CN102882602A

CN102882602A - 硅光子集成多波长单端口发射和接收光器件

Info

Publication number: CN102882602A
Application number: CN2012103342270A
Authority: CN
Inventors: 胡朝阳; 余焘; 石章如
Original assignee: Individual
Current assignee: Suzhou Haiguang Xinchuang Photoelectric Technology Co ltd
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2013-01-16
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: CN102882602B

Abstract

本发明涉及一种硅光子集成多波长单端口发射和接收光器件，包括发射部分、接收部分、光多次弹射Zig-Zag部分，发射部分的硅衬底凸起、接收部分的硅衬底凸起分别与Zig-Zag部分的硅衬底凹进相匹配并通过拼装定位并用胶固定，发射部分通过固定在硅衬底V型槽的光纤与外部光网络系统连通，外部光网络系统通过固定在硅衬底V型槽的光纤与接收部分连通。本发明采用标准硅工艺设备分别制作发射部分、接收部分和Zig-Zag部分，通过拼图拼接方式将多个硅衬底连接固结，并且通过硅衬底凸起和凹进的尺寸，可以控制Zig-Zag部分的光程。相对于业界目前实现的多波长单端口发射和接收光器件，本发明方法具有插入损耗更小、结构更加紧凑等优点。

Description

硅光子集成多波长单端口发射和接收光器件

技术领域

本发明涉及光通信器件、光子集成和光网络，基于高集成度的硅光子集成技术，实现高速、集成化、低功耗的硅光子集成多波长单端口发射和接收光器件。

背景技术

由于来自云计算、移动互联网视频、数据中心、高清电视、视频点播和移动宽带业务等的快速发展，如何满足持续增长的业务流量成为了近年来网络发展的主流方向，直接导致了全球光网络行业向着大容量、高度集成化和低功耗的方向发展。为了应对大容量网络的带宽要求，高速率的传输技术成为解决问题的重点，其中包括目前热门的通过波分复用实现的40G（4X10G）和100G（10X10G或4X25G）等技术：采用多个粗波分（CWDM）波长通道或多个密集波分（DWDM）波长通道，每个通道承载不同信息，然后复用这些具有不同波长的光信号在同一根光纤上传输，实现大容量的信息传输，例如NX10G（其中10G 作为基本传输速率）。因此，如何实现多波长单端口发射（例如NX10G）和接收（例如NX10G）的光器件是目前业界遇到的主要技术问题。

光子集成技术，类似于当前成熟的大规模集成电路技术，其优点是低成本、小尺寸、低功耗、灵活扩展和高可靠性等。目前硅光子集成技术被业界认为是最有前景的光子集成技术，采用硅光子集成技术可以将微电子和光电子结合起来，构成硅基光电混合集成芯片和器件，可充分发挥硅基微电子先进成熟的工艺技术、高度集成化、低成本等的优势，具有广泛的市场前景。采用硅光子实现的多波长单端口发射和接收光器件，具有集成度高、灵活扩展和低功耗等的特性。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述迫切的市场需求，基于先进的硅光子集成技术，提供一种大容量、易灵活配置和扩展、高密度集成、低功耗、低成本的硅光子集成多波长单端口发射和接收光器件，本发明的收发光器件采用了标准工艺设备和硅工艺流程，突破了当前市场上采用昂贵工艺设备实现多波长单端口光器件的方法。采用本发明的技术，可直接将多种功能光芯片集成在集成在同一硅衬底上，也可以根据实际应用集成在不同硅衬底上，然后通过拼装定位（“Jigsaw”技术）实现光耦合并最终固定，极大降低了当前制造高端光器件的生产成本，易于批量生产。

硅光子集成多波长单端口发射和接收光器件，包括发射部分、接收部分、光多次弹射Zig-Zag部分，其特征在于：发射部分的硅衬底凸起、接收部分的硅衬底凸起分别与Zig-Zag部分的硅衬底凹进相匹配并通过拼装定位并用胶固定，发射部分通过固定在硅衬底V型槽的光纤与外部光网络系统连通，外部光网络系统通过固定在硅衬底V型槽的光纤与接收部分连通。

