CN106980160B - 基于混合集成的片上光源结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于混合集成的片上光源结构，包括载板、载板互连线、激光器、准直透镜、光隔离器和密闭盖板，其中，激光器通过所述载板互连线获得供电并连接到载板；激光器发射的光依次通过准直透镜、光隔离器、密闭盖板下部，以最佳入射角入射位于光子芯片表面下方的光栅；光隔离器出射的光线与光子芯片表面垂直，且所述光栅所在位置的截面与光子芯片表面垂直。本发明还提供一种制备基于混合集成的片上光源结构的制备方法。本发明能够实现片上光源集成，集成度高、损耗小、安装简单便捷，还可以通过光学密闭盖板灵活调整光路。
Description
技术领域
本发明涉及硅基光电子学技术领域，尤其涉及一种基于混合集成的片上光源结构及其制备方法。
背景技术
目前，随着电路集成度和工作频率的提高，芯片上互连线的寄生效应如寄生电容、延迟时间、信号串扰等问题变得十分显著。在功耗受限情况下，芯片的性能功耗比变得特别尖锐。当集成电路工作频率迅速提高至GHz级别甚至更高时，常规电互连无法高效地传输信号。而光互连作为一种新的互连方式，具有传输带宽高、信号间延迟低、光损耗低、抗干扰等优点，并应用于片上光网络(Optical Network on Chip)。
由于硅是间接带隙半导体，带间载流子复合发光效率要比直接带隙Ⅲ-Ⅴ族化合物材料(如GaAs、InP等)的发光效率低三个数量级，这限制了硅基材料作为光发射器的应用，通过能带工程实现的硅基发光效率较低，实现困难，因此需要外部集成光源。片上系统光源有片上光源和片外光源之分。目前，片上系统多采用片外光源，通过光纤或光波导与片上系统进行耦合，但通过光纤引入光源，光栅和光纤耦合需要倾斜一定的角度，耦合相对困难。相较而言，片上集成光源相对于片外集成光源，具有损耗低，集成度高的特点。片上混合集成激光器光源的实现相对简单，但难点在于如何进行耦合对准，以及光源的密闭封装。
另外，作为片上光网络的主要器件，制备硅基激光器的主要方法分为异质结外延生长和材料键合。异质结外延生长通过能带工程等手段对硅基材料进行改性，实现硅基材料的发光，但由于硅基材料非直接带隙结构的限制，难以获得稳定的室温高效率激子复合发光，很难与硅微电子电路实现集成。材料键合的方法可以将具有直接带隙结构的半导体材料(如Ⅲ-Ⅴ族化合物材料)经过处理以成键的方式粘贴到硅片上。特别是近年发展起来的低温直接键合技术，解决了材料热膨胀系数非共容性的问题，使发光器件与微电子器件的硅基光电混合集成成为可能，并且大大降低了光电损耗，这对光传播通过键合界面的低阈值面发射硅基激光器具有重要意义，但由于工艺的兼容性和成品率问题，用材料键合方法制备激光器尚未得到大规模应用。
发明内容
本发明提供的基于混合集成的片上光源结构及其制备方法，能够实现集成度高、损耗小、安装简单、光路调整灵活的片上光源。
本发明提供一种基于混合集成的片上光源结构，包括载板、载板互连线、激光器、准直透镜、光隔离器和密闭盖板，其中，激光器通过所述载板互连线获得供电并连接到载板；激光器发射的光依次通过准直透镜、光隔离器、密闭盖板下部，以最佳入射角入射位于光子芯片表面下方的光栅；光隔离器出射的光线与光子芯片表面垂直，且所述光栅所在位置的截面与光子芯片表面垂直。
可选的，上述载板表面与光子芯片表面垂直，所述密闭盖板下部靠近准直隔离模块一侧的内表面与载板表面成锐角夹角，用于实现光线以最佳入射角入射位于光子芯片表面下方的光栅。
可选的，上述载板表面与光子芯片表面成锐角夹角，所述密闭盖板下部靠近准直隔离模块一侧的内表面与载板表面垂直，用于实现光线以最佳入射角入射位于光子芯片表面下方的光栅。
可选的，上述载板互连线通过金属丝与光子芯片表面的焊盘相连，用于获得所述激光器的直流供电。
可选的，上述载板互连线采用斜坡过渡型电互连线。
可选的，上述载板互连线从载板底面通过焊接或者倒装芯片装配与光子芯片互连。
可选的，上述片上光源结构与光子芯片之间还包括一层折射率匹配材料，用于使光以完全偏振角入射。
可选的，上述激光器为气体激光器、液体激光器或固体激光器。
可选的，上述密闭盖板由透光材料制成。
本发明提供一种制备基于混合集成的片上光源结构的方法，其中包括如下步骤：
步骤一：对硅基底进行第一深槽刻蚀；
步骤二：在硅基底表面产生钝化绝缘层；
