CN1573381A - 用于光学波导和光学器件的耦合结构及利用此结构的光学校准方法 - Google Patents

用于光学波导和光学器件的耦合结构及利用此结构的光学校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于耦合光学波导和光学器件的耦合结构。所述耦合结构使得能够精确地校准所述光学波导和所述光学器件,以使光学校准误差能够被减小到几个微米的范围之内。所述耦合结构包括:第一基片,至少一个形成于所述第一基片上用以传递光学信号的光学波导,在所述第一基片上相对于所述光学波导对称地排列的光学校准虚设波导,粘结在所述第一基片上的第二基片,至少一个安装在所述第二基片的背面上并光学连接到所述光学波导上的光学器件,形成于所述第二基片的底面上对应于所述光学校准虚设波导的光学校准图案,其中用于所述光学波导和所述光学器件的光学校准是通过将所述光学校准虚设波导相对于所述光学校准图案进行校准来实现的。

Description

用于光学波导和光学器件的耦合结构及利用此结构的光学校准方法
技术领域
本发明涉及光学传输介质和光学器件之间的光学耦合。更具体地说,本发明涉及一种耦合结构以及通过利用倒装法粘结工艺将所述光学器件粘结到基片上,以使所述光学器件精确地对中到平面光波电路的光学校准方法。
背景技术
由于近来对于在Internet中包括有音频和视频信号的数据通讯的需求,基于电信号的传统通讯系统被光学通讯系统所取代。
所述光学通讯包括将电信号转换成光能,然后将光能储存成电信号。为此,其需要使用光学发射器、光学传输介和光学接收器。PLC(平面光波电路)器件主要被用作光学传输介质。LD(激光二极管)或VCSEL(垂直腔表面发射激光器)主要被用作光学发射器。半导体光学器件,例如PD(光电二极管)主要被用作光学接受器。
倒装法粘结技术通常被用于制造需要小尺寸和高速运行的电子电路。利用所述倒装法粘结技术,所制成的电子电路的体积可以被减小到传统的陶瓷封装集成电路体积的大约1/10。此外,所述电子电路的设计方面可以得到简化且电连接线的长度可以被缩短。因此,其对于实现高速运行是有利的。
当制造光学发射器和光学接收器时,包括有所述LD、VCSEL和PD的光学器件直接耦合到所述基片上以使所述光学器件能够被光学地连接到光纤上。另外,通过采用一种类似于所述倒装法粘结技术的粘结技术,所述PLC可以被排列在所述基片上。当使光学传输介质、光学发射器和光学接受器相互光学耦合时,必须要仔细考虑耦合效率,因为耦合效率往往是获得所述光学传输介质、光学发射器和光学接受器的理想性能的主要因素。因此,非常需要精确的光学校准。
图1A至1D是显示一种传统的VCSEL和PLC之间的校准方法的视图。
如图1A所示,V形槽3形成在连接着VCSEL1的基片2上。然后,对应于V形槽3的凸起5形成在用于拾取所述基片2的拾取装置4上。拾取装置4沿着箭头方向,以一种使得凸起5被定位在所述V形槽3中的方式(参照图1B)拾取所述基片2,从而将VCSEL1和V形槽3保持在预定的位置上。被所述拾取装置4拾取的所述基片2,通过安装在拾取装置4上的导向销6,被插入到形成于外壳或者OSA7(如图1C中所显示的光学子组件7)中的导向孔8中,以使所述基片2能够被安装到所述OSA7的预定部分上。
图2A和2B是显示另一种传统的校准方法的视图。图2A显示了形成于一个OSA(光学子组件)结构上的导向孔12和芯片组件单元13的导向销14,它们通过一种被动校准方法对齐。图2B是图2A中显示的芯片组件单元13的正面视图。附图标号15和16分别代表PLC和金属套圈。
然而,进行以上传统的校准具有以下缺点:
首先,所述拾取装置较大且需要复杂的结构,还需要对应于基片种类的许多拾取装置。其次,由于所述V形槽形成在所述基片的上表面上,形成于所述基片上的图案的尺寸或安装面积被减小,使得难以减小所述基片的尺寸。另外,所述导向销和导向孔必须分别形成在所述基片和所述外壳或所述OSA中,以便将所述基片安装在所述外壳或所述OSA中。同样地,需要将所述导向孔精确地形成在所述外壳或所述OSA中,这进一步加大了所述外壳或所述OSA的尺寸。由于这个原因,尽管传统的方法能够通过利用所述导向销拾取形成有V形槽的所述基片,来将所述基片安装在所述外壳或所述OSA上,所述拾取装置、基片、外壳和OSA的结构复杂且不期望地大。另外,依照传统方法,收发器的输出功率带由于机械操作误差而被增大了,因此,难以按照需要来调节传输特性。此外,由于在光检测器件中接收到的光的水平不是恒定的,难以调节所述运行装置的灵敏度。最后,为了减少在主要元件中的机械操作错误,制造成本会增加,结果,产品的价格竞争力受到了损害。
发明内容
相应地,本发明旨在解决上述问题并提供附加的优点,其提供一种用于光学波导和光学器件的耦合结构和一种精确地校准所述光学波导和所述光学器件以使其校准误差达到几微米之内的光学校准方法。
在一种实施方式中,其提供一种用于光学波导和光学器件的耦合结构并包括:第一基片;至少一个形成于所述第一基片上以传输光学信号的光学波导;在第一基片上相对于所述光学波导对称排列的光学校准虚设波导(optical alignment dummy waveguides);粘结在所述第一基片上的第二基片;至少一个光学器件,其被安装在所述第二基片的底面上,以使所述光学器件光学地连接到所述光学波导上;以及形成于所述第二基片的所述底面上对应于所述光学校准虚设波导的的光学校准图案,其中用于所述光学波导和所述光学器件的光学校准,是通过校准所述光学校准虚设波导和所述光学校准图案来实现的。
根据本发明的所述优选实施方式,所述第二基片的正面被粘结到所述第一基片的上表面上。所述光学器件的作用表面面对着所述第二基片的所述底面,且金属垫被设置在所述光学器件的所述作用表面的边沿上。
根据本发明的所述优选实施方式,一种WDM滤光器被配置在所述第二基片的正面上对应于所述光学器件的所述作用表面,以便有选择地传输或者反射入射到所述光学器件中或从所述光学器件发射出的具有预定波长的光线。
在另一种实施方式中,其提供一种用于光学波导和光学器件之间的光学耦合的光学校准方法。所述方法包括以下步骤:在基片上相对于所述光学波导对称地形成光学校准虚设波导;在形成有光学器件的基片上相对于所述光学波导对称地形成光学校准图案;以及校准所述光学校准虚设波导和光学校准图案,从而实现所述光学波导和所述光学器件之间的光学校准。
附图说明
通过以下结合附图所进行的详细说明,本发明的以上特性和优点将会变得更加明白而易于理解,其中:
图1A至1D是显示用于PLC和VCSEL的一种传统校准结构的实例的视图;
图2A和2B是显示通过利用导向孔和导向销的一种传统的被动校准结构的视图;
图3是显示根据本发明的一种优选实施方式的用于光学波导和光学器件的耦合结构的视图;
图4是用于表示一种置顶盒(set-top box)的图3中所示的耦合结构的俯视图;
图5A和5B是显示VCSEL和PD的作用表面的详细视图;和
图6是用于表示一种光学网络单元的图3中所示的耦合结构的俯视图。
具体实施方式
以下将参照附图,对本发明的优选实施方式进行详细说明。为了达到简单明了的目的,对于以下所采用的已知功能和结构,由于其可能使得本发明的主题内容变得突出明显,在此予以省略。
图3是显示根据本发明的一种实施方式的用于光学波导和光学器件的耦合结构的视图。如图中显示,设置有VCSEL(垂直腔面发射激光器)、PD(光电二极管)、和转阻放大器(transimpedance amplifier)的玻璃基片200,被粘结到一个具有形成有光学波导的PLC基片110的OSA主体100上。附图标号300和301分别表示柔性印刷电路板和信号线。
所述OSA主体100包括硅基片101、PLC层110、和虚设(dummy glasssubstrate)玻璃基片102。
