矽光子集成高速光通信收發模塊的製作方法

2023-06-13 00:57:26 2

專利名稱：矽光子集成高速光通信收發模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及光子集成、光通信收發模塊和光纖通信，特別是應用於高速光通信系統中的關鍵技術，採用矽光子集成技術實現高速、集成化、低功耗的光通信收發模塊。
背景技術：
近年來網絡流量急速增長，主要來自於雲計算、移動網際網路視頻、數據中心等應用急劇膨脹，這也直接導致了全球光纖通信行業向著高度集成化和低功耗的方向發展，作為光纖通信系統中的關鍵技術，如何實現集成化的小尺寸、低功耗、低成本光通信收發模塊(以下簡稱「光模塊」)成為了當前市場的直接和迫切需求。借鑑於大規模集成電路的發展路線，目前國外正在開展研究將有源器件(例如雷射器、光放大器、探測器和調製器等)和光波導器件(例如分光/耦合器等)集成到一個襯底上，形成光子單片集成或光子混合集成，從而獲得單片多功能的器件，實現類似大規模集成電路的優點低成本、小尺寸、低功耗、靈活擴展和高可靠性等。目前矽光子集成技術被業界認為是最有前景的光子集成技術，採用矽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晶片和器件，可充分發揮娃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。矽光子集成工藝與微電子標準CMOS工藝兼容性好，不僅可以大大降低成本，還可集成娃基微電子電路。娃光子集成通常採用Silicon-on-insulator (SOI)材料形成的光波導，其光波導由Si芯層和Si02包層形成，其間較大的折射率差異對光場有很強的限制作用，從而可實現小到微米量級的波導彎曲半徑，從而為小型化和高密度集成化提供了實現的基礎。

發明內容
本發明的目的在於針對上述迫切的市場需求，基於先進的矽光子集成技術，提供一種高密度集成、低功耗的矽光子集成高速光通信收發模塊，突破了當前市場上的光模塊需要先單獨將光晶片封裝成光器件，再裝配到光模塊結構件中。採用本發明的技術，可直接將多種功能光晶片與相應需要的外圍支持電路晶片集成在矽襯底上，極大減小了當前光模塊的尺寸、功耗和成本，易於批量生產，也直接降低了生產成本。本發明採用的技術方案娃光子集成高速光通信收發模塊，包括光發射部分、光接收部分和娃襯底、光纖，其特徵在於光發射部分、光接收部分均安裝在同一矽襯底上，光發射部分的輸出端和光接收部分的輸入端通過光纖與外部光通信網絡實現互連互通。所述的光發射部分包括至少一個雷射器、至少一個矽調製器、一個光波分復用晶片、至少一個矽光波導、一根光纖，每個雷射器的輸出端通過一個矽調製器和一個矽光波導與光波分復用晶片的輸入端相連，光波分復用晶片的輸出端通過光纖輸出。所述的光發射部分還包括驅動電路晶片，驅動電路晶片分別與雷射器的光增益晶片和矽調製器相連。所述的雷射器由光增益晶片、娃光波導、娃反射鏡、娃微環諧振晶片組成，當光增益晶片發出的光進入到娃光波導，一部分光會進入到娃微環諧振晶片形成光濾波器，一部分光通過矽反射鏡，通過矽反射鏡的光作為種子光反射回到光增益晶片中形成雷射振蕩，即光增益晶片和矽反射鏡形成振蕩腔。所述的矽調製晶片由1X2多模(麗)幹涉儀、矽光波導、矽延遲線、兩個矽相移晶片、2XmM幹涉儀組成，輸入直流光與1X2多模(麗)幹涉儀相連，1X2多模(麗)幹涉儀二個輸出端分別連接矽光波導和矽延遲線，矽光波導和矽延遲線分別通過一矽相移晶片與2X1MM幹涉儀相連並輸出調製光。所述的矽相移晶片由矽波導層、二氧化矽層和矽襯底組成，矽襯底上依次為二氧化娃層、娃波導層。
