CN113686548A - 附着至光子芯片的激光器的晶圆级测试 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及附着至光子芯片的激光器的晶圆级测试，揭示光子芯片的结构、光子芯片的测试方法、以及形成光子芯片的结构的方法。光子芯片包括第一波导、第二波导、将该第一波导与该第二波导耦接的光学抽头、以及与该第二波导耦接的光检测器。激光器附着至该光子芯片。该激光器经配置以生成由该第一波导引导至该光学抽头的激光。

Description

附着至光子芯片的激光器的晶圆级测试
技术领域
本发明涉及光子芯片，尤其涉及光子芯片的结构、光子芯片的测试方法、以及形成光子芯片的结构的方法。
背景技术
光子芯片用于许多应用及系统中，例如数据通信系统以及数据计算系统。光子芯片将光学组件(例如波导、光学开关、边缘耦合器(edge coupler)、以及偏振器)与电子组件(例如场效应晶体管)集成于统一的平台中。除其它因素以外，布局面积、成本以及操作开销可通过两种类型组件的集成来减小。
当前在晶圆级的激光器的测试存在几个缺点。例如，功率测量的变化可能限制晶圆级激光器测试的精度。当前的测试技术还可能引起反向反射，其可能损坏在测试情况下的激光器。
需要改进的光子芯片的结构、光子芯片的测试方法、以及形成光子芯片的结构的方法。
发明内容
在本发明的一个实施例中，一种结构包括光子芯片，该光子芯片具有第一波导、第二波导、将该第一波导与该第二波导耦接的光学抽头(optical tap)、以及与该第二波导耦接的光检测器。激光器附着至该光子芯片。该激光器经配置以生成由该第一波导引导至该光学抽头的激光。
在本发明的一个实施例中，提供一种在晶圆级测试附着至第一光子芯片的激光器的方法。该方法包括：斜坡式增加提供给该激光器的第一电流，以使由该激光器输出的激光的光学功率增加；将该激光的部分引导至该光子芯片上的光检测器；以及测量响应该激光的该部分由该光检测器生成的第二电流作为该电流的函数。
在本发明的一个实施例中，一种方法包括形成光子芯片，具有第一波导、第二波导、将该第一波导与该第二波导耦接的光学抽头、以及与该第二波导耦接的第一光电二极管。该方法还包括将激光器附着至该光子芯片。该激光器经配置以生成由该第一波导引导至该光学抽头的激光。
附图说明
包含于并构成本说明书的一部分的附图示例说明本发明的各种实施例，并与上面所作的有关本发明的概括说明以及下面所作的有关该些实施例的详细说明一起用以解释本发明的该些实施例。在该些附图中，类似的附图标记表示不同视图中类似的特征。
图1显示依据本发明的实施例的光子芯片的示意视图。
图2显示依据本发明的实施例的光子芯片的示意视图。
图3显示依据本发明的实施例的光子芯片的示意视图。
图4显示依据本发明的实施例的光子芯片的示意视图。
图5显示依据本发明的实施例包括多个光子芯片的半导体衬底的示意视图。
具体实施方式
请参照图1并依据本发明的实施例，结构10包括附着至光子集成电路或芯片14的激光器12，以及位于光子芯片14上的波导16及边缘耦合器18。激光器12可被独立制造并可被附着至围绕形成于光子芯片14的衬底62(图5)中的开口的表面。在一个实施例中，通过倒装芯片接合(flip-chip bonding)可将激光器12直接附着至该开口表面。激光器12可为例如第III-V族化合物半导体激光器，其经配置以生成并输出在红外波长范围内的连续激光。例如，激光器12可生成并输出在1310纳米的标称波长或者在1550纳米的标称波长的激光。边缘耦合器18(其可具有倒锥形或者由超材料形成)经配置以接收来自激光器12的激光作为波导16的输入。
光子芯片14包括与波导16耦接的光学抽头(optical tap)20。边缘耦合器18位于激光器12与光学抽头20之间。光学抽头20可为定向耦合器，其将由波导16导引的该激光的部分分流或引导至不同的波导22。在一个实施例中，由光学抽头20从波导16引导至波导22的该激光的该部分可为约百分之五(5)，而该激光的约百分之九十五(95)由波导16继续导引至下游。
光子芯片14包括与波导22耦接的光学抽头24。光学抽头24可为定向耦合器，其将由波导22导引的该激光的部分分流或引导至不同的波导26。在一个实施例中，由光学抽头24从波导22引导至波导26的激光的该部分可为约百分之五十(50)，而该激光的约百分之五十(50)由波导22继续导引至下游。
