專利名稱：硅光子集成多波長單端口發射和接收光器件的制作方法
技術領域：
硅光子集成多波長單端口發射和接收光器件技術領域[0001]本實用新型涉及光通信器件、光子集成和光網絡，基于高集成度的硅光子集成技術，實現高速、集成化、低功耗的硅光子集成多波長單端口發射和接收光器件。
技術背景[0002]由于來自云計算、移動互聯網視頻、數據中心、高清電視、視頻點播和移動寬帶業務等的快速發展，如何滿足持續增長的業務流量成為了近年來網絡發展的主流方向，直接導致了全球光網絡行業向著大容量、高度集成化和低功耗的方向發展。為了應對大容量網絡的帶寬要求，高速率的傳輸技術成為解決問題的重點，其中包括目前熱門的通過波分復用實現的40G (4X10G)和100G (10X10G或4X25G)等技術采用多個粗波分(CWDM)波長通道或多個密集波分(DWDM)波長通道，每個通道承載不同信息，然后復用這些具有不同波長的光信號在同一根光纖上傳輸，實現大容量的信息傳輸，例如NXlOG (其中IOG作為基本傳輸速率)。因此，如何實現多波長單端口發射(例如NX10G)和接收(例如NX10G)的光器件是目前業界遇到的主要技術問題。[0003]光子集成技術，類似于當前成熟的大規模集成電路技術，其優點是低成本、小尺寸、低功耗、靈活擴展和高可靠性等。目前硅光子集成技術被業界認為是最有前景的光子集成技術，米用娃光子集成技術可以將微電子和光電子結合起來，構成娃基光電混合集成芯片和器件，可充分發揮硅基微電子先進成熟的工藝技術、高度集成化、低成本等的優勢，具有廣泛的市場前景。采用硅光子實現的多波長單端口發射和接收光器件，具有集成度高、靈活擴展和低功耗等的特性。發明內容[0004]本實用新型的目的在于針對上述迫切的市場需求，基于先進的硅光子集成技術， 提供一種大容量、易靈活配置和擴展、高密度集成、低功耗、低成本的硅光子集成多波長單端口發射和接收光器件，本實用新型的收發光器件采用了標準工藝設備和硅工藝流程，突破了當前市場上采用昂貴工藝設備實現多波長單端口光器件的方法。采用本實用新型的技術，可直接將多種功能光芯片集成在集成在同一硅襯底上，也可以根據實際應用集成在不同硅襯底上，然后通過拼裝定位(“Jigsaw”技術)實現光耦合并最終固定，極大降低了當前制造高端光器件的生產成本，易于批量生產。[0005]娃光子集成多波長單端口發射和接收光器件，包括發射部分、接收部分、光多次彈射Zig-Zag部分，其特征在于發射部分的硅襯底凸起、接收部分的硅襯底凸起分別與 Zig-Zag部分的娃襯底凹進相匹配并通過拼裝定位并用膠固定,發射部分通過固定在娃襯底V型槽的光纖與外部光網絡系統連通，外部光網絡系統通過固定在硅襯底V型槽的光纖與接收部分連通。[0006]所述的發射部分，包括硅襯底、N個不同波長的激光芯片、N+1個硅光波導、N個波分復用WDM濾波器、N個反射鏡、光纖，N為不等于I的自然數，所有激光芯片、所有硅光波導、所有波分復用WDM濾波器分別集成在同一硅襯底上，每個波分復用WDM濾波器對應一個反射鏡，每個激光芯片輸出端通過一個硅光波導與一個波分復用WDM濾波器相連，每個波分復用WDM濾波器輸出的光和反射的光入射到與其對應的反射鏡上，N個反射鏡采用鍍膜方式對應地制作在Zig-Zag部分的硅襯底側面或者直接將N個反射鏡對應地粘結在 Zig-Zag部分的硅襯底側面，且每個波分復用WDM濾波器只允許對應波長的光通過，并全部反射其余波長的光，通過最后一個反射鏡的多波長復用光被反射進入另一個硅光波導，通過另一個硅光波導導入固定在硅襯底V型槽的光纖內與外部光網絡系統連通。[0007]所述的N個反射鏡制作成整體,通過鍍膜方式對應地制作在Zig-Zag部分的娃襯底側面。