CN216133225U - 亚微米级波导耦合结构 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种亚微米级波导耦合结构，其包括：硅光芯片、激光器芯片以及硅波导；激光器芯片倒装于硅光芯片一面的安装槽中；激光器芯片包括激光器，激光器包括：磷化铟衬底以及形成于磷化铟衬底中的多量子阱结构；磷化铟衬底的上表面具有凹槽，硅光芯片的安装槽中对应设置有与凹槽相配合的定位柱；磷化铟衬底的端面形成出光端面和划片端面，出光端面通过刻蚀方式形成，并与划片端面形成台阶结构；硅波导位于硅光芯片一面上，其端面与激光器芯片的出光端面相耦合。本实用新型能够实现硅光芯片、激光器芯片的高效率耦合，通过对硅光芯片、激光器芯片的设计以及精确倒装，能够解决光源与硅基芯片的混合集成问题，适合应用于大批量生产中。
Description
技术领域
本实用新型涉及光器件封装技术领域，尤其涉及一种亚微米级波导耦合结构。
背景技术
光通信行业硅光技术因其高集成度、规模化、低成本等优势，近年来发展快速。但是最大的难题是硅材料本身不能发光，因此面临如何将光源放置于硅基芯片中的问题。
目前，最高效可行的实现方案是III-V族器件与硅光芯片的混合集成技术，即首先制备完整的激光器，然后通过绑定的方式将激光器的焊盘与硅光芯片的焊盘共晶焊接到一起，并实现激光器出光端面与硅光芯片波导的光学对准。
具体而言，目前实现激光器与硅光芯片混合集成方案主要有：倏逝波耦合、光栅耦合、端面耦合等实现方式，但是都存在耦合效率低、绑定工艺复杂等问题。
其中，倏逝波耦合方案，其工作原理是当波导边界条件不满足光场的束缚态条件时，光场会在波导表面的散射，并进入相邻的波导。优点是耦合工艺容差较大，耦合的波长范围较大；缺点是倏逝波波导结构制作工艺难度较大，目前工艺不成熟。
光栅耦合方案，其工作原理是基于光栅衍射效应，优点是耦合工艺容差较大；缺点是耦合的波长范围较小，一般仅为40nm左右，无法满足CWDM波长应用。
传统端面耦合方案，其工作原理是基于光场传输模式匹配，优点是激光器芯片和硅光芯片可独立制备，工艺成熟、良率较高，耦合的波长范围较大，可覆盖O波段至C波段；缺点是耦合精度要求很高。此外，激光器出光端面是采用划片磨抛的方式来加工，所以激光器端面加工精度不高，造成额外的耦合损耗。
因此，针对上述问题，有必要提出进一步地解决方案。
实用新型内容
本实用新型旨在提供一种亚微米级波导耦合结构，以克服现有技术中存在的不足。
为解决上述技术问题，本实用新型的技术方案是：
一种亚微米级波导耦合结构，其包括：硅光芯片、激光器芯片以及硅波导；
所述激光器芯片倒装于所述硅光芯片一面的安装槽中；
所述激光器芯片包括激光器，所述激光器包括：磷化铟衬底以及形成于所述磷化铟衬底中的多量子阱结构；
所述磷化铟衬底的上表面具有凹槽，所述硅光芯片的安装槽中对应设置有与所述凹槽相配合的定位柱；
所述磷化铟衬底的端面形成出光端面和划片端面，所述出光端面通过刻蚀方式形成，并与所述划片端面形成台阶结构；
所述硅波导位于所述硅光芯片一面上，其端面与所述激光器芯片的出光端面相耦合。
作为本实用新型亚微米级波导耦合结构的改进，所述安装槽的底部还沉积有一层氮化硅薄膜。
作为本实用新型亚微米级波导耦合结构的改进，所述安装槽中还设置有焊盘，所述焊盘上溅射有金锡焊料，所述硅光芯片通过其上表面的金属焊盘与所述安装槽中焊盘共晶焊接。
作为本实用新型亚微米级波导耦合结构的改进，所述定位柱分前后行设置，任一行设置有间隔设置的两个定位柱。
作为本实用新型亚微米级波导耦合结构的改进，所述激光器的出光端面及硅波导与其相耦合的端面均为斜面，所述斜面的倾斜角度为5-15°。
作为本实用新型亚微米级波导耦合结构的改进，所述激光器的出光端面及硅波导与其相耦合的端面均沉积有氮化硅薄膜。
作为本实用新型亚微米级波导耦合结构的改进，通过3D有限时域差分算法建立激光器与硅波导的耦合模型，将激光器的出光端面、硅波导的耦合端面上氮化硅薄膜的膜厚设置为扫描参数，通过扫描参数计算耦合效率与膜厚对应关系，根据所述对应关系确定氮化硅薄膜厚度的最优值。
作为本实用新型亚微米级波导耦合结构的改进，所述硅波导的一侧设置有位于所述硅光芯片上的第一对位标记，所述磷化铟衬底的下表面设置有第二对位标记。