光子芯片14包括与波导22耦接的光检测器28。光学抽头24位于光学抽头20与光检测器28之间。在一个实施例中，光检测器28可为锗光电二极管，其有效吸收在红外波长范围内的激光的光子。光检测器28可通过选择性生长制程外延生长于波导22中部分凹入的浅开口内。光检测器28经配置以通过将该激光转换为电性载流子(其作为时间的函数提供光电流形式的电流)来检测由激光器12输出的光学功率。例如，光检测器28可为例如横向PIN光电二极管，其包括p掺杂区及n掺杂区，该些掺杂区经接触以提供电性连接来收集光电流。由光检测器28输出的该光电流随光学功率的变化而变化。光检测器28可经设计以提供在光学功率范围内呈线性的光电流。
光子芯片14包括与波导26耦接的光栅耦合器30。光学抽头24位于光学抽头20与光栅耦合器30之间。光栅耦合器30经配置以允许测试由激光器12发射的激光的光谱。光栅耦合器30可包括光栅周期，其以给定的间距及占空比设置，并满足引导激光离开光子芯片14以进行光谱测试的布拉格条件。来自光栅耦合器30的背向反射受光学抽头20、24的限制，从而保护激光器12免受损坏。
光子芯片14包括光学开关或调制器(modulator)32，其经配置以将来自激光器12的激光调制成编码数字信息的二进制激光。例如，调制器32可为马赫-曾德尔干涉仪(Mach-Zehnder interferometer；MZI)调制器。光学抽头24在边缘耦合器18与调制器32之间的位置与波导16耦接。波导16可将该调制激光引导至与光子芯片14耦接的单模光纤34。单模光纤34可具有尖端，该尖端具有经选择以提高与波导16的总体耦合效率的几何结构。
光子芯片14还可包括光学抽头36，该光学抽头36在调制器32与单模光纤34之间的位置与波导16耦接。光学抽头36可为定向耦合器，其将由波导16导引的该调制激光的一定百分比(例如，约5％)转移至不同的波导38。光子芯片14可包括与波导38耦接的光学抽头40。光学抽头40可为定向耦合器，其将由波导38导引的该调制激光的一定百分比(例如，约50％)转移至不同的波导42。光子芯片14可包括与波导38耦接的光检测器44。光学抽头40位于光学抽头36与光检测器44之间。光检测器44可与光检测器28类似或相同。光子芯片14可包括与波导42耦接的光栅耦合器46。光学抽头40位于光学抽头36与光栅耦合器46之间。光检测器44及光栅耦合器46可用于系统级测试。
光子芯片14的波导16、22、26、38、42，光学抽头20、24、36、40，边缘耦合器18，以及调制器32可包括由单晶半导体材料(例如单晶硅)组成并位于介电层上方的波导芯。该单晶半导体材料可源自绝缘体上硅(silicon-on-insulator；SOI)衬底62的装置层(图5)，该衬底包括代表下方介电层的埋置氧化物层。可在光子芯片14的前端工艺处理期间通过光刻及蚀刻制程自单晶半导体材料层图案化该波导芯，且该波导芯可由具有较低折射率的介电材料围绕。
电源13(可位于光子芯片14外)可与激光器12耦接。晶圆级光学测试系统58(位于光子芯片14外)经配置以基于自光检测器28及光栅耦合器30接收的输出来测试激光器12的性能。与电源13及晶圆级光学测试系统58的电性连接可通过光子芯片14的电性垫建立。光纤可将光栅耦合器30与晶圆级光学测试系统58连接。
在用于激光器12的晶圆级测试时，供给激光器12的电源13可在恒定电压下提供斜坡电流(ramped electrical current)，以改变由激光器12输出的激光的光学功率。该激光的部分由光学抽头20、24引导至光检测器28，从而生成光电流，该光电流随着光学功率的增加而(较佳地，线性)增加。晶圆级光学测试系统58将来自光检测器28的该光电流作为电流测量并自所测量的光电流计算光学功率。可将该光学功率绘制为提供给激光器12的电流的函数，以例如建立激光器12的操作条件。可选地，当由激光器12发射的光学功率呈斜坡式增加(ramp)时，可利用光栅耦合器30由晶圆级光学测试系统58测量光谱。接着，可在近似不变(例如，非斜坡)的输出功率下操作激光器12，并可基于光栅耦合器30的激光输出由晶圆级光学测试系统58执行光谱测试。可选地，可在该光谱测试期间通过测量来自光检测器28的光电流由晶圆级光学测试系统58监控该光学功率。可在不同的温度条件下重复这些测试。
