CN107427223A - 小型化的oct封装和及其组装 - Google Patents

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Abstract

一种芯片封装，包括壳体、耦合到壳体的外部的一个或多个电连接件、光子集成电路以及扫描单元。光子集成电路和扫描单元二者都设置在壳体内。光子集成电路具有被设计用来引导光束的至少一个波导。扫描单元被设计将光束横向扫描跨过壳体外的焦平面。扫描单元与光子集成电路对准，使得光束耦合在光子集成电路和扫描单元之间。

Description

小型化的OCT封装和及其组装
对相关申请的交叉引用
本申请要求于2015年2月6日提交的美国临时申请No.62/113,170的权益，该申请的公开内容通过引用以其整体并入本文。
技术领域
本发明的实施例涉及一种小型化OCT系统的设计。
背景技术
光学相干断层扫描(OCT)是一种广泛应用于许多领域的成像技术，用于提供各种样本的深度解析成像。该技术已在医疗领域中发现广泛应用，其中OCT数据被用在皮肤和组织上，以帮助诊断各种疾病，以及为执业医师(medical practitioners)提供增强的视觉反馈。由于所需的部件的数量和光学元件之间的高的耦合敏感性，OCT系统的小型化是困难的。
发明内容
在本文给出的实施例中，给出了集成的小型化OCT系统的设计以及用于制造这种系统的方法。
在实施例中，芯片封装包括壳体、耦合到壳体的外部的一个或多个电连接件、光子集成电路以及扫描单元。光子集成电路和扫描单元二者都设置在壳体内。光子集成电路具有被设计用于引导光束的至少一个波导。扫描单元被设计用于将光束横向扫描跨过壳体外的焦平面。将扫描单元与光子集成电路对准，使得光束被耦合在光子集成电路和扫描单元之间。
在另一个实施例中，一种方法包括将散热器附连到光子集成电路的一侧，并将散热器的相对侧附连到封装的基座。该方法还包括将光电检测器附连到散热器。该方法还包括将光纤安装件附连到散热器。光纤安装件保持并有益于光纤在封装内的对准。该方法还包括将扫描单元附连到封装的基座，其中扫描单元的附连、光纤安装件的附连和光电检测器的附连将光子集成电路、光电检测器、光纤安装件和扫描单元对准，以便最大化在光子集成电路、光电检测器、光纤安装件和扫描单元之间行进的光束的耦合效率。
附图说明
并入本文并形成本说明书的一部分的附图例示了本发明的实施例并且还与本描述一起用于解释本发明的原理，并且使相关领域的技术人员能够制作并使用本发明。
图1例示了根据实施例的芯片封装。
图2例示了芯片封装的示例尺寸。
图3例示了光电二极管阵列的示例电光特性。
图4例示了根据实施例的散热片(heat spreader)元件。
图5例示了根据实施例的光纤安装件结构。
图6例示了偏振器的示例光谱响应。
图7例示了根据实施例的微透镜阵列。
图8例示了根据实施例的光子集成电路的输入和输出。
图9例示了根据实施例的扫描仪设备。
图10例示了示例肋形波导以及波导内的对应的波束分布。
图11例示了通过光纤的示例波束分布。
图12例示了到波导的示例耦合损耗。
图13例示了导光介质之间的示例对准公差。
图14例示了光聚焦的示例模拟。
图15例示了示例光纤对准公差。
图16例示了根据实施例的到波导的模拟耦合损耗。
图17A和17B例示了根据一些实施例的模拟耦合效率。
图18例示了根据实施例的、基于间隔距离的模拟空间公差。
图19例示了根据实施例的堆叠散热器设计。
图20例示了根据实施例的干涉仪的平衡样本臂和参考臂。
图21例示了根据实施例的电路板和光电二极管阵列的示例组件。
图22例示了根据实施例的扫描单元的示例组件。
图23例示了示例引线键合(wire bonding)方案。
图24例示了用于将元件放置在封装内的示例组件。
图25例示了用于将元件放置在封装内的示例组件的另一个视图。
图26例示了根据实施例的安装支架。
图27例示了根据实施例的、具有用于将元件放置在封装内的示例组件的安装支架。
图28例示了根据实施例的、具有用于将元件放置在封装内的示例组件的安装支架的另一个视图。
图29-图31例示了根据实施例的组装和对准透镜阵列的各个阶段。
