基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器及其封装结构制造技术

技术编号：40547109 阅读：5 留言：0更新日期：2024-03-05 19:04

本发明专利技术提供一种基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器及其封装结构，该耦合器包括芯片端面耦合器及MEMS微振镜，其中，芯片端面耦合器包括包层、光波导层及基底，光波导层包覆在包层中且设置于基底上；MEMS微振镜位于基底上且与包层水平方向间隔设置，包括面向光波导层出光面的微振镜反射面，微振镜反射面的倾斜角度可主动调节将来自光波导层的水平方向的光翻转为竖直方向。本发明专利技术的该主动垂直端面耦合器具有高耦合效率及大工作带宽的优点，同时耦合器位置不受限制，可灵活设计光学I/O位置，便于对芯片进行晶圆级在线表征测试。本发明专利技术的两种封装结构分别可实现芯片‑光纤以及芯片‑芯片方式的高效耦合输入及输出，可应用于不同场景。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于集成光学和耦合封装，涉及一种基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器及其封装结构。

技术介绍

1、随着物联网、云计算、人工智能等领域的迅速发展，数据中心产生的数据量和对通信容量和计算能力的需求在以指数级快速增长。当前微电子集成电路在速度和功耗两方面遇到了瓶颈，面向未来的可扩展性受到了前所未有的挑战。与电子相比，光子作为信息载体具有巨大优势，如超高信息容量、超低传输功耗和延时、超低信道干扰等。在这样的背景下，利用硅基互补金属氧化物半导体(complementary metal oxide semiconductor，cmos)制造工艺构建以光子为信号载体的集成光互连技术-硅基光子集成技术为构建可大规模生产的集成光路提供了一个非常有潜力的强大平台。

2、在硅光芯片的加工过程中，尤其是在进入芯片分割、抗反射层涂覆和封装等昂贵且复杂的制造步骤之前，需要对片上各种光学器件的性能进行高通量的晶圆级表征测试，需要实现在芯片内光波导和芯片外光纤之间的高重复性、高效率的耦合；此外，对于硅光产品，与外部配套光纤组件的耦合封装是大批量生产中的重要环节之一。目前，集成电路的一个重要发展方向是芯粒(chiplet)技术，即系统级芯片(system on chip，soc)将由多个小芯片组成，并且多个小芯片封装在一起，不同功能模块可以采用不同的技术进行加工，以提高良率、降低成本，因此，实现不同芯片内光波导之间的高效率耦合具有重要的现实意义。因此，如何实现硅光芯片-光纤以及芯片-芯片的高效耦合输入和输出是一个日益重要的迫切现实需求。</p>

3、现有技术中，对于光芯片和光纤以及不同光芯片之间的光学耦合，主要包括两种方式：水平端面耦合、光栅耦合，其中，水平端面耦合器耦合效率高，工作带宽大，但是对于晶圆级表征测试，芯片波导端面一般通过深刻蚀加工成切割槽，因此无法直接与光纤进行水平端面耦合；光栅耦合器虽然可以进行晶圆级表征测试，但耦合效率相对低，且显著依赖工作波长，使得其工作带宽较小。

4、为了综合上述两种耦合方式的优点，研究者们提出了垂直端面耦合方式，可通过以下方法实现：1)基于平面集成光学探针，对其端面进行45°斜抛，从而实现光束方向的90°旋转；2)在芯片端面的深刻蚀切割槽中，利用光刻技术将聚合物加工成45°曲面结构，并进行金属沉积，形成微曲面反射镜，从而可将光的传播方向由水平方向转变为竖直方向；3)通过在光纤端面上3d打印自由曲面微光学元件，实现将光耦合进/出深刻蚀的切割槽侧壁的波导端面。但是，上述三种垂直端面耦合方案均为被动耦合方式，一旦加工完成无法再对耦合器进行主动调节以补偿实际加工误差对器件设计参数(如倾斜角度等)的偏离影响。

