CN1113259C - 光电子组件的密封 - Google Patents

Abstract

一种密封的光电组件(1)包括，一单晶硅片(3)和位于其上的波导(9)，其至少部分地采用电子集成电路制造方法中选出的处理方法来制作。波导(9)从光电组件(1)边棱处延伸至光电子有源或无源组件(11)处，该组件(11)附着于硅片(3)的表面上。在波导(9)与光电子组件(11)相连的区域上方模制有一透明塑料材料(17)，如有改善波导(9)与光电子组件(11)之间光耦合之折射率的弹性体。模制层(17)覆盖住整个所述组件(11)为好，以减少其与外部的可固化塑料材料保护层(19)之间的热应力。模制层(17)也可以覆盖在波导9的整个上方，以构成其上包层。导引槽5被设置在硅晶片中，以定位导引销(7)，用于实现光电组件(1)与其他有同样波导和导引销导槽的光电组件之间的连接。

Description

光电子组件的密封

技术领域

本发明涉及一种制作密封的光电组件(optocomponent)的方法，该组件由分布在诸如硅基板上的波导以及光电子器件构成，本发明还涉及密封的光电组件及其中的部件。

背景技术

包含有相关的波导、连接器等等的密封光电组件很是昂贵，而且这些昂贵的费用阻碍了光通信技术的普及。费用高的一个主要原因是，在光电子组件与波导对准，及组件中波导与其他波导对准过程中需要很高的机械精度。因此，必须使用各种昂贵而精细的机械元件。其组装也很费时，也是费用高的原因。此外，传统的组件要在气密防水环境下封装，以防产生散射，这就给封装方法和所用设备(在惰性气体气氛、较高温度及类似条件下操作)提出了进一步的要求。如果对准方法更合理一些，则封装方法不必完全需要同样严格的气密性且基本不用很昂贵的设备条件。所以，每支密封组件的生产成本可以大大地降低。

现有技术

Armiento等人的美国专利US-A5,077,878和US-A5,163,108公开了光纤等光接收元件与光发生芯片的有源器件之间，通过在基体表面形成支座或凸台而被互相对准的方法，其中的基体最好是硅材料的。光纤被定位在基体表面的V形槽中，制作中使用了光刻技术。

欧洲专利申请公开EP-A10,571,924中也公开了硅基板上组件的对准方法，其中采用了导引销和相应的导引槽。有矩形芯的波导用沉积法形成在硅基板上。

根据已公开的德国专利申请DE-A13,928,894(与美国专利US-A5,091,045对应)，电子光学组件与波导之间的连接区，通过模制与凝固或硬化具有与波导相同折射率的材料而使该连接区被覆盖起来。

欧洲专利申请公开EP-A10,226,296也公开了一种对准的程序。

在欧洲专利申请公开EP-A20,171,615中，公开了一种混合式集成光路，为了固定各种器件，硅基板上形成有各种“小岛状隔离区”，且在基板的表面上集成了波导。

从公开的欧洲专利申请EP-A20,313,956可获知，在封装光电子组件过程中是将其安置在一金属基板上，再将所得的组件整体模铸在不透明的塑料b(图1、5a和5b)中。在模铸于透明塑料中之前，先让光电或激光二极管构成的器件与器件中的光纤端头相接合(第六栏第6至16行)。

发明概述

本发明的一个目的是提供光学组件，包括以高的成本利用率封装元器件与波导连接处的特别敏感部位。

本发明的另一个目的是提供密封的光学组件，它包括用简单的方法制出的波导，该波导用于与其他器件之间互相耦合光信号。

本发明进一步的目的是提供密封的光学组件，在该组件与其他组件相接触的表面上已精密地制作出导销的导引槽，而该其他组件也相似地形成有接触表面，并还有使分立波导和分立元器件精确对位的另外的导引。

本发明另一个目的是提供用于制作具有与其他相似组件的光学界面的密封光学组件的较简单且不很贵的方法。

本发明完成上述目的，本发明的特征在随附的权利要求中限定。

包含精密定位各机械组件的封装工作由这样一种方法构成：首先在其上有精密导槽的基板(诸如硅)上，制作和/或组装出波导、光电组件和可能的电子电路。然后光电组件和其与波导的界面，或者甚至是整体用模铸弹性材料的办法覆盖起来，而该弹性材料对工作波长是透明的，其目的是确保光学接触，和防止塑料的穿透。此后，进行塑料模铸。

