形成氣密密封光纖到芯片連接的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實施例涉及用于芯片到芯片及芯片內(nèi)通信的光互連，且具體來說涉及在光纖與基于硅的光子集成芯片之間形成氣密密封連接的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]光傳輸可用作一種用于在單獨集成電路芯片之間(芯片間連接)及在相同芯片上的組件內(nèi)(芯片內(nèi)連接)通信的手段。在經(jīng)由光互連的芯片到芯片通信過程中，電路板上的每個芯片與收發(fā)器光電子芯片連接，且兩個光電子芯片經(jīng)由平面電介質(zhì)波導或光纖連接。同樣地，光波導可用來連接芯片內(nèi)的組件(例如，在集成光源與檢測器之間)。集成光波導為使用平版印刷處理形成在電介質(zhì)襯底上或電介質(zhì)襯底內(nèi)(例如，氧化物涂覆硅襯底)的光路徑。波導可由具有高于芯片襯底的折射率的無機晶體或半導體材料制成以沿波導引導光信號。
[0003]單模光纖到集成光波導的耦合(且反之亦然)為半導體光子學包裝中最昂貴且耗時的制造工藝中的一者。已提出對耦合問題的各種解決方案，包含使用橫向倒置錐形結(jié)構(gòu)或垂直繞射光柵結(jié)構(gòu)。
[0004]另一挑戰(zhàn)為氣密密封連接到光子集成芯片的光纖或?qū)Ь€，因為光子元件的性能可受例如濕氣及污染物等環(huán)境條件的不利影響。因此，芯片中的光子元件的環(huán)境隔絕成為設(shè)計挑戰(zhàn)。圖1A展示通過饋通120連接到光纖110的常規(guī)光子集成芯片包裝100。饋通120在光纖110與芯片包裝100之間提供氣密密封。圖1B展示氣密光纖饋通120的橫截面圖。饋通120包住光纖110的端剝除部分130。光纖110的端剝除部分130被玻璃焊劑140材料(例如，硼酸鉛玻璃)圍繞。玻璃焊劑140堆疊在玻璃套管150與光纖110之間，從而在光纖110與玻璃套管150之間形成基本上無孔隙的結(jié)合。玻璃套管150被玻璃焊劑160材料(例如，硼酸鉛玻璃)包住，玻璃焊劑160材料繼而被外部套管170圍繞。外部套管170是由金屬、金屬合金、陶瓷或玻璃制成。氣密密封光纖I1的端面180親合到光子集成芯片包裝100。
[0005]然而，上文所描述的常規(guī)方法是昂貴的且不支持大量制造。需要一種將光纖氣密密封到光子集成芯片的改進的方法。所述方法需為低成本且在極端周圍條件下提供具有高可靠度的氣密密封連接。此外，所述方法需支持大量制造工藝及低處理溫度。
【附圖說明】
[0006]圖1A及圖1B展示常規(guī)氣密密封光纖到芯片連接；
[0007]圖2為根據(jù)所揭示實施例的光裝置的俯視圖；
[0008]圖3A及圖3B分別為根據(jù)所揭不實施例的光纖的俯視圖及橫截面圖；
[0009]圖3C為根據(jù)所揭不實施例的光纖的另一橫截面圖；
[0010]圖4A及4B分別為根據(jù)所揭示實施例的光子集成芯片的俯視圖及橫截面圖；及
[0011]圖5為根據(jù)所揭示實施例的集成光裝置制造工藝的流程圖。
【具體實施方式】
[0012]在下文詳細描述中，參考附圖，附圖形成所述描述的一部分且其中通過說明方式展示可實踐的具體實施例。應(yīng)了解，貫穿圖式，相同參考數(shù)字表示相同元件。充分詳細地描述這些實施例以使所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠制作及使用所述實施例，且應(yīng)了解，可對所揭示具體實施例作出結(jié)構(gòu)、材料、電學及程序方面的變更，下文僅詳細論述其中的一些變更。
