CN110114936B - 用于多束光电阵列的匹配驱动设备 - Google Patents

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Abstract

公开了一种在驱动器设备和多波束光电设备(诸如VCSEL阵列设备)之间提供相位匹配接口的装置以及用于利用和制造该装置的各种方法。该接口设备包括适配为与驱动器设备接口的输入端、与多束光电设备接口的输出端、以及将输出端电连接到输入端的功率分配器。输出端包括多个输出触点，每个输出触点经由具有共同电气长度的多条传输线中的一条传输线与多束光电设备的多个光电设备中的一个光电设备接口。在实施例中，功率分配器是基于电阻器的功率分配器，其在每个“T形”结或交叉点处调整功率分配器的总阻抗，以提供阻抗匹配的接口。

Description

用于多束光电阵列的匹配驱动设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2016年10月17日提交的美国临时专利申请No.62/409,144和于2017年 10月16日提交的美国专利申请No.15/785,312的权益。
技术领域
本公开一般而言涉及半导体设备，并且更特别地，涉及用于在高功率和高频应用中将驱动器设备输出端的相位和/或阻抗与形成多束阵列的光电设备的输入端匹配的接口设备，以及制造和使用它们的方法。
背景技术
诸如激光器的半导体光电设备可以通过在发射器处调制光输出(例如，激光束)并在接收器处检测该调制来用于自由空间通信和其它应用。这种光电设备包括垂直腔面发射激光器 (VCSEL)，它特别适用于自由空间通信和其它应用。VCSEL非常适用于自由空间通信和其它应用，是因为只需通过调制VCSEL的偏置功率，就可以非常快速地打开和关闭整个激光器，而无需外部光学快门。但是，各个VCSEL具有可以用于通信的有限范围，因为一个高速VCSEL本身通常不能产生超过几毫瓦的光功率。克服各个VCSEL的有限范围的一种方式是在较长距离通信时使用VCSEL阵列。为了有效地与VCSEL阵列通信，阵列的所有各个VCSEL应以全功率和相干相位操作。为了使VCSEL阵列中的所有激光器以相干和全功率操作，可能需要相位平衡的阻抗匹配驱动器来驱动VCSEL阵列的每个个体VCSEL。
发明内容
实施例涉及用于在驱动器设备和多束光电设备(诸如VCSEL阵列设备)之间提供相位匹配接口的接口设备，以及用于利用和制造该接口设备的各种方法。接口设备包括适配为与驱动器设备接口的输入端；与多束光电设备接口的输出端；以及将输出端电连接到输入端的功率分配器。输出端包括多个输出触点，每个输出触点经由具有共同电气长度的多条传输线中的一条传输线而与多束光电设备的多个光电设备中的一个光电设备接口。在实施例中，功率分配器是基于电阻器的功率分配器，其在每个“T形”结或交叉点处调整功率分配器的总阻抗，以提供阻抗匹配的接口。
通过以下结合附图和权利要求的详细描述，将更清楚地理解这些和其它特征。提供本发明内容是为了以简化的形式介绍一些概念，这些概念将在下面的具体实施方式中进一步描述。本发明内容不旨在识别所要求保护的主题的关键特征或必要特征，也不旨在用于限制所要求保护的主题的范围。
附图说明
图1描绘了根据本公开的实施例的用于实现与半导体或光电设备或设备阵列的接口的基板叠层的横截面透视图。
图2描绘了根据本公开的实施例的用于示例VCSEL的等效电路模型。
图3示出了根据本公开的实施例的为图2中描绘的示例VCSEL的等效电路模型确定的 s参数数据。
图4示出了根据本公开的实施例的图2中描绘的示例VCSEL的等效电路模型的输入阻抗数据。
图5是描绘根据本公开的实施例的包括基于电阻器的功率分配器的接口设备的示意图。
图6描绘了根据本公开的实施例的实现图5的接口设备的结构的俯视图。
图7是描绘根据本公开的实施例的包括无电阻器功率分配器的接口设备的示意图。
图8描绘了根据本公开的实施例的实现图7的接口设备的结构的俯视图。
图9是图示用于制造接口设备的方法的实施例的流程图，该接口设备在光电设备阵列和驱动器设备之间提供阻抗匹配和/或相位匹配的接口。
图10是根据本公开的实施例的具有接合到光电阵列设备的无电阻器功率分配器的接口设备的横截面图。
图11是根据本公开的实施例的接口设备的横截面图，该接口设备具有接合到光电阵列设备的基于电阻器的功率分配器，该光电阵列设备被设计用于通过导线接合进行连接。
图12是根据本公开的实施例的接口设备的横截面图，该接口设备具有接合到光电阵列设备的基于电阻器的功率分配器，该光电阵列设备被设计用于利用通过基板通孔的连接进行表面安装。
图13描绘了根据本公开的实施例的将图11的示例接口设备和光电阵列设备接合到中空体电子封装内的触点的导线。
图14描绘了根据本公开的实施例的将图12的示例接口设备和光电阵列设备接合到印刷电路板的和与导电迹线相关联的导电焊盘。
图15描绘了根据本公开的实施例的用于在驱动器设备和光电阵列设备之间提供相位匹配和/或阻抗匹配的接口的系统的框图。
具体实施方式
