CN1256601C - 光学混合模块及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
光学混合模块及其制造方法包括多个集成在光波导衬底上的光学器件。该结构有助于减少多个光学器件之间由于光学混合模块内的泄漏光的反射造成的光学交扰。该光学混合模块包括：衬底；光波导，所述光波导具有光耦合部分，所述光耦合部分形成在衬底的至少一个部分上、以执行光信号的传输，而且所述光耦合部分的端表面垂直于所述衬底，所述光波导还具有邻近所述光耦合部分的倾斜表面并适用于与多个光学器件连接；和形成在所述倾斜表面上的光遮挡层，所述光遮挡层用于防止在与光波导耦合时光从光波导以外的其它区域进入光学器件。
Description
技术领域
本发明涉及一种包括多个集成在光波导衬底上的光学器件的光学混合模块，尤其涉及一种用于减少多个光学器件之间由光学混合模块内的光反射以及光泄漏造成的光学交扰的光学混合模块及其制造方法。
背景技术
近来人们对双向光传输和接收系统的需求有所增加。这种需求也带来对光发射器/接收器模块的需求增加。制造这种光发射器/接收器模块通常需要多个光学器件，如光源、光电探测器和光波导。虽然光学模块可以由多个光学器件的独立组件来分别制造，但这样在产品的成本和大小方面缺乏竞争力。因此，最好构造出一种集成式的光发射器/接收器模块。
关于实现光学模块集成的技术，大量使用了混合集成光学模块。这种类型的模块是这样一种结构，其中有源器件如光发射器/接收器以及无源器件如波分复用器在光波导衬底上构成混合集成器件。
图1是现有光学混合模块的结构实例视图。该现有光学混合模块包括垂直插在衬底12中的多层薄膜滤光片11。多层薄膜滤光片11用于分开两束不同波长的光，其中光经光纤13进入并从光源14发出。
参见图1，具有特定波长λ1的某种光信号经光纤13进入，并且这些光信号通过由形成在衬底12上的第一光波导导向而到达位于光纤13相对侧的多层薄膜滤光片11。多层薄膜滤光片11用于只反射特定的波长λ2。如果经光纤13进入的光的波长λ1不同于反射波长λ2，则波长为λ1的光透过多层薄膜滤光片11、从而到达光电探测器15(如光电二极管)。
另一方面，从诸如激光二极管之类的光源发射的、其波长λ2不同于已经经光纤13进入的光的波长的光进入第二光波导并在那儿被导向。但是，因为波长λ2是滤光片11的反射波长，因此被导向的光又被多层薄膜滤光片11反射，由此经光纤13向外出射。
上述现有光纤混合模块的缺点在于由光发射器件产生了光泄漏或反射，向光接收器件的发射由此变得低效。这种低效造成光信号的交扰。
图2表示现有光学混合模块的另一实例性结构，该结构是以消除上述交扰缺陷为最终目的而建立的。根据所示的结构，光学模块为这样一种类型，即光波导芯部22和包层部23形成在衬底21上，光发射器件和光接收器件26设置在其上。图2还放大了安置光接收器件26的部分。在图2中，标号24表示设置有电连线的部分和用于安置光接收器件26的焊接层，其它阴影部分为形成光遮挡层25的部分。光遮挡层25由金属膜制成。因为在光发射器件和光接收器件26周围设置了光遮挡层25，所以可以防止光从光接收器件26的较低的横向部分进入光接收器件26。
图2中所示的现有光学模块在与光接收器件光耦合的区域，即在包括光波导芯部的区域有一个垂直表面。但是实际上在此垂直表面处形成光遮挡层非常困难。因而图2所示的上述光学模块是一种假想结构，从实际制造的角度来看是不可能实现的。
发明内容
因此，出于克服现有技术中上述一个或多个问题的考虑，提出了本发明。本发明还有一种目的在于提供一种光学混合模块及其制造方法，使得能够批量生产一种可把由于光泄漏导致的光学信号交扰降至最低的光学混合模块。所述的泄漏主要源自于在光半导体器件和光波导之间光耦合时进入光接收器件的光源。
