CN109669248A - 光波导耦合封装结构、安装方法及光模块 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了一种光波导耦合封装结构、安装方法及光模块，所述光波导耦合封装结构包括激光器、硅光芯片、集成于所述硅光芯片上且与所述激光器的正向发射端对准的第一波导，其中所述光波导耦合封装结构还包括与所述激光器导电连接的激光器载板，所述激光器设于所述激光器载板上并与所述激光器载板导电连接，所述激光器载板固定于所述硅光芯片上且与所述硅光芯片导电连接。本发明提供的光波导耦合封装结构的封装尺寸较小、封装良率高及结构简单。
Description
技术领域
本发明涉及光通信元件制造技术领域，尤其涉及一种光波导耦合封装结构、安装方法及光模块。
背景技术
目前的光模块器件正在向着体积小，密度高的趋势发展。而硅光芯片因为其体积小、易于集成等优势，在光通信中受到越来越多的重视。但是硅材料本身难以发光，如何将激光器的光耦合到硅光芯片中是封装过程中所需要面临的重要问题。
目前常用的封装形式有光栅耦合器耦合方案、端面耦合方案、透镜耦合方案和混合集成方案。其中，光栅耦合器耦合方案是利用光栅耦合器的特性，即一束光以一定角度入射到芯片上的光栅耦合器后进入波导。该方案的优势为对准精度要求较低，但是在芯片制程上需要采用特殊工艺以提高耦合效率，工艺复杂、成本较高。
而端面耦合方案是光纤或者激光器直接与硅光芯片的端面对准耦合。该方案极大的提高了集成度，但是此方案无法在封装前对激光器进行burn in测试，从而极大的影响了生产良率。
此透镜耦合方案为传统自由空间方案，其耦合效率较高，但组装复杂，且封装后体积较大。而混合集成方案则是将III-V材料贴到硅晶圆上，然后在硅晶圆上完成激光器的制作，该方案工艺非常复杂，制造难度高，从而导致制造成本很高。
而美国专利申请US20170003463A1揭示了一种光子芯片上的激光器，其包括激光器、光学芯片、波导、与波导电连接的光电器件，激光器与光学芯片电连接且与波导耦合对准，此美国专利申请中激光器直接贴在光学芯片上，不便于对激光器进行老化测试，从而使得封装良率较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光波导耦合封装结构、安装方法及光模块，该光波导耦合封装结构的封装尺寸较小、封装良率高及结构简单。
为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式提供一种光波导耦合封装结构，所述光波导耦合封装结构包括激光器、硅光芯片、集成于所述硅光芯片上且与所述激光器的正向发射端对准的第一波导，其中所述光波导耦合封装结构还包括与所述激光器导电连接的激光器载板，所述激光器设于所述激光器载板上并与所述激光器载板导电连接，所述激光器载板固定于所述硅光芯片上且与所述硅光芯片导电连接。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述第一波导与所述激光器对准的端面与第一波导的延长方向成锐角。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述激光器设置于所述硅光芯片的一端，所述第一波导与所述激光器相对准的端面位于所述硅光芯片与所述激光器相对的端面上。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述硅光芯片上设有容置槽，所述激光器至少部分设置在所述容置槽中，所示第一波导与所述激光器相对准的端面位于所述容置槽的槽壁上。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述容置槽为L形或U形。
