CN115220158A - 基于铌酸锂光芯片的光电转换模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于铌酸锂光芯片的光电转换模块，属于光通信技术领域。根据本发明提供的一种基于铌酸锂光芯片的光电转换模块，该模块包括铌酸锂光芯片，以及分别与之相耦接的光单元、电模块，因为本发明中使用铌酸锂光芯片来进行光电转换，并且无需使用半导体光放大器，所以，不仅降低了功耗和成本，而且简化了电路。
Description
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种基于铌酸锂光芯片的光电转换模块。
背景技术
传统单通道40KM 100G的光电转换模块需要外加半导体光放大器(SOA)，用于提高***的发送光功率，这样相应的电路功能会变复杂，不仅功耗大，而且成本很高。
本背景技术中公开的以上信息仅用于理解本发明构思的背景，并且因此可以包含不构成现有技术的信息。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于铌酸锂光芯片的光电转换模块。
本发明的发明人发现，在未来6G无线网市场，当前的波分复用设备由25G CWDM光模块平滑过渡到100G CWDM/DWDM光模块，但是传统的100G单波长光模块目前市场上还没有出现。因此本发明提出一种100G单波长基于铌酸锂光芯片的光电转换模块，该模块基于LNOI(铌酸锂)工艺开发，可开发不同波长的通信调制器，形成不同系列单波长不同的100G系列光模块，可以弥补当前市场空白。
本发明提供一种基于铌酸锂光芯片的光电转换模块，其包括：
铌酸锂光芯片；
与铌酸锂光芯片耦接的光单元；以及
与铌酸锂光芯片耦接的电模块。
本发明提供的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块，其中，光单元包括光纤阵列或光栅。
本发明提供的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块，其中，电模块包括数字信号处理单元。
本发明提供的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块，其中，铌酸锂光芯片由下到上依次包括基底、二氧化硅层、铌酸锂波导层及电极。
本发明提供的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块，其中，基底包括硅材料或石英材料。
本发明提供的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块，其中，铌酸锂光芯片与电模块之间设置有温度控制单元。
本发明提供的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块，其中，光单元设置在铌酸锂光芯片的上方。
本发明提供的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块，其中，光单元与铌酸锂光芯片端面耦合。
本发明提供的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块，其中，光单元包括光纤阵列，光纤阵列的一端具有至少一个斜面，从而使得光从光纤阵列经由斜面传入铌酸锂光芯片中。
本发明提供的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块，其中，铌酸锂光芯片与光纤阵列固定连接。
发明的作用与效果
根据本实施例提供的一种基于铌酸锂光芯片的光电转换模块，该模块包括铌酸锂光芯片，以及分别与之相耦接的光单元、电模块，因为本发明中使用铌酸锂光芯片来进行光电转换，并且无需使用半导体光放大器，所以，不仅降低了功耗和成本，而且简化了电路。
附图说明
图1是本发明实施例的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块的结构示意图；
图2是本发明实施例的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块的结构框图；
