CN117130095A - 光电子芯片、芯片堆叠封装系统及多层芯片的光连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光电子芯片，当该光电子芯片需要与上方芯片层和/或下方芯片层进行光连接时，在该光电子芯片器件层上设置光栅耦合器，并对光栅耦合器的结构和参数进行设计。本发明还公开一种芯片堆叠封装系统及多层芯片的光连接方法。利用光栅耦合器光衍射方向可通过结构和参数的设计灵活改变的特性，以及工作光波长可穿透整个光电子芯片的原理，实现多层光电子芯片间的自由光连接，进而在高度维度上大幅提高光子集成芯片的集成度。
Description
技术领域
本发明涉及集成芯片技术领域，尤其涉及一种光电子芯片、芯片堆叠封装系统及多层芯片的光连接方法。
背景技术
随着计算量和数据吞吐量的提升，对光电子集成芯片的集成度需求也不断提高。集成度的提高可以通过使用特征尺寸更小的工艺在单颗芯片上制作更多光电子器件实现，但经过多年的发展，半导体加工工艺的精度已接近物理极限。多层芯片堆叠是另一种增加集成度的方法，通过芯片堆叠可以实现在工艺精度不变的情况下，在高度维度上使光电子器件数量成倍的增加。
多层芯片堆叠需要攻克多层芯片间信号互连的难题。得益于TSV技术的发展，多层芯片间的电信号连接目前已非常成熟，而对于多层芯片间的光信号连接目前业界还缺少公认有效的方案。Luxtera公司提出一种PCB、光子集成芯片、电子集成芯片组合件，公开号为US10365447B2，其将光栅耦合器的光连接方向从正面改到背面，进而优化了光子集成芯片与电子芯片和PCB的封装方案，但没有增加光子集成芯片高度维度上的集成度。格罗方德半导体公司提出一种在光波导之间用于光信号传输的具有垂直对准光栅耦合器的多芯片模块，公开号为CN107817562B，其光栅耦合器均为芯片正面出光，难以做到3颗或3颗以上芯片的光连接，对集成度的提升幅度有限，且层间光互连方式自由度低。
因此，现有的光电子芯片间的光连接只局限于双层芯片间，即第一层光电子芯片的一个光栅耦合器与第二层光电子芯片的一个光栅耦合器进行光连接，且两光电子芯片的位置关系为“正面对正面”，使得组合后的双层芯片均为背面(衬底)向外，不便于进行光学和电学封装，且仅能支持最多两层光电子芯片之间的光信号连接，光互连方式自由度低。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种光电子芯片、芯片堆叠封装系统及多层芯片的光连接方法。
为了对披露的实施例的一些方面有一个基本的理解，下面给出了简单的概括。该概括部分不是泛泛评述，也不是要确定关键/重要组成元素或描绘这些实施例的保护范围。其唯一目的是用简单的形式呈现一些概念，以此作为后面的详细说明的序言。
本发明采用如下技术方案：
本发明公开一种光电子芯片，在由至少两个光电子芯片堆叠形成的封装系统中，当该光电子芯片仅需与上方芯片层进行光连接时，该光电子芯片的器件层上设置结构参数设计为向上方衍射强度最大的光栅耦合器；
当该光电子芯片仅需与下方芯片层进行光连接时，该光电子芯片的器件层上设置结构参数设计为向下方衍射强度最大的光栅耦合器；
当该光电子芯片需同时与上方及下方的芯片层进行光连接时，该光电子芯片的器件层上设置光栅耦合器，且该光栅耦合器结构参数设计为当光从同层波导入射到该光栅耦合器时，使向上方和向下方衍射的光强度成一定比例；
当该光电子芯片位于最上方用于发射光信号的光电子芯片与最下方用于接收光信号的光电子芯片之间时，该光电子芯片的器件层上设置光栅耦合器，且该光栅耦合器结构参数设计为接收上方光信号时，耦合进入该芯片层的光强度与穿透该芯片层的光强度成一定比例；
当该光电子芯片需要使来自于其他芯片层的光穿过时，该光电子芯片的器件层开设器件层窗口。
进一步的，该光电子芯片的器件层的材料为非晶硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅、铌酸锂、三五族材料中的一种或多种。
