CN115004059A - 高功率集成soa阵列的硅辅助封装 - Google Patents
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Abstract
一种光子集成电路(PIC)组件，包括半导体光放大器(SOA)阵列和U形转弯芯片。SOA阵列包括输入SOA和多个SOA。输入SOA和多个SOA被布置为彼此平行。U形转弯芯片包括分光器和波导组件。分光器被配置为接收从输入SOA沿第一方向传播的放大输入光，并将放大光分成多个光束。波导组件将多个光束中的每个引导到多个SOA中的对应SOA，并且将被引导的光束中的每个的传播方向调整为基本平行于与第一方向基本相反的第二方向。并且多个SOA中的每个被配置为放大它们各自的光束以产生多个放大的输出光束。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求根据35U.S.C.§119(e)对于在2020年1月13日提交的美国临时专利申请序列号62/960,688的优先权，通过引用将其全部整体并入本文。
技术领域
本公开一般涉及调频连续波(FMCW)光检测和测距(LiDAR)，更具体地，涉及固态FMCW LiDAR系统。
背景技术
传统的LiDAR系统使用机械移动部件和体光学透镜元件(即折射透镜系统)来转向激光束。且对于许多应用(例如汽车)来说，体积太大、成本太高且不可靠。
发明内容
一种光子集成电路(PIC)组件包括半导体光放大器(SOA)阵列和U形转弯芯片。半导体光放大器(SOA)阵列包括输入SOA和多个SOA。输入SOA和多个SOA被布置为彼此平行。U形转弯芯片包括分光器和波导组件。分光器被配置为接收从输入SOA沿第一方向传播的放大输入光，并将放大光分成多个光束。波导组件被配置为将多个光束中的每个引导到多个SOA中的对应SOA。波导组件还将被引导的光束中的每个的传播方向调整为基本平行于第二方向，该第二方向与第一方向基本相反。多个SOA中的每个被配置为放大它们各自的光束以产生多个放大的输出光束。PIC组件可以是例如调频连续波(FMCW)LiDAR系统的一部分。
在一些实施例中，PIC组件包括半导体光放大器(SOA)模块。该SOA模块包括SOA阵列并且还可以包括U形转弯芯片(在替代实施例中，U形转弯芯片可以是SOA模块耦合到的PIC芯片的一部分)。SOA阵列位于SOA芯片上。SOA阵列包括输入SOA和多个SOA，且输入SOA和多个SOA被布置为彼此平行。U形转弯芯片耦合到SOA芯片，并且包括分光器和波导组件。分光器被配置为接收从输入SOA沿第一方向传播的放大输入光，并将放大的光分成多个光束。波导组件被配置为将多个光束中的每个引导到多个SOA中的对应SOA，其中，波导组件将被引导的光束中的每个的传播方向调整为基本平行于第二方向，第二方向与第一方向基本相反，并且其中，所述多个SOA中的每个被配置为放大它们各自的光束以产生多个放大的输出光束。
附图说明
本公开的实施例具有其他优点和特征，当结合附图中的示例时，这些优点和特征将从以下详细描述和所附权利要求中变得更加明显，在附图中：
图1示出了根据一个或多个实施例的光子集成电路组件的俯视图，该组件包括两个SOA阵列芯片和与PIC芯片耦合的两个对应的U形转弯芯片。
图2描绘了根据一个或多个实施例的SOA阵列模块的一个实施例的横截面。
图3描绘了耦合到PIC芯片的SOA阵列模块的横截面的另一个实施例。
图4A-B描述了根据一个或多个实施例的示例制造过程。
图5A-B描述了根据一个或多个实施例的包括悬挂的U形转弯芯片的PIC组件。
图6描述了根据一个或多个实施例的包括悬挂的U形转弯芯片和多个梳状驱动器的PIC组件。
图7示出了根据一个或多个实施例的包括外腔激光器的PIC组件的俯视图。
具体实施方式
