CN109343180A - 激光器与硅光芯片耦合结构及其封装结构和封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种激光器与硅光芯片耦合结构及其封装结构和封装方法，发散的高斯光束从激光器芯片出射，经过耦合透镜进行聚焦；聚焦过程中光路经过隔离器进入反射棱镜，经过反射棱镜的发射，光路发生弯折并以一定的角度入射到硅光芯片的光栅耦合器上面，耦合进硅光芯片。本发明所提供的激光器与硅光芯片耦合结构，其无需使用超高精度的耦合对准设备，耦合过程易于实现，耦合效率更高，且研发成本较低；激光器与硅光芯片耦合封装结构及其封装方法，采用传统TO工艺封装光源，气密性封装，与现有技术相比，具有很强的可生产性，很高的可靠性，更低的成本，更高的耦合效率，适用于400G硅光大功率光源应用。

Description

激光器与硅光芯片耦合结构及其封装结构和封装方法
技术领域
本发明涉及光电通信技术领域，具体涉及一种激光器与硅光芯片耦合结构及其封装结构和封装方法。
背景技术
光子学是一门研究光子的产生和运动特性、光子同物质的相互作用及其应用的前沿学科。硅光子学专门研究硅以及硅基异质结材料(诸如ge/si、soi等)等介质材料中光子的行为和规律，着重研究硅基光子器件的工作原理、结构设计与制造以及在光通信、光计算等领域中的实际应用。硅光子学，包括硅基异质结构和量子结构的物理性质、制备方法；硅基光子器件，包括硅基发光器件、探测器、光波导器件、硅基光子晶体、硅基光电子集成、硅基光互连。
硅光子技术即利用标准COMS工艺，在绝缘体上硅(SOI)晶元衬底上，制作各种互联的光学组件。以数据中心光通信领域为例，在SOI上制备一个耦合光栅，后接一个1×4的分束器，然后连接4个28Gbps马赫曾德尔调制器(MZM)，输出到4个光栅耦合器。在1×4分束器的公共端，接上一个外部光源，在4个MZM后的光栅耦合器上，接4根单模光纤，这就很容易构成了一个100Gbps PSM4光模块的发射单元。
硅光子技术有其得天独厚的优势，相对于传统的三五族半导体光电子材料，硅光拥有更低的芯片成本，更小尺寸，更高集成度。相同功能的半导体芯片，用硅材料制备比用三五族半导体光电子材料制备，体积更小，成本更低，更能胜任数据中心对光通信模块的高端口密度和低成本的迫切需求。然而，硅光子技术也有一些技术难点需要去攻克，其中一个大的技术瓶颈就是硅光光光源。基于硅光技术做无源光器件结构，高速光调制，高速光接收，这些功能目前都日渐成熟，然而硅作为一种间接带隙半导体，其发光效率远低于三五族半导体光电子材料。所以在硅上制作光源，显得异常苦难。目前业界实现硅光光源的方案主要有三种：
方案一
Intel选择在硅光芯片上外延生长三五族半导体光电子材料，然后再在三五族半导体光电子材料进行激光器加工工艺，制作光源，基于该种工艺技术的硅光子模块已经实现了商用，领先业界十年的水平。
方案二
Luxtera选择将三五族DFB芯片、透镜、隔离器制作成一个光源组件，再将这个组件用胶水键合在硅光芯片上，Luxtera的硅光光源方案，也实现了商用并批量出货。
方案三
华为Hisilicon则是将激光器芯片波导倒装在硅波导上面，进行倏逝波耦合，将激光器芯片的光耦合到硅光芯片里面去，目前该方案也实现了商用。
方案一的问题在于，工艺复杂，芯片可靠性不高。硅材料和三五族半导体光电子材料本身存在晶格失配，在硅材料上外延生长三五族半导体光电子材料，生长过程种会出现很多晶格缺陷，产生比较大的应力，这个会影响芯片的可靠性。尽管intel现在已经将晶格失配的不良效应降低到最小，可靠性能满足商用标准，但是比起单独的硅芯片和三五族芯片，可靠性会降低。
方案二的问题在于，将三五族DFB芯片、透镜、隔离器制作成一个光源组件，这个组件本身的加工工艺，密封工序比较复杂，全球唯一供应商可以制作，工艺成本比较高。
