一种应用于光电共封装的桥接芯片结构的制作方法

本发明涉及光通信领域，更具体地说，是一种应用于光电共封装的桥接芯片结构。

背景技术：

1、光电共封装（co-packaged optics, cpo）技术将光引擎与交换芯片共同封装，是突破ai数据中心“功耗墙”和“带宽墙”的关键方案。随着数据中心向800g/1.6t/3.2t时代迈进，cpo技术凭借其缩短电信号传输距离、降低功耗和提升带宽密度等显著优势，已成为光通信领域的前沿发展方向。

2、在cpo光引擎中，光纤阵列（fa）与硅光芯片之间的光耦合是决定系统性能的核心环节——光信号需从光纤阵列进入硅光芯片进行处理，处理后再耦合回光纤阵列输出至系统。这一光耦合通道的效率和质量，直接决定了整个光引擎的插入损耗、传输带宽和长期可靠性。然而，该耦合环节面临严重的技术瓶颈,具体包括：

3、1）光斑尺寸失配严重，直接耦合损耗极高。硅光波导光斑尺寸仅1~10μm（典型4μm），而标准单模光纤模场直径为8~10μm，甚至更大，两者模场面积相差数倍，直接端面对接时模场失配损耗可达数db，无法满足cpo光引擎对低插入损耗的性能要求。

4、2）耦合对准容差极为严苛，封装良率低。由于光斑尺寸处于微米量级，硅光芯片与光纤阵列之间的耦合对准容差通常在亚微米级（1db位置容差通常<±1μm），对封装设备精度、环境振动和温度稳定性要求极为苛刻，导致封装过程耗时长、良率低、成本高，难以实现规模化量产。

5、3）扩束透镜方案结构复杂，长期可靠性不足。现有扩束方案需借助一系列球面透镜、非球面透镜、反射镜等分立微光学元件，光路结构复杂、耦合环节多，每一界面均引入额外的菲涅耳反射损耗和装配公差累积；且光纤受热膨胀或外力牵拉后微小位移（亚微米级）即可导致显著的耦合劣化，长期可靠性难以保障。

6、4）阵列间距不匹配，高通道数耦合困难。硅光芯片上硅光波导输入输出阵列间距通常仅为20~100μm，而光纤阵列的标准间距为127μm或250μm，二者间距相差2.5倍至12.5倍。随着cpo通道数从4通道向32通道乃至更高演进，硅光芯片边缘长度有限、波导密集排布，而光纤阵列受限于光纤包层直径致间距固定，二者空间尺度严重失配，无法实现多通道一一对应的直接耦合，必须通过光路转接实现扇入/扇出。

7、5）玻璃桥接方案与硅光芯片兼容性差。玻璃桥（glass bridge）方案采用离子交换波导在玻璃内部预制光路，但玻璃与硅光芯片的cte（热膨胀系数）差异显著，温度循环中键合界面易产生热应力累积导致开裂或脱焊，且玻璃波导难以通过晶粒到晶圆（d2w）或晶粒到晶粒（d2d）等标准半导体键合工艺实现与硅光芯片的稳固集成，增加了系统复杂度和失效风险。

技术实现思路

1、为解决上述cpo光耦合中光斑失配与阵列间距失配的双重瓶颈，本发明提出了一种应用于光电共封装的桥接芯片结构。该芯片结构采用硅基氮化硅或氮氧化硅波导，通过片上光斑转换结构，将硅光芯片上硅光波导中的小尺寸光斑转换为与光纤匹配的大尺寸光斑，同时将密集的硅光波导输入输出阵列扩展至光纤阵列的标准间距。该桥接芯片可通过晶粒到晶圆或晶粒到晶粒方式键合到硅基的cpo转接板或基板上，实现稳固集成，避免玻璃桥接方案的长期可靠性问题。

2、本发明通过如下方式实现：

3、本发明具有的有益效果是：

4、1）本发明采用硅基氮化硅或氮氧化硅波导芯片，片上集成光斑转换结构与波导阵列扩展结构，将光斑转换与间距扇出两大功能集于单一芯片，无需借助外部透镜组或独立扇出组件，大幅简化了cpo光路耦合系统架构，降低了装配复杂度与物料成本。

5、2）本发明中的桥接芯片以硅为基底、二氧化硅为包层、氮化硅或氮氧化硅为芯层，材料体系与硅光芯片同根同源，可通过晶粒到晶圆（d2w）或晶粒到晶粒（d2d）等标准半导体键合工艺实现稳固集成，热膨胀系数（cte）与硅光芯片高度匹配，避免了玻璃桥方案因cte失配导致的键合界面热应力失效问题，显著提升了封装结构的长期可靠性。

6、3）本发明通过片上渐变波导结构，将硅光芯片端面的小尺寸光斑逐步扩宽为与光纤模场匹配的大尺寸光斑，桥接芯片与光纤阵列之间的耦合容差显著放宽；同时通过s型弯曲波导及直波导连接结构，将密集的硅光波导阵列（间距20~100μm）逐步扩展至光纤阵列的标准间距（127μm或250μm或更紧凑间距），实现了高通道数下光路的高效扇入/扇出，有效支持800g/1.6t/3.2t cpo光引擎对多通道并行耦合的需求。

