一种具有低耦合插损的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆
阅读说明：本技术 一种具有低耦合插损的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆 (Silicon optical chip coupling structure with low coupling insertion loss and silicon-based wafer ) 是由 胡朝阳 孙旭 陈晓刚 汪军平 林天营 于 2021-04-20 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种具有低耦合插损的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆,硅基晶圆上设有多个硅光芯片,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。(The invention provides a silicon optical chip coupling structure with low coupling insertion loss and a silicon-based wafer, wherein a plurality of silicon optical chips are arranged on the silicon-based wafer, the coupling structure is applied to coupling between the silicon optical chips and a single-mode optical fiber or a laser light source chip, and small-size silicon lenses or silicon lens arrays are passively pasted in lens grooves of the silicon optical chips to realize efficient automatic alignment packaging with the single-mode optical fiber or the laser chip, and the silicon optical chip coupling structure has the characteristics of high efficiency and low cost.)
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种具有低耦合插损的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆。
背景技术
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。
当前布局硅光技术的厂商都在研究高效的耦合方案，其中概括起来包括以下两种主要方式：
（1）光栅垂直耦合
硅光芯片上的光栅耦合器是一种将沿水平波导方向传输的光转化成垂直方向传输的器件，同时具备模斑转换的功能，因此可以通过单模光纤或者光纤阵列在垂直方向上进行耦合。该方式具备对准精度要求低，方便批量化耦合。但是其缺点也较为明显，比如波长相关性强、耦合插损大、偏振相关性大等等。
（2）端面水平耦合
通过端面设计模斑转换器，通常通过硅光锥形波导、悬臂梁波导、双层波导等方式，将硅光波导内模斑扩展，使之与单模光纤内模斑匹配，从而降低耦合插损。该方式具备耦合插损低、偏振相关性小等优势，但是其对准精度要求较高，对批量化生产的要求较高，导致批量生产器件良率较低，成本较高。
如此可见，相比于垂直耦合，端面水平耦合的方式在对波长、偏振状态要求敏感的系统中更占据优势。而如何将硅光模斑尺寸与单模光纤模斑尺寸进行匹配是优化重点，目前业界主要有以下两种方式：
一种方法是在硅光芯片内部设计模斑转换器，将硅光波导的模斑尺寸进行扩大，例如：倒锥形波导、悬臂梁波导等。如图1所示，硅光芯片内部包括功能区1和耦合区2，耦合区2设有硅光模斑转换器12，单模光纤7与硅光模斑转换器12水平耦合，光场经硅光模斑转换器12后可以由原来<1μm扩展至约4~8μm，与单模光纤7的模场（~9μm）接近。但此项技术设计和加工难度较高，由于模场转换跨度较大，很难实现与单模光纤的模场完全匹配。
由于在硅光芯片内部实现完全模斑匹配难度较高，一般也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，如图2所示，在硅光芯片外部增加PLC（PlanarLightwave Circuit，简称PLC，平面光波导芯片），通过PLC的SiO2波导13实现单模光纤7与硅光芯片耦合区2的硅光模斑转换器12的耦合；通过这种方式，可以实现单模光纤7与硅光波导3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。
综合上述情况，本发明专利的目的是提出一种低插损、易封装的硅光波导耦合的方式。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种具有低耦合插损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。
