CN1878035B - 混和集成硅基光电信号处理芯片 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混和集成硅基光电信号处理芯片，包括绝缘体硅片、光波导出/入端口、用于光传输载体的光波导、分/合光器、半导体激光器和接收器；所述分/合光器、激光器和接收器以被动校准表面置放的方式集成组装在绝缘体硅基芯片平面上，光波导出/入端口经光波导与分/合光器的复合端耦合连接，两个不同波长的光信号通过光波导和同一个出入端口传输，分/合光器的分离端连接两个分叉光波导，其中一个分叉光波导耦合连接到激光器，传输激光器产生的输出波长光，其中一个分叉光波导耦合连接到接收器，传输输入波长光信号。本发明制作成本低、制作简单、可大规模生产。

Description

混和集成硅基光电信号处理芯片

技术领域

本发明涉及一种光电子器件，尤其是涉及一种混和集成硅基光电信号处理芯片。

背景技术

一个集成的光网络用光纤把声音、图像和数字信号传递给用户，目前应用趋势看好的被动光学网络(PON)可以同时传输声音、图像和数据信号，也就是现在人们常说的三网合一(Triple Play Service)。被动的光学分线器或合线器可以让多光学网络终端来共享同一光纤线路，每一个光学网络终端位于居民或商业用户端，对于一种典型的光纤到户(FTTP)应用，三网合一(Triple Play)信号服务是以三个光波长在网络上进行传输：即1550nm的下行图像信号，1490nm的下行数字声音和数字信号，和1310nm的上行数字化声音和数字信号。

一般来讲，一个被动光学网络(或PON)包括界面接口，常称为光学线终端(OLT)，它位于电信公司或企业的中心办公室.而在用户端用一个光学网络终端(ONT)来分离这些波长的信号.依赖于信号的种类，一个单纤三向器件或单纤双向器件用在光学网络终端来完成信号的分离，单纤三向器件或单纤双向器件实际上是处理不同波长光信号的中心处理器。单纤双向器件的构造一般来讲类似于单纤三向器件，主要区别是它不包括一个模拟信号接受器及相应的光学部分来处理模拟图像信号，单纤双向器件也消除了相应于FTTH系统中CATV输出的模拟电路部分的电路部分。

现有常用的单纤双向光电信号处理器件由无源分波/合波虑光片、激光器、探测器和一个经过精密机械加工的金属壳体组装而成，其缺点是：

1)由于器件对无源分波/合波虑光片、激光器、探测器以及器件封装壳体的指标要求很高，比如隔离度，PDL等技术指标要求相当的高，使组装的工艺要求也变得非常高，导致价格比较昂贵。

2)无源分波/合波虑光片、激光器、探测器集成在一起后，由于上行和下行信号会产生串扰，这些串扰对器件的最终性能也会带来严重的影响。

3)激光器和探测器要同时和一根光纤进行耦合，器件之间会互相干涉，导致指标和成品率降低。

发明内容

为了克服以上技术之不足，本发明的目的在于提供一种制作成本低、制作简单、可大规模生产的混和集成硅基光电信号处理芯片。

上述目的可通过以下的技术措施来实现：一种混和集成的硅基光电信号处理芯片，其特征在于包括：

用于作为芯片基体的绝缘体硅片，

用于外接网络传输光纤的芯片光波导出/入端口，

在硅片上刻蚀形成且用于光传输载体的光波导，

用于分/合不同波长光信号的分/合光器，

用于产生输出波长光的半导体激光器，

用于接收输入波长光信号的接收器；

所述分/合光器、激光器和接收器以被动校准表面置放的方式集成组装在绝缘体硅基芯片平面上，光波导出/入端口经光波导与分/合光器的复合端耦合连接，两个不同波长的光信号通过光波导和同一个出入端口传输，分/合光器的分离端连接两个分叉光波导，其中一个分叉光波导耦合连接到激光器，传输激光器产生的输出波长光，另外一个分叉光波导耦合连接到接收器，传输输入波长光信号。

