CN104603657A - 具有衍射光学元件的光学组件 - Google Patents

Abstract

本发明的光学组件包括：(a)晶体基底(101)，具有顶部平坦表面(101a)和晶面角度；(b)至少一个沟槽(102)，该沟槽限定在顶部平坦表面中，并且具有从基底的边缘(315)延伸到终端(103)的侧壁(104)，该沟槽(102)具有在终端(103)处的第一刻面(105)，该第一刻面(105)具有相对于顶部平坦表面的第一角度，该第一刻面(105)是反射性的；(c)光学导管(110)，具有光学轴线和与第一刻面光学地耦合的端面；(d)波导(131)，以及(e)衍射光学元件(DOE)(140)，其设置在第一刻面上方，并构造为随着光被第一刻面反射而在波导和光学导管之间耦合光。

Description

具有衍射光学元件的光学组件

技术领域

本发明总体上涉及一种光学接口，并且更特别地涉及一种光弯折的光学组件，该光学组件与衍射光学元件组合以在光导管和波导之间耦合光。

背景技术

由于光学传输系统可用的大带宽和高可靠性，光纤用作数字数据(包括声音、网络和IP视频数据)的传输媒介的用途变得越来越普遍。这些系统的基础是用于发送和/或接收光学信号的光学子组件。

通用的光学子组件包括集成有光学部件的内插件，诸如光电器件或光电集成电路。如这里所使用的，内插件用作光学、光电和电气部件的基底，并且提供互连以光学地和/或电气地互连光学/光电/电气部件。典型的内插件可包括基底，该基底包括例如硅，所述硅在其中形成有一个或多个沟槽以用于精确地保持光纤。传统的沟槽通过对基底湿式蚀刻而形成为“V”形，以包括沿光纤长度保持该光纤的两个侧壁。对晶体材料(诸如硅)进行湿式蚀刻使得形成沿着材料的晶面的可预期的和非常精确的蚀刻。例如，硅具有54.7°的晶面，从而，湿式蚀刻沟槽的侧壁和端部刻面相对于参考表面形成精确的54.7°的角度。

传统内插件V形沟槽的端部刻面可被金属化，使得其可以用作反射镜，以在光学/光电部件和保持在V形沟槽中的光线之间反射光。光电光源，例如已经被倒装芯片安装在内插件上的，将锥形光束发射到V形沟槽端部刻面反射镜上。V形沟槽端部刻面反射镜通过保持在V形沟槽中的光纤的端部反射光。

如上所讨论的，湿式蚀刻的V形沟槽的端部刻面的表面相对于参考表面成精确的54.7°的角度。这样，光以相对于参考表面并且也相对于保持在V形沟槽中的光纤的纵向轴线成-19.4°的角度通过光纤而反射离开沟槽端部刻面反射镜。因此，使用V形沟槽的端部刻面反射镜以通过光纤端部而发出光的当前装置导致大量光远离光纤的轴线被反射，从而导致非最优的信号传输性能。

申请人意识到存在在光学部件和光纤导管之间的改善的光学耦合的需求。特别地，申请人认识到对于可使用大产量的、经济的制造方法而准备的内插件的需求。本发明满足了该需求以及其它需求。

发明内容

下文中给出了对本发明的简要总结，以提供本发明的一些方面的基本理解。本发明通过使用衍射光学元件(DOE)提供了一种高度可制造的光学组件，该光学组件用于随着光被内插件的刻面反射而在波导和光学导管之间耦合光。DOE耦合器是高度可配置的并且能够重新成形光并且将光聚焦在不同的光学媒介上。在这里，特别重要的是DOE重新成形和聚焦具有长方形或椭圆形光斑形状的光的能力，具有长方形或椭圆形光斑形状的光可能是由以非垂直角度弯折的光而导致的。聚焦并耦合以非垂直角度反射的光的能力是有益的，因为这允许了内插件形成有不必须相对于光传播轴线成45°角度的反射刻面。因此，不同于通过在内插件的基底中机加工出45°的角度而形成内插件中的光弯折刻面，光弯折刻面可替代地沿着通过湿式蚀刻形成的基底的晶面角度而形成。湿式蚀刻有助于内插件的大产量、经济且非常精确的制造。

