激光器系统封装

阅读:1030发布:2020-05-12

专利汇可以提供激光器系统封装专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且以不同方式将 光子 芯片与一个或多个互补金属 氧 化物 半导体 芯片一起封装,所述光子芯片包括可调谐 激光器 、发射体和其他光学部件,诸如 波导 、 波长 带组合器以及波长 锁 定器。将所述互补金属氧化物 半导体芯片 布置在所述光子芯片的侧面或底部上。穿Si通孔或接合线提供所述光子芯片与所述 互补金属氧化物半导体 芯片之间的电 接触 。,下面是激光器系统封装专利的具体信息内容。

1.一种结构,所述结构包括:
光子芯片,所述光子芯片包括在所述光子芯片的顶面的四个横向区中的至少两者上的多个激光器、在所述顶面的中央区中的多个发射体以及在所述顶面上的多个波导,所述多个波导将所述多个激光器连接到所述多个发射体;
至少两个互补金属化物半导体(CMOS)芯片,每个CMOS芯片布置在所述光子芯片的不同侧上;以及
接合线,所述接合线将所述至少两个CMOS芯片连接到所述光子芯片。
2.如权利要求1所述的结构,其中所述至少两个CMOS芯片包括四个CMOS芯片。
3.如权利要求2所述的结构,其中所述四个CMOS芯片包括所述光子芯片的每侧各一个CMOS芯片。
4.如权利要求1至3中任一项所述的结构,其中所述多个激光器中的每一者是可调谐的。
5.如权利要求4所述的结构,其中所述多个激光器中的每一者包括激光器阵列。
6.如权利要求5所述的结构,其中每个激光器阵列包括至少五个离散的激光器。
7.如权利要求1至6中任一项所述的结构,其中所述多个激光器包括八个激光器。
8.如权利要求7所述的结构,其中所述八个激光器按每横向侧各两个激光器定位于所述光子芯片上。
9.一种结构,所述结构包括:
光子(Si)芯片,所述光子Si芯片包括在所述光子Si芯片的顶面的四个横向区中的至少两者上的多个激光器、在所述顶面的中央区中的多个发射体以及在所述顶面上的多个波导,所述多个波导将所述多个激光器连接到所述多个发射体;
互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片,所述CMOS芯片在所述光子Si芯片的底面上;以及穿Si通孔,所述穿Si通孔将所述CMOS芯片连接到所述光子Si芯片。
10.一种方法,所述方法包括:
提供光子芯片;
在所述光子芯片的顶面的四个横向区中的至少两者上制作多个激光器、在所述顶面的中央区中制作多个发射体以及在所述顶面上制作多个波导,所述多个波导将所述多个激光器连接到所述多个发射体;
提供至少两个互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片;
将每个CMOS芯片布置在所述光子芯片的不同侧上;以及
通过接合线将所述至少两个CMOS芯片连接到所述光子芯片。
11.如权利要求10所述的方法,其中所述至少两个CMOS芯片包括四个CMOS芯片。
12.如权利要求11所述的方法,其中所述四个CMOS芯片包括所述光子芯片的每侧各一个CMOS芯片。
13.如权利要求10至12中任一项所述的方法,其中所述多个激光器中的每一者是可调谐的。
14.如权利要求13所述的方法,其中所述多个激光器中的每一者包括激光器阵列。
15.如权利要求14所述的方法,其中每个激光器阵列包括至少五个离散的激光器。
16.如权利要求10至15中任一项所述的方法,其中所述多个激光器包括八个激光器。
17.如权利要求16所述的方法,其中所述八个激光器按每横向侧各两个激光器定位于所述光子芯片上。
18.一种方法,所述方法包括:
提供光子Si芯片;
在所述光子Si芯片的顶面的四个横向区中的至少两者上制作多个激光器、在所述顶面的中央区中制作多个发射体以及在所述顶面上制作多个波导,所述多个波导将所述多个激光器连接到所述多个发射体;
在所述光子Si芯片中制作穿Si通孔;
提供互补金属氧化物半导体(CMOS)芯片;
将所述CMOS芯片接合在所述光子Si芯片的底面上;以及
通过所述穿Si通孔中的电导体将所述光子Si芯片连接到所述CMOS芯片。

说明书全文

激光器系统封装

[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请要求2017年8月18日提交的美国临时专利申请No.62547403的优先权,所述申请的公开内容通过引用整体并入本文中。

技术领域

[0003] 本公开涉及用于光子系统的封装。更明确地说,本公开涉及多激光器系统封装。附图说明
[0004] 并入本说明书中并构成本说明书的一部分的附图示出本公开的一个或多个实施方案,并且与对示例性实施方案的描述一起用于阐释本公开的原理和实现方式。
[0005] 图1和图2示出光子芯片和CMOS电子芯片的不同配置。
[0006] 图3示出图1至图2的光子芯片的俯视图。