所述的发射部分，包括硅衬底、N个不同波长的激光芯片、N+1个硅光波导、N个波分复用WDM滤波器、N个反射镜、光纤，N为不等于1的自然数，所有激光芯片、所有硅光波导、所有波分复用WDM滤波器分别集成在同一硅衬底上，每个波分复用WDM滤波器对应一个反射镜，每个激光芯片输出端通过一个硅光波导与一个波分复用WDM滤波器相连，每个波分复用WDM滤波器输出的光和反射的光入射到与其对应的反射镜上，N个反射镜采用镀膜方式对应地制作在Zig-Zag部分的硅衬底侧面或者直接将N个反射镜对应地粘结在Zig-Zag部分的硅衬底侧面，且每个波分复用WDM滤波器只允许对应波长的光通过，并全部反射其余波长的光，通过最后一个反射镜的多波长复用光被反射进入另一个硅光波导，通过另一个硅光波导导入固定在硅衬底V型槽的光纤内与外部光网络系统连通。

所述的N个反射镜制作成整体，通过镀膜方式对应地制作在Zig-Zag部分的硅衬底侧面。

所述的发射部分，包括硅衬底、N个不同波长的激光芯片、N个硅光波导、二个硅反射镜、另一硅光波导或多模干涉波导、光纤，N为不等于1的自然数，所有激光芯片、所有硅光波导分别集成在同一硅衬底上，如果采用多模干涉波导也集成在同一硅衬底上，二个硅反射镜直接制作在Zig-Zag部分的硅衬底上，每个激光芯片输出端通过一个硅光波导与其它承载不同波长的光波导渐渐汇聚但不融合，共同入射到一个硅反射镜上，并通过另一个硅反射镜打入到具有光模式转换功能的硅光波导或多模干涉波导中，通过另一硅光波导或多模干涉波导进入固定在硅衬底V型槽的光纤内与外部光网络系统连通。

所述的接收部分，包括硅衬底、N个不同波长的探测器芯片、N+1个硅光波导、N个波分解复用WDM滤波器、N个反射镜、光纤，N为不等于1的自然数，所有探测器芯片、所有硅光波导、所有波分解复用WDM滤波器分别集成在同一硅衬底上，N个反射镜采用镀膜方式对应地制作在Zig-Zag部分的硅衬底侧面或者直接将N个反射镜对应地粘结在Zig-Zag部分的硅衬底侧面，每个波分解波分复用WDM滤波器对应一个反射镜，每个探测器芯片输入端通过一个硅光波导与一个波分解复用WDM滤波器的输出端相连，外部光网络系统的光信号通过固定在硅衬底V型槽的光纤导入到一硅光波导，通过该硅光波导打入到第一块反射镜上，每个反射镜反射的光入射到与其对应的波分解复用WDM滤波器上，且每个波分解复用WDM滤波器只允许对应波长的光通过并输出，并全部反射其余波长的光。

本发明采用标准硅工艺设备分别制作发射部分、接收部分和光多次弹射Zig-Zag部分，通过拼图拼接方式将多个硅衬底连接固结，并且通过硅衬底凸起和凹进的尺寸，可以控制光多次弹射部分的光程。相对于业界目前实现的多波长单端口发射和接收光器件，本发明方法具有插入损耗更小、结构更加紧凑等优点。

附图说明

图1为本发明的实施例结构框图；

图2为本发明的发射部分的工作原理示意图；

图3为本发明的的制作示意图；

图4为采用硅反射镜的单片集成多波长单端口发射器件示意图。

具体实施方式

结合附图对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明包括：发射部分100、接收部分110、光多次弹射(Zig-Zag)部分107以及用于实现光波分复用/解复用的滤波器和反射镜等。