[0008]所述的發射部分，包括娃襯底、N個不同波長的激光芯片、N個娃光波導、二個娃反射鏡、另一硅光波導或多模干涉波導、光纖，N為不等于I的自然數，所有激光芯片、所有硅光波導分別集成在同一娃襯底上，如果米用多模干涉波導也集成在同一娃襯底上，二個娃反射鏡直接制作在Zig-Zag部分的硅襯底上，每個激光芯片輸出端通過一個硅光波導與其它承載不同波長的光波導漸漸匯聚但不融合，共同入射到一個硅反射鏡上，并通過另一個硅反射鏡打入到具有光模式轉換功能的硅光波導或多模干涉波導中，通過另一硅光波導或多模干涉波導進入固定在硅襯底V型槽的光纖內與外部光網絡系統連通。[0009]所述的接收部分，包括硅襯底、N個不同波長的探測器芯片、N+1個硅光波導、N個波分解復用WDM濾波器、N個反射鏡、光纖，N為不等于I的自然數，所有探測器芯片、所有硅光波導、所有波分解復用WDM濾波器分別集成在同一硅襯底上，N個反射鏡采用鍍膜方式對應地制作在Zig-Zag部分的硅襯底側面或者直接將N個反射鏡對應地粘結在Zig-Zag部分的硅襯底側面，每個波分解波分復用WDM濾波器對應一個反射鏡，每個探測器芯片輸入端通過一個硅光波導與一個波分解復用WDM濾波器的輸出端相連，外部光網絡系統的光信號通過固定在娃襯底V型槽的光纖導入到一娃光波導，通過該娃光波導打入到第一塊反射鏡上，每個反射鏡反射的光入射到與其對應的波分解復用WDM濾波器上，且每個波分解復用 WDM濾波器只允許對應波長的光通過并輸出，并全部反射其余波長的光。[0010]所述的N個反射鏡制作成整體,通過鍍膜方式對應地制作在Zig-Zag部分的娃襯底側面。[0011]本實用新型采用標準硅工藝設備分別制作發射部分、接收部分和光多次彈射 Zig-Zag部分，通過拼圖拼接方式將多個硅襯底連接固結，并且通過硅襯底凸起和凹進的尺寸，可以控制光多次彈射部分的光程。相對于業界目前實現的多波長單端口發射和接收光器件，本實用新型方法具有插入損耗更小、結構更加緊湊等優點。
[0012]圖1為本實用新型的實施例結構框圖；[0013]圖2為本實用新型的發射部分的工作原理示意圖；[0014]圖3為本實用新型的的制作示意圖；[0015]圖4為采用硅反射鏡的單片集成多波長單端口發射器件示意圖。
具體實施方式
[0016]結合附圖對本實用新型作進一步的描述。[0017]如圖1所示，本實用新型包括發射部分100、接收部分110、光多次彈射 (Zig-Zag)部分107以及用于實現光波分復用/解復用的濾波器和反射鏡等。[0018]圖1中標識的100表示采用硅光子集成技術的多波長單端口發射部分，單片集成或混合集成多個不同波長激光芯片在同一娃襯底上，圖1中以4個不同波長激光芯片為例， 同樣方法可以擴展到N個不同波長的激光芯片。4個激光芯片101發出不同波長的光信號 (信息的加入可以通過直接調制激光器或者外調光電調制器加入，這里不贅述)，這四個波長λ P λ2、λ 3、λ 4的光信號進入到各自對應的娃光波導102。為了提高激光芯片101和硅光波導102的光耦合效率以及最終提高出光功率，101也可以采用具有輸出光模式轉換 (SSC, Spot-Size Converter)的激光芯片。經過102導向后,波長λ 2> λ 3> λ 4的光信號傳輸到各自對應的窄帶濾波器103或稱之為WDM (波分復用)濾波器，具有允許指定波段光通過，而反射全部其它波段光的功能。這樣，當波長X1的信號光進入到103時，入工信號光會通過這個WDM濾波器，到達位于Zig-Zag襯底107的反射鏡106上被反射回到另一側的WDM濾波器上此時波長λ 2的信號光通過其對應的WDM濾波器，而λ i信號光會被該 WDM濾波器反射,從而實現入^言號光和λ2信號光復用在一起。依此類推,基于光多次彈射工作原理(Zig-Zag光彈技術),最終實現多個光波長信號光λ P λ2、λ 3、λ 4復用在一起， 最終進入到位于V型槽112中的光纖111，形成多波長單端口發射輸出到外部光網絡系統。 該技術方法采用光多次彈射工作原理(Zig-Zag光彈技術)，對于多波長、多通道應用，實現的光路更緊湊，達到小型化的目的。相對于業界普遍采用的陣列波導光柵(AWG)實現的多波長單端口發射和接收光器件，采用本實用新型方法插入損耗更小(理想狀態可以忽略不計插入損耗)，結構會更加緊湊。