CN116027502A - 光耦合封装结构和耦合方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光耦合封装结构和耦合方法，光耦合封装结构包括基台、光子芯片、激光器组件及焊料，基台上开设有贯通基台的入料孔；光子芯片设于基台上；激光器组件设于基台上，且激光器组件覆盖至少部分入料孔，激光器组件对准光子芯片的光波导；焊料填充于入料孔内并分布于激光器组件与基台之间，而使激光器组件相对基台焊接固定。激光器组件及光子芯片均设于基台上，激光器组件的光能够直接导入至光子芯片内，结构简单、体积小且便于封装。并且，通过入料孔可以方便地向激光器组件与基台之间填充焊料，能够保证激光器组件与光子芯片之间的位置精度。耦合方法能够对上述光耦合封装结构进行耦合，便于保证激光器组件与光子芯片之间的位置精度。

Description

光耦合封装结构和耦合方法

技术领域

本申请涉及激光器与光子芯片耦合技术领域，特别是涉及一种光耦合封装结构和耦合方法。

背景技术

随着科技的发展，逐渐出现了光子芯片，通过光子芯片替代传统电子芯片。相对于电子芯片，光子芯片利用光子（或光的粒子），传递信息。光子具有很宽的带宽和很小的能量损失，使它们既能快速传输数据又能高度节能。

光子芯片在应用时，激光器需要与光子芯片进行光耦合，即需要将激光器芯片的光导入到光子芯片的光波导中，以通过光子传递信息。在传统技术中，通常通过透镜将激光器发出的光汇聚到光子芯片的光波导中；或者，将激光器发出的光通过光纤传导至光子芯片的光波导中。然而，上述光耦合方式由于使用了透镜或光纤，导致整体结构体积大且封装复杂。

发明内容

基于此，有必要针对光子芯片耦合封装结构体积大且封装困难的问题，提供一种光耦合封装结构和耦合方法。

一种光耦合封装结构，所述光耦合封装结构包括：

基台，所述基台上开设有贯通所述基台的入料孔；

光子芯片，所述光子芯片设于所述基台上；

激光器组件，所述激光器组件设于所述基台上，且所述激光器组件覆盖至少部分所述入料孔，所述激光器组件对准所述光子芯片的光波导；

焊料，所述焊料填充于所述入料孔内并分布于所述激光器组件与所述基台之间，而使所述激光器组件相对所述基台焊接固定。

在其中一个实施例中，所述基台为导热体。

在其中一个实施例中，所述焊料为导热体。

在其中一个实施例中，所述激光器组件的底壁及/或侧壁与所述入料孔的内周壁之间存在间隔，所述焊料自所述间隔处延伸至所述入料孔外。

在其中一个实施例中，所述基台上包括第一安装面与第二安装面，所述光子芯片设于所述第一安装面上，所述激光器组件设于所述第二安装面上，所述第一安装面高于所述第二安装面而在所述基台上形成台阶，部分所述光子芯片伸出至所述台阶的端面外以与所述激光器组件耦合。

在其中一个实施例中，所述基台上设有多个所述入料孔，多个所述激光器组件与所述入料孔一一对应，或者多个所述激光器组件中的至少部分所述激光器组件对应同一所述入料孔，多个所述激光器组件均与所述光子芯片耦合。

一种耦合方法，所述耦合方法包括：

提供基台，所述基台上贯通设有入料孔；

将光子芯片粘贴在所述基台上，使激光器组件与所述光子芯片耦合，耦合后的所述激光器组件覆盖至少部分所述入料孔；

向所述入料孔填充焊料，所述焊料能够通过入料孔延伸设置在所述激光器组件与所述基台之间，使所述激光器组件与所述基台焊接固定。

在其中一个实施例中，在所述激光器组件与所述光子芯片耦合前，所述耦合方法还包括：

在所述激光器组件上点胶；

所述光子芯片与所述激光器组件耦合后，固化胶水。

在其中一个实施例中，在所述激光器组件上点胶前，所述耦合方法还包括：

尝试使所述激光器组件与所述光子芯片耦合，判断所述激光器组件能否与所述光子芯片耦合；

若不能，更换其他的所述激光器组件再次尝试使所述激光器组件与所述光子芯片耦合；

若能，则进行后续步骤。

在其中一个实施例中，在将所述光子芯片粘贴在所述基台时，所述耦合方法还包括：

调整所述光子芯片与所述入料孔的相对位置，使所述激光器组件与所述光子芯片耦合后能够覆盖至少部分所述入料孔。

上述光耦合封装结构中，激光器组件及光子芯片均设于基台上，且激光器组件直接对准光子芯片的光波导。如此，激光器组件的光能够直接导入至光子芯片内，结构简单、体积小且便于封装。进一步地，由于入料孔贯通基台，故当激光器组件与光子芯片对准完成后，可以在基台的另一侧通过入料孔向激光器组件与基台之间填充焊料，以完成激光器组件与基台的焊接固化。如此设置，能够更便于激光器组件与基台之间的固化，能够保证激光器组件与光子芯片之间的位置精度。