进一步的，当该光电子芯片仅需与下方芯片层进行光连接时，该光电子芯片上与下方芯片层进行耦合对准的光栅耦合器的上方上包层中设置金属反射镜。
进一步的，当该光电子芯片仅需与上方芯片层进行光连接时，该光电子芯片上与上方芯片层进行耦合对准的光栅耦合器的下方衬底去除，并在下方埋氧层底部设置金属反射镜。
进一步的，当光需要透过该光电子芯片时，该光电子芯片的衬底层背面设置增透膜，或，该光电子芯片的衬底层上开设衬底窗口。
本发明还公开一种芯片堆叠封装系统，包括：若干个由所述的光电子芯片纵向堆叠而形成的结构。
进一步的，相邻光电子芯片之间的层间填充材料为紫外固化胶、PMMA、HSQ中的一种或几种。
进一步的，该芯片堆叠封装系统中的光电子芯片上用于与其他芯片层进行光连接的光栅耦合器的光出射/入射方向在芯片法线与光栅波导方向所在的平面内，并与芯片法线之间具有夹角θ，处于光连接状态的不同芯片层上的光栅耦合器的出射/入射光在芯片表面的投影方向上有距离L，其中，n为连接光穿过的材料层数，Hi为第i层的厚度，θi为连接光折射到第i层时与芯片法线的夹角。
本发明还公开一种多层芯片的光连接方法，应用于所述的光电子芯片之间的光连接，或应用于所述的芯片堆叠封装系统中的光电子芯片之间的光连接；该方法包括如下步骤：
确认光电子芯片是否需要与上方芯片层和/或下方芯片层进行光连接；
当光电子芯片仅需与上方芯片层进行光连接时，在该光电子芯片的器件层上设置结构参数设计为向上方衍射强度最大的光栅耦合器；
当光电子芯片仅需与下方芯片层进行光连接时，在该光电子芯片的器件层上设置结构参数设计为向下方衍射强度最大的光栅耦合器；
当光电子芯片需同时与上方及下方的芯片层进行光连接时，在该光电子芯片的器件层上设置光栅耦合器，且该光栅耦合器结构参数设计为当光从同层波导入射到该光栅耦合器时，使向上方和向下方衍射的光强度成一定比例；
当光电子芯片位于最上方用于发射光信号的光电子芯片与最下方用于接收光信号的光电子芯片之间时，在该光电子芯片的器件层上设置光栅耦合器，且该光栅耦合器结构参数设计为接收上方光信号时，耦合进入该芯片层的光强度与穿透该芯片层的光强度成一定比例；
当光电子芯片需要使来自于其他芯片层的光穿过时，在该光电子芯片的器件层上开设器件层窗口。
进一步的，所述的一种多层芯片的光连接方法，还包括：当光电子芯片仅需与下方芯片层进行光连接时，在该光电子芯片上与下方芯片层进行耦合对准的光栅耦合器的上方上包层中设置金属反射镜；
当光电子芯片仅需与上方芯片层进行光连接时，将该光电子芯片上与上方芯片层进行耦合对准的光栅耦合器的下方衬底去除，并在下方埋氧层底部设置金属反射镜；
当光需要透过光电子芯片时，在光电子芯片的衬底层背面设置增透膜，或，在光电子芯片的衬底层上开设衬底窗口。
本发明所带来的有益效果：利用光栅耦合器光衍射方向可通过结构和参数的设计灵活改变的特性，以及工作光波长可穿透整个光电子芯片的原理，实现多层光电子芯片间的自由光连接，例如在多层芯片堆叠封装系统中实现一层与任意其他一层的光信号连接、一层与任意其他多层的光信号连接，进而在高度维度上大幅提高光子集成芯片的集成度。
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，下面将对实施例或现有技术描述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它的附图。
图1是本发明光电子芯片的第一种跨层光连接示意图；
图2是本发明光电子芯片的第二种跨层光连接示意图；
图3是本发明光电子芯片的第三种跨层光连接示意图；
图4是本发明光电子芯片的第四种跨层光连接示意图；
图5是本发明光电子芯片的第五种跨层光连接示意图；
图6是本发明光电子芯片的第六种跨层光连接示意图；
图7是本发明芯片堆叠封装系统的光连接示意图；
图8是本发明层间光连接示例图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。应当明确，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