所述半导体激光器集成组装在硅基芯片平面上的与其耦合连接的光波导上，在该集成组装处设有沿特定的晶向进行湿法刻蚀而形成的内凹腔体，内凹腔体内的前部底面为刻蚀形成的内陷V-型槽，半导体激光器固定置于内凹腔体中，内陷V-型槽上固定微球透镜，激光器的输出光经微球透镜耦合到光波导。

所述凹腔体的内表面及耦合处的波导表面设有绝缘保护层，保护层不仅起到绝缘保护的作用，还可以在波导的侧面达到抗反膜的作用，以便减少传输光向波导耦合时的反射损失。

所述凹腔体内的后端面为半V-形斜面，斜面上设有反射膜，斜面上方设有用于监测激光器功率的光电二极管，光电二极管固定于硅基芯片上，激光器后端的透射光经斜面的反射膜反射到功率监测光电二极管。

所述接收器集成组装在硅基芯片平面上的与其耦合连接的光波导上，在该集成组装处设有沿特定的晶向进行湿法刻蚀而形成的V-形凹腔，V-形凹腔的在波导入射处为垂直端面，在V-形凹腔的斜面及入射处的波导表面设有绝缘保护层，在斜面的绝缘保护层表面设有反射膜；接收器固定在V-形凹腔的正上方，从波导入射的光波经V-形凹腔的斜面反射到光电二极管接收器。

所述光电二极管接收器的接收口表面设有薄膜滤光片，将杂散光和其它波长的光滤掉，进而提高光波输入信号的纯净度。

在所述激光器、接收器和硅基芯片上各自设有对应的用于放置定位的校准标记，来保证前两者在硅基波导芯片上的准确定位。另外，微球透镜的水平和垂直位置也可以由V-形凹腔的位置和大小来决定，因此，激光器，探测器，和微球透镜都可以通过被动校准的方式高精度地平面地置放到硅基波导芯片，从而可以实现光电集成芯片的简单，高精度，低成本，大规模生产。

所述波导为对绝缘体硅片上层进行刻蚀形成的桥式波导；所述波导的宽度由要将传输的光的波长和单模条件来决定。

所述刻蚀形成的波导与下层硅片之间设有绝缘氧化层，绝缘氧化层的作用是隔离了光从光波导向下层硅片的损失，从而保证了光在波导硅层的传输。

由于本发明所组成的各个部件及整体都可以以平面半导体电子芯片的现有生产工艺来进行大规模生产，因此，具有全自动化、产量高、成本低、成品率高、制作工艺简单、元件集成度高、适合大规模生产；另外光信号耦合效率高，抗串扰，精度高。

附图说明

图1为本发明的硅基平面波导芯片的基片结构示意图。

图2为本发明的结构原理示意图。

图3为本发明激光器在硅基平面波导芯片上集成组装处的凹腔示意图。

图4为本发明激光器在硅基平面波导芯片上的集成组装示意图。

图5为本发明接收器在硅基平面波导芯片上的集成组装处的凹腔示意图。

图6为本发明接收器在硅基平面波导芯片上的集成组装示意图。

具体实施方式

如图1所示实施例中，本发明所选用的材料为绝缘体硅片(SOI或Silicon OnIsolator)，通过刻蚀在硅片1上形成波导2来作为光的传输载体，这一选择的优点是它允许最终光电一体集成的实现。通过对绝缘体硅片1上层进行刻蚀而形成桥式(Ridge)波导2，桥式波导的宽度由要将传输的光的波长和单模条件来决定。在刻蚀形成的波导2与下层硅片1a之间为绝缘氧化层3，绝缘氧化层3的作用是隔离了光从光波导向下层硅片的损失，从而保证了光在波导硅层的传输，而由刻蚀所形成的桥式波导则定义了光在平面芯片中的走向。

