CN111492281A - 带uv窗口的无源光纤耦合器 - Google Patents

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Abstract

本文的实施例描述了被配置为将光子芯片(140)与多条光纤(155)耦合的光纤阵列单元(FAU)(150)。环氧树脂可以用于将FAU(150)接合到光子芯片(140)。然而，难以固化FAU(150)和光子芯片(140)之间的环氧树脂。如此，FAU(150)可以包括一个或多个光学窗口(415)，该一个或多个光学窗口(415)被蚀刻到与光子芯片(140)中的环氧树脂阱(205)重叠的非透明层(405)中。而且，FAU(150)可以包括透明衬底(305)，该透明衬底(305)上设置有允许UV光穿过的非透明层(405)。如此，在固化期间，UV光可以穿过透明衬底(305)并穿过非透明层(405)中的光学窗口(415)，以固化设置在FAU(150)和光子芯片(140)之间的环氧树脂。

Description

带UV窗口的无源光纤耦合器
技术领域
本公开中呈现的实施例一般地涉及光子器件，并且更具体地，涉及与光子器件的边缘耦合。
背景技术
通常，光子芯片具有允许从光源(例如，激光器或光纤)接收光信号或将光信号传输到光纤的接口。一种此类方法是边缘耦合，其中将光纤耦合到光子芯片的边缘。随着集成度、操作速度和功能的提高，光子芯片的外围接合焊盘空间已快用完，而无法允许基于线接合互连到底层衬底或印刷电路板(PCB)。因此，非常需要具有硅通孔(TSV)的光子芯片，因为它们允许更高的互连密度并降低与线接合连接相关联的电阻和电感。
附图说明
为了可以详细地理解本公开的上述特征的方式，可以通过参考实施例来对本公开进行更详细的描述、简要概述，其中一些实施例在附图中示出。然而，应当注意，附图仅示出了本公开的典型实施例，并且因此不应被认为是对其范围的限制，因为本公开可以允许其他等效的实施例。
图1示出了根据本文公开的一个实施例的光学系统。
图2示出了根据本文公开的一个实施例的用于将光子芯片耦合到光纤阵列单元的对准特征。
图3示出了根据本文公开的一个实施例的将光纤阵列单元耦合到光子芯片。
图4示出了根据本文公开的一个实施例的具有光学窗口的光纤阵列单元。
图5A和图5B示出了根据本文公开的实施例的在光纤阵列单元的硅层中形成光学窗口。
图6示出了根据本文公开的一个实施例的具有光学窗口的光纤阵列单元。
图7A和图7B示出了根据本文公开的实施例的在光纤阵列单元的硅层中形成光学窗口。
图8示出了根据本文公开的一个实施例的具有光学窗口的光纤阵列单元。
图9A和图9B示出了根据本文公开的实施例的将光纤阵列单元中的光纤耦合到光子芯片。
图10A和图10B示出了根据本文公开的实施例的将光纤阵列单元中的光纤耦合到光子芯片。
图11示出了根据本文公开的一个实施例的耦合到光子芯片的光纤阵列单元。
图12示出了根据本文公开的一个实施例的图11的一部分的近视图。
图13是根据本文公开的一个实施例的用于将辐射传输穿过FAU以固化环氧树脂键的流程图。
为了便于理解，在可能的地方使用了相同的附图标记来表示图中共有的相同元件。可以预期在一个实施例中公开的元件可以在没有具体详述的情况下有益地用于其他实施例。
具体实施方式
概述
本公开中呈现的一个实施例是一种方法，该方法包括将环氧树脂设置到光子芯片中的环氧树脂阱中，并且将光子芯片的光学接口对准安装在光纤阵列单元(FAU)上的光纤，其中FAU包括设置在透明衬底上的第一层，其中第一层包括光学窗口，并且其中当光纤对准光学接口时，透明衬底和光学窗口设置在环氧树脂阱上方。该方法包括通过使电磁辐射穿过透明衬底和光学窗口到达环氧树脂阱来固化环氧树脂。
本文呈现的另一实施例是一种光学系统，该光学系统包括光子芯片，该光子芯片具有波导、光学耦合到波导的光学接口、以及环氧树脂阱。该光学系统还包括FAU，该FAU使用环氧树脂阱中的固化的环氧树脂与光子芯片耦合。该FAU包括：透明衬底；设置在透明衬底上的第一层，该第一层包括光学窗口和凹槽；光纤，该光纤设置在凹槽中并与光子芯片中的光学接口对准；以及盖，其中光纤设置在盖和透明衬底之间。此外，透明衬底和光学窗口设置在环氧树脂阱上方。
本文呈现的另一实施例是一种FAU，该FAU包括：透明衬底；设置在透明衬底上的第一层，其中透明衬底的材料对紫外光是透明的，而第一层的材料阻挡紫外光；第一层中的光学窗口，其中光学窗口的至少一侧由透明衬底形成；形成在第一层中的凹槽；以及设置在凹槽中的光纤，其中透明衬底的第一部分延伸超出光纤的终端，并且其中光学窗口设置在透明衬底的第一部分上。
