CN1225177A - 一种光学元件和光波导的组件 - Google Patents

Abstract

一种光学元件如激光二极管(1)和光波导(2)在硅－绝缘层基片上互相对齐放置的组件,该基片包括通过绝缘材料层(9)与片基8分开的硅层(7)。在基片上形成定位槽以安装激光二极管(1)。该凹槽具有至少两个非平行的定位面(3,6)并在基片上与所述定位面(3,6)预知对齐形成光波导。激光二极管(1)具有至少两个参考面(1A,1B)并安装在定位槽中以使参考面(1A,1B)紧靠在定位面(3,6)中的相应一个上。如此形成定位槽以使定位面中的一个(6)的位置可以通过硅－绝缘层基片上绝缘材料层的上界面或下界面的位置来决定。

Description

一种光学元件和光波导的组件

技术领域

本发明涉及一种光学元件和光波导互相准确对齐放置以提供它们之间低损耗耦合的组件。

技术背景

在光学元件如激光二极管或光电二极管与光波导之间提供低损耗耦合是很重要的，尤其是在光通讯领域中。这种低损耗耦合通常通过将所述的光学元件和光波导互相准确对齐放置而得到(水平和垂直方向都在0.1微米以内)。然而，使用已知的获取方法或者很难提供所需的精度，或者需要昂贵的高容差设备进行装配。

因此需要提供一种相对简单的、低成本的用于将光学元件和光波导对齐到所需精度的方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供一种在绝缘层上硅(下称硅一绝缘层)基片上互相对齐放置光学元件和光波导的组件，该基片包括通过绝缘材料与衬底分开的硅层，该组件包括：在硅-绝缘层基片上形成用于安装光学元件的定位槽，该定位槽具有至少两个非平行定位面；与所述的定位面预知对齐的形成或安装在基片上的光波导，以及具有至少两个参考面的光学元件，它安装在定位槽中以使每一个所述的参考面都紧靠在所述的定位面中的相应一个上，如此形成的定位槽使所述的定位面其中的一个的位置由所述的绝缘材料层的交界面位置决定。

根据本发明的第二个方面，提供一种在硅-绝缘层基片上对齐光学元件和光波导的方法，该基片包括通过绝缘材料层与衬底分开的硅层，该方法包括以下各步骤：在硅-绝缘层基片上形成一个定位槽，它具有至少两个非平行的定位面，其中一个定位面的位置由所述的绝缘材料层的交界面的位置决定；在基片上与所述的定位面预知对齐形成或安装光波导；

以及在定位槽中安装具有至少两个参考面的光学元件以使每一个所述的参考面都紧靠在所述的定位面中的相应一个上。

根据本发明的另一个方面提供一种组件，包括已经通过上面详述的一种方法互相对齐放置的光学元件和光波导。

本发明的其它特征可以从下面的描述中以及从附加的权利要求说明书中清楚地看到。

附图简述

本发明的进一步描述仅通过示例方式并参考附图，其中：

图1表示根据本发明的一个实施例的激光二极管和光波导的组件平面视图；以及

图2A表示图1中组件沿a-a线的剖视图；以及

图2B表示其中沿b-b线的剖视图。

实施本发明的最好的模式

图1表示包括与光波导2准确对齐的激光二极管1的组件，光波导是肋状光波导以提供激光二极管和光波导之间的低损耗耦合(最好少于1-3dB损耗)。该组件形成在硅-绝缘层基片上。激光二极管1位于硅-绝缘层基片上的凹槽中，该凹槽由侧壁3和4，端壁5和基座6形成。

如图2A和2B所示，硅-绝缘层基片包括上部硅层7，它通过绝缘材料层9与硅衬底8分开，本例中绝缘层是二氧化硅。

图2B表示通过肋状光波导2的剖视图。形成在硅-绝缘层基片上的这种肋状光波导在WO95/08787中和其中给出的其它参考资料中有公开的说明及进一步的描述。这种光波导典型具有大约2×4微米的横截面，但更大的横截面如10×10微米也是可能的。

