形成气密密封光纤到芯片连接的方法技术

本发明专利技术揭示在光纤与芯片的光元件之间提供气密密封光连接的方法及使用此类方法制造的光子集成芯片。所述方法需要在等离子体中活化所述光纤的端表面以生成悬键，从而所述悬键促进与所述芯片的表面的耦合。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术的实施例涉及用于芯片到芯片及芯片内通信的光互连，且具体来说涉及在光纤与基于硅的光子集成芯片之间形成气密密封连接的方法。
技术介绍
光传输可用作一种用于在单独集成电路芯片之间(芯片间连接)及在相同芯片上的组件内(芯片内连接)通信的手段。在经由光互连的芯片到芯片通信过程中，电路板上的每个芯片与收发器光电子芯片连接，且两个光电子芯片经由平面电介质波导或光纤连接。同样地，光波导可用来连接芯片内的组件(例如，在集成光源与检测器之间)。集成光波导为使用平版印刷处理形成在电介质衬底上或电介质衬底内(例如，氧化物涂覆硅衬底)的光路径。波导可由具有高于芯片衬底的折射率的无机晶体或半导体材料制成以沿波导引导光信号。单模光纤到集成光波导的耦合(且反之亦然)为半导体光子学包装中最昂贵且耗时的制造工艺中的一者。已提出对耦合问题的各种解决方案，包含使用横向倒置锥形结构或垂直绕射光栅结构。另一挑战为气密密封连接到光子集成芯片的光纤或导线，因为光子元件的性能可受例如湿气及污染物等环境条件的不利影响。因此，芯片中的光子元件的环境隔绝成为设计挑战。图1A展示通过馈通120连接到光纤110的常规光子集成芯片包装100。馈通120在光纤110与芯片包装100之间提供气密密封。图1B展示气密光纤馈通120的横截面图。馈通120包住光纤110的端剥除部分130。光纤110的端剥除部分130被玻璃焊剂140材料(例如，硼酸铅玻璃)围绕。玻璃焊剂140堆叠在玻璃套管150与光纤110之间，从而在光纤110与玻璃套管150之间形成基本上无孔隙的结合。玻璃套管150被玻璃焊剂160材料(例如，硼酸铅玻璃)包住，玻璃焊剂160材料继而被外部套管170围绕。外部套管170是由金属、金属合金、陶瓷或玻璃制成。气密密封光纤I1的端面180親合到光子集成芯片包装100。然而，上文所描述的常规方法是昂贵的且不支持大量制造。需要一种将光纤气密密封到光子集成芯片的改进的方法。所述方法需为低成本且在极端周围条件下提供具有高可靠度的气密密封连接。此外，所述方法需支持大量制造工艺及低处理温度。【附图说明】图1A及图1B展示常规气密密封光纤到芯片连接；图2为根据所揭示实施例的光装置的俯视图；图3A及图3B分别为根据所揭不实施例的光纤的俯视图及横截面图；图3C为根据所揭不实施例的光纤的另一横截面图；图4A及4B分别为根据所揭示实施例的光子集成芯片的俯视图及横截面图；及图5为根据所揭示实施例的集成光装置制造工艺的流程图。【具体实施方式】在下文详细描述中，参考附图，附图形成所述描述的一部分且其中通过说明方式展示可实践的具体实施例。应了解，贯穿图式，相同参考数字表示相同元件。充分详细地描述这些实施例以使所属领域的技术人员能够制作及使用所述实施例，且应了解，可对所揭示具体实施例作出结构、材料、电学及程序方面的变更，下文仅详细论述其中的一些变更。本文中描述一种制备用于与例如光子集成芯片耦合的光纤的方法。所述方法包含在等离子体中活化光纤的端表面以在光纤的端表面上生成悬键，从而悬键促进与光子集成芯片的表面的耦合。还描述一种光装置制造工艺，其包含以下步骤:在生成自含有氧气、氮气、氩气、氢气或氨气的气体种类的等离子体中预活化至少一光纤的端表面；及将所述至少一光纤的预活化端表面连接到例如光子集成芯片。所揭示方法可用来制造具有气密密封光纤到芯片连接的集成光装置。