CN114026479B - 光纤阵列到波导的无源对准配置 - Google Patents
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Abstract
光纤阵列和沿光子IC边缘终止的多个光波导之间的无源对准和连接是通过形成在光纤支撑基底中的V形槽和沿着光子IC的边缘环绕波导终端形成的对准脊之间的受控匹配来提供的。光纤支撑基底的V形槽间隔开以限定与光子IC上的波导相同的间距，对准脊的高度和宽度形成为在光纤支撑基底与光子IC匹配时与V形槽接合。单独的光纤被定位在相关联的V形槽内，使得它们的端面从支撑结构的近端部是可伸缩的。正是这个近端部与光子IC上的对准脊相匹配。
Description
相关申请的交叉引用
本申请要求2019年6月17日提交的美国临时申请第62/862，199号的优先权，通过引用将其并入本文。
技术领域
本发明涉及光学系统，更具体地，涉及在光纤阵列和形成在光子集成电路内的波导之间提供无源对准互连。
背景技术
在创建基于光的通信系统时，将光纤与光子集成电路(IC)连接起来存在持续需求。这种互连可能既困难又冗长，并且可能需要数十根单独的光纤到单个光子IC的对准，几乎没有或没有空间在IC附近操纵多根光纤。
在多数情况下，每根光纤的纤芯区域都需要与相关的波导(或光发射/接收设备)在±1-2μm量级的容差范围内对准。虽然有源对准的过程是可用的，但它们仍需要技术人员来测量光纤与其在光子IC上相关的信号路径之间的耦合功率，并在达到最大耦合时限定“对准”，然后对每根单独的光纤重复这种有源对准过程。这种使用带有集成相机的亚微米分辨率多级轴系统来控制纤芯相对于波导的定位以提供组件之间的光学对准的有源对准过程需要专用设备。不仅有源对准设备昂贵，而且有源对准过程本身会减慢组装过程，并限制生产量。
一些替代解决方案使用直接在硅基光子IC中图案化并蚀刻的V形槽，图案化限定了将位于V形槽中的光纤与光子IC的设备/波导无源对准，虽然在许多情况下，被认为是对有源对准的改进，但在光子IC上包含V形槽的需求占据了更适合用于实际光学器件形成的宝贵的“地方”。此外，在控制光纤沿着V形槽纵向范围的轴向对准方面仍然存在问题，尤其是随着时间的推移，各种类型的粘合环氧树脂可能会略微形变并导致光纤芯区域的位置相对于光学设备/波导转移。
发明内容
本发明解决了现有技术中所存在的需求，涉及一种在光纤阵列和光子IC之间提供无源对准，而无需在光子IC本身中形成光纤支撑凹槽的布置。
根据本发明，光纤阵列和沿光子IC边缘终止的多个光波导之间的无源对准和连接是通过在光纤支撑基底中形成的V形槽和沿光子IC边缘环绕波导终端形成的对准脊之间的受控匹配来提供的。光纤支撑基底的V形槽间隔设置以限定与光子IC上的波导相同的间距，形成对准脊的宽度，以在光纤支撑基底与光子IC匹配时与V形槽接合。
各个光纤位于相关的V形槽内，使得它们的端面位于沿V形槽的内部位置(即从V形槽的端面收回)。以这种方式并根据本发明的构造，V形槽的限定近端部保持空置。正是这个近端部与光子IC上的对准脊匹配以在光纤(沿V形槽的其余部分支撑)和终止于对准脊内的波导之间提供无源对准。
本发明的一个方面是控制对准脊尺寸，使得光纤支撑基底的匹配表面(即“顶”表面)与光子IC的匹配表面保持间隔，确保基于这些参数的无源光学对准不会因两个组件的顶部主表面之间的完全物理接触而受到其他损害。
在本发明的某些实施例中，可以在阵列末端的范围之外形成附加的对准基准点，从而能够形成更大的区域，其中可以放置结合材料以加强部件之间的物理连接。
本发明的配置可用于任何类型的光子集成电路，例如硅PIC、聚合物PIC等。波导、光纤的具体材料成分及其相关尺寸都是在确定对准脊和光纤支撑V形槽的具体尺寸时要考虑的因素。
