CN112698448A

CN112698448A - 一种基于棱镜的反射式垂直光耦合结构

Info

Publication number: CN112698448A
Application number: CN201911004291.0A
Authority: CN
Inventors: 李冰; 余朝晃; 严亭
Original assignee: Shanghai Institute Of Transmission Line (cetc No23 Institute); Shanghai Xinji Photon Integration Technology Co ltd
Current assignee: Shanghai Institute Of Transmission Line (cetc No23 Institute); Shanghai Xinji Photon Integration Technology Co ltd; CETC 23 Research Institute
Priority date: 2019-10-22
Filing date: 2019-10-22
Publication date: 2021-04-23

Abstract

本发明公开了一种基于棱镜的反射式垂直光耦合结构，包括：光纤；棱镜，所述光纤耦合连接至所述棱镜的第一面；以及待测光芯片，所述待测光芯片具有槽，所述棱镜的下部插入所述槽中，所述棱镜将来自所述光纤的垂直光信号转换成水平光信号，再从所述槽的侧面耦合至所述待测光芯片。

Description

一种基于棱镜的反射式垂直光耦合结构

技术领域

本发明涉及光子集成领域，具体来说，涉及一种基于棱镜的反射式垂直光耦合结构，该耦合结构可以将垂直于波导表面的光耦合进波导芯片，可以应用于光波导芯片的测试。

背景技术

随着现代社会高速信息化发展的需要，基于集成光学器件的光通信技术蓬勃发展，其中基于绝缘衬底上的硅材料波导制作工艺由于与传统的互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺兼容，在产业化方面具有明显的优势，能实现光电混合集成。在光通讯领域，光信号的传输主要借助于光纤。对于硅基波导而言，由于其本身发光效率无法达到实用要求，同样需要利用光纤从外部将光源引入，因此其中一个关键性问题就是如何实现光纤与波导器件的高效耦合。

另外，在光芯片的研发过程中，为了减少成本、提高效率，在器件的封装前需要对芯片进行测试。为了提高大批量光芯片测试的效率，摒弃手动耦合平台，必须采用有效、可靠的耦合方案，在自动化平台上实现晶圆级的芯片测试。

目前，针对光芯片的耦合方式主要有两种，即光栅耦合和端面耦合。

光栅耦合的主要优势在于可以与劈裂光纤耦合，并且可以实现与芯片表面垂直的光的耦合。以一种可擦除的光栅耦合器为例，其利用锗的离子注入形成光栅耦合器，测试完成后，可用激光退火的方式擦除光栅耦合器。其原理是锗离子的注入导致硅的晶格无序排列，单晶硅变为多晶硅；而退火以后，原子重新有序排列，转变为单晶硅。光栅耦合属于表面光耦合方式，能够将垂直于芯片表面的光耦合入光波导芯片，可以在不切割晶圆的前提下，对晶圆中的各个光芯片单元进行测试，即实现晶圆级测试；但其主要缺点在于其耦合损耗偏大，耦合带宽较小，其典型值分别为4.5dB和50nm。

现有的端面耦合方案通过Taper将光纤与波导进行耦合，优势在于对于和光纤模斑匹配较好的光波导可以实现大带宽、超低损耗的光耦合。但主要不足在于必须对晶圆进行切割、端面抛光，再逐一测试切割后的光芯片单元，无法实现晶圆级的测试，测试效率低。

针对现有的光芯片的耦合方式存在的晶圆级测试耦合损耗偏大，耦合带宽较小；端面耦合又需要对晶圆进行切割，对端面进行抛光，无法实现晶圆级的测试，测试效率低等问题，本发明提出一种基于棱镜的反射式垂直光耦合结构，对于和光纤模场接近的光波导芯片，实现一种兼顾高耦合效率和高测试效率的光耦合方案，至少部分的克服了上述问题。

发明内容

针对现有的光芯片的耦合方式存在的晶圆级测试耦合损耗偏大，耦合带宽较小；端面耦合又需要对晶圆进行切割，对端面进行抛光，无法实现晶圆级的测试，测试效率低等问题，根据本发明的一个实施例，提供一种基于棱镜的反射式垂直光耦合结构，包括：