[0013]本文中描述一種制備用于與例如光子集成芯片耦合的光纖的方法。所述方法包含在等離子體中活化光纖的端表面以在光纖的端表面上生成懸鍵，從而懸鍵促進與光子集成芯片的表面的耦合。還描述一種光裝置制造工藝，其包含以下步驟:在生成自含有氧氣、氮氣、氬氣、氫氣或氨氣的氣體種類的等離子體中預(yù)活化至少一光纖的端表面；及將所述至少一光纖的預(yù)活化端表面連接到例如光子集成芯片。所揭示方法可用來制造具有氣密密封光纖到芯片連接的集成光裝置。
[0014]圖2為根據(jù)所揭示實施例的光裝置260的俯視圖。光裝置260具有耦合到光纖組合件300的光子集成芯片200。光裝置260使用光子元件270 (例如波導、光放大器、調(diào)制器、濾波器、光源及檢測器)將多個光子功能集成在光子集成芯片200上。芯片200具有可用來將多個光子元件270 (例如在集成光源與檢測器之間)連接到彼此的光波導230。如圖2中所示，光波導230還可用來將光子元件270連接到光纖組合件300。
[0015]光裝置260具有定位在芯片200的側(cè)表面240上的氣密密封光纖到芯片連接250。自對準機械接口 280用于使用倒置錐形耦合(但可利用其它已知耦合機構(gòu))來幫助引導光纖300到芯片連接250。如圖2中所示，例如，在420a及420b處使定位在芯片200的側(cè)表面240上的自對準機械接口 280斜切以與光纖組合件300的斜切端表面310機械地對準。盡管圖2展示具有斜切接口的光纖到芯片連接250，但應(yīng)了解，光纖到芯片連接250可基于任何適合形狀及配置，只要光纖組合件300可與芯片200上的光波導230對準且耦合到芯片200上的光波導230以用于光通信即可。
[0016]圖3A為光纖組合件300的俯視圖。光纖組合件300可為具有芯220的單模光纖，芯220被具有低于所述芯220的折射率的包層210材料圍繞。在此實施例中，芯220是由硅石及鍺制成，且包層210是由二氧化硅制成。圖3B展示光纖組合件300的橫截面A-A'圖。光纖組合件300的一端具有斜切表面320a、320b。如圖3A中所示，斜切表面320a、320b可具有相對于光纖芯220的中心軸330測得的任何角α，例如45°。如圖3C中所示，斜切表面320a、320b可為環(huán)狀。通常，在與芯片200連接之前，剝離端表面310及斜切表面320a、320b的任何緩沖層及涂層。
[0017]為保證光纖組合件300與芯片200之間的良好密封及粘附，在生成自含有氧氣或氫氣的氣體種類的等離子體中預(yù)活化光纖組合件300的端表面310。當在等離子體中活化二氧化硅包層210 (圖2)及硅芯220 (圖2)時，在光纖組合件300的端表面310上生成懸鍵。硅原子需要四個鍵以使其價電子層完全飽和。在結(jié)晶硅中，每個硅原子鍵結(jié)到四個其它硅原子。然而，在硅芯220的表面處，硅原子可能具有過少鍵以致無法滿足其價電子層。表面220硅原子可鍵結(jié)到僅三個硅原子，留下一個非飽和價鍵(也被稱為懸鍵)。二氧化硅包層210的表面還具有具非飽和價鍵或懸鍵的硅原子。為獲得足夠電子以填充其價，在端表面310上具有懸鍵的硅原子促成與形成在光子集成芯片200的光波導230的側(cè)表面240 (圖2)處的硅原子形成共價鍵。在等離子體中預(yù)活化二氧化硅及硅端表面310以生成懸鍵，因此促進光纖組合件300與光子集成芯片200之間的非常穩(wěn)固鍵結(jié)。可在等離子體中預(yù)活化光纖組合件300的整個端表面310或其一部分。還可在用于預(yù)活化光纖組合件300的端表面310的等離子體中預(yù)活化斜切表面320a、320b。
[0018]含有例如氮氣、氬氣及氨氣的其它適合氣體種類可用來生成等離子體?？墒褂冒幌抻谏勺詺怏w種類的反應(yīng)性離子蝕刻等離子體及微波自由基的任何適合工藝生成等離子體。在使端表面310與光子集成芯片200鍵結(jié)之前，光纖組合件300的端