图32和图33例示了根据实施例的光纤安装件与光子集成电路的波导的对准。
图34例示了根据实施例的方法。
将参照附图描述本发明的实施例。虽然一些附图可以包括原型零件的具体测量结果、尺寸和/或照片，但是这种细节不应当被认为是对本发明的范围的限制。相反，附图提供了本发明的示例实施例。
具体实施方式
虽然讨论了具体的配置和布置，但应当理解的是，这仅仅是出于例示的目的。相关领域的技术人员将认识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下，能够使用其它配置和布置。对于相关领域的技术人员清楚的是，也可以在各种其它应用中采用本发明。
要注意的是，在说明书中引用“一个实施例”、“实施例”、“示例性实施例”等指示所描述的实施例可以包括特定的特征、结构或特性，但是每个实施例可以不一定包括该特定的特征、结构或特性。而且，这种短语不一定指相同的实施例。另外，当结合实施例描述特定的特征、结构或特性时，结合其它实施例来实现这种特征、结构或特性将在本领域技术人员的知识范围内，不论是否被明确地描述。
本文的实施例涉及制作集成芯片封装的设计和方法。该封装可以包括被设计用于执行使用诸如光学相干断层扫描(OCT)之类的技术的图像获取的各种光学、光电和电气元件。在本文中，术语“电磁辐射”、“光”、“辐射束”和“光束”都用来描述通过各种所述元件和系统传播的相同的电磁信号。
图1例示了根据实施例的芯片封装100的布局。在一个示例中，芯片封装100是40个引脚的蝶型封装。芯片封装100包括壳体1，该壳体1围绕着设置在内部的各种元件。图2中例示了芯片封装100的示例设计图。芯片封装100包括电路板2。电路板2可以用来放大在被连接到封装引脚之前的所检测到的OCT信号。此外，电路板2可以提供驱动光电二极管阵列3的偏振电压。在一个示例中，光电二极管阵列3包括铟镓砷(InGaAs)有源层。图3提供了光电二极管阵列3的示例电-光特性。
根据实施例，芯片封装100包括光子集成电路(PIC)10。在一个示例中，PIC 10通过使用绝缘体上硅(SOI)技术平台来制造。PIC 10可以在由片上动力学(on-chip akinetic)手段介导的空气中实现具有大约3mm的深度范围的完整A扫描OCT系统。PIC 10可以包括用于执行OCT A扫描的干涉仪布置。设计波长可以是大约1300nm，但是也可以使用其它IR波长。PIC 10可以实现3个光学端口：一个旨在接收来自光源的光、第二个专用于对准意在补偿由扫描单元13引起的延迟和色散二者的元件，第三个用于将光注入执行OCT系统的B扫描的扫描单元13。此外，可以实现2个光学端口以提供平衡检测。图8中示出了PIC 10的示例草图。PIC 10可以包括光学布置，以提供集成延迟线(用于改变扫描深度)，以及当光通过各种波导时提供光的双折射补偿。此外，PIC 10可以包括补偿色散影响的光学布置。要在PIC 10中实现的这种光学布置的更详细的示例可以在共同未决的美国申请No.14/129,367、14/005,172、14/299,725和14/584,592中找到，这些申请的公开内容通过引用以其整体并入本文。
芯片封装100还可以包括散热片4。散热片4可以是由高导热材料制成的高精度加工光学台。在一种设计中，使用AIN(氮化铝)。关于要使用的材料的决定是基于热导率和热膨胀系数(CTE)二者的。目的是将由PIC 10本地生成的热量散开到更大的占用区域(footprint)中。这允许更高的冷却效率。而且，还可以实现机械特征，以匹配在散热片的顶部上要对准的不同零件之间的高度。图4示出了散热片4的示例机械图，概述了两种材料变体。
根据实施例，芯片封装100包括热敏电阻5。根据实施例，芯片封装100还包括光纤安装件6。光纤安装件6可以是用于对准一个或多个光纤15a和15b的V形槽芯片。根据实施例，安装件元件6上的两根光纤之间的总节距(pitch)大约为750μm。可以在光纤上使用R<0.5％@1.32μm±50nm的抗反射涂层。更短的光纤15b可以基于Au或Ag实现端镜像刻面。这根光纤意在补偿由芯片封装100内的扫描单元13引起的延迟和色散二者。具有密封套圈的典型光纤V形槽阵列(FVA)的示例性附图在图5中例示出。光纤安装件6可以被设计为帮助对准光纤15a，从而利用PIC 10上的波导输送光源光。
