專利名稱：硅光子集成多波長單端口發(fā)射和接收光器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光通信器件、光子集成和光網(wǎng)絡(luò)，基于高集成度的硅光子集成技術(shù)，實現(xiàn)高速、集成化、低功耗的硅光子集成多波長單端口發(fā)射和接收光器件。
背景技術(shù)：
由于來自云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)視頻、數(shù)據(jù)中心、高清電視、視頻點播和移動寬帶業(yè)務(wù)等的快速發(fā)展，如何滿足持續(xù)增長的業(yè)務(wù)流量成為了近年來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主流方向，直接導(dǎo)致了全球光網(wǎng)絡(luò)行業(yè)向著大容量、高度集成化和低功耗的方向發(fā)展。為了應(yīng)對大容量網(wǎng)絡(luò)的帶寬要求，高速率的傳輸技術(shù)成為解決問題的重點，其中包括目前熱門的通過波分復(fù)用實現(xiàn)的40G (4X10G)和100G (10X10G或4X25G)等技術(shù)采用多個粗波分(CWDM)波長通道或多個密集波分(DWDM)波長通道，每個通道承載不同信息，然后復(fù)用這些具有不同波長·的光信號在同一根光纖上傳輸，實現(xiàn)大容量的信息傳輸，例如NXlOG (其中IOG作為基本傳輸速率)。因此，如何實現(xiàn)多波長單端口發(fā)射(例如NX10G)和接收(例如NX10G)的光器件是目前業(yè)界遇到的主要技術(shù)問題。光子集成技術(shù)，類似于當(dāng)前成熟的大規(guī)模集成電路技術(shù)，其優(yōu)點是低成本、小尺寸、低功耗、靈活擴(kuò)展和高可靠性等。目前硅光子集成技術(shù)被業(yè)界認(rèn)為是最有前景的光子集成技術(shù)，米用娃光子集成技術(shù)可以將微電子和光電子結(jié)合起來，構(gòu)成娃基光電混合集成芯片和器件，可充分發(fā)揮硅基微電子先進(jìn)成熟的工藝技術(shù)、高度集成化、低成本等的優(yōu)勢，具有廣泛的市場前景。采用硅光子實現(xiàn)的多波長單端口發(fā)射和接收光器件，具有集成度高、靈活擴(kuò)展和低功耗等的特性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述迫切的市場需求，基于先進(jìn)的硅光子集成技術(shù)，提供一種大容量、易靈活配置和擴(kuò)展、高密度集成、低功耗、低成本的硅光子集成多波長單端口發(fā)射和接收光器件，本發(fā)明的收發(fā)光器件采用了標(biāo)準(zhǔn)工藝設(shè)備和硅工藝流程，突破了當(dāng)前市場上采用昂貴工藝設(shè)備實現(xiàn)多波長單端口光器件的方法。采用本發(fā)明的技術(shù)，可直接將多種功能光芯片集成在集成在同一硅襯底上，也可以根據(jù)實際應(yīng)用集成在不同硅襯底上，然后通過拼裝定位(“Jigsaw”技術(shù))實現(xiàn)光耦合并最終固定，極大降低了當(dāng)前制造高端光器件的生產(chǎn)成本,易于批量生產(chǎn)。娃光子集成多波長單端口發(fā)射和接收光器件，包括發(fā)射部分、接收部分、光多次彈射Zig-Zag部分，其特征在于發(fā)射部分的硅襯底凸起、接收部分的硅襯底凸起分別與Zig-Zag部分的娃襯底凹進(jìn)相匹配并通過拼裝定位并用膠固定,發(fā)射部分通過固定在娃襯底V型槽的光纖與外部光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連通，外部光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過固定在硅襯底V型槽的光纖與接收部分連通。