硅基光波导芯片与垂直腔面发射激光器的封装结构的制作方法

本实用新型涉及集成光电子器件技术领域，特别硅基光芯片的结构以及激光器耦合封装结构，以及相关制作方法，具有广泛应用于光通信行业的前景。

背景技术：

随着大数据和云计算时代的到来，数据通信需求不断增长，广泛诉求一种高集成度、处理速度快、低成本的光电体系。硅光子技术兼容CMOS工艺，可高密度芯片集成，高可靠的大批量生产，低成本制造，同时具有超高带宽，超快传输速率等优点。以绝缘体上硅材料制成的硅光波导，其芯层和包层间极大的折射率差异能使光更好地限制在波导芯层内，大大减小了光信号在绝缘体上硅基光波导器件中的损耗。同时，该硅光波导有着较小的弯曲半径，有利于光子器件的高效集成，具有较为广阔的应用前景。但同时，由于硅材料本身的限制，硅基光源仍然制作困难。本实用新型提供了一种将硅基光芯片与垂直腔面发射激光器耦合封装的结构，以实现二者高效的光耦合，实现硅基光源。

垂直腔面发射激光器是一种微型半导体激光器，其出光方向与衬底表面垂直，具有模式好、低闸值电流、调制速率高、价格便宜等很多优点，非常适合应用在高速并行光传输以及并行光互连等通信领域。与传统边发射激光器相比，其面发射特性也方便与平面波导结构进行表面贴合封装。

将垂直腔面发射激光器与平面波导进行耦合，需要将光偏转90度进入平面光波导。通常可采用光栅的方式实现这个目的。但由于二次反射的存在，普通光栅耦合器无法将平面波导中光耦合到完全垂直方向，通常需要有10°左右的偏角。因此无法实现与垂直腔面发射激光器的耦合。我们在CN201520845532.5中提出了一种基于倾斜波导结构的硅基光栅耦合器，可实现与完全垂直方向放置的光纤的耦合。该结构也可以应用到硅波导与垂直腔面发射激光器的耦合中来。

有源光电器件与硅芯片的集成多采用共晶金锡焊料作为焊点。其具有优良的机械和热传导性能(特别是强度和抗蠕变性)以及不需组焊剂可以很好的再流的特性，焊接中再流过程可以产生重复、无空洞以及无缺陷的焊接。

在此背景下本实用新型利用绝缘体上硅材料制作倾斜波导光栅耦合器，再在硅芯片上设计金属导线和焊点，并通过倒装焊的方式，让垂直腔面发射激光器可与硅基光子芯片进行垂直耦合封装，使对准方式变得简单，耦合效率得到提高，大大降低封装难度。

技术实现要素：

1、本实用新型目的

本实用新型克服现有技术的缺陷与不足，结合一种光栅耦合器，并在芯片上制作金属导线和焊点，使得垂直腔面发射激光器可以与硅基集成光芯片进行耦合封装。本方案耦合方式简单，易于对准，同时能降低二阶反射，提高耦合效率，且具有较大的工作波长带宽，可以广泛应用于基于硅基光子集成芯片的光模块中。

2.本实用新型所采用的技术方案

本实用新型提出一种基于绝缘体上硅基底的硅光子芯片，包括硅衬底、埋氧层，顶硅层，二氧化硅绝缘层、金属导线、焊点、以及垂直腔面发射激光器；

从下至上依次排布衬底、埋氧层，顶硅层，二氧化硅绝缘层；所述顶硅层上有硅波导、基于倾斜光栅耦合器，所述倾斜光栅耦合器附近的埋氧层被挖空，因此光栅耦合器的一端与所述硅衬底1接触，形成倾斜结构；所述二氧化硅绝缘层之上有所述金属导线，所述金属导线之上有所述焊点。

