[0001] 本申请实施例涉及光通信领域，尤其涉及一种光芯片及光通信设备。

[0002] 随着5G、云计算、大数据等新兴业务的发展，互联网业务和数据计算量呈现指数级增长，数据中心由单体逐步走向规模化，数据中心互联网络应运而生。用于数据传输的光芯片工艺技术得以快速演进，以获得更高的速度、更低的能耗和更大的带宽。其中，光芯片的衬底掏空结构能够满足各种功能器件的相应性能要求，例如但不限于，用于制造端面耦合器、热调相移器、电光调制器等微纳光学器件，以提升器件性能。

[0003] 请参见图1，该图示出了一种典型的光芯片正面衬底掏空结构的示意图。该正面衬底掏空技术工艺步骤中，首先，在需要掏空区域两侧的部分SiO2材料刻蚀去除，暴露硅衬底；然后，通过各向同性刻蚀技术，将需要掏空区域底部的硅衬底刻蚀。

[0004] 受其自身结构的限制，该方案在实际应用中存在以下不足：首先，在衬底掏空之后，光芯片正面结构通过氧化硅材料形成的细长悬梁支撑，氧化硅悬梁通常比较脆弱，结构机械强度和稳定性均较差；其次，该方案需要刻蚀窗口完成衬底掏空，形成该刻蚀窗口只能是氧化硅材料，无法填充其他任何有效结构，特别是，金属布线和波导设计的灵活性受到限制；再次，基于刻蚀窗口形成，无法继续进行其他工艺的叠加，例如但不限于，先进芯片封装工艺(Advanced Packaging)涉及到芯片间的胶水填充(underfill)，该胶水进入刻蚀窗口将直接影响衬底掏空结构的性能及可靠性。

[0039] 本申请实施例提供了一种具有背面衬底掏空结构的光芯片，通过结构优化可提升结构机械强度和稳定性，以及光芯片的工艺兼容性。

[0040] 光芯片是一种用于进行光电信号转换、处理、控制和调制的电子元件，被广泛应用于通信运营商的核心交换网设备、波分复用设备、以及5G设备等领域。光芯片还包含了各种功能器件，例如端面耦合器、热调相移器、电光调制器等微纳光学器件，上述光学器件在光学信号的处理、控制和调制中起着重要的作用。

[0041] 对于光芯片的正面和背面的定义，通常取决于器件的具体功能结构和应用场景。这里，定义光芯片的衬底侧为背面，相应地，定义器件的光路结构侧为光芯片的正面。

[0042] 光芯片衬底掏空结构，是通过工艺方法将功能区域下方的衬底材料挖空，形成微纳结构，以提升器件性能和可靠性。该“功能区域”是指，衬底掏空结构所对应的正面功能结构所在的位置区域，例如但不限于波导所在的位置区域。该功能区域的尺寸可以大于正面功能结构的尺寸，或小于正面功能结构的尺寸，或与正面功能结构的尺寸大致相同中。

[0043] 请参见图1，该图为一种典型的光芯片正面衬底掏空结构的示意图。

[0044] 在该正面衬底掏空结构的工艺步骤中，首先，在功能区域两侧的第二氧化层01形成刻蚀工艺窗口a，具体将第二氧化层01和第一氧化层02的部分SiO2材料刻蚀去除，暴露硅衬底03；然后，通过各向同性刻蚀技术，将功能区域下方的硅衬底刻蚀形成掏空结构b。通过正面衬底掏空技术实现的光芯片衬底掏空结构，在实际应用中存在以下不足：首先，光芯片正面功能区域由氧化硅材料形成的细长悬梁c支撑，结构机械强度和稳定性均较差；其次，该方案需要刻蚀窗口完成衬底掏空，受刻蚀工艺的限制，只能基于氧化硅材料形成该刻蚀工艺窗口，无法填充布置其他正面功能结构，例如但不限于，限制了金属布线及波导设计的灵活性；再次，基于刻蚀工艺窗口的形成，无法继续进行其他工艺的叠加，例如但不限于，先进芯片封装工艺涉及到芯片间的胶水填充(underfill)，该胶水若进入刻蚀窗口，将直接影响衬底掏空结构的性能及可靠性。