5、因此，如何提供一种基于微电机系统(micro-electro-mechanical systems，mems)微振镜的主动垂直端面耦合器及其封装结构，以实现既具有水平端面耦合器的高耦合效率、大工作带宽，又可灵活设计光学输入/输出(input/output，i/o)位置，便于对芯片进行晶圆级的在线表征测试，同时还能够实现硅光芯片的芯片-光纤和芯片-芯片的高效耦合输入和输出，成为本领域技术人员亟待解决的一个重要技术问题。

6、应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方法进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方法在本申请的
技术介绍
部分进行了阐述而认为上述技术方法为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

1、鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器及其封装结构用于解决现有技术中垂直端面耦合方法加工完成后不能对耦合器进行主动调节以对加工误差进行校正补偿而明显影响耦合效率的问题。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本专利技术提供一种基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器，包括：

3、芯片端面耦合器，包括包层、光波导层及基底，所述光波导层包覆在所述包层中，所述包层设置于所述基底上；

4、mems微振镜，位于所述基底上并在水平方向上与所述包层间隔设置，所述mems微振镜包括微振镜反射面，所述微振镜反射面面向所述光波导层的出光面，所述微振镜反射面的倾斜角度可主动调节以将来自所述光波导层的光的传播方向由水平方向翻转为竖直方向。

5、可选地，所述基底的上表面设有凹槽，所述mems微振镜的底部位于所述凹槽内。

6、可选地，所述mems微振镜还包括：

7、衬底，位于所述凹槽内，所述微振镜反射面悬设于所述衬底上；

8、不动外框，位于所述衬底上并围绕所述微振镜反射面的四周设置；

9、转轴，悬设于所述衬底上并连接于所述微振镜反射面和所述不动外框之间；

10、驱动器，悬设于所述衬底上并连接于所述不动外框与所述转轴之间用于驱动所述微振镜反射面翻转以调节所述微振镜反射面的倾斜角度。

11、可选地，所述驱动器包括相向而设且交错排列的动齿和定齿，所述动齿与所述转轴连接，所述定齿与所述不动外框的部分连接；所述mems微振镜还包括绝缘隔离块、动齿金属引线及定齿金属引线，所述动齿金属引线位于所述不动外框表面并延伸至所述转轴上与所述动齿连接，所述定齿金属引线位于所述不动外框表面与所述定齿连接，所述绝缘隔离块在垂直方向上贯穿所述不动外框以将所述动齿金属引线与所述定齿金属引线电隔离。

12、可选地，所述包层的材质包括二氧化硅及聚合物中的至少一种。

13、可选地，所述光波导层的材质包括氮氧化硅、硅及氮化硅中的至少一种。

14、可选地，所述芯片端面耦合器包括倒锥形端面耦合器。

15、可选地，所述微振镜反射面包括非球面的微曲面或具有二位阵列分布的单元结构的超平面。

16、本专利技术还提供一种基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器的芯片-光纤封装结构，包括耦合光纤及如上任意一项所述的基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器，所述耦合光纤竖直设置于所述微振镜反射面的上方，用以耦合所述基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器输出的光线或向所述基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器输入光线。

17、可选地，所述耦合光纤面向所述微振镜反射面的端面与水平面之间成预设角度，所述预设角度的范围为6°～10°。

18、本专利技术还提供一种基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器的芯片-芯片封装结构，包括如上任意一项所述的基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器，所述基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器的芯片端面耦合器作为第一芯片端面耦合器，所述第一芯片端面耦合器的光波导层作为第一光波导层，其特征在于：所述封装结构还包括第二芯片端面耦合器，所述第二芯片端面耦合器包括第二光波导层，所述第二芯片端面耦合器竖直放置于所述第一芯片端面耦合器的基底上且所述第二光波导层位于所述微振镜反射面的上方，用以耦合所述基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器输出的光本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器，其特征在于：所述基底的上表面设有凹槽，所述MEMS微振镜的底部位于所述凹槽内。

