CN215986597U - 一种易封装的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种易封装的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆，硅基晶圆上设有多个具有该耦合结构的硅光芯片，硅光芯片包括功能区以及设置在功能区***的耦合区，功能区上设有硅光波导，耦合区上设有至少一个用于放置功能元件的功能元件刻槽，硅光波导与功能元件刻槽之间的耦合区上设有透镜阵列刻槽或透镜刻槽，透镜阵列刻槽内设有硅透镜阵列，透镜刻槽内设有硅透镜，通过硅透镜或硅透镜阵列实现硅光波导与功能元件的耦合。该耦合结构应用于硅光芯片与单模光纤或者激光光源芯片之间的耦合，将小尺寸硅透镜或者硅透镜阵列自动化贴装至硅光芯片特殊的透镜刻槽中，来实现与单模光纤或者激光器芯片的高效率的自动化对准封装，具有高效率、低成本的特点。

Description

一种易封装的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆

技术领域

本实用新型涉及半导体技术领域，特别是涉及一种易封装的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆。

背景技术

随着云计算、移动互联网、数据中心等的大力建设，全球市场对带宽和宽带网络具有迫切和直接的需求。目前光通信网络正向着集成化、低功耗、智能化和大容量的方向发展，高速光芯片中硅光技术具有低成本、高集成度、大带宽等优点，能够满足不断增长的数据业务、网络资源等的要求，是全球各大厂商积极布局和研发的主要技术之一。然而由于硅光芯片的模斑尺寸较小，与单模光纤耦合面临着耦合插损大、对准精度要求高等问题，是限制硅光技术产业化发展的主要瓶颈之一。如何找到一种低成本、晶圆级的耦合方式已经成为目前硅光芯片/器件/产品等制造供应商的当务之急。

如图1所示，一种方法是在硅光芯片功能区1内用于放置硅光波导2的端面与单模光纤4之间放置透镜或者透镜阵列3，通过调整透镜或者透镜阵列位置，使硅光波导2的模斑尺寸经透镜进行转换，使之与单模光纤4的模斑尺寸匹配，从而实现较低的耦合损耗。这种方式一般需要先将硅光芯片固定后，通过微调透镜或者光纤的位置，找到耦合最优的位置后，通过胶水固定。寻找耦合最优的位置需要采用有源耦合的方式，即需要给硅光芯片施加电流或者外部光源，之后通过出光功率判断耦合的最佳位置。该方法在单通道的硅光芯片耦合中比较适用，然而对于多通道的耦合，则需要分别对每一个透镜或者光纤进行位置调整，方式较为复杂，耦合效率较低，封装成本较高。

如图2所示，另一种方式是通过外部小模斑光纤或者模斑转换器进行模斑匹配。小模斑光纤是一种特殊光纤，模场直径可以在3~8μm范围内订制；模斑转换器是利用玻璃或者SiN等低折射率材料制作的波导芯片，其后端尺寸与单模光纤基本相同，前端渐进至于硅波导尺寸相同，在硅光芯片外部增加PLC（Planar Lightwave Circuit，简称PLC，平面光波导芯片），通过PLC的SiO2波导模斑转换器13实现单模光纤4与硅光芯片功能区1内的硅光波导2耦合；通过这种方式，可以实现单模光纤4与硅光波导2的模式匹配。但是需要额外的模斑转换芯片，尺寸和成本有一定的代价。同时，由于在与硅光波导耦合处模斑尺寸较小，其耦合精度要求较高，对于批量自动化生产并不友好。

综合上述情况，本实用新型专利的目的是提出一种易封装、低成本的硅光波导耦合的方式。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本实用新型提供一种易封装、低成本的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆，应用于硅光芯片与单模光纤或者激光光源芯片之间的耦合，将小尺寸硅透镜或者硅透镜阵列无源贴片至硅光芯片的透镜刻槽中，来实现与单模光纤或者激光器芯片的高效率的自动化对准封装，具有高效率、低成本的特点。

