CN111712748A - 具有集成边缘外耦合器的集成光子装置 - Google Patents

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Abstract

本文描述了一种集成光子装置，该集成光子装置包括光发射器、一个或多个集成边缘外耦合器、光学器件和检测器阵列。该装置可包括气密密封的壳体。气密密封可减少可能影响密封壳体内的各个部件的测量、分析和/或功能的水分和/或污染的量。附加地或替代地，气密密封还可用于保护壳体内的部件免受在制造、包装和/或装运过程期间引起的环境污染。可通过在管芯的层中形成一个或多个凹部来形成一个或多个外耦合器。可在凹部中形成外耦合器材料，并且任选地，可将后续层设置在顶部上。可对管芯的边缘进行抛光，直到实现目标抛光平面为止。一旦形成外耦合器，就可将管芯翻转，并且可形成其他部件。

Description

具有集成边缘外耦合器的集成光子装置
相关申请的交叉引用
本专利申请要求提交于2018年2月13日的美国临时专利申请号62/630,018的权益，该申请据此全文以引用方式并入本文。
技术领域
本发明整体涉及被配置用于测量样本体积的一个或多个特性的集成光子装置。更具体地，该集成光子装置可包括集成边缘外耦合器。
背景技术
光学感测系统的一个应用可以是测量样本体积的一个或多个特性。光学感测系统可包括集成光子装置，该集成光子装置包括多个光学部件，诸如光源和检测器。光源和检测器相对于彼此的放置和对准精度可能影响测量的准确性。例如，光学部件的对准可影响由具有特定路径长度的检测器测量的返回光的选择性检测的准确性。
发明内容
本文描述了一种用于确定所测样本体积的一个或多个特性的集成光子装置。集成光子装置可包括光发射器，该光发射器被配置为通过由多个层形成的波导发射光。光可通过波导传播到一个或多个集成边缘外耦合器。该集成边缘外耦合器可将光重新引导至发射光学器件，然后该发射光学器件可对光进行准直、聚焦和/或将光引导至位于装置的外表面上的发射区域。光可与包括在所测样本体积中的材料相互作用。光可在所测样本体积中经历一个或多个散射事件，其中该一个或多个散射事件可使光返回装置。返回光可经由一个或多个窗口进入装置中。检测/集光光学器件可用于对返回光进行准直、聚焦和/或将返回光引导至检测器阵列。检测器还可附接到外耦合器上方的支撑材料并且直接附接到外耦合器。检测器阵列可生成待由控制器或处理器分析的多个信号，以用于确定所测样本体积的一个或多个特性。
集成光子装置可包括气密密封的壳体，该壳体可包括光学部件、电子部件和/或散热部件。例如，光学部件可包括发射和检测光学器件以及检测器阵列。气密密封可减少可能影响密封壳体内的各个部件的测量、分析和/或功能的水分和/或污染的量。除此之外或另选地，气密密封还可用于保护壳体内的部件免受在制造、包装和/或装运过程期间引起的环境污染。电子部件可包括一个或多个层，该一个或多个层设置在支撑层上并且被配置为将电信号从光学部件路由到气密密封外部的区域。散热部件可包括但不限于被配置为将由光学部件产生的热量重定位到装置的系统界面的一个或多个无源散热块和有源热电装置。
集成光子装置还可包括集成边缘外耦合器。该集成边缘外耦合器可通过在管芯的各层中形成一个或多个凹部来形成。可在凹部中形成外耦合器材料，并且任选地，可将后续层设置在外耦合器材料的顶部上。可对管芯的边缘进行抛光，直到实现目标抛光平面以形成外耦合器为止。一旦形成外耦合器，就可将管芯翻转，并且可形成其他部件。一旦形成其他部件，就可将框架粘结到支撑层，并且可形成气密密封。
附图说明
图1A示出了根据本公开的示例的示例性光学感测系统的框图。
图1B示出了根据本公开的示例的用于测量样本特性的示例性过程流。
图2A至图2B分别示出了根据本公开的示例的集成光子装置的示例性部分的剖视图和顶视图。
图3A至图3B分别示出了根据本公开的示例的占据集成光子装置中的光学器件周围的空间的散热块的剖视图和顶视图。
图4示出了根据本公开的示例的用于形成集成光子装置的示例性过程流。
图5A至图5B示出了根据本公开的示例的集成光子装置在其形成的一些步骤期间的剖视图。
图5C至图5D分别示出了根据本公开的示例的在凹部中形成外耦合器材料之后的示例性管芯的剖视图和顶视图。
图5E示出了根据本公开的示例的具有多个管芯的示例性晶片的顶视图。
图5F示出了根据本公开的示例的包括设置在外耦合器材料的顶部上的附加层的示例性管芯的剖视图。
图5G示出了根据本公开的示例的具有抛光边缘的示例性管芯的剖视图。
图5H至图5J分别示出了根据本公开的示例的包括形成在各层上的接合凸起的管芯的剖视图、顶视图和平面图。
图5K示出了根据本公开的示例的包括多个管芯的晶片的顶视图，该多个管芯具有形成在该多个管芯的层上的接合凸起。
图6A至图6C示出了根据本公开的示例的集成光子装置中所包括的基准点的剖视图和顶视图。
图7A示出了根据本公开的示例的用于确定样本的特性的示例性集成装置。
图7B示出了根据本公开的示例的使用集成装置来确定样本的特性的示例性方法。
具体实施方式
在以下对示例的描述中将引用附图，在附图中以例示的方式示出了可被实施的特定示例。应当理解，在不脱离各个示例的范围的情况下，可使用其他示例并且可作出结构性改变。
现在将参照如附图所示的示例来详细描述各种技术和过程流步骤。在以下描述中，阐述了众多具体细节，以便提供对其中描述或提到的一个或多个方面和/或特征的透彻理解。然而，对于本领域的技术人员显而易见的是，对本文描述或引用的一个或多个方面和/或特征可以在不具有这些具体细节中的一些或全部的情况下实施。在其他情况下，公知的过程步骤和/或结构未详细描述从而不会模糊对本文描述或引用的方面和/或特征中的一些。
