CN104765102A - 一种硅光子芯片的封装结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种硅光子芯片的封装结构，包括波导光栅耦合器的上表面与硅光子芯片的输出端连接，所述波导光栅耦合器接收所述硅光子芯片发射的第一光信号，并对其进行光模场直径变换后输出第二光信号，其下表面贴装到光波导阵列部件的上表面的左端，所述光波导阵列部件包括多条光波导，将从其上表面接收到的所述第二光信号，经位于其左端面的全反射元件全反射后，从所述光波导的左端耦合到其内部传输，由所述光波导的右端输出第三光信号，光纤阵列包括多条并排设置的光纤，并与所述光波导阵列部件的右端耦合连接，接收所述第三光信号，所述光纤与所述光波导一一对应并耦合连接。所述封装结构成本低、容易操作、精度高、可集成、易于批量生产。

Description

一种硅光子芯片的封装结构

技术领域

本发明涉及半导体封装领域，特别是涉及一种硅光子芯片的封装结构。

背景技术

硅光子技术是一种基于硅光子学的低成本、高速的光通信技术，用激光束代替电子信号传输数据。

硅光子技术利用标准硅实现计算机和其它电子设备之间的光信息的发送和接收。与晶体管主要依赖于普通硅材料不同，硅光子技术采用的基础材料是玻璃。由于光对于玻璃来说是透明的，不会发生干扰现象，因此理论上可以通过在玻璃中集成光波导通路来传输信号，很适合于计算机内部和多核之间的大规模通信。硅光子技术最大的优势在于拥有相当高的传输速率，可使处理器内核之间的数据传输速度比目前快100倍甚至更高。

现有的硅光子芯片封装时，如图1和图2所示，由于硅光子波导110与波导光纤模场不匹配，因此为实现硅光子芯片100上波导光栅光模场直径变换，在接收或反射光信号时，要求光线是掠入射(出射)到硅光子波导光栅耦合器120(光线与波导光栅耦合器的表面的法线的夹角β)，以实现硅光子波导与波导光纤耦合器120耦合效率最大。但是，将波导光栅耦合器120直接与光纤130耦合(如需要将光纤的一端的端面研磨，使得水平放置时该面与竖直方向的夹角为θ)，工艺复杂，且其封装只有对单通道器件进行单独封装，而且封装体积大，集成度低。

发明内容

本发明的目的是提供一种硅光子芯片的封装结构，实现硅光子芯片的表面精确贴装，该封装结构，具有成本低、容易操作、精度高、可集成、易于批量生产等优点。

为解决上述技术问题，本发明提供一种硅光子芯片的封装结构，包括：

硅光子芯片，所述硅光子芯片用于发射第一光信号；

波导光栅耦合器，所述波导光栅耦合器的上表面与所述硅光子芯片的输出端连接，所述波导光栅耦合器接收所述第一光信号，并对其进行光模场直径变换后输出第二光信号；

光波导阵列部件，所述光波导阵列部件包括多条光波导，所述光波导阵列部件的左端面具有全反射元件，所述光波导阵列部件的左端面与上表面的夹角为锐角，所述波导光栅耦合器的下表面贴装到所述光波导阵列部件的上表面的左端，所述光波导阵列部件将从其上表面接收到的所述第二光信号，经所述全反射元件全反射后，从所述光波导的左端耦合到所述光波导并在其内部传输，由所述光波导的右端输出第三光信号；

光纤阵列，所述光纤阵列包括多条并排设置的光纤，并与所述光波导阵列部件的右端耦合连接，接收所述第三光信号，所述光纤与所述光波导一一对应并耦合连接。

优选的，所述光波导阵列部件包括光波导阵列基板、光波导阵列盖板和光纤阵列盖板，其中，所述光波导阵列基板包括：只具有多条光波导的一端为第一光波导基板，和与所述光纤阵列的一端耦合连接的第二光波导基板；所述光波导阵列盖板覆盖在所述第一光波导基板的上表面，所述光纤阵列盖板覆盖在所述耦合进的光纤阵列的上表面。

