TW201826649A - 多波束光電陣列之匹配驅動裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明揭露一種提供在驅動器裝置與多波束光電裝置之間的相位匹配的介面之設備，例如VCSEL陣列裝置，以及使用和製造其之各種方法。介面裝置包含：一輸入，用於介面連接驅動器裝置；一輸出，用於介面連接多波束光電裝置；以及一功率分配器，電性連接輸出至輸入。輸出包含多個輸出接點，每個輸出接點經由一條在具有一共通電性長度之多條傳輸線之間的傳輸線，以在多波束光電裝置之多個光電裝置之間的一個光電裝置作為介面。在實施例中，功率分配器係為基於電阻的功率分配器，其於每個「三通」接面或交點處調整功率分配器的整體阻抗以提供阻抗匹配的介面。

Description

多波束光電陣列之匹配驅動裝置
本揭露內容通常是有關於半導體裝置，且特別是有關於介面裝置，用於在高功率及高頻率應用中將一驅動器裝置輸出之一相位及/或阻抗匹配至形成多波束陣列之光電裝置之輸入，以及其製造和使用方法。
半導體光電裝置，例如雷射，可以藉由調變於發送器之一光學輸出(例如雷射光束)，並偵測於接收器之調變，而被使用於自由空間通訊及其他應用。這種光電裝置包含多個垂直共振腔面射型雷射(VCSEL)，其特別用於自由空間通訊及其他應用。此些VCSEL係非常適合用於自由空間通訊及其他應用，因為整個雷射可以簡單地藉由將偏壓功率調變至VCSEL而非常迅速地被打開和關閉，而不需要一外部光學快門。然而，個別的VCSEL具有一個讓它們可被使用來通信的有限的範圍，這是因為一個高速VCSEL本身一般不能產生超過幾毫瓦的光學功率。當在較長的距離中通信時，一種克服個別的VCSEL之有限的範圍的方式，是使用一陣列之VCSEL。為了有效地與一陣列之VCSEL通信，此陣列之個別的VCSEL全部應該於全功率下，並以相干相位進行運作。為了使一VCSEL陣列中之所有雷射相干地且於全功率下運作，可能需要 一相位平衡、阻抗匹配的驅動器，用於驅動此VCSEL陣列之每個個別的VCSEL。
一個實施例涉及一種提供在驅動器裝置和多波束光電裝置(例如VCSEL陣列裝置)之間的相位匹配介面以及使用和製造其之各種方法。介面裝置包含：一輸入，用於介面連接驅動器裝置；一輸出，用於介面連接多波束光電裝置；以及一功率分配器，電性連接輸出至輸入。輸出包含多個輸出接點，每個輸出接點經由一條在具有一共通電性長度之多條傳輸線之間的傳輸線，以在多波束光電裝置之多個光電裝置之間的一個光電裝置作為介面。在實施例中，功率分配器係為基於電阻的功率分配器，其於每個「三通」接面或交點處調整功率分配器的整體阻抗以提供阻抗匹配的介面。
從以下結合附圖和權利要求的詳細描述中將更清楚地理解這些和其他特徵。提供本概述是為了以簡化的形式介紹將在以下詳細描述中進一步描述的一些概念。本概述內容部分不旨在標識所要求保護的主題的關鍵特徵或基本特徵，也不旨在用於限制所要求保護的主題的範圍。
100‧‧‧基板堆疊
110‧‧‧基板
120‧‧‧接地平面/導體層
130‧‧‧第一介電層
140‧‧‧導電層/導體平面/導體層
150‧‧‧第二介電層/額外介電層
160‧‧‧電阻層
170‧‧‧導電通道
180‧‧‧導電通道
400‧‧‧圖表
450‧‧‧圖表
500‧‧‧介面
500‧‧‧介面裝置
505‧‧‧功率分配器
510‧‧‧輸入
520‧‧‧電阻/輸出接點
530‧‧‧輸出接點
540-552‧‧‧功率分配器
600‧‧‧介面裝置/半導體裝置
605‧‧‧接地接觸(陰極)區域/陰極接觸區域
610‧‧‧輸入
620‧‧‧電阻
630‧‧‧輸出接點
635‧‧‧傳輸線
640-652‧‧‧功率分配器
660-672‧‧‧VCSEL
680-686‧‧‧傳輸線
690‧‧‧指示符
700‧‧‧介面裝置
705‧‧‧八路無電阻功率分配器
735‧‧‧傳輸線
740-752‧‧‧無電阻功率分配器
800‧‧‧介面裝置
900‧‧‧方法
910‧‧‧基板/區塊
920‧‧‧層
925‧‧‧區塊
930‧‧‧區塊
935‧‧‧區塊
945‧‧‧區塊
940‧‧‧區塊
950‧‧‧區塊
955‧‧‧區塊
960‧‧‧區塊
965‧‧‧區塊
970‧‧‧區塊
975‧‧‧區塊
1010‧‧‧介面裝置
1020‧‧‧光電陣列裝置
1022‧‧‧光電裝置
1024‧‧‧微透鏡
1100‧‧‧介面裝置
1102‧‧‧輸入接點
1104‧‧‧阻抗元件
1106‧‧‧陽極接點
1108‧‧‧陰極接點
1110‧‧‧輸出接點
1150‧‧‧光電陣列裝置
1152‧‧‧陽極
1154‧‧‧陰極
1160、1170‧‧‧外部導體
1200‧‧‧介面裝置
1202‧‧‧輸入接點
1204、1206‧‧‧導電通道
1208‧‧‧阻抗元件
1210‧‧‧陰極接點
1210‧‧‧陽極接點
1212‧‧‧陰極接點
1214‧‧‧導電通道
1216‧‧‧輸出接點
1300‧‧‧中空體電子封裝
1300‧‧‧電子封裝
1310、1320‧‧‧接點
1400‧‧‧印刷電路板
1410、1420‧‧‧導電線路
1500‧‧‧系統
圖1說明顯示依據本揭露內容之一實施例之用於實施與半導體或光電裝置或裝置之陣列的介面之基板堆疊之一剖面透視圖。
圖2說明依據本揭露內容之一實施例之供一個例示VCSEL用之等效電路模型。
圖3顯示依據本揭露內容之一實施例之確定描繪於圖2中之例示 VCSEL之等效電路模型之s參數資料。
圖4顯示依據本揭露內容之一實施例之關於描繪於圖2中之例示VCSEL之等效電路模型之輸入阻抗資料。
