硅光芯片背入射光栅耦合结构及其制作方法技术

本发明专利技术提供了一种硅光芯片背入射光栅耦合结构及其制作方法，包括：制作基板，所述基板包括底层基板层、中间基板层及顶层基板层；在顶层基板层上形成光通路结构层，所述光通路结构层具有光栅结构；在光通路结构层上形成介质层；在介质层上形成金属层，其包括与光栅结构位置相匹配的反射部件；在金属层上形成载片；在底层基板层中与反射部件相匹配的位置刻蚀形成光纤容置腔室；去除载片；将光学部件固定于光学部件容置腔室中。

【技术实现步骤摘要】
硅光芯片背入射光栅耦合结构及其制作方法
本专利技术涉及硅光电集成
，特别涉及一种硅光芯片背入射光栅耦合结构及其制作方法。
技术介绍
对于更大带宽和更高数据传输速率的需求激发了开发下一代信息储存和传输平台的努力。广泛地相信光信息系统会为如今的基于微电子的系统提供优异的性能。基于硅光子的集成光学系统是微电子系统的领先替代技术。硅光子与标准CMOS技术和WDM(波分复用)接口，将电信号转变为光学信号，传输光学信号，并将光学信号重新转变为电信号。在分解系统中，单元之间的信号传输在提供了高带宽和高数据传输速率的光学连接之间进行。光纤与收发器之间的低损耗耦合对于数据中心和高性能计算机应用是关键挑战。为了有效地运行，需要使得到达和离开用于集成光系统中的光学连接件和器件的光学信号传输损耗最小化。需要用于系统中的光源、芯片、波导、光纤和接收器以及用于传递光学信号的连接件之间的光学信号的有效耦合。随着硅基微电子工艺不断向着小体积、高集成度、高速度的方向发展，传统的电互连不可避免地会出现高传输延迟、高功耗、时钟与信号串扰等问题，其局限性日益显著。硅基光互连的引入，可以大大发挥其低功耗、高带宽、低串扰等优点，有望解决芯片内电互连瓶颈并进一步提高微电子芯片的性能。同时，这一技术还可以充分利用现有成熟的集成电路CMOS工艺，实现大规模生产。绝缘体上硅(SOI)平台已成为下一代片上光互连技术最重要的解决方案之一。片上光源，高速调制器，波分复用器和光学开关等光学组件均已经在硅光子上实现。除了数据通信之外，硅光子学在生物传感和光检测与测距(LiDAR)等方面均有所应用。但是，硅光子学目前存在的关键挑战是如何有效地实现光波导和光纤之间的耦合。数据通信的标准光纤是单模光纤(SMF)，在1550nm处的模场直径(MFD)接近10um，而硅波导尺寸只有数百纳米，存在巨大的模态尺寸失配。目前较为常用的两种耦合方式分别是平面内(对接)边缘耦合和平面外(垂直)光栅耦合。两种方式经过优化后都能够达到很高的耦合效率，然而也都面临着各自的问题。对于端面耦合而言，其对准容差能力较低，同时又需要端面抛光工艺，这使得封装成本大幅提高，同时又对测试带来了困难。而对于光栅耦合器，虽然经过优化的斜入射光栅耦合器能够比较高效，然而一定的光纤倾角给测试和封装也都带来很多不便，不利于大规模集成。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种硅光芯片背入射光栅耦合结构及其制作方法，以解决现有的光纤与收发器之间的低损耗耦合难以实现的问题。为解决上述技术问题，本专利技术提供一种硅光芯片背入射光栅耦合结构，包括：基板，所述基板包括底层基板层、中间基板层及顶层基板层；光通路结构层，形成于顶层基板层上，所述光通路结构层具有光栅结构；介质层，被布置在光通路结构层上；金属层，被布置在介质层上，其包括与光栅结构位置相匹配的反射部件；光学部件容置腔室，形成于底层基板层中与反射部件相匹配的位置，被配置为容置光学部件。可选的，在所述的硅光芯片背入射光栅耦合结构中，所述光学部件包括光纤和第一透镜，其中：光纤根据光学部件容置腔室的刻蚀深度、光栅结构的光栅周期和占空比设置倾斜角度，以倾斜角度放置在光学部件容置腔室中；或第一透镜放置在光学部件容置腔室中，光纤放置在底层基板层的表面上，光纤具有背对光学部件容置腔室上方的开口的20°～70°斜面。可选的，在所述的硅光芯片背入射光栅耦合结构中，所述底层基板层中与反射部件相匹配的位置具有光路腔室，激光器模块附连在底层基板层的表面上，激光器模块的光信号通过光路腔室提供至光通路结构层。本专利技术还提供一种硅光芯片背入射光栅耦合结构的制作方法，包括：制作基板，所述基板包括底层基板层、中间基板层及顶层基板层；在顶层基板层上形成光通路结构层，所述光通路结构层具有光栅结构；在光通路结构层上形成介质层；在介质层上形成金属层，其包括与光栅结构位置相匹配的反射部件；在金属层上形成载片；在底层基板层中与反射部件相匹配的位置刻蚀形成光纤容置腔室；去除载片；将光学部件固定于光学部件容置腔室中。可选的，在所述的硅光芯片背入射光栅耦合结构的制作方法中，在形成光通路结构层之前，对顶层基板层进行减薄；在刻蚀形成光纤容置腔室前，对底层基板层进行减薄。可选的，在所述的硅光芯片背入射光栅耦合结构的制作方法中，在底层基板层中与反射部件相匹配的位置刻蚀形成光路腔室，将激光器模块附连在底层基板层的表面上，以使激光器模块的光信号通过光路腔室提供至光通路结构层。可选的，在所述的硅光芯片背入射光栅耦合结构的制作方法中，根据光学部件容置腔室的刻蚀深度、光栅结构的光栅周期和占空比设置倾斜角度，将光纤以倾斜角度放置在光学部件容置腔室中；或将第一透镜放置在光学部件容置腔室中，将光纤放置在底层基板层的表面上，使光纤的20°～70°斜面背对光学部件容置腔室上方的开口。可选的，在所述的硅光芯片背入射光栅耦合结构的制作方法中，所述第一透镜为球透镜，其中：所述第一透镜的材料为玻璃或硅。可选的，在所述的硅光芯片背入射光栅耦合结构的制作方法中，在所述金属层上形成焊球；在形成所述光通路结构层时，在顶层基板层上刻蚀形成光栅结构，在顶层基板层上沉积形成硅波导结构。在本专利技术提供的硅光芯片背入射光栅耦合结构及其制作方法中，通过在顶层基板层上形成具有光栅结构的光通路结构层，在光通路结构层上形成介质层，在介质层上形成包括反射部件的金属层，在底层基板层中与反射部件相匹配的位置刻蚀形成光纤容置腔室，实现了一种新型的片上光耦合结构，通过光纤容置腔室、光栅结构与反射部件的位置匹配实现了背入射光栅结构，表面淀积反射部件对光信号进行反射进入光栅结构，光纤再通过光纤容置腔室与光栅结构耦合，减小了光信号泄露和光栅结构与光纤之间的模式失配，实现了高的耦合效率和大的耦合带宽。本专利技术针对带有光栅接口光子器件的倒装使用，提出了一种新型的片上光耦合结构，其中光栅结构可以通过直接光纤插孔耦合，也可以通过球透镜和20°～70°光纤斜面耦合，还可以继承光源微模块，激光器模块耦合输出，通过底层基板层上的光路腔室与光栅结构耦合。实现了新型的背入射光栅结构，表面淀积金属层反射部件，光纤通过光学部件容置腔室与光栅结构耦合，减小了光信号泄露和光栅结构与光纤之间的模式失配，实现了高的耦合效率和大的耦合带宽。本专利技术提出了一种新的片上光源解决方案，只需增加一步额外工艺，便可与硅光子制造工艺兼容，成本低，整体尺寸小，并且可以实现硅光芯片在2.5D/3D集成中的倒装应用。附图说明图1是本专利技术一实施例硅光芯片背入射光栅耦合结构与光纤配合使用示意图；图2是本专利技术一实施例硅光芯片背入射光栅耦合结构与第一透镜和光纤配合使用示意图；图3是本专利技术一实施例硅光芯片背入射光栅耦合结构的总体架构示意图；图4是本专利技术一实施例硅光芯片背入射光栅耦合结构本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种硅光芯片背入射光栅耦合结构，其特征在于，包括：/n基板，所述基板包括底层基板层、中间基板层及顶层基板层；/n光通路结构层，形成于顶层基板层上，所述光通路结构层具有光栅结构；/n介质层，被布置在光通路结构层上；/n金属层，被布置在介质层上，其包括与光栅结构位置相匹配的反射部件；/n光学部件容置腔室，形成于底层基板层中与反射部件相匹配的位置，被配置为容置光学部件。/n

