[發明專利]一種具有低耦合插損的硅光芯片耦合結構及硅基晶圓

在審

• 申請號: 202110421493.6
• 申請日: 2021-04-20
• 公開（公告）號: CN112817088A
• 公開（公告）日: 2021-05-18
• 發明（設計）人: 胡朝陽;孫旭;陳曉剛;汪軍平;林天營
• 申請（專利權）人: 蘇州海光芯創光電科技股份有限公司
• 主分類號: G02B6/24
• 分類號: G02B6/24;G02B6/36;G02B6/27;G02B6/32
• 代理公司: 蘇州新知行知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 32414
• 代理人: 馬素琴

本發明提供一種具有低耦合插損的硅光芯片耦合結構及硅基晶圓，硅基晶圓上設有多個硅光芯片，該耦合結構應用于硅光芯片與單模光纖或者激光光源芯片之間的耦合，將小尺寸硅透鏡或者硅透鏡陣列無源貼片至硅光芯片的透鏡刻槽中，來實現與單模光纖或者激光器芯片的高效率的自動化對準封裝，具有高效率、低成本的特點。

技術領域

本發明涉及半導體技術領域，特別是涉及一種具有低耦合插損的硅光芯片耦合結構及硅基晶圓。

背景技術

隨著云計算、移動互聯網、數據中心等的大力建設，全球市場對帶寬和寬帶網絡具有迫切和直接的需求。目前光通信網絡正向著集成化、低功耗、智能化和大容量的方向發展，高速光芯片中硅光技術具有低成本、高集成度、大帶寬等優點，能夠滿足不斷增長的數據業務、網絡資源等的要求，是全球各大廠商積極布局和研發的主要技術之一。然而由于硅光芯片的模斑尺寸較小，與單模光纖耦合面臨著耦合插損大、對準精度要求高等問題，是限制硅光技術產業化發展的主要瓶頸之一。如何找到一種低成本、晶圓級的耦合方式已經成為目前硅光芯片/器件/產品等制造供應商的當務之急。

當前布局硅光技術的廠商都在研究高效的耦合方案，其中概括起來包括以下兩種主要方式：

（1）光柵垂直耦合

硅光芯片上的光柵耦合器是一種將沿水平波導方向傳輸的光轉化成垂直方向傳輸的器件，同時具備模斑轉換的功能，因此可以通過單模光纖或者光纖陣列在垂直方向上進行耦合。該方式具備對準精度要求低，方便批量化耦合。但是其缺點也較為明顯，比如波長相關性強、耦合插損大、偏振相關性大等等。

（2）端面水平耦合

通過端面設計模斑轉換器，通常通過硅光錐形波導、懸臂梁波導、雙層波導等方式，將硅光波導內模斑擴展，使之與單模光纖內模斑匹配，從而降低耦合插損。該方式具備耦合插損低、偏振相關性小等優勢，但是其對準精度要求較高，對批量化生產的要求較高，導致批量生產器件良率較低，成本較高。

如此可見，相比于垂直耦合，端面水平耦合的方式在對波長、偏振狀態要求敏感的系統中更占據優勢。而如何將硅光模斑尺寸與單模光纖模斑尺寸進行匹配是優化重點，目前業界主要有以下兩種方式：

一種方法是在硅光芯片內部設計模斑轉換器，將硅光波導的模斑尺寸進行擴大，例如：倒錐形波導、懸臂梁波導等。如圖1所示，硅光芯片內部包括功能區1和耦合區2，耦合區2設有硅光模斑轉換器12，單模光纖7與硅光模斑轉換器12水平耦合，光場經硅光模斑轉換器12后可以由原來1μm擴展至約4~8μm，與單模光纖7的模場（~9μm）接近。但此項技術設計和加工難度較高，由于模場轉換跨度較大，很難實現與單模光纖的模場完全匹配。

由于在硅光芯片內部實現完全模斑匹配難度較高，一般也通過外部小模斑光纖或者模斑轉換器進行模斑匹配。小模斑光纖是一種特殊光纖，模場直徑可以在3~8μm范圍內訂制；模斑轉換器是利用玻璃或者SiN等低折射率材料制作的波導芯片，其后端尺寸與單模光纖基本相同，前端漸進至于硅波導尺寸相同，如圖2所示，在硅光芯片外部增加PLC（PlanarLightwave Circuit，簡稱PLC，平面光波導芯片），通過PLC的SiO₂波導13實現單模光纖7與硅光芯片耦合區2的硅光模斑轉換器12的耦合；通過這種方式，可以實現單模光纖7與硅光波導3的模式匹配。但是需要額外的模斑轉換芯片，尺寸和成本有一定的代價。同時，由于在與硅光波導耦合處模斑尺寸較小，其耦合精度要求較高，對于批量自動化生產并不友好。

綜合上述情況，本發明專利的目的是提出一種低插損、易封裝的硅光波導耦合的方式。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：為了克服現有技術中的不足，本發明提供一種具有低耦合插損的硅光芯片耦合結構及硅基晶圓，應用于硅光芯片與單模光纖或者激光光源芯片之間的耦合，將小尺寸硅透鏡或者硅透鏡陣列無源貼片至硅光芯片的透鏡刻槽中，來實現與單模光纖或者激光器芯片的高效率的自動化對準封裝，具有高效率、低成本的特點。