[發(fā)明專利]硅光芯片與平面光波導(dǎo)芯片耦合的方法

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• 申請日: 2021-04-06
• 公開（公告）號: CN112748504A
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 胡朝陽;孫旭;陳曉剛;汪軍平;林天營
• 申請（專利權(quán)）人: 蘇州海光芯創(chuàng)光電科技股份有限公司
• 主分類號: G02B6/42
• 分類號: G02B6/42;G02B6/122;G02B6/13;G02B6/136
• 代理公司: 蘇州新知行知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(特殊普通合伙) 32414
• 代理人: 馬素琴

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，提供一種硅光芯片與平面光波導(dǎo)芯片耦合的方法，包括步驟：分別加工制備硅光芯片和平面光波導(dǎo)芯片；在制備的硅光芯片和平面光波導(dǎo)芯片的耦合區(qū)的SiO₂包覆層上進行刻蝕，使芯片內(nèi)部的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)裸露出來，同時，刻蝕過程中在硅光芯片和平面光波導(dǎo)芯片的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上方的SiO₂包覆層區(qū)域分別加工出具有互補形狀的對準(zhǔn)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)；將平面光波導(dǎo)芯片上的對準(zhǔn)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)與硅光芯片上的對準(zhǔn)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進行相貼裝耦合并固定，實現(xiàn)硅光芯片和平面光波導(dǎo)芯片的倏逝波耦合。具有對準(zhǔn)容差大、可靠性高以及易于實現(xiàn)自動化量產(chǎn)的特點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種硅光芯片與平面光波導(dǎo)芯片耦合的方法。

背景技術(shù)

隨著云計算、移動互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)中心等的大力建設(shè)，全球市場對帶寬和寬帶網(wǎng)絡(luò)具有迫切和直接的需求。目前光通信網(wǎng)絡(luò)正向著集成化、低功耗、智能化和大容量的方向發(fā)展，高速光芯片中硅光技術(shù)具有低成本、高集成度、大帶寬等優(yōu)點，能夠滿足不斷增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)資源等的要求，是全球各大廠商積極布局和研發(fā)的主要技術(shù)之一。然而由于硅光芯片的模斑尺寸較小，與單模光纖2耦合面臨著耦合插損大、對準(zhǔn)精度要求高等問題，是限制硅光技術(shù)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的主要瓶頸之一。

為了解決這一問題，各類新型的耦合技術(shù)也逐漸被研究和開發(fā)，包括硅波導(dǎo)模斑轉(zhuǎn)換裝置、硅基微透鏡、模斑轉(zhuǎn)換芯片等等。其中模斑轉(zhuǎn)換芯片是一種模斑過渡技術(shù)，可以將較小模斑尺寸的硅波導(dǎo)與較大模斑尺寸的單模光纖2進行過渡連接，以實現(xiàn)減少耦合損耗的目的。其加工工藝一般是基于平面光波導(dǎo)芯片（Planar Lightwave Circuit，簡稱PLC）技術(shù)開發(fā)而來，具有刻蝕精度高、誤差小的優(yōu)點，尤其適用于多通道的硅光芯片的耦合，如數(shù)據(jù)中心400G、800G甚至未來1.6T板載光引擎等應(yīng)用。同時，由于PLC技術(shù)在各類光無源器件中被廣泛使用，比如波分復(fù)用器、分光器等等，因此可以根據(jù)需要將各類無源器件集成于PLC芯片與硅光芯片進行耦合封裝，而整體系統(tǒng)的尺寸和成本基本保持不變。

如圖1所示一種基于模斑轉(zhuǎn)換芯片的多通道硅光引擎的耦合方式示意圖，其中包括多芯光纖連接器（Multi Push On，簡稱MPO 1），單模光纖2，平面光波導(dǎo)芯片3，硅光芯片4。平面光波導(dǎo)芯片用于實現(xiàn)模板轉(zhuǎn)換。由于硅波導(dǎo)模斑尺寸（~2μm直徑）與單模光纖模斑尺寸（~9μm直徑）差距較大，需要分別在硅波導(dǎo)和平面光波導(dǎo)芯片（即PLC芯片）波導(dǎo)設(shè)計模斑轉(zhuǎn)換過渡結(jié)構(gòu)，包括硅波導(dǎo)43和SiO₂波導(dǎo)31。在現(xiàn)有方案中，硅光芯片與PLC芯片是采用水平方向直接對準(zhǔn)的方式實現(xiàn)耦合，其中PLC芯片內(nèi)部的波導(dǎo)尺寸漸變設(shè)計，在與單模光纖耦合部分的模斑尺寸約9μm，在與硅光芯片耦合處模斑尺寸在4~6μm之間。其中耦合的方式采用有源耦合來實現(xiàn)，即先將單模光纖與PLC耦合后，在光波導(dǎo)入射端口處射入光源，在出射端口處放置光功率檢測設(shè)備。當(dāng)PLC芯片與硅光芯片對準(zhǔn)后，功率檢測設(shè)備探測的功率最大，至此完成對準(zhǔn)耦合。這種方式的缺點主要有以下兩點：

（1）耦合容差小：需要高精度對準(zhǔn)設(shè)備，且反復(fù)在XYZ三個方向上對準(zhǔn)，對于自動化耦合設(shè)別的要求極高，進一步的會導(dǎo)致整體成本提升；

（2）可靠性不高：當(dāng)固定用的光路膠或者其他元件由于機械、溫度等變化導(dǎo)致形變后，各通道損耗也隨即發(fā)生較大的變化，導(dǎo)致產(chǎn)品失效。

因此，找到一種低成本、晶圓級的耦合方式已經(jīng)成為目前硅光芯片/器件/產(chǎn)品等制造供應(yīng)商的當(dāng)務(wù)之急。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：為了克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明提出了一種高效率、低成本的硅光芯片與平面光波導(dǎo)芯片耦合的方法，采用一種創(chuàng)新的耦合方法使硅光芯片與PLC耦合，具有低插損、效率高、耦合對準(zhǔn)容差大等優(yōu)點，適合晶圓級制備，在成本和可靠性方面具有較大的優(yōu)勢。

本發(fā)明解決其技術(shù)問題所要采用的技術(shù)方案是：一種硅光芯片與平面光波導(dǎo)芯片耦合的方法，包括以下步驟：

S1：分別加工制備硅光芯片和平面光波導(dǎo)芯片；