所述的光接收部分包括至少一個限制放大電晶片、至少一個變阻放大電晶片、至少一個光電探測晶片、一個光解復用晶片、至少一個矽光波導、光纖，光纖與光解復用晶片的輸入端相連，光解復用晶片的輸出端分別與各娃光波導相連，光解復用晶片分別與各光電探測晶片的輸入端相連，每個光電探測晶片的輸出端分別依次對應一變阻放大電晶片和一個限制放大電晶片。所述的光接收部分還包括一光放大器，光放大器連接在光纖與光解復用晶片的輸入端之間。本發明採用矽光子集成技術可以將微電子和光電子結合起來構成矽光子集成高速光通信收發模塊，可充分發揮矽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。採用光增益晶片、矽微環諧振晶片、矽反射鏡實現的雷射發射，具有高密度集成、靈活配置激射波長等優點，可實現緊湊的陣列多波長發射。


圖I為本發明的矽光子集成高速光模塊的結構框圖。圖I 一 I為本發明的半導體探測器安裝結構示意圖。圖I 一 2為本發明的光增益晶片嵌入固結在矽襯底上結構示意圖。圖2為本發明採用光增益晶片實現雷射發射的仿真結果示意圖。圖3為本發明採用MZ幹涉儀實現的矽調製晶片結構示意圖。圖3 — I為矽相移晶片結構示意圖。圖4為本發明的採用微環諧振晶片實現的矽調製晶片結構示意圖。圖4 一 I為外部調製信號源結構示意圖。圖5為採用矽光子集成實現高速光模塊的一個具體實例。
具體實施例方式為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。如圖I所示，單片集成或混合集成多個不同功能的晶片在同一矽襯底100上。首先說明光發射部分的原理。圖I以光增益晶片Iio形成的雷射器109為例，當光增益晶片發出的光進入到矽光波導111，一部分光會進入到矽微環諧振晶片113形成的光濾波器，這個光濾波器會選擇性地將所需波長濾出，一部分光通過矽反射鏡112，作為種子光反射回到光增益晶片110中，形成雷射振蕩，即I光增益晶片10和矽反射鏡112形成振蕩腔，矽微環諧振晶片113作為光濾波器，實現雷射振蕩激射。通過改變矽微環諧振晶片113的尺寸大小，可實現不同波長的雷射，圖I舉例展示了通過四組雷射器109實現的四個不同激射波長λ η λ 2、λ 3、λ 4,這四個不同激射波長λ η λ 2、λ 3、入4分別經過一娃調製器114調製並加入所需信息，通過四個矽光波導116進入到同一光波分復用晶片115，實現將四個不同波長信號光復用到一個矽光波導內，最後將光信號直接耦合到定位於矽襯底100的V型槽107中的光纖108，作為光發射輸出。圖I中以四組不同波長信號光為例，如果每組信號光的帶寬為10G，從而可實現傳輸40G信息的目的；如果設計N組不同波長信號光，每組信號光帶寬為10G，就能實現NXlOG的帶寬輸出，其中N為不等於零的自然數。另外，作為光增益晶片110和矽調製器114的驅動電路晶片117，可採用標準矽CMOS技術得以實現並可和以上光晶片集成在同一矽襯底上。由光增益晶片嵌入固結在矽襯底上，並直接光耦合到由二 氧化矽芯層和二氧化矽包層實現的光波導內，如圖I 一 2所示。對於光接收部分，來自光網絡系統的入射光通過位於矽襯底100的V型槽107中的光纖108進入到本發明的光模塊，基於不同應用，可以通過一個光放大器106將入射光放大或無需使用106，再進入到光解復用晶片104中，入射光信號解復用後輸出不同的波長到不同矽光波導105，圖I中以四組不同入射波長\為例，每個入射波長進入到一光電探測晶片103中轉為電信號輸出，然後分別經過一變阻放大電晶片(TIA) 102和一限制放大電晶片(LA)IOl整形放大後作為接收電信號輸出。