TW200405036A - Manufacturable optical connection assemblies - Google Patents

Description

200405036 玖、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明之範疇是將諸如垂直共振腔面射型雷射（VCSEL) 陣列之光源聚集至含有傳送鏈及光發送總成之基板。 【先前技術】 當高容量的數位系統擴大它們在光互連之使用時，一種 對可製造的光學連結系統的需求因而增加。 高容量系統典型地具有一種連接一些系統電路板之備援 方案。這樣的系統包含諸如VCSEL之光源陣列，其產生光 線’此光線被調變以載送資料，且被導向不同的位置，在 此諸如光電二極體之偵測器將調變光射線轉換成傳統數位 處理系統中所能處理之電子信號。 在此領域中一種重複出現問題是光連結器系統中的未調 準。增加雜訊水平或使得信號變得不可偵測之信號衰減時 ¥發生。精準的調準系統需要昂貴的設定費用及固定的保 養。 此技術將得益於被動調準系統，其使用以低成本所製造 且具有光學微影精準之自我調準結構。 丄發明内袞】 本發明係關於一種調準系統，用於將一光源陣列以調準 方式聚集至系統電路板上的一組光學傳送备成。 本發明的一個特色是光學晶片上的構造物，其包含一被 動調準特徵之光源陣列。 本發明的一個特色是提供一種簡單單元，其包含一透鏡 86247 200405036 陣列，其與光源陣列調準且被設置具有調準組件，該組件 與光學晶.片上被動對準功能連結。 本發明的另一個特色是提供一種可替換的光學切換結

