專利名稱：混和集成硅基光電信號(hào)處理芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光電子器件，尤其是涉及一種混和集成硅基光電信號(hào)處理芯片。
背景技術(shù)：
一個(gè)集成的光網(wǎng)絡(luò)用光纖把聲音、圖像和數(shù)字信號(hào)傳遞給用戶，目前應(yīng)用趨勢(shì)看好的被動(dòng)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)(PON)可以同時(shí)傳輸聲音、圖像和數(shù)據(jù)信號(hào)，也就是現(xiàn)在人們常說的三網(wǎng)合一(Triple Play Service)。被動(dòng)的光學(xué)分線器或合線器可以讓多光學(xué)網(wǎng)絡(luò)終端來共享同一光纖線路，每一個(gè)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)終端位于居民或商業(yè)用戶端，對(duì)于一種典型的光纖到戶(FTTP)應(yīng)用，三網(wǎng)合一(Triple Play)信號(hào)服務(wù)是以三個(gè)光波長(zhǎng)在網(wǎng)絡(luò)上進(jìn)行傳輸即1550nm的下行圖像信號(hào)，1490nm的下行數(shù)字聲音和數(shù)字信號(hào)，和1310nm的上行數(shù)字化聲音和數(shù)字信號(hào)。
一般來講，一個(gè)被動(dòng)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)(或PON)包括界面接口，常稱為光學(xué)線終端(OLT)，它位于電信公司或企業(yè)的中心辦公室。而在用戶端用一個(gè)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)終端(ONT)來分離這些波長(zhǎng)的信號(hào)。依賴于信號(hào)的種類，一個(gè)單纖三向器件或單纖雙向器件用在光學(xué)網(wǎng)絡(luò)終端來完成信號(hào)的分離，單纖三向器件或單纖雙向器件實(shí)際上是處理不同波長(zhǎng)光信號(hào)的中心處理器。單纖雙向器件的構(gòu)造一般來講類似于單纖三向器件，主要區(qū)別是它不包括一個(gè)模擬信號(hào)接受器及相應(yīng)的光學(xué)部分來處理模擬圖像信號(hào)，單纖雙向器件也消除了相應(yīng)于FTTH系統(tǒng)中CATV輸出的模擬電路部分的電路部分。
現(xiàn)有常用的單纖雙向光電信號(hào)處理器件由無源分波/合波慮光片、激光器、探測(cè)器和一個(gè)經(jīng)過精密機(jī)械加工的金屬殼體組裝而成，其缺點(diǎn)是1)由于器件對(duì)無源分波/合波慮光片、激光器、探測(cè)器以及器件封裝殼體的指標(biāo)要求很高，比如隔離度，PDL等技術(shù)指標(biāo)要求相當(dāng)?shù)母撸菇M裝的工藝要求也變得非常高，導(dǎo)致價(jià)格比較昂貴。
2)無源分波/合波慮光片、激光器、探測(cè)器集成在一起后，由于上行和下行信號(hào)會(huì)產(chǎn)生串?dāng)_，這些串?dāng)_對(duì)器件的最終性能也會(huì)帶來嚴(yán)重的影響。
3)激光器和探測(cè)器要同時(shí)和一根光纖進(jìn)行耦合，器件之間會(huì)互相干涉，導(dǎo)致指標(biāo)和成品率降低。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服以上技術(shù)之不足，本發(fā)明的目的在于提供一種制作成本低、制作簡(jiǎn)單、可大規(guī)模生產(chǎn)的混和集成硅基光電信號(hào)處理芯片。
