CN112415654A - 一种光栅阵列耦合封装结构 - Google Patents

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Abstract

本发明实施例提供了一种光栅阵列耦合封装结构，包括：光学基板、第一光纤以及光子集成芯片；其中，所述第一光纤容纳于所述光学基板上；所述第一光纤用于传输光信号且包括用于供所述光信号输出的出光口；所述光子集成芯片包括光栅耦合元件以及波导元件；所述光学基板在靠近所述第一光纤的所述出光口处形成有光反射面；所述光反射面的法线与所述光信号的传输方向之间的夹角为锐角；所述光反射面用于将从所述出光口输出的光信号反射进入所述光栅耦合元件；所述光栅耦合元件将经过反射的所述光信号传输至所述波导元件；所述光栅耦合元件的模场与经过反射的所述光信号的模场匹配。

Description

一种光栅阵列耦合封装结构
技术领域
本发明涉及半导体封装领域，具体涉及一种光栅阵列耦合封装结构。
背景技术
硅光子技术是基于硅材料，利用现有CMOS工艺进行光器件的开发和集成的新一代技术，在光通信，数据中心，超级计算以及生物、国防、AR/VR技术、智能汽车和无人机等许多领域都将扮演极其关键的角色。美欧等国在硅光子领域已经有十多年的投入和积累，并已形成了产业优势。LightCounting预测，仅硅光子在光通信领域的产品市场中，就将在五年内达到10亿美元以上。未来一二十年内，硅光子技术的市场更将远远超过这一数字。
当前硅光子技术日渐成熟，其高集成度、小尺寸、低功耗、光电集成等优点备受瞩目，未来硅光子技术将有可能会替代当前的自由空间耦合技术，并且硅光子技术具有解决长远的技术演进(高速率，高集成度)和成本矛盾的能力。
但是，在硅光子器件或者模块的封装过程中，存在耦合结构复杂，耦合损耗较大，并且封装工艺复杂、稳定性差和成本偏高等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明为解决背景技术中存在的至少一个问题而提供了一种光栅阵列耦合封装结构。
为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种光栅阵列耦合封装结构，包括：光学基板、第一光纤以及光子集成芯片；其中，
所述第一光纤容纳于所述光学基板上；所述第一光纤用于传输光信号且包括用于供所述光信号输出的出光口；
所述光子集成芯片包括光栅耦合元件以及波导元件；
所述光学基板在靠近所述第一光纤的所述出光口处形成有光反射面；所述光反射面的法线与所述光信号的传输方向之间的夹角为锐角；所述光反射面用于将从所述出光口输出的光信号反射进入所述光栅耦合元件；
所述光栅耦合元件将经过反射的所述光信号传输至所述波导元件；所述光栅耦合元件的模场与经过反射的所述光信号的模场匹配。
上述方案中，所述光学基板包括形成在所述光反射面上的增反膜。
上述方案中，所述光栅阵列耦合封装结构还包括：位于所述第一光纤的所述出光口与所述光学基板的所述光反射面之间的介质，所述介质包括空气或紫外胶。
上述方案中，所述光学基板上具有V型槽；所述第一光纤容纳于所述V型槽内。
上述方案中，所述光栅阵列耦合封装结构还包括：第二光纤；所述第一光纤容纳于所述光学基板的第一区域；所述光学基板还包括与所述第一区域邻接的第二区域；
所述第二光纤容纳于所述第二区域；所述第二光纤与所述第一光纤相接触，以向所述第一光纤传输所述光信号。
上述方案中，所述第一光纤的芯径小于100μm。
上述方案中，所述V型槽的侧壁与所述光学基板的底面的法线的夹角为54.74°。
上述方案中，所述光学基板还包括位于所述V型槽和所述光反射面之间的导胶槽；所述导胶槽的深度大于所述V型槽的深度；
所述导胶槽用于导入粘胶剂，以将所述第一光纤固定于所述光学基板上。