PLC层110包括用于传输光学信号的光学波导111和当PLC层110正在被粘结到玻璃基片200上时用于光学校准的虚设波导112a、112b(dummy waveguides)。
安装在玻璃基片200上的是作为发光器件的VCSEL210以及作为光检测器件的光电二极管220、230。此外,转阻放大器240、250被安装到玻璃基片200上,以便将由所述光检测器件检测到的电流信号转换成电压信号。转阻放大器240、250通过压模粘结(die-bond)工艺被连接到所述玻璃基片200上,并通过引线焊接(wire-bond)工艺被连接到光电二极管220、230上。此外,玻璃基片200包括光学校准虚设图案260a和260b。请注意,也可以采用为本领域普通技术人员所熟知的其它不会吸收波长的其它基片,来代替所述玻璃基片200。
图4是图3中显示的耦合结构的俯视图,其代表光学耦合结构的一部分,被结合在用于STB的VCSEL BiDi收发器中,并校准所述PLC层110和所述玻璃基片200。附图标号211、221代表金属垫,附图标号214代表引线焊接部分。
参照图3和4,PLC层110包括具有三个分支线111a、111b和111c的光学波导111,以及相对于所述光学波导111对称排列的用于光学校准的虚设波导112a、112b。
抗反射涂层270形成在所述玻璃基片200的底面上。VCSEL210和光电二极管220、230,通过一种倒装法粘结工艺被安装在抗反射涂层270上以使得所述VCSEL210和光电二极管220、230的作用表面面对所述玻璃基片200的方式,为了有助于所述粘结工艺,如图5中所显示,金属垫211、221被形成在所述VCSEL210和光电二极管220、230的边沿上。
图5A和5B是显示所述VCSEL和所述光电二极管的作用表面的详细视图。图5A显示了所述VCSEL的所述作用表面(正面),图5B显示了所述光电二极管的作用表面(正面)。附图标号212和222代表窗口,附图标号213和223代表由金形成图案的(Au-patterned)部分。尽管没有显示,所述VCSEL和所述光电二极管的背面涂覆有金。
再次参照图4,光学校准虚设图案260a、260b被排列在光电二极管220、230的两侧,并包括金属薄膜或电介质薄膜。如下所述,所述光学器件和光学波导111之间的光学耦合通过利用光学校准虚设图案260a、260b以及形成在PLC层110上的虚设波导112a、112b实现。
在校准过程中,穿过112a、112b的光线与光学校准虚设图案260a、260b对齐。然后,通过紫外光和环氧树脂胶290将PLC110粘结到玻璃基片200上。
WDM滤光器280被安装在所述玻璃基片200的预定正面,它是粘结到PLC110上的一个部件,对应于光电二极管220、230的作用表面,以便允许具有预定波长并入射到光电二极管220、230中的光学信号通过,或以便反射来自那里的光信号。WDM滤光器280能够采用三工滤波器(triplexer)。此外,WDM滤光器280能够通过传统的薄膜工艺来形成。
图6是显示用于ONU(光学网络单元)和用以校准PLC层110和玻璃基片200的光学耦合结构的一部分的视图。除了安装在所述光学基片上的光学器件和对应于所述光学器件的WDM滤光器的结构之外,图6类似于显示所述STB结构的图4。因此,为了避免不必要的重复描述,以下将只对不同的部分进行说明。
参照图6,光电二极管310和两个VCSELs320、330被安装在玻璃基片200的底面上。与对于图4中所示的VCSEL210和光电二极管220、230的方式相同,光电二极管310和两个VCSELs320、330通过倒装法粘结工艺被粘结在玻璃基片200上,以使光电二极管310和两个VCSELs320、330的作用表面面对玻璃基片200。