根据本发明的第一方面，上述及其它目的可以通过提供一种光学混合模块实现，该光学混合模块包括：衬底；光波导，所述光波导具有光耦合部分，所述光耦合部分形成在衬底的至少一个部分上、以执行光信号的传输，而且所述光耦合部分的端表面垂直于所述衬底，所述光波导还具有邻近所述光耦合部分的倾斜表面并适用于与多个光学器件连接；和形成在所述倾斜表面上的光遮挡层，所述光遮挡层用于防止在与光波导耦合时光从光波导以外的其它区域进入光学器件。
最好设置在光波导中心的光耦合部分的端面可以形成有相对于光遮挡层的凹槽，或者可以相对于光遮挡层突起。
还最好在除光耦合部分的光波导的表面上以及在衬底的整个表面上形成光遮挡层。
根据本发明的另一方面，提供了一种制造光学混合模块的方法，包括如下步骤：(a)在衬底上形成光波导；(b)对硬蚀刻掩膜图案化，以便在包括光耦合部分的光波导区域上形成垂直端面；(c)对倾斜的掩膜图案化，以便在包括光耦合部分的区域的相对侧没有形成硬蚀刻掩膜的区域上形成倾斜端面；(d)蚀刻硬蚀刻掩膜和倾斜掩膜之下的光波导；和(e)在光波导的除了至少包括光耦合部分的区域的垂直端面以外的倾斜端面上以及衬底上形成一个光遮挡层。
关于上述方法，可以采用灰度光刻法执行步骤(c)。
另外，还优选在除了光耦合部分外的光波导的整个表面上以及衬底的整个表面上形成光遮挡层。
附图说明
下面结合附图详细描述本发明的上述及其它目的、特点和优点，其中：
图1中的示意图表示现有光学混合模块的一种实施例的实例性结构；
图2中的示意图表示现有光学混合模块的另一实施例的实例性结构；
图3中的示意图表示根据本发明实施例所述的光学混合模块的结构；
图4中的示意图表示根据本发明另一实施例所述的光学混合模块的结构；
图5中的示意图表示图4中所示光学混合模块的制作中掩膜的位置；
图6中的示意图表示图3中所示光学混合模块的制作中掩膜的位置；
图7a中的透视图表示本发明所述的光学混合模块的结构；
图7b侧视图表示图7a所示的光学混合模块中反射光移动路径。
具体实施例方式
下面参考附图描述本发明的优选方面。附图中，在相同或类似的元
件尽管图示在不同的附图中，也用相同的标号表示。为了清楚、简单起见，对在此引用的已知功能和结构省去详细的描述，以免模糊本发明的主题而不是使之清楚。另外，下面描述中使用的术语是考虑到实现根据本发明的功能而限定的术语。这些术语的定义应该在本说明书的整体内容的基础上确定，因为它们可能会按照用户或芯片设计者或实际实施中的需要而变化。
图3中的示意图不是根据本发明第一方面的光学混合模块的结构。出于解释本发明实施原理的目的，图3只图解了光学混合模块的一部分，包括设置在光波导中心的光学耦合部分的端面。
参见图3，本发明所述的光学混合模块包括衬底31和布置在衬底的至少一部分上的光波导30、依次安置在衬底31上的光遮挡层34和光接收器35。
还如图3所示，光波导30包括用于发射光信号的芯部32和包围芯部32的包层部分33。光波导30还包括将与光接收器35、例如可以是光电二极管(PD)的光学耦合的光耦合部分O。光波导30在包括光耦合部分O的区域还有一个结构垂直于衬底31的端面，并在除包括光耦合部分O的区域之外的端部区域具有结构相对于衬底31倾斜的端面P。因为光波导30的端面P倾斜，所以包括光耦合部分的中心区可以有一个端面，该端面比光遮挡层34的倾斜定位表面更凹陷，如图3所示，或者有一个相对于倾斜表面34的位置突出的端部，如图4所示。由于光遮挡层表面的倾斜，可以很容易地执行在端面P上形成光遮挡层34的后续过程。
形成在光波导30的、包括光耦合部分O的区域相对侧的倾斜端面P上的光遮挡层34用于防止不希望的光经光接收器35的横向下部进入光接收器35、如光电二极管。光遮挡层34可以由金属膜或反射材料等制成。在光遮挡层34形成于至少包括光耦合部分O的区域相对侧的地方，如图3所示，光波导30的光耦合部分O凹陷，具有相对于光遮挡层34的凹槽。