本公开描述了特定实施例及其详细构造和操作。本文描述的实施例仅以说明而非限制的方式阐述。根据本文的教导，本领域技术人员将认识到，本文描述的示例性实施例可以存在一系列等同物。最值得注意的是，其它实施例是可能的，可以对本文描述的实施例进行变化，并且可以存在构成所述实施例的组件、部件或步骤的等同物。为了清楚和简明起见，在没有过多细节的情况下呈现某些实施例的组件或步骤的某些方面，这些细节对于本领域技术人员而言根据本文的教导将是显而易见的和/或这些细节将模糊对实施例的更多相关方面的理解。
本文公开了一种接口设备，用于在驱动器设备和光电阵列设备之间提供相位匹配和/或阻抗匹配的接口，以使光电阵列设备中的每个光电设备能够相干且全功率地操作。出于说明性目的，本发明的一些实施例在本文中是从VCSEL的角度进行描述的。但是，本发明的实施例不限于VCSEL，而是可以包括提供与VCSEL类似的功能的任何类型的光电设备或光电设备类型的组合。例如，这种光电设备可以包括发光二极管、光电探测器、边缘发射激光器、调制器、高电子迁移率晶体管、共振隧穿二极管、异质结双极晶体管、量子点激光器等。这种VCSEL阵列设备及其制造方法是已知的。参见，例如，于2011年3月31日提交的标题为“Multibeam Arrays of Optoelectronic Devices for High Frequency Operation”的共同拥有的美国专利申请No.13/077,769，该申请通过引用并入本文。
如本文所使用的，“电路”描述了耦合在一起以提供所定义的一个或多个功能的一个或多个组件。选择用于实现所公开的光电驱动器设备的一个或多个组件可以包括有源组件、无源组件或其组合，这取决于特定应用并且根据众所周知的设计规则。在操作中，所公开的驱动器电路提供驱动信号以从公共驱动点电驱动形成VCSEL阵列设备的各个VCSEL(或其它光电设备)。由所公开的驱动器电路提供的驱动信号可以是阻抗匹配的、相位平衡的或其组合。
转到图1，描绘了根据本公开的实施例的用于实现接口设备的基板叠层100的横截面图。在实施例中，半导体设备包括光电驱动器设备、光电设备阵列、接口设备或其任何组合。如图1所绘出的，基板叠层100包括基板110、接地平面120、第一介电层130和导体层140。一些实施例可以包括附加的介电层150和用于制造电阻器的层160。基板110为用基板叠层100实现的半导体设备提供支撑层。在该实施例中，基板110被描绘为由硅(Si)构成。但是，本领域技术人员将认识到，其它材料可以类似地用于支撑层。例如，基板110可以由氧化铝、氮化铝、碳化硅或其它常见的陶瓷材料构成。它也可以是复合材料，如印刷电路板中使用的FR-4或聚酰亚胺。它也可以是金属结构。同样应该认识到，诸如层厚度的因素可以基于设计选择、应用特定因素等而变化。
接地平面120可以由使用任何已知沉积方法在基板110上形成的任何金属或其它导电材料构成。这种沉积方法包括：蒸发、电解电镀、无电电镀或丝网印刷过程。包括接地平面 120的导电材料的一些示例包括：铝(Al)、Al合金、铜(Cu)或Cu合金。在操作中，接地平面120可以将通过接口设备传播的较高频率信号与基板110隔离。通过将较高频率信号与基板110隔离开，接地平面120可以改善由这种较高频率信号驱动的光电设备接收到的信号强度。在实施例中，接地平面120可以通过降低原本可能由于较高频率信号和基板110之间的相互作用而由高频信号经历的介电吸收损耗，来改善这种接收信号强度。
基板叠层100还包括由介电材料构成并形成在接地平面120上的第一介电层130。在所描绘的实施例中，第一介电层130由2.6微米厚的二氧化硅(SiO2)层构成。但是，第一介电层130可以由本领域技术人员已知的具有低介电损耗正切值或耗散因数的任何介电材料构成。例如，第一介电层130可以由任何已知的其介电损耗因数值在1千兆赫兹(GHz)下等于或小于0.01的介电材料构成。在操作中，第一介电层130形成为非常薄的介电材料层，其使得能够为半导体设备创建非常窄的传输线。在实施例中，为半导体设备创建的这种传输线的宽度与第一介电层130的厚度成比例。
将至少一个开口蚀刻到第一介电层130中，随后用导电材料(例如，金属)填充以形成导电通孔170。在实施例中，当沉积导体层140时，蚀刻到第一介电层130中的至少一个开口被填充导电材料。在实施例中，蚀刻到第一介电层130中的至少一个开口填充有与导体平面140的沉积分开的导电材料。导电通孔170用于将接地平面120与在导体层140中制造的结构电耦合。
用基板叠层100实现的半导体设备的传输线可以形成在沉积在第一介电层130上的导体层140中。在实施例中，为半导体设备创建的这种传输线可以具有基本恒定的阻抗值。在所描绘的实施例中，导体层140由0.5微米(μm)厚的金(Au)层构成。但是，导体层140可以类似地由本领域技术人员已知的适合于在高频应用中实现导电路径的任何导电材料构成。
导体层140还提供用于接合光电设备或光电设备阵列的表面。该接合过程通常被称为倒装芯片接合，并且该接合过程可以使用焊料、导电粘合剂或其它手段来在光电设备和导体层 140之间产生接触。可以通过本领域技术人员已知的过程以通用方式图案化导体层140，以创建用于附接光电设备的传输线和接合焊盘。