本发明的示例性实施例采用互连装置的形式，提供光纤阵列和集成在光学基底内的光波导阵列之间的无源对准，其中无源对准由与多个V形槽接合以无源地将波导(在脊内)对准到光纤(在V形槽内支撑)而形成的多个对准脊提供。多个对准脊被设置为围绕形成光波导阵列的各个光波导，光波导阵列形成为在阵列内的相邻光波导之间呈现预定间距。光纤阵列支撑结构被配置为包括多个V形槽，用于支撑光纤阵列，并提供与多个对准脊的无源对准。多个V形槽形成为具有与波导相同的预定间距，并包括用于支撑光纤阵列的第一部分和被限定为超出光纤阵列的末端的近端部的第二部分。近端部使用V形槽作为与多个对准脊接合的对准特征，以在光纤阵列和光波导阵列之间提供无源对准。
在以下讨论并通过参考附图的过程中，本发明的其他和进一步的实施例将变得显而易见。
附图说明
现在参考附图，在几个视图中相同的数字代表相同的部件：
图1描绘了光纤阵列和光子集成电路(PIC)之间的示例性互连布置，该光子集成电路(PIC)具有沿着PIC基底的一个或多个侧壁终止的波导阵列；
图2是图1图示的一部分的放大图，示出了与PIC基底的侧壁接合的示例性光纤阵列支撑结构；
图3是示例性PIC配置的简化侧视图，示出了沿着PIC基底的侧壁终止的光波导阵列；
图4是图3侧视图的等距视图；
图5是根据本发明的原理形成的示例性光纤阵列支撑基底的等距视图；
图6是图5的基底的另一个图示，在这种情况下进一步图示了光纤阵列的位置，以清楚地显示保持“空”并用作光纤对准元件的支撑基底的近端部；
图7是实现光纤纤芯区与脊内光波导的无源对准的单个V形槽与对准脊的参数之间的关系示意图；
图8是示出了示例性光纤阵列支撑基底的侧视图，其位于包括对准脊的PIC基底的区域上方；
图9说明了与图8中所示相同的组件，但在这种情况下，在光纤阵列支撑基底与PIC基底匹配之后，提供了所期望的无源对准；以及
图10是图9的组件的侧视图，示出了沿着PIC基底的侧壁的光纤阵列的端面的位置。
具体实施方式
图1描绘了各种光纤阵列和包括要连接到这些阵列的光波导的光子集成电路之间的示例性互连布置。在这种光学系统的情况下，波导和光纤阵列之间的连接是通过在光纤的纤芯区域和光波导之间光能提供的最佳耦合来定义的，其中，这些元件的尺寸都小于10μm量级，并需要±1-2μm量级的对准容差。如上所述，光纤和波导之间的有源耦合可以单独执行，但在当今许多如图1所示的光子集成电路配置中，可能有多个光纤阵列要连接，包含了由一组十二根光纤组成的许多阵列。
本发明提出了一种允许在将阵列的支撑结构附接到包括波导阵列的PIC时，使光纤阵列与其相关联的波导阵列自动对准的无源对准配置。如下文将详细描述的，使用标准半导体制造图案和蚀刻工艺形成对准脊阵列以围绕波导，其中对准脊的宽度专门设计成与光纤阵列V形槽结构的“空置”近端部接合，使得当光纤阵列以“倒装芯片”方式安装在脊上时，可以实现无源光纤到波导的对准。
现在转向图1，光学装置10被示为具有若干与形成在PIC 14内的光波导(未示出)耦合的光纤阵列支撑结构12，其中沿着PIC 14的限定侧壁16终止形成波导。在光学装置10中，PIC 14的三个不同的侧壁16-1、16-2和16-3被配置为支撑波导和对准脊。显而易见的是，这仅是一个示例，并且其他各种布置可以使用全部四个侧壁、仅一个侧壁等。在图1的一般性说明中，装置10被示为提供不同尺寸的波导阵列和尺寸合适以支撑这些波导阵列的光纤阵列之间的互连。常见的示例是基于十二光纤阵列和四光纤阵列配置的使用。在该视图中，环绕PIC 14外围的光纤阵列支撑结构12的“倒置”连接是明显的。
