CN115728882A - 一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构，包括激光芯片、全内反射转接结构和硅光芯片，所述激光芯片和所述全内反射转接结构均设置在所述硅光芯片上，所述全内反射转接结构为尖劈形，所述全内反射转接结构的第一侧面覆盖所述激光芯片的出光端口，所述全内反射转接结构的第二侧面覆盖所述硅光芯片的耦合端面，所述耦合端面上设置有入射光栅和无源波导区，所述全内反射转接结构的第三侧面为全反射面；所述全内反射转接结构用于将所述激光芯片的出射光经全内反射后输入到所述硅光芯片的耦合端面。本发明采用激光芯片与硅光芯片的入射光栅进行水平耦合封装，降低了封装成本。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别是涉及一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构及其制备方法。
背景技术
基于硅CMOS(Complementary Metal Oxide Semiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺的硅光芯片在数据传输、光通信、激光雷达、健康医疗等诸多领域有重要的和潜在的应用价值。硅光芯片的信息载体是光。采用芯片外光源，可以避免硅光芯片与激光芯片制作工艺的交叉和芯片热管理等重大难题，但是，实现外光源与硅光芯片输入光波导间的高效光耦合具有非常大的挑战性。
目前，外光源与硅光芯片光波导间的耦合主要采用端面耦合、隐逝波耦合和垂直-光栅耦合方案。在端面和隐逝波耦合方案中，光束从光源侧端出射并沿此方向传播、耦合入波导。这两种方案虽然具有耦合高效、高带宽和偏振不敏感的优点，但外光源与硅光芯片光波导间的对准要求苛刻、工艺特殊且自动化水平低，对测试和封装精度有高要求，在大规模生产中会带来额外的制造成本。而在垂直入射-光栅耦合方案中，外光源出射的光束从硅光波导的上方入射，并利用光栅结构改变入射水平方向的动量大小实现光束耦合入波导。这种方案具有对准容差大的优点，有利于增加回路设计灵活性、降低封装加工成本，但目前垂直入射-光栅耦合所用的光源仅限于面发射光源(Vertical Cavity Surface EmittingLaser，VCSEL)。
发明内容
本发明的目的是提供一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构及其制备方法，降低了封装成本。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构，包括激光芯片、全内反射转接结构和硅光芯片，所述激光芯片安装在所述硅光芯片上，所述全内反射转接结构为尖劈形，所述全内反射转接结构的第一侧面覆盖所述激光芯片的出光端口，所述全内反射转接结构的第二侧面覆盖所述硅光芯片的耦合端面，所述耦合端面上设置有入射光栅和无源波导区，所述全内反射转接结构的第三侧面为全反射面；
所述全内反射转接结构用于将所述激光芯片的出射光经全内反射后输入到所述硅光芯片的耦合端面。
可选地，所述全内反射转接结构的全反射面上设置有金属膜或者介质反射膜。
可选地，所述金属膜的厚度为100nm，所述金属膜的材料为金。
可选地，所述全内反射转接结构的材料为聚合物、玻璃、硅、氮化硅或氮氧化硅。
可选地，所述全内反射转接结构的所述反射面与所述硅光芯片的耦合端面的夹角为38o至41o。
可选地，所述光耦合结构还包括边发射激光器，所述边发射激光器包括所述激光芯片。
可选地，所述激光芯片与所述硅光芯片之间通过设定高度的焊珠固定。
可选地，所述入射光栅为啁啾光栅。
可选地，所述入射光栅为楔形，所述入射光栅的楔形尖端朝向所述无源波导区并与所述无源波导区贴合。
本发明还公开了一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构制备方法，所述激光芯片与硅光芯片的光耦合结构制备方法用于制备所述的激光芯片与硅光芯片的光耦合结构，其特征在于，所述激光芯片与硅光芯片的光耦合结构制备方法包括：
在硅光芯片的第一设定位置上刻蚀入射光栅和无源波导区；
在所述硅光芯片的第二设定位置上固定激光芯片；
在所述激光芯片的出光端面和所述硅光芯片的所述入射光栅之间填充或者沉积全反射转接材料，通过模压成型、光刻成型或者灰度曝光刻蚀将全反射转接材料制作为尖劈形全反射结构；