上述目的可通過以下的技術(shù)措施來實(shí)現(xiàn)一種混和集成的硅基光電信號(hào)處理芯片，其特征在于包括用于作為芯片基體的絕緣體硅片，用于外接網(wǎng)絡(luò)傳輸光纖的芯片光波導(dǎo)出/入端口，在硅片上刻蝕形成且用于光傳輸載體的光波導(dǎo)，用于分/合不同波長(zhǎng)光信號(hào)的分/合光器，用于產(chǎn)生輸出波長(zhǎng)光的半導(dǎo)體激光器，用于接收輸入波長(zhǎng)光信號(hào)的接收器；所述分/合光器、激光器和接收器以被動(dòng)校準(zhǔn)表面置放的方式集成組裝在絕緣體硅基芯片平面上，光波導(dǎo)出/入端口經(jīng)光波導(dǎo)與分/合光器的復(fù)合端耦合連接，兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)通過光波導(dǎo)和同一個(gè)出入端口傳輸，分/合光器的分離端連接兩個(gè)分叉光波導(dǎo)，其中一個(gè)分叉光波導(dǎo)耦合連接到激光器，傳輸激光器產(chǎn)生的輸出波長(zhǎng)光，其中一個(gè)分叉光波導(dǎo)耦合連接到接收器，傳輸輸入波長(zhǎng)光信號(hào)。
所述半導(dǎo)體激光器集成組裝在與其耦合連接的硅基芯片平面波導(dǎo)上，在該集成組裝處設(shè)有沿特定的晶向進(jìn)行濕法刻蝕而形成的內(nèi)凹腔體，凹腔體內(nèi)的前部底面為刻蝕形成的內(nèi)陷V-型槽，半導(dǎo)體激光器固定置于內(nèi)凹腔體中，內(nèi)陷V-型槽上固定微球透鏡，激光器的輸出光經(jīng)微球透鏡耦合到平面波導(dǎo)。
所述凹腔體的內(nèi)表面及耦合處的波導(dǎo)表面設(shè)有絕緣保護(hù)層，保護(hù)層不僅起到絕緣保護(hù)的作用，還可以在波導(dǎo)的側(cè)面達(dá)到抗反膜的作用，以便減少傳輸光向波導(dǎo)耦合時(shí)的反射損失。
所述凹腔體內(nèi)的后端面為半V-形斜面，斜面上設(shè)有反射膜，斜面上方設(shè)有用于監(jiān)測(cè)激光器功率的光電二極管，光電二極管固定于硅基芯片上，激光器后端的透射光經(jīng)斜面的反射膜反射到功率監(jiān)測(cè)光電二極管。
所述接收器集成組裝在與其耦合連接的硅基芯片平面波導(dǎo)上，在該集成組裝處設(shè)有沿特定的晶向進(jìn)行濕法刻蝕而形成的V-形凹腔，V-形凹腔的在波導(dǎo)入射處為垂直端面，在V-形凹腔的斜面及入射處的波導(dǎo)表面設(shè)有絕緣保護(hù)層，在斜面的絕緣保護(hù)層表面設(shè)有反射膜；接收器固定在V-形凹腔的正上方，從波導(dǎo)入射的光波經(jīng)V-形凹腔的斜面反射到光電二極管接收器。
所述光電二極管接收器的接收口表面設(shè)有薄膜濾光片，將雜散光和其它波長(zhǎng)的光濾掉，進(jìn)而提高光波輸入信號(hào)的純凈度。
所述在激光器、接收器和硅基波導(dǎo)芯片上各自設(shè)有對(duì)應(yīng)的用于放置定位的校準(zhǔn)標(biāo)記，來保證前兩者在硅基波導(dǎo)芯片上的準(zhǔn)確定位。另外，微球透鏡的水平和垂直位置也可以由V-形凹腔的位置和大小來決定，因此，激光器，探測(cè)器，和微球透鏡都可以通過被動(dòng)校準(zhǔn)的方式高精度地平面地置放到硅基波導(dǎo)芯片，從而可以實(shí)現(xiàn)光電集成芯片的簡(jiǎn)單，高精度，低成本，大規(guī)模生產(chǎn)。
所述波導(dǎo)為對(duì)絕緣體硅片上層進(jìn)行刻蝕形成的橋式波導(dǎo)；所述波導(dǎo)的寬度由要將傳輸?shù)墓獾牟ㄩL(zhǎng)和單模條件來決定。
所述刻蝕形成的波導(dǎo)與下層硅片之間設(shè)有絕緣氧化層，絕緣氧化層的作用是隔離了光從光波導(dǎo)向下層硅片的損失，從而保證了光在波導(dǎo)硅層的傳輸。
由于本發(fā)明所組成的各個(gè)部件及整體都可以以平面半導(dǎo)體電子芯片的現(xiàn)有生產(chǎn)工藝來進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)，因此，具有全自動(dòng)化、產(chǎn)量高、成本低、成品率高、制作工藝簡(jiǎn)單、元件集成度高、適合大規(guī)模生產(chǎn)；另外光信號(hào)耦合效率高，抗串?dāng)_，精度高。


圖1為本發(fā)明的硅基平面波導(dǎo)芯片的基片結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。
圖3a為本發(fā)明激光器在硅基平面波導(dǎo)芯片上集成組裝處的凹腔示意圖。
圖3為本發(fā)明激光器在硅基平面波導(dǎo)芯片上的集成組裝示意圖。
圖4為本發(fā)明接收器在硅基平面波導(dǎo)芯片上的集成組裝處的凹腔示意圖。
