CN211348747U - 一种硅光芯片与激光器的封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种硅光芯片与激光器的封装结构，所述封装结构包括基座，基座设置与硅光芯片连接的基座贴合面、与激光器芯片和一体化反射镜透镜连接的基座上表面；基座设置通孔，通孔顶部开口与一体化反射镜透镜的出光面连接、通孔底部开口与硅光芯片的光栅耦合器表面连接；激光器芯片靠近一体化反射镜透镜的入光面的一端设置高斯光束出口；激光器芯片的高斯光束方向水平射入一体化反射镜透镜的入光面、经一体化反射镜透镜的反射面折射到一体化反射镜透镜的出光面、穿过通孔聚焦到光栅耦合器表面；所述基座贴合面与基座上表面延伸面的夹角为a1。通过对基座的底部进行加工形成斜角，角度的设计满足耦合光栅的最佳入射角。

Description

一种硅光芯片与激光器的封装结构

技术领域

本实用新型属于光电通信技术领域，涉及一种硅光芯片与激光器的封装结构。

背景技术

硅光子学是目前国际上研究热点，着重研究硅基光子器件的工作原理、结构设计以及在光通信领域的应用。硅基光电子集成技术是将光波导、调制器、光电芯片、驱动器与接收器电路进行片上集成，其优点在于制作工艺成熟、体积小、集成度高，在数据中心等中短距离光通信领域有广泛的应用。

硅光子集成芯片采用的是COMS工艺，是在SOI晶圆衬底不同区域制造光学组件，通过硅基光波导进行互联。但是硅作为间接半导体材料，存在强非辐射跃迁过程：俄歇复合与自由载流子吸收。因此单片集成激光器原件技术难度很大且成本高昂，良品率极低。目前简单可行的方式是采用外部集成的激光器进行耦合封装，实现器件层面的集成。因此，提高耦合效率，简化耦合封装结构，提高器件集成的良品率是一个极待解决的技术难题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于：提供了一种硅光芯片与激光器的封装结构，解决了上述问题的不足。

本实用新型采用的技术方案如下：

一种硅光芯片与激光器的封装结构，所述封装结构包括基座，基座设置与硅光芯片连接的基座贴合面、与激光器芯片和一体化反射镜透镜连接的基座上表面；基座设置通孔，通孔顶部开口与一体化反射镜透镜的出光面连接、通孔底部开口与硅光芯片的光栅耦合器表面连接；激光器芯片靠近一体化反射镜透镜的入光面的一端设置高斯光束出口；激光器芯片的高斯光束方向水平射入一体化反射镜透镜的入光面、经一体化反射镜透镜的反射面折射到一体化反射镜透镜的出光面、穿过通孔聚焦到光栅耦合器表面；所述基座贴合面与基座上表面延伸面的夹角为a1，且a1为13°±1°。

为了解决传统问题的不足，本实用新型采用上述结构，其耦合过程易于实现，耦合效率更高，且研发成本较低；发散的高斯光束从激光芯片出射，经过一体化反射透镜，光路发生弯折并聚焦。光路通过基座的通孔入射到硅光芯片表面的光栅耦合器上，耦合进芯片。通过对基座的底部进行加工形成斜角，角度的设计满足耦合光栅的最佳入射角，在耦合过程中只需要将基座下表面直接贴装在硅光芯片上，极大的简化了耦合过程，降低了工艺难度。

进一步，所述基座为钨铜基座。使用工装夹具对硅光芯片进行角度回正，使钨铜基座上表面水平便于后续贴装。

进一步，所述钨铜基座与硅光芯片通过具有固定折射率的紫外胶或热固胶进行贴装。使用热固胶或紫外胶将一体化反射透镜贴装于钨铜表面，通过调整使耦合效率达到最优。

进一步，所述紫外胶或热固胶为透明光胶，对波长为1.2μm至1.6μm的光透穿，折射率为1.5。

进一步，所述激光器芯片通过陶瓷衬底与基座上表面连接。

进一步，所述采用共晶焊将激光器芯片贴装于陶瓷衬底表面。

进一步，所述陶瓷衬底与基座上表面连接处设置第一镀金层、与激光器芯片连接处设置第二镀金层，两个镀金层之间不导通；使用共晶焊将激光器装配于陶瓷衬底表面。激光器下表面与镀金区域其中之一贴合，作为负极供电。

进一步：还包括以下封装方法，

步骤1：钨铜基座贴装，使用紫外胶将基座贴合面固定在硅光芯片表面上。

步骤2：共晶贴片，在陶瓷衬底上表面镀有金焊韩料，焊料金锡比例8:2，熔点为285℃；将激光器芯片、陶瓷衬底280℃以上条件下一次共晶成型；

步骤3：衬底贴装，通过工装夹具将钨铜基座上表面进行回正，与水平面平行；使用导热银胶将共晶成型的激光器芯片与陶瓷衬底贴装于钨铜基座的表面，形成半成品；

步骤4：将激光器芯片的正负极和引脚通过金丝键合工艺进行电气连接；将激光器芯片 1的正负极和引脚与陶瓷衬底7进行电气连接

步骤5：给步骤3中的半成品进行供电，使激光器芯片发出光束，对一体化反射透镜进行耦合贴装，将响应值耦合到最大；使用固定折射率的紫外胶将一体化反射透镜固定在基座上表面，聚焦面内嵌入通孔中。