而且，尽管可按照连续次序描述过程步骤或方法步骤，但是此类过程和方法可被配置为按照任意适合次序来工作。换句话讲，可在本公开中描述的步骤的任何序列或次序自身未指出需要按该次序执行步骤。此外，尽管被描述或暗示为非同时发生(例如，因为在其他步骤之后描述一个步骤)，但可以同时执行一些步骤。此外，在附图中借助其描述对过程的图示未暗示所示过程排除其他变型及其修改，未暗示所示过程或其步骤的任一个步骤必须为示例中的一个或多个示例，并且未暗示所示过程为优选的。
本文描述了一种用于确定所测样本体积的一个或多个特性的集成光子装置。集成光子装置可包括光发射器，该光发射器被配置为通过由多个层形成的波导发射光。光可通过波导传播到一个或多个集成边缘外耦合器。集成边缘外耦合器可将光重新引导至发射光学器件，然后该发射光学器件可对光进行准直、聚焦和/或将光引导至位于装置的外表面上的发射区域。光可与包括在所测样本体积中的材料相互作用。光可在所测样本体积中经历一个或多个散射事件，其中该一个或多个散射事件可使光返回装置。返回光可经由一个或多个窗口进入装置中。检测光学器件可用于对返回光进行准直、聚焦和/或将返回光引导至检测器阵列。检测器阵列可生成待由控制器或处理器分析的多个信号，以用于确定所测样本体积的一个或多个特性。
集成光子装置可包括气密密封的壳体，该壳体可包括光学部件、电子部件和/或散热部件。例如，光学部件可包括发射和检测光学器件以及检测器阵列。气密密封可减少可能影响密封壳体内的各个部件的测量、分析和/或功能的水分和/或污染的量。除此之外或另选地，气密密封还可用于保护壳体内的部件免受在制造、包装和/或装运过程期间引起的环境污染。电子部件可包括一个或多个层，该一个或多个层设置在支撑层上并且被配置为将电信号从光学部件路由到气密密封外部的区域。散热部件可包括一个或多个散热块，该一个或多个散热块被配置为将由光学部件产生的热量重定位到装置的系统界面。
集成光子装置还可包括集成边缘外耦合器。该集成边缘外耦合器可通过在管芯的各层中形成一个或多个凹部来形成。可在凹部中形成外耦合器材料，并且任选地，可将后续层设置在外耦合器材料的顶部上。可对管芯的边缘进行抛光，直到实现目标抛光平面以形成外耦合器为止。一旦形成外耦合器，就可将管芯翻转，并且可形成其他部件。一旦形成其他部件，就可将框架粘结到支撑层，并且可形成气密密封。
现在描述包括在示例性集成光子装置中的部件及其操作的概述，下面提供了详细描述。图1A示出了根据本公开的示例的示例性光学感测系统的框图。图1B示出了根据本公开的示例的用于测量样本特性的示例性过程流。系统100可包括界面180(系统界面)、光学单元190、光发射器107、检测器130和控制器140。此外，系统100还可包括集成光子装置，并且界面180可包括该装置的外表面，该外表面可容纳通过其的光透射。界面180可包括发射区域182、参考对象108(任选地)和检测区域156。在一些示例中，发射区域182可包括被配置为限制进入系统100的光的光学路径长度和/或角度的一个或多个部件(例如，孔径层)。通过限制光的光学路径长度和/或角度，也可限制入射到或离开所测量样本体积120的光。光学单元190可包括吸收器或阻光器192、光学器件191(例如，透镜)、光学器件194(例如，负微透镜)和集光光学器件116(例如，正微透镜)。在使用该系统时，所测样本体积120可接近、靠近或接触系统100的至少一部分(例如，界面180)定位。光发射器107可耦接到控制器140。控制器140可发送信号(例如，电流或电压波形)以控制可发射光的光发射器107(过程150的步骤153)。在一些示例中，光发射器107可包括多个波导。光发射器107可朝向发射区域182发射光(过程151的步骤155)。
发射区域182可被配置为允许光朝向所测样本体积120离开系统100。根据于所测样本体积120的性质，光可穿透特定深度进入所测样本体积120，以到达一个或多个散射位点，并且可朝向系统100返回(例如，反射和/或散射回)。返回光可在检测区域156处返回到系统100中(过程151的步骤159)。返回到系统中的返回光可由集光光学器件116收集，该集光光学器件可对返回光进行引导、准直、聚焦和/或放大(过程151的步骤161)。可引导返回光朝向检测器130(例如，检测器阵列)。检测器130可对返回光进行检测并且向控制器140发送指示所检测光的量的电信号(过程151的步骤163)。
光发射器107可任选地朝向参考对象108发射光(过程151的步骤165)。参考对象108可重新引导光朝向光学器件194(过程151的步骤167)。参考对象108可包括但不限于反射镜、滤光器和/或具有已知光学特性的样本。光学器件194可朝向检测器130对光进行引导、准直、聚焦和/或放大(过程151的步骤169)。检测器130可测量从参考对象108反射的光，并且可生成指示该反射光的电信号(过程151的步骤171)。控制器可被配置为从检测器130接收至少两个电信号。在一些情况下，一个电信号可指示来自所测样本体积120的返回光，而另一个电信号可指示从参考对象108反射的光。例如，不同的电信号可以，例如，是时间多路复用信号。在给定情况下，电信号的时间可基于光是被发送到所测样本体积还是参考对象。在其他情况下，两个或更多个电信号可由不同检测器像素同时接收，并且可包括不同光信息。控制器140(或另一个处理器)可从电信号确定样本的特性(过程151的步骤173)。
在一些示例中，当系统正在测量样本和参考对象的特性时，从光发射器107发射的光可从样本的表面反射回到系统100。从内壁或部件反射的光可被称为界面反射光184。在一些示例中，界面反射光184可以是从光发射器107发射的、尚未从所测样本体积120或参考对象108反射的光，并且可归因于系统100内的光散射。由于界面反射光184可能是不希望的，因此吸收器或阻光器192可防止光学器件194和集光光学器件116收集界面反射光184。这样，该系统可防止界面反射光184被检测器130测量。
