CN114460683A - 基于光芯粒的微波光子片上系统 - Google Patents

Abstract

一种基于光芯粒的微波光子片上系统，该微波光子片上系统包括硅衬底基板，若干沟槽，设置在硅衬底基板上；以及光芯粒，设置在沟槽内，相邻的光芯粒之间通过聚合物波导连接。本发明采用了基于聚合物波导的光子引线键合方法，实现了不同材料体系光芯片的低损耗耦合，且适用于数量较多的芯粒进行光芯片系统的搭建，增大了集成度；为光芯粒的大规模集成提供了途径，实现了信号的全光互连与传输，相较于电信号的互连与传输，带宽从Gbps量级拓宽至Tbps量级，大大提升了通信容量。

Description

基于光芯粒的微波光子片上系统

技术领域

本发明涉及微波光子学技术领域，具体涉及一种基于光芯粒的微波光子片上系统。

背景技术

随着光芯片制造工艺的日趋成熟，基于不同材料体系的光子集成芯片有其独特的优势和不足，例如：三五族材料属于直接带隙半导体，可用于外延生长激光器、半导体光放大器等有源器件，但是由于涉及到多层外延生长，器件及波导传输损耗和工艺制作难度较大：硅、氮化硅等材料化学性质比较稳定，因而制作的器件及波导传输损耗很低，制作周期相对较短，但是无法用作发光器件的制作。

集成微波光子学应用多种光学器件进行光、电信号的处理，其发展的方向主要有，基于同一材料平台单片集成，通过在工艺上寻求改善，突破材料体系的限制、提升原有器件的性能，这种方案时间成本较高，而且灵活性受到限制，即芯片某部分的工艺缺陷将致使整个系统性能的不达标；基于片间耦合的异质材料混合集成，这种方案的优点是充分利用了各个平台的特有优势，带来的问题是基于不同材料的波导在直接耦合时由于光场模斑尺寸有较大差异，大大降低耦合效率，带来了较大的损耗。

综上，相对于以上微波光子学的集成方案，基于光芯粒的新型光芯片系统具有灵活性高、光芯粒互连损耗小、集成度更高的显著优势。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的之一在于提出一种基于光芯粒的微波光子片上系统，以期至少部分地解决上述技术问题中的至少之一。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于光芯粒的微波光子片上系统，包括：

硅衬底基板；

若干沟槽，设置在硅衬底基板上；以及

光芯粒，设置在沟槽内，相邻的光芯粒之间通过聚合物波导连接。

基于上述技术方案可知，本发明的基于光芯粒的微波光子片上系统相对于现有技术至少具有以下优势之一或一部分：

(1)本发明采用了基于聚合物波导的光子引线键合方法，实现了不同材料体系光芯片的低损耗耦合，且适用于数量较多的芯粒进行光芯片系统的搭建，增大了集成度；

(2)本发明采用了基于聚合物波导的光子引线键合方法，为光芯粒的大规模集成提供了途径，实现了信号的全光互连与传输，相较于电信号的互连与传输，带宽从Gbps量级拓宽至Tbps量级，大大提升了通信容量；

(3)本发明采用了硅衬底基板用于承载不同尺寸、不同功能的光芯粒，区别于直接耦合的方式，光芯粒之间预留出一定空间、光芯粒与硅衬底基板用导热胶粘合，有利于光芯粒的散热；

(4)本发明包含的光芯粒优势在于可在装配前测试各个芯粒的光电特性，排除性能表现较差的部件，增大了微波光子系统的灵活性和容错性；

(5)本发明采用硅通孔技术进行光电有效互连，增大了光电系统的集成度，同时实现了光电大面积有效互连的突破。

附图说明

图1是本发明实施例的基于光芯粒的微波光子片上系统的结构示意图；

图2是本发明实施例的聚合物波导生长过程示意图；

图3是本发明实施例的硅通孔方法示意图。

附图标记说明：

1-硅衬底基板；2-光芯粒；3-聚合物波导；4-硅通孔；5-光芯粒衬底；6-光波导；7-光刻胶；8-激光束；9-透镜；10-电端口；11-电引线；12-印刷电路板/电芯片。

具体实施方式

以下，将参照附图及实施例对本发明进行详细描述，以辅助本领域技术成员充分地理解本发明的目的、特征和效果。附图中展示了本发明的示例性实施方式，但应当理解，本申请中还能以其他各种形式实现，不应被此处阐述的实施方式所限制。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。另外，本发明以下提供的各个实施例以及实施例中的技术特征可以以任意方式相互组合。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。此外，在此使用的术语“包括”、“包含”、“具有”等表明了所述特征、步骤、操作和/或部件的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、步骤、操作或部件。在此使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

