CN113568102A - 一种光纤与光波导耦合的方法、结构和晶圆测试方法 - Google Patents

一种光纤与光波导耦合的方法、结构和晶圆测试方法 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种光纤与光波导耦合的方法、结构和晶圆测试方法，该方法包括：在晶圆的块Block中制作所需要的波导；在波导的一端刻蚀出槽，其中，所述槽用于在于所述波导成第一预定角度的方向上插入光纤；将待插入所述槽的光纤的端面切割为第二预定角度，并在切割面涂上一层抗反射膜；将切割之后的光纤插入到所述槽中，其中，通过所述光纤的光被所述抗反射膜发射后进入所述波导。通过本申请解决了现有技术中的单模光纤和硅光波导之间的耦合方式在光芯片测试中所存在的问题，从而提高了光纤与硅光波导的耦合效率，降低对准精度及容差。

Description

一种光纤与光波导耦合的方法、结构和晶圆测试方法
技术领域
本申请涉及到光芯片领域，具体而言，涉及一种光纤与光波导耦合的方法、结构和晶圆测试方法。
背景技术
光子集成电路最早由美国贝尔实验室的Miller博士于1969年提出，通过先进的光刻技术将激光器、调制器、探测器等有源器件集成在同一衬底上，并将光波导、隔离器、耦合器和滤波器等无源器件连接构成微型光学系统，实现光学信息处理系统的集成化和微小化，降低芯片的制造成本。光通讯发展到今天，光电集成器件种类繁多，其集成化要求将不同功能的分立光元件通过一定的技术集成在同一芯片上，实现更复杂的功能。
爆发式地网络流量增长，给光通讯骨干网络带来了巨大的压力，但是当前基于InP和GaAs半导体材料制成的光芯片成本居高不下，制约了光通信线路对流量爆发的承载，以硅未半导体材料的硅基光电技术应运而生，在过去几十年间得到了极大的发展。以硅为主体的集成电路相比其他光子平台拥有诸多优点，。硅光子工艺能较好的与CMOS工艺兼容，能够利用已经发展几十年的微处理器的生产经验来实现硅光子器件的低成本大规模集成。其次硅光子可以实现三维集成，利用成熟的硅工艺可以在不同层内集成高性能硅光子器件。此外，波长1.1～1.6μm的光在硅基光波导中传播很少衰减，几乎不产生热量，同时又可以轻松获得大的带宽。因此需重点发展硅芯片光学信号传输技术。
单模光纤和硅光波导之间的耦合效率正是硅光集成的关键。而基于SOI波导的尺寸约450nm，而单模光纤纤芯直径大约8～10μm，二者之间存在相当大的模式不匹配。单模光纤与波导直接耦合，大多数光从端面溢出，耦合损耗非常大。光纤与硅光波导常见的耦合方法有两种，图1a和图1b分别为端面耦合和垂直耦合，如图1所示。端面耦合具有耦合效率高、带宽大等优点。光栅耦合则能够实现晶圆级测试，设计灵活，对准容差及精度要求都相对较低。
光芯片测试中如果使用手动耦合平台，测试的结构非常有限，效率又低。如果硅光芯片大规模生产，则必须采用高速、有效、可靠的测试方案。常用的SOI硅光芯片耦合方案分两种，端面耦合和光栅耦合，光栅耦合器比较灵活，可以位于芯片上任一位置，对准精度及容差较大，是晶圆级测试首选。但耦合效率因光栅结构的对称性低于50％。相比而言，虽然端面耦合中光纤、硅光波导端面需后处理，对准精度要求较高，但其可在超大带宽下实现超低耦合损耗和偏振相关损耗。从对准角度看，光栅耦合方式光纤不仅要在水平方向与光栅保持一定的间距，在垂直方向也要保证一定的高度，这就需要设计特殊的夹具来保证垂直耦合的精度，也在高度方向大大增加了器件的尺寸。
发明内容
本申请实施例提供了一种光纤与光波导耦合的方法、结构和晶圆测试方法，以至少解决现有技术中的单模光纤和硅光波导之间的耦合方式在光芯片测试中所存在的问题。
根据本申请的一个方面，提供了一种光纤与光波导耦合的方法，包括：在晶圆的块Block中制作所需要的波导；在波导的一端刻蚀出槽，其中，所述槽用于在于所述波导成第一预定角度的方向上插入光纤；将待插入所述槽的光纤的端面切割为第二预定角度，并在切割面涂上一层抗反射膜；将切割之后的光纤插入到所述槽中，其中，通过所述光纤的光被所述抗反射膜发射后进入所述波导。
进一步地，所述光纤为光纤阵列。
进一步地，将切割之后的所述光纤阵列插入到所述槽中包括：将所述光纤阵列固定在带有V型槽的底板上，其中，每根光纤防止在一个V型槽中；将盖板倒扣到固定有所述光纤阵列的底板上；将被夹持在所述底板和所述盖板中间的所述光纤阵列连同所述底板和所述盖板一起插入到所述槽中。