[0019]圖1中標識的110表示采用硅光子集成技術的多波長單端口接收部分，單片集成或混合集成多個探測器芯片在同一硅襯底上，圖1中以4個探測器芯片為例，同樣方法可以擴展到N個探測器芯片。當來自外部光網絡系統的多波長輸入光信號通過位于V型槽112 的光纖111進入到Iio的娃光波導中，類似于光發射部分,基于110和107光路構成得以實現的光多次彈射工作(Zig-Zag光彈技術)，最終經過波分解復用濾波器108這個具有多波長的信號光，每個波長(λ P λ2、λ3、λ 4)光信號分別進入到各自對應的探測器芯片109 中。[0020]圖2以發射部分200為例，具體解釋了如何實現多波長單端口輸出的工作原理。 激光芯片210發射出波長光信號，到達WDM濾波器201:只允許λ i波段光信號通過而反射全部其它波段。通過201的X1光信號到達反射鏡206，全部被反射回來并到達WDM 濾波器203上。由于203只允許λ 2波段光信號通過而反射全部其它波段，λ i光信號又被反射回來。此時，λ 2波段光信號通過203與λ i光信號復用在一起到達反射鏡207，λ i和 λ 2合波光信號會被207全部反射回光路中，并到達WDM濾波器216上，與λ 3形成合波光信號。依此類推，λ P λ2、λ 3合波光信號會通過反射鏡208全反射,到達WDM濾波器215后與λ 4合波，最終獲得λ P λ2、λ 3、λ 4的合波光信號，形成在單端口光纖上的多波長輸出光信號。其中，201、203、215、216以及206、207、208、209可以通過鍍膜的方式在硅襯底上實現濾波和全反射的功能，也可以采用將單獨濾波片和反射鏡膠粘固結在硅襯底上。為了實現快速拼接多個硅襯底，圖2中以發射部分200和光多次彈射Zig-Zag部分217為例,位于200上的硅襯底凸起202、214和位于217上的硅襯底凹進205、218通過標準硅工藝制作實現匹配，并用膠最后固定，從而易于大規模生產。202、214的高度和205、218的深度可以通過設計仿真來確定，目的是獲得適當的光多次彈射(Zig-Zag)光程長度。[0021]進一步，圖3說明了本實用新型的制作裝配工藝。通過標準硅工藝分別制作發射硅襯底300、光多次彈射(Zig-Zag)硅襯底301和接收硅襯底302。其中，300和302上可以采用標準硅工藝制作V型槽和硅光波導，用于光耦合和導光，并可以采用鍍膜方式在其側面制作WDM濾波器，或者直接將單個WDM濾波片粘結在其側面。300和302的襯底凸起部分可以采用標準娃工藝設備(Saw Cutter)去切割和研磨，實現設計上需要的工藝精度,用于控制光多次彈射(Zig-Zag)光程長度。301的制作類似于上述硅標準工藝，也可以采用鍍膜方式在其側面制作全反射鏡，或者直接將單個或整片反射鏡粘結在其側面。當300、301和 302分別制作完成后,通過各自娃襯底的凸起和凹進利用“Jigsaw”技術實現匹配,最后有膠固結固定。[0022]圖4表明了一個通過采用硅反射鏡實現的更為緊湊的多波長單端口發射光器件 400。類似于上面所述，4個激光芯片401發出的四個波長 ‘的光信號進入到不同的硅光波導402中，承載不同波長的每個光波導漸漸匯聚但不融合，最終進入到硅反射鏡組403中，被其中一個反射鏡404反射后到達另外一個反射鏡405上，最終將光耦合進 406上。406是一個硅基的光模式轉化器或者是一個多模干涉儀，可以將多波長的光轉換后率禹合到位于V型槽408中的光纖407內，實現多波長輸出光信號。該方法米用了全娃基功能實現，結構更為緊湊，集成度更高。
權利要求1.娃光子集成多波長單端口發射和接收光器件，包括發射部分、接收部分、光多次彈射Zig-Zag部分，其特征在于發射部分的硅襯底凸起、接收部分的硅襯底凸起分別與 Zig-Zag部分的娃襯底凹進相匹配并通過拼裝定位并用膠固定,發射部分通過固定在娃襯底V型槽的光纖與外部光網絡系統連通，外部光網絡系統通過固定在硅襯底V型槽的光纖與接收部分連通。
