CN104040398A - 应用于光电学中的装置 - Google Patents

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Abstract

一种应用于光电学中的装置包括：第一对准元件和包括通光孔的第一薄片。该第一对准元件接合到该第一薄片，使得该通光孔不被该第一对准元件覆盖。此外，该第一薄片进一步包括多个接合焊盘，具有光学元件的光电组件将被附接到多个接合焊盘上，其中该第一对准元件与光传输介质上的配合对准元件相配合，并且其中当该第一对准元件与该光传输介质上的该配合对准元件相配合时，该光传输介质通过该通光孔与该光学元件被动地对准。

Description

应用于光电学中的装置
背景技术
光学引擎通常用于以高速率传送电子数据。光学引擎包括用于将电信号转换为光信号的硬件。该硬件可以包括例如激光设备的光源，该光源将光输出到例如波导或光缆的光传输介质中，该光传输介质将光信号输送到目的地。为了实现光信号从光源到光传输介质的有效通信，需要光源和光传输介质之间的精确对准。
通常，光源通过被称为主动对准的过程被联接到光传输介质。主动对准通常涉及激励光源并使用透镜系统将光从光源引导到光传输介质中。主动对准利用反馈信号来调整关键组件的物理位置。因此，众所周知，主动对准是繁琐的、费时的和昂贵的。
附图说明
在下面的附图中通过示例而并非限制的方式说明本公开的元件，其中相同的附图标记代表相同的元件，其中：
图1示出根据本公开一示例的光电系统的侧面剖视图；
图2示出根据本公开另一示例的用于图1所示的光电系统的装置的局部分解侧面剖视图；
图3示出根据本公开一示例的多个图1和2中所示的装置的光电阵列的俯视图；
图4示出根据本公开一示例的图1中所示的光电系统的一部分；
图5示出根据本公开一示例的第一对准元件的不同形状的各种示例；
图6A和6B分别示出根据本公开一示例的不同形状和类型的通光孔；并且
图7示出根据本公开一示例的用于制造用于将光电组件中的光学元件被动地对准到光传输介质的装置的方法的流程图。
具体实施方式
为了简化和说明的目的，通过主要参照本公开的示例来描述本公开，在下面的描述中，阐述多个具体细节以提供对本公开的全面理解。然而，显然本公开可以在没有这些具体细节的限制的情况下实施。在其它情况下，一些方法和结构未被详细描述以避免不必要地混淆本公开。
在整个本公开中，措辞“一个”意在指代特定元素中的至少一个。如本文中所使用的，措辞“包括”意味着包括但不限于，措辞“包含”意味着包含但不限于，措辞“基于”意味着至少部分地基于。此外，措辞“光电组件”是指光源设备(例如激光器)、光接收设备(例如检测器)、光调制器(例如光电调制器)、或者光源设备和/或调制器以及光接收设备的组合(例如收发器)。此外，术语“光学元件”是指光电组件的发射和/或检测光的实际部分。此外，术语“光”是指具有电磁光谱的可见和不可见部分(包括电磁光谱的红外和紫外部分)中的波长的电磁辐射。
本文所公开的是一种应用于光电学中的装置、用于制造该装置的方法以及一种光电(OE)系统。该装置包括：通光孔(TOV)和接合焊盘，其中接合焊盘与TOV精确地对准，使得当OE组件被附接到接合焊盘时，OE组件的光学元件与TOV对准。此外，该装置包括与光学元件上的配合对准元件相配合的对准元件，使得对准元件的配合使光传输介质中的光纤与TOV精确地对准。在这点上，光学元件可以与光纤被动地对准。
被动对准通常比上述主动对准更简单地且更低成本地实施。在一方面，当将光传输介质联接到光电组件时，被动对准不需要激励光电组件。
通过使用本文所述的装置、方法以及系统，诸如源设备、接收设备和收发器设备的光电组件可以有效地联接到光传输介质，而无需使用主动对准系统和技术。因此，该联接可以以更低的成本来有效地实现。此外，更多的光学连接可以被装入更小的空间，从而提供芯片空间的更有效的利用。
图1示出根据一示例的光电(OE)系统100的侧面剖视图。应理解的是，图1中所示的OE系统100可以包括其它组件，并且在不脱离OE系统100的范围的情况下，本文所描述的组件中的一部分可以被移除和/或修改。还应理解的是，图1中所示的组件未按比例绘制，因此，这些组件相对于彼此可以具有不同的相对尺寸而并非如图中所示。