SOA模块包括SOA阵列(在SOA阵列芯片上)并且可以包括U形转弯芯片(在其他实施例中，U形转弯芯片是SOA模块耦合到的PIC电路的一部分)，并且SOA模块可以耦合到光子集成电路(PIC)芯片。SOA阵列包括输入SOA和多个SOA。在一些实施例中，输入SOA与多个SOA中的一个或多个相同。在替代实施例中，输入SOA和多个SOA可以不同(例如，具有不同的放大水平)。在一些实施例中，多个SOA中的每个被配置为提供相同的放大水平。在其他实施例中，多个SOA中的至少一个提供与输入SOA和/或多个SOA中的另一个SOA不同的放大水平。输入SOA和多个SOA可以被布置为相互平行。PIC芯片、U形转弯芯片或它们的某种组合可以由硅、氮化硅、二氧化硅或它们的某种组合制成，而SOA阵列芯片可以被由Al、Ga、In、N、P、As和其他元素组成的III-V族化合物半导体材料制成。
U形转弯芯片包括分光器和波导组件。分光器被配置为接收从输入SOA沿第一方向传播的放大输入光，并将放大光分成多个光束。波导组件将多个光束中的每个引导到多个SOA中的对应SOA。波导组件还将每个被引导的光束的传播方向调整为基本平行于第二方向，第二方向与第一方向基本相反。以这种方式，由波导组件引导的光执行朝向SOA阵列的“U形转弯”返回。
多个SOA中的每个被配置为放大它们各自的光束以产生多个放大的输出光束。由于SOA模块可以是光子集成电路(PIC)组件的一部分，因此可以将放大的输出光束提供给PIC组件以用于例如调频连续波(FMCW)LiDAR系统。FMCW LiDAR通过将调频的准直光束对准物体直接测量物体的距离和速度。从物体反射的光与分接版本的光束相结合。一旦针对需要第二次测量的多普勒频移进行了校正，则产生的拍音的频率与物体相对于LIDAR系统的距离成比例。可能会或可能不会同时进行的这两个测量提供距离和速度信息两者。
注意，PIC组件可以包括多个SOA模块、光源和多个波导以将来自光源的光提供给多个SOA模块。多个波导也可以布置成提供类似的U形转弯功能。这与SOA和U形转弯芯片的并行布置相结合地便于SOA模块与PIC芯片的容易集成和封装。相比之下，典型的高功率SOA阵列在III-V芯片的相对侧具有光输入和输出。这会使SOA与其他光子芯片的封装既昂贵又困难。
图1示出了根据一个或多个实施例的光子集成电路(PIC)组件100的俯视图，该组件包括两个SOA阵列芯片110(也称为SOA芯片)和耦合到PIC芯片102的两个对应的U形转弯芯片113。PIC芯片102、SOA阵列芯片110、U形转弯芯片113或它们的某种组合可以由硅、氮化硅、二氧化硅或它们的某种组合制成。
集成激光源101的输出光功率位于PIC芯片102的顶部。来自该源的光被耦合到在PIC芯片102上图案化的波导103中。
波导中的光功率由分光器104均匀地分成两个输出波导105和106。分光器104可以是例如分束器。尽管在该示例中演示了两个SOA模块(即，208和208)，但在其他实施例中，可以使用不同数量的SOA模块。SOA模块107、108中的每个包括各自的SOA阵列芯片110(也称为SOA芯片)和U形转弯芯片113，它们放置在蚀刻到PIC 102的顶表面中的凹腔中。
如图所示，输出波导105被配置为向SOA模块107(并且具体地向其对应的SOA阵列)提供第一光束，并且输出波导108被配置为向SOA模块108(以及具体向其对应的SOA阵列)提供第二光束。注意，如图所示，光在输出波导105和输出波导106的入口处的传播方向与在输出波导105和输出波导106的输出处的传播方向基本相反。
每个SOA阵列芯片包括SOA阵列。SOA阵列包括输入SOA(例如，输入SOA 111)和多个SOA(例如，SOA 116)。如图所示，输入SOA和多个SOA相互平行地排列。在其他实施例中，输入SOA和多个SOA可能已经以不同的方式相对于彼此定位。
在SOA模块107的上下文中，输出波导105通过前芯片面109边缘耦合到SOA阵列芯片110。
该光穿过输入SOA 111，该输入SOA 111充当前置放大器以抵消与芯片到芯片耦合相关联的损耗。被放大的光沿第一方向传播。
离开SOA的预放大光通过SOA芯片110的背面112边缘耦合到U形转弯芯片113。
