專利名稱：一種波分復(fù)用器件及其在高速光器件中的應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及 一種波分復(fù)用器件及應(yīng)用該波分復(fù)用器件的高速光器件，屬于光傳輸領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著我國加快推進(jìn)電信網(wǎng)、廣播電視網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)的三網(wǎng)融合，寬帶網(wǎng)絡(luò)迎來了新一輪的升級高潮。目前光通信技術(shù)和光網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展正向著集成化、智能化和大容量的方向發(fā)展，40G和100G光器件具有功能上和尺寸上的高度集成以及低成本、低功耗和大帶寬等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足不斷增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)資源等的要求。市場研究報(bào)告表明，在網(wǎng)絡(luò)通信量持續(xù)不斷增長的推動下，企業(yè)和電信運(yùn)營商設(shè)備上的高速(40G和100G)光纖和以太網(wǎng)端口的應(yīng)用繼續(xù)增長，表明電信運(yùn)營商正在將其下一代網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)向高速網(wǎng)絡(luò)以便處理迅速增長的通信流量。作為40G和100G光通信系統(tǒng)和光網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵器件，40G 和 100G TOSA (TOSA, Transmitter Optical Sub-Assembly,光發(fā)射器件 / 組件)和 ROSA (ROSA, Receiver Optical Sub-Assembly,光接收器件 / 組件)。需要滿足小尺寸、低功耗、低成本等市場要求。基于這些迫切需求和巨大的市場需求，如何找到一種低成本解決方案已成為目前光器件供應(yīng)商的當(dāng)務(wù)之急。目前業(yè)界采用的解決方案是利用昂貴的工藝設(shè)備去制作40G和100G TOSA和R0SA，其生產(chǎn)成本高昂，并且由于設(shè)備昂貴，也直接限制了其生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的解決上述技術(shù)問題，提出一種波分復(fù)用器件及應(yīng)用該波分復(fù)用器件的高速光器件。本實(shí)用新型的目的，將通過以下技術(shù)方案得以實(shí)現(xiàn)—種波分復(fù)用器件，所述器件包括硅襯底，所述硅襯底上包覆有二氧化硅層，所述二氧化硅層上包覆有光柵層，所述光柵層上刻蝕有硅光子表面光柵。優(yōu)選地，所述光柵層為硅芯層，所述硅光子表面光柵刻蝕在硅芯層表面。優(yōu)選地，所述光柵層為摻雜二氧化硅芯層及二氧化硅包層，所述二氧化硅包層包設(shè)在摻雜二氧化娃芯層上，所述二氧化娃包層上刻蝕有娃光子表面光柵。優(yōu)選地，所述高速光器件包括波分復(fù)用器件，所述表面光柵的上方設(shè)置有光芯片，所述光芯片與波分復(fù)用器件為垂直光耦合；所述光器件還包括有一光接收裝置，所述光接收裝置與波分復(fù)用器件通過光耦合連接。優(yōu)選地，所述光芯片與器件之間還設(shè)置有用于提高耦合效率的透鏡。優(yōu)選地，所述光芯片可以但不限于半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體探測器。優(yōu)選地，所述光接收裝置為光纖或光接收頭。優(yōu)選地，所述光芯片之間陣列式或分離式排列。本實(shí)用新型的有益效果主要體現(xiàn)在具有波分復(fù)用器件形成的光器件具有尺寸緊湊、成本低、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)；同時，批量生產(chǎn)時，無需解離光芯片，通過垂直光耦合直接檢測產(chǎn)品的質(zhì)量，直接降低了生產(chǎn)成本。光柵層根據(jù)采用不同的晶圓而由不同的組成，結(jié)合光接收器的位置，使得光接收裝置與復(fù)用/解復(fù)用器件具有較低的耦合損耗。

