[发明专利]用于片上光互连的激光器封装方法

说明书

技术领域

本发明涉及光子集成器件技术领域，特别是指一种用于片上光互连的激光器封装方法。

背景技术

随着微纳加工技术的不断发展，芯片的集成度越来越高，器件的尺寸不断减小，而器件的工作速率则在不断提高。硅基光互连技术采用成熟的CMOS工艺（指互补金属氧化物PMOS管和NMOS管共同构成的互补型MOS集成电路制造工艺）技术生产开发硅光子器件，方便与微电子集成电路混合集成，是实现高速光互连最有潜力的技术。硅材料特别是绝缘体上硅（SOI）材料具有在光通信波段透明、高折射率差、与CMOS工艺兼容，易于与微电子器件集成等优点，成为最有前景的光电子集成平台。

近年来，SOI基光子器件的研究已经在耦合器、复用/解复用器、调制器、探测器等基本光互连器件上取得了显著进展。但是由于硅是间接带隙材料，难以制作发光器件，缺少有效的硅基光源，成为光电子器件集成的一大障碍。而基于Ⅲ-Ⅴ族材料（如InP、GaAs等）的激光器已经大批量生产，其封装器件作为成熟光源已经大量应用于光通信等光电领域。

随着未来光互连技术的发展，将Ⅲ-Ⅴ族激光器同SOI基光子器件集成在同一芯片上，成为集成光电子芯片发展的必然选择。用于传输光信号的SOI波导尺寸越来越小，甚至缩小到亚微米尺度，波导尺寸与Ⅲ-Ⅴ族激光器输出光斑失配严重，因此Ⅲ-Ⅴ族激光器与SOI基光波导的耦合问题是片上光互连的一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于片上光互连的激光器封装方法，该方法以SOI基片上的光栅结构作为光接口可以与激光器实现垂直耦合，且其耦合效率高，封装过程简单。

为了实现上述目的，本发明提供一种用于片上光互连的激光器封装方法，包括如下步骤：

（1）采用CMOS工艺在SOI基片上制作光栅及波导器件结构、覆盖层及第一金属电极层；

（2）在一过渡块上制作第二金属电极层，采用刻蚀工艺在过渡块上制作凹槽，将激光器贴装在过渡块平台表面的预定位置；

（3）将贴装激光器的过渡块放置在SOI基片上的光栅结构上方；

（4）利用互连金线将激光器下表面的电极与SOI基片上的第一金属电极层、过渡块上的第二金属电极层相连接；

（5）将准直透镜和反射镜放置在过渡块的凹槽上，准直透镜经调节后通过填充固化胶固化、密封在凹槽上，之后调节反射镜，保证激光器通电发出的光经准直透镜、反射镜及SOI基片上的光栅区域后使波导器件结构获得最大输出光时，将反射镜与过渡块凹槽之间、过渡块与SOI基片之间分别填充固化胶固化、密封，完成器件的封装。

所述步骤（1）中的SOI基片包括限制层和顶硅层，所述顶硅层设置于限制层的上表面，所述光栅及波导器件结构制作于顶硅层上，所述覆盖层设置于顶硅层的上表面，所述覆盖层表面设置有第一金属电极层。

所述顶硅层的厚度为0.1-5μm，所述限制层的厚度大于1μm，所述覆盖层的厚度为0.2-3μm，所述第一金属电极层厚度为0.1-3μm。

所述步骤（1）中的波导器件结构为集成的硅基光波导功能器件。

所述步骤（2）中的过渡块为双面抛光，其对红外波段在780nm-1650nm的光透明，所述过渡块的厚度为0.2-3mm，所述过渡块的凹槽刻蚀深度为50-1000μm，其上的第二金属电极层的厚度为0.1-3μm。

所述第一金属电极层包括第一共面传输线电极结构和第一对准标记，所述第二金属电极层包括第二共面传输线电极结构和第二对准标记，所述激光器下面的电极与第二共面传输线电极结构连接，所述激光器上面的电极通过互连金线与第二共面传输线电极结构连接，所述第二共面传输线电极结构通过互连金线与第一共面传输线电极结构连接。

所述过渡块上与SOI基片上的光栅结构背离的抛光面对准所述光栅区域。

所述步骤（5）中的固化胶为紫外固化胶。

采用上述方案后，本发明用于片上光互连的激光器封装方法通过上述步骤，当激光器通电发光经过准直透镜水平射在反射镜上，之后光通过反光镜垂直透过过渡块垂直射在SOI基片上的光栅区域，当波导器件结构获得最大输出光时，也是实现了激光器与SOI基片上光栅结构的垂直高效耦合，其耦合效率高，封装过程简单。

本发明的进一步有益效果是：将过渡块设计为双面抛光过渡块，能让激光器发出的光更好的透明传输到SOI基片表面的光栅区域。

本发明的进一步有益效果是：将过渡块上与光栅结构背离的抛光面对准光栅区域，这样设计能让激光器发出的光更好的透明传输到SOI基片上。