本申请是申请日为2016年02月18日、申请号为201680011083.1、题为“用于光子ic表征和封装的多端口光学探头”的分案申请。
本发明涉及与光子集成电路芯片的光学耦合。
背景技术:
将光纤耦合至光子集成电路(pic)芯片是一项困难的任务,特别是对于一次多个光纤连接。这是因为pic波导之内的光场的大小为微米数量级,这意味着需要在三维中以亚微米精确度来定位光纤连接以便实现最优耦合。对于一条或两条光纤与单pic输出端/输入端波导的附接,存在成本极其高的标准方法。然而,不存在用于将多条光纤附接至单个pic芯片的良好、可靠且便宜的解决方案。
迄今为止,已经通过使用透镜光纤阵列来执行了多光纤-芯片耦合,所述透镜光纤阵列与pic芯片的输出端准确对准并且然后被固定并且有可能在固定之后微调。这是困难且成本高的,并且制作光纤阵列的精度为微米数量级,并且达到亚微米精确度需要对单独光纤进行仔细选择。另外一种方法使用透镜阵列来进行扩束。需要对第二透镜阵列进行仔细对准。两种方法都需要“有源对准”,其中,在pic芯片上生成或检测光,并且通过使与光纤阵列耦合的光功率最小化来优化光学耦合。无源对准是更简单的过程,其中,在不照亮部件和优化光信号的情况下对部件进行对准。
使用无源对准来提供与pic芯片的高性能光学耦合在本领域中将是一种进步。
技术实现要素:
此文献提供了对这种问题的解决方案,所述解决方案可以以亚微米的纵向、横向和垂直对准公差来将大量光纤(或其他光学部件)光学地耦合至芯片并且仅需要几微米的初始无源对准,所述初始无源对准可以使用最先进的工业设备来无源地实现。这允许全自动装配。另外,这种方式可以用于提供对光信号的晶片上探测,由此实现对光信号的晶片级测试。除了可以使用光栅耦合器的薄膜型波导之外,在早期制作阶段(在分割或切割之前)对pic芯片的光学测试是高度期望的特征而当前不可用。
本文献的主要原理是使用内插件,所述内插件在一侧容易地连接至一条或多条标准光纤(或其他光学部件)并且在另一侧连接至pic芯片。从内插件到光纤的连接是既定技术,其中,光场的大小匹配。与pic芯片的连接由多个长且薄的柔性光波导构件(在本文中有时候被称为“指状物”)提供,所述柔性光波导构件通常通过平版印刷来限定,其中,每个构件包含用于引导光场的波导。这些指状物制作于内插件材料中,所述内插件材料具有波导性质以及对其给予所需柔性的机械性质两者。在相同的材料中,光导波导可以路由至光纤阵列。在内插件中,在指状物与光纤之间,可以扩展光场,其方式为使得经扩展的波导以更宽松的公差附接至光纤阵列。以此方式,此结构可以在光纤阵列与pic芯片之间充当大小适配器。
通常,波导形成于生长或沉积在衬底上的光导材料的顶部几微米中。此衬底通常是硅。通过移除指状物下面的衬底,这些指状物变成自由悬挂的悬臂结构,其典型长度为从500微米到1.5mm并且横截面为大约10×10微米。通过完全移除指状物下面的衬底,指状物变得可从内插件结构的顶部和底部两者看到,这可以辅助进行对准并且提供指状物移动空间。
对于将指状物定位于pic芯片上和对准波导,pic芯片上的着陆区域提供指状物到正确位置的机械引导以便在内插件与pic芯片之间创建光学连接。经由内插件进行的永久光纤-芯片耦合可以通过将指状物永久地附着到位来提供。可替代地,内插件可以充当光学探头,并且在从晶片切割出单独的芯片之前,可以用于经由临时光学连接进行晶片上光学表征。
通过将金属层添加到柔性指状物顶部以及在着陆区域上或附近进行相同操作,这些结构可以提供同时进行光学测试和电气测试的能力。这可以或者通过之后将独立地引导光信号和电信号两者的同一指状物,或者其可以处于专用于电连接的指状物集合中。