具体实施方式

[0007] 本公开描述了用于封装激光器系统的方法,所述激光器系统包括具有控制电路的多个激光器和光子部件。举例来说,可以在光子芯片上制作光子电路,并且所述光子电路包括多个激光器、波导和其他部件,诸如,例如,开关波长定器以及发射体。举例来说,光子芯片可以由Si制成。可以在一个或多个互补金属化物半导体(CMOS)芯片上制作控制电路。可以用不同的方式将CMOS芯片与光子芯片一起封装。本公开描述一些封装方法以及其优点。
[0008] 在图1的实施方案中,描述第一封装布置。光子芯片(120)可以包括多个激光器,例如可调谐激光器(125)。在一些实施方案中,所述激光器可以对称地设置于光子芯片区域中。举例来说,图1示出在矩形芯片顶面区域的每一侧(横向,所有四个方向)各包括两个激光器的示例性布置(总共八个激光器)。激光器之间的间距或距离可以根据应用要求而改变。举例来说,间距可以增加或减小。通过减小间距,可以将更多激光器插入于所述芯片上,但代价是(例如)相邻激光器之间的热耦合增加,这可能会不利地影响性能。一些应用可能相对地不受温度变化影响。因此,在一些应用中,光子芯片可以包括热控制,而在其他应用中热控制不是必需的。间距和激光器密度决定了激光器之间的热隔离和电气隔离。在一些实施方案中,激光器之间的间距可以是大约数微米。在一些实施方案中,在所述芯片中可以包括少于八个激光器。举例来说,在图1中,由于对所述芯片的空间或功率要求,可能会缺少所述八个激光器中的一者或多者。在一些实施方案中,每个激光器都是可调谐的。在一些实施方案中,每个“激光器”实际上是激光器阵列(即,激光器条)。在一些实施方案中,在光子芯片上可以包括八个以上激光器条,其中每个条具有五个以上的离散激光器(126)。
[0009] 可调谐激光器的使用允许减少需要用于提供应用所要求的特定波长带的激光器的数目。举例来说,本公开中描述的封装布置可以用于LiDAR系统、激光光谱系统(例如,生物传感器)或包括多个激光器的其他类型的系统,所述多个激光器使用光子集成电路并且具有共同发射体区域或发射体阵列系统。
[0010] 光子集成电路是包括建置到所述电路中的光子功能的装置。这可以(例如)由铌酸锂、二氧化硅、绝缘体上硅、聚合物和/或半导体(诸如GaAs(砷化镓)和InP(磷化铟))建置。
[0011] LiDAR(基于激光器的雷达)是通过使用测量激光离开表面的反射的手段来对区域进行勘测或成像的方法。
[0012] 光谱学是通过测量反射离开物体或透射穿过物体的光的光谱来确定物体的特性的方法。激光光谱学使用一个或多个激光器来照射目标物体以进行光谱分析。
[0013] 如本领域的普通技术人员所知,常规的布置是在光子芯片的一侧上具有激光器,而发射体是在相对侧上。相比之下,图1的布置将激光器(125)布置在光子芯片的所有侧上并且将发射体(110)放置于中间。激光器(125)通过所述光子芯片的光子电路将光子提供到发射体,并且发射体(110)从芯片(120)的顶面的平面向外发射。虽然在图1中发射体(110)和激光器(125)被示出为与芯片(120)不在同一平面中,但是此描述只是用于强调,并且在现实中,发射体与激光器都可以在光子晶圆的顶面中制作。在一些实施方案中,所述晶圆可以是绝缘体上硅(SOI)晶圆。通过多个波导(105)将可调谐激光器连接到发射体。额外的光子部件(128)还可包括波长锁定器、波长带组合器和开关。
[0014] 通过将激光器布置在光子芯片(120)的所有侧上,现在可以将一个或多个CMOS芯片(115)放置于光子芯片(120)的横向侧中的一者或多者上。举例来说,可以每横向侧放置一个CMOS芯片,或者同一个横向侧上可以放置更多的CMOS芯片,或者一些横向侧可以具有CMOS芯片。以此方式,较宽的区域可用于将CMOS控制电路连接到芯片(120)。CMOS电路可以用于控制不同的光子部件,诸如激光器、开关、波长锁定器和组合器。在图1的实例中,围绕光子芯片布置四个CMOS芯片,所述光子芯片的四个侧中的每一者上各一个。在一些实施方案中,通过打线接合(130)将CMOS芯片连接到光子芯片上的相关部件。可选地,可以通过层叠封装式封装将芯片(120)连接到CMOS芯片(115),其中CMOS芯片连接到光子芯片上方而非连接到侧面,条件是所述CMOS芯片不会阻碍到发射体(110)。
[0015] 在一些实施方案中,光子芯片(120)可以具有约1cm×1cm的横向尺寸。CMOS电路将通常具有等于或小于光子芯片的横向尺寸的横向尺寸,以便能够围绕光子芯片布置高达4个CMOS芯片。举例来说,每个CMOS芯片可以具有几毫米乘几毫米的横向尺寸。在一些实施方案中,接合线具有允许1Gb/s数据速率传送或更少数据速率传送的长度。在一些实施方案中,CMOS芯片并未在物理上接触光子芯片的边缘而是在之间具有小间隙。激光器裸片通常具有支持多个通道的几mm乘几mm的占地面积。硅光子裸片取决于电路的复杂性也可能会占据几mm乘几mm的占地面积,例如,10mm2。