本发明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，所述功能区外围设有耦合区，所述耦合区上设有与功能区耦合的硅光波导，所述硅光波导外侧的耦合区内设有用于放置至少一个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至少一个透镜刻槽，透镜刻槽具有导向作用，所述透镜刻槽内设有硅透镜或硅透镜阵列，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。
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。
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，所述透镜刻槽为一个，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。
当所述功能元件为光源芯片时，由于光源需要准直再汇聚，而且中间要放置隔离器，所以需要双透镜的方案，此时，所述透镜刻槽为两个，一个靠近硅光波导，一个靠近光源芯片，并且两个透镜刻槽之间的耦合区上设有隔离器刻槽，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。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。
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10~200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10~200微米。
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无源对准。
具体的，所述硅透镜或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刻槽内。其中，氧气等离子氧化的方式实现固定具体为：通过氧气等离子对硅微透镜或硅透镜阵列以及透镜刻槽的表面进行氧化，在两者接触面之间行成氧化膜，从而使两者连接并固定
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。
一种具有低耦合插损的硅光芯片耦合结构，包括硅光芯片和硅基基板，所述硅光芯片设置在硅基基板上，所述硅光芯片外围的硅基基板上设有用于放置至少一个功能元件的功能元件刻槽，所述硅光芯片与功能元件刻槽之间的硅基基板上设有至少一个透镜刻槽，所述透镜刻槽内设有硅透镜或硅透镜阵列，通过硅透镜或硅透镜阵列实现硅光芯片内部的硅光波导与功能元件的耦合。
具体的，所述功能元件为单模光纤，所述透镜刻槽为一个，所述功能元件刻槽为与单模光纤形状匹配的V型刻槽。
具体的，所述功能元件为光源芯片，所述透镜刻槽为两个，且两个透镜刻槽之间的耦合区上设有隔离器刻槽，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。
本发明的有益效果是：本发明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
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是现有技术中硅光波导模斑转换器的结构示意图。
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。
图3是实施例一的耦合结构示意图。
图4是实施例二的耦合结构示意图。
图5是实施例三中硅基晶圆的结构示意图。
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。
图7是实施例四的耦合结构示意图。
图中：1、功能区，2、耦合区，3、硅光波导，4、透镜刻槽，41、第一透镜刻槽，42、第二透镜刻槽，51、光源芯片刻槽，52、隔离器刻槽，53、V型刻槽，61、硅透镜阵列，62、第一硅透镜，63、第二硅透镜，64、隔离器，65、电极，7、单模光纤，8、玻璃盖板，9、硅基晶圆，91、晶圆基体，92、硅光芯片，10、硅基基板，101、硅光芯片刻槽，11、光源芯片，12、硅光模斑转换器，13、SiO2波导。
具体实施方式
现在结合附图对本发明作详细的说明。此图为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
本发明的耦合结构是利用小型化的硅透镜或硅透镜阵列61，通过单片加工的方式或者混合集成的方式，来实现低插损、易封装的功能元件与硅光波导3的耦合，下面给出不同实施例进行具体实现方式的说明。
实施例一：
如图3所示，本发明的一种具有低耦合插损的硅光芯片耦合结构，该耦合结构集成在硅光芯片内部，实现单模光纤7与硅光芯片之间的多通道耦合，因此采用硅透镜阵列61。
硅光芯片内部包括相互连接的功能区1和耦合区2，耦合区2位于功能区1的一侧，其中，功能区1用于硅光芯片本身功能的实现，如调制、接收、滤波器等；耦合区2用于硅光波导3或者硅光模斑转换器12与外部的单模光纤7进行耦合，该耦合结构设置在硅光芯片的耦合区2内。
