一种硅光子芯片高度集成多通道光收发模块和有源光缆的制作方法

本实用新型涉及通信领域，尤其涉及一种硅光子芯片高度集成多通道光收发模块和有源光缆。

背景技术：

随着大数据、云计算、物联网以及5G移动通讯等技术的加速发展，促使网络数据流量急剧增长，这使得宽带接入、城域互联网、骨干网以及数据中心的互连对于数据通讯的带宽和速率要求大大提升。目前全球光纤通讯行业正在向着高度集成化和低功耗的方向发展，光通讯器件作为光通讯行业的上游产品，在数据通讯领域起到关键作用。因此，如何实现光通讯器件的小型化、集成化、低功耗和低成本已成为当前光通讯行业乃至数据即服务市场的迫切需求。

光模块和有源光缆是光通讯互连的有效解决方案，其生产依赖于光器件产业。传统的光器件生产模式的特点是“分立”的，当前常用的光器件的结构单元：调制/解调制器、半导体激光器、探测器与放大器都是采用完全不同的工艺、分离式制造的。例如基于磷化铟(化学式：InP)材料制备的激光器，基于铌酸锂(化学式：LiNO3)材料制备的光信号调制器，基于二氧化硅/硅(化学式：SiO2/Si)和磷砷化镓铟/磷化铟(化学式：InGaAsP/InP)材料制备的波分复用器，基于Ge/Si和砷化镓(化学式：GaAs)等材料制备的光探测器等。这些分立的单元制造完成后，再组装成光电子模块，在此过程中需要人力密集型的劳动，这就导致了成本高、外形尺寸大、可靠性低和性能限制等一系列弊端。

另外一方面，从工艺标准来看，由于缺乏统一的工艺标准，各光器件公司为了节约成本而采用“小作坊”式的经营发展模式，这就导致了产品良率低，产量低，以及不同产品之间的兼容性问题。此外，任何涉足光器件行业领域的企业必须自备超洁净室和全套金属有机化学气相沉积法(英文名称：MetalOrganic Chemical Vapor Deposition，简称：MOCVD)设备，厂商自己要为材料、工艺、设计、质量和成品率负责。这种“垂直集成”的产业模式造成了投资规模和产出的不对称，导致每个厂商的资金投入和运营成本居高不下，没有规模效应。因此，光器件成本高，产量低，单条生产线的收益不佳，同时又缺乏灵活性，对市场需求起伏的承受能力差。

硅光子芯片技术不同于传统光通讯器件的分离生产、组装式的生产工艺，它集成了SOI和CMOS工艺平台技术，使得集成光子芯片的开发、生产与当前主流半导体工业有机融合，为高带宽、高速率、低成本和低能耗的光通讯产业提供了新的解决方案。所谓硅基光电子学就是结合了光的极高带宽、超快速率、高抗干扰特性，以及微电子技术在大规模、低能耗、低成本等方面的优势，研究和开发以光子和电子为信息载体的硅基大规模光电路集成技术。其核心内容就是研究如何将光电子器件“小型化”、“硅片化”并与纳米电子器件相集成，即利用硅或者与硅兼容的其他材料，以光子和电子为载体的信息功能器件，形成一个完整的具有综合功能的新型大规模光电路集成芯片。

技术实现要素：

本实用新型要解决的技术问题是提供一种硅光子芯片高度集成多通道光收发模块和有源光缆，基于先进的硅光子芯片集成技术，提供一种集成化、低功耗、低成本的100Gbps高速硅光子收发模块和有源光缆。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种硅光子芯片高度集成多通道光收发模块，硅光子集成芯片、电路集成芯片、组装印刷线路板，所述硅光子集成芯片、电路集成芯片均集成在所述组装印刷线路板上，所述硅光子集成芯片包括硅光子发射芯片和硅光子接收芯片，所述电路集成芯片包括电路集成发射芯片和电路集成接收芯片，所述电路集成发射芯片通过导线与所述硅光子发射芯片连接，所述硅光子发射芯片通过光纤跳线连接至光纤活动连接器上，所述电路集成接收芯片通过导线与所述硅光子接收芯片连接，所述硅光子接收芯片通过光纤跳线连接至所述光纤活动连接器上。

