CN108292013A - 实现高容差光学芯片接合的混合集成光学设备及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

光学设备包括光学台和两个倒装接合的光学芯片。该光学台包括大面积板条波导结构，其具有面向第一光学芯片的输入小平面、面向第二光学芯片的输出小平面以及一个或更多个弯曲小平面，该一个或更多个弯曲小平面反射板条模态光，使得通过输入小平面耦合的输入光学模态在其传播时在板条波导平面中发散，在弯曲小平面处反射，并聚焦成输出小平面处的输出光学模态，其模态大小在面内方向上大于输入光学模态。在制造过程中，在第一光学芯片被倒装接合后，确定输出小平面上的聚焦的输出光学模态的位置，然后基于确定的输出光学模态的位置倒装接合第二光学芯片。

Description

实现高容差光学芯片接合的混合集成光学设备及其制造方法
发明背景
发明领域
本发明涉及一种具有混合集成光波导芯片的光学设备。具体地，本发明涉及一种光学设备，其使用无源对准的倒装式芯片接合方法，以在光学台上混合集成具有不同光波导模态大小(mode size)的两个光波导芯片，这通过其专门设计的板条波导结构降低了所需的接合对准精度。
相关技术的描述
光互连以前所未有的速度在数据通信中被采用，因为大型数据中心针对从社交网络、云服务到大数据分析和高性能计算的应用需要更多的带宽和更长的传输距离。与电信中的由超高性能分立部件制成的光收发器模块或子系统不同，在数据通信中要求更低成本、更紧凑和更节能的光收发器或引擎。将多个光学部件或芯片(诸如激光器、调制器、光电检测器、开关、衰减器等)集成在光学台芯片上以形成混合集成的光学设备是降低组装成本和占用面积的一种方式。
在这样的混合集成光学设备中，在光学台上无源地放置和接合光学芯片是非常优选的，因为它实现了自动化低成本组装，用于巨大的数据通信市场所需的大批量生产。然而，与成熟的集成电路(IC)全自动化封装工艺不同，组装这些光学芯片需要非常精确的对准，属于微米级或更小的数量级，因为这些芯片和光学台通常包括微小的光波导，其必须彼此良好地对准以形成光传输路径。
从IC封装工业借用，人们一直试图使用称为倒装芯片接合器的工具将光学芯片倒置接合到光学台上。由于光波导几乎总是通过半导体或类似的晶片加工技术形成在光学芯片和光学台的顶部面上，所以光波导和顶表面之间的距离得到很好的控制。通过将光学芯片倒置放置在光学台上并且在光学台上具有一些预定义的间隔物结构，在垂直于光学芯片和光学台的表面(面外)的方向上的光波导对准可被精确控制。这种倒装芯片接合的方法已被广泛讨论。
另一方面，在平行于表面(面内)的方向上的对准由倒装芯片接合器的精度和特定的接合工艺确定。现代的顶级倒装芯片接合器可以实现+/-0.5微米的对准精度，但实际上，涉及包括薄膜金属焊料熔化、粘合剂固化等的工艺的接合由于芯片在温度、应力或材料相变下的物理运动而不可避免地导致最终对准误差。基于本发明的发明人所进行的测试和工业测试数据，最终对准误差(3σ置信区间)接近+/-2微米或更大。沿波导中的光传播的面内方向的对准是相对容许的，并且可以承受这种对准误差。然而，垂直于光传播的面内方向的对准需要高精度，特别是对于微米尺度上的小光波导如激光器中的光波导。为了增加这个方向上的对准容差，人们试图包括在波导端部处的锥形结构或者透镜结构以便扩展光束以进行更宽容的对准。然而，包括作为光波导的一部分的锥形结构需要光学芯片的设计改变，这禁止了广泛可用且经证实的商业芯片的使用以及在许多情况下损害设备性能。在这种情况下可以使用的透镜不能在光学台上单片地制造并且必须单独安装，这在组装期间会引入额外的对准误差。已经提出了这些和类似的方法，但由于上述问题，它们都没有被用于批量生产。
概述
根据本发明的实施例的光学设备在垂直于光传播的面内方向上显著增加两个光学芯片之间的对准容差。
一个实施例是光学设备。该光学设备包括光学台和两个光学芯片。光学台包括大面积板条波导结构、薄膜金属迹线、薄膜微焊料以及在其第一侧面上形成的蚀刻间隔物。第一光学芯片包括在其第一侧面上形成的薄膜金属焊盘(pad)和小的光波导。第二光学芯片包括在其第一侧面上形成的薄膜金属焊盘和相对较宽的光波导。
