TWI426308B

TWI426308B - 光柵耦合器及其封裝結構

Info

Publication number: TWI426308B
Application number: TW99129072A
Authority: TW
Inventors: jun-bo Feng; Qun-Qing Li; Shou-Shan Fan
Original assignee: Hon Hai Prec Ind Co Ltd
Priority date: 2010-08-30
Filing date: 2010-08-30
Publication date: 2014-02-11
Also published as: TW201209466A

Description

光柵耦合器及其封裝結構

本發明涉及光通信領域，特別涉及一種易封裝之波導光柵耦合器。

光互連作為下一代互連技術之強有力的競爭者，其具有頻帶寬、抗電磁干擾、保密性強、傳輸損耗低、功耗小等明顯優於電互連之特點，為一極具潛力電互連之替代或補充方案。隨著半導體雷射器、光探測器及平面介質光波導技術之發展，以及在微電子技術蓬勃發展之帶動下微細加工技術之日益完善，使光電集成之實現成為可能。由於集成光電子器件具有體積小、功耗低、效率高、性能穩定可靠、成本低、使用方便等優點，使集成光電子學成為當今光電子學領域之發展前沿之一。集成光電子器件對光通信、自動控制、光學資訊處理以及光學電腦之研究及應用等具有重要意義。在這一背景下，研究及發展集成光電技術及器件，將推動工業、農業、國防及科教等產業之發展。

隨著集成光電子器件在光通信系統中之應用，矽基波導器件如調製器、分束器等都取得了巨大發展，但系統對外之耦合，即如何將光纖與光電集成晶片高效、低成本對接起來，始終係一嚴峻挑戰。由於矽基微納光波導器件中導波之模場有效尺寸約為0.2μ ²，而單模光纖之模場有效尺寸通常為70μm²，光從光纖直接進入這種小尺寸之波導時，二者之間模場尺寸以及有效折射率之失配會導致輻射模及背向反射出現，從而產生很大插入損耗。波導之耦合方式大致可分為端面耦合及光柵耦合。端面耦合係光纖通過波導端面直接將光耦合進波導之方法，然端面耦合結構之製備非常困難，製作容差小，還需要側面拋光，而且封裝困難，不適應大規模集成光路之發展。而光柵耦合器由於製備相對簡單，且可以在系統任何地方實現訊號之上載下載，能大大增強系統之靈活性，因此光柵耦合器成為波導耦合研究之熱點。先前技術中之光柵耦合器主要包括隔離層、波導層、反射層、下包層及襯底層，下包層、反射層、波導層、隔離層依次設置於襯底層之表面上，反射層設置於波導層與下包層之間，光纖輸入介面設置於隔離層上，光纖中之光訊號通過隔離層入射到波導層上從而通過波導耦合進集成晶片中。由於反射層設置於波導層與下包層之間，製備工藝與傳統之CMOS製備工藝不相容，成本較高，因此無法進行大規模批量生產。

另，如何實現光纖與光柵耦合器之自動對準封裝亦係實際應用中必須考慮之問題，到目前為止，僅有幾種封裝方案初步見於會議報導，然這些方案均存在一問題：即無法實現光纖與光柵自動高效之對準，封裝困難。

有鑒於此，提供一耦合效率高、成本低、易封裝之光柵耦合器及光柵耦合器封裝結構實為必要。

一種光柵耦合器，包括隔離層、波導層、下包層及襯底層，所述下包層、波導層、隔離層依次設置於襯底層之表面，所述波導層包括一光柵與一波導，其中，所述光柵耦合器進一步包括一反射層，所述反射層設置於隔離層遠離所述襯底層之一側，外界光訊號通過所述襯底層輸入所述光柵耦合器。

