一种激光器与平面光波导混合集成结构及其制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种激光器与平面光波导混合集成结构及其制造方法，该结构包含一热沉(1)、至少一路分立激光器芯片(2)，一平面光波导芯片(3)。所述热沉(1)上制作有支撑凸台(11)，所述热沉(1)上还制作有电极(15)和对准标记(14)，所述电极(15)上还有焊料凸点(13)。所述激光器芯片(2)倒扣在所述热沉的支撑凸台(11)上，形成多路激光器阵列。所述多路激光器阵列与所述平面光波导芯片(3)耦合对准并固定。本发明降低了多路激光器与平面光波导芯片封装难度，提高封装效率。
【专利说明】
一种激光器与平面光波导混合集成结构及其制造方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种光通信器件，具体涉及一种激光器与平面光波导混合集成结构及其制造方法，属于光通信领域。
【背景技术】
[0002]数据中心以及高性能计算应用的发展对光组件传输速率与封装尺寸提出了日益严苛的要求。针对这种需求，IEEE以及其它标准化组织专门制定了 40G与100G以太网传输标准。在这些标准中，利用CWDM/LAN-WDM波分复用技术，实现4路不同波长，每个波长10G/25G速率传输，成为中长距离(2km及以上)40G/1OOG解决方案。
[0003]针对这些技术方案，已经有实现CWDM/LAN-WDM波长复用解复用的平面光波导芯片推出，10G/25G的DML/EML激光器芯片也已经商用化，但这并没有解决封装的问题。一方面由于4路CWDM/LAN-WDM波长间隔较大，涉及到的激光器材质不同，很难将4路激光器芯片做成4通道阵列芯片，只能一个通道一个通道与平面光波导芯片耦合;另一方面，激光器光斑发散角很大，模场与平面光波导芯片有很大的失配。如果直接耦合，损耗很大且耦合容忍度在亚微米级别，必须借助于透镜才能到达满意的耦合效率。如何简单高效地将多路激光器芯片与平面光波导耦合在一起是目前面临的最大技术挑战。
[0004]目前主要有三种封装方法，第一种就是美国专利申请(美国专利申请公开号:US20130163252A1)中提到的方法，先将四路激光器贴在热沉的预定位置上，然后根据透镜的焦距，将四路激光器与平面波导芯片粗略固定到透镜的前后焦点，然后在激光器与平面波导芯片之间设置MEMS芯片，透镜放置在MEMS芯片上，通过调节MEMS芯片来精调透镜，达到最大耦合效率后将透镜固定。此种方法十分巧妙地利用了MEMS芯片的微调能力，解决了耦合效率和耦合容差的问题，但是MEMS芯片的引入也增加了封装复杂度和成本，降低了封装可靠性。
[0005]第二种就是中国专利申请(中国专利申请公布号:CN 102053318A.CN103066148A)中提到的方法，先在平面光波导芯片输入端面或第三方基底上做好定位对准结构以及电极，然后将激光器芯片倒装在平面波导芯片输入端面，或将这两种芯片贴装在第三方基底上。此种方法工艺简单，但这类工艺都是采用无源直接对准的方法，仅靠贴片精度远达不到激光器与平面波导耦合亚微米的容差水平，成品率极低，耦合损耗也非常大，没有从根本上解决耦合效率和耦合容差的问题。
[0006]第三种就是单片集成技术，即将激光器、平面波导芯片甚至驱动电路部分集成在硅基底或磷化铟基底或两者的混合基底上，这代表了光电子器件的发展方向，但是工艺难度极大，多处于研究阶段，离商用化比较远。
【发明内容】
[0007]针对现有技术的不足，本发明提出了新的解决方法，本发明提供了一种与平面光波导混合集成的激光器组件，包括热沉、多路分立激光器芯片和平面光波导芯片，所述多路分立的激光器芯片倒扣贴装在热沉上形成多路激光器阵列，所述多路激光器阵列与所述平面光波导芯片的输入波导耦合对准并固定;所述热沉上具有高度相同的多个支撑凸台，每个激光器芯片被所述热沉上的支撑凸台支撑，每个激光器芯片的波导在支撑凸台之间悬空。
[0008]在上述技术方案中，所述热沉上制作有电极和对准标记，所述电极上还有焊料凸点。
