CN102856302A - 光子集成芯片匹配电路的三维封装装置 - Google Patents

光子集成芯片匹配电路的三维封装装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光子集成芯片匹配电路的三维封装装置，包括：一第一载体基片；一第一微波传输线阵列，蒸镀在该第一载体基片的上表面，用于给光子集成芯片提供偏置电压和高频调制信号；一第二载体基片，与该第一载体基片垂直或成一定角度，形成三维立体结构；一第二微波传输线阵列，蒸镀在该第二载体基片的下表面，且与该第一微波传输线阵列的电极相匹配并进行焊接或烧结；一电极阵列，蒸镀在该第二载体基片的一个侧面或相对的两个侧面；以及一微波电路。本发明克服光子集成芯片阵列封装时因阵列芯片间距限制导致的匹配电路尺寸受限的问题，突破微波电路的传统设计只在二维平面的局限，增加电路设计的维度，为微波电路的设计预留空间。

Description

光子集成芯片匹配电路的三维封装装置
技术领域
本发明属于光电子器件领域，更具体说是光子集成芯片匹配电路的三维封装装置。
背景技术
目前，由分立光电子器件构建的光网络设备难以适应飞速发展的光纤通信网络，光子集成芯片(PIC)是实现大容量、低功耗光网络所必须依赖的技术。为了将外部微波信号有效地加载到光子集成芯片上，要求过渡热沉有高效率低反射低损耗的阻抗匹配微波电路。
与分立器件显著不同，超高集成度使集成器件尺度缩小到微纳量级，这对器件的研制和封装提出了更为严格的要求。当前分立器件封装所经常采用的微波波导的电路设计在阵列封装中并不适用。如果采用单路封装常用的共面波导传输线或者微带传输线电路，在传输线末端并联匹配电阻，则匹配电阻由于多路集成器件的尺寸限制难以加工。如果采用金丝将电极引出，由于器件尺寸限制，又会出现因为金丝过长以及直径过细而导致明显的电感效应，引入较多寄生参数，影响整个阵列的高频性能。
此外，由于超高集成度造成的管芯阵列散热问题，也可通过本发明达到改善。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种光子集成芯片匹配电路的三维封装装置，以克服光子集成芯片阵列封装时因阵列芯片间距限制导致的匹配电路尺寸受限的问题，突破微波电路的传统设计只在二维平面的局限，增加电路设计的维度，为微波电路的设计预留空间。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种光子集成芯片匹配电路的三维封装装置，包括：
一第一载体基片1；
一第一微波传输线阵列2，蒸镀在该第一载体基片1的上表面，用于给光子集成芯片提供偏置电压和高频调制信号；
一第二载体基片3，与该第一载体基片1垂直或成一定角度，形成三维立体结构；
一第二微波传输线阵列4，蒸镀在该第二载体基片3的下表面，且与该第一微波传输线阵列2的电极相匹配并进行焊接或烧结；
一电极阵列5，蒸镀在该第二载体基片3的一个侧面或相对的两个侧面；以及
一微波电路6。
上述方案中，其中该第一载体基片1和该第二载体基片3采用的材料是氮化铝、氮化铍、氧化铝、金刚石、氧化铍或碳化硅。
上述方案中，其中该第一微波传输线阵列2和该第二微波传输线阵列4中的传输线单元采用的是共面波导或微带传输线。
上述方案中，其中该电极阵列5的边缘几何尺寸与该第二微波传输线阵列4中的信号电极阵列相连接并过渡。