上述方案中，所述第一光纤的远离所述光学基板的表面与所述光子集成芯片的设置有所述光栅耦合元件的表面接触；包括：
所述第一光纤的远离所述光学基板的表面与所述光子集成芯片的设置有所述光栅耦合元件的表面通过有源对准的方式进行贴装。
本发明实施例提供了一种光栅阵列耦合封装结构，包括：光学基板、第一光纤以及光子集成芯片；其中，所述第一光纤容纳于所述光学基板上；所述第一光纤用于传输光信号且包括用于供所述光信号输出的出光口；所述光子集成芯片包括光栅耦合元件以及波导元件；所述光学基板在靠近所述第一光纤的所述出光口处形成有光反射面；所述光反射面的法线与所述光信号的传输方向之间的夹角为锐角；所述光反射面用于将从所述出光口输出的光信号反射进入所述光栅耦合元件；所述光栅耦合元件将经过反射的所述光信号传输至所述波导元件；所述光栅耦合元件的模场与经过反射的所述光信号的模场匹配。本发明实施例中，从第一光纤输出的光信号，可经光反射面反射进入光栅耦合元件，使得经光反射面反射后进入光栅耦合元件的光信号的模场与光栅耦合元件的模场匹配。如此，使得器件耦合损耗较小，可靠性较高，并且封装工艺更为简单，集成度高。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光栅阵列耦合封装结构的剖视图；
图2为本发明实施例提供的光栅阵列耦合封装结构中的光栅阵列组件的俯视图；
图3为本发明实施例提供的光栅阵列耦合封装结构中的光栅阵列组件沿图2中虚线A-A’方向的剖视图；
图4为本发明实施例提供的光栅阵列耦合封装结构中的光栅阵列组件沿图2中虚线B-B’方向的剖视图；
图5为本发明实施例提供的光栅阵列耦合封装结构沿图1中的虚线框的局部放大图；
图6a-6d为本发明实施例提供的光栅阵列耦合封装在制备过程中的器件结构剖面示意图。
附图标记说明：
100-光栅阵列组件；10-光学基板；11-第一区域；12-第二区域；111-V型槽；
112-导胶槽；113-光反射面；
21-第一光纤；22-第二光纤；
30-增反膜；
40-粘胶剂；
50-光子集成芯片；51-底硅层；52-埋氧层；53-顶硅层；60-光栅耦合元件。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本发明公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本发明的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明，而不应被这里阐述的具体实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
在下文的描述中，给出了大量具体的细节以便提供对本发明更为彻底的理解。然而，对于本领域技术人员而言显而易见的是，本发明可以无需一个或多个这些细节而得以实施。在其他的例子中，为了避免与本发明发生混淆，对于本领域公知的一些技术特征未进行描述；即，这里不描述实际实施例的全部特征，不详细描述公知的功能和结构。
在附图中，为了清楚，层、区、元件的尺寸以及其相对尺寸可能被夸大。自始至终相同附图标记表示相同的元件。
应当明白，当元件或层被称为“在……上”、“与……相邻”、“连接到”或“耦合到”其它元件或层时，其可以直接地在其它元件或层上、与之相邻、连接或耦合到其它元件或层，或者可以存在居间的元件或层。相反，当元件被称为“直接在……上”、“与……直接相邻”、“直接连接到”或“直接耦合到”其它元件或层时，则不存在居间的元件或层。应当明白，尽管可使用术语第一、第二、第三等描述各种元件、部件、区、层和/或部分，这些元件、部件、区、层和/或部分不应当被这些术语限制。这些术语仅仅用来区分一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分。因此，在不脱离本发明教导之下，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可表示为第二元件、部件、区、层或部分。而当讨论的第二元件、部件、区、层或部分时，并不表明本发明必然存在第一元件、部件、区、层或部分。