本实用新型解决其技术问题所要采用的技术方案是：一种具有低耦合插损的硅光芯片耦合结构，包括硅光芯片，所述硅光芯片包括功能区以及设置在功能区***的耦合区，所述功能区上设有硅光波导，所述耦合区上设有至少一个用于放置功能元件的功能元件刻槽，所述硅光波导与功能元件刻槽之间的耦合区上设有透镜阵列刻槽或透镜刻槽，所述透镜阵列刻槽内设有硅透镜阵列，所述透镜刻槽内设有硅透镜，通过硅透镜或硅透镜阵列实现硅光波导与功能元件的耦合。单个的硅透镜用于单通道耦合的情况，硅透镜阵列是由多个硅透镜组成，用于多通道耦合的情况。

功能元件有多种，包括但不限于单模光纤、光源芯片（即激光器芯片）等，也可以同时实现两种以上的功能元件的耦合。

当所述功能元件为单模光纤时，采用一个硅透镜或硅透镜阵列即可实现单模光纤与硅光波导之间的耦合，因此，采用一个透镜刻槽或透镜阵列刻槽用于固定硅透镜或硅透镜阵列，所述功能元件刻槽为与单模光纤形状匹配的V型刻槽。

当所述功能元件为光源芯片时，需要在光源芯片与硅光芯片之间放置至少一颗硅透镜用于光束的调整，同时需要在硅透镜与光源芯片之间的光路上设置用于防止反射光影响光源芯片的激光器内部发光性能的隔离器，因此，为了实现光源芯片、隔离器以及硅透镜的放置，在耦合区上依次设置有透镜刻槽、隔离器刻槽和光源芯片刻槽，分别用于放置硅透镜、隔离器和光源芯片，隔离器的设置避免耦合端面会有反射问题，从而避免反射光再次进入光源芯片的激光器内部影响发光性能。

深刻蚀是相对于浅刻蚀来说的，一般芯片加工的一些波导结构刻蚀都是采用干法刻蚀，深度不超过2微米，属于浅刻蚀；深刻蚀一般深度是指在10~300微米的湿法刻蚀。硅透镜的直径一般在200~500微米，因此，为了满足硅透镜的安装要求，所述透镜刻槽为采用深刻蚀形成的深刻槽，且深刻槽的深度为10~300微米，宽度100~600微米。

具体的，与所述光源芯片尺寸匹配的刻槽深度为100~300微米。

进一步，所述深刻槽内预留对准导向槽，用于硅透镜或硅透镜阵列与硅光芯片的自动化对准。

具体的，所述硅透镜通过氧气等离子氧化的方式或者光路胶固定在透镜刻槽内；所述硅透镜阵列通过氧气等离子氧化的方式或者光路胶固定在透镜阵列刻槽内。

一种硅基晶圆，其特征在于：包括晶圆基体，所述晶圆基体上设有阵列排布的多个硅光芯片，所述硅光芯片上具有上述的耦合结构。制作时，在晶圆上先做硅衬底，然后把硅光芯片、硅透镜或硅透镜阵列以及功能芯片贴装上去。

本实用新型的有益效果是：本实用新型提供的一种具有低耦合插损的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆，通过硅透镜或硅透镜阵列与硅光芯片结合的方式，实现低成本、高效率的耦合方式。

附图说明

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

图1是现有技术中通过透镜耦合的示意图。

图2是现有技术中经过PLC SiO₂波导实现的模斑转换的结构示意图。

图3是实施例一的耦合结构示意图。

图4是实施例二的耦合结构示意图。

图5是实施例三中硅基晶圆的结构示意图。

图6是图5中硅基晶圆上单个硅光芯片的耦合结构示意图。

图中：1、功能区，2、硅光波导，3、透镜，4、单模光纤，5、耦合区，6、透镜阵列刻槽，61、透镜刻槽，7、玻璃盖板，71、光源芯片刻槽，72、隔离器刻槽，73、V型刻槽，81、硅透镜阵列，82、硅透镜，83、隔离器，84、电极，9、硅基晶圆，91、晶圆基体，92、硅光芯片， 12、光源芯片，13、SiO₂波导模斑转换器。