更进一步具体实施方式，所述倾斜结构与水平方向的夹角在4°-15°之间。

更进一步具体实施方式，所述硅衬底厚度为50-1000um；所述埋氧层厚度为500-4000nm；所述顶硅层厚度为70-500nm。

更进一步具体实施方式，所述倾斜光栅耦合器宽度为7-14um，与激光器光束的模斑尺寸相当。

更进一步具体实施方式，所述金属导线采用金、铝等低电阻率金属制作，厚度在20-5000nm之间。

更进一步具体实施方式，所述焊点采用金锡合金制作，厚度在500-50000nm之间。

本实用新型提出一种硅基光栅耦合器与垂直腔面发射激光器的封装结构，包括所述的一种基于绝缘体上硅基底的硅光子芯片和垂直腔面发射激光器，所述垂直腔面发射激光器，包含有半导体衬底，其两端设有阳极金属和阴极金属，半导体衬底中间设有光孔，所述激光器光孔正对所述倾斜光栅耦合器的倾斜光栅中心部分。

通过倒装焊接机将垂直腔面发射激光器的光孔对准耦合器倾斜光栅的中心部分，激光器上有金属的一面朝下，对应着与芯片上的金锡焊点相接触。然后进行倒贴封装时，选择适当的温度对芯片和激光器加热，使金锡焊点熔化，从而将激光器和芯片焊接在一起。

3.本实用新型效果

本实用新型使垂直腔面发射激光器在硅基光栅耦合器的垂直方向上进行耦合，提高了激光器到波导的耦合效率，降低了光传播过程中的损耗。垂直耦合结构的应用及简易的走线焊点设计制作，大大降低封装难度，更加便于集成。

附图说明

图1为本实用新型中硅光子芯片的结构示意图。

图2为本实用新型实施例应用的硅基光栅耦合器的局部结构俯视图。

图3为本实用新型实施例应用的垂直腔面发射激光器的结构示意图。

图4为本实用新型实施例的最终结构图。

图5为本实用新型实施例给激光器通电后的结构剖面图。

其中：1—硅衬底、2—埋氧层、3—顶层硅、3a—硅波导、3b—基于倾斜光栅耦合器、4—二氧化硅绝缘层、5—金属导线、6—焊点、7—垂直腔面发射激光器、8—半导体衬底、9—阳极金属、10—阴极金属、11—光孔、12—激光。

具体实施方式

为进一步说明本实用新型的内容及特点，下面结合附图对本实用新型作进一步说明。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示，本实用新型提出了一种基于绝缘体上硅基底的硅光子芯片，包括硅衬底1、埋氧层2，顶硅层3，二氧化硅绝缘层4、金属导线5、焊点6、以及垂直腔面发射激光器7；

从下至上依次排布衬底1、埋氧层2，顶硅层3，二氧化硅绝缘层4；所述顶硅层3上有硅波导3a、基于倾斜光栅耦合器3b，所述倾斜光栅耦合器3b附近的埋氧层2被挖空，因此光栅耦合器的一端与所述硅衬底1接触，形成倾斜结构；所述二氧化硅绝缘层4之上有所述金属导线5，所述金属导线5之上有所述焊点6。

图2为本实用新型实施例应用的硅基光栅耦合器的局部结构俯视图。本实施例中，硅衬底1厚度为50-1000um，埋氧层2厚度为500-4000nm，顶硅层3厚度为70-500nm。倾斜光栅耦合器3b宽度为7-14um，与激光器光束的模斑尺寸相当，与水平方向的夹角在4°-15°之间。金属导线5采用金、铝等低电阻率金属制作，厚度在20-5000nm之间。焊点6采用金锡合金制作，厚度在500-50000nm之间。

图3为本实用新型实施例应用的垂直腔面发射激光器7封装结构示意图，所述垂直腔面发射激光器7，包含有半导体衬底8，其两端设有阳极金属9和阴极金属10，半导体衬底8中间设有光孔11，所述激光器光孔11正对所述倾斜光栅耦合器3b的倾斜光栅中心部分。

图4为本实用新型实施例的最终结构图。使用倒装焊接机，将垂直腔面发射激光器贴装在硅光子芯片上，选择适宜的温度对芯片和激光器进行加热，使金锡焊点熔化，从而进行无空洞、无缺陷的焊接，使二者结合在一起。

如图5所示，激光器通电后，激光12从光孔中发出，然后照射到绝缘体上硅芯片的耦合光栅上，并耦合进入平面的硅波导3a中。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，指示方位或位置关系的术语为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该实用新型产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之上或之下可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征之上、上方和上面包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征之下、下方和下面包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。