此外,WDM滤光器380被安装在玻璃基片200的预定的正面上,它是粘结到PLC层110上的一个部件,对应于两个VCSELs320、330的作用表面,以便允许从两个VCSELs320、330发射出的光信号以预定的波长穿过,或者以便反射来自那里的所述光学信号。WDM滤光器380可以采用三工滤波器(triplexer)。此外,WDM滤光器280可以通过传统的薄膜工艺来形成。
如以上所描述,根据本发明,虚设波导和光学校准图案被排列在所述玻璃基片的上表面上,上面安装着所述PLC基片和所述光学器件,以便光学地校准所述光学波导和所述光学器件。因此,当进行所述光学波导到所述光学器件的光学耦合时,利用此方法可以将光学校准误差减小到几个微米的范围内。此外,在将所述光学器件安装到所述玻璃基片上之后,通过倒装粘结法工艺将所述玻璃基片粘结到所述PLC基片上,这样所述PLC基片和所述光学器件之间的距离保持恒定,从而改善耦合效率。
虽然本发明已经结合其特定的优选实施方式得到了说明,应该理解,对于所述技术领域内的技术人员而言,可以在不背离由所附权利要求书所限定的本发明的精髓和范围的情况下,在其形式上和细节上进行各种变化。

Claims (12)

1.一种用于耦合光学波导和光学器件的装置,其包括:
第一基片;
至少一个形成在所述第一基片上用于传输光学信号的光学波导;
在所述第一基片上相对于所述光学波导对称地配置的虚设波导;
耦合到所述第一基片上的第二基片;
至少一个安装在所述第二基片的底面上的光学器件,以使所述光学器件光学连接到所述光学波导上;和
形成于第二基片的底面上对应于所述虚设波导的光学校准图案,其中所述光学波导和光学器件的光学校准,是通过将所述虚设波导相对于所述光学校准图案进行校准来实现的。
2.如权利要求1所述的耦合结构,其特征在于所述第二基片的正面被粘结到所述第一基片的上表面上。
3.如权利要求1所述的耦合结构,其特征在于所述光学器件通过倒装粘结法工艺被粘结到所述第二基片上,以使所述光学器件的作用表面面对所述第二基片底面。
4.如权利要求3所述的耦合结构,还包括设在所述光学器件的所述作用表面的边沿上以有助于所述倒装法粘结工艺的金属垫。
5.如权利要求1所述的耦合结构,其特征在于所述光学波导包括至少三个分支线。
6.如权利要求5所述的耦合结构,还包括安装在所述第二基片的所述底面上的一个光学检测器件和至少两个VCSEL,以使所述光学检测器件和VCSEL被连接到所述光学波导的所述分支线上。
7.如权利要求6所述的耦合结构,还包括设在所述第二基片的正面上对应于所述VCSEL的作用表面的WDM滤光器,以便有选择地传输或者反射从所述VCSEL射出或射向所述VCSELs的具有预定波长的光线。
8.如权利要求5所述的耦合结构,还包括安装在所述第二基片的底面上的第一光学检测器件、第二光学检测器件和VCSEL,以使所述第一、第二光学检测器件和所述VCSEL被连接到所述光学波导的三个分支线上。
9.如权利要求8所述的耦合结构,还包括设在所述第二基片的正面上对应于所述第一和第二光学检测器件的作用表面的WDM滤光器,以便有选择地传输或者反射入射到所述第一和第二光学检测器件中的具有预定波长的光线。
10.如权利要求7所述的耦合结构,其特征在于所述WDM滤光器包括通过薄膜涂覆技术制造的薄膜滤光器。
11.如权利要求1所述的耦合结构,其特征在于所述光学校准图案包括金属薄膜或电介质薄膜。
12.一种用于耦合光学波导和光学器件的光学校准方法,所述方法包括以下步骤:
在具有所述光学波导的第一基片上对称地形成虚设波导;
在耦合到所述光学器件的第二基片上对称地形成光学校准图案,以使所述光学器件光学地连接到所述光学波导上;和
利用经所述虚设波导传递到所述光学校准图案上的光信号,校准所述虚设波导和光学校准图案。
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