光子芯片、组装光学零件和所述光子芯片的方法以及从其得到的光子部件与流程

1.本发明的领域是光子领域，更具体地，本发明涉及一种包括联接到至少一个光学零件的集成光子芯片的光子部件。


背景技术：

2.集成光子芯片是基于半导体材料的部件，其通过微电子和微系统领域中通常使用的技术来生产。所述芯片可混合有源光学装置(激光器、调制器、光电检测器等)和无源光学装置(波导、耦合器、滤光器等)所生成的光学功能与传统电子装置所生成的功能。作为例示，光子部件可实现包括发送器-接收器并耦合到电信网络的光纤的集成光子芯片。
3.在图1所示的特定实现方式中，芯片1包括形成在例如由硅制成的基板3中的多个波导2。波导布置在与芯片1的“主”表面平行的平面中，所述平面嵌入在例如由二氧化硅制成的封装层4下方。同样嵌入的光学耦合器5分别布置在波导2的端部。波导2在耦合器5与芯片的各种有源装置(激光器、调制器、光电检测器等)和/或无源装置(滤光器、光学功分器或组合器等)之间分布光学模式。耦合器使得可经由封装层以光束6的形式从/朝着布置在芯片1的主面上的光学输入-输出区z传播在波导2中传播的光学模式。这些区通常在所述面上布置成排或矩阵。
4.为了形成光学部件，可为芯片1配备附加光学零件7、8、9、10，其尤其使得可将芯片1的输入-输出区z耦合到光纤网络7。网络的光纤由块7a(例如，通过形成在所述块中的v形沟槽)保持在使得可将芯片的各个输入-输出区z耦合到网络的光纤7b的布置。这种布置可成排或成矩阵，并且块7a联接到光子芯片以定位光纤7b和光束出射/到达的输入-输出区z以光学上彼此面对。还可提供用于在芯片上组装其它光学零件，例如旨在将输入/输出区z的光束的大小调节为光纤7b的模式大小的透镜块8、用于重新取向光束并方便块7a的组装的棱镜9或者实际上光学隔离器10。这些组合的示例在文献us20190146164中有所描述。
5.通常，在通常由硅制成的半导体晶圆上集体制造光子芯片。另外，一些光学零件在从晶圆切割之前(“芯片到晶圆”型组装)或在切割之后(“芯片到芯片”型组装)分别联接到芯片，通常通过自动部件插入设备(“拾取和放置”)。上面引用的文献指出，通过实现所述两个元件相对于彼此的被动或主动对准，可在光子芯片上布置光纤网络。
6.在被动方法中，分别在芯片上和光纤网络上制作对准标记。这些标记由部件插入设备定位，该设备通过视觉上寻求将它们尽可能好地对准来将光纤网络联接到芯片上。然后，设备使用粘合材料将两个元件固定在一起(例如，环氧胶)。现有技术的插入设备实现大约 /-5微米(有时略小)的组装精度，但是无法实现小于 /-1微米的精度。当意在联接承载模式大小小于或等于10微米的光纤的光纤网络，以便使这些耦合到相同数量级大小的耦合器的输入/输出区时，大约 /-5微米的这种精度是不够的。通常寻求低于模式大小的10％的精度以便确保足够的光学耦合，因此小于 /-1微米。
7.主动对准方法使得可克服光纤网络的这一对准精度问题。根据此方法，芯片的至
少一个输入区和至少一个输出区通过波导互连，波导的端部配备有分别与输入区和输出区关联的耦合器。因此可使辐射从光学输入区朝着光学输出区传播。光子芯片的所述“对准”输入-输出区是专用的，以允许光纤化光学零件(例如光纤网络)的高精度组装。它们通常在芯片的正常操作中没有其它用途。因此，为了组装光纤网络，所述网络的意在与芯片的对准输入区光学耦合的一个光纤连接到芯片外部的光源。类似地，要组装的光纤网络的一个光纤(该光纤意在与光子芯片的对准输出区光学耦合)连接到光学功率计。光源和功率计可形成插入设备的一部分。所述设备操纵光纤网络以寻找其相对于芯片的相对位置，该位置使得可使功率计所测量的光功率最大化，同时光源提供特定的固定功率，所述最优位置将对准输入-输出区放置为面向分别连接到插入设备的光源和功率计的光纤。使用此设备，可确保两个元件的定位至 /-0.1微米。