[0045] 基于此，本申请实施例提供了一种光芯片，该光芯片包括依次堆叠的衬底、第一氧化层、正面功能结构层和第二氧化层。其中，第一氧化层覆盖于衬底的第一表面，正面功能结构层覆盖于第一氧化层的第一表面的第一区域，第二氧化层覆盖于第一氧化层的第一表面上除第一区域之外的区域和正面功能结构层。其中，衬底上设置有衬底掏空结构，且该衬底掏空结构的内表面延伸至衬底的第一表面的第二区域，该第二区域包括与正面功能结构层正对的区域，这里，正面功能结构包括波导，在具体实现中还可以包括金属互连线或金属电极结构。该衬底掏空结构的工艺窗口形成在衬底的第二表面，衬底的第二表面与第一表面相对。如此设置，将衬底掏空的工艺窗口结构配置在光芯片的背面，第二氧化层与第一氧化层共同形成平面支撑，相较于悬臂梁支撑结构，可有效提升结构机械强度和稳定性。

[0046] 与此同时，基于该光芯片结构，无需在正面执行掏空窗口的刻蚀，可根据产品总体设计需要布置其他正面功能结构，满足不同应用场景的器件功能需要。此外，基于该光芯片的正面无掏空窗口的结构特点，也即芯片正面具有完整表面，能够与其他半导体工艺的叠加，并且不受先进封装工艺过程中的胶水填充的影响，具有较好的工艺兼容性。

[0047] 为了更好地理解本申请的技术方案和技术效果，不失一般性，以下将结合附图对该光芯片的具体实施例进行详细描述。

[0048] 请参见图2，该图为本申请实施例提供的一种光芯片的结构示意图。图2示出了光芯片10的端面耦合器结构，该端面耦合器用于在光通信系统中，实现光在光纤和光芯片之间的传播，即用于将光纤中的光信号耦合到光电子芯片中的传输波导。为便于描述，本文将图中所示光芯片中各层的上表面统一描述为第一表面，各层的下表面统一描述为第二表面。

[0049] 如图2所示，该光芯片10包括依次堆叠的衬底1、第一氧化层2、无源波导层3和第二氧化层4。其中，第一氧化层2覆盖于衬底1的第一表面，无源波导层3覆盖于第一氧化层2的第一表面的第一区域21，第二氧化层4覆盖第一氧化层2的第一表面上除第一区域21之外的区域和无源波导层3。本实施方案中，位于衬底1上的衬底掏空结构11，所对应的正面功能结构为端面耦合器的无源波导层3。

[0050] 其中，衬底掏空结构11的内表面延伸至衬底1的第一表面的第二区域12，该第二区域12包括与无源波导层3正对的区域，以减少泄露至硅衬底的光场，通过减少衬底对光信号的吸收，降低端面耦合器的插损。图中以第二区域12的尺寸大于第一区域21的尺寸为示例，示意衬底掏空结构11与无源波导层3的尺寸比例关系。在其他具体实现中，第二区域12和第一区域21的尺寸可以根据需要进行确定，本实施例中不作限定。

[0051] 另外，衬底掏空结构11的截面形状可以为梯形、矩形、弧形或者相邻边圆弧连接的矩形，本实施例中不作限定。

[0052] 本实施方案中，该衬底掏空结构11配置有柱形工艺窗口13。基于衬底掏空结构11的工艺窗口13位于衬底1第二表面的结构特点，将形成衬底掏空结构11的刻蚀工艺窗口13配置在光芯片的背面，第一氧化层2覆于无源波导层3和第二氧化层4的第二表面，由第二氧化层4与第一氧化层2共同形成提供承载能力的平面支撑，可有效提升结构机械强度和稳定性。同时，不会影响到光芯片的其他正面功能结构的配置，并对叠加其他半导体工艺具有较好的兼容性。

[0053] 另外，对比无背面衬底掏空结构的端面耦合器，将本实施方案所描述的端面耦合器的基础构成保持基本一致，衬底1的材料为Si，第一氧化层2的材料为SiO2，无源波导层3的材料为SiN，第二氧化层4的材料为SiO2。通过仿真得到表1所示的耦合损耗测试结果。具体地，测试条件分别以横电波(Transverse Electric Wave，TE)基模和横磁波(Transverse Magnetic Wave，TM)基模的输入光波，且测试波长为1310nm。

[0054] 表1

[0055]   TE模式损耗@1310nm TM模式损耗@1310nm具有背面衬底掏空结构的本实施方案 0.5dB 1.2dB
无背面衬底掏空结构的对比方案 0.8dB 4.5dB

[0056] 从表1所示的仿真测试结果可以看出，本实施方案所描述的端面耦合器相比于对比例无背面衬底掏空结构的端面耦合器，在TE测试模式下的耦合损耗减小0.3dB，在TM测试模式下的耦合损耗减少3.3dB。在相同条件下，本实施方案可以有效降低耦合损耗，显著提升提高耦合效率。