構，其插入一插座，與透鏡陣列相配，用於接收來自VCSEL 陣列之光射線且將它導向至系統基板上的不同位置。 本發明的另一個特色是一種用於固定一邏輯晶片及一光 學晶片於一晶片載具上之結構，光學晶片被固定在載具面 向載具被固定於其上之系統基板的面上，所以光射線從光 子日日片上的光源以直線路徑行進進入基板上的光學傳送 管。 -L實施方式】 圖1至3以平視及側視顯示一個三層模組，其組成一 vc 陣列、-個對應的透鏡陣列及另一個對應的光學操縱器陣 列，該操縱器陣列調整或切換光線。在圖以及脚，在晶 10上的MxN VCSEL陣列i5_i產生光射線。一環繞陣列之 帶狀物丨2作為例證地是由金屬薄膜所組成，在其上可以應 用錫錯焊錫。基準標記17被顯示#作—例子。標記Η被使 用來在精確期間中在視覺觀察下排列晶粒^其他標記用於 自“我調準。這被顯示於圖1B中之側視。例如，晶粒10是由 紅砷所製成且具有在其中所形成之傳統vcsel。連至％狐 的傳統電導線自圖中為了簡化被省略。 圖2A及2B顯示下—層是通常被稱為光轉換單元之總成， 其中-透鏡陣列25-i，被稱為光轉換裝置，被與vcsel陣列 對準。作例證地，光學單元2〇之材料是聚合物或玻璃，對 86247 200405036 來自雷射陣列之光射線是透明的且能夠抵抗攝氏24〇度的高 溫，在此溫度下焊錫12被回流。根據由半導體微影技術所 形成之模型，它被以傳統精準技術塑造。 例如’陣列中個別的透鏡可以被形成如菲涅爾透鏡 (Fresnel lens)且圖2B中側邊上突出框邊23自矽化物被蝕刻 如一鑄模材料。由於半導體蝕刻及成形技術的使用，光學 透鏡之定義及定位可以容易地被達到丨〇微米之公差，成功 地符合光學系統的需求。 圖2 A中的片狀物22亦是由焊錫所形成，其被電鍍於框邊23 的底部上。在圖2B中模組20的上表面上，柱螺栓24(被動調 準結構）以微影技術被形成且然後被製模。替代地，柱螺栓 可以在模組20被製模之後被蝕刻進入模組之材料中，當模 組取出被製成時對準被置於模型中之基準標記。 作為例證地，晶粒1 〇與模組20之間的對準是由框邊23(定 義一第二尺寸）所提供，其配合一台階之垂直邊緣丨3，其被 名虫刻進入卵粒1 〇的頂‘，這樣定義第一尺寸。因此，晶粒1 〇 外面的框邊被隱藏’例如1〇毫微米（μιη)，且模組2〇之框邊23 包圍晶粒之笑出中央，且橫向地置於透鏡與VCSEL陣列之 間，因為晶粒10台階之蝕刻及模組20之模型中框邊之形成 以高機械精準被完成，垂直距離亦被設定在大約5〇微米内。 此被動自我調準系統具有部件10及2〇拼在一起的優點。因 為在此申請案中所需要之非常精準的公差及被結合部件之 不同係數熱膨脹，總成最好在低於攝氏230度C的組裝溫度 下被完成，以至於在市溫下部件之間的任何應力是在可接 86247 200405036 受的限制内。 透鏡的的焦距被設定，以致光射線被結合進入圖3八及3b 光轉換總成3 5上的接收邵2 5。堆叠之此上部單元具有將由 透鏡25-i所合併之光射線結合進入總成35内的一組波導管、 布拉格反射鏡（Bragg reflectors)、鏡子及其他光學操縱器。 總成3 5的功能是處理光射線，例如以一資料位元流將它調 變。在此圖中，總成35被概要地顯示成一長方形。光射線 從總成35被結合進入系統電路板中之傳統波導管内，為顯 示於此圖中。 圖3中之外罩30是可插拔的，意思是它可以被用手插入且 移除，容易更換。個別的部件是可以被移除的，以便提供 设计上的彈性。單元3 0得用於互連至一光纖陣列，或一光 路由元件等。 盒子3 5可以市一被動光路由器，諸如格柵、透鏡等。再 一替代實施例中，它亦可以具有液晶閥陣列。 與可連接器30之可移除性質相比，模組2〇藉由回銲被黏 合至晶粒1 0。銲錫可以被再溶化，但是設計的設想是這是 一種一次黏合。再次參看連接器3〇，鑲嵌結構34與模組2〇 上的對應結構24配成對。例如，插塞（piUg)24在截面圖中是 圓形的（它們可以替代地是例如1毫米的正方形）且配對插座 3 4具有與插塞24相稱的圓洞，其公差非常低。一旦被製成， 總成將以環氧化物或銲錫被保持在一起。單元2 〇與3 〇之間 的介面亦在一預定溫度下被完成，因為柱螺栓2 4與插座3 4 之間的間隙只有在一溫度下將相稱。 86247 -9 - 200405036 現在參看圖4，其顯示本發明另一實施例之截面圖，其中 電路板1丨0代表一種在數位系統中之印刷電路板或任何其他 用於電子晶片裝置之支撐物。電路板110含有光波導120-1 及120-2，和晶片之間的平常電互連一樣。在圖的上部，晶 片220代表一些處理資料之電子晶片，透過接點221連接信 唬及電力。晶片220被黏合至一陶瓷晶片載體21〇，或任何 其他封裝單元，其含有模置於其内之電互連。在面朝系統 電路板120之載體側面上，一光學晶片23〇，藉由金屬導線232 被電連接’發射光射線進入波導120-1及120-2。替代地，晶 片23 0可以利用錫球之，，覆晶，，方法被固定至載體2丨〇，其提 供電連結與機械連結。光射線轉換亦可以是雙向的，以晶 片23 0上的感光二極體接收來自電路板u〇之光射線。 有利地，光晶片230含有一 VCSEL陣列，類似圖1中晶片1〇 的VCSEL陣列，具有與晶片平面成直角被導引之光射線。 再此實施例中，光射線通過晶片23〇與波導12〇之間的空氣 間隙。那些精通此技藝者將知道如圖1所顯示之透鏡、鏡子 等可以被置於雷射與波導之間以增進耦合。 如果有需要，在此實施例中，光源與波導之間的直接傳 送有助於VCSEL陣列之組合或更換。如果必要，可以使用 一種諸如圖1A中回銲22之焊接。 在兩個貫施例中，VCSEL的易碎性可以藉由製造強化組 件被解決，其使用來自”後端"的半導體技術，在晶片的被 面上沉澱一金屬層且將它蝕刻，形成抗機械應力之強化組 件’這些機械應力會使晶粒破裂。 86247 -10- 200405036 雖然本發明已經就單一較佳實施例被說明，但是那些精 通此技聲者將認清本發明可以以不同的版本被實施而不會 達背下列申請專利範圍之精神及範疇。 1圖式簡軍說明1 圖 層 1 A至3 B以平面及側面相闰f 視圖顯不本發明第一實施例中之 圖4以部分繪畫地 外形。 P刀概念地顯示本發明第 一貫施例之

XiAi表符號說明1 1 〇 晶粒 12 帶狀物 13 垂直邊緣 15-i 垂直共振腔面射型雷射 17 基準標記 20 模組 22 回銲 23 突出邊才匡

24 柱螺栓 25 接收部 25-i透鏡 30 連結器 34 鑲嵌結構 35 光轉換總成 36 柱螺拾 86247 -11. 200405036 110 系統電路板 120-i波導 130 210 載具 220 晶片 221 接點 23 0 光晶片 232 金屬導線 86247

Claims (1)