8.此方法要求光学零件与光子芯片对准，以“光纤化”，即，预先对准并联接到光纤网络。在相反情况下，需要退回到精度有限的被动方法。
9.文献us 2016/334590和us 6 654523涉及光纤与光学部件的对准。
10.发明目的
11.本发明的主要目的是提出一种克服这种限制的组装方法。更具体地，该方法旨在允许在光子芯片上精确地组装光学零件，光学零件未必被光纤化。本发明的另一目的是提出一种光子芯片，该光子芯片被设计为允许实现所述组装方法以便制备光子部件，该光子部件的不同元件以非常高的准确度相互对准。
12.发明的简要描述
13.为了实现主要目的，本发明的主题提出了一种用于将光学零件和光子芯片联接的方法，光学零件包括与布置在光子芯片的“主”面上的多个输入-输出区对准的多个光学路径，该组装方法包括以下步骤：
[0014]-提供光子芯片，该光子芯片包括至少一个光源、至少一个光电检测器以及多个输入-输出区中与光源和芯片的光电检测器光学关联的至少一个对准输入-输出区；
[0015]-在从多个光学路径中选择的至少一个“对准”路径上提供配备有反射器的光学零件，对准路径意在与光子芯片的对准输入-输出区对应；
[0016]-启用光子芯片的光源以在对准输入-输出区的区域中生成对准光束，并且测量光子芯片的光电检测器所提供的信号；
[0017]-通过利用光电检测器所提供的信号的测量来主动地使光子芯片和光学零件相对于彼此对准。
[0018]
根据本发明的其它有利和非限制性特征，单独或以任何技术上可能的组合采用：
[0019]-光子芯片包括分别连接到光源和光电检测器的供给焊盘和测量焊盘，并且该方法包括旨在接触供给焊盘以启用光源，并且旨在接触测量焊盘以测量光子芯片的光电检测器所提供的信号的步骤；
[0020]-光学零件选自由以下零件形成的列表：透镜块、光纤网络、法拉第偏振旋转器、棱镜、隔离器、所述光学零件中的至少两个的组件；
[0021]-反射器是沉积在光学零件上的反射材料层；
[0022]-法拉第偏振旋转器布置在光子芯片和反射器之间的对准光束的光路中；
[0023]-光源和光电检测器经由至少一个波导和布置在波导的端部的光学耦合器与对准
输入-输出区光学关联。
[0024]
根据另一方面，本发明的主题提出了一种包括布置在“主”面上的多个输入-输出区的光子芯片，该光子芯片包括光源、光电检测器以及多个输入-输出区中与光源和芯片的光电检测器光学关联的至少一个对准输入-输出区。
[0025]
根据本发明的其它有利和非限制性特征，单独或以任何技术上可能的组合采用：
[0026]-光源和光电检测器经由至少一个波导和布置在波导的端部的光学耦合器与对准输入-输出区光学关联；
[0027]-波导是功分器；
[0028]-光学耦合器是偏振分离表面光学耦合器，并且芯片包括在光源和光学耦合器之间的第一波导以及与第一波导分离的在光电检测器和光学耦合器之间的第二波导；
[0029]-光子芯片包括在光源和第一光学耦合器之间的第一波导以及与第一波导分离的在光电检测器和第二光学耦合器之间的第二波导；
[0030]-光子芯片包括用于启用光源的供电焊盘以及用于传送光电检测器所提供的信号的测量焊盘；
[0031]-光子芯片包括多个对准输入-输出区；
[0032]-主表面对应于芯片的切片；
[0033]-光源单片集成。
[0034]
根据另一方面，本发明提出了一种光子部件，该光子部件包括如上提出的光子芯片以及包括多个光学路径中的光学对准路径的至少一个光学零件，光学零件联接到光子芯片的主表面，使得光学对准路径被布置成与芯片的对准输入-输出区光学对应。
[0035]
根据本发明的这一方面的其它有利和非限制性特征，单独或以任何技术上可能的组合采用：