所述的發(fā)射部分，包括硅襯底、N個不同波長的激光芯片、N+1個硅光波導(dǎo)、N個波分復(fù)用WDM濾波器、N個反射鏡、光纖，N為不等于I的自然數(shù)，所有激光芯片、所有硅光波導(dǎo)、所有波分復(fù)用WDM濾波器分別集成在同一硅襯底上，每個波分復(fù)用WDM濾波器對應(yīng)一個反射鏡，每個激光芯片輸出端通過一個硅光波導(dǎo)與一個波分復(fù)用WDM濾波器相連，每個波分復(fù)用WDM濾波器輸出的光和反射的光入射到與其對應(yīng)的反射鏡上，N個反射鏡采用鍍膜方式對應(yīng)地制作在Zig-Zag部分的硅襯底側(cè)面或者直接將N個反射鏡對應(yīng)地粘結(jié)在Zig-Zag部分的硅襯底側(cè)面，且每個波分復(fù)用WDM濾波器只允許對應(yīng)波長的光通過，并全部反射其余波長的光，通過最后一個反射鏡的多波長復(fù)用光被反射進(jìn)入另一個硅光波導(dǎo)，通過另一個硅光波導(dǎo)導(dǎo)入固定在硅襯底V型槽的光纖內(nèi)與外部光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連通。所述的N個反射鏡制作成整體,通過鍍膜方式對應(yīng)地制作在Zig-Zag部分的娃襯底側(cè)面。所述的發(fā)射部分，包括娃襯底、N個不同波長的激光芯片、N個娃光波導(dǎo)、二個娃反射鏡、另一硅光波導(dǎo)或多模干涉波導(dǎo)、光纖，N為不等于I的自然數(shù)，所有激光芯片、所有硅光波導(dǎo)分別集成在同一娃襯底上，如果米用多模干涉波導(dǎo)也集成在同一娃襯底上，二個娃 反射鏡直接制作在Zig-Zag部分的硅襯底上，每個激光芯片輸出端通過一個硅光波導(dǎo)與其它承載不同波長的光波導(dǎo)漸漸匯聚但不融合，共同入射到一個硅反射鏡上，并通過另一個硅反射鏡打入到具有光模式轉(zhuǎn)換功能的硅光波導(dǎo)或多模干涉波導(dǎo)中，通過另一硅光波導(dǎo)或多模干涉波導(dǎo)進(jìn)入固定在硅襯底V型槽的光纖內(nèi)與外部光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連通。所述的接收部分，包括硅襯底、N個不同波長的探測器芯片、N+1個硅光波導(dǎo)、N個波分解復(fù)用WDM濾波器、N個反射鏡、光纖，N為不等于I的自然數(shù)，所有探測器芯片、所有硅光波導(dǎo)、所有波分解復(fù)用WDM濾波器分別集成在同一硅襯底上，N個反射鏡采用鍍膜方式對應(yīng)地制作在Zig-Zag部分的硅襯底側(cè)面或者直接將N個反射鏡對應(yīng)地粘結(jié)在Zig-Zag部分的硅襯底側(cè)面，每個波分解波分復(fù)用WDM濾波器對應(yīng)一個反射鏡，每個探測器芯片輸入端通過一個硅光波導(dǎo)與一個波分解復(fù)用WDM濾波器的輸出端相連，外部光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的光信號通過固定在娃襯底V型槽的光纖導(dǎo)入到一娃光波導(dǎo)，通過該娃光波導(dǎo)打入到第一塊反射鏡上，每個反射鏡反射的光入射到與其對應(yīng)的波分解復(fù)用WDM濾波器上，且每個波分解復(fù)用WDM濾波器只允許對應(yīng)波長的光通過并輸出，并全部反射其余波長的光。所述的N個反射鏡制作成整體,通過鍍膜方式對應(yīng)地制作在Zig-Zag部分的娃襯底側(cè)面。本發(fā)明采用標(biāo)準(zhǔn)硅工藝設(shè)備分別制作發(fā)射部分、接收部分和光多次彈射Zig-Zag部分，通過拼圖拼接方式將多個硅襯底連接固結(jié)，并且通過硅襯底凸起和凹進(jìn)的尺寸，可以控制光多次彈射部分的光程。相對于業(yè)界目前實現(xiàn)的多波長單端口發(fā)射和接收光器件，本發(fā)明方法具有插入損耗更小、結(jié)構(gòu)更加緊湊等優(yōu)點。


圖I為本發(fā)明的實施例結(jié)構(gòu)框圖；圖2為本發(fā)明的發(fā)射部分的工作原理示意圖；圖3為本發(fā)明的的制作示意圖；圖4為采用硅反射鏡的單片集成多波長單端口發(fā)射器件示意圖。
具體實施方式