因此，本发明的一个方面是包括DOE耦合器的光学组件。在一个实施例中，光学组件包括：(a)晶体基底，具有顶部平坦表面和晶面角度；(b)至少一个沟槽，该沟槽限定在顶部平坦表面中，并且具有从基底的边缘延伸到终端的侧壁，该沟槽具有在终端处的第一刻面，该第一刻面具有相对于顶部平坦表面的第一角度，该第一刻面是反射性的；(c)光学导管，具有光学轴线和与第一刻面光学地耦合的端面；(d)波导，以及(e)衍射光学元件(DOE)，其设置在第一刻面上方，并构造为随着光被第一刻面反射而在波导和光学导管之间耦合光。

本发明的另一个方面是一种用在上述的光学组件中的光学部件。在一个实施例中，光学部件包括：(a)衍射光学元件(DOE)；(b)至少一个光学波导，其具有光学地耦合到DOE的绝热过渡部，其中DOE构造为经由内插件的反射镜刻面将扩展的波导成像到光学导管端面上，该光学导管端面匹配光纤模式尺寸和数值孔径特征。

本发明的又一个方面是一种用于与上述的光学部件组合使用的内插件。在一个实施例中，内插件包括：(a)晶体基底，具有顶部平坦表面和晶面角度；(b)至少一个沟槽，该沟槽限定在顶部平坦表面中，并且具有从基底的边缘延伸到终端的侧壁，该沟槽具有在终端处的第一刻面，该第一刻面具有相对于顶部平坦表面的第一角度，该第一刻面是反射性的，该沟槽构造为接收光学导管，该光学导管具有光轴和与第一刻面光学地耦合的端面；以及(c)结合垫，其构造为精确地匹配构造在光学部件上的结合垫，以将DOE在第一刻面上精确地定位在光学部件上。

附图说明

本发明将参考附图以示例的方式描述如下：

图1示出了本发明的子组件中的内插件的特写截面图。

图2示出了示于图1的内插件的正视图。

图3示出了使用示于图1的内插件的子组件的截面图。

图4示出了图1所示的内插件的基底的顶部平坦表面上的柱构造的一个实施例。

图5示出了图1所示的内插件的光学部件的底部表面上的柱构造的一个实施例。

具体实施方式

参考图1和2，示出了本发明的子组件100的一个实施例。子组件100包括内插件150，该内插件包括晶体基底101，该晶体基底具有顶部平坦表面101a和晶面角度α。至少一个沟槽102限定在顶部平坦表面101a中。沟槽102具有侧壁104，该侧壁从基底的边缘315(见图3)延伸到终端103。沟槽在终端103处具有第一刻面105。第一刻面具有相对于顶部平坦表面的第一角度。第一刻面105是反射性的，并且在一个实施例中，具有反射涂层105a以成为镜面。光学导管110设置在沟槽102中，该光学导管110具有光学轴线111和与第一刻面105光学地耦合的端面112。子组件还包括设置在基底101上方的波导131。衍射光学元件(DOE)设置在第一刻面105上方，并构造为随着光被第一刻面反射而在波导和光学导管之间耦合光。所选替代实施例和这些元件的每一个在下文中更详细地描述。

内插件的主要功能是提供基底或主干，以支撑、对齐和固定光纤、光学部件和相关联的电路。为此，内插件应当包括刚性材料，该刚性材料可被蚀刻或机加工以限定沟槽，并且该刚性材料是热稳定的且适合于被加热到回流焊应用中典型的温度。

为了有助于制造，在一个实施例中，基底包括具有晶面角度的晶体材料。这种材料已知为沿着晶面角度湿式蚀刻，从而形成可预期且高度精确的沟槽。湿式蚀刻也可在晶片极上实施，从而在单个同时操作中限定基底中的所有的沟槽和刻面。在一个实施例中，在该操作中甚至限定了单个内插件的侧面。适当的晶体材料的一个示例是硅。

