光电集成模块及其制备方法

1.本公开涉及通信领域，具体地，涉及一种光电集成模块及其制备方法。


背景技术：

2.目前，光电子领域的发展趋势是小型化集成化，即将具有一定功能的光电子系统集成到一个芯片上。依托于cmos兼容工艺，硅基芯片上已经可以制作出光波导、调制器、探测器等一系列的器件，但是由于硅是间接带隙半导体材料，主要发生俄歇复合过程，自身发光效率很低，难以做到单片集成。目前硅基光源的工艺并不成熟，且成本较高，最为可行的方法是将激光器芯片和硅基芯片直接耦合封装，传统的硅基芯片的出光方式多采用端面耦合的方法，耦合容差较小。
3.光栅耦合器的耦合容差较大，但是光栅耦合器的模场尺寸和激光器的模场尺寸不匹配，需要对光路进行转折，目前多采用特殊结构的垫块或透镜解决光路转折问题，对于制作工艺的要求高且工艺复杂，亟需一种结构简单的光路转折结构实现激光器芯片和硅基芯片的光耦合。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本公开提供了一种光电集成模块及其制备方法，以解决上述以及其他方面的至少一种技术问题。
5.为了实现上述目的，本公开的一个方面的实施例，提供了一种光电集成模块包括：激光器单元，包括激光器芯片，被构造成发射激光；硅基芯片，设置于激光器单元上，适用于接收来自于激光器芯片的激光；转接芯片，设置于激光器单元和硅基芯片之间，以将激光器芯片发射的激光传输到硅基芯片，转接芯片包括：衬底层；波导层，设置于衬底层上；芯片盖板，设置于波导层上，起到支撑保护的作用；其中，波导层包括楔形波导过渡区和弯曲波导区，波导层的一端与激光器芯片模场直径匹配，另一端与硅基芯片的模场直径匹配，通过楔形波导过渡区进行模斑转换的过渡，并利用弯曲波导区进行激光转向，实现激光器芯片和硅基芯片的光耦合。
6.根据本公开的实施例，激光器单元还包括：衬底；热沉垫块，设置于衬底上；直流基板，设置于热沉垫块上，激光器芯片设置于直流基板上；热敏电阻，设置于直流基板上；金线，设置于激光器芯片的表面，连接至直流基板上，用于在激光器单元内部提供电连接。
7.根据本公开的实施例，硅基芯片包括硅基波导层和适用于与转接芯片的波导层光耦合的光栅耦合器；其中，光栅耦合器的模场直径为10μm，耦合角度为8
°
；优选地，波导层与光栅耦合器的结合部位设有折射率匹配胶；优选地，折射率匹配胶的外围设有紫外胶。
8.根据本公开的实施例，热沉垫块包括：基部，设置在衬底上，硅基芯片设置在基部上；以及台阶部在基部的一端从基部突出，直流基板设置在台阶部上；优选地，波导层的高度介于激光器芯片和光栅耦合器的模场直径之间，且波导层的输入波导宽度和激光器波导的模场直径匹配，波导层的输出波导宽度和光栅耦合器的模场直径匹配。
9.根据本公开的实施例，热沉垫块的台阶部的高度大于转接芯片和与硅基芯片的厚度之和与激光器芯片和直流基板的厚度之和的高度差。
10.根据本公开的实施例，激光器芯片和波导层的接触端面都设有增透膜，用于降低耦合损耗。
11.本公开的另一个方面，提供了一种光电集成模块制备方法，包括：s1：组装激光器单元，通过金丝键合的工艺实现激光器单元的电连接；s2：将激光器芯片通电，使激光器芯片出光，预调整转接芯片和硅基芯片的位置，使光耦合损耗达到最小；s3：将转接芯片固定在硅基芯片上；s4：将硅基芯片固定在激光器单元的热沉垫块的基部上；s5：将转接芯片和激光器芯片耦合处固定，实现激光器芯片和硅基芯片的光耦合。
12.根据本公开的实施例，转接芯片和激光器芯片耦合处用折射率匹配胶固定，用于减小耦合损耗、增加结构的稳定性。
13.根据本公开的实施例，折射率匹配胶在激光器芯片的工作波长范围内的折射率和波导层的折射率接近；优选地，折射率匹配胶的折射率为1.45。
14.根据本公开的实施例，组装激光器单元采用共晶焊和导电银胶贴装结合的方式。
15.根据本公开的上述实施例的一种光电集成模块及其制备方法，采用转接芯片的波导层的一端与激光器芯片模场直径匹配，另一端与硅基芯片的模场直径匹配，通过波导层的楔形波导过渡区进行模斑转换的过渡，并利用波导层的弯曲波导区进行激光转向，实现激光器芯片和硅基芯片的光耦合，减小耦合损耗。
附图说明
16.图1是本公开实施例的光电集成模块的俯视图；
17.图2是本公开实施例的光电集成模块的剖视图；
18.图3是本公开实施例的光电集成模块的制备方法流程图；以及
19.图4是本公开实施例的转接芯片的波导层的结构分布图。
20.附图标记说明