第一光学芯片被对准并倒装接合在光学台上，其第一侧面朝向光学台的第一侧面。第一光学芯片上的波导和光学台上的波导在面外方向上由被形成在光学台的第一侧面上的间隔物保证而良好对准。光学台上的大的板条波导结构将在面外方向上对从光学芯片传输的光进行限制，同时允许光在面内方向上自由发散，使得光以类似于自由空间光传播的板条模态仅在面内方向上传播。板条波导结构包括涂覆有金属的至少一个弯曲小平面作为反射镜以反射板条模态光，使得作为输入光学模态的通过输入小平面耦合的入射光在其传播时在板条波导平面内发散，在弯曲小平面中的一个或多个处反射，并且聚焦成在输出小平面处的输出光学模态，该输出光学模态的模态大小在面内方向上大于输入光学模态。当第一光学芯片在倒装芯片接合后可能在面内方向上不对准时，输出光学模态的位置可以通过基于第一光学芯片的测量的未对准值的计算或其在输出小平面处的位置的直接光学测量来确定。基于输出光学模态的位置，第二光学芯片被对准并倒装接合在光学台上。由于光学台的输出小平面上的输出光学模态和第二芯片的光波导模态都相对较宽，因此它对面内方向上的未对准不太敏感。因此，从具有小波导的第一光学芯片到具有较宽波导的第二光学芯片的整体光学耦合受益于光学台的使用以减少由于无源倒装芯片接合过程的未对准而导致的光损耗。该技术在光学台由半导体晶片加工技术制造时可用于晶片级。这样的晶片级芯片组装技术显著提高了生产率并降低了成本。
本发明的另外的特征和优点将在以下说明书中阐明，并且部分从说明书中将是明显的或可通过实践本发明而得知。本发明的目标和其他优点将通过书面说明书及其权利要求书以及附图中特别指出的结构来实现和获得。
应理解的是，前面的一般性描述和下面的详细描述二者都是示例性和说明性的，且旨在提供如所要求保护的本发明的进一步解释。
附图简述
图1A是图示根据本发明的实施例的混合集成光学设备的透视图。
图1B是图示图1A所示的混合集成光学设备的分解图。
图2A是通过使用射线光学方法来分析面内光波的图示图1A所示的混合光学设备的工作原理的示意图。
图2B是图示当输入光学模态由于第一光学设备的面内未对准而移位时聚焦的输出光学模态的位置的偏移的示意图。
图3是图示图1A所示的混合集成光学设备的光学设备上的波导与光学台上的波导之间的面外对准的横截面图。
图4是图示图1A所示的混合集成光学设备的光学台上的板条波导的设计入射位置与第一光学设备上的波导之间的面内未对准的视图。
图5是图示帮助测量图1A所示的混合集成光学设备的光学台上的波导的小平面处的光学模态中心的蚀刻结构的横截面图。
图6是说明具有各种模态大小的匹配光波导模态的光损耗相对于面内未对准的曲线图。
图7是图示根据本发明的实施例的混合集成光学设备的晶片级组件的透视图。
图8A是说明根据本发明的实施例的混合集成光学设备的管芯(die)级组装的过程的流程图。
图8B是说明根据本发明的实施例的混合集成光学设备的晶片级组装的过程的流程图。
优选实施例的详细描述
参照图1A-1B描述了本发明的实施例。光学设备包括光学台，该光学台具有至少一个大面积板条光波导、蚀刻沟槽、间隔物、金属迹线和微焊料；具有至少一个光波导的倒装式接合的第一光学芯片；以及具有至少一个光波导的倒装式接合的第二光学芯片。图1A是图示混合集成光学设备的透视图，而图1B是分解图。为了便于观察后面的结构(其他结构后面的结构用虚线表示)，部件以某种方式绘制，就好像它们是透明的一样。混合集成光学设备包括光学台100、倒装式接合的第一光学芯片200和倒装式接合的第二光学芯片300。光学台100可以由任何半导体或绝缘材料制成，包括但不限于硅、二氧化硅和磷化铟。光学台100包括第一侧面和与第一侧面大致相对的第二侧面。光学台100还包括在第一侧面上通过蚀刻或沉积技术形成的至少一个大面积板条光波导101。波导101由包括但不限于硅、氮化硅和磷化砷镓铟的光学透明材料制成。光学台100还包括通过蚀刻或沉积技术形成的沟槽102和多个间隔物103。使用半导体加工技术精确地控制沟槽102和间隔物103的深度。光学台100还包括沟槽102中的金属迹线110和微焊料120，以用于电连接到倒装式接合的光学芯片200和300的目的。板条波导101包括至少一个输入小平面131和至少一个输出小平面132，它们都面向其对应的沟槽并且均涂覆有抗反射涂层以减少光反射。板条波导101还包括至少一个涂覆有金属的弯曲小平面作为反射镜以反射板条模态光，使得作为输入光学模态的通过输入小平面131耦合的入射光在其传播时在板条波导平面内发散，在一个或多个弯曲小平面处反射，并且聚焦到在输出小平面132处的输出光学模态，其中模态大小在面内方向上大于输入光学模态。在图1A所示的实施例中，为了良好的光学性能使用了两个这样的弯曲小平面133和134，这在后面解释。