现在提供示例性集成光子装置的详细描述。图2A至图2B分别示出了根据本公开的示例的集成光子装置的示例性部分的剖视图和顶视图。在使用该装置时，所测样本体积(例如，图1A所示的所测样本体积120)可靠近系统界面280定位。该装置可包括位于系统界面280处的一个或多个窗口201。一个或多个窗口201可包括一种或多种透明导热材料，诸如蓝宝石、硅或它们的组合。
所测样本体积可包括一个或多个位置，该一个或多个位置可包括与一个或多个散射事件相关联的一个或多个散射位点。装置200可被配置为重建所测样本体积中的光学路径。例如，装置200可被配置为将在检测区域256处接收的光的角度和位置重建到另一位置(例如，更靠近检测器阵列230定位的平面)。可使用光学器件(例如，光学器件216)的一个或多个层来执行光学路径的重建。装置200可包括任何数量的光学器件层；图中所示的一层光学器件仅为一个示例。
装置200可包括多个部件，其中多个部件可形成在支撑层242上或附接到支撑层242。支撑层242可包括任何类型的材料，诸如硅。多个部件中的至少一些可包括光学部件。示例性光学部件可包括光发射器207、检测器阵列230、光学器件216、光学器件291和外耦合器209。其他光学部件(未示出)可包括光学迹线、多路复用器、反射器等。该装置还可包括一个或多个电子部件，诸如层210、层219和接合凸起236。
装置200还可包括框架214，该框架可用于将光学部件气密地密封在支撑层242和系统界面280之间的腔体内。框架214可有助于通过粘结到支撑层242来形成气密密封。在一些示例中，框架214包括导电(例如，金属)框架。气密密封可减少位于腔体中的水量并且/或者减少测量中所包括的光的光学路径中的污染量。在一些情况下，框架214的至少一部分可位于支撑层242的周边内的位置处，如图所示。可将接合焊盘(未示出)放置在支撑层242的边缘245上。引线接合件247可用于将接合焊盘连接到位于密封壳体外部的板(例如，插入器241或板243)。一条或多条迹线(例如，包括在层219中)可用于将密封壳体中的有源部件电耦接到位于密封壳体外部的接合焊盘和/或引线接合件247。在一些示例中，位于框架214和支撑层242之间的一个或多个层248(介电层和/或导电层)可用于将信号从有源部件路由到接合焊盘和/或引线接合件247。
如上所述，系统界面280可以包括一个或多个发射区域282和一个或多个检测区域256。一个或多个发射区域282可被配置为允许由光发射器207发射(并且由外耦合器209和光学器件291重新引导)的光在系统界面280处离开装置200。一个或多个检测区域256可被配置为允许返回光进入装置200以由光学器件216重新引导并由检测器阵列230检测。在一些示例中，包括在检测器阵列230中的某些检测器像素可以与不同的光学路径长度相关联，以确定(例如，估计)所测样本体积的光学特性(例如，吸光度)。
检测器阵列230可位于光学器件216下方(即，与系统界面280相对)。在一些示例中，光学器件216可由与一个或多个窗口201相同的材料形成。在检测器阵列230和光学器件216之间，装置200可包括空气、真空或具有与光学器件216的折射率形成对比的折射率的任何介质。如下所述，在一些示例中，该介质可包括散热块。
装置200可包括一个或多个光发射器207。光发射器207可被配置为发射光。光发射器207可包括能够生成光的任何类型的光源(包括一个或多个波导(未示出))。在一些情况下，光发射器206可包括单个光源。在其他情况下，光发射器207可包括多个离散光源。光源可包括但不限于，灯、激光器、发光二极管(LED)、有机发光二极管(OLED)、电致发光(EL)源、量子点(QD)光发射器、超发光二极管、超连续源、基于光纤的源，或这些源中的一者或多者的组合。在一些示例中，光发射器207可能能够发射单个波长的光。在一些示例中，光发射器207可能能够发射多个波长的光。在一些示例中，光发射器207可包括能够生成短波红外(SWIR)特征的任何可调谐源。在一些示例中，光发射器207可包括III-V材料，诸如磷化铟(InP)、锑化镓(GaSb)、锑化砷化镓(GaAsSb)、砷化铝(AlAs)、砷化铝镓(AlGaAs)、砷化铝铟(AlInAs)、磷化铟镓(InGaP)、砷化铟镓(InGaAs)、锑化砷化铟(InAsSb)、锑化磷化铟(InPSb)、锑化磷化砷化铟(InAsPSb)和磷化锑化砷化镓铟(GaInAsSbP)。
光学器件291可被配置为对由光发射器207发射并由外耦合器209重新引导的光进行重新引导、准直和/或聚焦。另外，光学器件216可被配置为对返回光进行重新引导、准直和/或聚焦以被检测器阵列230接收。该装置还可包括外耦合器209，该外耦合器可被配置为对由光发射器207发射的光进行重新引导。在一些示例中，外耦合器209可位于与层210中的至少一层相同的层上。例如，外耦合器209的一侧可接触支撑层242，并且层210的一侧也可接触支撑层。任选地，该装置可包括设置在外耦合器209上的反射器211。
装置200可包括一个或多个层210和/或一个或多个层219。层210可包括被配置为将一个或多个信号路由到光发射器207的一个或多个导电层。例如，层210可被配置为路由来自控制器(例如，图1A所示的控制器140)的一个或多个信号以控制光发射器207，该光发射器207可响应于一个或多个信号而发射光。层210还可包括一个或多个绝缘层。例如，层210可包括通过一个或多个绝缘层电隔离的多个导电层。在一些情况下，层210可包括封装层、钝化层、平整化层等中的一者或多者。层210可经由接合凸起236电连接到一个或多个部件。除此之外或另选地，一个或多个部件可经由插入器241电连接到其他部件。
