CN109738987B - 硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片。本发明一种硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片，包括：平面光波光路基板；设置在所述平面光波光路基板上的发射端组件，所述发射端组件包括：四个激光器，所述四个激光器发出四种不同波长的光；四个发射端95/5分光器，所述四个发射端95/5分光器分别将所述四个激光器发出的光分成占95％功率的发射端第一路光和5％功率的发射端第二路光；四个发射端监控光电二极管，所述四个发射端监控光电二极管分别接收四个所述激光器中发出的所述发射端第二路光。本发明的有益效果：硅基平面光路(PLC)高度集成化，实现了光路发射端和接收端一体的集成化芯片，简化了光模块封装工艺流程。

Description

硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片
技术领域
本发明涉及硅光子领域，具体涉及一种硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片。
背景技术
硅光子技术目前是整个光通信行业的一大热门，是普遍被看好的下一代光通信模块芯片的解决方案，主要解决了传统激光器在高速调制的瓶颈，被誉为下一代单通道100G及以上通信方案的解决办法；硅光子技术与CMOS工艺兼容，将光源、调制器、探测器、合波/分波器件、波导等一系列光学元件集成在单个硅基衬底上，大大降低光子芯片的原材料生产成本以及光模块的封装测试成本。硅光子技术在大幅度提升器件集成度，降低功耗的同时，也能够提升信号传输的带宽，特别是在多通道的光学***中比传统的方案更具优势。
目前，行业内实现CWDM4的方案主要分为两大阵营；第一大阵营为传统自由空间光学镜片实现波分复用和解复用的方式。又主要分为3种主要方案；第一种方案如图1传统AWG自由空间合波方案示意图，主要通过最传统的方式将准直后的光路通过几何光学的方式将光整合到光路，合波的形式有AWG 芯片、镀膜波导等以及阵列光栅等；
第二种方案采用TO38同轴分光片复用解复用方案示意图，如图2所示；通过调整分光片的角度来实现耦合；
第三种方案采用TO38同轴的外置MUX和DEMUX方案，与第二种不同的是TO38直接聚焦耦合到光纤，光纤在AWG的MUX和DEMUX中实现复用解复用的目的；如图3所示；
第二大阵营是采用PLC硅光混合集成方案；目前实现了PSM4方案(ParalellSingle Mode 4lanes；即并行单模4通道)，如图4硅光PSM4混合集成方案示意图；但CWDM4(4通道粗波分复用)仍然是采用传统的自由空间相干光复用的办法将光信号压缩到硅波导；而且硅波导采用220nm的方案；
传统技术存在以下技术问题：
CWDM4使用的传统自由空间光学镜片实现波分复用和解复用的方式，存在的问题是工艺复杂良率较低成本高，优点在于光路插损小耦合效率较高；第二种采用TO38同轴分光片复用解复用方案，对分光片的指标要求比较高工艺相对复杂，成本和良率比较第一种相对高一些，主要是规避第一种方案的专利问题；第三种TO38同轴的外置MUX和DEMUX方案，是传统方案中成本更便宜的，但是占用空间大，和可靠性差的问题造成良率瓶颈；PLC硅光PSM4混合集成方案对光配线网络的成本相对高很多。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片，本发明结合COMS工艺在SOI基板上的应用，混合集成锗硅探测器、 MZI(Mach-Zehnderinterferometer)马赫-岑德尔干涉仪、CWDM AWG中的 DEMUX和分光器，本发明还需解决的问题就是AWG的温度特性。硅基上二氧化硅的AWG芯片，其波长会随着温度升高，向长波方向漂移(热胀冷缩，加折射率改变的综合结果)，温度每升高1℃，波长增加11pm。相应地，也就有了温度相关损耗(TDL)这个指标：ITU通带是固定的，波长(光谱曲线) 随温度漂移，每个温度点ITU通带内的插损也就不一样。为此本发明的芯片最终使用在TEC芯片上，通过TEC的控制实现芯片在恒定温度条件下工作，达到稳定的波长和插损等；由于采用集成锗硅探测器减少芯片制造工艺难度以及工序，降低芯片制造成本；通过使用混合集成的方案极大地减少了光脉冲链路上的镜片分立元件的数量，简化了光模块器件封装工艺，极大提高制造良率并实现大批量降低成本。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片，包括：
