CN107942450A - 一种耦合封装硅光子芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种耦合封装硅光子芯片，包括基板、激光芯片子板、微光学模组及硅光子芯片；所述激光芯片子板与所述微光学模组分别连接所述基板，所述基板上靠近微光学模组的一端设有用于传输激光的凹槽；所述激光芯片子板用于发射激光光波，所述微光学模组用于将所述激光光波转换为TE波，并传输至所述凹槽；所述基板连接所述硅光子芯片，所述硅光子芯片的光路耦合光栅设于所述凹槽内TE波传输方向处。可有效减少界面光波反向传输以保护激光芯片、可实现激光芯片与硅光子芯片的低损耗耦合，且结构紧促、尺寸小，可实现硅光子晶圆级的键合封装，该装置可实现激光以TE波输出，不需再在硅光子晶圆上制造模式转换器。
Description
技术领域
本发明涉及光学技术领域，更具体地，涉及一种耦合封装硅光子芯片。
背景技术
硅光子技术是指在硅基材料上制作光器件、光子集成回路和光电子集成回路，以实现信号的传输和处理。硅光子器件用途非常广阔，应用跨度也很大，从超过1000公里的长度通信等城域网，从光接入网到局域网/存储网络，从设备级的背板互连到板卡级的芯片互连，甚至芯片内部互连，都有着广泛的应用。目前硅光子芯片每平方毫米处理数据的速度已达到300Gbps，比现有的标准处理器快10倍甚至50倍。
光通信的基本要素为光源、传输介质和光检测器。硅材料可作为光的传输介质、光检测器、光调制器，由于硅材料自身的特性，即非直接带隙材料，其发光效率低，不能作激光光源。目前采用的方式有整合集成、外延片键合集成和直接外延集成，以得到激光光源。整合集成是指将Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器芯片与硅光子芯片对准耦合后键合在一起；外延片键合集成是指将Ⅲ-Ⅴ族半导体外延片键合到硅基板上，然后再加工半导体激光器，与整合集成相比，无需光路的对准耦合。外延集成是指在硅表面外延生长Ⅲ-Ⅴ族，以制作半导体激光器芯片。
外延集成的外延材料与硅材料晶格参数失配、热失配和极性失配，外延生长很难达到，制作工艺复杂且成本高。外延片键合集成需要在硅基板上加工微纳光栅结构以实现半导体激光器和波导光路的耦合。整合集成是采用分立元件组装在一起，然后进行光路的对准耦合以实现功能。且由于光路是可逆的，因此在Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器芯片与硅光子芯片的整合集成时，硅光子芯片光路耦合端面或其光路耦合端面会有激光被反射回来，沿着光路反向传输进入半导体激光器，会引起半导体激光器的二次增益放大，从而导致半导体激光器工作不稳定，甚至会引起激光器的损坏。硅光子芯片对TE(Transverse Electric，横电)波和TM(Transverse Magnetic，横磁)波非常敏感，一般只使用TE波(TM波的损耗相对较大)，如此则需将半导体激光器发出的激光进行起偏，常用的方法是加入波片进行偏振化处理。再则，硅光子芯片光路特征尺寸为220nm(光路截面高)，而光纤通信系统所用的单模光纤的特征尺寸为8.2μm(光纤芯径)。硅光子芯片的光路与单模光纤两者直接对准耦合，光功率损耗非常大，可达99.9％。
