[发明专利]一种基于激光器封装的硅基光电子芯片

说明书

 

技术领域

本发明涉及一种用于硅基光电子芯片，特别涉及一种激光器封装的硅基光电子集成芯片，本发明属于光子集成器件技术领域。

 

背景技术

IC（集成电路）芯片一般由硅片制作，它可以对电子信号进行各种控制，实现很多功能，比如电子放大器，逻辑门电路，驱动（DRIVER），数模转化器，DSP（数字信号处理）器，CPU（中央处理器）等等。光子信号是光纤通信的信号载体，不同于电子信号，它不能在电线中传输，也无法用IC芯片进行处理。目前，人们开始用绝缘体上硅（SOI，silicon on insulator ）片来制作光芯片，可以集成多种光子功能器件，实现对光子信号的滤波，分束，放大，调制等多种功能。由于IC和光芯片都可以在SOI片上制作，一些研究机构和公司开始研究将IC功能和光芯片功能同时做在一块SOI片上，实现所谓硅基光电子芯片（简称SIP芯片，SILICON PHOTONICS的缩写），该芯片既能处理电子信号，又能同时处理光信号，实现了光电功能器件的体积小，功耗低，成本低的目的。但是和IC芯片比较起来，光芯片的制作工艺和信号的输入输出方式有很大的不同。

基于Ⅲ-Ⅴ族材料（如InP、GaAs等）的激光器已经大批量生产，其封装器件如TOSA等作为成熟光源已经大量应用于光通信等光电领域。同时SIP芯片中用于传输光信号的SOI波导尺寸越来越小，甚至缩小到亚微米尺度，波导尺寸与Ⅲ-Ⅴ族激光器或其封装器件输出光斑失配严重，因此，SIP芯片的光信号输入是一个亟待解决的难题。

光电子器件应用中，边发射半导体激光器作为光源通常会封装成光发射组件（TOSA Transmitter Optical Subassembly）。SIP芯片由SOI片制作，如图3所示，SOI片包括顶硅层4、限制层5和衬底层6，限制层5在衬底层6上，顶硅层4在限制层5上，保护作用的覆盖层7在顶硅层4上，硅波导8在顶硅层4上，其中硅波导横截面为亚微米尺寸。TOSA中发出的光由于发散角过大，光斑尺寸大，不能直接与SIP芯片中亚微米硅波导耦合。TOSA作为光源发出的光需要通过光纤与SIP芯片中硅波导耦合，图2所示为单模光纤截面示意图，包括光纤包层1和光纤纤芯2，光纤纤芯2直径为8~10微米。光纤出来的光发散角远小于边发射激光器直接发出的光，而硅波导通过模斑转换波导结构可以使硅波导耦合端面模场直径扩大到与光纤纤芯尺寸相当，因此光纤与硅波导可以比较好的耦合。由于TOSA中边发射半导体激光器发出的是单偏振光，而SIP芯片中功能结构（如调制器）也需要单偏振光输入才能正常工作，所以为了保持偏振态，需采用保偏光纤，图1所示为熊猫保偏光纤截面示意图，包括光纤包层1、光纤纤芯2和光纤应力区3。当光信号在单模光纤中传输时，实际制作光纤的任何非对称因素以及外在应力的加载都将在光纤中引入双折射效应而导致光的畸变，输出光的偏振状态是不稳定的。当光信号在保偏光纤中传输时，保偏光纤中在纤芯两边引入应力区产生高双折射效应来对抗外在应力变化的干扰，输出光的偏振状态是稳定的。

SIP芯片在SOI片上制作，光信号从芯片外部通过芯片上的硅波导结构进入芯片内部。光信号一般由半导体激光器发出，如VCSEL，FP，DFB等，由三五族材料制作。DFB等边发射半导体激光器发出的光是单偏振，属于TE模。SIP芯片上的硅波导功能结构，如MZI调制器等，一般工作在单偏振状态。因此，SIP芯片一般是由边发射激光器实现光信号输入。

半导体激光器中发出的光耦合进入SIP芯片一般有两种方式：直接耦合和间接耦合。直接耦合方式将III-V发光材料键合到SOI上，或者将DFB芯片直接贴装到SIP芯片的波导端面，之间不通过任何光纤，但是直接将III-V发光材料键合到SOI上或DFB芯片贴装到SIP芯片的端面，技术难度大，耦合容差小，器件的长期可靠性难以保证。间接耦合方式可以将激光器芯片封装成器件，通过光纤间接耦合进入SIP芯片。普通光纤并不能保持输出光的偏振模式，所以，要想使光信号从半导体激光器进入SIP芯片而能正常工作，可以在SIP芯片上采用光栅耦合结构保证单模耦合，但一般光栅耦合器与光纤的垂直耦合封装较困难，光谱较窄，耦合效率较低。或者连接激光器和SIP芯片采用的光纤为偏振保持光纤，即保偏光纤。保偏光纤一般是所谓熊猫眼光纤，在使用时需要认真对准熊猫眼，为保证一定的消光比，一定要将熊猫眼对的很准，比如角度偏离可能需要小于3度，导致操作难度大，成品率不能保证，成本高。

 

发明内容