OE系统100被示为包括装置102、OE组件120、光传输介质130、球栅阵列(BGA)152和插入件154。OE组件120被示为包括位于管芯124上的光学元件122、散热器126以及位于所述管芯124与散热器126之间的热界面材料(TIM)128。如图1中所示，并且根据一示例，光学元件122产生可以包括激光束的光束140。在该示例中，管芯124可以包括激光源，例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)、发光二极管(LED)等。在另一示例中，光学元件122接收光束140。在该示例中，管芯124可以包括光接收器，例如光电检测器。在另一示例中，光学元件122可以是组合光源和外调制器，例如电光调制器。
光传输介质130被示为包括光纤套管132、光纤134和配合对准元件(MAE)136。光纤套管132通常保护光纤134并且容纳配合对准元件136。光纤134可以包括光束可以传输通过的任何合适介质。
虽然配合对准元件136已被示为包括孔，但应理解的是，配合对准元件136可以包括其它任何适于与装置102的配合元件进行配合的合适结构。在这点上，可以选择配合对准元件136的结构，使得配合对准元件136与装置102的第一配合对准元件104配合。此外，虽然配合对准元件136已被示为一体地形成在光纤套管132中，但配合对准元件136也可以可替代地形成在附接到光传输介质130的单独元件中。
一般而言，装置102作为OE组件120和光传输介质130之间的接口操作。更具体地，装置102操作，以使OE组件120与光传输介质130被动地对准，使得通过OE组件120上的光学元件122发射和/或接收的光束140与光传输介质130中的光纤134基本上精确地对准。OE组件120与光传输介质130的对准是被动的，这是因为当光传输介质130的配合对准元件136与装置102的第一配合对准元件104相配合时发生该对准。在这点上，并且与主动对准技术相反，本文所公开的被动对准技术与主动对准技术相比通常需要较少的时间和精力，并且因此较低廉地实施。
装置102被示为通过多个焊料凸块150接合于OE组件120，焊料凸块150可以被广义地解释为可被形成为任何实用的形状(例如球或柱)的少量的焊料。更具体地，多个接合焊盘(210，图2)被放置在第一薄片106上，使得OE组件120上的第二组接合焊盘(未示出)与多个接合焊盘210精确地对准。如在下文中更详细地论述的，通过使用接合焊盘和焊料凸块150，OE组件120可以与第一薄片102进行自对准。第一薄片106上的接合焊盘210与OE组件120上的接合焊盘的对准使OE组件120上的光学元件122也能够与第一薄片106中的通光孔(TOVs)(204，图2)对准。根据一示例，OE组件120倒装芯片接合于装置102，这是指半导体设备被电连接的过程。
该倒装芯片过程包括将电迹线和凸点下金属放置在OE组件120的表面和第一薄片106的表面上，并且然后将焊料的堆积物放置在OE组件120或/和第一薄片106的表面上的凸点下金属上。该过程包括翻转第一薄片106，将焊料与OE组件120的电迹线和凸点下金属对准，并且熔化和固化焊料凸块以完成连接。电迹线可以通过各种过程，包括但不局限于光刻，而被精确地制造在第一薄片106和OE组件120上。
现在将描述一示例过程，其中OE组件120可以被接合到第一薄片106，来精确地将光学元件122与第一薄片106中的通光孔204进行自校准。在该示例过程中，使OE组件120上的焊料凸块150与第一薄片106上的接合焊盘210接触。此时，焊料凸块150和接合焊盘210尚未完全熔化。相反，它们处于一状态以便互相粘连。最初，当将OE组件120放置在第一薄片106附近使得焊料凸块150接触到接合焊盘210时，光学元件122可以不完全与TOVs204对准。或者，焊料凸块150和接合焊盘210可以分别在第一薄片106和OE组件120上。
