CN110955001B - 硅光子芯片光功率测量装置、设备及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅光子芯片光功率测量装置，硅光子芯片光功率测量装置、设备及测量方法，硅光子芯片上设有硅光波导，硅光子芯片光功率测量装置包括光反射部件，其配置于硅光波导出射光的传输路径上，硅光波导的出射光经光反射部件反射产生反射光；光传导部件，其配置于反射光的传输路径上，用于轴向传输反射光至其端部输出；光功率探测器，其用于接收光传导部件端部输出的反射光，并测量反射光的光功率，本发明在不损伤硅光子芯片结构的前提下，精确有效地测量出硅光子芯片的出光功率，实现硅光子芯片晶圆级出光性能测试。
Description
技术领域
本发明涉及硅光子芯片测量技术领域，具体涉及一种硅光子芯片光功率测量装置、设备及测量方法。
背景技术
硅光子芯片是以硅和硅基衬底材料(如SiGe/Si、SOI等)作为光学介质，通过CMOS兼容的集成电路工艺制造相应的光子器件和光电器件(包括硅基激光器、调制器、探测器、光波导等)，并利用这些器件对光子进行发射、传输、检测和处理，将光学器件与电子元件集成到一个独立的芯片中，即硅光子芯片。相比传统的光子技术，硅光子芯片用光取代传统铜线作为信息传导介质，大大提升芯片之间的连接速度，具有更低成本、更高集成、更多嵌入式功能、更高互联密度、更低功耗和更高的可靠性的优点，以实现其在光通信、光互连、光计算等领域中的实际应用，尤其是在5G光纤通信领域。在光纤通信应用中，集成光波导都是通过光纤进行输入、输出耦合连接的，而高密度集成的光波导阵列与光纤的耦合无法采用单根光纤与波导对接的方法来实现，硅光子芯片通过在硅基材料上刻蚀光纤匹配槽的方法把光纤定位，实现其内部高密度集成的光波导阵列与光纤阵列的高精度、低损耗的耦合比如，V-groove(V型槽)。
通常情况下，为了精确测量硅光子芯片的光功率，可以将硅光波导(NX1)的光耦合进光纤阵列(NX1)，然后通过耦合效率来判断硅光子芯片出光功率的大小。但利用光纤耦合实现硅光子芯片光功率测试的方法，具有以下缺点：1、两者耦合需要较高的调节精度，对耦合工艺要求高；2、FA相邻光纤长度有差异，无法精确测量N路硅光波导的光功率；3、为提高耦合效率，需要耦合光纤与波导端面直接接触或者距离很近，容易损伤硅光子芯片波导端面，无法起到筛选芯片的作用；4、需要带尾纤操作，只适用于单个芯片测试，无法实现硅光子芯片wafer级(晶圆级)光功率测试与筛选功能。
另一方面，一个Wafer(晶圆)上可以同时生长成千上万只紧密排列的硅光子芯片，为实现在wafer上测量筛选硅光子芯片，需要实现在wafer上准确测量硅光子芯片的出光性能，同时不能损伤硅光子芯片。但是每只硅光子芯片V-groove的长度只有1mm左右，可操作空间小，无法使用带尾纤的光纤耦合方式测量晶圆中硅光子芯片的出光性能。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种硅光子芯片光功率测量装置、设备及测量方法，在不损伤硅光子芯片结构的前提下，精确有效地测量出硅光子芯片的出光功率，实现硅光子芯片晶圆级出光性能测试。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种硅光子芯片光功率测量装置，所述硅光子芯片上设有硅光波导，所述硅光子芯片光功率测量装置包括，
光反射部件，其配置于所述硅光波导出射光的传输路径上，所述硅光波导的出射光经所述光反射部件反射产生反射光；
光传导部件，其配置于所述反射光的传输路径上，用于轴向传输所述反射光至其端部输出；
光功率探测器，其用于接收所述光传导部件端部输出的反射光，并测量所述反射光的光功率。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述光传导部件配置于所述硅光子芯片的光纤匹配槽内，且沿所述光纤匹配槽延伸方向的垂直方向延伸；所述光传导部件与光纤匹配槽接触的端部加工有反射面，所述反射面形成所述光反射部件；所述硅光波导的出射光进入光传导部件内经由所述反射面反射产生反射光，所述反射光在光传导部件内沿其轴向传输至另一端部输出。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述光传导部件为玻璃棒或者光纤棒。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述反射面与光纤匹配槽所在平面的夹角为45°±2.5°。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述反射面通过反射层作用于所述硅光波导的出射光。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述光传导部件位于其光传输段的外侧面设有所述反射层。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述光传导部件的出光端面和位于其光入射段的外侧面均设有增透层。