方案三的问题在于，将激光器芯片波导倒装在硅波导上面，进行倏逝波耦合，需要超高精度(0.5微米以内)的耦合对准设备，已经定制的激光器芯片，研发投入巨大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种激光器与硅光芯片耦合结构，其无需使用超高精度的耦合对准设备，耦合过程易于实现，耦合效率更高，且研发成本较低。
本发明的目的还在于提供一种激光器与硅光芯片耦合封装结构及其封装方法，其采用传统TO工艺封装光源，具有很强的可生产性，很高的可靠性，更低的成本，更高的耦合效率，适用于400G硅光大功率光源应用。
附注：TO(Transistor Out-line)的中文意思是“晶体管外形”。这是早期的封装规格，例如TO-92，TO-92L，TO-220，TO-252等等都是插入式封装设计。近年来表面贴装市场需求量增大，TO封装也进展到表面贴装式封装。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种激光器与硅光芯片耦合结构，其包括沿光路依次设置的激光器芯片、耦合透镜、隔离器、反射棱镜、硅光芯片；该反射棱镜和硅光芯片相连；发散的高斯光束从激光器芯片出射，经过耦合透镜进行聚焦；聚焦过程中光路经过隔离器进入反射棱镜，经过反射棱镜的发射，光路发生弯折并以一定的角度入射到硅光芯片的光栅耦合器上面，耦合进硅光芯片。
一种激光器与硅光芯片耦合封装结构，其包括相互连接的TO管座和连接件，激光器载体以及沿光路依次设置的激光器芯片、耦合透镜、隔离器、反射棱镜、硅光芯片；
所述TO管座上设有向外伸出的激光器供电引脚和管座接地引脚；
贴有所述激光器芯片的激光器载体固定在所述TO管座和/或连接件上；所述激光器供电引脚与该激光器芯片电性连接；
所述耦合透镜和隔离器置于所述连接件内，该耦合透镜用于汇聚所述激光器芯片发出的发散光，该隔离器用于防止光路光线反射进入所述激光器芯片；
所述反射棱镜分别与所述连接件和硅光芯片相连，该反射棱镜用于使光路发生弯折并以一定的角度入射到硅光芯片的光栅耦合器上面。
作为优选，所述连接件包括：与所述TO管座相连的TO管帽，以及套在所述TO管帽上并与一调节环相连的封焊套筒；
所述耦合透镜置于所述TO管帽内，所述隔离器固定在所述封焊套筒的圆孔里，所述反射棱镜与所述调节环相连。
作为优选，所述TO管座的第一侧面上设有所述激光器供电引脚和管座接地引脚，该TO管座上与第一侧面正相对的第二侧面上设置有凸台；
贴有所述激光器芯片的激光器载体固定在所述凸台上；
所述TO管帽与所述TO管座的第二侧面相连。
作为优选，所述激光器供电引脚和激光器芯片的正负极通过金丝键合连接。
作为优选，所述反射棱镜固定在所述硅光芯片的表面。
上述任一项所述的激光器与硅光芯片耦合封装结构，其封装方法如下：
步骤1：将激光器芯片、激光器载体、TO管座三者固定；
步骤2：将激光器芯片的正负电极和激光器供电引脚通过金丝键合工艺进行电气连接；
步骤3：将TO管帽进行有源封帽并将其与TO管座固定；
步骤4：将封焊套筒固定在TO管帽上；
步骤5：将隔离器的入射偏振态，和激光器芯片的偏振态对齐，并将该隔离器固定在焊封套筒的设计位置上；
步骤6：将反射棱镜贴装在硅光芯片的光栅耦合器上面；给步骤5中得到的半成品，进行加电，让激光器发光；然后和带反射棱镜的硅光芯片进行耦合；将响应值耦合到最大；耦合过程中调节环同时套在隔离器和反射棱镜上；
步骤7：步骤6中耦合到最佳后，将调节环固定在封焊套筒上；
步骤8：将步骤7中得到的样品和带反射棱镜的硅光芯片进行耦合，将响应值耦合到最大；
步骤9：步骤8中耦合到最大后，将调节环和反射棱镜固定。
作为优选，所述步骤1中激光器芯片、激光器载体、TO管座三者共晶成型，共晶温度为290℃。