激光二极管1和肋状光波导2的横向对齐(在x轴方向)通过将激光二极管1的侧面1A紧靠在凹槽的侧壁3上实现(如图2A所示)。垂直对齐(在Y轴方向)通过将激光二极管1的侧面1B紧靠在凹槽的基座6上实现，基座6是由二氧化硅层9形成的位于凹槽两侧的平台；在图示的布置中，侧壁3和基座6基本上互相垂直并都基本上平行于光波导2的光学轴(沿z轴方向)。当然还可能有其它的布置。

激光二极管1还优选通过将它的侧面1C紧靠在凹槽端壁5上的伸出面5A上在Z轴方向对齐以准确确定激光二极管1和肋状光波导2之间的间距。

在制作上述的组件之前，有必要先形成激光二极管的1A和1B表面，这样它们在X-Y方向相对于激光发射区10的位置能准确确定(如在0.1微米以内)。因此，，表面1A和1B起参考面的作用，当表面1A和1B分别紧靠在壁3和凹槽的基座6上时，它们保证使激光发射区10和肋状光波导2准确对齐以提供两者之间的低损耗耦合。

图2A还表示激光二极管1底部的电接头11。这些电接头通过焊料或其它导电材料14连接到位于定位槽底部的另一个凹槽13底部的金属接触片及散热片12上。

提醒注意的是定位槽相对于肋状光波导2是非对称的，由此布置该槽侧壁4的位置以使该凹槽比激光二极管宽约10微米。这样激光二极管1就可以通过低公差放置装置放入定位凹槽中。然后使激光二极管紧靠在侧壁3上以提供X方向的准确定位。

典型的激光二极管具有的尺寸量级是350微米×300微米，它带的发射区典型具有几个微米宽，比如2×4微米或3×8微米。发射区的尺寸和光波导的尺寸应最好匹配以使它们之间的损耗最小，或其尺寸配合在它们之间使用的装置。

上述的对齐方法的一个优点在于光波导2和侧壁3的位置可以由单次掩膜确定并因此形成在相对彼此的合适位置而不需要以后掩膜步骤中的准确对齐。

所述的组件的一个重要特征是激光二极管1在垂直方向(Y轴)的对齐由二氧化硅层9决定。在图示的结构中。它由激光二极管紧靠在二氧化硅层表面上来决定。

图2A中所示的结构通过使用腐蚀剂形成，腐蚀剂去除掉上面硅层7的合适的部分但不损坏二氧化硅层9。因此，氧化层9的上表面作为自然腐蚀阻止层，从而使凹槽基座6的位置也可以准确确定。

在另外一个结构中，二氧化硅层9的下表面即氧化层和下面的硅衬底8之间的界面可以用来确定凹槽的基座6的位置。这时一旦去除了上面的硅层7，就使用一种腐蚀剂去除掉二氧化硅层的合适部分而不会损坏下面的硅衬底8。因此，二氧化硅层9和下面的硅片基之间的界面起自然腐蚀阻止层的作用，从而使凹槽的基座6的位置也可以准确确定。

应当理解，在上述的两种情形中，较好确定了位置和厚度的二氧化硅层9的表面用来确定凹槽的基座6的位置。

如图1所示，定位槽配置在基片的一边以使定位槽的一端是开口的。这样金属接触垫12可以与电线连接。

制作上面描述的并如图1和2中所示的组件的方法在本领域中是熟知的但应注意以下特点：

所述的组件优选由标准的SIMOX(绝缘层体上的硅)材料形成，它典型包括位于0.4微米厚的内埋氧化层上的5微米硅层，该氧化层位于硅衬底上。形成在硅层中的光波导2典型具有约2微米高×4微米宽(在横截面中)。