步骤三：在第一深槽表面形成金属互连层；
步骤四：对硅基底进行第二和第三深槽刻蚀；
步骤五：在所述金属互连层表面进行光器件贴片和互连线连接；
步骤六：在所述第二和第三深槽处进行微光器件贴片；
步骤七：划片；
步骤八：进行盖板密闭。
本发明实施例提供的基于混合集成的片上光源结构及其制备方法，采用混合集成技术方案，实现片上光源集成，光源距离芯片距离短，集成度高，损耗小、克服了光路折弯以及匹配的复杂性和高损耗。同时，采用垂直安装，不需要像光纤耦合那样倾斜一定的角度，安装简单便捷。另外，使用该片上光源，可以通过光学密闭盖板灵活进行光路的调整。
附图说明
图1为本发明片上光源耦合结构的结构示意图；
图2为本发明片上光源结构中的电学互连使用斜坡过渡的结构示意图；
图3为本发明片上光源结构中的电学互连从底面与光子芯片互连的结构示意图；
图4为本发明片上光源结构中应用载板斜坡的结构示意图；
图5A-5H为本发明片上光源结构的硅载板实现工艺示意图；
图6为本发明片上光源结构的硅载板实现工艺流程图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种基于混合集成的片上光源结构，图1示出了片上光源耦合结构的示意图。1为载板，为硅，陶瓷或其他材料。101为载板的互连线，将激光器电极连接到载板的侧面。102为激光器，包括气体激光器、液体激光器、固体激光器，特别的，可以是半导体激光器、染料激光器、光纤激光器等，其激励方式可以是光激励、电激励、热激励、化学激励、核激励等。103为透镜，用于对激光光束进行准直，例如凸透镜等。104为光隔离器，用于允许透镜至光隔离器之间的单向光通过，隔离回波反射的光。例如块状光隔离器、全光纤型光隔离器、集成光波导光隔离器及与偏振无关的光隔离器等等。2为密闭的盖板，由透光材料制成，比如玻璃、树脂等。3为光源结构和光栅耦合的折射率匹配材料，用于使光以完全偏振角入射端面，减少反射回波损失，其材质可以是固体或液体等。4是光子芯片。401是光栅，可以由平行刻痕构成。402为焊盘，激光器的直流供电由101与402通过5金属丝互连。403为光栅上表面覆盖的材料，例如SiO2、Si3N4等。
特别地，由于光栅具有一定的最佳出入射角度。为实现激光器和光路角度匹配，盖板的下部内表面制作为与水平线之间具有一定角度的斜面，用于实现光路角度的匹配。比如光栅的最佳入射角为10度，为了实现从片上光源出射的光线与光子芯片表面垂直、以及光栅位置的垂直，盖板下部内表面制作为与水平线之间具有30.9度的斜面，用于实现片上光源与光栅的最佳角度的耦合。
进一步地，如图2所示，1为载板。101为载板的电互连线，将激光器电极连接到载板的侧面，该电学互连使用斜坡过渡。102为激光器，包括气体激光器、液体激光器、固体激光器，特别的，可以是半导体激光器、染料激光器、光纤激光器等。103为透镜，104为光隔离器。2为密闭的盖板。3为光源结构和光栅耦合的折射率匹配材料。4是光子芯片。401是光栅。402为焊盘，激光器的直流供电由101与402通过5金属丝互连。403为光栅上表面覆盖的材料。
进一步地，如图3所示，1为载板。101为载板的电互连线，将激光器电极连接到载板的侧面，该电学互连从底面通过焊接或者倒装芯片(flip-chip)装配与光子芯片互连。102为激光器，包括气体激光器、液体激光器、固体激光器，特别的，可以是半导体激光器、染料激光器、光纤激光器等，103为透镜，104为光隔离器。2为密闭的盖板。3为光源结构和光栅耦合的折射率匹配材料。4是光子芯片。401是光栅。403为光栅上表面覆盖的材料。
进一步地，如图4所示，1为载板。1为载板，为硅，陶瓷或其他材料。101为载板的互连线，将激光器电极连接到载板的侧面。102为激光器，包括气体激光器、液体激光器、固体激光器，特别的，可以是半导体激光器、染料激光器、光纤激光器等，其激励方式可以是光激励、电激励、热激励、化学激励、核激励等。103为透镜，用于对激光光束进行准直，例如凸透镜等。104为光隔离器，用于允许透镜至光隔离器之间的单向光通过，隔离回波反射的光。例如块状光隔离器、全光纤型光隔离器、集成光波导光隔离器及与偏振无关的光隔离器等等。2为密闭的盖板，由透光材料制成，比如玻璃、树脂等。3为光源结构和光栅耦合的折射率匹配材料，用于使光以完全偏振角入射端面，减少反射回波损失，其材质可以是固体或液体等。4是光子芯片。401是光栅，可以由平行刻痕构成。402为焊盘，激光器的直流供电由101与402通过5金属丝互连。403为光栅上表面覆盖的材料，例如SiO2、Si3N4等。通过控制载板1的斜坡，比如10°，实现激光器102和光栅401光路角度的匹配，而盖板2不再需要制作斜面，匹配光路，从而实现片上光源与光栅的最佳角度的耦合。