[0016] 图2示出CMOS芯片放置于光子芯片的底部上而非放置于侧面或采取层叠封装的实施方案。在图2中,CMOS芯片(225)与光子芯片(220)的底面接触。举例来说,所述两个芯片可以相互接合或以其他方式附接。代替与图1中一样使用接合线,图2的配置可以使用“穿硅(Si)通孔”(TSV)来将CMOS控制电路连接到Si芯片上的光子部组件。TSV(215)的使用对于需要大量电互连的某些应用可能是有利的。
[0017] 在一些实施方案中,图1的配置可以用于具有较高或较低功率要求的应用,而图2的配置可以用于具有低功率要求的应用。举例来说,每个激光器产生1-10mW的功率。较低功率要求与激光器之间的减小的热耦合相关联。由于热能产生减少,因此可能不需要主动温度控制。通常,温度控制系统放置于图1的光子芯片的底面上。对于图2的实施方案,底面被CMOS芯片占据,如果系统不需要附接到光子芯片的底面的主动热控制系统,那么使这种配置成为可能。
[0018] 在图2中,与图1类似,可能存在其他光子部件。举例来说,激光器(230)、波导(205)和发射体(210)可以与图1中类似地布置。为清楚起见,图2中的TSV(215)被示出为在单个位置,以避免掩盖所述图示。然而,此类TSV可以放置于多个位置。举例来说,每个激光器可以具有相邻的TSV以连接到CMOS电路。
[0019] 在一些实施方案中,图2中的光子芯片和CMOS芯片具有类似或相等的面积。举例来说,可以在单个晶圆上制作多个系统。匹配的面积对于晶圆级接合可能是有利的,因为这允许接合具有相同尺寸的晶圆。在所述接合之后可以进行对单独系统的切割。
[0020] 图3示出图1或图2的光子芯片的俯视图。举例来说,所述光子芯片可以包括:第一区域(305),所述激光器位于所述第一区域中;第二区域(315),所述发射体位于所述第二区域中;以及所述第一区域与所述第二区域之间的第三区域(310),其他光子部件(诸如波导、组合器、开关和锁定器)位于所述第三区域中。
[0021] 在一些实施方案中,TSV填充有电导体,诸如,例如,。在一些实施方案中,首先在Si芯片中加工出所述通孔,并且随后用电导体填充所述通孔。可以在CMOS芯片中的与所述通孔对应的位置制作隆起衬垫。以此方式,当CMOS芯片接合至Si芯片时,CMOS芯片中的电衬垫与Si芯片中的TSV进行电接触。
[0022] 可以使用本文中描述的封装(例如)来封装光学相控阵列,所述光学相控阵列包括多个发射体、激光器和其他光学部件。发射体通常在通过其他光学部件处理之后发出电磁辐射。所述辐射是源自封装在所述系统中的一个或多个激光器。
[0023] 光学部件是光子部件,并且不一定要在可见光谱中操作。举例来说,激光器可以是IR(红外)激光器。
[0024] 图1示出芯片的矩形形状,但基于性能优势,可以使用其他几何形状,例如,为了实现更好的热隔离而添加沟槽。
[0025] 已描述了本公开的许多实施方案。然而,将理解,在不脱离本公开的精神和范围的情况下,可以进行各种修改。因此,其他实施方案属于以下权利要求的范围内。
[0026] 上文陈述的实例作为如何制作和使用本公开的实施方案的完整公开和描述被提供给本领域的普通技术人员,并且不意欲限制被发明人视为其公开的事物的范围。
[0027] 本领域的技术人员明显看出的对用于实施本文中公开的方法和系统的上述模式的修改意欲属于以下权利要求的范围内。在本说明书中提到的所有专利和公布指示本公开所属领域的技术人员的技术平。在本公开中引用的所有参考文献以引用方式并入,如同每个参考文献单独地以引用方式整体地并入。
[0028] 将理解,本公开不限于特定的方法或系统,所述方法或系统当然可以改变。还应理解,本文中使用的术语仅用于描述特定实施方案并且不意欲为限制性的。如本说明书以及所附权利要求书中所使用,除非内容明确地另有指示,否则单数形式“一”、“一个”和“所述”包括复数指代物。除非内容明确地另有指示,否则术语“复数”包括两个或更多个指代物。除非另外限定,否则本文中所使用的所有科技术语具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的意义相同的意义。
[0029] 在下文列出的参考文献中示出的、本申请中的参考文献以引用方式整体并入本文中。
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