优选的，所述第二光波导基板的上表面具有容纳光纤的凹槽，所述凹槽与所述光波导一一对应。

优选的，所述凹槽为V型槽。

优选的，所述光波导的中心与所述光波导阵列部件的上表面的距离为30um-50um。

优选的，所述光波导阵列部件左端面与所述波导阵列部件的上表面所成的锐角的范围是40度到50度。

优选的，所述全反射元件为薄膜滤波片或全反射膜。

优选的，所述光波导阵列部件左端面是通过光学冷加工方式研磨得到的。

优选的，所述光波导阵列部件的横截面的形状为正多边形或圆形。

本发明所提供的硅光子芯片的封装结构，与现有技术相比具有以下优点：

本发明所提供的硅光子芯片的封装结构，包括：硅光子芯片、波导光栅耦合器、光波导阵列部件、光纤阵列，所述硅光子芯片用于发射第一光信号；所述波导光栅耦合器的上表面与所述硅光子芯片的输出端连接，所述波导光栅耦合器接收所述第一光信号，并对其进行光模场直径变换后输出第二光信号；所述光波导阵列部件包括多条光波导，所述光波导阵列部件的左端面具有全反射元件，所述光波导阵列部件的左端面与上表面的夹角为锐角，所述波导光栅耦合器的下表面贴装到所述光波导阵列部件的上表面的左端，所述光波导阵列部件将从其上表面接收到的所述第二光信号，经所述全反射元件全反射后，从所述光波导的左端耦合到所述光波导并在其内部传输，由所述光波导的右端输出第三光信号；所述光纤阵列包括多条并排设置的光纤，并与所述光波导阵列部件的右端耦合连接，接收所述第三光信号，所述光纤与所述光波导一一对应。

上述为所述硅光子芯片发射光信号时的工作原理，所述硅光子芯片封装结构接收光信号时的工作原理为：所述光纤阵列输出第四光信号，由与所述光纤阵列的光纤一一对应耦合连接的所述光波导阵列部件的光波导的右端，接收所述第四光信号，所述第四光信号在所述光波导内传输，从所述光波导的左端输出所述第四光信号，再经所述全反射元件全反射后，由所述光波导阵列部件的上表面输出第五光信号，所述第五光信号由所述波导光栅耦合器接收后，对所述第五光信号进行光模场直径变换后输出第六光信号，最后由所述硅光子芯片接收所述第六光信号。

本发明使用的光波导阵列部件，是使用半导体工艺生产得到的，工艺易于控制，批次厚度精度高，公差小，可实现所述光波导中心到所述上表面的精确控制，保证耦合效率，且光路实现转向，可实现表面贴装，易于封装，具有成本低，容易操作，精度高，可集成，易于大批量生产等优点。并且所述光波导阵列部件与所述光纤阵列耦合可以使用自动耦合设备，耦合效率高。所述波导光栅耦合器和所述硅光子芯片均采用CMOS工艺实现光互连，工艺简单，制造成本低。

由于本发明所提供的封装结构由于是阵列封装，容易实现多通道集成，容易操作，精度高，封装体积小，易于大批量生产，成本低。

附图说明

图1为现有技术中硅光子芯片封装结构的剖视结构示意图；

图2为现有技术中硅光子芯片封装结构的俯视结构示意图；

图3为本发明提供的实施例的一种具体实施方式的结构示意图；

图4为本发明提供的实施例的一种具体实施方式中硅光子芯片的发射波长为λ时的剖面结构示意图；

图5为本发明提供的实施例的一种具体实施方式中硅光子芯片的接收波长为λ时的剖面结构示意图；

图6为本发明提供的实施例的一种具体实施方式中硅立体结构示意图；

图7为本发明提供的实施例的一种具体实施方式中光波导阵列部件具有凹槽的结构示意图；

图8为本发明提供的实施例的一种具体实施方式中光波导阵列部件具有凹槽为V型槽时的结构示意图；

图9为本发明提供的实施例的一种具体实施方式中全反射元件为薄膜滤波片时的剖视结构示意图；

图10为本发明提供的实施例的一种具体实施方式中全反射元件为薄膜滤波片时的立体结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术部分所述，现有技术中的硅光子芯片封装时，工艺复杂，封装体积大，集成度低。