第一光学芯片200可以由任何半导体或绝缘材料制成，包括但不限于硅、二氧化硅和磷化铟。光学芯片200包括第一侧面和大致与第一侧面相对的第二侧面。光学芯片200还包括在第一侧面上的至少一个光波导201。光学芯片200可以是需要外部电力来运行的有源设备。有源设备可以包括但不限于激光器、光调制器、光电检测器、光放大器、光衰减器和/或光开关。光学芯片200还包括用于接收外部电力的电极210。
光学芯片200通过倒装芯片工艺接合到光学台100上，在倒装芯片工艺中光学芯片200被翻转，因此其第一侧面面对光学台100的第一侧面。然后，通过对准光学芯片的第一侧面上的标记和光学台的第一侧面上的标记，光学芯片200与光学台100对准。对准标记未在图中示出。光学芯片200然后被推到光学台100上，同时加热芯片200和台100中的任一个或这两者。光学芯片被间隔物103阻止进一步下降。微焊料120被熔化以形成金属迹线110与电极210之间的电连接和机械接合。从光波导201射出的光耦合到板条波导101的输入小平面131处的位置P21(参照图2A)，并且在位置P21处形成输入光学模态。由于近场耦合，输入光学模态的模态形状和模态大小类似于波导201的光学波导模态的模态形状和模态大小。
第二光学芯片300可以由任何半导体或绝缘材料制成，包括但不限于硅、二氧化硅和磷化铟。光学芯片300包括第一侧面和与第一侧面大致相对的第二侧面。光学芯片300还包括在第一侧面上的至少一个光波导301。在优选的实施例中，该光波导比第一光学芯片200的光波导210宽。光学芯片300可以是需要外部电力来运行的有源设备。有源设备可以包括但不限于激光器、调制器、光电检测器、放大器、衰减器和/或开关。光学芯片300还包括用于接收外部电力的电极310。
光学芯片300通过与前述相同的倒装芯片工艺接合到光学台100上，除了光学芯片300被对准到在输出小平面132处的特定位置P22(参见图2A)之外，并且位置P22是聚焦的输出光学模态所驻留的位置，受到倒装芯片接合之后第一光学芯片200的可能的面内未对准的影响并且由稍后解释的一些方法确定。
图2A通过使用射线光学方法来分析面内光波图示了图1A所述的混合光学设备的工作原理。在该实施例中，采用两个弯曲的小平面反射镜133和134。当来自第一光学芯片200的波导201的光通过输入小平面131耦合到板条波导101中时，其由于板条波导101的波导层结构而被限制在面外方向上，同时如果它的面内发散光场在传播期间不接触任何小平面或干扰，它就自由地传播并因此在板条平面内发散。这样的面内光学传播可以被看作好像它在二维自由空间中传播，并且射线光学方法可以被用来分析光波的行为。
在这样的考虑中，第一弯曲小平面反射镜133对板条平面中的光波进行准直，而第二弯曲小平面反射镜134聚焦光波，因此该设计有效地类似于板条平面中的“双透镜光学系统”。为了使这种有效的“透镜系统”的光学像差最小化，这两个弯曲小平面反射镜133和134的轮廓分别被设计为两个抛物线曲线A21和A22的部分。被示出为虚线A23和A24的这两条抛物线曲线A21和A22的对称轴彼此平行并且与第一光学芯片200的光波导201的传播方向形成一定角度，使得发散且反射的光不传播回来从而被光学芯片200阻挡。第一弯曲小平面反射镜133被布置成使得在位置P21处，输入光学模态与抛物线曲线A21的焦点重合并且因此由分别在发散的光场的中心和两个边缘处的三条光线R21、R22和R23图形表示的发散的光波由板条平面中的第一弯曲小平面反射镜133准直并且朝向第二弯曲小平面反射镜134传播。准直后的光波然后被第二弯曲小平面反射镜134聚焦并在抛物线曲线A22的焦点P22处形成聚焦的输出光学模态，并且板条波导101被设计为使得焦点P22位于其输出小平面132处。抛物线曲线A22的被定义为抛物线的焦点与顶点之间的距离的焦距被设计成比抛物线曲线A21的焦距大几倍，因此输出光学模态的面内Y方向(其垂直于芯片200和300的波导201和301的方向)上的模态大小由于光波原理而比输入光学模态的模态大小大几倍。因此，当对准具有与该输出光学模态的模态大小匹配的光波导模态大小的第二光学芯片300时，可以大大放宽对准容差。