施加适当量的热量，焊料凸块150将完全熔化。接合焊盘210的尺寸、形状和材料以及焊料凸块150的尺寸、形状和材料使得表面张力将使接合焊盘210例如与OE组件120上的接合焊盘(未示出)对准。在一示例中，焊料凸块可以为直径大约100微米(μm)。
在不再施加热量之后，熔化的焊料凸块150材料将冷却并固化。这将保持OE组件120在适当的位置，使得光学元件122与第一薄片106中的TOVs204恰当地对准。因此，当光学元件122发射或检测光时，该光将被适当地引导到TOVs204中或从TOVs204接收该光。
通过将光传输介质130相对于装置102基本上对准并且通过移动光传输介质130和装置102中的一者或两者使得它们彼此接近，装置102可以与光传输介质130相配合。当光传输介质130和装置102彼此充分接近时，装置102上的第一对准元件104与光传输介质130上的配合对准元件136相配合。如图1中所示，第一对准元件104被示为具有基座，该基座比第一对准元件104的顶部更宽。同样地，配合对准元件136被示为具有锥形横截面。因此，第一对准元件104可以相对容易地与配合对准元件136相配合。此外，装置102可以通过诸如摩擦配件、粘合剂、接合、闭锁等的任何合适连接机构固定地或可移动地附接到光传输介质130。可以选择配合元件的形状，以对所有轴最初提供粗对准并最终提供精对准。
装置102被进一步示为通过多个焊料凸块150接合到插入件154，插入件154可以包括印刷电路板(PCB)、柔性板等。在这点上，OE系统100可以被实现为OE系统100的阵列的一部分。
现在转向图2，其中示出根据一示例的用于OE系统100的装置102的部分分解侧面剖视图。如图中所示，第一对准元件104可以被形成在第二薄片108中，第二薄片108可以由玻璃、塑料、金属、例如硅的半导体材料等制成。此外，第一对准元件104已被示为形成在可选的底座110上。在任何方面，第二薄片108可以包括开口112，以使光束能够无障碍地传播通过第二薄片108。可替代地，可以利用用于基本密封TOV204的至少部分透明的盖(未示出)来代替开口112。盖的光学特性可以包括但不限于光学透明、抗反射、至少部分地吸收和光散射。
可以通过包括例如光刻的各种制造过程来形成第一对准元件104。第一对准元件104，例如如果由光致抗蚀剂制成，则可以覆盖有金属帽(未示出)，以增加第一对准元件104的强度和稳定性。该金属帽可以通过例如电子束蒸发、溅射、电镀等形成。作为另一示例，第一对准元件104由例如硅的半导体材料制成。在该示例中，硅可以被薄片接合于第一薄片106。由于所涉及的制造技术，由硅制成的第一对准元件104可以被构成为增大的尺寸，以大体改善第一对准元件104的对准特性。关于第一对准元件104的各种其它示例，在下文中进行更详细的描述。
由于第一对准元件104可以由光致抗蚀剂或硅构成，因此结构相对简单且廉价。这种结构允许以薄片级制造具有简单和复杂的形状的对准元件。这会降低制造装置102所需的时间和成本，并同样降低光电通信的成本。
也如图2中所示，第一薄片106被示为包括基板202、TOVs204、导电层206、钝化层208和接合焊盘210。导电层206可包括任何合适的导电材料，例如金。钝化层208可包括例如SiN或等效材料。基板202可以由玻璃、塑料、金属、如硅的半导体材料等制成。TOVs204通常是指形成在第一薄片106中的孔，其允许光例如通过孔壁的反射来传播通过。TOVs204可以包括圆截面并且通常作为通过基板202的光波导操作。光波导和物理结构使电磁辐射以相对高的频率传播通过该结构。在该频率下，如果第二材料具有比第一材料小的折射率，则光可以传播通过由第二介电材料包围的第一介电材料。
根据一示例，光透明填料(未示出)被置于TOVs204内。光透明填料通常增加装置102的强度，并且防止灰尘和碎屑污染光学元件122。光透明填料可以由基本上不干扰信息到光学元件122的光学传送和/或来自光学元件122的信息的光学传送的材料形成。可替代地，光学透明的材料也可以用于填充TOVs204，并且将第一薄片106接合到第二薄片108。