基于此，本发明实施例提供了一种硅光子芯片的封装结构，包括：

硅光子芯片，所述硅光子芯片用于发射第一光信号；

波导光栅耦合器，所述波导光栅耦合器的上表面与所述硅光子芯片的输出端连接，所述波导光栅耦合器接收所述第一光信号，并对其进行光模场直径变换后输出第二光信号；

光波导阵列部件，所述光波导阵列部件包括多条光波导，所述光波导阵列部件的左端面具有全反射元件，所述光波导阵列部件的左端面与上表面的夹角为锐角，所述波导光栅耦合器的下表面贴装到所述光波导阵列部件的上表面的左端，所述光波导阵列部件将从其上表面接收到的所述第二光信号，经所述全反射元件全反射后，从所述光波导的左端耦合到所述光波导并在其内部传输，由所述光波导的右端输出第三光信号；

光纤阵列，所述光纤阵列包括多条并排设置的光纤，并与所述光波导阵列部件的右端耦合连接，接收所述第三光信号，所述光纤与所述光波导一一对应并耦合连接。

本发明实施例所提供的硅光子芯片的封装结构，所述光波导阵列部件的左端面与所述光波导阵列部件的上表面的夹角为锐角，发射光信号时，由所述波导光栅耦合器将所述硅光子输出的第一光信号进行光模场直径转换，输出所述第二光信号，再利用所述光波导阵列部件的左端面具有的全反射元件，将从所述光波导阵列部件的上表面接收的所述第二光信号，经其全反射后耦合进所述光波导阵列部件的光波导，并由所述光波导输出第三光信号，所述光线阵列的光纤接收所述第三光信号；接收光信号时，所述光纤阵列输出第四光信号，由与所述光纤阵列的光纤一一对应耦合连接的所述光波导阵列部件的光波导的右端，接收所述第四光信号，所述第四光信号在所述光波导内传输，从所述光波导的左端输出所述第四光信号，再经所述全反射元件全反射后，由所述光波导阵列部件的上表面输出第五光信号，所述第五光信号由所述波导光栅耦合器接收后，对所述第五光信号进行光模场直径变换后输出第六光信号，最后由所述硅光子芯片接收所述第六光信号。

由于所述光波导阵列部件使用半导体工艺结构生产，通过生长薄膜层，涂光刻胶，光刻，腐蚀，清洗等半导体标准的工艺过程，成本低，适合大批量生产。与所述光波导阵列部件耦合的所述光纤阵列是普通光纤阵列，是现有光通信无源器件成熟的技术，两者完成后，使用耦合台对耦后，用胶水将两者粘剂，形成一个整体的波导光纤阵列，由于此工艺是现在无源光器件的成熟工艺，很容易实现，工艺成本低，适合大批量生产。然后将所述硅光子芯片贴装到所述波导光纤阵列上耦合即可。因为所述光波导结构使用半导体工艺生产，所述光波导结构的光波导的波导中心到上表面的距离很容易控制，可以精确控制其覆盖厚度，达到需要的厚度，精度高，很容易实现所述光波导阵列部件与所述波导光栅耦合器之间的耦合，耦合效率高，可实现大批量生产，工艺成本低。同时，由于所述光波导阵列部件具有多条光波导，只要有相应的光纤阵列与之耦合连接，即可成为多通道器件，此耦合为现有的成熟技术，可轻易实现。可知，此多通道器件封装后，体积小，难度低，成本低，适宜大批量生产。

综上可知，本发明实施例所提供的硅光子芯片的封装结构，工艺简单，耦合效率高，在实现多通道封装，封装体积小，集成度高，适宜大批量生产。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。