在利用基板叠层100实现的半导体设备包括电阻元件(例如，电阻器)的实施例中，基板叠层100还可以包括第二介电层150和电阻层160。如图1所绘出的，电阻层160可以形成在沉积在导体层140上的第二介电层150上。在所描绘的实施例中，电阻层160被实现为沉积在SiO2层上的形成第二介电层150的氮化钽(TaN)层。但是，电阻层160可以类似地被实现为任何已知电阻材料(诸如镍铬合金(NiCr))层。
第二介电层150可以被图案化以允许在可以允许光电设备与导体层140中的焊盘接触的位置处接触导体层140，并且允许电阻层160在要制造电阻器的地方与导体层140产生接触。导体层140和电阻层160均可以通过本领域技术人员已知的过程进行图案化，以形成分立电阻器。类似地，可以使用任何已知的介电材料来实现第二介电层150。当实现时，至少一个开口被蚀刻到第二介电层150中，并且随后用导电材料(例如，金属)填充以形成导电通孔 180。导电通孔180用于将电阻层160与在导体层140中制造的结构电耦合。
如以上所提到的，在实施例中，基板叠层100可以用于实现用于光电设备或此类设备的阵列的接口设备，该接口设备可以被接合到基板叠层100的表面。在实施例中，将通过基板叠层100实现的接口设备接合到(一个或多个)光电设备可能需要接口设备提供基本上在同一平面中的多个触点以进行充分的接合接触。在将接口设备接合到(一个或多个)光电设备时，基板叠层100内的由导电通孔170(以及在实现时的导电通孔180)提供的中间层连接使得能够使用在导体层140中图案化的特征来产生阳极和阴极接触。
接口设备可以在设备驱动器和光电阵列设备之间提供阻抗匹配和/或相位匹配的接口。例如，接口设备可以在设备驱动器和包括多个VCSEL的光电阵列设备之间提供阻抗匹配和/ 或相位匹配的接口。在实施例中，多个VCSEL中的每个VCSEL可以由图2中描绘的等效电路模型来表示。为包括在图2所绘出的等效电路模型中的电子组件选择每个值，以表示供应有8毫安(mA)偏置电流的VCSEL。图3-4示出了由图2描绘的示例VCSEL的等效电路模型的各种参数。在图3中，史密斯圆图显示了为图2中描绘的示例VCSEL的等效电路模型确定的S11散射参数(s参数)的数据。在图4中，图表400示出了所确定的输入阻抗的实部，并且图表450示出了为图2中描绘的示例VCSEL的等效电路模型确定的输入阻抗的虚部。
根据本公开的实施例的接口设备适配为将驱动器设备的输出阻抗与形成光电阵列设备的多个光电设备中的每个光电设备的输入阻抗相匹配。例如，这种接口设备适配为将驱动器设备的输出阻抗与多个VCSEL中的(如图2中所绘出的等效电路模型所表示的)每个VCSEL 的输入阻抗相匹配。通过将驱动器设备的输出阻抗与每个光电设备的输入阻抗相匹配，可以减少介于中间的传输线上的电反射。此外，可以增加在驱动器设备和每个光电设备之间传递的功率。
用于驱动光电设备的现有驱动器设备，诸如VCSEL，具有固定的差分输出。例如，加利福尼亚州圣何塞的MAXIM集成公司提供的MAX3946差分驱动器设备可以具有50Ω的固定差分输出。但是，光电设备的输入阻抗可随频率而变化，如图4的图表400和450所示。因此，需要接口设备在具有固定差分输出的驱动器设备和光电阵列设备中的每个光电设备的随频率而变化的输入阻抗之间提供阻抗匹配的接口。
在实施例中，当驱动器设备输出端和每个光电设备输入端两者的阻抗值都主要为电阻性时，可以通过提供由具有适当阻抗值的传输线构成的接口设备来实现这种阻抗匹配接口。例如，可以通过取驱动器设备输出端阻抗和光电设备输入端阻抗的乘积的平方根来确定适当的阻抗值，因为只有阻抗的实部存在于主要的电阻性阻抗中。根据这种实施例实现的接口设备可以被认为是非常宽带的，因为其主要的电阻性阻抗值将不会随频率而变化。但是，在宽带频率范围内操作的系统中，驱动器设备输出端和每个光电设备输入端两者的阻抗值也都将包括强的阻抗无功分量。因此，在宽带频率范围中操作的系统可能需要不同的接口设备。
在实施例中，用于在宽带频率范围中操作的系统的接口设备可以包括基于电阻器的功率分配器。在该实施例中，可以基于两个或更多个因素之间的折衷来确定与基于电阻器的功率分配器的一个或多个支路(或传输路径)相关联的电阻值。例如，可以基于各个支路之间的阻抗匹配与由于偏置电流导致的一个或多个支路中的电阻性电压降之间的折衷来确定与一个或多个支路相关联的电阻值。如本文所使用的，“基于电阻器的功率分配器”是指用于将来自单个输入端的功率在两个或更多输出端之间划分的宽带微波电路。在实施例中，多个基于电阻器的功率分配器可以分级或串联连接，以在三个或更多个输出端之间提供附加的功率分配。
图5是描绘根据本公开的实施例的包括基于电阻器的功率分配器(即，基于八路电阻器的功率分配器505)的接口设备500的示例的示意图。如图5所绘出的，接口500包括输入端510、电阻器520和输出触点530。在实施例中，基于八路电阻器的功率分配器505包括基于电阻器的功率分配器540-552，其在图5中由基于八路电阻器的功率分配器505的子部分表示。如本领域技术人员所知，电阻器520中的一个或多个可以用任何数量的物理电阻器实现。由此，电阻器520表示与基于八路电阻器的功率分配器505的相应段相关联的电阻值。在实施例中，电阻器520中的每个电阻器可以具有等效的电阻值。在该实施例中，等效的电阻值(R)由下式确定：