图2是光学装置10的一部分的放大图，其中示例性光纤阵列支撑结构12被示出(以透明方式)与PIC 14的侧壁16接合并对准。下面将详细讨论所包括的V形槽32的形成以及它们与PIC 14上的对准脊22的接合的细节。图2中还示出了支撑结构12被移除的光纤阵列34，图示说明了每个单独的光纤34i的纤芯区域与被对准脊22i环绕的单独的光波导20i(未具体示出)的对准位置。正是这组与光纤阵列支撑结构V形槽32的“空置”近端部36接合的对准脊22，提供了在可接受的±1-2μm的容差范围内的光纤与波导之间的无源对准。
图3是PIC 14的侧视图的简化图，示出了沿侧壁16终止的光波导20阵列，具有多个专门形成以环绕波导20的对准脊22，图4是PIC 14的相似部分的等距视图。在图3和图4的特定配置中，四个波导20的阵列被示为包含在相关联的脊22阵列内。
根据本发明的教导，通过使用众所周知的集成电路制造技术来去除相邻波导20之间的PIC基底材料的部分来形成对准脊结构，即如下文将讨论的，PIC 14的上表面18被处理(图案化和蚀刻)以形成一系列沟槽24，导致产生特定尺寸(至少在宽度“w”方面)的对准脊22，波导阵列20在上表面18下方的定位是在第一种实例中在形成波导的过程中预先定义的。在示例性波导制造过程中，波导阵列20可以被设置在距表面18下方大约5μm的距离Δ处(这只是间隔的一个典型示例)。作为本发明为形成对准脊的附加处理的结果，每个波导20现在不仅位于距硅PIC 14的上表面18预定深度“d”处，也还在与其相关的对准脊22的蚀刻限定的宽度“w”内居中。
可以在对准脊制造过程中使用诸如反应离子蚀刻(RIE)或“深”RIE(DRIE)的各向异性工艺，以生成限定脊22位置的沟槽24。重要的是，沟槽制造被控制，以使得对准脊22具有以在光纤阵列(更具体地说，光波导的纤芯区域)和光波导阵列之间产生无源对准的方式适当地接合V形槽32所需的预定宽度w。应该注意的是，虽然对准脊22被示为沿着它们的纵向范围L具有不变的宽度，但也可以制造和利用逐渐变窄的对准滑道。特别地，一些实施例可以利用在远离PIC 14的端部的方向上变得更窄的布置脊。这样的布置被认为有助于光纤支撑结构12的初始设置(如下所述)，并且变窄提供了进一步确保组件之间的对准。
在本发明的优选的实施例中，对准脊22的高度“h”(从沟槽24的底面21到对准脊22的上表面18的测量)被选择以确保在底面21和基底30的接合“上”表面之间留有间隙。这在图3中得最好的展示，示出了从与对准脊22相邻的蚀刻沟槽24的底面21测量的对准脊22的高度h。图3具体示出了在该优选的实施例中，优选地选择高度h以防止光纤支撑结构12的上表面38和沟槽24的底面21之间的接触，因为这种接触会导致有时不允许V形槽32完全搁置在对准脊22上的适当位置，这一方面将会在下文结合图7的讨论，变得更清楚。
图5是示例性光纤阵列基底构件30的等距视图，特别示出了多个以横跨基底构件30的宽度W的预定间隔配置形成的纵向设置的V形槽32，使得每个单独的V形槽支撑一个单独的光纤。图6示出了具有设置在V形槽32内的光纤阵列34的相似基底30。如上文结合图1和图2所讨论的，完整的光纤阵列基底结构12(包括与本发明主题无关的其他组件)沿PIC 14的包括要耦合到光纤阵列34的波导阵列20的边缘部分“倒置”放置在预先指定区域上。当光纤阵列支撑结构12被放置在PIC 14上方的位置时，形成在基底30内的V形槽32的尺寸被设计成以上文所定义的方式与对准脊22接合，从而在光纤阵列34和波导阵列20之间提供无源对准。
