CN106461881B - 制造垂直光耦合结构的过程 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于制造在第一光学或光电元件(2)和第二光学或光电元件(3)之间的垂直光耦合结构(1)的方法。所述垂直耦合结构(1)通过以下步骤生成：步骤(i)，将主层(A)沉积到包括第二光学或光电元件的基板(25)上，和步骤(ii)，对所述主层刻蚀和/或物理化学蚀刻。生成定位为面对和接触位于所述基板中的第二光学元件的每个垂直光耦合结构。单片主层包括基本上截锥形状的耦合部件(12)，所述耦合部件由具有比空气的折射率大的折射率的材料组成。所述耦合部件每个都具有用于接触第一光学或光电元件的发射或接收表面(21)的第一横向端表面(121)，以及接触第二光学或光电元件的发射或接收表面(31)的第二横向端表面(122)。

Description

制造垂直光耦合结构的过程
技术领域
本发明涉及在光学或光电元件之间的光耦合结构的领域。本发明特别地应用于共同地和无源地将光纤基体连接到具有垂直面照明的小尺寸的快速光电探测器的基体，或连接到具有通过表面发射的垂直空腔(即，垂直腔面发射激光器或VCSEL)的小尺寸的快速激光二极管的基体。
背景技术
耦合装置已知用于在发射光纤束和另一接收光纤束之间传输光信号，或有源或无源的一个或多个光学或光电元件，诸如连接器、发光或激光二极管等。
为了减少在输入或输出光纤时由于光学错位、背向反射或其他光学几何效应的信号损失，耦合装置必须提供光纤轴线的精确对准并避免在光纤的芯体和外部介质之间的折光率的不连续性。光纤和VCSEL(垂直腔面发射激光器) 的耦合对于单模光纤通常需要对准到最近的微米以及对于多模光纤通常需要对准到最近的几微米。此外，出于明显的实际原因必须尽可能多地减少耦合装置的体积，以遵守光电装置的不断小型化的要求。
存在用于使用两个定位机构对准光纤和激光发射器的已知有源技术。激光发射器生成被有源地定向到光纤内的光束，光纤也被有源地定向。这两个定向机构具有使激光和光纤对准以获得最大输出的功能。当获得对准时，光纤通过焊接或粘合附接到激光发射器。该有源对准技术导致所获得元件的高成本。
此外，例如具有球透镜的现有技术耦合系统引起了在三个部件中对准的问题，即发射元件、接收元件和镜头本身。然后是与六个自由度的对准。
也提出了无源对准技术。例如，T.Ouchi的文献“使用在厚光刻胶中图案化的引导孔使VCSEL直接耦合到塑料光纤(Direct Coupling of VCSELs to Plastic OpticalFibers Using Guide Holes Patterned in a Thick Photoresist)”描述了一种使通过背面发射的VCSEL和光纤耦合的过程，所述过程包括在该VCSEL的基板中形成引导孔。在承载该装置的基板中钻出引导孔并且光纤滑入到这些孔内。引导孔能够逐渐变细以改进光纤的引导。
然而，尽管该技术引导光纤，但它仅通过直接接触提供光耦合，所谓的“对接耦合”。其同样也不聚焦光束并且不允许小尺寸或从光纤发散的VCSEL 或VCSEL有效地耦合到其芯体具有减小尺寸的一个光纤，诸如单模光纤，或有效地耦合到具有比其更小尺寸的光电探测器的光纤。
文献[GB1409793，EP1722258，US20080123198，WO2011/002508A2]关于由彼此附接的机械部件组成的光耦合结构。这些文献提出了在激光器具有大尺寸的状况下，(例如往往大于50μm的尺寸)的光电探测器和激光器的无源耦合。对于文献[GB1409793，EP1722258，US20080123198]，这涉及生成光纤与单个发射器或接收器装置的耦合，对于专利[WO2011/002508A2]，甚至涉及生成光纤与以量化、有限的数目(1、2、4，通常小于16)的一组光发射器或接收器装置的耦合。
所有上述文件均未提出一种共同的解决方案，其允许生成用于使光纤的基体N耦合到光学装置、源或探测器的基体N的结构。
因此需要一种简单的耦合装置，其能够共同地生成，很容易适应很小厚度，并且能够聚焦光束和改进耦合度，而不需要有源对准。
发明内容
本发明的一个目的是可以以简单和廉价的方式(即共同地和无源地)使两个光学和光电元件耦合，诸如VCSEL激光和光纤。在本发明的背景下实现了这一目的，由于在两个光学或光电元件之间的垂直光耦合结构，所述耦合结构的特征在于，它包括整体截锥形状的耦合部件，所述耦合部件由具有比环境介质(通常空气)的折射率大的折射率的材料组成，所述耦合部件具有用于接触第一光学或光电元件的发射或接收表面的第一横向表面以及用于接触第二光学或光电元件的发射或接收表面的第二横向表面。
本发明能够耦合光纤，特别地单模或多模光纤。假定用单模光纤的耦合所获得的低输出，本发明对于这类光纤特别地适用和有利。
通过单独地或以其技术上可能组合的任一种采取的以下特征有利地完成本发明：
—所述耦合部件的材料具有在1.2和4.2之间的折射率；
—所述耦合部件的材料具有在所述两个光学或光电元件的发射或接收表面的折射率之间的折射率；
—所述耦合部件的材料是聚合物；
—所述耦合部件的材料是光敏树脂；