本实用新型与现有同类型专利进行比较(专利号201510730699.1专利号201811057924.X)。

方案一：提供一种激光器与光栅耦合器的封装结构，包括设在硅光芯片上的激光器单元、准直透镜、隔离器及反射棱镜，其中：硅光芯片包括表平面及其依序在表平面上设有的第一电极、第一标记、第二标记、光栅耦合器以及波导层；激光器单元包括过渡基板和激光器，还包括暴露在过渡基板顶表面上的第二电极；准直透镜包括第一、第二透镜，其中：第一透镜以光路对准激光器形式垂立于表平面，第二透镜对位第二标记设于表平面，使得光栅耦合器位于第二透镜光路主轴的中心区域，以及隔离器安装在介于第一、第二透镜之间表平面，使得激光器输出的发散光经过第一透镜准直后，透过隔离器入射到反射棱镜上，经过反射棱镜的角度偏转后由第二透镜汇聚，汇聚点位于光栅耦合器表面。

方案二：提供一种激光器与硅光芯片耦合封装结构及其封装方法，其采用传统 TO(Transistor Out-line)工艺封装光源，具有很强的可生产性，很高的可靠性，更低的成本，更高的耦合效率，适用于400G硅光大功率光源应用。

本方案同方案一进行比较，方案一的问题在于整体结构复杂，器件整体结构尺寸的约束对原材料的定制小型化要求很高，工艺上多次的胶粘贴耦合对整体光路可靠性存在极大的考验。此方案的实施对可批量化生产效率及良率是极大的挑战。本方案整体结构简单，具有很强的可制造性，较高的工艺可靠性，更低的原材料成本，更高的耦合效率。

本方案同方案二进行比较，方案二的问题在于器件整体结构尺寸的约束目前市场上没有如此小型化的TO(Transistor Out-line)批量配套物料制造因此对原材料的定制化设计要求很高，TO(Transistor Out-line)的固定方式及TO封装所带来的焦距不稳定性对于工艺封装及成品良率管控均带来了较大的挑战。由于采用的是TO(Transistor Out-line)的封装形式，整体的尺寸很大难度做到更小，因此方案二封装无法达到节能小型化低功耗的特点。本方案整体结构简单，所有原材采用的是市场批量制造使用的物料，可制造性及成本管控能力强。本方案中所用到的原材均为小型化尺寸，可很好的达到小型化低功耗的要求。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型的有益效果是：

1.激光器与硅光芯片的耦合封装时，其耦合过程易于实现，耦合效率更高，且研发成本较低，

2.结构简单，极大的降低了装配难度与工艺，易实现量产。

3.通过对基座的底部进行加工形成斜角，角度的设计满足耦合光栅的最佳入射角，在耦合过程中只需要将基座下表面直接贴装在硅光芯片上，极大的简化了耦合过程，降低了工艺难度。

4.使用双透镜对激光器的出射光进行变换，实现聚焦光斑与光栅耦合器的模场匹配，减小耦合损耗。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本实用新型的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图，其中：

图1是本实用新型结构示意图；

图2是本实用新型陶瓷衬底与激光器组装结构示意图；

图3是本实用新型提供的激光器与硅光芯片耦合封装结构透视图；

图4是本实用新型一体化反射透镜结构示意图。

图中标记：1-激光器，2-入光面，3-反射面，4-出光面，5-基座上表面；6-基座贴合面， 7-陶瓷衬底，8-第一镀金层，9-第二镀金层，10-硅光芯片。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型，即所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

一种硅光芯片与激光器的封装结构，所述封装结构包括基座，基座设置与硅光芯片10 连接的基座贴合面6、与激光器芯片1和一体化反射镜透镜连接的基座上表面5；基座设置通孔，通孔顶部开口与一体化反射镜透镜的出光面4连接、通孔底部开口与硅光芯片10的光栅耦合器表面连接；激光器芯片1靠近一体化反射镜透镜的入光面2的一端设置高斯光束出口；激光器芯片1的高斯光束方向水平射入一体化反射镜透镜的入光面2、经一体化反射镜透镜的反射面3折射到一体化反射镜透镜的出光面4、穿过通孔聚焦到光栅耦合器表面；所述基座贴合面6与基座上表面5延伸面的夹角为a1，且a1为13°±1°。

工作时：发散的高斯光束从激光芯片1出射，经过一体化反射透镜的入光面2、反射面 3、出光面4，光路发生弯折并聚焦。光路通过基座的通孔入射到硅光芯片10表面的光栅耦合器上，耦合进芯片。通过对基座的底部进行加工形成斜角，角度的设计满足耦合光栅的最佳入射角，在耦合过程中只需要将基座下表面直接贴装在硅光芯片10上，极大的简化了耦合过程，降低了工艺难度。

