一種基于激光器封裝的硅基光電子芯片的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于激光器封裝的硅基光電子芯片，包括TOSA（24）、SIP芯片（25），SIP芯片（25）上設置有硅波導（26）和凹槽（27），硅波導（26）設置于SIP芯片（25）與光纖纖芯（2）耦合的端面區域，TOSA（24）的輸出光纖（23）采用單模光纖，其長度為5~50mm，單模光纖（23）設置于凹槽（27）內，單模光纖（23）與硅波導（26）對準耦合；采用本發明技術方案大大簡化了操作過程，降低了制作成本和物料成本，本發明技術方案工藝成熟，成本低，為硅基光集成芯片提供一種適合大批量生產的激光器封裝方案。
【專利說明】一種基于激光器封裝的硅基光電子芯片
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種用于硅基光電子芯片，特別涉及一種激光器封裝的硅基光電子集成芯片，本發明屬于光子集成器件【技術領域】。
[0003]
【背景技術】
[0004]IC (集成電路)芯片一般由硅片制作，它可以對電子信號進行各種控制，實現很多功能，比如電子放大器，邏輯門電路，驅動(DRIVER)，數模轉化器，DSP (數字信號處理)器，CPU (中央處理器)等等。光子信號是光纖通信的信號載體，不同于電子信號，它不能在電線中傳輸，也無法用IC芯片進行處理。目前，人們開始用絕緣體上硅(SOI，silicon oninsulator )片來制作 光芯片,可以集成多種光子功能器件,實現對光子信號的濾波,分束，放大，調制等多種功能。由于IC和光芯片都可以在SOI片上制作，一些研究機構和公司開始研究將IC功能和光芯片功能同時做在一塊SOI片上，實現所謂硅基光電子芯片(簡稱SIP芯片，SILICON PHOTONICS的縮寫)，該芯片既能處理電子信號，又能同時處理光信號，實現了光電功能器件的體積小，功耗低，成本低的目的。但是和IC芯片比較起來，光芯片的制作工藝和信號的輸入輸出方式有很大的不同。
[0005]基于II1- V族材料(如InP、GaAs等)的激光器已經大批量生產，其封裝器件如TOSA等作為成熟光源已經大量應用于光通信等光電領域。同時SIP芯片中用于傳輸光信號的SOI波導尺寸越來越小，甚至縮小到亞微米尺度，波導尺寸與II1- V族激光器或其封裝器件輸出光斑失配嚴重，因此，SIP芯片的光信號輸入是一個亟待解決的難題。
[0006]光電子器件應用中，邊發射半導體激光器作為光源通常會封裝成光發射組件(T0SA Transmitter Optical Subassembly)。SIP 芯片由 SOI 片制作，如圖 3 所不，SOI 片包括頂硅層4、限制層5和襯底層6，限制層5在襯底層6上，頂硅層4在限制層5上，保護作用的覆蓋層7在頂硅層4上，硅波導8在頂硅層4上，其中硅波導橫截面為亞微米尺寸。TOSA中發出的光由于發散角過大,光斑尺寸大,不能直接與SIP芯片中亞微米娃波導f禹合。TOSA作為光源發出的光需要通過光纖與SIP芯片中硅波導耦合，圖2所示為單模光纖截面示意圖，包括光纖包層I和光纖纖芯2，光纖纖芯2直徑為8~10微米。光纖出來的光發散角遠小于邊發射激光器直接發出的光，而硅波導通過模斑轉換波導結構可以使硅波導耦合端面模場直徑擴大到與光纖纖芯尺寸相當，因此光纖與娃波導可以比較好的I禹合。由于TOSA中邊發射半導體激光器發出的是單偏振光，而SIP芯片中功能結構(如調制器)也需要單偏振光輸入才能正常工作，所以為了保持偏振態，需采用保偏光纖，圖1所示為熊貓保偏光纖截面示意圖，包括光纖包層1、光纖纖芯2和光纖應力區3。當光信號在單模光纖中傳輸時，實際制作光纖的任何非對稱因素以及外在應力的加載都將在光纖中引入雙折射效應而導致光的畸變，輸出光的偏振狀態是不穩定的。當光信號在保偏光纖中傳輸時，保偏光纖中在纖芯兩邊引入應力區產生高雙折射效應來對抗外在應力變化的干擾，輸出光的偏振狀態是穩定的。