—所述耦合部件的材料由SU-8、苯并环丁烯、聚对二甲苯、聚甲基丙烯酸乙酯或硅制成；
—所述垂直光耦合结构进一步包括支撑部件，该支撑部件适用于承载在接收所述光学元件中的一个的基板上，从而相对于所述光学元件的发射或接收表面将所述耦合部件保持在耦合位置；
—所述支撑部件包括适用于承载在基板上的框架，以及将所述耦合部件连接到所述框架并从所述耦合部件径向地延伸的悬臂；
—所述悬臂具有三角形截面，该三角形的一个顶点被定向在所述耦合部件的截锥面的一侧上；
—所述支撑部件进一步包括用于保持光纤的结构，所述结构在其中心具有适用于接收所述光纤的一端的筒形壳体；
—所述垂直光耦合结构进一步包括在所述光纤保持结构和所述支撑之间的分离层；
—所述耦合部件为具有圆形或矩形截面的截锥形状。
—在接收待耦合的光学和光电元件的基体的所述基板上共同制造的单一步骤中，所述耦合部件及其支撑部件作为基体生成。
本发明涉及一种用于制造如上所述的垂直光耦合结构的方法，例如通过对接收所述光学元件中的一个的基板进行刻蚀、光刻蚀和/或物理化学蚀刻而制造。这因此生成了共同和无源的耦合。
换句话说，本发明涉及一种用于制造在第一光学或光电元件和第二光学或光电元件之间的垂直光耦合结构的方法，能够生成被称为基体的一体的共用耦合装置，
所述垂直耦合结构通过以下步骤生成：
—在步骤(i)中通过将主层沉积或传输到包括第二光学或光电元件的基板上，
—在步骤(ii)中通过对所述主层刻蚀和/或物理化学蚀刻，
生成定位为面对和接触位于所述基板中的第二光学元件的每个垂直光耦合结构，
所述单片主层包括整体截锥形状的耦合部件，所述耦合部件由具有比空气的折射率大的折射率的材料组成；
所述耦合部件每个都具有用于接触第一光学或光电元件的发射或接收表面的第一横向端表面，以及接触第二光学或光电元件的发射或接收表面的第二横向表面。
术语“主层”被理解为一种诸如树脂的能够变形的层，或诸如硅片的固体层，其被传输到所述基板上并被蚀刻。
这一主层沉积在整个基板上，并且不被容纳在任一种的任何模具中。
术语“沉积”同样地涉及将可延展层沉积到所述基板上并且将安装例如由硅制成的固体晶片设备的等效物传输到所述基板上。
由光刻蚀进行所述主层的刻蚀和/或物理化学蚀刻的步骤。
所述主层的刻蚀和/或物理化学蚀刻的步骤对于每个垂直光耦合结构能够生成支撑部件，所述支撑部件配备有适用于承载在所述基板上的悬置框架，以及将所述耦合部件连接到所述框架的悬臂。
第二层B沉积到所述主层上，该第二层可以通过刻蚀和/或物理化学蚀刻生成用于在筒形壳体中接收第一光学或光电元件的保持结构。
所述主层是光敏树脂或非光敏树脂。
所述主层由硅制成。
压印光刻蚀和/或纳米压印光刻蚀技术用于生成所述垂直耦合结构。
所述主层由反应离子蚀刻和/或深反应离子蚀刻技术加工。
在所述壳体上挖空所述基板以将各种第二光学或光电元件与所述基板的上表面齐平地布置在这些壳体中；所述第二光学或光电元件(3)通过金属迹线彼此连接。
所述第一和第二光学或光电元件具有小于20μm的尺寸。
本发明还涉及一种用于在两个光学或光电元件之间的垂直光耦合的结构，所述结构由如上限定的方法制成。
本发明还涉及一种组件，所述组件包括：
—具有发射或接收表面的第一光学或光电元件；
—具有发射或接收表面的第二光学或光电元件；
—由权利要求11至17限定的垂直耦合结构，其包括整体截锥形状的耦合部件，所述耦合部件由具有比空气的折射率大的折射率的材料组成并具有给定高度；
所述耦合部件具有第一横向表面，所述第一横向表面具有第一直径并用于接触所述第一光学或光电元件的发射或接收表面，以及第二横向表面，所述第二横向表面具有第二直径并用于接触所述第二光学或光电元件的发射或接收表面；
所述组件的特征在于，所述第一和第二横向表面的尺寸被优化，从而使所述第一光学或光电元件的输出光场的横向分布与所述第二光学或光电元件的发射或接收表面的重叠最大化，同时允许在所述第一光学或光电元件和所述第一横向表面之间，以及在所述第二光学或光电元件和所述第二横向表面之间定位的变化，并且
对于给定的第二直径，以光束的给定波长，以这种方式确定高度和第一直径的比值，使得相对于所述两个光学或光电元件之间最大耦合的位置，对于在所述两个光学或光电元件之间至少5微米、或多或少的错位偏差，在第一光学或光电元件和第二光学或光电元件之间提供至少60％的光耦合。
本发明还涉及一种包括几种耦合结构的基体。
本发明还涉及一种组件，所述组件包括具有几个耦合结构的基体，位于基板中的第二光学元件的基体和/或用于接收第一光学元件的保持结构的基体，这些基体彼此承载。
附图说明
从参照作为说明和非限制性的附图的以下详细描述，其他目的、特征和优点将变得显而易见，其中：
—图1示出了根据本发明的可能实施例的耦合结构；
—图2表示耦合到光纤的耦合结构的剖视图；
—图3表示耦合到光学或光电元件的耦合结构的剖视图；
—图4表示将光纤耦合到光学或光电元件的耦合结构的剖视图；
—图5表示耦合到光学或光电元件的根据本发明的一种可能实施例的几种耦合结构；
—图6表示具有用于引导光纤的壳体的根据本发明的实施例的耦合结构；
—图7表示耦合到光纤的图6中的耦合结构，对于该耦合结构，光纤芯体具有比截锥耦合部件的上部小的宽度(这种情况下光纤用作光学射线的发射器)；