附图说明

图1为本申请一实施例提供的光耦合封装结构的轴侧示意图。

图2为图1所示光耦合封装结构的***示意图。

图3为光耦合封装结构沿图1中A-A线的剖视图。

图4为光耦合封装结构在图3中B处的局部放大图。

图5为第二安装面处激光器组件与入料孔接触配合的简单示意图。

图6为本申请一实施例提供的耦合方法的流程框图。

附体标记：10、光耦合封装结构；100、基台；101、第一安装面；102、第二安装面；103、台阶；110、入料孔；111、入口；112、出口；113、第二区域；200、光子芯片；210、光波导；300、激光器组件；310、激光器；320、热层；310、第一区域；400、焊料。

具体实施方式

为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请。但是本申请能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本申请内涵的情况下做类似改进，因此本申请不受下面公开的具体实施例的限制。

在本申请的描述中，需要理解的是，若有出现这些术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等，这些术语指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，若有出现这些术语“第一”、“第二”，这些术语仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本申请的描述中，若有出现术语“多个”，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等，这些术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

在本申请中，除非另有明确的规定和限定，若有出现第一特征在第二特征“上”或“下”等类似的描述，其含义可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，若元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。若一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。如若存在，本申请所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

参阅图1，图1示出了本申请一实施例中的光耦合封装结构的轴侧示意图，图2为图1所示光耦合封装结构的***示意图。本申请一实施例提供的光耦合封装结构10包括基台100、光子芯片200以及激光器组件300。光子芯片200及激光器组件300均设于基台100上。基台100上开设有贯通基台100的入料孔110，激光器组件300覆盖至少部分入料孔110。激光器组件300对准光子芯片200的光波导210。焊料400填充于入料孔110内并分布于激光器组件300与基台100之间，而使激光器组件300相对基台100焊接固定。

上述光耦合封装结构10中，激光器组件300及光子芯片200均设于基台100上，且激光器组件300直接对准光子芯片200的光波导210。如此，激光器组件300的光能够直接导入至光子芯片200内，结构简单、体积小且便于封装。进一步地，由于入料孔110贯通基台100，故当激光器组件300与光子芯片200对准完成后，可以在基台100的另一侧通过入料孔110向激光器组件300与基台100之间填充焊料400，以完成激光器组件300与基台100的焊接固化。可以理解的是，在这个过程中，激光器组件300与基台100之间无需发生相对运动。故，在激光器组件300与基台100的固化过程中，能够保证激光器组件300与光子芯片200之间的位置精度。

可以理解的是，上述激光器组件300与光子芯片200对准的过程即为激光器组件300与光子芯片200的耦合，为便于理解和说明，以下简称耦合。由于本申请中激光器组件300与光子芯片200均设于基台100上，两者具有稳定的相对位置，激光器组件300的光可以直接导入到光子芯片200的光波导210中，而无需设置透镜、单模光纤或双模光纤等中间传递结构。故，能够减小光耦合封装结构10的体积。并且，两者均位于基台100上，封装也更加方便。

需要说明的是，激光器组件300与光子芯片200的耦合后，两者之间的间距仅有几个微米的距离，任何的晃动、抖动及震动等外力均可能导致耦合失效。本实施例中，通过在基台100上开设贯通基台100的入料孔110，能够方便地将激光器组件300固化在基台100上，使激光器组件300与光子芯片200之间能够稳定耦合。

上述光子芯片200的光波导210指的是光子芯片200中引导光波在其中传播的介质装置，又称介质光波导210。简言之，光波导210是光子芯片200中能够用于接收并传导光波的元件。光子芯片200具体可以为硅光芯片、铌酸锂芯片等由硅、氮化硅、磷化铟、III-V族化合物、铌酸锂、聚合物等多种材料体系单片集成或混合集成的光子芯片200。