等式1
Figure GDA0003612755660000071
其中：
Zo＝传输线的特性阻抗，诸如50Ω
N＝基于电阻器的功率分配器中包括的输出触点的数量
例如，基于双路电阻器的功率分配器，诸如基于电阻器的功率分配器540-552中的任何一个，可以使用多达三个电阻器。假设在该示例中传输线的特性阻抗为50Ω，则三个电阻器中的每一个可具有16.67Ω(50Ω/3)的电阻值。如以上所讨论的，基于八路电阻器的功率分配器505包括基于电阻器的功率分配器540-552。由此，基于八路电阻器的功率分配器505使用一系列的三层的基于双路电阻器的功率分配器，将在输入端510处接收到的功率在八个输出触点520之间划分。根据等式1，这些基于双路电阻器的功率分配器中的每一个都包括具有16.67Ω的电阻值的电阻器。而与之不同，常规的功率分配器可以用单个基于八路电阻器的功率分配器来实现，该单个基于八路电阻器的功率分配器包括通常具有大约37.78 Ω的电阻器值的电阻器。由于电阻器520的电阻值较低，因此基于八路电阻器的功率分配器 505经历比常规功率分配器更低的由偏置电流造成的电阻性电压降。
在实施例中，当使用接口设备500在由图2的多个示例VCSEL构成的光电阵列设备和驱动器设备(为每个VCSEL提供8毫安偏置电流)之间提供接口时获得的结果在下面表1中示出。
表1：
到任何输出触点的功率传输 -16.9dB
输入回损 16.9dB
任何输出触点回损 20.7dB
最坏情况隔离输出触点与输出触点 -7.8dB
最好情况隔离输出触点与输出触点 -24.9dB
使用基于电阻器的功率分配器的一个优点可以是它们是非常宽带的。它们是非常宽带是因为这样的设备可以从直流(DC)直到仅受基于电阻器的功率分配器的结构的寄生电容限制的最大频率来工作。基于电阻器的功率分配器的另一个优点可以是它们可以被实现为非常紧凑(小型)的设备。这种设备的最小尺寸可通过用于实现基于电阻器的功率分配器的特定半导体制造过程来限制。而与之不同，非电阻性功率分配器(例如，威尔金森(Wilkinson) 和吉塞尔(Gysel)功率分配器)通常是具有相对大的物理尺寸的窄带设备，其可能难以集成到微尺寸光电阵列设备中。
在接口设备中包括基于电阻器的功率分配器的可能缺点可能是在输入端处接收到的功率的一部分可能在到达输出端之前被一个或多个支路中的电阻器消耗。例如，在输入端处接收到的功率的大约一半可能在到达输出端之前被一个或多个支路中的电阻器消耗。
图6描绘了根据本公开的实现图5的接口设备500的半导体实施例的接口设备600。接口设备600包括接地触点(阴极)区域605、输入端610、电阻器620、输出触点630、基于电阻器的功率分配器640-652和VCSEL 660-672。在实施例中，VCSEL 660-672合起来形成光电阵列设备。接口设备600还包括传输线680-686，其将输出触点630中的每个输出触点电连接到VCSEL 660-672中的一个VCSEL。在实施例中，传输线680-686中的每条传输线被布置在接口设备600上，使得传输线680-686中的每条传输线具有等效的电气长度。即，传输线680的电气长度等效于传输线683的电气长度，而传输线683的电气长度等效于686 的电气长度，等等。
在实施例中，传输线635和680-686中的每条传输线形成在基板叠层的导体层中，诸如图1的导体层140。接地或阴极接触区域605也形成在与传输线相同的导体层中。该导电图案通过图案化过程而与传输线隔离，并且通过导体层之间的通孔(如图1中的170所示)连接到接地层(图1中的导体层120)。如以上所讨论的，每条传输线的宽度可以基于介于导体层和下面的基板之间的介电层(例如，图1的第一介电层130)的厚度来确定。例如，如果介于导体层和下面的基板之间的介电层是2.6μm，则传输线635和680-686中的每条传输线可以具有5μm的宽度。而且，在该示例中，传输线635和680-686中的每条传输线可以具有50Ω的阻抗值。
在实施例中，电阻器620中的每个电阻器可以形成在基板叠层的电阻层中，诸如图1的电阻层160。如以上所讨论的，在基板叠层中，介电层可介于电阻层和导体层之间。在示例中，可以通过在介电层上沉积诸如TaNi的电阻材料层来实现电阻层。而且，在该示例中，电阻器620中的每个电阻器可以具有16.7Ω的电阻值。在实施例中，传输线635中的每条传输线可以在电阻器620中的每个电阻器周围的区域中从5μm的宽度逐渐到24μm的宽度形成锥形。不过，每条传输线可以从不同的初始宽度逐渐到不同的电阻器相邻宽度形成锥形，这取决于以下因素：介于导体层和下面的基板之间的介电层的厚度；电阻的电阻值；等等。通过这样使得传输线的宽度在围绕电阻器的区域中从第一值逐渐到第二值形成锥形，可以使信号传播路径中的不连续性最小化，这种不连续性可能会引起反射。在图6中，围绕电阻器620中的一些电阻器的这种区域的示例由标记690表示。当设计接口设备600时，接口设备600可以通过最小化信号传播路径中的不连续性，以比原本可能使用的其它方式更高的数据速率提供相位相干信号。