根据实施例，芯片封装100包括偏振元件7。偏振元件7可以用于利用主偏振轴过滤未偏振的光。在检测时，特征在于具有与主偏振轴定义的偏振不同的偏振的光将会干扰并劣化总SNR。图6示出了关于示例偏振元件7的透射率和对比度的光谱响应。
根据实施例，芯片封装100包括透镜阵列8。透镜阵列8可以是在透镜元件之间具有250微米节距的微透镜阵列。微光学器件可以用于将离开光纤的模式与PIC 10上的输入波导的传播模式相匹配，从而减少耦合损耗。在光纤和PIC 10之间组装光学器件有助于放宽对准公差，如下文中将要描述的那样。图7示出了根据实施例的任意大小的微透镜阵列的3D图。
根据实施例，芯片封装100包括冷却元件9。冷却元件9可以是热电冷却器。冷却元件9旨在保持PIC 10的基础温度稳定。因此，PIC 10中元件的光学性能依赖性受控。而且，通过保持散热片4的顶部上的固定温度，可以避免由于附带的热膨胀性质而引起的散热片4上的零件之间的失准。
芯片封装100可以包括电路板插入器(interposer)11。插入器11旨在提供能够进行辅助连接的电接触区域。插入器11可以优化PIC 10和芯片封装1的引脚之间的键合图的连接件的数量。而且，插入器11的使用导致更短的引线，从而减少引线之间不期望的接触和粘合力不足的可能性。插入器11的示例是单面板，具有1/2盎司(oz)的铜和标准FR4构造。
芯片封装100可以包括用来将插入器11的高度调节到与PIC 10相同高度的块12。在一个示例中，插入器11附连在块12的顶部。块12可以从金属、塑料或聚合物种加工出。
根据实施例，芯片封装100包括扫描单元13。根据实施例，扫描单元13实现允许2DOCT扫描的B扫描以及由PIC 10生成的A扫描。扫描单元13在焦平面处提供期望的扫描范围(例如，12mm)。此外，横向分辨率由扫描单元13沿着扫描范围调节，从而保证期望的景深。扫描单元13可以包括镜筒(光束准直)和主骨架(横向扫描和光束聚焦)。而且，可以调节扫描单元13的总光路，因为镜筒可以沿着主骨架来回移动。可以这样做来补偿在延迟和色散补偿系统中的制造公差。图9示出了根据实施例的扫描单元13的3D机械模型。示例扫描单元的详细解释可以在共同未决的美国申请No.14/118,629中找到，其公开内容通过引用以其整体并入本文。
根据实施例，芯片封装100包括在壳体1的侧面内的光学窗口14。光学窗口14包括被选择为对IR波长基本上透明的材料(例如，硼硅酸盐玻璃)。光学窗口14也与壳体1组装，以确保期望的封装气密性。图2示出了包括14.4mm×5.1mm N-BK7玻璃窗口的示例封装设计。根据实施例，尺寸被选择为与扫描单元13的扫描视场兼容。
PIC 10和扫描单元13在芯片封装100的壳体1内对准，使得光束耦合在光子集成电路和扫描单元之间。根据实施例，基于对准来最大化这种耦合效率。扫描单元13也被定位成使得其将光束扫描跨过芯片封装100外的焦平面。扫描的光束跨过光学窗口14。虽然未在图1中示出，但是根据实施例，光源生成经由光纤15a输送到芯片封装100的光束。根据实施例，光束从光纤15a输出并且在被耦合到PIC 10上的波导中之前穿过偏振器7和透镜阵列8。光纤安装件6用来帮助将光纤15a和15b与PIC 10上的相应波导对准。照此，提供包括光纤安装件6、偏振器7和透镜阵列8的布置，以最大化PIC 10上的波导和光纤之间的光的耦合效率。在另一个示例中，光源被集成在芯片封装100内。
本发明有助于解决许多小型化的封装问题，以便使PIC 10能够抵抗湿气、震动以及热和机械恶劣环境。能够进行B扫描的扫描单元13以及读出电子器件也被组装在相同的封装内，从而得到完全封装(fully-packaged)的2D OCT系统。下面更详细地描述芯片封装100的各种设计方面。
光耦合