上述方案中，其中该微波电路6是阻抗匹配电路、直流偏置电路或其他微波封装电路。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种光子集成芯片匹配电路的三维封装装置，克服了光子集成芯片阵列封装时因阵列芯片间距限制导致的匹配电路尺寸受限的问题，突破了微波电路的传统设计只在二维平面的局限，增加了电路设计的维度，为微波电路的设计预留了极大的空间。
2、本发明提供的这种光子集成芯片匹配电路的三维封装装置，既减少了器件模块的反射参量，又减少了金丝数量和长度，提高了微波信号的调制效率，实现了光子集成芯片的阻抗匹配，适用于多路并行激光器、电吸收调制器等多种器件集成结构的封装。
3、本发明提供的这种光子集成芯片匹配电路的三维封装装置，光子集成阵列芯片的过渡热沉散热面积扩大，散热能力大大增强。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图对本发明作进一步说明，其中：
图1是本发明提供的光子集成芯片匹配电路的三维封装装置的结构示意图。
图2-1，图2-2，图2-3是本发明一种光子集成芯片匹配电路的三维封装装置的一个实施例示意图，是一种电吸收调制激光器阵列封装的阻抗匹配电路。
图3是该用于电吸收调制激光器阵列封装的阻抗匹配电路的第二载体基片3及蒸镀在第二载体基片3表面的微波电路示意图。
图4是该用于电吸收调制激光器阵列封装的阻抗匹配电路的第一载体基片1及蒸镀在第一载体基片1表面的微波电路示意图。
图5-1，图5-2是本发明一种光子集成芯片匹配电路的三维封装装置的一个实施例示意图，是一种直接调制激光器阵列封装的偏置电路与阻抗匹配电路。
图6是该用于直接调制激光器阵列封装的偏置电路与阻抗匹配电路的第二载体基片3及蒸镀在第二载体基片3表面的微波电路示意图。
图7是该用于直接调制激光器阵列封装的偏置电路与阻抗匹配电路的第一载体基片1及蒸镀在第一载体基片1表面的微波电路示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1所示，图1是本发明提供的光子集成芯片匹配电路的三维封装装置的结构示意图，该装置包括：一第一载体基片1；一第一微波传输线阵列2，蒸镀在该第一载体基片1的上表面，用于给光子集成芯片提供偏置电压和高频调制信号；一第二载体基片3，与该第一载体基片1垂直或成一定角度，形成三维立体结构；一第二微波传输线阵列4，蒸镀在该第二载体基片3的下表面，且与该第一微波传输线阵列2的电极相匹配并进行焊接或烧结；一电极阵列5，蒸镀在该第二载体基片3的一个侧面或相对的两个侧面；以及一微波电路6。
其中，该第一载体基片1和该第二载体基片3采用的材料是氮化铝、氮化铍、氧化铝、金刚石、氧化铍或碳化硅。该第一微波传输线阵列2和该第二微波传输线阵列4中的传输线单元采用的是共面波导或微带传输线。该电极阵列5的边缘几何尺寸与该第二微波传输线阵列4中的信号电极阵列相连接并过渡。该微波电路6是阻抗匹配电路、直流偏置电路或其他微波封装电路。
参阅图2～图4的实施例一，本发明是一种光子集成芯片匹配电路的三维封装装置，实施例一是一种用于电吸收调制激光器阵列封装的阻抗匹配电路，其特征在于，其中包括：
一第一载体基片1；其中该第一载体基片1可采用氮化铝或氮化铍或氧化铝或金刚石或氧化铍或碳化硅材料。
一第一微波传输线阵列2，该第一微波传输线阵列2蒸镀在第一载体基片1的上表面，该第一微波传输线阵列2的每个传输线单元采用的是共面波导或微带传输线；该第一微波传输线阵列2用来给光子集成芯片提供偏置电压和高频调制信号；在此实施例中，该第一微波传输线阵列2用来给光子集成芯片中的电吸收调制器阵列提供反向偏置电压和高频调制信号，如图4，第一微波传输线阵列2采用共面波导结构，有12个传输线单元。