因此，如何实现硅光子芯片的光路与单模光纤两者的低损耗耦合是硅光子器件应用的前提。为了进一步提高硅光子芯片的集成度，使激光不通过光纤的方式导入到芯片中，而是直接将半导体激光芯片键合到硅光子芯片上，以减少光互连节点数目、光程、芯片尺寸。半导体激光芯片与硅光子芯片光路的耦合常用方式有：1、垂直发射型半导体激光芯片与硅光子芯片光路的耦合，是直接耦合，不能增加光隔离器和聚光凸镜，有光反射回激光器且耦合效率低；2、端面发射型半导体激光芯片与硅光子芯片光路的耦合，需要硅光子芯片完成后刻蚀安放激光器的凹槽，对刻蚀加工精度、键合工艺、激光芯片电互连要求很高，成本高；3、在端面发射型激光芯片的发射端进行斜角处理并镀膜，使光向下传输，不能增加光隔离器和聚光凸镜，有光反射回激光器且耦合效率低，另一方面激光芯片端面斜角处理，精度要求高，成本高。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种耦合封装硅光子芯片，解决了现有技术中硅光子芯片与激光芯片耦合封装时刻蚀加工精度、键合工艺、激光芯片电互连要求很高、成本高，且耦合效率低的问题。
根据本发明的一个方面，提供一种耦合封装硅光子芯片，包括基板、激光芯片子板、微光学模组及硅光子芯片；所述激光芯片子板与所述微光学模组分别连接所述基板，所述基板上靠近微光学模组的一端设有用于传输激光的凹槽；所述激光芯片子板用于发射激光光波，所述微光学模组用于将所述激光光波转换为TE波，并传输至所述凹槽；所述基板连接所述硅光子芯片，所述硅光子芯片的光路耦合光栅设于所述凹槽内TE波传输方向处。
作为优选的，所述微光学模组包括依次粘接的第一球聚焦透镜、四分之一玻片、YIG晶体、二分之一玻片、焦距调整石英玻片及反射镜；所述第一球聚焦透镜接收所述激光光波，对所述激光光波进行聚焦；所述激光光波依次通过所述四分之一玻片、YIG晶体、二分之一玻片后，以TE波输出，并经所述焦距调整石英玻片调整焦距后，通过所述反射镜反射至所述凹槽。
作为优选的，所述四分之一玻片、YIG晶体、二分之一玻片、焦距调整石英玻片的截面均为矩形，且矩形边长与所述第一球聚焦透镜的直径相等。
作为优选的，所述反射镜为45°反射镜，所述45°反射镜包括斜边镜面及竖边镜面，所述竖边镜面粘接所述焦距调整石英玻片，且所述竖边镜面为矩形，矩形边长与所述第一球聚焦透镜的直径相等。
作为优选的，所述焦距调整石英玻片与所述反射镜间还设有第二球聚焦透镜，所述第二球聚焦透镜与所述第一球聚焦透镜直径相等。
作为优选的，所述激光芯片子板包括激光芯片和热沉，所述激光芯片通过AuSn共晶键合在所述热沉上。
作为优选的，所述基板上还沉积有供电电路互连焊盘和激光芯片正负电引脚。
作为优选的，所述热沉上还键合有背光探测器和热敏电阻。
作为优选的，所述基板为熔融石英玻璃、单晶硅、碳化硅、氮化铝陶瓷或三氧化二铝陶瓷材质。
作为优选的，所述焦距调整石英玻片的厚度等于第一球聚焦透镜的焦距加上5～20μm的光学容差。
本发明提出一种耦合封装硅光子芯片，通过微光学模组将激光光波转换为TE波，并传输至硅光子芯片的光路耦合光栅，包括激光芯片子板、微光学模组和基板，激光芯片子板通过AuSn共晶键合或固化胶粘接在基板上，微光学模组通过固化胶粘接在基板上；该装置可为硅光子芯片提供激光光波、可有效减少界面光波反向传输以保护激光芯片、可实现激光芯片与硅光子芯片的低损耗耦合，且结构紧促、尺寸小，可实现硅光子晶圆级的键合封装，该装置可实现激光以TE波输出，不需再在硅光子晶圆上制造模式转换器。
附图说明
图1为根据本发明实施例1的耦合封装硅光子芯片结构框图；
图2为根据本发明实施例1的单透镜模组结构示意图；
图3为根据本发明实施例1的硅光子芯片结构示意图；
图4为根据本发明实施例2的耦合封装硅光子芯片结构框图；
图5为根据本发明实施例2的双透镜模组结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，图中示出了一种耦合封装硅光子芯片，包括基板1、激光芯片子板100、微光学模组110及硅光子芯片18；所述激光芯片子板100与所述微光学模组110分别连接所述基板1，所述基板1上靠近微光学模组110的一端设有用于传输激光的凹槽102；所述激光芯片子板100用于发射激光光波，所述微光学模组110用于将所述激光光波转换为TE波，并传输至所述凹槽102；所述基板1连接所述硅光子芯片18，所述硅光子芯片18的光路耦合光栅180设于所述凹槽102内TE波传输方向处。