期望在光源和PIC 10之间的大的耦合效率。根据实施例，PIC10的端口中的刻面由肋型波导实现。根据实施例，波导的总高度为大约3μm，板高度为大约1.8μm。这个事实转化为散光传播模式，从而得到在PIC 10端面处针对X方向和Y方向的不同的数值孔径(参见图10)。在图11中示出传播通过光纤的光的波束分布。通过使用对于PIC 10上的波导中的两个轴都具有大约相同的数值孔径的基本上圆形模式，可以大大提高耦合效率。耦合效率通过重叠积分来估计，重叠积分被定义为：
其中Efiber和Echip分别是传播通过光纤和PIC输入波导的电场。在这个特定的示例中，耦合效率Γ＝27.25％，其转化为5.65dB的耦合损耗。这个耦合损耗对于在OCT系统中达到大的动态范围而言是不可接受的。因此，根据实施例，使用离开光纤的波束和输入波导之间的模式匹配来减少耦合损耗。
图12示出了作为发射到PIC波导中的光束的模场直径(MFD)的函数的耦合损耗。如从图12导出的那样，当输入MFD为大约2.5μm时，达到最大耦合效率。在不同基板上实现的PIC波导和光纤之间使用光学器件的事实为校准过程提供了额外的自由度。由于光纤和透镜阵列8之间的相对位置可以被控制，因此可以使用该额外的自由度来优化耦合效率。图13示出了如何受益于由透镜给出的倍率，以便放宽对准公差。为了简单起见，图13仅例示了四个通道之一。特别地，在波导输入处(MFD＝SD＝2.5μm)的δh的公差准确度被转化为在光纤输入处(MFD＝9.2μm)的m倍δh的公差准确度，其中m是透镜倍率。在这种情况下，倍率可以被设定为9.2/2.5＝3.68。
图14示出了光纤到芯片聚焦系统的示例射线跟踪模拟和设计长度。通过使用这种解决方案，已经在理论和实验上证明耦合效率高达86％。因此，这种解决方案可以满足<1dB的耦合要求。
其它解决方案(诸如对接(butt)耦合或透镜/锥形光纤V形槽阵列)不受益于上面提到的优点。一方面，对准公差将由用于对接耦合的对准和附连过程的准确度来施加。而且，通过这种技术，达到大于5dB的被禁止的耦合损耗。另一方面，除了对准和附连过程的准确度，光纤定位和V形槽芯片的机械公差能够具有很大的影响。
图15示出了该效果。被组装在示例V形槽芯片上的光纤的典型公差为±1μm。图16示出了当相对于波导失准时对于2.5μm的MFD的耦合损耗。如图16中所描绘的，这个公差对于满足<1dB的耦合损耗目标是不可接受的。
PIC输出波导(平衡检测)和PIC之间的对准是限制OCT系统的SNR性能的关键因素。根据一个示例，波导端刻面和光电二极管阵列3之间的间隔距离(下文中称为“s”)依赖于波导的数值孔径(对于x坐标和y坐标二者而言，都是0.39)以及对准过程的准确度。在这个示例中，对于x坐标和y坐标二者而言，波导中的光斑直径被分别计算为2.3μm。另一方面，根据一个示例，光电二极管的有源区域直径为70μm。
图17A和17B分别示出了针对其中s＝10μm和s＝50μm的两种不同情况下的耦合效率的3D图。如预期的那样，最大公差随着距离s的增加而变低。
根据一个示例，能够在图18中看到为了实现大于95％的耦合效率(0.22dB的耦合损耗)的容许公差，其中耦合效率是距离s(从0到70μm，以5μm为步长)的函数。考虑到几μm的数量级的空间公差值，PIC 10和光电二极管阵列3之间的对准可以是无源的，即，即使考虑间隔距离s＝70μm，也不需要在对准期间监视由光电二极管阵列3检测到的光电流。
热管理
需要定制的热设计来耗散由PIC 10生成的大的热负荷。否则，PIC 10的基础温度将增加，并且诸如由材料热膨胀所介导的应力之类的影响将造成零件之间的失准。而且，硅中的热效应(诸如双光子吸收)将影响PIC 10的光学性能，从而劣化最终的SNR。
应当保持散热片4的顶侧上的温度固定，以避免由于不期望的失准导致的依赖于温度的光学性能不足。图19中示出了考虑用于散热器的热设计的材料的示例堆叠。根据实施例，散热器包括散热片4和冷却元件9二者。从热源通过散热器传递的热量的总量应当被最大化。PIC 10、散热片4、冷却元件9和芯片封装100的基座的热阻可以通过制造材料和厚度来固定。在一个示例中，PIC具有大约0.67mm的厚度，散热片具有大约1.75mm的厚度，并且冷却元件具有大约1.6mm的厚度。根据一个示例，要耗散的热负荷(Q)为大约20W。如果散热器可以管理相对于室温的温度梯度(ΔT)的耗散，则总热阻(Rt)必须低于：