进一步地，将待插入所述槽的光纤的端面切割成所述第二预定角度包括：将待插入所述槽的光纤的端面切割成42度到45度的角度。
进一步地，所述第二预定角度为42度。
进一步地，将待插入所述槽的光纤的端面切割成所述第二预定角度之后，将所述光纤面向所述波导通道的一端以第三预定角度切割，其中，所述第三预定角度小于10度。
进一步地，所述第三预定角度为6度到7度。
进一步地，所述第一预定角度为90度。
根据本申请的另一个方面，还提供了一种光纤与光波导耦合的结构，所述结构使用上述的方法对所述光纤和所述光波导进行耦合形成。
根据本申请的另一个方面，还提供了一种晶圆测试方法，在形成上述的光纤与光波导耦合的结构之后，对所述晶圆进行测试。
在本申请实施例中，采用了在晶圆的块Block中制作所需要的波导；在波导的一端刻蚀出槽，其中，所述槽用于在于所述波导成第一预定角度的方向上插入光纤；将待插入所述槽的光纤的端面切割为第二预定角度，并在切割面涂上一层抗反射膜；将切割之后的光纤插入到所述槽中，其中，通过所述光纤的光被所述抗反射膜发射后进入所述波导。通过本申请解决了现有技术中的单模光纤和硅光波导之间的耦合方式在光芯片测试中所存在的问题，从而提高了光纤与硅光波导的耦合效率，降低对准精度及容差。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1a是根据本申请实施例的光纤与硅光波导耦合的端面耦合示意图；
图1b是根据本申请实施例的光纤与硅光波导耦合的垂直耦合示意图；
图2是根据本申请实施例的晶圆的示意图；
图3是根据本申请实施例的晶圆的块的示意图；
图4是根据本申请实施例的光纤阵列的示意图；
图5是根据本申请实施例的光纤切割的示意图；
图6是根据本申请实施例的光纤和硅光波导耦合后的示意图；
图7是根据本申请实施例的光纤与光波导耦合的方法的流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
在本实施例中，晶圆级封装技术以晶圆为加工对象，在晶圆上对众多芯片进行耦合封装测试，后对晶圆切割成单粒芯片。硅光子的高通量功能测试是芯片大规模制造的关键问题，最有效的耦合方案端面耦合。在这个过程中需要减少硅光芯片的耦合损耗及耦合界面和光路连接界面光的回损。
在本实施例中提供了一种光纤与光波导耦合的方法，图7是根据本申请实施例的光纤与光波导耦合的方法的流程图，如图7所示，该流程包括如下步骤：
步骤S702，在晶圆的块Block中制作所需要的波导；
步骤S704，在波导的一端刻蚀出槽，其中，槽用于在于波导成第一预定角度的方向上插入光纤；为了提高测试效率，在一个可选的实施方式中，该光纤可以是光纤阵列。插入的方式可以是垂直插入，此时第一预定角度为90度，当然也可以按照其他角度插入，此时，需要计算切割的第二预定角度，从而实现通过光纤的光被抗反射膜发射后进入波导的目的。
步骤S706，将待插入槽的光纤的端面切割为第二预定角度，并在切割面涂上一层抗反射膜；
将光纤或者光纤阵列插入到槽中的方式有很多种，在一个可选实施方式中，可以将光纤阵列固定在带有V型槽的底板上，其中，每根光纤防止在一个V型槽中；将盖板倒扣到固定有光纤阵列的底板上；将被夹持在底板和盖板中间的光纤阵列连同底板和盖板一起插入到槽中。当然，其他插入方式也具有相同的效果，在此不再一一赘述。
步骤S708，将切割之后的光纤插入到槽中，其中，通过光纤的光被抗反射膜发射后进入波导。
切割的目的是为了反射光线，例如，可以将待插入槽的光纤的端面切割成42度到45度的角度，比较优的角度为42度。在另一个可选的方式中，为了减少光的泄露，可以将待插入槽的光纤的端面切割成第二预定角度之后，将光纤面向波导通道的一端以第三预定角度切割，其中，第三预定角度小于10度，比较优的角度是6度到7度。
通过上述步骤改变了端面耦合的方式，解决了现有技术中的单模光纤和硅光波导之间的耦合方式在光芯片测试中所存在的问题，从而提高了光纤与硅光波导的耦合效率，降低对准精度及容差。
本实施例还提供了一种光纤与光波导耦合的结构，该结构可以促进晶圆级端面耦合器的耦合效率和测试，该结构使用上述的方法对所述光纤和所述光波导进行耦合形成。该结构主要由晶圆21和阵列光纤11组成。图2是根据本申请实施例的晶圆的示意图，在图2中，21为晶圆，22为块(Block)。图3是根据本申请实施例的晶圆的块的示意图，如图3所示，在各Block中制作所需的波导222，为了做晶圆级测试，制作过程中在芯片端面进行ICP深刻蚀，刻蚀出一个宽200μm的深槽221；深槽深度不需要完全控制，多数情况下大于几十个微米。