【技术特征摘要】
1.一种硅光芯片背入射光栅耦合结构，其特征在于，包括：
基板，所述基板包括底层基板层、中间基板层及顶层基板层；
光通路结构层，形成于顶层基板层上，所述光通路结构层具有光栅结构；
介质层，被布置在光通路结构层上；
金属层，被布置在介质层上，其包括与光栅结构位置相匹配的反射部件；
光学部件容置腔室，形成于底层基板层中与反射部件相匹配的位置，被配置为容置光学部件。


2.如权利要求1所述的硅光芯片背入射光栅耦合结构，其特征在于，所述光学部件包括光纤和第一透镜，其中：
光纤根据光学部件容置腔室的刻蚀深度、光栅结构的光栅周期和占空比设置倾斜角度，以倾斜角度放置在光学部件容置腔室中；或
第一透镜放置在光学部件容置腔室中，光纤放置在底层基板层的表面上，光纤具有背对光学部件容置腔室上方的开口的20°～70°斜面。


3.如权利要求1所述的硅光芯片背入射光栅耦合结构，其特征在于，所述底层基板层中与反射部件相匹配的位置具有光路腔室，激光器模块附连在底层基板层的表面上，激光器模块的光信号通过光路腔室提供至光通路结构层。


4.一种硅光芯片背入射光栅耦合结构的制作方法，其特征在于，包括：
制作基板，所述基板包括底层基板层、中间基板层及顶层基板层；
在顶层基板层上形成光通路结构层，所述光通路结构层具有光栅结构；
在光通路结构层上形成介质层；
在介质层上形成金属层，其包括与光栅结构位置相匹配的反射部件；

【专利技术属性】
技术研发人员：孙瑜，曹立强，刘丰满，隗娟，
申请(专利权)人：华进半导体封装先导技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32