图3是本发明实施例的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块的信号转换示意图；
图4是本发明实施例的铌酸锂光芯片的截面示意图；
图5是本发明实施例的光单元的结构框图。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下结合实施例与附图对本发明提供的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块作具体阐述。
<实施例>
图1是本发明实施例的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块的结构示意图，图2是本发明实施例的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块的结构框图，参见图1、图2，本实施例提供的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块100包括铌酸锂光芯片1、光单元2、电模块3、温度控制单元4。电模块3设置在铌酸锂光芯片1的基底11上，并与铌酸锂光芯片1耦接，光单元2设置在铌酸锂光芯片1上，与铌酸锂光芯片1耦接。
参见图3，本实施例提供的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块100的信号转换描述为：
电模块3中的电信号经过铌酸锂光芯片1进行调制，并进入光单元2后转换输出为光信号；反之，光单元2中的光信号经过铌酸锂光芯片1进行调制，经过电模块3后输出电信号。
参见图4，本实施例中铌酸锂光芯片1由下到上依次包括基底11、二氧化硅层12、铌酸锂波导层13及电极14。
具体地，本实施例中的基底11为硅材料，在其他实施例中也可以为石英材料或氮化硅材料，基底11上设置有电模块3。二氧化硅层12为缓冲层，设置在基底11上。铌酸锂波导层13为调制器层，设置在二氧化硅层12上。电极14的数目为两个，分别设置在铌酸锂波导层13的两端，材料为金，在铌酸锂波导层13和电极14上方包覆有二氧化硅包层12。在本实施例中，铌酸锂波导层13用于提供信号的调制、加载、耦合。本实施例中铌酸锂光芯片1为调制器，在其他实施例中，铌酸锂光芯片1也可用于分束器进行分光。
参见图1、图2，本实施例中的电模块3设置在铌酸锂光芯片1的基底11上，电模块3包括金属壳体31、放大单元32、数字信号处理单元33及控制单元34。
金属壳体31设置在基底11上，放大单元32封装在金属壳体31内部。数字信号处理单元33为9nm的DSP芯片，DSP芯片的偏制电流小于3A，功耗小于10W，DSP芯片对调制电路的电流损耗不大于75mA，能够改善模块的热性能，并对EEPROM的指令进行执行。控制单元34用于控制DSP芯片运行。
参见图2，温度控制单元4为TEC材质，设置在铌酸锂光芯片1与电模块3之间，用于调解二者之间的温度，从而使温度保持恒定。本实施例中设置有温度控制单元4，在其他实施例中，也可不设置温度控制单元4。
参见图2、图5，光单元2与铌酸锂光芯片1耦接，光单元2包括光发射单元21、光耦合单元22及光接收单元23。
光发射单元21包括直流激光器211与分路器212。具体地，本实施例中的分路器212的参数不限于1分多。直流激光器211用于发出激光，并通过分路器212将该激光进行分光，获得多束分光信号。
光耦合单元22与光发射单元21通过环氧树脂胶水粘接，光耦合单元22包括FA光纤阵列221、模斑转换器222。
参见图1，FA光纤阵列221(monocrystalline silicon fiber array)设置在铌酸锂光芯片1的上方，并与铌酸锂光芯片1固定连接。FA光纤阵列221的一端具有至少一个斜面，从而使得光从FA光纤阵列221经由斜面传入铌酸锂光芯片1中。FA光纤阵列221还可与铌酸锂光芯片1端面耦合。
具体地，FA光纤阵列221包括玻璃盖板和多芯单模光纤，在基底11上设置有容纳多芯单模光纤的槽体，该槽体可为V型或U型槽。玻璃盖板设在多芯单模光纤上，玻璃盖板、多芯单模光纤和基底11之间通过粘结剂固定。其中，基底11与FA光纤阵列221分别经过UV、烘烤、TC老化、8度角研磨、测试等过程。