作为优选，所述步骤1中激光器载体的上下表面镀有金锡焊料，焊料金锡比例8:2，熔点280℃。
作为优选，所述步3骤中TO管帽与TO管座固定的方式以及所述步骤4中封焊套筒与TO管帽固定的方式可以是电阻焊、激光焊或者胶粘中的任一种。
本发明所提供的激光器与硅光芯片耦合结构，其无需使用超高精度的耦合对准设备，耦合过程易于实现，耦合效率更高，且研发成本较低；激光器与硅光芯片耦合封装结构及其封装方法，采用传统TO工艺封装光源，气密性封装，与现有技术相比，具有很强的可生产性，很高的可靠性，更低的成本，更高的耦合效率，适用于400G硅光大功率光源应用。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的激光器与硅光芯片耦合光路示意图；；
图2为本发明实施例提供的激光器与硅光芯片耦合封装结构剖视图；
图3为本发明实施例提供的激光器与硅光芯片耦合封装结构鸟瞰图；
图4为本发明实施例提供的激光器与硅光芯片耦合封装结构之封装方法工艺流程图。
附图标记说明：
1、TO管座；101、激光器供电引脚；102、管座接地引脚；2、激光器载体；3、激光器芯片；4、TO管帽；401、耦合透镜；5、封焊套筒；6、隔离器；7、反射棱镜；8、调节环；9、硅光芯片。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图对本发明作进一步的详细介绍。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。
如图1所示，一种激光器与硅光芯片耦合结构，其包括沿光路依次设置的激光器芯片3、耦合透镜401、隔离器6、反射棱镜7、硅光芯片9。该反射棱镜7和硅光芯片9相连。硅光芯片9的光耦类型为光栅耦合器。
发散的高斯光束从激光器芯片3出射，经过耦合透镜401进行聚焦；聚焦过程中光路经过隔离器6进入反射棱镜7，经过反射棱镜7的发射，光路发生弯折并以一定的角度入射到硅光芯片9的光栅耦合器上面，耦合进硅光芯片9。
其中，耦合透镜401的作用是对激光器芯片3发出的光进行一个数值孔径的转换，使之与硅光芯片9的数值孔径匹配，提高耦合效率。隔离器6的作用是防止光路光线反射进入激光器芯片3，造成啁啾而影响激光质量。反射棱镜7的作用是将光路进行一定角度的弯折，使光路以最佳角度入射到硅光芯片9的光栅耦合器。
如图2和图3所示，一种激光器与硅光芯片耦合封装结构，其包括TO管座1、连接件、激光器载体2、激光器芯片3、耦合透镜401、隔离器6、反射棱镜7、硅光芯片9。其中，所述连接件在本实施例中由TO管帽4、封焊套筒5和调节环8构成。除此之外，连接件还可设计成其它适合的结构。
所述TO管座1的第一侧面(图2中的右侧面)上设有向外伸出的激光器供电引脚101和管座接地引脚102，激光器供电引脚101用于给激光器供电，管座接地引脚102用于激光器的ESD防护。
注：ESD(Electro-Static discharge)的意思是“静电释放”。ESD是20世纪中期以来形成的以研究静电的产生、危害及静电防护等的学科。因此，国际上习惯将用于静电防护的器材统称为ESD，中文名称为静电阻抗器。
TO管座1上与第一侧面正相对的第二侧面(图2中的左侧面)上设置有凸台。所述激光器载体2贴装在所述凸台上，所述激光器芯片3贴在激光器载体2上，所述激光器供电引脚101与该激光器芯片3电性连接。该激光器供电引脚101和激光器芯片3的正负极优选通过金丝键合连接。
注：金丝键合为一种集成电路中实现电器件互通的现有技术。
所述TO管帽4与所述TO管座1的第二侧面相连。
所述耦合透镜401，其置于所述TO管帽4内，用于汇聚所述激光器芯片3发出的发散光。
所述封焊套筒5套在所述TO管帽4上。