优选地，所述硅光子发射芯片包括包括：分布式反馈激光器阵列、Ge/Si波导电调制吸收器阵列、绝热V型槽光纤固定阵列；

所述硅光子接收芯片包括：Ge波导光电探测器阵列、绝热V型槽光纤固定阵列；

所述电路集成发射芯片包括：Ge/Si电调制吸收驱动器阵列、时钟数据恢复CDR、互补金属氧化物半导体放大器、非归零码电整流信号输入、NRZ电整流信号输出；

所述电路集成接收芯片包括：跨阻放大器、时钟数据恢复CDR、互补金属氧化物半导体放大器、NRZ信号输入、NRZ电整流信号输出。

优选地，所述分布式反馈激光器阵列中的激光器为Ge/Si多重量子阱分布式反馈激光器，分布式反馈激光器由底层到上层依次包括：硅衬底、二氧化硅层、硅波导、n型硅接触层、本征硅层、Ge/Si多重量子阱层、本征硅层、P型硅接触层，多通道的Ge/Si多重量子阱层直接生长在硅衬底上，并倒装在硅波导上方。

优选地，所述Ge/Si波导电调制吸收器阵列与CMOS放大器兼容，单通道的Ge/Si波导电调制吸收器的NRZ调制频率达30Gbps，峰值消光比为7.5dB，射频调制带宽不低于40GHz，Ge/Si波导电调制吸收器的基座为渠沟，在所述渠沟的上表面设置有一个Ge调制器，所述Ge调制器的一自由端与所述渠沟的侧边齐平，所述Ge调制器的另一自由端与Si锥形体的短边对接，所述Si锥形体的长边与SOI波导对接，所述SOI波导与所述渠沟的另一个侧边齐平。

优选地，所述绝热V型槽光纤固定阵列集成在所述硅光子发射芯片或所述硅光子接收芯片上，所述绝热V型槽光纤固定阵列包括若干V型槽，每个V型槽中均设有一个SOI波导，V型槽内每根单模光纤与SOI波导的耦合损耗小于1dB。

优选地，所述Ge波导光电探测器阵列集成在所述硅光子接收芯片上，所述Ge波导光电探测器阵列与CMOS放大器兼容，射频带宽不低于40GHz，波长探测范围1270-1600nm。

优选地，所述Ge/Si电调制吸收驱动器阵列是时钟数据恢复CDR与28nm的互补金属氧化物半导体放大器集成在一颗硅基芯片上，支持4x25Gbps的NRZ电整流信号输入功能以及4x25Gbps的NRZ信号输出功能。

优选地，所述跨阻放大器集成时钟数据恢复CDR与28nm互补金属氧化物半导体放大器，支持4x25Gbps的NRZ信号输入功能，4x25Gbps的NRZ电整流信号输出功能。

优选地，所述组装印刷线路板集成一个微型控制芯片和一个直流变换器，所述硅光子集成芯片、电路集成芯片通过焊线与打线与所述组装印刷线路板连接。

优选地，一种有源光缆，其包括：硅光子集成芯片、电路集成芯片、组装印刷线路板、8芯G.655单模光纤，所述硅光子集成芯片包括硅光子发射芯片和硅光子接收芯片，所述电路集成芯片包括电路集成发射芯片和电路集成接收芯片，所述电路集成发射芯片通过导线与所述硅光子发射芯片连接，所述硅光子发射芯片通过G.655单模光纤连接至皮套光缆上，所述电路集成接收芯片通过导线与所述硅光子接收芯片连接，所述硅光子接收芯片通过G.655单模光纤连接至皮套光缆上；

所述组装印刷线路板集成一个微型控制芯片和一个直流变换器，所述的硅光子集成芯片、电路集成芯片通过焊接与打线与组装印刷线路板连接；

8芯G.655单模光纤通过绝热V型槽与激光器阵列、光探测器阵列被动准直耦合。

本实用新型的技术效果：

1、本实用新型可直接将集成化的硅光子芯片和电芯片安装到硅衬底基板上，相比于传统的光电子元件分离式生产的有缘光缆能减少50％以上零件数量。此外，本实用新型所涉及的锗/硅分布式反馈激光器可与硅工艺兼容并直接生在硅衬底上，相比其他的硅光子集成方案里使用的外接III-V族激光器能够进一步简化生产流程。