圖5為本發(fā)明接收器在硅基平面波導(dǎo)芯片上的集成組裝示意圖。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示實(shí)施例中，本發(fā)明所選用的材料為絕緣體硅片(SOI或Silicon OnIsolator)，通過刻蝕在硅片1上形成波導(dǎo)2來作為光的傳輸載體，這一選擇的優(yōu)點(diǎn)是它允許最終光電一體集成的實(shí)現(xiàn)。通過對(duì)絕緣體硅片1上層進(jìn)行刻蝕而形成橋式(Ridge)波導(dǎo)2，橋式波導(dǎo)的寬度由要將傳輸?shù)墓獾牟ㄩL(zhǎng)和單模條件來決定。在刻蝕形成的波導(dǎo)2與下層硅片1a之間為絕緣氧化層3，絕緣氧化層3的作用是隔離了光從光波導(dǎo)向下層硅片的損失，從而保證了光在波導(dǎo)硅層的傳輸，而由刻蝕所形成的橋式波導(dǎo)則定義了光在平面芯片中的走向。
如圖2所示本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖，硅基光電信號(hào)處理芯片上的波導(dǎo)出入端口4用于連接外界網(wǎng)絡(luò)的單模光纖，光波導(dǎo)出/入端口4經(jīng)光波導(dǎo)與分/合光器5的復(fù)合端耦合連接，兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)通過光波導(dǎo)2a和同一個(gè)出入端口4傳輸，來實(shí)現(xiàn)1310nm輸出光信號(hào)的上傳和1490nm輸入光信號(hào)的下行。分/合光器5的分離端連接兩個(gè)分叉的上行波導(dǎo)2b和下行波導(dǎo)2c，分/合光器將兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)1310nm和1490nm，分開到上行波導(dǎo)2b和下行波導(dǎo)2b，激光器6發(fā)出的1310nm光經(jīng)上行波導(dǎo)2b上傳，同時(shí)1490nm的光信號(hào)分離經(jīng)下行波導(dǎo)2c下傳到接收器7。分/合光器5可以通過很多方式來實(shí)現(xiàn)，如MZI、光柵輔助藕合器等等，其中一個(gè)簡(jiǎn)單的方法就是利用一個(gè)波導(dǎo)耦合器，由于絕緣硅晶片的高質(zhì)量和高均勻性，將保證一個(gè)高產(chǎn)益的波導(dǎo)制作工藝過程。
如圖3a、圖3所示，半導(dǎo)體激光器6集成組裝在與其耦合連接的硅基芯片平面波導(dǎo)上。單晶硅片的一個(gè)特點(diǎn)是，沿特定的晶向?qū)λM(jìn)行濕法刻蝕時(shí)，刻蝕部分會(huì)形成一個(gè)特定角度的V-型槽，角度為54.7度。利用V-型槽的特點(diǎn)，在該集成組裝處沿特定的晶向進(jìn)行濕法刻蝕而形成內(nèi)凹腔體8，凹腔體內(nèi)的前部底面為刻蝕形成的內(nèi)陷V-型槽8a，后端面為半V-形斜面8b，凹腔體的內(nèi)表面及耦合處的波導(dǎo)表面有絕緣保護(hù)層9，通過材料的選擇和厚度的控制，這一保護(hù)層9還可以在波導(dǎo)的側(cè)面達(dá)到抗反膜的作用，以便減少傳輸光向波導(dǎo)耦合時(shí)的反射損失。腔體8深度由波導(dǎo)和激光器之間的最佳耦合設(shè)計(jì)要求來決定。半導(dǎo)體激光器6固定置于內(nèi)凹腔體8中，內(nèi)陷V-型槽8a上固定微球透鏡10，激光器6的輸出光經(jīng)微球透鏡10耦合到上行平面波導(dǎo)2b。凹腔體8內(nèi)的后端面為半V-形斜面8b上還涂覆有金屬反射膜11，斜面上方水平放置一個(gè)用于監(jiān)測(cè)激光器功率的光電二極管12，光電二極管12固定于硅基芯片1上。