图1中标识的100表示采用硅光子集成技术的多波长单端口发射部分，单片集成或混合集成多个不同波长激光芯片在同一硅衬底上，图1中以4个不同波长激光芯片为例，同样方法可以扩展到N个不同波长的激光芯片。4个激光芯片101发出不同波长的光信号（信息的加入可以通过直接调制激光器或者外调光电调制器加入，这里不赘述），这四个波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的光信号进入到各自对应的硅光波导102。为了提高激光芯片101和硅光波导102的光耦合效率以及最终提高出光功率，101也可以采用具有输出光模式转换（SSC，Spot-Size Converter）的激光芯片。经过102导向后，波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的光信号传输到各自对应的窄带滤波器103或称之为WDM（波分复用）滤波器，具有允许指定波段光通过，而反射全部其它波段光的功能。这样，当波长λ₁的信号光进入到103时， λ₁信号光会通过这个WDM滤波器，到达位于Zig-Zag衬底107的反射镜106上被反射回到另一侧的WDM滤波器上：此时波长λ₂的信号光通过其对应的WDM滤波器，而λ₁信号光会被该WDM滤波器反射，从而实现λ₁信号光和λ₂信号光复用在一起。依此类推，基于光多次弹射工作原理（Zig-Zag光弹技术），最终实现多个光波长信号光λ₁、λ₂、λ₃、λ₄复用在一起，最终进入到位于V型槽112中的光纤111，形成多波长单端口发射输出到外部光网络系统。该技术方法采用光多次弹射工作原理（Zig-Zag光弹技术），对于多波长、多通道应用，实现的光路更紧凑，达到小型化的目的。相对于业界普遍采用的阵列波导光栅（AWG）实现的多波长单端口发射和接收光器件，采用本发明方法插入损耗更小（理想状态可以忽略不计插入损耗），结构会更加紧凑。

图1中标识的110表示采用硅光子集成技术的多波长单端口接收部分，单片集成或混合集成多个探测器芯片在同一硅衬底上，图1中以4个探测器芯片为例，同样方法可以扩展到N个探测器芯片。当来自外部光网络系统的多波长输入光信号通过位于V型槽112的光纤111进入到110的硅光波导中，类似于光发射部分，基于110和107光路构成得以实现的光多次弹射工作（Zig-Zag光弹技术），最终经过波分解复用滤波器108这个具有多波长的信号光,每个波长（λ₁、λ₂、λ₃、λ₄）光信号分别进入到各自对应的探测器芯片109中。

图2 以发射部分200为例，具体解释了如何实现多波长单端口输出的工作原理。激光芯片210发射出波长λ₁的光信号，到达WDM滤波器201：只允许λ₁波段光信号通过而反射全部其它波段。通过201的λ₁光信号到达反射镜206，全部被反射回来并到达WDM滤波器203上。由于203只允许λ₂波段光信号通过而反射全部其它波段，λ₁光信号又被反射回来。此时，λ₂波段光信号通过203与λ₁光信号复用在一起到达反射镜207，λ₁和λ₂合波光信号会被207全部反射回光路中，并到达WDM滤波器216上，与λ₃形成合波光信号。依此类推，λ₁、λ₂、λ₃合波光信号会通过反射镜208 全反射，到达WDM滤波器215后与λ₄合波，最终获得λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的合波光信号，形成在单端口光纤上的多波长输出光信号。其中，201、203、215、216以及206、207、208、209可以通过镀膜的方式在硅衬底上实现滤波和全反射的功能，也可以采用将单独滤波片和反射镜胶粘固结在硅衬底上。为了实现快速拼接多个硅衬底，图2中以发射部分200和光多次弹射Zig-Zag部分217为例，位于200上的硅衬底凸起202、214 和位于217上的硅衬底凹进205、218通过标准硅工艺制作实现匹配，并用胶最后固定，从而易于大规模生产。202、214的高度和205、218的深度可以通过设计仿真来确定，目的是获得适当的光多次弹射(Zig-Zag)光程长度。

进一步，图3说明了本发明的制作装配工艺。通过标准硅工艺分别制作发射硅衬底300、光多次弹射(Zig-Zag)硅衬底301和接收硅衬底302。其中，300和302上可以采用标准硅工艺制作V型槽和硅光波导，用于光耦合和导光，并可以采用镀膜方式在其侧面制作WDM滤波器，或者直接将单个WDM滤波片粘结在其侧面。300和302的衬底凸起部分可以采用标准硅工艺设备（Saw Cutter）去切割和研磨，实现设计上需要的工艺精度，用于控制光多次弹射(Zig-Zag)光程长度。301的制作类似于上述硅标准工艺，也可以采用镀膜方式在其侧面制作全反射镜，或者直接将单个或整片反射镜粘结在其侧面。当300、301和302分别制作完成后，通过各自硅衬底的凸起和凹进利用“Jigsaw”技术实现匹配，最后有胶固结固定。