所述全内反射转接结构用于将所述激光芯片的出射光经全内反射后输入到所述硅光芯片的耦合端面。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明公开了一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构及其制备方法，在激光芯片与硅光芯片的入射光栅之间加入全内反射转接结构，并进行水平耦合封装，可完全在现有微电子或光电子的封装线上完成，可批量自动化生产，降低了封装成本低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构主视方向示意图；
图2为本发明硅光芯片入射光栅的参数示意图；
图3为本发明一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构俯视方向示意图；
图4为本发明一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构制备方法流程示意图；
符号说明：1-激光芯片；2-多量子阱有源区；3-全内反射转接结构；4-入射光栅；5-无源波导区；6-焊珠；7-氧化硅层；8-硅衬底；9-对准标记。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构及其制备方法，降低了封装成本。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
图1为本发明一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构主视方向示意图，如图1所示，一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构，包括激光芯片1、全内反射转接结构3和硅光芯片，所述激光芯片1安装在所述硅光芯片上，所述全内反射转接结构位于激光芯片1与硅光芯片入射光栅4之间。所述全内反射转接结构3为尖劈形。所述全内反射转接结构3的第一侧面覆盖所述激光芯片1的出光端口，所述全内反射转接结构3的第二侧面覆盖所述硅光芯片的耦合端面，所述耦合端面上设置有入射光栅4和无源波导区5，所述全内反射转接结构3的第三侧面为全反射面。入射光栅4的窄端与无源波导区5连接。
所述全内反射转接结构3用于将所述激光芯片1的出射光经全内反射后输入到所述硅光芯片的耦合端面。图1中箭头和虚线为光路。
全内反射转接结构3填充在入射光栅4的上方，与激光芯片1连接，使激光芯片1出射光经全反射后斜入射硅光芯片。
所述全内反射转接结构3的材料为聚合物、玻璃、硅、氮化硅或氮氧化硅等。
作为具体实施方式，全内反射转接结构3的材料为SU-8光刻胶，SU-8光刻胶的折射率为1.56(对应C-波段，波长为1550纳米时)。所述全内反射转接结构3的所述反射面与所述硅光芯片的耦合端面的夹角θ小于90°-sin-1(1/1.56)，即小于50.1°时，满足全反射条件。
作为具体实施方式，所述全内反射转接结构3的所述反射面与所述硅光芯片的耦合端面的夹角θ大小设置为38°至41°，对于满足上述全反射条件具有足够大的加工容差。夹角θ如图2所示。对应的光线进入入射光栅4结构时与垂直方向的夹角θi为8°至14°。
所述硅光芯片包括楔形的入射光栅4、无源波导区5、氧化硅层7、硅衬底8和对准标记9。硅衬底8上方从上至下依次为顶层硅和氧化硅层7。利用光刻和等离子体刻蚀氧化硅层7上方的顶层硅，制备出入射光栅4和无源波导区5，作为外光源向硅光芯片的光耦合器。如图3所示，所述入射光栅4的楔形尖端朝向无源波导区5并与之贴合。无源波导区5宽度范围可为400-5000nm，对应厚度范围可为220-3000nm。作为优选，无源波导区5宽度d为450nm，厚度为340nm。
对准标记9设置在硅光芯片上，用于激光芯片1与硅光芯片的连接面对准固定。
通过调节入射光栅4的刻蚀深度、光栅周期和占空比(f，定义为刻蚀宽度占周期宽度的比例)等参数优化耦合强度，如图2所示，光栅周期总数为12个，各个周期长度和周期内占空比(f)如图所示，作为优选，刻蚀深度为220纳米。
无源波导区5为无源硅光无源波导区5。作为优选，所述入射光栅4为啁啾光栅。
本发明一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构还包括边发射激光器，所述边发射激光器包括所述激光芯片1。
作为具体实施方式，全内反射转接结构3的第一侧面覆盖边发射激光器的出光端口上。