示例实施例
通常，光子芯片具有光学接口以将光信号传输至光纤，或从诸如激光或光纤的光源接收光信号。一些光学接口包括位于光子芯片侧面的边缘耦合器，与其他方案相比，这使边缘耦合器对于制造商而言更容易并改进了光耦合。然而，具有TSV的光子芯片在边缘耦合方面还有若干其他限制。具有TSV的晶圆更薄(通常在50微米到150微米的范围内)。因此，即使硅衬底中的浅沟槽是可能的，但不能创建深沟槽(通常由深反应离子蚀刻(DRIE)创建)来容纳用于边缘耦合器的透镜或光纤布置。另外，TSV限制了整个光学封装或组装，因为具有TSV的光子芯片通常使用传统的焊料回流或热压键合工艺附接到玻璃或硅中介层或陶瓷或有机衬底上。如此，传统的边缘耦合技术不能与具有TSV的光子芯片一起使用。
为了使光学组件(例如，光子芯片、光纤、激光器等)正常工作，光学组件需要彼此对准。光学对准是将光学元件彼此对准以最大化传输信号的准确性和性能的过程。主动对准要求人们在组件之间传输光信号时基于反馈查看并对准不同的组件，这增加了制造光子芯片的成本。被动对准(也称为机械对准)依赖于组件的严格制造公差和基于光学的初始布置，以确保在将组件布置在其各自位置时无需基于将组件基于反馈进行对准—即无需在组件之间传输光信号，就可恰当地对准组件。
本文的实施例描述了一种光纤阵列单元(FAU)，其被配置为将多个光纤对准到光子芯片。FAU具有用于接收多条光纤的多个凹槽。在一个实施例中，FAU包括至少一个对准特征，其对应于光子芯片中的对准特征以实现被动对准。当附接到FAU的光纤与光子芯片中的光学接口对准时，可以使用环氧树脂将FAU接合到光子芯片。然而，难以固化FAU与光子芯片之间的环氧树脂。如此，在本文的实施例中，FAU包括一个或多个光学窗口，该一个或多个光学窗口被蚀刻到与光子芯片中的环氧树脂阱重叠的非透明层(例如，硅层或第一层)中。而且，FAU可以包括允许UV光通过的透明衬底(例如，二氧化硅)。如此，在固化期间，UV光可以穿过透明衬底并且穿过非透明层中的光学窗口，以固化设置在FAU和光子芯片之间的环氧树脂。
图1示出了根据本文一个实施例的光学系统100。如图所示，光学系统100具有衬底105和经由焊料115连接的中介层110。中介层110是在硅、玻璃、陶瓷或有机材料上具有贯穿电连接和布线层的层。中介层110耦合到再分布层(RDL)120。专用集成电路(ASIC)130、高带宽存储器(HBM)135和包括半导体材料的光子芯片140耦合到RDL 120。RDL 120允许在与其耦合的电子组件之间进行电连接。换句话说，RDL 120允许组件(例如，ASIC 130、HBM 135、光子芯片140等)通过最小化外部电连接来电通信。如图所示，中介层110具有多个硅通孔(TSV)125，其将RDL 120耦合到半导体衬底105。尽管中介层110被示为具有TSV，但是中介层110可以由玻璃制成，在这种情况下，中介层110将是通孔或氧化物通孔。在一个实施例中，TSV 125向RDL 120提供电力，RDL 120又将电力路由至ASIC 130、HBM 135和光子芯片140。
如图所示，光子芯片140耦合到驱动器145和FAU 150。驱动器145经由FAU 150和光子芯片140向光纤155发送信号/从光纤155接收信号。在另一实施例中，驱动器145是跨阻放大器，其响应于从安装在FAU 150上的光纤155接收的光子信号，放大由光子芯片140中的光检测器(未示出)生成的电信号。如图所示，光子芯片140具有多个TSV 160。在一个实施例中，光子芯片140经由TSV 160之一，将来自印刷电路板(PCB)或有机/陶瓷衬底的电力通过中介层110提供给驱动器145。
在一个实施例中，ASIC 130和驱动器145经由光子芯片140中的TSV 160以及中介层110和RDL 120通信。在一个实施例中，ASIC 130包括用于从系统100外部向光子芯片140提供数据和从光子芯片140向系统100外部提供数据的逻辑。例如，ASIC 130可以将信号发送至驱动器145，使得驱动器145将信号发送至光子芯片140中的调制器(未示出)，并且调制器将来自驱动器145的数据编码为光信号。在一个实施例中，在高速操作下，驱动器145直接布置在光子芯片140上，以提供尽可能短的电连接。在一个实施例中，光子芯片140中的光学检测器基于接收的光信号将电压输出给驱动器145。驱动器145又基于所接收的信号将数据提供给ASIC 130。在一个实施例中，HBM 135存储针对ASIC 130的设置，该设置指示ASIC130如何在驱动器145与外部设备和系统之间通信。在另一个实施例中，HBM 135存储针对以下项的设置：光子芯片140如何接收和发送光信号。