[0009]在上述技术方案中，所述激光器芯片前端集成有模场转换结构，所述模场转换结构将所述激光器芯片的输出光整形为与平面光波导芯片的输入波导模场相匹配，使得在直接耦合条件下，所述激光器芯片与所述平面光波导芯片的最佳耦合效率大于25%，所述激光器芯片与所述平面光波导芯片在X方向上的IdB容差2 2um，在Y方向上的IdB容差2 lum，在Z方向上的IdB容差2 1um0
[0010]在上述技术方案中，所述输入波导前端集成有模场转换结构，所述模场转换结构将所述激光器芯片的输出光整形为与平面光波导芯片的输入波导模场相匹配，使得在直接耦合条件下，所述激光器芯片与所述平面光波导芯片的最佳耦合效率大于25%，所述激光器芯片与所述平面光波导芯片在X方向上的IdB容差I 2um，在Y方向上的IdB容差I lum，在Z方向上的IdB容差2 1um0
[0011]在上述技术方案中，所述热沉的材质为硅或玻璃。
[0012]在上述技术方案中，各个所述激光器芯片完成倒扣贴装后，波导之间在Y方向的高度差在Ium以内。
[0013]在上述技术方案中，所述支撑凸台同一通道内间距为L，所述激光器芯片的宽度为Wl，所述激光器芯片的正面电极和有源区的总宽度为W2，满足条件W2 < L<Wl。
[0014]在上述技术方案中，所述激光器芯片的前端面缩入所述热沉的前端面。
[0015]本发明还提供了一种激光器与波导芯片混合集成结构的制造方法，包含以下步骤:
[0016]步骤I:将基底清洗干净，用旋涂法在基底上涂覆光刻胶，利用光刻技术，在基底上制作支撑凸台的图案;将非支撑凸台区刻蚀一定深度，然后去除光刻胶，形成热沉及其支撑凸台；
[0017]步骤2:在热沉上旋涂光刻胶，利用光刻技术，在所述热沉上制作电极和对准标记的图案，然后利用磁控溅射制作出所述电极和对准标记，最后将光刻胶去除；
[0018]步骤3:利用蒸镀技术在所述电极上制作焊料凸点；
[0019]步骤4:用倒装焊机将激光器芯片逐个倒扣在所述热沉上，所述激光器芯片被支撑凸台支撑，激光器芯片有源区在支撑凸台之间悬空，激光器芯片的正面电极与焊料凸点接触，对准后焊接固定；
[0020]步骤5:利用所述对准标记，使得相邻激光器芯片的波导间保持固定间距，形成激光器阵列；
[0021]步骤6:将平面波导芯片与上述激光器阵列直接耦合对准，然后点胶固定在一起。
[0022]在上述技术方案中，所述步骤6具体为:
[0023]a.利用金丝键合工艺完成激光器芯片背面电极到热沉上对应电极的金丝线连接；
[0024]b.利用探针给第一路和最后一路的激光器芯片通电；
[0025]c.利用自动耦合平台对准平面波导芯片和激光器阵列，监控平面波导芯片的第一通道和最后一通道的出光功率；
[0026]d.当上述两通道的光功率达到最大值时，在平面波导芯片的端面点胶，并使胶固化。
[0027]本发明取得了以下技术效果:
[0028]第一，使用带模场转换结构的激光器芯片与平面波导芯片直接耦合:模场转换结构的使用一方面省去了透镜提高了直接耦合效率，另一方面使得耦合容差达到微米级别，为倒装焊技术的使用创造了条件;第二，使用特殊结构的热沉以及倒装焊技术:热沉上的阻挡结构以及激光器芯片倒装焊接，使得激光器芯片有源区基本处于同一平面，即对耦合容差最敏感的高度方向的贴片误差可以控制在激光器耦合容差之内，这为高精度激光器阵列的制作提供了保障。第三，使用单个芯片贴成阵列激光器:在前两项技术的保证下，得以制备出位置精度处于耦合容差范围内的激光器阵列，避免了一个通道一个通道单独对准，为一次性自动耦合打下基础。第四，使用自动化有源耦合技术:有源耦合技术的使用，建立了反馈机制，避免了盲目的无源对准，大大提高了成品率。由此本发明解决了激光器与平面波导芯片耦合效率和耦合容差的问题，并且解决了大批量生产和成品率的问题，本发明使得激光器与平面光波导混合集成技术实用化、低成本化。
【附图说明】
[0029]图1:本发明结构不意图；
[°03°]图2:本发明热沉示意图；
[0031 ]图3:本发明激光器芯片示意图；
[0032]图4:本发明激光器芯片倒装在热沉上的正视图；
[0033]图5:本发明激光新芯片倒装在热沉上的侧视图；
[0034]图6:本发明到装好的激光器芯片阵列图；
[0035]图7:本发明親合点胶示意图。
[0036]图中标记:
[0037]1、热沉
[0038]11、支撑凸台12、电极面13、焊料凸点14、对准标记15、电极16、热沉前端面