微球透鏡通過一簡(jiǎn)單的丟入(drop-in)工藝過程放在波導(dǎo)和激光器之間的內(nèi)陷V-型槽來增加它們之間的耦合效率，并增加激光器置放工藝的容忍度，透鏡可通過膠粘來固定在內(nèi)陷V-型槽上，微球透鏡的水平和垂直位置也可以由V-形凹腔的位置和大小來決定，微球透鏡都可以通過被動(dòng)校準(zhǔn)的方式高精度地平面地置放到硅基波導(dǎo)芯片。激光器的置放可以通過共金或膠粘等工藝過程放到硅基片上來，它的出光面面對(duì)波導(dǎo)一側(cè)，在激光器和硅基波導(dǎo)芯片上各自設(shè)有對(duì)應(yīng)的用于放置定位的校準(zhǔn)標(biāo)記，來保證激光器在硅基波導(dǎo)芯片上的準(zhǔn)確定位，這樣激光器可以通過被動(dòng)校準(zhǔn)的方式高精度地平面地置放到硅基波導(dǎo)芯片。由于波導(dǎo)的端面位置，微球透鏡及激光器的放置位置都由半導(dǎo)體工藝過程來決定，因此整個(gè)過程有很高的精度，保證了高耦合效率。半導(dǎo)體激光器后端面透射出的部分光通過半V-形斜面反射到上方水平放置的光電二極管上，二極管所產(chǎn)生的光電轉(zhuǎn)換電流被用來監(jiān)測(cè)激光器的功率輸出。
如圖4、圖5所示，光電二極管接收器7集成組裝在與其耦合連接的硅基芯片平面波導(dǎo)上，光電二極管接收器7進(jìn)行1490nm下行信號(hào)的收集和光電轉(zhuǎn)換。在該集成組裝處沿特定的晶向進(jìn)行濕法刻蝕形成一個(gè)V-形凹腔13，V-形凹腔13的在波導(dǎo)入射處為垂直端面13a，在V-形凹腔的斜面及入射處的波導(dǎo)表面有絕緣保護(hù)層14，絕緣體保護(hù)層14在波導(dǎo)的端面起到抗反膜的作用來減小光從波導(dǎo)端面向后邊的腔體出射時(shí)的損耗。在斜面的絕緣保護(hù)層14表面再涂覆金屬反射膜15；光電二極管接收器7固定在V-形凹腔13的正上方，接收器和硅基波導(dǎo)芯片上各自設(shè)有對(duì)應(yīng)的用于放置定位的校準(zhǔn)標(biāo)記，來保證接收器在硅基波導(dǎo)芯片上的準(zhǔn)確定位，這樣接收器可以通過被動(dòng)校準(zhǔn)的方式高精度地平面地置放到硅基波導(dǎo)芯片。接收器7的接收口表面有薄膜濾光片16，薄膜濾光片16只透過1490nm的信號(hào)光，可將雜散光和其它波長(zhǎng)的光濾掉，進(jìn)而提高光波輸入信號(hào)的純凈度。V-形凹腔13將從下行波導(dǎo)2b入射來的1490nm的信號(hào)光向上反射，通過薄膜濾光器而送到二極管接收器。由于波導(dǎo)端面的位置，V-形腔的位置和形狀、薄膜濾光器和二極管位置均由半導(dǎo)體的高精密光刻過程來定義，因此保證了光學(xué)校準(zhǔn)的精確性。
由于本發(fā)明采用平面集成幾何工藝流程，進(jìn)而保證了非硅片，即激光器和接收器，以從上到下的方式組裝安放到硅基平面波導(dǎo)芯片上，并且按照由半導(dǎo)體工藝技術(shù)定義的被動(dòng)校準(zhǔn)機(jī)制來定位，因此，保證了一個(gè)簡(jiǎn)單高效率和低成本的工藝過程。
上述來自光電接收二極管的光電轉(zhuǎn)換的電信號(hào)和向激光器輸入的電信號(hào)可以通過信號(hào)聯(lián)線的方式連接到外部電路上或印刷電路板(PCB)上。
權(quán)利要求
1.一種混和集成硅基光電信號(hào)處理芯片，其特征在于包括用于作為芯片基體的絕緣體硅片，用于外接網(wǎng)絡(luò)傳輸光纖的芯片光波導(dǎo)出/入端口，在硅片上刻蝕形成且用于光傳輸載體的光波導(dǎo)，用于分/合不同波長(zhǎng)光信號(hào)的分/合光器，用于產(chǎn)生輸出波長(zhǎng)光的半導(dǎo)體激光器，用于接收輸入波長(zhǎng)光信號(hào)的光電二極管接收器；所述分/合光器、激光器和接收器以被動(dòng)校準(zhǔn)表面置放的方式集成組裝在絕緣體硅基芯片平面上，光波導(dǎo)出/入端口經(jīng)光波導(dǎo)與分/合光器的復(fù)合端耦合連接，兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)通過光波導(dǎo)和同一個(gè)出入端口傳輸，分/合光器的分離端連接兩個(gè)分叉光波導(dǎo)，其中一個(gè)分叉光波導(dǎo)耦合連接到激光器，傳輸激光器產(chǎn)生的輸出波長(zhǎng)光，其中一個(gè)分叉光波導(dǎo)耦合連接到接收器，傳輸輸入波長(zhǎng)光信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混和集成硅基光電信號(hào)處理芯片，其特征在于所述半導(dǎo)體激光器集成組裝在與其耦合連接的硅基芯片平面波導(dǎo)上，在該集成組裝處設(shè)有沿特定的晶向進(jìn)行濕法刻蝕而形成的內(nèi)凹腔體，凹腔體內(nèi)的前部底面為刻蝕形成的內(nèi)陷V-型槽，半導(dǎo)體激光器固定置于內(nèi)凹腔體中，內(nèi)陷V-型槽上固定微球透鏡，激光器的輸出光經(jīng)微球透鏡耦合到平面波導(dǎo)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的混和集成硅基光電信號(hào)處理芯片，其特征在于所述凹腔體的內(nèi)表面及耦合處的波導(dǎo)表面設(shè)有絕緣保護(hù)層。