在一个实施例中，光子芯片140是接收和发送光信号的光子收发器。例如，可以沿着光子芯片140接收光信号的光纤155发送光信号。作为另一示例，光子芯片140将光信号发送到光纤155。以这种方式，光子芯片140可以使用光纤155与外部系统通信。在一个实施例中，光子芯片140是由从驱动器145接收的电数据信号控制的光学调制器。在另一个实施例中，光子芯片140是光学检测器，其经由驱动器145将电信号发送到ASIC 130。具体地，光子芯片140的TSV 160和PCB或有机/陶瓷衬底上的迹线具有与由光子芯片140检测到的光信号相对应的电信号。以这种方式，光学系统100可以发送和/或接收光信号。
图2示出了根据本文公开的一个实施例的用于将光子芯片140耦合到FAU的对准特征。如图所示，特征被形成在安装有驱动器145的光子芯片140的顶表面220中。在该实施例中，特征包括环氧树脂阱205、对准槽210和光学接口215。环氧树脂阱205可以包括顶表面220的蚀刻部分，该蚀刻部分凹入以接收用于将光子芯片140耦合到FAU(未示出)的环氧树脂。在该示例中，距光学接口215最远的两个环氧树脂阱205包括凸起的特征(例如，岛)。凸起的特征可以具有与光子芯片140的顶表面220的其他部分相同的高度。然而，围绕凸起特征的环氧树脂阱205的区域相对于顶表面220凹入以形成环氧树脂的容纳区域。
光子芯片140还包括设置在光学接口215附近并且在对准槽210之间的七个环氧树脂阱205。尽管这些环氧树脂阱205在图2中没有凸起的特征，但在其他实施例中，这些环氧树脂阱205内可以有凸起的特征。在一个实施例中，光子芯片140上的所有环氧树脂阱205具有相同的深度并在同一蚀刻工艺期间形成。
对准槽210被设计成接收FAU中的相应对准特征。槽210在光子芯片140中的布置可以使能在至少一个对准方向上被动对准。例如，通过将FAU中的对准特征与对准槽210对准，安装到FAU的光纤在X、Y或Z方向中的至少一个上与光学接口215对准，使得光信号能够经由光学接口215在光子芯片140和光纤之间传输。对准槽210可以具有与环氧树脂阱205相同的深度或不同的深度。
在一个实施例中，光子芯片140包括一个或多个TSV，因此，如上所述，其厚度可能受到限制。然而，本文中的实施例不限于将FAU边缘耦合到具有TSV的光子芯片140，而是可以用于不包括TSV的光子芯片中。
图3示出了根据本文公开的一个实施例的将FAU 150耦合到光子芯片140。如图所示，FAU 150包括安装在透明衬底305和盖310之间的光纤155。透明衬底305以虚线示出，以便可以看到FAU 150和光子芯片140的基本细节。如本文中所使用的，当在衬底305的上下文中使用时，“透明”是指允许能够固化环氧树脂的电磁辐射穿过的材料。换句话说，透明衬底305可以由对用于固化设置在环氧树脂阱205中的环氧树脂的辐射是透射(或透明)的任何材料形成。在一个实施例中，透明衬底305对于用于固化环氧树脂的紫外(UV)光315是透明的。然而，透明衬底305不需仅对UV光透明，而也可以对其他类型的光(例如，可见光)透明。用于透明衬底305的合适材料可以是玻璃或二氧化硅。例如，透明衬底305可以由绝缘体上的硅(SOI)结构形成，其中已经去除了基础晶体衬底，仅留下了设置在较厚的氧化硅层之上的薄硅层。如下所述，可以在薄硅层中形成光学窗口，以便UV光能够穿过二氧化硅层(例如，透明衬底305)的上表面320，并通过光学窗口到达环氧树脂阱205，从而固化环氧树脂。在另一个实施例中，衬底305可以是透明模制材料。
在一个实施例中，光纤155在光学接口215处与相应的波导适配器(在此未示出)对准，这些波导适配器在对准槽210和环氧树脂阱205之间。也就是说，波导适配器可以在光学接口215处暴露(或稍微凹入远离光学接口215，例如几微米)，以便可以在光纤155和光子芯片140中的波导之间传输光。在一个实施例中，使用对准槽210和精确的制造技术使FAU 150被动地对准光子芯片140，从而不需要主动对准。
图4示出了根据本文公开的一个实施例的具有光学窗口415的FAU150。相对于图3所示的FAU 150的状态，FAU 150被翻转。而且，已经省略了盖310，从而可以看到下面的特征。
