[發明專利]一種基于激光器封裝的硅基光電子芯片

在審

• 申請號: 201410197515.5
• 申請日: 2014-05-12
• 公開（公告）號: CN103944060A
• 公開（公告）日: 2014-07-23
• 發明（設計）人: 馬衛東;熊康;宋瓊輝
• 申請（專利權）人: 武漢光迅科技股份有限公司
• 主分類號: H01S5/026
• 分類號: H01S5/026
• 代理公司: 武漢科皓知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 42222
• 代理人: 張火春

?

技術領域

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。

?

背景技術

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?on?insulator?）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。

基于Ⅲ-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Ⅲ-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。

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（TOSA?Transmitter?Optical?Subassembly）。SIP芯片由SOI片制作，如圖3所示，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芯片中亞微米硅波導耦合。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1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，因此光纖與硅波導可以比較好的耦合。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。

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。

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III-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III-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。

?

發明內容