一种三维光子桥接路径的设计方法与流程

1.本发明属于硅光芯片耦合封装领域，具体涉及一种三维光子桥接路径的设计方法。


背景技术：

2.硅光芯片是将硅光材料和器件通过特殊工艺制造的集成芯片，主要由光源、调制器、探测器、无源波导器件等组成，将多种光器件集成在同一硅基衬底上。硅光芯片具有集成度高、成本低、传输带宽更高等特点，成为半导体和通信企业的竞争热点，是大数据、人工智能、未来移动通信等新兴产业的基础性支撑技术，可广泛应用于大数据中心、5g、物联网等产业。
3.硅光芯片对高端光器件的带宽、集成度、性能、功耗、可靠性和成本等要求极高，硅光器件之间的低损耗耦合以及大密度集成等关键技术问题需要解决。其中，耦合封装技术与光芯片的设计密切相关，是影响大规模生产的主要因素。针对硅光芯片的耦合封装，主要分端面耦合和光栅耦合两种。对应的封装方案有很多种，典型的有：采用v型槽的光纤阵列进行端面耦合；借助于聚合物波导，将单模光纤耦合进入硅波导中；采用特殊的工艺制成二维光纤阵列，或者采用斜切40度的光纤，进行光栅耦合；采用借助于微透镜、棱镜等光学元件耦合；还有flip-chip方案倒装耦合等。但是，这些耦合集成方法对贴装的精度要求较高，需要花费较多的时间进行对准调节。该领域的大多数商业产品都依赖于需要耦合元件的光电子芯片的独立组装，组装这些系统需要复杂的主动对准技术，在器件开发过程中持续监控耦合效率，这种方式成本高且产量低，致使硅光集成芯片量产困难重重。
4.而借鉴金属打线的思路，采用激光纳米三维直写技术，将硅光芯片的出光口与单模光纤相连的光子桥接方案，实现了不同光芯片、芯片与光纤之间的耦合互联。在光子桥接技术中起到连接作用的“线”不再是金属，而是利用激光直写制作的三维光波导。利用这种光子桥接技术可以在光电子芯片之间有效地进行耦合，从而大大简化光学系统的组装过程，有效避免了传统光学组装技术所依赖的复杂且成本高昂的高精度对准技术，并且制备简单快捷，利于大规模的生产。光子桥接技术在键合形状和轨迹方面有显著优势，可取代传统的光学组装技术。
5.三维光子桥接技术可以作为一种附加的光子集成技术，实现三维的光子芯片耦合集成。该方案的优势非常明显，成本可进一步降低。
6.但实际应用中需要进一步提高其性能指标，尤其是硅光芯片与光纤间、不同芯片之间光损耗问题，主要包含端口之间的耦合损耗和传输过程中的传输损耗等。因此，需要一种三维光子桥接路径的设计方法实现低损耗的光波导耦合。解决现有技术中存在的技术缺陷。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于，针对上述现有技术存在的缺陷，提供设计一种三维光子桥接
路径的设计方法，以解决上述技术问题。
8.为实现上述目的，本发明给出以下技术方案：一种三维光子桥接路径的设计方法，包括以下步骤：s1：根据芯片上的标识，确定待加工光波导的起始点和终止点；s2：在起始点和终止点周边各取1个待测量点，确定4个待测量点；s3：确定每个测量点的三维坐标；s4：根据测量点的三维坐标确定待加工光波导的传输轨迹；s5：将待加工光波导的三维传输轨迹等间距分成n个节点；s6：根据待连接芯片端口的尺寸，规划待加工光波导的xy截面上的加工路径；s7：将xy截面路径映射到三维传输轨迹等间距的n个节点，确定待加工三维光波导数据结构；s8：根据待加工光波导的三维数据，进行切片处理。
9.作为优选，步骤s1中，待加工光波导的起始点和终止点的横向位置坐标位于芯片的上表面，且横向位置远离芯片的边缘端口。
10.作为优选，步骤s2中，起始点周边取的待测量点，位于起始点和起始点所处芯片端口之间；终止点周边取的待测量点，位于终止点和终止点所处芯片端口之间。