光栅耦合器是制作在光电子芯片上，与外界如光纤、激光器、光探测器进行光连接的光接口器件，可利用光相干衍射原理使光电子芯片光波导中传输的光近似垂直的从芯片表面或背面出射，或使与芯片表面或背面近似垂直的光耦合进入光电子芯片的光波导中。
传统光栅耦合器的设计思路局限于使其从单个方向出光，即让波导中的光最大化的向上(芯片正面)衍射或最大化的向下(芯片背面)衍射。应用场景大都局限于芯片上波导与光纤、激光器、光探测器的光耦合。增加光栅耦合器的衍射方向的一致性虽然能降低光损耗，但同时限制了光连接的自由度。
根据光栅耦合器本身的物理性质可知：
第一，光从芯片上的光波导入射到光栅耦合器后，光向上衍射与向下衍射的能量比例可通过改变光栅的结构和参数进行调节；
第二，光从芯片正面入射到光栅耦合器后，耦合进芯片光波导和穿透光栅耦合器从背面出射的能量比例可通过改变光栅的结构和参数进行调节；同理，光从芯片背面入射到光栅耦合器后，耦合进芯片光波导和穿透光栅耦合器从正面出射的能量比例也可通过改变光栅的结构和参数进行调节。
第三，组成光电子芯片的各材料层，即上包层1、器件层2、埋氧层3、衬底层4均可让工作光波长透过。
因此，本发明提出使用光栅耦合器作为多层光电子芯片间自由光连接的基础器件，通过堆叠多层光电子芯片和光电子芯片器件层上的光栅耦合器，在高度维度上大幅提高光子集成芯片的集成度。其中，光栅耦合器的衍射光方向和强度比例设计方法在本专业领域属于众所周知，本文不再赘述。
如图1-6所示，为六种光电子芯片的跨层光连接示意图，自下至上分别为三层光电子芯片，分别标注为第一光电子芯片PIC1、第二光电子芯片PIC2与第三光电子芯片PIC3，且各芯片均具有上包层1、器件层2、埋氧层3与衬底层4。图1-6仅以三层芯片进行举例说明，本发明可扩展至三层以上的光电子芯片的堆叠以及芯片之间的光互连。
在一些说明性的实施例中，本发明提供一种光电子芯片，在由至少两个光电子芯片堆叠形成的封装系统中：
如图1-6所示，当该光电子芯片仅需与上方芯片层进行光连接时，如第一光电子芯片PIC1，此时在第一光电子芯片PIC1的器件层2上设置第一光栅耦合器105，且第一光栅耦合器105的结构参数设计为向上方衍射强度最大。
如图1-6所示，当该光电子芯片仅需与下方芯片层进行光连接时，下方芯片层可以为下方的一个芯片层或多个芯片层，如第三光电子芯片PIC3，此时在第三光电子芯片PIC3的器件层2上设置第三光栅耦合器305，且第三光栅耦合器305的结构参数设计为向下方衍射强度最大。
如图3、4所示，当该光电子芯片需同时与上方芯片层及下方芯片层进行光连接时，如第二光电子芯片PIC2，此时在第二光电子芯片PIC2的器件层2上设置第二光栅耦合器205，且第二光栅耦合器205的结构参数设计为当光从同层波导入射到第二光栅耦合器205时，使向上方衍射的光强度P1和向下方衍射的光强度P2成一定比例，P1：P2的具体比值可根据芯片设计要求进行选择。
如图5、6所示，当该光电子芯片位于最上方用于发射光信号的光电子芯片与最下方用于接收光信号的光电子芯片之间时，如第二光电子芯片PIC2位于第三光电子芯片PIC3与第一光电子芯片PIC1之间，此时在第二光电子芯片PIC2的器件层2上设置第二光栅耦合器205，且第二光栅耦合器205的结构参数设计为接收上方光信号时，耦合进入该芯片层的光强度P3与穿透该芯片层的光强度P4成一定比例，P3：P4的具体比值可根据芯片设计要求进行选择。
如图1、2所示，当该光电子芯片需要使来自于其他芯片层的光穿过时，如第二光电子芯片PIC2，此时在第二光电子芯片PIC2的器件层2上开设器件层窗口201。器件层窗口201开设在光需要透过的区域，以减小折射率差造成的菲涅尔反射，实现更高的透过率。具体是刻蚀去除该光电子芯片需透光位置的器件层后，使上包层材料填充进器件层被去除的位置，最终形成器件层透光窗口。