下面结合实施例对本实用新型的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例一

本实用新型较佳实施例提供的一种硅光芯片与激光器的封装结构，所述基座为钨铜基座。所述钨铜基座与硅光芯片10通过具有固定折射率的紫外胶或热固胶进行贴装。所述紫外胶或热固胶为透明光胶，对波长为1.2μm至1.6μm的光透穿，折射率为1.5。

工作时：使用固定折射率的紫外胶将钨铜基座与硅光芯片10进行贴装，通过基座的通孔与耦合光栅的位置进行定位。采用工装夹具对硅光芯片10进行角度回正，使钨铜上表面保持水平，便于后续封装。

实施例二

本实施例在实施例一的基础上，所述激光器芯片1通过陶瓷衬底7与基座上表面5连接。所述采用共晶焊将激光器芯片1贴装于陶瓷衬底7表面。所述陶瓷衬底7与基座上表面5连接处设置第一镀金层8、与激光器芯片1连接处设置第二镀金层9。

工作时：使用高导热银胶将陶瓷衬底7与激光器芯片1整体贴装于钨铜基座表面，使陶瓷衬底的下表面与钨铜基座进行贴合。使用低膨胀系数紫外胶或热固胶对一体化反射透镜进行固定，使一体化透镜的出光面4内嵌入基座的通孔中。使用紫外胶将光罩固定于硅光芯片10表面，用于对光学组件进行保护。

实施例二

本实施例在实施例一或二的基础上，还包括以下封装方法，

步骤1：钨铜基座贴装，使用紫外胶将基座贴合面6固定在硅光芯片10表面上。

步骤2：共晶贴片，在陶瓷衬底7上表面镀有金焊韩料，焊料金锡比例8:2，熔点为285℃；将激光器芯片、陶瓷衬底7在280℃以上条件下一次共晶成型；

步骤3：衬底贴装，通过工装夹具将钨铜基座上表面进行回正，与水平面平行；使用导热银胶将共晶成型的激光器芯片1与陶瓷衬底7贴装于钨铜基座的表面，形成半成品；

步骤4：将激光器芯片1的正负极和引脚通过金丝键合工艺进行电气连接；

步骤5：给步骤3中的半成品进行供电，使激光器芯片发出光束，对一体化反射透镜进行耦合贴装，将响应值耦合到单通道大于0dBm(理论上数值越大越优)；使用固定折射率的紫外胶将一体化反射透镜固定在基座上表面5，聚焦面内嵌入通孔中。

工作时：使用上述步骤；通过对基座的底部进行加工形成斜角，角度的设计满足耦合光栅的最佳入射角，在耦合过程中只需要将基座下表面直接贴装在硅光芯片上，使原有需要进行三次光路耦合降低为整体一次性耦合对准，极大的简化了耦合过程并提升了生产效率与良率，降低了工艺难度。使用双透镜对激光器的出射光进行变换，实现聚焦光斑与光栅耦合器的模场匹配，光路上有效的减小耦合损耗。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种硅光芯片与激光器的封装结构，其特征在于：所述封装结构包括基座，基座设置与硅光芯片(10)连接的基座贴合面(6)、与激光器芯片(1)和一体化反射镜透镜连接的基座上表面(5)；

基座设置通孔，通孔顶部开口与一体化反射镜透镜的出光面(4)连接、通孔底部开口与硅光芯片(10)的光栅耦合器表面连接；激光器芯片(1)靠近一体化反射镜透镜的入光面(2)的一端设置高斯光束出口；激光器芯片(1)的高斯光束方向水平射入一体化反射镜透镜的入光面(2)、经一体化反射镜透镜的反射面(3)折射到一体化反射镜透镜的出光面(4)、穿过通孔聚焦到光栅耦合器表面；

所述基座贴合面(6)与基座上表面(5)延伸面的夹角为a1，且a1为13°±1°。

2.根据权利要求1所述的一种硅光芯片与激光器的封装结构，其特征在于：所述基座为钨铜基座。

3.根据权利要求2所述的一种硅光芯片与激光器的封装结构，其特征在于：所述钨铜基座与硅光芯片(10)通过具有固定折射率的紫外胶或热固胶进行贴装。

4.根据权利要求3所述的一种硅光芯片与激光器的封装结构，其特征在于：所述紫外胶或热固胶为透明光胶，对波长为1.2μm至1.6μm的光透穿，折射率为1.5。

5.根据权利要求1所述的一种硅光芯片与激光器的封装结构，其特征在于：所述激光器芯片(1)通过陶瓷衬底(7)与基座上表面(5)连接。

6.根据权利要求5所述的一种硅光芯片与激光器的封装结构，其特征在于：采用共晶焊将激光器芯片(1)贴装于陶瓷衬底(7)表面。

7.根据权利要求5所述的一种硅光芯片与激光器的封装结构，其特征在于：所述陶瓷衬底(7)与基座上表面(5)连接处设置第一镀金层(8)、与激光器芯片(1)连接处设置第二镀金层(9)。

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