2、本实用新型使得光收发模块和有源光缆AOC能批量化、大规模生产，从而大大降低了成本。

附图说明

图1为本实用新型的光收发模块的结构框图。

图2为本实用新型的有源光缆AOC的结构框图。

图3为本实用新型的Ge/Si多重量子阱DFB激光器结构示意图。

图4为本实用新型的Ge/Si多通道DFB激光器的发光频谱。

图5为本实用新型的Ge/Si电吸收调制器结构示意图。

图6为本实用新型的绝热V型槽光纤固定阵列结构示意图。

图7为本实用新型的Ge/Si光探测器的结构示意图。

图8为Ge/Si光探测器的光电转化效率对应波长的响应。

图9为本实用新型的100Gbps多通道高速率光收发模块的结构、元件和封装示意图。

图10为本实用新型的100Gbps高速率AOC的结构、元件和封装示意图。

101-组装印刷线路板，102-微型控制器，103-电接头焊接点，104-铝导线，105-电路集成发射芯片，106-铝导线，107-硅光子发射芯片，108-单模光纤跳线，109-铝导线,110-电路集成接收芯片，111-铝导线，112-硅光子接收芯片，113-单模光纤跳线，114-12芯MPO光纤活动连接器。

201-组装印刷线路板，202-微型控制器，203-电接头焊接点，204-铝导线，205-电路集成发射芯片，206-铝导线，207-硅光子发射芯片，208-G.655单模光纤,209-光缆皮套，210-铝导线,211-电路集成接收芯片，212-铝导线，213-硅光子接收芯片，214-G.655单模光纤。

301-金属电极，302-p型Si接触层，303-本征Si缓冲层，304-Ge/Si多重量子阱层，305-本征Si缓冲层，306-金属电极，307-n型Si接触层，308-硅基波导，309-二氧化硅层，310-硅衬底。

401-SOI波导，402-Si锥形体，403-Ge调制器，404-金属电极，405-渠沟，406-金属电极。

501-V型槽，502-SOI波导。

601-金属电极，602-金属电极，603-SiO2缓冲层，604-接触层，605-金属电极，606-吸收层，607-电荷层，608-倍增层，609-Si衬底，610-金属电极。

701-导热片，702-封装壳体上盖，703-硅光子芯片和电路集成芯片单元，705-组装印刷线路板，707-封装壳体下盖，708-G.655单模光纤跳线，709-12芯MPO连接器，710-封装壳体尾盖。

801-导热片，802-封装壳体上盖，803-硅光子集成芯片和电路集成芯片单元，804-拉环，806-组装印刷线路板，808-封装壳体下盖，809-G.655单模光纤，810-光缆固定组件，811-封装壳体尾盖。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

实施例

本实施例中，公开了一种硅光子芯片高度集成多通道光收发模块，其包括：硅光子集成芯片、电路集成芯片、组装印刷线路板101，所述硅光子集成芯片、电路集成芯片均集成在所述组装印刷线路板101上，所述组装印刷线路板101集成一个微型控制芯片102和一个直流变换器，并且在上面还有若干电接头焊接点103，所述硅光子集成芯片包括硅光子发射芯片107和硅光子接收芯片112，所述电路集成芯片包括电路集成发射芯片105和电路集成接收芯片110，所述电路集成发射芯片105通过铝导线106与所述硅光子发射芯片107连接，所述硅光子发射芯片107通过光纤跳线(单模光纤跳线108)连接至光纤活动连接器(12芯MPO光纤活动连接器)上，所述电路集成接收芯片110通过铝导线111与所述硅光子接收芯片112连接，所述硅光子接收芯片112通过光纤跳线(单模光纤跳线1113)连接至所述光纤活动连接器上。

在上述光收发模块上还有若干电接头焊接点103，电路集成发射芯片105还通过铝导线104集成在组装印刷线路板101上，同样的，电路集成接收芯片110通过铝导线109集成在组装印刷线路板101上。