11.作为优选，步骤s3中，每个测量点的三维坐标统一以加工平台的三维坐标为准。
12.作为优选，步骤s4中，待加工光波导的传输轨迹由以下条件所限：轨迹端面对齐待连接芯片光波导的两端；起始和终止方向与需要连接的芯片中的光波导方向一致。
13.轨迹满足具有低弯曲、路径长度短的最优路径设计，实现低损耗设计。
14.作为优选，步骤s5中，等间距分成n个节点的相邻两点之间的距离需小于加工的最小线宽。
15.作为优选，步骤s6中，根据待连接芯片端口的尺寸，规划待加工光波导的xy截面上的加工路径，具体包括：根据待连接芯片端口的尺寸形状，以之字形填充xy截面；根据待连接芯片端口的尺寸形状，以螺旋式填充xy截面。
16.作为优选，步骤s6中，xy截面的法线方向与三维传输轨迹在节点处的切线方向相同。
17.作为优选，步骤s8中，切片处理包括：沿待加工光波导的相同层高切片；或沿n个节点xy截面切片。
18.本发明的有益效果在于，通过精确测量待连接芯片端口位置处的测量点的三维坐标，设计待加工的光波导三维传输轨迹，充分考虑加工的最小线宽和传输路径的影响，通过优化选取合适的路径和三维形貌确定待加工光波导三维结构。可最大限度的减少光波导设计中的弯曲损耗和传输损耗。为光子桥接技术在硅光芯片耦合集成中的应用提供技术支持。
19.此外，本发明设计原理可靠，结构简单，具有非常广泛的应用前景。
20.由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著地进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
21.图1是本发明提供的一种三维光子桥接路径的设计方法的流程图。
22.图2为本发明实施例三维光子桥接路径设计的端口取点示意图。
23.图3为本发明实施例的端后取点横向中心位置的示意图。
24.图4为本发明实施例的三维光子桥接路径确定的传输轨迹的横向截面示意图。
25.图5为本发明实施例的三维光子桥接路径确定的传输轨迹的三维轨迹示意图。
26.图6为本发明实施例的三维光子桥接路径确定的传输轨迹的节点分割示意图。
27.图7为本发明实施例的待连接芯片端口尺寸大小示意图。
28.图8为本发明实施例的待加工光波导的xy截面的填充结构示意图。
29.图9为本发明实施例的xy截面映射到三维传输轨迹上的映射方向示意图。
30.图10为本发明实施例的设计好待加工的三维光波导结构示意图。
31.图11为本发明实施例的沿待加工光波导的相同层高切片示意图。
32.图12为本发明实施例的沿n个节点xy截面切片示意图。
具体实施方式
33.下面结合附图并通过具体实施例对本发明进行详细阐述，以下实施例是对本发明的解释，而本发明并不局限于以下实施方式。
34.如图1所示，本实施例提供的一种三维光子桥接路径的设计方法，包括以下步骤：s1：根据芯片上的标识待连接芯片，确定待加工光波导的起始点和终止点；s2：在起始点和终止点周边再各取1个待测量点，确定4个待测量点；具体地，所述的待加工光波导的起始点和终止点横向位置坐标位于芯片上表面，且横向位置远离芯片的边缘端口。
35.具体地，所述的起始点周边取的待测量点，应位于起始点和起始点所处芯片端口之间；所述的终止点周边取的待测量点，应位于终止点和终点所处芯片端口之间。4个待测量点的位置如图2中p1、p2、p3、p4所示。
36.s3：确定每个测量点的三维坐标；具体地，所述的每个测量点的三维坐标统一以加工平台的三维坐标为准。
37.更具体地，针对待连接芯片中纤芯的类别有两种取点方法，一种针对光栅光纤，一种针对单根光纤，具体操作如下：光栅光纤取点方法，如图2中的p1和p2点所示，（1）移动位移台xy轴，将相机中的光标移动到离端口处第二根光栅的中心，用自动找界面程序确定纤芯的z轴位置。
