光发射模块中激光器与光纤的无源耦合

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

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

由于激光器发出的光有一定的发散角，所以光纤端面与激光器的距离不能太大。当距离大于50mm时，耦合效率就小于6% [3]，而V型槽的前端有一个大约70μm长的斜坡，光纤无法与激光器靠近，所以去除这个斜坡也是非常关键的一步。我们已经成功地解决了这一问题。

2.1.4 激光器对准标记的实现

要想实现无源耦合，就必须在硅基上和激光器上分别作出精密的相应的对准标记。要求激光器上的标记要以有源区为基准，硅基上的标记一定要采用高的工艺实现，而不能利用剥离等低的工艺。

2.2 硅基平台的制作工艺

我们采用100mm的硅工艺制作硅基平台。首先在（100）硅片上利用RIE作出划片标记和激光器对准标记，这一步关系到以后的V型槽腐蚀，所以所做的标记一定要和硅片的定位边对齐，不然偏离了晶向会影响V型槽的腐蚀；再生长一层SiO2，然后光刻出V型槽的窗口，利用HF酸漂掉窗口处的 SiO2，利用KOH腐蚀液腐蚀出V型槽；腐蚀完V型槽后进行金属布线的光刻，然后溅射Ti/Au，剥离；再利用热蒸发的方法制作出金锡合金的激光器压焊点；去除V型槽前端的斜坡。

3 激光器和光纤的耦合

在做完硅基平台后，在氮气保护的情况下利用倒扣焊机将激光器正面朝下压焊在硅基平台上的激光器焊点处。焊接时压力一般在20g以下，温度设定在330℃左右，焊接过程只有几十秒。焊接完激光器后，把端面镀了增透膜的光纤用环氧树脂固定在V 型槽中，这样就完成了无源耦合的整个工艺。

4 结果分析

我们把光纤固定在V型槽中，利用扫描电镜做了剖面图（），由图中可以看出光纤的中心点高出硅平面1μm。同时还作了焊接好的激光器与硅基剖面的扫描电镜图（）。由于在焊点处的图象不是很清晰，我们选择了两焊点间的间隙，测量了激光器的下表面到硅平面的距离，所示为 598nm，激光器出光面离激光器的下表面有1mm左右的距离，这个结果表明，在垂直方向上获得了小于1mm的对准。

，测试了它的直流特性（），得到了大于1mW的光输出，并且经过37次高低温冲击（-40~80℃），出纤光功率保持稳定。

5 结论

开发出了硅基平台的100mm硅片加工工艺，利用倒扣焊技术进行激光器-光纤无源耦合。激光器与光纤在垂直方向的对准达到了1μm，出纤光功率大于1mW。这项技术如果应用到光发射模块的研制中去，将会大大降低光通信的成本，促进光纤接入网的发展。