[0036]-光学零件配备有布置在对准路径上的反射器；
[0037]-光学零件选自由以下各项形成的列表：透镜块、光纤网络、偏振旋转器、棱镜、隔离器、所述光学零件中的至少两个的组件；
[0038]-光学零件是包括法拉第旋转器和透镜块的组件；
[0039]-芯片被设计为在对准输入-输出区的区域中生成具有指定模式大小的光束，并且光学零件以小于或等于指定模式大小的10％的精度联接到光子芯片。
附图说明
[0040]
本发明的其它特征和优点将从以下参照附图对本发明的详细描述变得清楚，附图中：
[0041]-图1示出现有技术的光子芯片；
[0042]-图2是根据本发明的光子芯片的主面的示意图；
[0043]-图3a至图3c示出根据本发明的光子芯片的其它配置；
[0044]-图4示出可按照根据本发明的组装方法联接到光子芯片的光学零件；
[0045]-图5示出根据本发明的光子芯片的替代架构；
[0046]-图6示意性地示出实现图5的替代架构的组装方法；
[0047]-图7和图8示意性地示出其它实施方式。
具体实施方式
[0048]
光子芯片
[0049]
参照图2，光子芯片1通过本领域的传统技术在材料晶圆(例如硅基晶圆)上集体地制造。光子芯片1包含有源装置，例如激光器、解调器、与诸如波导的无源装置关联的光电检测器、允许芯片1完全功能化的光学耦合器。如本技术的引言部分中所阐述的，这些装置彼此光学连接并且朝着布置在芯片1的表面1a(在本技术的其余部分中称为“主表面”)上的输入-输出区z。不需要所有这些元件均单片集成到芯片1中，它们中的一些(特别是光源)可连接到光子芯片并耦合到所述芯片的其它元件，如将关于图8的描述例示的。一般而言，“光子芯片”表示由这些连接的光学元件(特别是光源或光电检测器)可选地补充，使得其至少部分地功能化的芯片1。
[0050]
输入-输出区对应于芯片1的主表面1a的如下部分，即，在该部分的区域中出射或注入光束。主表面1a可以是芯片1的布置有电互连焊盘c的上表面(如图2所示)或芯片1的切片。在图2中出于清晰原因，该图未示出芯片1的所有功能装置，并且该图仅示意性地示出芯片1的对于本发明的清楚理解而言必要或有用的元件。
[0051]
在这种情况下，所有输入-输出区z(在此描述的其余部分中更简单地称为“e/s区”)布置成排并且包括对准e/s区zc。光子芯片1包括嵌入在封装层下方的光源l和光电检测器pd，其与对准e/s区zc光学关联。为此，波导gw(在所示的示例中为1至2功分器)也布置在嵌入平面中，以将光源l和光电检测器pd连接到表面光学耦合器gc(在这种情况下垂直于对准e/s区zc布置)。
[0052]
所述耦合器gc允许源自光源l的辐射以光束的形式穿过封装层并朝着对准e/s区zc传播。反之亦然，耦合器gc允许投射在对准e/s区zc上的入射光束耦合到光电检测器pd。在图2的示例中，波导gw为分光器的形式，其第一端与光学耦合器gc关联，两个第二端分别与光源l和光电检测器pd关联。在此配置中，光源l所发射的光辐射因此在波导gw中传播，然后穿过封装层并朝着对准e/s区zc传播。相反，投射在对准e/s区的区域中的入射光束经由光栅耦合器gc耦合到波导gw，并且辐射在波导gw中朝着光源l和朝着光电检测器pd传播。通常，与对准e/s区zc光学关联的所有元件组合形成对准回路。
[0053]
继续图2的描述，作为例示，光子芯片1还包括多个电连接焊盘c(在此图中，五个连接焊盘)。焊盘c与芯片1的主表面1a齐平，这使得可例如经由布线线缆将所述芯片1电连接到光子部件的其它元件。连接焊盘c通过嵌入在芯片的有源装置中的通孔和导电轨道来连接，以便例如向它们供应电力或在光子芯片具有这些发射/接收功能的情况下提供/接收要光学调制/解调的电信号。在本描述的上下文中，连接焊盘c包括至少一个第一焊盘ca(称为供给焊盘)，其使得可向光源l供应电力并启用它，使得它实际发射注入波导gw中的光辐射。芯片1还包括至少一个第二连接焊盘(称为测量焊盘cm)，其使得可将光电检测器pd所建立的电信号传送至芯片1的主表面1a。所述信号代表源自光学耦合器gc的在波导gw中传播的辐射的功率。
