AWG 混合集成 ROSA

2021-01-20 OCBand

以下文章偶然遇到，算是對之前如下連結的補充吧，僅供參考，做產品還是要在協議、選型、工藝、客戶規格之間做全面的判斷，跟文章是兩碼事。

 

PLC平臺的TX和RX分析

 

ROSA封裝與具有2％折射率差異的平面光波電路陣列波導光柵（AWG）和四通道頂部照明的正-本徵-負（SGS）光電探測器（PD）陣列混合集成。AWG的輸出波導採用多模結構設計，可提供平頂光譜，並且其端面經過拋光處理以形成全內反射界面，從而實現與PD陣列的垂直耦合。ROSA的最大響應度約為0.4 A/W，每個傳輸通道的3dB帶寬響應頻率高達20 GHz。（國產2018年的文章，建議批判性地看）

 

對於100GbE應用，每個通道的比特率均為25Gbs。與國際電信聯盟（ITU）標準相對應，有兩種常用的波長分配，分別稱為粗波分復用（CWDM）和LAN-WDM。它們的通道間隔分別為20和4.5nm（800GHz）。

 

本文，同時介紹了4×20GHz使用基於二氧化矽的PLC AWG的CWDM和LAN-WDM接收器光學組件（ROSA）封裝，其中採用多模輸出波導來提供平頂光譜輪廓。AWG輸出波導的端面被拋光至40°角。拋光的小面用作反射鏡，代替光學稜鏡，倒裝晶片鍵合或垂直安裝的光電探測器（PD），以改變光的方向，並實現輸出波導與Si-Ge PD陣列之間的簡單光學耦合，無需使用額外的耦合透鏡。混合集成式ROSA封裝顯示出高線性度，並在0.4 A/W以上達到最大響應度（筆者注，0.4的響應度太小了點）。

 

ROSA的示意圖如圖1（a）。在接收側，光信號在通過AWG DEMUX後被分成四個通道，每個通道分別具有各自的波長。陣列的四個PD收集了單獨的光信號，將其轉換為電信號，在該信號中進行了強度調製和定向檢測（intensitymodulation and directed Detection，IM-DD）。IM-DD是短距離互連中一種常見且低成本的方法。通過這種配置，圖1（b）中顯示了設計好的ROSA封裝。將AWG輸出側的端面拋光到40°，從而形成用於無透鏡耦合的反射鏡。光線從端面完全內部反射，並直接耦合到PD感應區域。選擇了鍍金的W85Cu15合金作為晶片載體，因為其優異的導熱性和導電性。此外，它的熱膨脹係數接近於Si-Ge材料。（筆者注，批量還是選擇ALN吧）

 

圖1. ROSA的（a）電路圖，（b）封裝示意圖。

 

與常見的輸入和輸出波導為單模的AWG器件不同，這裡的AWG晶片的輸出波導具有多模結構，並具有較寬的平頂光譜輪廓。平頂型材對波長漂移具有更寬的容限，波長漂移是由直接調製（頻率啁啾），工作溫度變化引起的（筆者注，這裡說的兩點很對，通常我們只關注溫度對波長的影響，其實溫度會影響DBR也會影響波長，只是比溫度的直接影響小一點）。

基於二氧化矽的矩形波導芯具有2.0％的超高折射率對比度，與具有0.75％和1.5％的折射率對比度的二氧化矽相比，它能夠製造出更緊湊的器件。考慮到光纖耦合損耗和可製造性，設計的二氧化矽波導的芯高為4μm。模擬了不同模式的有效折射率與波導寬度之間的關係，並在圖2中進行了顯示。仿真中，選擇了1271和1331 nm這兩個波長，覆蓋了介於1271和1331 nm之間的所有其他波長，並具有相同的模量。

 

圖2.有效折射率（neff）和波導寬度之間的關係。

 

從仿真結果中，分別選擇4和11.5μm作為單模和多模波導的寬度。如圖2所示，具有這種寬度的多模波導可以支持四種模式。

 

為了更容易地組裝ROSA，正照鍺/矽PIN PD陣列被使用，其感光區域直徑為20微米，響應度高達0.9 A/W @ -3 V，暗電流通常為150 nA @ -3V。