空间关系术语例如“在……下”、“在……下面”、“下面的”、“在……之下”、“在……之上”、“上面的”等，在这里可为了方便描述而被使用从而描述图中所示的一个元件或特征与其它元件或特征的关系。应当明白，除了图中所示的取向以外，空间关系术语意图还包括使用和操作中的器件的不同取向。例如，如果附图中的器件翻转，然后，描述为“在其它元件下面”或“在其之下”或“在其下”元件或特征将取向为在其它元件或特征“上”。因此，示例性术语“在……下面”和“在……下”可包括上和下两个取向。器件可以另外地取向(旋转90度或其它取向)并且在此使用的空间描述语相应地被解释。
在此使用的术语的目的仅在于描述具体实施例并且不作为本发明的限制。在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也意图包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应明白术语“组成”和/或“包括”，当在该说明书中使用时，确定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或更多其它的特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或组的存在或添加。在此使用时，术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。
为了彻底理解本发明，将在下列的描述中提出详细的步骤以及详细的结构，以便阐释本发明的技术方案。本发明的较佳实施例详细描述如下，然而除了这些详细描述外，本发明还可以具有其他实施方式。
本发明实施例提供了一种光栅阵列耦合封装结构，包括：光学基板、第一光纤以及光子集成芯片；其中，所述第一光纤容纳于所述光学基板上；所述第一光纤用于传输光信号且包括用于供所述光信号输出的出光口；所述光子集成芯片包括光栅耦合元件以及波导元件；所述光学基板在靠近所述第一光纤的所述出光口处形成有光反射面；所述光反射面的法线与所述光信号的传输方向之间的夹角为锐角；所述光反射面用于将从所述出光口输出的光信号反射进入所述光栅耦合元件；所述光栅耦合元件将经过反射的所述光信号传输至所述波导元件；所述光栅耦合元件的模场与经过反射的所述光信号的模场匹配。
下面，请具体参见图1-图3。
如图所示，所述光栅阵列耦合封装结构包括光学基板10；所述光学基板10包括第一区域11。
在一些实施例中，所述光学基板10可以为硅基板。可以理解的是，所述硅基板仅作为本发明实施例中的一种下位的、可行的具体实施方式，并不构成对本申请的限制，所述光学基板也可为其他材质的基板。
第一光纤21，位于所述第一区域11上；所述第一光纤21用于传输光信号。
具体地，如图4所示，所述光学基板10的第一区域11上具有V型槽111；所述第一光纤21容纳于所述V型槽111内；所述V型槽111与所述第一光纤21一一对应。如此，使得提供的光栅阵列耦合封装结构整体封装高度缩小，组件结构紧凑，易于模块化集成，降低了生产成本。
所述V型槽111的侧壁与所述光学基板10的底面的法线的夹角为54.74°。
所述V型槽111的数量大于或等于1。
这里，所述V型槽111的数量等于1时，可以实现单通道光栅耦合封装；所述V型槽111的数量大于1时，可以实现阵列光栅耦合封装。
在一些实施例中，所述第一光纤21为裸芯光纤。
所述光学基板10在靠近所述第一光纤21的出光口处形成有光反射面113；所述光反射面113的法线与所述光信号的传输方向的夹角为锐角。