[0039]2、激光器芯片
[0040]21、模场转换结构22、正面电极23、有源区24、前端面25、背面电极
[0041]3、平面光波导芯片
[0042]31、输入波导
[0043]4、胶水
[0044]5、金丝线
[0045]6、探针
【具体实施方式】
[0046]为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及【具体实施方式】对本发明作进一步的详细描述。
[0047]本发明提供的激光器与平面光波导混合集成结构如图1所示，该结构包含设置在热沉I上的至少一路分立激光器芯片2、平面光波导芯片3，多路分立的激光器芯片2倒扣在所述热沉I的支撑凸台上，形成多路激光器阵列，所述多路激光器阵列与所述平面光波导芯片3的输入波导31耦合对准并固定。
[0048]热沉I的结构如图2所示，其制作方法是选取一块平整的硅片或玻璃片作为基底，将基底清洗干净，用旋涂法在基底上涂覆光刻胶，利用光刻、刻蚀工艺将基底一部分刻蚀一定深度，制作支撑凸台11的图案，然后去除光刻胶，形成热沉I及其支撑凸台11，其中高出来的平面作为支撑凸台11，刻蚀较低的面为电极面12。
[0049]在热沉I上旋涂光刻胶，然后利用光刻工艺在热沉I上做上电极15和对准标记14的图案，利用磁控溅射制作出所述电极15和对准标记14，将光刻胶去除。
[0050]然后利用磁控溅射工艺在电极15上，且与激光器芯片2的正面电极22相对应的地方做上焊料凸点13。
[0051]如图3所示为本发明采用的激光器芯片2，激光器芯片2的波导前端集成有模场转换结构21，该模场转换结构21将激光器芯片2的输出光整形为与平面光波导芯片3的输入波导31模场更加匹配，它们之间直接耦合效率高于25%，且X方向偏离最佳位置的IdB容差大于2um、Y方向偏离最佳位置的IdB容差大于lum、Z方向偏离最佳位置的IdB容差大于1um0
[0052]如图4至图7所示，利用倒装焊机将激光器芯片2逐个倒扣在热沉I上，激光器芯片2两端被热沉I上的支撑凸台11支撑，激光器芯片2的波导在支撑凸台11之间悬空，激光器芯片2的正面电极22与焊料凸点13接触，对准后焊接固定。并利用热沉I上的对准标记14，使得相邻激光器芯片2波导间保持固定间距。形成激光器阵列
[0053]其中同一通道支撑凸台11之间的距离L比激光器芯片2的宽度Wl小，且大于激光器芯片2的正面电极22和有源区23的总宽度W2，这样既保证激光器芯片2能够被热沉I良好支撑，又保证焊料不会渗入支撑凸台11上影响Y方向贴片精度。
[0054]此外，为避免后续耦合过程中撞到激光器芯片2，激光器芯片2的前端面24稍稍缩入热沉前端面16数个微米。四路激光器芯片2倒装完成后，激光器芯片2波导的Y方向高度差由仅由热沉I的支撑凸台11决定，由于四路激光器芯片2的支撑凸台11在加工前为同一平面，其精度优于lum，激光器芯片2波导X、Z方向定位误差由贴片精度和对准标记以及热沉前端面16切片质量(Z方向以此面为参考缩入数微米)决定，以当前工艺水平，激光器芯片2波导在X方向上的精度可以优于2um，在Z方向上的精度可以优于1um0
[0055]激光器芯片2的正面电极22电信号由焊料凸点13引出，激光器芯片2的背面电极25通过金丝线5键合与热沉I上对应电极连接，通过探针6给第一路和第四路激光器芯片2通电。自动耦合平台先利用视觉识别使得第一路和第四路激光器芯片2的波导与对应的平面光波导芯片3的第一通道和第四通道的输入波导31粗对准，然后监控平面光波导芯片3的第一通道和第四通道的输出功率，同时调节激光器阵列芯片，待第一通道和第四通道功率同时达到最大值时，在热沉I和平面光波导芯片2接触面处点胶水4进行固定。