本实施例中，所述硅光子发射芯片包括包括：分布式反馈激光器阵列、Ge/Si波导电调制吸收器阵列、绝热V型槽光纤固定阵列；所述硅光子接收芯片包括：Ge波导光电探测器阵列、绝热V型槽光纤固定阵列；所述电路集成发射芯片包括：Ge/Si电调制吸收驱动器阵列、时钟数据恢复CDR、互补金属氧化物半导体放大器、非归零码电整流信号输入、NRZ电整流信号输出；所述电路集成接收芯片包括：跨阻放大器、时钟数据恢复CDR、互补金属氧化物半导体放大器、NRZ信号输入、NRZ电整流信号输出。

光发射端包括硅光子发射芯片107，电路集成发射芯片105，这两块芯片通过铝导线106打线连接；光接收端包括硅光子接收芯片112，电路集成接收芯片110，这两块芯片通过铝导线111打线连接。发射端电路集成芯片通过铝导线104与硅衬底打线连接，接收端电路集成芯片通过铝导线109与硅衬底打线连接。

如图2所示，有源光缆结构包括：硅光子集成芯片、电路集成芯片、组装印刷线路板201、8芯G.655单模光纤，所述硅光子集成芯片包括硅光子发射芯片207和硅光子接收芯片213，所述电路集成芯片包括电路集成发射芯片205和电路集成接收芯片211，所述电路集成发射芯片205通过铝导线206与所述硅光子发射芯片207连接，所述硅光子发射芯片207通过G.655单模光纤208连接至皮套光缆209上，所述电路集成接收芯片211通过铝导线212与所述硅光子接收芯片213连接，所述硅光子接收芯片213通过G.655单模光纤214连接至皮套光缆209上。

电路集成发射芯片205还通过铝导线204集成在组装印刷线路板201上，同样的，电路集成接收芯片211通过铝导线210集成在组装印刷线路板201上。

所述组装印刷线路板201集成一个微型控制芯片202和一个直流变换器，并且在上面还有若干电接头焊接点203，所述的硅光子集成芯片、电路集成芯片通过焊接与打线与组装印刷线路板201连接；8芯G.655单模光纤通过绝热V型槽与激光器阵列、光探测器阵列被动准直耦合。

参见图3所示,所述分布式反馈激光器阵列中的激光器(DFB)为Ge/Si多重量子阱分布式反馈激光器，分布式反馈激光器由底层到上层依次包括：硅衬底310、二氧化硅层309、硅波导、n型硅接触层、本征硅层、Ge/Si多重量子阱层、本征硅层、P型硅接触层，多通道的Ge/Si多重量子阱层直接生长在硅衬底上，并倒装在硅波导上方。

具体的，如图3所示，DFB为堆积式的多重量子阱结构即光增益介质，其上层结构为p型半导体层，中间层为Ge/Si多重量子阱层304，下层为n型半导体层307。p型半导体层，自上而下包括：一个p型Si接触层302，其厚度为0.2μm，硼(化学式：B)掺杂浓度为1x1019cm-3；一个本征Si缓冲层303，其厚度为0.1μm。Ge/Si多重量子阱层304，自上而下包括：20个相同的量子阱层，每个量子阱层含有7个Ge单原子层，其中磷(化学式：P)掺杂浓度为1x1018cm-3，以及一个厚度为17nm的本征Si隔离层。n型半导体层，自上而下包括：一个本征Si缓冲层305，其厚度为0.1μm；一个n型Si接触层307，其厚度为0.2μm，P掺杂浓度为1x1019cm-3。光增益介质直接与硅基波导308键合，从而可以将激发的光导出增益介质。

并且，在DFB还有金属电极301和金属电极306，上述金属电极301和金属电极306分别设置在n型Si接触层307的两端。

进一步的，Ge/Si多通道DFB激光器的制作步骤如下所述：

步骤一，利用标准投影光刻技术和氯气/氩气/溴化氢(化学式：Cl2/Ar/HBr)等离子体反应离子束刻蚀技术(英文名称：Plasma and Reactive Ion Etching，简称：PRIE)在非掺杂的SOI衬底(100)晶面上制备Si波导结构，Si波导的高度为0.76μm，宽度为2.5μm。