—图8表示一种具有锥形保持结构的根据本发明另一实施例的耦合结构；
—图9表示图8中耦合结构，对于该耦合结构，光纤芯体具有比截锥耦合部件的上部小的宽度(这种情况下光纤用作光学射线的发射器)；
—图10a和图 10b表示根据本发明另一实施例的耦合结构；
—图11a示出了一种根据本发明的实施例的用于生成耦合结构的刻蚀方法；
—图11b示出了一种根据本发明的实施例的用于生成具有光纤保持结构和悬臂的耦合结构的刻蚀方法；
—图12a 和 图 12b 表示在多模光纤和光电探测器之间耦合度上的对准公差的曲线，其有源检测表面为边长10μm的正方形，对于首先(左侧部)长直径25μm、高 25μm和短直径10μm的圆形耦合结构，以及其次(右侧部)长边25μm、高25μm 和基层10μm的方形耦合结构；
—图13示出了光电元件的电触点在根据本发明实施例的耦合结构上的定位，
—图14示出了在芯体直径9μm的单模光纤和5μm的光接收器之间耦合的情况，
—图15示出了，对于与图14中相同的状况，但对于耦合部件的上基层截面具有20μm的尺寸，
—以下图16和17示出了在与直径10μm的光接收器兼容的直径10μm的区段情况下所获得的结果，
—以下附图示出了使用SU8树脂以耦合波长1550μnm和芯体直径9μm 的单模光纤所获得的初步实验结果。
具体实施方式
图1表示了一种在具有可能不同尺寸的发射或接收表面的两个光学或光电元件之间的示例性垂直耦合结构，该垂直光耦合结构在基体中由根据本发明的方法生成N次，如图5和13所述。
在图2中，第一光学或光电元件是光纤并且第二光学或光电元件是 VCSEL。
术语“垂直”光耦合应理解为是指相对于其上生成有耦合结构的基板的平面垂直，该平面也是光纤保持结构的平面。
一种阶跃折射率光纤由恒定指数N1的透明圆柱芯体23组成，所述透明圆柱芯体23由指数N2<N1的同心护套22所围绕。芯体23例如由折射率N1＝1.456 和芯体直径9μm的硅石制成，并且护套22由折射率N2＝1.410和直径125μm的硅石制成。单模光纤的芯体23通常具有9μm的直径，而VCSEL具有直径大致为8到12μm的发射表面。本发明对于与更小尺寸(通常1到10μm)的激光或光电探测器耦合特别地有利。
耦合结构1包括整体截锥形状的耦合部件12，其限定填充有如下材料的体积，所述材料具有比环境介质的折射率更大的折射率，环境介质通常为空气。
耦合部件12为通过垂直于其旋转轴的平面所截取的锥形。
术语“截锥”可错误地扩展到棱柱体、截棱锥或连接两个不同尺寸的平行平面表面的收敛形状。
参照图2，锥形基层121，其为与更大表面的旋转轴垂直的表面，用于接触到光学或光电元件2的发射或接收表面21。
参照图3，截锥表面122，其为与更小表面的旋转轴垂直的表面，用于接触第一光学或光电元件3的发射或接收表面31。
锥形基层121的面积通常小于第一元件2的发射或接收表面21的面积。以同样方式，锥形的截锥表面122具有小于或等于第二元件3的发射或接收表面31的面积。此外，锥形基层121适用于由第一元件2的发射或接收表面21 完全地覆盖。以同样方式，锥形的截锥表面122适用于由第二元件3的发射或接收表面31所覆盖。
参照图2、3和4，在光纤2和VCSEL 3之间的耦合过程中，VCSEL的发射表面31邻接截锥表面122，而光纤2的芯体23邻接锥形基层121，光纤的护套22承载在支撑结构15上。锥形基层121具有比光纤的芯体23的截面更小尺寸的截面。对于VCSEL，圆锥的截锥表面122具有大于或等于VCSEL的发射表面的表面积。
对于光电探测器，截锥表面122必须小于或等于光电探测器的表面积并且锥形的上基层121大于或等于如图7和9所示发出射线的光纤芯体23。
耦合部件12的折射率必须大于环境介质的折射率。例如在环境介质为空气的情况下，耦合部件12的折射率必须大于1。优选地，耦合部件12的折射率必须高，以允许更好地保持在光纤的接受锥形中的角度。因此，耦合部件12的折射率必须大于1，优选地大于2，并且更优选地大于3。
此外，在耦合部件12的折射率和形成发射或接收表面21和31的材料的折射率之间的间隔必须低，以减少反射损失。因此，耦合部件12的折射率被包括在形成两个光学或电子元件2和3的发射或接收表面21和31的材料的折射率之间，到最接近的20％，有利地到最接近的10％。对于在光纤2和VCSEL 3 之间的耦合，光纤芯体的折射率通常在1.5的数量级以及VCSEL的发射表面的折射率在3.5的数量级，耦合部件12的折射率因此在1.20和4.20之间；优选地在1.35和3.85之间。耦合部件12例如优选地由感光树脂制成。
在元件2和3具有圆形发射或接收表面的情况下，耦合部件12有利地具有圆形截面的截锥形状。如果光学元件中的一个具有矩形发射或接收表面，那么耦合部件12具有矩形截面。此外，如果所发出的光具有有利的偏振轴线，那么耦合部件12有利地具有以保持该有利偏振轴线的方式定向的矩形或椭圆形截面。
术语“整体截锥形状”应理解为是指具有被包含在平行于其基层的平面和其基层之间的一部分锥形形状的结构，锥形是由穿过被称为顶点的固定点和描述封闭平面曲线的变量点的母线所限定的体积。母线是直线或小于5％曲率的曲线。
