CN109613665A - 单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构及方法 - Google Patents

单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构及方法，该结构包括底板、硅基光电子芯片、光纤毛细管、高数值孔径光纤及单模光纤；高数值孔径光纤两端分别连接硅基光电子芯片和单模光纤，硅基光电子芯片和光纤毛细管固定于底板上；该方法包括：熔接和光纤毛细管设置步骤、台阶刻蚀和芯片固定步骤、耦合步骤、紫外胶填充步骤及固化步骤。与现有技术相比，本发明将高数值孔径光纤作为单模光纤与硅基光电子芯片的能量传播媒介，以彻底解决现有单模光纤与硅基光电子芯片端面耦合模斑失配的难题，本发明能够实现极小能量损耗的耦合，且具有稳定度高、耦合效率高以及易于封装等突出优点，具有广泛的应用前景。

Description

单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构及方法
技术领域
本发明涉及单模光纤与硅基光电子芯片封装技术领域，更为具体来说，本发明为单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构及方法。
背景技术
近年来，硅基光电子学得到长足的发展，这是因为硅基集成光器件的制作工艺与微电子工艺完全兼容，且硅基光电子芯片中传输的载波光波又是一种频率极高、能够为信号的传输提供极大带宽的电磁波。但是，由于硅基光电子芯片端面波导中光场的模斑直径为3.5μm，而单模光纤的芯径一般相对比较大(如SMF1550nm波段单模光纤的芯径为10μm)，因而现有技术在将单模光纤与硅基光电子芯片端面耦合后，存在端面耦合模斑失配的问题，其能量损耗非常大；所以，单模光纤与硅基光电子芯片端面耦合封装一直是限制硅基光电子学发展的最大瓶颈；另外，现有耦合封装方法还存在稳定性差、耦合效率低、封装操作困难等问题。
因此，如何能够有效解决单模光纤与硅基光电子芯片端面的现有耦合封装方法导致的能量损耗过高等问题，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。
发明内容
为解决单模光纤与硅基光电子芯片端面的现有耦合封装方法存在的损耗十分巨大等问题，本发明创新提供了一种单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构及方法，通过设计特殊结构的光纤及耦合封装结构，本发明能够使光纤与硅基光电子芯片端面进行有效匹配，不仅极大降低了端面耦合的能量损耗，而且本发明还具有耦合效率高且易于封装等优点，在半导体封装领域有着广泛的应用前景。
为实现上述技术目的，本发明公开了单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构，该耦合封装结构包括底板、硅基光电子芯片、光纤毛细管、高数值孔径光纤及单模光纤；高数值孔径光纤的两端分别为熔接端和对准端，高数值孔径光纤的熔接端与单模光纤的一端熔接，在高数值孔径光纤的对准端设置所述光纤毛细管，且所述高数值孔径光纤的对准端与硅基光电子芯片端面耦合对准；底板的上表面为台阶结构，所述台阶结构包括第一平面、第二平面及连接所述第一平面和所述第二平面的侧壁面，且第一平面的高度大于第二平面的高度，所述硅基光电子芯片固定于所述第一平面上，所述光纤毛细管固定于所述第二平面上。
基于上述的技术方案，本发明创新地将高数值孔径光纤作为与硅基光电子芯片直接耦合的光纤，从而解决现有耦合方法能量损耗过高的问题，本发明能够通过台阶结构匹配光纤与电子芯片波导高度，通过光纤毛细管提供在耦合过程中的应力夹持和封装过程中的应力支撑，光纤毛细管便于被六轴调节架等夹具可靠夹持，本发明能够在光纤与硅基光电子芯片端面对准过程中稳定光纤，提高对准效率和准确率；而且光纤毛细管的表面积大，其能够实现与底板之间更有效、更可靠地固定。
进一步地，高数值孔径光纤的数值孔径范围为0.28～0.41。