这种内插件方式提供显著优点:
1)其允许pic芯片与一个或多个其他光学部件之间的准确无源对准。在pic芯片中,限定了着陆区域,所述着陆区域促进柔性指状物与pic芯片上的波导的机械对准。pic波导、着陆区域和柔性指状物的尺寸可以被选择为使得通过机械接合来提供光模的对准。所需制作公差很好地处于当前能力内。
2)其缩短了将各种误差源添加到最终对准准确度中的公差链。因为存在指状物直接着陆于对准特征上,所以这提供了内插件与pic芯片之间的最短可能公差链。
3)其提供了与pic的高密度光学连接。因为指状物可能很小,所以间距也可能很小(例如,大约25微米)。这比具有127或250微米的典型间距的标准光纤阵列要密5到10倍。内插件可以消除这种间距失配。例如,具有间距为25微米的64个指状物的连接的宽度仅为1.6mm。
4)传统方法的问题在于多端口光学耦合与pic芯片的热膨胀差异(由此导致依赖于温度的对准)或材料中的应力。因为指状物是柔性的,所以其将不会经历热膨胀失配。
5)由于指状物的柔性,没必要使用所有指状物。例如,一个指状物可以具有标准64指状物内插件并且可以仅使用10个指状物来实际连接至片上波导。可以使其他指状物浮置,这由于指状物的柔性而将不会产生任何问题或机械损伤。
6)在大多数pic芯片中行进的光保持在平面内并且将从样本的边缘耦合出去。传统地,为了表征电路的性能,必须首先从晶片切割或分割pic芯片,并且然后必须使光学输入端/输出端耦合至光纤以便进行测试。然而,在本方式下,光可以耦合至晶片中的pic芯片或从其耦合,而无需将晶片切割成单独的芯片。相反,波导端面通过蚀刻形成。如以下更详细地描述的,可以使这些蚀刻端面成角度以便减少反射。
7)具有处于低损耗材料中的内插件允许人们利用内插件上的附加(光学)功能,例如,偏振修改、光学隔离、波长复用、波长解复用、波长选择性路由、波长选择性切换、干涉测量、切换、使用一个或多个环形谐振器来提供谐振、提供光学延迟、分裂和组合等。
8)其可以提供同时光学测试和电气测试能力。
所述方法不一定局限于平面内出耦合。类似方法可以用于连接至平面外光栅耦合器,其中,在这种情况下,主要优点在于相比光纤阵列,间距减小。
对于平面内晶片上光学探测,不存在可用于常规技术的任何实际解决方案。对于平面内晶片上探测,可以对此文档的pic波导和着陆区域进行设计,其方式为使得一旦从晶片切割/分割芯片,用于晶片上探测的波导就与将用于最终对准的波导相同。
附图说明
图1a至图1c示出了本发明的实施例的许多顶视图。
图2a和图2b示出了示例性光子集成电路对准特征的详细视图。
图3a和图3b示出了示例性光子集成电路对准特征的进一步详细视图。
图3c示出了通过柔性光波导构件形成的除了光学耦合之外的电连接。
图3d示出了本发明的具有独立于柔性光波导构件而形成的电连接的实施例的顶视图。
图4示出了在内插件单元中的模式尺寸控制的示例。
图5a至图5c示出了在本发明的实施例中减少光反射的许多方式。
图6是经制作的柔性光波导构件的图像。
图7是光子集成电路芯片上的经制作的对准特征的图像。
图8a是内插件单元的布置于光子集成电路芯片的对准特征中的指状物的图像。
图8b是内插件单元的与光子集成电路芯片的对准特征完全接合以便提供与pic芯片的片上波导的光学对准的指状物的图像。
图9a是图像,示出了使用胶水来将内插件单元的指状物附着到pic芯片上。
图9b示出了用于将内插件单元的指状物固定到pic芯片上的示例性结合概念。
图9c示出了用于将内插件单元的指状物固定到pic芯片上的倒装芯片结合概念。
