一种sip芯片与激光器的耦合方法及其组成的光收发模块的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种光通信器件，具体涉及一种SIP芯片与激光器的耦合方法及其组成的光收发模块，本发明属于通信领域。
【背景技术】
[0002]在光收发模块中，按调制方式和光源的关系来分，激光器光源分直接调制和外调制两种。因外调制是改变已经输出的激光的参数，对激光器特性要求不高，且适用于高速率(2.5Gbps-40Gbps)、长距离的光通讯，人们更加关注和重视外调制型光收发模块的发展。当前，在长距离高速率的光收发模块中(如SFP+模块)，大多采用电吸收型外调制激光器(EML)。但电吸收外调制在电吸收的过程中会产生光生电流，带来的热效应会导致高功率时调制器的性能下降；而且电吸收外调制和激光器芯片一般被集成在一块芯片上，芯片价格非常昂贵，其高昂的价格也使得该芯片在局域网和接入网的应用受到限制。
[0003]传统的光收发模块由于发射部分(TOSA)、接收部分(ROSA)和数字诊断电路部分是分立的元件组成，元件较多，造成模块体积大，功耗高、电路板的布板复杂，模块布局繁琐，安装和拆卸都不方便。
[0004]近年来，用绝缘体上娃(SOI ,silicon on insulator)片来集成制作IC(集成电路)芯片和光芯片的发展越来越迅速，即硅基光电子芯片(简称SIP芯片，SILICON PHOTONICS的缩写KSIP芯片可以实现对光子信号的调制、探测、分束，放大等，同时也可以对电信号进行处理，如可以集成电子放大器，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。由于SIP芯片体积小巧、功耗低、工作速率高、综合成本低、易于大规模化的生产等优点，将其应用在光收发模块中，是光收发模块发展的有利选择。
[0005]由于硅所具有的能带结构决定了硅自身是一个弱的发光材料，硅基半导体激光器至今没有突破，所以当前对于使用SIP芯片的光收发模块而言，内置一个独立的半导体激光器依然是必要的。
[0006]SIP芯片与半导体激光器的耦合连接可以有两种方式，一种方式是半导体激光器芯片采取贴片焊接的方式直接与SIP芯片耦合，这种方式对SIP芯片的光端口的设计和制造工艺以及对激光器芯片贴片工艺都要求极高，难以实现；另一种方式是先将激光器芯片发出的光通过透镜等元件进行光斑模场变换后耦合进光纤，再将光纤与SIP芯片的光端口进行耦合，SIP芯片的光端口的设计为成熟工艺的斑模转换器(SSC)或光栅结构，可以与单模光纤可以进行斑模匹配，耦合损耗小。
[0007]SIP芯片上的光纤连接，特别的在耦合范围里和收发模块的端口的接头处，光纤都是去掉了涂覆层的裸纤，在耦合封装的过程中，容易发生光纤折断和损伤。
[0008]集成了Mach-Zander(MZ)调制器的SIP芯片在与激光器的出射光纤耦合时，有偏振态的要求，即只有特定方向的线偏振光才能以最小的损耗在SIP芯片内传输，通常采用的方式是有源耦合，即在耦合过程中给激光器和SIP芯片供电，通过监控输出的光功率的大小来判断入射光的偏振态是否是最佳进行耦合，这种方式繁琐，生产效率低，不利于大规模生产操作。
[0009]SIP芯片和激光器在工作时，不可避免的会发热，如产生的热量不及时导走，会使热量累积，从而使SIP芯片和激光器工作时的温度升高，导致SIP芯片和激光器相互影响，性能变差和寿命变短。
【发明内容】
[0010]本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的困难，提供一种SIP芯片与激光器的耦合方法及其组成的光收发模块，该光收发模块使用成本较低的CW DFB或FP型激光器，利用SIP芯片对光信号进行调制和探测，并对电信号进行控制，实现2.5Gbps-25Gbps的光信号的收发。
[0011 ]本发明所采用的技术方案是:
[0012]—种SIP芯片与激光器的親合方法，包括米用使激光器与SIP芯片要求的偏振方向对齐的方法，具体为:先用图像视觉系统找到SIP芯片耦合端口的X轴和Y轴的十字线，将激光器芯片的发光端面的X轴和Y轴构成的十字线等效标记到封装激光器芯片的TO管座底面上，然后将图像视觉系统对着激光器的TO管座底面，调节激光器的位置，使TO管座底面上的十字线与图像视觉系统上的十字线对齐。
[0013]所述激光器芯片的发光端面的X轴和Y轴构成的十字线等效标记到封装激光器芯片的TO管座底面的具体方法如下:在TO管座底面上设置有对称的两个凹槽，凹槽连线设为X轴;在垂直X轴的Y轴TO管座底面上设置一个凹槽;通过视觉系统观察，让SIP芯片耦合端口平面的X轴和Y轴的十字线与TO管座底面上X轴和Y轴分别对齐。