FAU 150包括透明衬底305以及设置在透明衬底305上的薄硅层405。尽管描述了晶体硅，但是本文的实施例不限于此。例如，当透明衬底305是二氧化硅时，将硅用于层405可能是优选的，因为可以使用SOI结构来形成衬底305和硅层405。然而，如果将其他材料用于透明衬底305，则层405可以由与硅不同的材料形成。
通常，硅层405中的晶体硅不透射能够用于固化环氧树脂的辐射(例如，紫外光)。如此，硅层405被蚀刻以包括光学窗口415，在该光学窗口415，硅已经被去除以暴露下面的透明衬底305。如此，光学窗口415在硅层405中限定了如下区域：在该区域，透射穿过透明衬底305的UV光可以穿过硅层405并到达如图3所示的光子芯片中的环氧树脂阱。
光学窗口415设置在透明衬底305的延伸超过光纤155的终端的部分上。即，光纤155在光纤止动件420处停止，但是硅层405的一部分(其包括光学窗口415和对准特征410)延伸越过光纤155。硅层405的该部分用于将FAU 150接合到光子芯片的顶表面。
除了形成光学窗口415之外，硅层405被蚀刻以形成在其中布置光纤155的凹槽。即，当形成FAU 150时，这些区域中的硅被去除以形成用于固定和对准光纤155的凹槽。可以控制硅层405的深度，使得光纤155的芯(例如，传播光信号的光纤155的中心部分)在硅层405上方，使得芯可以接口连接光子芯片中的光学接口。在一个实施例中，光纤155的直径可以为大约125微米厚(其包括芯以及周围的包层)。如此，在一个实施例中，硅层405的厚度小于50微米，以确保芯位于硅层405上方，但是该厚度可以根据光纤芯相对于衬底或硅层405的期望位置而改变。根据光纤155是单模光纤还是多模光纤，芯和包层的厚度可以改变，这可以影响硅层405的厚度。
硅层405还包括光纤止动件420。当将光纤155布置在凹槽中时，光纤止动件420用作对准特征。也就是说，在将光纤155布置在凹槽中之后，技术人员(或自动机器)可以滑动光纤155，直到其接触光纤止动件420。以这种方式，光纤止动件420可以沿着光纤155延伸的方向对准光纤155，并确保光纤155终止在同一平面上。因此，使用凹槽和光纤止动件420，技术人员可以将光纤155被动地对准FAU 150。
如图所示，光纤止动件420的厚度小于硅层405的其他部分的厚度。即，可以蚀刻光纤止动件420以去除一些硅。这是期望的以便当光纤155移动到与光纤止动件420对接时，止动件420不会损坏光纤155的芯。即，尽管将硅层405的厚度控制为是在光纤155中的芯以下，但是光纤止动件420的厚度进一步减小，使得止动件420距离芯更远，因此在FAU 150中对准光纤155时不太可能会损坏芯。然而，这不是必需的，并且在其他示例中，光纤止动件420可以具有与硅层405的其他部分相同的厚度。
对准特征410设置在硅层405上，其布置在FAU 150上以与图2所示的对准槽210对准。当对准特征410接触对准槽210的距离光学接口215最远的端部时，这使光纤155被动地对准光学接口215。对准特征410可以由诸如电介质、金属等的任意材料形成。尽管被示为圆形，但是对准特征410可以是其他形状，诸如矩形或三角形，其使FAU 150被动地对准光子芯片。此外，在另一个实施例中，在对准槽210形成在FAU 150的硅层405中而对准特征410设置在光子芯片140的顶表面220上时，角色可以互换。
FAU 150的一个优点是光纤155可以直接接口连接光子芯片中的光学接口。即，一些FAU包括内部波导(例如，形成在硅衬底中)，这些内部波导光学耦合到安装在FAU上的光纤。然后这些内部波导通过FAU被路由到输出接口，在此处它们与光子芯片中的光学接口对准。然而，FAU 150避免了具有用于将光纤155光学耦合到光子芯片的中间波导。这降低了FAU 150的复杂度，并且还减少了需要执行的对准次数。代替将光纤对准(和用环氧树脂胶合)到FAU中的内部波导，然后将内部波导对准(和用环氧树脂胶合)到光子芯片中的光学接口，FAU 150将光纤155直接对准到光子芯片。
图5A和图5B示出了根据本文公开的实施例的在FAU 150的硅层405中形成光学窗口。图5A的左侧示出了图4所示的截面A-A，而图5A的右侧示出了图4中的截面B-B。此外，图5A示出了在FAU 150中形成光学窗口和凹槽之前的时间。例如，硅层405可以是设置在透明衬底305上的连续的硅片。
图5B示出了蚀刻部分硅层405以形成光学窗口415以及在其中布置光纤的U形凹槽505。在一个实施例中，光学窗口415和U形凹槽505在同一蚀刻步骤中或在分开的蚀刻步骤中形成。在一个实施例中，DRIE用于去除硅材料以形成光学窗口415和U形凹槽505。如上所述，硅层405的厚度或高度被控制成使得当将光纤布置在U形凹槽中时，光纤的芯在硅层405上方。