在一个实施例中，沟槽的平行侧壁104将光线导管保持在位。虽然这里示出了单光纤应用，但是应当意识到本发明并不限于单光纤应用，并且可被用于光纤阵列、带状光学和平面波导。另外，在一个实施例中，基底限定多个沟槽。虽然非必须，但是在该实施例中，沟槽优选地为平行的。其中，平行的沟槽有助于共同的第一刻面(下文中描述)。

侧壁可以是传统V形沟槽的壁，或者侧壁可垂直于顶部平坦表面从而形成更像是U形沟槽。湿式或干式蚀刻或机加工可被用于形成沟槽，虽然湿式蚀刻通常是优选的(尽管不是必须的)，因为湿式蚀刻有利于可制造性，如上文中所述。

本发明的一个重要方面是在终端103处的第一刻面105。在一个实施例中，由于湿式蚀刻的原因，第一刻面105处于由基底的晶面而决定的角度α。例如，在硅基底中，传统的湿式蚀刻将形成具有坡度为54.7°的壁的V形沟槽，如上文所述并且如图1所示。除了低成本，大产量可制造性之外，湿式蚀刻相比于使用干式蚀刻技术来说提供了更高的蚀刻速度和更高的端部刻面角度精度。湿式蚀刻避免了与设备启动和操作相关联的端部刻面角度上的制造容差，因为当采用湿式蚀刻时，基底的晶面指定了端部刻面角度。

在一个实施例中，为每个沟槽蚀刻离散的第一刻面。替代地，在另一个实施例中，共同的第一刻面通过在终端103处横跨多个沟槽102蚀刻横跨沟槽而形成。通过横跨多个沟槽102而蚀刻共同的横跨沟槽，从而在一个步骤中限定第一刻面105，实现了经济规模，并且保证了不同第一刻面之间的连续性。然而，具有共同第一刻面的内插件不和具有离散的第一刻面的基底一样具有沟槽之间的光学隔离度。

在一个实施例中，侧壁相比于第一刻面被蚀刻更深以限定台阶(未示出)。换句话说，第一刻面被蚀刻被使得下边缘在光学轴线下方，但在沟槽底部的上方。该实施例通过使得光学导管的端面抵靠台阶而有助于光学导管在沟槽中的被动轴向对齐。

在一个实施例中，第一刻面的至少一部分被处理为使得其更具反射性。在一个实施例中，处理该表面涉及将该表面涂覆有金属或其他反射性材料，以使得第一刻面成为现有技术中已知的反射镜。合适的反射材料包括，例如，金、银、铝和介电体。该材料可通过使用已知的技术(包括蒸镀、溅射和气相沉积)被沉积在所述刻面上。

内插件的大部分(如果不是全部)关键对齐关系可经常仅在少数、甚至单个光刻步骤中在晶片极上被限定。具体地，用于电连接和提供光学部件的被动对齐的接触垫/柱和用于保持光纤的沟槽的位置可在单个掩模步骤中限定。另外，在一个实施例中，多个部件之间的光学/电气互连可在单个掩模步骤中限定。例如，将用于光学部件的垫/柱和用于电驱动电路的垫互联的多条迹线、和驱动电路与通过基底的过孔之间的迹线可在单个掩模步骤中限定。在一个实施例中，在同一掩模步骤中甚至限定了内插件的边缘。换句话说，内插件的每个定位边缘是在晶片中蚀刻的切割(dicing)沟槽的一半。晶片在每个切割沟槽的平坦底部被简单地分开，以形成由基底的晶面角度限定的定位器边缘。以这种方式，从内插件的边缘到关键特征(诸如沟槽102)之间的距离可被精确地控制，通常在单个步骤中，从而消除产生的容差累积并且简化利用内插件进行的组件制造。

光学导管110可以是用于传输光的任何已知的媒介。在图1的实施例中，光学导管110是光纤110a。光纤110a可以是单模、多模或偏振保持单模光纤。光纤可以是长光纤，或可以是用于拼接或连接到更长的光纤的引线。如果该光纤是引线，则使用较小直径的光纤是有利的。例如，可使用商业上可获得的80微米直径的光纤。使用较小直径的光纤可提供更窄的沟槽和更少的基底表面蚀刻，从而留出更多的基底顶部表面可用于其他目的。另外，更窄的沟槽转换为在光纤的前面和DOE之间经由第一刻面的更短的光学路径。更短的路径导致更少的光束扩展，从而降低了所需的DOE的尺寸。因此，更小尺寸的光纤具有多个关键优点。

