TWI730571B

TWI730571B - 光學探針裝置

Info

Publication number: TWI730571B
Application number: TW108148437A
Authority: TW
Inventors: 李明昌
Original assignee: 國立清華大學
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2021-06-11
Also published as: TW202124961A

Abstract

一種光學探針裝置，用以端面耦光積體光學元件之光訊號。光學探針裝置包含一探針卡、複數探針頭以及複數極化選擇器。探針頭設置於探針卡之一端，探針頭包含一極化區分器及二波導，二波導連接極化區分器，且穿設於探針卡，其中，各探針頭之一波導用以傳輸垂直極化光，另一波導用以傳輸水平極化光。複數極化選擇器設置於探針卡，且各極化選擇器分別連接於各探針頭之一波導。其中，各極化選擇器控制光訊號之極化方向。藉此，利用光學探針裝置可由端面耦光積體光學元件，且有較高的耦光效率，並可分析積體光學元件中常見到極化相依的問題。

Description

光學探針裝置

本發明係關於一種光學探針裝置，且特別是關於一種具極化控制之端面耦光光學探針裝置。

在先前技術中，晶圓級之積體光學元件的檢測通常是藉由表面耦光來達成，然而欲達成表面耦光，積體光學元件必須在耦光面製作光柵結構，並用光纖陣列連接器對準耦光，此技術較不易突破。另一種檢測方式為利用晶圓代工所製作出的端面耦光積體光學元件，則必須在晶圓切割拋光後方能用光纖作檢測，除了成本高、費時之外，也無法在第一時間分析元件製程良率並改善製程，產生額外的製作成本及增加產品的開發週期。

端面耦光具有較高的耦光效率，但要達成晶圓級的積體光學元件檢測將會變成十分困難，目前文獻上所提出的晶圓級端面耦光檢測是將光纖作精準的斜角切割，並伸入元件端面結構旁的溝槽，藉由斜面反射將光導入積體光學元件，或在光纖分光器上作斜角切割並削薄表面的包覆層，但要做到多通道耦光需要斜角切割光纖陣列並精準組裝，加工頗多且無法量產，而檢測過程中多次的磨損會需要頻繁更換，成本亦會是一大考量，且此方法不易控制光的極化方向。

因此，本發明之目的在於提供一種光學探針裝置，其透過設置包含二極化方向相異之探針頭與極化選擇器，間接將光訊號耦光至晶圓上的積體光學元件，可直接在光學探針裝置上控制光的極化方向，提升端面耦光的檢測精準度及便利性。

依據本發明一態樣之一實施方式提供一種光學探針裝置，用以端面耦光一積體光學元件之一光訊號。光學探針裝置包含一探針卡、複數探針頭以及複數極化選擇器。複數探針頭設置於探針卡之一端，各探針頭包含一極化區分器及二波導，二波導連接極化區分器，且二波導穿設於探針卡，其中，各探針頭之一波導用以一傳輸垂直極化光，另一波導用以傳輸一水平極化光。複數極化選擇器設置於探針卡，且各極化選擇器分別連接於各探針頭之一波導。其中，各極化選擇器控制光訊號之一極化方向。

依據前述之光學探針裝置之其他實施例，其中積體光學元件包含一溝槽，當探針卡之一端沿積體光學元件之一垂直方向伸入溝槽時，透過探針頭接收積體光學元件之光訊號，且進行端面耦光。

依據前述之光學探針裝置之其他實施例，其中各極化區分器將光訊號分為一垂直極化光及一水平極化光，且一波導傳輸光訊號之垂直極化光，另一波導傳輸光訊號之水平極化光。

依據前述之光學探針裝置之其他實施例，其中光學探針裝置更包含複數光偵測器，其設置於探針卡之另一端，且各光偵測器分別連接於各探針頭之一波導。

依據前述之光學探針裝置之其他實施例，其中各極化選擇器包含二分光器及一相位調變器。相位調變器連接於二分光器，且連接於極化選擇器所連接之探針頭之一波導，用以選擇垂直極化光或水平極化光。

依據前述之光學探針裝置之其他實施例，其中二分光器為一馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder Interferometer)。

依據前述之光學探針裝置之其他實施例，其中二波導之材料包含矽。

依據前述之光學探針裝置之其他實施例，其中光學探針裝置更包含一光纖陣列連接器，其連接於探針卡，且用以傳輸光訊號。

依據前述之光學探針裝置之其他實施例，其中光纖陣列連接器包含一光纖陣列及一端面耦合器。光纖陣列設置於探針卡之另一端。端面耦合器連接於光纖陣列與各探針頭之一波導之間，用以將光訊號耦合至光纖陣列。