根据本发明的原理，光纤阵列支撑结构12的V形槽32有利地用于两个目的：(1)支撑相关的光纤阵列34；以及(2)用作与与波导阵列20相关联的对准脊22匹配的对准特征。为了执行后一种功能，光纤阵列本身需要沿着V形槽32定位在稍微“可伸缩”的位置，使得基底构件30的近端部36保持空置，并可用作无源对准固定装置。基底构件30的端部36在图5和图6中均被示出，其中图6特别说明了光纤阵列34沿V形槽32的可伸缩定位，使得端部36保持空置。由于对这些功能(光纤支撑和对准)使用了相同的V形槽，并结合在各个光波导周围形成对准脊，本发明的配置能够在任何所期望的尺寸的光纤阵列和波导阵列之间提供有效且可重复的无源对准。
图7为示出用于在光纤34的纤芯区C和硅PIC 14的光波导20之间提供无源对准的单个V形槽32和单个对准脊22的参数之间的关系图。特别地，通过选择对准脊22的宽度w使得脊22的顶拐角边缘23、25与V形槽32的内侧壁31、33在位置A、B处接触来实现对准，这使得光纤34的纤芯区C与PIC 14的波导20对准。
因此，根据本发明的教导，凭借以亚微米精度定义对准脊22的宽度w的能力，并且知道波导20相对于对准脊22的上表面18的位置Δ，V形槽32可以形成为在提供光纤34的纤芯区C与波导20对准的精确位置(此处为点A、B)处与脊22的侧边缘23、25接合。由于这些预先配置的V形槽32的相应尺寸和对准脊22的宽度w，纤芯区C和波导20之间的光学对准是“无源”实现的，这就意味着当光纤阵列结构12与硅PIC 14物理匹配时，V形槽32自动与脊22接合，提供具有亚微米量级的容差的光学对准。
如上所述，本发明的优选实施例形成的脊22不仅具有提供光学对准所需的宽度w，而且具有至少足够高以防止光纤基底构件30的上表面38与对准脊22相邻的沟槽24的底面25物理接触的高度h。本发明的一个方面是通过以这种方式防止光纤阵列支撑结构12和硅PIC 14之间的物理接触，确保单个纤芯和与其相关的波导之间的对准完全基于对准脊22的宽度w和V形槽32的尺寸的可控参数。
有利地，传统的集成电路制造工艺可用于通过生成沟槽24以具有提供优选几微米容差水平的脊高度h的深度来形成脊22。在一些实施例中，一对外沟槽28还可以被形成，并用于将光纤阵列支撑结构12的外侧接合到硅PIC 14(外沟槽在图4中明确示出)。实际上，如图2和图4所示的蚀刻结构还示出了引导用于将光纤阵列支撑结构12永久接合到硅PIC 14的折射率匹配的环氧树脂流动的各种路径和位置。
在一个示例性实施例中，硅PIC 14具有100μm厚度，对准脊22的高度h可以是大约25μm(±5μm)的数量级。该值仅被认为是示例性的。相邻脊22之间的间距被设计为相邻波导20之间间距P的函数。因此，V形槽32的阵列必须间隔开，以使得支撑的光纤34表现出与波导20相同的间距。根据阵列中支撑的光纤特定类型(例如单模光纤、保偏(PM)光纤、减少包层光纤等)，间距P可能不同。因此，当修改间距P时，根据需要调整用于定义蚀刻步骤的图案。
PIC 14优选地使用已知技术图案化和蚀刻以在其外围的每个特定位置同时形成所有期望的沟槽图案。实际上，形成无源对准脊22的工艺可以是同时制造大量PIC的晶片级工艺的一部分。用于形成脊22的一种优选技术是深反应离子蚀刻(DRIE)技术，其能够快速去除材料的可感知深度。然而，其他技术也是可能的。实际上，根据本发明，可以使用能够以必要的精度(例如，对准脊22的宽度w上的±1-2μm容差)形成沟槽的任何工艺。
图8是示出了位于硅PIC 14上方(但尚未接合)的光纤阵列支撑结构12的侧视图。在该视图中清楚地示出了基底构件30，包括位于一组四个对准脊22内形成的相关联的四个波导20的阵列的位置上方的一组四个V形槽32的位置。四根光纤34的阵列被示为定位在V形槽32内，在此应该追述的是，光纤34设置在沿V形槽32稍微可伸缩的位置，使得基底30的充足的端部36可用于形成悬臂构造，以提供V形槽32的近端部与对准脊22的实际接合。