本发明公开了一种基于光芯粒的微波光子片上系统，包括：

硅衬底基板；

若干沟槽，设置在硅衬底基板上；以及

光芯粒，设置在沟槽内，相邻的光芯粒之间通过聚合物波导连接。

在本发明的一些实施例中，所述光芯粒为分立芯片。

在本发明的一些实施例中，所述光芯粒采用激光隐形切割的方法获得。

在本发明的一些实施例中，根据光芯粒在硅衬底基板上的位置设沟槽，若干所述沟槽呈阵列形式分布；将光芯粒设置在沟槽内，并将需要连接的光芯粒通过聚合物波导连接。

在本发明的一些实施例中，所述聚合物波导采用双光子光刻激光直写打印方法获得。

在本发明的一些实施例中，所述硅衬底基板上还设有硅通孔；

在本发明的一些实施例中，所述硅通孔与光芯粒的电接口相邻。

在本发明的一些实施例中，所述硅通孔的直径为50至100微米。

在本发明的一些实施例中，所述硅通孔的两侧设有植球。

下面结合附图，通过具体实施例来对本发明的技术方案进行详细的阐述说明。

如图1所示，本实施例提供一种基于光芯粒的微波光子片上系统，由硅衬底基板1、光芯粒2、聚合物波导3、硅通孔4组成。硅衬底基板1根据各光芯粒2尺寸、厚度和连接关系，采用光刻及刻蚀工艺预留出一定深度的立方体沟槽，用以装配基于不同材料外延生长的光芯粒2；光芯粒2之间采取光子引线键合的方法，用双光子光刻激光直写技术打印出的聚合物波导3连接，以实现芯粒2间波导中光场模斑尺寸的缓慢过度，从而降低芯粒2互连的损耗，硅衬底基板1还可以在特定位置用深反应离子刻蚀或激光打孔的工艺打出硅通孔4用以连接电学印刷电路板或集成电路芯片，实现光芯粒的更大规模集成和光芯粒与电芯片的三维集成。整个系统提供了一种新型的片上集成微波光子链路的方式。

其中，所述硅衬底基板1为具有特定规格的用以承载光芯粒和打造硅通孔的模板。硅衬底基板可以直接从常见的6英寸、8英寸或12英寸硅晶圆上用激光隐形切割的方法分离出想要的形状及尺寸。激光隐形切割作为激光切割晶圆的一种方案，很好的避免了砂轮划片存在的问题，将脉冲激光的单个脉冲通过光学整形，让其透过材料表面，在材料内部聚焦，在焦点区域能量密度较高，形成多光子吸收非线性吸收效应，使得材料改性形成裂纹。每一个激光脉冲等距作用，形成等距的损伤即可在材料内部形成一个改质层。在改质层位置材料的分子键被破坏，材料的连接变的脆弱而易于分开。根据微波光子片上系统的规模，选取不同尺寸的基板，具备加工难度小、成本较为低廉的特点。

其中，所述光芯粒2为分立芯片，因其较已有系统级的光芯片尺寸更小，面积在百平方微米至一平方毫米量级，所以称之为光芯粒。光芯粒将复杂功能进行分解，是具有单一特定功能，可互相进行模块化组装的“小芯片”，它也是一个功能性光路块，在链路具有可重复使用的特性，且只包含微波光子系统的某一器件。每个光芯粒在微波光子系统中只实现其中某一功能，且光芯粒的组成材料无需与基板相同，可以是二氧化硅、氮化硅及三五族材料等。

其中，所述聚合物波导6是利用双光子光刻工艺激光三维打印出的具有连接相邻光芯粒中光波导的器件，光芯粒之间用光波导实现光信号的传输，所以聚合物波导起到了有效连接光芯粒的作用。作为一个关键优势，聚合物波导的形状和轨迹可以适应模场的分布和光芯粒的位置，不依赖于技术复杂和成本昂贵的高精度校准，从而提供了一个有吸引力的替代传统光学耦合技术的选择。

其中，硅通孔4的直径为50微米至200微米，硅通孔4为贯穿孔，所述硅通孔采用相关技术包括深反应离子刻蚀/激光打孔工艺、孔填充技术、硅通孔键合技术：深反应离子刻蚀/激光打孔工艺在硅衬底基板上打出直径在50微米至200微米的贯穿孔，孔填充技术在硅通孔电镀铜、钨金属或沉积高分子导电材料并在硅衬底基板两侧长出隆起的球形(称之为植球)，硅通孔键合技术用电学方法引线键合光芯粒与硅衬底基板上侧植球，用铜-铜键合、粘接、直接熔合的方法键合硅衬底基板下侧植球与下层印刷电路板或电芯片。