在一个实施例中，透明衬底305的材料形成蚀刻停止层(etch stop)。即，用于蚀刻硅层405中的硅的蚀刻技术可能不会去除透明衬底305的材料(例如，蚀刻技术是选择性的)。以此方式，可以严格地控制U形凹槽的高度以匹配硅层405的高度。
图6示出了根据本文公开的一个实施例的具有光学窗口615的FAU150。图6中的FAU150具有与图5中的FAU 150类似的特征，诸如光学窗口615和用于固定光纤的凹槽(例如，V形凹槽625)，除了这些特征具有不同的形状以及可以使用不同的制造技术形成之外。例如，代替使用DRIE，使用诸如氢氧化钾(KOH)蚀刻的各向异性蚀刻在硅层605中形成光学窗口615和V形凹槽625。然而，光纤止动件610可以使用诸如DRIE的各向同性蚀刻来形成。也就是说，代替使用与下层衬底305形成倾斜角度的KOH蚀刻，可以使用DRIE来形成具有垂直于透明衬底305的表面的光纤止动件620，相对于使用倾斜的表面，该表面可以更好地对准光纤155的终端。
图7A和图7B示出了根据本文公开的实施例的在FAU 150的硅层中形成光学窗口。图7A的左侧示出了图6中所示的截面C-C，而图7A的右侧示出了图6中的截面D-D。此外，图7A示出了在FAU 150中形成光学窗口和凹槽之前的时间。例如，硅层605可以是设置在透明衬底305上的连续的硅片。
图7B示出了蚀刻部分硅层605以形成光学窗口615以及在其中布置光纤的V形凹槽625。在一个实施例中，光学窗口615和V形凹槽625在同一各向异性蚀刻步骤中或在分开的蚀刻步骤中形成。在一个实施例中，使用KOH蚀刻来去除硅材料以形成光学窗口615和V形凹槽625，这导致倾斜的侧面。倾斜侧面的角度可以根据硅层605的晶体取向而变化。与如图5A和图5B所示的各向同性蚀刻相反，使用各向异性蚀刻的一个优点是不需要控制硅层605的高度以确保V形凹槽625的适当深度来保持光纤。相反，在KOH蚀刻期间使用的硅层605上的掩模中的孔的宽度确定了V形凹槽的深度。换句话说，因为KOH蚀刻具有取决于晶体取向的已知蚀刻角，所以调节V形凹槽625的顶部开口的宽度确定了V形凹槽的深度。因为一旦V形凹槽625的倾斜侧面相交，KOH蚀刻就停止，所以硅层605的厚度可以是等于或大于V形凹槽625的期望深度的任意厚度。
如图所示，光学窗口615的宽度比V形凹槽625的宽度大得多，因此，KOH蚀刻暴露出下面的透明衬底305。这提供了关于硅层605的厚度的很大灵活性，因为它可以是大于V形凹槽625的深度的任何值，只要在形成光学窗口615时蚀刻可以暴露出下面的透明衬底即可。
图8示出了根据本文公开的一个实施例的具有光学窗口的FAU 150。除了添加了盖310之外，图8中的FAU 150与图4中所示的FAU 150相同。盖310可以是可以用于将光纤155保持在形成在硅层405中的凹槽中的任何合适的衬底。例如，在使光纤155在凹槽中对准之后，可以将环氧树脂沉积在光纤155上，并且可以向下按压盖310直到其接触光纤155的顶部。一旦固化，盖310和环氧树脂将光纤155保持在硅层405中的凹槽中。
盖310不限于任何特定的材料。例如，盖可以是透明或不透明的材料，尽管可能期望使用透明材料(例如玻璃)，以便UV光可以穿过盖310以固化用于将光纤155保持在凹槽中的环氧树脂。
图9A和图9B示出了根据本文公开的实施例的将FAU 150中的光纤耦合到光子芯片140。图9A示出了包括设置在衬底925上的层间介电(ILD)层905的光子芯片140的视图。在一个实施例中，ILD层905的厚度或高度小于15微米。
ILD层905包括波导适配器910，其光耦合到波导915。尽管波导915被示为在ILD层905(例如，第二层)中，但是在其他实施例中，波导915可以形成在下面的衬底925中。在一个实施例中，波导适配器910改变穿过其的光信号的光模的大小，以更好地匹配在光信号通过光纤155的芯时的模大小与在光信号通过波导915时的模大小。例如，波导915可以是亚微米波导(其宽度和厚度小于一微米)，而光纤155的芯可以是8微米-10微米。如此，光纤155的芯中的光信号的模大小可以比波导915中的光信号的模大小大一个数量级。这样，当在光子芯片140和光纤155之间传输光信号时，将光纤155的芯与波导915直接接口连接(不使用波导适配器910)可能会导致相当大的光损耗。波导适配器910转换或改变模大小，从而提供更有效的光学连接。