在输入波导中的光通过1xM分光器114(其中，M等于1减去在SOA阵列110中的包括输入SOA的SOA的总数)，其在波导组件的M个波导(例如，波导115)之间均等地分布预放大的光功率。波导组件的每个波导包括与预放大的光功率的某个部分相对应的被引导的光束。
波导组件将每个被引导的光束的传播方向调整为基本平行于第二方向，第二方向与第一方向基本相反。例如，这些波导弯曲并且光通过背面112耦合回SOA阵列芯片110内。然后每个光通道通过SOA阵列芯片上的单独的SOA 116，将光放大到期望的输出水平(即，多个SOA中的每个被配置为放大它们各自的光束以产生多个放大的输出光束)。在一些实施例中，SOA阵列芯片中的每个SOA 116被配置为提供相同的放大水平。在其他实施例中，至少两个SOA 116具有不同的放大水平。类似地，在一些实施例中，PIC芯片102上的多个SOA模块是相同的。并且在其他实施例中，PIC芯片102上的至少一个SOA模块不同于PIC 102芯片上的另一个SOA模块。例如，一个SOA模块可以具有与另一个SOA模块不同数量的SOA 116。
放大的光通过前芯片面109边缘耦合回到PIC芯片102中并边缘耦合回到波导117内。从输出波导106到SOA模块108的光以与对于SOA模块107上述基本相似的方式在SOA模块108中被放大，并被输出到波导118。PIC芯片102中的波导117和118将来自封装的SOA阵列的光传送到包含在PIC芯片102中的光子电路。
图2描绘了根据一个或多个实施例的耦合到PIC芯片205的SOA阵列模块200(也称为SOA模块)的一个实施例的横截面。SOA阵列芯片201被键合到提供结构支撑和热管理的载体203。载体203可以由硅、诸如AlN或Al2O3的其他导热陶瓷或它们的某种组合制成。SOA阵列芯片201可以是SOA阵列芯片110的一个实施例。
U形转弯芯片202在垫片204的帮助下主动耦合到SOA阵列芯片201，垫片204提供了相对于载体203的必要机械偏移。垫片204可以由任何材料制成，尽管使用具有与SOA 201相似的热膨胀系数是有利的，因为SOA 201和U形转弯202之间的对准可以在温度波动时更好地保持。U形转弯芯片202是U形转弯芯片113的实施例。U形转弯芯片202被减薄，使得组合模块被装配在蚀刻到PIC芯片205中的凹槽中。键合的SOA阵列芯片201、载体203、垫片204和U形转弯芯片202的这种布置形成SOA阵列模块200。
然后将SOA阵列模块200放置在PIC芯片205上，PIC芯片205利用SOA阵列芯片201提供的光功率。PIC芯片205包含图案化基座206，图案化基座206提供机械支撑、精确平面外的对准以及将SOA阵列芯片201固定到PIC芯片205的手段。SOA阵列模块放置在这些基座206的顶部，并且它的正面靠近芯片面207并主动对准以提供在SOA阵列芯片201和PIC芯片205之间的有效的光耦合。注意，在所示实施例中，U形转弯芯片202位于SOA阵列芯片201的与芯片面207相反的一侧。在其他实施例中，芯片面207相对于U形转弯芯片202的位置可能不同。
如果需要额外的支撑，U形转弯芯片202可以用低收缩粘合剂208键合到硅光子芯片。
图3描绘了耦合到PIC芯片304的SOA阵列模块300的横截面的另一个实施例。SOA阵列模块300简化了芯片组装过程，从而降低了大批量生产的成本。
在本实施例中，PIC芯片304和U形转弯芯片302被制作在同一晶片上，使得PIC 304中的波导310和U形转弯芯片302中的波导311在垂直方向上自对准，即它们在芯片表面下方的相同深度处(例如，在同一平面中对准)。此外，PIC芯片304中的图案化基座(例如，基座305)和U形转弯芯片302中的图案化基座(例如，基座303)形成使得当SOA芯片301位于这些基座上时，SOA芯片301中的波导309在垂直方向上与波导310和311对准。由于芯片组装过程中的精确垂直对准会影响性能，因此自对准波导309、310和311提供的机械约束以及正确形成的基座显著提高了最终芯片组装的产量和质量，这可以导致更高的产量和更低的制造成本。
