光子集成电路芯片及硅光集成平台的制作方法

本技术涉及光通信，特别涉及一种光子集成电路芯片及硅光集成平台。

背景技术：

1、近年来，光子集成电路芯片能够有效降低光通信中模块的成本和功耗，是实现光互连的关键技术。典型单模硅光波导的模场是百纳米量级，而需要和光子集成电路芯片(例如硅光芯片)耦合对准的普通单模光纤的模场直径(mode field diameter，mfd)是9-10μm，两者之间存在较大模场失配，直接耦合对准容差较小，且有较大的光耦合损耗。因此，光子集成电路芯片上需要设置特定的耦合器来实现与单模光纤的高效耦合。

2、常用技术中的波导耦合器主要包括两种，即光栅耦合器和边耦合器。光栅耦合器的优点是对准容差大、便于封装，并且可进行片上测试等，但其耦合效率不高，工作带宽窄。而边耦合器(edge coupler)的优点是耦合效率高、工作带宽大。

3、此外，由于在光子集成电路芯片的表面没有钝化保护层，长期使用过程中水汽容易进入到表层的二氧化硅中，从而影响器件的性能。并且光子集成电路芯片的表面在bump，tsv等工艺工程中易受各种脏污的影响。

技术实现思路

1、本实用新型的目的在于提供一种光子集成电路芯片及硅光集成平台，用以减少模斑转换过程中的光损耗，并且提高光子集成电路芯片与外部光纤的光耦合效率，同时可以避免封装过程中各种脏污及使用过程中水汽侵入的影响。

2、本实用新型的目的采用以下技术方案实现：

3、根据本实用新型的一方面，提供一种光子集成电路芯片，包括：层叠设置的衬底层、介质层以及光波导层；

4、所述光子集成电路芯片包括设置在所述光波导层中的光学器件和与所述光学器件光连接的器件波导，沿垂直于所述衬底层的厚度方向上，所述光子集成电路芯片具有与外界耦合的外端面；

5、在所述衬底层的厚度方向上，所述光波导层内依次层叠设置有第一波导、第二波导和第三波导：

6、所述第一波导与所述器件波导光连接，所述第一波导朝向所述外端面的端部距所述外端面处于第一横向距离；

7、所述第二波导与所述第一波导光耦合，并与所述第一波导在厚度方向上间隔设置；

8、所述第三波导与所述第二波导光耦合，并与所述第二波导在厚度方向上间隔设置；

9、所述第一波导、所述第二波导以及所述第三波导均从所述光子集成电路芯片的内部向所述外端面延伸；

10、其中，所述光子集成电路芯片还包括至少一层保护层，所述至少一层保护层覆盖在所述光子集成电路芯片的远离所述衬底层的一侧表面，其中，所述保护层的材质为氮化硅。

11、在一些实施方式中，所述至少一层保护层覆盖在所述光波导层的远离所述衬底层的一侧表面。

12、在一些实施方式中，所述光波导层内还设有导电线路层和金属通孔，所述导电线路层通过所述金属通孔实现各导电线路层之间或者其它器件的电性连接；所述至少一层保护层与所述金属层的表面直接接触，所述至少一层保护层上设置有在厚度方向上贯通所述至少一层保护层的第一通孔，以露出所述金属层的表面，在所述第一通孔内填充有导电物质。

13、进一步地，所述至少一层保护层包括第一保护层、第二保护层以及设置在所述第一保护层和所述第二保护层之间的介电层；其中，所述介电层的材质为氧化硅。

14、进一步地，在所述衬底层的厚度方向上，所述第一波导与所述第二波导部分投影交叠，以通过绝热耦合的方式耦合；

15、在垂直于所述衬底层的厚度方向上，所述第二波导的延伸长度大于所述第三波导的延伸长度，并且所述第二波导靠近所述外端面的端部和所述第三波导靠近所述外端面的端部齐平。

16、进一步地，所述第二波导和所述第三波导被配置成用于将从所述第一波导耦合的光进行模斑转换后传输至外部光纤内，或者将从外部光纤输入的光进行模斑转换，并将经模斑转换后的光耦合至所述第一波导。

17、进一步地，所述第一波导与所述器件波导同层设置。

18、进一步地，从所述光子集成电路芯片的内部指向所述外端面的方向，所述第一波导的一部分呈反向楔形结构。

19、进一步地，从所述光子集成电路芯片的内部指向所述外端面的方向，所述第二波导的一部分呈反向楔形结构。

20、进一步地，从所述光子集成电路芯片的内部指向所述外端面的方向，所述第三波导具有不变的截面宽度。

21、进一步地，所述第二波导的数量为多个，所述第三波导的数量为多个；

22、在靠近所述外端面所在平面的截面位置处，所述多个第二波导和所述多个第三波导的组合呈多行和/或多列排列；

23、其中，在靠近所述外端面所在平面的截面位置处，相邻行和/或列之间，所述多个第二波导和所述多个第三波导呈错位排列或者呈不规则排列。

24、进一步地，从所述光子集成电路芯片的内部指向所述外端面的方向，多个第二波导中的至少一个第二波导的一部分朝着所述外端面的方向的截面宽度逐渐变细。

25、进一步地，所述第一波导、所述第二波导以及所述第三波导是氮化硅波导或者氮氧化硅波导。

26、进一步地，在所述衬底层的厚度方向上，所述光波导层内还设有：

27、第四波导，所述第四波导与所述第三波导光耦合，并与所述第三波导在厚度上间隔设置，所述第四波导从所述光子集成电路芯片的内部指向所述外端面的方向延伸。

28、进一步地，所述第四波导的延伸长度小于或者等于所述第三波导的延伸长度，所述第四波导靠近所述外端面的端部与所述第三波导靠近所述外端面的端部齐平。

29、进一步地，从所述光子集成电路芯片的内部指向所述外端面的方向，所述第四波导具有不变的截面宽度。

30、进一步地，从所述多层边耦合器的内端朝向外端的方向，所述第四波导具有不变的截面宽度。

31、进一步地，所述第二波导的数量为多个，所述第三波导的数量为多个，所述第四波导的数量为多个；

32、在靠近所述外端面所在平面的截面位置处，多个第二波导、多个第三波导以及多个第四波导的组合呈多行和多列排列；

33、相邻行和/或列之间，所述多个第二波导、所述多个第三波导以及所述多个第四波导呈错位排列或者呈不规则排列。

34、进一步地，所述第四波导是氮化硅波导或者氮氧化硅波导。

35、根据本技术的另一方面，还提供一种硅光集成平台，包括：光子集成电路芯片；

36、光纤，所述光纤包括光纤纤芯和包覆所述光纤纤芯的光纤包层；

37、其中，所述光纤与所述光子集成电路芯片的所述外端面对准，以进行光耦合。

38、本技术在光子集成电路芯片(photonic integrated chip，pic芯片)上的光波导层内设置有多层波导，多层波导共同参与光的模斑转换，以减小常规的具有单层波导的边耦合器在模斑转换过程中的光损耗。并且在衬底层的厚度方向上，该光子集成电路芯片的远离所述衬底层的一侧表面设置有至少一层保护层，以防止长期使用过程中水汽进入到表层的二氧化硅中，从而影响器件的性能。同时可以避免封装过程中各种脏污侵入的影响。