作为本发明实施方式的进一步改进，其特征在于，所述硅光芯片集成有MZ调制器和/或波长可调谐元件。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述光波导耦合封装结构还包括与所述激光器的背向发射端对准的第二波导。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述激光器载板与激光器之间设有复数个间隔设置的第一凸台，所述第一凸台用于限制所述激光器载板与所述激光器之间的相对位置；或/和所述激光器载板与硅光芯片之间设有复数个间隔设置的第二凸台，所述第二凸台用于限制所述激光器载板与硅光芯片之间的相对位置。
作为本发明实施方式的进一步改进，所述激光器载板和激光器上设有方便所述激光器载板和激光器之间进行组装的第一对准标识；或/和所述激光器载板和硅光芯片上设有方便所述激光器载板和硅光芯片之间进行组装的第二对准标识。
为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式还提供了一种根据以上技术方案所述的光波导耦合封装结构的安装方法，其中所述安装方法包括如下步骤：
将激光器安装于激光器载板上的指定位置；
对激光器进行老化测试；
将安装有激光器的激光器载板放置于硅光芯片上的指定位置，并通过调整激光器载板与硅光芯片之间的距离和激光器载板在硅光芯片上的位置，来使激光器与硅光芯片上的光波导相互耦合；
将调整到位的激光器载板固定在硅光芯片上；
将激光器与硅光芯片实现电性连接。
为实现上述发明目的之一，本发明一实施方式还提供了一种光模块，其中所述光模块包括以上任一项技术方案所述的光波导耦合封装结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提供的技术方案，激光器设于激光器载板上且与激光器载板电连接，而激光器载板设于硅光芯片且与硅光芯片电连接，从而使得激光器通过激光器载板与硅光芯片上的第一波导对准。另外，通常激光器较小，当进行老化测试时不好操作激光器。而本发明采用将激光器设于激光器载板上，将激光器和激光器载板作为一个整体，体积较大，进行老化测试时，非常容易操作，从而大大提高封装良率。而且该光波导耦合封装结构的封装尺寸较小及结构简单。
附图说明
图1是本发明第一实施方式中光波导耦合封装结构的示意图；
图2是本发明第一实施方式中光波导耦合封装结构中激光器载板的主视图；
图3是本发明第一实施方式中光波导耦合封装结构中激光器载板的后视图；
图4是本发明第二实施方式中光波导耦合封装结构的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。
在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。
另外，本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向（旋转90度或其他朝向），并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。
再者，应当理解的是尽管术语第一、第二等在本文中可以被用于描述各种元件或结构，但是这些被描述对象不应受到上述术语的限制。上述术语仅用于将这些描述对象彼此区分开。例如，第一波导可以被称作第二波导，同样，第二波导也可以被称作第一波导，这并不背离该申请的保护范围。
本发明提供的实施例公开了一种光模块，光模块包括光波导耦合封装结构，如图1所示，光波导耦合封装结构包括激光器10、硅光芯片12、第一波导14和第一光电器件16。其中第一波导14集成于硅光芯片12上且与激光器10的正向发射端对准，第一波导14与第一光电器件16光信号连接。并且，由于此处并不涉及对光模块其它部分结构或功能的改进，故在此对光模块的其它部分及结构也不再赘述。
光波导耦合封装结构还包括与激光器10导电连接的激光器载板18，具体的，激光器10设于激光器载板18上，且激光器10位于激光器载板18和硅光芯片12之间。另外，激光器载板18固定于硅光芯片12上且与硅光芯片12导电连接。本实施例中，激光器载板的材质为硅或陶瓷。当然，激光器载板也可采用其它材质。