在一个实施例中，波导适配器910包括多个叉，其具有沿着波导适配器910的长度变化的宽度，以改变光信号的模大小。例如，当光信号从波导915传播到光学接口215时，光信号可以在多个叉上传播，这增加了模大小以更好地匹配光纤中的芯的尺寸。当从光纤155接收光信号时，波导适配器910中的叉的形状可以将光信号约束为单个叉，从而减小模大小以更好地匹配波导915的横截面积。然而，本文的实施例不限于波导适配器910的任何特定结构，并且可以与允许在具有不同于光纤155的芯的尺寸的波导之间有效地传输光信号的已知或将来的结构一起使用。
此外，光学接口215相对于衬底925具有微小角度。例如，可以以85度角蚀刻光学接口215，这可以提高光信号在光学接口215和光纤155之间传输的效率。
虚线920指示沿着其将光子芯片140切割或锯切以去除衬底925的一部分的平面。去除一些衬底925允许FAU中的光纤155移近光学接口215和波导适配器910，从而当在光子芯片140中的波导915和光纤155之间传输信号时降低光损耗。在一个实施例中，切割或锯切过程的公差可以为+/-10微米。因此，为了确保不切断波导适配器910，线920可以距光学接口215中的最近点至少10微米。这避免了在光学接口215处切碎或损坏部分波导适配器910，并且还允许光学接口如图所示地倾斜。然而，这意味着光学接口215和光纤之间的距离可以高达20微米。
图9B示出了使FAU中的光纤155与衬底925的切割或锯切的边缘接触。在一个实施例中，在使光纤155移动到与衬底925接触之前，将折射率匹配环氧树脂应用到光学接口215，相对于使用空气，这可以提高光学接口215和光纤155之间的光学连接的效率。
图10A和图10B示出了根据本文公开的实施例的将FAU中的光纤155耦合到光子芯片140。图10A示出了包括设置在衬底925上的ILD层905的光子芯片140的视图。在一个实施例中，ILD层905的厚度或高度小于15微米。
与图9A不同，图10A中的虚线1005示出了穿过波导适配器910来切割或锯切光子芯片140。也就是说，在图9A中，芯片140被切割以避免切断或损坏波导适配器910和光学接口215。此处，虚线1005延伸穿过波导适配器910，在给定切割技术的公差的情况下，这会导致切断光学接口215和波导适配器910的至少一部分。如上所述，这样做可能损坏波导适配器910中的结构(从而降低光学连接的效率)，但是这也意味着可以使光纤155更靠近光学接口215和波导适配器910(从而提高了光学效率)。
图10B示出了将光纤155对接耦合到光学接口215和切断的波导适配器1010。当与图9B相比时，光纤155更靠近波导适配器1010和光学接口215，但是切割步骤可能已经损坏了波导适配器1010。而且，光学接口215垂直于衬底925，而不是如图9A和9B所示具有轻微的倾斜。因此，在使用图9A和图9B中的技术与图10A和图10B中的技术之间存在权衡。像图9B中一样，折射率匹配环氧树脂可以设置在光学接口215和光纤155之间。
图11示出了根据本文公开的一个实施例的包括耦合到光子芯片140的FAU 150的光学系统1100。如图所示，相对于图4所示的视图，FAU150被翻转，并被布置在光子芯片140上。此外，对准特征410被推入光子芯片140中的对准槽之一(未标记)中，以便将光纤155对准光子芯片140。即，对准特征410被锁入对准槽中，这些对准槽可以使光纤155在多个方向上被动地对准光子芯片140。
硅层405被蚀刻以形成多个光学窗口415，这些多个光学窗口415设置在光子芯片140中的至少一个环氧树脂阱(未标记)上。因此，通过透明衬底305的上表面320发射的辐射可以穿过光学窗口415并且固化下面的环氧树脂阱中的环氧树脂。
在该实施例中，光学窗口415沿垂直于图2所示的矩形环氧树脂阱205的较长边的方向延伸。然而，在其他实施例中，光学窗口415可以沿平行于环氧树脂阱205的较长边的方向延伸。而且，限定光学窗口415的硅层405中的硅侧可以被布置为接触图2中的距离光学接口215最远的两个环氧树脂阱205内的凸起特征或岛。在一个实施例中，光学窗口415的硅侧与环氧树脂阱205中的凸起特征形成零接合线厚度。也就是说，在将力向下施加到透明衬底305的上表面320上之后，仅非常薄的环氧树脂层(基本上为零)保留在光学窗口415的硅侧与凸起特征之间。零接合线厚度可以在竖直方向(例如，Y方向)上将光纤155对准光子芯片140，而将对准特征410锁入对准槽可以在X方向和Z方向上将光纤对准光子芯片140，从而实现被动对准。环氧树脂阱的凹入部分中的环氧树脂还接触硅层405中的结构，以在FAU 150和光子芯片140之间提供牢固接合。