1. 200405036 拾、申請專利範圍： 1 · 一種米學總成結構，其用於一垂直共振腔面射型雷射 (VCSEL)陣列至一電路板之連結，包含： 一 VCSEL晶粒，其包含該VCSEL陣列，該陣列被晶粒 上部表面上的金屬化結合缝環繞； 一精密光學轉換單元，在其底部含有一相對應結合縫 相對應該VCSEL晶粒上之金屬化結合缝及其上部表面上 之第一被動調準結構陣列，該轉換單元含有光學轉換裝， 用於轉換自該VCSEL陣列所發射之光射線；及 可插拔光學連接器，其具有插於其孔洞内之一光學 傳送單元，在其底部表面上與該光學轉換單元該上部表面 上茲被動調準結構陣列相配之一連鎖插座陣列及在其上部 表面上用於與電路板相配之一第二被動調準結構陣列。 2·如申請專利範圍第丨項之總成結構，其中該光學轉換單元 係透鏡，其將由該VCSEL，列所發射之光射線聚焦至該 光學轉換單元。 3 ·如申印專利知圍第丨項之總成結構，其中該vCSEL陣列及 該光學轉換單元已經被結合在一起。 4·如申α專利la園第3項之總成結構，其中該vCSEL陣列及 該光學轉換單元已經在一結合溫度下被結合在一起，以致 在d VCSEL卵粒上之第一面積匹配在該轉換單元上之相 對應第二面積。 5·如申請專利範園第4項之總成結構，其中該結合溫度小於 攝氏230度。 86247 200405036 6. 如申請專利範圍第1項之總成結構，其中包含該VCSEL晶 粒及該光學轉換單元之一模組插入該光學連結器，因此該 模組在製造後可以被替換。 7. 如申請專利範圍第3項之總成結構，其中包含該VCSEL晶 粒及該光學轉換單元之一模組插入該光學連結器，因此該 模組在製造後可以被替換。 8. 如申請專利範圍第7項之總成結構，其中該光學連接器包 含一被動光學路由器，適用於連接至該電路板上的一組光 學傳送組件。 9. 如申請專利範圍第8項之總成結構，其中該光學傳送組件 包含在電路板中所形成之波導。 10. —種製造一光學總成結構之方法，該結構將含有VCSEL 陣列之VCSEL晶粒連結至一電路板，該方法包含步驟有： 提供一含有該VCSEL陣列之VCSEL晶粒，該陣列被其 上部表面上之一金屬化結合缝環繞； 提供一光學轉換單元，其包含在其底部上對應該VCSEL 晶粒上該金屬化結合缝之一對應結合縫及在其上部表面上 被配置與該VCSEL陣列相對準之第一被動調準結構陣 列，該轉換單元包含光學轉換裝置，其用於將自該VCSEL 陣列所發射之光射線轉換； 將該光學總成及該光學轉換單元結合形成一光源模 組；且 將該光源模組插入一可插拔光學連接器，其具有一被 插入其孔中之光學操縱單元，在其下表面之一連扣插座陣 86247 200405036 列，與該光學轉換單元該上表面之該被動對準結構相配， 及在其上表面上用於與該基板相配的第二被動對準結構， 因此該光學模組可以被取代。 11 ·如申請專利範圍第1 〇項之方法，尚包含在該結合步驟之 前測試該VCSEL陣列之步騾。 12·如申請專利範圍第1 〇項之方法，尚包含在該結合步驟之 後測試該光學模組之步驟。 13 ·如申請專利範圍第11項之方法，尚包含在插入該光學模 組之前測試該光學操縱單元之步騾。 14.如申請專利範圍第10項之方法，其中該結合步驟包含在 該結合缝上所沉積之金屬的回焊。 15·如申請專利範圍第1〇項之總成結構，其中該vCSel陣列 及該光學轉換單元已經在結合溫度下被結合在一起，以致 在孩VCSEL晶粒上的第一面積與該轉換單元的第二面積 相符合。 16·如申叫專利範圍第丨5項之總成結構，其中該結合溫度小 於攝氏230度。 17· —種7C件之總成，用於支援至少一光學晶片及至少一電 子晶片，且將該晶片連接至一系統基座，包含： 一互連模組，具有沉積於其上的電互連，且具有面對 該系統基座之下部及背對該系統基座之上部； 至少一光學晶片，其被固定在該下部上，且具有至少 光射、泉射出元件，發射垂直於該光學晶片且朝向該系統 基板行進之光射線； 86247 200405036 至少一電子晶片，其被固定在上部上；其中該光學晶 片被固定與在該系統基板上所沉積之至少一光學傳送媒介 對準，因此該至少一光射線射出元件所發射之光射線沿著 該光學晶片與該傳送媒介之間的導引路徑行進。 18. 如申請專利範圍第17項之總成結構，其中該光學轉換單 元係透鏡，其將該VCSEL陣列所發射之光射線聚焦至該 光學轉換單元上。 19. 如申請專利範圍第17項之總成結構，其中該VCSEL陣列 及該光學轉換單元已經被結合。 20. 如申請專利範圍第17項之總成結構，其中該VCSEL陣列 及該光學轉換單元已經在一結合溫度下被結合，以致在該 VCSEL晶粒上的第一面積與該轉換單元的第二面積相符 合。 21. 如申請專利範圍第17項之總成結構，其中·該結合溫度小 於攝氏230度。 86247