图9d示出了用于将内插件单元的指状物固定到pic芯片上的替代性倒装芯片结合概念。
具体实施方式
图1a是本发明的示例性实施例的顶视图。在此示例中,许多光纤102、104和106经由内插件单元108光学地耦合至光子集成电路芯片118。内插件单元108包括一个或多个柔性光波导构件,此处被称为112、114和116。柔性光波导构件各自包括光波导。此处使用粗黑线来示出这些波导并且被称为110。如所示出的,柔性光波导构件被配置成经由柔性光波导构件的尖端光学地耦合于pic芯片118的片上光波导120与内插件单元108之间。
在图1a的示例中,内插件单元提供使光纤102、104和106阵列的间距(即,光纤到光纤间隔)与片上光波导120的间距相匹配的功能。对本发明的实践不是关键取决于除了提供与pic芯片的光学耦合之外在内插件单元中实施哪些其他功能(如果有的话)。图1b示出了通用功能块122包括于内插件单元108中。由内插件单元108提供的功能包括但不限于:偏振修改、光学隔离、波长复用、波长解复用、波长选择性路由、波长选择性切换、切换、干涉测量、使用一个或多个环形谐振器来提供谐振、提供光学延迟、分裂和组合。
图1a和图1b的示例示出了在pic芯片的边缘处或附近的光学耦合。然而,这对于实践本发明来说不是必要的。如以下将更详细地看到的,接入pic芯片的边缘不是必要的。根据本发明的原理的光学耦合可以在芯片中间并且更显著地在晶片中间进行(例如,在测试中,在将经制作的光子集成电路的晶片分割成单独的pic芯片之前)。图1c示意性地示出了这种可能性。
在一个示例性设计中,内插件单元具有5x5mm的大小并且具有32个光学输入端/输出端(i/o)。在光纤侧,可以附接间距为127μm的32光纤矩阵单元。在芯片的另一侧,间距为50μm,这与inp或sipic芯片的高密度光学i/o相配。对本发明的实践不是关键取决于用于pic芯片的材料。适当材料包括但不限于:inp、si、gaas、氧化物和氮化物。还已经进行了在pic芯片侧具有25μm的间距的内插件单元设计。已经使用不同数量(范围为从4到128)的光学输入端/输出端来进行了其他单元设计。在此特定设计中的指状物具有750μm的长度,而已经设计和制作了具有范围为从500到1500μm的长度的指状物的内插件单元。
为了实现内插件单元的柔性光波导构件与pic芯片的片上光波导的无源对准,pic芯片包括对准特征,所述对准特征用于促进柔性光波导构件的尖端与pic芯片的片上光波导的无源横向、垂直和纵向对准。在本说明书中,这些对准特征有时候被称为着陆区域。
图2a和图2b示出了这种对准特征的示例。图2a示出了pic芯片的一部分202,其中,通过对靠近波导206的区域204进行蚀刻来形成波导。波导被布置成靠近具有横向锥形物(如所示出的)并且具有止挡部210的沟槽208。取代波导206,其他片上结构可以用于将光引导至耦合区域的面。图2b示出了这些特征在其内具有光波导214的柔性光波导构件212与这些特征机械地接合时如何工作。如所示出的,沟槽208的横向锥形物的作用是提供柔性光波导构件212的尖端与片上光波导206的横向对准。止挡部210的作用是提供柔性光波导构件212的尖端相对于片上光波导204/206的端面的纵向定位。如所示出的,在此处的作用是在片上波导204/206与柔性光波导构件212之间提供精确控制的间隔216。在一些情况下,间隔216是自由空间间隔。可替代地,折射率匹配物质可以布置于此区域中。