结合图3，应当理解的是，上述入料孔110贯通基台100中的贯通是相对盲孔而言的。各实施例中入料孔110并不限于贯通设置在基台100相背的两个侧面之间。上述入料孔110贯通基台100指的是，入料孔110至少可以通过两处使基台100内部与外界连通，以下简称所述两处连通的部位为入口111及出口112。如此设置，尽管激光器组件300覆盖出口112，仍能够通过入口111向入料孔110内填充焊料400，使得激光器组件300在出口112处可以通过焊料400与基台100焊接固定。

例如，下述将提到激光器组件300设置在第二安装面102上，则入料孔110的入口111及出口112可以均设置在第二安装面102上。或者，入料孔110的出口112可以设置在第二安装面102上，入料孔110的入口111可以设置在任一与第二安装面102直接连接的侧面上。当然，入料孔110的入口111也可以设置在与第二安装面102相背的面上。可以理解的是，图3所示基台100为规则板状结构，当基台100呈其他结构复杂的形状时，可以相应调整入料孔110的形状及开设位置，以使焊接过程更加简单方便。

请结合图4，在一个实施例中，激光器组件300具体包括激光器310及热层320，激光器310通过共晶焊的方式固定在热层320上。激光器组件300与光子芯片200的耦合，具体指的即是激光器310与光子芯片200的光波导210之间的耦合。为了便于理解与说明，下述仍以激光器组件300作为耦合的对象进行说明。

在一个实施例中，将光子芯片200安放于基台100上时，可以先调整光子芯片200相对入料孔110的位置，以使得当光子芯片200与激光器组件300耦合后，激光器组件300能够覆盖至少部分入料孔110。

在一个实施例中，基台100为导热体。即基台100能够吸收并传导光子芯片200及激光器组件300所散发的热量。如此设置，将光子芯片200与激光器组件300均设置在具有导热性质的基台100上，能够提高对光子芯片200及激光器组件300的散热。本实施例中，基台100不仅作为承载光子芯片200与激光器组件300的结构，同时基台100还作为对光子芯片200及激光器组件300散热的结构，如此能够使光耦合封装结构10整体更加紧凑，进一步减小其体积。

在一个实施例中，焊料400也为导热体，即焊料400具有良好的导热性能。如此，通过焊料400能够将激光器组件300热量传导至外界，或通过焊料400以及基台100能够将激光器组件300的热量传导至外界，避免焊料400在激光器组件300与基台100之间形成隔热结构而导致激光器组件300的热量无法排出，避免因此降低激光器组件300寿命。可以理解的是，激光器组件300能够发射光波，激光器组件300通常具有150℃-200℃的工作温度。通过焊料400及基台100对激光器组件300进行散热，能够相对增长激光器组件300的工作时间、寿命。

应当理解的是，上述激光器组件300的工作温度仅为举例说明以便于理解焊料400及基台100作为导热体的散热作用，并非对激光器组件300的限定。

在一个实施例中，焊料400具体可以为金锡焊料或银锡焊料。可以根据光耦合封装结构10具体适用的环境而相应选择具体的焊料400及焊料400的含量配比。例如，金锡焊料中可以设置金的含量占80%而锡的含量占20%；或者，可以设置金的含量占85%而锡的含量占15%。

请参阅图3及图4，在一个实施例中，基台100上包括第一安装面101与第二安装面102，光子芯片200设于第一安装面101上，激光器组件300设于第二安装面102上。第一安装面101高于第二安装面102而在基台100上形成台阶103，部分光子芯片200伸出至台阶103的端面外以与激光器组件300耦合。由于光子芯片200通常呈片状，激光器组件300高度方向上的的结构尺寸通常大于光子芯片200的高度方向上的结构尺寸，故设置第二安装面102在高度上低于第一安装面101，能够便于激光器组件300与光子芯片200对位耦合。

可以理解是，由于耦合后激光器组件300与光子芯片200之间的距离通常只有几个微米，故设置光子芯片200上用于与激光器组件300耦合的部位伸出至台阶103的端面外，能够便于灵活调整激光器组件300的位置而使光子芯片200与激光能够耦合。举个反例，若光子芯片200于第一安装面101所在平面上的投影均位于第一安装面101内，则由于存在台阶103对激光器组件300的限位作用，激光器组件300与光子芯片200之间的间距不好调整，可能出现无论如何调整激光器组件300的位置，均难以使光子芯片200与激光器组件300之间的距离为预期距离的情况。