所述光学基板10还包括形成在所述光反射面113上的增反膜30；所述增反膜30有利于增大光线在不同介质中的反射率，提高耦合效率。
这里，所述增反膜30可以包括介质增反膜或金属增反膜。
所述光学基板10还包括位于所述V型槽111和所述光反射面113之间的导胶槽112；所述导胶槽112的深度大于所述V型槽111的深度；所述导胶槽112用于导入粘胶剂40，以将所述第一光纤21固定于所述光学基板10上。
具体地，在固定第一光纤21时，向所述导胶槽112内导入粘胶剂40，粘胶剂40沿所述导胶槽112定向流动，通过向第一光纤21的朝向V型槽111开口的表面施加压力，使所述第一光纤21与所述V型槽111的侧壁紧贴，同时与所述粘胶剂40进行粘合，防止粘胶剂40渗透到所述第一光纤21的朝向V型槽111开口的表面，使其表面不平整，后续与光子集成芯片50贴装时，无法良好贴合，影响光栅耦合元件60的模场与反射后的光信号的模场的匹配度。
在一些实施例中，所述粘胶剂40可以为紫外胶。可以理解的是，所述紫外胶仅作为本发明实施例中的一种下位的、可行的具体实施方式，并不构成对本申请的限制。
所述光栅阵列耦合封装结构还包括：位于所述第一光纤21的所述出光口与所述光学基板10的所述光反射面113之间的介质，所述介质包括空气或紫外胶。
在一些实施例中，位于所述第一光纤21的所述出光口与所述光学基板10的所述光反射面113之间的介质为空气。根据光信号从第一光纤21的出光口到光栅耦合元件60的表面的光程差计算公式：
L1≈n1·d1/tanα(1)
公式(1)中，L1为光信号从第一光纤21的出光口到光栅耦合元件60的表面的光程差，n1为介质折射率，d1为第一光纤21的芯径，α为光反射面113与光栅耦合元件60的表面的夹角，具体的，如图5所示。当介质为空气时，介质折射率n1最小，故光信号从第一光纤21的出光口到光栅耦合元件60的表面的光程差L1最小，反射后的光信号的模场与光栅耦合元件的模场最匹配。
在本发明实施例中，所述第一光纤21选用小芯径光纤，所述第一光纤21的芯径小于100μm，如此，有利于降低光信号从第一光纤的出光口到光栅耦合元件的表面的光程差。
在其他一些实施例中，位于所述第一光纤21的所述出光口与所述光学基板10的所述光反射面113之间的介质为紫外胶。当介质为紫外胶时，所述光栅阵列耦合结构可以实现非气密封装，对外界水汽干扰不敏感。
在本发明实施例中，所述光栅阵列耦合封装结构还包括：第二光纤22；所述第一光纤21容纳于所述光学基板10的第一区域11；所述光学基板10还包括与所述第一区域11邻接的第二区域12；所述第二光纤22容纳于所述第二区域12；所述第二光纤22与所述第一光纤21相接触，以向所述第一光纤21传输所述光信号。
所述第二光纤22与所述第二区域12通过粘胶剂进行固定。
在一些实施例中，所述第二光纤22为带涂覆层光纤。
光子集成芯片50，所述光子集成芯片50包括光栅耦合元件60；所述光栅耦合元件60位于所述光子集成芯片50的上表面。
所述光子集成芯片50包括底硅层51、埋氧层52和顶硅层53。所述埋氧层52位于所述底硅层51上，所述埋氧层52的材料包括二氧化硅；所述顶硅层53位于所述埋氧层52上。
这里，所述光栅耦合元件60位于所述顶硅层53内。
需要说明的是，所述光子集成芯片50内还包括其他元件(图中未示出)，例如波导元件。
所述光反射面113将所述光信号进行反射，反射后的光信号耦合进入光栅耦合元件60；所述第一光纤21的远离所述光学基板10的表面与所述光子集成芯片50的设置有所述光栅耦合元件60的表面接触；所述光栅耦合元件60的模场与反射后的所述光信号的模场匹配。