在硅衬底基板1中预留好各个光芯粒2位置，通过光刻、刻蚀工艺为每个光芯粒2预留一定深度的立方体沟槽，同时在硅衬底基板1中为特定芯片打出硅通孔4用以基板下方连接印刷电路板或集成电路芯片12，各个光芯粒2放入指定位置后用双光子光刻激光直写聚合物波导3的方法将需要连接的芯粒波导连接起来，制备聚合物波导的材料常采用紫外光聚合树脂(由光聚合引发剂、氨基甲酸酯丙烯酸酯单体和聚氨酯丙烯酸酯低聚物组成)，实现光芯粒的互连，最终构成整个光芯粒系统。

具体的，本发明基于集成微波光子技术，首先根据微波光子系统预期实现的功能和所需光芯粒2的尺寸，在硅晶圆上用激光隐形切割出相应的尺寸的硅衬底基板1；根据光芯粒的连接关系确定其在基板的位置，采用步进式光刻和干法刻蚀的方法留出合适深度的沟槽，将光芯粒中的波导和器件结构部分暴露出来；

然后，在沟槽表面均匀涂敷导热硅胶，将各光芯粒嵌入相应沟槽，烘干以粘合硅衬底基板与光芯粒，从而实现两者紧密连接，同时增强光芯粒与硅衬底基板的热量传导；

其次，在紧邻光芯粒电接口的硅衬底基板1处，采用深反应离子刻蚀工艺或激光打孔的方法打出直径为50微米至200微米的硅通孔4，通孔为贯穿孔，用电镀、化学气相沉积、高分子涂布等工艺用铜、钨、高分子导体等材料填充通孔，并在通孔两侧电镀或沉积出隆起的直径为50至100微米的植球，用硅通孔键合技术用电学方法引线键合光芯粒与硅衬底基板上侧植球，用铜-铜键合、粘接、直接熔合的方法键合硅衬底基板下侧植球与下层印刷电路板或电芯片。通孔的两端分别与光芯粒的电接口和印刷电路板或电芯片的电接口相连，从而实现光电有效互连。

图2是实施例涉及到的聚合物波导激光直写方法的示意图，如图2所示，用光刻胶7覆盖生长聚合物波导3的区域，通过透镜9的聚焦作用将平行的激光束8聚焦在要打印波导的位置，由于聚焦位置光强较大，聚焦处光刻胶化学性质发生改变，在去除光刻胶时此部分保留下去，因而随着曝光路径的设计可得到想要形状的聚合物波导3。

图3是本实施例涉及到的硅通孔技术示意图，用铜、钨和高分子导体等材料填充硅通孔4并在硅衬底基板1的上下两侧生长出一定厚度的植球，光芯粒的电端口10通过电引线11的方法连接通孔植球，电芯片端口10与植球采用直接键合的方式实现光电芯片的互连，同时也起到了加固的作用。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域的普通技术人员可对其结构进行简单地熟知地替换，如：可将各处的实现单个功能的光芯粒替换为具有多个功能的光芯片；可在生长有氧化层的硅晶圆上切割出特定形状用作衬底基板替代基于单晶硅的衬底基板。并且，所附的附图是简化过且作为例示用。附图中所示的器件数量、形状及尺寸可依据实际情况而进行修改，且器件的配置可能更为复杂。

需要说明的是，尽管已经参照本发明的特定示例性实施例示出并描述了本发明，但是本领域技术人员应该理解，本发明并不局限于上述实施方式，凡是对本发明的各种改动或变型不脱离本发明的精神和范围，倘若这些改动和变型属于本发明的权利要求和等同技术范围之内，则本发明也意味着包含这些改动和变型。

特别地，在不脱离本发明精神和教导的情况下，本发明的各个实施例和/或权利要求中记载的特征可以进行多种组合和/或结合，即使这样的组合或结合没有明确记载于本发明中。所有这些组合和/或结合均在本发明的保护范围。因此，本发明的范围不仅由所附权利要求来进行确定，还应由所附权利要求的等同物来进行限定。

Claims (6)

1.一种基于光芯粒的微波光子片上系统，包括：

硅衬底基板；

若干沟槽，设置在硅衬底基板上；以及

光芯粒，设置在沟槽内，相邻的光芯粒之间通过聚合物波导连接。

2.根据权利要求1所述的微波光子片上系统，其特征在于，

所述光芯粒为分立芯片。

3.根据权利要求1所述的微波光子片上系统，其特征在于，

所述光芯粒采用激光隐形切割的方法获得。

4.根据权利要求1所述的微波光子片上系统，其特征在于，

根据光芯粒在硅衬底基板上的位置设沟槽，若干所述沟槽呈阵列形式分布；

将光芯粒设置在沟槽内，并将需要连接的光芯粒通过聚合物波导连接。

5.根据权利要求1所述的微波光子片上系统，其特征在于，

所述聚合物波导采用双光子光刻激光直写打印方法获得。

6.根据权利要求1所述的微波光子片上系统，其特征在于，

所述硅衬底基板上还设有硅通孔，所述硅通孔的直径为50至100微米，硅通孔两侧设有植球。

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