[0057] 应当理解，基于图2所描述的光芯片结构，还可以构建偏振旋转分束器，以将线性偏振光分成两路，同时旋转其中一路的偏振方向，可有效提高分束效率。

[0058] 前述实施例所描述的衬底掏空结构11，通过延伸至衬底1第二表面的柱形工艺窗口13形成，其刻蚀成型工艺包括两段：第一段为刻蚀工艺窗口13，第二段为刻蚀衬底掏空结构11。在衬底掏空结构11的幅面内，其上方的第一氧化层2、无源波导层3及第二氧化层4等构成部分为全悬空结构，主要由第二氧化层4与第一氧化层2共同形成平面支撑。

[0059] 为了进一步提高结构承载能力，可以在衬底掏空结构中形成支撑柱，请一并参见图3，该图为本申请实施例提供的另一种光芯片的结构示意图。为了清楚示明本实施方案与前述图2所描述实施例的区别和联系，相同功能构成或结构在图中以同一标记进行示意。

[0060] 如图3所示，本实施方案提供的光芯片10a，其衬底掏空结构11a中具有支撑柱14a，该支撑柱14a位于柱形工艺窗口13之间的衬底硅上，且延伸至衬底1的第一表面，以与第一氧化层2的第二表面相抵形成支撑。在具体实现中，该支撑柱14a可以在第二段刻蚀衬底掏空结构11a时形成，换言之，在第二段刻蚀时保留了部分的衬底硅，形成了支撑硅柱，增强支撑作用。这样，可进一步提高结构整体机械强度及稳定性。

[0061] 另外，对于柱形工艺窗口13，在具体实现中可以根据需要选择不同的截面形状。

[0062] 请参见图4，该图为本申请实施例提供的一种衬底掏空结构与工艺窗口的俯视布置关系示意图。图中所示，各工艺窗口13的横截面形状为圆形，在衬底的第二表面或者衬底的俯视投影面内，工艺窗口13阵列排布为十排两列，且均位于衬底掏空结构11的外廓内。应当理解，在其他具体实现中，柱形工艺窗口13的截面形状可以为四边形、六边形、八边形等多边形，或者也可以为其他异形截面，各工艺窗口还可以采用其他二维周期性阵列排布方式，或者也可以为横纵交错的排布方式。具体地，可根据需要针对截面形状及排布方式进行任意组合，本实施例不作限定。

[0063] 例如图5所示，该图为本申请实施例提供的另一种衬底掏空结构与工艺窗口的俯视布置关系示意图。其中，各工艺窗口13a的截面形状为六边形，且呈蜂窝状交错布置。

[0064] 前述实施方案所描述的衬底掏空结构，均采用两段刻蚀成型工艺。在具体实现中，还可以将衬底掏空结构配置为可一段刻蚀成型的结构。

[0065] 请参见图6和图7，该图为本申请实施例提供的另外两种光芯片的结构示意图。为了清楚示明本实施方案与前述实施例的区别和联系，相同功能构成或结构在图中以同一标记进行示意。

[0066] 如图6所示，该实施方案提供的光芯片10b，其衬底掏空结构11b与刻蚀工艺窗口13b的一体式掏空结构，且该一体式掏空结构的侧面为垂直侧壁。可以理解的是，这里的“垂直”及下文中使用的“倾斜”，是以光芯片各层延伸平面为基准描述的结构相对位置关系。

[0067] 如图7所示，该实施方案提供的光芯片10c，其衬底掏空结构11c与刻蚀工艺窗口13c的一体式掏空结构，且该一体式掏空结构的侧面为倾斜侧壁。图中所示，该一体式掏空结构的截面为自衬底1的第二表面朝向第一表面呈渐收状，请一并参见图8，该图为图7中所示的又一种衬底掏空结构与工艺窗口的俯视布置关系示意图。

[0068] 当然，对于侧面为倾斜侧壁的一体式掏空结构，在其他具体实现中，其截面也可以为自衬底1的第二表面朝向第一表面呈渐扩状。

[0069] 需要说明的是，基于前述各实施例中光芯片的背面衬底掏空结构，还可应用于其他器件类型。下面以两段刻蚀成型的背面衬底掏空结构为示例分别进行描述。

[0070] 请参见图9，该图示出了本申请实施例提供的又一种光芯片的结构示意图。图9示出了光芯片的电光调制器结构，该电光调制器用于通过电场调制光信号的强度。为了清楚示明本实施方案与前述实施例的区别和联系，相同功能构成或结构在图中以同一标记进行示意。