光电子芯片的器件层2的材料为非晶硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅、铌酸锂、三五族材料中的一种或多种，可使光栅耦合器向上和向下衍射比例调节范围增大，便于调节出适合多层芯片叠加的衍射比例。衬底层4的材料可以是硅、氧化硅、氮化硅、铌酸锂、三五族材料中的一种或多种。
进一步的，如图1-6所示，当光电子芯片仅需与下方芯片层进行光连接时，如第三光电子芯片PIC3，此时第三光电子芯片PIC3上与下方芯片层进行耦合对准的第三光栅耦合器305的上方上包层1中设置金属反射镜6，金属反射镜6的设计实现完全向下反射，降低光传输损失率。同时，当光电子芯片仅需与上方芯片层进行光连接时，如第一光电子芯片PIC1，此时第一光电子芯片PIC1上与上方芯片层进行耦合对准的第一光栅耦合器105的下方衬底去除，并在下方埋氧层3的底部设置金属反射镜6，以实现完全向上衍射，可进一步降低光传输损失率。
金属反射镜6的材料可以是铝、钛、铂、金、银、铜等金属，也可以是能与上包层一起形成布拉格反射条件的光学材料。
如图1、3、5所示，当光需要透过光电子芯片时，如第二光电子芯片PIC2与第三光电子芯片PIC3，此时在光电子芯片的衬底层4背面进行减薄抛光，并设置增透膜7，以实现更高的透过率，或者，如图2、4、6所示，当光需要透过光电子芯片时，如第二光电子芯片PIC2与第三光电子芯片PIC3，此时在光电子芯片的衬底层4上开设衬底窗口401，减小折射率差造成的菲涅尔反射，实现更高的透过率。
增透膜7的材料可以是任何能形成光相干增强从而增加透射率的光学材料。
当光电子芯片需要与上方芯片层进行光连接，以及需要使来自于上方/下方芯片层的光透过时，该光电子芯片的器件层所设置的光栅耦合器的上方上包层中不能设置影响光信号传输的除上包层以外的其他结构。
本发明还提供一种芯片堆叠封装系统，包括：中阶层8以及若干个由光电子芯片纵向堆叠而形成的结构，如图7所示，以三层芯片堆叠为例，该结构由第一光电子芯片PIC1、第二光电子芯片PIC2、第三光电子芯片PIC3构成，但本发明可扩展至三层以上的光电子芯片之间的光互连。
如图7所示，中阶层8位于最下方，第一光电子芯片PIC1紧邻中阶层8并位于中阶层8上方，第二光电子芯片PIC2紧邻第一光电子芯片PIC1并位于第一光电子芯片PIC1上方，第三光电子芯片PIC3紧邻第二光电子芯片PIC2并位于第二光电子芯片PIC2上方。
每一层的光电子芯片都通过贯穿衬底层的硅通孔9及微凸起10彼此电连接，并且电连接至中阶层8。每一层的光电子芯片和中阶层8都使用填充材料进行固定，相邻光电子芯片之间的层间填充材料为对工作光波导透明的且具有粘合芯片作用的紫外固化胶、PMMA、HSQ中的一种或几种。将中阶层8与上方堆叠的芯片用硅通孔9以及微凸起10进行电连接在所属技术领域中属于众所周知，故省略详细内容。
图7中，在各层光电子芯片中均设置有光栅耦合器，为便于说明芯片堆叠封装系统具体的光连接方式，将图7中第三光电子芯片PIC3器件层设置的光栅耦合器分别标记为GC1、GC2、GC4、GC6、GC9、GC12；将图7中第二光电子芯片PIC2器件层设置的光栅耦合器分别标记为GC3、GC7、GC10；将图7中第一光电子芯片PIC1器件层设置的光栅耦合器分别标记为GC5、GC8、GC11。
每一层光电子芯片的器件层上设置有激光器、光调制器、光复用解复用器、光路由器、光放大器、光探测器等器件中的一种或多种，这些器件通过器件层上的光波导进行光连接。在最上层的第三光电子芯片PIC3器件层上可设置GC1和GC12用于与外部光纤11进行光连接，其中GC1可用于耦合接收外部输入光纤中的光信号，GC12可用于将第三光电子芯片PIC3中的光信号耦合发射至外部输出光纤，输入和输出光纤与第三光电子芯片PIC3的表面接近垂直耦合。
设置于第三光电子芯片PIC3上的GC2与第三光电子芯片PIC3上的光波导相连接；设置于第二光电子芯片PIC2上的GC3与第二光电子芯片PIC2上的光波导相连接。GC2与GC3垂直对准或接近垂直对准，可实现第三光电子芯片PIC3与第二光电子芯片PIC2的相邻层之间光连接。其中GC2的结构参数设计为使光波导中的光向芯片背面衍射强度最大；GC3的结构参数设计为使光波导中的光向芯片正面衍射强度最大。
