TWI687728B - 矽光子封裝結構 - Google Patents

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Abstract

一種矽光子封裝結構，包括一基板、一導電凸塊、一擋牆結構、一雷射二極體、一模態轉換器及一球形透鏡。導電凸塊配置於基板上，且擋牆結構形成於基板上。雷射二極體配置於基板上方，且與導電凸塊電性接合。雷射二極體在朝向基板的表面上具有一凸脊，凸脊的一端具有一發光面，其中擋牆結構位於導電凸塊與凸脊之間，且擋牆結構在垂直於基板的方向上的厚度大於凸脊在垂直於基板的方向上的厚度。模態轉換器形成於基板上。球形透鏡形成於基板上，且位於發光面與模態轉換器的入光端之間。

Description

矽光子封裝結構
本發明是有關於一種封裝結構，且特別是有關於一種矽光子封裝結構（silicon photonic package structure）。
由於在光纖中傳輸的光訊號相對於在電纜中傳輸的電訊號可以傳輸較遠的距離而具有較低的失真，所以光通訊在近年來蓬勃地發展。此外，將矽光子（silicon photonics）技術導入光通訊領域具有材料便宜、製程技術成熟（線寬可小於20奈米）及可作到光電晶片整合等優點。再者，製程若經完整開發，則可使晶片成本低且良率高。
然而，採用矽光子技術時，光源需採用異質整合，且封裝與測試的成本比晶圓製造的成本大很多。在習知的矽光子技術中，是直接以雷射進行對位，如此對對位公差十分要求，進而對於接合設備（bonder）的精度要求極高。此外，在習知技術中對於光束入射面並無進行處理，如此容易造成光束反射的現象，而造成額外的光透過反射進入雷射共振腔中。再者，在習知技術中，微透鏡是以組裝的方式來處理，如此需準確定義對位精度，且微透鏡的體積過大，而額外的組件會造成產品成本增加。
本發明提供一種矽光子封裝結構，可有效增加耦光的公差範圍，降低廠商對接合器的精度要求，進而提升良率且降低製造成本。
本發明的一實施例提出一種矽光子封裝結構，包括一基板、一導電凸塊、一擋牆結構、一雷射二極體（laser diode）、一模態轉換器（mode converter）及一球形透鏡。導電凸塊配置於基板上，且擋牆結構形成於基板上。雷射二極體配置於基板上方，且與導電凸塊電性接合。雷射二極體在朝向基板的表面上具有一凸脊（ridge），凸脊的一端具有一發光面，其中擋牆結構位於導電凸塊與凸脊之間，且擋牆結構在垂直於基板的方向上的厚度大於凸脊在垂直於基板的方向上的厚度。模態轉換器形成於基板上。球形透鏡形成於基板上，且位於發光面與模態轉換器的入光端之間。球形透鏡將發光面所發出的光會聚於模態轉換器的入光端，且雷射二極體的體積大於球形透鏡的體積。
在本發明的實施例的矽光子封裝結構中，由於採用形成於基板上的球形透鏡來將組裝於基板的雷射二極體所發出的光會聚於形成於基板上的模態轉換器，因此雷射二極體的組裝公差範圍可以被擴大，以降低廠商對接合器的精度要求，進而提升矽光子封裝結構的良率且降低其製造成本。此外，在本發明的實施例的矽光子封裝結構中，由於採用了形成於導電凸塊與凸脊之間的擋牆結構，因此當雷射二極體接合於基板上時，擋牆結構可以在接合製程中阻擋導電凸塊的材料溢流至凸脊的發光面。如此一來，便可使凸脊的發光效率維持正常。
圖1A為本發明的一實施例的矽光子封裝結構在雷射二極體組裝至基板之前的立體示意圖，而圖1B為圖1A的矽光子封裝結構的剖面示意圖。圖2A為圖1A中的區域A的放大示意圖，圖2B為圖1A中的區域B的放大示意圖，圖2C為圖1A中的區域C的放大示意圖，而圖2D為圖1A中的區域E的剖面示意圖。請先參照圖1A與圖1B，矽光子封裝結構100包括一基板110、一導電凸塊120、一擋牆結構130、一雷射二極體140、一模態轉換器150及一球形透鏡160。導電凸塊120配置於基板110上，且擋牆結構130形成於基板110上。在本實施例中，基板110例如為矽基板，其例如為光子積體電路（photonic integrated circuit）晶片的電路基板。導電凸塊120的材料例如為焊料（solder）。雷射二極體140配置於基板110上方，且與導電凸塊120電性接合。具體而言，基板110上設有一接墊112，其與基板110內部的電路電性連接。雷射二極體140朝向基板110的表面上的接墊透過導電凸塊120而與接墊112電性連接。