图4A-B描述了根据一个或多个实施例的示例制造过程。图4A-B中所示的过程可以由电路制造系统的部件执行。其他实体可以执行图4A-B其他实施例中的一些或所有步骤。实施例可以包括不同的和/或附加的步骤，或者以不同的顺序执行这些步骤。
如图4A所示，在同一晶片上产生PIC 404和U形转弯402。晶片可以由硅、氮化硅、二氧化硅、一些其他合适的材料或它们的一些组合制成。波导410和411在晶片表面下方的相同深度处。类似地，基座405和基座403被形成使得基座405的顶部和基座403的顶部在晶片表面下方的相同深度处。注意，在所示实施例中，有四个基座405和两个基座403。在其他实施例中，可以有更多或更少的基座405和/或更多或更少的基座403。
图4B描绘了如何组装包括SOA阵列芯片401和U形转弯芯片402的SOA模块400。U形转弯芯片402从图4A中所示的晶片切割下来，并且可以被减薄。
SOA阵列芯片401被键合到载体406。载体406可以是载体203的实施例。然后将U形转弯芯片402倒置、对准并键合到SOA阵列芯片401，基座403接触SOA阵列芯片401的顶面，从而在垂直方向上提供机械约束。初级粘附由围绕基座403的粘合剂(例如焊料或胶水)408提供，而次级粘附可以使用低收缩胶408'以及必要时使用垫片407添加在U形转弯芯片402和载体406之间，以获得更好的机械稳定性。因为基座403的高度被精确控制，这种手段允许在SOA阵列芯片401和U形转弯芯片402之间的被动对准。
然后将SOA模块400倒置并键合到PIC芯片404。例如，如图3所示，SOA模块400然后被倒置，与PIC 304中的波导310对准，并使用粘合剂308键合到容纳PIC芯片304的基座(例如基座305)的凹腔中作为机械止动件，确保组件的垂直对准。
图5A-B描述了根据一个或多个实施例的包括悬挂的U形转弯芯片502的PIC组件500。PIC组件500包括连接到悬挂U形转弯芯片502的PIC芯片505和SOA模块。SOA模块包括SOA阵列芯片501和载体503。图5A是PIC组件500的截面图，且图5B是PIC组件500的俯视图。PIC芯片505和U形转弯芯片502被制作在同一晶片上(例如，类似于以上关于图4A描述的实施例)。当U形转弯芯片502的底部被空腔或通孔510挖空时，U形转弯芯片502不是从晶片上被切下，而是通过挠曲件509附接和悬挂。U形转弯芯片502有一点自由度以在平面内移动，而平面外移动受到约束。这确保了PIC 505、SOA阵列芯片501和U形转弯芯片502之间的垂直方向对准，但允许U形转弯芯片502向左/向右移动以便适应SOA阵列芯片501的长度上的变化。在组装期间，将载体503上的预组装的SOA 501翻转、对准和键合在PIC芯片505的基座(例如，基座506)上。然后将U形转弯芯片502推向SOA阵列芯片501并用粘合剂508永久固定就位以形成PIC组件500。
图6描述了根据一个或多个实施例的PIC组件600，其中，PIC芯片605包括悬挂的U形转弯芯片602和多个梳状驱动器611。添加梳状驱动器611以使用静电力来在平面内移动U形转弯芯片602。如图所示，梳状驱动器611被配置为在两个正交方向上控制U形转弯芯片602相对于SOA阵列芯片601的平移。梳状驱动器611由U形转弯芯片602和PIC芯片605的部分形成，并且被配置为将U形转弯芯片602相对于SOA阵列芯片601定位。一旦SOA阵列芯片601中的波导与U形转弯芯片602中的那些对准，施加粘合剂608以将U形转弯芯片602永久固定就位。虽然图示了三个梳状驱动器611，但在其他实施例中，PIC芯片605可以包括一个或多个梳状驱动器611。