如图2所示本发明的结构原理示意图，硅基光电信号处理芯片上的光波导出/入端口4用于连接外界网络的单模光纤，光波导出/入端口4经光波导与分/合光器5的复合端耦合连接，两个不同波长的光信号通过光波导2a和同一个光波导出/入端口4传输，来实现1310nm输出光信号的上传和1490nm输入光信号的下行。分/合光器5的分离端连接两个分叉的上行波导2b和下行波导2c，分/合光器将两个不同波长的光信号1310nm和1490nm，分开到上行波导2b和下行波导2b，激光器6发出的1310nm光经上行波导2b上传，同时1490nm的光信号分离经下行波导2c下传到光电二极管接收器7。分/合光器5可以通过很多方式来实现，如MZI、光栅辅助藕合器等等，其中一个简单的方法就是利用一个波导耦合器，由于绝缘硅晶片的高质量和高均匀性，将保证一个高产益的波导制作工艺过程。

如图3a、图3所示，半导体激光器6集成组装在与其耦合连接的硅基芯片平面波导上。单晶硅片的一个特点是，沿特定的晶向对它进行湿法刻蚀时，刻蚀部分会形成一个特定角度的V-型槽，角度为54.7度。利用V-型槽的特点，在该集成组装处沿特定的晶向进行湿法刻蚀而形成内凹腔体8，凹腔体内的前部底面为刻蚀形成的内陷V-型槽8a，后端面为半V-形斜面8b，凹腔体的内表面及耦合处的波导表面有绝缘保护层9，通过材料的选择和厚度的控制，这一保护层9还可以在波导的侧面达到抗反膜的作用，以便减少传输光向波导耦合时的反射损失。腔体8深度由波导和激光器之间的最佳耦合设计要求来决定。半导体激光器6固定置于内凹腔体8中，内陷V-型槽8a上固定微球透镜10，激光器6的输出光经微球透镜10耦合到上行平面波导2b。凹腔体8内的后端面为半V-形斜面8b上还涂覆有金属反射膜11，斜面上方水平放置一个用于监测激光器功率的光电二极管12，光电二极管12固定于硅基芯片1上。

微球透镜通过一简单的丢入(drop-in)工艺过程放在波导和激光器之间的内陷V-型槽来增加它们之间的耦合效率，并增加激光器置放工艺的容忍度，透镜可通过胶粘来固定在内陷V-型槽上，微球透镜的水平和垂直位置也可以由V-形凹腔的位置和大小来决定，微球透镜都可以通过被动校准的方式高精度地平面地置放到硅基波导芯片。激光器的置放可以通过共金或胶粘等工艺过程放到硅基片上来，它的出光面面对波导一侧，在激光器和硅基波导芯片上各自设有对应的用于放置定位的校准标记，来保证激光器在硅基波导芯片上的准确定位，这样激光器可以通过被动校准的方式高精度地平面地置放到硅基波导芯片。由于波导的端面位置，微球透镜及激光器的放置位置都由半导体工艺过程来决定，因此整个过程有很高的精度，保证了高耦合效率。半导体激光器后端面透射出的部分光通过半V-形斜面反射到上方水平放置的光电二极管上，二极管所产生的光电转换电流被用来监测激光器的功率输出。

如图4、图5所示，光电二极管接收器7集成组装在与其耦合连接的硅基芯片平面波导上，光电二极管接收器7进行1490nm下行信号的收集和光电转换。在该集成组装处沿特定的晶向进行湿法刻蚀形成一个V-形凹腔13，V-形凹腔13的在波导入射处为垂直端面13a，在V-形凹腔的斜面及入射处的波导表面有绝缘保护层14，绝缘体保护层14在波导的端面起到抗反膜的作用来减小光从波导端面向后边的腔体出射时的损耗。在斜面的绝缘保护层14表面再涂覆金属反射膜15；光电二极管接收器7固定在V-形凹腔13的正上方，接收器和硅基波导芯片上各自设有对应的用于放置定位的校准标记，来保证接收器在硅基波导芯片上的准确定位，这样接收器可以通过被动校准的方式高精度地平面地置放到硅基波导芯片。光电二极管接收器7的接收口表面有薄膜滤光片16，薄膜滤光片16只透过1490nm的信号光，可将杂散光和其它波长的光滤掉，进而提高光波输入信号的纯净度。V-形凹腔13将从下行波导2b入射来的1490nm的信号光向上反射，通过薄膜滤光器而送到二极管接收器。由于波导端面的位置，V-形腔的位置和形状、薄膜滤光器和二极管位置均由半导体的高精密光刻过程来定义，因此保证了光学校准的精确性。