进一步地，所述高数值孔径光纤的对准端突出于光纤毛细管朝向所述硅基光电子芯片的端面。
基于上述改进的技术方案，本发明使高数值孔径光纤一端突出于光纤毛细管的端面一段距离，从而为耦合过程预留调整空间，即使芯片端面和/或光纤端面不平整，本发明仍能有效调整光纤、为水平调整光纤角度留有余量，提高了耦合冗余度，进而显著地提高了耦合过程和整个封装过程的效率。
进一步地，所述硅基光电子芯片端面突出于台阶结构的侧壁面。
基于上述改进的技术方案，本发明使硅基光电子芯片端面突出于台阶阶沿一段距离，即使芯片端面和/或光纤端面不平整，本发明仍能有效调整光纤、为水平调整光纤角度留有余量，从而极大提高了耦合冗余度，进而极大地提高了耦合过程和整个封装过程的效率。
进一步地，所述光纤毛细管与台阶结构的第二平面之间通过粘接方式固定。
进一步地，在所述光纤毛细管与所述第二平面之间的空间内填充紫外胶。
基于上述改进的技术方案，相对于现有技术，本发明在点胶封装过程中及点胶完成后，能够实现光纤毛细管与金属底板之间更大面积的粘接，从而使胶水粘接的更加稳定和可靠。
进一步地，在所述光纤毛细管、所述硅基光电子芯片端面、所述侧壁面三者之间的空间内填充紫外胶。
进一步地，令所述光纤毛细管与所述第二平面之间的紫外胶的厚度为T，则
T＝(h+a)﹣r；
其中，h表示硅基光电子芯片端面波导中心至第一平面的垂直高度，a表示侧壁面的垂直高度，r表示光纤毛细管的半径。
基于上述改进的技术方案，本发明能够根据设计方案和封装需求确定台阶结构的高度，从而使本发明具有更好的稳定性和更高的封装效率。
进一步地，所述硅基光电子芯片与台阶结构的第一平面之间通过导热银胶粘接。
进一步地，所述底板为金属底板。
基于上述改进的技术方案，本发明能够在耦合过程和封装过程中实现较好的支撑效果和散热效果。
进一步地，所述光纤毛细管具有用于与所述第一平面粘接的底面、用于被夹具夹持的至少两个侧面及沿轴向设置的通孔，所述高数值孔径光纤的对准端自所述通孔的一端伸出、突出于光纤毛细管的一侧端面。
为实现上述的技术目的，本发明还公开了单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装方法，该耦合封装方法包括如下步骤；
将高数值孔径光纤的熔接端与单模光纤的一端熔接，并在高数值孔径光纤的对准端设置光纤毛细管，所述高数值孔径光纤的对准端突出于光纤毛细管的端面；其中，高数值孔径光纤的两端分别为熔接端和对准端；
通过导热银胶将硅基光电子芯片固定于底板上；其中，底板的上表面为台阶结构，所述台阶结构包括第一平面、第二平面及连接所述第一平面和所述第二平面的侧壁面，且第一平面的高度大于第二平面的高度，所述硅基光电子芯片固定于所述第一平面上，所述硅基光电子芯片端面突出于台阶结构的侧壁面；
利用夹具夹持所述光纤毛细管，从而令所述高数值孔径光纤的对准端与硅基光电子芯片端面耦合对准；
在所述光纤毛细管与所述第二平面之间以及在所述光纤毛细管、所述硅基光电子芯片端面、所述侧壁面三者之间的空间内填充紫外胶；
在所述紫外胶固化后，完成对单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装。
基于上述的技术方案，本发明创新地将高数值孔径光纤作为与硅基光电子芯片直接耦合的光纤，从而解决现有耦合方法能量损耗过高的问题，本发明能够通过台阶结构匹配光纤与电子芯片波导高度，通过光纤毛细管提供在耦合过程中的应力夹持和封装过程中的应力支撑，光纤毛细管便于被六轴调节架等夹具可靠夹持，本发明能够在光纤与硅基光电子芯片端面对准过程中稳定光纤，提高对准效率和准确率；而且光纤毛细管的表面积大，其能够实现与底板之间更有效、更可靠地固定。
进一步地，高数值孔径光纤的数值孔径范围为0.28～0.41。
本发明的有益效果为：与现有技术相比，本发明创新地将高数值孔径光纤作为单模光纤与硅基光电子芯片的能量传播媒介，从而彻底解决现有单模光纤与硅基光电子芯片端面耦合模斑失配的难题，本发明能实现极小能量损耗的耦合，极大了提高端面耦合封装的效率，具有稳定度高、耦合效率高以及易于封装等突出优点，具有广泛的应用前景。
