Packaging of photonic integrated circuits

Abstract

With the continuous evolution of optical communication systems, emerged a need for high-performance optoelectronic elements at lower costs. Photonic packaging plays a key role for the next-generation of optical devices. In this work a standard packaging design rules is described, covering both the electrical and optical-packaging exploring both active and passive adjusting techniques, as well as the thermal management of the photonic integrated circuit (PIC). First a process for fiber-to-chip coupling with custom made ball-lensed fibers, is performed and tested initially in a testing-chip and thereafter in a manufactured practical study-case composed by a silicon holder with an InP distributed feedback (DFB) laser. The process of manufacturing etched V-grooves for fiber alignment is approached in detail. After this, for electrical interconnects and radio frequency (RF) packaging, both wire-bonding and flip-chip technique are discussed, and a characterization of the s-parameters in a PIC with wire-bonding is presented. A technique based on ruthenium-based sensors and platinum and titanium-based sensors for thermal control of the PIC is studied and the tested using a custom made PCB designed exclusively for that purpose.

Com a constante evolução dos sistemas de comunicação óticos veio a necessidade de componentes optoelectrónicos de elevada performance a custos relativamente baixos. O encapsulamento ótico tem um papel chave nos dispositivos óticos de última geração. Neste trabalho são descritas as regras de um processo de encapsulamento padrão, que abrange tanto o encapsulamento elétrico e ótico onde são exploradas técnicas de ajustamento ativas e passivas bem como o controlo térmico do circuito ótico integrado (PIC). No início foi efetuado um processo de acoplamento da fibra ao chip com fibras de lente esférica personalizadas, numa primeira usando um chip de teste e de seguida num caso de estudo prático que consiste numa estrutura composta por um holder de silício com um laser de realimentação distribuída (DFB). É abordado em detalhe o processo de fabricação de V-grooves para o alinhamento da fibra com o chip. De seguida são apresentadas e discutidas as técnicas de wire-bonding e flip-chip para o encapsulamento elétrico e ligação dos conectores de radiofrequência (RF), é feito um estudo onde são apresentados os resultados da caraterização dos parâmetros S de um PIC com wire-bonding. Para o controlo térmico do módulo é apresentada uma técnica baseada em sensores de temperatura de ruténio e sensores de Platina e titânio testada numa PCB personalizada