光纤；

棱镜，所述光纤耦合连接至所述棱镜的第一面；以及

待测光芯片，所述待测光芯片具有槽，所述棱镜的下部插入所述槽中，所述棱镜将来自所述光纤的垂直光信号转换成水平光信号，再从所述槽的侧面耦合至所述待测光芯片。

在本发明的一个实施例中，所述棱镜是底面为直角三角形的柱形，进一步包括：

第一直角面；

第二直角面，所述第二直角面与所述第一直角面相连，所述光纤与所述棱镜的耦合位置位于所述第一直角面，其耦合位置临近所述第二直角面；以及

斜面。

在本发明的一个实施例中，所述第一直角面和或所述第二直角面设置有增透膜。

在本发明的一个实施例中，所述斜面设置有增反膜。

在本发明的一个实施例中，所述直角三角形为等腰直角三角形，所述斜面的法线与所述水平面成45度角。

在本发明的一个实施例中，所述棱镜的材料为光学玻璃或石英玻璃或碱金属卤化物晶体或有机透明材料。

在本发明的一个实施例中，所述待测光芯片进一步包括：

器件层；

设置在所述器件层下面的埋氧层；

设置在所述埋氧层下面的衬底层；以及槽。

在本发明的一个实施例中，所述槽的深度大于所述器件层的厚度。

在本发明的一个实施例中，所述槽为刻蚀形成的凹槽，其宽度大于100微米，从垂直于槽长度方向的截面观察，其截面为正方形或长方形或圆弧形或三角形。

在本发明的一个实施例中，所述光纤为光纤阵列，所述光纤阵排成一条直线耦合在所述棱镜的所述第一直角面靠近所述第二直角面的位置。

本发明提供一种基于棱镜的反射式垂直光耦合结构。采用直角三角形为底的柱形棱镜，优选等腰直角三角形为底的柱形棱镜，在棱镜的两个直角面形成增透膜，在棱镜的斜面形成增反膜；然后将光纤耦合连接至其中一个直角面靠近直角的边缘，这样光纤中的光信号垂直入射进入棱镜后，经过斜面反射后变为水平光信号从另一直角面的下边缘射出；再通过待测光波导芯片的刻蚀槽实现将垂直的入射光耦合进待测光波导芯片中，以硅基波导为例，其耦合损耗仅在1.4dB左右。

附图说明

为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。

图1示出的是根据本发明的一个实施例的一种基于棱镜的反射式垂直光耦合结构100的剖面示意图。

图2示出根据本发明的另一实施例的一种基于棱镜的反射式垂直光耦合结构中待测光芯片130的剖面示意图。

图3示出根据本发明的一个实施例的一种基于棱镜的反射式垂直光耦合结构中光纤阵列在棱镜耦合端面上的分布示意图300。

具体实施方式

在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和/或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。

在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。

需要说明的是，本发明的实施例以特定顺序对工艺步骤进行描述，然而这只是为了方便区分各步骤，而并不是限定各步骤的先后顺序，在本发明的不同实施例中，可根据工艺的调节来调整各步骤的先后顺序。

下面结合图1、图2来详细介绍本发明的一个实施例的一种基于棱镜的反射式垂直光耦合结构。图1示出的是根据本发明的一个实施例的一种基于棱镜的反射式垂直光耦合结构100的剖面示意图；图2示出根据本发明的另一实施例的一种基于棱镜的反射式垂直光耦合结构中待测光芯片130的剖面示意图。如图1所示，该基于棱镜的反射式垂直光耦合结构包括光纤110、棱镜120以及待测光芯片130。

光纤110用于传导和输入测试光信号。在本发明的一个实施例中，光纤110可以为多根光纤构成的光纤阵列。

棱镜120的材料可以是光学玻璃、石英玻璃、碱金属卤化物晶体，但不限于上述材料。棱镜120的结构为以直角三角形为底的柱形结构，进一步包括第一直角面121、第二直角面122、斜面123。棱镜120与光纤110的耦合位置位于棱镜120的第一直角面121，其耦合位置靠近直角边缘，并临近第二直角面122。在本发明的一个实施例中，棱镜120的斜面123镀有增反膜，第一直角面121、第二直角面122镀有增透膜。然后本领域的技术人员应该了解到，只镀其中一个或者两个面或者不镀膜的情况也在本专利保护内。在本发明的又一实施例中，斜面123的法线与水平线的夹角为45度。但在本发明的其他实施例中，斜面123的法线与水平线的夹角也可以为其他角度。