边发射激光器包括依次设置的上包覆层、多量子阱有源层和下包覆层，多量子阱有源层的材料为磷砷化镓铟(InGaAsP)，上包覆层和下包覆层的材料为磷化铟(InP)。
所述激光芯片1的中心线与所述对准标记9的连线对准，再通过设定高度的焊珠6将激光芯片1固定在所述硅光芯片上。
本发明在激光芯片1和硅光芯片的入射光栅4之间加入全内反射转接结构3，通过合理设计全反角和光栅周期，利用全内反射转接结构3把激光芯片1水平输出的光转向投射到入射光栅4上，使得入射波矢量、光栅矢量与硅波导中波矢量三者满足光栅方程，再通过光栅改变入射光水平动量大小，从而完成光到硅光芯片的无源波导区5的有效耦合。
实施例2
图1为本发明一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构主视方向示意图，如图1所示，一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构，包括激光芯片1、全内反射转接结构3和硅光芯片，所述激光芯片1安装在所述硅光芯片上，所述全内反射转接结构位于激光芯片1与硅光芯片入射光栅4之间。所述全内反射转接结构3为尖劈形。所述全内反射转接结构3的第一侧面覆盖所述激光芯片1的出光端口，所述全内反射转接结构3的第二侧面覆盖所述硅光芯片的耦合端面，所述耦合端面上设置有入射光栅4和无源波导区5，所述全内反射转接结构3的第三侧面为全反射面。入射光栅4的窄端与无源波导区5连接。
所述全内反射转接结构3用于将所述激光芯片1的出射光经全内反射后输入到所述硅光芯片的耦合端面。图1中箭头和虚线为光路。
全内反射转接结构3填充在入射光栅4的上方，与激光芯片1连接，使激光芯片1出射光经全反射后斜入射硅光芯片。
所述全内反射转接结构3的材料为聚合物、玻璃、硅、氮化硅或氮氧化硅等。
作为具体实施方式，全内反射转接结构3的材料为SU-8光刻胶，SU-8光刻胶的折射率为1.56(对应C-波段，波长为1550纳米时)。所述全内反射转接结构3的所述反射面与所述硅光芯片的耦合端面的夹角θ小于90°-sin-1(1/1.56)，即小于50.1°时，满足全反射条件。
作为具体实施方式，所述全内反射转接结构3的所述反射面与所述硅光芯片的耦合端面的夹角θ大小设置为38°至41°，对于满足上述全反射条件具有足够大的加工容差。夹角θ如图2所示。对应的光线进入入射光栅4结构时与垂直方向的夹角θi为8°至14°。
所述全内反射转接结构3的全反射面上设置金属膜或者介质反射膜。
金属膜制备方法为蒸镀。
作为优选，所述金属膜的材料为金，所述金膜的厚度为100nm。
金属膜和介质反射膜构成反射层，能够提高反射率，进一步增大全反结构倾角的容差，减少散射损耗。
所述硅光芯片包括楔形的入射光栅4、无源波导区5、氧化硅层7、硅衬底8和对准标记9。硅衬底8上方从上至下依次为顶层硅和氧化硅层7。利用光刻和等离子体刻蚀氧化硅层7上方的顶层硅，制备出入射光栅4和无源波导区5，作为外光源向硅光芯片的光耦合器。如图3所示，所述入射光栅4的楔形尖端朝向无源波导区5并与之贴合。无源波导区5宽度范围可为400-5000nm，对应厚度范围可为220-3000nm。作为优选，无源波导区5宽度d为450nm，厚度为340nm。
通过调节入射光栅4的刻蚀深度、光栅周期和占空比(f，定义为刻蚀宽度占周期宽度的比例)等参数优化耦合强度，如图2所示，光栅周期总数为12个，各个周期长度和周期内占空比(f)如图所示，作为优选，刻蚀深度为220纳米。
无源波导区5为无源硅光无源波导区5。作为优选，所述入射光栅4为啁啾光栅。
本发明一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构还包括边发射激光器，所述边发射激光器包括所述激光芯片1。
作为具体实施方式，全内反射转接结构3的第一侧面覆盖边发射激光器的出光端口上。
边发射激光器包括依次设置的上包覆层、多量子阱有源层和下包覆层，多量子阱有源层的材料为磷砷化镓铟(InGaAsP)，上包覆层和下包覆层的材料为磷化铟(InP)。
所述激光芯片1的中心线与所述对准标记9的连线对准，再通过设定高度的焊珠6将激光芯片1固定在所述硅光芯片上。
本发明在激光芯片1和硅光芯片的入射光栅4之间加入全内反射转接结构3，通过合理设计全反角和光栅周期，利用全内反射转接结构3把激光芯片1水平输出的光转向投射到入射光栅4上，使得入射波矢量、光栅矢量与硅波导中波矢量三者满足光栅方程，再通过光栅改变入射光水平动量大小，从而完成光到硅光芯片的无源波导区5的有效耦合。
实施例3