21.1 激光器单元
22.11 激光器芯片
23.12 衬底
24.13 热沉垫块
25.14 直流基板
26.15 热敏电阻
27.2 硅基芯片
28.3 转接芯片
29.31 衬底层
30.32 波导层
31.321 输入波导区
32.322 第一楔形波导过渡区
33.323 波导区
34.324 弯曲波导区
35.325 第而楔形波导过渡区
36.326 输出波导区
37.33 芯片盖板
38.4 折射率匹配胶
39.5 紫外胶
具体实施方式
40.为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。
41.目前硅基光源的工艺并不成熟，且成本较高，传统的方法是将激光器芯片和硅基芯片直接耦合封装，而硅基芯片的出光方式多采用端面耦合的方法，耦合容差较小。引入耦合容差较大的光栅耦合器，但存在但是光栅耦合器的模场尺寸和激光器的模场尺寸不匹配，需要对光路进行转折。另外，目前多采用特殊结构的垫块或透镜解决光路转折问题，对于制作工艺的要求高且工艺复杂。
42.为此，根据本公开的一个方面的总体上的发明构思，提供一种光电集成模块包括：激光器单元，包括激光器芯片，被构造成发射激光；硅基芯片，设置于激光器单元上，适用于接收来自于激光器芯片的激光；转接芯片，设置于激光器单元和硅基芯片之间，以将激光器芯片发射的激光传输到硅基芯片，转接芯片包括：衬底层；波导层，设置于衬底层上；芯片盖板，设置于波导层上，起到支撑保护的作用；其中，波导层包括楔形波导过渡区和弯曲波导区，波导层的一端与激光器芯片模场直径匹配，另一端与硅基芯片的模场直径匹配，通过楔形波导过渡区进行模斑转换的过渡，并利用弯曲波导区进行激光转向，实现激光器芯片和硅基芯片的光耦合。
43.上述光电集成模块及其制备方法中，采用转接芯片的波导层的一端与激光器芯片模场直径匹配，另一端与硅基芯片的模场直径匹配，通过波导层的楔形波导过渡区进行模斑转换的过渡，并利用波导层的弯曲波导区进行激光转向，实现激光器芯片和硅基芯片的光耦合，减小耦合损耗，降低加工工艺及成本。
44.以下列举具体实施例来对本公开的技术方案作详细说明。需要说明的是，下文中的具体实施例仅用于示例，并不用于限制本公开。
45.图1是本公开实施例的光电集成模块的俯视图；图2是本公开实施例的光电集成模块的剖视图。
46.如图1和图2所示，本公开的实施例提供了一种光电集成模块包括：激光器单元1、硅基芯片2和转接芯片3。其中，激光器单元1包括激光器芯片11，激光器芯片11用来发射激光。硅基芯片2则设置于激光器单元1上，适用于接收来自于激光器芯片11的激光。转接芯片3设置于激光器单元1和硅基芯片2之间，用来将激光器芯片11发射的激光传输到硅基芯片2。其中，转接芯片3包括：衬底层31；设置于衬底层31上的波导层32；以及设置于波导层32上的芯片盖板，芯片盖板起到支撑保护的作用。上述波导层32包括楔形波导过渡区和弯曲波导区，波导层32的一端与激光器芯片11模场直径匹配，另一端与硅基芯片2的模场直径匹配，通过楔形波导过渡区进行模斑转换的过渡，并利用弯曲波导区进行激光转向，实现激光器芯片11和硅基芯片2的光耦合。
47.根据本公开的实施例，激光器单元1还包括：衬底12、设置于衬底12上的热沉垫块13、设置于热沉垫块13上的直流基板14、设置于直流基板14上的热敏电阻15和金线。其中，激光器芯片11也设置于直流基板14上，金线则设置于激光器芯片11的表面，连接至直流基板14上，用于在激光器单元1内部提供电连接。
48.根据本公开的实施例，衬底12采用为激光器单元1提供散热的半导制冷器。
49.根据本公开的实施例，热沉垫块13和直流基板14选用氮化铝材料。
50.根据本公开的实施例，硅基芯片2包括硅基波导层32和适用于与转接芯片3的波导层32光耦合的光栅耦合器。其中，光栅耦合器的模场直径为10μm，光栅耦合器的最佳角度为8
°
。
51.根据本公开的实施例，波导层32与光栅耦合器的结合部位设有折射率匹配胶4，折射率匹配胶4可紫外固化，有光学性能，但是强度较低，主要用于降低耦合损耗。
52.根据本公开的实施例，波导层32与光栅耦合器的结合部位的折射率匹配胶4的外围设有紫外胶5层，紫外胶5无光学性能，用于固定转接芯片3。
53.根据本公开的实施例，耦合时先对不同芯片的光路相接处填充折射率匹配胶4，然后进行固化，降低耦合损耗；再在转接芯片3和硅基芯片2的表面处填充紫外胶5并固化，完成加固固定。
