CN111786731A - 光电二极管直接布置在平面光波电路上的光接收器 - Google Patents

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CN111786731A CN201910577246.8A CN201910577246A CN111786731A CN 111786731 A CN111786731 A CN 111786731A CN 201910577246 A CN201910577246 A CN 201910577246A CN 111786731 A CN111786731 A CN 111786731A
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Abstract

光接收器可以包括平面光波电路，其具有光路和锥形反射表面，以将光束导向平面光波电路的顶表面。光接收器可以包括光电二极管，其被布置在平面光波电路的顶表面上，使得光电二极管的接收部分与光路对准，其中光电二极管与平面光波电路之间的间隙小于5微米。

Description

光电二极管直接布置在平面光波电路上的光接收器
相关申请
本申请根据35 U.S.C.§119要求于2019年4月4日提交的专利合作条约(PCT)申请第PCT/CN2019/081456号的优先权，其内容通过全文引用并入于此。
技术领域
本公开涉及光学模块。更具体地，本公开的一些方面涉及一种光电二极管直接布置在平面光波电路上的光接收器。
背景技术
诸如光收发器或光接收器的光学模块可以包括在光路中对准和/或电连接的多个组件。例如，光接收器可以包括光学解复用器、光电二极管阵列、跨阻抗放大器及时钟和数据恢复模块(TIA/CDR)，等等。光学解复用器可以使用自由空间滤波器或平面光波电路来实施。光电二极管阵列可以包括对准例如平面光波电路的光路并且电连接到TIA/CDR的多个光电二极管。光电二极管阵列和TIA/CDR可以被管芯接合(die bond)到基板。在光电二极管阵列被管芯接合到基板之后，可以将平面光波电路的光波导的输出对准光电二极管阵列。
可以执行有源对准过程以将光电二极管阵列的每个光电二极管与平面光波电路的对应光波导的对应输出对准。例如，光束可以被提供给光波导的输出，并且可以在有源对准过程期间由光电二极管接收。在此情况下，例如，可以执行爬山过程以确定光电二极管的、由光电二极管测量的光束的强度处于最大值的位置。在最大强度的位置处，可以确定光电二极管与光波导的输出对准。随着在光通信系统中部署的光电二极管的数量的增加，有源对准过程可能花费过多的时间量，这可能导致对于光学模块的生产约束。
发明内容
根据一些可能的实施方式，光接收器可以包括具有光路和锥形反射表面的平面光波电路，以将光束导向平面光波电路的顶表面。光接收器可包括布置在平面光波电路的顶表面上的光电二极管，使得光电二极管的接收部分与光路对准，其中光电二极管与平面光波电路之间的间隙小于5微米。
根据一些实施方式，一种方法可以包括由设备将光电二极管无源地对准在平面光波电路的顶表面上平面光波电路的光路的输出，使得光电二极管的接收部分与平面光波电路的光路的输出对准，其中平面光波电路的光路沿平面光波电路的顶表面延伸，并由平面光波电路的锥形反射面导向平面光波电路的顶表面上的输出；由该设备基于将光电二极管无源地对准光路的输出，将光电二极管接合到平面光波电路的顶表面。
根据一些可能的实施方式，光学模块可以包括具有光路和锥形反射表面的平面光波电路，以将光束导向平面光波电路的顶表面。光学模块可以包括匹配块，该匹配块具有与锥形反射表面匹配的锥形表面，以在结构上支撑锥形反射表面。光学模块可以包括布置在平面光波电路的顶表面上的光电二极管，使得光电二极管的接收部分与光路对准，其中光电二极管与平面光波电路之间的间隙小于1微米。光学模块可以包括连接到光电二极管的跨阻抗放大器及时钟和数据恢复模块。
附图说明
图1-3是本文描述的示例实施方式的图。