雷射二極體140在朝向基板110的表面上具有一凸脊142，凸脊142的一端具有一發光面143。也就是說，凸脊142的位置為雷射共振腔所在的位置。
擋牆結構130位於導電凸塊120與凸脊142之間，且擋牆結構130在垂直於基板110的方向上的厚度H2大於凸脊142在垂直於基板110的方向上的厚度H1，以使凸脊142不會抵到基板110而損壞。模態轉換器150形成於基板110上。在本實施例中，模態轉換器150例如為波導（waveguide），其材料例如為氮氧化矽或矽。
球形透鏡160形成於基板110上，且位於發光面143與模態轉換器150的入光端152之間。球形透鏡160將發光面143所發出的光141（如圖1B所繪示，即雷射光，例如為遠紅外光）會聚於模態轉換器150的入光端152，且雷射二極體140的體積大於球形透鏡160的體積。
在本實施例的矽光子封裝結構100中，由於採用形成於基板110上的球形透鏡160來將組裝於基板110的雷射二極體140所發出的光141會聚於形成於基板110上的模態轉換器150，因此雷射二極體140的組裝公差範圍可以被擴大，以降低廠商對接合設備的精度要求，進而提升矽光子封裝結構100的良率且降低其製造成本。具體而言，球形透鏡160與模態轉換器150皆可以利用半導體製程製作於基板110上，因此球形透鏡160與模態轉換器150具有高的精度，而使得採用組裝方式接合於基板110上的雷射二極體140可以具有較大的公差範圍，且使得矽光子封裝結構100具有良好的光耦合效率。此外，採用半導體製程製作的球形透鏡160可以具有較小的體積，且有助於降低整體成本。球形透鏡160的材料例如是聚合物，其直徑可小於50微米，且能夠以半導體製程準確地定義位置及大小，進而使球形透鏡160能夠準確會聚發光面143所發出的光141，以增加模態轉換器150的收光效率。
此外，在本實施例的矽光子封裝結構100中，由於採用了形成於導電凸塊120與凸脊142之間的擋牆結構130，因此當雷射二極體140接合於基板110上時，擋牆結構130可以在接合製程中阻擋導電凸塊120的材料溢流至凸脊142的發光面143。如此一來，便可使凸脊142的發光效率維持正常。擋牆結構130可包括子擋牆132與134，分別配置於凸脊的相對兩端，以分別阻擋導電凸塊120的材料溢流至凸脊142的相對兩端。然而，在另一實施例中，如圖2E所繪示，子擋牆132與子擋牆134也可以連接起來，而形成一道連續的擋牆，即形成連續的擋牆結構130a。
在本實施例中，球形透鏡160由至少兩層不同的材質162、164所形成，在圖1A是以材質162與材質164是以沿著垂直於基板110的方向上下排列為例，然而，在其他實施例中，兩層不同的材質也可以是由裡向外排列，而在裡面的材質與在外層的材質的折射率可以不相同。在本實施例中，基板110於球形透鏡160下方的區域具有一平坦表面，而球形透鏡160的材質164與材質162可利用半導體晶圓製程依序形成於此平坦表面上。
在本實施例中，為了使凸脊142的發光面143所發出的光141能夠良好地會聚於模態轉換器150的入光端152，可使凸脊142、球形透鏡160及模態轉換器150符合0.1≦D1/R≦1及0.1≦D2/R≦1，其中D1為發光面143與球形透鏡160的間距，R為從發光面143的中心傳遞至入光端152的中心的光線在球形透鏡160中傳遞的距離的一半，且D2為入光端152與球形透鏡160的間距。