[0056]以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种与平面光波导混合集成的激光器组件，其特征在于:包括热沉(I)、多路分立激光器芯片(2)和平面光波导芯片(3)，所述多路分立的激光器芯片(2)倒扣贴装在热沉(I)上形成多路激光器阵列，所述多路激光器阵列与所述平面光波导芯片(3)的输入波导(31)耦合对准并固定;所述热沉(I)上具有高度相同的多个支撑凸台(11)，每个激光器芯片(2)被所述热沉(I)上的支撑凸台(11)支撑，每个激光器芯片(2)的波导在支撑凸台(11)之间悬空。2.根据权利要求1所述的与平面光波导混合集成的激光器组件，其特征在于:所述热沉(1)上制作有电极(15)和对准标记(14)，所述电极(15)上还有焊料凸点(13)。3.根据权利要求1-2中任一项所述的与平面光波导混合集成的激光器组件，其特征在于:所述激光器芯片(2)前端集成有模场转换结构(21)，所述模场转换结构(21)将所述激光器芯片(2)的输出光整形为与平面光波导芯片(3)的输入波导(31)模场相匹配，使得在直接耦合条件下，所述激光器芯片(2)与所述平面光波导芯片(3)的最佳耦合效率大于25%，所述激光器芯片(2)与所述平面光波导芯片(3)在X方向上的IdB容差2 2um，在Y方向上的IdB容差2 lum，在Z方向上的IdB容差2 10um。4.根据权利要求1-2中任一项所述的与平面光波导混合集成的激光器组件，其特征在于:所述输入波导(31)前端集成有模场转换结构，所述模场转换结构将所述激光器芯片(2)的输出光整形为与平面光波导芯片(3)的输入波导(31)模场相匹配，使得在直接耦合条件下，所述激光器芯片(2)与所述平面光波导芯片(3)的最佳耦合效率大于25%，所述激光器芯片(2)与所述平面光波导芯片(3)在X方向上的IdB容差2 2um，在Y方向上的IdB容差2lum，在Z方向上的IdB容差2 10um。5.根据权利要求1-4中任一项所述的与平面光波导混合集成的激光器组件，其特征在于:所述热沉(I)的材质为硅或玻璃。6.根据权利要求1-5中任一项所述的与平面光波导混合集成的激光器组件，其特征在于:各个所述激光器芯片(2)完成倒扣贴装后，波导之间在Y方向的高度差在Ium以内。7.根据权利要求1-6中任一项所述的与平面光波导混合集成的激光器组件，其特征在于:所述支撑凸台同一通道内间距为L，所述激光器芯片(2)的宽度为Wl，所述激光器芯片(2)的正面电极(22)和有源区(23)的总宽度为W2，满足条件W2<L<W1。8.根据权利要求1-7中任一项所述的与平面光波导混合集成的激光器组件，其特征在于:所述激光器芯片(2)的前端面(24)缩入所述热沉(I)的前端面(16)。9.一种激光器与波导芯片混合集成结构的制造方法，其特征在于包含以下步骤: 步骤I:将基底清洗干净，用旋涂法在基底上涂覆光刻胶，利用光刻技术，在基底上制作支撑凸台的图案;将非支撑凸台区刻蚀一定深度，然后去除光刻胶，形成热沉(I)及其支撑凸台(11); 步骤2:在热沉(I)上旋涂光刻胶，利用光刻技术，在所述热沉(I)上制作电极(15)和对准标记(14)的图案，然后利用磁控溅射制作出所述电极(15)和对准标记(14)，最后将光刻月父去除； 步骤3:利用蒸镀技术在所述电极(15)上制作焊料凸点(13); 步骤4:用倒装焊机将激光器芯片(2)逐个倒扣在所述热沉(I)上，所述激光器芯片(2)被支撑凸台(11)支撑，激光器芯片有源区(23)在支撑凸台(11)之间悬空，激光器芯片(2)的正面电极(22)与焊料凸点(13)接触，对准后焊接固定； 步骤5:利用所述对准标记(14)，使得相邻激光器芯片(2)的波导间保持固定间距，形成激光器阵列； 步骤6:将平面波导芯片(3)与上述激光器阵列直接耦合对准，然后点胶固定在一起。10.根据权利要求8所述的一种激光器与波导芯片混合集成结构的制造方法，其特征在于:所述步骤6具体为: a.利用金丝键合工艺完成激光器芯片(2)背面电极(25)到热沉(I)上对应电极(15)的金丝线(5)连接； b.利用探针(6)给第一路和最后一路的激光器芯片(2)通电； c.利用自动耦合平台对准平面波导芯片(3)和激光器阵列，监控平面波导芯片(3)的第一通道和最后一通道的出光功率； d.当上述两通道的光功率达到最大值时，在平面波导芯片(3)的端面点胶，并使胶固化。
【文档编号】G02B6/42GK105866903SQ201610329050
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月18日
【发明人】朱虎, 翟宇佳, 成璇璇, 李凤
【申请人】武汉光迅科技股份有限公司