在密封光电组件的制作过程中，首先制出一块适用的无机材料板，优选的是单晶硅晶片，但陶瓷片和其他同类片材也可以采用，这些材料有些脆且不能承受大的机械应力。在下文中，将首先讨论硅晶片状的基板。然后是借助于集成电子电路生产中采用的处理工艺方法，在该基板表面上和表面内制作出各种器件，这些工艺方法可以是沉积、扩散、氧化、涂覆光致抗蚀材料的掩模、印刷布线图案制作、蚀刻、其他化学处理和等效的方法。“处理工艺方法”一词在下文中表示上述的这些方法。利用这些方法可以获得层状结构和器件，这些器件和叠层被直接制作并集成在平板上。于是，下部的包层区和其上方的芯区可以成为波导，而且可能还有最后形成的上包层区。一个光电子组件可以贴在该基板的相同表面上，以便与其波导相耦合，而且该组件也与各电子终端进行电连接，比如也形成于该平板表面上和表面内的导电区。上包层区可以通过覆盖基板表面的至少一部分而获得，其中包括了至少一部分下包层区裸表面和至少一部分芯区裸表面，比如通过模铸一种软的弹性塑料材料诸如合成橡胶材料而进行覆盖处理。

因此，在制作波导过程中，首先可以制出下部的一或多层包层，其方法是在可含有一或数个细长条状区域的平板表面适当区域上导入或涂上一或多个涂层；然后在构成下部单包层或多层包层的单层或多层表面内或顶上，导入或涂上一细长形的附加层而制成芯区。这种多层产品可以借助于集成电子电路制造业中公知的处理工艺方法制造。之后，用塑料材料覆盖或涂覆至少光电子组件与最好是整个波导之间的连接或交界区。

该塑料材料最好是一种透明材料，它具有适于加强光耦合的折射率，也就是光电组件与波导之间的光耦合。

在基板表面至少具有所述单色层或多色层裸表面且尤其具有弹性塑料材料等器件的区域顶上，用诸如转移模制或注模的方法涂上一层硬的不透明的抗机械损害附加塑料层，以为组件提供机械和光学保护。

在该平板上，可以用蚀刻制作出精确对准的导引槽，比如选用单晶硅板时用各向异性蚀刻法，以便使器件和/或作为波导的光纤之间对准。凸起部(台面)或类似的突起物，可以用上述方法制得，如沉积法，以便使布置在平板表面上的器件定位，诸如作为离散器件的光电组件。

当光电组件包括一个使该组件连接到一个有相应光学连接器或光学界面的器件上的光学连接器机构时，就需要有对准装置。对准装置可以是圆柱状导引销，而且这样的销或至少具有与之部分相同形状的器件再定位在基板表面上相应的导引槽中，之后进行保护性塑料层的转移模铸或浇注模铸。

基板可以基本呈矩形，它包括一个直的前棱边和一个平的前表面。对于与相似组件有光学连接性能的光电组件而言，随后要形成两个平行的导销导引槽，该槽在基板表面上垂直于前表面延伸，在矩形硅基板的情况下，导槽将平行于且相邻于两相对的边棱，这两个边棱垂直于前表面。

附图简述

现在参考非限制性的实施例并参考附图，详细描述本发明，其中：

图1是一个具有光学连接机构的光电子盒的透视示意图，

图2a是基板的局部透视图，该基板包括一个对其上组件的内封装层，和直接制作在基板表面上的波导，

图2b是基板的局部透视图，该基板包括有一个对其上组件的内封装层，和离散光纤形式的波导，

图3是与图2a相似的基板局部透视图，其中内封装层同时又成为波导包层的一部分，

图4是从用于光电子盒的基板后面斜着看去的透视图。

详细说明

图1是封装的光电子单元或光电盒(optocapsule)1的透视图，其基底部分是一块基板3。基板3适宜是一个其内和其上有器件的单晶硅板，这些器件是用各种不同的方法制成的并与该板集成在一起，为的引导光和固定各种器件。这些不同的器件是借助于制造集成微电子电路和微小结构器件的处理工艺中公知的方法制作出来的。硅基板3通常是矩形的晶片，它具有沿基板3相对两边棱延伸且垂直于平的前表面6或前边棱的导引槽5。在所示实施例中，导引槽5的截面形状有一对称张角，而且伸向硅基板3顶表面的槽两则边形成了大约45°～65°的角。导引槽5用作导引两圆柱形导引销7，该销可以抽出和插入传统的MT连接器。

而且，在硅片上，波导9被安排在两相互平行的导引槽5中间的位置处，且与之平行。波导9延伸到硅片3的前棱6，为的是在该棱处与其他光电盒或光电组件(未画出)之间传导光，而该其他光电组件其前边缘有互补或对应的形状并伸至光电组件1处定位，而且是由导引销引导到正确的位置。

波导9的另外一端的端头与光电子有源或无源组件11相连接。该组件11也可以是一块采用集成电子电路制作工艺中所用方法之一制造出来的板子，而且也附着在硅基板3上。从光电子组件11伸出的电导体13延伸到单元15形成的驱动器电子电路，该单元15也附着在硅基板3的上表面上。驱动器电子电路单元15与包含相应接触区16′的导体通路16电连接，导线15被钎焊于该连接区16′处，以使之与外接电缆18′的接头16″相连接。

