本發明涉及(ji)光電集成模(mo)塊(kuai)和(he)(he)(he)光通信，具體地，涉及(ji)3d光電芯(xin)(xin)粒集成的(de)光通信模(mo)塊(kuai)。尤其是，通過激光器(qi)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)、電芯(xin)(xin)片(pian)(pian)、無源(yuan)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)、有源(yuan)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)的(de)多芯(xin)(xin)片(pian)(pian)3d芯(xin)(xin)粒集成，實(shi)現有源(yuan)和(he)(he)(he)無源(yuan)芯(xin)(xin)片(pian)(pian)的(de)優化解(jie)耦封裝，實(shi)現高密度、低損耗、高可靠性和(he)(he)(he)低成本的(de)光電集成模(mo)組和(he)(he)(he)光通信裝置。

背景技術：

1、光(guang)通信(xin)技術(shu)通過(guo)(guo)將光(guang)信(xin)號加載在光(guang)載波上實(shi)現高速數(shu)據傳輸。在數(shu)據中(zhong)心(xin)、高性(xing)(xing)能計算、電信(xin)機(ji)房、5g基(ji)(ji)(ji)(ji)站等場景，光(guang)通信(xin)收發(fa)端(duan)通過(guo)(guo)光(guang)電芯(xin)片的(de)集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)封(feng)裝(zhuang)得到光(guang)模塊，光(guang)模塊內部的(de)核心(xin)組件(jian)包括激(ji)光(guang)器(qi)、探測器(qi)、調制器(qi)、復用(yong)器(qi)等有源無源器(qi)件(jian)和光(guang)電芯(xin)片，多芯(xin)片的(de)低功(gong)耗(hao)、高密度、寬帶、高可靠性(xing)(xing)、低成(cheng)(cheng)(cheng)本光(guang)電集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)封(feng)裝(zhuang)方法有助于提升光(guang)模塊性(xing)(xing)能。光(guang)電集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)封(feng)裝(zhuang)可以采用(yong)同(tong)平面電氣互(hu)連的(de)2d集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)封(feng)裝(zhuang)、基(ji)(ji)(ji)(ji)于基(ji)(ji)(ji)(ji)板垂(chui)(chui)直(zhi)電氣互(hu)連的(de)2.5d集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)封(feng)裝(zhuang)、以及基(ji)(ji)(ji)(ji)于光(guang)電功(gong)能基(ji)(ji)(ji)(ji)板垂(chui)(chui)直(zhi)互(hu)連的(de)3d集(ji)成(cheng)(cheng)(cheng)封(feng)裝(zhuang)。

2、如(ru)《一種玻璃(li)載(zai)板混(hun)合封(feng)裝(zhuang)400g光模塊結構》專利(專利號cn?117631173?a、公告(gao)日期(qi)2024.03.01)所示(shi)，提出了一種基(ji)于(yu)玻璃(li)基(ji)板及的(de)2.5d光電封(feng)裝(zhuang)方(fang)式，玻璃(li)載(zai)板上集成(cheng)有(you)多個(ge)填充導電體的(de)玻璃(li)通孔，實現光電芯片與pcb板的(de)電連(lian)接；玻璃(li)載(zai)板的(de)內部還設有(you)光波(bo)導，以形成(cheng)pic芯片和(he)光纖(xian)陣列之間的(de)光連(lian)接。

3、如《三(san)維封裝光電(dian)集(ji)成芯片結(jie)構及其制備(bei)(bei)方法》專利(li)(專利(li)號cn?117170048?a、公告日期2023.12.05)所示，通(tong)過在硅襯底上下表(biao)面均生長氧化硅和薄硅層，上下兩層均可制備(bei)(bei)硅光器件(jian)，從而可同時(shi)實現上下兩層的光電(dian)3d集(ji)成，提(ti)高集(ji)成密度；