作为本实用新型亚微米级波导耦合结构的改进，所述激光器芯片包括四个并排设置的磷化铟激光器，所述硅光芯片的安装槽内的定位柱按照两行八列的阵列进行排布。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型提供一种基于倒装键合的阵列激光器与硅波导直接耦合结构，其能够实现硅光芯片、激光器芯片的高效率耦合，通过对硅光芯片、激光器芯片的设计以及精确倒装，能够解决光源与硅基芯片的混合集成问题，工艺简单，适合应用于大批量生产中。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型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实用新型中记载的一些实施例，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为本实用新型亚微米级波导耦合结构一实施例的平面示意图；
图2为本实用新型亚微米级波导耦合结构一实施例中硅光芯片的俯视图；
图3为图1中激光器芯片的放大示意图；
图4至图7为耦合插损及回损的仿真分析结果示意图。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
如图1所示，本实用新型一实施例提供一种亚微米级波导耦合结构，其包括：硅光芯片10、激光器芯片20以及硅波导30。
如图2所示，硅光芯片10的一面通过刻蚀工艺形成有安装槽11，激光器芯片20倒装于该安装槽11中。一个实施方式中，该安装槽11为一长方形的槽，长度约为1200um，宽度约为600um，深度约10um。
安装槽11的底部还沉积有一层氮化硅薄膜12。该氮化硅薄膜12通过等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺形成于安装槽11的底部。如此，通过上述工艺可精确控制并优化氮化硅膜厚，且氮化硅薄膜12使得硅光芯片10与激光器芯片20的耦合效率最高。
为了与倒装的激光器芯片20进行共晶焊接，安装槽11的底部还设置有焊盘13。该焊盘13通过金属沉积以及干法刻蚀工艺，形成于安装槽11底部的相应位置。一个实施方式中，上述焊盘13为TiW/Au焊盘。进一步地，焊盘13上还溅射有2μm左右厚度的金锡焊料130。该金锡焊料130可以是合金焊料，也可以单属性金属叠镀。通过预置金锡焊料130，有利于实现硅光芯片10、激光器芯片20之间电极的共晶焊接。
如图3所示，激光器芯片20倒装于硅光芯片10一面的安装槽11中，其包括激光器21。
该激光器21的数量可以为一个，也可以为多个。当激光器21为多个时，该激光器芯片20为1×n阵列设计，即一个激光器bar条上有n台激光器。其优势在于，一次倒装焊接即可完成n台激光器的耦合。
激光器21包括：磷化铟衬底211以及形成于磷化铟衬底211中的多量子阱结构212。磷化铟衬底211具有上表面和下表面，由于激光器芯片20倒装于硅光芯片10的安装槽11中，因此该磷化铟衬底211的上表面与硅光芯片10相对设置。
磷化铟衬底211的上表面具有凹槽2110，硅光芯片10的安装槽11中对应设置有与凹槽2110相配合的定位柱14。从而，在激光器21倒装贴片过程中，定位柱14上表面通过与激光器21上表面的凹槽2110的物理接触来完成高度方向的定位。
其中，定位柱14分前后行设置，任一行设置有间隔设置的两个定位柱14。如此，依靠前后行的定位柱14可确保激光器芯片20与硅光芯片10的相对水平关系。
此外，当激光器芯片20包括四个并排设置的磷化铟激光器时，硅光芯片10的安装槽11内的定位柱14按照两行八列的阵列进行排布。此时，硅光芯片10的安装槽11中，靠近下侧的四个焊盘13为正极焊盘，其对应四通道阵列激光器21的正极；靠近上侧的四个焊盘13为负极焊盘，其对应四通道阵列激光器21的负极，且上述四个负极焊盘为共面焊盘。
磷化铟衬底211的端面形成出光端面2111和划片端面2112，出光端面2111通过刻蚀方式形成，如此使得，激光器21具有端面刻蚀位置精准及端面粗糙度低等特点，有利于提高耦合效率。同时，出光端面2111与划片端面2112形成台阶结构。一个实施方式中，出光端面2111与划片端面2112之间的高度差约为30～50um，从而保护激光器21出光端面2111在划片时不受损坏。
硅波导30位于硅光芯片10一面上，其端面与激光器芯片20的出光端面2111相耦合，以接收来自激光器芯片20的出射光。为了降低端面耦合时造成的反射，出光端面2111及硅波导30与其相耦合的端面均为斜面，斜面的倾斜角度为5-15°。优选地，斜面的倾斜角度为10°。