由于本发明采用平面集成几何工艺流程，进而保证了非硅片，即激光器和接收器，以从上到下的方式组装安放到硅基平面波导芯片上，并且按照由半导体工艺技术定义的被动校准机制来定位，因此，保证了一个简单高效率和低成本的工艺过程。

上述来自光电接收二极管的光电转换的电信号和向激光器输入的电信号可以通过信号联线的方式连接到外部电路上或印刷电路板(PCB)上。

Claims (8)

1.一种混和集成硅基光电信号处理芯片，其特征在于包括：

用于作为芯片基体的绝缘体硅片，

用于外接网络传输光纤的芯片光波导出/入端口，

在硅片上刻蚀形成且用于光传输载体的光波导，

用于分/合不同波长光信号的分/合光器，

用于产生输出波长光的半导体激光器，

用于接收输入波长光信号的光电二极管接收器；

所述分/合光器、激光器和接收器以被动校准表面置放的方式集成组装在绝缘体硅基芯片平面上，光波导出/入端口经光波导与分/合光器的复合端耦合连接，两个不同波长的光信号通过光波导和同一个出入端口传输，分/合光器的分离端连接两个分叉光波导，其中一个分叉光波导耦合连接到激光器，传输激光器产生的输出波长光，另外一个分叉光波导耦合连接到接收器，传输输入波长光信号；

所述半导体激光器集成组装在硅基芯片平面上的与其耦合连接的光波导上，在该集成组装处设有沿特定的晶向进行湿法刻蚀而形成的内凹腔体，内凹腔体内的前部底面为刻蚀形成的内陷V-型槽，半导体激光器固定置于内凹腔体中，内陷V-型槽上固定微球透镜，激光器的输出光经微球透镜耦合到光波导。

2.根据权利要求1所述的混和集成硅基光电信号处理芯片，其特征在于：

所述凹腔体的内表面及耦合处的波导表面设有绝缘保护层。

3.根据权利要求1或2所述的混和集成硅基光电信号处理芯片，其特征在于：所述凹腔体内的后端面为半V-形斜面，斜面上设有反射膜，斜面上方设有用于监测激光器功率的光电二极管，光电二极管固定于硅基芯片上，激光器后端的透射光经斜面的反射膜反射到功率监测光电二极管。

4.根据权利要求1所述的混和集成硅基光电信号处理芯片，其特征在于：所述接收器集成组装在硅基芯片平面上的与其耦合连接的光波导上，在该集成组装处设有沿特定的晶向进行湿法刻蚀而形成的V-形凹腔，V-形凹腔的在波导入射处为垂直端面，在V-形凹腔的斜面及入射处的波导表面设有绝缘保护层，在斜面的绝缘保护层表面设有反射膜；接收器固定在V-形凹腔的正上方，从波导入射的光波经V-形凹腔的斜面反射到光电二极管接收器。

5.根据权利要求1或4所述的混和集成硅基光电信号处理芯片，其特征在于：所述光电二极管接收器的接收口表面设有薄膜滤光片，将杂散光和其它波长的光滤掉，进而提高光波输入信号的纯净度。

6.根据权利要求1或4所述的混和集成硅基光电信号处理芯片，其特征在于：在所述激光器、接收器和硅基芯片上各自设有对应的用于放置定位的校准标记。

7.根据权利要求1所述的混和集成硅基光电信号处理芯片，其特征在于：所述波导为对绝缘体硅片上层进行刻蚀形成的桥式波导；所述波导的宽度由要将传输的光的波长和单模条件来决定。

8.根据权利要求1或7所述的混和集成硅基光电信号处理芯片，其特征在于：所述刻蚀形成的波导与下层硅片之间设有绝缘氧化层。

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