虽然在图1的实施例中示出了光纤110a，但是应当理解的是可使用任何光学导管。合适的光学导管包括，例如，离散光纤、带状光纤和平面波导。这种平面波导的使用是已知的，并且在例如美国专利申请No.13/017,668(全文通过引用结合于此)中描述。

端面112可以多种方式构造。例如，在示于图1的实施例中，端面112正交于光学轴线111。这样的构造有利于可制造性，因为直角裂缝容易通过使用已知的机械和激光割裂技术来实施。此外，在一个实施例中，正交的端面112通过使得端面抵靠蚀刻进基底(如上文所述)的台阶或位于第二基底上的止动件(如下文描述)来帮助光学导管110在沟槽102中轴向对齐。替代地，端面112可以以第一角度α割裂，使得该端面物理地接触第一刻面105，从而消除空气间隙。这样的构造需要更加复杂精密的割裂，并且防止光纤被旋转以便调谐，虽然端面和第一刻面之间的物理接触减小了菲涅尔损失。(如果空气间隙确实存在，例如存在于正交于光轴111的端面时，可使用折射率匹配凝胶以减小菲涅尔损失。)在又一个实施例中，在一些应用中，期望进一步成形光纤110的端面112，以实现额外的光学性能和/或被动对齐。例如，侧部刻面可在第一配合刻面的任一侧上被添加到光纤端面，以加强光学耦合(见，例如美国专利申请No.12/510,954)。此外，可能期望成形具有上表面的端面112，该上表面成角度以避免光束170与DOE 140干涉。

光纤110a可以多种已知的方式而被固定到沟槽。例如，光纤可被金属化并且被焊接在位，或其可被胶粘在位。在一个实施例中，UV固化的、光学透明的粘接剂可用于将光纤固定在沟槽中。在一个实施例中，光纤110a是引线，其具有自由远端(未示出)以有利于拼接或连接至另一光纤。例如，光纤110a可被连接到光纤电路中的光纤，或光纤110a可以是直接来自于光纤电路的光纤。

本发明的一个重要方面在于衍射光学元件(DOE)，该衍射光学元件是薄相位元件，并且借助于干涉和衍射而操作，以产生光的计算过的分布。(DOE有时被称为光栅，全息光学元件，和子波长衍射光栅。)特别地，DOE140构造为随着光被第一刻面反射而在波导和光学导管之间耦合光，并且，因此，将光学导管的模式尺寸和数值孔径特征和波导的模式尺寸和特征匹配，其中波导的模式尺寸和特征包括由例如波导上绝热减缩波导过渡段的使用而导致的任意模式尺寸转换。由于光束从光学导管的端面到DOE的表面扩展，并且由于在一个实施例中，光束由于从非45°的第一刻面反射而被拉长，所以DOE必须被构造为聚焦并重新成形该光束以沿着波导传播。特别地，在第一刻面沿着硅的晶面蚀刻的实施例中，第一角度将不是45°而是晶面角度，该晶面角度对硅来说是54.7°。因此，由第一刻面反射的光将以非垂直的、名义上的第二角度β照射在基底的平面上，该第二角度在硅基底的情况下将为约19.4°(相对于与平坦表面101a正交)以补偿从54.7°的晶面角度的反射。非垂直的角度导致在DOE上的长方形或椭圆光斑形状，该形状必须通过DOE被重新成形和聚焦，以被发射到波导上。恰当构造的DOE应当不仅当光被第一面反射到波导时成形并聚焦从光纤导管发射的光，并且反向工作，以重新成形并聚焦从波导发射到第一面和光学导管的光。这样的成形和聚焦可通过使用DOE中的弧、脊、柱等而产生的干涉和衍射而实现，如上文所述。除了将DOE构造为将光成形和聚焦以调整上文所述的非垂直的第二角度之外，DOE还应当构造为用于与光学导管的不同接口。例如，在一个实施例中，其将被构造为用于空气通路，在另一实施例中，用于折射率匹配的凝胶。