设置于第三光电子芯片PIC3上的GC4与第三光电子芯片PIC3上的光波导相连接；设置于第一光电子芯片PIC1上的GC5与第一光电子芯片PIC1上的光波导相连接。GC4与GC5垂直对准或接近垂直对准，光在大约垂直通过第二光电子芯片PIC2时，因为芯片各层对于工作光波长透明，可实现第三光电子芯片PIC3与第一光电子芯片PIC1的非相邻层之间的跨层光连接。其中GC4的结构参数设计为使光波导中的光向芯片背面衍射强度最大；GC5的结构参数设计为使光波导中的光向芯片正面衍射强度最大。
设置于第三光电子芯片PIC3上的GC6与第三光电子芯片PIC3上的光波导相连接；设置于第二光电子芯片PIC2上的光栅耦合器GC7与第二光电子芯片PIC2上的光波导相连接；设置于第一光电子芯片PIC1上的GC8与第一光电子芯片PIC1上的光波导相连接。GC6、GC7、GC8垂直对准或接近垂直对准，可实现第二光电子芯片PIC2同时与第一光电子芯片PIC1、第三光电子芯片PIC3进行单层到多层的光连接。其中GC7的结构参数设计为使光波导中的光向芯片表面衍射强度与向芯片背面衍射强度相等(根据使用需求也可设计为非等分强度)；GC6的结构参数设计为使光波导中的光向芯片背面衍射强度最大；GC8的结构参数设计为使光波导中的光向芯片正面衍射强度最大。
设置于第三光电子芯片PIC3上的GC9与第三光电子芯片PIC3上的光波导相连接；设置于第二光电子芯片PIC2上的GC10与第二光电子芯片PIC2上的光波导相连接；设置于第一光电子芯片PIC1上的GC11与第一光电子芯片PIC1上的光波导相连接。GC9、GC10、GC11垂直对准或接近垂直对准，可实现第三光电子芯片PIC3同时与第一光电子芯片PIC1、第二光电子芯片PIC2的单层到多层的光连接。其中GC10的结构参数设计为使芯片正面入射的光向光波导耦合的强度与透过GC10继续向芯片背面出射的强度相等(根据使用需求也可设计为非等分强度)；GC9的结构参数设计为使光波导中的光向芯片背面衍射强度最大；GC11的结构参数设计为使光波导中的光向芯片正面衍射强度最大。
芯片堆叠封装系统中的光电子芯片上用于与其他芯片层进行光连接的光栅耦合器的光出射/入射方向在芯片法线与光栅波导方向所在的平面内，并与芯片法线之间具有夹角θ，处于光连接状态的不同芯片层上的光栅耦合器的出射/入射光在芯片表面的投影方向上有距离L，其中，n为连接光穿过的材料层数，Hi为第i层的厚度，θi为连接光折射到第i层时与芯片法线的夹角，以保证出射/入射光在各芯片间顺利传输。
本发明还提供一种多层芯片的光连接方法，应用于若干光电子芯片之间的光连接，或应用于芯片堆叠封装系统中的光电子芯片之间的光连接，该方法包括如下步骤：
步骤一：确认光电子芯片是否需要与上方芯片层和/或下方芯片层进行光连接。
步骤二：如图1-6所示，当光电子芯片仅需与上方芯片层进行光连接时，如第一光电子芯片PIC1，此时在第一光电子芯片PIC1的器件层2上设置第一光栅耦合器105，且第一光栅耦合器105的结构参数设计为向上方衍射强度最大。
同时，在第三光电子芯片PIC3上与下方芯片层进行耦合对准的第三光栅耦合器305的上方上包层1中设置金属反射镜6，金属反射镜6的设计实现完全向下反射，降低光传输损失率。
步骤三：如图1-6所示，当光电子芯片仅需与下方芯片层进行光连接时，下方芯片层可以为下方的一个芯片层或多个芯片层，如第三光电子芯片PIC3，此时在第三光电子芯片PIC3的器件层2上设置第三光栅耦合器305，且第三光栅耦合器305的结构参数设计为向下方衍射强度最大。
同时，将第一光电子芯片PIC1上与上方芯片层进行耦合对准的第一光栅耦合器105的下方衬底去除，并在下方埋氧层3的底部设置金属反射镜6，以实现完全向上衍射，可进一步降低光传输损失率。