请再次参阅图2并结合图5，在一个实施例中，激光器组件300的底壁及/或侧壁与入料孔110的内周壁之间存在间隔，焊料400自间隔处延伸至入料孔110外。如此，能够确保焊料400能够充分地同时与激光器组件300及基台100连接，确保焊接连接的稳定性。

结合图5，可以理解的是，入料孔110具体可以开设在第二安装面102上。在第一安装面101上，入料孔110的外形与激光器组件300外形如图5所示。即，在第二安装面102上，激光器组件300的外形与入料孔110的外形并不严格匹配，入料孔110内的焊料400能够自激光器组件300与入料孔110内周壁之间的间隔而延伸至入料孔110外，以形成稳定的焊接连接。

结合图5，可以理解的是，定义激光器组件300的侧壁于第二安装面102上投影所围设形成的区域为第一区域310，定义入料孔110的内周壁于第二安装面102上投影所围设形成的区域为第二区域113。第二区域113在某些方向上的尺寸大于第一区域310，以形成上述可供焊料400延伸分布的间隔。所述间隔参见图5中标号K。

在一个实施例中，基台100上设有多个入料孔110，多个激光器组件300与入料孔110一一对应，多个激光器组件300均与光子芯片200耦合。如此，通过各个入料孔110，能够方便地将与之对应的各个激光器组件300焊接在基台100上，避免降低各个激光器组件300与光子芯片200耦合的精度。

可以理解的是，本实施例中光子芯片200包括多个光波导210，多个光波导210中包括一个光波导210作为出光口，剩余多个光波导210与多个激光器组件300一一对应，作为各个激光器组件300的入光口。多个激光器组件300可以分别发射不同波长的光波，各个激光器组件300分别和与之对应的入光口耦合，以通过该入光口向光子芯片200内导入光波。各光波在光子芯片200内合波后从出光口发射出。

当然，在某些实施例中，也可以设置多个激光器组件300可以均对应同一入料孔110。或者多个激光器组件300中的部分激光器组件300对准同一入料孔110，而剩余激光器组件300与剩余的入料孔110一一对应。换言之，多个激光器组件300中的至少部分激光器组件300对应同一入料孔110。

请参阅图6，本申请一实施例还提供了一种耦合方法，耦合方法包括如下步骤。

提供基台100，基台100上贯通设有入料孔110。

将光子芯片200粘贴在基台100上，使激光器组件300与光子芯片200耦合，耦合后的激光器组件300覆盖至少部分入料孔110。

向入料孔110填充焊料400，焊料400能够通过入料孔110延伸设置在激光器组件300与基台100之间，使激光器组件300与基台100焊接固定。

在本实施例中，光子芯片200粘贴在基台100上，而激光器组件300焊接在基台100上，基台100同时用于承载光子芯片200与激光器组件300，使光子芯片200与激光器组件300之间的位置能够更加稳定，便于简化光耦合封装结构10的结构，以及提高光子芯片200与激光器组件300之间耦合的精度。由于入料孔110贯通基台100设置，故在光子芯片200与激光器组件300耦合完成后，通过入料孔110能够更加方便地将焊料400焊接设置在激光器组件300与基台100之间，如此能够降低激光器组件300与基台100之间的焊接过程影响激光器组件300与光子芯片200之间耦合的精度。

在一个实施例中，在激光器组件300与光子芯片200耦合前，耦合方法还包括：

在激光器组件300上点胶。点胶的所采用的胶水在预设温度下能够保持粘接。可以理解的是，由于胶水用于粘接激光器组件300与基台100，而如前述实施例中所述，激光器组件300在工作时具有高温。如此设置，能够避免胶水的粘接失效。例如，当激光器组件300工作时的温度为150℃-200℃时，上述预设温度大于200℃，可以避免激光器组件300的工位温度使胶水的粘接失效。可以理解的是，激光器组件300与光子芯片200的耦合过程中，激光器组件300持续向外发出光波，则显然激光器组件300在耦合过程中处于工作状态，具有上述高温。即设置点胶的所采用的胶水在预设温度下能够保持粘接是有必要的。

光子芯片200与激光器组件300耦合后，固化胶水。如此，通过胶水能够对激光器组件300与基台100进行初步固定，保证耦合后激光器组件300与光子芯片200的耦合精度。以进一步降低后续焊接过程中发生耦合失效的几率。

上述激光器组件300与光子芯片200的胶粘固定的胶水可以为紫外光固化胶（UV胶）。固化时，可以采用紫外光灯照射点胶部位，使激光器组件300与基台100之间的胶水固化，以实现激光器组件300的初步固定。