由图1、图2可知，待测光芯片130进一步包括器件层131、埋氧层132、衬底层133以及槽134。在本发明的一个实施例中，器件层131为光芯片的器件区域，例如为光波导区域；埋氧层132通常为氧化硅层，衬底层133为硅衬底，槽134为刻蚀形成的凹槽，从侧面观察，槽134其结构可以是正方形，长方形，圆弧形，三角形。棱镜120的第二直角面122与斜面123形成的夹角插入待测光芯片130的槽134中，从而形成来自光纤110的垂直光信号，经过棱镜120反射成水平光信号，再通过待测光芯片130的槽134进入待测光芯片130中。在本发明的又一实施例中，槽134的宽度大于100微米。基于本发明提供的该种方案，可以实现将垂直的入射光耦合进待测光波导芯片中，以硅基波导为例，其耦合损耗在1.4dB左右。

在本发明的一个具体实施例中，棱镜可以连接多根光纤，并可以为一个或多个待测光芯片进行晶圆级测试。图3示出根据本发明的一个实施例的一种基于棱镜的反射式垂直光耦合结构中光纤阵列在棱镜耦合端面上的分布示意图300。如图3所示，棱镜310可以同时耦合连接多根光纤320-1、320-2……320-N。

基于本发明提供的该种基于棱镜的反射式垂直光耦合结构。采用直角三角形为底的柱形棱镜，优选等腰直角三角形为底的柱形棱镜，在棱镜的两个直角面形成增透膜，在棱镜的斜面形成增反膜；然后将光纤耦合连接至其中一个直角面靠近直角的边缘，这样光纤中的光信号垂直入射进入棱镜后，经过斜面反射后变为水平光信号从另一直角面的下边缘射出；再通过待测光波导芯片的刻蚀槽实现将垂直的入射光耦合进待测光波导芯片中，以硅基波导为例，其耦合损耗仅在1.4dB左右。

尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

Claims

1.一种基于棱镜的反射式垂直光耦合结构，包括：

光纤；

棱镜，所述光纤耦合连接至所述棱镜的第一面；以及

2.如权利要求1所述的基于棱镜的反射式垂直光耦合结构，其特征在于，所述棱镜是底面为直角三角形的柱形，进一步包括：

第一直角面；

斜面。

3.如权利要求2所述的基于棱镜的反射式垂直光耦合结构，其特征在于，所述第一直角面和或所述第二直角面设置有增透膜。

4.如权利要求2所述的基于棱镜的反射式垂直光耦合结构，其特征在于，所述斜面设置有增反膜。

5.如权利要求2所述的基于棱镜的反射式垂直光耦合结构，其特征在于，所述直角三角形为等腰直角三角形，所述斜面的法线与所述水平面成45度角。

6.如权利要求1所述的基于棱镜的反射式垂直光耦合结构，其特征在于，所述棱镜的材料为光学玻璃或石英玻璃或碱金属卤化物晶体或有机透明材料。

7.如权利要求1所述的基于棱镜的反射式垂直光耦合结构，其特征在于，所述待测光芯片进一步包括：

器件层；

设置在所述器件层下面的埋氧层；

设置在所述埋氧层下面的衬底层；以及

槽。

8.如权利要求7所述的基于棱镜的反射式垂直光耦合结构，其特征在于，所述槽的深度大于所述器件层的厚度。

9.如权利要求7所述的基于棱镜的反射式垂直光耦合结构，其特征在于，所述槽为刻蚀形成的凹槽，其宽度大于100微米，从垂直于槽长度方向的截面观察，其截面为正方形或长方形或圆弧形或三角形。

10.如权利要求1所述的基于棱镜的反射式垂直光耦合结构，其特征在于，所述光纤为光纤阵列，所述光纤阵排成一条直线耦合在所述棱镜的所述第一直角面靠近所述第二直角面的位置。