考慮到不同光電探測器103類型，以面接收光電探測器為例，說明了接收部分的材料結構圖由二氧化矽芯層和二氧化矽包層實現的光波導將入射信號光導入到光模塊中，然後經過一個45度金屬反射鏡將入射光反射到面接收半導體探測器中，如圖I 一 I所示。同樣，與發射部分類似，如果設計N組不同波長入射信號光，每組信號光帶寬為10G，採用這一方案，同樣能夠支持NXlOG的帶寬輸入，其中N為不等於零的自然數。圖2通過光學仿真進一步說明圖I中採用光增益晶片實現雷射晶片109的工作原理圖2中200表示圖I中實現的雷射晶片109，由光增益晶片201、矽光波導202、矽微環諧振晶片203以及矽反射鏡204組成，通過改變矽微環諧振晶片203的尺寸，採用本發明這一模塊可以實現四組不同粗波分復用(CWDM)波長的激射波長輸出，包括1271nm、1291nm、1311nm和1331nm四組波長和相應光譜。在目前40G和100G乙太網光網絡系統客戶端中，要求採用四組CWDM波長光復用形成40G和100G的信號光，因此，本發明這一模塊可應用到40G和100G的光網絡系統中。圖3和圖4舉例說明了實現圖I中娃調製晶片114的兩種結構，實際情況中並不僅限於這兩種結構實現矽調製晶片114，這裡只是舉例說明而已。圖3說明了採用馬涉曾德(MZ)幹涉儀實現的矽調製晶片的結構，所述的矽調製晶片由1X2多模(MM)幹涉儀300、矽光波導301、矽延遲線304、兩個矽相移晶片302、2X1MM幹涉儀303組成，輸入直流光與1X2多模(MM)幹涉儀300相連，1X2多模(MM)幹涉儀300 二個輸出端分別連接矽光波導301和矽延遲線304，矽光波導301和矽延遲線304分別通過一矽相移晶片302與2ΧΒΜ幹涉儀303相連並輸出調製光。進一步，矽相移晶片302結構包括了矽波導層308、二氧化矽層307以及矽襯底306，如圖3-1所示。輸入直流光經過1X2多模(MM)幹涉儀300後分成兩束同相位、等功率的光束並沿兩個分支傳播，在經過調製區時，由於載流子注入改變了調製器一個臂的光學常數，使該波導上的光束相位發生改變，在2X1MM幹涉儀303處兩光束幹涉，發生振幅的疊加或相消，這樣，通過調製光傳輸的兩臂折射率差以調節相對相位，可以形成相干或相消最終達到光調製的效果，實現輸出調製光。圖4中採用了微環諧振晶片實現矽調製器400的結構，由矽光直波導401、具有波長選擇功能的矽微環諧振晶片403、p+摻雜404 (內部)和η+摻雜402 (外部)形成的電極組成，可通過外部調製信號源405實現調製功能，其具體的材料結構如圖4 - I所示。微環諧振晶片403的內部404和外部402形成了電極結構，用於注入載流子當加調製信號時，「I」電平會導致矽光直波導401的一端輸入直流光直接通過401，從另一端輸出；「O」電平時，401中的光被I禹合進403中，401輸出端將無光輸出，這樣形成了輸出調製光。如406所示，該方法採用了高折射率差結構，不僅可以保證小尺寸，並且可以實現開關速度的提聞，即聞調製速度。 本發明以單個雷射器和單個探測器為例，提供了一個矽光子集成實現光模塊的具體方案，如圖5所示。類似的方案也可應用於可採用雷射器和探測器陣列，實現更高速的光模塊，如圖5所不。圖5中的標識了整個方案,包括一個光增益晶片507、一個微環諧振晶片509、一個娃反射鏡508、一個娃調製晶片(511、512、513)、一個娃探測器504、一個光增益晶片驅動電晶片507以及接收電晶片501,全部集成在同一個娃襯底上。對於集成化的光模塊發射部分(506、508、509)實現的雷射發射輸出到矽光波導510內，進入到矽調製晶片獲得光信號調製。為了實現與光纖更高的光耦合效率，從矽調製晶片輸出的調製光通過一個光模式變化晶片514,把其輸出光模場能夠與光纖515匹配上,實現更高的光稱合效率。對於接收部分，輸入信號光從光纖505進入到光電探測晶片504後,輸出的電信號經過電波導502進入到接收電晶片501後，最終形成電調製信號輸出。以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明專利的保護範圍之內。