这些对准特征和片上波导端面可以通过蚀刻形成。在波导端面前面,形成了开口216以便光在自由空间中行进。此开口的宽度可由片上波导的光输出端的衍射或指状物的衍射确定。此开口(其比柔性光波导构件212更窄)既充当用于优化光学耦合的z距离控制又用于提供保护免于与片上波导端面接触。在一些情况下,片上波导端面可以在机械上足够坚固以便忍受与内插件单元的柔性光波导构件的尖端直接接触。在这种情况下,可以省略止挡部210。此处,柔性光波导构件的尖端相对于片上光波导的端面的纵向定位将通过尖端与波导端面的物理接触来提供。
如在图3a的侧视图中看到的,在pic芯片上还存在用于提供垂直对准的特征。此处,304是pic芯片的片上光波导并且垂直地夹在层302与306之间,并且如所示出的,包括光波导310的柔性光波导构件308被布置成使得波导304和波导310垂直对准。可以控制图2a和图2b的沟槽208的深度以便提供这种垂直对准。此过程非常准确并且可以控制到50nm内(例如,±25nm)。图3b示出了类似于图3a的示例的示例。此处,明显的是,确实可以在晶片上的任何位置上进行光学探测。
前述示例涉及使用内插件单元来提供与pic芯片的光学耦合。除了光学耦合之外,这种内插件单元还可以用于提供电连接。图3c的示例类似于图3a的示例,除了金属312布置于柔性光波导构件308上以便与pic芯片302的接触焊盘314接触(除了提供以上所述的光学耦合之外)之外。此处,内插件单元包括用于与pic芯片进行电接触的电触头,并且这些触头布置于柔性光波导构件中的一个或多个柔性光波导构件上。在金属312和314的厚度显著的情况下,将需要把这些厚度考虑在内以便确保pic芯片的光波导与柔性光波导构件之间的适当垂直对准。
图3d的示例类似于图1b的示例,除了内插件单元108的电触头322经由柔性构件320连接至pic芯片118的接触焊盘324之外。可以制作多于一个这种电触头。此处,这些电触头不同于柔性光波导构件。
在内插件单元包括电触头的情况下,类似于图1a上示出的光学间距匹配,内插件单元可以被配置用于使片外电连接的间距与pic芯片的片上电触头的间距相匹配。
根据本发明的实施例的内插件单元可以包括用于修改光模式尺寸的特征。图4示出了示例。此处,波导芯是由包层404和408围绕的406。402是衬底(例如,硅)。在图上从左到右,在区域410中通过增大芯406的厚度来减小模侧。这有助于在内插件单元中提供光学功能并且有助于在设备的随后区域中(即,进一步到图上的右方)减少对衬底402的损耗。在区域412中,模式尺寸增大以便使内插件单元的柔性光波导构件414的模式尺寸与pic芯片的片上光波导的模式尺寸相匹配。这种模式匹配特征的另一种用途是在pic芯片的片上光波导的第一模式尺寸与光学地耦合至柔性光波导构件的一条或多条光纤的第二模式尺寸之间提供模式匹配。这可以用于如图1a的示例等光纤矩阵实施例。
在优选实施例中,以各种方式减少背反射。图5a示出了第一示例,其中,通过由低折射率区域502围绕的高折射率区域504形成的pic芯片波导的端面506相对于片上光波导502/504的光轴成角度以便减少片上光波导中的内部背反射(虚线箭头)。此处,沟槽508是pic芯片的对准特征;510是接合于对准特征中的柔性光波导构件;512是构件510中的光波导;并且514是柔性光波导构件510的端面。
图5b示出了第二示例,其中,端面514也相对于柔性光波导构件510的光轴成角度以便减少柔性光波导构件中的内部背反射(点线箭头)。在图5b的示例中,两个端面都成角度以便减少内反射。
这种配置还用于减少从波导中的一个波导的端面到另一个波导的外部反射。更具体地,如通过图5c上的虚线箭头和点线箭头所示出的,从柔性光波导构件的端面514反射的光被引导远离pic的片上光波导的端面506,并且从片上光波导的端面506反射的光被引导远离柔性光波导构件的端面514。