3.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器，其特征在于，所述MEMS微振镜还包括：

4.根据权利要求3所述的基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器，其特征在于：所述驱动器包括相向而设且交错排列的动齿和定齿，所述动齿与所述转轴连接，所述定齿与所述不动外框的部分连接；所述MEMS微振镜还包括绝缘隔离块、动齿金属引线及定齿金属引线，所述动齿金属引线位于所述不动外框表面并延伸至所述转轴上与所述动齿连接，所述定齿金属引线位于所述不动外框表面与所述定齿连接，所述绝缘隔离块在垂直方向上贯穿所述不动外框以将所述动齿金属引线与所述定齿金属引线电隔离。

5.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器，其特征在于：所述包层的材质包括二氧化硅及聚合物中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的基于MEMS

7.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器，其特征在于：所述芯片端面耦合器包括倒锥形端面耦合器。

8.根据权利要求1所述的基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器，其特征在于：所述微振镜反射面包括非球面的微曲面或具有二位阵列分布的单元结构的超平面。

9.一种基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器的芯片-光纤封装结构，其特征在于：包括耦合光纤及如权利要求1-8中任意一项所述的基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器，所述耦合光纤竖直设置于所述微振镜反射面的上方，用以耦合所述基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器输出的光线或向所述基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器输入光线。

10.根据权利要求9所述的基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器的芯片-光纤封装结构，其特征在于：所述耦合光纤面向所述微振镜反射面的端面与水平面之间成预设角度，所述预设角度的范围为6°～10°。

11.一种基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器的芯片-芯片封装结构，包括如权利要求1-8中任意一项所述的基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器，所述基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器的芯片端面耦合器作为第一芯片端面耦合器，所述第一芯片端面耦合器的光波导层作为第一光波导层，其特征在于：所述封装结构还包括第二芯片端面耦合器，所述第二芯片端面耦合器包括第二光波导层，所述第二芯片端面耦合器竖直放置于所述第一芯片端面耦合器的基底上且所述第二光波导层位于所述微振镜反射面的上方，用以耦合所述基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器输出的光线或者向所述基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器输入光线。

12.根据权利要求11所述的基于MEMS微振镜的主动垂直端面耦合器的芯片-芯片封装结构，其特征在于：所述第二芯片端面耦合器还包括包层及基底，所述第二光波导层包覆在所述第二芯片端面耦合器的包层中，所述第二芯片端面耦合器的包层设置于所述第二芯片端面耦合器的基底上；所述第一芯片端面耦合器的基底中设有凹槽，所述第二芯片端面耦合器的基底部分插入所述凹槽中。

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【技术特征摘要】

1.一种基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器，其特征在于：所述基底的上表面设有凹槽，所述mems微振镜的底部位于所述凹槽内。

3.根据权利要求1所述的基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器，其特征在于，所述mems微振镜还包括：

4.根据权利要求3所述的基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器，其特征在于：所述驱动器包括相向而设且交错排列的动齿和定齿，所述动齿与所述转轴连接，所述定齿与所述不动外框的部分连接；所述mems微振镜还包括绝缘隔离块、动齿金属引线及定齿金属引线，所述动齿金属引线位于所述不动外框表面并延伸至所述转轴上与所述动齿连接，所述定齿金属引线位于所述不动外框表面与所述定齿连接，所述绝缘隔离块在垂直方向上贯穿所述不动外框以将所述动齿金属引线与所述定齿金属引线电隔离。

5.根据权利要求1所述的基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器，其特征在于：所述包层的材质包括二氧化硅及聚合物中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器，其特征在于：所述光波导层的材质包括氮氧化硅、硅及氮化硅中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器，其特征在于：所述芯片端面耦合器包括倒锥形端面耦合器。

8.根据权利要求1所述的基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器，其特征在于：所述微振镜反射面包括非球面的微曲面或具有二位阵列分布的单元结构的超平面。

9.一种基于mems微振镜的主动垂直端面耦合器的芯片-光...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘晓平，吕海斌，
申请(专利权)人：上海新微技术研发中心有限公司，
类型：发明
国别省市：

全部详细技术资料下载我是这个专利的主人