DOE应当具有有着至少光束170的光斑大小的尺寸的区域。在该方面，应当注意的是，如上所述，光斑尺寸将大于光束的横截面，因为光束是以非垂直的角度入射到DOE上的。不同于传统的透镜，DOE可制成为大于预期的光斑尺寸，以沿着周边捕捉偏离的(errant)光，因为其可计算DOE上任意位置处偏离的光的入射角，并且结合所需的结构以基于已知的角度而成形并聚焦光。因此，相对大的DOE表面区域通常是优选的。例如，如图5所示，图5是光学部件530的仰视图，DOE 540具有约35微米的宽度。

这种DOE的制备在例如Frederik Van Laere,et al.,Compact FocusingGrating Couplers for Silicon-on-Insulator Integrated Circuits,IEEEPHOTONICS TECHNOLOGY LETTERS,VOL.19,No.23(Dec.1,2007)；Tingdi Liao,et al.,High-Efficiency Focusing Waveguide Grating Coupler withParallelogramic Groove Profiles,JOURNAL OF LIGHTWAVE TECHNOLOGY,VOL.15,No.7(July 1997)；Lukas Chrostowski,Optical Gratings:Nano-engineered Lenses,NATURE PHOTONICS,VOL 4(July 2010)；DavidFattal,et al.,Flat Dielectric Grating Reflectors with Focusing Abilities,NATURE PHOTONICS,VOL 4(July 2010)；G.J.Swanson,Binary OpticsTechnology:The Theory and Design of Multi-level diffractive optical elements；LINCOLN LABORATORY,MASSACHUSETTS INSTITUTE OFTECHNOLOGY,Technical Report 854(14August 1989)；和美国专利No.5,657,407中已知并描述，所有以上文件全部通过引用结合于此。合适的DOE将包括，例如，二维高折射率对比聚焦DOE。在本公开的启示下，本领域的技术人员可生产合适的DOE而无需不恰当的实验。

DOE 540与波导531使用诸如绝热渐缩波导过渡之类的已知技术而接口。如图1所示，光学部件130上的波导131基本上平行于内插件的平坦表面101a，虽然其他的构造也是可能的。合适的波导包括，例如，绝缘体上硅(SOI)线、肋状波导、或甚至光纤。由于DOE具有至少与光束170的光斑尺寸一样大的表面区域，如上所述，并且波导趋于更窄(例如，0.5微米)，所以波导531的该实施例包括绝热过渡部532，如图5所示。大体上向下渐缩至波导513的宽度是优选的，以最小化在该过渡中的传播损失。

在图1的实施例中，波导131与光学部件130是一体的。然而，应当理解的是，波导可以是离散的，并且独立于光学部件。替代地，波导和DOE可以设置在第二基底(未示出)上。第二基底可以例如是硅、PCB、柔性材料、玻璃、和聚酰胺。在这样的实施例中，用于与与光学部件连接的下文中所述的内插件热/电气互连且对齐的垫/柱也可与第二基底一起使用。在该方面，应当注意到，本发明可不与完全集成的光学部件一起实施。

光学部件130可以是可被光学耦接到光纤的任意已知或后续开发的应用的特定光电部件。该光电部件可以是例如：(a)光电器件(OED)，其为供给、检测和/或控制光的电装置(例如，光电处理器，诸如CMOS光电处理器，用于发出/接收光学信号、处理信号和传输响应信号；电光存储器，电光随机访问存储器(EO-RAM)或电光动态随机访问存储器(EO-DRAM)，以及用于广利光存储器的电光逻辑芯片(EO-逻辑芯片)；激光器，诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)，双沟平面掩埋异质结(DC-PBH)，掩埋新月型(BC)，分布式反馈(DFB)，分布式布拉格反射器(DBR)；发光二极管(LED)，诸如表面发射LED(SLED)，边缘发射LED(ELED)，超辐射激光二极管(SLD)；以及光电二极管，诸如P本征N(PIN)和雪崩光电二极管(APD))；(b)被动部件，其不将光能转换为其他形式，并且其不改变状态(例如，光纤，透镜，添加/去除滤镜，成阵列的波导光栅(AWG)，GRIN透镜，分束器/耦合器，平面波导，或衰减器)；或(c)混合器件，其不将光能转换为其他形式，但是响应于控制信号改变状态(例如，开关，路由器，调制器，衰减器，和可调滤波器)。应当理解的是，光学部件可以是单个离散器件或其可被组装或集成为器件阵列。

