摘要：對光電發(fā)射模塊中激光器與光纖的無源耦合作了研究。利用成熟的100mm硅工藝研制成功了無源耦合用硅基平臺(tái)，并可以批量生產(chǎn)。在此基礎(chǔ)上利用倒裝工藝實(shí)現(xiàn)了激光器與單模光纖的無源耦合，出纖光功率達(dá)到了毫瓦級，且經(jīng)過37次高低溫沖擊性能不變。

關(guān)鍵詞：硅基平臺(tái)；無源耦合；V型槽

中圖分類號：TN751.1；TN248 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號：1003-353X(2005)01-0066-03

1 引言

隨著個(gè)人通信由單純的語音向多媒體方向轉(zhuǎn)變，光纖到戶成為一種趨勢。但光纖接入網(wǎng)的發(fā)展并不順利，制約光纖接入網(wǎng)發(fā)展的主要原因是其成本的居高不下。光發(fā)射模塊是光纖接入網(wǎng)中的關(guān)鍵部件，其成本的降低是光纖接入網(wǎng)成本降低的關(guān)鍵，而目前光電發(fā)射模塊中激光器與光纖的耦合通常采用使LD發(fā)光，然后一邊監(jiān)視光纖輸出，一邊進(jìn)行位置微調(diào)以達(dá)到光軸對準(zhǔn)的有源對準(zhǔn)方式。這種方式耗時(shí)太長，難以形成規(guī)模，嚴(yán)重阻礙了光技術(shù)的發(fā)展，適應(yīng)不了迅速增長的市場需求。近年來出現(xiàn)的硅基平臺(tái)技術(shù)，即把有源、無源光器件、電子器件和光纖集成在經(jīng)過加工的硅片上，改變過去復(fù)雜的有源耦合，發(fā)展為無源耦合，這種方法有望降低光發(fā)射模塊的成本。實(shí)現(xiàn)無源耦合可以有多種方式：一種是利用機(jī)械定位，這種方法對激光器的外形要求非?？量蘙1]；一種是在硅基上制作焊球, 利用焊球的自對準(zhǔn)特性實(shí)現(xiàn)無源耦合[2]；還有一種是利用倒扣焊接的方法進(jìn)行無源耦合。本文論述的是利用倒扣焊實(shí)現(xiàn)無源耦合的方法。

2 硅基平臺(tái)的設(shè)計(jì)和制作

2.1 硅基平臺(tái)的設(shè)計(jì)

所示無源耦合的立足點(diǎn)，是利用V型槽的自對準(zhǔn)特性和微電子的精細(xì)加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)激光器與光纖的對準(zhǔn)。硅基平臺(tái)的設(shè)計(jì)工作主要集中在材料的選擇、合適的V型槽寬度的確定、V型槽前端斜坡的去除和激光器對準(zhǔn)標(biāo)記的實(shí)現(xiàn)。

2.1.1 硅基材料的選擇

考慮到硅基平臺(tái)要應(yīng)用到2.5Gb/s光發(fā)射模塊中去，這就涉及到微帶傳輸線的設(shè)計(jì)和制作，所以材料的選擇很重要。通常微帶線都是在絕緣或半絕緣的襯底上制作的。普通硅片的體電阻比較低，一般在3～8Ω·cm，這種硅片當(dāng)應(yīng)用到高頻的時(shí)候，會(huì)對微波信號產(chǎn)生很大的損耗，這是不允許的。但高阻硅的體電阻可以達(dá)到300Ω·cm，甚至更高，而且其導(dǎo)熱性能較好，所以高阻硅可以應(yīng)用到硅基平臺(tái)的研究中。由于高阻硅的價(jià)格相對較高，所以選擇一種價(jià)格不高而又符合要求的硅襯底制作硅基平臺(tái)很重要。為此我們使用Microwave office 軟件對硅體電阻對傳輸線損耗的影響作了模擬。模擬時(shí)，布線寬度為100μm，長度為1000μm，結(jié)構(gòu)為：空氣層/金屬布線層/二氧化硅層/硅襯底/二氧化硅層/金屬層，在只改變硅的體電阻的情況下得到了所示結(jié)果。在2.5 GHz的情況下，3，8，50，150和300Ω·cm硅的輸出/輸入的功率比分別為-5.103，-3.225，-0.616，-0.226和-0.1dB?？梢钥闯觯S著硅的體電阻的增加，傳輸線的衰減明顯降低。