图4是用于使用无源对准将光电二极管直接安装在平面光波电路上的示例处理的流程图。
具体实施方式
以下对示例实施方式的详细描述参考附图。不同附图中的相同附图标记可以标识相同或相似的元件。
为了执行有源对准，将光电二极管置于距平面光波电路大于阈值距离处，以考虑来自输出波导的光束的扩散。然后，移动光电二极管以使得能够测量不同位置处的光束的强度，以使得能够确定光束强度处于最大值的位置。然而，使用有源对准将基板上的光电二极管对准平面光波电路的输出波导可能过于耗时。
本文描述的一些实施方式可以将光电二极管直接管芯接合到平面光波电路的输出波导上。例如，可以使用无源对准过程对准光电二极管，由此使得能够使用管芯接合将光电二极管直接安装到平面光波电路。以此方式，减少了对准光电二极管的时间量，由此减少了处理瓶颈。此外，至少部分地基于针对平面光波电路的锥形反射表面布置匹配块，减小了当将光电二极管管芯接合到平面光波电路时损坏平面光波电路的可能性，由此使得光电二极管能够直接布置在平面光波电路上。以此方式，可以改善光学模块(诸如，光接收器和/或光收发器)的耐用性。
图1是本文描述的光学模块100的图。如图1所示，光学模块100可以包括平面光波电路110和光电二极管120。在一些实施方式中，光学模块100可以包括具有时钟和数据恢复的跨阻抗放大器(TIA/CDR 130)。在一些实施方式中，光学模块100可以在平面光波电路110上包括多个光电二极管120(例如，光电二极管阵列)。
平面光波电路110可以包括光接收器、光学模块、光解复用器等的光波导芯片结构。在一些实施方式中，平面光波电路110可以包括波导140。例如，平面光波电路110可以包括布置在平面光波电路110的顶表面142的阈值深度(例如，关于Z轴)内的波导140。另外或替代地，平面光波电路可以包括一个或多个自由空间滤波器或其它光学组件。
在一些实施方式中，平面光波电路110可以包括限定平面光波电路110的锥形区域的锥形反射表面144。例如，反射表面144可以呈锥形以将波导140从平行于顶表面142的朝向引导至与顶表面142正交的朝向(例如，从平行于X轴的朝向至平行于Z轴的朝向)。在此情况下，波导140可以使光在反射点146处从反射表面144反射并在输出148处离开平面光波电路110。在一些实施方式中，反射表面144可以是未涂覆的。例如，反射表面144可以使用全内反射以在反射点146处反射光。另外或替代地，反射表面144可以是金属涂覆的，如本文更详细描述的。当由平面光波电路110输出光时，光可以被导向光电二极管120的输入(例如，接收部分)。
光电二极管120可以包括与平面光波电路110的输出148对准的光学光电二极管。在一些实施方式中，光电二极管120可以是光电二极管阵列。例如，光电二极管120可以是与平面光波电路110的4个输出148对准的4通道光电二极管阵列。在一些实施方式中，可以使用布置在平面光波电路110的顶表面142上的一组基准标记150无源地对准光电二极管120的接收部分，如本文更详细描述的。例如，光电二极管120可以通过使用基准标记150关于第一自由度(例如，沿着X轴)和第二自由度(例如，沿着Y轴)对准，并且可以通过使用力传感器关于第三自由度(例如，沿着Z轴)对准(例如，以确定何时光电二极管120被布置在平面光波电路110的顶表面142上以用于管芯接合或覆晶(flip-chip)接合)。
在一些实施方式中，光电二极管120的表面(例如，在光电二极管120的接收部分处)可以在平面光波电路110的顶表面142的阈值邻近距离(proximity)内。例如，光电二极管120和平面光波电路110可以以小于阈值容限(tolerance)的方式对准，使得光电二极管120的表面与平面光波电路110的表面(例如，顶表面142)之间的间隙小于约5微米、约3微米、约1微米，等等。以此方式，通过使用无源对准，可以相对于有源对准而减小间隙，由此提高光学效率。在一些实施方式中，光电二极管120被管芯接合到平面光波电路110。例如，基于使用无源对准处理，光电二极管120可以被直接管芯接合到平面光波电路110的顶表面142上。在一些实施方式中，光电二极管120被覆晶接合到平面光波电路110，如本文更详细描述的。