图4中所示意图表示根据本发明另一方面所述的光学混合模块的结构。因为此实施例在结构和操作上类似于图3所示的实施例，所以只解释其中的差异部分以免重复说明。
图3和图4之间的差异在于把光遮挡层44布置成除光波导40的倾斜端面之外覆盖光波导40的整个上表面和衬底41的整个上表面，并且光波导40的光耦合部分O从光遮挡层44突出。
图5是用于制作图4中所示光学混合模块的掩膜处理的辅助步骤。下面结合图5解释光学混合模块的制造程序。
参见图5，在硅衬底51上形成光波导的芯部52和包层部分53之后，在需要垂直端面的区域上、即在包括光波导的光耦合部分O的区域上把硬蚀刻掩膜56制成图案。在制成图案之后，对需要倾斜端面的区域、即包括光学耦合部分O的区域的相对侧，利用灰度光刻法把倾斜光致抗蚀剂(PR)掩膜57制成图案。
根据倾斜光致抗蚀剂掩膜57的位置确定在形成光遮挡层的后续过程中光耦合部分O将如何耦合到光遮挡层。换言之，在硬蚀刻掩膜56和倾斜的光致抗蚀剂掩膜57的最终位置彼此相同的情况下，如图5所示，光耦合部分O有一种如图4所示的突起结构。但是在倾斜光致抗蚀剂掩膜57位于硬蚀刻掩膜56前面的情况下，光耦合部分O有一种如图3所示的凹陷结构。
接下来，通过利用硬蚀刻掩膜56和倾斜光致抗蚀剂掩膜57的干蚀刻过程，在硬蚀刻掩膜56之下的部分形成垂直端面，并且在倾斜光致抗蚀剂掩膜57之下的部分形成倾斜的端面。在此情况下，因为光波导的端面可按照倾斜光致抗蚀剂掩膜的形状和光暴露的程度而变化，所以应该适当地调节以实现光波导具有负倾角的倾斜轮廓。
完成蚀刻过程之后，通过在光波导倾斜的端面上执行金属膜的沉积而形成光遮挡层。最好是，光遮挡层延伸到衬底上除光波导的倾斜端面以外的被沉积了光接收器的部分上。另外，光遮挡层可以形成在光波导的整个表面以及衬底的整个表面之上。
图7a表示本发明的一种应用。具体地说，图7a中的透视图表示本发明所述光学混合模块的结构。图7b中的侧视图表示图7a所示光学混合模块中反射光的移动路径。
图7a中所示的光学混合模块包括多层薄膜滤光片，该滤光片根据光的波长差分开两束光，即经光纤71入射的光和从光源72发出的光。如图7b所示，光学混合模块包括形成在光学耦合部分O相对侧的光波导74的端面上的光遮挡层75。光遮挡层75有一个具有负倾角的倾斜轮廓。
下面简单描述与光信号的运动路径有关的光学混合模块的操作过程。
参见图7a，具有特定波长的光信号被允许经光纤71进入，并由光波导74导向，由此到达位于光纤71相对侧的多层薄膜滤光片73。多层薄膜滤光片73适于只反射预定波长的光。
因此，如果经光纤71进入的光的波长不同于多层薄膜滤光片73的预定反射波长，则光透过多层薄膜滤光片73，由此到达光电探测器76。
另一方面，也可以是从光源、如激光二极管发出的并具有不同于经光纤71进入的光的波长的光进入光波导74并在那儿被导向。然后，被导向的光再被多层薄膜滤光片73反射，由此经光纤71出射到外部。在此情况下，如图7B所示，在衬底77中向下透射并再在衬底77的底面反射的光不能进入光电探测器76，因为光被光遮挡层75遮挡。
要指出的是，光源72有一条与光纤71分开的路径，使得来自光纤的光和来自分开的光源的光从分开的路径进入光波导。但是，光从第一路径进入光纤并从第二路径由分开的光源发出，两束光都穿过波导并入射到多层薄膜滤光片73上。
虽然为了图解的目的已经公开了本发明的优选方面和模式，但本领域的技术人员将会理解，在不脱离本发明由所附的权利要求限定的范围和实质的前提下，本发明可以有各种改型、增加和替换。例如除了如上所述的介电多层薄膜滤光片外，也可以加入多模干涉仪(MMI)或介电耦合器。这只是熟练的技术人员可以进行改型的一个实例。
从上述显见，根据本发明所述的光学混合模块包括一个形成在光波导上光学耦合部分相对侧的光遮挡层。形成的光遮挡层有一种具有负倾角的倾斜轮廓。因此可以在将光信号交扰降至最低的同时批量生产该光学混合模块。