图7是描绘根据本公开的实施例的包括无电阻器功率分配器(即，八路无电阻器功率分配器705)的接口设备700的示例的示意图。与图5的接口设备500不同，接口设备700不包括电阻器。替代地，接口设备700利用具有基本恒定的阻抗值(例如，50Ω)的多条传输线735来将输入端610电连接到输出触点630。在实施例中，接口设备700在驱动器设备和光电阵列设备之间提供相位匹配的、但不是阻抗匹配的接口。在该实施例中，在没有电阻器的情况下，接口设备700可能无法调整每个“T形”结或交叉点处的总阻抗以提供阻抗匹配的接口。此外，接口设备700还可能无法如接口设备500那样例如通过使传输线635中的每条传输线在电阻器周围的区域中形成锥形来实现反射最小化。但是，接口设备700可以向任何输出触点提供改进的功率传输，因为没有电阻器来引入电阻性电压降。
图8描绘了根据本公开的实现图7的接口设备700的实施例的接口设备800。接口设备800包括接地触点(阴极)区域605、输入端610、输出触点630、无电阻器功率分配器740-752、 VCSEL 660-672和传输线680-686。
在实施例中，当使用接口设备700在由图2的多个示例VCSEL构成的光电阵列设备与驱动器设备(为每个VCSEL提供8mA偏置电流)之间提供接口时获得的结果在下面的表2中示出。
表2：
到任何输出触点的功率传输 -12.7dB
输入回损 4.0dB
任何输出触点回损 6.0dB
最坏情况隔离输出触点与输出触点 -6.0dB
最好情况隔离输出触点与输出触点 -16.0dB
表1和2的比较表明包括无电阻器功率分配器的接口设备(例如，接口设备700)比包括基于电阻器的功率分配器的接口设备(例如，接口设备500)向任何输出触点输送更高的 (-12.7dB对-16.9dB)功率传输。但是，在阻抗匹配和输出触点与输出触点隔离方面，包括无电阻器功率分配器的接口设备比包括基于电阻器的功率分配器的接口设备表现更差。但是，包括无电阻器功率分配器的接口设备仍然可以胜过常规的设备驱动器，因为它确实提供了相位匹配的接口和某种程度的输出触点与输出触点的隔离。但是，包括无电阻器功率分配器的接口设备可能比包括基于电阻器的功率分配器的接口设备整体表现较差。例如，由传输线和光电设备之间的不匹配引起的反射可能会耦合到光电阵列设备中的其它光电设备。与包括基于电阻器的功率分配器的接口设备相比的优点在于，包括无电阻器功率分配器的接口设备可以更容易制造，因为它不涉及集成电阻器制造。
图9是图示用于制造接口设备的方法900的实施例的流程图，该接口设备在光电设备阵列和驱动器设备之间提供阻抗匹配和/或相位匹配的接口。在实施例中，接口设备包括上述组件的任何组合。例如，接口设备可以包括以下中的一个或多个：输入端、包括多个输出触点的输出端、包括具有共同电气长度的多条传输线的功率分配器。在实施例中，功率分配器还可以包括多个电阻器。
在方框910中，布置基板，其为接口设备提供支撑层。在实施例中，由方框920-970表示的步骤的序列可以形成基本上类似于图1的基板叠层100的基板叠层。该制造序列可以组成由方框920-970表示的一个或多个可选方框。在方框920中，在方框910中布置的基板上沉积金属或导体层以形成设备的接地平面。通常，将在方框925中通过本领域技术人员已知的许多过程之一来图案化层920，以在最终设备配置所需的一些区域中去除材料。图案化层920和其它后续沉积层的手段可以包括在光致抗蚀剂中创建图案化的掩模层，该掩模层将在沉积之后被去除，从而将金属层留在未被抗蚀剂覆盖的区域中。类似的过程可以包括用于金属浆料沉积的丝网印刷，该金属浆料沉积将在之后进行烧结，或者可以包括限定金属沉积的区域的阴影掩模。在920中的金属沉积步骤之后执行的替代图案化方案是掩蔽金属层的部分并通过湿法或干法蚀刻过程来蚀刻掉未受保护的区域中的金属。
在可选方框930中，在包括接地平面的基板上沉积第一介电层。在可选方框935中，通过如前面针对方框925所述的若干过程之一来图案化介电层。该图案化过程可以包括介电层中的直到方框920的接地平面层的表面的开口。在可选方框940中，用于形成多条传输线的导体层沉积在基板上。然后可以通过方框945过程，对导体层进行图案化和蚀刻以形成传输线和接合焊盘。在实施例中，在通过对方框930的介电层执行方框935的图案化而暴露出方框920的接地平面层的情况下，通过在方框940中沉积的导体层在第一介电层内制造一个或多个导电通孔(例如，图1的导电通孔170)，以将接地平面电耦合到在导体层中形成的用于阳极和阴极接触的特征。
在可选方框950中，将第二介电层沉积在基板上。然后可以在方框955中对第二介电层进行图案化和蚀刻，以允许光电设备与导体层接触，并且使电阻层中形成的电阻器与导体层接触。在可选方框960中，在方框950和955的图案化介电层上沉积附加导体层，以提供用于在电阻层中形成的电阻器的电触点。在可选方框965中，方框960的导体层被图案化，以便创建用于要在方框970和975中制造的电阻器的电触点。在实施例中，通过方框955的图案化过程在方框950的第二介电层内制造一个或多个导电通孔(例如，图1的导电通孔180)，以将方框960的导体层电耦合到在电阻层中形成的特征，以形成电阻器。在可选方框970中，用于形成多个电阻器的电阻层沉积在基板上。然后可以通过方框975的过程对电阻层进行图案化和蚀刻，以形成分立的电阻器。在电阻层与方框960和965的导电图案接触的情况下，经由图1的导电通孔180而与在方框940中形成的导体层发生接触。导体层、介电层和电阻层的图案化可以通过通常用于制造混合电路的光刻过程来完成。可以使用其它过程，诸如丝网印刷或图案化沉积。