相較於先前技術，本發明所述光柵耦合器，光訊號從襯底層射入，輸入端口可以放置於襯底層任何地方，且不需要對光柵耦合器解理、拋光，製備工藝簡單。針對目前光柵耦合器件難以對準封裝之缺點，本發明所述光柵耦合器在襯底層即光柵耦合器背面設置光訊號輸入端口，從輸入端口輸入光訊號進行耦合，從而使得光柵耦合器易對準且封裝簡單。本發明所述光柵耦合器耦合性能高、成本低、易封裝，製備工藝與CMOS相容，提高了大規模光電子器件封裝集成之可行性。

10，20‧‧‧光柵耦合器

100，200‧‧‧反射層

110，210‧‧‧隔離層

120，220‧‧‧波導層

121，221‧‧‧光柵

122，222‧‧‧波導

130，230‧‧‧下包層

140，240‧‧‧襯底層

141，241‧‧‧第一表面

142，242‧‧‧第二表面

150，250‧‧‧光纖對準槽

151，251‧‧‧插入口

152，252‧‧‧側面

153，253‧‧‧底面

143，243‧‧‧第三表面

244‧‧‧第四表面

2520‧‧‧開口

50，60‧‧‧光纖

圖1係本發明光柵耦合器之第一實施例之示意圖。

圖2係本發明光柵耦合器第一實施例之光纖對準槽的示意圖。

圖3係本發明光柵耦合器第二實施例之示意圖。

圖4係本發明光柵耦合器第二實施例之襯底層的結構示意圖。

圖5係本發明光柵耦合器第二實施例之光纖對準槽的示意圖。

以下結合附圖對本發明之光柵耦合器作進一步詳細描述。

請參閱圖1及圖2，本發明第一實施例之光柵耦合器10，包括反射層100、隔離層110、波導層120、下包層130以及襯底層140。所述襯底層140具有一第一表面141、一與第一表面141相對之第二表面142及至少一與第一表面141及/或第二表面相連之第三表面143，假設將第一表面141稱為正面，那麼第二表面142可稱為背面。所述下包層130、波導層120、隔離層110、反射層100依次層疊設置於襯底層140之第一表面141，所述反射層100設置於隔離層110遠離襯底層140之表面。該光柵耦合器10應用時，利用一光纖50從襯底層140之第二表面142向該光柵耦合器10輸入光訊號，使得該光柵耦合器10接受外界光訊號。

所述波導層120之材料優選之為矽(Si)，其厚度為200~300nm。所述波導層120之折射率分別大於隔離層110與下包層130之折射率。所述波導層120設置在下包層130遠離襯底層140之表面上，並且被隔離層110完全覆蓋。波導層120包括一脊型結構波導122以及與該脊型結構波導122相連之光柵121，所述光柵121包括由複數平行之矩形溝槽與複數平行之矩形凸起間隔設置構成之光柵結構。所述光柵結構位於所述光柵121遠離襯底層140之表面。優選的，所述光柵121呈矩形，且其長、寬均為20μm，所述光柵結構之溝槽相對於凸起之深度為70~100nm。所述光柵結構之光柵週期(單個溝槽之寬度及與之相鄰之單個凸起之寬度之及)為300~600nm。

所述隔離層110之材料為二氧化矽(SiO₂)或氮化矽(Si₃N₄)，其厚度根據輸入光之波長及匹配條件可以在0.5μm到5μm中選擇。

所述反射層100之材料為金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)及鉻(Cr)中之任意一種，厚度為50nm~200nm；所述反射層100可通過金屬蒸發沈積等方法沈積在隔離層110遠離襯底層140之表面上。