图2为根据所揭示实施例的光装置260的俯视图。光装置260具有耦合到光纤组合件300的光子集成芯片200。光装置260使用光子元件270 (例如波导、光放大器、调制器、滤波器、光源及检测器)将多个光子功能集成在光子集成芯片200上。芯片200具有可用来将多个光子元件270 (例如在集成光源与检测器之间)连接到彼此的光波导230。如图2中所示，光波导230还可用来将光子元件270连接到光纤组合件300。光装置260具有定位在芯片200的侧表面240上的气密密封光纤到芯片连接250。自对准机械接口 280用于使用倒置锥形耦合(但可利用其它已知耦合机构)来帮助引导光纤300到芯片连接250。如图2中所示，例如，在420a及420b处使定位在芯片200的侧表面240上的自对准机械接口 280斜切以与光纤组合件300的斜切端表面310机械地对准。尽管图2展示具有斜切接口的光纤到芯片连接250，但应了解，光纤到芯片连接250可基于任何适合形状及配置，只要光纤组合件300可与芯片200上的光波导230对准且耦合到芯片200上的光波导230以用于光通信即可。图3A为光纤组合件300的俯视图。光纤组合件300可为具有芯220的单模光纤，芯220被具有低于所述芯220的折射率的包层210材料围绕。在此实施例中，芯220是由硅石及锗制成，且包层210是由二氧化硅制成。图3B展示光纤组合件300的横截面A-A'图。光纤组合件300的一端具有斜切表面320a、320b。如图3A中所示，斜切表面320a、320b可具有相对于光纤芯220的中心轴330测得的任何角α，例如45°。如图3C中所示，斜切表面320a、320b可为环状。通常，在与芯片200连接之前，剥离端表面310及斜切表面320a、320b的任何缓冲层及涂层。为保证光纤组合件300与芯片200之间的良好密封及粘附，在生成自含有氧气或氢气的气体种类的等离子体中预活化光纤组合件300的端表面310。当在等离子体中活化二氧化硅包层210 (图2)及硅芯220 (图2)时，在光纤组合件300的端表面310上生成悬键。硅原子需要四个键以使其价电子层完全饱和。在结晶硅中，每个硅原子键结到四个其它硅原子。然而，在硅芯220的表面处，硅原子可能具有过少键以致无法满足其价电子层。表面220硅原子可键结到仅三个硅原子，留下一个非饱和价键(也被称为悬键)。二氧化硅包层210的表面还具有具非饱和价键或悬键的硅原子。为获得足够电子以填充其价，在端表面310上具有悬键的硅原子促成与形成在光子集成芯片200的光波导230的侧表面240 (图2)处的硅原子形成共价键。在等离子体中预活化二氧化硅及硅端表面310以生成悬键，因此促进光纤组合件300与光子集成芯片200之间的非常稳固键结。可在等离子体中预活化光纤组合件300的整个端表面310或其一部分。还可在用于预活化光纤组合件300的端表面310的等离子体中预活化斜切表面320a、320b。含有例如氮气、氩气及氨气的其它适合气体种类可用来生成等离子体。可使用包含但不限于生成自气体种类的反应性离子蚀刻等离子体及微波自由基的任何适合工艺生成等离子体。在使端表面310与光子集成芯片200键结之前，光纤组合件300的端当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种制备用于耦合的光纤的方法，其包括：在等离子体中活化所述光纤的端表面以在所述光纤的所述端表面上生成悬键，从而所述悬键促进与芯片的表面的耦合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗伊·米迪，古尔特杰·桑胡，
申请(专利权)人：美光科技公司，
类型：发明
国别省市：美国;US