图10是根据本公开的实施例的接口设备1010的横截面图，其中接口设备1010具有接合到光电阵列设备1020的无电阻器功率分配器。在实施例中，接口设备1010可以基本上类似于图8的接口设备800。在实施例中，无电阻器功率分配器可以作为图8的无电阻器功率分配器740-752来实现。接口设备1010可以由许多可能的材料形成，包括硅、陶瓷、印刷电路板和扁平柔性电缆。例如，接口设备1010可以形成有图1的基板110、接地平面120、第一介电层130和导体层140。
为了均匀地驱动光电设备1022的阵列，本文描述的实施例可以使用接口设备1010经由倒装芯片接合而与光电设备阵列形成电接触。这在图10中示出，图10描绘了倒装芯片接合到接口设备1010的光电阵列设备1020。倒装芯片接合过程可以通过如下机器来完成：该机器将两个基板(即，光电阵列设备1020和接口设备1010)对准在一起，然后将它们放置为彼此接触并在接触基板之前或之后加热一个或两个基板。例如，可以将一个基板加热至约 285℃并在该温度下保持约10分钟。然后可以使用20克重物施加向下的压力。然后可以使接合的晶片冷却至室温，从而完成它们的处理。在美国专利申请No.12/707,657中描述了用于高速VCSEL阵列的倒装芯片接合技术的使用，该申请通过引用整体并入本文。
光电阵列设备1020可以包括多个单独的光电设备1022以及微透镜1024的阵列。多个光电设备1022中的每一个可以与焊球或其它导电接合接触，以向光电阵列设备1020提供机械支撑、电接触、热传导或其组合。焊球(或其它导电接合)可以实现光电设备1022和位于光电阵列设备1020下方的阻抗匹配传输线(未示出)之间的电耦合。在实施例中，可以在由接口设备1010提供的阻抗匹配传输线的末端提供电触点，以促进这种电耦合。在实施例中，可以使用导体层(例如，图1的导体层140)形成电触点。在实施例中，电触点可以是阴极子板(sub-mount)金属、阳极子板金属或其组合。在实施例中，阻抗匹配传输线提供送往光电阵列设备1020的高数据速率光信号的传输。
如图所示，多个光电设备1022可以位于光电阵列设备1020的底表面上，并且将它们的光投射通过光电阵列设备1020的基板的厚度并通过微透镜1024的阵列。该阵列的各个微透镜1024通过光电阵列设备1020的与光电设备1022相对的顶表面上的各个凸块示出。多个光电设备的光发射可以被引导通过光电阵列设备1020的基板并通过微透镜1024的阵列，以形成组合的阵列输出束。在实施例中，光电阵列设备1020的基板可以包括允许光发射能够发射通过基板的开口或窗口。虽然本文描述了底部发射光电设备，但是顶部发射光电设备和底部发射光电设备都可以用在实施例中。
图11-12描绘了具有接合到光电阵列设备1150的基于电阻器的功率分配器的接口设备 (分别为1100和1200)的实施例。在实施例中，接口设备1100和1200可以基本上类似于图6的接口设备600。接口设备1100和1200可以由许多可行的材料形成，包括硅、陶瓷、印刷电路板和扁平柔性电缆。例如，界面设备1100和1200可以形成有图1的基板110、接地平面120、第一介电层130、导体层140、第二介电层150和电阻层160。接口设备1100 和1200中的电阻元件可以由电阻层(例如，图1的电阻层160)形成。这种电阻元件可以用于在接口设备1100和1200中实现一个或多个基于电阻器的功率分配器(例如，图6的基于电阻器的功率分配器640-652)。
更具体而言，图11描绘了在通过外部导体1160和1170电耦合到设备驱动器(未示出) 的输入触点1102处接收偏置电流的接口设备1100的横截面图。例如，外部导体1160和1170 可以是与具有到驱动器设备的连接的电子封装相关联的导线，外部导体1160和1170被接合到接口设备1100的输入触点1102和输出触点1110。在图11所绘出的实施例中，偏置电流从输入触点1102流到电阻元件1104。在实施例中，输入触点1102基本上类似于图6的输入端610。偏置电流从电阻元件1104流到阳极触点1106，阳极触点1106将接口设备1100电耦合到光电阵列设备1150的阳极1152。在实施例中，阳极触点1106是在导体层(例如，图 1的导体层140)中图案化的特征。由此，在图11所绘出的实施例中，从输入触点1102到阳极触点1106形成输入电流路径。
在图11所绘出的实施例中，返回电流路径在阴极触点1108处开始，在该阴极触点1108 处，从光电阵列设备1150的阴极1154接收返回电流。在实施例中，阴极触点1108是在导体层(例如，图1的导体层120，以及图6和图8的605)中图案化的特征。返回电流经由导体层从阴极触点1108流到输出触点1110。在实施例中，导体层基本上类似于图1的导体层120。返回电流从输出触点1110经由外部导体1170流到驱动器设备(未绘出)。由此，在图11所绘出的实施例中，从阴极触点1108到输出触点1110形成返回电流路径。