如上所述，肋状光波导和定位槽优选通过单次掩膜在氧化物表面光刻形成。这就自动确保定位槽和光波导两者的互相对齐，因为它们的位置由同次掩模确定。

由于氧化物和硅之间的高度易选性，内置氧化层的两个表面都可以作为腐蚀阻止层，这样就允许准确确定凹槽的深度并因此确定激光二极管相对于光波导的高度。

内置氧化层优选蚀刻成狭窄带状的形式，形成“U”形以使内置氧化层接触到激光二极管的面积最小。

光波导的端面优选具有防反射外层如氮化硅，它基本上不被硅腐蚀剂影响。为了去除或控制背向反射，该端面也可能是倾斜的以使它不与光波导的光轴垂直，由于相似的原因它也可能作成凸形或其它的形状。

上面描述的组件涉及到与光波导对齐的激光二极管式的光发射器的安装。其它的用于接收光辐射和/或发射光辐射的光学元件如光电二极管或半导体光学放大器也可以以相似的方式与光波导对齐。

上面对所述组件的描述涉及到与集成的光波导对齐的光学元件的安装。其它的光波导导向件如光纤也可以使用。这时，光纤典型位于形成在基片上的“V”形凹槽中，在同样掩膜步骤中确定的“V”形凹槽的位置用于确定定位凹槽的位置以使它自动与“V”形凹槽对齐。

Claims (17)

1．一种在硅-绝缘层基片上互相对齐放置的光学元件和光波导的组件，基片包括通过一绝缘材料层与衬底分开的硅层，该组件包括：一个形成在硅-绝缘层基片上用于安装光学元件的定位槽，该定位槽具有至少两个非平行的定位面；一个形成或安装在基片上与所述的定位面预知对齐的波导，以及一个具有至少两个参考面的光学元件，它安装在定位槽中以使每一个所述的参考面都紧靠在所述的定位面中的相应一个上，定位槽的形成使其中一个定位面的位置由所述的绝缘材料层的界面位置决定。

2．权利要求1中所述的组件，其中所述的至少两个定位面基本上互相垂直并都基本上与光波导的光学轴平行。

3．权利要求2中所述的组件，其中一个定位面配置在定位槽的基座上而第二个定位面形成凹槽的一个侧壁。

4．权利要求1、2或3中所述的组件，其中由绝缘材料层决定其位置的定位面包括绝缘层的表面，其上放置有光学元件。

5．权利要求4中的组件，其中在凹槽中的绝缘层形成为两个或多个相对狭窄的带，其上放置光学元件，带之间形成有另一个凹槽用于安装形成光学元件上的电接头的导电材料。

6．所有前述权利要求中任一个的组件，其中定位槽的宽度比其中安装的光学元件的宽度至少大10微米。

7．所有前述权利要求中的组件，其中的定位槽具有第三个定位面，其上可以紧靠以光学元件以确定光学元件和光波导之间的间距。

8．权利要求7中的组件，其中的第三定位面包括一个或多个形成在定位槽端壁上的凸出。

9．所有前述权利要求中任一个的组件，其中绝缘材料层包括二氧化硅。

10．所有前述权利要求中任一个的组件，其中的定位槽形成在基片的一边缘处。

11．所有前述权利要求中任一个的组件，其中光波导包括形成在基片上的肋状波导。

12．权利要求1到10的任何一个中的组件，其中光波导包括通过基片上形成的另一个定位槽定位在基片上的光纤。

13．所有前述权利要求中任一个的组件，其中光学元件包括激光二极管，光电二极管或半导体光学放大器。

14．一种基本上如前参阅附图所述的组件。

15．一种在硅-绝缘层基片上对齐光学元件和光波导的方法，该基片包括通过绝缘材料层与衬底分开的硅层，该方法包括以下各步骤：在硅-绝缘层基片上形成一个定位槽，定位槽具有至少两个非平行的定位面，其中一个定位面的位置由所述的绝缘材料层的交界面的位置决定；在基片上与所述的定位面预知对齐形成或安装光波导；以及在定位槽中安装具有至少两个参考面的光学元件以使每一个所述的参考面都紧靠在所述的定位面中的相应一个上。

16．一种制作基本上如此前所述权利要求1到14中任意一条中所述组件的方法。

17．一种关于按权利要求15或16中的方法形成的光学元件和光波导的组件。

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