其中Rt是与等式(3)中给出的材料的堆叠对应的所有热阻的总和：
其中RPIC、RHS，RTEC和Rbase分别是PIC、散热片、冷却元件和芯片封装基座的热阻。而且，RA1、RA2和RA3是粘合剂层的热阻。因此，热阻可以被定义为：
其中，分别地，t为厚度，A为横截面积，以及σ为热导率。因此，用于参数RA1、RA2和RA3的厚度和材料应当被适当地设计。键合线厚度最终由上下定位的零件的平面度和热导率所限制，并依赖于材料。一般而言，特征在于与粘合剂具有相同厚度的焊料预制件(solderpreforms)得到较低的热阻。限制粘合剂的热性能的主要因素是在一定体积中的空隙的比例。
气密性
渗透封装的湿气造成腐蚀和内部冷凝(依赖于环境条件)。一般而言，在异种金属之间的界面处存在湿气加速腐蚀。此外，随着湿气被吸收而受影响的环氧树脂接头转化为潜在地削弱接头；因此随着环氧树脂扩大，导致性能下降。渗透封装的湿气造成腐蚀和内部冷凝(依赖于环境条件)。因此，非常期望气密的解决方案。
完全气密的解决方案涉及非常复杂的零件设计和组装步骤，从而抬高总成本。因此，通常在行业中组装准气密方法。气密程度越大，成本将变得越大。
电-光封装中的气密性被定义为在某一大气压下以cm3/s测量的泄漏率。很大程度的气密性由封装设计和制造确定。作为示例性情况，图2示出了由封装达到的气密性值(≤1·10-8atm·cm3/s)。但是，根据实施例，这个值将依赖于盖子密封的质量以及光学窗口对封装和光纤安装件元件的金属套圈对管的焊接性能。激光行业所使用的典型的气密性程度(其涉及电-光部件的封装)≤1·10-8atm·cm3/s。
延迟和色散平衡
在OCT系统干涉仪中的样本臂和参考臂必须在累积延迟和色散方面是平衡的。由于光学子组件可能经受不同的设计，因此在参考臂中实现可调节的延迟和色散补偿系统会是重要的。以这种方式，PIC设计对于扫描单元设计而言将是透明的。
在图1的特定设计中，样本臂和参考臂二者都是片上平衡的。因此，需要在参考臂中稍微补偿扫描单元13的影响。出于这个目的，已经在如图8中所示的参考臂中实现了具有镜像端的光纤(图1中的光纤15b)。图20示出了这个概念。对于样本臂和参考臂二者的作为波长的函数的累积相位应当相等，如下面在等式(5)中描绘的那样。
沿着轴向扫描范围超出相干长度的延迟不平衡不允许生成OCT干涉，因此系统变得一般不可用。可以借助于PIC内的热-光致动器、以更高的功耗为代价执行精细调节。
另一方面，补偿色散的重要性依赖OCT轴向分辨率的损失。实际上，根据等式6，色散不平衡越高，轴向点扩散函数(PSF)的半高全宽(FWHM)变得越宽。
其中c是真空中的光速，Δλ是源带宽，DSi是硅中的群速度色散(GVD)，LSi是硅中臂之间的长度差的一半，Dlsystem是系统中有助于PSF展宽的所有额外的色散分量(色散*长度)，最后，σC表示由下式定义的相干长度：
读出输出信号
在典型OCT系统的输出处检测到非常低幅度的信号。如果将这些信号直接连接到封装引脚，那么信号将太弱以至于无法使用。
根据实施例，光电二极管阵列3将从样本路径和参考路径组合的光转换成具有在微安培范围内的峰幅度和高于兆赫兹范围的频率的电干涉图案。这些弱的差分信号应当在离开封装之前被放大，以避免SNR劣化。后面跟着差分低噪声Trans阻抗放大器(TIA)的阻抗适配网络可以将弱的信号提升到毫伏范围(TIA增益高于80K)，并且还保持噪声底是低的，这使SNR最大化。电子器件包括在电路板上，电路板胶合到散热片上，非常接近光电二极管阵列，以便缩短引线的长度，如图21中所示。该设计还包括非常适合的监视器输出，用于对准和验证过程。
横向扫描和聚焦
根据实施例，PIC 1实现深度扫描(A扫描)，而扫描单元13实现横向扫描能力(B扫描)。扫描单元13在芯片封装外的经设计焦平面处提供期望的扫描范围。而且，满足所需景深的横向分辨率也应当由扫描单元13实现。扫描单元13的示例组件在图22中描绘出。根据实施例，壳体由两个不锈钢件、镜筒和主骨架构建成。镜筒用于包括非球面透镜在内的波束准直器。根据实施例，主骨架用于由60度角棱镜和一个磁MEMS执行的横向扫描仪；以及还有借助于双合透镜(doublet)元件的聚焦光学器件。从PIC 10离开的光束在扫描单元13处利用非球面透镜准直，并然后被发送到位于MEMs镜下方的棱镜。然后光束被发送到聚焦双合透镜，并最终通过光学窗口14离开芯片封装。