图12描绘了在输入触点1202处接收来自连接到设备驱动器(未绘出)的印刷电路板上的焊盘的偏置电流的接口设备1200的横截面图，该接口设备1200使用导电通孔被布线到光电阵列设备1150。在实施例中，输入触点1202基本上类似于图6的输入端610。在图12所绘出的实施例中，偏置电流通过导电通孔1204和1206从输入触点1202流到电阻元件1208。在实施例中，导电通孔1204和1206可以通过与在图1中用于形成导电通孔170和180的过程类似的过程在基板(图1的层110)中创建导电通孔来实现。偏置电流从电阻元件1208 流到阳极触点1210，而阳极触点1210将接口设备1200电耦合到光电阵列设备1150的阳极 1152。在实施例中，阳极触点1210是在导体层(例如，图1的导体层140)中图案化的特征。由此，在图12所绘出的实施例中，从输入触点1202到阳极触点1210形成输入电流路径。
在图12所绘出的实施例中，返回电流路径在阴极触点1212处开始，在阴极触点1212 处，从光电阵列设备1150的阴极1154接收返回电流。在实施例中，阴极触点1212是在导体层(例如，图1中的接地导体层120，以及图6和图8中的605)中图案化的特征。返回电流通过导电通孔1214从阴极触点1212流到输出触点1216。在实施例中，导电通孔1214 可以通过与在图1中用于形成导电通孔170和180的过程类似的过程在基板(图1的层110) 中创建导电通孔来实现。返回电流从输出触点1216流到驱动器设备(未绘出)。由此，在图 11所绘出的实施例中，从阴极触点1210到输出触点1216形成返回电流路径。
图13图示了将图11的示例接口设备和光电阵列设备接合到中空体电子封装1300内的触点1310和1320的导线。如上面关于图11所讨论的，外部导体1160和1170可以是与具有到驱动器设备的连接的电子封装1300相关联的导线。通过将外部导体1160和1170接合到接口设备1100的输入触点1102和输出触点1110，形成如图15所绘出的系统。
图15中描绘的包括驱动器电子器件、接口设备和光电设备阵列的系统1500也可以通过图12中描绘、并且如图14中进一步所示的示例接口设备和光电阵列设备形成。在图14中，接口设备1200可以像表面安装设备一样被接合(例如，焊接)到与印刷电路板1400的导电迹线1410和1420相关联的导电焊盘。在形成图15所示的系统1500时，接口设备(例如，接口设备1100和1200)可以在驱动器设备和光电阵列设备1150之间提供相位匹配和/或阻抗匹配的接口，从而使光电阵列设备1150中的每个光电设备能够以相干和全功率的方式操作。
如前所述，上述各种特征和过程可以彼此独立地使用，或者可以以各种方式组合。所有可能的组合和子组合都旨在落入本公开的范围内。此外，在一些实现中可以省略某些方法或过程方框。本文描述的方法和过程也不限于任何特定序列，并且与其相关的方框或状态可以以适当的其它序列执行。例如，所描述的方框或状态可以以不同于具体公开的顺序执行，或者多个方框或状态可以在单个方框或状态中组合。示例方框或状态可以以串行、并行或以某种其它方式执行。可以向所公开的示例实施例添加方框或状态或者从其中移除方框或状态。本文描述的示例系统和组件可以与所描述的不同地配置。例如，与所公开的示例实施例相比，可以添加、移除或重新布置元件。
除非另外特别说明或者如在所使用的上下文中以其它方式所理解的，否则本文使用的条件语言，诸如以及、“能够”、“可能”、“会”、“可以”、“例如”等等，通常旨在表达某些实施例包括，而其它实施例不包括，某些特征、元件和/或步骤。因此，这种条件语言通常不旨在暗示一个或多个实施例以任何方式需要特征、元件和/或步骤，或者一个或多个实施例必须包括用于决定(无论是否有作者输入或提示)这些特征、元件和/或步骤是否被包括在任何特定实施例中或将要在任何特定实施例中执行的逻辑。术语“包括”、“包含”、“具有”等是同义的并且以开放式方式包含性地使用，并且不排除附加元件、特征、动作、操作等。此外，术语“或”在其包含性意义上(而不是在其排他意义上)使用，因此，当例如为了连接元素列表而被使用时，术语“或”意味着列表中的一个、一些或全部元素。
本公开描述了特定实施例及其详细构造和操作。本文描述的实施例仅以说明而非限制的方式阐述。根据本文的教导，本领域技术人员将认识到，本文描述的示例性实施例可以存在一系列等同物。最值得注意的是，其它实施例是可能的，可以对本文描述的实施例进行变化，并且可以存在构成所述实施例的组件、部件或步骤的等同物。为了清楚和简明起见，在没有过多细节的情况下呈现某些实施例的组件或步骤的某些方面，这些细节对于本领域技术人员而言根据本文的教导将是显而易见的和/或这些细节将模糊对实施例的更多相关方面的理解。
以上使用的术语和描述仅以说明的方式阐述，并不意味着限制。本领域技术人员将认识到，在不脱离本发明的基本原理的情况下，可以对本文描述的概念进行那些和许多其它变化、增强和修改。因此，本发明的范围应仅由以下权利要求及其等同物确定。

Claims (22)