为了将光耦合到硅光芯片中，需将光线向下发射到深槽中，然后将其偏转到硅光波导中。图4是根据本申请实施例的光纤阵列的示意图，为了提高测试效率，在图4中，使用光线阵列11进行耦合，阵列光纤11通过粘合剂与V型槽14固定，放置与底板12上，后将盖板13倒扣于底板上。
利用光纤阵列作为光学探头，垂直插入晶圆上的深槽中。图5是根据本申请实施例的光纤切割的示意图，如图5所示，光纤端面切割一个角度为42°的θ1，将切割的112端面涂上一层抗反射膜。此时光由阵列光纤传播至端面后再θ1处产生反射，随之光路方向改变为水平，之后进入硅光波导中。阵列光纤面向光波导通道的一端以一定角度θ2(6°～7°)切割。图6是根据本申请实施例的光纤和硅光波导耦合后的示意图，如图6所以，光线通过全内反射从倾斜的侧壁向上偏转进入光波导耦合器中，可以有效防止光线泄露。在图6中，可以对该耦合结构通光之后的情况进行拍照，然后根据拍照得到的照片确定是否光从光纤被耦合到了波导中。
通过上述实施例，阵列光纤端面切割42°实现光路由垂直变为水平，耦合至硅光波导中。阵列光纤面向光通道端面打磨角度θ2(6°～7°)，防止光向下泄露。切割其他角度也是可以的，上述的42°以及6°～7°是一个优选的实施方式。其他角度相对于现有技术也能做到提高对准精度的效果，只不过本实施例给出的角度较优。
在本实施例中还提供了一种晶圆测试方法，在形成上述的光纤与光波导耦合的结构之后，对所述晶圆进行测试。
在本实施例中，基于光纤阵列的优势，可实现硅光器件多通道输入/输出的光学并联耦合，增加测试密度。相比光栅耦合器，该方式可直接耦合到硅光波导中，光更不容易损耗，光学带宽更大，还可通过机器视觉技术实现耦合过程自动化。
在本实施例中提供的用于硅光子晶圆测试的方法和结构，以减少光纤与硅光波导耦合过程中引入的垂直高度，减小器件尺寸，进而以实现晶圆测试，可提高光纤与硅光波导的耦合效率，降低对准精度及容差。
以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤与光波导耦合的方法，其特征在于，包括：
在晶圆的块Block中制作所需要的波导；
在波导的一端刻蚀出槽，其中，所述槽用于在于所述波导成第一预定角度的方向上插入光纤；
将待插入所述槽的光纤的端面切割为第二预定角度，并在切割面涂上一层抗反射膜；
将切割之后的光纤插入到所述槽中，其中，通过所述光纤的光被所述抗反射膜发射后进入所述波导。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光纤为光纤阵列。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，将切割之后的所述光纤阵列插入到所述槽中包括：
将所述光纤阵列固定在带有V型槽的底板上，其中，每根光纤防止在一个V型槽中；
将盖板倒扣到固定有所述光纤阵列的底板上；
将被夹持在所述底板和所述盖板中间的所述光纤阵列连同所述底板和所述盖板一起插入到所述槽中。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将待插入所述槽的光纤的端面切割成所述第二预定角度包括：
将待插入所述槽的光纤的端面切割成42度到45度的角度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第二预定角度为42度。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，将待插入所述槽的光纤的端面切割成所述第二预定角度之后，将所述光纤面向所述波导通道的一端以第三预定角度切割，其中，所述第三预定角度小于10度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述第三预定角度为6度到7度。
8.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述第一预定角度为90度。
9.一种光纤与光波导耦合的结构，其特征在于，所述结构使用权利要求1至8中任一项所述的方法对所述光纤和所述光波导进行耦合形成。
10.一种晶圆测试方法，其特征在于，在形成权利要求9所述的光纤与光波导耦合的结构之后，对所述晶圆进行测试。
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