该术语特别地包括具有圆形、矩形、方形或椭圆截面的截锥形状。整个截锥形状可以局部地中空，但优选地为实心体。
接触截面121和122的尺寸被优化，从而使第一元件的输出光场的横向分布与第二元件的接收表面的重叠最大化。
锥形的角度θ和高度H以这种方式确定，使得包含在发射光学元件输出时光束的发散，并且从而使在发射元件和接收元件之间的接受角度和图案的适应性最大化。
根据由发射元件发出的图案以及接收元件的几何形状，电磁仿真必须可以优化锥形截面的尺寸和轮廓。可使用本领域技术人员众所周知的软件程序进行这种优化，诸如RSoft软件程序。
如果元件3是具有边长10μm的方形截面的快速光电探测器，并且如果元件2为发射波长850nm光束的具有芯体直径50μm的多模光纤，那么耦合结构1 有利地由具有方形截面、边长10μm的截锥表面122、大于25μm的高度H以及边长在1.17xH+3.7μm和50μm之间的基层121的SU-8光敏聚合物制成。在这一结构中，耦合结构1有利地能够增加光纤到光接收器的耦合系数，同时放松对光纤对准的限制。
如果元件3是具有边长10μm的方形截面的快速光电探测器，并且如果元件2为发射波长850nm光束的具有芯体直径9μm的单模光纤，那么耦合结构1 有利地由具有方形截面、边长10μm的截锥表面122、可变高度H以及边长15μm 的基层121的SU-8光敏聚合物制成。在该结构中，耦合结构1有利地能够放松对光纤对准的限制，并且如果适用的话，在与通过直接接触的耦合解决方案相比时减少了在界面的反射。
如果元件3是发射波长850nm光束的具有光学孔径D(通常8μm)的高速VCSEL，并且如果元件2是芯体直径50μm的多模光纤，那么耦合结构1有利地由具有圆形截面、直径7-9μm的截锥表面122、接近30μm的可变高度H 以及在垂直和圆锥截面的母线之间、在-5°到+5°之间的角度的SU-8光敏聚合物制成，使得对于8μm的D值能够确定从而被包括在4和12μm之间的基层121 尺寸。在该结构中，通过在光纤输入时减少光束的发散，同时也放松对光纤对准的限制，耦合结构1有利地能够增加VCSEL到多模光纤的耦合系数。还可以保持小尺寸VCSEL的高耦合度，通常几微米的光学孔径直径。
如果元件3是发射波长850nm光束的具有光学小孔直径8μm的高速 VCSEL，并且如果元件2是芯体直径9μm的多模光纤，那么耦合结构1有利地由具有圆形截面、直径7-9μm的截锥表面122、在30μm和50μm之间的高度H 以及直径在4μm和9μm之间的基层121的SU-8光敏聚合物制成。在该结构中，当与传统解决方案相比时，通过在光纤输入时减少光束的发散，同时也放松对光纤校准的限制，耦合结构1有利地能够保持与光纤的高耦合系数。
耦合结构1进一步包括适用于承载在接收光学元件3中的一个的基板35 上的支撑部件15，以相对于光学元件3的发射或接收表面将耦合部件12保持在耦合位置。支撑部件15进一步包括适用于承载在基板35上的框架151以及将耦合部件12连接到框架151并从耦合部件12径向地延伸的悬臂152。耦合结构1有利地包括以相等角度布置在耦合部件12周围的三个或四个悬臂152。参照图5，如果几个光学或光电元件布置在同一个基板35上，那么几个耦合结构12 能够并置以生成共同耦合。支撑部件15的存在强化了耦合结构1的坚固性并防止其下垂。
如果在光纤2和VCSEL 3之间存在耦合，框架151具有横截面(垂直于截锥轴线)，所述横截面具有矩形外轮廓和圆形内轮廓。悬臂152有利地为三角形截面(与臂的纵向方向垂直的截面)，所述三角形的一个顶点以这种方式被定向在耦合部件12的截锥表面的侧面上，使得限制在耦合部件12和悬臂152之间界面的发射损失。
参照图6和7，如果第一光学或光电元件2是光纤，并且第二光学或光电元件3是VCSEL，那么由其中心具有适用于接收光纤2的一端的筒形壳体17 的光纤保持结构18以这种方式完成耦合结构1，使得对准耦合结构1固定和调节光纤2的位置。光学分离层9插入在光纤保持结构18和支撑部15之间，以保证密封和控制在耦合结构151周围的外部介质(通常空气)的性质。
可选分离层9通常由硅、二氧化硅、氮化硅、玻璃、聚对二甲苯，例如 SU8、BCB、PMMA类型的聚合物或树脂制成。
光纤保持结构18通常由硅或聚合物制成。
可用或不用压力实现耦合部件12和光学元件2和3的定位。有利地，耦合结构1由允许其能够通过压力对着光学元件保持在适当位置中的粘合性质材料(例如SU8，BCB)制成。
耦合结构1能够限制由具有更大直径的发射表面的光学或光电元件朝具有更小直径的接收表面的光学或光电元件发出的光束。所提出的结构显著地能够使小尺寸(通常几微米)的快速光电探测器耦合到通常具有芯体直径50μm的多模光纤，效率大于通过直到现在所提出的过程所获得的结构，并且这具有能够通过对光电探测器的基板进行刻蚀直接地生成的简单耦合结构，其使得能够设想共同耦合以及放松对与光纤对准所需精度上的限制。