图12示出了根据本文公开的一个实施例的图11的一部分1105的近视图。部分1105更详细地示出了光纤155和光子芯片140的ILD层905中的光学接口215之间的对准。如图所示，部分1105包括在顶部的透明衬底305，在其下方布置有硅层405。虚线示出了光纤155凹入在硅层405中并接触透明衬底305。即，如图4和图5B所示，光纤155可以布置在形成在硅层405中的U形凹槽中。
光纤155的芯与ILD层905中的光学接口215对准。如上所述，ILD层905可以包括波导适配器，该波导适配器用作光纤155和ILD层905中的亚微米波导之间的中介。在一个实施例中，控制ILD层905的厚度使得当硅层405与ILD层905接触时，光纤155的芯在Y方向上与ILD层905中的波导适配器对准。而且，图12示出了光纤155可以对准光学接口215，以直接将光纤155与接口215光学连接，而无需使用任何种类的中间光学器件，诸如球透镜或硅微透镜(但是可以在光纤155和接口215之间设置折射率匹配的环氧树脂)。
在一个实施例中，图2所示的环氧树脂阱和对准槽延伸穿过ILD层905，但是在ILD层905中的与此处所示的侧视图不同的位置。然而，环氧树脂阱和对准槽可以继续延伸穿过光子芯片140中的下面的衬底。例如，ILD层905可以是15微米厚，但是环氧树脂阱和对准槽可以具有30微米的深度。
在一个实施例中，当将FAU环氧树脂化到光子芯片时，ILD层905的面向硅层405的表面可以形成零接合线厚度。而且，尽管光学窗口415被示为是中空的(例如，气隙)，但是在一个实施例中，将硅层405接合到环氧树脂阱的环氧树脂可以延伸到光学窗口415。
图13是根据本文公开的一个实施例的用于将辐射传输穿过FAU以固化环氧树脂键的方法1300的流程图。在框1305，技术人员将环氧树脂分配到光子芯片中的环氧树脂阱中，例如，图2中所示的环氧树脂阱205。在一个实施例中，光子芯片包括多个环氧树脂阱，其中一些阱包括凸起特征或岛，该凸起特征或岛形成用于接触FAU的附加表面。
在框1310，技术人员将FAU布置在环氧树脂阱上。在一个实施例中，FAU包括设置在环氧树脂阱上方的至少一个光学窗口(但是可以包括在单个阱上方延伸的多个光学窗口)。光学窗口可以在FAU中的非透明层(例如，硅层405或605)中形成孔，该孔允许电磁辐射穿过透明衬底到达环氧树脂阱。
在框1315，技术人员将安装在FAU上的光纤对准光子芯片上的光学接口。在一个实施例中，FAU和光子芯片包括互锁或配合的对准特征，诸如图2所示的对准槽210和图4所示的对准特征410。通过锁定或配合该特征，使光纤对准光子芯片中的光学接口，以允许光纤和光子芯片传输光信号。在一个实施例中，对准特征允许光纤被动地对准。然而，在另一个实施例中，光纤被主动地对准光子芯片。在又一个实施例中，对准特征可以允许在一个或多个方向上被动对准，而在一个或多个其他方向上使用主动对准。
在框1320，使用穿过透明层(例如，透明衬底305)和至少一个光学窗口到达环氧树脂阱的辐射(例如，UV光)来固化环氧树脂。
在框1325，使用热固化工艺进一步固化环氧树脂。即，方法1300包括两个固化步骤，该两个固化步骤依赖于电磁辐射和热来固化环氧树脂。然而，在另一个实施例中，可以省略框1325，并且仅使用电磁辐射来固化环氧树脂。
附图中的流程图和框图示出了根据各种实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实施方式的架构、功能和操作。在这方面，流程图或框图中的每个框可以表示代码的模块、段或部分，其包括用于实现(一个或多个)指定的逻辑功能的一个或多个可执行指令。还应注意，在一些替代实施方式中，框中指出的功能可以不按图中指出的顺序发生。例如，根据所涉及的功能，实际上可以基本上同时执行连续示出的两个框，或者有时可以以相反的顺序执行这些框。还应注意，框图和/或流程图示的每个框以及框图和/或流程图示中的框的组合可以由执行指定功能或动作的基于专用硬件的系统、或专用硬件和计算机指令的组合来实现。
鉴于前述内容，本公开的范围由所附权利要求书确定。

Claims (20)

1.一种方法，包括：
将环氧树脂设置到光子芯片中的环氧树脂阱中；
将所述光子芯片的光学接口对准安装在光纤阵列单元(FAU)上的光纤，其中所述FAU包括设置在透明衬底上的第一层，其中所述第一层包括光学窗口，并且其中当所述光纤对准所述光学接口时，所述透明衬底和所述光学窗口设置在所述环氧树脂阱上方；以及