依據前述之光學探針裝置之其他實施例，其中光纖陣列包含複數光纖及二方形板。光纖傳遞光訊號。二方形板用以固定光纖。

藉此，本發明之光學探針裝置之探針頭可將積體光學元件的光訊號垂直耦出作檢測，其中光的極化方向可藉由光學探針裝置之極化選擇器控制。

100‧‧‧光學探針裝置

110‧‧‧積體光學元件

112‧‧‧光訊號

120、120a‧‧‧探針卡

130‧‧‧探針頭

140、140a‧‧‧極化選擇器

150‧‧‧波導

160‧‧‧溝槽

170‧‧‧光偵測器

180‧‧‧微處理器

200‧‧‧光纖陣列連接器

210‧‧‧光纖陣列

211‧‧‧光纖

212‧‧‧方形板

TE‧‧‧垂直極化光

TM‧‧‧水平極化光

第1圖係繪示依照本發明第一實施例之光學探針裝置的立體示意圖；以及

第2圖係繪示依照本發明第二實施例之探針卡的正視示意圖。

以下將參照圖式說明本發明之複數個實施例。為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施例中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之；並且重複之元件將可能使用相同的編號表示之。

此外，本文中當某一元件(或機構或模組等)「連接」、「設置」或「耦合」於另一元件，可指所述元件是直接連接、直接設置或直接耦合於另一元件，亦可指某一元件是間接連接、間接設置或間接耦合於另一元件，意即，有其他元件介於所述元件及另一元件之間。而當有明示某一元件是「直接連接」、「直接設置」或「直接耦合」於另一元件時，才表示沒有其他元件介於所述元件及另一元件之間。而第一、第二、第三等用語只是用來描述不同元件或成分，而對元件/成分本身並無限制，因此，第一元件/成分亦可改稱為第二元件/成分。且本文中之元件/成分/機構/模組之組合非此領域中之一般周知、常規或習知之組合，不能以元件/成分/機構/模組本身是否為習知，來判定其組合關係是否容易被技術領域中之通常知識者輕易完成。

第1圖係繪示依照本發明第一實施例之光學探針裝置100的立體示意圖。由第1圖可知，本發明為一種光學探針裝置100用以端面耦光一積體光學元件110之一光訊號112。光學探針裝置100包含一探針卡120、複數探針頭130以及複數極化選擇器140。複數探針頭130設置於探針卡120之一端，各探針頭130包含一極化區分器(未另繪示)及二波導150，二波導150連接極化區分器，且二波導150穿設於探針卡120。複數極化選擇器140設置於探針卡120，且各極化選擇器140分別連接於各探針頭130之一波導150。其中，各極化選擇器140控制光訊號112之一極化方向(即光訊號112的電場方向)。藉此，本發明之光學探針裝置100透過設置包含二極化方向相異之探針頭130與極化選擇器140，間接地將光訊號112耦光至晶圓上的積體光學元件110，可直接在光學探針裝置100上控制光的極化方向，提升端面耦光的檢測精準度及便利性。

詳細地說，本發明之光學探針裝置100檢測操作之光訊號112的波長可為1310奈米，其中探針卡120可為一矽晶片，並利用半導體製程將多組探針頭130製作在矽晶片上。此外，各探針頭130可為二維光柵(2D Grating)結構的極化區分器所構成，並在探針卡120上延伸出兩條波導150，傳遞所欲檢測的積體光學元件110之光訊號112，其中波導150之材料可包含矽(如Si3N4)。光學探針裝置100製作細節可經由半導體製程而得，其非本發明之重點，在此不再贅述。

更詳細地說，積體光學元件110可包含一溝槽160，當探針卡120之一端沿積體光學元件110之一垂直方向伸入溝槽160時，透過複數探針頭130接收積體光學元件110之光訊號112，且進行端面耦光。具體來說，如第1圖所示，將探針卡120立起，將複數探針頭130貼近積體光學元件110之端面上的溝槽160，垂直耦出光訊號112，意即探針卡120與積體光學元件110呈直角連接。此外，複數探針頭130進行端面耦光後，各極化區分器將光訊號112分為一垂直極化光TE(Trans Electric)及一水平極化光TM(Trans Magnetic)，且一波導150用以傳輸垂直極化光TE，另一波導150用以傳輸水平極化光TM。特別說明的是，在各波導150中傳遞的光訊號112可為雙向，其中一波導150可發送或接收垂直極化光TE，另一波導150可發送或接收水平極化光TM。