由于片上(on-chip)光检测器28及片上光栅耦合器30，结构10可实现快速且可靠的晶圆级测试，以确定激光器12附着至光子芯片14的特征。在激光器12与边缘耦合器18耦接而没有中间光纤的情况下，结构10可在晶圆级实现可靠性鉴定，而没有来自光纤附着的伪影(artifact)。结构10可促进从同一衬底62(图5)上制造的光子芯片14中选择已知良好芯片(known good die；KGD)用于后续产品封装。
请参照图2并依据本发明的替代实施例，光检测器28及光栅耦合器30可与波导16具有独立的连接。光检测器28可在边缘耦合器18与调制器32之间的位置通过光学抽头50及波导52与波导16耦接。光栅耦合器30可在边缘耦合器18与调制器32之间的位置通过光学抽头54及波导56与波导16耦接。光学抽头50、54可与光学抽头20、24具有类似或相同的构造及功能。
请参照图3并依据本发明的替代实施例，另一个光检测器48可替代光栅耦合器30而与波导26耦接。光栅耦合器30可通过光学抽头54及波导56与波导16独立耦接。光检测器48在构造及功能方面可与光检测器28类似或相同。在测量激光器12的光学功率时，光检测器48可提供冗余(redundancy)。
请参照图4并依据本发明的替代实施例，若将光子芯片14用作激光器12的纯测试工具，则波导16可将激光器12与吸收器60耦接。吸收器60可为例如锗吸收器或一组硅散射螺旋。在替代实施例中，吸收器还可结合图1或图3的结构10使用。吸收器60用以吸收及消散激光，该激光不被引导离开光子芯片14。
请参照图5并依据本发明的实施例，绝缘体上硅(SOI)晶圆或衬底62包括在其前侧上的可用芯片区域，其经处理以制造一群相同或基本上相同的光子芯片14。自SOI衬底62产生的光子芯片14的数目是芯片尺寸以及衬底尺寸的函数。光子芯片14可以行列阵列或矩阵的形式间隔排列设置。
切割线64定义设置于该阵列中的光子芯片14的相邻行之间以及该阵列中的光子芯片14的相邻列之间的切割道。切割线64代表切割线网格，沿该切割线网格，利用切割锯或激光可切割光子芯片14，而不会对光子芯片14造成损伤。在衬底62上的一个或多个光子芯片14上的激光器12的晶圆级测试以后，可切割衬底62，以物理分离光子芯片14。在一个实施例中，可对衬底62上的所有光子芯片14上的激光器12进行晶圆级测试。在物理分离之后，接着可独立封装每个光子芯片14。
上述方法用于光子集成电路(也就是，光子芯片)的制造。制造者可以原始晶圆形式(例如，作为具有多个未封装芯片的单个晶圆)、作为裸芯片，或者以封装形式分配所得的光子芯片。在后一种情况中，该光子芯片设于单芯片封装件中(例如塑料承载件，其具有附着至母板或其它更高层次承载件的引脚)或者多芯片封装件中(例如陶瓷承载件，其具有单面或双面互连或嵌埋互连)。在任何情况下，可将该光子芯片与其它芯片、分立电路元件和/或其它信号处理装置集成，作为中间产品或最终产品的部分。
本文中引用的由近似语言例如“大约”、“大致”及“基本上”所修饰的术语不限于所指定的精确值。该近似语言可对应于用以测量该值的仪器的精度，且除非另外依赖于该仪器的精度，否则可表示所述值的+/-10％。
本文中引用术语例如“垂直”、“水平”等作为示例来建立参考框架，并非限制。本文中所使用的术语“水平”被定义为与半导体衬底的传统平面平行的平面，而不论其实际的三维空间取向。术语“垂直”及“正交”是指垂直于如刚刚所定义的水平面的方向。术语“横向”是指在该水平平面内的方向。
与另一个特征“连接”或“耦接”的特征可与该另一个特征直接连接或耦接，或者可存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则特征可与另一个特征“直接连接”或“直接耦接”。如存在至少一个中间特征，则特征可与另一个特征“非直接连接”或“非直接耦接”。在另一个特征“上”或与其“接触”的特征可直接在该另一个特征上或与其直接接触，或者可存在一个或多个中间特征。如果不存在中间特征，则特征可直接在另一个特征“上”或与其“直接接触”。如存在至少一个中间特征，则特征可“不直接”在另一个特征“上”或与其“不直接接触”。
对本发明的各种实施例所作的说明是出于示例说明的目的，而非意图详尽无遗或限于所披露的实施例。许多修改及变更对于本领域的普通技术人员将显而易见，而不背离所述实施例的范围及精神。本文中所使用的术语经选择以最佳解释实施例的原理、实际应用或在市场已知技术上的技术改进，或者使本领域的普通技术人员能够理解本文中所披露的实施例。