在一个实施例中，光学部件130和基底101协作以形成紧密容差的通道190，该通道用于接收光学导管110。更具体的，参考图3，其示出了光学子组件300，该子组件300具有连接到光学部件530的内插件350。光学部件精确地定位在沟槽502上方，当导管被插入进沟槽时提供了光学导管310上方的预定的间隙。取决于预定间隙的大小，可确定最小的沟槽长度，以保证光学导管的光学轴线111的角度未对齐维持在某一范围内。例如，申请人已经确定了2微米的间隙需要约230微米长的沟槽，以确保光学轴线的未对齐小于0.5°。较小的间隙需要更短的沟槽长度，虽然，随着间隙变小，将光学导管310插入到通道390中的难度也增大。本领域的技术人员，在该公开的启示下，将能够基于最优的间隙而确定最小的沟槽长度。

光学部件在沟槽上方的精确定位可以多种方式实现。在图1的实施例中，沟槽和光学部件之间的间隙通过柱170、171而控制，该柱170、171分别沉积在光学部件和基底上。具体地，参考图4和5，示出了光学部件530的底部表面和基底101的平坦表面101a的布局图。(应当理解的是，示于图5的表面相对于其在子组件100中的位置而被称为底部表面。然而，本领域的技术人员将认识到该表面可以实际上是如众所周知的“倒装芯片”到基底上的芯片的顶部表面。)每个布局图示出了用于支撑光学部件和用于将光学部件电连接到基底的柱，以及用于帮助实现光学部件和基底之间的热传导以帮助光学部件中冷却的柱。例如，参考图4，示出了基底401的平坦表面401a，其中多个沟槽402蚀刻在该表面上。还示出了在每个沟槽402的终端403处限定的第一刻面405。在该实施例中为铜柱的柱471限定在平坦表面401a的上方。柱471具有在光学部件530的底侧上的相应的柱570，如图5所示。

柱不仅用于在基底上方精确地定位光学部件，而且用于将光学部件与基底精确地对齐。也就是，互补的柱471和570之间的焊料可以用于在回流期间被动地将光学部件与基底对齐。为此，光学部件被放在基底上，使得柱471、570使用已知的拾取和放置技术而大致对齐。当组件被回流，使得在柱上的焊料的表面张力导致柱对齐时，基底和光学部件之间的对齐得到实现，从而将光学部件相对于基底的沟槽精确地定位。这样的机构类似于在美国专利No.7,511,258中所公开的机构，该专利全文通过引用结合于此。替代地，不采用焊料回流，而可以使用热压缩结合直接连结互补的柱。

除了光学部件上用于将光学部件相对于基底定位的柱570之外，柱560(图1中的柱160)可被用作机械止动件，以将光纤端面相对于DOE 540的位置轴向定位。不同于圆形的支撑柱570，在该实施例中柱560是矩形的，以提供直的边缘和表面，光学导管端面112邻接抵靠该直的边缘和表面。更具体地，参考回图1和2，柱160防止当端面112被迫使进入倾斜的第一刻面105中时光学导管110被向上推动。在一个实施例中，柱570和560是同一高度的，以有助于可制造性。不同于使用柱以防止光学导管在第一刻面上向上爬坡，通道可被用于控制光学导管移动的程度。更具体地，在一个实施例中，光学导管的端面可成角度以匹配第一面，如上所述。这样的构造有助于第一刻面和前表面之间的凸轮动作，以当端面被推入沟槽中时将端面向上移动。如果光学导管上方的间隙由光学部件的位置精确地控制，并且如果当光学导管邻接光学部件的底部时端面可被割裂以匹配第一面，那么光学导管的精确定位可通过将光纤向前推动直到邻接光学部件的底部并且其端面与第一刻面实现物理接触时而实现。本领域的技术人员在本公开的启示下将会想到其他的对齐方法。