圖I是本實(shí)用新型的具有采用絕緣硅晶圓形成的波分復(fù)用器件的光器件截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本實(shí)用新型的具有采用平面光波導(dǎo)硅晶圓形成的波分復(fù)用/解復(fù)用器件的光器件截面結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本實(shí)用新型硅光子表面光柵工作原理圖。圖4是采用絕緣硅的硅光子表面光柵波分復(fù)用框圖。圖5是采用絕緣硅的硅光子表面光柵波分解復(fù)用框圖。圖6是采用平面光波導(dǎo)的硅光子表面光柵波分復(fù)用框圖。圖7是采用平面光波導(dǎo)的硅光子表面光柵波分解復(fù)用框圖。圖8是本實(shí)用新型中具體的以4個IOG CffDM DFB激光器為例的方案示意圖。
具體實(shí)施方式
本實(shí)用新型揭示了一種波分復(fù)用器件及應(yīng)用該波分復(fù)用器件的高速光器件。所述波分復(fù)用器件，包括硅襯底1，所述硅(Si)襯底I上包設(shè)有二氧化硅(Si02)層2，所述二氧化娃層2上包設(shè)有光柵層,所述光柵層上刻蝕有娃光子表面光柵(圖中未標(biāo)識)。結(jié)合圖I所示，具體的，當(dāng)采用絕緣硅(SOI)晶圓時，所述光柵層為硅芯層31，所述娃光子表面光柵刻蝕在娃芯層31表面。結(jié)合圖2所示，采用平面光波導(dǎo)(PLC)硅晶圓時，所述光柵層為摻雜二氧化硅芯層32及二氧化硅包層33，所述二氧化硅包層33包設(shè)在摻雜二氧化硅芯層32上，所述二氧化娃包層33上刻蝕有娃光子表面光柵。如圖I、圖2所示，所述高速光器件包括波分復(fù)用/解復(fù)用器件，所述硅光子表面光柵的上方設(shè)置有與其進(jìn)行光對準(zhǔn)耦合的光芯片4和光接收裝置。光芯片4的數(shù)量可以以陣列式排布有多個，這些光芯片4可以是但不限于半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體探測器，包括粗波分復(fù)用(CWDM)或密集波分復(fù)用(DWDM)光芯片以及其TO (Transistor Outline)封裝形式等；所述光接收裝置為光纖5或光接收頭?；趹?yīng)用的不同，結(jié)合體圖I、圖4，采用絕緣硅(SOI)晶圓時，光纖5與硅光子表面光柵米用垂直光I禹合的方式實(shí)現(xiàn)稱合；結(jié)合圖2、圖5,米用平面光波導(dǎo)(PLC)娃晶圓時，光纖5或光接收頭與娃光子表面光柵米用端面光稱合實(shí)現(xiàn)f禹合。圖3解釋了硅光子表面光柵實(shí)現(xiàn)垂直光耦合的工作原理。當(dāng)入射光照到硅光子表面光柵時，出現(xiàn)了光的衍射效應(yīng)，下面的公式表明了入射光和衍射光之間的關(guān)系
ksin 0 + —— = (3
A 0
, 2jv其中kin為入射波的波矢，ni為入射介質(zhì)折射率，0為入射光的入射角，A為表面光柵的周期，A =，。為導(dǎo)波模的傳播常數(shù)，n2為娃光子表面光柵有效折射率?；?br> A0
于光的互易性原理，其出射光的工作原理類似于上面。圖4、圖5分別為米用絕緣娃(SOI)晶圓時的娃光子表面光柵波分復(fù)用/解復(fù)用框圖。圖6、圖7為米用平面光波導(dǎo)(PLC)娃晶圓時娃光子表面光柵波分復(fù)用/解復(fù)用框圖。如圖4、圖6所示，對于波分復(fù)用，硅光子表面光柵由一個寬譜光柵構(gòu)成(基于應(yīng)用，也可以由多個具有不同周期的光柵組成)，對于具有多波長(X1, A2,...,、)的010皿/DWDM半導(dǎo)體激光器，這個寬譜光柵將涵蓋這些波長(X1, A2, Xn)。當(dāng)?shù)谝话雽?dǎo)體激光器41、第二半導(dǎo)體激光器42、第三半導(dǎo)體激光器43等多個波長的半導(dǎo)體激光器的入射光照耀到硅光子表面光柵時，光柵產(chǎn)生的衍射光進(jìn)入到硅波導(dǎo)，復(fù)用后在硅波導(dǎo)中傳輸，到達(dá)另外一個硅光子表面光柵時，可垂直光耦合到光纖5或光接收 頭中。為了提高光耦合效率，可以在半導(dǎo)體激光器和硅光子表面光柵的光入射處使用透鏡44。如圖5、圖7所示，對于波分解復(fù)用，硅光子表面光柵由n組不同光柵周期或?qū)?yīng)不同波長(X1, X 2，…，X n)的光柵所組成，當(dāng)從光纖入射的多波長光(X 1，X 2，…，Xn)通過娃波導(dǎo)到達(dá)這些光柵時，對應(yīng)于不同光柵周期，這些不同波長的光將垂直耦合到位于上面的由第一半導(dǎo)體探測器45、第二半導(dǎo)體探測器46和第三半導(dǎo)體探測器47組成的半導(dǎo)體探測器陣列，當(dāng)然也可采用分離式，分離式是相對陣列式而言。由于作為光波導(dǎo)的摻雜二氧化娃芯層32,其出射光的模場可以與光纖直接匹配，所以，米用PLC娃晶圓時,與光纖5或光接收頭的稱合可米用端面光稱合,如圖6、圖7所不。在這里，我們采用由多個周期的光柵所組成的表面光柵來說明，當(dāng)然了，這個表面光柵也可以由一個寬譜光柵構(gòu)成。類似于上面的說明，來自于CWDM/DWDM半導(dǎo)體激光器的多波長入射光可以通過這個表面光柵稱合到摻雜二氧化娃芯層32所構(gòu)成的光波導(dǎo)中，并在其中傳輸，到達(dá)端面后可直接耦合到光纖5中。