本实施例中，激光器10设于激光器载板18上且与激光器载板18电连接，而激光器载板18固定于硅光芯片12且与硅光芯片12电连接，从而使得激光器10通过激光器载板18与硅光芯片12上的第一波导14对准。再者，将激光器10设于激光器载板18上，也便于激光器10的散热。另外，通常激光器10较小，当进行老化测试时不好操作激光器10。而本发明采用将激光器10设于激光器载板18上，进行老化测试时，将激光器10和激光器载板18作为一个整体，体积较大，非常容易操作，因此将激光器10设于激光器载板18上非常容易进行老化测试，从而大大提高封装良率。而且该光波导耦合封装结构的封装尺寸较小及结构简单。
进一步参照图1、图2和图3的，激光器载板18具有面对激光器10的第一表面20和与第一表面20相背对的第二表面22，第一表面20上设有与激光器10电连接的第一电路层23，第二表面22上设有与硅光芯片12电连接的第二电路层25。具体的，第一电路层23包括正负电极，第二电路层25也包括正负电极。第一电路层23与第二电路层25电性连接。具体的，激光器载板18上设有自第一表面20延伸至第二表面22的通孔（未图示），第一电路层23和第二电路层25通过通孔中的导电金属电性连接。另外，第一电路层23与激光器10通过焊接电性连接，具体的，通过共晶焊实现电性连接。当然，也可以是激光器10与第一电路层23焊接实现电性连接，然后第一电路层23与硅光芯片12相互焊接实现电性连接。
激光器10上设有正负电极，正负电极设于同一表面上。为方便连接，正负电极设于激光器10面对激光器载板18的上表面28上。本实施例中，激光器10与激光器载板18之间采用焊接的连接方式，具体的，激光器10与激光器载板18之间设有焊料30，焊料30不但将激光器10与激光器载板18固定在一起，也同时实现激光器10的正负电极和激光器载板18上的第一电路层之间的连接，从而使激光器10与激光器载板18电连接。当然，激光器10也可胶粘于激光器载板18上。
再者，硅光芯片12上还集成有MZ调制器（未图示）和/或波长可调谐元件（未图示）。
另外，激光器载板18胶粘固定于硅光芯片12。当然，也可采用焊接等其它连接方式将激光器载板18固定于硅光芯片12。硅光芯片12上也设有正负电极，优选的，正负电极设有同一平面，且设于硅光芯片12面对激光器载板18的上表面上。硅光芯片12凸出激光器载板18，正负电极至少部分位于硅光芯片12凸出激光器载板18的部分表面上。本实施例中，硅光芯片12凸出激光器载板18设置，使得硅光芯片12和激光器载板18之间的连接具有连接位置，方便进行硅光芯片12和激光器载板18之间的连接。详细的，激光器载板18与硅光芯片12之间可通过打金线导电连接。当然，激光器载板18与硅光芯片12之间也可通过导电胶导电连接。具体的，激光器载板18的侧表面32进行处理，漏出金属结构，然后在侧表面32与硅光芯片12的正负电极之间点导电胶，从而实现激光器载板18的第二电路层25与硅光芯片12的正负电极之间电连接。
进一步的，激光器载板18与硅光芯片12定义了用于容纳激光器10的容纳腔，且激光器10与硅光芯片12之间具有一定间隙。具体的，硅光芯片12具有容置槽36，激光器10至少部分位于容置槽36中。激光器载板18与硅光芯片12连接在一起，并与硅光芯片12的容置槽36一起构成了容纳腔，激光器10的外围均与硅光芯片12之间具有一定间隙。具体的，容置槽36可以设置成任何形状，如可以是具有两个侧壁的U形槽或者一个侧壁的L形槽，又或者设置成具有四个侧壁的方形槽。
本实施例中，激光器载板18与激光器10之间设有复数个间隔设置的第一凸台38，且激光器载板18与激光器10之间具有一定间隙。具体的，第一凸台38设置为四个，当然，也可以设置其它数量的第一凸台38。激光器10通过焊料30与激光器载板18焊接在一起，焊料30位于复数个第一凸台38所围成的外围空间中。组装时，第一凸台38与激光器10接触，除了第一凸台38与激光器10接触外的激光器10非接触区与激光器载板18间留有间隙，从而可保证不会因焊接的焊料30厚度而影响激光的位置，保证了焊接后高度方向的精度。本实施例中，第一凸台38与激光器载板18为一体成型结构，当然，也可以采用分体设置。