所述隔离器6，其固定在所述封焊套筒5的圆孔里，用于防止光路光线反射进入所述激光器芯片3。
所述调节环8分别与所述封焊套筒5和反射棱镜7相连，所述硅光芯片9与反射棱镜7相连，该反射棱镜7优选固定在所述硅光芯片9的表面上。此反射棱镜7用于使光路发生弯折并以一定的角度入射到硅光芯片9的光栅耦合器上面。
所述激光器芯片3、耦合透镜401、隔离器6、反射棱镜7、硅光芯片9沿光路依次设置。发散的高斯光束从激光器芯片3出射，经过耦合透镜401进行聚焦；聚焦过程中光路经过隔离器6进入反射棱镜7，经过反射棱镜7的发射，光路发生弯折并以一定的角度入射到硅光芯片9的光栅耦合器上面，耦合进硅光芯片9。
如图4所示，上述激光器与硅光芯片耦合封装结构，其封装方法如下：
步骤1：共晶贴片
在激光器载体2的上下表面镀有金锡焊料，焊料金锡比例8:2，熔点280℃。
将激光器芯片3、激光器载体2、TO管座1三者，在高温下(290℃)，一次共晶成型。
步骤2：金丝键合
将激光器芯片3的正负电极和激光器供电引脚101通过金丝键合工艺进行电气连接。
步骤3：有源封帽
将TO管帽4通过有源封帽机进行有源封帽，并通过电阻焊焊接的方式将TO管帽4焊在TO管座1上。
步骤4：电阻焊封套筒
通过电阻焊设备，将封焊套筒5焊接在TO管帽4上。
步骤5：胶粘隔离器
将隔离器6的入射偏振态，和激光器芯片3的偏振态对齐，用热固化胶将隔离器6固定在焊封套筒5的设计位置(封焊套筒5的圆孔中)上。
步骤6：预耦合
将反射棱镜7用光学匹配胶贴装在硅光芯片9的光栅耦合器上面；给步骤5中得到的半成品，进行加电，让激光器发光；然后和带反射棱镜7的硅光芯片9进行耦合；将响应值耦合到最大；响应值可以通过监控硅光芯片9自带的背光探测器获得，或者通过监控硅光芯片的出光功率大小获得响应值；耦合过程中调节环8同时套在隔离器6和反射棱镜7上。
步骤7：胶粘调节环
步骤6中耦合到最佳后，用紫外胶将调节环8固定在封焊套筒5上面，涂胶照射紫外光以固定调节环8。
步骤8：激光焊调节环
使用激光焊工艺，将调节环8和封焊套筒5焊接在一起，增强可靠性。
该步骤8为可选步骤，当调节环8和封焊套筒5通过步骤7中胶粘的方式即可使得二者具有足够的连接强度，那么该步骤8可以取消，具体操作时，技术人员可根据调节环8和封焊套筒5的粘接情况，选择是否加入该步骤8，对调节环8和封焊套筒5进行再焊接。
步骤9：再耦合
将步骤8中得到的样品和和带反射棱镜7的硅光芯片9进行耦合；将响应值耦合到最大；响应值可以通过监控硅光芯片9自带的背光探测器获得，或者通过监控硅光芯片的出光功率大小获得响应值。
注：如果有步骤8，则将步骤8中得到的样品和带反射棱镜7的硅光芯片9进行耦合；如果没有步骤8，则将步骤7中得到的样品和带反射棱镜7的硅光芯片9进行耦合。
步骤10：胶粘芯片
步骤9中耦合到最大之后，用紫外胶通过胶粘的方式将调节环8和反射棱镜7固定，然后用热固化胶加固固定调节环8和带反射棱镜7之间的粘接。
另外，激光器载体2和TO管座1之间除了采用共晶焊的方式进行固定外，也可以将激光器载体2和TO管座1通过银胶胶粘在一起。
再有，所述步骤3中TO管帽4与TO管座1固定的方式以及所述步骤4中封焊套筒5与TO管帽4固定的方式可以是上述电阻焊焊接的方式，也可以是激光焊焊接或者胶粘粘接中的任一种。即，TO管帽4与TO管座1通过激光焊焊接在一起或者通过胶粘粘接在一起；封焊套筒5与TO管帽4通过激光焊焊接在一起或者通过胶粘粘接在一起。
本实施例所提供的激光器与硅光芯片耦合结构，其无需使用超高精度的耦合对准设备，耦合过程易于实现，耦合效率更高，且研发成本较低；激光器与硅光芯片耦合封装结构及其封装方法，采用传统TO工艺封装光源，气密性封装，与现有技术相比，具有很强的可生产性，很高的可靠性，更低的成本，更高的耦合效率，适用于400G硅光大功率光源应用。