結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。如圖I所示，本發(fā)明包括發(fā)射部分100、接收部分110、光多次彈射(Zig-Zag)部分107以及用于實現(xiàn)光波分復(fù)用/解復(fù)用的濾波器和反射鏡等。圖I中標(biāo)識的100表示采用硅光子集成技術(shù)的多波長單端口發(fā)射部分，單片集成或混合集成多個不同波長激光芯片在同一娃襯底上，圖I中以4個不同波長激光芯片為例，同樣方法可以擴(kuò)展到N個不同波長的激光芯片。4個激光芯片101發(fā)出不同波長的光信號(信息的加入可以通過直接調(diào)制激光 器或者外調(diào)光電調(diào)制器加入，這里不贅述)，這四個波長λ P λ2、λ 3、λ 4的光信號進(jìn)入到各自對應(yīng)的娃光波導(dǎo)102。為了提高激光芯片101和硅光波導(dǎo)102的光耦合效率以及最終提高出光功率，101也可以采用具有輸出光模式轉(zhuǎn)換(SSC, Spot-Size Converter)的激光芯片。經(jīng)過102導(dǎo)向后,波長λ 2> λ 3> λ 4的光信號傳輸?shù)礁髯詫?yīng)的窄帶濾波器103或稱之為WDM (波分復(fù)用)濾波器，具有允許指定波段光通過，而反射全部其它波段光的功能。這樣，當(dāng)波長X1的信號光進(jìn)入到103時，入工信號光會通過這個WDM濾波器，到達(dá)位于Zig-Zag襯底107的反射鏡106上被反射回到另一側(cè)的WDM濾波器上此時波長λ 2的信號光通過其對應(yīng)的WDM濾波器，而λ i信號光會被該WDM濾波器反射,從而實現(xiàn)入^言號光和λ2信號光復(fù)用在一起。依此類推,基于光多次彈射工作原理(Zig-Zag光彈技術(shù)),最終實現(xiàn)多個光波長信號光λ P λ2、λ 3、λ 4復(fù)用在一起，最終進(jìn)入到位于V型槽112中的光纖111，形成多波長單端口發(fā)射輸出到外部光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。該技術(shù)方法采用光多次彈射工作原理(Zig-Zag光彈技術(shù))，對于多波長、多通道應(yīng)用，實現(xiàn)的光路更緊湊，達(dá)到小型化的目的。相對于業(yè)界普遍采用的陣列波導(dǎo)光柵(AWG)實現(xiàn)的多波長單端口發(fā)射和接收光器件，采用本發(fā)明方法插入損耗更小(理想狀態(tài)可以忽略不計插入損耗)，結(jié)構(gòu)會更加緊湊。圖I中標(biāo)識的110表示采用硅光子集成技術(shù)的多波長單端口接收部分，單片集成或混合集成多個探測器芯片在同一硅襯底上，圖I中以4個探測器芯片為例，同樣方法可以擴(kuò)展到N個探測器芯片。當(dāng)來自外部光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的多波長輸入光信號通過位于V型槽112的光纖111進(jìn)入到Iio的娃光波導(dǎo)中，類似于光發(fā)射部分,基于110和107光路構(gòu)成得以實現(xiàn)的光多次彈射工作(Zig-Zag光彈技術(shù))，最終經(jīng)過波分解復(fù)用濾波器108這個具有多波長的信號光，每個波長(λ P λ2、λ3、λ 4)光信號分別進(jìn)入到各自對應(yīng)的探測器芯片109中。圖2以發(fā)射部分200為例，具體解釋了如何實現(xiàn)多波長單端口輸出的工作原理。激光芯片210發(fā)射出波長光信號，到達(dá)WDM濾波器201:只允許λ i波段光信號通過而反射全部其它波段。通過201的X1光信號到達(dá)反射鏡206，全部被反射回來并到達(dá)WDM濾波器203上。由于203只允許λ 2波段光信號通過而反射全部其它波段，λ i光信號又被反射回來。此時，λ 2波段光信號通過203與λ i光信號復(fù)用在一起到達(dá)反射鏡207，λ 和λ 2合波光信號會被207全部反射回光路中，并到達(dá)WDM濾波器216上，與λ 3形成合波光信號。依此類推，λ P λ2、λ 3合波光信號會通過反射鏡208全反射,到達(dá)WDM濾波器215后與λ 4合波，最終獲得λ P λ2、λ 3、λ 4的合波光信號，形成在單端口光纖上的多波長輸出光信號。其中，201、203、215、216以及206、207、208、209可以通過鍍膜的方式在硅襯底上實現(xiàn)濾波和全反射的功能，也可以采用將單獨濾波片和反射鏡膠粘固結(jié)在硅襯底上。為了實現(xiàn)快速拼接多個硅襯底，圖2中以發(fā)射部分200和光多次彈射Zig-Zag部分217為例，位于200上的硅襯底凸起202、214和位于217上的硅襯底凹進(jìn)205、218通過標(biāo)準(zhǔn)硅工藝制作實現(xiàn)匹配，并用膠最后固定，從而易于大規(guī)模生產(chǎn)。