2.1.2 V型槽寬度的確定

V型槽的寬度應(yīng)由激光器出光面的高度及光纖的直徑來確定。如圖所3示，V型槽的寬度w，由下式?jīng)Q定

式中，r為光纖半徑；h為激光器出光面高度； φ是（100）和（111）晶面的夾角（54.7°）。由于光纖的直徑是確定的，只要知道了激光器出光面的高度，就可利用上式計(jì)算出V型槽的寬度。

2.1.3 V型槽前端斜坡的去除

由于激光器發(fā)出的光有一定的發(fā)散角，所以光纖端面與激光器的距離不能太大。當(dāng)距離大于50mm時(shí)，耦合效率就小于6% [3]，而V型槽的前端有一個(gè)大約70μm長的斜坡，光纖無法與激光器靠近，所以去除這個(gè)斜坡也是非常關(guān)鍵的一步。我們已經(jīng)成功地解決了這一問題。

2.1.4 激光器對準(zhǔn)標(biāo)記的實(shí)現(xiàn)

要想實(shí)現(xiàn)無源耦合，就必須在硅基上和激光器上分別作出精密的相應(yīng)的對準(zhǔn)標(biāo)記。要求激光器上的標(biāo)記要以有源區(qū)為基準(zhǔn)，硅基上的標(biāo)記一定要采用高的工藝實(shí)現(xiàn)，而不能利用剝離等低的工藝。

2.2 硅基平臺(tái)的制作工藝

我們采用100mm的硅工藝制作硅基平臺(tái)。首先在（100）硅片上利用RIE作出劃片標(biāo)記和激光器對準(zhǔn)標(biāo)記，這一步關(guān)系到以后的V型槽腐蝕，所以所做的標(biāo)記一定要和硅片的定位邊對齊，不然偏離了晶向會(huì)影響V型槽的腐蝕；再生長一層SiO2，然后光刻出V型槽的窗口，利用HF酸漂掉窗口處的 SiO2，利用KOH腐蝕液腐蝕出V型槽；腐蝕完V型槽后進(jìn)行金屬布線的光刻，然后濺射Ti/Au，剝離；再利用熱蒸發(fā)的方法制作出金錫合金的激光器壓焊點(diǎn)；去除V型槽前端的斜坡。

3 激光器和光纖的耦合

在做完硅基平臺(tái)后，在氮?dú)獗Ｗo(hù)的情況下利用倒扣焊機(jī)將激光器正面朝下壓焊在硅基平臺(tái)上的激光器焊點(diǎn)處。焊接時(shí)壓力一般在20g以下，溫度設(shè)定在330℃左右，焊接過程只有幾十秒。焊接完激光器后，把端面鍍了增透膜的光纖用環(huán)氧樹脂固定在V 型槽中，這樣就完成了無源耦合的整個(gè)工藝。

4 結(jié)果分析

我們把光纖固定在V型槽中，利用掃描電鏡做了剖面圖（），由圖中可以看出光纖的中心點(diǎn)高出硅平面1μm。同時(shí)還作了焊接好的激光器與硅基剖面的掃描電鏡圖（）。由于在焊點(diǎn)處的圖象不是很清晰，我們選擇了兩焊點(diǎn)間的間隙，測量了激光器的下表面到硅平面的距離，所示為 598nm，激光器出光面離激光器的下表面有1mm左右的距離，這個(gè)結(jié)果表明，在垂直方向上獲得了小于1mm的對準(zhǔn)。

，測試了它的直流特性（），得到了大于1mW的光輸出，并且經(jīng)過37次高低溫沖擊（-40~80℃），出纖光功率保持穩(wěn)定。

5 結(jié)論

開發(fā)出了硅基平臺(tái)的100mm硅片加工工藝，利用倒扣焊技術(shù)進(jìn)行激光器-光纖無源耦合。激光器與光纖在垂直方向的對準(zhǔn)達(dá)到了1μm，出纖光功率大于1mW。這項(xiàng)技術(shù)如果應(yīng)用到光發(fā)射模塊的研制中去，將會(huì)大大降低光通信的成本，促進(jìn)光纖接入網(wǎng)的發(fā)展。