实施例1
一种耦合封装硅光子芯片，包括基板1、激光芯片子板100、微光学模组110及硅光子芯片18；所述激光芯片子板100与所述微光学模组110分别连接所述基板1，所述基板1上靠近微光学模组110的一端设有用于传输激光的凹槽102；所述激光芯片子板100用于发射激光光波，所述微光学模组110用于将所述激光光波转换为TE波，并传输至所述凹槽102；所述基板1连接所述硅光子芯片18，所述硅光子芯片18的光路耦合光栅180设于所述凹槽102内TE波传输方向处。
在本实施例中，所述激光芯片子板100包括激光芯片10和热沉11，所述激光芯片10通过AuSn共晶键合在所述热沉11上。
在本实施例中，激光芯片10为边缘发射型半导体激光芯片，可为FP(法布里-珀罗)、DFB(分布反馈式)、DBR(分布布拉格反馈式)激光芯片。热沉材料可为单晶硅、碳化硅、氮化铝陶瓷、三氧化二铝陶瓷、无氧铜、钨铜、氮化硼等；在热沉11上根据需要还可以键合上背光探测器、热敏电阻。
具体的，在本实施例中，如图2所示，本实施例中采用单透镜模组结构，所述微光学模组110包括依次粘接的第一球聚焦透镜12、四分之一玻片13、YIG晶体14、二分之一玻片15、焦距调整石英玻片16及反射镜17；所述第一球聚焦透镜12接收所述激光光波，对所述激光光波进行聚焦；所述激光光波依次通过所述四分之一玻片13、YIG晶体14、二分之一玻片15后，以TE波输出，并经所述焦距调整石英玻片16调整焦距后，通过所述反射镜17反射至所述凹槽102。
具体的，在本实施例中，基板1材料可为熔融石英玻璃、单晶硅、碳化硅、氮化铝陶瓷、三氧化二铝陶瓷等；宽1～2mm，厚度0.1～0.3mm；基板1的一端沉积4～8个金Au或者金铝AuAl或者金镍AuNi焊盘101，作为激光芯片10正负电引脚和供电电路互连焊盘；凹槽102宽度100～300μm，长度350～450μm。
在本实施例中，所述四分之一玻片13、YIG晶体14、二分之一玻片15、焦距调整石英玻片16的截面均为矩形，且矩形边长与所述第一球聚焦透镜12的直径相等。
具体的，如图2所示，第一球聚焦透镜12的直径400～800μm。四分之一玻片13的截面为矩形，边长等于第一球聚焦透镜12直径；厚度150～250μm。YIG(钇铁石榴石)晶体14截面为矩形，边长等于第一球聚焦透镜12直径；厚度400～500μm。二分一玻片15截面为矩形，边长等于第一球聚焦透镜12直径；厚度50～150μm。熔融石英玻璃片16(即焦距调整石英玻片)截面为矩形，边长等于第一球聚焦透镜12直径，厚度根据第一球聚焦透镜12的焦距确定，厚度等于第一球聚焦透镜12的焦距加上一定的光学容差，光学容差范围微5～20μm。第一球聚焦透镜12、四分之一玻片13、YIG晶体14、二分一玻片15、熔融石英玻璃片16和45°反射镜17通过紫外固化胶粘接在一起构成光学模组110。
具体的，所述反射镜17为45°反射镜，斜边镜面处理，所述45°反射镜包括斜边镜面及竖边镜面，所述竖边镜面粘接所述焦距调整石英玻片16，且所述竖边镜面为矩形，矩形边长与所述第一球聚焦透镜12的直径相等。
光学模组110通过紫外固化胶粘接在基板1上。如图3所示，硅光子芯片(或硅光子晶圆)18上设有光路耦合光栅180，以及硅光子芯片(或硅光子晶圆)18上的光路181，所述光路18还可为其他功能结构的光组件。
在本实施例中，从激光芯片10发出的激光，经空间首先通过第一球聚焦透镜12，然后经过四分之一玻片13，然后经过YIG晶体14，然后经过二分一玻片15，然后经过熔融石英玻璃片16，然后通过反射镜17使得光偏转90°向下，通过基板1上的凹槽102到达硅光子芯片18上的光路耦合光栅180上耦合进入硅光子芯片18上的光路181中。