另外，层219可包括被配置为将一个或多个信号路由到检测器阵列230的一个或多个导电层。例如，层219可被配置为将一个或多个信号从检测器阵列230路由到控制器(例如，图1A所示的控制器140)。层219还可包括一个或多个绝缘层。例如，层219可包括通过一个或多个绝缘层电隔离的多个导电层。在一些情况下，层219还可包括封装层、钝化层、平整化层等中的一者或多者。在一些情况下，层219可包括用于稳定检测器阵列230的温度的一种或多种热电材料。在一些示例中，一个或多个层219可包括与层210中的一者或多者相同的材料。在一些示例中，除了层219之外，装置200还可包括可将检测器阵列230电连接到层219的一个或多个引线接合件。
在一些示例中，该装置可包括连接层210和层219的一条或多条迹线(未示出)。该一条或多条迹线可从气密密封的腔体引出。在一些情况下，该装置可包括用于电连接层210和层219的硅通孔(TSV)(未示出)。在其他情况下，迹线可被布设到框架214下方的支撑层242的边缘，并且接合到气密密封外部的一个或多个部件(例如，使用引线接合件247连接到板243)。
另外，该装置可包括一个或多个散热部件，诸如散热块、散热器、热电器件等。散热块232可被配置为将热量从该装置中的一个位置重新定位到另一位置。例如，散热块232可用于将热量从光发射器207重新定位到系统界面280。散热块232可使用焊接件234附接到支撑层242。在一些示例中，该焊接件可以是由导热材料诸如镍金制成的凸起下金属化。在一些示例中，一个或多个焊接件234可位于对应于光发射器207的位置。即，焊接件234可位于光发射器207上方(即，更靠近系统界面280)，使得来自光发射器207的热量可重定位到位于上方的散热块232。在一些示例中，焊接件234可具有与光发射器207相同的占有面积。在一些示例中，每个光发射器207可具有唯一的焊接件234和唯一的散热块232。附加的焊接件234可位于装置的其他区域中，例如，以有助于将框架214连接到支撑层242。
装置200可任选地包括底部填料244和/或上部填料246。底部填料246可填充位于外耦合器209与插入器241之间的空间。上部填料246可位于气密密封腔体外部的空间中，并且可用于例如密封任何引线接合件以防止引线接合件断裂。
尽管上文和下文给出的描述均涉及一种装置，但本公开的示例也可包括具有多个装置的系统，其中不同的部件可位于不同的装置中。
在一些示例中，包括在装置中的散热块可占据光学器件周围的空间。图3A至图3B分别示出了根据本公开的示例的占据集成光子装置中的光学器件周围的空间的散热块的剖视图和顶视图。散热块332可位于光学器件316周围和/或光学器件391周围。一个或多个开口可位于发射光和/或返回光的光学路径中。例如，开口357可以允许通过系统界面380进入的返回光到达检测器阵列330。开口383可允许来自光发射器307的发射光到达系统界面380。在散热块332位于一个或多个光学器件周围的情况下，散热块332可将来自一个或多个部件(例如，光发射器307)的热量重新定位到窗口301。在一些示例中，可将吸光材料设置在散热块332上以帮助阻挡/吸收不需要的光线。吸光材料可为例如红外吸收材料。
在上述示例中，装置可包括将散热块粘结到另一部件的一种或多种导热粘合剂材料(例如，环氧树脂)。例如，在图2A所示的装置200中，导热环氧树脂可用于将窗口201粘结到散热块232。类似地，在图3A所示的装置300中，导热环氧树脂可用于将散热块332粘结到支撑层342。在一些示例中，焊接件334可包括导热环氧树脂。在一些示例中，可使用与用于将散热块332连接到一个或多个窗口301的相同类型的材料来将散热块332连接到支撑层342。
现在将描述用于形成边缘外耦合器的过程。图4示出了根据本公开的示例的用于形成集成光子装置的示例性过程流。图5A至图5B示出了根据本公开的示例的集成光子装置在其形成的一些步骤期间的剖视图。过程400可通过提供支撑层而开始，其中一个或多个绝缘层和/或一个或多个折射率匹配层设置在该支撑层上(过程400的步骤402)。例如，所提供的支撑层可为图2A所示的支撑层242。又如，如图5A所示，管芯502A可包括支撑层542、设置在支撑层542上的绝缘层513、折射率匹配层515和绝缘层517。支撑层542和折射率匹配层515可包括但不限于包括硅。除此之外或另选地，支撑层542可包括具有某些特性的材料以用于将部件集成在支撑层的一侧或两侧上。集成在支撑层的一侧或两侧上的部件可包括但不限于微透镜阵列、光学迹线、多路复用器等。
在一些示例中，可在层(例如，层210)被设置之前在支撑层(例如，支撑层242)中形成和/或放置光发射器(例如，图2A所示的光发射器207)。例如，可蚀刻支撑层以形成腔体，可将光源(包括在光发射器中)放置到腔体中，可再次蚀刻支撑层以形成波导，并且可将各层设置在顶部上。
在一些示例中，支撑层542和折射率匹配层515可形成用于光传播的波导。例如，来自光发射器(例如，图2A所示的光发射器207)的光可传播穿过由支撑层542和折射率匹配层515形成的波导。绝缘层513和绝缘层517可包括但不限于SiO2。可在支撑层/绝缘层/折射率匹配层的层叠结构中形成一个或多个凹部(例如，图5B所示的凹部512)(过程400的步骤404)。该一个或多个凹部可通过使用一种或多种蚀刻技术诸如湿法蚀刻、干法蚀刻等来形成。在一些示例中，形成凹部512可包括移除绝缘层513，使得支撑层542被暴露(即，不被绝缘层513覆盖)。这样，随后可形成不受标准具约束(例如，不受宽带标准具约束)的外耦合器。