權利要求
1.矽光子集成高速光通信收發模塊，包括光發射部分、光接收部分和矽襯底、光纖，其特徵在於光發射部分、光接收部分均安裝在同一矽襯底上，光發射部分的輸出端和光接收部分的輸入端通過光纖與外部光通信網絡實現互連互通。
2.根據權利要求I所述的矽光子集成高速光通信收發模塊，其特徵在於所述的光發射部分包括至少一個雷射器、至少一個矽調製器、一個光波分復用晶片、至少一個矽光波導、一根光纖，每個雷射器的輸出端通過一個娃調製器和一個娃光波導與光波分復用晶片的輸入端相連，光波分復用晶片的輸出端通過光纖輸出。
3.根據權利要求2所述的矽光子集成高速光通信收發模塊，其特徵在於還包括驅動電路晶片，驅動電路晶片分別與雷射器的光增益晶片和矽調製器相連。
4.根據權利要求2或3所述的矽光子集成高速光通信收發模塊，其特徵在於所述的雷射器由光增益晶片、娃光波導、娃反射鏡、娃微環諧振晶片組成，當光增益晶片發出的光進入到矽光波導，一部分光會進入到矽微環諧振晶片形成光濾波器，一部分光通過矽反射鏡，通過矽反射鏡的光作為種子光反射回到光增益晶片中形成雷射振蕩，即光增益晶片和矽反射鏡形成振蕩腔。
5.根據權利要求2或3所述的矽光子集成高速光通信收發模塊，其特徵在於所述的矽調製晶片由1X2多模(MM)幹涉儀、矽光波導、矽延遲線、兩個矽相移晶片、2X1MM幹涉儀組成，輸入直流光與1X2多模(MM)幹涉儀相連，1X2多模(MM)幹涉儀二個輸出端分別連接矽光波導和矽延遲線，矽光波導和矽延遲線分別通過一矽相移晶片與2X1MM幹涉儀相連並輸出調製光。
6.根據權利要求5所述的矽光子集成高速光通信收發模塊，其特徵在於所述的矽相移晶片由娃波導層、二氧化娃層和娃襯底組成，娃襯底上依次為二氧化娃層、娃波導層。
7.根據權利要求I所述的矽光子集成高速光通信收發模塊，其特徵在於所述的光接收部分包括至少一個限制放大電晶片、至少一個變阻放大電晶片、至少一個光電探測晶片、一個光解復用晶片、至少一個矽光波導、光纖，光纖與光解復用晶片的輸入端相連，光解復用晶片的輸出端分別與各矽光波導相連，光解復用晶片分別與各光電探測晶片的輸入端相連，每個光電探測晶片的輸出端分別依次對應一變阻放大電晶片和一個限制放大電晶片。
8.根據權利要求7所述的矽光子集成高速光通信收發模塊，其特徵在於所述的光接收部分還包括一光放大器，光放大器連接在光纖與光解復用晶片的輸入端之間。
全文摘要
本發明涉及一種矽光子集成高速光通信收發模塊，包括光發射部分、光接收部分和矽襯底、光纖，其特徵在於光發射部分、光接收部分均安裝在同一矽襯底上，光發射部分的輸出端和光接收部分的輸入端通過光纖與外部光通信網絡實現互連互通。本發明採用矽光子集成技術可以將微電子和光電子結合起來構成矽光子集成高速光通信收發模塊，可充分發揮矽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。採用光增益晶片、矽微環諧振晶片、矽反射鏡實現的雷射發射，具有高密度集成、靈活配置激射波長等優點，可實現緊湊的陣列多波長發射。
文檔編號H04J14/02GK102882601SQ201210331698
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月10日 優先權日2012年9月10日
發明者胡朝陽, 餘燾, 石章如 申請人:胡朝陽, 餘燾, 石章如