[发明专利]一种具有低耦合插损的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆

说明书

本发明提供一种具有低耦合插损的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆，硅基晶圆上设有多个硅光芯片，该耦合结构应用于硅光芯片与单模光纤或者激光光源芯片之间的耦合，将小尺寸硅透镜或者硅透镜阵列无源贴片至硅光芯片的透镜刻槽中，来实现与单模光纤或者激光器芯片的高效率的自动化对准封装，具有高效率、低成本的特点。

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种具有低耦合插损的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆。

背景技术

随着云计算、移动互联网、数据中心等的大力建设，全球市场对带宽和宽带网络具有迫切和直接的需求。目前光通信网络正向着集成化、低功耗、智能化和大容量的方向发展，高速光芯片中硅光技术具有低成本、高集成度、大带宽等优点，能够满足不断增长的数据业务、网络资源等的要求，是全球各大厂商积极布局和研发的主要技术之一。然而由于硅光芯片的模斑尺寸较小，与单模光纤耦合面临着耦合插损大、对准精度要求高等问题，是限制硅光技术产业化发展的主要瓶颈之一。如何找到一种低成本、晶圆级的耦合方式已经成为目前硅光芯片/器件/产品等制造供应商的当务之急。

当前布局硅光技术的厂商都在研究高效的耦合方案，其中概括起来包括以下两种主要方式：

（1）光栅垂直耦合

硅光芯片上的光栅耦合器是一种将沿水平波导方向传输的光转化成垂直方向传输的器件，同时具备模斑转换的功能，因此可以通过单模光纤或者光纤阵列在垂直方向上进行耦合。该方式具备对准精度要求低，方便批量化耦合。但是其缺点也较为明显，比如波长相关性强、耦合插损大、偏振相关性大等等。

（2）端面水平耦合

通过端面设计模斑转换器，通常通过硅光锥形波导、悬臂梁波导、双层波导等方式，将硅光波导内模斑扩展，使之与单模光纤内模斑匹配，从而降低耦合插损。该方式具备耦合插损低、偏振相关性小等优势，但是其对准精度要求较高，对批量化生产的要求较高，导致批量生产器件良率较低，成本较高。

如此可见，相比于垂直耦合，端面水平耦合的方式在对波长、偏振状态要求敏感的系统中更占据优势。而如何将硅光模斑尺寸与单模光纤模斑尺寸进行匹配是优化重点，目前业界主要有以下两种方式：

一种方法是在硅光芯片内部设计模斑转换器，将硅光波导的模斑尺寸进行扩大，例如：倒锥形波导、悬臂梁波导等。如图1所示，硅光芯片内部包括功能区1和耦合区2，耦合区2设有硅光模斑转换器12，单模光纤7与硅光模斑转换器12水平耦合，光场经硅光模斑转换器12后可以由原来1μm扩展至约4~8μm，与单模光纤7的模场（~9μm）接近。但此项技术设计和加工难度较高，由于模场转换跨度较大，很难实现与单模光纤的模场完全匹配。

由于在硅光芯片内部实现完全模斑匹配难度较高，一般也通过外部小模斑光纤或者模斑转换器进行模斑匹配。小模斑光纤是一种特殊光纤，模场直径可以在3~8μm范围内订制；模斑转换器是利用玻璃或者SiN等低折射率材料制作的波导芯片，其后端尺寸与单模光纤基本相同，前端渐进至于硅波导尺寸相同，如图2所示，在硅光芯片外部增加PLC（PlanarLightwave Circuit，简称PLC，平面光波导芯片），通过PLC的SiO₂波导13实现单模光纤7与硅光芯片耦合区2的硅光模斑转换器12的耦合；通过这种方式，可以实现单模光纤7与硅光波导3的模式匹配。但是需要额外的模斑转换芯片，尺寸和成本有一定的代价。同时，由于在与硅光波导耦合处模斑尺寸较小，其耦合精度要求较高，对于批量自动化生产并不友好。

综合上述情况，本发明专利的目的是提出一种低插损、易封装的硅光波导耦合的方式。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为了克服现有技术中的不足，本发明提供一种具有低耦合插损的硅光芯片耦合结构及硅基晶圆，应用于硅光芯片与单模光纤或者激光光源芯片之间的耦合，将小尺寸硅透镜或者硅透镜阵列无源贴片至硅光芯片的透镜刻槽中，来实现与单模光纤或者激光器芯片的高效率的自动化对准封装，具有高效率、低成本的特点。