可在一个或多个凹部(例如，图5B所示的凹部512)中增加外耦合器材料(例如，图5C所示的外耦合器材料515)(过程400的步骤406)。可使用任何数量的增加或设置技术诸如化学气相设置(CVD)、分子束外延(MBE)、原子层设置(ALD)、溅射等来增加外耦合器材料515。外耦合器材料515可以是与支撑层542的折射率匹配的任何材料。示例性材料包括但不限于非晶硅。
图5C至图5D分别示出了根据本公开的示例的在凹部中形成外耦合器材料之后的示例性管芯的剖视图和顶视图。可在管芯502A的凹部中形成外耦合器材料515。尽管本公开的示例可以讨论用于使用单个管芯形成边缘外耦合器和装置的过程流，但本公开的示例也适用于用于在单个晶片上形成多个管芯的过程。图5E示出了根据本公开的示例的具有多个管芯的示例性晶片的顶视图。晶片504可包括多个管芯，诸如管芯502A和502B。多个管芯可由相同的晶片504形成，并且可同时经历相同的加工步骤。例如，可将外耦合器材料515设置在多个凹部中，其中一个或多个凹部可以属于与其他凹部不同的管芯。如图所示，晶片504可包括多个切割道505。切割道可以是指定用于切割的位置。这样，该过程的一个或多个步骤可在切割之前完成。切割步骤可在过程中的任何步骤进行。另外，本公开的示例不限于通过切割步骤将所有的管芯分离。例如，在步骤404之后，晶片的一半被分离(例如，沿水平切割道进行切割)。晶片的上半部可经历与下半部(例如，以50度角抛光外耦合器)不同的工艺(例如，以45度角抛光外耦合器)。包括在晶片上半部中的管芯继而可在后续步骤之后被分离(例如，通过沿垂直切割道进行切割)。
在一些示例中，外耦合器可沿着给定管芯的多个边缘定位。例如，尽管图5E将管芯502A示出为包括位于该管芯的右侧边缘上的外耦合器，但本公开的示例可另外包括位于其他边缘诸如顶部边缘、左侧边缘和/或底部边缘上的外耦合器。在一些示例中，管芯可具有不同的形状和不同数量的边缘，其中外耦合器可位于任何数量的边缘上。例如，具有五边形形状的管芯可包括其中任何边缘或全部边缘具有外耦合器的五个边缘，具有六边形形状的管芯可包括其中任何边缘或全部边缘具有外耦合器的六个边缘，等等。
可将一个或多个附加层设置在外耦合器材料的顶部上，如图5F所示(过程400的步骤408)。附加层可包括一个或多个绝缘层、一个或多个导电层、一个或多个折射率匹配层、一个或多个封装层、一个或多个钝化层、一个或多个平整化层等。这些层将统称为层510。
可沿切割道(例如，图5E所示的切割道505)切割管芯，并且可将一个或多个管芯的一个或多个边缘抛光。图5G示出了根据本公开的示例的具有抛光边缘的示例性管芯的剖视图。抛光步骤可导致对外耦合器材料的一部分的移除以形成管芯502A中所包括的外耦合器509(过程400的步骤410)。在一些情况下，抛光步骤还可导致对层510中的一部分的移除。
在一些示例中，抛光步骤可包括沿着目标抛光平面抛光外耦合器材料，以便实现目标抛光深度和/或抛光角度，如下所述。在一些情况下，目标抛光平面的特性可基于发射区域(例如，图2A所示的发射区域282)的位置、检测区域(例如，图2A所示的检测区域256)的位置、光的路径长度(下文讨论)和/或待测量的样本特性。一个示例性目标抛光深度可为10μm，但本公开的示例不限于此。一个示例性目标抛光角度可为45度或54.7度，但本公开的示例不限于此类角度。
在一些示例中，可抛光管芯的多于一个边缘。在一些示例中，管芯的单个边缘可包括多个外耦合器(如图5D所示)。沿着相同边缘的多个外耦合器可具有相同的目标抛光平面。在一些情况下，沿着相同边缘的外耦合器中的两者或更多者可具有不同的目标抛光平面。
可任选地将反射材料设置在外耦合器509上以形成反射器511(过程400的步骤412)。可在层510上形成多个接合凸起536(过程400的步骤414)。图5H至图5J分别示出了根据本公开的示例的在各层上形成接合凸起之后的管芯502A的剖视图、顶视图和平面图。
在一些示例中，管芯可包括多个外耦合器，分别如图5I至图5J的顶视图和平面图所示。例如，管芯502A可包括外耦合器509和外耦合器519。单个管芯中所包括的外耦合器可具有不同的特性(例如，材料、尺寸、形状、抛光角度等)。在一些情况下，一种类型的外耦合器(例如，外耦合器509)可被配置用于一种类型的测量(例如，涉及与所测样本体积相互作用的光的测量)，并且另一种类型的外耦合器(例如，外耦合器519)可被配置用于另一种类型的测量(例如，涉及用于考虑光学部件诸如光发射器中的漂移的参考检测器的测量)。
尽管上述附图示出了在通过切割步骤将管芯分离之后形成接合凸起，但本公开的示例还可包括将接合凸起形成在层上之后分离管芯。如图5K所示的顶视图所示，晶片504可包括多个管芯，诸如管芯502A和管芯502B。接合凸起536可在沿着切割道505切割之前形成于多个管芯上。在一些示例中，在通过切割步骤将管芯分离之后，可在接合凸起上方设置一个或多个封装层，以在抛光一个或多个外耦合器的步骤期间保持接合凸起的完整性。