为了制作密封的光电组件1，要首先制作出如图1的包括有导引槽5和波导9的硅基板。导引槽5可以借助于一层暂时涂布的光致抗蚀剂型的掩模和某些蚀刻法，如各向异性蚀刻法来获得。波导9可以由有机聚合物材料或者更适宜的无机材料构成。这些波导至少可部分地采用制作集成电子电路和微细元件的硅基板处理工艺中公知的方法进行制作，这些方法如：氧化、沉积、扩散、制作布线图案、蚀刻等等。驱动器电子电路单元15和光电组件11被定位在各自的位置处，并通过电导线13相互连接。驱动器电子电路单元15再连接到导体通路16上。

为了在波导9与光电子组件11之间建立很好的光耦合，其两者之间的连接区，最好也包括整个光电子组件11，都覆盖一层模铸的适合的透明合成材料17，如塑料材料，尤其适合的是一种有适合的折射率的弹性材料。

在硅基板3上的导引槽5中，就有导引销7或可能的其他装置，该装置在其伸入光电组件1的那段区域要与导引销有相同的形状。

导线18′被连接到接触区16′上。最后，用与密封传统集成电子电路相同的方法，将如此形成的组件完全模铸在适合的最好是染色或不透明并具有机械抵抗强度的材料中，使其被覆盖起来，比如：用可固化的树脂材料及其转移模制法(如“反应浇注模制”型的浇注模制法)，低压浇注模制热塑性材料等等。在此模铸操作过程中，至少硅基板3的整个上表面部分都被覆盖了，在该表面上有导引槽、波导、光电组件，且最好还有驱动器电子电路单元15和其电连接区。模铸除硅基板前表面之外的各种器件，使硅基板3全部被覆盖起来更为有利，而在该前表面上留有导引销的导引槽5和用于与具有互补形状光学元件进行光信号耦合的连接区。

透明塑料材料17还是一种消除应力的材料并且可以调节塑料封壳19与光电子组件11之间在其模铸期间和密封组件1实用或工作时由于热而产生的机械应力。所以，塑料材料17应该是软而有弹性的，而且选择适合的弹性材料更为有利。

图2a是一个实施例中硅基板3前端部分的透视图，其中的波导由具有矩形截面的波导芯9和围绕着芯的包层构成，而包层又由直接分布在硅基板表面上层10和置于芯9′顶部和两侧的顶层10′构成。波导芯9′和上部及上部包层10与10′可以用上述不同的处理工艺方法来制作，比如：在硅基板3上沉积或类似方法形成适合的材料，氧化硅基板3的表面、掺杂、印刷制作图案或掩模、蚀刻等等，以制作出具有适当折射率的薄层。透明塑料材料17被分布在光电组件11的顶部，和光电组件11与芯9′包层部分10和10′构成的波导之间的连接区上方。最后进行如前述的密封，即模铸在保护性的有机械抵抗强度的材料内。

波导部分9′、10和10′，在特定情况下也可以由适合的聚合物材料构成，如聚酰亚胺，然后通过在板3的表面上压制聚合物薄层再在这些薄层上形成图案而将其完成。

波导9也可以是离散型的，且图2b中硅基板3前端部分的透视图表示出了这种结构。在此实施例中，导槽被制作在硅基板3的表面上，且这些导槽位于导引销导引槽的中间并与之平行，也即垂直于前棱边6。导槽20延伸至硅基板3的前表面或连接表面。波导导槽20通常可以有相同于引导销导引槽的截面形状，只是尺寸要小得多，而且它们也可以通过掩模或蚀刻的方法制出。此处的波导包括光纤段9″，如石英光纤，但塑料光纤也可以很好地用于此处，只要光纤段9″长度较短即可。光学组件11本身，及其与位于最后密封组件内部的光纤9″内端头的连接区，如上所述通过模铸透明材料17而被覆盖，并用坚固的树脂材料19密封。

波导在其缺少部分包层时，也可以由模制的透明材料全部盖住，用该覆盖层，即模制的透明材料，构成缺少的包层，见图3的实施例。该图与图2a和2b一样是从前端透视地斜向看去，硅基板3的前部，而且该实施例除了无上包层10而由部分透明材料17′代替之外，与图2a实施例是一致的。这个材料层不仅盖在了光学组件11本身及其与波导芯9′的连接区和波导包层部分10上，而且盖住了芯9′和下包层部分10的整个裸表面。选择有适合折射率的材料17′，使其可以作为芯9′的包层，以形成完整的波导。包含位于其上各种器件的整个基板3，如上所述，用模制的高机械强度的塑料材料覆盖。