附图说明
图1为单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构的立体示意图。
图2为单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构的侧视示意图。
图3为底板的立体结构示意图。
图4为光纤毛细管的立体结构示意图。
图5为高数值孔径光纤的熔接端与单模光纤的一端的连接关系示意图。
图6为单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装方法的流程示意图。
图中，
1、底板；11、第一平面；12、第二平面；13、侧壁面；
2、硅基光电子芯片；
3、光纤毛细管；31、底面；32、侧面；33、通孔；
4、高数值孔径光纤；41、熔接端；42、对准端；
5、单模光纤。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本发明的单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构及方法进行详细的解释和说明。
实施例一：
如图1至5所示，本实施例公开了单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构，上述耦合封装结构包括底板1、硅基光电子芯片2、光纤毛细管3、高数值孔径光纤4及单模光纤5；应当理解，本发明中涉及的高数值孔径光纤4的数值孔径(NA)范围为0.28～0.41，高数值孔径光纤4可以选择UHNA1(NA：0.28，纤芯直径2.5μm：)或UHNA3(NA：0.35，纤芯直径：1.8μm)或UHNA4(NA：0.35，纤芯直径：2.2μm)或UHNA7(NA：0.41，纤芯直径：2.4μm)；本实施例中，选用的高数值孔径光纤4的型号为UHNA7，高数值孔径光纤4具有两端，本实施例中，高数值孔径光纤4的两端分别为熔接端41和对准端42，熔接端41用于与单模光纤(SMF)5连接，对准端42用于与硅基光电子芯片2端面的波导耦合；由于纤芯直径较小，高数值孔径光纤4能够与硅基光电子芯片端面进行有效匹配，具体来说，单模光纤中的模场通过高数值孔径光纤后收窄到能够与硅基光电子芯片端面的波导中的模场直径相匹配，高数值孔径光纤4的熔接端41与单模光纤5的一端熔接，并在高数值孔径光纤4的对准端42设置光纤毛细管3，本实施例中，高数值孔径光纤4穿过光纤毛细管3，当然，也可根据实际需要将高数值孔径光纤4和单模光纤5的连接处设置于光纤毛细管3内，且高数值孔径光纤4的对准端42与硅基光电子芯片2端面耦合对准；底板1为金属底板(比如，铜质金属底板)或者其他导热性能优良的材料，在耦合封装过程中起到刚性支撑和散热等作用，如图3所示，本发明的底板1的上表面为台阶结构，台阶结构包括第一平面11、第二平面12及连接第一平面11和第二平面12的侧壁面13，且第一平面11的高度大于第二平面12的高度，硅基光电子芯片2固定于第一平面11上，光纤毛细管3固定于第二平面12上，本实施例中，硅基光电子芯片2与台阶结构的第一平面11之间通过导热银胶粘接，且光纤毛细管3与台阶结构的第二平面12之间通过粘接方式固定，具体为：在光纤毛细管3与第二平面12之间的空间内填充紫外胶，在光纤毛细管3、硅基光电子芯片2端面、侧壁面13三者之间的空间内填充紫外胶，本实施例涉及的紫外胶具有相匹配的折射率。
如图2所示，令光纤毛细管3与第二平面12之间的紫外胶的厚度为T，则
T＝(h+a)﹣r；
其中，h表示硅基光电子芯片端面波导中心至第一平面的垂直高度，a表示侧壁面的垂直高度，r表示光纤毛细管的半径。
作为优化的技术方案，为了显著提高耦合冗余度，本实施例中，硅基光电子芯片2端面突出于台阶结构的侧壁面13，比如，可使硅基光电子芯片端面突出于阶沿一段距离L1；高数值孔径光纤4的对准端42突出于光纤毛细管3朝向硅基光电子芯片2的端面，比如，高数值孔径光纤一端突出于光纤毛细管的端面一段距离L2；L1和L2的实际长度可根据具体实施情况而明智地确定。