TIA/CDR 130可以是经由引线接合(wire bond)152而连接到光电二极管120以使能光电二极管120的操作的组件。例如，TIA/CDR 130可以接收光电二极管120的输出(例如，电流)并提供对应的输出(例如，电压)作为响应。另外或替代地，TIA/CDR 130可以执行时钟恢复操作以确定有关光电二极管120的数据流输出的定时信息，以使得能够解码在光电二极管120的输出处的发送码元。
如上所述，图1仅作为示例提供。其它示例可以与关于图1描述的不同。
图2是本文描述的光学模块200的图。如图2所示，光学模块200可以包括平面光波电路110、光电二极管120和TIA/CDR 130。在一些实施方式中，TIA/CDR 130可以被布置在匹配块210上并连接到输出块220。
匹配块210可以是具有与平面光波电路110的反射表面144匹配的锥形表面212的基板。在此情况下，通过将匹配块210接合到平面光波电路110的反射表面144，相对于直接在平面光波电路110上安装光电二极管120而没有匹配块210，减小了损坏平面光波电路110的锥形区域214(例如，包括反射表面144的平面光波电路110的锥形部分)的可能性。在一些实施方式中，当光电二极管120被接合到匹配块210时，可以涂覆反射表面144以避免波导140中的光穿过反射表面144到达匹配块210。例如，反射表面144可以是金属涂覆的。在一些实施方式中，匹配块210可以由特定材料形成。例如，匹配块210可以是硅匹配块，以确保热膨胀系数(CTE)与平面光波电路110匹配。在此情况下，平面光波电路110的第一CTE和匹配块210的第二CTE可以在阈值量内，诸如，CTE差异小于约3。
输出块220可以被接合到匹配块210和/或TIA/CDR 130。例如，输出块220可以被接合到匹配块210和TIA/CDR 130，并且经由引线接合230而被引线接合到TIA/CDR 130。在此情况下，TIA/CDR 130可以布置在光电二极管120与输出块220之间，这可以减少将TIA/CDR130电连接到输出块220的难度和/或形成引线接合230的电迹线的长度，由此减少干扰。在一些实施方式中，输出块220可以包括光学模块200的一个或多个组件，诸如，直流输出、射频输出等。在一些实施方式中，输出块220可以与特定结构相关联。例如，输出块220可以是柔性印刷电路板、刚性印刷电路板等。
如上所述，图2仅作为示例提供。其它示例可以与关于图2描述的不同。
图3是本文描述的光学模块300的图。如图3所示，光学模块300可以包括平面光波电路110、光电二极管120、TIA/CDR 130和输出块220。
在一些实施方式中，TIA/CDR 130可以安装在基板310上。例如，TIA/CDR 130可以安装在基板310上，基板310可以配置有一厚度，以匹配TIA/CDR 130的高度和平面光波电路110的顶表面142。例如，当光电二极管120被覆晶接合到TIA/CDR 130和平面光波电路110时，TIA/CDR 130可以容纳光电二极管120。在此情况下，光电二极管120可以是前照式的，并且光电二极管120的光敏部分(例如，接收部分)和光电二极管120的电极可以在光电二极管120的同一侧。以此方式，光电二极管120可以直接接合到平面光波电路110和TIA/CDR 130(例如，在接合位置320处，接合位置320可以是用于覆晶接合的焊接键(solder bond))，由此不需要引线接合来连接光电二极管120与TIA/CDR 130。此外，基于将光电二极管120直接安装到TIA/CDR 130，相对于使用引线接合而减少了射频迹线尺寸(从光电二极管120到TIA/CDR 130)，由此改善了光学模块300的射频性能。此外，基于由平面光波电路110、光电二极管120、TIA/CDR 130、基板310和输出块220形成单个刚性结构，改善了光学模块300的耐用性。在一些实施方式中，光电二极管120可以与焊球网格(grid)相关联，以使得能够在接合位置320处直接连接到TIA/CDR 130。