请参考图3，图3为本发明实施例所提供的硅光子芯片的封装结构的一种具体实施方式的示意图。

在一种具体实施方式中，本发明所提供的硅光子芯片的封装结构，包括：

硅光子芯片200，所述硅光子芯片200用于发射第一光信号；

波导光栅耦合器210，所述波导光栅耦合器210的上表面与所述硅光子芯片200的输出端连接，所述波导光栅耦合器210接收所述第一光信号，并对其进行光模场直径变换后输出第二光信号；

光波导阵列部件220，所述光波导阵列部件220包括多条光波导，所述光波导阵列部件的左端面具有全反射元件221，所述光波导阵列部件220的左端面与上表面的夹角为锐角，所述波导光栅耦合器210的下表面贴装到所述光波导阵列部件220的上表面的左端，所述光波导阵列部件220将从其上表面接收到的所述第二光信号，经所述全反射元件221全反射后，从所述光波导的左端耦合到所述光波导并在其内部传输，由所述光波导的右端输出第三光信号；

光纤阵列230，所述光纤阵列230包括多条并排设置的光纤，并与所述光波导右端耦合连接，接收所述第三光信号，所述光纤与所述光波导一一对应并耦合连接。

优选的，所述光波导阵列部件220包括光波导阵列基板、光波导阵列盖板和光纤阵列盖板，所述光波导阵列基板中只具有多条光波导的一端为第一光波导基板222，所述光波导基板耦合进所述光纤阵列的一端为第二光波导基板223，所述光波导阵列盖板224覆盖在所述第一光波导基板的上表面，所述光纤阵列盖板覆盖225在所述耦合进的光纤阵列的上表面，如图4、图5、图6所示。

图4为本发明提供的实施例的一种具体实施方式中硅光子芯片的发射波长为λ时的剖面结构示意图；图5为本发明提供的实施例的一种具体实施方式中硅光子芯片的接收波长为λ时的剖面结构示意图；图6为本发明提供的实施例的一种具体实施方式中硅立体结构示意图。如此制作所述光波导阵列部件，可以将所述光纤阵列的耦合端，埋藏在所述第二光波导基板223和所述光纤阵列盖板225之间，由于是所述光纤阵列230的光纤与所述光波导阵列部件220的光波导一一对应耦合，这样所述光纤阵列230可以不被外界干扰和接触，从而最大限度的保护了所述光纤。