耦合结构1也可以限制由具有更小直径的发射表面的光学或光电元件朝具有更大直径的接收表面的光学或光电元件发出的光束。所提出的结构显著地可以使VCSEL耦合到单模或多模光纤，效率大于通过直到现在所提出的过程所获得的结构，并且这具有能够通过对光电探测器的基板进行刻蚀直接地生成的简单耦合结构，其使得能够设想共同耦合以及放松对与光纤对准所需精度上的限制。
有利地由光纤保持结构18完成垂直耦合结构1。该光纤保持结构18可作为额外部件或在材料1的主体中制成。
包括几个耦合装置的基体的生成步骤取决于所选择的材料。两种情况是可能的：材料是光敏树脂的情况，以及必须通过微电子技术(硅、非光敏树脂) 加工材料的情况。
如果该材料是光敏树脂(SU8，BCB等)，那么该方法然后包括控制显影和暴光到紫外线(UV)的时间，以调节聚合图案的边缘。可以获得斜面并且通过欠/过度曝光和欠/过度显影优化了其倾角。替代地能够采用压印刻蚀(或IL) 和纳米压印刻蚀(NIL)技术。
如果必须通过微电子技术(硅、非光敏树脂)加工材料，那么活性离子蚀刻(RIE)和深度活性离子刻蚀(DRIE)的方法有利地用于控制蚀刻边缘。硅的DRIE技术特别地允许精确控制在直线倾斜形状上的边缘，或在弯曲形状上的正或负角。
对于树脂类型材料，能够替代地采用压印刻蚀(或IL)和纳米压印刻蚀 (NIL)技术。
例如如上所述参照图11完成光刻蚀生成方法。
VCSEL的基板覆盖有在第一照射中使用掩模被照射的光敏树脂层，因此使暴露到光的部件聚合。在烘烤处理后，被聚合部件变得不溶于显影剂，而光敏树脂的非曝光部件仍然可溶。在溶解了可溶性光敏树脂部件后，仅留下了暴光在第一照射中的光敏树脂。
垂直光耦合结构1也可在通过压缩或粘结(对于感光材料的聚合物粘结) 组装的一些部件中生成。垂直光耦合结构1替代地生成为单个整体块。可通过光刻蚀和RIE技术的组合，或仅通过DRIE(对于硅)，或通过刻蚀和NIL技术的组合进行一体生产。
参照图13，垂直耦合结构1不掩蔽待耦合光电元件的电触点32。通过电触点的分离，或通过支撑部件15的足够测量，其电极位于支撑部件15外侧。
能够使用各种常用技术，并且特别是倒装芯片技术，热压缩技术、导线粘结技术，或刻蚀包容和接触技术获取待耦合光电元件的电触点32。
倒装芯片和热压缩技术需要用于进行互连的传输基板，从而具有开口来允许光纤通过它运行。该基板可以对其中制造有筒形壳体的基板是共用的，其可以是插入基板并且本身具有电气连接。因此这种方法适合于3D互连方法。
就尺寸而言，如果固定结构承载光纤整体，那么其尺寸在半径上处于 62.5μm的数量级。从VCSEL到其电触点的距离通常大于这一尺寸。然而，使用刻蚀包容和接触技术，能够允许光电元件的触点位于光纤壳体以下。这一选择将允许VCSEL和光电探测器的更大生成密度。
以无源的方式机械地进行光纤的定位。然后建议优化光纤保持结构18。通过机械传输过程(称为拾取和放置)或自动或手动过程将生成光纤。实施该操作的设备可具有到最接近1μm的对准精确，其很容易足够。参照图8和9，保持结构18有利地具有锥形形状的上部，该上部有利地促进了光纤滑动进入其壳体以减少对定位器械的限制，并且甚至能够允许手动定位。在这种意义上，没有对准待进行。这通过结构本身以自动和完全无源的方式进行。
参照图12a 和 图 12b ，考虑到通过在光电探测器上耦合结构1的光刻蚀的对准，精度将通常为+/-1μm，导致拟总体符合最大比率。然而不同地获得光纤的对准(引导到狭缝内)。对于在芯体直径50μm的多模光纤和具有边长10μm的有源表面的光电探测器之间的耦合，已知，对于在基本模式上大于70％的耦合，光纤的对准可以容许+/–10μm，并在所有情况下大于40％。使用球面镜片的其他传统技术已经能够证明在边长10μm的光电探测器尺寸上的40％的最大耦合度，光纤的模态分布减少(使用没有混模器或模式耦合器的具有5个横向图案，光纤长度30厘米的激光)。所提出的技术因此导致关于耦合度的重大的定性优点，同时导致无源的共同的解决方案。
参照图10 a) ，两个耦合结构可相关联。第一耦合结构1的锥形基层121 和第二耦合结构1的锥形基层121被挤压在一起，并且第一光学或光电元件的发射或接收表面31对着第一耦合结构1的截锥表面122挤压，而第二光学或光电元件的发射或接收表面31对着第二耦合结构1的截锥表面122挤压。
作为如图10b )所表示的两个光学或光电元件之一，可有利地用在其保持壳体18中的光纤以及用其接口膜9完成这一关联。
本发明还涉及一种用于制造在第一光学或光电元件2和具有与第一光学或光电元件2不同尺寸的第二光学或光电元件3之间的垂直光耦合结构1的方法，能够生成一种所谓的基体一体的共用耦合装置。
所述垂直耦合结构1通过以下生成：
—在步骤i中通过将主层A沉积到包括第二光学或光电元件的基板35上，
—在步骤ii中通过对主层刻蚀和/或物理化学蚀刻，
术语“主层”A被理解为是诸如树脂的能够变形的层，或诸如硅片的固体层，其被传输到基板上并被蚀刻。
这一主层A沉积在整个基板上，并且不被容纳在任一种的任何模具中。
术语“沉积”同样地涉及将可延展层沉积到基板上并且将安装例如由硅制成的固体晶片设备的等效物传输到基板上。
