实现高容差光学芯片接合的混合集成光学设备及其制造方法技术

光学设备包括光学台和两个倒装接合的光学芯片。该光学台包括大面积板条波导结构，其具有面向第一光学芯片的输入小平面、面向第二光学芯片的输出小平面以及一个或更多个弯曲小平面，该一个或更多个弯曲小平面反射板条模态光，使得通过输入小平面耦合的输入光学模态在其传播时在板条波导平面中发散，在弯曲小平面处反射，并聚焦成输出小平面处的输出光学模态，其模态大小在面内方向上大于输入光学模态。在制造过程中，在第一光学芯片被倒装接合后，确定输出小平面上的聚焦的输出光学模态的位置，然后基于确定的输出光学模态的位置倒装接合第二光学芯片。

Hybrid integrated optical device for realizing high tolerance optical chip bonding and manufacturing method thereof

The optical device includes an optical stage and two flip chip optical chips. The optical platform includes a large area slab waveguide structure, which has an input small plane for the first optical chip, an output small plane for second optical chips, and one or more curved small planes, one or more curved small planes reflecting the mode light of the plate so as to pass the input optical mode of the input small plane coupling. The state is scattered in the slab waveguide plane when it is propagating, reflecting in the small curved plane and focusing on the output optical mode at the output small plane, and its mode size is larger than the input optical mode in the direction of the plane. In the manufacturing process, after the first optical chip is upside down, the position of the output optical mode of the focus on the output small plane is determined, and then the second optical chip is upside down based on the position of the determined output optical mode.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】实现高容差光学芯片接合的混合集成光学设备及其制造方法专利技术背景专利
本专利技术涉及一种具有混合集成光波导芯片的光学设备。具体地，本专利技术涉及一种光学设备，其使用无源对准的倒装式芯片接合方法，以在光学台上混合集成具有不同光波导模态大小(modesize)的两个光波导芯片，这通过其专门设计的板条波导结构降低了所需的接合对准精度。相关技术的描述光互连以前所未有的速度在数据通信中被采用，因为大型数据中心针对从社交网络、云服务到大数据分析和高性能计算的应用需要更多的带宽和更长的传输距离。与电信中的由超高性能分立部件制成的光收发器模块或子系统不同，在数据通信中要求更低成本、更紧凑和更节能的光收发器或引擎。将多个光学部件或芯片(诸如激光器、调制器、光电检测器、开关、衰减器等)集成在光学台芯片上以形成混合集成的光学设备是降低组装成本和占用面积的一种方式。在这样的混合集成光学设备中，在光学台上无源地放置和接合光学芯片是非常优选的，因为它实现了自动化低成本组装，用于巨大的数据通信市场所需的大批量生产。然而，与成熟的集成电路(IC)全自动化封装工艺不同，组装这些光学芯片需要非常精确的对准，属于微米级或更小的数量级，因为这些芯片和光学台通常包括微小的光波导，其必须彼此良好地对准以形成光传输路径。从IC封装工业借用，人们一直试图使用称为倒装芯片接合器的工具将光学芯片倒置接合到光学台上。由于光波导几乎总是通过半导体或类似的晶片加工技术形成在光学芯片和光学台的顶部面上，所以光波导和顶表面之间的距离得到很好的控制。通过将光学芯片倒置放置在光学台上并且在光学台上具有一些预定义的间隔物结构，在垂直于光学芯片和光学台的表面(面外)的方向上的光波导对准可被精确控制。这种倒装芯片接合的方法已被广泛讨论。另一方面，在平行于表面(面内)的方向上的对准由倒装芯片接合器的精度和特定的接合工艺确定。现代的顶级倒装芯片接合器可以实现+/-0.5微米的对准精度，但实际上，涉及包括薄膜金属焊料熔化、粘合剂固化等的工艺的接合由于芯片在温度、应力或材料相变下的物理运动而不可避免地导致最终对准误差。基于本专利技术的专利技术人所进行的测试和工业测试数据，最终对准误差(3σ置信区间)接近+/-2微米或更大。沿波导中的光传播的面内方向的对准是相对容许的，并且可以承受这种对准误差。然而，垂直于光传播的面内方向的对准需要高精度，特别是对于微米尺度上的小光波导如激光器中的光波导。为了增加这个方向上的对准容差，人们试图包括在波导端部处的锥形结构或者透镜结构以便扩展光束以进行更宽容的对准。