一第二载体基片3；其中该第二载体基片可采用氮化铝或氮化铍或氧化铝或金刚石或氧化铍或碳化硅材料。
一第二微波传输线阵列4，该第二微波传输线阵列4蒸镀在第二载体基片3的下表面，该第二微波传输线阵列4的每个传输线单元采用的是共面波导或微带传输线；与第一微波传输线阵列2的电极相匹配并进行焊接或烧结；使得第一微波传输线阵列2的每个信号电极单元与第二微波传输线阵列4的与之对应的信号电极单元接触良好，相应的地电极也接触良好，如图3、图4中的2-1与4-1，2-2与4-2。
一电极阵列5，该电极阵列5蒸镀在第二载体基片3的一个侧面或者相对的两个侧面；其边缘几何尺寸与第二微波传输线阵列4中的信号电极阵列相连接并过渡，如图3中的5-1与4-1，5-2与4-2，在该实施例中，电极阵列5蒸镀在第二载体基片3的两个侧面，共有12个信号电极单元。
一薄膜电阻阵列6，该薄膜电阻阵列6制作在第二载体基片3上，其材料为氮化钽或镍鉻合金。该薄膜电阻阵列6与电极阵列5对应连接，接触良好，如图例3中的6-1与5-1，6-2与5-2，该薄膜电阻阵列6中的每个电阻单元的形状，可以是矩形扇形等规则图形，也可以根据实际需要设计。该薄膜电阻用于与电吸收调制器阵列并联，实现电吸收调制器的阻抗匹配。
一地电极7，该地电极7蒸镀在第二载体基片3的一个侧面或者相对的两个侧面，与电极阵列5形成共面波导结构或者微带结构，该地电极7与薄膜电阻阵列6连接，接触良好。如图2所示，该地电极7蒸镀在第二载体基片3的相对的两个侧面，与电极阵列5中的每个信号电极单元构成了共面波导结构，该地电极7与电极阵列5的每个信号电极单元之间的间隙宽度根据第二载体基片3的电学性质以及微波传输线特征阻抗值确定，根据电极阵列5与地电极7构成的共面波导结构或者微带结构的特征阻抗值确定薄膜电阻阵列6中的每个电阻单元的阻值，满足特征阻抗匹配条件。该地电极7-a、7-b均与各自相对侧面的信号电极序列之间做好了电隔离，防止了信号的串扰。另外，由于地电极7是在第二载体基片3的表面，金属材料是热的良导体，因此大大扩大了散热面积，改善了散热性能。
一电吸收调制激光器芯片阵列8，在该实施例一中，该电吸收调制激光器芯片阵列8包含12个激光器，该电吸收调制激光器芯片阵列8中的电吸收调制器阵列通过互连金丝组9与第一微波传输线阵列2的传输线单元对应连接。
参阅图5～图7的实施例二，本发明是一种光子集成芯片匹配电路的三维封装装置，实施例二是一种用于直接调制激光器阵列封装的直流偏置电路与阻抗匹配电路，其特征在于，其中包括：
一第一载体基片1；其中该第一载体基片1可采用氮化铝或氮化铍或氧化铝或金刚石或氧化铍或碳化硅材料。
一第一微波传输线阵列2，该第一微波传输线阵列2蒸镀在第一载体基片1的上表面，该第一微波传输线阵列2的每个传输线单元采用的是共面波导或微带传输线；该第一微波传输线阵列2用来给光子集成芯片提供偏置电压和高频调制信号；在此实施例中，该第一微波传输线阵列2用来给光子集成芯片中的直接调制激光器阵列提供直流偏置电压和高频调制信号，如图7，第一微波传输线阵列2采用共面波导结构，有12个传输线单元。
一第二载体基片3；其中该第二载体基片可采用氮化铝或氮化铍或氧化铝或金刚石或氧化铍或碳化硅材料。
一第二微波传输线阵列4，该第二微波传输线阵列4蒸镀在第二载体基片3的下表面，该第二微波传输线阵列4的每个传输线单元采用的是共面波导或微带传输线；与第一微波传输线阵列2的电极相匹配并进行焊接或烧结；使得第一微波传输线阵列2的每个信号电极单元与第二微波传输线阵列4的与之对应的信号电极单元接触良好，相应的地电极也接触良好，如图6、图7中的2-1与4-1，2-2与4-2。
