硅基WDM光收发模块的制作方法

本发明属于半导体领域和光电集成领域，特别是涉及一种利用硅光子和PLC混合集成实现的硅基WDM光收发模块。

背景技术：

随着人们对信息传输、处理速度要求的不断提高和多核计算时代的来临，基于金属的电互连将会由于过热、延迟、电子干扰等缺陷成为发展瓶颈。而采用光互连来取代电互连，可以有效解决这一难题。在光互连的具体实施方案中，硅基光互连以其无可比拟的成本和技术优势成为首选。硅基光互连既能发挥光互连速度快、带宽大、抗干扰、功耗低等优点，又能充分利用微电子工艺成熟、高密度集成、高成品率、成本低廉等优势，其发展必将推动新一代高性能计算机、数据通信系统的发展，有着广阔的市场应用前景。此外，由于硅和二氧化硅的折射率差大(硅：3.5；二氧化硅：1.5)，对光场的限制能力强，可以实现亚微米的光波导和超小尺寸的硅光器件。硅基光互连的核心技术是在硅基上实现各种光功能器件，如硅基激光器芯片、电光调制器、光电探测器、滤波器、波分复用器、耦合器、分光器等。在硅基光电集成方面，Luxtera于2006年推出并行4通道4*10Gbps的光收发模块，将除光源外的光栅耦合器、调制器、探测器以及驱动电路和接收电路全部集成在一个单芯片中。2012年，Luxtera又推出了并行4通道4*28Gbps最新收发模块。然而并行通道需要用到多根光纤，通过波分复用技术，将不同波长的光复用到一个光纤中，如图所示。在接收端，在通过解复用器将不同波长的光解复用到不同的探测器。通过在硅基上实现各种光功能器件，如硅基激光器芯片、电光调制器、光电探测器、滤波器、波分复用器、耦合器、分光器等，实现完整的硅基WDM芯片，再封装成WDM光收发模块是人们的研究方向。

然而，在实际的应用过程中，硅基波分复用器/解复用器面临以下困难：

1)硅和二氧化硅的折射率差大，对线宽和SOI顶层硅厚度的精度要求高，造成线宽和SOI顶层硅厚度变化导致相移区相移变化，导致波长漂移；

2)对侧壁的粗糙度要求高，造成侧壁粗糙导致随机相位误差，导致通道间的隔离度变差；

3)硅和二氧化硅的折射率差大，硅基光器件是偏振敏感器件，而从光纤耦合到硅光子芯片的光的偏振状态是随机的，导致难于实现TE/TM偏振不相关的复用(MUX)/解复用器(Demux)；

4)硅和二氧化硅的折射率差大，光波导的尺寸在亚微米量级，而光纤的模场尺寸在10 微米量级，两者之间的模式尺寸失配严重，导致硅波导和光纤之间的耦合工艺困难，对对准精度的要求高。

随着硅基光器件及硅基光互连系统的不断普及应用，如何开发出低成本、易加工的WDM光收发模块，成为本领域技术研发的一个重要目标。

目前，传统基于平面光波导技术(PLC)的波分复用/解复用芯片已经成熟，并在传统基于分立器件的WDM光收发模块中得到广泛使用。在传统基于分离器件的WDM光收发模块中，直接调制激光器和探测器通常都是分立器件，通过封装技术将多个直接调制激光器、探测器、及基于PLC技术的波分复用/解复用芯片集成在一个模块内，面临尺寸大，功耗高等缺点。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种利用硅光子和PLC混合集成实现的硅基WDM光收发模块，用于解决现有技术中硅基WDM光收发模块集成难度高以及集成成本高的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种硅基WDM光收发模块，所述硅基WDM光收发模块包括：硅光子芯片，包括调制器阵列和探测器阵列；以及基于平面光波导技术实现的波分复用器及解复用器，所述波分复用器与所述调制器阵列通过封装连接，所述解复用器与所述探测器阵列通过封装连接。