步骤二，利用超高真空化学气相沉积方法(英文名称：Ultra-HighVacuumChemical Vapor Deposition，简称:UHV-CVD)在Si衬底上生长一层0.1μm厚度的本征Si缓冲层，并在缓冲层上方逐步生长20层多重量子阱层。每个量子阱层含有7个Ge单原子层和一个厚度为17nm的本征Si隔离层，生长过程温度分别控制在520℃和580℃，生长速率为0.0056nm/s。

步骤三，将Ge/Si多重量子阱层倒装键合在SOI波导上。

步骤四，在Si衬底上沉积镍/铝(化学式：Ni/Al)金属层，形成金属电极301、金属电极306。

在本实施例中，上述激光器由光增益介质以及SOI波导构成，其中光增益介质由Ge/Si多重量子阱组成，包括p型Si层、本征Si层、Ge/Si多重量子阱层、本征Si层。Si是间接带隙半导体，其光电转化需要声子的参与，这使得Si的发光效率不高。然而Ge具备伪直接带隙半导体结构，因此其在光电特性方面相比Si具有很多优势。Ge具有比Si更高的电子和空穴迁移率：Ge电子和空穴的迁移率分别为3900cm2V-1s-1和1900cm2V-1s-1，而Si的电子和空穴迁移率仅为1417cm2V-1s-1和471cm2V-1s-1。另一方面，Ge作为IV族元素，其与Si之间的晶格失配比仅为4.2％，这使得它具备与Si工艺完全兼容的特性，相比与传统的III-V族元素激光器更适用于硅光子集成，因此Ge是硅光子芯片激光源的优良选择。Ge/Si多重量子阱DFB阵列直接倒装生长在SOI波导上，通过外界电场激发顶部的p型Si层发射出激光，激光在增益介质中得到功率放大，然后被导入底部SOI波导中，并从发射端出射。

所述的Ge/Si多通道DFB的工作性能表现，参见图4所示。其心波长在1550nm附近，光谱宽度小于0.3nm，平均发射光功率为40mW。

通过改变量子阱层的掺杂浓度，可以调节该激光器的中心发射波长。此外，该激光器的发射光功率与偏置电流呈现良好的线性效应。

如图5所示，所述Ge/Si波导电调制吸收器阵列与CMOS放大器兼容，单通道的Ge/Si波导电调制吸收器的NRZ调制频率达30Gbps，峰值消光比为7.5dB，射频调制带宽不低于40GHz，Ge/Si波导电调制吸收器的基座为渠沟405，在所述渠沟405的上表面设置有一个Ge调制器403，所述Ge调制器403的一自由端与所述渠沟405的侧边齐平，所述Ge调制器403的另一自由端与Si锥形体402的短边对接，所述Si锥形体402的长边与SOI波导401对接，所述SOI波导401与所述渠沟405的另一个侧边齐平。在上述渠沟405上还有两个金属电极404和金属电极405，金属电极404和金属电极405分别设置在Ge调制器403的两侧。

Ge/Si电吸收调制器中光的通断由电压控制，有电压时可将光转成电，从而阻断光的通过，没有电压时就是波导，光可以自由通过。

Ge/Si电吸收调制器的结构原理，参见图5所示。利用锗的直接带隙迁移可以对通讯波长范围的光进行有效的调制，其调制原理基于弗兰之-克尔德什效应(英文名称：Franz-Keldysh Effect)。所述的Ge/Si电吸收调制器的调制速率可达30GHz，其在1510-1640nm波长范围内其插损值和消光比分别为2.5dB到5dB和4dB到7.5dB。此外，该Ge/Si电吸收调制器的动态能量消耗为100fJ/bit，在调制速率为25Gbps工作条件下的功耗为2.5mW。

