光器由通道5或6入光，然后另一通道口出光，在FA末端连接的外部探测器探测从通道6的出光，若探测到的光功率为最大值，便可确定FA已经耦合对准。
对于激光器耦合对准部分，从激光器发射的光进入分光器1-2和2-1分光，部分光经分光器5-1和6-1进入通道5和6，并被连接到FA末端的外部探测器探测，该外部探测器若探测到光功率为最大值，便可确定模块内的激光器已经耦合对准。
本发明的集成芯片结构及其对准耦合方法也可用于其它材料的光芯片，比如氮化硅、磷化铟、砷化镓、氧化硅以及薄膜铌酸氯。
尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种提高对准耦合效率的硅光集成芯片，其特征在于：在光纤阵列的第一和第二通道光传递路径上分别设置有第一分光器和第二分光器，所述第一和第二分光器进行光路连接；在进行光纤阵列耦合对准时，通过外部激光器由所述第一通道入光，所述第一通道入光经所述第一分光器分光后的一部分光进入所述第二分光器，进入所述第二分光器的分光进入所述第二通道并传递到连接在光纤阵列尾端的外部探测器，当所述外部探测器探测到的光功率为最大值时，则可确定所述光纤阵列耦合对准；在进行模块内激光器耦合对准时，模块内激光器发射的光经设置在所述模块内激光器发射的光的光路上的第三分光器分光后，分光后的部分光经所述第一分光器或第二分光器进入与所述第一分光器或第二分光器对应的所述第一通道或第二通道并传递到连接在光纤阵列尾端的所述外部探测器，当所述外部探测器探测到的光功率为最大值时，则可确定所述模块内激光器耦合对准。
2.根据权利要求1所述的一种提高对准耦合效率的硅光集成芯片，其特征在于：所述第一通道和所述第二通道可互换。
3.根据权利要求1所述的一种提高对准耦合效率的硅光集成芯片，其特征在于：所述第一通道和第二通道为光纤阵列中的任何两个通道。
4.根据权利要求1所述的一种提高对准耦合效率的硅光集成芯片，其特征在于：所述第一和第二分光器的分光比例为50%。
5.根据权利要求1所述的一种提高对准耦合效率的硅光集成芯片，其特征在于：所述模块内激光器发射的光的光路上还设置有第四分光器，所述第四分光器接收所述第三分光器另一部分的分光，所述第四分光器连接模块内探测器阵列，所述模块内探测器阵列通过对进入所述第四分光器的光的实时监控，以探测所述模块内激光器的入射光功率并据此对所述模块内激光器进行及时调整。
6.根据权利要求5所述的一种提高对准耦合效率的硅光集成芯片，其特征在于：所述第四分光器设置在所述模块内激光器的分光进入所述光纤阵列耦合结构的路径上，或设置在所述模块内激光器的分光进入调制器阵列的路径上。
7.根据权利要求5所述的一种提高对准耦合效率的硅光集成芯片，其特征在于：所述第三分光器和第四分光器的分光比例介于0.5-8%之间。
8.根据权利要求5所述的一种提高对准耦合效率的硅光集成芯片，其特征在于：所述第一至第四分光器可适用于任何波段的光。
9.根据权利要求1所述的一种提高对准耦合效率的硅光集成芯片，其特征在于：所述硅光集成芯片的材料为氮化硅、磷化铟、砷化镓、氧化硅或薄膜铌酸氯。
10.一种提高对准耦合效率的硅光集成芯片对准耦合方法，其特征在于：在进行光纤阵列耦合对准时，通过外部激光器由光纤阵列的第一通道入光，所述入光经设置在所述第一通道光路上的第一分光器分光的一部分光进入所述光纤阵列的第二通道上设置的第二分光器，进入所述第二分光器的所述一部分光进入所述第二通道并将光传递到连接在光纤阵列尾端的外部探测器，当所述外部探测器探测到的光功率为最大值时，则可确定所述光纤阵列耦合对准；在进行模块内激光器耦合对准时，模块内激光器发射的光经设置在所述模块内激光器发射的光的光路上的第三分光器分光后，分光后的部分光经所述第一分光器或第二分光器进入与所述第一分光器或第二分光器对应的所述第一通道或第二通道并传递到连接在光纤阵列尾端的所述外部探测器，当所述外部探测器探测到的光功率为最大值时，则可确定所述模块内激光器耦合对准。
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