如图4所示，光纤毛细管3具有用于与第二平面12粘接的底面31、用于被夹具夹持的至少两个侧面32及沿轴向设置的通孔33，高数值孔径光纤4的对准端42自通孔33的一端伸出、突出于光纤毛细管3的一侧端面。本实施例中，高数值孔径光纤的纤芯直径为2.4μm，单模光纤的纤芯直径为8μm，两者熔接后在结合部位形成渐变的拉锥形状，如图5所示。
实施例二：
与实施例一基于相同发明构思，本实施例公开了一种单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装方法，基于特殊结构设计的光纤(高数值孔径光纤与单模光纤熔接后形成的光纤)，通过高数值孔径光纤一端与硅基光电子芯片进行端面耦合，从而提供一种单模光纤与硅基光电子芯片端面的高稳定性的封装方法，具体来说，如图6所示，该耦合封装方法包括如下步骤。
步骤1，熔接和光纤毛细管设置步骤：将高数值孔径光纤4的熔接端41与单模光纤5的一端熔接，且两者熔接后在结合部位形成渐变的拉锥形状，并在高数值孔径光纤4的对准端42设置光纤毛细管3，本实施例中，高数值孔径光纤4穿过光纤毛细管3，高数值孔径光纤4的对准端42突出于光纤毛细管3的端面；从而为耦合过程预留出调整空间，即使芯片端面和/或光纤端面不平整，本发明仍然能有效调整光纤、为水平调整光纤角度留有余量，提高了耦合冗余度，进而显著地提高耦合过程和整个封装过程的效率，其中，高数值孔径光纤4的两端分别为熔接端41和对准端42；本发明中，高数值孔径光纤4的数值孔径范围为0.28～0.41。
步骤2，台阶刻蚀和芯片固定步骤：将导热银胶涂覆于铜质金属底板表面，通过导热银胶将硅基光电子芯片2固定于底板1上，以使导热银胶高温永久固化，作为后续耦合步骤的基础；其中，底板1的上表面为台阶结构，台阶结构包括第一平面11、第二平面12及连接第一平面11和第二平面12的侧壁面13，且第一平面11的高度大于第二平面12的高度，令硅基光电子芯片2通过导热银胶高温固化的方式固定于第一平面11上，硅基光电子芯片2端面突出于台阶结构的侧壁面13，从而显著提高耦合冗余度，具体实施时，在底板1上刻出用于匹配光纤和波导高度的台阶，可通过如下方式计算侧壁面的垂直高度a：
a＝(T+r)﹣h；
其中，T表示紫外胶的厚度，r表示光纤毛细管的半径，h表示硅基光电子芯片端面波导中心至第一平面的垂直高度。
本实施例中的底板1优选为铜质金属底板，即硅基光电子芯片2通过导热银胶高温固化在铜质金属底板上。
步骤3，耦合步骤：利用夹具夹持光纤毛细管3，可以借助于现有的调节架(比如六轴调节架)对光纤毛细管3的位置进行调节，由于高数值孔径光纤的纤芯直径较小，高数值孔径光纤4能够与硅基光电子芯片端面进行有效匹配，从而令高数值孔径光纤4的对准端42与硅基光电子芯片2端面耦合对准，以完成耦合过程。
步骤4，紫外胶填充步骤：在光纤毛细管3与第二平面12之间以及在光纤毛细管3、硅基光电子芯片2端面、侧壁面13三者之间的空间内填充紫外胶，将光纤毛细管3固定于底板1上。
优选地，紫外胶(或紫外固化胶)具有相匹配的折射率。
步骤5，固化步骤，在紫外胶固化后，移除夹具等辅助设备，完成对单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装，从而形成了如图1或图2中所示的单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本说明书的描述中，参考术语“本实施例”、“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明实质内容上所作的任何修改、等同替换和简单改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构，其特征在于：该耦合封装结构包括底板(1)、硅基光电子芯片(2)、光纤毛细管(3)、高数值孔径光纤(4)及单模光纤(5)；高数值孔径光纤(4)的两端分别为熔接端(41)和对准端(42)，高数值孔径光纤(4)的熔接端(41)与单模光纤(5)的一端熔接，在高数值孔径光纤(4)的对准端(42)设置所述光纤毛细管(3)，且所述高数值孔径光纤(4)的对准端(42)与硅基光电子芯片(2)端面耦合对准；底板(1)的上表面为台阶结构，所述台阶结构包括第一平面(11)、第二平面(12)及连接所述第一平面(11)和所述第二平面(12)的侧壁面(13)，且第一平面(11)的高度大于第二平面(12)的高度，所述硅基光电子芯片(2)固定于所述第一平面(11)上，所述光纤毛细管(3)固定于所述第二平面(12)上。