為更好的理解本實(shí)用新型，現(xiàn)以4個IOG CffDM DFB激光器(TO)為例，進(jìn)一步闡述實(shí)現(xiàn)40G TOSA的方案。如圖8所示，4個IOG CffDM DFB激光器52分別具有1271nm、1291nm、1311nm和1331nm四個波長，每個激光器具有球透鏡可以將激光器52的光聚焦到硅光子表面光柵上，提高了耦合效率。復(fù)用/解復(fù)用器件中采用絕緣硅(SOI)晶圓，這個硅光子表面光柵具有73nm的帶寬，可以涵蓋全部這4個波長的光，并且也涵蓋了激光器工作環(huán)境溫度變化時(例如-5 75°C )所引起的波長變化。硅光子表面光柵產(chǎn)生的衍射效應(yīng)將這4個波長的光耦合到硅波導(dǎo)中。另外，這四個TO可以傾斜一個角度去進(jìn)一步提高耦合效率。在硅波導(dǎo)中的4個波長的光到達(dá)位于光接收頭51下方的表面光柵時,發(fā)生的衍射效應(yīng)實(shí)現(xiàn)了將4個波長的光垂直耦合到光接收頭51，從而實(shí)現(xiàn)了 40G的光輸出。同樣，為了提高耦合效率，光接收頭可以相對于其下方的表面光柵傾斜一個角度。本實(shí)用新型尚有多種實(shí)施方式，凡采用等同變換或者等效變換而形成的所有技術(shù)方案，均落在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求1.一種波分復(fù)用器件，其特征在于所述器件包括硅襯底，所述硅襯底上包覆有二氧化硅層，所述二氧化硅層上包覆有光柵層，所述光柵層上刻蝕有硅光子表面光柵。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種波分復(fù)用器件，其特征在于所述光柵層為硅芯層，所述娃光子表面光柵刻蝕在娃芯層表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種波分復(fù)用器件，其特征在于所述光柵層為摻雜二氧化硅芯層及二氧化硅包層，所述二氧化硅包層包設(shè)在摻雜二氧化硅芯層上，所述二氧化硅包層上刻蝕有娃光子表面光柵。
4.一種如權(quán)利要求I所述的波分復(fù)用器件在高速光器件中的應(yīng)用，其特征在于所述波分復(fù)用器件應(yīng)用于高速光器件中，所述娃光子表面光柵的上方設(shè)置有光芯片，所述光芯片與波分復(fù)用器件為垂直光耦合；所述光器件還包括有一光接收裝置，所述光接收裝置與波分復(fù)用器件通過光耦合連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種波分復(fù)用器件在高速光器件中的應(yīng)用，其特征在于所述光芯片與器件之間還設(shè)置有用于提高耦合效率的透鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種波分復(fù)用器件在高速光器件中的應(yīng)用，其特征在于所述光芯片可以但不限于半導(dǎo)體激光器或半導(dǎo)體探測器。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種波分復(fù)用器件在高速光器件中的應(yīng)用，其特征在于所述光接收裝置為光纖或光接收頭。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種波分復(fù)用器件在高速光器件中的應(yīng)用，其特征在于所述光芯片之間陣列式或分離式排列。
專利摘要本實(shí)用新型揭示了一種波分復(fù)用器件及其在高速光器件中的應(yīng)用，所述波分復(fù)用器件包括硅襯底，所述硅襯底上包覆有二氧化硅層，所述二氧化硅層上包覆有光柵層，所述光柵層上刻蝕有硅光子表面光柵。光器件是通過在表面光柵的上方設(shè)置光芯片，光芯片與器件之間設(shè)置透鏡，通過光耦合連接所述光接收裝置與波分復(fù)用器件。具有波分復(fù)用器件形成的光器件具有尺寸緊湊、成本低、易于批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)；同時，批量生產(chǎn)時，無需解離光芯片，通過垂直光耦合直接檢測產(chǎn)品的質(zhì)量，直接降低了生產(chǎn)成本。光柵層根據(jù)采用不同的晶圓而由不同的組成，結(jié)合光接收器的位置，使得光接收裝置與復(fù)用器件具有較低的耦合損耗。
文檔編號G02B6/122GK202563118SQ201220011878
公開日2012年11月28日 申請日期2012年1月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月12日
發(fā)明者胡朝陽, 顏學(xué)進(jìn), 王 鋒 申請人:蘇州海光芯創(chuàng)光電科技有限公司