尽管图1A和图2A中所示的实施例的光学台100包括两个弯曲小平面反射镜133和134以整合(archive)输出小平面132处的放大的输出光学模态，但是相同的原理可以通过使用单个弯曲小平面反射镜模拟“单透镜光学系统”来实现。在这种情况下，弯曲小平面的轮廓可以是圆曲线、抛物线曲线或数值计算的曲线的一部分，以使光学像差最小化。
尽管图2A图示了当第一光学芯片200以及因此输入光学模态根据设计完全对准时的工作原理，但图2B图示了当其未对准时的情况(这在实践中可能是不可避免的)。为了简化附图，仅绘制分别表示理想对准和未对准的输入光学模态的光场中心的光线R21和R21A。当未对准的输入光学模态P21A的位置远小于抛物线曲线A21和A22两者的焦距时，这是正确的，因为良好的倒装芯片接合工艺的未对准与几百微秒数量级的焦距相比通常在2-3μm范围内，输出光学模态仍然大致位于输出小平面132处，但小移位到位置P22A而不是设计位置P22。只要能够确定移位位置P22A，就可以将第二光学芯片300对准到该新位置而不是设计的理想位置P22。
在混合集成中，倒装芯片接合的目标是精确对准光学芯片和光学台的波导，使得光可以从一个波导传输到另一个波导，而光损失最小。图3图示了两个波导(例如，一个波导201属于光学设备200，而另一个波导101属于光学台100)之间的面外(与光学台或光学芯片的第一侧面垂直的方向)对准。波导(例如201)总是被包覆层(例如205和206)包围，其具有较低的折射率以使光限制在波导芯层201A中。这些包覆层的厚度通常由半导体或其他晶片加工技术很好地限定，因此光波导芯(例如201A)和包覆层(例如205)的表面之间的距离被很好地控制。通过将光学芯片200倒置放置在光学台上并且在光学台上具有预定义的间隔物103，在光学芯片和光学台的面外方向上的光波导对准可被精确控制。光学台包括精确蚀刻的沟槽102和间隔物103。当芯片被推到光学台上时，间隔物103用作翻转芯片的止挡块。利用精确控制的沟槽102深度(D31)和间隔物103高度(D32)，波导101和波导201可以在面外方向上精确地对准。
这里提出的本发明的工作原理的关键之一是能够确定当第一光学芯片200未对准时相对于设计理想位置P22的输出光学模态的移位位置P22A。它可以通过基于第一光学芯片200的测量的未对准值的计算或通过在输出小平面132处的直接光学测量来确定。
图4图示了两个波导(例如，一个波导201属于光学设备200，而另一个波导101属于光学台100)之间的面内(在平行于光学台或光学芯片的第一侧面的平面内)对准。波导传播方向(由图4中的“X”方向表示)上的对准具有相对大的容差，而垂直于波导传播的方向(由图4中的“Y”方向表示)需要精确对准，特别是对于小的光波导，如激光器中的光波导。后者是本发明的实施例中的焦点。在图4中所示的示例中，“Y”方向上有未对准。光学台100包括一组标记140，其通过包括在靠近输入光学模态的设计位置P21的板条波导101的顶部上的蚀刻结构、图案化薄膜金属或其他材料等的装置制成。可以使用可见光或红外光下的光学显微镜来检查相对于标记140的穿过第一光学芯片200的主体的光波导201的位置并计算未对准值D41。通过进行光学计算，可以确定输出光学模态的移位位置P22A。
另一种方法是直接测量输出光学模态的位置。测量它的一种方式是在显微镜下检查输出小平面132的侧面的输出光斑。但它需要相对复杂的侧视显微系统和在单个光学台管芯级上的测量。优选的方法是从以上测量输出光斑，因此可以采用简单的显微系统和晶片级测量。为了便于这种顶视图测量，光学台100还可以包括如图5所示的蚀刻反射器130，其具有倾斜的表面，使得从输出小平面出来的至少一部分光可以被该表面向上反射。可以使用半导体等离子体蚀刻或湿法蚀刻技术将反射器130蚀刻到光学台100的主体材料中。反射器的表面131可以涂覆有金属膜以增加光学反射率。反射器130的高度(D51)被设计为足够低，使得反射器130不干涉第二光学芯片300的倒装芯片接合。尽管只有从输出小平面132出来的光的一部分，即在X-Y平面内的在光线R51A和R51B之间的具有角度的光束由于反射器的较低的高度D51而被反射器接收，但其不影响光学测量以确定在Y方向上的输出斑点的中心，即输出光学模态的中心。