圖5係為說明依據本揭露內容之一實施例之包含一基於電阻的功率分配器之介面裝置之一示意圖。
圖6說明依據本揭露內容之一實施例之實施圖5之介面裝置之結構之一俯視平面圖。
圖7係為說明依據本揭露內容之一實施例之包含一無電阻功率分配器之介面裝置之一示意圖。
圖8說明依據本揭露內容之一實施例之實施圖7之介面裝置之結構之一俯視平面圖。
圖9係為顯示用以製造提供在光電裝置陣列與驅動器裝置之間的阻抗匹配及/或相位匹配介面的介面裝置之方法之一實施例的一流程圖。
圖10係為依據本揭露內容之一實施例之具有接合至光電陣列裝置之無電阻功率分配器之介面裝置之一剖面圖。
圖11係為依據本揭露內容之一實施例之具有接合至設計用於藉由多個打線接合連接之光電陣列裝置之基於電阻的功率分配器之介面裝置之一剖面圖。
圖12係為依據本揭露內容之一實施例之具有接合至設計用於經由基板通孔而表面安裝至連接部之光電陣列裝置之基於電阻的功率分配器之介面裝置之一剖面圖。
圖13依據本揭露內容之一實施例說明將圖11之示例性介面裝置及光電陣列裝置打線接合至在中空體電子封裝之內的接點。
圖14依據本揭露內容之一實施例說明將圖12之示例性介面裝置及 光電陣列裝置接合至與導電線路及印刷電路板之導電線路相關的導電焊墊。
圖15依據本揭露內容之一實施例說明用以提供在一驅動器裝置與一電陣列裝置之間的相位匹配及/或阻抗匹配介面之一系統方塊圖。
本揭露描述了特定的實施例及其詳細的構造和操作。這裡描述的實施例僅僅是為了說明而不是限制。根據本文的教示，本領域技術人員將認識到，這裡描述的示例性實施例所存在的等同範圍。最值得注意的是，其他實施例是可能的，可以對這裡描述的實施例進行改變，並且可以與構成所描述的實施例的組件、部件或步驟等同。為了清楚和簡明，某些實施例的組件或步驟的某些方面在沒有過多細節的情況下被呈現，其中這些細節對於本領域技術人員而言，根據本文的教導是顯而易見的和/或在這樣的細節會混淆對這些實施例的更相關方面的理解。
於此揭露的是一種介面裝置，用以提供在一驅動器裝置與一光電陣列裝置之間的一相位匹配及/或阻抗匹配介面，以便使光電陣列裝置中之每個光電裝置相干地且於全功率下運作。為了說明的目的，本發明之某些實施例係就一VCSEL而論地說明於此。然而，本發明之實施例並未受限於VCSEL，反之可包含提供與VCSEL類似的功能之任何型式之光電裝置或光電裝置型式之組合。舉例而言，這種光電裝置可包含發光二極體、光偵測器、邊緣放射雷射、調變器、高電子移動率電晶體、共振隧道型二極體、異質接合雙載子電晶體、量子點雷射等等。這種VCSEL陣列裝置及製造它們之方法是已知的。舉例而言，參見申請於2011年3月31日且名稱為「用於高頻率運作的光電裝置之多波束陣列(Multibeam Arrays of Optoelectronic Devices for High Frequency Operation)」 的共有美國專利申請號13/077,769，其於此併入作參考。
如本文所用，「電路」說明耦接在一起以提供一定義的功能或多個功能之一個或多個部件。取決於特定應用及依據熟知之設計法則，被選擇來實施所揭露的光電驅動器裝置之一個或多個部件，係可包含多個主動部件、多個被動部件或其之一組合。在運作中，所揭露的驅動器電路提供一驅動信號，以從一共通驅動點電性地驅動形成VCSEL陣列裝置之個別的VCSEL(或其他光電裝置)。由所揭露的驅動器電路提供之驅動信號可以是阻抗匹配的、相位平衡的或其之一組合。
回到圖1，一基板堆疊100之剖面圖係描繪出用於實施依據本揭露內容之一實施例之一介面裝置。在一實施例中，半導體裝置包含一光電驅動器裝置、一光電裝置陣列、一介面裝置或其之任何組合。如圖1所示，基板堆疊100包含基板110、接地平面120、第一介電層130以及導體層140。某些實施例可包含一額外介電層150及一層用以製造電阻之層160。基板110為以基板堆疊100實施之一半導體裝置提供一支撐層。於本實施例中，基板110係被描繪成由矽(Si)所構成。然而，熟習本項技藝者將認定其他材料可以類似地用於支撐層。舉例而言，基板110可包含氧化鋁、氮化鋁、碳化矽或其他普通的陶瓷材料。其亦可能是一複合材料，像是FR-4或如印刷電路板所使用之聚醯亞胺。其亦可能是一金屬結構。同樣地，將認定像層厚度這樣的因素可以基於設計選擇、特定應用因素等等而改變。
接地平面120可藉由使用任何已知沈積方法而由任何金屬或形成於基板110上之其他導電材料所構成。這種沈積方法包含：蒸鍍、電解電鍍、無電極電鍍或網印製程。包含接地平面120之導電材料之某些例子包含：鋁(Al)、一鋁合金、銅(Cu)或一銅合金。在運作中，接 地平面120可使經由介面裝置傳播之較高的頻率信號與基板110隔離。藉由使較高的頻率信號與基板110隔離，接地平面120可改善由被這種較高的頻率信號所驅動之一光電裝置所接收之信號強度。在一實施例中，由於在較高的頻率信號與基板110之間的交互作用，接地平面120可藉由降低以其他方式由高頻率信號影響的介質吸收損失，來改善這樣的接收信號強度。
基板堆疊100更包含由介電材料所構成且形成於接地平面120上之第一介電層130。在所描繪的實施例中，第一介電層130係由2.6微米厚的二氧化矽(SiO2)層所構成。然而，第一介電層130可由熟習本項技藝者已知為具有低介電損耗正切值或損耗因數之任何介電材料所構成。舉例而言，第一介電層130可由任何已知的在1千兆赫(GHz)下具有等於或小於0.01之介電損耗正切值之介電材料所構成。在運作中，第一介電層130係形成為非常薄的一層介電材料，其可為半導體裝置建構出非常窄的傳輸線。在一實施例中，這種為半導體裝置建構的傳輸線之寬度係與第一介電層130之厚度成比例。