现在转向图3，其中示出根据一示例的多个图1和2中所示的装置102的光电(OE)阵列300的俯视图。虽然图3中示出四个装置102，每个包括十二个TOVs204和两个第一对准元件104，但应理解的是，OE阵列300可以包括任何合理数量的TOVs204和第一对准元件104，而不脱离本文所公开的装置102和OE系统100的范围。此外，装置102可以包括其它形状，例如圆形、方形等，并且可以以任何合适的排列方式放置TOVs204。此外，可以以任何合适的排列方式将第一对准元件104放置在装置102上。
如图3中所示，OE阵列300包括多个装置102被放置在其上的基板302。基板302可以包括图1中所示的插入件154。此外，如上面关于图1和2所述的，OE组件120可以被放置在每个装置102的下面，使得OE组件120的光学元件122被放置在TOVs204的下方。此外，光传输介质130可以以光学介质130的配合对准元件136与装置102的第一对准元件104相配合的方式被放置在装置102的上表面。如本文所述，也如图1中所述，当光学介质130的配合对准元件136与装置102的第一对准元件104相配合时，光纤134与光学元件122被动地对准。
虽然第一对准元件104被示为包括柱，并且配合对准元件136被示为包括孔，但应理解的是，第一对准元件104和配合对准元件136可以包括各种其它的结构，而不脱离本文所公开的装置102的范围。图4中示出包括被不同地配置的第一对准元件104和配合对准元件136的OE系统100的一部分400的一示例。如图中所示，第一对准元件104被示为孔，而配合对准元件136被示为柱。
虽然第一对准元件104被示为具有延伸第一对准元件104的整个高度的孔，但该孔可以延伸到低于第一对准元件104的整个高度，使得第一对准元件104的一部分被提供在配合对准元件136与第一薄片106之间。此外，如所示，第一对准元件104可以包括其它形状。图5的图500中示出第一对准元件104的不同形状502-508的各种示例。光纤套管132可以包括被成形为与第一对准元件104相配合的配合对准元件136。
第一对准元件104可以包括其它物理特性。例如，第一对准元件104的尖角可以通过例如热氧化和湿法蚀刻第一对准元件104而被平滑化。作为另一示例，第一对准元件104可以被氧化或涂有金属，以形成相对硬的例如非切削的表面。作为再一示例，第一对准元件104可以涂有TeflonTM或类似的低摩擦涂层，以便于与配合对准元件136相配合。作为另一示例，第一对准元件104可以包括电镀金属，以形成相对坚实的表面。
现在转向图6A，其中示出描绘根据一示例的四种不同形状的TOVs的图600。图6A中所示的任何一个TOVs可以代替图2中所示的TOVs204。
图600示出直的TOV602、扩展的TOV604、抛物线扩展的TOV606和抛物线缩小的TOV608。TOV的截面形状可以是圆形、椭圆形、矩形或任何多边形形状。
参照图6B，其中示出用于说明根据一示例的由不同材料构成的TOVs的图620。图6B中所示TOVs可以代替图2中所示的TOVs204。
如上所述，被设计成传播典型的光学频率内的电磁辐射的波导可以通过使用被外层材料包围的内层透明介电材料制成，其中该外层材料具有比内层材料大的折射率。用作内层材料和外层材料的材料将影响这两种材料之间的折射率差以及因此影响光传播通过波导的方式。
在一示例中，固体透明介电材料622可以被用于形成TOV204的中心。或者具有比透明材料622小的折射率的介电材料或者反射材料可以被用作TOV的壁上的内衬624。反射材料可以是金属材料，例如铜、金、铝、银等。此外，介电层可以被放置在反射层上，以防止反射层被氧化。在一些情况下，介电层用作透明介电材料622。
在一示例中，TOV204的中心可以是真空的或者填充有空气或惰性气体。这样的TOV的壁可以涂有具有相对较高的反射率的材料。这允许光通过连续的反射传播通过TOV。由于TOV相对较短，因此反射的次数较少。TOV可能仅具有几百微米的长度。此外，透明盖626，例如干膜，可用于覆盖TOV的中心。这将防止污染物进入TOV的中心。
现在转向图7，其中示出根据一示例的用于制造用于将OE组件120中的光学元件122被动地对准于光传输介质130的装置的方法700的流程图。应理解的是，图7中所示的方法700可以包括其它过程，并且本文中所述的一些过程可以被移除和/或修改，而不脱离方法700的范围。
