一种易封装的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆制造技术

本实用新型专利技术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外围的耦合区，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。低成本的特点。低成本的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种易封装的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆


[0001]本技术涉及半导体
，特别是涉及一种易封装的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
[0005]综合上述情况，本技术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。

技术实现思路

[0006]本技术所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本技术提供一种易封装、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。
[0007]本技术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外围的耦合区，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。
[0008]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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]具体的，与所述光源芯片尺寸匹配的刻槽深度为100~300微米。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]本技术的有益效果是：本技术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
[0017]下面结合附图和实施例对本技术作进一步说明。
[0018]图1是现有技术中通过透镜耦合的示意图。
[0019]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。
[0020]图3是实施例一的耦合结构示意图。
[0021]图4是实施例二的耦合结构示意图。
[0022]图5是实施例三中硅基晶圆的结构示意图。
[0023]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。
[0024]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
[0025]现在结合附图对本技术作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本技术的基本结构，因此其仅显示与本技术有关的构成。
[0026]本技术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本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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外围的耦合区，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...

【专利技术属性】
技术研发人员：孙旭，林天营，李操，
申请(专利权)人：苏州海光芯创光电科技股份有限公司，
类型：新型
国别省市：