使用刻蚀技术在整个基板上在这一主层的大部分中共同地，同时有利地制成光耦合结构。耦合结构的图案由掩模支撑并且通过在覆盖基板的主层上的刻蚀再现，从而通过共同作用确保精确度由所生成的每个耦合结构共享。特别地，光刻蚀技术可用于将掩模层传输到主层上，从而能够通过传输物理化学蚀刻将掩模图案转移在主层上，通过蚀刻控制参数进行耦合结构1的边缘角度的控制。
当该层感光时，也可以使用在主层上直接刻蚀的技术，通过调节过度/欠曝光和过度/欠显影的状态进行耦合结构1的边缘角度的控制。
图案也可以事先在印模上生成，可能由先前的两种技术之一生成，其通过冲压应用于主层以形成耦合结构。这是也称为纳米–压印–刻蚀(NIL)的以微米或纳米级的冲压技术。这些技术的每一种都确保了耦合结构1的共同生成，在整个晶片上具有以微米甚至纳米级的精确度。
生成每个垂直光耦合结构1以被定位为面对和接触位于基板35中的第二光学元件31。
在步骤ii后的单片主层包括整体截锥形状的耦合部件12，所述耦合部件由具有比空气的折射率大的折射率的材料组成。
耦合部件12每个都具有旨在与第一光学或光电元件2的发射或接收表面 21接触的第一横向端表面121，以及与第二光学或光电元件3的发射或接收表面31接触的第二横向端表面122。
换句话说，通过在步骤i中沉积主层以及在步骤ii中使该主层成形，该方法能够获得直接在光学元件上生成的耦合结构，同时在其尺寸上相对彼此非常精确，并且这用于光学元件的小尺寸。
有利地，第一元件为光纤并且第二元件为光学装置，源或探测器。
在一个实施例中，单片主层包括光纤保持结构18，其在中心具有适用于接收光纤2的一端的筒形壳体17。
臂的最小数量和尺寸(用于通过臂避免光学损失)明显地取决于截锥耦合部件相对于垂直线的角度θ。
在一个实施例中，能够不存在臂，截锥耦合部件由于其尺寸(具体地相对于垂直线的小角度)通过其自身重量搁置在基板上，而不需要臂。
本发明因此能够直接地生成耦合结构的基体(耦合结构互连并且作为被称为基体的单一和相同元件或一体件的一部分)，耦合结构至少耦合到被布置在给定基板中的第二光学或光电元件(这些第二元件与该基板形成基体。)
具有保持结构以及在这些保持结构内侧容纳的第一光学或光电元件的基体可以然后被传输。
或作为替代方案，耦合结构的基体可被切割成子基体，以及被传输的基体，内侧可选地容纳有保持结构和第一光学或光电元件。
然而，可以设想其他的实施例。
在一个实施例中，耦合结构可以在临时基板上生成，并且在切割之前能够由此共同地拆卸和分离，或在切割后单独地拆卸和分离。
在一个实施例中，在从基体切割掉每个耦合结构1后，耦合结构1可被隔离，并在制造所述耦合装置之后的步骤中单独地机械地放置在装置生成光耦合的两个光学或光电元件之间。
在另一实施例中，在制造所述耦合装置之后的步骤中，该耦合结构的基体共同和机械地适用在装置生成光耦合的第一和第二光学或光电元件的两个基体之间。
本发明也能够生成所需的耦合结构形状。
所提出的制造方法能够标出锥形的斜面的尺寸，以根据需要生成平直或弯曲的斜面，或带有锥形的其他纵向形状的斜面(根据垂直高度)。
在基体中，也可具有不同的圆锥形状，以及具有不同数量臂的耦合结构，如在图5和13中所绘制的。
接触截面121、122的尺寸被优化以使第一元件的输出光场的横向分布与第二元件的接收表面的重叠最大化，同时也允许在光纤和接触截面121之间，以及在光学或光电元件2和接触截面122之间的定位变化。
锥形的角度θ和高度H以这种方式确定，使得包含在发射光学元件输出时光束的发散，并且从而使在发射元件和接收元件之间的接受角度和图案的适应性最大化。
换句话说，对于给定的第二直径，在给定波长下，以这种方式确定高度和第一直径的比值，使得对于在这两个光学或光电元件之间的从最大耦合值的至少5微米(或多或少)的错位偏差，在这两个光学或光电元件之间确保至少 60％的光耦合。
以下的图14示出了在芯体直径9μm的单模光纤和波长1550nm的直径 5μm的光接收器(对应DW)之间耦合的情况，通过将根据作为锥形基层121 的直径(对应于TWF)纵坐标以及根据锥形高度(对应于TH)的横坐标表示所预期的耦合度。
所使用的材料是SU–8光敏聚合物树脂。截锥表面122的直径(对应于 TWD)在直径上被固定在5μm。这里所表示的是，对于最小20μm的锥形高度需要最小12μm的尺寸。
增加截面121的尺寸是有利的，从而确保更好地容许光纤的错位，以及从而更容易地确保无源耦合。锥形高度然后必须与该曲线成比例地增加。以这种方式，能够识别要符合的最大角度。
错位可被限定为在第一光学或光电元件23和第二光学或光电元件31之间的水平距离。
下一附图15示出了同样的状况，以及对于截面121的20μm尺寸和耦合部件12的25μm高度，光纤位置相对于耦合部件12的轴线中心的分离公差。
在存在耦合结构1时，预期了超过95％的耦合度，而没有耦合结构1的情况相比，耦合度低于40％，以及在曲线的中等高度超过+/–5μm的光纤错位的公差，能够通过光纤相对于该结构的简单机械定位确保对准的无源性质。通过观察由先前附图给出的对于锥形角度和高度的尺寸限制，能够增加截面121的尺寸。
以下附图16和17示出了对于与直径10μm的圆形光接收器兼容的直径 10μm的截面122所获得的结果。
