[发明专利]单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构及方法

说明书

本发明公开了一种单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构及方法，该结构包括底板、硅基光电子芯片、光纤毛细管、高数值孔径光纤及单模光纤；高数值孔径光纤两端分别连接硅基光电子芯片和单模光纤，硅基光电子芯片和光纤毛细管固定于底板上；该方法包括：熔接和光纤毛细管设置步骤、台阶刻蚀和芯片固定步骤、耦合步骤、紫外胶填充步骤及固化步骤。与现有技术相比，本发明将高数值孔径光纤作为单模光纤与硅基光电子芯片的能量传播媒介，以彻底解决现有单模光纤与硅基光电子芯片端面耦合模斑失配的难题，本发明能够实现极小能量损耗的耦合，且具有稳定度高、耦合效率高以及易于封装等突出优点，具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及单模光纤与硅基光电子芯片封装技术领域，更为具体来说，本发明为单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构及方法。

背景技术

近年来，硅基光电子学得到长足的发展，这是因为硅基集成光器件的制作工艺与微电子工艺完全兼容，且硅基光电子芯片中传输的载波光波又是一种频率极高、能够为信号的传输提供极大带宽的电磁波。但是，由于硅基光电子芯片端面波导中光场的模斑直径为3.5μm，而单模光纤的芯径一般相对比较大(如SMF1550nm波段单模光纤的芯径为10μm)，因而现有技术在将单模光纤与硅基光电子芯片端面耦合后，存在端面耦合模斑失配的问题，其能量损耗非常大；所以，单模光纤与硅基光电子芯片端面耦合封装一直是限制硅基光电子学发展的最大瓶颈；另外，现有耦合封装方法还存在稳定性差、耦合效率低、封装操作困难等问题。

因此，如何能够有效解决单模光纤与硅基光电子芯片端面的现有耦合封装方法导致的能量损耗过高等问题，成为了本领域技术人员亟待解决的技术问题和始终研究的重点。

发明内容

为解决单模光纤与硅基光电子芯片端面的现有耦合封装方法存在的损耗十分巨大等问题，本发明创新提供了一种单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构及方法，通过设计特殊结构的光纤及耦合封装结构，本发明能够使光纤与硅基光电子芯片端面进行有效匹配，不仅极大降低了端面耦合的能量损耗，而且本发明还具有耦合效率高且易于封装等优点，在半导体封装领域有着广泛的应用前景。

为实现上述技术目的，本发明公开了单模光纤与硅基光电子芯片端面的耦合封装结构，该耦合封装结构包括底板、硅基光电子芯片、光纤毛细管、高数值孔径光纤及单模光纤；高数值孔径光纤的两端分别为熔接端和对准端，高数值孔径光纤的熔接端与单模光纤的一端熔接，在高数值孔径光纤的对准端设置所述光纤毛细管，且所述高数值孔径光纤的对准端与硅基光电子芯片端面耦合对准；底板的上表面为台阶结构，所述台阶结构包括第一平面、第二平面及连接所述第一平面和所述第二平面的侧壁面，且第一平面的高度大于第二平面的高度，所述硅基光电子芯片固定于所述第一平面上，所述光纤毛细管固定于所述第二平面上。

基于上述的技术方案，本发明创新地将高数值孔径光纤作为与硅基光电子芯片直接耦合的光纤，从而解决现有耦合方法能量损耗过高的问题，本发明能够通过台阶结构匹配光纤与电子芯片波导高度，通过光纤毛细管提供在耦合过程中的应力夹持和封装过程中的应力支撑，光纤毛细管便于被六轴调节架等夹具可靠夹持，本发明能够在光纤与硅基光电子芯片端面对准过程中稳定光纤，提高对准效率和准确率；而且光纤毛细管的表面积大，其能够实现与底板之间更有效、更可靠地固定。

进一步地，高数值孔径光纤的数值孔径范围为0.28～0.41。

进一步地，所述高数值孔径光纤的对准端突出于光纤毛细管朝向所述硅基光电子芯片的端面。

基于上述改进的技术方案，本发明使高数值孔径光纤一端突出于光纤毛细管的端面一段距离，从而为耦合过程预留调整空间，即使芯片端面和/或光纤端面不平整，本发明仍能有效调整光纤、为水平调整光纤角度留有余量，提高了耦合冗余度，进而显著地提高了耦合过程和整个封装过程的效率。

进一步地，所述硅基光电子芯片端面突出于台阶结构的侧壁面。