4、如《一種收發一體(ti)集成(cheng)封裝(zhuang)光(guang)器(qi)件》專利(專利號(hao)cn?117518376?a、公告日期2024.02.06)所示，采用了(le)封裝(zhuang)外殼(ke)、以及安裝(zhuang)于封裝(zhuang)外殼(ke)內部的(de)(de)光(guang)電(dian)芯片(pian)、激光(guang)器(qi)、散熱元件和光(guang)纖陣列(lie)的(de)(de)設計(ji)結構，基(ji)于陶瓷基(ji)層實現(xian)高集成(cheng)度的(de)(de)光(guang)電(dian)芯片(pian)3d封裝(zhuang)。此(ci)外，dfb激光(guang)器(qi)放置在光(guang)芯片(pian)旁的(de)(de)沉槽中，產生的(de)(de)熱量(liang)可通過散熱元件傳導至封裝(zhuang)外殼(ke)，兼顧了(le)封裝(zhuang)氣密性和散熱效(xiao)果。

5、上述基(ji)于2.5d或3d的(de)(de)(de)光電(dian)集成方法相較(jiao)于單(dan)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)集成路線，電(dian)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)與(yu)光芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)可(ke)分別(bie)采(cai)用(yong)各領域最合適先進(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)工(gong)藝加工(gong)，以(yi)實現(xian)(xian)最優性(xing)能。且(qie)通過先進(jin)(jin)(jin)的(de)(de)(de)通孔加工(gong)等(deng)技術，可(ke)極大縮短電(dian)互(hu)聯通道(dao)的(de)(de)(de)距(ju)離，實現(xian)(xian)低功耗、大帶寬、高(gao)集成密度的(de)(de)(de)光電(dian)集成模(mo)塊。但現(xian)(xian)有(you)的(de)(de)(de)光電(dian)集成方案(an)中使用(yong)的(de)(de)(de)硅(gui)(gui)(gui)光芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)均包含無源器(qi)(qi)(qi)件(jian)部分(波導(dao)、耦(ou)(ou)(ou)合器(qi)(qi)(qi)、分束器(qi)(qi)(qi)、復用(yong)器(qi)(qi)(qi)等(deng))和有(you)源器(qi)(qi)(qi)件(jian)部分(調制器(qi)(qi)(qi)、探(tan)測器(qi)(qi)(qi)等(deng))，由于涉及有(you)源器(qi)(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)(de)流片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)加工(gong)成本(ben)遠高(gao)于僅無源器(qi)(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)(de)流片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)加工(gong)成本(ben)，制備單(dan)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)集成無/有(you)源器(qi)(qi)(qi)件(jian)的(de)(de)(de)硅(gui)(gui)(gui)光芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)引入了無源部分占用(yong)面(mian)積導(dao)致的(de)(de)(de)成本(ben)浪費，在大規模(mo)量產中尤為不可(ke)忽(hu)視(shi)。此外，激光器(qi)(qi)(qi)與(yu)光芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)的(de)(de)(de)耦(ou)(ou)(ou)合對(dui)準一(yi)直是亟待解(jie)決的(de)(de)(de)問題，目前采(cai)用(yong)的(de)(de)(de)端(duan)面(mian)耦(ou)(ou)(ou)合及垂直耦(ou)(ou)(ou)合方案(an)受制于硅(gui)(gui)(gui)光平臺的(de)(de)(de)特性(xing)限(xian)制，難(nan)以(yi)進(jin)(jin)(jin)一(yi)步優化提升，而采(cai)用(yong)基(ji)于其他新(xin)型材(cai)料或結構的(de)(de)(de)高(gao)效(xiao)率光耦(ou)(ou)(ou)合接口，也面(mian)臨(lin)難(nan)與(yu)硅(gui)(gui)(gui)光芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)集成器(qi)(qi)(qi)件(jian)兼容的(de)(de)(de)問題。