在图4中，表示了另一个实施例从后边斜向看去的透视图。在此例中，硅基板3用前述方法且同时用从单晶坯料切下或锯下的更大的硅晶片之类的基板来制作。借助于各向异性的蚀刻，得到导引销的导槽5。用传统的方法涂布上有适合折射率的硅石(即二氧化硅)区域10，以在硅晶片表面上或表面内产生薄层，如用PECVD(“等离子体强化化学汽相沉积”)并形成如图2a中那样的波导下包层部分。具有诸如矩形截面的条形区9′，再被形成在二氧化硅材料层的顶上，且它有高至一定值的折射率，以构成波导芯。然后，还可以制作出支座或定位凸台(基座或高台)25，以使光电组件11′精确地定位，在本实施例中假设该组件是一个完整的单元，包括其自己的驱动器电子电路且直接与导电通路16连接。它们都用适合的方法制作到硅片3的表面上，比如：用传统的方法把诸如Au、Al等金属层涂覆上去，而且它们用同于前述的方法与外部电导体相连接，在此图中未示出。硅基板连同其上的各种器件一起，由模制的透明材料局部地覆盖起来，例如图3所示的那样，然后整个组件通过模铸高机械强度的聚合物材料被覆盖。

Claims (15)

1.一种制作光电组件的方法，包括：

制作无机材料片，

在该片表面和/或内制作至少一部分波导，

在该片表面上安装一光电子组件，使之与波导光耦合并与电子端头连接，

其特征在于：

随后，用第一塑料材料覆盖该片的至少一部分表面，该部分表面包括至少一部分波导裸露表面和光电子组件裸露表面，然后

在至少覆盖着第一塑料层的那部分片的顶上，涂上一层第二塑料材料，

高机械强度的第二塑料材料构成了对光电子组件与波导的保护，

高弹性的第一塑料材料使诸如涂覆第二塑料材料层和光电组件工作时因温度变化引起的机械应力被消除。

2.根据权利要求1的方法，其特征在于光电子组件裸露表面的覆盖是通过模铸完成的。

3.根据权利要求1或2的方法，其特征在于在覆盖光电子组件裸露表面时，所述裸露表面用第一塑料材料覆盖，该第一塑料材料是弹性材料。

4.根据权利要求1-3之一的方法，其特征在于在涂覆第二塑料材料层时，第二塑料材料层是被转移模铸或浇注模铸的。

5.根据权利要求1-4之一的方法，其特征在于：

第一塑料材料也被涂在波导一个端部区，在该端区进行对光电子组件的光耦合，且

第一塑料材料是一种有一折射率的透明材料，以加强光电子组件与波导之间的光耦合。

6.根据权利要求1～5之一的方法，其特征在于：

首先将第一塑料材料涂在波导部分的顶上，且

第一塑料材料是一种有一适合折射率的透明材料，由其构成波导的上包层部分。

7.根据权利要求1～6之一的方法，其特征在于在制造至少部分波导的步骤中，在所述片的表面制作精确对准的导引槽。

8.根据权利要求7的方法，其特征在于制作一单晶硅片，并用蚀刻法制得导引槽。

9.根据权利要求1～8之一的方法，其特征在于在制作至少部分波导的同时，制作出至少一个凸台，以使光电子组件精确地定位。

10.根据权利要求7的方法，其特征在于在制作导引槽的同时，制作出至少一个凸台，以使光电子组件精确地定位。

11.根据权利要求7的方法，其特征在于在加第二塑料材料层之前，将用于该光学连接装置与相对应的另一光学连接器或具有至少部分与之相同形状的其他光学连接器相连接的对准装置放入导引槽中。

12.根据权利要求1-11之一的方法，其特征在于通过把一光纤放入一导槽中而制出至少一个波导。

13.一种密封的光电组件，包括：

一个无机材料基板，

一个安装在基板表面上的光电子组件，使之用于波导之间的光耦合，及电端头连接，

其特征在于：

至少部分地制作在基板内和/或上的波导，

一个第一塑料层，覆盖了至少一部分基板表面，该部分表面包括至少一部分的波导裸露表面和光电子组件裸露表面，和

一个覆盖了至少基板表面全部区域的第二塑料层，在此区域上已有第一塑料层，

第二塑料材料有高的机械强度，以构成对光电子组件和波导的保护，和

第一塑料材料是软的且有高的弹性，以消除诸如在覆盖第二塑料材料时和光电组件工作时随温度变化产生的机械应力。

14.根据权利要求13的密封的光电组件，其特征在于所述基板是硅片或陶瓷片。

15.根据权利要求13的密封的光电组件，其特征在于第一塑料层包括弹性材料。

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