可将管芯翻转并粘结到插入器(例如，图2A所示的插入器241)(过程400的步骤416)。一个或多个光学器件(例如，图2A所示的光学器件219)和层(例如，图2A所示的层219)可形成在支撑层(例如，图2A所示的支撑层242)的顶部(例如，最靠近系统界面)侧上(过程400的步骤418)。在一些示例中，光学器件可以是通过蚀刻支撑层形成的一个或多个微透镜。可使用一个或多个焊接件(例如，图2A所示的焊接件234)将一个或多个散热块(例如，图2A所示的散热块232)粘结到支撑层(例如，图2A所示的支撑层242)(过程400的步骤420)。可将检测器阵列(例如，图2A所示的检测器阵列230)放置在层(例如，图2A所示的层219)的顶部上(过程400的步骤422)。还可使用导热环氧树脂(未示出)将散热块粘结到窗口(例如，图2A所示的窗口201)(过程400的步骤424)。可将框架(例如，图2A所示的框架214)粘结到支撑层(例如，图2A所示的支撑层242)，并且可形成气密密封(过程400的步骤426)。
本公开的示例还包括在抛光步骤(例如，图4所示的步骤410)中使用一个或多个基准点来控制一个或多个外耦合器的一个或多个抛光边缘的深度和角度。图6A至图6C分别示出了根据本公开的示例的集成光子装置的各层中所包括的基准点的剖视图和顶视图。管芯602A可包括多个基准点623。基准点623可允许在抛光步骤期间实现给定的目标抛光平面621。在移除给定量的材料之前，一个或多个基准点可能不可见。例如，在抛光层610时，一旦一定量的层610A被抛光，基准点623A就可变得可见。如果目标抛光深度更深，则抛光步骤可继续从层610B移除给定量的材料，直到基准点623B变得可见，等等。
基准点623可包括在各层中，其中数量和距最顶层的深度可基于目标抛光深度。例如，如果目标抛光深度位于5μm处，并且层610D也位于5μm处，则基准点623E的暴露将指示已达到目标抛光深度。
另外，基于目标抛光角度，基准点可具有某些水平位置。例如，基准点623的末端可形成以给定目标抛光角度成角度的平面。如果目标抛光角度改变，则基准点的水平偏移可相应地改变。一般来讲，较小的偏移可用于较陡的目标抛光角度。在一些示例中，基准点623可具有垂直对准的一个边缘，但可具有不垂直对准的另一个边缘(例如，基准点623可以不具有相同的长度)。
基准点623可由至少部分不透明并且可包括在层610中的任何材料制成。示例性材料为金属。基准点623可根据给定的目标抛光平面621布置、成型和/或设定尺寸。图6B示出了矩形的基准点623，图6C示出了三角形的基准点。另外，本公开的示例可包括具有不同尺寸、形状、材料或其他特性的两个或更多个基准点。例如，如图6B所示，基准点623可具有不同的长度。在一些情况下，管芯可包括多组基准点。例如，一组基准点可位于正方形或矩形管芯的多个角部。该组基准点可以是相同的，或者在一些情况下，可以不同地取向。例如，一组基准点可包括其顶点取向成一个方向的三角形，并且另一组基准点可包括其底边取向成同一方向的三角形。
现在讨论一种用于操作装置以确定样本的一个或多个特性的方法。图7A示出了根据本公开的示例的用于确定样本的特性的示例性装置，并且图7B示出了示例性方法。装置700可具有与上文在装置200、装置300和/或装置400的上下文中讨论的那些类似的一个或多个部件和/或功能。控制器(未示出)可通过插入器741、接合凸起736和一个或多个层710将一个或多个信号发送到光发射器707(过程750的步骤752)。来自控制器的一个或多个信号可使得光发射器707发射光。来自光发射器707的光可通过由层710产生的波导传播到外耦合器709(过程750的步骤754)。外耦合器709可重新引导光751朝向发射光学器件791。在此之前、期间和/或之后，散热块732可允许来自一个或多个光学部件(例如，光发射器707)的热量经由一个或多个热传递路径755传递到系统界面790。
发射光学器件791可朝向发射区域782对光751进行引导、准直和/或聚焦并穿过窗口701(过程750的步骤760)。光751可在所测样本体积720的位置759处经历散射事件(过程750的步骤762)。在散射事件中，该光可作为光753返回到装置700。光753可透射穿过窗口701。检测光学器件716可以将光753朝向检测器阵列730引导、准直和/或聚焦(过程750的步骤764)。检测器阵列730中的检测器像素可以生成指示检测到的光的多个信号，并且层719可以将该信号路由到控制器或处理器以进行处理(过程750的步骤755)。信号可从气密密封的壳体路由到另一个板(例如，图2A所示的板243)。
在一些示例中，外耦合器中的至少一者可被配置用于将光(即，参考光束)重新引导至参考检测器。参考检测器可用于减少包括在一个或多个测量信号中的来自光发射器的漂移量。例如，图5J所示的外耦合器519可以是被配置用于将光重新引导至参考检测器的参考外耦合器。由一个或多个光发射器发射的光可使用分光器进行分光，例如，其中一定百分比的发射光可被引导到参考外耦合器处。参考外耦合器可将光引导至参考检测器，而不将光引导至光学器件(例如，图2A所示的光学器件291和/或光学器件216)、发射区域(例如，图2A所示的发射区域282)或检测区域(例如，图2A所示的检测区域256)。在一些示例中，检测器阵列(例如，检测器阵列230)可包括参考检测器(未示出)，该参考检测器的有效区域可朝向参考外耦合器取向。在一些情况下，参考检测器的有效区域可在与其余检测器的有效区域不同的方向上取向。在一些示例中，在装置中可将反射器包括在参考光束的光学路径中，以将来自参考外耦合器的光引导至参考检测器。
在该部分描述了根据本公开的方法与装置的代表性应用。提供这些示例仅是为了添加上下文并有助于理解所述示例。因此，对于本领域的技术人员而言将显而易见的是，可在不具有具体细节中的一些或全部的情况下实践所述示例。其他应用是可能的，使得以下示例不应被当作是限制性的。