技術實現思路

1、針對現(xian)有(you)技術中(zhong)的(de)(de)(de)缺(que)陷，本(ben)發明的(de)(de)(de)目的(de)(de)(de)是提(ti)供(gong)一種(zhong)3d光(guang)(guang)電(dian)芯(xin)(xin)(xin)粒(li)集(ji)成(cheng)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)通(tong)信模(mo)塊，通(tong)過激光(guang)(guang)器芯(xin)(xin)(xin)片、電(dian)芯(xin)(xin)(xin)片、無源芯(xin)(xin)(xin)片、有(you)源芯(xin)(xin)(xin)片的(de)(de)(de)多芯(xin)(xin)(xin)片3d芯(xin)(xin)(xin)粒(li)集(ji)成(cheng)，實(shi)現(xian)有(you)源和(he)(he)無源芯(xin)(xin)(xin)片的(de)(de)(de)優化解耦封裝，從而避(bi)免有(you)源流片中(zhong)無源器件占用部分引入的(de)(de)(de)成(cheng)本(ben)浪費，同(tong)時滿足光(guang)(guang)芯(xin)(xin)(xin)片與激光(guang)(guang)器之間的(de)(de)(de)高效(xiao)率耦合，從而實(shi)現(xian)高密度、低(di)損耗、高可靠性和(he)(he)低(di)成(cheng)本(ben)的(de)(de)(de)光(guang)(guang)電(dian)集(ji)成(cheng)模(mo)組和(he)(he)光(guang)(guang)通(tong)信裝置。

2、根據(ju)本發明提供的一種3d光(guang)電(dian)芯(xin)粒集成的光(guang)通信模塊(kuai)，包括：無源(yuan)(yuan)芯(xin)片(pian)、有(you)(you)源(yuan)(yuan)芯(xin)片(pian)、電(dian)芯(xin)片(pian)、激(ji)光(guang)器(qi)、光(guang)纖(xian)列陣以及封裝載板(ban)，光(guang)纖(xian)列陣與(yu)(yu)無源(yuan)(yuan)芯(xin)片(pian)實(shi)現光(guang)耦合封裝，無源(yuan)(yuan)芯(xin)片(pian)和有(you)(you)源(yuan)(yuan)芯(xin)片(pian)貼(tie)片(pian)于封裝載板(ban)，電(dian)芯(xin)片(pian)連接(jie)有(you)(you)源(yuan)(yuan)芯(xin)片(pian)，激(ji)光(guang)器(qi)貼(tie)片(pian)于無源(yuan)(yuan)芯(xin)片(pian)上，且電(dian)芯(xin)片(pian)和激(ji)光(guang)器(qi)分別與(yu)(yu)封裝載板(ban)進(jin)行(xing)電(dian)氣(qi)互連；

3、無源(yuan)芯片(pian)和(he)有源(yuan)芯片(pian)進行解耦和(he)低(di)損耗芯片(pian)間(jian)耦合，激光器和(he)無源(yuan)芯片(pian)的堆疊(die)封(feng)裝實(shi)現d芯粒集(ji)成，電芯片(pian)和(he)有源(yuan)芯片(pian)進行d或d封(feng)裝。

4、優選的，無源(yuan)芯(xin)片和激(ji)光(guang)器采用d集成(cheng)封裝形成(cheng)光(guang)電芯(xin)粒(li)，通過水(shui)平或者垂直方式實(shi)現激(ji)光(guang)器到無源(yuan)芯(xin)片上無源(yuan)光(guang)波導層的耦合。

5、優選的，無源芯片(pian)與光(guang)纖列陣通過水(shui)平(ping)或者垂直(zhi)耦合形成光(guang)纖連接。

6、優選的，無源(yuan)芯片上設有無源(yuan)光(guang)波(bo)導(dao)層(ceng)、傳輸(shu)(shu)線電極結構以及(ji)第(di)一(yi)通孔(kong)，傳輸(shu)(shu)線電極結構平行(xing)連(lian)接(jie)(jie)于(yu)無源(yuan)光(guang)波(bo)導(dao)層(ceng)上，第(di)一(yi)通孔(kong)垂直連(lian)接(jie)(jie)于(yu)無源(yuan)光(guang)波(bo)導(dao)層(ceng)側(ce)邊；