关于胶粘和焊接，需要说明的是，胶水并不会堵塞入料孔110而对焊料400形成封堵。由于胶水只是作为初步固定，故在激光器组件300与基台100接触的侧面上简单地点少量胶水即可实现初步固定。

在一个实施例中，在激光器组件300上点胶前，耦合方法还包括：

尝试使激光器组件300与光子芯片200耦合，判断激光器组件300能否与光子芯片200耦合。

若不能，更换其他的激光器组件300再次尝试使激光器组件300与光子芯片耦合200。

若能，则进行后续步骤。

可以理解的是，由于激光器组件300存在良品率的问题，实际耦合时可能存在某一个激光器组件300无法与光子芯片200正确耦合的情况。本实施例中，在点胶前先行验证该激光器组件300是否能够与光子芯片200正确耦合，以避免激光器组件300不能正确耦合，而该激光器组件300上的胶水污染基台100表面。

在一个实施例中，在将光子芯片200粘贴在基台100时，耦合方法还包括：

调整光子芯片200与入料孔110的相对位置，使激光器组件300与光子芯片200耦合后能够覆盖至少部分入料孔110。如此，光子芯片200与激光器组件300耦合后能够方便地将激光器组件300焊接在基台100上。

在一个实施例中，当光耦合封装结构10包括多个激光器组件300时，可以重复将光子芯片200粘贴在基台100之后的步骤，以使每个激光器组件300均能够方便地且准确地与光子芯片200耦合。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光耦合封装结构，其特征在于，所述光耦合封装结构包括：

基台，所述基台上开设有贯通所述基台的入料孔；

光子芯片，所述光子芯片设于所述基台上；

激光器组件，所述激光器组件设于所述基台上，且所述激光器组件覆盖至少部分所述入料孔，所述激光器组件对准所述光子芯片的光波导；

焊料，所述焊料填充于所述入料孔内并分布于所述激光器组件与所述基台之间，而使所述激光器组件相对所述基台焊接固定。

2.根据权利要求1所述的光耦合封装结构，其特征在于，所述基台为导热体。

3.根据权利要求1所述的光耦合封装结构，其特征在于，所述焊料为导热体。

4.根据权利要求1所述的光耦合封装结构，其特征在于，所述激光器组件的底壁及/或侧壁与所述入料孔的内周壁之间存在间隔，所述焊料自所述间隔处延伸至所述入料孔外。

5.根据权利要求1所述的光耦合封装结构，其特征在于，所述基台上包括第一安装面与第二安装面，所述光子芯片设于所述第一安装面上，所述激光器组件设于所述第二安装面上，所述第一安装面高于所述第二安装面而在所述基台上形成台阶，部分所述光子芯片伸出至所述台阶的端面外以与所述激光器组件耦合。

6.根据权利要求1所述的光耦合封装结构，其特征在于，所述基台上设有多个所述入料孔，或者多个所述激光器组件中的至少部分所述激光器组件对应同一所述入料孔，多个所述激光器组件与所述入料孔一一对应，多个所述激光器组件均与所述光子芯片耦合。

7.一种耦合方法，其特征在于，所述耦合方法包括：

提供基台，所述基台上贯通设有入料孔；

将光子芯片粘贴在所述基台上，使激光器组件与所述光子芯片耦合，耦合后的所述激光器组件覆盖至少部分所述入料孔；

向所述入料孔填充焊料，所述焊料能够通过入料孔延伸设置在所述激光器组件与所述基台之间，使所述激光器组件与所述基台焊接固定。

8.根据权利要求7所述的耦合方法，其特征在于，在所述激光器组件与所述光子芯片耦合前，所述耦合方法还包括：

在所述激光器组件上点胶；

所述光子芯片与所述激光器组件耦合后，固化胶水。

9.根据权利要求8所述的耦合方法，其特征在于，在所述激光器组件上点胶前，所述耦合方法还包括：

尝试使所述激光器组件与所述光子芯片耦合，判断所述激光器组件能否与所述光子芯片耦合；

若不能，更换其他的所述激光器组件再次尝试使所述激光器组件与所述光子芯片耦合；

若能，则进行后续步骤。

10.根据权利要求7所述的耦合方法，其特征在于，在将所述光子芯片粘贴在所述基台时，所述耦合方法还包括：

调整所述光子芯片与所述入料孔的相对位置，使所述激光器组件与所述光子芯片耦合后能够覆盖至少部分所述入料孔。

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