制作过程为：
首先，在硅光波导3外侧的耦合区2内依次刻蚀用于固定的透镜刻槽4，以及用于固定单模光纤7的功能元件刻槽，功能元件刻槽为深刻槽且形状为V型刻槽53，在深刻槽部分预留对准导向槽，用于硅透镜与硅光芯片的无源对准。
然后，将硅透镜阵列61置于深刻槽中，利用氧气等离子（O2 Plasma）氧化的方式或者光路胶进行固定（图中实心箭头表示O2 Plasma氧化或者光路胶固定，空心箭头表示工序封装流转过程）。
最后，将单模光纤7通过V型刻槽53固定于硅光芯片上，通过玻璃盖板8压紧固定。
由此实现单模光纤7与硅光波导3的对准耦合。在实施过程中，可以利用简单的倒锥结构将硅光波导3的模斑尺寸扩展至4~5μm左右，而硅透镜的尺寸一般在200μm大小，其对准容差较大，可以利用深刻槽中的对准导向槽来进行无源对准。
与当前的通过硅光模斑转换器12结构实现与单模光纤7匹配的方案相比，本发明的优势在于：
（1）工艺简单：不需要增加SiN等多层模斑转换结构或者悬臂梁等悬空结构；
（2）可靠性高：加工工艺简单，技术方案成熟；
（3）可以晶圆级无源贴装：可以在硅光芯片与硅透镜结合部分增加对准定位槽，在晶圆级完成硅透镜的贴装，工艺简单，对准容差大。
实施例二：
如图4所示，本实施例为具有双透镜的方案，与实施例一的区别之处在于，该硅光芯片还能够实现与第二功能元件——光源芯片11的耦合，硅光芯片内部的耦合区2上还设有与光源芯片11耦合的耦合结构，该耦合结构包括依次设置的第一透镜刻槽41、隔离器刻槽52、第二透镜刻槽42和光源芯片刻槽51，光源芯片刻槽51即为功能元件刻槽，且第一透镜刻槽41、隔离器刻槽52、第二透镜刻槽42和光源芯片刻槽51内依次设置第一硅透镜62、隔离器64、第二硅透镜63和光源芯片11。
制作过程为：
制作过程与实施例一的过程基本类似，通过在硅光芯片的耦合区2上刻蚀出分别用于固定第一硅透镜62、隔离器64、第二硅透镜63以及光源芯片11的第一透镜刻槽41、隔离器刻槽52、第二透镜刻槽42和光源芯片刻槽51，上述刻槽均为深刻蚀工艺形成的深刻槽，且均预留对准导向槽；然后，将第一硅透镜62、隔离器64、第二硅透镜63以及光源芯片11依次分别置于深刻槽中，利用氧气等离子（O2 Plasma）氧化的方式或者光路胶进行固定。
激光光源芯片11的模斑尺寸一般在2~5μm大小，因此可以采用硅透镜的方案实现耦合对准。通过上述方式可以实现晶圆级的高精度贴片方案。其中，硅光芯片上可以设计相应的电极65结构，为光源芯片11提供电流。该方案相比于传统的片外无源耦合方案，其对准精度更高。
实施例三：
硅透镜或硅透镜阵列61目前已经批量用于单模光纤7和激光光源芯片11与硅光波导3的对准应用中。因此，实施例一和实施例二的方案均可以在硅基晶圆9上实施，实现晶圆级的硅透镜安置和对准，之后再进行划片封装的步骤。
如图5所示，一种硅基晶圆9，包括晶圆基体91，所述晶圆基体91上设有阵列排布的多个硅光芯片92，所述硅光芯片92上具有实施例一或实施例二的耦合结构。如图6所示，以单模光纤7为例说明制作过程，制作时，在晶圆基体91上先做硅衬底，然后采用实施例一中的深刻蚀工艺，刻蚀出对应的深刻槽，再利用自动化贴片装置，把硅光芯片92、硅透镜以及单模光纤7安放在提前刻蚀好的深刻槽中，通过O2 Plasma的方式氧化一层SiO2薄膜，使硅透镜与硅基晶圆9进行固定。之后再进行减薄、划片等晶圆处理，得到带有硅透镜的硅光芯片92后，将单模光纤7与硅光芯片92进行对准耦合。
实施例四：
如图7所示，本实施例与实施例一和实施例二的区别在于，耦合结构通过硅基基板10设置在硅光芯片92的外部，而不是设置在硅光芯片92内部的耦合区2，其他结构和过程与实施例一和实施例二基本相同。
具体结构包括硅光芯片92和硅基基板10，硅基基板10上刻蚀形成硅光芯片刻槽101，所述硅光芯片92设置在硅基基板10的硅光芯片刻槽101内，所述硅光芯片92外围的硅基基板10上设有用于放置至少一个功能元件的功能元件刻槽，所述硅光芯片92与功能元件刻槽之间的硅基基板10上设有至少一个透镜刻槽4，所述透镜刻槽4内设有硅透镜或硅透镜阵列61，通过硅透镜或硅透镜阵列61实现硅光芯片92内部的硅光波导3与功能元件的耦合。
本实例中硅基基板10上具有单模光纤7和光源芯片11两个功能元件，因此，对于单模光纤7的耦合，在硅基基板10上刻蚀形成透镜刻槽4和V型刻槽53，分别放置硅透镜阵列61和单模光纤7；对于光源芯片11的耦合，在硅基基板10上刻蚀形成第一透镜刻槽41、隔离器刻槽52、第二透镜刻槽42和光源芯片刻槽51，分别放置第一硅透镜62、隔离器64、第二硅透镜63和光源芯片11。
本实施例适用于硅基基板10与硅光芯片92贴装方案，由于这种情况不需要浪费成本较高的硅光芯片92晶圆面积做一些深刻槽等处理，在成本上更具有优势。但是需要划片和组装，无法在晶圆上实施安装，所以装配成本较高。其具体操作方法与前几种应用实例基本一致。
以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关的工作人员完全可以在不偏离本发明的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。
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