平面光波光路基板；
设置在所述平面光波光路基板上的发射端组件，所述发射端组件包括：
四个激光器，所述四个激光器发出四种不同波长的光；
四个发射端95/5分光器，所述四个发射端95/5分光器分别将所述四个激光器发出的光分成占95％功率的发射端第一路光和5％功率的发射端第二路光；
四个发射端监控光电二极管，所述四个发射端监控光电二极管分别接收四个所述激光器中发出的所述发射端第二路光；
两个第一级合束器，所述两个第一级合束器将四束所述激光器中发出的所述发射端第一路光合成为两束光；以及
第二级合束器，所述第二级合束器将所述两个第一级合束器最后合成的两束光再次合成；以及
设置在所述平面光波光路基板上的接收端组件，所述接收端组件包括：
接收端95/5分光器，所述接收端95/5分光器将接收端组件接收的光分成占 95％功率的接收端第一路光和5％功率的接收端第二路光；
接收端监控光电二极管，所述接收端监控光电二极管接收所述接收端第二路光；
波分解复用器，所述波分解复用器接收所述接收端第一路光；以及
四个光电二极管，所述四个光电二极管分别接收所述波分解复用器发出的四束光。
本发明的有益效果：
硅基平面光路(PLC)高度集成化，实现了光路发射端和接收端一体的集成化芯片，简化了光模块封装工艺流程；
混合集成方案不再外置光学透镜，提高了批量性，减少了环氧银胶固化的次数；降低了对贴片机的精度的要求；
锗硅探测器硅基PLC的集成，使用COMS工艺降低了成本，减少了工艺；提高了产品的可靠性；
采用直接调制激光器(DML)倒装键合技术；用以实现DFB激光器脊波导和SOI硅基类平面光路(PLC)的耦合，散射角和光波导数值孔径NA的限制下实现低插损的键合；以及3μm厚硅波导的应用；
锗硅探测器PD及监控探测器MPD的应用，实现了高度集成化和硅基平面光路PLC的COMS工艺的融合，提高了可量产型并有效简化工艺降低成本；
交叉95/5分光器的使用，为实现电路上闭环控制提供接口，达到最终光模块产品的恒定光功率输出的准确控制；
级联马赫曾德尔干涉仪MZI合束器的应用，解决了不同波长相位的调制；
AWG DEMUX在硅基平面光路PLC的COMS工艺的融合，提高了可量产型并有效简化工艺降低成本；
耦合V型槽的结构在此芯片上的应用如图9所示，解决大批量生产成本和良率问题；
SOI硅基光收发一体芯片的平面光路(PLC)混合集成技术的应用。
在其中一个实施例中，所述激光器是分布式反馈激光器。
在其中一个实施例中，所述激光器通过倒装键合的方法装在所述平面光波光路基板上。
在其中一个实施例中，所述第一级合束器是通过马赫曾德尔干涉仪实现的。
在其中一个实施例中，所述第二级合束器是通过马赫曾德尔干涉仪实现的。
在其中一个实施例中，还包括：设置在所述平面光波光路基板上的半导体制冷芯片。
在其中一个实施例中，其特征在于，所述平面光波光路基板上设有若干十字靶点。
附图说明
图1是本发明背景技术中的传统AWG自由空间合波方案示意图。
图2是本发明背景技术中的TO38同轴分光片复用解复用方案示意图。
图3是本发明背景技术中的TO38同轴的外置MUX和DEMUX方案示意图。
图4是本发明背景技术中的硅光PSM4混合集成方案示意图。
图5是本发明硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片中的结构示意图。
图6是本发明硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片中的激光器倒装金锡焊接示意图。
图7是本发明硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片中的发射端监控探测器MPD波导交叉结构图。
图8是本发明硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片中的发射端监控探测器MPD波导交叉结构图。
图9是本发明硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片中的工艺十字靶点和耦合用V型槽结构图(收发段结构一致)。
图10是本发明硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片中的接收端结构及AWGDEMUX结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
一种硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片，包括：