本发明一个较佳实施例中，进一步包括所述光传导部件与硅光波导的出光面之间具有安全间隙，所述安全间隙为0～0.15mm。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种晶圆级硅光子芯片光功率测量设备，所述晶圆具有阵列排布的多个硅光子芯片，测量设备包括多组所述硅光子芯片光功率测量装置，所述多组硅光子芯片光功率测量装置一一对应的测量所述多个硅光子芯片的光功率。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种硅光子芯片光功率测量方法，所述硅光子芯片上设有硅光波导，所述测量方法包括，
通过光反射部件将所述硅光波导的出射光反射进入光传导部件；
通过所述光传导部件轴向传输反射光至其端部输出；
通过光功率探测器测量出所述光传导部件端部输出的所述反射光的光功率。
本发明的有益效果：
本发明的硅光子芯片光功率测量装置、设备及测量方法，通过光反射部件将硅光波导的出射光反射进入光传导部件，再通过光传导部件将反射光导出，然后通过光功率探测器接收并测量出导出光的光功率，以此，在不损伤硅光子芯片结构的前提下，精确有效地测量出硅光子芯片的出光功率，实现硅光子芯片晶圆级出光性能测试。
附图说明
图1是硅光子芯片的基础结构图；
图2是本发明的优选实施例中硅光子芯片光功率测量装置的结构示意图；
图3是图2所示硅光子芯片光功率测量装置中光传输示意图。
图中标号说明：
1-硅光芯片，11-硅光波导，13-光纤匹配槽；
2-光反射部件，4-光传导部件，6-光功率探测器，8-反射层，10-增透层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
实施例
参照图1所示，硅光子芯片1的基础结构包括激光器、硅光波导11和光纤匹配槽13，激光器用于产生光信号，硅光波导11用于传输光信号，光纤匹配槽13用于容置光纤，通常设计为V型槽(V-groove)，晶圆上各个硅光子芯片的光纤匹配槽的长度在1mm左右，光纤被限位在光纤匹配槽内，确保硅光波导11与光纤的同心性，提高硅光波导与光纤的耦合效率。参照图1所示，硅光波导端面的出射光在水平方向传输(如图1坐标轴的Z轴方向)，V型槽沿Z轴方向延伸，其尺寸匹配光纤包层尺寸，光纤被限位在V形槽内。
考虑到光纤匹配槽13的长度只有1mm左右，操作空间有限，通过硅光波导的光耦合进光纤，通过耦合效率来判断硅光子芯片出光功率的测量方式存在诸多弊端；同时，也因为操作空间有限，无法使用带尾纤的光纤耦合方式测量晶圆中硅光子芯片的出光性能。为了解决该技术问题，本实施例公开一种硅光子芯片光功率测量装置。
参照图2～3所示，硅光子芯片光功率测量装置包括光反射部件2、光传导部件4和光功率探测器6。上述光反射部件2配置于上述硅光波导出射光的传输路径上，上述硅光波导11的出射光经上述光反射部件2反射产生反射光；上述光传导部件4配置于上述反射光的传输路径上，用于轴向传输上述反射光至其端部输出；上述光功率探测器6用于接收上述光传导部件端部输出的反射光，并测量上述反射光的光功率。通过光反射部件2将硅光波导11的出射光反射进入光传导部件4，再通过光传导部件4将反射光导出，然后通过光功率探测器6接收并测量出导出光的光功率，该导出光的光功率可以用于表征硅光子芯片的出光功率，评估其出光性能。光反射部件2反射硅光波导11的出射光，将沿图1所示Z轴方向传输的出射光转换成沿Y轴方向传输的反射光，晶圆沿Y轴方向没有操作空间的限制，实现在不损伤硅光子芯片结构的前提下，精确有效地测量出硅光子芯片的出光功率，实现硅光子芯片晶圆级出光性能测试。
本实施例的第一种技术方案中，上述光反射部件2和光传导部件4为彼此独立设置的两个部件。
本实施例的第二种技术方案中，上述光反射部件2和光传导部件4一体设置，本技术方案中，上述光传导部件4优选使用光纤棒或者玻璃棒，其具有柱形面结构，能够起到减小光源发散角的作用。玻璃棒配置于光纤匹配槽13内，且沿上述光纤匹配槽13延伸方向的垂直方向延伸(图1所示坐标轴的Y轴方向延伸)；上述玻璃棒与光纤匹配槽13接触的端部加工有反射面，该反射面与光纤匹配槽13所在平面的夹角为45°±2.5°，上述反射面形成上述光反射部件2，其通过反射层8作用于上述硅光波导11的出射光；上述硅光波导11的出射光进入玻璃棒内经由上述反射面反射产生反射光，上述反射光在玻璃棒内基于全反射原理沿其轴向传输至另一端部输出。