54.根据本公开的实施例，激光器芯片11的模场直径为3μm。
55.根据本公开的实施例，转接芯片3的波导层32的高度为5-6μm，输入波导宽度为3μm，输出波导宽度为10μm，输出波导角度与光栅耦合器的最佳角度相匹配为8
°
。
56.根据本公开的实施例，热沉垫块13包括基部和台阶部。基部设置在衬底上，硅基芯片2设置在基部上。台阶部在基部的一端从基部突出，直流基板14则设置在台阶部上。
57.根据本公开的实施例，波导层32的高度介于激光器芯片11和光栅耦合器的模场直径之间，且波导层32的输入波导宽度和激光器波导的模场直径匹配，波导层32的输出波导宽度和光栅耦合器的模场直径匹配，实现激光从激光器芯片11到硅基芯片2的低损耗过渡，仿真损耗小于2db。
58.根据本公开的实施例，热沉垫块13的台阶部的高度大于转接芯片3和与硅基芯片2的厚度之和与激光器芯片11和直流基板14的厚度之和的高度差，便于折射率匹配胶4和紫外胶5的胶粘。
59.根据本公开的实施例，激光器芯片11和波导层32的接触端面都设有增透膜，用于降低耦合损耗。
60.图3是本公开实施例的光电集成模块的制备方法流程图。
61.如图3所示，本公开的实施例提供了一种光电集成模块制备方法，包括：s1：组装激光器单元1，通过金丝键合的工艺实现激光器单元1的电连接；s2：将激光器芯片11通电，使激光器芯片11出光，预调整转接芯片3和硅基芯片2的位置，使光耦合损耗达到最小；s3：将转接芯片3固定在硅基芯片2上；s4：将硅基芯片2固定在激光器单元1的热沉垫块13的基部上；s5：将转接芯片3和激光器芯片11耦合处固定，实现激光器芯片11和硅基芯片2的光耦合。
62.根据本公开的实施例，转接芯片3和激光器芯片11耦合处用折射率匹配胶4固定，用于减小耦合损耗、增加结构的稳定性。
63.根据本公开的实施例，折射率匹配胶4在激光器芯片11的工作波长范围内的折射率和波导层32的折射率接近。
64.根据本公开的实施例，折射率匹配胶4的折射率为1.45。
65.根据本公开的实施例，步骤s1中组装激光器单元1采用共晶焊和导电银胶贴装结合的方式。
66.图4是本公开实施例的转接芯片3的波导层32的结构分布图。
67.如图4所示，转接芯片3的波导层32包括输入波导区321、第一楔形波导区322、波导区323、弯曲波导区324、第二楔形波导区325和输出波导区326。转接芯片3由衬底层31、波导层32和芯片盖板组成，通常情况下是衬底层31位于底层放置，本公开的实施例中由于需要光路转向，所以在本公开中采用垂直放置的方式，参照图1、图2和图4。根据本公开的实施例中激光器模场尺寸为3μm*3μm，光栅耦合器的模场尺寸为9μm*9μm，由于转接芯片3的波导层32高度固定，波导层32厚度取折中值6μm，所以输入端的输入波导区尺寸设置为6μm*3μm，输出端输出波导区尺寸设置为6μm*9μm，中间需要第一楔形波导区和第二楔形波导区进行模斑转换过渡，其中还设置弯曲波导区进行光路转向，参见图4。
68.根据本公开的上述实施例的光电集成模块及其制备方法，采用转接芯片的波导层的一端与激光器芯片模场直径匹配，另一端与硅基芯片的模场直径匹配，通过波导层的楔形波导过渡区进行模斑转换的过渡，并利用波导层的弯曲波导区进行激光转向，实现激光器芯片和硅基芯片的光耦合，减小耦合损耗，降低加工工艺及成本。
69.还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
70.并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
71.类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该发明的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面发明的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
72.以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

技术特征：