7、傳輸線(xian)電極結構與(yu)相匹配(pei)的激(ji)光器表層電氣(qi)互(hu)連，通(tong)過(guo)第一通(tong)孔實現內(nei)部垂直電氣(qi)互(hu)連。

8、優選的，激光(guang)器通過第一通孔與封裝載板(ban)進(jin)行電(dian)氣互連；

9、或者，激光器依(yi)次通過傳輸(shu)線電極結構和(he)第二金線與封裝載板(ban)進行電氣(qi)互連；

10、或者，激光器(qi)通(tong)過第二金線與(yu)封裝載板進行電氣互(hu)連。

11、優(you)選(xuan)的，有源芯片上設有有源光波導層(ceng)、匹(pi)配電極(ji)結構以(yi)及第二(er)通孔，匹(pi)配電極(ji)結構平行(xing)連接于有源光波導層(ceng)上側，第二(er)通孔垂直(zhi)連接于有源光波導層(ceng)側邊；

12、匹(pi)配電(dian)極結(jie)構與相匹(pi)配的電(dian)芯片表層電(dian)氣(qi)互連，通過第二通孔(kong)實現(xian)內(nei)部垂直電(dian)氣(qi)互連。

13、優選(xuan)的(de)(de)(de)，無(wu)源(yuan)光(guang)波導層和(he)光(guang)波導層器件(jian)中的(de)(de)(de)光(guang)波導結構位于同一高度(du)，無(wu)源(yuan)芯片和(he)有源(yuan)芯片通過匹配的(de)(de)(de)波導設計(ji)實現(xian)低損耗芯片間耦合。

14、優選的，電芯片放置在(zai)封裝載板上，且電芯片通過第一金線(xian)與(yu)匹配電極結構進行電氣互連；

15、或者(zhe)，電(dian)芯片堆疊放置于有(you)源芯片上，且(qie)電(dian)芯片通(tong)過(guo)第二(er)通(tong)孔(kong)與有(you)源芯片上傳輸線結構進(jin)行電(dian)器(qi)互連。

16、優選的(de)，無源芯(xin)片(pian)包括(kuo)玻(bo)璃基底或者硅基底的(de)玻(bo)璃、硅、氮化硅以及鈮酸鋰的(de)波導芯(xin)片(pian)，無源芯(xin)片(pian)中的(de)無源光波導層包括(kuo)耦合器件、分束器、波分復用(yong)器。

17、優選的，有(you)源(yuan)(yuan)芯片(pian)包括玻璃基底或者硅基底的硅、鈮酸(suan)鋰、三五族(zu)的波導(dao)芯片(pian)，有(you)源(yuan)(yuan)芯片(pian)中的有(you)源(yuan)(yuan)光波導(dao)層包括調制器、探測(ce)器。

18、與現有(you)技術(shu)相比(bi)，本發明具(ju)有(you)如下(xia)的(de)有(you)益效(xiao)果：

19、本(ben)(ben)發明(ming)通過有源(yuan)(yuan)和(he)無源(yuan)(yuan)芯片的(de)(de)優化解耦(ou)封裝，降低了(le)大規模量(liang)產的(de)(de)成本(ben)(ben)，通過匹配的(de)(de)波導設(she)計實現(xian)低損(sun)耗芯片間耦(ou)合(he)，同時使得(de)有源(yuan)(yuan)器件和(he)無源(yuan)(yuan)器件可采用最合(he)適的(de)(de)材(cai)料平臺加工(gong)，以達(da)到最優的(de)(de)性(xing)(xing)能,從而實現(xian)高密度、低成本(ben)(ben)、低損(sun)耗、高可靠性(xing)(xing)的(de)(de)光電集(ji)成模塊(kuai)。