至少一開口部係被蝕刻進入第一介電層130，且接著以一導電材料(例如金屬)填滿，用以形成導電通道170。在一實施例中，當導體層140被沈積時，被蝕刻進入第一介電層130之至少一開口部係以一導電材料填滿。在一實施例中，被蝕刻進入第一介電層130之至少一開口部係以一與導體平面140之沈積分開的導電材料填滿。導電通道170係用於使接地平面120與在導體層140中所製造之結構電性地耦接。
供以基板堆疊100實施的半導體裝置用之傳輸線，可形成於沈積在第一介電層130上之導體層140中。在一實施例中，這種為半導體裝置建構的傳輸線可具有一實質上固定的阻抗數值。在所描繪的實 施例中，導體層140係由0.5微米(μm)厚的金(Au)層所構成。然而，導體層140可同樣地由熟習本項技藝者已知之適合用於實施在高頻率應用中之導電路徑之任何導電材料所構成。
導電層140亦提供一表面，用以接合光電裝置或光電裝置之陣列。此種接合製程常被稱為倒裝片接合，且接合製程可使用黏焊劑、導電膠或其他手段，以達成在光電裝置與導電層140之間的接觸。導電層140通常可藉由熟習本項技藝者已知的製程而被圖案化，用以建構傳輸線及焊墊以供光電裝置之連結用。
在以基板堆疊100實施的半導體裝置包含多個阻抗元件(例如電阻)之實施例中，基板堆疊100可更包含第二介電層150及電阻層160。如圖1所示，電阻層160可形成於一沈積在導體層140上之第二介電層150上。在所描繪的實施例中，電阻層160係被實施為一層氮化鉭(TaN)，其被沈積在形成第二介電層150之一層SiO2上。然而，電阻層160可同樣地被實施為一層任何已知的電阻式材料，例如鎳鉻合金(NiCr)。
第二介電層150可被圖案化，用以允許在多個位置上與導體層140接觸，其可允許光電裝置與導電層140中之多個焊墊接觸，且使電阻層160在電阻被製造處與導體層140接觸。導體層140及電阻層160每個都可藉由熟習本項技藝者已知的製程而被圖案化，用以形成離散電阻。相似地，第二介電層150可藉由使用任何已知的介電材料而被實施。當被實施時，至少一開口部係被蝕刻進入第二介電層150，且接著以一導電材料填滿(例如，金屬)，用以形成導電通道180。導電通道180係用於使電阻層160與在導體層140中所製造之多個結構電性地耦接。
如上所述，在實施例中，基板堆疊100可用於實施一介面裝置以供可接合至基板堆疊100之表面之光電裝置或這種裝置之陣列 用。在一實施例中，將由基板堆疊100所實施之介面裝置接合至光電裝置可能需要介面裝置，藉以提供實質上在相同的平面中的複數個接觸點以供充分的接合接觸。在將介面裝置接合至光電裝置之時，在由導電通道170(與在被實施時之導電通道180)所提供之基板堆疊100之內的層間連接，可使陽極及陰極接點藉由使用在導體層140中被圖案化之特徵而被製成。
介面裝置可提供在一裝置驅動器與光電陣列裝置之間的一阻抗匹配及/或相位匹配介面。舉例而言，介面裝置可提供在一裝置驅動器與一包含複數個VCSEL之光電陣列裝置之間的一阻抗匹配及/或相位匹配介面。在一實施例中，此複數個VCSEL之每個VCSEL可利用以圖2中所描繪之等效電路模型表示。包含在由圖2所描繪之等效電路模型中之電子部件之每一個數值被選擇為表示一VCSEL，其被提供以8毫安(mA)的偏壓電流。圖3至圖4顯示由圖2所描繪的例示VCSEL之等效電路模型之各種參數。於圖3中，Smith圖表顯示關於確定描繪於圖2中之例示VCSEL之等效電路模型之S11散射參數(s參數)之資料。於圖4中，圖表400顯示所確定的輸入阻抗之實際部件，而圖表450顯示確定描繪於圖2中之例示VCSEL之等效電路模型之輸入阻抗之假想部件。
依據本揭露內容之實施例之介面裝置，係用於使一驅動器裝置之一輸出阻抗與在形成一光電陣列裝置之複數個光電裝置之間的每個光電裝置之一輸入阻抗匹配。舉例而言，這種介面裝置係用於使一驅動器裝置之一輸出阻抗與在複數個VCSEL之間的每個VCSEL(如以圖2所描繪的等效電路模型表示)之一輸入阻抗匹配。藉由使驅動器裝置之輸出阻抗與每個光電裝置之輸入阻抗匹配，可能減少介入的傳輸線上之電反射。此外，可增加在驅動器裝置與每個光電裝置之間的功率傳輸。
既存的驅動器裝置用於驅動具有一固定的差動輸出之光電裝置，例如為多個VCSEL。舉例而言，由加利福尼亞州聖約瑟之MAXIM積體公司所提供之MAX3946差動驅動器裝置可具有50Ω之固定的差動輸出。然而，光電裝置之輸入阻抗可能隨著頻率改變，如以圖4之圖表400與450所顯示的。因此，需要一介面裝置以提供在具有一固定的差動輸出的一驅動器裝置與隨著頻率改變之一光電陣列裝置中之一每個光電裝置之輸入阻抗之間的一阻抗匹配的介面。
在一實施例中，當關於驅動器裝置輸出及每個光電裝置輸入兩者的阻抗數值主要為電阻特性時，這種阻抗匹配介面可藉由提供由具有適當的阻抗數值之傳輸線所構成之一介面裝置而實施。舉例而言，因為只有阻抗之實際部件出現在主要電阻式阻抗中，所以適當的阻抗數值，可藉由獲取驅動器裝置輸出阻抗與光電裝置輸入阻抗之乘積之平方根而決定。依據本實施例所實施之一介面裝置可能被認為是非常寬頻，因為其主要電阻式阻抗數值將不會隨著頻率改變。然而，在多個寬頻頻率範圍內運作之系統中，關於驅動器裝置輸出及每個光電裝置輸入兩者之阻抗數值，亦將包含阻抗之強大的反應性分量。因此，一種不同的介面裝置可能是在寬頻頻率範圍內運作之系統所需要的。