所述第一光纤21的远离所述光学基板10的表面与所述光子集成芯片50的设置有所述光栅耦合元件60的表面接触；包括：所述第一光纤21的远离所述光学基板10的表面与所述光子集成芯片50的设置有所述光栅耦合元件60的表面通过有源对准的方式进行贴装，保证了反射后的光信号与所述光栅耦合元件中心对准。
需要说明的是，如图1所示，这里所述第一光纤21的远离所述光学基板10的表面与所述光子集成芯片50的设置有所述光栅耦合元件60的表面进行贴装，是将整个光栅阵列组件100倒置，与光子集成芯片50的设置有所述光栅耦合元件60的表面进行贴装。
在一些实施例中，波长为λ的光信号到达所述光栅耦合元件60表面的束腰半径公式为：
Figure BDA0002792421240000091
在公式(2)中，w0为第一光纤21的出光口端面的束腰半径，L1为公式(1)中的光信号从第一光纤21的出光口到光栅耦合元件60的表面的光程差。在本发明实施例中，第一光纤21的芯径为d1，其中，d1＝80μm，α＝54.74°，λ＝1.55μm，w0＝10μm，介质填充为空气，故n1＝1，根据公式(1)和(2)，可计算出光信号到达所述光栅耦合元件60表面的束腰半径w(z)＝15μm，与常规设计的光栅耦合元件的参数匹配。
本发明实施例还提供了一种光栅阵列耦合封装结构的制备方法。
下面结合具体实施例对本发明的光栅阵列耦合封装结构的制备方法作进一步详细的说明。
图6a-6d为本发明实施例提供的光栅阵列耦合封装在制备过程中的器件结构剖面示意图。
首先，参考图6a，提供光学基板10。
所述光学基板10为硅基板。
所述光学基板10包括第一区域11；对所述第一区域11进行刻蚀，形成V型槽111、导胶槽112和光反射面113；所述导胶槽112位于所述V型槽111和所述光反射面113之间。
具体地，可采用多种干法刻蚀或湿法刻蚀工艺对所述第一区域11的表面进行刻蚀，形成所述V型槽111和所述光反射面113；通过对所述第一区域11在所述V型槽111和所述光反射面113之间的区域进行湿法刻蚀，形成导胶槽112。
所述导胶槽112的深度大于所述V型槽111的深度。
所述V型槽111的数量大于或等于1。
所述V型槽111的侧壁与所述光学基板10的底面的法线的夹角为54.74°。
在所述光反射面113上形成增反膜30。具体地，可以通过蒸镀工艺形成介质增反膜；或，通过溅射工艺形成金属增反膜。
所述光学基板10还包括与所述第一区域11邻接的第二区域12。
接着，参考图6b，在所述第一区域11上放置第一光纤21；所述第一光纤21用于传输光信号。
具体的，在所述V型槽111内放置第一光纤21；通过向所述导胶槽112内导入粘胶剂40，向所述第一光纤21的朝向V型槽111开口的表面施加压力，使所述第一光纤21与所述V型槽111的侧壁紧贴，同时与所述粘胶剂40进行粘合，防止粘胶剂40渗透到所述第一光纤21的朝向V型槽111开口的表面，并且保证了粘合的牢固性。
在本发明实施例中，所述粘胶剂40可以为紫外胶；通过紫外灯将所述紫外胶固化。
所述第一光纤21的芯径小于100μm。
所述光反射面113形成于靠近所述第一光纤21的出光口处；所述光反射面113的法线与所述光信号的传输方向的夹角为锐角。
在所述第一光纤21的所述出光口与所述光学基板10的所述光反射面113之间形成有介质，所述介质包括空气或紫外胶。
接下来，所述方法还包括：在所述第二区域12上放置第二光纤22。
所述第二光纤22与所述第二区域12通过粘胶剂固定。
所述第二光纤22与所述第一光纤21相接触，以向所述第一光纤21传输所述光信号。
接着，参考图6c，形成光子集成芯片50。
所述光子集成芯片50包括底硅层51、埋氧层52和顶硅层53。所述埋氧层52位于所述底硅层51上，所述埋氧层52的材料包括二氧化硅。所述顶硅层53位于所述埋氧层52上。
在所述光子集成芯片50的上表面形成光栅耦合元件60；具体地，所述光栅耦合元件60位于所述顶硅层53内。