如前所述，假定第二光学芯片300的光波导模态大小匹配输出光学模态，为了放宽第二光学芯片300的倒装芯片接合的对准容差，输出光学模态在Y方向上的模态大小被增加。图6图示了具有各种模态大小的匹配的光波导模态的光损耗对面内未对准。半导体激光器芯片的Y方向上的典型模态大小大约为2μm，这需要±1μm的对准精度，这在统计上超出了如前所述的当前现有技术的倒装芯片接合工艺的能力，以便保证耦合损耗小于2dB。当Y方向上的模态大小增加到4μm和6μm时，对于相同的2dB耦合损耗要求的对准容差分别被放宽至±2μm和±3μm，这是在当前现有技术的倒装芯片接合工艺的能力内。当第二光学芯片300的光波导在Y方向上具有相同的大的模态大小(例如4μm、6μm等)时，可以以大的容差将其与输出光学模态对准，并且实现在具有小的光波导模态大小的第一光学芯片200和具有大的光波导模态大小的第二光学芯片300之间的良好的光耦合。由于来自模态失配的大的光学损耗，这种良好的光耦合无法通过将相同的第一光学芯片200直接对准到相同的第二光学芯片300来实现。
本发明的实施例的实际用途来自于以下事实：例如半导体激光器等一些光学芯片不能容易地采用更宽的光波导即大的模态大小而不损害其设备性能，而如光学调制器或光电检测器等其他光学芯片例可以这样做。因此，这里提出的实施例可被采用以使用在实施例中描述的具有低光学耦合损耗的光学台来用这种两种类型的光学芯片制造混合集成光学设备。
如图7所示的本发明的实施例的另一个益处在于这种混合集成光学设备的晶片级组装的能力。光学台100通常由半导体晶片加工技术制成，并且可以在晶片上同时加工数百或甚至数千个这样的光学台。在将这样加工后的晶片分割成光学台的单独管芯之前，可以制造混合集成光学设备。倒装芯片接合工艺和对输出光学模态的位置的确定都可以在晶片级执行。当使用输出光学模态的直接测量的方法时，需要通过外部电源对第一光学芯片200上电。这可以通过探测连接到光学台上的第一光学芯片200的电极100来完成，并且这样的晶片级探测被广泛用于半导体IC工业中。整个组装过程仅涉及无源对准，这意味着在光学对准期间没有光学芯片被上电，该光学对准是复杂且产量较低的过程。这样的晶片级无源组装技术显著提高了生产率并降低了成本。
混合集成光学设备的两种制造方法通过图8A和图8B中的流程图示出。图8A图示了管芯级组装的过程，其包括：
a)提供光学台100；
b)通过对准光学芯片200的第一侧面和光学台100的第一侧面上的标记，将第一光学芯片200与光学台100对准并将其倒装接合到光学台100的输入小平面处。
c)通过使用前面描述的方法，确定由于接合的第一光学芯片200的未对准的在光学台100的输出小平面132处的输出光学模态的位置。
d)通过将第二光学芯片300的光波导301与输出光学模态的确定的位置对准，将第二光学芯片300与输出光学模态的确定的位置对准并将其倒装接合到光学台100。
图8B说明了晶片级组装的过程，其针对由光学台组成的整个晶片上的每个光学台重复图8A中的所有步骤，然后将晶片分割成各个完成的混合集成光学设备。
对本领域的技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可以对本发明的光学系统和相关制造方法进行各种修改和变化。因此，意图是本发明覆盖在所附权利要求及其等同物范围内的修改和变化。

Claims (13)

1.一种混合集成光学设备，包括：
光学台，其具有第一侧面和与所述第一侧面相对的第二侧面以及被形成在所述光学台的所述第一侧面处的大面积光学板条波导结构，
其中，所述光学板条波导结构具有至少一个输入小平面、至少一个输出小平面和用作反射镜的至少一个弯曲小平面，使得通过所述输入小平面耦合的入射光作为输入光学模态在其传播时在板条波导平面中发散，在所述至少一个弯曲小平面中的一个或更多个弯曲小平面处反射，并聚焦成在所述输出小平面处的输出光学模态，所述输出光学模态具有比所述输入光学模态的模态大小更大的模态大小；
第一光学芯片，其具有第一侧面和与该第一侧面相对的第二侧面以及被形成在所述第一光学芯片的所述第一侧面处的光波导；以及
第二光学芯片，其具有第一侧面和与该第一侧面相对的第二侧面以及被形成在所述第二光学芯片的所述第一侧面处的光波导；
其中，所述第一光学芯片在所述光学台上的所述光学板条波导的所述输入小平面的附近被对准并且倒装接合到所述光学台，其中所述第一光学芯片的所述第一侧面面向所述光学台的所述第一侧面并且所述第一光学芯片的所述光波导面向所述输入小平面；
其中，所述第二光学芯片在所述输出小平面的附近被对准并且倒装接合到所述光学台，其中所述第二光学芯片的所述第一侧面面向所述光学台的所述第一侧面并且所述第二光学芯片的所述光波导面向所述输出小平面。