在一實施例中，供在寬頻頻率範圍內運作之系統用之一介面裝置可包含一基於電阻的功率分配器。於本實施例中，與基於電阻的功率分配器之一個或多個分歧(或傳輸路徑)相關的電阻值可以基於在兩個或以上的因素之間的折衷來確定。舉例而言，與一個或多個分歧相關的電阻值，可基於各個分歧之間的阻抗匹配，以及由於偏置電流引起的一個或多個分歧中的電阻式壓降之間的折衷而確定。如本文所用，「基於電阻的功率分配器」表示一寬頻微波電路，用於在兩個或以上的輸出 之間從單一輸入分配功率。在一實施例中，多個基於電阻的功率分配器可以分階段或串聯連接，用以在三個或以上的輸出之間提供額外功率分配。
圖5係為說明依據本揭露內容之實施例之包含一基於電阻的功率分配器(亦即，基於八路電阻的功率分配器505)之一介面裝置500之一例之示意圖。如圖5所示，介面500包含輸入510、電阻520及輸出接點530。在一實施例中，基於八路電阻的功率分配器505包含基於電阻的功率分配器540-552，其係以基於八路電阻的功率分配器505之子部分被表示在圖5中。如熟習本項技藝者所熟知的，一個或多個電阻520可以用任何數量的物理電阻來實施。如此，電阻520表示與基於八路電阻的功率分配器505之一對應段相關的電阻值。在一實施例中，在電阻520之間的每個電阻可具有一等效電阻值。於本實施例中，等效電阻值(R)係由方程式1所決定：
其中：Zo=傳輸線之特徵阻抗，例如50Ω
N=包含在基於電阻的功率分配器中之一些輸出接點
舉例而言，一個基於兩路電阻的功率分配器，例如基於電阻的功率分配器540-552之任何一個，可使用多達三個電阻。假設於此例子中供傳輸線用之一特徵阻抗為50Ω，則三個電阻之每一個可具有16.67Ω(50Ω/3)之電阻值。如上所述，基於八路電阻的功率分配器505包含基於電阻的功率分配器540-552。如此，基於八路電阻的功率分配器505使用一系列三層之基於兩路電阻的功率分配器，用以將於輸入510 所接收的功率分配在八個輸出接點520之間。依據方程式1，包含電阻之這些基於兩路電阻的功率分配器之每個都具有16.67Ω之電阻值。相較之下，習知之功率分配器可以包含一般具有大約37.78Ω之電阻值之電阻之單一的基於八路電阻的功率分配器實施。因為電阻520之較低的電阻值之結果，基於八路電阻的功率分配器505經歷由於偏壓電流而比習知之功率分配器更低的電阻式壓降。
在一實施例中，當使用介面裝置500以提供在包含圖2之複數個例示VCSEL之一光電陣列裝置與一驅動器裝置(提供8mA偏壓電流給每個VCSEL)之間的介面時，所獲得之結果顯示於下表1。
使用基於電阻的功率分配器之一項優點可能是它們非常廣頻。它們是非常寬廣的頻帶，因為這種裝置可以從直流電(DC)運行直到一最大頻率，其僅受到一基於電阻的功率分配器結構的一寄生電容的限制。基於電阻的功率分配器之另一個優點，可能是它們可被實施為非常小型的裝置。這種裝置之一最小尺寸限制，可以由用於實施基於電阻的功率分配器之特定的半導體製程加上。相較之下，非電阻式功率分配器(例如，Wilkinson及Gysel功率分配器)一般為窄頻裝置，其具有相當大的物理尺寸，而可能難以整合到一微型光電陣列裝置。
在一介面裝置中包含一基於電阻的功率分配器之一個可能的缺點，可能是於一輸入所接收的一部分功率，可能被在到達一輸出之前的一個或多個分歧中之電阻所消耗。舉例而言，於一輸入所接收的大約一半的功率，可能被在到達一輸出之前的一個或多個分歧中之電阻所消耗。
圖6說明依據本揭露內容之實施圖5之介面裝置500之一實施例之一介面裝置600。半導體裝置600包含接地接觸(陰極)區域605、輸入610、電阻620、輸出接點630、基於電阻的功率分配器640-652以及VCSEL 660-672。在一實施例中，VCSEL 660-672集體地形成一光電陣列裝置。介面裝置600更包含傳輸線680-686，其將在輸出接點630之間的每個輸出接點電連接至在VCSEL 660-672之間的一個VCSEL。在一實施例中，在傳輸線680-686之間的每條傳輸線係被配置在介面裝置600上，以使在傳輸線680-686之間的每條傳輸線具有一相等的電性長度。亦即，傳輸線680之一電性長度係與傳輸線683之一電性長度相當，其係與傳輸線686之一電性長度相當，等等。
在一實施例中，在傳輸線635與680-686之間的每條傳輸線，係形成於一基板堆疊之一導體層中，例如圖1之導體層140。接地端或陰極接觸區域605亦形成於與傳輸線相同的導電層中。此種導電圖案係藉由圖案化過程與傳輸線隔離，且利用在導電層(圖1中顯示為170)之間的通孔連接至接地層(圖1中之導體層120)。如上所述，每條傳輸線之寬度可基於介於導體層及一下層基板之間的一介電層(例如，圖1之第一介電層130)之厚度而決定。舉例而言，如果介於導體層與下層基板之間的介電層為2.6μm，則在傳輸線635與680-686之間的每條傳輸線可具有5μm之寬度。又，於此例子中，在傳輸線635與680-686之間的每 條傳輸線可具有50Ω之阻抗數值。