技術特征：

1.一種3d光(guang)電(dian)芯(xin)粒集成(cheng)的(de)光(guang)通信模塊，其特征在于，包括(kuo)：無源(yuan)(yuan)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(1)、有(you)源(yuan)(yuan)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(2)、電(dian)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(3)、激(ji)光(guang)器(4)、光(guang)纖(xian)列陣(zhen)(5)以及封裝載(zai)板(6)，所(suo)(suo)述(shu)光(guang)纖(xian)列陣(zhen)(5)與所(suo)(suo)述(shu)無源(yuan)(yuan)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(1)實現光(guang)耦合封裝，所(suo)(suo)述(shu)無源(yuan)(yuan)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(1)和所(suo)(suo)述(shu)有(you)源(yuan)(yuan)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(2)貼片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)于所(suo)(suo)述(shu)封裝載(zai)板(6)，所(suo)(suo)述(shu)電(dian)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(3)連接所(suo)(suo)述(shu)有(you)源(yuan)(yuan)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(2)，所(suo)(suo)述(shu)激(ji)光(guang)器(4)貼片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)于所(suo)(suo)述(shu)無源(yuan)(yuan)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(1)上(shang)，且(qie)所(suo)(suo)述(shu)電(dian)芯(xin)片(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(pian)(3)和所(suo)(suo)述(shu)激(ji)光(guang)器(4)分別與所(suo)(suo)述(shu)封裝載(zai)板(6)進(jin)行電(dian)氣互連；

2.根據權利(li)要求1所(suo)(suo)述的3d光電芯(xin)粒集(ji)成的光通信(xin)模塊(kuai)，其特(te)征在于，所(suo)(suo)述無源芯(xin)片(pian)(1)和所(suo)(suo)述激(ji)光器(4)采用(yong)3d集(ji)成封裝形成光電芯(xin)粒，通過水平(ping)或(huo)者垂直方式實現所(suo)(suo)述激(ji)光器(4)到所(suo)(suo)述無源芯(xin)片(pian)(1)上無源光波導(dao)層(11)的耦合。

3.根據權利要求1所(suo)述(shu)的3d光(guang)(guang)電芯粒集成的光(guang)(guang)通信(xin)模塊，其特(te)征在于，所(suo)述(shu)無(wu)源芯片(1)與(yu)所(suo)述(shu)光(guang)(guang)纖(xian)列陣(5)通過水平(ping)或者垂(chui)直耦合形成光(guang)(guang)纖(xian)連接(jie)。

4.根(gen)據權利(li)要求(qiu)1所(suo)述(shu)的3d光(guang)(guang)電(dian)芯粒集成的光(guang)(guang)通信模(mo)塊，其特征在(zai)于，所(suo)述(shu)無(wu)源芯片(1)上設有無(wu)源光(guang)(guang)波(bo)(bo)導(dao)層(ceng)(11)、傳輸(shu)線電(dian)極結構(gou)(12)以及第(di)一(yi)通孔(kong)(13)，所(suo)述(shu)傳輸(shu)線電(dian)極結構(gou)(12)平行連接于所(suo)述(shu)無(wu)源光(guang)(guang)波(bo)(bo)導(dao)層(ceng)(11)上，所(suo)述(shu)第(di)一(yi)通孔(kong)(13)垂直連接于所(suo)述(shu)無(wu)源光(guang)(guang)波(bo)(bo)導(dao)層(ceng)(11)側邊；

5.根據權(quan)利要求4所述(shu)(shu)的3d光電芯粒(li)集成的光通信模塊(kuai)，其特(te)征(zheng)在(zai)于，所述(shu)(shu)激光器(4)通過所述(shu)(shu)第一通孔(12)與(yu)所述(shu)(shu)封裝載板(6)進行電氣互連；