需要说明的是，此优选实施方式只是为保护所述光纤阵列230的光纤不被外界干扰和接触，不是必须的，只是在受到外界干扰时，会降低所述光纤阵列230的光纤和所述光波导阵列部件220之间的耦合效率。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个具体实施方式中，如图7所示，所述第二光波导基板223的上表面具有容纳光纤的凹槽226，所述凹槽226与所述光波导一一对应。所述第二光波导基板的223上表面具有所述凹槽226时，所述光波导阵列部件220的光波导，可以轻易的实现与所述光纤阵列230的光纤的耦合，耦合效率高，同时可以得到所述光波导的中心(所述凹槽226的中心)距离D，合适的所述距离D可以提高所述波导光栅耦合器210与所述光波导阵列部件220之间的耦合效率。必须要说明的是，所述凹槽226并不是必须的，只是所述凹槽226可以在制作所述光波导阵列部件220时制作，封装时只要将所述光纤阵列230的光纤放置到所述凹槽226即可实现耦合，并且耦合效率还很高，封装后二者之间的耦合效率稳定，抗干扰能力强，操作简单，可以有效地降低封装的难度，降低成本。没有所述凹槽时，二者也可以实现耦合，只是耦合效率可能较低，而且耦合效率不是很稳定，只要二者之一受到扰动，耦合效率就能发生大的变化。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个具体实施方式中，所述凹槽226为V型槽，如图8所示。所述凹槽226时V型槽时，可以有效的将所述光纤阵列230的光纤固定在所述V型槽中，同时只要变化所述V型槽的顶角，即可改变所述光纤阵列的光纤的相对所述光波导的高度，只要预先制作好所述V型槽，将所述光纤阵列的光纤放置其中，二者即可实现耦合，并且耦合效率非常高，由于所述光纤在所述V型槽的高度固定，二者的耦合效率非常稳定，并且V型槽的制作工艺非常简单，在提高耦合效率的同时，还可以降低上产成本。需要说明的是，所述凹槽226并不是必须是V型槽，只是V型槽制作简单，使得二者的耦合效率更高，耦合更稳定而已。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个具体实施方式中，所述光波导的中心与所述光波导阵列部件的上表面的距离D为30um-50um。一种具体实施方式中，所述光波导的中心与所述光波导阵列部件220的上表面的距离为30um-50um时，所述光波导阵列部件220与所述波导光栅耦合器210的耦合效率最大。必须说明的是，并不是必须所述光波导的中心与所述光波导阵列部件220的上表面的距离为30-50um，还可能因为通过的光信号的波长等原因，使得上述距离发生改变才能达到非常高的耦合效率。同时，上述距离为30um-50um，而不是精确的一个数值，是由于工艺的原因，每次制造的成品都不能保证在同一个数值。上述距离只要能保证所述光波导阵列部件220与所述波导光栅耦合器210的耦合效率达到预定的耦合效率即可，此优选实施方式只是一个特例。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个具体实施方式中，所述光波导阵列部件220左端面与所述波导阵列部件220的上表面所成的锐角的范围是40度到50度。所述锐角的范围是40度到50度，可以使得从所述光波导输出的光信号，能经全反射从所述光波导阵列部件220的上表面输出，以很高的效率与所述波导光栅耦合器210耦合，或者从所述光波导阵列部件220的上表面输入，经全反射与所述光波导耦合后，由所述光波导输出。

必须说明的是，所述光波导阵列部件220左端面与所述波导阵列部件220的上表面所成的锐角的范围是40度到50度，并不是一成不变的，随着传输的光信号的波长的改变，也可能发生改变，只要为了使所述光波导与所述波导光栅耦合器210之间传输光信号时，耦合效率更高而已。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个具体实施方式中，所述全反射元件221为薄膜滤波片或全反射膜，如图9、图10所示。必须要说明的是，所述全反射元件221为薄膜滤波片或全反射膜，可以使得工艺简单的同时，能很好的实现将入射的光信号进行全反射，并且经全反射后的光信号与所在方向的光波导耦合。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个具体实施方式中，所述光波导阵列部件220左端面是通过光学冷加工方式研磨得到的。使用光学冷加工方式研磨得到的左端面，速度快，精度高，可大批量制造，成本低。

在上述实施例的基础上，在本发明的一个具体实施方式中，所述光波导阵列220的横截面的形状为正多边形或圆形。在本实施例中，所述光波导阵列部件220的横截面的形状为正多边形或圆形，可以使得所述光波导阵列部件220的制作工艺简单化，并且在完成封装后，整个封装结构的外观更加的美观，所述封装结构与其他部件组合使用时，更加容易被固定。

综上所述，本发明实施例所提供的硅光子芯片的封装结构中，所述光纤阵列230包括多条并排设置的光纤，所述光波导阵列部件220包括多条与所述光纤一一对应的光波导，由此可见，本发明实施例所提供的硅光子芯片的封装结构中，所述硅光子芯片200、所述波导光栅耦合器210、所述光波导阵列部件220以及所述光纤阵列230均采用集成封装的形式，先形成阵列结构，再进行组装。相较于现有技术中的硅光子封装结构，先单独制作只包括一条光纤以及一个光波导的分立的单通道封装结构，再对多个单通道封装结构进行集体封装的结构。本发明实施例所提供的硅光子芯片的封装结构，无需对一条光波导以及一条输出光纤对应的结构进行单独封装，从而省略了单独封装所需要的体积以及工艺流程，使得本发明实施例所提供的硅光子芯片的封装结构的封装体积较小，制造成本较低。