一电极阵列5，该电极阵列5蒸镀在第二载体基片3的一个侧面或者相对的两个侧面；其边缘几何尺寸与第二微波传输线阵列4中的信号电极阵列相连接并过渡，如图6中的5-1与4-1，5-2与4-2，在该实施例二中，电极阵列5蒸镀在第二载体基片3的两个侧面，共有12个信号电极单元。
一L型电极阵列10，该L型电极阵列10蒸镀在第二载体基片3的两个侧面及上表面，如图6中的5-1与10-1，5-2与10-2，共有12个电极单元，与电极阵列5的每个信号电极单元一一对应。
一电感阵列11，该电感阵列11安装在第二载体基片3的两个侧面，共有12个电感单元，与电极阵列5的每个信号电极单元一一对应。如图6中的5-1与11-1，5-2与11-2，将电感阵列11的一端与信号电极阵列5对应焊接，用互连金丝组12将电感阵列11的另外一端与L型电极阵列10对应连接，作为光子集成芯片直流偏置网络的一部分。
一直接调制激光器芯片阵列13，在该实施例二中，该直接调制激光器芯片阵列13包含12个激光器，通过互连金丝组14与第一微波传输线阵列2的传输线单元对应连接。该直接调制激光器芯片阵列13与第一微波传输线阵列2、第二微波传输线阵列4、电极阵列5、电感阵列11、L型电极阵列10、互连金丝组12，、互连金丝组14一同构成了该光子集成芯片中的直流偏置网络。
一薄膜电阻阵列15，该薄膜电阻阵列15蒸镀在第一载体基片1的上表面，其材料为氮化钽或镍鉻合金。该薄膜电阻阵列15与第一微波传输线阵列2对应连接，接触良好。该薄膜电阻阵列15中的每个电阻单元的阻值，根据第一微波传输线阵列2的共面波导结构或者微带结构的特征阻抗值以及直接调制激光器芯片阵列13的交流阻抗值共同确定。该薄膜电阻阵列15与第一微波传输线阵列2、直接调制激光器芯片阵列13、互连金丝组14共同构成该光子集成芯片中的交流通路。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光子集成芯片匹配电路的三维封装装置，其特征在于，包括：
一第一载体基片(1)；
一第一微波传输线阵列(2)，蒸镀在该第一载体基片(1)的上表面，用于给光子集成芯片提供偏置电压和高频调制信号；
一第二载体基片(3)，与该第一载体基片(1)垂直或成一定角度，形成三维立体结构；
一第二微波传输线阵列(4)，蒸镀在该第二载体基片(3)的下表面，且与该第一微波传输线阵列(2)的电极相匹配并进行焊接或烧结；
一电极阵列(5)，蒸镀在该第二载体基片(3)的一个侧面或相对的两个侧面；以及
一微波电路(6)。
2.如权利要求1所述的光子集成芯片匹配电路的三维封装装置，其特征在于，其中该第一载体基片(1)和该第二载体基片(3)采用的材料是氮化铝、氮化铍、氧化铝、金刚石、氧化铍或碳化硅。
3.如权利要求1所述的光子集成芯片匹配电路的三维封装装置，其特征在于，其中该第一微波传输线阵列(2)和该第二微波传输线阵列(4)中的传输线单元采用的是共面波导或微带传输线。
4.如权利要求1所述的光子集成芯片匹配电路的三维封装装置，其特征在于，其中该电极阵列(5)的边缘几何尺寸与该第二微波传输线阵列(4)中的信号电极阵列相连接并过渡。
5.如权利要求1所述的光子集成芯片匹配电路的三维封装装置，其特征在于，其中该微波电路(6)是阻抗匹配电路、直流偏置电路或其他微波封装电路。
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