所述襯底層140之材料優選為矽(Si)，厚度為300~500μm。所述襯底層140由第二表面142向第一表面141方向凹陷形成有一光纖對準槽150。所述光纖對準槽150在襯底層140之第二表面142上形成有一供光纖50插入之插入口151，即所述光纖對準槽150可以稱為垂直於襯底層第二表面142設置。所述光纖對準槽150在所述凹陷方向上之橫截面為圓形、方形、三角形或其他幾何形狀之一，且該凹陷方向上之任何一橫截面之尺寸及形狀均相同。進一步，所述光纖對準槽150還包括與該第二表面142平行之底面153及與該底面153相連之側面152。其中，該底面153與所述插入口151相對；所述側面152位於其間。本實施例中所述橫截面優選為圓形。光纖對準槽150之深度可為100~500μm，優選之為400μm。光纖對準槽150可採用濕法蝕刻或幹法深蝕刻之方法製備。所述光纖對準槽150之橫截面直徑與輸入光訊號之光纖50直徑相匹配，以使光纖對準槽150與輸入光訊號之光纖50緊密結合；所述光纖對準槽150可採用雙面套刻光刻之微加工工藝與波導層120上之光柵121對準，即光纖對準槽150中心軸之延長線穿過光柵121之幾何中心，所述底面153之幾何中心也位於此延長線上。輸入光訊號之光纖50在封裝時可根據所述光纖對準槽150來實現輸入之光訊號與光柵121之自動對準。

所述下包層130之材料優選之為二氧化矽(SiO₂)，其厚度為2~5μm。

另外，所述光柵耦合器10可進一步設置複數重疊對應設置之光柵121，所述光柵121位於隔離層110與下包層130之間，每一光柵121之光柵結構均設置於光柵121遠離襯底層140之表面上。所述複數光柵121均與一脊型結構波導122相連接，共同構成波導層120，用以進一步增強光柵耦合器10之耦合效率。

本實施例所述光柵耦合器10應用時，將所述光纖50通過所述插入口151插入所述光柵耦合器10之光纖對準槽150中進行封裝，以形成一光柵耦合器封裝結構。所述光纖50為平面光纖，這裏所稱之平面光纖指之係具有立體結構之細長光纖50之端面為垂直於軸向之平面。光纖50與光纖對準槽150採用固化膠等進行牢固封裝。從光柵耦合器10外部輸入之光訊號從所述光纖50垂直入射到光柵121上，進而耦合進波導122中。本實施例光柵耦合器封裝結構工作時，光纖50可與外部光電器件相連接，並由其接收光訊號，再通過光柵耦合器10之波導122導向相應之光電集成晶片。

請參閱圖3、圖4及圖5，本發明第二實施例提供之光柵耦合器20，所述光柵耦合器20包括反射層200、隔離層210、波導層220、下包層230以及襯底層240，上述元件之相對位置關係與第一實施例基本相同。本實施例與第一實施例所述光柵耦合器10之主要區別在於光纖對準槽之設置方式，具體之，所述襯底層240具有一第一表面241、一與第一表面241相對之第二表面242、至少二與第一表面241及/或第二表面242相連之第三表面243及第四表面 244，且該第三表面243及第四表面244相對設置。假設將第一表面241稱為正面，那麼第二表面242可稱為背面，而第三表面243及第四表面244可稱為相對之二側面。所述襯底層240由第三表面243向第四表面244方向凹陷形成有一光纖對準槽250。所述光纖對準槽250在襯底層240之第三表面243上形成有一供光纖60插入之插入口251。即，所述光纖對準槽250可以稱之為平行於襯底層第二表面242設置。所述光纖對準槽250在所述凹陷方向上之橫截面為圓形、方形、三角形或其他幾何形狀之一，本實施例優選為三角形，且該凹陷方向上之任意一橫截面之尺寸及形狀均相同。進一步，所述光纖對準槽250還包括與該第三表面243平行之底面253及與該底面253相連之側面252。其中，該底面253與所述插入口251相對，所述側面252位於其間。該底面253與插入口251之間之距離根據輸入光訊號之光纖60直徑之不同而不同。