在一實施例中，在電阻620之間的每個電阻可形成於一基板堆疊之一電阻層中，例如圖1之電阻層160。如上所述，一介電層可介於基板堆疊中之電阻層與導體層之間。於一例中，一電阻層可藉由使例如TaNi之一層之電阻式材料沈積在一介電層上而實施。又，於此例子中，在電阻620之間的每個電阻可具有16.7Ω之電阻值。在一實施例中，在傳輸線635之間的每條傳輸線，可能在圍繞在電阻620之間的每個電阻的一區域中，從5μm的寬度逐漸變化至24μm的寬度。雖然每條傳輸線可能取決於像下述這樣的因素，而從一不同的初始寬度逐漸變化至一不同的電阻鄰近寬度：介於一導體層與一下層基板之間的一介電層之厚度；一電阻之電阻值；等等。這種在圍繞一電阻之一區域中使一傳輸線之寬度從一第一數值逐漸變化至一第二數值，可使一信號傳播路徑中的的中斷最小化，其可能導致反射。於圖6中，圍繞在電阻620之間的某些電阻的這個區域之一例，係以指示符690表示。在設計介面裝置600時，介面裝置600可以藉由使信號傳播路徑中的中斷最小化，而以比其他可能的更高的資料速率提供相位同調信號。
圖7係為說明依據本揭露內容之實施例之包含一無電阻功率分配器(亦即，八路無電阻功率分配器705)之一介面裝置700之一例之示意圖。相較於圖5之介面裝置500之下，介面裝置700並不包含電阻。反而是，介面裝置700利用具有一實質上固定的阻抗數值(例如，50Ω)之複數條傳輸線735，以將輸入610電性連接至輸出接點630。在一實施例中，介面裝置700在一驅動器裝置與一光電陣列裝置之間，提供一相位匹配的介面，而非一阻抗匹配的介面。於本實施例中，在沒有電阻的情況下，介面裝置700可能無法調整位於每個「三通(tee)」接面或交點 的整體阻抗，來提供一阻抗匹配的介面。此外，介面裝置700可能無法譬如藉由在電阻周圍的一區域中逐漸變化至在傳輸線635之間的每條傳輸線，如介面裝置500所做的那樣來使反射最小化。然而，介面裝置700可提供改善的功率傳輸至任何輸出接點，因為沒有導入一電阻式壓降的電阻。
圖8說明依據本揭露內容之實施圖7之介面裝置700之一實施例之一介面裝置800。介面裝置800包含接地接觸(陰極)區域605、輸入610、輸出接點630、無電阻功率分配器740-752、VCSEL 660-672以及傳輸線680-686。
在一實施例中，在使用介面裝置700以提供在一光電陣列裝置(包含圖2之複數個例示VCSEL)與一驅動裝置(提供8mA偏壓電流給每個VCSEL)之間一介面時，所獲得之結果係顯示於下表2中。
表1與表2之比較證明了包含一無電阻功率分配器之一介面裝置(例如，介面裝置700)，比包含一基於電阻的功率分配器之一介面裝置(例如，介面裝置500)傳送一更高的(-12.7dB對-16.9dB)功率傳輸至任何輸出接點。但是，就阻抗匹配及輸出接點至輸出接點隔離而論，包含無電阻功率分配器之介面裝置比包含基於電阻的功率分配器之介面裝 置執行更糟。又，包含無電阻功率分配器之介面裝置仍然可較習知之裝置驅動器優越，因為其確實提供一相位匹配的介面及某些輸出接點至輸出接點隔離。然而，包含無電阻功率分配器之介面裝置可能比包含基於電阻的功率分配器整體之介面裝置執行更糟。舉例而言，由在傳輸線與光電裝置之間的失配所產生的反射，可耦接至一光電陣列裝置中之其他光電裝置。一項勝過包含基於電阻的功率分配器之介面裝置之優點，係為包含無電阻功率分配器之介面裝置可能更容易製造，因為它不涉及積體電阻製造。
圖9係為顯示用以製造提供在一光電裝置陣列與一驅動器裝置之間的一阻抗匹配及/或一相位匹配介面之一介面裝置之一方法900之一實施例之流程圖。在一實施例中，介面裝置係包含上述任何組合之部件。舉例而言，介面裝置可包含下述之一個或多個：一輸入；一輸出，包含複數個輸出接點；一功率分配器，包含具有一共通電性長度之複數個傳輸線。在一實施例中，功率分配器可更包含複數個電阻。
在區塊910中，供給為介面裝置提供一支撐層之一基板。在一實施例中，以區塊920-970表示之步驟的順序可能形成一實質上類似於圖1之基板堆疊100之基板堆疊。製造順序可包含以區塊920-970表示之可選擇的區塊之一個或多個。在區塊920中，一金屬或導電層係沈積在基板910上，以形成一接地平面供裝置用。一般而言，在區塊925中，層920將藉由熟習本項技藝者已知的多數製程之其中一個而被圖案化，用以移除如最後的裝置配置所需要的某些區域之材料。圖案化層920及其他後來的沈積層之手段可能涉及將一圖案化的光罩層建立在光阻中，光阻將在沉積之後，將金屬層留在未被抗蝕劑覆蓋的區域中而被移除。類似的製程可包含絲網法供以後將被燒結之一金屬糊料沈積或一遮 蔽光罩用，以定義金屬沈積之區域。在920中的金屬沈積步驟之後被執行之一替代圖案化方法係用以掩蓋部分金屬層，並藉由濕或乾蝕刻製程蝕刻掉在無保護的區域中的金屬。
在可選擇的區塊930中，一第一介電層係沈積在包含接地平面之基板上。在可選擇的區塊935中，介電層係藉由如較早的區塊925所說明的數個製程之其中一個而被圖案化。這種圖案化製程可包含在介電層中到區塊920之接地平面層之表面開口。在可選擇的區塊940中，用以形成複數條傳輸線之一導體層係沈積在基板上。導體層接著可藉由區塊945製程被圖案化並被蝕刻以形成傳輸線及焊墊。在一實施例中，於此區塊920之接地平面層係藉由區塊930之介電層之區塊935之圖案化而露出，一個或多個導電通道(例如，圖1之導電通道170)，係藉由區塊940中所沈積之導電層被製造在第一介電層之內，用以將接地平面電性耦接至形成於一導體層中之特徵以供陽極及陰極接點用。
