有源光缆的硅基90°转向芯片设计与制备

刘代军,郭云芝,穆学桢,闫海涛,谢占武,张义飞

(1.中国空空导弹研究院， 河南 洛阳 471009；2.红外探测器技术航空科技重点实验室，河南 洛阳 471009；3.濮阳光电产业技术研究院， 河南 濮阳 457100)

1 引言

随着作战环境的日趋复杂，对武器装备提出了严峻的挑战，抗干扰能力是空空导弹不变的发展方向[1]。并且随着技术发展，导弹武器装备的内外信息交互数据量增大，对传输速率、传输容量以及体积、可靠性等也提出了更高要求。高速有源光缆利用光传输的优越性，与传统电缆相比具有抗干扰能力强、密度高、速度快、体积小且安全可靠等优点，可以较好地满足上述需求。在民用领域，随着提供40G/100G端口的服务器[2]、交换机等设备在数据中心的逐步规模商用，对于高速有源光缆的需求也越来越多[3]。基于军民应用需求，研发高速有源光缆相关产品迫切需要。

2 有源光缆中90°转向阵列的作用及现状

在40G/100G有源光缆中，由于VCSEL的发光方向与光纤传输的方向垂直，需要将光路进行90°转换，后同光纤耦合。因此，90°转向阵列是40G/100G有源光缆的关键元件。

采用一体成型的包含阵列透镜和45°反射面的Lens array实现光路的90°转换，实现激光器/探测器阵列和光纤阵列之间光学对准[4]，工艺装配比较简单，是目前的主流方案。其光路图如图1所示[5]。

图1 Lens array的光路示意图

Lens array存在光程较长、体积过大、设计复杂、价格昂贵、高低温可靠性不好等缺点，导致了Lens array方案在高精度光集成方面存在较大的限制[6]。很多研究机构及企业在寻求新的解决方案。如Avago采用的Prizm光路结构方案[7-8]；如Intel采用芯片集成的方法来实现光互联，最近推出了基于硅光子技术的100G PSM4 QSFP28光收发器[9-10]。但这些方案都存在研发投入巨大，研发周期长等问题。

综合分析90°转向阵列在有源光缆中的重要性及目前存在的问题，并考虑到从光路结构和光学封装技术上对有源光缆进行技术创新研发及产业化是最切实可行的[11-13]。因此，从现有主流方案的问题入手进行改进设计。

3 硅基90°转向阵列设计

去掉图1中的Lens array(含D1、D2中的两个透镜)，采用硅基多模波导阵列，并将波导的一端设计为45°反射面进行90°转向，其光路转向的传输路径如图2所示。

图2 硅基多模波导90°转向阵列示意图

与Lens array方案相比，多模波导90°转向阵列芯片方案光路减少了图1的D1、D2光程中对应的两个透镜，且硅基波导光纤阵列与光源直接耦合，光程很短，更利于光集成。另外，直接耦合，减少了Lens array的加入和贴装工序，耦合精度更高，光路整体稳定性更好。此外，硅基波导阵列的加工采用标准硅工艺，技术比较成熟，成本低廉。

VCSELs与多模波导90°转向阵列耦合的关键指标是耦合效率，主要影响因素有反射面的反射率和反射面的角度(转向角度)，前者工艺控制，后者需要设计。为了使发射芯片与接收芯片的光场实现最优匹配，降低转向芯片对耦合效率的影响，对转向芯片的转向角度设计进行了仿真和优化，光路模拟及耦合效率仿真计算结果如图3所示。

图3 不同转角光路模拟示意图及其耦合效率影响曲线

从模拟结果可知，在41°转向角度时耦合效率最佳，达到93.54%。对形成的平面反射镜进行台阶仪测试，发现41°适用于较为复杂系统的光束方向变化，可以作为两束迎面而来的光束进行转向耦合的情形。通过这两者确定反射面的倾角为完美41°，使其作用和设计需求相切合。

4 硅基转向芯片的制备

转向阵列芯片基于硅材料，型槽结构由于硅的各晶向晶面的微观原子排列特征，硅在碱性条件腐蚀反应，各晶面表现出腐蚀速率不一致的各向异性特征。各向异性的速率差异除本身的晶面差异决定外，外在因素也会对其有影响，其中作为腐蚀环境的腐蚀液是不可忽视的一环。采用异丙醇活性添加剂来调控硅在KOH溶液中的各向腐蚀速率，从而完成带有41°微反射镜的V。