在其他实施例中，不同于或除了焊接垫之外，内插件上的其他基准被用于有助于被动对齐。基准可以是提供光学部件的被动对齐的任意结构或标记。可使用多种基准。例如，该基准可以是从平台表面上凸出的物理结构，该物理结构提供了调准表面，光学部件的边缘可接触抵靠该调准表面以被准确地定位在内插件上。替代地，该基准可以是标记以使得能够使用商业可获得的、超高精度的芯片键合机，诸如，例如Suss MicroTec的机器(参见美国专利No.7,511,258)而实现光学部件在内插件上的可视调准。另外，可使用基准和接触垫的组合。例如，垫可用于将光学部件带至与内插件的隆起的基准接触。在本公开的启示下还有其他的对齐技术对于本领域的技术人员将变得显见。

应当理解的是，其他已知的特征可被结合进本发明的子组件中。例如，在一个实施例中，基底包括贯穿基底过孔(TSV)和热过孔180，如图1所示。类似地，基底101的底部可包括用于有助于实现通过接口与印刷电路板或柔性电路的本领域中已知的电连接的垫。

基于文中的描述，本发明的一个实施例是具有沿着V形沟槽端部刻面的晶面形成的反射镜面的内插件。内插件基底提供了用于将具有DOE的表面安装的光电IC芯片与反射镜面对齐的装置。DOE构造为向反射镜面发送光和接收来自于反射镜面的光，提供了到保持在内插件的V形沟槽中的光纤导管的充分耦合。在一个实施例中，内插件包括：(a)晶体基底，具有顶部平坦表面和晶面角度；(b)至少一个沟槽，该沟槽限定在顶部平坦表面中，并且从基底的边缘延伸到终端，该沟槽具有侧壁和在终端处的第一刻面，该第一刻面具有相对于顶部平坦表面的第一角度，该第一角度精确地处于基底的晶面角度，该第一刻面被制为反射性的；(c)内插件结合垫，其形成在顶部平坦表面上，构造为处于相对于第一刻面的精确位置处；(d)重分布层电互连，形成在顶部平坦表面上，以将内插件结合垫连结到顶侧重分布层接触垫，(e)可选的贯穿基底过孔，以将顶侧重分布层接触垫电互连到背侧接触垫；以及(f)可选的背侧重分布层电互连，形成在基底的底部平坦表面上，以在内插件的背侧上的交替位置处将贯穿基底过孔连结到背侧接触垫。

本发明的另一个实施例是具有至少一个光学波导的光电IC芯片，该光学波导通过绝热过渡而有效地耦合到波导DOE耦合器，以用于通往芯片和来自于芯片的光学互连。波导DOE耦合器设计为经由内插件的反射镜刻面将扩展的波导成像在光纤导管端面上，匹配光纤模式尺寸和数值孔径特征。芯片还具有结合垫，其构造为精确地将结合垫构造匹配在内插件上。结合垫提供光电IC特征到内插件特征的定位和机械组件，并且提供光电IC和内插件之间的电互连和热互连。光电IC芯片上的特定垫与光纤导管相互作用以提供机械的光纤止动件。机械光纤止动件定位垫的位置可相对于波导DOE耦合器的位置精确地定位在光电IC芯片上。

