边发射激光芯片与硅光芯片中光波导的耦合结构及方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115755290A(43)申请公布日2023.03.07(21)申请号202211370471.2(22)申请日2022.11.03(71)申请人北京大学地址100871北京市海淀区颐和园路5号(72)发明人冒芯蕊李艳平冉广照(74)专利代理机构北京高沃律师事务所11569专利代理师贾瑞华(51)Int.Cl.G02B6/42(2006.01)H01S5/026(2006.01)H01S5/10(2021.01)H01S5/14(2006.01)权利要求书2页说明书7页附图1页(54)发明名称边发射激光芯片与硅光芯片中光波导的耦合结构及方法(57)摘要本发明涉及一种边发射激光芯片与硅光芯片中光波导的耦合结构及方法，属于光子集成领域，通过将边发射激光芯片倾斜装焊在硅光芯片之上，把倾斜输出的光直接投射到硅光波导入射光栅上，对激光芯片和硅光芯片的结构和加工工艺无特殊要求，对于波导和光源的对准精度要求低、加工容差大，有利于降低加工封装成本；本发明中入射至硅光波导入射光栅的光线与垂直方向之间存在倾角，可有效抑制光耦合过程中的背向反射，提高耦合效率；本发明无需引入额外的全内反射转接结构或将激光芯片输出波段端面进行额外加工，降低了反射损耗、简化了工艺流程；本发明可以在现有微电子或光电子的封装线上完成，不引入额外加工步骤，可批量放大自动化生产。CN115755290ACN115755290A权利要求书1/2页1.一种边发射激光芯片与硅光芯片中光波导的耦合结构，其特征在于，包括：边发射激光芯片、硅光芯片以及金属焊料；所述硅光芯片包括层叠设置的顶层硅、氧化硅层以及硅衬底；所述顶层硅的一端刻蚀有矩形的无源硅光波导区和楔形的硅光波导入射光栅，所述顶层硅的另一端为激光芯片装焊预留区；所述硅光波导入射光栅的窄端连接所述无源硅光波导区，所述硅光波导入射光栅的宽端连接所述激光芯片装焊预留区；所述硅光波导入射光栅的刻蚀深度小于所述顶层硅的厚度；所述激光芯片装焊预留区中间设置有对准标记；所述对准标记的连线与所述无源硅光波导区的中心线重合；所述激光芯片装焊预留区内设置有金属焊料；所述激光芯片装焊预留区内靠近所述硅光波导入射光栅一端设置的金属焊料高度低于所述激光芯片装焊预留区内远离所述硅光波导入射光栅一端设置的金属焊料高度；所述边发射激光芯片通过所述金属焊料倾斜倒装焊到所述硅光芯片上；所述边发射激光芯片的中心线与所述对准标记的连线对准；所述边发射激光芯片的出光口延长线与所述无源硅光波导区的中心线对准。2.根据权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述边发射激光芯片的倾斜角度为8°至14°。3.根据权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述硅光波导入射光栅的光栅周期长度范围为540纳米至560纳米，占空比为0.2，光栅刻蚀深度为200纳米。4.根据权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述无源硅光波导区的宽度范围为400纳米至5000纳米，厚度范围为220纳米至3000纳米。5.根据权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述金属焊料为焊珠或焊条；所述金属焊料的高度范围为10微米至100微米。6.根据权利要求1所述的耦合结构，其特征在于，所述边发射激光芯片与所述硅光波导入射光栅之间还填充有介质填充物；所述介质填充物与所述边发射激光芯片接触的一端覆盖所述边发射激光芯片的出光口；所述介质填充物底端覆盖所述硅光波导入射光栅。7.根据权利要求6所述的耦合结构，其特征在于，所述介质填充物包括SU‑8光刻胶、聚二甲基硅氧烷、玻璃胶、聚甲基丙烯酸甲酯。8.一种边发射激光芯片与硅光芯片中光波导的耦合方法，其特征在于，包括：在硅光芯片的顶层硅上利用光刻和等离子体刻蚀，制备出矩形的无源硅光波导区和楔形的硅光波导入射光栅；矩形的无源硅光波导区和楔形的硅光波导入射光栅位于所述顶层硅的一端，所述顶层硅的另一端为激光芯片装焊预留区；所述硅光波导入射光栅的窄端连接所述无源硅光波导区，所述硅光波导入射光栅的宽端连接所述激光芯片装焊预留区；所述硅光波导入射光栅的刻蚀深度小于所述顶层硅的厚度；在所述激光芯片装焊预留区中间设置对准标记，令所述对准标记的连线与所述无源硅光波导区的中心线重合；在所述激光芯片装焊预留区内预置金属焊料；所述激光芯片装焊预留区内靠近所述硅光波导入射光栅一端预置的金属焊料高度低于所述激光芯片装焊预留区内远离所述硅光波导入射光栅一端预置的金属焊料高度；将所述边发射激光芯片通过所述金属焊料倾斜倒装焊到所述硅光芯片上，令所述边发射激光芯片的中心线与所述对准标记的连线对准，令所述边发射激光芯片的出光口延长线与所述无源硅光波导区的中心线对准。2CN115755290A权利要求书2/2页9.根据权利要求8所述的耦合方法，其特征在于，