 

因為PD陣列的照明區域在頂部，並且AWG波導中的光傳輸方向是水平的，所以光轉向組件對於AWG和PD之間的光耦合至關重要。為簡單起見，將AWG晶片的輸出端面刻成一定角度以將光方向轉換為PD。如圖3所示，採用了三維（3D）有限差分時域（FDTD）方法來模擬結構。

 

圖3.傳播模擬的縱截面，夾角為40°。

 

在模擬中設置了四個監視器，它們與AWG的頂部之間的傳輸距離分別為0、10、20和30μm，以收集光功率並顯示光斑輪廓。光功率隨著圖4（a）所示的傳輸距離的增加而下降。還模擬了其他角度，如圖4（b）所示。隨著角度減小，反射鏡可以反射更多的能量。光電轉換效率與角度值敏感相關（筆者注，這裡只是學院派模擬的結果，應該沒有鍍AR膜，並且與實際經驗不怎麼匹配。不管怎樣，20um的距離和42度，這是工藝折中的現實選擇）。

 


圖4.傳輸損耗（a）在40°角下不同距離和波長處，（b）在20μm距離下不同角度和波長處。（模擬光源同時包含兩個偏振。）

 

另一個需要關注的是PD有限感應區域的束斑輪廓。如果光束輪廓擴展得太多（可能會超出感應區域），則PD無法收集所有光，這將導致額外的損失並降低接收效率。束斑輪廓被模擬並顯示在圖5中（筆者注，選擇42度還是挺好的，還算是圓形光斑）。

 

圖5.在（a）45°，（b）42°，（c）40°和（d）38°的20μm傳輸距離下的光斑輪廓。

 

AWG晶片是在二氧化矽平臺上製造的。首先通過熱氧化物在矽襯底上生長下部二氧化矽覆層。然後，通過摻Ge的等離子體增強化學氣相沉積（PECVD）沉積核心二氧化矽層。之後，通過電感耦合等離子體（ICP）蝕刻工藝蝕刻波導結構，以形成尖銳且光滑的邊緣。最後一步是通過PECVD再次沉積上層二氧化矽覆層。掃描電子顯微鏡（SEM）的照片顯示了圖6中的製造波導。

 

圖6.（a）單模波導和（b）多模波導的SEM照片。

 

為了更實際地耦合和對準PD陣列，將AWG晶片翻轉過來，以使來自輸出波導的反射光僅穿過薄的上覆層。通過三個步驟製成40°反射鏡。首先，使用鐵砂輪大致形成40°角。其次，在鐵板上用尺寸為1μm的SiC顆粒對端面拋光約30分鐘。在最後一步中，用直徑為0.5μm的二氧化鈰代替研磨劑進行拋光30分鐘，以得到作為反射鏡的超細小面，該面極其光滑並最大程度地減少了損耗。在混合集成過程中，AWG晶片和PD陣列進行了主動對齊和耦合。PD陣列通過銀膠安裝在載體上。夾持AWG晶片，並用固定裝置向PD陣列移動，直到PD產生最大光電流為止。然後，將AWG晶片用UV膠粘合。ROSA的照片如圖7所示。

 

圖7. ROSA的照片。

 

測試了CWDM和LAN-WDMROSA的響應光譜，如圖8所示。在極化隨機條件下測量結果。光譜的頂部是盒狀的，兩者的最大響應度都高達0.4A/W @ -3V（筆者注，0.4是不行的）。考慮到PD晶片的響應率為0.9 A / W，光學損耗約為3.5 dB，這是由於AWG的傳輸損耗為1.5dB，AWG和PD之間的耦合損耗為0.65 dB（考慮到TE和TM模式）以及到AWG的豬尾線（AWG和光纖之間的連接器）損失1 dB。（筆者注，原文還有一點帶寬方面的描述，別看了，挺差的）

 

圖8.（a）CWDM和（b）LAN-WDM中的ROSA響應度（灰色區域表示CWDM和LAN-WDM網格）。

 

圖9. CWDM和LAN-WDM中的線性度。

 

圖10. CWDM和LAN-WDM中的小信號頻率響應。

 

表1. ROSA的性能比較

 


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