2.根據權利要求1所述的硅光子集成多波長單端口發射和接收光器件，其特征在于 所述的發射部分，包括硅襯底、N個不同波長的激光芯片、N+1個硅光波導、N個波分復用WDM 濾波器、N個反射鏡、光纖，N為不等于I的自然數，所有激光芯片、所有硅光波導、所有波分復用WDM濾波器分別集成在同一硅襯底上，每個波分復用WDM濾波器對應一個反射鏡，每個激光芯片輸出端通過一個硅光波導與一個波分復用WDM濾波器相連，每個波分復用WDM濾波器輸出的光和反射的光入射到與其對應的反射鏡上，N個反射鏡采用鍍膜方式對應地制作在Zig-Zag部分的硅襯底側面或者直接將N個反射鏡對應地粘結在Zig-Zag部分的硅襯底側面，且每個波分復用WDM濾波器只允許對應波長的光通過，并全部反射其余波長的光， 通過最后一個反射鏡的多波長復用光被反射進入另一個硅光波導，通過另一個硅光波導導入固定在硅襯底V型槽的光纖內與外部光網絡系統連通。
3.根據權利要求2所述的硅光子集成多波長單端口發射和接收光器件，其特征在于 所述的N個反射鏡制作成整體，通過鍍膜方式對應地制作在Zig-Zag部分的硅襯底側面。
4.根據權利要求1所述的硅光子集成多波長單端口發射和接收光器件，其特征在于 所述的發射部分，包括娃襯底、N個不同波長的激光芯片、N個娃光波導、二個娃反射鏡、另一硅光波導或多模干涉波導、光纖，N為不等于I的自然數，所有激光芯片、所有硅光波導分別集成在同一娃襯底上，如果米用多模干涉波導也集成在同一娃襯底上，二個娃反射鏡直接制作在Zig-Zag部分的硅襯底上，每個激光芯片輸出端通過一個硅光波導與其它承載不同波長的光波導漸漸匯聚但不融合，共同入射到一個硅反射鏡上，并通過另一個硅反射鏡打入到具有光模式轉換功能的硅光波導或多模干涉波導中，通過另一硅光波導或多模干涉波導進入固定在硅襯底V型槽的光纖內與外部光網絡系統連通。
5.根據權利要求1所述的硅光子集成多波長單端口發射和接收光器件，其特征在于 所述的接收部分，包括硅襯底、N個不同波長的探測器芯片、N+1個硅光波導、N個波分解復用WDM濾波器、N個反射鏡、光纖，N為不等于I的自然數，所有探測器芯片、所有硅光波導、 所有波分解復用WDM濾波器分別集成在同一硅襯底上，N個反射鏡采用鍍膜方式對應地制作在Zig-Zag部分的硅襯底側面或者直接將N個反射鏡對應地粘結在Zig-Zag部分的硅襯底側面，每個波分解波分復用WDM濾波器對應一個反射鏡，每個探測器芯片輸入端通過一個硅光波導與一個波分解復用WDM濾波器的輸出端相連，外部光網絡系統的光信號通過固定在娃襯底V型槽的光纖導入到一娃光波導，通過該娃光波導打入到第一塊反射鏡上，每個反射鏡反射的光入射到與其對應的波分解復用WDM濾波器上，且每個波分解復用WDM濾波器只允許對應波長的光通過并輸出，并全部反射其余波長的光。
6.根據權利要求5所述的硅光子集成多波長單端口發射和接收光器件，其特征在于 所述的N個反射鏡制作成整體，通過鍍膜方式對應地制作在Zig-Zag部分的硅襯底側面。
專利摘要本實用新型涉及一種硅光子集成多波長單端口發射和接收光器件，包括發射部分、接收部分、光多次彈射Zig-Zag部分，發射部分的硅襯底凸起、接收部分的硅襯底凸起分別與Zig-Zag部分的硅襯底凹進相匹配并通過拼裝定位并用膠固定，發射部分通過固定在硅襯底V型槽的光纖與外部光網絡系統連通，外部光網絡系統通過固定在硅襯底V型槽的光纖與接收部分連通。本實用新型采用標準硅工藝設備分別制作發射部分、接收部分和Zig-Zag部分，通過拼圖拼接方式將多個硅襯底連接固結，并且通過硅襯底凸起和凹進的尺寸，可以控制Zig-Zag部分的光程。相對于業界目前實現的多波長單端口發射和接收光器件，本實用新型方法具有插入損耗更小、結構更加緊湊等優點。
文檔編號H04B10/25GK202872792SQ20122046153
公開日2013年4月10日 申請日期2012年9月12日 優先權日2012年9月12日
發明者胡朝陽, 余燾, 石章如 申請人:胡朝陽, 余燾, 石章如