图4表明了一个通过采用硅反射镜实现的更为紧凑的多波长单端口发射光器件400。类似于上面所述，4个激光芯片401发出的四个波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄的光信号进入到不同的硅光波导402中，承载不同波长的每个光波导渐渐汇聚但不融合，最终进入到硅反射镜组403中，被其中一个反射镜404反射后到达另外一个反射镜405上，最终将光耦合进406上。406是一个硅基的光模式转化器或者是一个多模干涉仪，可以将多波长的光转换后耦合到位于V型槽408中的光纤407内，实现多波长输出光信号。该方法采用了全硅基功能实现，结构更为紧凑，集成度更高。

Claims

1.硅光子集成多波长单端口发射和接收光器件，包括发射部分、接收部分、光多次弹射Zig-Zag部分，其特征在于：发射部分的硅衬底凸起、接收部分的硅衬底凸起分别与Zig-Zag部分的硅衬底凹进相匹配并通过拼装定位并用胶固定，发射部分通过固定在硅衬底V型槽的光纤与外部光网络系统连通，外部光网络系统通过固定在硅衬底V型槽的光纤与接收部分连通。

2.根据权利要求1所述的硅光子集成多波长单端口发射和接收光器件，其特征在于：所述的发射部分，包括硅衬底、N个不同波长的激光芯片、N+1个硅光波导、N个波分复用WDM滤波器、N个反射镜、光纤，N为不等于1的自然数，所有激光芯片、所有硅光波导、所有波分复用WDM滤波器分别集成在同一硅衬底上，每个波分复用WDM滤波器对应一个反射镜，每个激光芯片输出端通过一个硅光波导与一个波分复用WDM滤波器相连，每个波分复用WDM滤波器输出的光和反射的光入射到与其对应的反射镜上，N个反射镜采用镀膜方式对应地制作在Zig-Zag部分的硅衬底侧面或者直接将N个反射镜对应地粘结在Zig-Zag部分的硅衬底侧面，且每个波分复用WDM滤波器只允许对应波长的光通过，并全部反射其余波长的光，通过最后一个反射镜的多波长复用光被反射进入另一个硅光波导，通过另一个硅光波导导入固定在硅衬底V型槽的光纤内与外部光网络系统连通。

3.根据权利要求2所述的硅光子集成多波长单端口发射和接收光器件，其特征在于：所述的N个反射镜制作成整体，通过镀膜方式对应地制作在Zig-Zag部分的硅衬底侧面。

4.根据权利要求1所述的硅光子集成多波长单端口发射和接收光器件，其特征在于：所述的发射部分，包括硅衬底、N个不同波长的激光芯片、N个硅光波导、二个硅反射镜、另一硅光波导或多模干涉波导、光纤，N为不等于1的自然数，所有激光芯片、所有硅光波导分别集成在同一硅衬底上，如果采用多模干涉波导也集成在同一硅衬底上，二个硅反射镜直接制作在Zig-Zag部分的硅衬底上，每个激光芯片输出端通过一个硅光波导与其它承载不同波长的光波导渐渐汇聚但不融合，共同入射到一个硅反射镜上，并通过另一个硅反射镜打入到具有光模式转换功能的硅光波导或多模干涉波导中，通过另一硅光波导或多模干涉波导进入固定在硅衬底V型槽的光纤内与外部光网络系统连通。

5.根据权利要求1所述的硅光子集成多波长单端口发射和接收光器件，其特征在于：所述的接收部分，包括硅衬底、N个不同波长的探测器芯片、N+1个硅光波导、N个波分解复用WDM滤波器、N个反射镜、光纤，N为不等于1的自然数，所有探测器芯片、所有硅光波导、所有波分解复用WDM滤波器分别集成在同一硅衬底上，N个反射镜采用镀膜方式对应地制作在Zig-Zag部分的硅衬底侧面或者直接将N个反射镜对应地粘结在Zig-Zag部分的硅衬底侧面，每个波分解波分复用WDM滤波器对应一个反射镜，每个探测器芯片输入端通过一个硅光波导与一个波分解复用WDM滤波器的输出端相连，外部光网络系统的光信号通过固定在硅衬底V型槽的光纤导入到一硅光波导，通过该硅光波导打入到第一块反射镜上，每个反射镜反射的光入射到与其对应的波分解复用WDM滤波器上，且每个波分解复用WDM滤波器只允许对应波长的光通过并输出，并全部反射其余波长的光。

6.根据权利要求5所述的硅光子集成多波长单端口发射和接收光器件，其特征在于：所述的N个反射镜制作成整体，通过镀膜方式对应地制作在Zig-Zag部分的硅衬底侧面。