硅光子芯片18上的光路耦合光栅180处会有反射光或者硅光子芯片18上光路181中的反射光通过光路耦合光栅180反向传输，通过基板1上的凹槽102到达反射镜17，通过反射镜17反向光偏转90°到达熔融石英玻璃片16，然后经过二分一玻片15，然后经过YIG晶体14，此时由于光偏振状态与YIG晶体偏振轴不重合，反向光全部损耗掉，不会再反向传输。
实施例2
一种耦合封装硅光子芯片，包括基板1、激光芯片子板100、微光学模组110及硅光子芯片18；所述激光芯片子板100与所述微光学模组110分别连接所述基板1，所述基板1上靠近微光学模组110的一端设有用于传输激光的凹槽102；所述激光芯片子板100用于发射激光光波，所述微光学模组110用于将所述激光光波转换为TE波，并传输至所述凹槽102；所述基板1连接所述硅光子芯片18，所述硅光子芯片18的光路耦合光栅180设于所述凹槽102内TE波传输方向处。
在本实施例中，所述激光芯片子板100包括激光芯片10和热沉11，所述激光芯片10通过AuSn共晶键合在所述热沉11上。
在本实施例中，激光芯片10为边缘发射型半导体激光芯片，可为FP(法布里-珀罗)、DFB(分布反馈式)、DBR(分布布拉格反馈式)激光芯片。热沉材料可为单晶硅、碳化硅、氮化铝陶瓷、三氧化二铝陶瓷、无氧铜、钨铜、氮化硼等；在热沉11上根据需要还可以键合上背光探测器、热敏电阻。
具体的，在本实施例中，所述微光学模组110包括依次粘接的第一球聚焦透镜12、四分之一玻片13、YIG晶体14、二分之一玻片15、焦距调整石英玻片16、第二球聚焦透镜121及反射镜17；在本实施例中，第二球聚焦透镜121直径与第一个球聚焦透镜12一致，所述第一球聚焦透镜12接收所述激光光波，对所述激光光波进行聚焦；所述激光光波依次通过所述四分之一玻片13、YIG晶体14、二分之一玻片15后，以TE波输出，并经所述焦距调整石英玻片16调整焦距后，通过所述反射镜17反射至所述凹槽102。
具体的，在本实施例中，基板1材料可为熔融石英玻璃、单晶硅、碳化硅、氮化铝陶瓷、三氧化二铝陶瓷等；宽1～2mm，厚度0.1～0.3mm；基板1的一端沉积4～8个金Au或者金铝AuAl或者金镍AuNi焊盘101，作为激光芯片10正负电引脚和供电电路互连焊盘；凹槽102宽度100～300μm，长度350～450μm。
在本实施例中，所述四分之一玻片13、YIG晶体14、二分之一玻片15、焦距调整石英玻片16的截面均为矩形，且矩形边长与所述第一球聚焦透镜12的直径相等。
具体的，如图1所示，第一球聚焦透镜12的直径400～800μm。四分之一玻片13的截面为矩形，边长等于第一球聚焦透镜12直径；厚度150～250μm。YIG(钇铁石榴石)晶体14截面为矩形，边长等于第一球聚焦透镜12直径；厚度400～500μm。二分一玻片15截面为矩形，边长等于第一球聚焦透镜12直径；厚度50～150μm。熔融石英玻璃片16(即焦距调整石英玻片)截面为矩形，边长等于第一球聚焦透镜12直径，厚度根据第一球聚焦透镜12的焦距确定。第一球聚焦透镜12、四分之一玻片13、YIG晶体14、二分一玻片15、熔融石英玻璃片16和45°反射镜17通过紫外固化胶粘接在一起构成光学模组110。
具体的，所述反射镜17为45°反射镜，斜边镜面处理，所述45°反射镜包括斜边镜面及竖边镜面，所述竖边镜面粘接所述焦距调整石英玻片16，且所述竖边镜面为矩形，矩形边长与所述第一球聚焦透镜12的直径相等。
光学模组110通过紫外固化胶粘接在基板1上。硅光子芯片(或硅光子晶圆)18上设有光路耦合光栅180，以及硅光子芯片(或硅光子晶圆)18上的光路181，所述光路18还可为其他功能结构的光组件。