进一步的，Ge/Si电吸收调制器的制作步骤如下所述：

步骤一，在SOI晶圆上刻蚀一个高度为3μm的Si锥形体402，为Ge的选择区域外延生长做准备。

步骤二，在凹槽区域内生长一层厚度为100nm的Ge缓冲层，生长温度为400℃；之后，在670℃温度条件下生长一层厚度为3μm的Ge层。

步骤三，利用PRIE制作一个高度为2.4μm的Ge波导，以及一个SOI波导401。

步骤四，在Ge波导中掺杂B和P，掺杂浓度为1x1018cm^-3，从而形成一个横向的p-i-n结构，即为Ge调制器403。

步骤五，在掺杂区域内沉积生长钛/铝(化学式：Ti/Al)金属层，作为金属电极404、金属电极406，用作p型层和n型层的接触电极。

参见图6所示，就本实施例中涉及的绝热V型槽光纤固定阵列进行说明，所述绝热V型槽光纤固定阵列集成在所述硅光子发射芯片或所述硅光子接收芯片上，所述绝热V型槽光纤固定阵列包括若干V型槽501，每个V型槽501中均设有一个SOI波导502，V型槽501内每根单模光纤与SOI波导502的耦合损耗小于1dB。利用标准投影光刻技术在硅衬底上刻蚀V型凹槽，V型凹槽的位置与DFB阵列以及光探测器阵列耦合的SOI波导502阵列精确对准，其在水平方向上的对准精度为±5nm。光纤可直接嵌入V型槽501内并与SOI波导502阵列被动准直耦合，光纤与SOI波导502的耦合损耗在1510nm到1570nm波长范围内小于1dB。

绝热V型槽光纤固定阵列与SOI波导对接生长，可以被动准直SOI波导中出射的激光并将其耦合进入光纤。其特点是：内置模式转化器，可以将光斑大小调整到最佳值，使得Si波导与光纤阵列的耦合损耗降低。经测试，每根G.655单模光纤在绝热V型槽中的插入损耗低于1dB。

所述的Ge/Si光探测器的结构原理，参见图7所示。其制作步骤如下所述：步骤一，利用UHV-CVD在Si衬底609上生长一层厚度为0.7μm的本征Si电流倍增层608，其中P掺杂浓度为1x1016cm-3；步骤二，利用UHV-CVD在电流倍增层上方沉积一层厚度为0.1μm的p型Si电荷层607，其中B掺杂浓度为1.6x1017cm-3；步骤三，利用UHV-CVD在电荷层上方沉积一层厚度为1μm的本征Ge吸收层606，其中P掺杂浓度为1x1016cm-3；步骤四，利用UHV-CVD在吸收层上方沉积一层厚度为0.2μm的p型Ge接触层604，其中B掺杂浓度为1x1018cm-3。步骤五，在吸收层上方生长一层SiO2缓冲层603，并且在p-i-n结构的两端分别沉积Ti/Al金属层，形成金属电极601、金属电极602、金属电极605、金属电极610。

所述的Ge/Si光探测器的工作性能表现，参照图8所示。其具有较高的光电转化效率：当偏置电压为4V时，它在1310nm和1550nm波长窗口的光电转化率分别可达0.91A/W和1.14A/W；超高的响应速率，可支持40Gb/s数据传输速率，响应带宽可达33.6GHz。此外，该器件的光电转化效率在1280nm到1580nm波长窗口呈现良好的线性增长趋势。

参见图9所示，就本实施例所涉及的光收发模块的组件及其封装方式进行说明。

步骤一，将集成有硅光子芯片和电路集成芯片的单元703焊接到组装印刷线路板705上。

步骤二，将导热片701贴到硅光子芯片和电路集成芯片单元703上。

步骤三，将G.655单模光纤跳线708进行开剥，一端插入硅光子芯片发射端和接收端的绝热V型槽光纤固定阵列中，另一端插入12芯MPO光纤活动连接器709。

步骤四，将组装印刷线路板705放置到封装壳体下盖707中，并加盖上封装壳体上盖702和封装壳体尾盖710。

进一步的，参见图10所示，就本实用新型所涉及的AOC的组件及其封装方式进行说明。

步骤一，将集成有硅光子芯片和电路集成芯片的单元803焊接到组装印刷线路板806上。

步骤二，将导热片801贴到硅光子芯片和电路集成芯片单元803上。

步骤三，将G.655单模光纤809跳线进行开剥，一端插入硅光子芯片发射端和接收端的绝热V型槽光纤固定阵列中，另一端插入光缆固定组件810中。

步骤四，将组装印刷线路板806放置到封装壳体下盖808中，并加盖上封装壳体上盖802、封装壳体尾盖811、拉环804。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。