具体实施方式

现在结合附图对本实用新型作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本实用新型的基本结构，因此其仅显示与本实用新型有关的构成。

本实用新型的耦合结构是利用小型化的硅透镜或硅透镜阵列81，通过单片加工的方式或者混合集成的方式，来实现低插损、易封装的功能元件与硅光波导2的耦合，下面给出不同实施例进行具体实现方式的说明。

实施例一：

如图3所示，本实用新型的一种具有低耦合插损的硅光芯片耦合结构，该耦合结构集成在硅光芯片内部，实现单模光纤4与硅光芯片之间的多通道耦合，因此采用硅透镜阵列81，硅透镜阵列81为多个硅透镜以阵列的形式组成，单个硅透镜的尺寸一般在200μm大小。

硅光芯片内部包括相互连接的功能区1和耦合区5，耦合区5位于功能区1的一侧，其中，功能区1用于硅光芯片本身功能的实现，如调制、接收、滤波器等；耦合区5用于硅光波导2或者SiO₂波导模斑转换器13与外部的单模光纤4进行耦合，该耦合结构设置在硅光芯片的耦合区5内。

制作过程为：

首先，在硅光波导2外侧的耦合区5内依次刻蚀用于固定硅透镜阵列81的透镜阵列刻槽6，以及用于固定单模光纤4的功能元件刻槽，功能元件刻槽为深刻槽且形状为V型刻槽73，在深刻槽部分预留对准导向槽，用于硅透镜阵列81与硅光芯片的无源对准。作为优选，深刻槽的深度为100~300微米，宽度100~600微米。

然后，将硅透镜阵列81置于透镜阵列刻槽6中，利用氧气等离子（O₂ Plasma）或者光路胶进行固定。

最后，将单模光纤4通过V型刻槽73固定于硅光芯片的耦合区5上，然后通过玻璃盖板7压紧固定。

由此实现单模光纤4与硅光波导2的对准耦合。在实施过程中，可以利用简单的倒锥结构将硅光波导2的模斑尺寸扩展至4~5μm左右，而硅透镜的尺寸一般在200μm大小，其对准容差较大，可以利用深刻槽中的对准导向槽来进行无源对准。

与当前的通过SiO₂波导模斑转换器13结构实现与单模光纤4匹配的方案相比，本实用新型的优势在于：

（1）工艺简单：不需要增加SiN等多层模斑转换结构或者悬臂梁等悬空结构；

（2）可靠性高：加工工艺简单，技术方案成熟；

（3）可以晶圆级无源贴装：可以在硅光芯片与硅透镜结合部分增加对准定位槽，在晶圆级完成硅透镜的贴装，工艺简单，对准容差大。

实施例二：

如图4所示，本实施例为增加光源芯片12耦合的方案，与实施例一的区别之处在于，该硅光芯片还能够实现与第二功能元件——光源芯片12的耦合，硅光芯片内部的耦合区5上还设有与光源芯片12耦合的耦合结构，该耦合结构包括依次设置的透镜刻槽61、隔离器刻槽72和光源芯片刻槽71，光源芯片刻槽71即为功能元件刻槽，且透镜刻槽61、隔离器刻槽72和光源芯片刻槽71内依次设置硅透镜82、隔离器83和光源芯片12。

制作过程为：

制作过程与实施例一的过程基本类似，通过在硅光芯片的耦合区5上刻蚀出分别用于固定硅透镜82、隔离器72以及光源芯片71的透镜刻槽61、隔离器刻槽72和光源芯片刻槽71，上述刻槽均为深刻蚀工艺形成的深刻槽，且均预留对准导向槽，与所述光源芯片71尺寸匹配的刻槽深度为100~300微米；然后，将硅透镜82、隔离器72以及光源芯片71依次分别置于深刻槽中，利用氧气等离子（O₂ Plasma）或者光路胶进行固定。