图9示出了组件的最终对准形式，其中V形槽32的“空”端区域与对准脊22接合。根据本发明的教导，这种组合提供了光纤34的纤芯区C和对准脊22内的波导20之间的无源对准。具体地，根据本发明，对准是通过形成脊22以呈现允许在V形槽32内支撑的光纤34的纤芯区域与波导20对准的宽度w来实现的。相邻光纤34的纤芯区域之间的间距P显示在图8和9中，其中如上所述，间距P与需要准确和精确地与V形槽32匹配并提供无源对准的相邻脊22之间的间距相关联。图9中还清楚地示出了光纤基底30的上表面38和硅PIC 14中的沟槽24之间的剩余间隔间隙g。如上所述，防止光纤阵列的上表面与硅PIC之间的物理接触确保无源对准是准确的，并且不受相互接触的其他表面的影响。
图10是组件的侧视图的示意图，示出了沿着硅PIC 14的侧壁16的光纤阵列34的端面的位置，用于提供无源对准的光纤基底30的近端部36被清楚地示出为与在对准脊22内支撑波导20的PIC 14的外围区域接合。在某些情况下，可以使用折射率匹配的环氧树脂在对准光纤34和波导22之间形成物理接合。
前述说明旨在使本领域的任何技术人员能够制作和使用本公开，并且是在特定应用及其要求的上下文中提供的。此外，本公开的实施例的前述描述仅用于说明和描述的目的，它们并非旨在穷举或将本公开内容限制为所描述的特定配置。因此，许多修改和变化对于本领域技术人员来说将是显而易见的，并且在不脱离本公开的精神和范围的情况下，这里定义的一般原理可以应用于其他实施例和应用。此外，前述实施例的讨论并非旨在限制本公开。因此，本公开不旨在限于所示的实施例，而是符合与本文公开并由所附权利要求限定的原理和特征一致的最宽范围。
Claims (7)
1.一种互连装置，用于在光纤阵列和集成在光学基底内的光波导阵列之间提供无源对准，所述互连装置包括：
多个对准脊，所述多个对准脊被设置为围绕形成光波导阵列的各个光波导，形成的所述光波导阵列在所述阵列内的相邻的光波导之间呈现预定间距，其中每个对准脊均呈现宽度w；以及
光纤阵列支撑结构，包括用于支撑所述光纤阵列并提供与所述多个对准脊无源对准的多个V形槽，所述多个V形槽形成为呈现相同的所述预定间距，所述多个V形槽被定义为包括用于支撑所述光纤阵列的第一部分和被限定为超出所述光纤阵列的末端的近端部的第二部分，其中所述V形槽的近端部用作与所述多个对准脊接合，使得所述对准脊的一对上角与相关联的V形槽的内侧壁在一个位置处接触，所述位置在相关联的所述V形槽内支撑的相关联光纤的纤芯区域与位于所述对准脊内的所述光波导之间产生对准，从而在所述光纤阵列和所述光波导阵列之间提供无源对准的对准特征，其中所述多个对准脊包括在所述多个V形槽对准特征与所述多个对准脊接合时，足以防止所述光纤阵列支撑结构的上表面与所述光学基底的接触面之间物理接触的高度。
2.根据权利要求1所述的互连装置，其中，所述多个对准脊还包括设置在所述多个光波导的端部区域之外的附加对准和支撑区域。
3.根据权利要求1所述的互连装置，其中，所述多个对准脊被形成以呈现不同对准配置所要求的各个宽度。
4.根据权利要求1所述的互连装置，其中，所述光学基底包括硅基底，并且所述对准脊是通过从所述硅基底的上表面向下延伸产生沟槽而形成的。
5.根据权利要求4所述的互连装置，其中，所述沟槽是通过图案化和蚀刻所述硅基底而产生的。
6.根据权利要求5所述的互连装置，其中，所述对准脊包括具有±1-2μm量级的宽度容差的蚀刻特征。
7.根据权利要求1所述的互连装置，其中，所述装置还包括设置在所述光纤端面和所述光波导终端之间的界面处的折射率匹配的环氧树脂。
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