在可選擇的區塊950中，一第二介電層被沈積在基板上。第二介電層接著可在區塊955中被圖案化並被蝕刻，以允許光電裝置與導電層接觸及用於形成電阻於電阻層中以與導電層接觸。在可選擇的區塊960中，一額外導電層係沈積在區塊950及955之圖案化的介電層，以為形成於電阻層中之電阻提供電性接觸。在可選擇的區塊965中，區塊960之導電層被圖案化，俾能為待在區塊970及975中被製造之電阻建立電性接觸。在一實施例中，一個或多個導電通道(例如，圖1之導電通道180)係藉由區塊955之圖案化過程，而被製造在區塊950之第二介電層之內，用以將區塊960之導體層電性耦接至形成於一電阻層中之特徵以形成電阻。在可選擇的區塊970中，用以形成複數個電阻之一電阻層沈積在基板上。接著電阻層可藉由區塊975之製程被圖案化並被蝕 刻，以形成離散電阻。在電阻層接觸區塊960及965之導電圖案的情況下，經由圖1之導電通道180與形成於區塊940中之導電層之接觸。導電、介電及電阻層之圖案化，可藉由通常用來製造混合式電路之平版印刷製程來完成。可使用其他製程，例如絲網印刷或圖案化沈積。
圖10係為依據本揭露內容之實施例之具有接合至一光電陣列裝置1020之無電阻功率分配器之一介面裝置1010之剖面圖。在一實施例中，介面裝置1010可實質上類似於圖8之介面裝置800。在一實施例中，無電阻功率分配器可實施為圖8之無電阻功率分配器740-752。介面裝置1010可由包含矽、陶瓷、印刷電路板及扁平撓性電纜之多數的可能材料所組成。舉例而言，介面裝置1010可具有基板110、接地平面120、第一介電層130以及圖1之導體層140。
為了均勻地驅動一陣列之光電裝置1022，於此所說明之實施例可能使用介面裝置1010以經由倒裝片接合與此陣列之光電裝置電性接觸。這顯示於圖10中，其說明倒裝片接合至介面裝置1010之光電陣列裝置1020。倒裝片接合製程可以由一台機器所達成，此機器使兩個基板(亦即，光電陣列裝置1020及介面裝置1010)對準在一起，接著，使它們彼此接觸並在此些基板之前或之後加熱一個或兩個基板。舉例而言，一個基板可加熱至大約285℃並維持於那個溫度持續大約10分鐘。然後可以使用20克重量施加一向下壓力。接著可允許接合晶圓冷卻至室溫，藉以完成它們的處理。供高速VCSEL陣列用之倒裝片接合技術之使用，係說明於美國專利申請第12/707,657號中，其全部於此併入作參考。
光電陣列裝置1020可包含複數個個別的光電裝置1022及一陣列之微透鏡1024。各該光電裝置1022可與一焊球或其他導電接合接觸以提供光電陣列裝置1020機械支撐、電性接觸、熱傳導或其組合。焊 球(或其他導電接合)可達成在光電裝置1022及安置在光電陣列裝置1020之下的阻抗匹配傳輸線(未顯示)之間的電性耦合。在一實施例中，電性接點可設置於由介面裝置1010所提供的阻抗匹配傳輸線之末端，以促進此種電性耦合。在一實施例中，電性接點可形成使用一導體層(例如，圖1之導體層140)。在一實施例中，電性接點可為一陰極分裝金屬、一陽極分裝金屬或其組合。在一實施例中，阻抗匹配傳輸線提供高數據速率光信號到光電陣列裝置1020之傳輸。
如所說明的，複數個光電裝置1022可能位於光電陣列裝置1020之一下表面上，並使它們的光投射通過光電陣列裝置1020之基板之厚度，並通過一陣列之微透鏡1024。此陣列之個別的微透鏡1024是以在光電陣列裝置1020對向光電裝置1022之一上表面上的個別的隆起部來說明。藉由複數個光電裝置之光學放射可被導引通過光電陣列裝置1020之基板，並通過此陣列之微透鏡1024，以形成一組合的陣列輸出光束。在一實施例中，光電陣列裝置1020之基板可包含允許光學放射發射通過基板之開口部或窗孔。雖然於此說明底部放射光電裝置，但在多個實施例中可使用頂部放射光電裝置及底部放射光電裝置兩者。
圖11-12說明具有接合至一光電陣列裝置1150之基於電阻的功率分配器之介面裝置(分別為1100及1200)之實施例。在一實施例中，介面裝置1100及1200實質上可能類似於圖6之介面裝置600。介面裝置1100及1200可以由多數可能的材料，包含矽、陶瓷、印刷電路板以及扁平撓性電纜所組成。舉例而言，介面裝置1100及1200可具有圖1之基板110、接地平面120、第一介電層130、導體層140、第二介電層150以及電阻層160。介面裝置1100及1200中之阻抗元件可以由一電阻層(例如，圖1之電阻層160)所形成。這種阻抗元件可用於實施介面裝置 1100及1200中之一個或多個基於電阻的功率分配器(例如，圖6之基於電阻的功率分配器640-652)。
更明確而言，圖11說明接收位於經由外部導體1160及1170電性耦接至一裝置驅動器(未描繪出)之一輸入接點1102之偏壓電流之一介面裝置1100之一剖面圖。舉例而言，外部導體1160及1170可能是與一電子封裝相關的配線，電子封裝連接至接合至介面裝置1100之輸入接點1102及輸出接點1110之驅動器裝置。於由圖11所描繪之本實施例中，偏壓電流從輸入接點1102流至阻抗元件1104。在一實施例中，輸入接點1102實質上係類似於圖6之輸入610。偏壓電流從阻抗元件1104流至陽極接點1106，陽極接點1106將介面裝置1100電性耦接至光電陣列裝置1150之陽極1152。在一實施例中，陽極接點1106係為在一導體層(例如，圖1之導體層140)中被圖案化之一特徵。如此，一條輸入電流路徑係形成於由圖11所描繪之本實施例中，從輸入接點1102到陽極接點1106。
於由圖11所描繪之本實施例中，一傳回電流路徑開始於陰極接點1108，於此傳回電流是從光電陣列裝置1150之陰極1154被接收。在一實施例中，陰極接點1108為在一導體層(例如，圖1之導體層120，以及圖6與圖8之605)中被圖案化之一特徵。傳回電流經由一導體層從陰極接點1108流至輸出接點1110。在一實施例中，導體層實質上類似於圖1之導體層120。傳回電流經由外部導體1170從輸出接點1110流至驅動器裝置(未描繪出)。如此，傳回電流路徑係形成於由圖11所描繪之本實施例中，從陰極接點1108到輸出接點1110。
