光发射模块中激光器与光纤的无源耦合

发布时间:2008/5/29 0:00:00 访问次数:498

杨存永，汪锁发，赵知夷

(中科院微电子研究所，北京 100029)

摘要：对光电发射模块中激光器与光纤的无源耦合作了研究。利用成熟的100mm硅工艺研制成功了无源耦合用硅基平台，并可以批量生产。在此基础上利用倒装工艺实现了激光器与单模光纤的无源耦合，出纤光功率达到了毫瓦级，且经过37次高低温冲击性能不变。

关键词：硅基平台；无源耦合；v型槽

中图分类号：tn751.1；tn248 文献标识码：a 文章编号：1003-353x(2005)01-0066-03

1 引言

随着个人通信由单纯的语音向多媒体方向转变，光纤到户成为一种趋势。但光纤接入网的发展并不顺利，制约光纤接入网发展的主要原因是其成本的居高不下。光发射模块是光纤接入网中的关键部件，其成本的降低是光纤接入网成本降低的关键，而目前光电发射模块中激光器与光纤的耦合通常采用使ld发光，然后一边监视光纤输出，一边进行位置微调以达到光轴对准的有源对准方式。这种方式耗时太长，难以形成规模，严重阻碍了光技术的发展，适应不了迅速增长的市场需求。近年来出现的硅基平台技术，即把有源、无源光器件、电子器件和光纤集成在经过加工的硅片上，改变过去复杂的有源耦合，发展为无源耦合，这种方法有望降低光发射模块的成本。实现无源耦合可以有多种方式：一种是利用机械定位，这种方法对激光器的外形要求非常苛刻[1]；一种是在硅基上制作焊球, 利用焊球的自对准特性实现无源耦合[2]；还有一种是利用倒扣焊接的方法进行无源耦合。本文论述的是利用倒扣焊实现无源耦合的方法。

2 硅基平台的设计和制作

2.1 硅基平台的设计

图1所示无源耦合的立足点，是利用v型槽的自对准特性和微电子的精细加工技术实现激光器与光纤的精确对准。硅基平台的设计工作主要集中在材料的选择、合适的v型槽宽度的确定、v型槽前端斜坡的去除和激光器对准标记的实现。

2.1.1 硅基材料的选择

考虑到硅基平台要应用到2.5gb/s光发射模块中去，这就涉及到微带传输线的设计和制作，所以材料的选择很重要。通常微带线都是在绝缘或半绝缘的衬底上制作的。普通硅片的体电阻比较低，一般在3～8ω·cm，这种硅片当应用到高频的时候，会对微波信号产生很大的损耗，这是不允许的。但高阻硅的体电阻可以达到300ω·cm，甚至更高，而且其导热性能较好，所以高阻硅可以应用到硅基平台的研究中。由于高阻硅的价格相对较高，所以选择一种价格不高而又符合要求的硅衬底制作硅基平台很重要。为此我们使用microwave office 软件对硅体电阻对传输线损耗的影响作了模拟。模拟时，布线宽度为100μm，长度为1000μm，结构为：空气层/金属布线层/二氧化硅层/硅衬底/二氧化硅层/金属层，在只改变硅的体电阻的情况下得到了图2所示结果。在2.5 ghz的情况下，3，8，50，150和300ω·cm硅的输出/输入的功率比分别为-5.103，-3.225，-0.616，-0.226和-0.1db。可以看出，随着硅的体电阻的增加，传输线的衰减明显降低。

2.1.2 v型槽宽度的确定

v型槽的宽度应由激光器出光面的高度及光纤的直径来确定。如图所3示，v型槽的宽度w，由下式决定

式中，r为光纤半径；h为激光器出光面高度； φ是（100）和（111）晶面的夹角（54.7°）。由于光纤的直径是确定的，只要知道了激光器出光面的高度，就可利用上式计算出v型槽的宽度。

2.1.3 v型槽前端斜坡的去除