在又一个实施例中，本发明是这样的组件，其包括如上文所述的具有如上文所述的光电IC与之组合，并且可选地具有光纤导管和电气印刷电路板或柔性电路的内插件。通过使用匹配的结合垫，光电IC安装在内插件的顶部表面上，以构造内插件刻面反射镜相对于光电IC波导DOE耦合器的精确定位。光电IC的底面以由结合垫决定的精确高度而从内插件的顶部表面隔开。内插件V形沟槽的结合高度和几何构型决定了为光纤导管的插入提供的间隙的量。光电IC上的机械光纤止动件定位垫被设计为防止光纤端部在插入期间在内插件刻面反射镜的表面上上爬。光纤端面-反射镜-波导DOE耦合器的对齐的几何构型由内插-光电IC子组件决定。光纤导管的角度控制由插入间隙和插入距离决定。从光电IC的边缘到耦合位置的距离足够提供对光纤导管的角度对齐的控制和提供用于波导到光电IC上的波导DOE耦合器几何构型的绝热过渡的长度。在一个实施例中，子组件包括：(a)晶体基底，具有顶部平坦表面和晶面角度；(b)至少一个沟槽，该沟槽限定在顶部平坦表面中，并且从基底的边缘延伸到终端，该沟槽具有侧壁和在终端处的第一刻面，该第一刻面具有相对于顶部平坦表面的第一角度，该第一角度精确地处于晶面角度，该第一刻面被制为反射性的；(c)光纤导管，其具有光轴和与第一刻面光学耦合的端面，该光纤导管与光电IC的机械止动特征和底面以及与基底沟槽协作；(d)波导DOE耦合器，其设置在第一刻面上方并被构造为以第二组角度向第一刻面发送光/接收来自于第一刻面的光，该第二组角度非垂直于基底顶部平坦表面；(e)光电IC部件，具有至少一个波导，该至少一个波导通过绝热过渡而光学耦合到波导DOE耦合器；以及(f)柔性电路或印刷电路板，其在内插件的顶部或底部表面上电连接到该内插件。

Claims (14)

1.一种光学组件，包括：

晶体基底(101)，具有顶部平坦表面(101a)和晶面角度；

至少一个沟槽(102)，该沟槽限定在所述顶部平坦表面中，并且具有从所述基底的边缘(315)延伸到终端(103)的侧壁(104)，所述沟槽(102)具有在所述终端(103)处的第一刻面(105)，所述第一刻面(105)具有相对于所述顶部平坦表面的第一角度，所述第一刻面(105)是反射性的；

光学导管(110)，具有光学轴线和与所述第一刻面(105)光学耦合的端面；

波导(131)；以及

衍射光学元件，即DOE(140)，其设置在所述第一刻面(105)上方，并构造为随着光被所述第一刻面(105)反射而在所述波导和所述光学导管之间耦合光。

2.如权利要求1所述的光学内插件，其中所述第一刻面(105)通过对所述基底(101)进行湿式蚀刻而产生。

3.如权利要求2所述的光学组件，其中所述第一角度是所述晶面角度。

4.如权利要求3所述的光学组件，其中所述基底为硅，并且所述第一角度约为54.7°。

5.如权利要求3所述的光学组件，其中在所述DOE(140)和所述第一刻面(105)之间的光束是处于名义第二角度的，所述第二角度非垂直于所述平坦表面信号。

6.如权利要求1所述的光学组件，其中所述波导(131)被集成进光学部件(130)中。

7.如权利要求6所述的光学组件，其中所述光学部件(130)是光电集成电路。

8.如权利要求1所述的光学组件，其中所述光学导管(110)是光纤。

9.如权利要求8所述的光学组件，其中所述端面正交于所述光学轴线。

10.如权利要求9所述的光学组件，还包括光学部件(530)，该光学部件光学地耦合到所述波导(531)，其中所述光学部件包括用于将所述光纤轴向定位在所述沟槽(502)中的至少一个止动件。

11.如权利要求10所述的光学组件，其中所述止动件包括设置在所述第一刻面(105)上方的至少一个柱，以防止所述光纤向上移动。

12.如权利要求1所述的光学组件，还包括光学地耦合到所述波导的光学部件，其中所述基底和所述光纤部件包括一定高度的互补的柱，以确保在所述沟槽中用于所述光学导管的合适的间隙。

13.如权利要求12所述的光学组件，其中所述间隙约2微米，并且所述沟槽足够长以将所述光学轴线相对于所述平坦表面的角度未对齐限制为不超过0.5°。

14.如权利要求11所述的光学组件，其中所述柱为铜柱。