圖12說明一介面裝置1200之一剖面圖，介面裝置1200從連接至裝置驅動器(未描繪出)之一印刷電路板上的一焊料墊接收位於 一輸入接點1202之偏壓電流，而裝置驅動器係藉由使用導電通道被安排路徑至光電陣列裝置1150。在一實施例中，輸入接點1202實質上類似於圖6之輸入610。於以圖12所描繪之本實施例中，偏壓電流經由導電通道1204及1206而從輸入接點1202流至阻抗元件1208。在一實施例中，導電通道1204及1206的實施，可藉由類似於那些用來形成圖1中之導電通道170及180之製程在基板(圖1之層110)中建立導電通道。偏壓電流從阻抗元件1208流至陽極接點1210，陽極接點1210將介面裝置1200電性耦接至光電陣列裝置1150之陽極1152。在一實施例中，陽極接點1210係為在一導體層(例如，圖1之導體層140)被圖案化之一特徵。如此，一條輸入電流路徑形成於以圖12所描繪之本實施例中，從輸入接點1202至陽極接點1210。
於以圖12所描繪之本實施例中，一傳回電流路徑開始於陰極接點1212，其中傳回電流係從光電陣列裝置1150之陰極1154被接收。在一實施例中，陰極接點1212係為在一導體層(例如，圖1之接地導體層120及圖6及圖8中之605)中被圖案化之一特徵。傳回電流經由導電通道1214從陰極接點1212流至輸出接點1216。在一實施例中，導電通道1214可藉由類似於那些用來形成圖1中之導電通道170及180之製程在基板(圖1之層110)中建立導電通道而實施。傳回電流從輸出接點1216流至驅動器裝置(未描繪出)。如此，傳回電流路徑係形成於由圖11所描繪之本實施例中，從陰極接點1210至輸出接點1216。
圖13顯示圖11之示例性介面裝置和光電陣列裝置與在一中空體電子封裝1300之內的接點1310及1320之引線接合。如上關於圖11所述，外部導體1160及1170可以是與具有連接至一驅動器裝置的一電子封裝1300相關的配線。藉由接合外部導體1160及1170至介面裝置 1100之輸入接點1102及輸出接點1110，形成如圖15所示的系統。
圖15中所描繪之系統1500包含一驅動器電子設備、一介面裝置及光電裝置陣列，亦可藉由圖12中所描繪之示例性介面裝置及光電陣列裝置而形成，且如更進一步顯示於圖14中。在圖14中，介面裝置1200可以像一表面安裝裝置那樣接合(例如焊接)到與一印刷電路板1400的導電線路1410和1420相關的導電焊墊。在形成以圖15所顯示之系統1500之時，一介面裝置(例如，介面裝置1100及1200)可提供在一驅動器裝置與一光電陣列裝置1150之間的一相位匹配及/或阻抗匹配介面，藉以致能光電陣列裝置1150中之每個光電裝置相干地且以全功率運作。
如前面所指出，上述之各種特徵及製程可以彼此獨立地使用，或可以以各種方式結合。所有可能的組合及子組合意欲落在此種揭露內容之範疇之內。此外，在某些實施例中可省略某些方法或製程區塊。於此所說明之方法及製程也不受限於任何特定順序，且與其相關的區塊或狀態可以以適當的其他順序執行。舉例而言，說明的區塊或狀態可以依不同於詳細揭露的順序執行，或多個區塊或狀態可被結合在單一區塊或狀態中。示例性區塊或狀態可以以串聯、並聯或以某些其他方式執行。區塊或狀態可加至或從揭露的實施示範例被移除。於此所說明之式例性系統及部件可以與所說明的不同地配置。舉例而言，相較於所揭露的實施示範例，可添加、移除或重新配置元件。
除非特別聲明，或者在所使用的上下文中以其它方式理解，否則於此所使用之條件語言，例如「能」、「能夠」、「可能」、「可以」、「例如」等等通常是意圖傳達：某些實施例包括，而其他實施例並未包括某些特徵、元件及/或步驟。因此，這樣的條件語言通常並未意圖表示 一個或多個實施例以任何方式需要的特徵、元件及/或步驟，或者一個或多個實施例必需包括用於在有或者沒有作者輸入或提示的情況下決定這些特徵、元件及/或步驟是否被包含或被執行在任何特定的實施例中。用語「包含」、「包括」、「具有」等等是同義詞，並且以開放式的方式包含性地使用，並且不排除附加的元件、特徵、動作、操作等等。又，用語「或者」係以其包含的意義(而不是以其專有意義)被使用，俾能例如在使用時連接一連串的元件，用語「或者」意指列表中的一個，某些或所有元件。
本揭露描述了特定的實施例及其詳細的構造和操作。這裡描述的實施例僅僅是為了說明而不是限制。根據本文的教導，本領域技術人員將認識到，存在有這裡描述之示例性實施例的等同範圍。最值得注意的是，其他實施例是可能的，可以對這裡描述的實施例進行改變，並且可以與構成所描述的實施例的組件，部件或步驟等同。為了清楚和簡明，某些實施例的組件或步驟的某些方面在沒有過多細節的情況下呈現，其中這些細節對於本領域技術人員而言根據本文的教導是顯而易見的和/或在這些細節會混淆理解這些實施例的更相關的方面。
上面使用的術語和描述僅僅是為了說明，並不意味著限制。本領域技術人員將認識到，在不脫離本發明的基本原理的情況下，可以對這裡描述的概念進行那些和其他的變化、增強和修改。因此，本發明的範圍應該僅由下面的權利要求及其均等物來確定。

Claims (22)