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的混和集成硅基光電信號(hào)處理芯片，其特征在于所述凹腔體內(nèi)的后端面為半V-形斜面，斜面上設(shè)有反射膜，斜面上方設(shè)有用于監(jiān)測(cè)激光器功率的光電二極管，光電二極管固定于硅基芯片上，激光器后端的透射光經(jīng)斜面的反射膜反射到功率監(jiān)測(cè)光電二極管。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混和集成硅基光電信號(hào)處理芯片，其特征在于所述接收器集成組裝在與其耦合連接的硅基芯片平面波導(dǎo)上，在該集成組裝處設(shè)有沿特定的晶向進(jìn)行濕法刻蝕而形成的V-形凹腔，V-形凹腔的在波導(dǎo)入射處為垂直端面，在V-形凹腔的斜面及入射處的波導(dǎo)表面設(shè)有絕緣保護(hù)層，在斜面的絕緣保護(hù)層表面設(shè)有反射膜；接收器固定在V-形凹腔的正上方，從波導(dǎo)入射的光波經(jīng)V-形凹腔的斜面反射到光電二極管接收器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或5所述的混和集成硅基光電信號(hào)處理芯片，其特征在于所述光電二極管接收器的接收口表面設(shè)有薄膜濾光片，將雜散光和其它波長(zhǎng)的光濾掉，進(jìn)而提高光波輸入信號(hào)的純凈度。
7.根據(jù)權(quán)利要求1、2或5所述的混和集成硅基光電信號(hào)處理芯片，其特征在于所述在激光器、接收器和硅基波導(dǎo)芯片上各自設(shè)有對(duì)應(yīng)的用于放置定位的校準(zhǔn)標(biāo)記。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的混和集成硅基光電信號(hào)處理芯片，其特征在于所述波導(dǎo)為對(duì)絕緣體硅片上層進(jìn)行刻蝕形成的橋式波導(dǎo)；所述波導(dǎo)的寬度由要將傳輸?shù)墓獾牟ㄩL(zhǎng)和單模條件來決定。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或8所述的混和集成硅基光電信號(hào)處理芯片，其特征在于所述刻蝕形成的波導(dǎo)與下層硅片之間設(shè)有絕緣氧化層。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種混和集成硅基光電信號(hào)處理芯片，包括絕緣體硅片、光波導(dǎo)出/入端口、用于光傳輸載體的光波導(dǎo)、分/合光器、半導(dǎo)體激光器和接收器；所述分/合光器、激光器和接收器以被動(dòng)校準(zhǔn)表面置放的方式集成組裝在絕緣體硅基芯片平面上，光波導(dǎo)出/入端口經(jīng)光波導(dǎo)與分/合光器的復(fù)合端耦合連接，兩個(gè)不同波長(zhǎng)的光信號(hào)通過光波導(dǎo)和同一個(gè)出入端口傳輸，分/合光器的分離端連接兩個(gè)分叉光波導(dǎo)，其中一個(gè)分叉光波導(dǎo)耦合連接到激光器，傳輸激光器產(chǎn)生的輸出波長(zhǎng)光，其中一個(gè)分叉光波導(dǎo)耦合連接到接收器，傳輸輸入波長(zhǎng)光信號(hào)。本發(fā)明制作成本低、制作簡(jiǎn)單、可大規(guī)模生產(chǎn)。
文檔編號(hào)G02B6/10GK1878035SQ20061003578
公開日2006年12月13日 申請(qǐng)日期2006年6月5日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月5日
發(fā)明者李若林 申請(qǐng)人:四川飛陽科技有限公司, 李若林