然而，包括作为光波导的一部分的锥形结构需要光学芯片的设计改变，这禁止了广泛可用且经证实的商业芯片的使用以及在许多情况下损害设备性能。在这种情况下可以使用的透镜不能在光学台上单片地制造并且必须单独安装，这在组装期间会引入额外的对准误差。已经提出了这些和类似的方法，但由于上述问题，它们都没有被用于批量生产。概述根据本专利技术的实施例的光学设备在垂直于光传播的面内方向上显著增加两个光学芯片之间的对准容差。一个实施例是光学设备。该光学设备包括光学台和两个光学芯片。光学台包括大面积板条波导结构、薄膜金属迹线、薄膜微焊料以及在其第一侧面上形成的蚀刻间隔物。第一光学芯片包括在其第一侧面上形成的薄膜金属焊盘(pad)和小的光波导。第二光学芯片包括在其第一侧面上形成的薄膜金属焊盘和相对较宽的光波导。第一光学芯片被对准并倒装接合在光学台上，其第一侧面朝向光学台的第一侧面。第一光学芯片上的波导和光学台上的波导在面外方向上由被形成在光学台的第一侧面上的间隔物保证而良好对准。光学台上的大的板条波导结构将在面外方向上对从光学芯片传输的光进行限制，同时允许光在面内方向上自由发散，使得光以类似于自由空间光传播的板条模态仅在面内方向上传播。板条波导结构包括涂覆有金属的至少一个弯曲小平面作为反射镜以反射板条模态光，使得作为输入光学模态的通过输入小平面耦合的入射光在其传播时在板条波导平面内发散，在弯曲小平面中的一个或多个处反射，并且聚焦成在输出小平面处的输出光学模态，该输出光学模态的模态大小在面内方向上大于输入光学模态。当第一光学芯片在倒装芯片接合后可能在面内方向上不对准时，输出光学模态的位置可以通过基于第一光学芯片的测量的未对准值的计算或其在输出小平面处的位置的直接光学测量来确定。基于输出光学模态的位置，第二光学芯片被对准并倒装接合在光学台上。由于光学台的输出小平面上的输出光学模态和第二芯片的光波导模态都相对较宽，因此它对面内方向上的未对准不太敏感。因此，从具有小波导的第一光学芯片到具有较宽波导的第二光学芯片的整体光学耦合受益于光学台的使用以减少由于无源倒装芯片接合过程的未对准而导致的光损耗。该技术在光学台由半导体晶片加工技术制造时可用于晶片级。这样的晶片级芯片组装技术显著提高了生产率并降低了成本。本专利技术的另外的特征和优点将在以下说明书中阐明，并且部分从说明书中将是明显的或可通过实践本专利技术而得知。本专利技术的目标和其他优点将通过书面说明书及其权利要求书以及附图中特别指出的结构来实现和获得。应理解的是，前面的一般性描述和下面的详细描述二者都是示例性和说明性的，且旨在提供如所要求保护的本专利技术的进一步解释。附图简述图1A是图示根据本专利技术的实施例的混合集成光学设备的透视图。图1B是图示图1A所示的混合集成光学设备的分解图。图2A是通过使用射线光学方法来分析面内光波的图示图1A所示的混合光学设备的工作原理的示意图。图2B是图示当输入光学模态由于第一光学设备的面内未对准而移位时聚焦的输出光学模态的位置的偏移的示意图。图3是图示图1A所示的混合集成光学设备的光学设备上的波导与光学台上的波导之间的面外对准的横截面图。图4是图示图1A所示的混合集成光学设备的光学台上的板条波导的设计入射位置与第一光学设备上的波导之间的面内未对准的视图。图5是图示帮助测量图1A所示的混合集成光学设备的光学台上的波导的小平面处的光学模态中心的蚀刻结构的横截面图。图6是说明具有各种模态大小的匹配光波导模态的光损耗相对于面内未对准的曲线图。图7是图示根据本专利技术的实施例的混合集成光学设备的晶片级组件的透视图。图8A是说明根据本专利技术的实施例的混合集成光学设备的管芯(die)级组装的过程的流程图。图8B是说明根据本专利技术的实施例的混合集成光学设备的晶片级组装的过程的流程图。优选实施例的详细描述参照图1A-1B描述了本专利技术的实施例。光学设备包括光学台，该光学台具有至少一个大面积板条光波导、蚀刻沟槽、间隔物、金属迹线和微焊料；具有至少一个光波导的倒装式接合的第一光学芯片；以及具有至少一个光波导的倒装式接合的第二光学芯片。图1A是图示混合集成光学设备的透视图，而图1B是分解图。为了便于观察后面的结构(其他结构后面的结构用虚线表示)，部件以某种方式绘制，就好像它们是透明的一样。混合集成光学设备包括光学台100、倒装式接合的第一光学芯片200和倒装式接合的第二光学芯片300。光学台100可以由任何半导体或绝缘材料制成，包括但不限于硅、二氧化硅和磷化铟。光学台100包括第一侧面和与第一侧面大致相对的第二侧面。光学台100还包括在第一侧面上通过蚀刻或沉积技术形成的至少一个大面积板条光波导101。波导1本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种混合集成光学设备，包括：光学台，其具有第一侧面和与所述第一侧面相对的第二侧面以及被形成在所述光学台的所述第一侧面处的大面积光学板条波导结构，其中，所述光学板条波导结构具有至少一个输入小平面、至少一个输出小平面和用作反射镜的至少一个弯曲小平面，使得通过所述输入小平面耦合的入射光作为输入光学模态在其传播时在板条波导平面中发散，在所述至少一个弯曲小平面中的一个或更多个弯曲小平面处反射，并聚焦成在所述输出小平面处的输出光学模态，所述输出光学模态具有比所述输入光学模态的模态大小更大的模态大小；第一光学芯片，其具有第一侧面和与该第一侧面相对的第二侧面以及被形成在所述第一光学芯片的所述第一侧面处的光波导；以及第二光学芯片，其具有第一侧面和与该第一侧面相对的第二侧面以及被形成在所述第二光学芯片的所述第一侧面处的光波导；其中，所述第一光学芯片在所述光学台上的所述光学板条波导的所述输入小平面的附近被对准并且倒装接合到所述光学台，其中所述第一光学芯片的所述第一侧面面向所述光学台的所述第一侧面并且所述第一光学芯片的所述光波导面向所述输入小平面；其中，所述第二光学芯片在所述输出小平面的附近被对准并且倒装接合到所述光学台，其中所述第二光学芯片的所述第一侧面面向所述光学台的所述第一侧面并且所述第二光学芯片的所述光波导面向所述输出小平面。...