在本實施例中，模態轉換器150的入光端152具有一傾斜入光面153（如圖2B所繪示），且傾斜入光面153相對發光面143的中心至入光端152的中心的連線L1在平行於基板110的方向上傾斜。如此一來，由傾斜入光面153入射的光141便不會有一部分被反射回凸脊142中而再次進入雷射共振腔。在本實施例中，發光面143的中心至入光端152的中心的連線L1與傾斜入光面153的夾角θ1是落在80度至89度的範圍內。此外，球形透鏡160的表面與傾斜入光面153可塗佈有抗反射膜，如此亦可抑制一部分的光141被反射而再次進入雷射共振腔。
在本實施例中，基板110更包括多個支撐柱170（圖1A中是以四個支撐柱170為例），形成於基板110上，且支撐雷射二極體140。此外，在本實施例中，每一支撐柱170的頂部具有對位標記172（在圖中是以十字形標記為例）。支撐柱170及其對位標記172可以利用半導體晶圓製程形成於基板110上，因此支撐柱170的位置與高度具有高精確度，進而有助於雷射二極體140組裝其上時具有良好的對位。
此外，雷射二極體140在朝向基板的表面也可具有與對位標記172對應的對位標記。舉例而言，若對位標記172為凹陷標記（例如如圖2C所繪示的十字形凹陷），則該對位標記可以是凸起標記（例如十字形凸起）。或者，對位標記172可以是凸起標記，則該對位標記可以是凹陷標記。
圖3A為本發明的一對照實施例的矽光子封裝結構中的雷射二極體與模態轉換器之間的位置關係圖，圖3B為圖1A與圖1B的矽光子封裝結構中的雷射二極體與模態轉換器之間的位置關係圖，圖4A為圖3A的矽光子封裝結構的耦合效率對於凸脊的發光面的位置的關係曲線，而圖4B為圖3B的矽光子封裝結構的耦合效率對於凸脊的發光面的位置的關係曲線。請參照圖1B、圖3A、圖3B、圖4A及圖4B，在圖3A與圖4A中，X=0的位置是指凸脊142的發光面143與模態轉換器150的入光端152的距離為10微米（micrometer, μm）時，發光面143的位置；當發光面143的位置是在X=0的位置的左邊時，X值為負值，而當發光面143的位置是在X=0的位置的右邊時，X值為正值。此外，在圖3B與圖4B中，X=0的位置是指凸脊142的發光面143與球形透鏡160的間距為30微米時，發光面143的位置；當發光面143的位置是在X=0的位置的左邊時，X值為負值，而當發光面143的位置是在X=0的位置的右邊時，X值為正值。此外，在圖3B中，球形透鏡160的上述R值例如為15微米，且球形透鏡160與模態轉換器150的入光端152的間距為13.5微米。從圖4A可知，雷射二極體140在X方向上的組裝公差為±3.5微米，而從圖4B可知，雷射二極體140在X方向上的組裝公差為±7微米，且在這±7微米的誤差範圍內，光耦合效率皆可達到80%以上，由此可證明本實施例的矽光子封裝結構100的確可以擴大雷射二極體140的組裝公差範圍，以降低廠商對接合器的精度要求，進而提升矽光子封裝結構100的良率且降低其製造成本。
綜上所述，在本發明的實施例的矽光子封裝結構中，由於採用形成於基板上的球形透鏡來將組裝於基板的雷射二極體所發出的光會聚於形成於基板上的模態轉換器，因此雷射二極體的組裝公差範圍可以被擴大，以降低廠商對接合器的精度要求，進而提升矽光子封裝結構的良率且降低其製造成本。此外，在本發明的實施例的矽光子封裝結構中，由於採用了形成於導電凸塊與凸脊之間的擋牆結構，因此當雷射二極體接合於基板上時，擋牆結構可以在接合製程中阻擋導電凸塊的材料溢流至凸脊的發光面。如此一來，便可使凸脊的發光效率維持正常。
100:矽光子封裝結構 110:基板 112:接墊 120:導電凸塊 130、130a:擋牆結構 132、134:子擋牆 140:雷射二極體 141:光 142:凸脊 143:發光面 150:模態轉換器 152:入光端 153:傾斜入光面 160:球形透鏡 162、164:材質 170:支撐柱 172:對位標記 A、B、C、E:區域 D1、D2:間距 H1、H2:厚度 L1:連線 R:從發光面的中心傳遞至入光端的中心的光線在球形透鏡中傳遞的距離的一半 θ1:夾角