[0054]
在所示的示例中，光子芯片1设置有与光源l和光电检测器pd光学关联的单个对准e/s区zc。然而，有利地，可提供具有至少两个对准e/s区zc的芯片1，各个区zc与光源l和光电检测器pd关联，其原因在本描述的其余部分中将变得显而易见。因此，图3a示意性地示出包括多个e/s区z的光子芯片1，这些e/s区z在所述芯片1的主面1a上布置成一排。两个对准
e/s区zc分别形成这一排的端部e/s区，并且所述两个区中的每一个与光源l和光电检测器pd关联。要注意，在图3a的替代布置中，单个光源l可生成光辐射，该光辐射例如经由功分器被朝着多个对准e/s区zc引导。芯片1包括使得可向光源l或两个光源l供电并激活它们的供给焊盘ca以及使得可传送组合两个光电检测器pd所提供的信号的电信号的测量焊盘cm。当然可以想到其它配置，据此，各个光源l由专用供给焊盘ca供应，和/或各个光电检测器将其检测到的信号传送至同样专用的测量焊盘cm。
[0055]
图3b示出包括多个对准e/s区zc的另一配置。在此配置中，e/s区z在芯片1的主表面1a上布置成矩阵，并且在这种情况下对准e/s区zc在所述矩阵中彼此对角相对。
[0056]
通常，当提供多个对准e/s区zc时，尝试将这些区彼此分离。它们因此不按彼此并置的方式布置在主表面上
[0057]
图3c是输入-输出区z布置在芯片1的切片上的配置的主面1a的横截面和视图，所述切片因此形成所述芯片的主表面1a。在这种情况下，电连接焊盘c通常布置在芯片1的与主表面1a不同的上表面上。当然，此配置包括光源l、光电检测器pd(图中不可见)、波导gw和耦合器gc，使得可使在波导gw中传播的光学模式以光束f的形式从/朝着对准输入-输出区zc传播。在此配置中，也可提供多个对准输入-输出区zc。
[0058]
要注意，为了允许实现下面描述的组装方法，可规定将芯片1预先联接到基座，并且通过布线将电连接焊盘c连接到所述基座的对应焊盘。
[0059]
组装方法
[0060]
现在阐述用于组装光学零件和刚刚描述的芯片1的方法。所述组装方法形成用于制造受益于刚刚描述的对准e/s区和集成在芯片1中的对准回路的光子部件的方法的一部分。
[0061]
作为示例，光学零件是透镜块lb，即，承载至少一个透镜的块，如图4中的平面图和横截面中示意性地示出的(透镜块的透镜可彼此不同或相同)。所述零件lb包括多个路径(在这种情况下穿过块lb的各个透镜le)，这些路径意在在组装方法期间与光子芯片1的多个e/s区z光学对应。因此，至少一个对准路径出现，这里由对准透镜lec限定，意在与芯片1的对准e/s区zc光学对应。要注意，不需要光子芯片的各个e/s区与光学零件的不同路径对应。特别是，可规定多个e/s区全部投射在光学零件(例如，块lb的大透镜)的单个路径中。
[0062]
因此，使“光学对应”意指光学零件的光学路径与光子芯片1的e/s区对准，使得传播通过组件的光束经历尽可能减少的光学损失。优选地，寻求比意在在路径中传播的光束的大小模式大小的10％更好的对准。
[0063]
为了允许这一点，根据本发明，对准透镜(在提供多个对准透镜的情况下，各个对准透镜)可被设计成反射光源l可发射的光辐射。在这方面，所讨论的对准透镜的反射系数可大于0.1％，有利地大于1％，甚至更有利地大于5％。
[0064]
根据另一替代，可规定对准路径(在提供多个路径的情况下，各个对准路径)配备有由反射光源l所发射的辐射的波长的材料制成的反射器r。在图4的透镜块lb上，反射器r由直接布置在路径的对准透镜lec上并与其接触的金属层形成。