平面光波光路基板；
设置在所述平面光波光路基板上的发射端组件，所述发射端组件包括：
四个激光器，所述四个激光器发出四种不同波长的光；
四个发射端95/5分光器，所述四个发射端95/5分光器分别将所述四个激光器发出的光分成占95％功率的发射端第一路光和5％功率的发射端第二路光；
四个发射端监控光电二极管，所述四个发射端监控光电二极管分别接收四个所述激光器中发出的所述发射端第二路光；
两个第一级合束器，所述两个第一级合束器将四束所述激光器中发出的所述发射端第一路光合成为两束光；以及
第二级合束器，所述第二级合束器将所述两个第一级合束器最后合成的两束光再次合成；以及
设置在所述平面光波光路基板上的接收端组件，所述接收端组件包括：
接收端95/5分光器，所述接收端95/5分光器将接收端组件接收的光分成占95％功率的接收端第一路光和5％功率的接收端第二路光；
接收端监控光电二极管，所述接收端监控光电二极管接收所述接收端第二路光；
波分解复用器，所述波分解复用器接收所述接收端第一路光；以及
四个光电二极管，所述四个光电二极管分别接收所述波分解复用器发出的四束光。
本发明的有益效果：
硅基平面光路(PLC)高度集成化，实现了光路发射端和接收端一体的集成化芯片，简化了光模块封装工艺流程；
混合集成方案不再外置光学透镜，提高了批量性，减少了环氧银胶固化的次数；降低了对贴片机的精度的要求；
锗硅探测器硅基PLC的集成，使用COMS工艺降低了成本，减少了工艺；提高了产品的可靠性；
采用直接调制激光器(DML)倒装键合技术；用以实现DFB激光器脊波导和 SOI硅基类平面光路(PLC)的耦合，散射角和光波导数值孔径NA的限制下实现低插损的键合；以及3μm厚硅波导的应用；
锗硅探测器PD及监控探测器MPD的应用，实现了高度集成化和硅基平面光路PLC的COMS工艺的融合，提高了可量产型并有效简化工艺降低成本；
交叉95/5分光器的使用，为实现电路上闭环控制提供接口，达到最终光模块产品的恒定光功率输出的准确控制；
级联马赫曾德尔干涉仪MZI合束器的应用，解决了不同波长相位的调制；
AWG DEMUX在硅基平面光路PLC的COMS工艺的融合，提高了可量产型并有效简化工艺降低成本；
耦合V型槽的结构在此芯片上的应用如图9所示，解决大批量生产成本和良率问题；
SOI硅基光收发一体芯片的平面光路(PLC)混合集成技术的应用。
下面介绍本发明的一个具体应用场景：
本发明属于基于SOI硅基PLC(Planar Light wave Circuit)基板的CWDM4 混合集成方案；CWDM4芯片工作在IEEE802.3clause 87.6(ITU-T G.694.2) 规定的四个波长1271/1291/1311/1331nm，通带±6.5nm。可用于40GE-LR4和 100GE-CWDM4/CLR4光模块。如图5所示,CWDM4硅光混合集成收发芯片结构图；所有器件均在SOI硅基的衬底上集成；主要包括二大部分；第一部分发射端芯片组成；a.四颗不同波长的DFB激光器芯片；b.发射端分光器；c.发射端锗硅监控光电二极管(MPD)，可以由锗硅材料制成；；d.带级联的合束器；e.工艺十字靶点；f.发射端V型槽；g.特别要说明的是主要光路波导采用3μm厚硅工艺；第二部分接收端芯片组成；(1)光电二极管，可以由锗硅材料制成；(2) 波分解复用器(DEMUX)；(3)接收段耦合用的MPD，主要用于耦合以及工艺测试波导的插损；(4)接收端耦合V型槽；
主要结构及工艺说明如下：
5.1四种波长的DFB激光器芯片的主要工艺是采用倒装键合，如图6所示， DFB倒装金锡焊接在PLC的方法；将激光器倒装焊至平面光波导电路PLC (Planar Light waveCircuit)基板的结构及方法(注：PLC为本专利硅基半成品芯片的统称)；其特征在于，改良激光器使其P/N极共面便于倒装焊，分别在激光器和平面光波导电路PLC基板上设置定位停止平台结构，工艺要求共晶机精度在±0.5μm。此类设备以及工艺已经成熟不再阐述。
5.2锗硅(GeSi)监控探测器及95/5分光器，硅基光电探测器(PD)因其廉价且兼容CMOS工艺，便于光电集成的优势，成为国内外光电子学领域研究并逐步量产；至2009年开始国外开始对锗硅PIN进行研究。到2011年桑迪亚国家实验室制成一种小尺寸(1.3μm*4μm)的COMS工艺兼容波导结构锗硅探测器，已经达到超低暗电流3nA和响应度0.8A/W并拥有45GHz带宽；无论是本发明的锗硅MPD和接收端锗硅探测器都有足够的技术支撑；如图7所示，在发射端有4个MPD构成了波导交叉；由于损耗较低的原理(每个交叉的损失大概是0.1dB左右)，有效地将4只监控探测器MPD放到一起，便于后续光器件封装时阵列TIA跨阻放大器的摆放。