7、4）本发明采用单片集成波导结构，避免了扩束透镜方案中球面透镜、非球面透镜、反射镜等分立微光学元件的使用，消除了多界面菲涅耳反射损耗与装配公差累积，且桥接芯片结构稳定，无活动部件，即使封装后光纤受热膨胀或外力牵拉发生微小位移，耦合效率仍可保持稳定，长期可靠性显著优于现有方案。

1.一种应用于光电共封装（cpo）的桥接芯片结构，其特征在于，芯片上带有光斑转换结构，用于将小尺寸光斑转换为大尺寸光斑，并通过晶粒到晶圆d2w或晶粒到晶粒d2d的方式键合到硅基cpo转接板或基板上，所述的光斑转换结构包括桥接芯片波导阵列，所述的桥接芯片波导阵列包括至少1个以上的桥接芯片波导阵列单元，每个桥接芯片波导阵列单元包括与硅光芯片中硅光波导输入输出阵列对接的波导组a、与光纤阵列对接的波导组b，以及连接波导组a与波导组b之间的弯曲波导组。

2.根据权利要求1所述的应用于光电共封装的桥接芯片结构，其特征在于，波导组由光学波导构成，每根光学波导在桥接芯片中的截面均具有相同膜层结构，包括从下到上的桥接芯片硅基底、桥接芯片下包层、桥接芯片波导芯层、以及包覆于桥接芯片波导芯层上表面和侧表面的桥接芯片上包层。

3.根据权利要求2所述的应用于光电共封装的桥接芯片结构，其特征在于，所述的桥接芯片硅基底为硅，厚度为50~400μm；桥接芯片波导芯层为氮化硅或氮氧化硅，厚度为100nm~500nm；桥接芯片上包层和桥接芯片下包层为二氧化硅，厚度均为5~30μm，桥接芯片波导芯层的宽度为50nm~3000nm。

4.根据权利要求1或2或3所述的应用于光电共封装的桥接芯片结构，其特征在于，所述的波导组a与波导组b均包括奇数个宽度不变的窄直波导以及与其相连的宽度变化的梯形波导组成的波导小组，共同支持一个光学模式，其中，中间梯形波导由窄变宽并与宽直波导连接，而两侧梯形波导则由窄变得更窄且其后不再与其它波导相连；但为了更大地扩大光斑，波导组b的窄直波导之间的间距比波导组a的窄直波导之间的间距要大。

5.根据权利要求4所述的应用于光电共封装的桥接芯片结构，其特征在于，弯曲波导组包括分别与波导组a与波导组b中间的梯形波导相连的两个宽直波导、以及连接两个宽直波导的s型弯曲波导，来实现与硅光芯片对接一侧的波导和与光纤阵列对接一侧的波导的连接；与硅光芯片对接一侧，各桥接芯片波导阵列单元中的波导尺寸及其间距均相同，与光纤阵列对接一侧，各桥接芯片波导阵列单元的波导尺寸及其间距也均相同，各桥接芯片波导阵列单元中的s型弯曲波导沿阵列方向上的宽度w不同，以实现波导的扇出。

6.根据权利要求5所述的应用于光电共封装的桥接芯片结构，其特征在于，所述的各桥接芯片波导阵列单元波导组a之间的间距与硅光波导输入输出阵列之间的间距对应，为20~100μm，所述的各桥接芯片波导阵列单元波导组b之间的间距与光纤间距对应，为127μm或250μm或60~90μm。

7.根据权利要求5或6所述的应用于光电共封装的桥接芯片结构，其特征在于，所述的波导组a和波导组b中窄直波导的宽度均为100nm~400nm，所述两侧梯形波导由窄直波导逐渐变窄至50nm~200nm，所述中间梯形波导由窄直波导逐渐变宽至400nm~3μm，窄直波导间距在与硅光芯片对接一侧为0.5μm~3μm，在与光纤阵列对接一侧为1μm~10μm，s型波导的弯曲半径为100μm~1000μm。

8.根据权利要求7所述的应用于光电共封装的桥接芯片结构，其特征在于，所述的小尺寸光斑由硅光波导输入输出阵列产生，大小为1~10μm，通过桥接芯片光斑转换结构的波导组a、弯曲波导组、波导组b后产生大小为5~30μm的大尺寸光斑。

9.根据权利要求8所述的应用于光电共封装的桥接芯片结构，其特征在于，所述的小尺寸光斑尺寸为4μm；所述的大尺寸光斑为10μm。

10.根据权利要求1或2或3或5或6或8或9所述的应用于光电共封装的桥接芯片结构，其特征在于，所述的硅光波导输入输出阵列、所述的桥接芯片波导阵列、光纤阵列的阵列数一致，均为8~300。