[0065]
所述光学零件lb的组装通过使用对准回路主动对准光子芯片1来实现，例如使用来自现有技术的插入设备，通过启用光子芯片1的光源l以生成传播并在对准透镜的一个面上反射的对准光束，并且测量所述芯片1的光电检测器pd所提供的信号。
[0066]
在组装方法的初步步骤中，插入设备或连接到所述插入设备的补充设备将测量探针的导电尖端定位在芯片1的连接焊盘c上，特别是供给焊盘ca和测量焊盘cm上。该设备被设计成经由形成在所述焊盘ca、cm上的触点向光源l提供供给能量，并且在测量焊盘cm上收集光电检测器pd所传送的电信号。在随后的主动对准步骤期间以连续方式提供供电并收集测量。
[0067]
在所述随后的对准步骤期间，插入设备将光学零件lb相对于芯片“粗略”定位在旨在使光学零件的多个路径与芯片1的多个e/s区z对应的组装位置。所述粗略组装可由形成在芯片1上和/或光学零件上的对准标记辅助，如在本技术的引言中所描述的。
[0068]
光源l所发射的辐射在波导gw中朝着光学耦合器gc传播并在对准e/s区zc的区域中从芯片1出射。一部分所述出射光束在光学零件的对准路径中传播。由于对准是粗略和不完美的，所以芯片1和光学零件之间的耦合也如此，因此仅一部分出射光束实际在对准路径中传播。所述部分被对准透镜(或被布置在透镜上的反射器，如果考虑这一点的话)反射并在对准e/s区zc的区域中重新注入(也是部分地)到光子芯片1中，以便耦合到波导gw。一部分耦合的辐射被朝着光电检测器pd引导，并且所述装置所接收的光学功率形成传送至测量焊盘cm的测量信号。将理解，对准e/s区zc和对准路径之间的对准越精确，朝着光电检测器pd反射的功率越大。所述装置所提供的电信号因此代表两个元件的对准质量。还将理解，为了确保光学零件相对于芯片1的精确定位，有利的是在芯片1中具有多个对准路径和多个对准回路，以便能够考虑平移和旋转中的对准间隙。
[0069]
在所有情况下，插入设备可利用光电检测器pd所提供的信号进行两个元件相对于彼此的精确主动对准。为了实现这一点，设备最终在由芯片1的主表面限定的平面中根据各种方向的平移中以及在绕垂直于主表面1a的轴线的旋转中使光学零件(和/或芯片1)移位，同时观察由光电检测器pd提供并在测量焊盘cm上收集的信号的发展。光学零件在光子芯片1上的固定位置是使所述信号的值最大化的位置。一旦所述位置确定，就可例如使用本身熟知的环氧胶将光学零件牢固地固定到芯片1。
[0070]
在此步骤结束时(如果多个光学零件必须联接到光子芯片1，则可以可选地重复)，实现包括光子芯片1和光学零件(在所描述的示例中，透镜块lb)的光子部件，光学零件联接到光子芯片1的主表面1a，使得光学对准路径被布置成与芯片1的对准e/s区zc光学对应。这当然导致光学零件的所有光学路径与芯片的e/s区z对应。这种对应的质量可通过在芯片1中提供多个对准回路并且光学零件包括上面提及那么多的配备有其反射器的对准路径来改进。因此可在对准e/s区zc的区域中实现远小于光源l所生成的光束的模式大小的10％的对准精度。
[0071]
刚刚阐述的方法决不限于作为示例所使用的透镜块lb的组装。其可应用于要联接到光子芯片1以便完成并形成功能性光子部件的任何光学零件。除了透镜块之外，其尤其可以是光纤网络、法拉第偏振旋转器、棱镜、隔离器、偏振器。其可以是预先彼此联接的多个所述光学零件。将注意，这些零件中的一些(插头、旋转器等)不需要相对于芯片1或其它光学零件的精确对准，在这种情况下所述零件的组装可在不使用芯片1的对准回路的情况下实现(例如，通过被动组装)。通常，根据本发明的组装方法可混合多种组装方法，一些光学零件可在不利用对准回路的情况下联接到芯片1。
[0072]
