本文分享一篇文章，是利用氮化硅薄膜做的可见光合束器，氮化硅薄膜在可见光波段透明 。，因此本文作者 lionix和 brilliance rgb合作推出的产品
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摘要
我们展示了一种基于氮化硅光子集成电路的 RGB 光引擎。该引擎使用倒装芯片激光二极管组装工艺，混合集成红、绿和蓝激光二极管以及功率监控探测器。激光器倒装芯片焊接在氮化硅 PIC 中的蚀刻凹槽中，以实现最佳耦合。已经实现了小型 5x10x1 mm3（宽度 x 长度 x 厚度）设备。测量的输出功率约为 1mW，取决于所使用的激光二极管。对于主动对准的实现，典型的耦合损耗为 1.5 dB。所述组装方法有利于晶圆级激光二极管集成和晶圆级密封封装，以实现可扩展的批量生产。
关键词：可见光、RGB 组合器、晶圆级集成、氮化硅、倒装芯片集成
1. 简介
完全集成、占地面积小的可见光光源（更具体地说是红、绿和蓝光），具有可扩展的生产工艺，是增强/虚拟现实应用的出色微型光源。TripleX® Si3N4 波导平台1 为这些光源提供了出色的基础，因为高折射率对比度允许制造占地面积小的设备，而与激光二极管以及输出光学器件的耦合效率可以轻松调整到特定要求。通过使用倒装芯片方法2,3 组装激光二极管和 TripleX® PIC，可以实现进一步的可扩展性。由此产生的光引擎结合了三个激光二极管，其典型波长分别为 450、520 和 635 nm，占地面积仅为 5x10x1 mm3，其中包括一个保护激光二极管和引线的盖子，以及为激光二极管的杂散光提供屏蔽。
图 1. RGB 光引擎的示意图。（A）显示洁净室掩模中定义的波导结构和金属引线。左侧的倒装芯片口袋用绿色表示，字母 R、G 和 B 分别表示红、绿和蓝二极管的位置。还可以在芯片上放置两个光电二极管 (PD) 来监测三种颜色中的两种的输出功率。芯片的蓝色区域覆盖有 Si 框架和盖子，而金属焊盘则暴露在外以进行引线键合。（B）组装好的 RGB 光引擎在演示 PCB 上的渲染图，带有易于访问的针头，可连接到实验室设备
2. 合束器设计
RGB 组合器由两个串联的定向耦合器组成，每个耦合器将一种颜色添加到公共波导中。两个定向耦合器的长度必须设计成这样一种方式：需要添加到波导中的颜色尽可能高效地耦合，而已经组合的波长则表现出最小的耦合。颜色组合的顺序以及波导的几何形状和间距都会影响最终的耦合长度。图 3A 中可以看到耦合长度的一个示例，其中波导厚度为 13 nm，宽度为 2.8 μm，中心间距为 3.8 μm。按照图 1A 的设计，第一个耦合器对红色的耦合应最小，而对绿色的耦合最大。耦合器长度为 750 μm 就是这种情况。第二个耦合器应有效地将蓝色耦合到波导中，而红色和绿色的耦合应最小化。该耦合器的最佳长度为 3100 μm，尽管从图中可以看出，预计绿光和红光会有一些耦合。图 3B 显示了这种组合器的滤波损耗计算结果，其中红线、绿线和蓝线分别表示耦合到输入波导中的红光、绿光和蓝光的滤波光谱。
图 2. (A) 耦合效率与耦合器长度的关系，常用的激光二极管波长为红色 (λ=635 nm)、绿色 (λ=520 nm) 和蓝色 (λ=450 nm)。虚线表示绿色定向耦合器和将蓝色耦合到红色+绿色波导的定向耦合器的最佳耦合器长度。(B) RGB 组合器的典型模拟滤波器损耗。
图 3. 测量 TE 偏振的 RGB 组合器输出端的光谱。来自白光源的光耦合到红色（红线）、绿色（绿线）和蓝色（蓝线）激光二极管的输入波导中，并使用光谱分析仪测量所得输出光谱。
图 4 中可以看到这种耦合器的耦合光谱示例。来自白光源的光一次耦合到组合器的三个输入波导中。使用光谱分析仪测量输出端的光谱，每个输出的所得波长光谱显示在图中。可用的白光源不提供 470 nm 以下的光，因此无法获得低于该值的光谱信息。该组合器是一种变体，其耦合器长度未针对波长为 450、520 和 635 nm 的光的最大耦合进行优化：红色和绿色输入波导分别对波长为 635 nm 和 520 nm 的光表现出 ~50% 的耦合效率。在这种情况下，多余的功率可用于使用集成光电二极管来监控这两个波长的光功率。通过调整耦合器长度可以实现最佳耦合。
3. 激光二极管集成
通过将激光二极管倒装到 PIC 上，可以实现光引擎模块的晶圆级组装。为了将激光二极管输出与 Si3N4 波导对齐，在 TripleX® 平台中定义了几个柱结构，其高度可相对于 Si3N4 波导在几十纳米内进行调整。柱设置在深几微米的腔体中。腔体覆盖有金，激光二极管使用热焊接或激光辅助焊接固定在柱之间的小焊盘上。该焊接连接还提供与光电二极管底部的电气连接，而二极管的顶部可轻松与 PIC 上的金属焊盘进行引线键合。
图 4. (A) 用于倒装芯片接合激光二极管的口袋的 3D 印象。所有金属都用黄色表示（通常使用金色），激光二极管为深灰色，PIC 本身为蓝色。LD 固定并使用少量焊料与口袋电/热连接，位于 LD 正下方。
倒装芯片工艺需要对激光二极管的形貌和二极管面上光学模式的确切位置有充分的了解。由于这些激光二极管的典型模场直径约为 1.5x0.5 μm2，由于形貌变化而导致的微小错位已经会导致几个额外的 dB 耦合损耗。金属标记的放置以及激光二极管上可用标记的一致性是减少激光二极管接口插入损耗的关键。
图 5. 插入损耗与激光二极管横向位移的关系，典型 450 nm 激光二极管的模场直径为 1.5x0.5 μm（水平 x 垂直）
4. 结论
在 TripleX® 技术平台上实现了 RGB 组合器，占用空间小，采用的制造工艺可轻松应用于光引擎模块的晶圆级加工和组装。输入和输出波导几何形状可以调整，以最佳地匹配激光二极管和输出系统的要求。我们制造了几种不同长度的定向耦合器，本文展示了其中一种光谱，以表明此类设备的典型行为。
目前正在进行进一步的测试，以提高倒装芯片方法的可靠性。由于模式尺寸小，金属层厚度和模式位置各不相同，激光二极管的可靠晶圆级集成（没有激光二极管对接耦合可能带来的主动对准优势）需要激光二极管制造商和 PIC 设计人员之间的密切合作。