如已经提到的，光学延迟和色散应当在OCT系统中平衡。为了补偿由扫描单元13引起的延迟和色散，在参考中使用具有镜端的光纤。但是，光纤切割公差为大约1mm，这几乎是轴向扫描范围的一半。为了补偿这种公差，根据实施例，可以将扫描单元的镜筒提出/插入到主骨架中，从而增加或减少样本光学路径，而不影响扫描范围或分辨率。
可以根据由光学部件的制造商提供的公差来执行组装公差分析(来自36度-90度的操作温度)。为公差分析设定的标准是RMS光斑半径。根据一个示例，结果指示：(1)为了离标称焦点位置不超过±l mm，源和非球面之间的距离上的公差为大约±0.02mm；(2)非球面的偏心度上的公差为±0.05mm，以及倾斜上的公差为±0.1度；(3)MEM镜在非扫描方向上的倾斜上的公差为±0.7度。对于更大的值，波束被夹在双合透镜上；以及(4)整个主骨架相对于两个轴上的源的偏心度上的公差为±0.05mm，以及倾斜上的公差为±0.5度。因此，可能需要PIC 10和扫描单元13之间的主动对准。
偏振
行进通过PIC 10上的一个或多个波导的光遭受沿着干涉仪的样本路径和参考路径二者的偏振旋转。即使将具有高PER(偏振消光比)的线性TE偏振发射到PIC 10中，像弯曲或曲线那样的结构也将把能量的一部分传递到正交偏振(TM)中。硅中的双折射在两个偏振之间引起显著的延迟差异。这种延迟差异在这些偏振在检测器中差拍(beat)之后转化为不期望的双OCT图像。
在检测之前抑制不期望的偏振是避免双OCT图像的一种解决方案。根据实施例，采用偏振元件7来对正交且不期望的偏振进行抑制。一方面，偏振元件7确保仅有沿着主偏振轴对准的光将进入PIC 10。这样，保证了高PER，并因此最小化跨PIC 10的偏振差拍。另一方面，以相同的方式对耦合入/出参考光纤(例如，15b)的光进行滤波。从参考光纤耦合到PIC中并耦合到检测器中的偏振旋转是可无视的(depreciable)。因此，参考路径提供线性且干净的偏振。即使样本路径通过旋转将能量传递到不期望的偏振中，也只有期望的偏振将在光电检测器中与参考进行差拍，因此不会生成双重图像。
引线键合
根据实施例，轴向扫描(A 扫描)可以借助于硅中的热-光效应来施行。沿着波导沉积的高密度钼加热器可以提供热传递以执行完整轴向扫描。Au/Al接触焊盘可以被用来将这些加热器连接到封装引脚。
大量的接触焊盘尤其使得直接从PIC 10到芯片封装的引脚的引线键合过程变得复杂。一个解决方案旨在使用如图23中例示的插入器11。这种元件提供了PIC 10和封装引脚之间的连接图。它可以组合并因此简化来自在特定结构中使用的各种元件的引线连接。插入器11减少引线长度并且还便于使用多根引线以便减少电流密度。
芯片封装组装
根据实施例，芯片封装100内的各种部件被组装并对准，以最大化壳体1内的空间的使用并且最大化经过各种光学部件之间的光束的耦合效率。PIC 10可以首先键合到充当散热器的上层的散热片4。散热器还可以包括键合到壳体1内部的冷却元件。焊料可用于将散热器附连到芯片封装100的壳体内部。
根据实施例，光电二极管阵列3应当与来自PIC 10的光学输出对准并被放置到芯片封装中。根据实施例，光电二极管阵列3的仔细对准可以通过使用图24-图28中一般性描绘的过程来施行。图24例示了对准工具2400，其包括6轴平台2402、夹持器主体2404以及用来打开和关闭夹持器主体2404的夹爪的气动线路2406a和2406b。夹持器主体2404被设计为保持将要被对准的具体零件2408。在这种情况下，零件2408是光电二极管阵列3，如图25中例示的夹持器主体2404的特写视图(close up view)中更清楚地示出的那样。图25还用双端箭头示出了保持和释放零件2408的钳子的移动。