进一步地，如图5A-5H所示，图5A示出了对硅基底进行深槽刻蚀的示意图。图5B示出了已经被深槽刻蚀的硅基底表面钝化绝缘材料的示意图，其中绝缘材料可以是SiO2、Si3N4等。图5C示出了在硅基底表面耦合金属互连的示意图。图5D示出了刻蚀槽的示意图。图5E示出了在硅基底表面进行光器件贴片并进行互连线连接的示意图，可选的，该片上光源的光器件为激光器。图5F示出了在硅基底表面进行微光器件贴片的示意图，如准直透镜、光隔离器等。图5G示出了划片过程的示意图。图5H示出了对片上光源进行盖板密闭的示意图。
进一步地，图6示出了本发明片上光源的硅载板实现工艺流程图。其中，S101为硅深槽刻蚀，S102为钝化绝缘层，S103为金属互连，S104为刻蚀槽，S105为光器件贴片打线，S106为微光器件贴片，S107为划片，S108为盖板密闭。
本发明实施例提供的基于混合集成的片上光源及其制备方法，采用混合集成技术方案，实现片上光源集成，光源距离芯片距离短，集成度高，损耗小、克服了光路折弯以及匹配的复杂性和高损耗。同时，采用垂直安装，不需要像光纤耦合那样倾斜一定的角度，安装简单便捷。另外，使用该片上光源，可以通过光学密闭盖板灵活进行光路的调整。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于混合集成的片上光源结构，其特征在于，包括载板、载板互连线、激光器、准直透镜、光隔离器和密闭盖板，其中，
所述激光器通过所述载板互连线获得供电并连接到所述载板；
所述激光器发射的光依次通过所述准直透镜、所述光隔离器、所述密闭盖板下部，以最佳入射角入射位于光子芯片表面下方的光栅；
从所述光隔离器出射的光线与光子芯片表面垂直，且所述光栅所在位置的截面与光子芯片表面垂直。
2.根据权利要求1所述的片上光源结构，其特征在于，所述载板表面与所述光子芯片表面垂直，所述密闭盖板下部靠近所述光隔离器一侧的内表面与所述载板表面成锐角夹角，用于实现光线以最佳入射角入射位于所述光子芯片表面下方的光栅。
3.根据权利要求1所述的片上光源结构，其特征在于，所述载板表面与所述光子芯片表面成锐角夹角，所述密闭盖板下部靠近所述光隔离器一侧的内表面与所述载板表面垂直，用于实现光线以最佳入射角入射位于光子芯片表面下方的光栅。
4.根据权利要求1所述的片上光源结构，其特征在于，所述载板互连线通过金属丝与所述光子芯片表面的焊盘相连，用于获得所述激光器的直流供电。
5.根据权利要求4所述的片上光源结构，其特征在于，所述载板互连线采用垂直型或斜坡过渡型电互连线。
6.根据权利要求1所述的片上光源结构，其特征在于，所述载板互连线从所述载板底面通过焊接或者倒装芯片装配与所述光子芯片互连。
7.根据权利要求1所述的片上光源结构，其特征在于，所述片上光源结构与光子芯片之间还包括一层折射率匹配材料，用于使光以完全偏振角入射。
8.根据权利要求1所述的片上光源结构，其特征在于，所述激光器为气体激光器、液体激光器或固体激光器。
9.根据权利要求1所述的片上光源结构，其特征在于，所述密闭盖板由透光材料制成。
10.一种制备根据权利要求1所述的片上光源结构的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：对硅基底进行第一深槽刻蚀；
步骤二：在所述硅基底表面产生钝化绝缘层；
步骤三：在所述第一深槽表面形成金属互连层；
步骤四：对所述硅基底进行第二和第三深槽刻蚀；
步骤五：在所述金属互连层表面进行光器件贴片和互连线连接，所述光器件为激光器；
步骤六：在所述第二和第三深槽处进行微光器件贴片，所述微光器件为准直透镜或光隔离器；
步骤七：划片；
步骤八：进行盖板密闭。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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