通过手动调节二维调节平衡轴可控制玻璃盖板与基底11之间的胶层厚度，使得胶层均匀分布。玻璃盖板与基底11端面的对齐方式由夹具的锯齿形对齐平台控制，提高了基底11装载的稳定性，增加了耦合面积，简化了耦合难度，避免因较小面积的耦合导致基底11损伤。本实施例中的二维调节平衡轴为现有技术中的无源光器件耦合微调轴。
基底11粘接并固化于夹层，从而进行8度角研磨，其中对于8度角研磨，使得入射光器件有最佳的回波损耗和最小的色散。
对光耦合是使用无源耦合六位调节平台对FA光纤阵列221与光接收单元23进行对准，以便使得接收光损耗最小。
FA光纤阵列221为8度角，激光在FA光纤阵列221内传输时，通过8度角端面全反射到光接收单元23中。同时光信号在g.652单模光纤制作的FA光纤阵列221传输时回波损耗值能达到最大，总色散系数能达到较小值。
对FA光纤阵列221进行8度角研磨能够一次性增加基底11的研磨数量，并克服该在制作过程中带来的形变。研磨方式能够精确定位8度角，同时避免该芯片的损伤，其定位范围为8度±0.3度。
将研磨步骤分为粗磨过程和抛光过程，粗磨过程研磨粉采用粉体粒度为10nm～铌酸锂光芯片10nm，分体莫氏硬度为7～9，粉体晶型为片状、六角柱体、四方，单斜，立方体等的氧化铁、绿炭化硅、氧化铬等物质。粗磨粉颗粒有一定的晶格形态，破碎时形成锐利的尖角。抛光过程研磨粉采用粉体粒度为5nm～铌酸锂光芯片1nm，分体莫氏硬度为5～9，粉体晶型为片状、六角柱体、四方，单斜，立方体等的氧化铝、氧化铈、氧化锆等物质。抛光粉具有合适的硬度和密度，和水有很好的浸润性和悬浮性。
模斑转换器222用于连接铌酸锂光芯片1与FA光纤阵列221，并减少二者之间的光损耗。模斑转换器222的一端具有较大的模斑尺寸，与标准光纤的模斑尺寸相匹配，其另一端具有较小的模斑尺寸，与铌酸锂光波导的模斑尺寸相匹配，因此能够显著减小标准光纤与铌酸锂光波导之间的光连接损耗。
光接收单元23与光耦合单元22通过六维调节架进行对光、粘贴耦合，光接收单元23包括探测器231，具体为PD探测器，该PD探测器通过晶圆键合的方式粘贴到基底11上。
本实施例中的FA光纤阵列221还可以设置在铌酸锂光芯片1的侧面，与铌酸锂光芯片1端面耦合。图1中FA光纤阵列221中斜面的角度为45度，在其他实施例中，也可利用光栅与铌酸锂光芯片1耦接。具体为光栅一端与铌酸锂光芯片1耦接，另一端与不具有斜面的FA光纤阵列221进行端面耦接。
本实施例还提供一种光纤耦合装置的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、在基底11上设置FA光纤阵列221，在FA光纤阵列221的两端加盖玻璃盖板，并将基底11与玻璃盖板通过粘结剂固定，获得基板-盖板复合件；
步骤二、对基板-盖板复合件的入射端面和出射端面进行研磨，获得研磨面与基底11呈8度角。步骤二中的研磨包括粗磨和抛光。粗磨采用研磨粉研磨，研磨粉的粉体粒度为10nm-铌酸锂光芯片10nm，研磨粉的分体莫氏硬度为7-9，研磨粉有晶格形态。抛光采用抛光粉抛光，抛光粉的粉体粒度为5nm-铌酸锂光芯片1nm，抛光粉的分体莫氏硬度为5-9。
本实施例还提供一种耦合方法，基于上述的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块100，包括以下步骤：
步骤一、提供六位调节平台，六位调节平台用于放置和夹紧基底11；
步骤二、通过调节六位调节平台，使得光发射单元21与光接收单元23对准以使得接收光损耗最小。
本实施例还提供一种光收发模块的制作方法，基于上述的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块100，包括以下步骤：
步骤一、使用无源耦合方式，将光发射单元21和光接收单元23通过光耦合单元22耦合，获得耦合后的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块100；
步骤二、对耦合后的基于铌酸锂光芯片的光电转换模块100进行光纤传输数据测试，获得测试合格的产品；
步骤三、将测试合格的产品进行封装。
本实施例中基于铌酸锂光芯片的光电转换模块100的工作原理如下：
该基于铌酸锂光芯片的光电转换模块100进行光电和电光转换，发送端把电信号转换成光信号，通过光纤传送后，接收端再把光信号转换成电信号。