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.10.19 US 14/886,6141.一种混合集成光学设备，包括：光学台，其具有第一侧面和与所述第一侧面相对的第二侧面以及被形成在所述光学台的所述第一侧面处的大面积光学板条波导结构，其中，所述光学板条波导结构具有至少一个输入小平面、至少一个输出小平面和用作反射镜的至少一个弯曲小平面，使得通过所述输入小平面耦合的入射光作为输入光学模态在其传播时在板条波导平面中发散，在所述至少一个弯曲小平面中的一个或更多个弯曲小平面处反射，并聚焦成在所述输出小平面处的输出光学模态，所述输出光学模态具有比所述输入光学模态的模态大小更大的模态大小；第一光学芯片，其具有第一侧面和与该第一侧面相对的第二侧面以及被形成在所述第一光学芯片的所述第一侧面处的光波导；以及第二光学芯片，其具有第一侧面和与该第一侧面相对的第二侧面以及被形成在所述第二光学芯片的所述第一侧面处的光波导；其中，所述第一光学芯片在所述光学台上的所述光学板条波导的所述输入小平面的附近被对准并且倒装接合到所述光学台，其中所述第一光学芯片的所述第一侧面面向所述光学台的所述第一侧面并且所述第一光学芯片的所述光波导面向所述输入小平面；其中，所述第二光学芯片在所述输出小平面的附近被对准并且倒装接合到所述光学台，其中所述第二光学芯片的所述第一侧面面向所述光学台的所述第一侧面并且所述第二光学芯片的所述光波导面向所述输出小平面。2.根据权利要求1所述的混合集成光学设备，其中，所述光学台包括：至少两个蚀刻沟槽，其被形成在所述光学台的所述第一侧面处，以通过倒装芯片接合工艺接纳所述第一光学芯片和所述第二光学芯片。3.根据权利要求2所述的混合集成光学设备，其中，所述光学台的蚀刻沟槽中的每一个包括：多个间隔物，其被形成在所述蚀刻沟槽的表面上以在垂直于所述光学台的所述第一侧面的方向上限定相应的倒装接合的光学芯片的高度；以及多个金属迹线和多个微焊料，其被设置在所述蚀刻沟槽的表面上以电连接到所述光学芯片的所述第一侧面处的多个金属电极。4.根据权利要求1所述的混合集成光学设备，其中，所述光学台的所述板条波导的所述至少一个弯曲小平面涂覆有金属薄膜以增加在所述板条波导中传播的光的反射率。5.根据权利要求1所述的混合集成光学设备，其中，所述光学台的所述板条波导的所述输入小平面被涂覆有具有预定反射率的薄膜；以及其中，所述光学台的所述板条波导的所述输出小平面被涂覆有具有预定反射率的薄膜。6.根据权利要求1所述的混合集成光学设备，其中，所述至少一个弯曲小平面的轮廓是以下项之一：抛物线曲线的一部分、圆曲线的一部分和数值计算的曲线的一部分，其被优化用于整形光波以形成在所述输出小平面处的聚焦光学模态。7.根据权利要求1所述的混合集成光学设备，其中，所述光学台还包括：反射器，其被形成在所述光学台的主体材料中，所述反射器在所述光学板条波导结构的所述输出小平面附近具有倾斜表面，使得从所述输出小平面出来的光的至少一部分能够被所述倾斜表面反射。8.根据权利要求7所述的混合集成光学设备...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙笑晨，冯宁宁，
申请(专利权)人：镭信公司，
类型：发明
国别省市：美国,US