[0071] 如图9所示，该光芯片10d包括依次堆叠的衬底1、第一氧化层2、调制器波导层3d和第二氧化层4；其中，调制器电极5d的一端与调制器波导层3d耦接，另一端配置在第二氧化层4的第一表面上。第一氧化层2覆盖于衬底1的第一表面，调制器波导层3d覆盖于第一氧化层2的第一表面的第一区域21，第二氧化层4覆盖第一氧化层2的第一表面上除第一区域21之外的区域和调制器波导层3d。本实施方案中，位于衬底1上的衬底掏空结构11，所对应的正面功能结构为电光调制器的调制器波导层3d和调制器电极5d。

[0072] 本实施方案中的衬底掏空结构11，同样延伸至衬底1的第一表面的第二区域12，该第二区域12包括与调制器波导层3d和调制器电极5d正对的区域，以提高调制效率，同时能够提高光学传输性能。在实际应用中，基于衬底掏空结构11的工艺窗口13位于衬底1第二表面的结构特点，可有效提升结构机械强度和稳定性，并具良好的工艺兼容性。

[0073] 另外，对比无背面衬底掏空结构的电光调制器，将本实施方案所描述的电光调制器的基础构成保持基本一致，衬底1的材料为Si，第一氧化层2的材料为SiO2，调制器波导层3d的材料为铌酸锂材料，第二氧化层4的材料为SiO2，通过仿真得到表2所示的带宽测试结果。

[0074] 表2

[0075]   带宽@铌酸锂电光调制器具有背面衬底掏空结构的本实施方案 67GHz
无背面衬底掏空结构的对比方案 33GHz

[0076] 从表2所示的仿真测试结果可以看出，本实施方案所描述的电光调制器相比于对比例无背面衬底掏空结构的电光调制器，在相同条件下，本实施方案的电光调制器带宽显著优于无背面衬底掏空下的电光调制器带宽。

[0077] 请参见图10，该图示出了本申请实施例提供的另一种光芯片的结构示意图。图10示出了光芯片的热调相移器结构，该热调相移器用于调制光信号的相位，具体利用电流或电压控制加热器的温度，从而引起热调相移器波导层中折射率的变化，实现对光信号相位的调制。为了清楚示明本实施方案与前述实施例的区别和联系，相同功能构成或结构在图中以同一标记进行示意。

[0078] 如图10所示，该光芯片10e包括依次堆叠的衬底1、第一氧化层2、热调相移器波导层3e和第二氧化层4；其中，热调相移器电极5e的一端与加热器6e耦接，另一端配置在第二氧化层4的第一表面上，加热器6e位于第二氧化层4内的近第一表面侧，加热器6e与热调相移器波导层3e间隔相对设置。第一氧化层2覆盖于衬底1的第一表面，热调相移器波导层3e覆盖于第一氧化层2的第一表面的第一区域21，第二氧化层4覆盖第一氧化层2的第一表面上除第一区域21之外的区域和热调相移器波导层3e。本实施方案中，位于衬底1上的衬底掏空结构11，所对应的正面功能结构为热调相移器的热调相移器波导层3e、热调相移器电极5e和加热器6e。

[0079] 本实施方案中的衬底掏空结构11，同样延伸至衬底1的第一表面的第二区域12，该第二区域12包括与热调相移器波导层3e、热调相移器电极5e和加热器6e正对的区域，有效地减小器件热损耗，降低功耗。在实际应用中，基于衬底掏空结构11的工艺窗口13位于衬底1第二表面的结构特点，可有效提升结构机械强度和稳定性，并具良好的工艺兼容性。

[0080] 另外，对比无背面衬底掏空结构的热调相移器，将本实施方案所描述的热调相移器的基础构成保持基本一致，通过仿真得到表3所示的功耗测试结果，测试波长为1310nm。

[0081] 表3

[0082]  相移π相位所需功耗@1310nm
具有背面衬底掏空结构的本实施方案 1mW
无背面衬底掏空结构的对比方案 29mW

[0083] 从表3所示的仿真测试结果可以看出，本实施方案所描述的热调相移器相比于对比例无背面衬底掏空结构的热调相移器，在相同条件下，当热源的温度变化引起的相位变化达到π时，本实施方案相移π相位所需功耗可减小28mW，显著优于无背面衬底掏空下的热调相移器功耗。