1.一种光电集成模块，包括：激光器单元(1)，包括激光器芯片(11)，被构造成发射激光；硅基芯片(2)，设置于所述激光器单元(1)上，适用于接收来自于所述激光器芯片的激光；转接芯片(3)，设置于所述激光器单元(1)和所述硅基芯片(2)之间，以将所述激光器芯片(11)发射的激光传输到所述硅基芯片(2)，所述转接芯片(3)包括：衬底层(31)；波导层(32)，设置于所述衬底层(31)上；芯片盖板(33)，设置于所述波导层(32)上，起到支撑保护的作用；其中，所述波导层(32)包括楔形波导过渡区和弯曲波导区，所述波导层(32)的一端与所述激光器芯片模场直径匹配，另一端与所述硅基芯片(2)的模场直径匹配，通过所述楔形波导过渡区进行模斑转换的过渡，并利用弯曲波导区进行激光转向，实现激光器芯片和硅基芯片的光耦合。2.根据权利要求1所述的光电集成模块，其中，所述激光器单元(1)还包括：衬底(12)；热沉垫块(13)，设置于所述衬底(12)上；直流基板(14)，设置于所述热沉垫块(13)上，所述激光器芯片(11)设置于所述直流基板(14)上；热敏电阻(15)，设置于所述直流基板(14)上；金线，设置于所述激光器芯片(11)的表面，连接至所述直流基板(14)上，用于在激光器单元(1)内部提供电连接。3.根据权利要求1所述的光电集成模块，其中，所述硅基芯片(2)包括硅基波导层和适用于与所述转接芯片(3)的波导层(32)光耦合的光栅耦合器；其中，所述光栅耦合器的模场直径为10μm，耦合角度为8
°
；优选地，所述波导层(32)与所述光栅耦合器的结合部位设有折射率匹配胶(4)；优选地，所述折射率匹配胶(4)的外围设有紫外胶(5)。4.根据权利要求1所述的光电集成模块，其中，所述热沉垫块(13)包括：基部(131)，设置在所述衬底(12)上，所述硅基芯片(2)设置在所述基部(131)上；以及台阶部(132)在所述基部(131)的一端从所述基部(131)突出，所述直流基板(14)设置在所述台阶部(132)上，优选地，所述波导层(32)的高度介于所述激光器芯片(11)和所述光栅耦合器的模场直径之间，且波导层(32)的输入波导宽度和所述激光器波导的模场直径匹配，所述波导层(32)的输出波导宽度和所述光栅耦合器的模场直径匹配。5.根据权利要求1所述的光电集成模块，其中，所述热沉垫块(13)的台阶部(132)的高度大于转接芯片(3)和与硅基芯片(2)的厚度之和与激光器芯片(11)和直流基板(14)的厚度之和的高度差。6.根据权利要求1所述的光电集成模块，其中，所述激光器芯片(11)和所述波导层(32)的接触端面都设有增透膜，用于降低耦合损耗。7.一种根据权利要求1-6中的任一项所述的光电集成模块制备方法，包括：
s1：组装激光器单元(1)，通过金丝键合的工艺实现激光器单元(1)的电连接；s2：将激光器芯片(11)通电，使激光器芯片(11)出光，预调整转接芯片(3)和硅基芯片(2)的位置，使光耦合损耗达到最小；s3：将所述转接芯片(3)固定在所述硅基芯片(2)上；s4：将所述硅基芯片(2)固定在所述激光器单元(1)的热沉垫块(13)的基部(131)上；s5：将所述转接芯片(3)和所述激光器芯片(11)耦合处固定，实现激光器芯片和硅基芯片的光耦合。8.根据权利要求7所述的光电集成模块的制备方法，其中，所述转接芯片(3)和所述激光器芯片(11)耦合处用折射率匹配胶(4)固定，用于减小耦合损耗、增加结构的稳定性。9.根据权利要求7所述的光电集成模块的制备方法，其中，所述折射率匹配胶(4)在所述激光器芯片(11)的工作波长范围内的折射率和所述波导层(32)的折射率接近；优选地，折射率匹配胶(4)的折射率为1.45。10.根据权利要求7所述的光电集成模块的制备方法，其中，组装所述激光器单元(1)采用共晶焊和导电银胶贴装结合的方式。

技术总结
本公开涉及了一种光电集成模块及其制备方法，光电集成模块包括：激光器单元，包括激光器芯片，被构造成发射激光；硅基芯片，设置于激光器单元上，适用于接收来自于激光器芯片的激光；转接芯片，设置于激光器单元和硅基芯片之间，以将激光器芯片发射的激光传输到硅基芯片，转接芯片包括：衬底层；波导层，设置于衬底层上；芯片盖板，设置于波导层上，起到支撑保护的作用。波导层包括楔形波导过渡区和弯曲波导区，波导层的一端与激光器芯片模场直径匹配，另一端与硅基芯片的模场直径匹配，通过楔形波导过渡区进行模斑转换的过渡，并利用弯曲波导区进行激光转向，实现激光器芯片和硅基芯片的光耦合，减小耦合损耗。减小耦合损耗。减小耦合损耗。


技术研发人员：戴双兴 赵奕儒 李金野 张志珂 刘建国
受保护的技术使用者：中国科学院半导体研究所
技术研发日：2022.03.14
技术公布日：2023/9/22