另外，為降低製造工藝難度及封裝難度，所述光纖對準槽250之側面252上進一步設置有一開口2520，所述開口2520位於所述襯底層240之第二表面242。所述開口2520呈一矩形，其長度與所述光纖對準槽250之凹陷長度相等，其寬度根據輸入光訊號之光纖60直徑之不同而不同。所述光纖對準槽250之在垂直於第二表面242方向上之高度，根據輸入光訊號之光纖60直徑之不同而不同。優選之，所述開口2520之寬度大於或等於光纖之直徑，所述光纖對準槽250之在垂直於第二表面242方向上之高度大於光纖之半徑。

襯底層240之第二表面242可進一步包括一固定元件(圖未示)，所述固定元件可以為卡扣、膠帶等，其材料不限，其形狀優選為中間具有凹槽之長條形板狀結構。所述固定元件橫跨於光纖對準槽250之開口2520上，且板狀結構之二端固定於第二表面242，並且固定元件之凹槽與光纖對準槽中之光纖緊密結合，用於固定所述輸入光訊號之光纖。

本實施例所述光柵耦合器20應用時，所述光纖60採用45°斜面光纖，即光纖之端面與光纖之軸向成45°。將光纖60從襯底層240之第三表面243上之插入口251平行於所述襯底層240之方式插入光纖對準槽250中，使光纖60之45°斜面表面背離光柵221，且與所述襯底層240之第二表面242成45°。光纖對準槽250之側面252上可進一步塗有固化膠，用於固定所述光纖60。光纖60平行於襯底層240插入光纖對準槽250中，所述光纖60之45°斜面之中心與光柵221之中心直線連線垂直於所述襯底層240之第二表面242。所述連線與光纖對準槽250之底面253之間之距離等於光纖60之半徑，從而實現光纖對準槽250與光柵221之對準設置。從光纖60中輸入之光訊號通過45°斜面實現90°轉向，從而使光訊號垂直入射到光柵221上，進而耦合進波導222中。本實施例光柵耦合器封裝結構工作時，光纖60可與外部光電器件相連接，並由其接收光訊號，再通過光柵耦合器20之波導222導向相應之光電集成晶片。

當從光纖輸入之光訊號經由襯底層、下包層入射到波導層之光柵上以後，在光柵之作用下會發生繞射。一部分光透過光柵，成為透射繞射光射向反射層，一部分光在光柵介面發生反射，成為反射繞射光。當繞射光某一級之波矢等於波導中某一模式之傳輸常數時，該部分光就被耦合進了波導中。耦合進波導之光在波導之引導下導入到光電集成晶片中，實現光訊號之傳輸。此時繞射光滿足相位匹配條件，或稱之為Bragg條件：K _in+m．K _T=β (m=0,±1,±2…) (1)

Kin係輸入光之波矢，KT係光柵向量，β為波導之傳輸常數。相位匹配條件可以通過控制隔離層之厚度來滿足。光柵耦合器工作時，有很大一部分光會穿過光柵而洩漏掉造成訊號損失。因此，在光柵透射光之方向加上一反射層，透射光通過該反射層反射後至所述光柵，當反射光與入射光滿足相位匹配條件時，進一步發生相干增強，耦合效率會大大提高。

本發明所提供之光柵耦合器並不限於上述實施例所述，如圖1及圖2中之光柵可以為扇形光柵結構、三角形光柵結構、梯形光柵結構等其他形狀。

本發明所提供光柵耦合器，利用光柵反射繞射光進行耦合，反射層可以通過金屬蒸發沈積之簡單工藝沈積在隔離層上，避免了現有技術在波導層與下包層之間製作反射層之複雜工藝。本發明所提供之光柵耦合器之封裝結構，光纖對準槽可利用雙面套刻之微加工工藝直接製備在光柵耦合器之襯底層上，光纖可以通過光纖對準槽來實現輸入光訊號與光柵之自動對準，光纖之封裝簡單。

綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。

10‧‧‧光柵耦合器

100‧‧‧反射層

110‧‧‧隔離層

120‧‧‧波導層

121‧‧‧光柵

122‧‧‧波導

130‧‧‧下包層

140‧‧‧襯底層

150‧‧‧光纖對準槽

50‧‧‧光纖

Claims

一種光柵耦合器，其包括隔離層、波導層、下包層及襯底層，所述下包層、波導層、隔離層依次層疊設置於襯底層之一表面，所述波導層包括一光柵與一波導，其改良在於，所述光柵耦合器進一步包括一反射層，所述反射層設置於隔離層遠離所述襯底層之一側，外界光訊號通過所述襯底層輸入至所述光柵耦合器，且所述光訊號垂直入射到所述光柵上。
如請求項第1項所述之光柵耦合器，其中，所述反射層之材料為金、銀、銅、鋁及鉻中之一種。
如請求項第1項所述之光柵耦合器，其中，所述反射層之厚度為50nm~200nm。
如請求項第1項所述之光柵耦合器，其中，所述襯底層包括相對設置之第一表面與第二表面以及與該第一表面及第二表面相連之至少一第三表面，所述下包層設置於所述襯底層之第一表面。
如請求項第4項所述之光柵耦合器，其中，所述襯底層進一步包括一光纖對準槽，所述光纖對準槽設置於襯底層之第二表面且與光柵對準設置。
如請求項第5項所述之光柵耦合器，其中，所述光纖對準槽具有一光纖插入口、一底面及側面，所述光纖插入口與底面相對，所述側面位於所述光纖插入口及底面之間。
如請求項第6項所述之光柵耦合器，其中，所述光纖對準槽由所述襯底層之第二表面向第一表面方向凹陷形成，所述光纖對準槽之光纖插入口位於所述襯底層之第二表面。
如請求項第6項所述之光柵耦合器，其中，所述光纖對準槽之光纖插入口位於所述襯底層之第三表面。
如請求項第8項所述之光柵耦合器，其中，所述光纖對準槽進一步包括一開口，位於所述襯底層之第二表面。
如請求項第1項所述之光柵耦合器，其中，所述波導層折射率分別大於隔離層與下包層之折射率。
一種光柵耦合器之封裝結構，其包括光柵耦合器及與該光柵耦合器相連接之光纖，所述光柵耦合器包括：一襯底層，所述襯底層具有相對設置之第一表面與第二表面以及與該第一表面及第二表面相連之第三表面；一下包層、一波導層、一隔離層依次層疊設置於襯底層之第一表面；其改良在於，所述光柵耦合器進一步包括一反射層，所述反射層設置於隔離層遠離襯底層之表面，光纖通過所述襯底層之第二表面與所述光柵耦合器相連接，所述波導層包括一光柵與一波導，從所述光纖輸入之光訊號垂直入射到所述光柵上。
如請求項第11項所述之光柵耦合器之封裝結構，其中，所述襯底層進一步包括一光纖對準槽，所述光纖對準槽設置於襯底層之第二表面且與光柵對準設置。
如請求項第12項所述之光柵耦合器之封裝結構，其中，所述光纖對準槽具有一光纖插入口、一底面及側面，所述光纖插入口與底面相對，所述側面位於所述光纖插入口及底面之間。
如請求項第13項所述之光柵耦合器之封裝結構，其中，所述光纖對準槽由所述襯底層之第二表面向第一表面方向凹陷形成，所述光纖對準槽之光纖插入口位於所述襯底層之第二表面，所述光纖為平面光纖，光纖通過光纖插入口插入光纖對準槽中，所述光纖對準槽之中心軸穿過所述光柵結構之幾何中心。
如請求項第13項所述之光柵耦合器之封裝結構，其中，所述光柵對準槽進一步包括一開口，所述開口位於襯底層之第二表面，所述光纖對準槽之光纖插入口位於所述襯底層之第三表面，所述光纖為45°斜面光纖，光纖平行於襯底層插入光纖對準槽，光纖斜面之中心與光柵之幾何中心之直線連線垂直於襯底層。