通过使电磁辐射穿过所述透明衬底和所述光学窗口到达所述环氧树脂阱来固化所述环氧树脂。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述光子芯片包括形成在与所述环氧树脂阱相同的表面上的对准槽，其中将所述光学接口对准所述光纤包括：
将布置在所述FAU中的所述第一层上的对准特征推入所述对准槽，从而使所述光纤被动地对准所述光学接口。
3.根据权利要求1所述的方法，还包括：在将所述光纤对准所述光学接口之前：
在所述光学接口上设置折射率匹配环氧树脂。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一层包括对所述电磁辐射不透明的材料，其中所述光学窗口在所述第一层的材料中形成孔，从而暴露所述透明衬底。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第一层的材料是晶体硅，并且所述透明衬底的材料是二氧化硅。
6.根据权利要求1所述的方法，还包括：
在同一蚀刻步骤中形成所述第一层中的凹槽和所述光学窗口；以及
将所述光纤安装到所述凹槽中。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述凹槽是U形凹槽，其中所述U形凹槽的底表面是所述透明衬底。
8.根据权利要求6所述的方法，其中所述凹槽是V形凹槽，其中所述V形凹槽不接触所述透明衬底。
9.一种光学系统，包括：
光子芯片，包括：
波导；
光学接口，所述光学接口光学耦合到所述波导；以及
环氧树脂阱；以及
光纤阵列单元(FAU)，所述光纤阵列单元使用所述环氧树脂阱中的固化的环氧树脂与所述光子芯片耦合，所述光纤阵列单元包括：
透明衬底；
设置在所述透明衬底上的第一层，所述第一层包括光学窗口和凹槽；
光纤，所述光纤设置在所述凹槽中并与所述光子芯片中的所述光学接口对准；以及
盖，其中所述光纤设置在所述盖和所述透明衬底之间，
其中所述透明衬底和所述光学窗口设置在所述环氧树脂阱上方。
10.根据权利要求9所述的光学系统，其中所述光子芯片还包括设置在与所述环氧树脂阱相同的表面上的第一对准特征，并且所述FAU包括设置在所述第一层上的第二对准特征，其中所述第一对准特征和所述第二对准特征被布置为使得当配对时，所述光纤被动地对准所述光学接口。
11.根据权利要求9所述的光学系统，其中所述光纤通过设置在所述光纤与所述光学接口之间的折射率匹配环氧树脂直接光学连接至所述光学接口。
12.根据权利要求9所述的光学系统，其中所述第一层包括阻挡紫外(UV)光的材料，其中所述光学窗口在所述材料中形成孔，从而暴露所述透明衬底，其中所述透明衬底的材料对所述UV光透明。
13.根据权利要求12所述的光学系统，其中所述第一层的材料是晶体硅，并且所述透明衬底的材料是二氧化硅。
14.根据权利要求9所述的光学系统，其中所述光子芯片包括波导适配器，其中所述波导适配器的第一端形成所述光学接口的至少一部分，并且所述波导适配器的相对的第二端光学耦合到所述波导，其中所述波导适配器被配置为调整在所述波导和所述光纤之间传输的光信号的模大小。
15.根据权利要求14所述的光学系统，其中所述环氧树脂阱延伸穿过包含所述波导适配器的所述光子芯片中的第二层。
16.一种光纤阵列单元(FAU)，包括：
透明衬底；
设置在所述透明衬底上的第一层，其中所述透明衬底的材料对紫外光是透明的，而所述第一层的材料阻挡紫外光；
所述第一层中的光学窗口，其中所述光学窗口的至少一侧由所述透明衬底形成；
形成在所述第一层中的凹槽；以及
设置在所述凹槽中的光纤，其中所述透明衬底的第一部分延伸超出所述光纤的终端，其中所述光学窗口设置在所述透明衬底的所述第一部分上。
17.根据权利要求16所述的FAU，还包括：
多个对准特征，所述多个对准特征形成在所述第一层上，其中所述多个对准特征被布置在所述透明衬底的所述第一部分上方。
18.根据权利要求16所述的FAU，其中所述第一层的厚度小于从所述光纤中的芯到所述透明衬底的距离。
19.根据权利要求16所述的FAU，其中满足如下项中的至少一项：(i)所述第一层的材料是晶体硅，并且所述透明衬底的材料是二氧化硅；以及(ii)所述透明衬底的材料是透明模制材料。
20.根据权利要求16所述的FAU，还包括：
形成在所述第一层中的多个平行凹槽；以及
形成在所述第一层中的光纤止动件，其中所述光纤止动件接触设置在所述多个平行凹槽中的光纤的终端，其中所述光纤止动件位于所述多个平行凹槽和所述光学窗口之间。
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