激光器载板18的第一表面20上设有导光槽39，导光槽39使得激光器10发射出的部分余光不被激光器载板18干涉，能从导光槽39发射出来。本优选实施例中，导光槽39在第一表面20的上的投影为类似于T型，当然，也可以设置为其它形状。另外，也可以不设置导光槽39。
进一步的，激光器载板18与硅光芯片12之间设有复数个间隔设置的第二凸台40，且激光器载板18与硅光芯片12之间具有一定间隙。具体的，第二凸台40设置为四个，当然，也可以设置其它数量的第二凸台40。其第二凸台40进一步保证了激光器10和激光器载板18组装后的组件相对于硅光芯片12的位置，确保激光器10与第一波导14对准。第二凸台40与激光器载板18和硅光芯片12接触，除了第二凸台40与激光器载板18和硅光芯片12的接触区域外，非接触区域处，激光器载板18与硅光芯片12间留有间隙，从而通过第二凸台40的高度控制实现第一波导14与激光器10对准。本实施例中，第二凸台40与激光器载板18为一体成型结构，当然，也可以采用分体设置。
激光器载板18和激光器10上设有第一对准标识（未图示），以用于指示激光器载板18和激光器10之间的安装。本实施例中，竖直方向上，激光器10设于激光器载板18上，第一对准标识用于指示激光器10和激光器载板18在水平方向上的安装。
激光器载板18和硅光芯片12上设有第二对准标识（未图示），以用于指示激光器载板18和硅光芯片12之间的安装。本实施例中，竖直方向上，激光器载板18设于硅光芯片12上，第二对准标识用于指示激光器载板18和硅光芯片12在水平方向上的安装。
为便于耦合，激光器10集成有第一模斑转换器。另外，第一波导14也集成有便于耦合的第二模斑转换器。
第一波导14与激光器10对准的端面46经过防反射处理，从而实现高效的无源耦合。优选的，第一波导14与激光器10对准的端面46设有抗反射膜。另外，第一波导14也可以设置成斜波导，也就是，第一波导14与激光器10对准的端面46与第一波导14的延长方向所成的夹角a为锐角。具体的，第一波导14与激光器10对准的端面46与第一波导14的延长方向所成的夹角a大致为82度。
进一步的，光波导耦合封装结构还包括与激光器10的另一端对准的第二波导42和与第二波导42光信号连接的第二光电器件44。其中第二波导42也集成于硅光芯片12上。第一波导14与激光器10的正向发光区端对准，第二波导42与激光器10的背向背光区端对准，第二波导42可将光传导到第二光电器件44，对激光器10进行光功率检测。另外，为更加便于耦合，第二波导42也集成有便于耦合的第三模斑转换器。
第二波导42与激光器10对准的端面50也经过防反射处理，从而实现高效的无源耦合。优选的，第二波导42与激光器10对准的端面50设有抗反射膜。另外，第二波导42也可以设置成斜波导，也就是，第二波导42与激光器10对准的端面50与第二波导42的延长方向所成的夹角b为锐角。具体的，第二波导42与激光器10对准的端面50与第二波导42的延长方向所成的夹角b大致为82度。
本发明还公开了一种光波导耦合封装结构的安装方法，包括如下步骤：1. 将激光器10安装于激光器载板18上的指定位置；然后对激光器进行老化测试；2、将安装有激光器10的激光器载板18安装于硅光芯片12上的指定位置，使激光器10置于激光器载板18与硅光芯片12之间，通过限定激光器10与激光器载板18之间的距离和激光器10在激光器载板18上的位置，及激光器载板18与硅光芯片12之间的距离和激光器载板18在硅光芯片12上的位置，来使激光器10的一端与硅光芯片12上的第一波导14相互耦合；同时，激光器10的另一端与硅光芯片12上的第二波导42也相互耦合，接下来将调整到位的激光器载板18固定在硅光芯片12上。另外，安装方法还包括步骤3：将激光器10与硅光芯片12电性连接。
