[发明专利]边发射激光芯片与硅光芯片中光波导的耦合结构及方法

说明书

本发明涉及一种边发射激光芯片与硅光芯片中光波导的耦合结构及方法，属于光子集成领域，通过将边发射激光芯片倾斜装焊在硅光芯片之上，把倾斜输出的光直接投射到硅光波导入射光栅上，对激光芯片和硅光芯片的结构和加工工艺无特殊要求，对于波导和光源的对准精度要求低、加工容差大，有利于降低加工封装成本；本发明中入射至硅光波导入射光栅的光线与垂直方向之间存在倾角，可有效抑制光耦合过程中的背向反射，提高耦合效率；本发明无需引入额外的全内反射转接结构或将激光芯片输出波段端面进行额外加工，降低了反射损耗、简化了工艺流程；本发明可以在现有微电子或光电子的封装线上完成，不引入额外加工步骤，可批量放大自动化生产。

技术领域

本发明涉及光子集成技术领域，特别是涉及一种边发射激光芯片与硅光芯片中光波导的耦合结构及方法。

背景技术

基于硅CMOS工艺的硅光芯片在数据传输、光通信、激光雷达、健康医疗等诸多领域有重要的和潜在的应用价值。硅光芯片的信息载体是光。采用芯片外光源，可以避免硅光芯片与激光芯片制作工艺的交叉和芯片热管理等重大难题，但是，实现外光源与硅光芯片输入光波导间的高效光耦合具有非常大的挑战性。

目前，外光源与硅光芯片光波导间的耦合主要采用端面耦合、隐逝波耦合和光栅耦合方案。在端面和隐逝波耦合方案中，光束从光源侧端出射并沿此方向传播、耦合入波导。这两种方案虽然具有耦合高效、高带宽和偏振不敏感的优点，但外光源与硅光芯片光波导间的对准要求苛刻、工艺特殊且自动化水平低，对测试和封装精度有高要求，在大规模生产中会带来额外的制造成本。

光栅耦合方案利用光栅结构改变外光源出射的光束在波导方向上的动量大小，实现光束耦合入波导。光栅耦合方案又分两种，垂直入射-光栅耦合和水平入射-光栅耦合。采用垂直光栅耦合封装具有对准容差大的优点，但目前所用的光源仅限于面发射光源(VCSEL)。采用水平入射-光栅耦合，在边发射激光芯片与硅波导光栅之间需要加入全内反射转接结构，或者把边发射激光芯片输出波段端面磨成合适的斜角，前者多引入的反射面增加了损耗、降低了耦合效率，后者的工艺复杂费时。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种边发射激光芯片与硅光芯片中光波导的耦合结构及方法，以简化耦合封装工艺流程、降低加工封装成本并提高耦合效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：

一种边发射激光芯片与硅光芯片中光波导的耦合结构，包括：边发射激光芯片、硅光芯片以及金属焊料；所述硅光芯片包括层叠设置的顶层硅、氧化硅层以及硅衬底；所述顶层硅的一端刻蚀有矩形的无源硅光波导区和楔形的硅光波导入射光栅，所述顶层硅的另一端为激光芯片装焊预留区；所述硅光波导入射光栅的窄端连接所述无源硅光波导区，所述硅光波导入射光栅的宽端连接所述激光芯片装焊预留区；所述硅光波导入射光栅的刻蚀深度小于所述顶层硅的厚度；

所述激光芯片装焊预留区中间设置有对准标记；所述对准标记的连线与所述无源硅光波导区的中心线重合；所述激光芯片装焊预留区内设置有金属焊料；所述激光芯片装焊预留区内靠近所述硅光波导入射光栅一端设置的金属焊料高度低于所述激光芯片装焊预留区内远离所述硅光波导入射光栅一端设置的金属焊料高度；所述边发射激光芯片通过所述金属焊料倾斜倒装焊到所述硅光芯片上；所述边发射激光芯片的中心线与所述对准标记的连线对准；所述边发射激光芯片的出光口延长线与所述无源硅光波导区的中心线对准。

可选地，所述边发射激光芯片的倾斜角度为8°至14°。

可选地，所述硅光波导入射光栅的光栅周期长度范围为540纳米至560纳米，占空比为0.2，光栅刻蚀深度为200纳米。

可选地，所述无源硅光波导区的宽度范围为400纳米至5000纳米，厚度范围为220纳米至3000纳米。

可选地，所述金属焊料为焊珠或焊条；所述金属焊料的高度范围为10微米至100微米。