图26例示了夹具结构2600，其包括一组单高跷式(pogo-style)引脚2602。根据实施例，引脚2602的底部与零件2408接触，而引脚2602的顶部可以附连到电气飞行导线，以连接到外部测试装备。引脚2602可以具有约0.5mm的节距。
图27例示了引脚2602和零件2408之间的连接。在这个示例中，零件2408是放置在芯片封装100内的光电二极管阵列。图28显示了看到夹具结构2600搁置在夹持器主体2404上的另一个视图。
一旦光电二极管阵列被仔细地对准并放置在芯片封装100内，透镜阵列8就也与PIC 10对准并且放置在芯片封装100内。根据实施例，为了便于透镜阵列8的处理，透镜阵列8可以首先附连到柱(post)。然后柱被机械地操纵，以将透镜阵列与PIC 10上的波导对准。
透镜阵列8的对准过程不涉及会极其复杂的对光纤的主动耦合。相反，根据实施例，光学波束分布仪被用来在与如何在完全完成的模块中引导光相比相反的方向上将光功率发射到PIC中。以这种方式，光功率被使得从PIC输入发出，然后在主动对准期间在相反的方向上透射通过透镜阵列。在远处的波束分布仪上检测从透镜阵列发送的光功率。这种设置在图29和图30中例示，其中透镜元件实际上在图29中圈出的对准中使用。此外，图31示出了通过PIC的这种反向光学路由的概念。入射在分布仪上的波束占用区域的形状可以被用来推测准直和离轴失准。这个信息允许透镜阵列8被最佳地对准，然后利用粘合剂附连到散热器。接下来，可以对准和附连光纤安装件6，使得安装在光纤安装件中的光纤对准到透镜阵列8。光纤安装件6的放置对于整个操作可以是重要的，因为它使光纤(15a和15b)对准到PIC 10上的波导。图32例示了与良好地对准到PIC的光纤安装件的光学组件(图中的“FVA”)对应的位置和光学路由。最初，FVA源光纤(图中的“SLED”)与PIC补偿器波导对准。可以使用光电流信号来确定FVA何时最佳对准。接下来，水平手动平移FVA，使源光纤大致与不同的PIC波导对准。
然后可以使用透镜组件，并且通过操纵透镜相对于PIC输出的位置，能够生成伪准直波束。通过在封装中左右平移透镜位置，可以使波束大致沿着封装的轴转向并从封装窗口小孔的中心出现。在封装外，将多模光纤组件放置成与这个光束对齐，以收集一些这种光。以这种方式，可以发现如图33中示意性例示的最佳旋转角度。之后，可以使用与图24-图28中描绘的相似的对准布置来对准和附连扫描单元13。根据实施例，执行扫描单元13、PIC10、光电二极管阵列3以及光纤15a和光纤15b之间的对准，以便最大化在每个部件之间行进的光束的耦合效率。
可以执行引线键合，以将各种电导线附连到芯片封装的引脚。最后，可以密封围绕芯片封装100外的任何接缝，以改善气密性。
图34例示了根据实施例的用于将各种部件放置在芯片封装内的示例组装方法8400。
方法3400从方框8402开始，其中光子集成电路(PIC)被附连到散热器。PIC可以被附连到散热器的散热片层。散热器可以已经附连到芯片封装的基座。通常，PIC的一侧包括有源层(其包括波导和光-电部件)，而相对的侧键合到散热器。
在方框8404处，根据实施例，光电二极管阵列也被附连到散热器。光电二极管阵列可以被附连到散热器的散热片层。光电二极管阵列可以被统称为光电检测器。可以使用许多类型的光电检测器，包括基于CMOS的、CCD、反向偏置的LED，等等。
在方框8406处，根据实施例，光纤安装件被附连到散热器。光纤安装件可以被附连到散热器的散热片层。光纤安装件被附连成使得光纤与PIC上的波导输入对准。也可以在光纤安装件和PIC之间使用透镜阵列和偏振元件。透镜阵列也应当在光纤安装件和PIC波导之间对准，以确保光线正确地聚焦到PIC上的波导刻面上。
在方框8408处，根据实施例，扫描单元附连到封装基底。根据实施例，在封装内对准PIC、光电二极管阵列、扫描单元和光纤安装件中的每一个，使得光可以耦合在元件之间，更具体而言，使得当光通过元件之间时耦合效率被最大化。
结束语
应当认识到的是，具体实施方式部分，而不是发明内容和摘要部分，意在用来解释权利要求。发明内容和摘要部分可以阐述(一个或多个)发明人所预期的本发明的一个或多个但不是全部的示例性实施例，因此，不意在以任何方式限制本发明和所附权利要求。
