[发明专利]实现高容差光学芯片接合的混合集成光学设备及其制造方法

说明书

光学设备包括光学台和两个倒装接合的光学芯片。该光学台包括大面积板条波导结构，其具有面向第一光学芯片的输入小平面、面向第二光学芯片的输出小平面以及一个或更多个弯曲小平面，该一个或更多个弯曲小平面反射板条模态光，使得通过输入小平面耦合的输入光学模态在其传播时在板条波导平面中发散，在弯曲小平面处反射，并聚焦成输出小平面处的输出光学模态，其模态大小在面内方向上大于输入光学模态。在制造过程中，在第一光学芯片被倒装接合后，确定输出小平面上的聚焦的输出光学模态的位置，然后基于确定的输出光学模态的位置倒装接合第二光学芯片。

发明背景

发明领域

本发明涉及一种具有混合集成光波导芯片的光学设备。具体地，本发明涉及一种光学设备，其使用无源对准的倒装式芯片接合方法，以在光学台上混合集成具有不同光波导模态大小(mode size)的两个光波导芯片，这通过其专门设计的板条波导结构降低了所需的接合对准精度。

相关技术的描述

光互连以前所未有的速度在数据通信中被采用，因为大型数据中心针对从社交网络、云服务到大数据分析和高性能计算的应用需要更多的带宽和更长的传输距离。与电信中的由超高性能分立部件制成的光收发器模块或子系统不同，在数据通信中要求更低成本、更紧凑和更节能的光收发器或引擎。将多个光学部件或芯片(诸如激光器、调制器、光电检测器、开关、衰减器等)集成在光学台芯片上以形成混合集成的光学设备是降低组装成本和占用面积的一种方式。

在这样的混合集成光学设备中，在光学台上无源地放置和接合光学芯片是非常优选的，因为它实现了自动化低成本组装，用于巨大的数据通信市场所需的大批量生产。然而，与成熟的集成电路(IC)全自动化封装工艺不同，组装这些光学芯片需要非常精确的对准，属于微米级或更小的数量级，因为这些芯片和光学台通常包括微小的光波导，其必须彼此良好地对准以形成光传输路径。

从IC封装工业借用，人们一直试图使用称为倒装芯片接合器的工具将光学芯片倒置接合到光学台上。由于光波导几乎总是通过半导体或类似的晶片加工技术形成在光学芯片和光学台的顶部面上，所以光波导和顶表面之间的距离得到很好的控制。通过将光学芯片倒置放置在光学台上并且在光学台上具有一些预定义的间隔物结构，在垂直于光学芯片和光学台的表面(面外)的方向上的光波导对准可被精确控制。这种倒装芯片接合的方法已被广泛讨论。

另一方面，在平行于表面(面内)的方向上的对准由倒装芯片接合器的精度和特定的接合工艺确定。现代的顶级倒装芯片接合器可以实现+/-0.5微米的对准精度，但实际上，涉及包括薄膜金属焊料熔化、粘合剂固化等的工艺的接合由于芯片在温度、应力或材料相变下的物理运动而不可避免地导致最终对准误差。基于本发明的发明人所进行的测试和工业测试数据，最终对准误差(3σ置信区间)接近+/-2微米或更大。沿波导中的光传播的面内方向的对准是相对容许的，并且可以承受这种对准误差。然而，垂直于光传播的面内方向的对准需要高精度，特别是对于微米尺度上的小光波导如激光器中的光波导。为了增加这个方向上的对准容差，人们试图包括在波导端部处的锥形结构或者透镜结构以便扩展光束以进行更宽容的对准。然而，包括作为光波导的一部分的锥形结构需要光学芯片的设计改变，这禁止了广泛可用且经证实的商业芯片的使用以及在许多情况下损害设备性能。在这种情况下可以使用的透镜不能在光学台上单片地制造并且必须单独安装，这在组装期间会引入额外的对准误差。已经提出了这些和类似的方法，但由于上述问题，它们都没有被用于批量生产。

概述

根据本发明的实施例的光学设备在垂直于光传播的面内方向上显著增加两个光学芯片之间的对准容差。

一个实施例是光学设备。该光学设备包括光学台和两个光学芯片。光学台包括大面积板条波导结构、薄膜金属迹线、薄膜微焊料以及在其第一侧面上形成的蚀刻间隔物。第一光学芯片包括在其第一侧面上形成的薄膜金属焊盘(pad)和小的光波导。第二光学芯片包括在其第一侧面上形成的薄膜金属焊盘和相对较宽的光波导。