与传统分立式方案相比，该方案将分路器，调制器和多路探测器等光/电芯片都集成在硅光芯片上，体积大幅减小，有效降低材料成本、芯片成本、封装成本，同时也能有效控制功耗。硅光模块凭借上述优势有望在数据中心和中长距离相干通信等应用场景取得更大份额，或将改变传统竞争格局。
实施例的作用与效果
进一步地，在封装尺寸相同的情况下，因为本实施例中的铌酸锂光芯片单通道速率为100Gbps，因此可以轻松实现单路100Gbps信号的收发，提升传统QSFP28系列模块速率4倍。
进一步地，因为本实施例中光发射单元具有一个直流激光器与一个1*8的光分路器结合，因此成本节省80％以上，使得产品商业化竞争优势不断提升。
进一步地，因为本实施例中的铌酸锂光芯片仅含有1个LNOI调制器，因此与传统工艺EML调制器相比成本节约50％以上。
进一步地，因为本实施例中光接收单元使用PD探测器，通过晶圆键合方式粘贴到基底上，因此可以大批量商业加工，解决了当前PD探测器灵敏度差、以及加工难度大等问题。
进一步地，因为本实施例中光耦合单元使用无源耦合方式，具体无源耦合方式是把光发射单元与光接收单元与外部信号交换采用FA光纤阵列进行耦合，并在基底输入端与输出端需进行加贴玻璃盖板，对FA光纤阵列端面进行8度角研磨，从而增加耦合面积，简化耦合难度。
进一步地，本实施例中的100G基于铌酸锂光芯片的光电转换模块可应用市场包括数通市场、电信市场和新兴市场。其中数通市场是100G基于铌酸锂光芯片的光电转换模块增速最快的市场，目前已超越电信市场成为第一大市场，是基于铌酸锂光芯片的光电转换模块产业未来的主流增长点；电信市场是100G基于铌酸锂光芯片的光电转换模块最先发力的市场，5G建设将大幅拉动电信用基于铌酸锂光芯片的光电转换模块需求；6G建设将大幅带动100G单波长基于铌酸锂光芯片的光电转换模块新的需求。100G单波长基于铌酸锂光芯片的光电转换模块另外的需求新兴市场还包括消费电子、自动驾驶、工业自动化等市场，是未来发展潜力最大的市场。100G单波长基于铌酸锂光芯片的光电转换模块的下游应用广泛分布于数据中心、6G基站及承载网、光纤接入及新兴产业。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、***、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种基于铌酸锂光芯片的光电转换模块，其包括：
铌酸锂光芯片；
与所述铌酸锂光芯片耦接的光单元；以及
与所述铌酸锂光芯片耦接的电模块。
2.根据权利要求1所述的光电转换模块：其中，所述光单元包括光纤阵列或光栅。
3.根据权利要求1所述的光电转换模块，其中，所述电模块包括数字信号处理单元。
4.根据权利要求1所述的光电转换模块，其中，所述铌酸锂光芯片由下到上依次包括基底、二氧化硅层、铌酸锂波导层及电极。
5.根据权利要求4所述的光电转换模块，其中，所述基底包括硅材料或石英材料。
6.根据权利要求1所述的光电转换模块，其中，所述铌酸锂光芯片与所述电模块之间设置有温度控制单元。
7.根据权利要求1所述的光电转换模块，其中，所述光单元设置在所述铌酸锂光芯片的上方。
8.根据权利要求1所述的光电转换模块，其中，所述光单元与所述铌酸锂光芯片端面耦合。
9.根据权利要求1所述的光电转换模块，其中，所述光单元包括光纤阵列，所述光纤阵列的一端具有至少一个斜面，从而使得光从所述光纤阵列经由所述斜面传入所述铌酸锂光芯片中。
10.根据权利要求9所述的光电转换模块，其中，所述铌酸锂光芯片与所述光纤阵列固定连接。
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| CN202210631662.3A CN115220158A (zh) | 2022-06-06 | 2022-06-06 | 基于铌酸锂光芯片的光电转换模块 |
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2022
- 2022-06-06 CN CN202210631662.3A patent/CN115220158A/zh active Pending
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