作为本发明的硅基WDM光收发模块的一种优选方案，所述基于平面光波导技术实现的波分复用器及解复用器及所述硅光子芯片分别为独立设置的芯片。

作为本发明的硅基WDM光收发模块的一种优选方案，所述波分复用器及解复用器集成于同一个平面光波导芯片上或者分别设置于不同的平面光波导芯片上。

作为本发明的硅基WDM光收发模块的一种优选方案，所述调制器阵列包括多个通道的调制器。

作为本发明的硅基WDM光收发模块的一种优选方案，所述探测器阵列包括多个通道的探测器。

作为本发明的硅基WDM光收发模块的一种优选方案，还包括第一光纤耦合器，所述第一光纤耦合器与所述波分复用器集成于同一个平面光波导芯片上。

优选地，所述平面光波导芯片通过所述第一光纤耦合器与单模光纤进行耦合。

作为本发明的硅基WDM光收发模块的一种优选方案，还包括第二光纤耦合器，所述第二光纤耦合器与所述解复用器集成于同一个平面光波导芯片上。

优选地，所述平面光波导芯片通过所述第二光纤耦合器与单模光纤进行耦合。

作为本发明的硅基WDM光收发模块的一种优选方案，还包括激光器芯片，所述激光器芯片与所述硅光子芯片通过封装连接。

如上所述，本发明的硅基WDM光收发模块，具有以下有益效果：

1)本发明通过将硅光子芯片和平面光波导(PLC)技术实现的波分复用及解复用芯片封装在一起实现WDM光模块，从而避免硅基波分复用/解复用器在工艺上的困难；

2)通过波分复用技术，减小光纤数量，提高单通道的通信容量；

3)本发明采用的PLC芯片中，芯层和覆层材料的折射率差小，对工艺精度要求低，偏振不敏感；折射率差小，相比于硅波导，PLC波导的尺寸与单模光纤的尺寸更接近，PLC波导和光纤之间的耦合更成熟，降低了耦合难度；

4)针对传统基于分立激光器/探测器和PLC技术的WDM光收发模块，集成度低，功耗高的缺点，本发明通过采用硅光子技术将调制器阵列和探测器阵列集成在一起，可以大大提高光模块的集成度，降低功耗；

5)利用硅光子监控探测器等器件，甚至可以对包括调制器的电驱动芯片(driver)和探测器的接收芯片实现多通道高速调制器和探测器阵列的集成。

附图说明

图1显示为本发明实施例1中的硅基WDM光收发模块的结构示意图。

图2显示为本发明实施例2中的硅基WDM光收发模块的结构示意图。

元件标号说明

10 硅光子芯片

101 调制器

102 探测器

20、40、50 平面光波导芯片

201 波分复用器

202 解复用器

203 第一光纤耦合器

204 第二光纤耦合器

205 单模光纤

30 激光器芯片

301 激光器

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

请参阅图1～图2。需要说明的是，本实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图示中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种硅基WDM光收发模块，所述硅基WDM光收发模块包括：硅光子芯片10，包括调制器101阵列和探测器102阵列；以及基于平面光波导技术实现的波分复用器201及解复用器202，所述波分复用器201及解复用器202集成在同一平面光波导芯片20上，所述波分复用器201与所述调制器101阵列通过封装连接，所述解复用器202与所述探测器102阵列通过封装连接。

波分复用技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端通过复用器(mux)将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端通过解复用器202(demux)将组合的波长光信号分开(解复用)，送到不同的光探测器102(Photodetectors)。通过波分复用/解复用技术，一个物理通道(一根光纤/光波导)可以同时实现几个信道的通信(每个波长即是一个信道)。

复用器/解复器Mux/Demux器件结构有阵列波导光栅(Arrayed waveguide grating)，刻蚀衍射光栅(EDG)，光交叉复用/解复用器(interleaver)，微环谐振器等技术。具体采用哪种结构根据mux/demux的指标、器件尺寸，波长通道间隔，通道数量,等指标选定。