图1为本发明一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构主视方向示意图，如图1所示，一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构，包括激光芯片1、全内反射转接结构3和硅光芯片，所述激光芯片1安装在所述硅光芯片上，所述全内反射转接结构位于激光芯片1与硅光芯片入射光栅4之间。所述全内反射转接结构3为尖劈形。所述全内反射转接结构3的第一侧面覆盖所述激光芯片1的出光端口，所述全内反射转接结构3的第二侧面覆盖所述硅光芯片的耦合端面，所述耦合端面上设置有入射光栅4和无源波导区5，所述全内反射转接结构3的第三侧面为全反射面。入射光栅4的窄端与无源波导区5连接。
所述全内反射转接结构3用于将所述激光芯片1的出射光经全内反射后输入到所述硅光芯片的耦合端面。图1中箭头和虚线为光路。
全内反射转接结构3填充在入射光栅4的上方，与激光芯片1连接，使激光芯片1出射光经全反射后斜入射硅光芯片。
所述全内反射转接结构3的材料为非晶硅。先通过选取沉积非晶硅在激光芯片1与硅光芯片入射光栅4之间进行填充，再利用灰度曝光刻蚀出全内反射转接结构3的第三侧面(全反射面)。
作为具体实施方式，全内反射转接结构3的材料为非晶硅，非晶硅的折射率为3.48(对应C-波段，波长为1550纳米时)。所述全内反射转接结构3的所述反射面与所述硅光芯片的耦合端面的夹角θ小于90°-sin-1(1/3.48)，即小于73.3o时，满足全反射条件。
作为具体实施方式，所述全内反射转接结构3的所述反射面与所述硅光芯片的耦合端面的夹角θ大小设置为38°至41°，对于满足上述全反射条件具有足够大的加工容差。夹角θ如图2所示。对应的光线进入入射光栅4结构时与垂直方向的夹角θi为8°至14°。
所述硅光芯片包括楔形的入射光栅4、无源波导区5、氧化硅层7、硅衬底8和对准标记9。硅衬底8上方从上至下依次为顶层硅和氧化硅层7。利用光刻和等离子体刻蚀氧化硅层7上方的顶层硅，制备出入射光栅4和无源波导区5，作为外光源向硅光芯片的光耦合器。如图3所示，所述入射光栅4的楔形尖端朝向无源波导区5并与之贴合。无源波导区5宽度范围可为400-5000nm，对应厚度范围可为220-3000nm。作为优选，无源波导区5宽度d为450nm，厚度为340nm。
通过调节入射光栅4的刻蚀深度、光栅周期和占空比(f，定义为刻蚀宽度占周期宽度的比例)等参数优化耦合强度，如图2所示，光栅周期总数为12个，各个周期长度和周期内占空比(f)如图所示，作为优选，刻蚀深度为220纳米。
无源波导区5为无源硅光无源波导区5。作为优选，所述入射光栅4为啁啾光栅。
本发明一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构还包括边发射激光器，所述边发射激光器包括所述激光芯片1。
作为具体实施方式，全内反射转接结构3的第一侧面覆盖边发射激光器的出光端口上。
边发射激光器包括依次设置的上包覆层、多量子阱有源层和下包覆层，多量子阱有源层的材料为磷砷化镓铟(InGaAsP)，上包覆层和下包覆层的材料为磷化铟(InP)。
所述激光芯片1的中心线与所述对准标记9的连线对准，再通过设定高度的焊珠6将激光芯片1固定在所述硅光芯片上。
本发明在激光芯片1和硅光芯片的入射光栅4之间加入全内反射转接结构3，通过合理设计全反角和光栅周期，利用全内反射转接结构3把激光芯片1水平输出的光转向投射到入射光栅4上，使得入射波矢量、光栅矢量与硅波导中波矢量三者满足光栅方程，再通过光栅改变入射光水平动量大小，从而完成光到硅光芯片的无源波导区5的有效耦合。
实施例4
本发明一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构制备方法用于制备所述的激光芯片与硅光芯片的光耦合结构。
图4为本发明一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构制备方法流程示意图，如图4所示，一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构制备方法包括：
步骤101：在硅光芯片的第一设定位置上刻蚀入射光栅及硅波导。
其中，步骤101具体包括：
在硅光芯片上利用光刻和等离子体刻蚀顶层硅，制备出硅波导和楔形的光栅结构，作为外光源向硅光芯片的光耦合器。此光栅可以是均匀光栅、啁啾光栅、聚焦光栅或变折射率光栅。作为优选，入射光栅为啁啾光栅。