38.（2）将z轴移动到找的位置处，微调xy轴，将光标移动到第二根光栅的中心，再次利用找界面程序确定z轴位置。记录此时的位置坐标p1（x1,y1,z1）。
39.（3）在离光栅端口处的第一跟光栅上重复步骤（1）、（2），记录坐标p2（x2,y2,z2）。
40.单光纤取点方法,如图2中的p3和p4所示,（1）移动位移台xy轴，将相机中的光标移动到光纤短边长的中心位置处，利用自动找界面程序找到纤芯的z轴位置。
41.（2）将z轴移动到程序找的位置处，移动xy轴使光标在靠近光纤的端口位置处，运
行自动找界面程序，确定此时的z轴位置z3；记录坐标p3（x3,y3,z3）。
42.（3）在p3位置处向远离端口的位置移动一端距离，微移xy轴，将光标移动到光纤短边长的中心，运行自动找界面程序，确定当前z轴位置。记录坐标p4（x4,y4,z4）。
43.更具体地，如图3中所示，p1和p2点位于芯片1光波导中的中心连线位置上，p3和p4点位于芯片2中光波导的中心连线位置上。
44.表1 四个测量点的坐标数据 x(mm)y(mm)z(um)p112.0830.873150.2p212.0830.883150.2p312.0920.785161p412.0920.775161s4：根据测量点的三维坐标确定待加工光波导的传输轨迹；图4所示为根据测量点的三维坐标确定的待加工光波导的传输轨迹的xy横截面示意图。图5所示为根据测量点的三维坐标确定的待加工光波导的传输轨迹的三维示意图。
45.具体地，如图5中所示，所述的待加工光波导的传输轨迹满足以下条件：（1）轨迹端面对齐待连接芯片光波导的两端；（2）起始和终止方向与需要连接的芯片中的光波导方向一致；（3）轨迹满足具有低弯曲、路径长度短的最优路径设计，实现低损耗设计。
46.s5：如图6所示，将待加工光波导的三维传输轨迹等间距分成n个节点；具体地，所述的等间距分成n个节点的相邻两点之间的距离需小于加工的最小线宽。
47.s6：根据待连接芯片端口的尺寸大小，规划待加工光波导的xy截面上的加工路径；具体地，如图7所示为芯片端口的尺寸大小，长度为l，高度为h。根据所述的根据待连接芯片端口的尺寸大小，规划待加工光波导的xy截面上的加工路径，如图8所示待加工光波导的xy截面的填充后的数据点，且每个相邻数据点之间的距离需小于加工的最小点尺寸。根据待连接芯片端口的尺寸形状，以之字形填充xy截面。根据待连接芯片端口的尺寸形状，以螺旋式填充xy截面。
48.s7：将xy截面路径映射到三维传输轨迹等间距的n个节点，确定待加工三维光波导数据结构；具体地，如图9所示，所述的xy截面的法线方向与三维传输轨迹在节点处的切线方向相同。如图10所示，设计好待加工的三维光波导结构。
49.s8：根据待加工光波导的三维数据，进行切片处理。
50.所述的切片处理包括：如图11所示，沿待加工光波导的相同层高切片；或如图12所示，沿n个节点xy截面切片。并且，每一层或每一片之间的距离要小于做小加工线宽。
51.本发明所提供的一种三维光子桥接路径设计方法，通过精确测量待连接芯片端口位置处的测量点的三维坐标，设计待加工的光波导三维传输轨迹，充分考虑加工的最小线宽和传输路径的影响，通过优化选取合适的路径和三维形貌确定待加工光波导三维结构。此方法可最大限度的减少光波导设计中的弯曲损耗和传输损耗，为光子桥接技术在硅光芯片耦合集成中的应用提供技术支持
以上公开的仅为本发明的优选实施方式，但本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的没有创造性的变化，以及在不脱离本发明原理前提下所作的若干改进和润饰，都应落在本发明的保护范围内。