2.根据权利要求1所述的混合集成光学设备，其中，所述光学台包括：
至少两个蚀刻沟槽，其被形成在所述光学台的所述第一侧面处，以通过倒装芯片接合工艺接纳所述第一光学芯片和所述第二光学芯片。
3.根据权利要求2所述的混合集成光学设备，其中，所述光学台的蚀刻沟槽中的每一个包括：
多个间隔物，其被形成在所述蚀刻沟槽的表面上以在垂直于所述光学台的所述第一侧面的方向上限定相应的倒装接合的光学芯片的高度；以及
多个金属迹线和多个微焊料，其被设置在所述蚀刻沟槽的表面上以电连接到所述光学芯片的所述第一侧面处的多个金属电极。
4.根据权利要求1所述的混合集成光学设备，其中，所述光学台的所述板条波导的所述至少一个弯曲小平面涂覆有金属薄膜以增加在所述板条波导中传播的光的反射率。
5.根据权利要求1所述的混合集成光学设备，其中，所述光学台的所述板条波导的所述输入小平面被涂覆有具有预定反射率的薄膜；以及
其中，所述光学台的所述板条波导的所述输出小平面被涂覆有具有预定反射率的薄膜。
6.根据权利要求1所述的混合集成光学设备，其中，所述至少一个弯曲小平面的轮廓是以下项之一：抛物线曲线的一部分、圆曲线的一部分和数值计算的曲线的一部分，其被优化用于整形光波以形成在所述输出小平面处的聚焦光学模态。
7.根据权利要求1所述的混合集成光学设备，其中，所述光学台还包括：
反射器，其被形成在所述光学台的主体材料中，所述反射器在所述光学板条波导结构的所述输出小平面附近具有倾斜表面，使得从所述输出小平面出来的光的至少一部分能够被所述倾斜表面反射。
8.根据权利要求7所述的混合集成光学设备，其中：
所述光学台的所述反射器被涂覆有金属薄膜以增加光的反射率。
9.根据权利要求1所述的混合集成光学设备，其中，所述第一光学芯片和所述第二光学芯片中的每一个包括：
多个金属电极，其被设置在所述光学芯片的所述第一侧面处以接收外部电力和信号以操作所述光学芯片。
10.根据权利要求1所述的混合集成光学设备，其中，所述第二光学芯片的所述光波导的宽度比所述第一光学芯片的所述光波导的宽度宽。
11.根据权利要求1所述的混合集成光学设备，其中，所述光学板条波导结构的所述至少一个弯曲小平面包括第一抛物线弯曲小平面和第二抛物线弯曲小平面，其中所述第一抛物线弯曲小平面和所述第二抛物线弯曲小平面的对称轴彼此平行并与所述第一光学芯片的光波导的传播方向形成一角度，其中所述第一抛物线弯曲小平面的焦点位于所述输入小平面上，而所述第二抛物线弯曲小平面的焦点位于所述输出小平面上。
12.一种用于制造混合集成光学设备的方法，包括：
(a)提供光学台，所述光学台具有第一侧面和与所述第一侧面相对的第二侧面以及被形成在所述光学台的所述第一侧面处的大面积光学板条波导结构，其中所述光学板条波导结构具有至少一个输入小平面、至少一个输出小平面和用作反射镜的至少一个弯曲小平面，使得通过所述输入小平面耦合的入射光作为输入光学模态在其传播时在板条波导平面内发散，在所述至少一个弯曲小平面中的一个或更多个弯曲小平面处反射，并且聚焦成在所述输出小平面处的输出光学模态，所述输出光学模态具有比所述输入光学模态的模态大小更大的模态大小；
(b)提供第一光学芯片，所述第一光学芯片具有第一侧面和与该第一侧面相对的第二侧面以及被形成在所述第一光学芯片的所述第一侧面处的至少一个光波导；
(c)提供第二光学芯片，所述第二光学芯片具有第一侧面和与该第一侧面相对的第二侧面以及被形成在所述第二光学芯片的所述第一侧面处的至少一个光波导；
(d)在所述光学台的光学板条波导的所述输入小平面的附近根据预形成的标记来对准所述第一光学芯片，并且将所述第一光学芯片倒装接合到所述光学台，其中所述第一光学芯片的所述第一侧面面向所述光学台的所述第一侧面，并且所述第一光学芯片的所述光波导面向所述输入小平面；
(e)确定沿着所述光学台的所述板条波导的所述输出小平面的所述输出光学模态的位置，包括：
(e1)或者测量所述第一光学芯片相对于所述预形成的标记的未对准值并且基于所测量的未对准值计算所述输出光学模态的位置；或者
(e2)直接测量沿着所述输出小平面的所述输出光学模态的位置；以及
(f)根据所确定的沿着所述输出小平面的所述输出光学模态的位置对准所述第二光学芯片，并且将所述第二光学芯片倒装接合到所述光学台，其中所述第二光学芯片的所述第一侧面面向所述光学台的所述第一侧面，并且所述第二光学芯片的所述光波导面向所述输出小平面。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，步骤(a)包括提供包含多个光学台的晶片，每个光学台具有大面积光学板条波导结构，
