CN1685262A - 光学连接组件 - Google Patents

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Abstract

一组互锁模块，支撑并连接包括激光器的芯片(10)、一组精密塑模透镜(25)和一组(35)光束开关元件。本发明的另一实施例为用于在芯片载体上安装逻辑芯片和光学芯片的结构，该光学芯片安装在载体面对其上安装了载体的系统板的一侧，使得辐射沿从光学芯片上的光源到板上的光传输波导的直接路径行进。

Description

光学连接组件
技术领域
本发明领域为将诸如VCSEL阵列的光源组装到包括传输链接和光路由部件的基板。
背景技术
随着高容量数字系统扩展其在光学互联方面的应用，对于可制造的光连接系统的需求也在增大。
高容量系统通常具有连接多个系统板的底板。这种系统包括诸如VCSEL的光源的阵列，其产生光，调制该光从而承载数据，并将该光引导至各个位置，在该位置诸如光电二极管的检测器将调制的光辐射转变为可以在传统数字处理系统中处理的电信号。
该领域中重复出现的问题为光连接器系统的误对准。增大噪声水平或导致信号无法检测的信号损耗频繁发生。精密对准系统需要昂贵的装备和定期的维护。
该技术受益于采用以光刻精度在低成本下制造的自对准结构的无源对准系统。
发明内容
本发明涉及一种用于与系统板上的一组光传输部件相对准地组装光源阵列的对准系统。
本发明的特征在于在包括光源阵列的光学芯片上制造无源对准部件。
本发明的特征在于提供一种简单的单元，包括与光源阵列对准且利用与光学芯片上的无源对准部件互锁的对准部件定位的透镜阵列。
本发明的另一特征在于提供一种可替换光学开关结构，配合在与透镜阵列匹配的插口中，用于接收来自VCSEL阵列的辐射并将其引导至系统板上的各个位置。
本发明的另一特征在于提供一种结构，用于在芯片载体上安装逻辑芯片和光学芯片，该光学芯片安装在载体面对其上安装了载体的系统板的一侧，使得辐射沿从光学芯片上的光源到板上的光传输波导中的直接路径行进。
附图说明
图1A至3B示出了本发明第一实施例的各层的平面和侧面图；以及
图4以局部绘示、局部示意的形式示出了本发明的第二实施例。
具体实施方式
图1至3以平面图和侧视图示出了VCSEL阵列、对应的透镜阵列和另一对应的调制或开关光辐射的光学控制器阵列组装成的三层模块。图1A和1B中，芯片10上的M×N VCSEL阵列15-i产生光辐射。围绕阵列的边带12如图所示地由金属膜构成，其上可以涂覆Sn-Pb焊料坯。基准标记17作为示例示出。标记17用于按目测的精度水平对准芯片。其它标记可以用来进行自对准。这在图1B的侧视图中示出。例如，芯片10由GaAs制成，且其中形成有传统的VCSEL。连接至VCSEL的传统电导线为简单起见而从附图中略去。
图2A和2B示出了待组装的下一层，通常称作光传输单元，其中称作光传输装置的透镜阵列25-i与VCSEL阵列对准。光学单元20的材料如图所示为聚合物或玻璃，其对于来自激光器阵列的辐射是透明的，且能够承受240摄氏度的温度，在该温度下焊料12将回流。其利用基于模具的传统的精度技术成形，该模具通过半导体光刻技术形成。例如，该阵列中的各个透镜可以形成为菲涅耳透镜，图2中侧面上的突缘23从作为模具材料的硅蚀刻。利用半导体蚀刻和形成技术，可以以10微米的公差轻易地实现光学透镜的限定和设置，恰好满足光学系统的需要。
图2A中的边带22也是由电镀在突缘23底部上的焊料形成。在图2B中模块20的顶面上，通过光刻技术并随后塑模形成短柱24(无源对准结构)。或者，短柱可以在塑模模块20后蚀刻到其材料中，在其首先形成时短柱24与设置在模具中的基准标记对准。