本发明公开了一种集成光子装置。该集成光子装置可包括：支撑层，该支撑层包括第一侧和第二侧；一个或多个窗口，该一个或多个窗口位于集成光子装置的系统界面处；光学器件，该光学器件被配置为将入射光重新引导、聚焦和/或准直到一个或多个窗口或者从该一个或多个窗口对入射光进行重新导向、聚焦和/或准直；一个或多个边缘外耦合器，所述一个或多个边缘外耦合器被配置为重新引导光朝向所述光学器件中的至少一些；一个或多个光发射器，该一个或多个光发射器被配置为响应于第一信号发射光，其中所发射的光入射在一个或多个边缘外耦合器上；多个第一层，该多个第一层设置在支撑层的第一侧上，其中多个第一层被配置为将第一信号从控制器路由到一个或多个光发射器；一个或多个检测器，该一个或多个检测器被配置为检测返回光并生成指示所检测到的返回光的第二信号，其中所检测到的返回光包括所发射的光的至少一部分；多个第二层，该多个第二层设置在支撑层的第二侧上，其中该多个第二层被配置为将第二信号从一个或多个检测器路由到控制器或处理器；以及控制器或处理器，所述控制器或处理器被配置为基于所述第二信号确定一个或多个样本特性。除此之外或另选地，在一些示例中，该集成光子装置还包括：连接到支撑层的框架，其中该框架被配置为在至少一个或多个检测器和该光学器件中的至少一些周围形成气密密封。除此之外或另选地，在一些示例中，该集成光子装置还包括：电连接到一个或多个第二层的一条或多条迹线，其中该一条或多条迹线被配置为将第二信号路由到气密密封外部的位置。除此之外或另选地，在一些示例中，根据权利要求1所述的集成光子装置，还包括：被配置为将热量从一个位置重新定位到另一个位置的一个或多个散热块，该一个或多个散热块热耦接到支撑层和一个或多个窗口。除此之外或另选地，在一些示例中，一个或多个散热块位于一个或多个光学器件周围。除此之外或另选地，在一些示例中，该集成光子装置还包括：被配置为将一个或多个散热块连接到支撑层的一个或多个焊接件，其中该一个或多个焊接件位于对应于一个或多个光发射器的位置。除此之外或另选地，在一些示例中，一个或多个边缘外耦合器包括外耦合器材料，该外耦合器材料包括非晶硅，支撑层包含硅，并且多个第一层包含硅和二氧化硅。除此之外或另选地，在一些示例中，多个第一层包括一个或多个绝缘层和一个或多个导电层中的一者或多者，多个第一层中的至少一些包括多个基准点，其中该多个基准点中的至少两个基准点相对于彼此偏移，该偏移基于目标抛光平面。除此之外或另选地，在一些示例中，该集成光子装置还包括：多个第二基准点，其中该多个第二基准点沿着与多个基准点不同的方向取向。除此之外或另选地，在一些示例中，光学器件是单层光学器件。
本发明公开了一种用于使用集成光子装置确定样本的一个或多个特性的方法。该方法可包括：从一个或多个光发射器朝向一个或多个波导发射光；使用该一个或多个波导将所发射的光传播到一个或多个边缘外耦合器，该一个或多个波导由多个第一层中的至少一些形成；使用该一个或多个边缘外耦合器重新引导所发射的光朝向光学器件；使用该光学器件将所重新引导的光朝向集成光子装置的一个或多个窗口进行重新引导、聚焦和/或准直；由一个或多个检测器接收来自一个或多个窗口的返回光；使用该一个或多个检测器生成指示该返回光的第二信号；以及基于该第二信号确定样本的一个或多个特性。除此之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括：在至少一个或多个检测器和一个或多个窗口周围形成气密密封。除此之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括：将第二信号从一个或多个检测器路由到位于气密密封件外部的控制器。除此之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括：使用插入器和接合凸起中的一者或多者从控制器路由第一信号；以及将该第一信号传输到一个或多个光发射器，该第一信号与来自一个或多个光发射器的所发射的光相关联。除此之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括：使用一个或多个散热块将热量从一个或多个光发射器重新定位到一个或多个窗口。
本发明公开了一种用于形成集成光子装置的方法。该方法可包括：提供晶片，该晶片包括支撑层和在该支撑层的第一侧上的多个第一层；以及形成一个或多个集成边缘外耦合器，包括：通过蚀刻多个第一层形成一个或多个凹部，在该一个或多个凹部中增加外耦合器材料，以及沿目标抛光平面抛光晶片的至少一个边缘，其中该抛光暴露外耦合器材料的至少一部分。除此之外或另选地，在一些示例中，形成一个或多个集成边缘外耦合器还包括：在抛光之前将附加材料设置在外耦合器材料的顶部上。除此之外或另选地，在一些示例中，形成一个或多个集成边缘外耦合器还包括：在多个层中设置多个基准点，使得该多个基准点相对于彼此偏移以形成目标抛光平面。除此之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括：在支撑层的第二侧上形成多个第二层；在该多个第二层上形成检测器阵列；将框架连接到支撑层；以及使用该框架形成气密密封。除此之外或另选地，在一些示例中，该方法还包括：在支撑层的第一侧上形成一个或多个光发射器；在对应于该一个或多个光发射器的位置形成一个或多个焊接件；形成一个或多个散热块；以及使用该一个或多个焊接件将该一个或多个散热块热耦接到支撑层。
虽然参照附图对公开的示例进行了全面的描述，但应注意，各种改变和修改对于本领域内的技术人员而言将变得显而易见。应当理解，此类改变和修改被认为包括在由所附权利要求所限定的所公开的示例的范围内。

Claims (20)

1.一种集成光子装置，包括：
支撑层，所述支撑层包括第一侧和第二侧；
一个或多个窗口，所述一个或多个窗口位于所述集成光子装置的系统界面处；
光学器件，所述光学器件被配置为将入射光重新引导、聚焦和/或准直到所述一个或多个窗口或者从所述一个或多个窗口对入射光进行重新引导、聚焦和/或准直；