其中对于所述多个光学台中的每一个执行步骤(b)至(f)，以及
所述方法还包括将所述晶片分割成各个完成的混合集成光学设备。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112612084A (zh) * 2019-10-04 2021-04-06 财团法人工业技术研究院 测试装置与异质整合结构
CN113767312A (zh) * 2019-06-06 2021-12-07 国际商业机器公司 具有非对称光学损耗性能曲线和改进的最坏情况光学损耗性能的柔性波导
CN115315649A (zh) * 2020-03-24 2022-11-08 三菱电机株式会社 集成光栅耦合器系统

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2017120272A1 (en) * 2016-01-04 2017-07-13 Infinera Corporation Photonic integrated circuit package
US11953728B2 (en) 2018-08-06 2024-04-09 Rockley Photonics Limited Method for III-v/silicon hybrid integration
US11036005B2 (en) 2018-08-06 2021-06-15 Rockley Photonics Limited Method for III-V/silicon hybrid integration
US11378762B2 (en) 2018-08-06 2022-07-05 Rockley Photonics Limited Method for III-V/silicon hybrid integration
EP4350406A1 (en) * 2022-10-05 2024-04-10 EFFECT Photonics B.V. Reflective optical coupling and beam profile shaping unit, opto-electronic assembly and opto-electronic system comprising the same

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1549938A (zh) * 2001-07-13 2004-11-24 柔斯芒特公司 集成透明衬底及衍射光学组件
US6992276B2 (en) * 2002-10-10 2006-01-31 Xponent Photonics Inc Semiconductor photodetector with internal reflector
US20110049388A1 (en) * 2009-03-02 2011-03-03 Mbio Diagnostics, Inc. Planar optical waveguide with core of low-index-of-refraction interrogation medium
CN102365566A (zh) * 2009-03-02 2012-02-29 精密光子学公司 具有集成透镜的波导
CN103890625A (zh) * 2011-08-16 2014-06-25 国际商业机器公司 透镜阵列与光子芯片的光学耦合

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5499312A (en) 1993-11-09 1996-03-12 Hewlett-Packard Company Passive alignment and packaging of optoelectronic components to optical waveguides using flip-chip bonding technology