1.一种在驱动器设备和包括多个光电设备的光电阵列设备之间提供相位匹配接口的装置，所述装置包括：
输入端，适配为与所述驱动器设备接口；
输出端，包括多个输出触点；以及
功率分配器，形成在基板叠层上，将所述输入端电连接到所述输出端以在所述多个输出触点之间划分由所述输入端接收的功率，所述功率分配器进一步包括具有共同电气长度的多条传输线，
其中，所述多个输出触点中的每个输出触点适配为经由所述多条传输线中的一条传输线而与所述多个光电设备中的一个光电设备接口，以及
其中，在所述基板叠层上形成所述多个光电设备。
2.如权利要求1所述的装置，其中所述基板叠层包括形成在基板上并且将所述功率分配器与所述基板电隔离的接地平面。
3.如权利要求1所述的装置，其中所述基板叠层包括由第一介电材料构成的第一介电层，所述功率分配器形成在所述第一介电层上。
4.如权利要求3所述的装置，其中所述第一介电材料在1千兆赫下具有小于0.01的介电损耗正切值。
5.如权利要求3所述的装置，其中所述多条传输线中的每条传输线具有基于所述第一介电层的厚度而确定的宽度。
6.如权利要求1所述的装置，其中所述基板叠层包括导体层，所述多条传输线形成在所述导体层中。
7.如权利要求1所述的装置，其中所述多个输出触点并联连接。
8.如权利要求1所述的装置，其中所述功率分配器还包括多个电阻器，所述多个电阻器中的每个电阻器具有等效的电阻值。
9.如权利要求8所述的装置，其中所述基板叠层包括电阻层，所述多个电阻器形成在所述电阻层中。
10.如权利要求9所述的装置，其中所述电阻层形成在所述多条传输线上方的第二介电层上。
11.如权利要求8所述的装置，其中基于所述多个电阻器中的一个电阻器的电阻值，每条传输线的宽度在围绕所述一个电阻器的区域中从第一值逐渐到第二值形成锥形。
12.如权利要求1所述的装置，其中所述功率分配器是威尔金森功率分配器。
13.如权利要求1所述的装置，其中所述基板叠层使用薄膜沉积技术来形成。
14.一种光电阵列设备，包括：
多个光电设备，形成在基板叠层上；以及
接口设备，形成在所述基板叠层上，并且在所述多个光电设备中的每个光电设备与驱动器设备之间提供相位匹配接口，所述接口设备包括：
输入端，适配为与所述驱动器设备接口；
输出端，包括多个输出触点；以及
功率分配器，将所述输入端电连接到所述输出端以在所述多个输出触点之间划分由所述输入端接收的功率，所述功率分配器进一步包括具有共同电气长度的多条传输线，其中，所述多个输出触点中的每个输出触点适配为经由所述多条传输线中的一条传输线而与所述多个光电设备中的一个光电设备接口。
15.如权利要求14所述的光电阵列设备，其中所述基板叠层包括：
接地平面，形成在基板上，并且将所述功率分配器与所述基板电隔离；
第一介电层，形成在所述接地平面上，所述多条传输线中的每条传输线具有基于所述第一介电层的厚度而确定的宽度；以及
导体层，形成在所述第一介电层上，所述多条传输线形成在所述导体层中。
16.如权利要求15所述的光电阵列设备，其中所述接地平面和所述导体层通过接合的导线而以分离开的方式连接到电子封装，所述电子封装能够被焊接到印刷电路板或直接焊接到驱动器电路的电触点。
17.如权利要求15所述的光电阵列设备，其中所述接地平面和所述导体层通过所述基板中的导电通孔而以分离开的方式连接到所述基板的下表面上的导电接触焊盘，所述导电接触焊盘能够被焊接到印刷电路板或直接焊接到驱动器电路的电触点。
18.如权利要求14所述的光电阵列设备，其中所述功率分配器还包括多个电阻器，所述多个电阻器中的每个电阻器具有等效的电阻值。
19.如权利要求18所述的光电阵列设备，其中基于所述多个电阻器中的一个电阻器的电阻值，每条传输线的宽度在围绕所述一个电阻器的区域中从第一值逐渐到第二值形成锥形。
20.一种制造光电阵列设备的方法，所述方法包括：
提供基板；以及
在所述基板上形成基板叠层，所述基板叠层合起来包括多个光电设备和接口设备，
所述接口设备在所述多个光电设备中的每个光电设备与驱动器设备之间提供相位匹配接口，以及
所述接口设备包括：
输入端，适配为与所述驱动器设备接口；
输出端，包括多个输出触点；以及
功率分配器，将所述输入端电连接到所述输出端以在所述多个输出触点之间划分由所述输入端接收的功率，所述功率分配器进一步包括具有共同电气长度的多条传输线，其中，所述多个输出触点中的每个输出触点适配为经由所述多条传输线中的一条传输线而与所述多个光电设备中的一个光电设备接口。
21.如权利要求20所述的方法，其中形成所述基板叠层包括：
在所述基板上形成接地平面，所述接地平面将所述功率分配器与所述基板电隔离；
在所述接地平面上形成第一介电层，所述多条传输线中的每条传输线具有基于所述第一介电层的厚度而确定的宽度；以及
在所述第一介电层上形成导体层，所述多条传输线形成在所述导体层中。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述功率分配器还包括多个电阻器，并且其中形成所述基板叠层还包括：
在所述导体层上形成第二介电层；以及
在所述第二介电层上形成电阻层，所述多个电阻器形成在所述电阻层中。
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