使用玻璃棒制作上述光传导部件4时，在玻璃棒的一个端部加工出与光纤匹配槽13所在平面呈45°±2.5°的平面，通过涂层工艺或镀层工艺在该平面上加工反射层，(反射涂层或反射镀层)。本实施例技术方案中，通过控制加工反射层的工艺参数使得反射层的反射率大于98％，实现将沿Z轴方向传输的出射光全部反射到玻璃棒轴向方向上传输。
使用玻璃棒制作上述光传导部件4时，玻璃棒的一端通过结构件连接光功率探测器6，其另一个伸入光纤匹配槽13内；玻璃棒接触光纤匹配槽13的端部与硅光波导11的出光面之间具有安全间隙，上述安全间隙为0～0.15mm，通过安全间隙确保玻璃棒不会损伤硅光波导端面。
参照图3所示，上述光传导部件4位于其光传输段的外侧面设有上述反射层8，基于全反射原理确保反射光在玻璃棒中低损耗传输，实现经反射面反射的出射光全部导出。
进一步的，参照图3所示，上述光传导部件4的出光端面和位于其光入射段的外侧面均设有增透层10，并控制增透层10的透射率大于98％，通过增透层10减小端面反射损耗。
以上结构设计的硅光子芯片光功率测量装置不仅适用于单个硅光子芯片的光功率测量，还适用于晶圆中阵列排布的多个硅光子芯片的光功率测量。
以上结构设计的硅光子芯片光功率测量装置，制作简单、测量光功率的工艺要求较低，易于实现批量测试。
以上结构设计的硅光子芯片光功率测量装置应用于晶圆中阵列排布的多个硅光子芯片光功率测量时，包括多组硅光子芯片光功率测量装置，上述多组硅光子芯片光功率测量装置一一对应的测量上述多个硅光子芯片的光功率。
以上结构设计的硅光子芯片光功率测量装置应用于晶圆中阵列排布的多个硅光子芯片光功率测量时，对于N路硅光波导，实际操作过程中，相邻光传导部件在Y轴方向位置偏差0～20um、光传导部件中心轴与Y轴夹角在5±5°、光传导部件绕Z轴旋转0～30°、相邻光纤棒在X/Y轴方向位置偏差0～40um的情况下，接收到的波导光功率不变，即可保证接收到的任一路硅波导的光功率大小不变，具有容差大技术优势。
本实施例的其它技术方案中，还公开一种硅光子芯片光功率测量方法，上述硅光子芯片上设有硅光波导，上述测量方法包括，
通过光反射部件将上述硅光波导的出射光反射进入光传导部件；
通过上述光传导部件轴向传输反射光至其端部输出；
通过光功率探测器测量出上述光传导部件端部输出的上述反射光的光功率，该导出光的光功率即为硅光子芯片的光功率。光反射部件反射硅光波导的出射光，将沿图1所示Z轴方向传输的出射光转换成沿Y轴方向传输的反射光，晶圆沿Y轴方向没有操作空间的限制，实现在不损伤硅光子芯片结构的前提下，精确有效地测量出硅光子芯片的出光功率，实现硅光子芯片晶圆级出光性能测试。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (8)
1.一种硅光子芯片光功率测量装置，所述硅光子芯片上设有硅光波导，其特征在于：所述硅光子芯片光功率测量装置包括，
光反射部件，其配置于所述硅光波导出射光的传输路径上，所述硅光波导的出射光经所述光反射部件反射产生反射光；
光传导部件，其配置于所述反射光的传输路径上，用于轴向传输所述反射光至其端部输出；
光功率探测器，其用于接收所述光传导部件端部输出的反射光，并测量所述反射光的光功率；
所述光传导部件配置于所述硅光子芯片的光纤匹配槽内，且沿所述光纤匹配槽延伸方向的垂直方向延伸；所述光传导部件与光纤匹配槽接触的端部加工有反射面，所述反射面形成所述光反射部件；所述硅光波导的出射光进入光传导部件内经由所述反射面反射产生反射光，所述反射光在光传导部件内沿其轴向传输至另一端部输出。
2.如权利要求1所述的硅光子芯片光功率测量装置，其特征在于：所述光传导部件为玻璃棒或者光纤棒。
3.如权利要求1所述的硅光子芯片光功率测量装置，其特征在于：所述反射面与光纤匹配槽所在平面的夹角为45°±2.5°。
4.如权利要求1所述的硅光子芯片光功率测量装置，其特征在于：所述反射面通过反射层作用于所述硅光波导的出射光。
5.如权利要求4所述的硅光子芯片光功率测量装置，其特征在于：所述光传导部件位于其光传输段的外侧面设有所述反射层。
6.如权利要求1所述的硅光子芯片光功率测量装置，其特征在于：所述光传导部件的出光端面和位于其光入射段的外侧面均设有增透层。
7.如权利要求1所述的硅光子芯片光功率测量装置，其特征在于：所述光传导部件与硅光波导的出光面之间具有安全间隙，所述安全间隙为0～0.15mm。
8.一种晶圆级硅光子芯片光功率测量设备，所述晶圆具有阵列排布的多个硅光子芯片，其特征在于：其包括多组如权利要求1-7任一项所述的硅光子芯片光功率测量装置，所述多组硅光子芯片光功率测量装置一一对应的测量所述多个硅光子芯片的光功率。
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