以下附图18示出了使用SU 8树脂以耦合波长1550nm和芯体直径9μm 的单模光纤，所获得的初步实验结果。图18示出了根据光纤相对于耦合结构的中心轴线对准，在由具有直径10μm的圆形截面的膜片所表示的光接收器和光纤之间耦合的仿真(S)和测量(M)的结果。
已经根据先前曲线选择耦合结构1为具有高度42μm，直径11μm的圆形截面122和直径20μm的圆形截面121，而没有臂。仿真结果由曲线 twf20th42twd11(S)表示。获得了接近95％的耦合度峰值。
所测量的结果由曲线twf20th42twd11(M)表示。
由于实验原因，光纤和耦合结构1在垂直方向中分离大致10μm的气隙。这一间隙产生在光纤与空气以及空气与耦合结构之间界面的反射，以及一定的效率损失。这一损失在接触时将缩小并且解释了在测量(M)和仿真(S)之间的差异。在该10μm气隙的情况下证明了近80％的最大耦合度。
由于最大化该耦合度的光纤位置，通过使光纤与光耦合结构1直接地接触制成测量点。这一测量由具有实验上达到近90％的耦合度的孤立黑色交叉所识别。
这一结果与仿真结果一致，并通过耦合结构1验证了光耦合的改进。通过应用一个因素计算曲线twf20th42twd11(CAL)，以使在所测量的直接接触中在最佳耦合点上测量的曲线twf20th42twd11(M)标准化。
因此示出了在直接接触状况下，对可能是光纤到光电探测器的耦合率的最终实验曲线的最坏情况的估计。在中等高度，曲线实验地示出了对至少大于+/–8μm错位的公差。理论预测了如果测量条件允许在保证恒定接触的情形下映射的一种可能更大的公差。
由此示出了耦合结构1的益处。耦合结构能够在中高度超过+/–7μm扩大光纤相对于探测器的错位的公差，另一方面并且改进了最大耦合度。
图18还示出了在缺乏耦合结构时该相同膜片与相同光纤耦合的仿真和测量(M)的比较，形成一种用于评估耦合结构的定量贡献的参考。对于如先前的相同测量，在光纤和膜片之间在垂直方向中制成10μm的气隙。仿真考虑到此。在测量和仿真之间的等价性验证了仿真工具。对于较低的最大耦合度(这里大致60％)，当与需要更精确对准(实验上在中高度的+/–5μm公差)的直接接触的解决方案(邻接–耦合)相比时，这些结果也确认耦合结构1存在的益处。
该耦合结构1能够在具有小芯体尺寸或有源表面的两个装置之间获得大于50％的效率，例如在具有10μm光学窗口的VCSEL与具有50μm或9μm的芯体直径的石英光纤之间。
对于在人工操作方面的剧烈减少(激光器开启的光纤的有源定位)，成本可以降低到单独聚合物刻蚀的成本，其将因此包含到光电元件的整体制造成本。虽然现在激光单元花费了最终装置成本的80％，这里本发明可以使这些成本至少减少到二分之一。
就性能而言，获得了在60％和80％之间的耦合度，在小孔8μm的VCSEL 和芯体50μm的多模光纤之间具有对准公差+/-10μm。

Claims (20)

1.一种制造在第一光学或光电元件(2)和第二光学或光电元件(3)之间的垂直光耦合结构(1)的方法，生成具有所述垂直光耦合结构(1)的共用耦合基体，所述垂直光耦合结构中的每个都耦合到布置在基板中的第二光学元件或光电元件，
所述共用耦合基体通过以下步骤生成：
—在步骤(i)中通过将作为树脂的单片主层(A)沉积到包括第二光学或光电元件(3)的基板(35)上，
—在步骤(ii)中对所述单片主层(A)进行光刻，以用于实现所述垂直光耦合结构(1)，
每个垂直光耦合结构(1)定位为面对和接触位于所述基板(35)中的第二光学元件(3)，
在实施步骤(ii)后，所述单片主层包括整体截锥形状的耦合部件(12)，所述耦合部件由具有比空气的折射率大的折射率的材料组成；
所述耦合部件(12)中的每个都具有设计为与第一光学元件或光电元件(2)的发射或接收表面(21)接触的第一横向端表面(121)，以及与第二光学元件或光电元件(3)的发射或接收表面(31)接触的第二横向端表面(122)。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，通过光学光刻完成所述步骤(ii)。
3.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(ii)导致获得了用于每个垂直光耦合结构(1)的支撑部件(15)，所述支撑部件配备有适用于承载在所述基板(35)上的悬置框架(151)，以及将所述耦合部件(12)连接到所述框架(151)的悬臂(152)。
4.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，在步骤(iii)中，第二层(B)沉积到所述主层(A)上，该第二层(B)能够在步骤(vi)中通过光刻生成设计为在筒形壳体(17)中接收第一光学或光电元件(2)的保持结构(18)。
5.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，压印光刻用于生成所述垂直光耦合结构(1)。
6.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，在所述壳体处挖空所述基板以将各种第二光学或光电元件(3)与所述基板的上表面齐平地布置在这些壳体中；所述第二光学或光电元件(3)通过金属迹线彼此连接。