6.根據權利要求4所述的(de)3d光(guang)(guang)電(dian)芯(xin)粒集(ji)成(cheng)的(de)光(guang)(guang)通(tong)信模塊(kuai)，其特征在于，所述有(you)(you)源芯(xin)片(2)上設有(you)(you)有(you)(you)源光(guang)(guang)波導(dao)層(21)、匹配電(dian)極(ji)結構(22)以及第二通(tong)孔(23)，所述匹配電(dian)極(ji)結構(22)平行連接(jie)于所述有(you)(you)源光(guang)(guang)波導(dao)層(21)上側(ce)(ce)，所述第二通(tong)孔(23)垂直連接(jie)于所述有(you)(you)源光(guang)(guang)波導(dao)層(21)側(ce)(ce)邊；

7.根據權利要求6所(suo)(suo)述(shu)的(de)3d光(guang)電芯(xin)粒集成的(de)光(guang)通(tong)信模塊(kuai)，其特征在于，所(suo)(suo)述(shu)無源(yuan)光(guang)波導(dao)(dao)層(11)和(he)所(suo)(suo)述(shu)光(guang)波導(dao)(dao)層器件(21)中的(de)光(guang)波導(dao)(dao)結(jie)構位于同一高度，所(suo)(suo)述(shu)無源(yuan)芯(xin)片(1)和(he)所(suo)(suo)述(shu)有(you)源(yuan)芯(xin)片(2)通(tong)過匹配(pei)的(de)波導(dao)(dao)設計實現低損耗芯(xin)片間耦合。

8.根據權利要(yao)求6所述的(de)3d光電(dian)芯(xin)粒(li)集成的(de)光通(tong)信(xin)模塊，其特征在于，所述電(dian)芯(xin)片(3)放置在所述封裝載板(6)上，且(qie)所述電(dian)芯(xin)片(3)通(tong)過第一金線(7)與所述匹配電(dian)極結(jie)構(22)進行電(dian)氣互連；

9.根據權利要求1所(suo)述的3d光電芯(xin)粒集成的光通信(xin)模塊(kuai)，其(qi)特征在于，所(suo)述無源芯(xin)片(pian)(1)包(bao)括玻(bo)璃基(ji)底或者(zhe)硅基(ji)底的玻(bo)璃、硅、氮化硅以及鈮酸鋰的波導芯(xin)片(pian)，所(suo)述無源芯(xin)片(pian)(1)中的無源光波導層(11)包(bao)括耦合(he)器件、分束器、波分復用器。

10.根據權(quan)利要求1所述(shu)的3d光電芯(xin)粒(li)集成的光通信模(mo)塊，其特征在于，所述(shu)有源(yuan)芯(xin)片(pian)(2)包(bao)括玻璃基底或者硅(gui)基底的硅(gui)、鈮酸鋰、三五族的波(bo)(bo)導(dao)芯(xin)片(pian)，所述(shu)有源(yuan)芯(xin)片(pian)(2)中的有源(yuan)光波(bo)(bo)導(dao)層(21)包(bao)括調制器、探(tan)測(ce)器。

技術總結
本發明提供了一種涉及光電集成模塊和光通信技術領域的3D光電芯粒集成的光通信模塊，包括：無源芯片、有源芯片、電芯片、激光器、光纖列陣以及封裝載板，光纖列陣與無源芯片實現光耦合封裝，無源芯片和有源芯片貼片于封裝載板，電芯片連接有源芯片，激光器貼片于無源芯片上，且電芯片和激光器分別與封裝載板進行電氣互連。本發明通過有源和無源芯片的優化解耦封裝，降低了大規模量產的成本，通過匹配的波導設計實現低損耗芯片間耦合，同時使得有源器件和無源器件可采用最合適的材料平臺加工，以達到最優的性能,從而實現高密度、低成本、低損耗、高可靠性的光電集成模塊。

技術研發人員：杜江兵,王心怡,何祖源
受保護的技術使用者：上海交通大學
技術研發日：
技術公布日：2024/10/10