以上只通过说明的方式描述了本发明的某些示范性实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种激光器与硅光芯片耦合结构，其特征在于，包括沿光路依次设置的激光器芯片、耦合透镜、隔离器、反射棱镜、硅光芯片；该反射棱镜和硅光芯片相连；发散的高斯光束从激光器芯片出射，经过耦合透镜进行聚焦；聚焦过程中光路经过隔离器进入反射棱镜，经过反射棱镜的发射，光路发生弯折并以一定的角度入射到硅光芯片的光栅耦合器上面，耦合进硅光芯片。
2.一种激光器与硅光芯片耦合封装结构，包括相互连接的TO管座和连接件，其特征在于，还包括激光器载体以及沿光路依次设置的激光器芯片、耦合透镜、隔离器、反射棱镜、硅光芯片；
所述TO管座上设有向外伸出的激光器供电引脚和管座接地引脚；
贴有所述激光器芯片的激光器载体固定在所述TO管座和/或连接件上；所述激光器供电引脚与该激光器芯片电性连接；
所述耦合透镜和隔离器置于所述连接件内，该耦合透镜用于汇聚所述激光器芯片发出的发散光，该隔离器用于防止光路光线反射进入所述激光器芯片；
所述反射棱镜分别与所述连接件和硅光芯片相连，该反射棱镜用于使光路发生弯折并以一定的角度入射到硅光芯片的光栅耦合器上面。
3.根据权利要求2所述的激光器与硅光芯片耦合封装结构，其特征在于，所述连接件包括：与所述TO管座相连的TO管帽，以及套在所述TO管帽上并与一调节环相连的封焊套筒；
所述耦合透镜置于所述TO管帽内，所述隔离器固定在所述封焊套筒的圆孔里，所述反射棱镜与所述调节环相连。
4.根据权利要求3所述的激光器与硅光芯片耦合封装结构，其特征在于，所述TO管座的第一侧面上设有所述激光器供电引脚和管座接地引脚，该TO管座上与第一侧面正相对的第二侧面上设置有凸台；
贴有所述激光器芯片的激光器载体固定在所述凸台上；
所述TO管帽与所述TO管座的第二侧面相连。
5.根据权利要求2所述的激光器与硅光芯片耦合封装结构，其特征在于，所述激光器供电引脚和激光器芯片的正负极通过金丝键合连接。
6.根据权利要求2所述的激光器与硅光芯片耦合封装结构，其特征在于，所述反射棱镜固定在所述硅光芯片的表面。
7.根据权利要求3至6任一项所述的激光器与硅光芯片耦合封装结构，其封装方法如下：
步骤1：将激光器芯片、激光器载体、TO管座三者固定；
步骤2：将激光器芯片的正负电极和激光器供电引脚通过金丝键合工艺进行电气连接；
步骤3：将TO管帽进行有源封帽并将其与TO管座固定；
步骤4：将封焊套筒固定在TO管帽上；
步骤5：将隔离器的入射偏振态，和激光器芯片的偏振态对齐，并将该隔离器固定在焊封套筒的设计位置上；
步骤6：将反射棱镜贴装在硅光芯片的光栅耦合器上面；给步骤5中得到的半成品，进行加电，让激光器发光；然后和带反射棱镜的硅光芯片进行耦合；将响应值耦合到最大；耦合过程中调节环同时套在隔离器和反射棱镜上；
步骤7：步骤6中耦合到最佳后，将调节环固定在封焊套筒上；
步骤8：将步骤7中得到的样品和带反射棱镜的硅光芯片进行耦合，将响应值耦合到最大；
步骤9：步骤8中耦合到最大后，将调节环和反射棱镜固定。
8.根据权利要求7所述的激光器与硅光芯片耦合封装方法，其特征在于，所述步骤1中激光器芯片、激光器载体、TO管座三者共晶成型，共晶温度为290℃。
9.根据权利要求8所述的激光器与硅光芯片耦合封装方法，其特征在于，所述步骤1中激光器载体的上下表面镀有金锡焊料，焊料金锡比例8:2，熔点280℃。
10.根据权利要求7所述的激光器与硅光芯片耦合封装方法，其特征在于，所述步骤3中TO管帽与TO管座固定的方式以及所述步骤4中封焊套筒与TO管帽固定的方式可以是电阻焊、激光焊或者胶粘中的任一种。
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