首先使用ACES(anisotropic crystalline etching simulation)软件进行模拟，找出产生V型槽及携带微反射镜的特定刻蚀晶向。根据制作V型槽的俯视图为一矩形，从而在模拟刻蚀阶段选取两个矩形作为刻蚀面，其他地方进行遮掩的矩形掩膜图案。其次，设定模拟参数，刻蚀方向：FACE(100)，EDGE(110)；刻蚀方法：Silicon Wet Etching；腐蚀剂：KOH 30%+异丙醇，1.4 μm/min；掩膜大小：1 018*482；刻蚀时间：45 min。最终所得模拟刻蚀结果如图4所示。

从图4可以看到：V型槽的侧面为(110)晶面，在垂直方向形成了一个镜面也是(110)晶面，水平刻蚀向下为(100)晶面。

图4 ACES软件模拟刻蚀结果

刻蚀过程中掩蔽膜制备：选取SiO2作为掩膜，采用湿氧氧化硅片来制备二氧化硅掩膜。为了制得腐蚀宽度125 μm的高精度定位光纤硅V型槽，选用分辫率较高的正性胶，把前烘温度控制在100 ℃，时间10 min，曝光时间4.3 s，显影时间为30～32 s，采用HF腐蚀二氧化硅来制备掩膜，其配比方案为：

HF(48%)∶(NH4)F(pH=4～5)∶H2O=3∶6∶10(摩尔比)

采用硅的碱溶液配比(质量比)方案是：

KOH∶IPA∶H2O=2∶1∶10

刻蚀时间100 min，刻蚀中温度为75 ℃，刻蚀速率为3.3 μm/min，

刻蚀100 min后的V型槽形貌如图5所示。探针沿着V型槽的方向滑动，形貌如图。可以看出，槽底为较平整平面，上升沿与下降沿为两个对立相向的V型槽所携平面反射镜。

图5 单个V型槽形貌

对其进行测试，其微反射镜面如图6所示。由图可知，其呈现出的斜面为一平整平面，加之近41°特征，与设计需求一致。

图6 微反射镜面示意图

微反射镜的平整度将直接影响到光路折转时反射率的大小，为此进行了AFM测试得出其表面粗糙度信息如图7所示，其RMS为29.5。

图7 AFM测试刻蚀后表面粗糙度信息图

表面粗糙度与反射效率之间的关系为

(1)

其中，λ为入射光波长，δ是表面粗糙度的均方根值，表面粗糙度引入的损耗为

(2)

取θ=41°，λ=850 nm得：

由图8可知：在粗糙度RMS为30附近时引入的损耗约为0.48 dB，即反射率在90%。

图8 粗糙度与插入损耗关系

为了进一步增加表面反射率，减少由湿法腐蚀带来的表面不平整，采用了在其表面增镀介质膜的方法，设计了一系列高低折射率的Si/SiO2高反射膜系，它们在850 nm波段左右反射。为使反射率最大化，使用TFCalc软件进行此材料系及对数为3情况下的反射率模拟与优化，如图9所示为各层介质膜厚度，第7层为引入的SiO2增透膜，同时起到保护Si不被氧化引起反射率改变。从图9可以得出镀膜厚度分别为dSiO2=144.37 nm，dSi=57.78 nm。

图9 SiO2/Si膜层厚度界面

5 制备样品测试

搭建转向阵列芯片的测试系统，包括：显微镜，芯片夹具，光纤耦合模块，位置调节结构等；将光学芯片固定在芯片家具上，位置调节结构可以调整显微镜镜头与芯片之间的距离，光纤耦合模块可以实现转向阵列芯片的多通道光学耦合，实现接收端和发送端单独测试。测试结果如下：图10为最终增镀高反介质膜后的转向表面反射率，从图10可知当波长大于672 nm时，表面反射率接近于100%，这极利于光纤阵列与VCSELs的高效率耦合。

图10 增镀高反介质膜后的表面反射率曲线

图11为转向光纤阵列与VCSELs耦合后的测试结果，可以看出：400～762 nm波长范围内，耦合效率随波长增大而逐渐增大；762～1 000 nm波长范围内，耦合效率随波长增大而逐渐减小，在特征波长762 nm处，耦合效率最高可达92%。

图11 耦合效率测试曲线

6 结论

从缩短光程、减小体积、降低成本、提高温度可靠性等方面考虑，设计了转角为41°、模拟耦合效率达93.5%的硅基端面反射波导阵列芯片，采用成熟的硅工艺进行芯片制备。在芯片制备过程中，分析了硅单晶结构在碱性溶液中的腐蚀特性，通过软件模拟得到符合设计思路的微型制备结构，并对相应的腐蚀液进行合理配比，开展了系列实验，优化设计和工艺参数，得到了反射率近100%、最高耦合效率在762 nm处，达92%的转向阵列芯片。该转向阵列芯片在通常采用VCSELs的有源光缆中具有广泛应用前景。