作为示例，所述基于平面光波导技术实现的波分复用器201及解复用器202及所述硅光子芯片10分别为独立设置的芯片。

由于平面光波导PLC技术集成度低，无法实现有源器件的集成，因此，通常难以与硅光子芯片10等进行集成，本发明通过将独立设置的基于平面光波导技术实现的波分复用器201 及解复用器202及所述硅光子芯片10通过封装技术连接在一起，除了能获得传统PLC技术中的如下优点以外：芯层和覆层材料的折射率差小，对工艺精度要求低，偏振不敏感；折射率差小，相比于硅波导，PLC波导的尺寸与单模光纤205的尺寸更接近，PLC波导和光纤之间的耦合更成熟，降低了耦合难度；还可以避免硅基波分复用/解复用器202在工艺上的困难，大大提高光模块的集成度，降低功耗。

如图1所示，在本实施例中，所述波分复用器201及解复用器202集成于同一个平面光波导芯片20上。将波分复用器201及解复用器202集成于同一个平面光波导芯片20上，可以有利于成本的降低。

作为示例，所述调制器101阵列包括多个通道的调制器101，同时，所述探测器102阵列包括多个通道的探测器102。本发明可以通过波分复用器201及解复用器202实现多通道硅光子芯片10的集成，可以减小光纤数量，提高单通道的通信容量。

作为示例，还包括第一光纤耦合器203，所述第一光纤耦合器与所述波分复用器201集成于同一个平面光波导芯片20上。优选地，所述平面光波导芯片20通过所述第一光纤耦合器与单模光纤205进行耦合。

作为示例，还包括第二光纤耦合器204，所述第二光纤耦合器204与所述解复用器202集成于同一个平面光波导芯片20上。优选地，所述平面光波导芯片20通过所述第二光纤耦合器204与单模光纤205进行耦合。

相比于硅波导，PLC波导的尺寸与单模光纤205的尺寸更接近，PLC波导和光纤之间的耦合更成熟，降低了耦合难度。

作为示例，还包括激光器芯片30，所述激光器芯片30与所述硅光子芯片10通过封装连接，使得激光器芯片30中的激光器301与硅光子芯片10中的调制器101对准。本发明通过将激光器芯片30、硅光子芯片10以及基于平面光波导技术实现的波分复用器201及解复用器202封装在一起，实现综合波分复用(WDM)光收发模块。激光器发出的激光通过调制器调制后，通过复用器(mux)将不同波长的光信号组合起来，并通过第一光纤耦合器耦合到光缆线路上的同一单模根光纤中进行传输，在接收端通过第二光纤耦合器发送至解复用器(demux)，将组合的波长光信号分开(解复用)，送到不同的光探测器102(Photodetectors)中进行探测。

实施例2

如图2所示，本实施例提供一种硅基WDM光收发模块，所述硅基WDM光收发模块包括：硅光子芯片10，包括调制器101阵列和探测器102阵列；以及基于平面光波导技术实现的波分复用器201及解复用器202，所述波分复用器201及解复用器202分别为独立设置的平面光波导芯片40和50，所述波分复用器201与所述调制器101阵列通过封装连接，所述解复用器202与所述探测器102阵列通过封装连接。所述基于平面光波导技术实现的波分复用器201及解复用器202及所述硅光子芯片10分别为独立设置的芯片。

波分复用技术是在一根光纤中同时传输多波长光信号的一项技术。其基本原理是在发送端通过复用器(mux)将不同波长的光信号组合起来(复用)，并耦合到光缆线路上的同一根光纤中进行传输，在接收端通过解复用器202(demux)将组合的波长光信号分开(解复用)，送到不同的光探测器102(Photodetectors)。通过波分复用/解复用技术，一个物理通道(一根光纤/光波导)可以同时实现几个信道的通信(每个波长即是一个信道)。