7.根据权利要求1或2所述的制造方法，其特征在于，所述第一光学或光电元件(2)和所述第二光学或光电元件(3)具有小于20μm的尺寸。
8.根据权利要求1或2所述的制造方法，其中，在步骤(i)中沉积的单片主层包括粘合性树脂。
9.一种通过根据权利要求1-8中任一项所述的方法生成的共用耦合基体，所述共用耦合基体具有：
具有第二光学或光电元件(3)的基板(35)，每个第二光学或光电元件都具有发射或接收表面(31)；
单片主层(A)，所述单片主层是树脂，与所述基板(35)接触，并且所述单片主层具有垂直光耦合结构(1)，
每个垂直光耦合结构包括整体截锥形状的耦合部件(12)，所述耦合部件由具有比空气的折射率大的折射率的材料组成；
所述耦合部件(12)中的每个都具有用于与第一光学元件或光电元件(2)的发射或接收表面(21)接触的第一横向端表面(121)，以及与所述第二光学元件或光电元件(3)的发射或接收表面(31)接触的第二横向端表面(122)。
10.根据权利要求9所述的基体，其中，所述第二光学或光电元件(3)具有小于20μm的尺寸。
11.根据权利要求9所述的基体，其中，所述垂直光耦合结构(1)包括与所述耦合部件(12)一体的支撑部件(15)，并且每个支撑部件配备有：
适用于承载在所述基板(35)上的悬置框架(151)，以及将所述耦合部件(12)连接到所述框架(151)并且从所述耦合部件(12)径向延伸的悬臂(152)，以通过悬臂(152)保持。
12.据权利要求11所述的基体，其中，所述悬臂(152)具有三角形截面，该三角形截面的一个顶点被定向在所述耦合部件(12)的截锥面的一侧。
13.一种共用耦合装置，包括：
—每个都具有发射或接收表面(21)的第一光学或光电元件(2)；和
根据权利要求9至12中任一项所述的共用耦合基体，所述共用耦合基体具有：
—每个都具有发射或接收表面(31)并位于基板(35)中的第二光学或光电元件(3)；
—在树脂的单片主层中实现、与所述基板(35)接触的垂直光耦合结构(1)，每个垂直光耦合结构包括整体截锥形状的耦合部件(12)，所述耦合部件由具有比空气的折射率大的折射率的材料组成并具有给定高度(H)；
每个耦合部件(12)包括具有第一直径(d1)的第一横向端表面(121)以及具有第二直径(d2)的第二横向端表面(122)，所述第一横向端表面(121)接触所述第一光学或光电元件(2)的发射或接收表面(21)，
对于每个垂直光耦合结构(1)，所述第一和第二横向端表面(121、122)的尺寸选择为使所述第一光学或光电元件(2)的输出光场的横向分布与所述第二光学或光电元件(3)的发射或接收表面(31)重叠，同时允许在所述第一光学或光电元件(2)和所述第一横向端表面(121)之间，以及在所述第二光学或光电元件(32)和所述第二横向端表面(122)之间定位的变化，
所述装置的特征在于，所述耦合部件(12)的第二横向端表面(122)接触第二光学或光电元件(3)的发射或接收表面(31)；
对于给定的第二直径(d2)，对于光束的给定波长，高度(H)和第一直径的比值确定为，使得相对于两个光学或光电元件(2、3)之间最大耦合的位置，对于在所述两个光学或光电元件(2、3)之间的至少5微米的错位偏差，在第一光学或光电元件(2)和第二光学或光电元件(3)之间提供至少60％的光耦合。
14.根据前述权利要求13所述的装置，其中，所述第二光学或光电元件(3)是光电探测器，所述第一光学元件(2)是单模光纤，每个耦合结构包括大于或等于单模光纤的芯体(23)的表面的第一横向端表面(121)以及小于或等于所述第二光学或光电元件(3)的表面的第二横向端表面(122)。
15.根据前述权利要求13所述的装置，其中，所述第二光学或光电元件(3)是光电探测器，所述第一光学元件(2)是多模光纤，每个耦合结构包括大于或等于多模光纤的芯体(23)的表面的第一横向端表面(121)以及小于或等于所述第二光学或光电元件(3)的表面的第二横向端表面(122)。
16.根据前述权利要求13所述的装置，其中，所述第二光学或光电元件(3)是VCSEL并且所述第一光学元件(2)是多模光纤，每个耦合结构包括小于或等于多模光纤的芯体(23)的表面的第一横向端表面(121)。
17.根据前述权利要求13所述的装置，其中，所述第二光学或光电元件(3)是VCSEL并且所述第一光学元件(2)是单模光纤，每个耦合结构包括小于或等于多模光纤的芯体(23)的表面的第一横向端表面(121)。
18.根据前述权利要求13所述的装置，其中，所述第二光学元件(3)是光纤并且所述第一光学元件(2)是光纤。
19.根据前述权利要求13所述的装置，其中，所述第二光学或光电元件(3)是VCSEL或者光电探测器，并且述第一光学或光电元件(2)对应的是光电探测器或者VCSEL。
20.根据权利要求13所述的装置，其中，所述装置包括设计为接收所述第一光学元件(2)的在所述垂直光耦合结构(1)上的保持结构(18)。
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