如还在图5b上示出的,这些端面倾斜可以被配置成使得这两个波导之间的传输被适当对准。抗反射涂层(为了减少杂乱而未在图上示出)可以包括在pic芯片的片上波导的端面和/或柔性光波导构件的端面上以便进一步减少不期望的背反射。作为上述方式的替代或组合上述方式,还可以垂直地倾斜端面以便减少反射。
图6是内插件单元的0.75mm长柔性光波导构件的扫描电子显微镜(sem)图像。
图7是光子集成电路芯片的对准特征的图像。
图8a是内插件单元的布置于光子集成电路芯片的对准特征中的指状物的图像。
图8b是内插件单元的与光子集成电路芯片的对准特征完全接合以便提供与pic芯片的片上波导的光学对准的指状物的图像。
对本发明的实践不是关键取决于内插件单元的柔性光波导构件是否或如何附着到pic芯片上。对于测试,柔性光波导构件的尖端与pic芯片之间的光学连接是用于测试pic芯片的临时连接。注意,可以在pic芯片仍是包括其他pic芯片的晶片的一部分的制作点处完成此操作。实现对pic芯片的这种晶片级测试是本方式的主要优点。
在期望内插件单元与pic芯片之间的永久连接的情况下,可以采用许多替代方案。可以使用粘合剂(比如,折射率匹配胶、胶水或焊料)来形成永久连接。在折射率匹配粘合剂处于pic芯片与内插件单元之间的光路中的情况下,所述粘合剂是优选的。如果粘合剂不被布置于此光路中,则可以使用如普通粘合剂和焊料等其他材料。
用于形成永久连接的另一种方式是通过将pic芯片和内插件单元布置成使得柔性光波导构件受压并且由于其弹性恢复力而保持固定到位。这可以结合图9b的载体结合方式或结合图9c和图9d的倒装芯片结合方式采用。
图9a是图像,示出了使用胶水来将内插件单元的指状物附着到pic芯片上。此处的想法是远离着陆区域内部或外部的波导面产生小胶滴,并且当光学柔性束对准时,胶水固化并且将内插件单元的指状物固定到pic芯片上。
图9b示出了布置于载体902上的pic芯片904。内插件单元包括衬底906和包括波导912的柔性光波导构件910。此处,908是光纤阵列单元(fau)。因为这是侧视图,所以仅示出了柔性光波导构件中的单个柔性光波导构件。此处,pic芯片902通过如焊料、胶水或环氧树脂等粘合剂附着到载体902上。类似地,内插件单元通过如焊料、胶水或环氧树脂等粘合剂附着到载体902上。如图上所示出的,载体被配置成使得柔性光波导构件受压。因此,其尖端将保持到位并且尽管在尖端与对准特征之间缺少粘合剂结合,也与pic芯片904的对准特征机械地接合。
图9c示出了用于将内插件单元的指状物固定到pic芯片上的倒装芯片结合概念。在此示例中,902是载体;904是使用翻转芯片结合914结合到载体902上的光子集成电路芯片;906是内插件单元的衬底;910是包括波导912的柔性光波导构件;并且908是光纤阵列单元。因为这是侧视图,所以仅示出了柔性光波导构件中的单个柔性光波导构件。柔性波导构件910与pic芯片904之间的光学耦合根据上述原理。
图9d示出了第二示例性翻转芯片结合方式。此示例类似于图9c的示例,除了内插件单元使用翻转芯片结合916来结合到载体902上之外。这两个示例之间的另一个差异是,减小厚度的包层在图9c的示例中处于柔性光波导构件的顶部并且在图9d的示例中处于柔性光波导构件的底部。
已经执行了关于上述概念的实验。如以上所述的无源地进行的对光学连接的重复性测试通过重复试验进行并且未丢弃任何测量结果。所测得的重复性小于每耦合0.5db。对于所使用的特定指状物-波导组合,这对应于±50nm的垂直位置准确度和至少±200nm的水平位置准确度。