步骤四：如图3、4所示，当光电子芯片需同时与上方芯片层及下方芯片层进行光连接时，如第二光电子芯片PIC2，此时在第二光电子芯片PIC2的器件层2上设置第二光栅耦合器205，且第二光栅耦合器205的结构参数设计为当光从同层波导入射到第二光栅耦合器205时，使向上方衍射的光强度P1和向下方衍射的光强度P2成一定比例，P1：P2的具体比值可根据芯片设计要求进行选择。
步骤五：如图5、6所示，当光电子芯片位于最上方用于发射光信号的光电子芯片与最下方用于接收光信号的光电子芯片之间时，如第二光电子芯片PIC2位于第三光电子芯片PIC3与第一光电子芯片PIC1之间，此时在第二光电子芯片PIC2的器件层2上设置第二光栅耦合器205，且第二光栅耦合器205的结构参数设计为接收上方光信号时，耦合进入该芯片层的光强度P3与穿透该芯片层的光强度P4成一定比例，P3：P4的具体比值可根据芯片设计要求进行选择。
步骤六：如图1、2所示，当光电子芯片需要使来自于其他芯片层的光穿过时，如第二光电子芯片PIC2，此时在第二光电子芯片PIC2的器件层2上开设器件层窗口201。器件层窗口201开设在光需要透过的区域，以减小折射率差造成的菲涅尔反射，实现更高的透过率。具体是刻蚀去除该光电子芯片需透光位置的器件层后，使上包层材料填充进器件层被去除的位置，最终形成器件层透光窗口。
步骤七：当光需要透过光电子芯片时，在光电子芯片的衬底层背面设置增透膜，或，在光电子芯片的衬底层上开设衬底窗口。如图1、3、5所示，当光需要透过光电子芯片时，如第二光电子芯片PIC2与第三光电子芯片PIC3，此时在光电子芯片的衬底层4背面进行减薄抛光，并设置增透膜7，以实现更高的透过率，或者，如图2、4、6所示，当光需要透过光电子芯片时，如第二光电子芯片PIC2与第三光电子芯片PIC3，此时在光电子芯片的衬底层4上开设衬底窗口401，减小折射率差造成的菲涅尔反射，实现更高的透过率。
如图1、2所示，应用本发明的光连接方法，可实现第三光电子芯片PIC3与第一光电子芯片PIC1的跨层光连接，第三光电子芯片PIC3上的光栅耦合器设计为波导中光向下方衍射强度最大，第一光电子芯片PIC1上的光栅耦合器设计为波导中光向上方衍射强度最大，在上述光传输路径覆盖到的第二光电子芯片PIC2器件层区域，将该区域的器件层去除。
如图3、4所示，应用本发明的光连接方法，实现单层到多层的光连接，即实现第三光电子芯片PIC3同时与第一光电子芯片PIC1、第二光电子芯片PIC2的光连接。第三光电子芯片PIC3上的光栅耦合器设计为波导中光向下方衍射强度最大，第一光电子芯片PIC1上的光栅耦合器设计为波导中光向上方衍射强度最大，第二光电子芯片PIC2上的光栅耦合器设计为波导中光向上方和向下方衍射强度相等。
如图5、6所示，应用本发明的光连接方法，实现单层到多层的光连接，即实现第三光电子芯片PIC3同时与第一光电子芯片PIC1、第二光电子芯片PIC2的光连接。第三光电子芯片PIC3上的光栅耦合器设计为波导中光向下方衍射强度最大；第一光电子芯片PIC1上的光栅耦合器设计为波导中光向上方衍射强度最大，第二光电子芯片PIC2上的光栅耦合器设计为使芯片正面入射的光向光波导耦合的强度与透过该光栅耦合器继续向芯片背面出射的强度相等。
本发明的光电子芯片、芯片堆叠封装系统及多层芯片的光连接方法，实现三层和三层以上光电子芯片的纵向堆叠，即任意一层光电子芯片可与任意另外一层进行光连接，任意一层光电子芯片可同时与任意另外多层进行光连接，最终形成高集成度的芯片系统。在每层光电子芯片上需要与其他层进行光连接的位置设置光栅耦合器，在不同层上光互连的光栅耦合器大约垂直对准即可，利用光栅耦合器光衍射方向可通过结构和参数的设计灵活改变的特性，以及工作光波长可穿透整个光电子芯片的原理，实现多层光电子芯片间的自由光连接。
如图8所示，为一种使用本发明方案的示例，但不限于图8中的特定连接关系。第一光电子芯片PIC1、第二光电子芯片PIC2、第三光电子芯片PIC3、第四光电子芯片PIC4为四个可完成不同功能的PIC芯片，电连接方案未展示，基板未展示，其通过本发明的光连接方案组合为一个芯片堆叠封装系统，该系统可完成2路不同波长光的电光调制、波分复用、功率监测、输出路径选择和光信号放大。该示例仅展示2路波长复用和2端口路由选择，但专利保护范围应包含更多路复用和路由选择，还应包含更多集成光学功能。