[0007]SIP芯片在SOI片上制作，光信號從芯片外部通過芯片上的硅波導結構進入芯片內部。光信號一般由半導體激光器發出，如VCSEL，FP, DFB等，由三五族材料制作。DFB等邊發射半導體激光器發出的光是單偏振，屬于TE模。SIP芯片上的硅波導功能結構，如MZI調制器等，一般工作在單偏振狀態。因此，SIP芯片一般是由邊發射激光器實現光信號輸入。
[0008]半導體激光器中發出的光耦合進入SIP芯片一般有兩種方式:直接耦合和間接耦合。直接耦合方式將II1-V發光材料鍵合到SOI上，或者將DFB芯片直接貼裝到SIP芯片的波導端面，之間不通過任何光纖，但是直接將II1-V發光材料鍵合到SOI上或DFB芯片貼裝到SIP芯片的端面，技術難度大，耦合容差小，器件的長期可靠性難以保證。間接耦合方式可以將激光器芯片封裝成器件，通過光纖間接耦合進入SIP芯片。普通光纖并不能保持輸出光的偏振模式，所以，要想使光信號從半導體激光器進入SIP芯片而能正常工作，可以在SIP芯片上采用光柵耦合結構保證單模耦合，但一般光柵耦合器與光纖的垂直耦合封裝較困難，光譜較窄，耦合效率較低。或者連接激光器和SIP芯片采用的光纖為偏振保持光纖，即保偏光纖。保偏光纖一般是所謂熊貓眼光纖，在使用時需要認真對準熊貓眼，為保證一定的消光比，一定要將熊貓眼對的很準，比如角度偏離可能需要小于3度，導致操作難度大，成品率不能保證，成本高。
[0009]
【發明內容】
[0010]本發明的目的在于克服現有技術存在的缺陷，本發明提出一種基于激光器封裝的硅基光電子芯片，包括帶尾纖TOSA與SIP芯片，采用常規的單模光纖與SIP芯片中硅波導耦合。
[0011]本發明采用的技術方案是:
一種基于激光器封裝的硅基光電子芯片，包括TOSA、SIP芯片，SIP芯片上設置有硅波導和凹槽，硅波導設置于SIP芯片與光纖纖芯耦合的端面區域，TOSA的輸出光纖采用單模光纖，其長度為5~50mm，單模光纖設置于凹槽內，單模光纖與硅波導對準耦合。
[0012]所述單模光纖的長度為5~20mm。
[0013]所述硅波導采用模斑轉換結構。
[0014]所述單模光纖與硅波導的耦合間距為10-30微米，該耦合間距中設置有折射率匹配液。
[0015]所述凹槽內設置有固定單模光纖的固化膠。
[0016]所述模斑轉換結構是倒錐結構或者正錐結構。
[0017]所述凹槽上設置有對準標記。
[0018]所述凹槽是V型槽。
[0019]本發明具有以下優點和積極效果:
本發明這種硅基光電子芯片采用很短單模光纖的帶尾纖TOSA與SIP芯片中硅波導耦合封裝，利用現有激光 器封裝形式和單模光纖，采用常規的單模光纖替代保偏光纖，在連接激光器和SIP芯片時，不需要保證光纖的軸向角度對準的問題，大大簡化了操作過程，降低了制作成本和物料成本。本發明技術方案工藝成熟，成本低，為硅基光集成芯片提供一種適合大批量生產的激光器封裝方案。
[0020]
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是現有技術熊貓保偏光纖截面示意圖；
圖2是現有技術單模光纖截面示意圖；
