[发明专利]光栅耦合器及其与光纤的耦合结构和封装结构

说明书

技术领域

本发明涉及光通信和光互连领域，特别是涉及一种SOI衬底上光栅耦合器及其与光纤的耦合结构和封装结构。

背景技术

随着全球数字化进程爆炸式发展，信息技术更加强调低功耗、高带宽密度和低成本。将分立光电子器件集成化，自动化大量生产和低成本组装是一个很有前景的解决方案。III-V族材料一直在光电子器件领域内占有主导地位，但由于受到材料固有的特性和工艺的限制，不同的光子器件分别制作在不同的材料基片上(如InP、GaAs、铌酸锂等)，集成难度巨大，集成度低，费用昂贵，而且与控制电路、驱动电路工艺兼容性差，难以满足这一新的需求。与CMOS工艺相兼容的硅基光电子学的发展，使得生产硅芯片的低成本技术与光学技术整合起来，打破传统的电子计算和光纤通信之间的界限；同时，基于硅CMOS工艺的高速电子电路的发展，使得具有一定功能的高性能光路和电路单片集成芯片成为现实。

硅基光电子学和光通信技术的结合，将是进一步推动全球信息化的重要技术。目前与CMOS工艺相兼容的硅基光电子器件制作在SOI(绝缘体上硅)衬底上，其波导的横截面尺寸在亚微米量级，比普通单模光纤的芯径小得多，光波导和光纤间的耦合对准难度很大，这种SOI(绝缘体上硅)衬底上的硅基光电子芯片的光输入和光输出问题是一个严峻的挑战，与光纤的低成本、高效耦合封装是该类芯片被广泛应用的基础。光栅耦合器由于可以完成光传输路径的大角度转折，实现表面耦合，与锥形端面耦合结构相比，灵活性更高。SOI衬底上光栅耦合器与光纤间的耦合封装继而成为关键。

SOI是Silicon-On-Insulator(绝缘体上硅)的英文首字母缩写，SOI衬底自下而上由硅衬底层、二氧化硅中间层和硅顶层层叠组成，其中硅衬底层、二氧化硅中间层和硅顶层相互平行。

目前，SOI衬底上光栅耦合器与光纤的耦合普遍采用光纤从SOI衬底上表面耦合的方式；对于普通对称光栅，光纤通常还倾斜SOI衬底上表面法线一个小的角度(约8-10度)以便获得较高一些的光耦合效率；此时，光纤的对准和定位问题仍然没有有效解决。

发明内容

本发明的目的之一是提供一种能实现光耦合光栅和光纤的无源自对准和定位的SOI衬底上光栅耦合器及其与光纤的耦合结构和封装结构。

根据本发明的一个方面提供一种光栅耦合器包括：SOI衬底的硅衬底层1，由下至上为SOI衬底的二氧化硅中间层2、SOI衬底的硅顶层3和上包层4构成的光波导结构，以及位于SOI衬底的硅顶层3上的光耦合光栅5，和SOI衬底的硅衬底层1上刻蚀有刻蚀孔6。

本发明在SOI衬底的硅衬底层上刻蚀出刻蚀孔，刻蚀孔轴心对准光耦合光栅中心，光纤插入刻蚀孔后，实现光耦合光栅和光纤的无源自对准和定位。

附图说明

图1是本发明实施例提供的带有硅衬底层刻蚀孔的光栅耦合器的基本结构示意图；

图2是本发明实施例提供的带有硅衬底层刻蚀孔的光栅耦合器与光纤的耦合结构示意图；

图3是本发明实施例提供的带有硅衬底层刻蚀孔、背后光栅和顶部光栅的光栅耦合器与光纤的耦合结构示意图；

图4是本发明实施例提供的带有硅衬底层刻蚀孔和光反射金属层的光栅耦合器与光纤的耦合结构示意图；

图5是本发明实施例提供的带有硅衬底层刻蚀孔、背后光栅和顶部光栅的光栅耦合器与斜面的光纤的耦合结构示意图；

图6是本发明实施例提供的带有硅衬底层刻蚀孔和光反射金属层的光栅耦合器与斜面的光纤的耦合结构示意图；

图7是本发明实施例提供的包含SOI衬底上光栅耦合器的芯片的封装结构示意图；

图8是本发明实施例提供的填充底部填充介质后的包含SOI衬底上光栅耦合器的芯片的封装结构示意图；

其中，1：SOI衬底的硅衬底层；2：SOI衬底的二氧化硅中间层；3：SOI衬底的硅顶层；4：上包层；5：光耦合光栅；6：刻蚀孔；7：光纤；8：背后光栅；9：顶部光栅；10：光反射金属层；11：基片；12：焊球；13：底部填充介质。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

SOI衬底自下而上由SOI衬底的硅衬底层1、SOI衬底的二氧化硅中间层2和SOI衬底的硅顶层3层叠组成，其中SOI衬底的硅衬底层1、SOI衬底的二氧化硅中间层2和SOI衬底的硅顶层3相互平行。

实施例1