圖1A為本發明的一實施例的矽光子封裝結構在雷射二極體組裝至基板之前的立體示意圖。 圖1B為圖1A的矽光子封裝結構的剖面示意圖。 圖2A為圖1A中的區域A的放大示意圖。 圖2B為圖1A中的區域B的放大示意圖。 圖2C為圖1A中的區域C的放大示意圖。 圖2D為圖1A中的區域E的剖面示意圖。 圖2E為本發明的另一實施例的矽光子封裝結構在雷射二極體組裝至基板之前的立體示意圖。 圖3A為本發明的一對照實施例的矽光子封裝結構中的雷射二極體與模態轉換器之間的位置關係圖。 圖3B為圖1A與圖1B的矽光子封裝結構中的雷射二極體與模態轉換器之間的位置關係圖。 圖4A為圖3A的矽光子封裝結構的耦合效率對於凸脊的發光面的位置的關係曲線。 圖4B為圖3B的矽光子封裝結構的耦合效率對於凸脊的發光面的位置的關係曲線。
100:矽光子封裝結構
110:基板
112:接墊
120:導電凸塊
130:擋牆結構
132、134:子擋牆
140:雷射二極體
142:凸脊
150:模態轉換器
152:入光端
160:球形透鏡
162、164:材質
170:支撐柱
A、B、C、E:區域
H2:厚度

Claims (10)

  1. 一種矽光子封裝結構，包括： 一基板； 一導電凸塊，配置於該基板上； 一擋牆結構，形成於該基板上； 一雷射二極體，配置於該基板上方，且與該導電凸塊電性接合，該雷射二極體在朝向該基板的表面上具有一凸脊，該凸脊的一端具有一發光面，其中該擋牆結構位於該導電凸塊與該凸脊之間，且該擋牆結構在垂直於該基板的方向上的厚度大於該凸脊在垂直於該基板的方向上的厚度； 一模態轉換器，形成於該基板上；以及 一球形透鏡，形成於該基板上，且位於該發光面與該模態轉換器的入光端之間，其中該球形透鏡將該發光面所發出的光會聚於該模態轉換器的該入光端，且該雷射二極體的體積大於該球形透鏡的體積。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的矽光子封裝結構，其中該球形透鏡是由至少兩層不同的材質所形成。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的矽光子封裝結構，其中該基板於該球形透鏡下方的區域具有一平坦表面。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的矽光子封裝結構，其中該發光面與該球形透鏡的間距為D1，從該發光面的中心傳遞至該入光端的中心的光線在該球形透鏡中傳遞的距離的一半為R，且0.1≦D1/R≦1。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的矽光子封裝結構，其中該入光端與該球形透鏡的間距為D2，從該發光面的中心傳遞至該入光端的中心的光線在該球形透鏡中傳遞的距離的一半為R，且0.1≦D2/R≦1。
  6. 如申請專利範圍第1項所述的矽光子封裝結構，其中該基板更包括多個支撐柱，形成於該基板上，且支撐該雷射二極體。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的矽光子封裝結構，其中每一支撐柱的頂部具有對位標記。
  8. 如申請專利範圍第1項所述的矽光子封裝結構，其中該模態轉換器的該入光端具有一傾斜入光面，且該傾斜入光面相對該發光面的中心至該入光端的中心的連線在平行於該基板的方向上傾斜。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的矽光子封裝結構，其中該發光面的中心至該入光端的中心的該連線與該傾斜入光面的夾角是落在80度至89度的範圍內。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的矽光子封裝結構，其中該模態轉換器為波導。
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