圖3是現有技術SIP芯片中硅波導截面示意圖；
圖4是現有技術保偏光纖的偏振狀態隨軸向距離的示意圖；
圖5是現有技術長距離單模光纖的偏振狀態隨軸向的變化示意圖；
圖6是本發明短距離單模光纖的偏振狀態隨軸向的變化示意圖；
圖7是本發明帶短單模光纖尾纖的TOSA與SIP芯片連接的示意圖； 圖8是本發明單模光纖與硅波導連接的示意圖；
其中:
1:光纖包層；2:光纖纖芯；
3:光纖應力區；4:頂硅層；
5:限制層；6:襯底層；
7:覆蓋層；8:硅波導；
9:熊貓保偏光纖；
10:邊發射激光器發出的線偏振光；
I1:光纖軸向上以原偏振模式傳輸；
12:光纖軸向上以垂直于原偏振模式傳輸；
13:保偏光纖輸出光基本保持原偏振態；
14:長單模光纖輸出光隨機偏振態；
15:短單模光纖輸出光基本保持原偏振態；
16:單模光纖；
17:T0 ；18:支架；
19:隔離器；20:外套；
21:管殼；22:帶涂覆層尾纖；
23:光纖；24: TOSA ；
25=SIP芯片；26:娃波導；
27:凹槽；28:折射率匹配液；
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖和具體實例對本發明做進一步的說明。
[0023]如圖7所示，帶尾纖的TOSA 24作為光源與SIP芯片25耦合。帶尾纖的TOSA 24結構包括TO 17、支架18、隔離器19、外套20、管殼21、帶涂覆層尾纖22、光纖23。Τ017中的激光器為邊發射激光器，如DFB等構形。帶尾纖的TOSA 24可以為現有成熟的激光器封裝形式，也可以更改尺寸適用于SFP等模塊形式。TOSA 24輸出光纖23采用單模光纖，其長度為5~20mm。
[0024]SIP芯片25采用CMOS工藝在SOI頂硅層表面制作光子功能結構和微電子集成電路，光子功能結構為硅基光波導器件，可包括波導，調制器，濾波器，復用器，探測器等，微電子集成電路可包括電子放大器，邏輯門電路，驅動電路，數字信號處理器等。SIP芯片25可實現除光源外所用光電子器件的集成。如圖8所示，SIP芯片25與光纖耦合部分包括有硅波導26和凹槽27,娃波導26設置于SIP芯片25稱合端面區域與光纖纖芯2稱合,娃波導
26采用模斑轉換結構在耦合端面形成與單模光纖纖芯尺寸大小相當的模斑尺寸，以便更好地實現單模光纖與硅波導26的耦合。模斑轉換結構是一種將波導中亞微米的模斑尺寸變大到光纖纖芯尺寸大小相當。這個結構是現有技術存在的，包括有倒錐結構、正錐結構等。SIP芯片25上通過刻蝕或腐蝕得到用于對準和支撐的凹槽27，凹槽27設置硅波導26的一偵牝光纖23放在凹槽27上與硅波導26端面耦合，凹槽27上設置對準標記，或者凹槽27采用V型槽，但不限于V型槽的其它定位裝置結構，這些結構的定位裝置或者對準標記用于光纖23與硅波導26的無源或有源對準耦合。[0025]本發明實現的技術原理具體如下:當邊發射激光器發出的光進入單模光纖并進行傳輸時，光的偏振狀態隨著傳輸距離而隨機變化:當單模傳輸光纖的距離很長時，如數米，輸出光的偏振狀態不穩定，如圖5所不,邊發射激光器發出的線偏振光10,在單纖光纖16中將隨機在光纖軸向上以原偏振模式傳輸11和光纖軸上以垂直于原偏振模式傳輸12,長單模光纖輸出光為隨機偏振態14。圖4顯不的熊貓保偏光纖由于光纖應力區3的存在,保偏光纖輸出光基本保持原偏振態13。當單模光纖的長度很短時，從激光器發出的單偏振光在很短的單模光纖里傳輸時，如數十毫米，其偏振狀態基本保持不變，如圖6所示，短單模光纖輸出光基本保持原偏振態15。其實，光在光纖中傳輸時，由于光纖在制造過程中的工藝，使用過程中的外部應力和彎曲等原因，導致光纖本身的不完美和不均勻應力的存在，如折射率分布不均勻，局部應力的存在，本來圓形的芯可能局部存在橢圓的情況等。這些內外原因，導致沿光纖軸線方向的雙折射現象，使得光的偏振狀態不穩定。如果單模光纖的距離很短，且又不彎曲，保持直線，那么外部應力影響很小，光纖軸線向雙折射效應大大減弱，可以保持光的偏振狀態穩定。