[0014]—种SIP芯片与激光器的耦合方法，包括如下步骤:步骤1、将SIP芯片的基板夹持在耦合平台上，将激光器和两只跳线的光纤分别夹持在六维微调架上;步骤2:先用水平放置的图像视觉系统找到SIP芯片耦合端口平面的平行和垂直的十字线，然后将图像视觉系统对着激光器的TO管座的底面，调节激光器的位置，使TO管座底面上的三个凹槽构成的十字线与图像视觉系统上的十字线对齐;步骤3:用竖直向下监控的图像视觉系统监控SIP耦合区，调节夹持激光器和跳线光纤的六维微调架，使激光器光纤、跳线光纤与SIP芯片三个端口的V形槽贴合;步骤4，在光纤与V形槽结合处和激光器与电路板结合处分别点胶固定。
[0015]—种SIP芯片与激光器的耦合方法制作的光收发模块，包括SIP芯片、激光器、电路板、垫块、基板，电路板上设置有孔洞，孔洞里设置有台阶结构的导热垫块，所述垫块的中间台阶平面与电路板的底面平行紧密接触固定，所述激光器与SIP芯片采用光纤耦合，SIP芯片、激光器固定在垫块上。
[0016]所述SIP芯片采用硅基光电子芯片，SIP芯片集成有Mach-Zander(MZ)调制器、光探测器以及集成电路中的内部诊断和控制处理器，实现控制激光器工作，接受外部的信息对光信号进行2.5Gpbs-25Gpbs的信号调制，接受外部的2.5Gpbs-25Gpbs的调制光信息将其转变成电信号。
[0017]所述SIP芯片上设有三个V型槽结构，三个V型槽彼此平行且垂直于SIP芯片耦合端口的平面。
[0018]所述激光器采用带尾纤的CW DFB或FP型激光器，封装形式采用TO同轴封装。
[0019]所述SIP芯片与激光器间采用光纤连接。
[0020]所述V型槽内设置有单模光纤。
[0021]所述垫块台阶结构中台阶的平面的形状为圆形、方形。
[0022]本发明的优点如下:
[0023]I)本发明采用成本较低的CW DFB或FP激光器芯片，能实现2.5Gpbs-25Gpbs的光信号调制，在高速传输的光收发模块里，成本优势明显；
[0024]2)本发明SIP集成芯片上的端口耦合采取图像视觉系统进行无源耦合，耦合效率高，易于大规模生产操作；
[0025]3)本发明模块结构简单，耦合部分一体化设计，安装和拆解方便，不易发生断纤问题；
[0026]4)本发明SIP集成芯片和激光器各自独立封装，中间采用光纤连接，两者产生的热量不会相互干扰，便于集成芯片和激光器各自散热；
[0027]5)本发明光模块耦合过程中采取图像视觉系统进行无源耦合，生产效率高，易于大规模生产操作；光模块结构简单，体积小，可封装在小型可插拔结构(SFP)中；结构一体化，不易断纤;散热性好，具有高可靠性。
【附图说明】
[0028]图1是本发明中SIP芯片内部功能结构示意图；
[0029]图2是本发明中模块整体结构示意图；
[0030]图3是本发明中激光器芯片封装结构图；
[0031]图4是本发明中SIP芯片与电路板的相对位置；
[0032]图5是本发明中SIP芯片上光耦合端口V型槽结构侧视图；
[0033]图6是本发明中SIP芯片上光耦合端口V型槽结构俯视图；
[0034]图7是本发明中激光器芯片与SIP芯片耦合时相对位置图；
[0035]图8是本发明中激光器芯片的发光端面与TO管座底面的相对位置图；
[0036]其中:
[0037]1:基板；2:电路板；
[0038]2-1:电路板底面；3: SIP芯片；
[0039]3-1: SIP芯片上的V型槽；3-2: SIP芯片耦合端口平面；
[0040]4:光纤；5: LC 光接口；
[0041]6:激光器；6-1: TO 管座；
[0042]6-1-1: TO管座底面；6-2:激光器芯片；
[0043]6-2-1:激光器芯片的发光端面；6-3:透镜；
[0044]6_4:金属外壳；6_5:插芯；
[0045]7:胶水；8:垫块；
【具体实施方式】
[0046]下面结合附图和实施例对本发明的做出详细说明。
[0047]SIP芯片3是集成了Mach-Zander(MZ)调制器、光探测器以及集成电路中的内部诊断和控制处理器的硅基光电子芯片，SIP芯片内部部分功能结构如图1所示，它可以控制激光器工作，并接受外部的信息对光信号进行2.5Gpbs-25Gpbs的信号调制，还可以接受外部的2.5Gpbs-25Gpbs的调制光信息将其转变成电信号。
[0048]本发明的实施例提供一种内置硅基光电子芯片(SIP)的光收发模块的结构，为小型可插拔结构(SFP)，如图2所示，包括基板1、电路板2、SIP芯片3、光纤4、LC光接口 5、激光器
6、垫块8，
[0049]基板I承载两个功能，一是它是SFP外壳的一部分，与另一半SFP底壳结合成标准的SFP外壳;二是它是电路板和两只LC光接口 5的载体，上设置了电路板2固定孔和跳线固定卡口，硬质电路板2和两只LC光接口5固定在这个基板上，组成一个整体，在生产过程中周转、安装和拆卸时不易发生断纤。
[0050]激光器6是带尾纤的CWDFB或FP型激光器。本发明采取的是TO同轴封装，但本领域技术人员应当可以理解本发明并不局限于此封装形式，采用蝶形封装等其他任何封装的形式都能达到同样的效果。如图3所示，激光器6包括T056或者更小封装的T046和T039管座6-UCff DFB或者FP型激光器芯片6-2、透镜6-3、连接金属件6-4、插针6-5以及光纤4依次