图7示出了根据一个或多个实施例的包括外腔激光器的PIC组件700的俯视图。PIC组件700包括一个SOA阵列芯片110和一个增益介质芯片701，它们在U形转弯芯片113的帮助下被封装到包括谐振器718的PIC芯片702。增益介质芯片701和谐振器718形成外腔激光器(ECL)，即本实施例中的激光源。谐振器718和增益介质芯片701共同选择和放大发射光的特定波段。
来自ECL源的光经由波导705被耦合到SOA阵列芯片110中。SOA阵列芯片110以与上面关于图1所述相同的方式对入耦合的光进行操作。
附加配置信息
附图和前面的描述仅通过说明的方式涉及优选实施例。应当注意，根据前面的讨论，本文公开的结构和方法的替代实施例将容易地被认为是可行的替代方案，其可以在不背离所要求保护的原理的情况下被采用。
尽管详细描述包含许多细节，但这些不应被解释为限制本发明的范围，而仅用于说明不同的示例。应当理解，本公开的范围包括以上未详细讨论的其他实施例。在不背离所附权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以在本文公开的方法和装置的布置、操作和细节中做出对本领域技术人员显而易见的各种其他修改、改变和变化。因此，本发明的范围应由所附权利要求及其法律等效物来确定。
以计算机硬件、固件、软件和/或它们的组合来实现替代实施例。可以在有形地包含在机器可读存储设备中以供可编程处理器执行的计算机程序产品中实现实现方式；且可由可编程处理器执行方法步骤，该可编程处理器执行指令程序以通过对输入数据进行操作并产生输出来执行功能。实施例可以有利地在一个或多个计算机程序中实现，该程序可在可编程系统上执行，可编程系统包括：至少一个可编程处理器，其耦合以从数据存储系统接收数据和指令且向数据存储系统发送数据和指令；至少一个输入设备；以及，至少一个输出设备。每个计算机程序都可以用高级过程或面向对象的编程语言来实现，如果需要，或者也可以用汇编或机器语言来实现；且在任何情况下，该语言都可以是编译型或解释型语言。例如，合适的处理器包括通用和专用微处理器。通常，处理器将从只读存储器和/或随机存取存储器接收指令和数据。一般来说，计算机会包括一个或多个用于存储数据文件的大容量存储设备；此类设备包括：磁盘，例如内部硬盘和可移动磁盘；磁光盘；以及，光盘。适用于有形地体现计算机程序指令和数据的存储设备包括所有形式的非易失性存储器，例如包括：半导体存储器设备，例如EPROM、EEPROM和闪存设备；磁盘，例如内部硬盘和可移动盘；磁光盘；以及，CD-ROM盘。上述任何内容都可以由ASIC(专用集成电路)和其他形式的硬件补充或被包含到其中。
Claims (20)
1.一种光子集成电路(PIC)组件，包括：
半导体光放大器(SOA)阵列，所述半导体光放大器(SOA)阵列包括输入SOA和多个SOA，并且所述输入SOA和所述多个SOA被布置为彼此平行；以及
U形转弯芯片，所述U形转弯芯片包括：
分光器，所述分光器被配置为接收从所述输入SOA沿第一方向传播的放大输入光，并将所放大的光分成多个光束；以及
波导组件，所述波导组件被配置为将所述多个光束中的每个引导到所述多个SOA中的对应SOA，其中，所述波导组件将所引导的光束中的每个的传播方向调整为基本平行于与所述第一方向基本相反的第二方向，并且其中，所述多个SOA中的每个被配置为放大它们各自的光束以产生多个放大的输出光束。
2.根据权利要求1所述的PIC组件，其中，所述SOA阵列位于包括正面和与所述正面相反的背面的SOA芯片上，并且输入光在被所述输入SOA放大之前边缘耦合进入所述正面，所放大的输入光通过所述背面边缘耦合进入所述U形转弯芯片，所引导的光束从所述U形转弯芯片边缘耦合进入所述背面，且所述多个放大的输出光束从所述正面边缘耦合出所述SOA芯片。
3.根据权利要求1所述的PIC组件，其中，所述SOA阵列位于耦合到PIC芯片的多个基座的SOA芯片上，所述PIC芯片包括正面，所述SOA芯片被配置为将所述多个放大输出光束输出进入所述正面。
4.根据权利要求3所述的PIC组件，其中，所述U形转弯芯片位于所述SOA阵列芯片的、与所述PIC芯片的所述正面的相反侧上。