在利用芯片1的对准回路可取的所有情况下，将提供以考虑能够部分地反射光源l
所发射的光辐射的对准透镜。替代地，并且如本公开上面所描述的，可规定反射器r布置在光学零件的对准路径上，以便能够实现刚刚所阐述的组装方法。在光纤网络的情况下，代替这种光纤或者通过在其中放置在端部包括反射器的光纤，反射器r可例如布置在保持光纤的块的v形沟槽中。
[0073]
要注意，这种组装方法决不像现有技术的主动组装方法一样限于光纤化光学零件，这非常有利。
[0074]
当多个光学零件要联接到同一芯片1上时，可提供多个对准回路以便使得可为各个所述零件连续地实现组装方法，每个对准回路专用于一个零件的组装。当对准透镜被设计成反射时或者当反射器直接形成在要联接的零件上并在光学零件固定到芯片上之后不被去除时，尤其如此。
[0075]
当考虑反射器时，可以想到这并非以确定的方式形成在光学零件上。因此当所述零件是透镜块lb时，可在零件上布置反射性膏剂(paste)以成形为所述零件(例如，对准路径的透镜lbc的形状)。在组装方法结束时，可从光学零件消除该膏剂。在这种情况下，可重用相同的对准回路以便连续地对准多个光学零件。
[0076]
参照图5和图6，现在阐述包括图2中所提出的架构的替代架构的光子芯片1，在这种情况下朝着光源l反射的光辐射f的光子芯片在一些情况下可能影响其功能化。为了避免这一点，可选择通过在偏振分离表面光学耦合器gc2的区域中相遇的两个单独的波导gw1、gw2将对准e/s区zc与光源l和光电检测器pd关联。在此替代架构中，第一波导gw1将光电检测器pd与耦合器gc2光学关联，与第一波导gw1分离的第二波导gw2将光源l与所述耦合器gc2关联。后者使得可选择性地在两个波导gw1和gw2与对准e/s区zc之间传播光辐射。这种类型的2d光栅耦合器尤其在taillaert,dirk等人的出版物“a compact two-dimensional grating coupler used as a polarization splitter”(ieee photonics technology letters15.9(2003):1249)中有所描述。其由两个1d耦合器光栅的叠加构成，并且投射到所述耦合器上的辐射的各个正交偏振被朝着单独的波导gw1、gw2引导。当组装方法利用芯片1的这种配置时，为了允许对准透镜所反射的辐射实际耦合到与光电检测器关联的波导中，规定法拉第偏振旋转器fr被插入到对准光束的光路中，如图6所示。源自光源l的光处于第一偏振te，它通过旋转器转动45
°
，在组装期间被光学零件的对准透镜反射，然后在其返回路径上再次转动以便具有垂直于第一偏振te的第二偏振tm。以第二偏振tm反射的光通过偏振分离表面光学耦合器gc2被朝着光电检测器pd引导。在切片式耦合的情况下，所述切片然后形成主表面1a，可提供分束器以便允许以第二偏振反射的光朝着光电检测器pd重定向。
[0077]
图7和图8是示出其它实施方式的示意图。在图7的实施方式中，在第一波导gw1的端部的第一耦合器gca将源自单片集成到芯片1中的光源l的模式经由光束f朝着e/s区引导。所述光束f相对于这些区z具有非零入射角，即，其根据不垂直于主平面1a的方向投射到所述区上。与第一耦合器gca分离的第二耦合器gcb提供用于收集反射光束f’并使其在与光电检测器pd关联的第二波导gw2中传播。所述图7还示出布置在主表面1a上的透镜块lb，面向e/s区。
[0078]
图8提出了与图7相似的配置，其中光子芯片1包括未单片集成的光源l。因此，光子芯片由包括光源的第一芯片1’形成，该光源联接到包括其它光学元件的第二芯片1”，如参照图7描述的。
[0079]
当然，本发明不限于所描述的实施方式，在不延伸超过权利要求所限定的本发明的范围的情况下，可添加变型。