出光端面2111及硅波导30与其相耦合的端面均沉积有氮化硅薄膜2113，如此可以增加激光器21与硅波导30端面耦合的透射效率。一个实施方式中，利用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)工艺沉积形成上述氮化硅薄膜，以精确控制并优化氮化硅膜厚，使得激光器21与硅波导30的耦合效率最高。
针对上述氮化硅薄膜2113，通过3D有限时域差分算法建立激光器21与硅波导30的耦合模型，将出光端面2111、硅波导30的耦合端面上氮化硅薄膜2113的膜厚设置为扫描参数，通过扫描参数计算耦合效率与膜厚对应关系，根据对应关系确定氮化硅薄膜厚度的最优值，仿真值约为0.2μm。即耦合效率最高时，对应的氮化硅薄膜厚度为最优值。
同时，在实际贴片过程中，激光器21与硅波导30端面之间会存在缝隙，该缝隙一般为0～1μm。因此，在缝隙中会填充折射率匹配胶水22，其折射率在1310nm波长附近约为1.5，如此可进一步提高耦合效率。
同时，借助高精度倒装焊设备(精度要求±0.3～0.5um@3sigma)，可控制激光器芯片20相对于硅光芯片10在水平面上，两个正交平移方向及旋转角度的对准关系，进而可以实现激光器21出光端面2111与硅波导30进光端面的高精度无源耦合。此外，硅波导30的一侧设置有位于硅光芯片10上的第一对位标记15，磷化铟衬底211的下表面设置有第二对位标记。从而，高精度贴片机可使用CCD识别对准标记，进而实现激光器芯片20的高精度倒装焊接。一个实施方式中，第一对位标记15为F形。
为了对本实施例亚微米级波导耦合结构的耦合效果进行验证，利用3D有限时域差分(FDTD)算法建模计算激光器端面与硅波导端面的耦合插损及回损，此时波长为1310nm，激发模式为TE0光场。
通过参数扫描的方法计算在不同水平贴片容差(垂直光轴方向)、竖直贴片容差以及端面缝隙容差下的耦合效率。该结构可以实现脊波导和硅基波导的完美对耦。
如图4、5、6、7所示，由仿真分析结果可知，可以实现1.55dB的超低耦合损耗。考虑到在XYZ三个维度的容差，假设贴片机在水平方向上的贴片容差为±0.5um，高度定位Pillar在竖直方向上的贴片容差为±0.1um，端面缝隙为0～2um，在大批量生产中可以实现2.5～3dB的耦合损耗。此外，该端面耦合结构设计可使激光器与硅光芯片的耦合回损小于-35dB，因而大大降低反射光对于激光器本身工作性能的影响。
综上所述，本实用新型提供一种基于倒装键合的阵列激光器与硅波导直接耦合结构，其能够实现硅光芯片、激光器芯片的高效率耦合，通过对硅光芯片、激光器芯片的设计以及精确倒装，能够解决光源与硅基芯片的混合集成问题，工艺简单，适合应用于大批量生产中。
对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (8)
1.一种亚微米级波导耦合结构，其特征在于，所述亚微米级波导耦合结构包括：硅光芯片、激光器芯片以及硅波导；
所述激光器芯片倒装于所述硅光芯片一面的安装槽中；
所述激光器芯片包括激光器，所述激光器包括：磷化铟衬底以及形成于所述磷化铟衬底中的多量子阱结构；
所述磷化铟衬底的上表面具有凹槽，所述硅光芯片的安装槽中对应设置有与所述凹槽相配合的定位柱；
所述磷化铟衬底的端面形成出光端面和划片端面，所述出光端面通过刻蚀方式形成，并与所述划片端面形成台阶结构；
所述硅波导位于所述硅光芯片一面上，其端面与所述激光器芯片的出光端面相耦合。
2.根据权利要求1所述的亚微米级波导耦合结构，其特征在于，所述安装槽的底部还沉积有一层氮化硅薄膜。
3.根据权利要求1所述的亚微米级波导耦合结构，其特征在于，所述安装槽中还设置有焊盘，所述焊盘上溅射有金锡焊料，所述硅光芯片通过其上表面的金属焊盘与所述安装槽中焊盘共晶焊接。
4.根据权利要求1所述的亚微米级波导耦合结构，其特征在于，所述定位柱分前后行设置，任一行设置有间隔设置的两个定位柱。
5.根据权利要求1所述的亚微米级波导耦合结构，其特征在于，所述出光端面及硅波导与其相耦合的端面均为斜面，所述斜面的倾斜角度为5-15°。
6.根据权利要求5所述的亚微米级波导耦合结构，其特征在于，所述出光端面及硅波导与其相耦合的端面均沉积有氮化硅薄膜。
7.根据权利要求1所述的亚微米级波导耦合结构，其特征在于，所述硅波导的一侧设置有位于所述硅光芯片上的第一对位标记，所述磷化铟衬底的下表面设置有第二对位标记。
8.根据权利要求1所述的亚微米级波导耦合结构，其特征在于，所述激光器芯片包括四个并排设置的磷化铟激光器，所述硅光芯片的安装槽内的定位柱按照两行八列的阵列进行排布。
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