从激光芯片10发出的激光，经空间首先通过第一球聚焦透镜12，然后经过四分之一玻片13，然后经过YIG晶体14，然后经过二分一玻片15，然后经过熔融石英玻璃片16，然后经过第二球聚焦透镜121，然后通过反射镜17使得光偏转90°向下，通过基板1上的凹槽102到达硅光子芯片18上的光路耦合光栅180上耦合进入硅光子芯片18上的光路181中。
硅光子芯片18上的光路耦合光栅180处会有反射光或者硅光子芯片18上光路181中的反射光通过光路耦合光栅180反向传输，通过基板1上的凹槽102到达反射镜17，通过反射镜17反向光偏转90°到达到达第二球聚焦透121，熔融石英玻璃片16，然后经过二分一玻片15，然后经过YIG晶体14，此时由于光偏振状态与YIG晶体偏振轴不重合，反向光全部损耗掉，不会再反向传输。
本发明提出一种耦合封装硅光子芯片，通过微光学模组将激光光波转换为TE波，并传输至硅光子芯片的光路耦合光栅，包括激光芯片子板、微光学模组和基板，激光芯片子板通过AuSn共晶键合或固化胶粘接在基板上，微光学模组通过固化胶粘接在基板上；该装置可为硅光子芯片提供激光光波、可有效减少界面光波反向传输以保护激光芯片、可实现激光芯片与硅光子芯片的低损耗耦合，且结构紧促、尺寸小，可实现硅光子晶圆级的键合封装，该装置可实现激光以TE波输出，不需再在硅光子晶圆上制造模式转换器。
最后，本发明的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种耦合封装硅光子芯片，其特征在于，包括基板、激光芯片子板、微光学模组及硅光子芯片；所述激光芯片子板与所述微光学模组分别连接所述基板，所述基板上靠近微光学模组的一端设有用于传输激光的凹槽；所述激光芯片子板用于发射激光光波，所述微光学模组用于将所述激光光波转换为TE波，并传输至所述凹槽；所述基板连接所述硅光子芯片，所述硅光子芯片的光路耦合光栅设于所述凹槽内TE波传输方向处。
2.根据权利要求1所述的耦合封装硅光子芯片，其特征在于，所述微光学模组包括依次粘接的第一球聚焦透镜、四分之一玻片、YIG晶体、二分之一玻片、焦距调整石英玻片及反射镜；所述第一球聚焦透镜接收所述激光光波，对所述激光光波进行聚焦；所述激光光波依次通过所述四分之一玻片、YIG晶体、二分之一玻片后，以TE波输出，并经所述焦距调整石英玻片调整焦距后，通过所述反射镜反射至所述凹槽。
3.根据权利要求2所述的耦合封装硅光子芯片，其特征在于，所述四分之一玻片、YIG晶体、二分之一玻片、焦距调整石英玻片的截面均为矩形，且矩形边长与所述第一球聚焦透镜的直径相等。
4.根据权利要求2所述的耦合封装硅光子芯片，其特征在于，所述反射镜为45°反射镜，所述45°反射镜包括斜边镜面及竖边镜面，所述竖边镜面粘接所述焦距调整石英玻片，且所述竖边镜面为矩形，矩形边长与所述第一球聚焦透镜的直径相等。
5.根据权利要求2所述的耦合封装硅光子芯片，其特征在于，所述焦距调整石英玻片与所述反射镜间还设有第二球聚焦透镜，所述第二球聚焦透镜与所述第一球聚焦透镜直径相等。
6.根据权利要求1所述的耦合封装硅光子芯片，其特征在于，所述激光芯片子板包括激光芯片和热沉，所述激光芯片通过AuSn共晶键合在所述热沉上。
7.根据权利要求6所述的耦合封装硅光子芯片，其特征在于，所述基板上还沉积有供电电路互连焊盘和激光芯片正负电引脚。
8.根据权利要求6所述的耦合封装硅光子芯片，其特征在于，所述热沉上还键合有背光探测器和热敏电阻。
9.根据权利要求1所述的耦合封装硅光子芯片，其特征在于，所述基板为熔融石英玻璃、单晶硅、碳化硅、氮化铝陶瓷或三氧化二铝陶瓷材质。
10.根据权利要求2所述的耦合封装硅光子芯片，其特征在于，所述焦距调整石英玻片的厚度等于第一球聚焦透镜的焦距加上5～20μm的光学容差。
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