图8中，在各层光电子芯片中均设置有光栅耦合器，为便于说明芯片之间的光连接方式，将图8中第四光电子芯片PIC4器件层设置的光栅耦合器分别标记为GC1、GC2、GC15、GC16、GC17、GC18；第三光电子芯片PIC3器件层设置的光栅耦合器分别标记为GC3、GC4、GC5、GC6、GC13、GC14；将图8中第二光电子芯片PIC2器件层设置的光栅耦合器分别标记为GC7、GC8、GC9；将图8中第一光电子芯片PIC1器件层设置的光栅耦合器分别标记为GC10、GC11、GC12。
第四光电子芯片PIC4为功率有源功能芯片，其上有两个半导体激光器，分别记为LD1、LD2，两个半导体光放大器，分别记为SOA1、SOA2，也可有其他半导体功率器件，图中未示出。
第三光电子芯片PIC3为光调制和光探测芯片，其上有两个电光调制器，分别记为MOD1、MOD2，两个光功率监测器，分别记为MPD1、MPD2，也可有其他电-光、光-电信号转换器件，图中未示出。
第二光电子芯片PIC2为波分复用芯片，其上有可将不同波导中不同波长的光信号合并到同一光波导的波分复用器MUX。
第一光电子芯片PIC1为光路由芯片，其上有可选择不同光波导路径的光开关SWITCH。
在第四光电子芯片PIC4上，不同波长的连续窄线宽激光分别由LD1和LD2产生，经过光波导后从第四光电子芯片PIC4上的GC1和GC2传输至第三光电子芯片PIC3上的GC3和GC5。在第三光电子芯片PIC3上，分别由MOD1和MOD2对LD1和LD2产生的连续激光进行信号调制，而后加载了信号的信号光分别从第三光电子芯片PIC3上的GC4和GC6传输至第二光电子芯片PIC2上的GC7和GC8。在第二光电子芯片PIC2上，由LD1和LD2产生的两路不同波长光信号被波分复用器MUX合并为一路，而后从第二光电子芯片PIC2上的GC9传输至第一光电子芯片PIC1上的GC10。
在第一光电子芯片PIC1上，复用后的光信号由光开关SWITCH来控制其通过路径，使其从第一光电子芯片PIC1上的左侧GC11或右侧GC12出射后透过第二光电子芯片PIC2传输至第三光电子芯片PIC3上的对应GC13和GC14上。在第三光电子芯片PIC3上，小部分复用后的光信号传输到相同PIC芯片上的MPD1和MPD2用于功率监视，大部分复用后的光信号从第三光电子芯片PIC3上的GC13和GC14传输到第四光电子芯片PIC4上的GC15和GC17。在第一光电子芯片PIC1上，复用后的光信号由对应的半导体光放大器进行光信号放大，最终通过GC16和GC18从第四光电子芯片PIC4上方的Port1或Port2出射并被外部光纤Fiber接收.出射Port的选择是由第一光电子芯片PIC1上的光开关SWITCH控制的。
其中GC1、GC2、GC4、GC6、GC9、GC15、GC17设计为波导中向下衍射强度最大；GC3、GC5、GC7、GC8、GC10、GC11、GC12、GC16、GC18设计为波导中向上衍射强度最大；GC13和GC14设计为背面入射的光向光波导耦合的强度与透过该GC继续向芯片正面出射的强度成一定比例。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种光电子芯片，其特征在于，在由至少两个光电子芯片堆叠形成的封装系统中，当该光电子芯片仅需与上方芯片层进行光连接时，该光电子芯片的器件层上设置结构参数设计为向上方衍射强度最大的光栅耦合器；
当该光电子芯片仅需与下方芯片层进行光连接时，该光电子芯片的器件层上设置结构参数设计为向下方衍射强度最大的光栅耦合器；
当该光电子芯片需同时与上方及下方的芯片层进行光连接时，该光电子芯片的器件层上设置光栅耦合器，且该光栅耦合器结构参数设计为当光从同层波导入射到该光栅耦合器时，使向上方和向下方衍射的光强度成一定比例；