具体的，步骤1中，激光器10抵接于激光器载板18上的第一凸台38上，其水平方向上，激光器10与激光器载板18的相对位置通过第一对准标识实现定位，然后将激光器10焊接或胶粘于激光器载板18上。步骤2中，将激光器10和激光器载板18装配后的组件倒装过来，使激光器10位于硅光芯片12上的容置槽36中。竖直方向上，硅光芯片12与激光器载板18上的第二凸台40相抵接，其水平方向上，激光器载板18与硅光芯片12的相对位置通过第二对准标识实现定位，然后将激光器载板18焊接或胶粘于硅光芯片12上。最后，激光器10位于激光器载板18与硅光芯片12构成的容置腔中，激光器10的一端与第一波导14对准以实现无源耦合；而激光器10的另一端与第二波导42对准以实现无源耦合。
如图4所示，本发明提供的第二实施例，该实施例中激光器52与硅光芯片54的相对位置关系与第一实施例不同，且仅设置一个波导，其它均与第一实施例相同。下面就以不同部分做详细介绍。
激光器52远离硅光芯片54设置，具体的，激光器52设置于硅光芯片54的一端，第一波导56与激光器52相对准的端面58位于硅光芯片54与激光器52相对的端面60上。该实施例中，激光器52仍设置于激光器载板62上并与激光器载板62导电连接，激光器载板62固定于硅光芯片54上。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种光波导耦合封装结构，所述光波导耦合封装结构包括激光器、硅光芯片、集成于所述硅光芯片上且与所述激光器的正向发射端对准的第一波导，其特征在于，
所述光波导耦合封装结构还包括与所述激光器导电连接的激光器载板，所述激光器设于所述激光器载板上并与所述激光器载板导电连接，所述激光器载板固定于所述硅光芯片上且与所述硅光芯片导电连接。
2.根据权利要求1所述的光波导耦合封装结构，其特征在于，所述第一波导与所述激光器对准的端面与第一波导的延长方向成锐角。
3.根据权利要求1所述的光波导耦合封装结构，其特征在于，所述激光器设置于所述硅光芯片的一端，所述第一波导与所述激光器相对准的端面位于所述硅光芯片与所述激光器相对的端面上。
4.根据权利要求1所述的光波导耦合封装结构，其特征在于，所述硅光芯片上设有容置槽，所述激光器至少部分设置在所述容置槽中，所示第一波导与所述激光器相对准的端面位于所述容置槽的槽壁上。
5.根据权利要求1所述的光波导耦合封装结构，其特征在于，所述容置槽为L形或U形。
6.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的光波导耦合封装结构，其特征在于，所述硅光芯片集成有MZ调制器和/或波长可调谐元件。
7.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的光波导耦合封装结构，其特征在于，所述光波导耦合封装结构还包括与所述激光器的背向发射端对准的第二波导。
8.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的光波导耦合封装结构，其特征在于，所述激光器载板与激光器之间设有复数个间隔设置的第一凸台，所述第一凸台用于限制所述激光器载板与所述激光器之间的相对位置；或/和所述激光器载板与硅光芯片之间设有复数个间隔设置的第二凸台，所述第二凸台用于限制所述激光器载板与硅光芯片之间的相对位置。
9.根据权利要求1至5中任一权利要求所述的光波导耦合封装结构，其特征在于，所述激光器载板和激光器上设有方便所述激光器载板和激光器之间进行组装的第一对准标识；或/和所述激光器载板和硅光芯片上设有方便所述激光器载板和硅光芯片之间进行组装的第二对准标识。
10.一种根据权利要求1所述的光波导耦合封装结构的安装方法，其特征在于，所述安装方法包括如下步骤：
将激光器安装于激光器载板上的指定位置；
对激光器进行老化测试；
将安装有激光器的激光器载板放置于硅光芯片上的指定位置，并通过调整激光器载板与硅光芯片之间的距离和激光器载板在硅光芯片上的位置，来使激光器与硅光芯片上的光波导相互耦合；
将调整到位的激光器载板固定在硅光芯片上；
将激光器与硅光芯片实现电性连接。
11.一种光模块，其特征在于，所述光模块包括权利要求1至9中任一项所述的光波导耦合封装结构。
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