[0084] 综上，本申请实施例提供的光芯片背面衬底掏空结构，具有以下技术优势：

[0085] 第一，针对不同光学器件类型，均具备正面衬底掏空技术的相关性能收益。

[0086] 第二，相对于正面衬底掏空技术，本申请实施例采用背面衬底掏空结构配置，无需对正面的氧化硅层进行刻蚀，由第一氧化层和第二氧化层共同提供承载支撑，能够有效提高结构机械强度和稳定性。

[0087] 第三，相对于正面衬底掏空技术，本申请实施例采用背面衬底掏空结构配置，无需对正面进行任何刻蚀，波导及金属布线等结构设计更加灵活；特别是，对于高密封装应用场景下，能够有效减轻布局难度和布线压力。

[0088] 第四，相对于正面衬底掏空技术，本申请实施例采用背面衬底掏空结构配置，无正面掏空的结构，光芯片表面完整，可以与TSV(Through‑Silicon Via，穿透硅孔)或bump(球形封装)等其他工艺叠加，能够进一步增强后端工艺兼容性。

[0089] 进一步地，请参见图11，该图示出了本申请实施例提供的一种光芯片使用状态的示意图，具体以图9所描述的电光调制器结构为示例。图11所示，对于该光芯片10f的衬底掏空结构11，通过封堵件7将其刻蚀工艺窗口13分别进行封口，以满足封装溢胶需求。在此基础上，可利用先进芯片封装工艺在光芯片表面或芯片之间的封装材料中添加微型电子元器件，实现了更高性能、更紧凑的封装方案，为满足现代电子设备对于小型、高性能和低功耗的需求提供的技术保障。

[0090] 在具体实现中，该封堵件7的尺寸及材料选择，可以根据实际产品性能要求进行确定，这里不再赘述。

[0091] 另外，基于背面衬底掏空结构，能够根据光芯片的功能需要在正面布置金属互连线或金属电极等正面功能结构。请参见图12，该图示出了本申请实施例提供的另一种光芯片使用状态的示意图，该图同样以图9所描述的电光调制器结构为示例。该光芯片10g可采用打孔并填充金属形成TSV填充层8，且该填充层8的一端可与配置在第二氧化层4的第一表面上RDL(重定向层的金属线路)或PAD(金属引脚)81耦接，并在填充层8的另一端可以基于Bump半导体封装工艺形成电极粘合点82，整体构建垂直于光芯片表面的电气连接，以用于实现不同芯片之间的互联。在不影响衬底掏空结构工艺性的基础上，具有较好的电性能和机械可靠性。

[0092] 本申请实施例还提供了一种光模块，请参见图13，该图为本申请实施例提供的光模块的结构示意图。该光模块100包括壳体20，该壳体20内设置有光模块100的印刷电路板30和光芯片10，该光芯片10与印刷电路板30电气连接，且该光芯片为述图2至图12所描述光芯片。图中所示，用于与光通信设备内电路板上的插座配合插接的电信号接口101，以及用于连接光纤的光信号接口102，分别设置于光模块100的相对两端；在其他具体实现中，电信号接口101和光信号接口102之间相对位置关系还可以为其他方式，本实施例不作限定。

[0093] 在不同应用场景下，该光模块能够将由电信号接口输入的电信号转换成光信号由光信号接口输出，或者，将由光信号接口输入的光信号转换成电信号由电信号接口输出，或者，将由电信号接口输入的电信号转换成光信号由光信号接口输出，同时将由光信号接口输入的光信号转换成电信号由电信号接口输出。

[0094] 本申请实施例还提供了一种光通信设备，请参见图14，该图为本申请实施例提供的光通信设备的结构示意图。如图所示，该光通信设备1000包括设备机箱300及设置在设备机箱300内的主板200，还包括光模块100，该光模块100与主板200通过其电信号接口连接，以将电信号转换成光信号输出，或者，将光信号转换成电信号输出，或者，将电信号转换成光信号输出，同时将光信号转换成电信号输出。该光模块为包括如前述图2至图12所描述光芯片的光模块；或者，该光模块也可以为如图13所描述的光模块。

[0095] 在具体实现中，该光模块可以包括基于该光芯片构建的端面耦合器、偏振旋转分束器、电光调制器或者热调相移器等光学器件。应当理解，上述光学器件的其他具体功能构成可以采用现有技术实现，故本文不再赘述。

[0096] 该光通信设备可以为服务器计算机、路由器或交换机等产品类型，特别适用于大功率、高集成度、超大规模化的数据中心服务器。应当理解，相应光通信设备的其他功能构成非本申请的核心发明点所在，故本文不再赘述。