上面已经利用例示具体功能及其关系的实现方式的功能构建块描述了本发明的实施例。为了方便描述，这些功能构建块的边界在本文中已被任意定义。能够定义替代边界，只要具体功能及其关系被恰当地执行即可。
具体实施例的前述描述将充分揭示本发明的一般性质，在不背离本发明的一般概念的情况下，其他人可以通过应用本技术领域内的知识容易地修改这种具体实施例和/或使其适应各种应用，而无需不必要的实验。因此，基于本文给出的教导和指导，此类适应和修改意在在所公开的实施例的等同物的含义和范围内。应当理解的是，本文中的短语或术语是出于描述而不是限制的目的，使得本说明书的术语或短语应当由技术人员根据教导和指导来解释。
本发明的广度和范围不应当受任何上述示例性实施例的限制，而是应当仅根据以下权利要求及其等同物来限定。

Claims (20)

1.一种芯片封装，包括：
壳体；
一个或多个电连接件，耦合到所述壳体的外部；
光子集成电路，具有被配置为用来引导光束的至少一个波导，其中所述光子集成电路设置在所述壳体内；以及
扫描单元，被配置为将所述光束横向扫描跨过所述壳体外的焦平面，其中所述扫描单元在所述壳体内与所述光子集成电路对准，使得所述光束耦合在所述光子集成电路和所述扫描单元之间。
2.如权利要求1所述的芯片封装，还包括光纤安装件元件，所述光纤安装件元件被配置为保持光纤并将所述光纤的刻面与所述至少一个波导对准。
3.如权利要求2所述的芯片封装，其中所述光纤穿过延伸通过所述壳体的一个壁的套圈，并且其中所述光纤的第二刻面被耦合到光源。
4.如权利要求3所述的芯片封装，还包括一个或多个光学元件，所述一个或多个光学元件设置在所述壳体内并且在所述光纤的所述刻面与所述至少一个波导之间。
5.如权利要求4所述的芯片封装，还包括偏振元件，所述偏振元件设置在所述壳体内并且在所述光纤的所述刻面与所述一个或多个光学元件之间。
6.如权利要求4所述的芯片封装，其中所述一个或多个光学元件包括微透镜阵列。
7.如权利要求1所述的芯片封装，其中所述光子集成电路包括干涉仪，所述干涉仪被配置为控制光学相干断层扫描(OCT)成像技术的A扫描。
8.如权利要求7所述的芯片封装，还包括检测器，所述检测器被配置为从所述干涉仪接收光学干涉信号。
9.如权利要求7所述的芯片封装，其中所述扫描单元被配置为控制所述OCT成像技术的B扫描。
10.如权利要求8所述的芯片封装，其中所述扫描单元还被配置为当横向扫描辐射束时调节所述辐射束的分辨率。
11.如权利要求1所述的芯片封装，还包括在所述壳体的一个壁中的光学窗口，所述光学窗口包括对红外波长基本上透明的材料，其中将所述扫描单元对准，使得所述光束被从所述扫描单元发送通过所述光学窗口。
12.如权利要求1所述的芯片封装，其中所述扫描单元被配置为提供大约12mm的扫描范围。
13.如权利要求1所述的芯片封装，其中所述壳体被气密密封。
14.如权利要求1所述的芯片封装，还包括设置在所述壳体内的热-电冷却设备。
15.如权利要求1所述的芯片封装，其中所述至少一个波导被配置为包括对于垂直于光传播方向的x轴和垂直于所述光传播方向的y轴二者具有基本上相同的数值孔径的基本上圆形的光学模式。
16.如权利要求1所述的芯片封装，还包括散热器元件。
17.如权利要求16所述的芯片封装，其中所述散热器元件包括耦合到所述光子集成电路的下侧的多层结构。
18.如权利要求1所述的芯片封装，其中所述扫描单元包括由微机电元件致动的镜。
19.如权利要求1所述的芯片封装，其中光束从所述光子集成电路的输出耦合到光纤，并且其中所述光纤终止于镜面涂层。
20.一种方法，包括：
将散热器附连到光子集成电路的一侧，并将所述散热器的相对侧附连到封装的基座；
将光电检测器附连到所述散热器；
将光纤安装件附连到所述散热器；
将扫描单元附连到所述封装的所述基座，其中所述扫描单元的附连、所述光纤安装件的附连以及所述光电检测器的附连将所述光子集成电路、所述光电检测器、所述光纤安装件以及所述扫描单元对准，以便最大化在所述光子集成电路、所述光电检测器、所述光纤安装件以及所述扫描单元之间行进的光束的耦合效率。
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