US5793913A (en) 1996-07-10 1998-08-11 Northern Telecom Limited Method for the hybrid integration of discrete elements on a semiconductor substrate
US6327289B1 (en) 1997-09-02 2001-12-04 Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. Wavelength-variable semiconductor laser, optical integrated device utilizing the same, and production method thereof
US6293688B1 (en) 1999-11-12 2001-09-25 Sparkolor Corporation Tapered optical waveguide coupler
JP4665240B2 (ja) 2001-06-25 2011-04-06 富士通株式会社 光伝送装置
KR100442609B1 (ko) 2002-03-05 2004-08-02 삼성전자주식회사 플립칩 본딩구조 및 본딩방법
KR100637929B1 (ko) 2004-11-03 2006-10-24 한국전자통신연구원 하이브리드형 광소자
US9766385B2 (en) * 2010-06-17 2017-09-19 Philips Lighting Holding B.V. Illumination device with waveguide and LEDs
US8798409B2 (en) 2010-10-07 2014-08-05 Alcatel Lucent Optical transmitter with flip-chip mounted laser or integrated arrayed waveguide grating wavelenth division multiplexer

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1549938A (zh) * 2001-07-13 2004-11-24 柔斯芒特公司 集成透明衬底及衍射光学组件
US6992276B2 (en) * 2002-10-10 2006-01-31 Xponent Photonics Inc Semiconductor photodetector with internal reflector
US20110049388A1 (en) * 2009-03-02 2011-03-03 Mbio Diagnostics, Inc. Planar optical waveguide with core of low-index-of-refraction interrogation medium
CN102365566A (zh) * 2009-03-02 2012-02-29 精密光子学公司 具有集成透镜的波导
CN103890625A (zh) * 2011-08-16 2014-06-25 国际商业机器公司 透镜阵列与光子芯片的光学耦合

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113767312A (zh) * 2019-06-06 2021-12-07 国际商业机器公司 具有非对称光学损耗性能曲线和改进的最坏情况光学损耗性能的柔性波导
CN113767312B (zh) * 2019-06-06 2023-04-07 国际商业机器公司 具有非对称光学损耗性能曲线和改进的最坏情况光学损耗性能的柔性波导
CN112612084A (zh) * 2019-10-04 2021-04-06 财团法人工业技术研究院 测试装置与异质整合结构
CN115315649A (zh) * 2020-03-24 2022-11-08 三菱电机株式会社 集成光栅耦合器系统

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Publication number Publication date
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