如上所述，图3仅作为示例提供。其它示例可以与关于图3描述的不同。
图4是用于制造光学模块(诸如，光接收器、光收发器等)的示例处理400的流程图。
如图4所示，处理400可以包括将光电二极管无源地对准平面光波电路的输出(框410)。例如，设备(例如，拾放设备或另一计算机辅助制造设备)可以将光电二极管无源地对准平面光波电路的输出(例如，不导致从平面光波电路的输出将光信号提供到光电二极管的输入)。在一些实施方式中，设备可以使光电二极管的接收部分与平面光波电路的输出对准。在一些实施方式中，设备可使用基准标记以将光电二极管无源地对准平面光波电路的输出。例如，该设备可以包括用于识别平面光波电路的表面上的一组基准标记的位置的计算机视觉模块，并且可以将光电二极管对准该组基准标记，由此将光电二极管对准平面光波电路的输出。
在一些实施方式中，设备可以使用基准标记以关于第一自由度和第二自由度而对准光电二极管。例如，设备可以使用基准标记以确保接收部分与平面光波电路的输出对准，并且可以使用力检测器执行力测量以关于第三自由度对准光电二极管(例如，以通过检测来自平面光波电路的顶表面与光电二极管的表面之间的接触的力，确定光电二极管在平面光波电路的顶表面的指定邻近距离处)。
如图4中进一步所示，处理400可以包括将光电二极管接合到平面光波电路的顶表面(框420)。例如，设备可以将光电二极管管芯接合到平面光波电路的顶表面。替代地，光电二极管可以被覆晶接合到平面光波电路的顶表面。例如，光电二极管可以被覆晶安装并焊接到平面光波电路。在一些实施方式中，光电二极管的一部分可接合到另一结构。例如，在覆晶接合期间，光电二极管的一部分可以被焊接到基板、跨阻抗放大器、以及时钟和数据恢复模块等。
在一些实施方式中，可以附接其它组件以形成光学模块。例如，在将光电二极管接合到平面光波电路之前，可以将匹配块接合到平面光波电路，以减小当将光电二极管接合到平面光波电路时损坏平面光波电路的锥形部分的可能性。另外或替代地，TIA/CDR可以被接合到平面光波电路、匹配块、输出块(例如，其可以被接合到平面光波电路或匹配块)等。另外或替代地，可以形成一个或多个引线接合以连接一组组件，诸如，连接光电二极管和TIA/CDR、连接TIA/CDR和输出块，等等。
尽管图4示出了处理400的示例框，但是在一些实施方式中，处理400可以包括附加块、更少块、不同块、或者与图4中描绘的块不同地布置的块。另外或替代地，可以并行执行处理400的两个或更多个框。
前述公开提供了说明和描述，但并非意图是穷举的或者将实施方式限制于公开的精确形式。可以鉴于以上公开而进行修改和变化，或者可以从实施方式的实践获取修改和变化。
本文结合阈值描述了一些实施方式。如本文所使用的，取决于上下文，满足阈值可以指值大于阈值、多于阈值、高于阈值、大于或等于阈值、小于阈值、少于阈值、低于阈值、小于或等于阈值、等于阈值等。
尽管在权利要求中陈述和/或在说明书中公开了特征的特定组合，但是这些组合并不意图限制各个实施方式的公开。实际上，许多这些特征可以以未在权利要求中具体陈述和/或在说明书中公开的方式组合。虽然下面列出的每个从属权利要求可以仅直接从属于一个权利要求，但是各个实施方式的公开包括每个从属权利要求与权利要求组中的每个其它权利要求组合。
本文使用的元件、动作或指令都不应被解释为关键或必要的，除非明确地如此描述。此外，如本文所使用的，冠词“一”和“一个”意图包括一个或多个项，并且可以与“一个或多个”互换地使用。此外，如本文所使用的，冠词“该”意图包括与冠词“该”有关的引用的一个或多个项，并且可以与“一个或多个”互换地使用。此外，如本文所使用的，术语“组”意图包括一个或多个项(例如，相关项、无关项、相关和无关项的组合等)，并且可以与“一个或多个”互换地使用。在仅有一项的情况下，使用短语“仅一个”或类似语言。此外，如本文所使用的，术语“具有”，“有”，“拥有”等意图是开放式术语。此外，短语“基于”意图表示“至少部分地基于”，除非另有明确说明。此外，如本文所使用的，术语“或”当用在一系列中时意图是包括的并且可以与“和/或”互换地使用，除非另有明确说明(例如，如果与“任一”或“仅其中之一”结合使用)。

