[发明专利]激光器与硅光芯片耦合结构及其封装结构和封装方法

说明书

本发明公开了一种激光器与硅光芯片耦合结构及其封装结构和封装方法，发散的高斯光束从激光器芯片出射，经过耦合透镜进行聚焦；聚焦过程中光路经过隔离器进入反射棱镜，经过反射棱镜的发射，光路发生弯折并以一定的角度入射到硅光芯片的光栅耦合器上面，耦合进硅光芯片。本发明所提供的激光器与硅光芯片耦合结构，其无需使用超高精度的耦合对准设备，耦合过程易于实现，耦合效率更高，且研发成本较低；激光器与硅光芯片耦合封装结构及其封装方法，采用传统TO工艺封装光源，气密性封装，与现有技术相比，具有很强的可生产性，很高的可靠性，更低的成本，更高的耦合效率，适用于400G硅光大功率光源应用。

技术领域

本发明涉及光电通信技术领域，具体涉及一种激光器与硅光芯片耦合结构及其封装结构和封装方法。

背景技术

光子学是一门研究光子的产生和运动特性、光子同物质的相互作用及其应用的前沿学科。硅光子学专门研究硅以及硅基异质结材料(诸如ge/si、soi等)等介质材料中光子的行为和规律，着重研究硅基光子器件的工作原理、结构设计与制造以及在光通信、光计算等领域中的实际应用。硅光子学，包括硅基异质结构和量子结构的物理性质、制备方法；硅基光子器件，包括硅基发光器件、探测器、光波导器件、硅基光子晶体、硅基光电子集成、硅基光互连。

硅光子技术即利用标准COMS工艺，在绝缘体上硅(SOI)晶元衬底上，制作各种互联的光学组件。以数据中心光通信领域为例，在SOI上制备一个耦合光栅，后接一个1×4的分束器，然后连接4个28Gbps马赫曾德尔调制器(MZM)，输出到4个光栅耦合器。在1×4分束器的公共端，接上一个外部光源，在4个MZM后的光栅耦合器上，接4根单模光纤，这就很容易构成了一个100Gbps PSM4光模块的发射单元。

硅光子技术有其得天独厚的优势，相对于传统的三五族半导体光电子材料，硅光拥有更低的芯片成本，更小尺寸，更高集成度。相同功能的半导体芯片，用硅材料制备比用三五族半导体光电子材料制备，体积更小，成本更低，更能胜任数据中心对光通信模块的高端口密度和低成本的迫切需求。然而，硅光子技术也有一些技术难点需要去攻克，其中一个大的技术瓶颈就是硅光光光源。基于硅光技术做无源光器件结构，高速光调制，高速光接收，这些功能目前都日渐成熟，然而硅作为一种间接带隙半导体，其发光效率远低于三五族半导体光电子材料。所以在硅上制作光源，显得异常苦难。目前业界实现硅光光源的方案主要有三种：

方案一

Intel选择在硅光芯片上外延生长三五族半导体光电子材料，然后再在三五族半导体光电子材料进行激光器加工工艺，制作光源，基于该种工艺技术的硅光子模块已经实现了商用，领先业界十年的水平。

方案二

Luxtera选择将三五族DFB芯片、透镜、隔离器制作成一个光源组件，再将这个组件用胶水键合在硅光芯片上，Luxtera的硅光光源方案，也实现了商用并批量出货。

方案三

华为Hisilicon则是将激光器芯片波导倒装在硅波导上面，进行倏逝波耦合，将激光器芯片的光耦合到硅光芯片里面去，目前该方案也实现了商用。

方案一的问题在于，工艺复杂，芯片可靠性不高。硅材料和三五族半导体光电子材料本身存在晶格失配，在硅材料上外延生长三五族半导体光电子材料，生长过程种会出现很多晶格缺陷，产生比较大的应力，这个会影响芯片的可靠性。尽管intel现在已经将晶格失配的不良效应降低到最小，可靠性能满足商用标准，但是比起单独的硅芯片和三五族芯片，可靠性会降低。

方案二的问题在于，将三五族DFB芯片、透镜、隔离器制作成一个光源组件，这个组件本身的加工工艺，密封工序比较复杂，全球唯一供应商可以制作，工艺成本比较高。

方案三的问题在于，将激光器芯片波导倒装在硅波导上面，进行倏逝波耦合，需要超高精度(0.5微米以内)的耦合对准设备，已经定制的激光器芯片，研发投入巨大。

发明内容