[发明专利]一种耦合封装硅光子芯片

说明书

本发明提供一种耦合封装硅光子芯片，包括基板、激光芯片子板、微光学模组及硅光子芯片；所述激光芯片子板与所述微光学模组分别连接所述基板，所述基板上靠近微光学模组的一端设有用于传输激光的凹槽；所述激光芯片子板用于发射激光光波，所述微光学模组用于将所述激光光波转换为TE波，并传输至所述凹槽；所述基板连接所述硅光子芯片，所述硅光子芯片的光路耦合光栅设于所述凹槽内TE波传输方向处。可有效减少界面光波反向传输以保护激光芯片、可实现激光芯片与硅光子芯片的低损耗耦合，且结构紧促、尺寸小，可实现硅光子晶圆级的键合封装，该装置可实现激光以TE波输出，不需再在硅光子晶圆上制造模式转换器。

技术领域

本发明涉及光学技术领域，更具体地，涉及一种耦合封装硅光子芯片。

背景技术

硅光子技术是指在硅基材料上制作光器件、光子集成回路和光电子集成回路，以实现信号的传输和处理。硅光子器件用途非常广阔，应用跨度也很大，从超过1000公里的长度通信等城域网，从光接入网到局域网/存储网络，从设备级的背板互连到板卡级的芯片互连，甚至芯片内部互连，都有着广泛的应用。目前硅光子芯片每平方毫米处理数据的速度已达到300Gbps，比现有的标准处理器快10倍甚至50倍。

光通信的基本要素为光源、传输介质和光检测器。硅材料可作为光的传输介质、光检测器、光调制器，由于硅材料自身的特性，即非直接带隙材料，其发光效率低，不能作激光光源。目前采用的方式有整合集成、外延片键合集成和直接外延集成，以得到激光光源。整合集成是指将Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器芯片与硅光子芯片对准耦合后键合在一起；外延片键合集成是指将Ⅲ-Ⅴ族半导体外延片键合到硅基板上，然后再加工半导体激光器，与整合集成相比，无需光路的对准耦合。外延集成是指在硅表面外延生长Ⅲ-Ⅴ族，以制作半导体激光器芯片。

外延集成的外延材料与硅材料晶格参数失配、热失配和极性失配，外延生长很难达到，制作工艺复杂且成本高。外延片键合集成需要在硅基板上加工微纳光栅结构以实现半导体激光器和波导光路的耦合。整合集成是采用分立元件组装在一起，然后进行光路的对准耦合以实现功能。且由于光路是可逆的，因此在Ⅲ-Ⅴ族半导体激光器芯片与硅光子芯片的整合集成时，硅光子芯片光路耦合端面或其光路耦合端面会有激光被反射回来，沿着光路反向传输进入半导体激光器，会引起半导体激光器的二次增益放大，从而导致半导体激光器工作不稳定，甚至会引起激光器的损坏。硅光子芯片对TE(Transverse Electric，横电)波和TM(Transverse Magnetic，横磁)波非常敏感，一般只使用TE波(TM波的损耗相对较大)，如此则需将半导体激光器发出的激光进行起偏，常用的方法是加入波片进行偏振化处理。再则，硅光子芯片光路特征尺寸为220nm(光路截面高)，而光纤通信系统所用的单模光纤的特征尺寸为8.2μm(光纤芯径)。硅光子芯片的光路与单模光纤两者直接对准耦合，光功率损耗非常大，可达99.9％。

因此，如何实现硅光子芯片的光路与单模光纤两者的低损耗耦合是硅光子器件应用的前提。为了进一步提高硅光子芯片的集成度，使激光不通过光纤的方式导入到芯片中，而是直接将半导体激光芯片键合到硅光子芯片上，以减少光互连节点数目、光程、芯片尺寸。半导体激光芯片与硅光子芯片光路的耦合常用方式有：1、垂直发射型半导体激光芯片与硅光子芯片光路的耦合，是直接耦合，不能增加光隔离器和聚光凸镜，有光反射回激光器且耦合效率低；2、端面发射型半导体激光芯片与硅光子芯片光路的耦合，需要硅光子芯片完成后刻蚀安放激光器的凹槽，对刻蚀加工精度、键合工艺、激光芯片电互连要求很高，成本高；3、在端面发射型激光芯片的发射端进行斜角处理并镀膜，使光向下传输，不能增加光隔离器和聚光凸镜，有光反射回激光器且耦合效率低，另一方面激光芯片端面斜角处理，精度要求高，成本高。

发明内容

本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种耦合封装硅光子芯片，解决了现有技术中硅光子芯片与激光芯片耦合封装时刻蚀加工精度、键合工艺、激光芯片电互连要求很高、成本高，且耦合效率低的问题。