5.根据权利要求3所述的PIC组件，还包括耦合到所述SOA芯片的第一侧和垫片的第一侧的载体，其中，所述SOA芯片的第二侧耦合到所述PIC芯片的所述多个基座，并且所述垫片的第二侧耦合到所述U形转弯芯片，其中，所述载体被配置为向所述SOA芯片提供热和结构支撑。
6.根据权利要求3所述的PIC组件，其中，所述U形转弯芯片和所述PIC芯片被制作在同一晶片上，使得所述波导组件中的波导与所述PIC芯片中的波导对准。
7.根据权利要求3所述的PIC组件，其中，所述U形转弯芯片和所述PIC芯片被制作在同一晶片上，并且所述U形转弯芯片经由也被制作在同一晶片上的一个或多个挠曲件耦合到所述PIC芯片并从所述PIC芯片悬挂。
8.根据权利要求7所述的PIC组件，其中，存在由所述U形转弯芯片和所述PIC芯片的部分形成的一个或多个梳状驱动器，其中，所述一个或多个梳状驱动器被配置为相对于所述SOA芯片定位所述U形转弯芯片。
9.根据权利要求8所述的PIC组件，其中，所述一个或多个梳状驱动器控制所述U形转弯芯片相对于所述SOA芯片在两个正交方向上的平移。
10.根据权利要求1所述的PIC组件，还包括：
第二SOA阵列，所述第二SOA阵列包括第二输入SOA和第二多个SOA，并且所述第二输入SOA和所述第二多个SOA被布置为彼此平行并且平行于所述SOA阵列的多个SOA。
11.根据权利要求10所述的PIC组件，还包括：
激光源，所述激光源被配置为发射光；以及
分光器，所述分光器被配置为将所述光至少分成第一光束和第二光束，所述第一光束被提供给所述SOA阵列，且所述第二光束被提供给所述第二SOA阵列。
12.根据权利要求11所述的PIC组件，还包括第一波导和第二波导，所述第一波导被配置为向所述SOA阵列提供所述第一光束，并且所述第二波导被配置为向所述第二SOA阵列提供所述第二光束，其中，所述光在所述第一波导和所述第二波导的入口处的传播方向与在所述第一波导和所述第二波导的输出处的传播方向基本相反。
13.根据权利要求1所述的PIC组件，其中，所述SOA阵列位于被耦合到PIC芯片的SOA芯片上，所述PIC进一步包括：
被耦合到所述PIC芯片的外腔激光(ECL)源，所述ECL源被配置为向所述SOA芯片提供光，所述ECL源包括：
被配置为发射光的光源，
增益介质芯片，以及
谐振器，其中，所述谐振器和所述增益介质芯片共同选择和放大所发射的光的特定波段。
14.根据权利要求1所述的PIC组件，其中，所述多个SOA中的每个被配置为提供相同的放大水平。
15.根据权利要求1所述的PIC组件，其中，所述多个SOA包括第一SOA和第二SOA，并且所述第一SOA和所述第二SOA被配置为提供不同的相应放大的量。
16.根据权利要求1所述的PIC组件，其中，所述PIC是调频连续波(FMCW)LiDAR系统的一部分。
17.一种半导体光放大器(SOA)模块，包括：
位于SOA芯片上的SOA阵列，所述SOA阵列包括输入SOA和多个SOA，并且所述输入SOA和所述多个SOA被布置为彼此平行；以及
与所述SOA芯片耦合的U形转弯芯片，所述U形转弯芯片包括：
分光器，所述分光器被配置为接收从所述输入SOA沿第一方向传播的放大输入光，并将所放大的光分成多个光束；以及
波导组件，所述波导组件被配置为将所述多个光束中的每个引导到所述多个SOA中的对应SOA，其中，所述波导组件将所引导的光束中的每个的传播方向调整为基本平行于与所述第一方向基本相反的第二方向，并且其中，所述多个SOA中的每个被配置为放大它们各自的光束以产生多个放大的输出光束。
18.根据权利要求17所述的SOA模块，还包括载体和垫片，其中，所述载体通过所述垫片与所述U形转弯芯片分离。
19.根据权利要求18所述的SOA模块，其中，所述垫片的尺寸被设置成使得所述SOA阵列的波导和所述U形转弯芯片的波导在同一平面内对准。
20.根据权利要求18所述的SOA模块，其中，所述SOA模块被配置为耦合到光子集成电路芯片。
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