Claims (20)

1.一种结构，包括：
第一光子芯片，包括第一波导、第二波导、将该第一波导与该第二波导耦接的第一光学抽头、以及与该第二波导耦接的第一光检测器；以及
第一激光器，附着至该第一光子芯片，该第一激光器经配置以生成由该第一波导引导至该第一光学抽头的激光。
2.如权利要求1所述的结构，其中，该第一光子芯片包括第三波导、与该第三波导耦接的光栅耦合器、以及将该第三波导与该第二波导耦接的第二光学抽头。
3.如权利要求1所述的结构，其中，该第一光子芯片包括第三波导、与该第三波导耦接的光栅耦合器、以及将该第三波导与该第一波导耦接的第二光学抽头。
4.如权利要求1所述的结构，其中，该第一光子芯片包括第三波导、与该第三波导耦接的第二光检测器、以及将该第三波导与该第二波导耦接的第二光学抽头。
5.如权利要求4所述的结构，其中，该第一光子芯片包括第四波导、与该第三波导耦接的光栅耦合器、以及将该第四波导与该第一波导耦接的第三光学抽头。
6.如权利要求1所述的结构，其中，该第一光子芯片包括吸收器，且该第一波导经配置以将该第一激光器与该吸收器耦接。
7.如权利要求1所述的结构，其中，该第一光子芯片包括将该第一激光器与该第一波导耦接的边缘耦合器，以及与该第一波导耦接的调制器，且该第一光学抽头在该边缘耦合器与该调制器之间的第一位置与该第一波导耦接。
8.如权利要求7所述的结构，其中，该第一光子芯片包括在第二位置与该第一波导耦接的第二光检测器，且该调制器位于该第一位置与该第二位置之间。
9.如权利要求7所述的结构，其中，该第一光子芯片包括第三波导、与该第三波导耦接的光栅耦合器、以及将该第三波导与该第二波导耦接的第二光学抽头。
10.如权利要求7所述的结构，其中，该第一光子芯片包括第三波导、与该第三波导耦接的光栅耦合器、以及在该边缘耦合器与该调制器之间的第二位置将该第三波导与该第一波导耦接的第二光学抽头。
11.如权利要求7所述的结构，其中，该第一光子芯片包括第三波导、与该第三波导耦接的第二光检测器、以及在该边缘耦合器与该调制器之间的第二位置将该第三波导与该第二波导耦接的第二光学抽头。
12.如权利要求1所述的结构，还包括：
衬底，包括该第一光子芯片及第二光子芯片。
13.如权利要求12所述的结构，其中，该第二光子芯片包括第三波导、第四波导、将该第三波导与该第四波导耦接的第二光学抽头、以及与该第四波导耦接的第二光检测器，且还包括：
第二激光器，附着至该第二光子芯片，该第二激光器经配置以生成由该第三波导引导至该第二光学抽头的激光。
14.一种在晶圆级测试附着至第一光子芯片的激光器的方法，该方法包括：
斜坡式增加提供给该激光器的第一电流，以使由该激光器输出的激光的光学功率增加；
将该激光的第一部分引导至该第一光子芯片上的光检测器；以及
测量响应该激光的该第一部分由该光检测器生成的第二电流作为该第一电流的函数。
15.如权利要求14所述的方法，还包括：
将该激光的第二部分引导至该第一光子芯片上的光栅耦合器；以及
测量响应该激光的该第二部分由该光栅耦合器生成的光谱。
16.如权利要求14所述的方法，还包括：
向该激光器提供第三电流，以使由该激光器输出的光学功率近似不变；
将该激光的第二部分引导至该第一光子芯片上的光栅耦合器；以及
测量响应该激光的该第二部分由该光栅耦合器生成的光谱。
17.如权利要求16所述的方法，还包括：
在向该激光器提供该第三电流时，测量响应该激光的该第一部分由该光检测器生成的第四电流。
18.如权利要求14所述的方法，其中，该第一光子芯片及第二光子芯片位于衬底上，且还包括：
自该衬底分离该第一光子芯片及该第二光子芯片。
19.一种方法，包括：
形成光子芯片，包括第一波导、第二波导、将该第一波导与该第二波导耦接的光学抽头、以及与该第二波导耦接的光检测器；以及
将激光器附着至该光子芯片，该激光器经配置以生成由该第一波导引导至该光学抽头的激光。
20.如权利要求19所述的方法，其中，该光子芯片包括第三波导、与该第三波导耦接的光栅耦合器、以及将该第三波导与该第二波导或该第一波导耦接的第二光学抽头。
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