复用器/解复器Mux/Demux器件结构有阵列波导光栅(Arrayed waveguide grating)，刻蚀衍射光栅(EDG)，光交叉复用/解复用器(interleaver)，微环谐振器等技术。具体采用哪种结构根据mux/demux的指标、器件尺寸，波长通道间隔，通道数量,等指标选定。

由于平面光波导PLC技术集成度低，无法实现有源器件的集成，因此，通常难以与硅光子芯片10等进行集成，本发明通过将独立设置的基于平面光波导技术实现的波分复用器201及解复用器202及所述硅光子芯片10通过封装技术连接在一起，除了能获得传统PLC技术中的如下优点以外：芯层和覆层材料的折射率差小，对工艺精度要求低，偏振不敏感；折射率差小，相比于硅波导，PLC波导的尺寸与单模光纤205的尺寸更接近，PLC波导和光纤之间的耦合更成熟，降低了耦合难度；还可以避免硅基波分复用/解复用器202在工艺上的困难，大大提高光模块的集成度，降低功耗。

如图2所示，在本实施例中，所述波分复用器201及解复用器202分别设置于不同的平面光波导芯片40及50上。将波分复用器201及解复用器202分别设置于不同的平面光波导芯片40及50上，使得封装时可以依据需求进行各种不同的组合设置，实现更多的功能。

作为示例，所述调制器101阵列包括多个通道的调制器101，同时，所述探测器102阵列包括多个通道的探测器102。本发明可以通过波分复用器201及解复用器202实现多通道硅光子芯片10的集成，可以减小光纤数量，提高单通道的通信容量。

作为示例，还包括第一光纤耦合器203，所述第一光纤耦合器与所述波分复用器201集成于同一个平面光波导芯片40上。优选地，所述平面光波导芯片40通过所述第一光纤耦合器与单模光纤205进行耦合。

作为示例，还包括第二光纤耦合器204，所述第二光纤耦合器204与所述解复用器202集成于同一个平面光波导芯片50上。优选地，所述平面光波导芯片50通过所述第二光纤耦合器204与单模光纤205进行耦合。

相比于硅波导，PLC波导的尺寸与单模光纤205的尺寸更接近，PLC波导和光纤之间的耦合更成熟，降低了耦合难度。

作为示例，还包括激光器芯片30，所述激光器芯片30与所述硅光子芯片10通过封装连接，使得激光器芯片30中的激光器301与硅光子芯片10中的调制器101对准。本发明通过将激光器芯片30、硅光子芯片10以及基于平面光波导技术实现的波分复用器201及解复用器202封装在一起，实现综合波分复用(WDM)光收发模块。激光器发出的激光通过调制器调制后，通过复用器(mux)将不同波长的光信号组合起来，并通过第一光纤耦合器耦合到光缆线路上的同一单模根光纤中进行传输，在接收端通过第二光纤耦合器发送至解复用器(demux)，将组合的波长光信号分开(解复用)，送到不同的光探测器102(Photodetectors)中进行探测。

如上所述，本发明的硅基WDM光收发模块，具有以下有益效果：

1)本发明通过将硅光子芯片10和基于平面光波导技术(PLC)实现的波分复用及解复用芯片封装在一起实现WDM光模块，从而避免硅基波分复用/解复用器在工艺上的困难；

2)通过波分复用技术，减小光纤数量，提高单通道的通信容量；

3)本发明采用的PLC芯片中，芯层和覆层材料的折射率差小，对工艺精度要求低，偏振不敏感；折射率差小，相比于硅波导，PLC波导的尺寸与单模光纤205的尺寸更接近，PLC波导和光纤之间的耦合更成熟，降低了耦合难度；

4)针对传统基于分立激光器/探测器和PLC技术的WDM光模块，集成度低，功耗高的缺点，本发明通过采用硅光子技术将调制器101阵列和探测器102阵列集成在一起，可以大大提高光模块的集成度，降低功耗；

5)利用硅光子监控探测器102等器件，甚至可以对包括调制器101的电驱动芯片(driver)和探测器102的接收芯片实现多通道高速调制器101和探测器102阵列的集成。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。