[0026]本發明提供一種硅基光電子芯片，采用帶尾纖的T0SA，尾纖為很短的單模光纖，單模光纖與SIP芯片中硅波導耦合，本發明硅基光集成芯片具有性能良好，操作方便的激光器封裝結構。
[0027]半導體激光器發出的光通過TOSA尾纖與硅波導26耦合進入SIP芯片25，本發明TOSA尾纖采用單模光纖在長度5~50mm時可以保持偏振態，其中采用長度為5~20mm時，效果較好。單模光纖長度小，由于光纖自身非對稱引起的應力累積小，輸出光保持比較穩定的偏振狀態。
[0028]光纖23設置于SIP芯片25的凹槽27內，光纖23與硅波導26對準耦合，凹槽27對光纖23支撐,光纖不彎曲,保持直線,外部應力影響小。單模光纖23與娃波導26端面端面約10-30微米間距，加入折射率匹配液28，以利于耦合。在SIP芯片上的凹槽27內加固化膠，進行光纖和硅波導耦合的固定封裝。
[0029]如圖6所示，采用本發明技術方案后，短距離單模光纖的輸出偏振狀態基本保持不變，耦合進入SIP芯片滿足其對偏振的需求。[0030]以上所說實施例僅是為充分說明本發明而所舉的較佳的實施例，本發明的保護范圍不限于此。本【技術領域】的技術人員在本發明基礎上所作的等同替代或變換，均在本發明保護范圍之內。本發明的保護范圍以權利要求書為準。
【權利要求】
1.一種基于激光器封裝的娃基光電子芯片，其特征在于:包括TOSA (24)、SIP芯片(25), SIP芯片(25)上設置有硅波導(26)和凹槽(27)，硅波導(26)設置于SIP芯片(25)與光纖纖芯(2)稱合的端面區域,TOSA (24)的輸出光纖(23)米用單模光纖,其長度為5~50mm,單模光纖(23)設置于凹槽(27)內，單模光纖(23)與娃波導(26)對準f禹合。
2.根據權利要求1所述的一種基于激光器封裝的娃基光電子芯片，其特征在于:所述單模光纖(23)的長度為5~20mm。
3.根據權利要求1所述的一種基于激光器封裝的娃基光電子芯片，其特征在于:所述硅波導(26)采用模斑轉換結構。
4.根據權利要求1或2或3所述的一種基于激光器封裝的娃基光電子芯片,其特征在于:所述單模光纖(23)與硅波導(26)的耦合間距為10-30微米，該耦合間距中設置有折射率匹配液(28)。
5.根據權利要求1或2或3所述的一種基于激光器封裝的娃基光電子芯片,其特征在于:所述凹槽(27)內設置有固定單模光纖(23)的固化膠。
6.根據權利要求3所述的一種基于激光器封裝的娃基光電子芯片,其特征在于:所述模斑轉換結構是倒錐結構或者正錐結構。
7.根據權利要求1或2或3所述的一種基于激光器封裝的娃基光電子芯片,其特征在于:所述凹槽(27)上設置有對準標記。
8.根據權利要求1或 2或3所述的一種基于激光器封裝的娃基光電子芯片,其特征在于:所述凹槽(27)是V型槽。
【文檔編號】H01S5/026GK103944060SQ201410197515
【公開日】2014年7月23日 申請日期:2014年5月12日 優先權日:2014年5月12日
【發明者】馬衛東, 熊康, 宋瓊輝 申請人:武漢光迅科技股份有限公司