Claims (22)
1、一种光学混合模块，包括：
衬底；
光波导，所述光波导具有光耦合部分，所述光耦合部分形成在衬底的至少一个部分上、以执行光信号的传输，而且所述光耦合部分的端表面垂直于所述衬底，所述光波导还具有邻近所述光耦合部分的倾斜表面并适用于与多个光学器件连接；和
形成在所述倾斜表面上的光遮挡层，所述光遮挡层用于防止在与光波导耦合时光从光波导以外的其它区域进入光学器件。
2、如权利要求1所述的光学混合模块，还包括多个安置在衬底上、与光波导光耦合的光学器件。
3、如权利要求1所述的光学混合模块，其特征在于安置在衬底上的多个光学器件包括与波导光耦合的光接收器。
4、如权利要求3所述的光学混合模块，其特征在于安置在衬底上的多个光学器件包括：
多层薄膜滤光片，该多层薄膜滤光片至少部分地布置在光波导内并基本上垂直于光波导，从而反射透过光波导传输的预定波长的光，并允许具有不同于预定波长的波长的光通过；
光纤；和
分开的光源，使得来自光纤的光和来自分开光源的光从分开的光路进入波导；而且
其中从第一路径进入光纤的光和从第二路径由分开的光源发出的光穿过波导并入射到多层膜上。
5、如权利要求1所述的光学混合模块，其特征在于多个光学器件集成在衬底模块上。
6、如权利要求1所述的光学混合模块，其特征在于设置在光波导中心的光耦合部分的端面相对于光遮挡层凹陷一个凹槽。
7、如权利要求1所述的光学混合模块，其特征在于设置在光波导中心的光耦合部分的端面相对于光遮挡层突起。
8、如权利要求1所述的光学混合模块，其特征在于所述波导包括设置在中心并基本上与衬底的上表面垂直的光耦合部分的端面。
9、如权利要求8所述的光学混合模块，其特征在于光耦合部分的垂直端面相对于光遮挡层的斜面的位置凹陷。
10、如权利要求1所述的光学混合模块，其特征在于光遮挡层形成在除光耦合部分以外的光波导的表面之上以及衬底的整个表面之上。
11、如权利要求1所述的光学混合模块，其特征在于光遮挡层包括金属层。
12、如权利要求1所述的光学混合模块，其特征在于光遮挡层包括一种反射材料。
13、如利要求1所述的光学混合模块，其特征在于光波导包括：
芯层；和
包围芯层的包层。
14、如权利要求1所述的光学混合模块，其特征在于光遮挡层形成在光波导的整个上表面上。
15、一种制造光学混合模块的方法，包括如下步骤：
(a)在衬底上形成光波导；
(b)对硬蚀刻掩膜图案化，以便在包括光耦合部分的光波导的区域上形成垂直端面；
(c)对倾斜掩膜图案化，以便在包括光耦合部分的区域的相对侧没有形成硬蚀刻掩膜的区域上形成倾斜端面；
(d)蚀刻硬蚀刻掩膜和倾斜掩膜之下的光波导；和
(e)在除了至少包括光耦合部分的区域的垂直端面以外的光波导的倾斜端面上以及衬底上形成一个光遮挡层。
16、如权利要求15所述的光学混合模块的制造方法，其特征在于所述步骤(c)采用灰度光刻法执行。
17、如权利要求15所述的光学混合模块的制造方法，其特征在于所述步骤(e)采用金属沉积法执行。
18、如权利要求15所述的光学混合模块的制造方法，其特征在于在除了光耦合部以外的光波导的整个表面上以及衬底的整个表面上形成光遮挡层。
19、如权利要求15所述的光学混合模块的制造方法，其特征在于通过在倾斜端面上布置反射材料来执行步骤(e)。
20、如权利要求15所述的光学混合模块的制造方法，还包括：
(f)在衬底上集成多个光学器件。
21、如权利要求20所述的光学混合模块的制造方法，还包括：
(g)使在步骤(f)中形成在衬底上的多个光学器件与光波导光学耦合。
22、如权利要求20所述的光学混合模块的制造方法，其特征在于所述多个光学器件包括至少部分地布置在所述波导中并且基本上与所述波导垂直分布的多层薄膜滤光片，从而在波导的路径中设置一个滤光片。
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