步骤102：在所述硅光芯片的第二设定位置上固定激光芯片。
其中，步骤102具体包括，在所述硅光芯片上预设对准标记，在所述硅光芯片的第二设定位置上安装设定高度的焊珠，将激光芯片对准固定在硅光芯片上。
步骤103：在所述激光芯片的出光端面和所述硅光芯片的所述入射光栅之间填充或者沉积全反射转接材料，通过模压成型或光刻成型将全反射转接材料制作为尖劈形。
所述全内反射转接结构的第一侧面覆盖所述激光芯片的出光端口，所述全内反射转接结构的第二侧面覆盖所述硅光芯片的耦合端面，所述耦合端面上设置有入射光栅和无源波导区，所述全内反射转接结构的第三侧面为全反射面。
本发明激光芯片的出射光工作于O-，C-，L-等波段。作为优选，工作波段为C-波段，更优选的，波长为1550纳米。
本发明的有益技术效果如下。
1、本发明通过在波导的上方引入尖劈形介质全反射转接结构，使得光源出射光在介质与空气界面发生全反射后斜入射下方的硅光波导输入光栅。相比于现有的端面和隐逝波耦合方案，对于波导和光源的对准精度要求低，加工容差大，有利于增加回路设计灵活性、降低加工封装成本。
2、另一方面，相比于传统的采用面发射光源或光纤的垂直入射-光栅耦合，本发明中入射光栅的光线与垂直方向之间的倾角可以通过全反射转接结构轻易调节，此倾角可以有效抑制光耦合过程中的背向反射，提高耦合效率。
3、本发明中的介质全反射转接结构同时可以起到保护耦合光栅、防止光栅灰尘沉积、调节耦合区域折射率匹配等作用，进一步提高结构稳定性、减小耦合损耗。
4、本发明引入的全反射转接结构加工简单，可完全在现有微电子或光电子的封装线上完成，不引入额外加工步骤，因此可批量放大自动化生产，具有广泛的应用前景。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的结构、方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构，其特征在于，包括激光芯片、全内反射转接结构和硅光芯片，所述激光芯片安装在所述硅光芯片上，所述全内反射转接结构为尖劈形，所述全内反射转接结构的第一侧面覆盖所述激光芯片的出光端口，所述全内反射转接结构的第二侧面覆盖所述硅光芯片的耦合端面，所述耦合端面上设置有入射光栅和无源波导区，所述全内反射转接结构的第三侧面为全反射面；
所述全内反射转接结构用于将所述激光芯片的出射光经全内反射后输入到所述硅光芯片的耦合端面。
2.根据权利要求1所述的激光芯片与硅光芯片的光耦合结构，其特征在于，所述全内反射转接结构的全反射面上设置有金属膜或者介质反射膜。
3.根据权利要求2所述的激光芯片与硅光芯片的光耦合结构，其特征在于，所述金属膜的厚度为100nm，所述金属膜的材料为金。
4.根据权利要求1所述的激光芯片与硅光芯片的光耦合结构，其特征在于，所述全内反射转接结构的材料为聚合物、玻璃、硅、氮化硅或氮氧化硅。
5.根据权利要求1所述的激光芯片与硅光芯片的光耦合结构，其特征在于，所述全内反射转接结构的所述反射面与所述硅光芯片的耦合端面的夹角为38°至41°。
6.根据权利要求1所述的激光芯片与硅光芯片的光耦合结构，其特征在于，所述光耦合结构还包括边发射激光器，所述边发射激光器包括所述激光芯片。
7.根据权利要求1所述的激光芯片与硅光芯片的光耦合结构，其特征在于，所述激光芯片与所述硅光芯片之间通过设定高度的焊珠固定。
8.根据权利要求1所述的激光芯片与硅光芯片的光耦合结构，其特征在于，所述入射光栅为啁啾光栅。
9.根据权利要求1所述的激光芯片与硅光芯片的光耦合结构，其特征在于，所述入射光栅为楔形，所述入射光栅的楔形尖端朝向所述无源波导区并与所述无源波导区贴合。
10.一种激光芯片与硅光芯片的光耦合结构制备方法，所述激光芯片与硅光芯片的光耦合结构制备方法用于制备权利要求1-9任一项所述的激光芯片与硅光芯片的光耦合结构，其特征在于，所述激光芯片与硅光芯片的光耦合结构制备方法包括：
在硅光芯片的第一设定位置上刻蚀入射光栅和无源波导区；
在所述硅光芯片的第二设定位置上固定激光芯片；
在所述激光芯片的出光端面和所述硅光芯片的所述入射光栅之间填充或者沉积全反射转接材料，通过模压成型、光刻成型或者灰度曝光刻蚀将全反射转接材料制作为尖劈形；
所述全内反射转接结构用于将所述激光芯片的出射光经全内反射后输入到所述硅光芯片的耦合端面。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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