当该光电子芯片位于最上方用于发射光信号的光电子芯片与最下方用于接收光信号的光电子芯片之间时，该光电子芯片的器件层上设置光栅耦合器，且该光栅耦合器结构参数设计为接收上方光信号时，耦合进入该芯片层的光强度与穿透该芯片层的光强度成一定比例；
当该光电子芯片需要使来自于其他芯片层的光穿过时，该光电子芯片的器件层开设器件层窗口。
2.根据权利要求1所述的一种光电子芯片，其特征在于，该光电子芯片的器件层的材料为非晶硅、多晶硅、氧化硅、氮化硅、铌酸锂、三五族材料中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的一种光电子芯片，其特征在于，当该光电子芯片仅需与下方芯片层进行光连接时，该光电子芯片上与下方芯片层进行耦合对准的光栅耦合器的上方上包层中设置金属反射镜。
4.根据权利要求3所述的一种光电子芯片，其特征在于，当该光电子芯片仅需与上方芯片层进行光连接时，该光电子芯片上与上方芯片层进行耦合对准的光栅耦合器的下方衬底去除，并在下方埋氧层底部设置金属反射镜。
5.根据权利要求4所述的一种光电子芯片，其特征在于，当光需要透过该光电子芯片时，该光电子芯片的衬底层背面设置增透膜，或，该光电子芯片的衬底层上开设衬底窗口。
6.一种芯片堆叠封装系统，其特征在于，包括：若干个由所述权利要求1-5中任一项所述的光电子芯片纵向堆叠而形成的结构。
7.根据权利要求6所述的一种芯片堆叠封装系统，其特征在于，相邻光电子芯片之间的层间填充材料为紫外固化胶、PMMA、HSQ中的一种或几种。
8.根据权利要求7所述的一种芯片堆叠封装系统，其特征在于，该芯片堆叠封装系统中的光电子芯片上用于与其他芯片层进行光连接的光栅耦合器的光出射/入射方向在芯片法线与光栅波导方向所在的平面内，并与芯片法线之间具有夹角θ，处于光连接状态的不同芯片层上的光栅耦合器的出射/入射光在芯片表面的投影方向上有距离L，其中，n为连接光穿过的材料层数，Hi为第i层的厚度，θi为连接光折射到第i层时与芯片法线的夹角。
9.一种多层芯片的光连接方法，其特征在于，应用于若干如权利要求1-5中任一项所述的光电子芯片之间的光连接，或应用于权利要求6-8中任一项所述的芯片堆叠封装系统中的光电子芯片之间的光连接；
该方法包括如下步骤：
确认光电子芯片是否需要与上方芯片层和/或下方芯片层进行光连接；
当光电子芯片仅需与上方芯片层进行光连接时，在该光电子芯片的器件层上设置结构参数设计为向上方衍射强度最大的光栅耦合器；
当光电子芯片仅需与下方芯片层进行光连接时，在该光电子芯片的器件层上设置结构参数设计为向下方衍射强度最大的光栅耦合器；
当光电子芯片需同时与上方及下方的芯片层进行光连接时，在该光电子芯片的器件层上设置光栅耦合器，且该光栅耦合器结构参数设计为当光从同层波导入射到该光栅耦合器时，使向上方和向下方衍射的光强度成一定比例；
当光电子芯片位于最上方用于发射光信号的光电子芯片与最下方用于接收光信号的光电子芯片之间时，在该光电子芯片的器件层上设置光栅耦合器，且该光栅耦合器结构参数设计为接收上方光信号时，耦合进入该芯片层的光强度与穿透该芯片层的光强度成一定比例；
当光电子芯片需要使来自于其他芯片层的光穿过时，在该光电子芯片的器件层上开设器件层窗口。
10.根据权利要求9所述的一种多层芯片的光连接方法，其特征在于，还包括：当光电子芯片仅需与下方芯片层进行光连接时，在该光电子芯片上与下方芯片层进行耦合对准的光栅耦合器的上方上包层中设置金属反射镜；
当光电子芯片仅需与上方芯片层进行光连接时，将该光电子芯片上与上方芯片层进行耦合对准的光栅耦合器的下方衬底去除，并在下方埋氧层底部设置金属反射镜；
当光需要透过光电子芯片时，在光电子芯片的衬底层背面设置增透膜，或，在光电子芯片的衬底层上开设衬底窗口。
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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 | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant |