CN112748504A - 硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法 - Google Patents

硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及半导体技术领域，提供一种硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法，包括步骤：分别加工制备硅光芯片和平面光波导芯片；在制备的硅光芯片和平面光波导芯片的耦合区的SiO2包覆层上进行刻蚀，使芯片内部的波导结构裸露出来，同时，刻蚀过程中在硅光芯片和平面光波导芯片的波导结构上方的SiO2包覆层区域分别加工出具有互补形状的对准导向结构；将平面光波导芯片上的对准导向结构与硅光芯片上的对准导向结构进行相贴装耦合并固定，实现硅光芯片和平面光波导芯片的倏逝波耦合。具有对准容差大、可靠性高以及易于实现自动化量产的特点。

Description

硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法。
背景技术
随着云计算、移动互联网、数据中心等的大力建设，全球市场对带宽和宽带网络具有迫切和直接的需求。目前光通信网络正向着集成化、低功耗、智能化和大容量的方向发展，高速光芯片中硅光技术具有低成本、高集成度、大带宽等优点，能够满足不断增长的数据业务、网络资源等的要求，是全球各大厂商积极布局和研发的主要技术之一。然而由于硅光芯片的模斑尺寸较小，与单模光纤2耦合面临着耦合插损大、对准精度要求高等问题，是限制硅光技术产业化发展的主要瓶颈之一。
为了解决这一问题，各类新型的耦合技术也逐渐被研究和开发，包括硅波导模斑转换装置、硅基微透镜、模斑转换芯片等等。其中模斑转换芯片是一种模斑过渡技术，可以将较小模斑尺寸的硅波导与较大模斑尺寸的单模光纤2进行过渡连接，以实现减少耦合损耗的目的。其加工工艺一般是基于平面光波导芯片（Planar Lightwave Circuit，简称PLC）技术开发而来，具有刻蚀精度高、误差小的优点，尤其适用于多通道的硅光芯片的耦合，如数据中心400G、800G甚至未来1.6T板载光引擎等应用。同时，由于PLC技术在各类光无源器件中被广泛使用，比如波分复用器、分光器等等，因此可以根据需要将各类无源器件集成于PLC芯片与硅光芯片进行耦合封装，而整体系统的尺寸和成本基本保持不变。
如图1所示一种基于模斑转换芯片的多通道硅光引擎的耦合方式示意图，其中包括多芯光纤连接器（Multi Push On，简称MPO 1），单模光纤2，平面光波导芯片3，硅光芯片4。平面光波导芯片用于实现模板转换。由于硅波导模斑尺寸（~2μm直径）与单模光纤模斑尺寸（~9μm直径）差距较大，需要分别在硅波导和平面光波导芯片（即PLC芯片）波导设计模斑转换过渡结构，包括硅波导43和SiO2波导31。在现有方案中，硅光芯片与PLC芯片是采用水平方向直接对准的方式实现耦合，其中PLC芯片内部的波导尺寸渐变设计，在与单模光纤耦合部分的模斑尺寸约9μm，在与硅光芯片耦合处模斑尺寸在4~6μm之间。其中耦合的方式采用有源耦合来实现，即先将单模光纤与PLC耦合后，在光波导入射端口处射入光源，在出射端口处放置光功率检测设备。当PLC芯片与硅光芯片对准后，功率检测设备探测的功率最大，至此完成对准耦合。这种方式的缺点主要有以下两点：
（1）耦合容差小：需要高精度对准设备，且反复在XYZ三个方向上对准，对于自动化耦合设别的要求极高，进一步的会导致整体成本提升；
（2）可靠性不高：当固定用的光路胶或者其他元件由于机械、温度等变化导致形变后，各通道损耗也随即发生较大的变化，导致产品失效。
因此，找到一种低成本、晶圆级的耦合方式已经成为目前硅光芯片/器件/产品等制造供应商的当务之急。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提出了一种高效率、低成本的硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法，采用一种创新的耦合方法使硅光芯片与PLC耦合，具有低插损、效率高、耦合对准容差大等优点，适合晶圆级制备，在成本和可靠性方面具有较大的优势。
本发明解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法，包括以下步骤：
S1：分别加工制备硅光芯片和平面光波导芯片；
S2：在步骤S1制备的硅光芯片和平面光波导芯片的耦合区的SiO2包覆层上进行刻蚀，使芯片内部的波导结构裸露出来，同时，刻蚀过程中在硅光芯片和平面光波导芯片的波导结构上方的SiO2包覆层区域分别加工出具有互补形状的对准导向结构；
S3：将平面光波导芯片上的对准导向结构与硅光芯片上的对准导向结构进行相贴装耦合并固定，实现硅光芯片和平面光波导芯片的倏逝波耦合。
由于芯片SiO2包覆层的厚度不同，比较薄的情况下可以直接进行刻蚀，使满足倏逝波耦合以及对准的要求，在比较厚的情况下，就需要先进行减薄处理，因此，步骤S2中还包括减薄过程，具体为：
在步骤S1制备的硅光芯片和平面光波导芯片的耦合区的SiO2包覆层上进行研磨或刻蚀，整体减薄SiO2包覆层厚度，使SiO2包覆层的预留厚度能够满足倏逝波耦合的条件；然后在预留的SiO2包覆层上继续刻蚀，使芯片内部的波导结构裸露出来，同时，刻蚀过程中在硅光芯片和平面光波导芯片的波导结构上方的SiO2包覆层区域分别加工出具有互补形状的对准导向结构。
作为优选，步骤S2中硅光芯片耦合区的SiO2包覆层采用SiO2腐蚀液体或SiO2腐蚀气体剥离波导结构。通过该刻蚀方式，SiO2包覆层厚度减少或者剥离，以满足倏逝波耦合的条件。
作为优选，步骤S2中平面光波导芯片的SiO2包覆层通过控制深刻蚀时间完成剥离，且在平面光波导芯片的波导结构上面预留小于2μm的SiO2包覆层。
互补的对准导向结构有多种实现方式，能够以互补的连接方式同时实现同一平面上的四个方向的定位结构均可以考虑，此处不进行一一列举，本发明中，所述对准导向结构的一种实现方式为包括设置在硅光芯片的SiO2包覆层上的对准导向条，以及设置在平面光波导芯片的SiO2包覆层上且与硅光芯片上对准导向条匹配的对准导向槽，对准时，所述对准导向条嵌入对准导向槽内。
所述对准导向结构的另一种实现方式为包括设置在硅光芯片的SiO2包覆层上的对准导向槽，以及设置在平面光波导芯片的SiO2包覆层上且与硅光芯片上对准导向槽匹配的对准导向条，对准时，所述对准导向条嵌入对准导向槽内。
进一步，步骤S3中所述的贴装耦合并固定具体方式为：将对准导向条嵌入对准导向槽内进行贴装耦合，并在硅光芯片和平面光波导芯片的对准导向结构之间的空隙内填入光路胶水或者进行氧化加工，使两颗芯片固定。
进一步，所述对准导向条的截面尺寸小于对准导向槽的截面尺寸。能够留有一定空隙填充足够的光路胶水，在实现牢固粘结固定的同时又避免光路胶水溢出。
进一步，所述平面光波导芯片中可以无源光器件结构，无源光器件包括但不限于集成MUX和/或DMUX等。
作为优选，所述平面光波导芯片中波导结构材料包括但不限于采用SiO2、SiN、SiON等半导体化合物材料或者PMMA（俗称有机玻璃）等有机聚合物波导材料。
本发明的有益效果是
（1）对准容差大：采用倏逝波耦合的方式，由于平面光波导芯片的SiO2波导的尺寸大于硅波导尺寸，在有对准导向槽的情况下，硅波导可以比较容易的置于PLC波导中心区域，其对准容差相比于直接对准方案较大。
（2）可靠性高：在耦合区域，平面光波导芯片直接压在硅光芯片上表面，通过光路胶或者其他方式固定，整体机械结构比较牢固。相比于直接对准，本发明方案的接触面积大，结构牢固，对应力和温度不敏感，可靠性较高。
（3）易于实现自动化量产：可以通过对准定位槽实现无源的耦合方式：目前直接对准的方案很难实现高精度的与硅光芯片无源对准需求。一般是通过在外部输入参考光源，通过在输出端口的光功率变化来判断耦合是否到达最优值。本发明专利是采用倏逝波耦合的方式实现对准耦合，通过设置定位导向槽，可以实现无源的高精度对准，在自动化量产方面具有很大的优势。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是现有技术中硅光芯片与平面光波导芯片耦合方式示意图。
图2是平面光波导芯片层级结构示意图。
图3是硅光芯片层级结构示意图。
图4是本发明耦合方法的流程示意图（侧面视图）。
图5是本发明耦合方法的流程示意图（剖面视图）。
图6是应用实例一的结构示意图。
图7是应用实例二的结构示意图。
图中：1、MPO，2、单模光纤，3、平面光波导芯片，31、SiO2波导，32、SiO2包覆层，33、SiO2衬底，34、对准导向条，35、MUX，36、DMUX，4、硅光芯片，41、耦合区，42、功能区，43、硅波导，44、SiO2包覆层，45、SiO2衬底，46、对准导向槽，5、光路胶水。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图2所示，平面光波导芯片3的结构包括SiO2包覆层32、SiO2波导31和SiO2衬底33，所述SiO2波导31的折射率通过掺杂杂质的方式使其略高于SiO2衬底33和SiO2包覆层32，从而形成可以限制光场的结构，从而实现光波导的功能。SiO2光波导结构是夹在SiO2衬底33和SiO2包覆层32之间。其无源器件是通过特殊的波导结构和组合来实现，在此不详细阐述。
如图3所示，硅光芯片4一般包括耦合区41和功能区42，其中，硅光芯片4的耦合区41的波导传输部分包括硅波导43、SiO2包覆层44和SiO2衬底45，所述硅波导43为多个，间隔设置在SiO2衬底45上，所述SiO2包覆层44包覆在硅波导43的上侧。值得指出的是，这里仅是硅光芯片4中波导传输部分，由于硅光芯片4中的其他结构与本发明专利相关性不大，因此未包括其他的有源器件、电路、电极等结构的详细说明。
如图4和图5所示，本发明的一种硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法，包括以下步骤：
S1：按照现有工艺步骤分别加工制备硅光芯片4和平面光波导芯片3。例如：硅光芯片4一般采用CMOS兼容的加工工艺，通过波导蚀刻、掺杂、SiO2包覆层生长、金属蒸镀等芯片加工工艺实现。而平面光波导芯片3加工工艺相对简单，主要是波导结构蚀刻、掺杂、SiO2包覆层生长等加工工艺。
由于倏逝波耦合的实现条件需要拟耦合的两种波导间隔很近，因此需要将两颗芯片的SiO2包覆层进行减薄处理，之后通过倒贴的方式实现两颗芯片波导结构的结合。具体过程如步骤S2。
S2：在步骤S1制备的硅光芯片4的耦合区41的SiO2包覆层44上以及平面光波导芯片3的SiO2包覆层32上进行刻蚀，使芯片内部的波导结构裸露出来，同时，刻蚀过程中在硅光芯片4的波导结构上方的SiO2包覆层44以及平面光波导芯片3的波导结构上方的SiO2包覆层32区域分别加工出具有互补形状的对准导向结构；
由于不同芯片SiO2包覆层的厚度不同，比较薄的情况下可以直接进行刻蚀，使满足倏逝波耦合以及对准的要求，在比较厚的情况下，就需要先进行减薄处理，因此，步骤S2中还包括减薄过程，具体为：
在步骤S1制备的硅光芯片4的SiO2包覆层44和平面光波导芯片3的SiO2包覆层32上进行研磨或刻蚀，整体减薄硅光芯片4的SiO2包覆层44和平面光波导芯片3的SiO2包覆层32厚度，使硅光芯片4的SiO2包覆层44和平面光波导芯片3的SiO2包覆层32的预留厚度能够满足倏逝波耦合的条件；然后在预留的硅光芯片4的SiO2包覆层44和平面光波导芯片3的SiO2包覆层32上继续刻蚀，使芯片内部的波导结构裸露出来，同时，刻蚀过程中在硅光芯片4的波导结构上方的SiO2包覆层44和平面光波导芯片3的波导结构上方的SiO2包覆层32区域分别加工出具有互补形状的对准导向结构。
硅光芯片4由于波导结构为硅，对SiO2腐蚀液体或SiO2腐蚀气体不敏感，因此作为优选，步骤S2中硅光芯片4的SiO2包覆层44采用SiO2腐蚀液体或SiO2腐蚀气体完全剥离波导结构。
而平面光波导芯片3由于波导材料与包层材料几乎相同，很难将实现SiO2包覆层32的完全剥离，因此作为优选，步骤S2中平面光波导芯片3的SiO2包覆层32通过控制深刻蚀时间完成剥离，且在平面光波导芯片3的波导结构上面预留小于2μm的SiO2包覆层32。
互补的对准导向结构有多种实现方式，能够以互补的连接方式同时实现同一平面上的四个方向的定位结构均可以考虑，形状不受限制，此处不进行一一列举，本实施例中，所述对准导向结构包括设置在硅光芯片4的SiO2包覆层44上的对准导向槽46，以及设置在平面光波导芯片3的SiO2包覆层32上且与硅光芯片4上对准导向槽46匹配的对准导向条34，对准时，所述对准导向条34嵌入对准导向槽46内。对准导向槽46和对准导向条34的位置可以互换，可以单一设置，也可以混合设置。一般来说，采用目前的光刻工艺，刻蚀对准导向结构加工误差可以控制到小于1μm左右。进一步，所述对准导向条34的截面尺寸小于对准导向槽46的截面尺寸。能够留有一定空隙填充足够的光路胶水5，在实现牢固粘结固定的同时又避免光路胶水5溢出。
S3：将平面光波导芯片3上的对准导向结构与硅光芯片4上的对准导向结构进行相贴装耦合并固定，实现硅光芯片4和平面光波导芯片3的倏逝波耦合。其中，贴装耦合并固定具体方式为：将对准导向条34嵌入对准导向槽46内进行贴装耦合，并在硅光芯片4和平面光波导芯片3的对准导向结构之间的空隙内填入光路胶水5或者进行氧化加工，使两颗芯片固定。
采用上述耦合方式的应用实例如下：
应用实例一：多通道硅光芯片4
如图6所示，在多通道硅光芯片4耦合应用中，如PSM4和PSM8等，可以利用平面光波导芯片3实现多通道的波导耦合。相比于传统的用单模光纤2阵列进行耦合的方案，由于平面光波导芯片3采用的是光刻工艺制备，具有较小的工艺误差，各通道间耦合差异不大。