在框702，形成第一对准元件104。第一对准元件104可以通过多种制造技术中的任一种形成，多种制造技术包括形成第一对准元件104作为第二薄片108的一部分。例如，第一对准元件104可以通过光刻、深反应离子蚀刻、电镀等中的至少一种来形成。光刻是其中基板的一部分被掩模覆盖使得未被掩模覆盖的部分可以通过深反应离子蚀刻除去的过程。
作为另一示例，第一对准元件104可以通过从由电镀柱和通过例如SU-8等的一块材料形成孔所组成的一组制造操作中所选择的制造操作而被形成。第一对准元件104也可以通过应用其它操作来形成，例如通过热氧化和湿法蚀刻来消除尖角，通过氧化或涂有材料以增加第一对准元件104的刚度和/或减小第一对准元件104上的摩擦等。
作为再一示例，在框702，可以形成多个第一对准元件104。在该示例中，多个第一对准元件104可以相对于彼此被放置在各个位置。此外，多个第一对准元件104可以包括相同的形状或者可以相对于彼此具有不同的形状。在这点上，例如第一对准元件104中的一个可以包括柱，而第一对准元件104中的另一个可以包括孔。
在框704，形成包括TOV204的第一薄片106。如上所述，第一薄片106包括可以由玻璃、塑料、金属、例如硅的半导体材料等制成的基板202。此外，TOV204可以通过任何合适的过程被形成在基板202中，以在基板202中形成开口。此外，如图1和2中所示，可以用金属迹线、凸点下金属、焊料凸块等图案化基板202，以形成第一薄片106。
在框706，第一对准元件104接合到第一薄片106的第一表面，使得TOV204不被第一对准元件104覆盖。根据一示例，第一对准元件104薄片接合到第一薄片106。术语“薄片接合”是指用于将相似的或不相似的材料的薄基板互相接合的制造过程。更具体地，第一对准元件104通过例如低温金属对金属热压接合、共晶接合、粘结剂接合、阳极接合、熔融接合等接合到第一薄片106。根据一特定示例，第一对准元件104由硅形成，并通过金-硅接合操作接合到第一薄片106。根据另一示例，第一对准元件104包括金层，并通过金-金接合操作接合到第一薄片106。在接合操作中，多个第一对准元件104与TOVs204精确地对准。
在框708，将多个接合焊盘210附接到第一薄片106的第二表面。接合焊盘210可以通过例如光刻和金属化的任何合适的过程而形成在第一薄片106上。此外，如上文中更详细地论述的，接合焊盘210可以形成在第一薄片106的第二表面上的特定位置，以在OE组件120被附接到接合焊盘210时促使光学元件122与通光孔204精确地对准。
根据一示例，TOVs204通过光刻形成在第一薄片106中，其中掩模用于暴露将通过蚀刻过程形成TOVs204的位置。然后另一掩模可以被用于形成接合焊盘210的位置。这些掩模能够恰当地对准，使得TOVs204与接合焊盘210适当地隔开。与OE组件120上的接合焊盘间距相对应的该适当的隔开使光学元件122恰当地对准于TOVs204。该光刻过程可以以薄片级实施。例如，如果基板202是半导体材料，则可以对整个半导体薄片施加光刻过程。
接着装置102的制造，如上所述，OE组件120可以被附接到接合焊盘210，并且光传输介质130可以被连接到第一对准元件104。例如，OE组件120可以以OE组件120与装置102中的通光孔204自对准的方式被倒装芯片接合到装置102。也如上所述，通过第一对准元件104与配合对准元件136的配合，OE组件120上的光学元件122可以相对容易地与TOVs204对准，并且光传输介质130可以与TOVs204被动地对准。
虽然整个本公开的全部内容被具体描述，但本公开的代表性示例在很宽的应用范围有效，而且上述论述并不意在并且不应被解释为限制性的，而是被提供作为本公开的说明性的论述。
本文中已描述和说明的是一示例以及它的一些变形。本文所使用的术语、描述和附图仅通过说明的方式进行阐述而不意味着作为限制。在本主题的精神和范围内的许多变化是可能的，其意在被下面的权利要求及其等价物所限制，其中所有术语意味着其最广泛的合理意义，除非另外说明。

Claims (15)