如图所示，芯片10与模具20之间的对准设置有配合蚀刻到芯片10顶部中的台阶的垂直边缘13的突缘23(限定出第二维度)，从而限定出第一维度。由此，芯片10的外缘如图所示地凹进10μm，而模块20的突缘23围绕芯片的突出中心，相对于VCSEL阵列横向地定位透镜，由于以较高的机械精度完成了芯片10中台阶的蚀刻和用于模块20的模具中突缘的形成，垂直距离也设置在约50微米的规格内。这种无源自对准系统具有以下优点，即部件10和20配合在一起。由于此应用中需要的非常高精度的公差和结合在一起的部件的不同热膨胀系数，优选在低于230摄氏度的组装温度下组装，使得室温下部件之间的任何应变都在可以接受的限度内。
设置透镜的焦距，使得光辐射耦合到图3A和3B的光传输部件35的接收部分25中。叠层中的此顶部单元具有耦合从透镜25-i射出的辐射到一组波导、布拉格反射器、镜面和部件35中其它光学控制器中的作用。部件35的作用为处理光辐射，例如以数据编码信息将其调制。在此图中，部件35示意性地示为矩形。随后，光辐射可以从部件35耦合到系统板中传统的波导(此图中未示出)中。
图3中的外壳30为可插入式的，意味着其可以手工插入和移出，从而轻易地替换。各个部件可以移除，从而提供设计的灵活性。单元30用于与光纤阵列、或光路由元件等互连。盒子35可以是无源光学路由器，诸如光栅、透镜等。在其它实施例中，其还可以具有液晶阀阵列。
与连接器30的可拆卸性质相比，模块20通过焊料回流结合于芯片。焊料可以再熔化，但设计设想是其为一次结合的。再参照连接器30，安装结构34与模块20上对应的结构24相配合。例如，插脚24截面为圆形的(或者其可以为例如1mm2)，而相配的插孔34具有以非常低的公差与插脚24配合的圆形腔。一旦制造，该组件可以通过环氧树脂或焊料保持在一起。单元20与30之间的界面也是在限定的温度下形成，由于短柱24与插座34之间的空隙仅在一个温度下匹配。现在参照图4，其示出了本发明另一实施例的截面图，其中板110表示数字系统中的印刷电路板，或任何用于电子芯片装配的支撑。板110包括光学波导120-1和120-2，以及芯片之间常见的电性互连。在图的顶部，芯片220表示通过一组接触221处理数据、耦合信号和功率的多个芯片。芯片220结合于陶瓷芯片载体210、或任何其它封装单元，其包括塑模于其中的电性互连。在载体210朝向系统板120的一侧，通过引线结合导线232电性连接的光学芯片230向波导120-1和120-2中发射光辐射。或者，芯片230可以使用焊料球的“覆片”法连接于载体210，焊料球提供了电性和机械两种连接。利用芯片230上的光检测器接收来自板110的光辐射，辐射传输也可以是双向。
有利地，光学芯片230包括与图1的芯片10类似的VCSEL阵列，辐射以直角导向芯片的平面。在此实施例中，辐射通过芯片230与波导120之间的空气间隙。本领域技术人员可以了解，如图1所示的透镜，反射镜等可以设置在激光与波导之间，从而便于耦合。
此实施例中光源与波导之间的直接传输便于根据需要组装和移动VCSEL阵列。如希望，可以使用图1A中诸如回流22的密封。
在两实施例中，可以通过使用半导体技术从“后端”制造加强部件，例如在芯片背侧沉积一层材料并蚀刻其从而形成抵御可能使芯片断裂的机械应力的加强部件来解决VCSEL阵列的脆弱。
虽然已通过一个优选实施例介绍了本发明，本领域技术人员将认识到本发明可以通过属于所附权利要求的实质和范围内的各种形式来实施。