藉此，光訊號112透過探針頭130之極化區分器分成不同的極化光，再經由極化選擇器140作選擇，達到可控制光訊號112的極化方向。

如第1圖所示，光學探針裝置100可更包含一光纖陣列連接器200，其連接於探針卡120，且光纖陣列連接器200傳輸光訊號112，其中光纖陣列連接器200包含一光纖陣列210(Fiber Array)及一端面耦合器(Edge Coupler；未另繪示)。光纖陣列210設置於探針卡120之另一端。端面耦合器連接於光纖陣列210與各探針頭130之一波導150之間，用以將光訊號112耦合至光纖陣列210。具體來說，端面耦合器可為一光纖接頭(Fiber connector)，其設置於探針卡120與光纖陣列連接器200之間，用以傳遞光訊號112。

詳細地說，光纖陣列連接器200可更包含一折射率匹配膠(Index Matching Oil；未另繪示)，折射率匹配膠設置於光纖陣列210與複數波導150之間，用以減少光訊號112在光纖陣列210與複數波導150之間所傳輸的損耗。此外，光纖陣列210可包含複數光纖211及二方形板212，其中複數光纖211傳遞光訊號112。更詳細地說，折射率匹配膠是為了減少光纖211與波導150間的損耗，由於空氣與玻璃和積體光學元件110材料的折射率相差甚大，會造成很強的反射，因此選擇了折射率與兩者較接近的液體(即折射率匹配膠)填充，並於光纖211和波導150對準後填充，接著在特定溫度下以紫外光使折射率匹配膠固化，完成後可承受約2公斤至3公斤之拉力。此外，其中一方形板212可刻出V型溝槽並放置光纖211，再與另一方形板212連接以固定光纖211。由於光纖陣列210通常會研磨出一傾角(例如8度傾角)，用以降低量測時的反射，因此光纖陣列210相對應之晶片亦需研磨出另一傾角(例如-8度傾角)，必須說明的是，上述傾角的角度不以此揭示內容為限。

藉此，光訊號112從積體光學元件110至光纖陣列連接器200形成了一光路，且光訊號112的極化方向可藉由光學探針裝置100中之極化選擇器140電控波導150而改變。

請一併參照第1圖及第2圖，其中第2圖係繪示依照本發明第二實施例之探針卡120a的正視示意圖。如第2圖所示，極化選擇器140a可包含二分光器(未另繪示)及一相位調變器(未另繪示)。相位調變器連接於二分光器，且連接於極化選擇器140a所連接之探針頭130之一波導150，用以對光訊號112選擇為垂直極化光TE或水平極化光TM。詳細地說，二分光器可為一馬赫-曾德爾干涉儀(Mach-Zehnder Interferometer)，且相位調變器可為一種熱光相位調變器，以電流控制相位調變器的溫度造成0或π的相位差，而控制溫度的材料可為一金屬電阻(TiN)，且金屬電阻與波導150間隔一層約2μm的絕緣層(未另繪示)，可通過加電流使其溫度上升，進而影響波導150的折射率，達到選擇光訊號112的極化方向。更詳細地說，當相位差為π時，垂直極化光TE或水平極化光TM由同一路線的波導150作傳遞(如第2圖的實線所示)，當相位差為0時，垂直極化光TE或水平極化光TM由其中一波導150傳遞至另一波導150(如第2圖的虛線所示)。藉此，經由極化選擇器140a控制相位差，以達到選擇垂直極化光TE或水平極化光TM傳遞的路線。

此外，光學探針裝置100可更包含複數光偵測器170，其設置於探針卡120之另一端，且各光偵測器170分別連接於各探針頭130之一波導150。具體來說，光偵測器170接收來自波導150殘餘的極化光，並傳送校準訊號至一微處理器180上，用以偵測極化選擇器140未完全選擇的垂直極化光TE或水平極化光TM，微處理器180在傳送控制訊號至極化選擇器140，並調整極化選擇器140對極化光的控制。藉此，提高極化選擇器140對極化光的選擇準確度。

由上述實施方式可知，本發明具有下列優點：其一，利用光學探針裝置可由端面耦光積體光學元件，且有較高的耦光效率。其二，探針頭的間距是由製程所定義，其誤差值在奈米等級。其三，光纖與波導的通道數不受限制且無成本考量，可量產。其四，可直接在探針卡上控制光訊號的極化方向。

雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。