一个或多个边缘外耦合器，所述一个或多个边缘外耦合器被配置为将光重新引导朝向所述光学器件中的至少一些光学器件；
一个或多个光发射器，所述一个或多个光发射器被配置为响应于第一信号发射光，其中，所发射的光入射在所述一个或多个边缘外耦合器上；
多个第一层，所述多个第一层沉积在所述支撑层的所述第一侧上，其中，所述多个第一层被配置为将所述第一信号从控制器路由到所述一个或多个光发射器；
一个或多个检测器，所述一个或多个检测器被配置为检测返回光并生成指示所检测的返回光的第二信号，其中，所检测的返回光包括所发射的光的至少一部分；
多个第二层，所述多个第二层沉积在所述支撑层的所述第二侧上，其中，所述多个第二层被配置为将所述第二信号从所述一个或多个检测器路由到所述控制器或路由到处理器；以及
所述控制器或处理器，所述控制器或处理器被配置为基于所述第二信号确定一个或多个样本特性。
2.根据权利要求1所述的集成光子装置，还包括：
框架，所述框架连接到所述支撑层，其中，所述框架被配置为在至少所述一个或多个检测器周围和在所述光学器件中的至少一些光学器件周围形成气密密封。
3.根据权利要求2所述的集成光子装置，还包括：
一条或多条迹线，所述一条或多条迹线电连接到所述一个或多个第二层，其中，所述一条或多条迹线被配置为将所述第二信号路由到所述气密密封的外部的位置。
4.根据权利要求1所述的集成光子装置，还包括：
一个或多个散热块，所述一个或多个散热块被配置为将热量从一个位置重新定位到另一个位置，所述一个或多个散热块热耦接到所述支撑层和所述一个或多个窗口。
5.根据权利要求4所述的集成光子装置，其中，所述一个或多个散热块位于所述一个或多个光学器件周围。
6.根据权利要求4所述的集成光子装置，还包括：
一个或多个焊接件，所述一个或多个焊接件被配置为将所述一个或多个散热块连接到所述支撑层，其中，所述一个或多个焊接件位于对应于所述一个或多个光发射器的位置。
7.根据权利要求1所述的集成光子装置，其中，
所述一个或多个边缘外耦合器包括外耦合器材料，所述外耦合器材料包括非晶硅，
所述支撑层包括硅，并且
所述多个第一层包括硅和二氧化硅。
8.根据权利要求1所述的集成光子装置，其中，所述多个第一层包括一个或多个绝缘层和一个或多个导电层中的一者或多者，
所述多个第一层中的至少一些第一层包括多个基准点，其中，所述多个基准点中的至少两个基准点相对彼此偏移，所述偏移基于目标抛光平面。
9.根据权利要求8所述的集成光子装置，还包括：
多个第二基准点，其中，所述多个第二基准点沿着与所述多个基准点不同的方向取向。
10.根据权利要求1所述的集成光子装置，其中，所述光学器件是单层光学器件。
11.一种用于使用集成光子装置来确定样本的一个或多个特性的方法，所述方法包括：
从一个或多个光发射器朝向一个或多个波导发射光；
使用所述一个或多个波导将所发射的光传播到一个或多个边缘外耦合器，所述一个或多个波导由多个第一层中的至少一些第一层形成；
使用所述一个或多个边缘外耦合器将所发射的光朝向光学器件重新引导；
使用所述光学器件将所重新引导的光朝向所述集成光子装置的一个或多个窗口进行重新引导、聚焦和/或准直；
由一个或多个检测器接收来自所述一个或多个窗口的返回光；
使用所述一个或多个检测器生成指示所述返回光的第二信号；以及
基于所述第二信号确定所述样本的所述一个或多个特性。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在至少所述一个或多个检测器和所述一个或多个窗口的周围形成气密密封。
13.根据权利要求12所述的方法，还包括：
将所述第二信号从所述一个或多个检测器路由到位于所述气密密封的外部的控制器。
14.根据权利要求11所述的方法，还包括：
使用插入器和接合凸起中的一者或多者从控制器路由第一信号；以及
将第一信号传输到所述一个或多个光发射器，所述第一信号与来自所述一个或多个光发射器的所发射的光相关联。
15.根据权利要求11所述的方法，还包括：
使用一个或多个散热块将热量从所述一个或多个光发射器重新定位到所述一个或多个窗口。
16.一种用于形成集成光子装置的方法，所述方法包括：
提供晶片，所述晶片包括支撑层和在所述支撑层的第一侧上的多个第一层；以及
形成一个或多个集成边缘外耦合器，包括：
通过蚀刻所述多个第一层来形成一个或多个凹部，
在所述一个或多个凹部中增加外耦合器材料，以及沿着目标抛光平面抛光晶片的至少一个边缘，其中，所述抛光暴露所述外耦合器材料的至少一部分。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，形成所述一个或多个集成边缘外耦合器还包括：
在所述抛光之前，将附加材料沉积在所述外耦合器材料的顶部上。
18.根据权利要求16所述的方法，其中，形成所述一个或多个集成边缘外耦合器还包括：
在所述多个层中沉积多个基准点，使得所述多个基准点相对于彼此偏移，以形成所述目标抛光平面。
19.根据权利要求16所述的方法，还包括：
在所述支撑层的第二侧上形成多个第二层；
在所述多个第二层上形成检测器阵列；
将框架连接到所述支撑层；以及
使用所述框架形成气密密封。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括：
在所述支撑层的所述第一侧上形成一个或多个光发射器；
在对应于所述一个或多个光发射器的位置中形成一个或多个焊接件；
形成一个或多个散热块；以及
使用所述一个或多个焊接件将所述一个或多个散热块热耦接到所述支撑层。
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