激光光源芯片71的模斑尺寸一般在2~5μm大小，因此可以采用硅透镜82的方案实现耦合对准。通过上述方式可以实现晶圆级的高精度贴片方案。其中，硅光芯片上可以设计相应的电极84结构，为光源芯片12提供电流。该方案相比于传统的片外无源耦合方案，其对准精度更高。

实施例三：

硅透镜阵列81目前已经批量用于单模光纤4和激光光源芯片12与硅光波导2的对准应用中。因此，实施例一和实施例二的方案均可以在硅基晶圆9上实施，实现晶圆级的硅透镜安置和对准，之后再进行划片封装的步骤。

如图5和图6所示，一种硅基晶圆9，包括晶圆基体91，所述晶圆基体91上设有阵列排布的多个硅光芯片92，所述硅光芯片92上具有实施例一或实施例二的耦合结构。以单模光纤4为例说明制作过程，制作时，在晶圆基体91上先做硅衬底，然后采用实施例一中的深刻蚀工艺，刻蚀出对应的深刻槽，再利用自动化贴片装置，把硅光芯片92、硅透镜以及单模光纤4安放在提前刻蚀好的深刻槽中，通过氧气等离子（O₂ Plasma）的方式氧化一层SiO₂薄膜，使硅透镜与硅基晶圆9进行固定。之后再进行减薄、划片等晶圆处理，得到带有硅透镜的硅光芯片92后，将单模光纤4与硅光芯片92进行对准耦合。

以上述依据本实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本实用新型的范围内，进行多样的变更以及修改。本项实用新型的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种易封装的硅光芯片耦合结构，其特征在于：包括硅光芯片，所述硅光芯片包括功能区以及设置在功能区***的耦合区，所述功能区上设有硅光波导，所述耦合区上设有至少一个用于放置功能元件的功能元件刻槽，所述硅光波导与功能元件刻槽之间的耦合区上设有透镜阵列刻槽或透镜刻槽，所述透镜阵列刻槽内设有硅透镜阵列，所述透镜刻槽内设有硅透镜，通过硅透镜或硅透镜阵列实现硅光波导与功能元件的耦合。

2.如权利要求1所述的易封装的硅光芯片耦合结构，其特征在于：所述功能元件包括单模光纤，所述功能元件刻槽为与单模光纤形状匹配的V型刻槽。

3.如权利要求1或2所述的易封装的硅光芯片耦合结构，其特征在于：所述功能元件还包括光源芯片，所述光源芯片所在的耦合区内依次设有透镜刻槽、隔离器刻槽和光源芯片刻槽，所述透镜刻槽内设有用于实现硅光波导与光源芯片耦合的硅透镜，所述隔离器刻槽内设有用于防止反射光影响光源芯片的激光器内部发光性能的隔离器，所述光源芯片设置在所述光源芯片刻槽内。

4.如权利要求3所述的易封装的硅光芯片耦合结构，其特征在于：所述硅光芯片上还设有电极，所述电极用于给光源芯片提供电流。

5.如权利要求3所述的易封装的硅光芯片耦合结构，其特征在于：所述透镜刻槽和透镜阵列刻槽均为深刻槽，且深刻槽的深度为100~300微米，宽度100~600微米。

6.如权利要求5所述的易封装的硅光芯片耦合结构，其特征在于：与所述光源芯片尺寸匹配的刻槽深度为100~300微米。

7.如权利要求5所述的易封装的硅光芯片耦合结构，其特征在于：所述深刻槽内预留对准导向槽，用于硅透镜或硅透镜阵列与硅光芯片的自动化对准。

8.如权利要求1所述的易封装的硅光芯片耦合结构，其特征在于：所述硅透镜通过氧气等离子氧化的方式或者光路胶固定在透镜刻槽内；所述硅透镜阵列通过氧气等离子氧化的方式或者光路胶固定在透镜阵列刻槽内。

9.一种硅基晶圆，其特征在于：包括晶圆基体，所述晶圆基体上设有阵列排布的多个硅光芯片，所述硅光芯片上具有权利要求1-8任一项所述的硅光芯片耦合结构。

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