Claims (21)

1.一种光学组件结构，用于VCSEL阵列芯片到板的连接，包括：
VCSEL芯片，包括所述VCSEL阵列，所述阵列由其顶面上的金属化接合缝包围；
精密光传输单元，包括其底部上的与所述VCSEL芯片上的所述金属化接合缝相对应的接合缝，以及其顶面上的第一无源对准结构阵列，所述传输单元包括用于传输从所述VCSEL阵列发射的辐射的光传输装置；以及
可插拔式光学连接器，具有插在其腔中的光传输单元，与所述光传输单元的所述顶面上的所述无源对准结构阵列相配的其底面上的互锁插口阵列，以及用于与所述板相配的其顶面上的第二无源对准结构阵列。
2.根据权利要求1所述的组件结构，其中所述光传输单元为透镜，其会聚由所述VCSEL阵列发射到所述光传输单元上的辐射。
3.根据权利要求1所述的组件结构，其中所述VCSEL阵列和所述光传输单元已结合在一起。
4.根据权利要求3所述的组件结构，其中所述VCSEL阵列和所述光传输单元已在一结合温度下结合在一起，使得所述VCSEL芯片的第一维度与所述传输单元的第二维度相匹配。
5.根据权利要求4所述的组件结构，其中所述结合温度低于230摄氏度。
6.根据权利要求1所述的组件结构，其中包括所述VCSEL芯片并且所述光传输单元的模块插入所述光学连接器中，由此所述模块可以在制造后替换。
7.根据权利要求3所述的组件结构，其中包括所述VCSEL芯片和所述光传输单元的模块插入所述光学连接器中，由此所述模块可以在制造后替换。
8.根据权利要求7所述的组件结构，其中所述光学连接器包括无源光学路由器，用于连接至所述板上的一组光学传输部件。
9.根据权利要求8所述的组件结构，其中所述光学传输部件包括形成在所述板中的波导。
10.一种制造用于包括VCSEL阵列的VCSEL芯片到板的连接的光学组件结构的方法，包括步骤：
设置VCSEL芯片，其包括所述VCSEL阵列，所述阵列由其顶面上的金属化接合缝包围；
设置精密光传输单元，其包括其底部上的与所述VCSEL芯片上的所述金属化接合缝相对应的接合缝，以及其顶面上的第一无源对准结构阵列，所述第一无源对准结构阵列与所述VCSEL阵列对准设置，所述传输单元包括用于传输从所述VCSEL阵列发射的辐射的光传输装置；
结合所述光学组件与所述光传输单元从而形成光源模块；以及
将所述光源模块插入可插拔式光学连接器，其具有插在其腔中的光控制单元，与所述光传输单元的所述顶面上的所述无源对准结构阵列相配的其底面上的互锁插口阵列，以及用于与所述板相配的其顶面上的第二无源对准结构阵列，由此可以替换所述光学模块。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括在所述结合的步骤前检测所述VCSEL阵列的步骤。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括在所述结合的步骤后检测所述光学模块的步骤。
13.根据权利要求11所述的方法，还包括在插入所述光学模块前检测所述光学控制单元的步骤。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述结合步骤包括回流沉积在所述接合缝上的金属。
15.根据权利要求10所述的组件结构，其中所述VCSEL阵列和所述光传输单元已在一结合温度下结合在一起，使得所述VCSEL芯片的第一维度与所述传输单元的第二维度相匹配。
16.根据权利要求15所述的组件结构，其中所述结合温度低于230摄氏度。
17.一种部件组合，用于支撑至少一个光学芯片和至少一个电学芯片，并连接所述芯片至系统支撑，包括：
互连模块，具有设置在其上的电性互连并具有面向所述系统支撑的下侧和面向相对的所述系统支撑的上侧；
至少一个光学芯片，安装在所述下侧上并具有发射垂直于所述光学芯片且向所述系统板行进的辐射的至少一个辐射发射部件；
至少一个电学芯片，安装在所述上侧；其中
所述光学芯片与设置在所述系统板上的至少一个光传输介质对准安装，由此由所述至少一个辐射发射部件发射的辐射沿所述光学芯片与所述传输介质之间的直接路径行进。
18.根据权利要求17所述的组件结构，其中所述光传输单元为透镜，其会聚由所述VCSEL阵列发射到所述光传输单元上的辐射。
19.根据权利要求17所述的组件结构，其中所述VCSEL阵列和所述光传输单元已结合在一起。
20.根据权利要求17所述的组件结构，其中所述VCSEL阵列和所述光传输单元已在一结合温度下结合在一起，使得所述VCSEL芯片的第一维度与所述传输单元的第二维度相匹配。
21.根据权利要求17所述的组件结构，其中所述结合温度低于230摄氏度。
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