202、214的高度和205、218的深度可以通過設(shè)計仿真來確定，目的是獲得適當(dāng)?shù)墓舛啻螐椛?Zig-Zag)光程長度。進(jìn)一步，圖3說明了本發(fā)明的制作裝配工藝。通過標(biāo)準(zhǔn)硅工藝分別制作發(fā)射硅襯底300、光多次彈射(Zig-Zag)硅襯底301和接收硅襯底302。其中，300和302上可以采用標(biāo)準(zhǔn)硅工藝制作V型槽和硅光波導(dǎo)，用于光耦合和導(dǎo)光，并可以采用鍍膜方式在其側(cè)面制作WDM濾波器，或者直接將單個WDM濾波片粘結(jié)在其側(cè)面。300和302的襯底凸起部分可以采用標(biāo)準(zhǔn)娃工藝設(shè)備(Saw Cutter)去切割和研磨,實現(xiàn)設(shè)計上需要的工藝精度,用于控制光多次彈射(Zig-Zag)光程長度。301的制作類似于上述硅標(biāo)準(zhǔn)工藝，也可以采用鍍膜方式在其側(cè)面制作全反射鏡，或者直接將單個或整片反射鏡粘結(jié)在其側(cè)面。當(dāng)300、301和302分別制作完成后，通過各自硅襯底的凸起和凹進(jìn)利用“Jigsaw”技術(shù)實現(xiàn)匹配，最后有膠固結(jié)固定。圖4表明了一個通過采用硅反射鏡實現(xiàn)的更為緊湊的多波長單端口發(fā)射光器件 400。類似于上面所述，4個激光芯片401發(fā)出的四個波長入^入^入^入‘的光信號進(jìn)入到不同的硅光波導(dǎo)402中，承載不同波長的每個光波導(dǎo)漸漸匯聚但不融合，最終進(jìn)入到硅反射鏡組403中，被其中一個反射鏡404反射后到達(dá)另外一個反射鏡405上，最終將光耦合進(jìn)406上。406是一個硅基的光模式轉(zhuǎn)化器或者是一個多模干涉儀，可以將多波長的光轉(zhuǎn)換后率禹合到位于V型槽408中的光纖407內(nèi)，實現(xiàn)多波長輸出光信號。該方法米用了全娃基功能實現(xiàn)，結(jié)構(gòu)更為緊湊，集成度更高。
權(quán)利要求
1.娃光子集成多波長單端口發(fā)射和接收光器件，包括發(fā)射部分、接收部分、光多次彈射Zig-Zag部分，其特征在于發(fā)射部分的硅襯底凸起、接收部分的硅襯底凸起分別與Zig-Zag部分的娃襯底凹進(jìn)相匹配并通過拼裝定位并用膠固定,發(fā)射部分通過固定在娃襯底V型槽的光纖與外部光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連通，外部光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過固定在硅襯底V型槽的光纖與接收部分連通。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅光子集成多波長單端口發(fā)射和接收光器件，其特征在于所述的發(fā)射部分，包括硅襯底、N個不同波長的激光芯片、N+1個硅光波導(dǎo)、N個波分復(fù)用WDM濾波器、N個反射鏡、光纖，N為不等于I的自然數(shù)，所有激光芯片、所有硅光波導(dǎo)、所有波分復(fù)用WDM濾波器分別集成在同一硅襯底上，每個波分復(fù)用WDM濾波器對應(yīng)一個反射鏡，每個激光芯片輸出端通過一個硅光波導(dǎo)與一個波分復(fù)用WDM濾波器相連，每個波分復(fù)用WDM濾波器輸出的光和反射的光入射到與其對應(yīng)的反射鏡上，N個反射鏡采用鍍膜方式對應(yīng)地制作在Zig-Zag部分的硅襯底側(cè)面或者直接將N個反射鏡對應(yīng)地粘結(jié)在Zig-Zag部分的硅襯底側(cè)面，且每個波分復(fù)用WDM濾波器只允許對應(yīng)波長的光通過，并全部反射其余波長的光，通過最后一個反射鏡的多波長復(fù)用光被反射進(jìn)入另一個硅光波導(dǎo)，通過另一個硅光波導(dǎo)導(dǎo)入固定在硅襯底V型槽的光纖內(nèi)與外部光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連通。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的硅光子集成多波長單端口發(fā)射和接收光器件，其特征在于所述的N個反射鏡制作成整體，通過鍍膜方式對應(yīng)地制作在Zig-Zag部分的硅襯底側(cè)面。