同时，由于所述光波导阵列部件220使用半导体工艺结构生产，成本低，适合大批量生产。所述光波导阵列部件220很容易与所述光纤阵列230实现耦合，使用耦合台对耦后，用胶水将两者粘剂，形成一个整体的波导光纤阵列，由于此工艺是现在无源光器件的成熟工艺，很容易实现，工艺成本低，适合大批量生产。然后将所述硅光子芯片贴装到所述波导光纤阵列部件220上耦合即可。因为所述光波导阵列部件220使用半导体工艺生产，所述光波导结构的光波导的波导中心到上表面的距离D很容易控制，可以精确控制其覆盖厚度，达到需要的厚度，精度高，很容易实现所述光波导阵列部件220与所述波导光栅耦合器210之间的耦合，耦合效率高，可实现大批量生产，工艺成本低。同时，由于所述光波导阵列部件220具有多条光波导，只要有相应的光纤阵列与之耦合连接，即可成为多通道器件，此耦合为现有的成熟技术，可轻易实现。可知，此多通道器件封装后，体积小，难度低，成本低，适宜大批量生产。

综上可知，本发明实施例所提供的硅光子芯片的封装结构，工艺简单，耦合效率高，在实现多通道封装，封装体积小，集成度高，适宜大批量生产。

以上对本发明所提供的硅光子芯片的封装结构进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种硅光子芯片的封装结构，其特征在于，包括：

硅光子芯片，所述硅光子芯片用于发射第一光信号；

波导光栅耦合器，所述波导光栅耦合器的上表面与所述硅光子芯片的输出端连接，所述波导光栅耦合器接收所述第一光信号，并对其进行光模场直径变换后输出第二光信号；

光波导阵列部件，所述光波导阵列部件包括多条光波导，所述光波导阵列部件的左端面具有全反射元件，所述光波导阵列部件的左端面与上表面的夹角为锐角，所述波导光栅耦合器的下表面贴装到所述光波导阵列部件的上表面的左端，所述光波导阵列部件将从其上表面接收到的所述第二光信号，经所述全反射元件全反射后，从所述光波导的左端耦合到所述光波导并在其内部传输，由所述光波导的右端输出第三光信号；

光纤阵列，所述光纤阵列包括多条并排设置的光纤，并与所述光波导阵列部件的右端耦合连接，接收所述第三光信号，所述光纤与所述光波导一一对应并耦合连接。

2.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述光波导阵列部件包括光波导阵列基板、光波导阵列盖板和光纤阵列盖板，其中，所述光波导阵列基板包括：只具有多条光波导的一端为第一光波导基板，和与所述光纤阵列的一端耦合连接的第二光波导基板；所述光波导阵列盖板覆盖在所述第一光波导基板的上表面，所述光纤阵列盖板覆盖在所述耦合进的光纤阵列的上表面。

3.如权利要求2所述的封装结构，其特征在于，所述第二光波导基板的上表面具有容纳光纤的凹槽，所述凹槽与所述光波导一一对应。

4.如权利要求3所述的封装结构，其特征在于，所述凹槽为V型槽。

5.如权利要求1所述的封装结构，其特征在于，所述光波导的中心与所述光波导阵列部件的上表面的距离为30um-50um。

6.如权利要求1、2或5的任意一项所述的封装结构，其特征在于，所述光波导阵列部件左端面与所述波导阵列部件的上表面所成的锐角的范围是40度到50度。

7.如权利要求1、2或5的任意一项所述的封装结构，其特征在于，所述全反射元件为薄膜滤波片或全反射膜。

8.如权利要求1、2或5的任意一项所述的封装结构，其特征在于，所述光波导阵列部件左端面是通过光学冷加工方式研磨得到的。

9.如权利要求1、2或5的任意一项所述的封装结构，其特征在于，所述光波导阵列部件的横截面的形状为正多边形或圆形。