1.一种用于光电学的装置，所述装置包括：
第一对准元件；和
第一薄片，包括第一通光孔，其中所述第一对准元件接合到所述第一薄片，使得所述通光孔不被所述第一对准元件覆盖，其中所述第一薄片进一步包括具有光学元件的光电组件将被附接到其上的多个接合焊盘，其中所述第一对准元件用于与光传输介质上的配合对准元件相配合，并且其中当所述第一对准元件与所述光传输介质上的所述配合对准元件相配合时，所述光传输介质通过所述通光孔与所述光学元件被动地对准。
2.根据权利要求1所述的装置，进一步包括:
第二薄片，其中所述第二薄片包括所述第一对准元件，其中所述第二薄片接合到所述第一薄片，并且其中所述第二薄片包括位于所述通光孔上的开口或至少部分透明的盖。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述第二薄片包括第二对准元件，其中所述第二对准元件用于与所述光传输介质上的第二配合对准元件相配合。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一对准元件包括相对坚固的层，以与所述光传输介质上的所述配合对准元件进行界面结合。
5.据权利要求1所述的装置，其中所述多个接合焊盘被放置在预定的且相对于所述通光孔对准的位置。
6.根据权利要求1所述的装置，进一步包括：
光透明填料，被放置在所述通光孔内。
7.一种用于制造用于将光电组件中的光学元件被动对准到光传输介质的装置的方法，所述方法包括：
形成第一对准元件；
形成包括通光孔的第一薄片；
将所述第一对准元件接合到所述第一薄片的第一表面，使得所述通光孔不被所述第一对准元件覆盖；
将多个接合焊盘附接到所述第一薄片的与所述第一表面相对的第二表面上，其中所述多个接合焊盘将附接到具有光电元件的光电组件；并且
其中所述第一对准元件用于与光传输介质上的配合对准元件相配合，并且其中当所述第一对准元件与所述光传输介质上的所述配合对准组件相配合时，所述光传输介质与所述光电组件的所述光学元件被动地对准。
8.根据权利要求7所述的方法，其中形成第一薄片进一步包括将所述第一薄片形成为包括电迹线。
9.根据权利要求7所述的方法，其中形成第一对准元件进一步包括：通过从由光刻、深反应离子蚀刻和电镀组成的组中选择的形成技术来形成所述第一对准元件。
10.根据权利要求7所述的方法，进一步包括：
形成第二薄片，其中形成第一对准元件进一步包括将所述第一对准元件形成在所述第二薄片中；并且
其中将所述第一对准元件接合到所述第一薄片进一步包括将所述第二薄片接合到所述第一薄片。
11.根据权利要求10所述的方法，其中将所述第二薄片接合到所述第一薄片进一步包括：使用从由低温金属对金属热压接合、共晶接合、粘结剂接合、阳极接合和熔融接合所组成的一组接合操作中选择的接合操作将所述第二薄片接合到所述第一薄片。
12.根据权利要求7所述的方法，其中在所述第一薄片的第二表面上形成多个接合焊盘进一步包括：将所述多个接合焊盘相对于所述通光孔对准，以在所述光电组件附接到所述多个接合焊盘时，促使所述光电组件中的所述光电元件与所述通光孔精确地对准。
13.根据权利要求7所述的方法，其中形成第一对准元件进一步包括：通过从由电镀柱和通过一块材料形成孔所组成的一组制造操作中选择的制造操作来形成所述第一对准元件。
14.一种光电系统，包括：
装置，具有：
第一薄片，具有通光孔和附接到所述第一薄片的第一表面的多个接合焊盘；
第一对准元件，接合到所述第一薄片的第二表面，使得所述通光孔不被所述第一对准元件覆盖；和
光电组件，附接到所述多个接合焊盘，其中所述第一对准元件用于与光传输介质上的配合对准元件相配合，并且其中当所述第一对准元件与所述光传输介质上的所述配合对准元件相配合时，所述光传输介质通过所述通光孔与所述光电组件的光学元件被动地对准。
15.根据权利要求14所述的光电系统，进一步包括：
第二薄片，其中所述第二薄片包括所述第一对准元件，其中所述第二薄片接合到所述第一薄片，并且其中所述第二薄片包括位于所述通光孔上的开口。
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