5.3级联马赫曾德尔干涉仪MZI合束器，如图8所示；发射端采用级联MZI 合束器实现不同波长的合波，单个MZI实现的方式主要三种：a.非对称臂长实现；b.臂中掺杂改变折射率调整相位；c.单臂注入电路方式实现；因硅基以及 MZI对温度的敏感性，再次说明本方案是整体采用TEC制冷器控温来保障恒温环境下工作的；
5.4十字靶点和V型槽的结构，如图9所示；工艺十字靶点主要是用于芯片制造工艺基准点位置，需要和波导刻蚀时同时进行以保障整体精度，尤其是倒装焊接DFB激光器芯片；实际结构为十字形刻蚀深度10±3μm轮廓清晰，用于芯片流片或者焊接设备的CCD快速识别即可；光端面避空槽主要解决的问题是，裸光纤端面加工工艺如果采用激光切割将会造成蘑菇头放置于V型槽无法和光端面光斑无法实现同轴的问题，便于批量化大规模生产；V型槽的结构主要是内切圆尺寸为裸光纤125±0.3μm的最大轮廓尺寸；达到最小的耦合插损以提高耦合效率；此结构在整个芯片的发射端和接收端结构都是一致的。
5.5接收端整体结构，其中十字靶点和耦合V型槽上一节已经叙述；接收端MPD也是采用95/5分光器，监控探测器的和发射端一样，采用锗硅的PD 目的是COMS硅基的集成化，简化制造工艺并且降低芯片成本；本方案使用的是AWG DEMUX以平面光路(PLC)技术制造的器件；如图10所示；工作原理主要是采用凹面反射式光栅和罗兰圆的结构和原理；因此结构已经广泛应用在此不再阐述；高频锗硅探测器已经在5.2节做出说明，和监控探测器采用同样的工艺仅在参数上有差异；
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (7)

1.一种硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片，其特征在于，包括：
平面光波光路基板；
设置在所述平面光波光路基板上的发射端组件，所述发射端组件包括：
四个激光器，所述四个激光器发出四种不同波长的光；
四个发射端95/5分光器，所述四个发射端95/5分光器分别将所述四个激光器发出的光分成占95%功率的发射端第一路光和5%功率的发射端第二路光；
四个发射端锗硅监控光电二极管，所述四个发射端锗硅监控光电二极管分别接收四个所述激光器中发出的所述发射端第二路光；
两个第一级合束器，所述两个第一级合束器将四束所述激光器中发出的所述发射端第一路光合成为两束光；以及
第二级合束器，所述第二级合束器将所述两个第一级合束器最后合成的两束光再次合成；以及
设置在所述平面光波光路基板上的接收端组件，所述接收端组件包括：
接收端95/5分光器，所述接收端95/5分光器将接收端组件接收的光分成占95%功率的接收端第一路光和5%功率的接收端第二路光；
接收端锗硅监控光电二极管，所述接收端锗硅监控光电二极管接收所述接收端第二路光；
波分解复用器，所述波分解复用器接收所述接收端第一路光；以及
四个光电二极管，所述四个光电二极管分别接收所述波分解复用器发出的四束光。
2.权利要求1所述的硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片，其特征在于，所述激光器是分布式反馈激光器。
3.如权利要求1所述的硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片，其特征在于，所述激光器通过倒装键合的方法装在所述平面光波光路基板上。
4.如权利要求1所述的硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片，其特征在于，所述第一级合束器是通过马赫曾德尔干涉仪实现的。
5.如权利要求1所述的硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片，其特征在于，所述第二级合束器是通过马赫曾德尔干涉仪实现的。
6.如权利要求1所述的硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片，其特征在于，还包括：设置在所述平面光波光路基板上的半导体制冷芯片。
7.如权利要求1所述的硅基4通道波分复用解复用混合集成芯片，其特征在于，所述平面光波光路基板上设有若干十字靶点。
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