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅光子集成多波長單端口發(fā)射和接收光器件，其特征在于所述的發(fā)射部分，包括娃襯底、N個不同波長的激光芯片、N個娃光波導(dǎo)、二個娃反射鏡、另一硅光波導(dǎo)或多模干涉波導(dǎo)、光纖，N為不等于I的自然數(shù)，所有激光芯片、所有硅光波導(dǎo)分別集成在同一娃襯底上，如果米用多模干涉波導(dǎo)也集成在同一娃襯底上，二個娃反射鏡直接制作在Zig-Zag部分的硅襯底上，每個激光芯片輸出端通過一個硅光波導(dǎo)與其它承載不同波長的光波導(dǎo)漸漸匯聚但不融合，共同入射到一個硅反射鏡上，并通過另一個硅反射鏡打入到具有光模式轉(zhuǎn)換功能的硅光波導(dǎo)或多模干涉波導(dǎo)中，通過另一硅光波導(dǎo)或多模干涉波導(dǎo)進(jìn)入固定在硅襯底V型槽的光纖內(nèi)與外部光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連通。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的硅光子集成多波長單端口發(fā)射和接收光器件，其特征在于所述的接收部分，包括硅襯底、N個不同波長的探測器芯片、N+1個硅光波導(dǎo)、N個波分解復(fù)用WDM濾波器、N個反射鏡、光纖，N為不等于I的自然數(shù)，所有探測器芯片、所有硅光波導(dǎo)、所有波分解復(fù)用WDM濾波器分別集成在同一硅襯底上，N個反射鏡采用鍍膜方式對應(yīng)地制作在Zig-Zag部分的硅襯底側(cè)面或者直接將N個反射鏡對應(yīng)地粘結(jié)在Zig-Zag部分的硅襯底側(cè)面，每個波分解波分復(fù)用WDM濾波器對應(yīng)一個反射鏡，每個探測器芯片輸入端通過一個硅光波導(dǎo)與一個波分解復(fù)用WDM濾波器的輸出端相連，外部光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的光信號通過固定在娃襯底V型槽的光纖導(dǎo)入到一娃光波導(dǎo)，通過該娃光波導(dǎo)打入到第一塊反射鏡上，每個反射鏡反射的光入射到與其對應(yīng)的波分解復(fù)用WDM濾波器上，且每個波分解復(fù)用WDM濾波器只允許對應(yīng)波長的光通過并輸出，并全部反射其余波長的光。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的硅光子集成多波長單端口發(fā)射和接收光器件，其特征在于所述的N個反射鏡制作成整體，通過鍍膜方式對應(yīng)地制作在Zig-Zag部分的硅襯底側(cè)面。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種硅光子集成多波長單端口發(fā)射和接收光器件，包括發(fā)射部分、接收部分、光多次彈射Zig-Zag部分，發(fā)射部分的硅襯底凸起、接收部分的硅襯底凸起分別與Zig-Zag部分的硅襯底凹進(jìn)相匹配并通過拼裝定位并用膠固定，發(fā)射部分通過固定在硅襯底V型槽的光纖與外部光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)連通，外部光網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通過固定在硅襯底V型槽的光纖與接收部分連通。本發(fā)明采用標(biāo)準(zhǔn)硅工藝設(shè)備分別制作發(fā)射部分、接收部分和Zig-Zag部分，通過拼圖拼接方式將多個硅襯底連接固結(jié)，并且通過硅襯底凸起和凹進(jìn)的尺寸，可以控制Zig-Zag部分的光程。相對于業(yè)界目前實現(xiàn)的多波長單端口發(fā)射和接收光器件，本發(fā)明方法具有插入損耗更小、結(jié)構(gòu)更加緊湊等優(yōu)點。
文檔編號H04B10/50GK102882602SQ20121033422
公開日2013年1月16日 申請日期2012年9月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月12日
發(fā)明者胡朝陽, 余燾, 石章如 申請人:胡朝陽, 余燾, 石章如