Claims (20)

1.一种光接收器，包括：
平面光波电路，具有光路和锥形反射表面，以将光束导向平面光波电路的顶表面；以及
光电二极管，布置在平面光波电路的顶表面上，使得光电二极管的接收部分与光路对准，
其中所述光电二极管与所述平面光波电路之间的间隙小于5微米。
2.如权利要求1所述的光接收器，还包括：
匹配块，具有与锥形反射表面匹配的锥形表面，以在结构上支撑锥形反射表面。
3.如权利要求2所述的光接收器，其中所述匹配块被接合到所述平面光波电路的锥形反射表面。
4.如权利要求2所述的光接收器，其中所述匹配块的第一热膨胀系数(CTE)在所述平面光波电路的第二CTE的阈值量内。
5.如权利要求2所述的光接收器，其中所述匹配块的表面和所述平面光波电路的顶表面在小于1微米的容限内对准。
6.如权利要求1所述的光接收器，其中将所述光电二极管无源地对准所述平面光波电路。
7.如权利要求1所述的光接收器，其中所述光电二极管与所述平面光波电路之间的间隙小于3微米。
8.如权利要求1所述的光接收器，其中所述光电二极管被管芯接合到所述平面光波电路。
9.一种方法，包括：
通过设备在平面光波电路的顶表面上将光电二极管无源地对准平面光波电路的光路的输出，使得光电二极管的接收部分与平面光波电路的光路的输出对准，
其中平面光波电路的光路沿平面光波电路的顶表面延伸，并由平面光波电路的锥形反射表面导向平面光波电路的顶表面上的输出；以及
通过该设备基于将光电二极管无源地对准光路的输出，将光电二极管接合到平面光波电路的顶表面。
10.如权利要求9所述的方法，还包括：
识别平面光波电路的顶表面上的一组基准标记，
其中该组基准标记对应于平面光波电路的输出；并且
其中将光电二极管无源地对准平面光波电路包括：
将光电二极管无源地对准该组基准标记。
11.如权利要求10所述的方法，其中将所述光电二极管无源地对准该组基准标记包括：
使用该组基准标记，关于第一自由度和第二自由度无源地对准光电二极管；以及
使用力检测器关于第三自由度无源地对准光电二极管。
12.如权利要求9所述的方法，其中无源地对准光电二极管包括：
以小于5微米的间隙无源地对准光电二极管。
13.如权利要求9所述的方法，其中接合所述光电二极管包括：
将光电二极管覆晶接合到平面光波电路的顶表面。
14.如权利要求9所述的方法，其中接合所述光电二极管包括：
将光电二极管焊接到平面光波电路、基板或跨阻抗放大器及时钟和数据恢复模块中的至少一个。
15.一种光学模块，包括：
平面光波电路，具有光路和锥形反射表面，以将光束导向平面光波电路的顶表面；
匹配块，具有与锥形反射表面匹配的锥形表面，以在结构上支撑锥形反射表面；
光电二极管，被布置在平面光波电路的顶表面上，使得光电二极管的接收部分与光路对准，
其中光电二极管与平面光波电路之间的间隙小于1微米；以及
跨阻抗放大器及时钟和数据恢复模块，连接到光电二极管。
16.如权利要求15所述的光学模块，其中跨阻抗放大器及时钟和数据恢复模块被接合到平面光波电路的顶表面或匹配块。
17.如权利要求15所述的光学模块，其中所述锥形反射表面是金属涂覆的。
18.如权利要求15所述的光学模块，其中使用焊接键将所述光电二极管覆晶接合到所述平面光波电路。
19.如权利要求15所述的光学模块，其中跨阻抗放大器及时钟和数据恢复模块形成匹配块。
20.如权利要求15所述的光学模块，其中将所述光电二极管无源地对准所述平面光波电路。
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