2.根据权利要求1所述的单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构，其特征在于：高数值孔径光纤(4)的数值孔径范围为0.28～0.41。
3.根据权利要求1或2所述的单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构，其特征在于：所述高数值孔径光纤(4)的对准端(42)突出于光纤毛细管(3)朝向所述硅基光电子芯片(2)的端面。
4.根据权利要求3所述的单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构，其特征在于：所述硅基光电子芯片(2)端面突出于台阶结构的侧壁面(13)。
5.根据权利要求1或4所述的单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构，其特征在于：所述光纤毛细管(3)与台阶结构的第二平面(12)之间通过粘接方式固定。
6.根据权利要求5所述的单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构，其特征在于：在所述光纤毛细管(3)与所述第二平面(12)之间的空间内填充紫外胶。
7.根据权利要求6所述的单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构，其特征在于：在所述光纤毛细管(3)、所述硅基光电子芯片(2)端面、所述侧壁面(13)三者之间的空间内填充紫外胶。
8.根据权利要求6或7所述的单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构，其特征在于：令所述光纤毛细管(3)与所述第二平面(12)之间的紫外胶的厚度为T，则
T＝(h+a)﹣r；
其中，h表示硅基光电子芯片端面波导中心至第一平面的垂直高度，a表示侧壁面的垂直高度，r表示光纤毛细管的半径。
9.单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装方法，其特征在于：该耦合封装方法包括如下步骤；
将高数值孔径光纤的熔接端与单模光纤的一端熔接，并在高数值孔径光纤的对准端设置光纤毛细管，所述高数值孔径光纤的对准端突出于光纤毛细管的端面；其中，高数值孔径光纤的两端分别为熔接端和对准端；
通过导热银胶将硅基光电子芯片固定于底板上；其中，底板的上表面为台阶结构，所述台阶结构包括第一平面、第二平面及连接所述第一平面和所述第二平面的侧壁面，且第一平面的高度大于第二平面的高度，所述硅基光电子芯片固定于所述第一平面上，所述硅基光电子芯片端面突出于台阶结构的侧壁面；
利用夹具夹持所述光纤毛细管，从而令所述高数值孔径光纤的对准端与硅基光电子芯片端面耦合对准；
在所述光纤毛细管与所述第二平面之间以及在所述光纤毛细管、所述硅基光电子芯片端面、所述侧壁面三者之间的空间内填充紫外胶；
在所述紫外胶固化后，完成对单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装。
10.根据权利要求9所述的单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装方法，其特征在于：高数值孔径光纤的数值孔径范围为0.28～0.41。
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