接下来，参考图6d，将所述第一光纤21的远离所述光学基板10的表面与所述光子集成芯片50的设置有所述光栅耦合元件60的表面接触；所述光栅耦合元件60的模场与反射后的所述光信号的模场匹配。
具体地，所述第一光纤21的远离所述光学基板10的表面与所述光子集成芯片50的设置有所述光栅耦合元件60的表面通过有源对准的方式进行贴装。
所述光反射面113与所述光子集成芯片50的设置有所述光栅耦合元件60的表面的夹角为54.74°。
如此，基本完成了所述光栅阵列耦合封装结构的制备。后续可能还会涉及到一些互连工艺，这里不再展开论述。
需要说明的是，本发明提供的光纤阵列耦合封装结构实施例与光纤阵列耦合封装结构的制备方法实施例属于同一构思；各实施例所记载的技术方案中各技术特征之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。但需要进一步说明的是，本发明实施例提供的光纤阵列耦合封装结构，其各技术特征组合已经可以解决本发明所要解决的技术问题；因而，本发明实施例所提供的光纤阵列耦合封装结构可以不受本发明实施例提供的光纤阵列耦合封装结构的制备方法的限制，任何能够形成本发明实施例所提供的光纤阵列耦合封装结构的制备方法所制备的光纤阵列耦合封装结构均在本发明保护的范围之内。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种光栅阵列耦合封装结构，其特征在于，包括：光学基板、第一光纤以及光子集成芯片；其中，
所述第一光纤容纳于所述光学基板上；所述第一光纤用于传输光信号且包括用于供所述光信号输出的出光口；
所述光子集成芯片包括光栅耦合元件以及波导元件；
所述光学基板在靠近所述第一光纤的所述出光口处形成有光反射面；所述光反射面的法线与所述光信号的传输方向之间的夹角为锐角；所述光反射面用于将从所述出光口输出的光信号反射进入所述光栅耦合元件；
所述光栅耦合元件将经过反射的所述光信号传输至所述波导元件；所述光栅耦合元件的模场与经过反射的所述光信号的模场匹配。
2.根据权利要求1所述的光栅阵列耦合封装结构，其特征在于，
所述光学基板包括形成在所述光反射面上的增反膜。
3.根据权利要求1所述的光栅阵列耦合封装结构，其特征在于，还包括：
位于所述第一光纤的所述出光口与所述光学基板的所述光反射面之间的介质，所述介质包括空气或紫外胶。
4.根据权利要求1所述的光栅阵列耦合封装结构，其特征在于，
所述光学基板上具有V型槽；所述第一光纤容纳于所述V型槽内。
5.根据权利要求1所述的光栅阵列耦合封装结构，其特征在于，还包括：第二光纤；
所述第一光纤容纳于所述光学基板的第一区域；所述光学基板还包括与所述第一区域邻接的第二区域；
所述第二光纤容纳于所述第二区域；所述第二光纤与所述第一光纤相接触，以向所述第一光纤传输所述光信号。
6.根据权利要求1所述的光栅阵列耦合封装结构，其特征在于，
所述第一光纤的芯径小于100μm。
7.根据权利要求4所述的光栅阵列耦合封装结构，其特征在于，
所述V型槽的侧壁与所述光学基板的底面的法线的夹角为54.74°。
8.根据权利要求4所述的光栅阵列耦合封装结构，其特征在于，
所述光学基板还包括位于所述V型槽和所述光反射面之间的导胶槽；所述导胶槽的深度大于所述V型槽的深度；
所述导胶槽用于导入粘胶剂，以将所述第一光纤固定于所述光学基板上。
9.根据权利要求1所述的光栅阵列耦合封装结构，其特征在于，
所述第一光纤的远离所述光学基板的表面与所述光子集成芯片的设置有所述光栅耦合元件的表面接触；包括：
所述第一光纤的远离所述光学基板的表面与所述光子集成芯片的设置有所述光栅耦合元件的表面通过有源对准的方式进行贴装。
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