应用实例二：集成MUX 35和DMUX 36的平面光波导芯片3与硅光芯片4耦合
如图7所示，在WDM传输光模块系统应用中，因为传统的合、分波器（MUX 35、DMUX36）是采用PLC技术制备，可以将MUX 35和DMUX 36器件集成在平面光波导芯片3中，一端与单模光纤2耦合，另外一端采用本发明的方法实现平面光波导芯片3的SiO2波导31与硅光芯片4的 硅波导43的耦合，从而实现整体系统的无源功能。因此该发明在该场景中具有极大的便利性。相比于目前硅光内部集成MUX 35和DMUX 36器件的方案，本实例中在WDM场景中利用平面光波导芯片3进行硅光耦合相比于传统的单模光纤2直接耦合的优势在于：
（1）PLC无源器件技术比较成熟，在平面光波导芯片3中集成无源器件不会对整体尺寸造成太大的影响；
（2）硅光无源器件目前来看还存在温度漂移、损耗大等问题，而且工艺也暂不成熟，在硅光芯片4内部集成太多的功能器件会对硅光芯片4的良率造成影响，在成本上不具有优势。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：分别加工制备硅光芯片和平面光波导芯片；
S2：在步骤S1制备的硅光芯片和平面光波导芯片的耦合区的SiO2包覆层上进行刻蚀，使芯片内部的波导结构裸露出来，同时，刻蚀过程中在硅光芯片和平面光波导芯片的波导结构上方的SiO2包覆层区域分别加工出具有互补形状的对准导向结构；
S3：将平面光波导芯片上的对准导向结构与硅光芯片上的对准导向结构进行相互贴装耦合并固定，实现硅光芯片和平面光波导芯片的倏逝波耦合。
2.如权利要求1所述的硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法，其特征在于：步骤S2中还包括减薄过程，具体为：
在步骤S1制备的硅光芯片和平面光波导芯片的耦合区的SiO2包覆层上进行研磨或刻蚀整体减薄SiO2包覆层厚度，使SiO2包覆层的预留厚度能够满足倏逝波耦合的条件；然后在预留的SiO2包覆层上继续刻蚀，使芯片内部的波导结构裸露出来，同时，刻蚀过程中在硅光芯片和平面光波导芯片的波导结构上方的SiO2包覆层区域分别加工出具有互补形状的对准导向结构。
3.如权利要求1所述的硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法，其特征在于：步骤S2中硅光芯片耦合区的SiO2包覆层采用SiO2腐蚀液体或SiO2腐蚀气体剥离波导结构。
4.如权利要求1所述的硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法，其特征在于：步骤S2中平面光波导芯片的SiO2包覆层通过控制深刻蚀时间完成剥离，且在平面光波导芯片的波导结构上面预留小于2μm的SiO2包覆层。
5.如权利要求1所述的硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法，其特征在于：所述对准导向结构包括设置在硅光芯片的SiO2包覆层上的对准导向条，以及设置在平面光波导芯片的SiO2包覆层上且与硅光芯片上对准导向条匹配的对准导向槽，对准时，所述对准导向条嵌入对准导向槽内；
或者所述对准导向结构包括设置在硅光芯片的SiO2包覆层上的对准导向槽，以及设置在平面光波导芯片的SiO2包覆层上且与硅光芯片上对准导向槽匹配的对准导向条，对准时，所述对准导向条嵌入对准导向槽内。
6.如权利要求5所述的硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法，其特征在于：步骤S3中所述的贴装耦合并固定具体方式为：将对准导向条嵌入对准导向槽内进行贴装耦合，并在硅光芯片和平面光波导芯片的对准导向结构之间的空隙内填入光路胶水或者进行氧化加工，使两颗芯片固定。
7.如权利要求5所述的硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法，其特征在于：所述对准导向条的截面尺寸小于对准导向槽的截面尺寸。
8.如权利要求1所述的硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法，其特征在于：所述平面光波导芯片中能够集成无源光器件结构。
9.如权利要求1所述的硅光芯片与平面光波导芯片耦合的方法，其特征在于：所述平面光波导芯片中波导结构采用半导体化合物材料或者有机聚合物波导材料制成。
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