  1. 一種設備，在一驅動器裝置與一包含複數個光電裝置之光電陣列裝置之間提供一相位匹配的介面，該設備包含：一輸入，用於介面連接該驅動器裝置；一輸出，包含複數個輸出接點，在該等輸出接點之間的每個輸出接點，經由在具有一共通電性長度之複數個傳輸線之間的一傳輸線，以介面連接在該等光電裝置之間的一個光電裝置；及一功率分配器，形成於一電性連接該輸出至該輸入之基板堆疊上。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該基板堆疊包含一接地平面，形成於一基板上且使該功率分配器與該基板電性隔離。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該基板堆疊包含由一第一介電材料所構成之一第一介電層，該功率分配器係形成於該第一介電層上。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之設備，其中該第一介電材料在1千兆赫下具有小於0.01之一介電損耗正切。
  5. 如申請專利範圍第3項所述之設備，其中該等傳輸線之每條傳輸線具有一基於該第一介電層之一厚度而決定的寬度。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該基板堆疊包含一導體層，該等傳輸線係形成於該導體層中。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中在該等輸出接點之間的兩個或兩個以上的輸出接點，係並聯連接至該輸入。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該功率分配器更包含複數個電阻，各該電阻具有一共通電阻值。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之設備，其中該基板堆疊包含一電阻層，該等電阻係形成於該電阻層中。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之設備，其中該電阻層係形成於在該等傳輸線之上的一第二介電層上。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之設備，其中每條傳輸線之一寬度是基於該一個電阻之一電阻值，在圍繞該等電阻之一個電阻之一區域中，從一第一數值逐漸變化至一第二數值。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該功率分配器係為一威爾金森功率分配器。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之設備，其中該基板堆疊係藉由使用薄膜沈積技術而形成。
  14. 一種光電陣列裝置，包含：複數個光電裝置，形成於一基板堆疊上；及一介面裝置，形成於該基板堆疊上，並在每個該等光電裝置與一驅動器裝置之間提供一相位匹配的介面，該介面裝置包含：一輸入，用於介面連接該驅動器裝置；一輸出，包含複數個輸出接點，在該等輸出接點之間的每個輸出接點，經由在具有一共通電性長度之複數個傳輸線之間的一傳輸線，以介面連接在該等光電裝置之間的一個光電裝置；及一功率分配器，電性連接該輸出至該輸入。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之光電陣列裝置，其中該基板堆疊包含：一接地平面，形成於一基板上，且使該功率分配器與該基板電性隔離；一第一介電層，形成於該接地平面上，該等傳輸線之每條傳輸線具有一基於該第一介電層之一厚度而決定的寬度；及一導體層，形成於該第一介電層上，該等傳輸線係形成於該導體層中。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之光電陣列裝置，其中該功率分配器更包含複數個電阻，各該電阻具有一共通電阻值。
  17. 如申請專利範圍第16項所述之光電陣列裝置，其中每條傳輸線之一寬度是基於該一個電阻之一電阻值，在圍繞該等電阻之一個電阻之一區域中，從一第一數值逐漸變化至一第二數值。
  18. 一種介面裝置之製造方法，該介面裝置在一光電陣列裝置與一驅動器裝置之間提供一種相位匹配的介面，該製造方法包含以下步驟：提供一基板；形成一基板堆疊在該基板上，該基板堆疊集體包含該介面裝置，且該介面裝置包含：一輸入，用於介面連接該驅動器裝置；一輸出，包含複數個輸出接點，在該等輸出接點之間的每個輸出接點，經由在具有一共通電性長度之複數個傳輸線 之間的傳輸線，以介面連接在該等光電裝置之間的一個光電裝置；及一功率分配器，電性連接該輸出至該輸入。
  19. 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中形成該基板堆疊的步驟包含：形成一接地平面在該基板上，該接地平面使該功率分配器與該基板電性隔離；形成一第一介電層在該接地平面上，該等傳輸線之每條傳輸線具有一基於該第一介電層之一厚度而決定的寬度；及形成一導體層在該第一介電層上，該等傳輸線係形成於該導體層中。
  20. 如申請專利範圍第19項所述之方法，其中該功率分配器更包含複數個電阻，且其中形成該基板堆疊的步驟更包含：形成一第二介電層在該導體層上；及形成一電阻層在該第二介電層上，該等電阻係形成於該電阻層中。
  21. 如申請專利範圍第14項所述之光電陣列裝置，其中該圖案化的接地平面與形成該等傳輸線之該導體層，係各別藉由打線而連接至一電子封裝，該電子封裝可被焊接到一印刷電路板或直接到一驅動器電路之電性接點。
  22. 如申請專利範圍第14項所述之光電陣列裝置，其中該圖案化的接地平面與形成該等傳輸線之該導體層，係各別藉由該基板中之導電通道而連接至在該基板之該下表面上之導電 接觸焊墊，該等導電接觸焊墊可被焊接到一印刷電路板或直接到一驅動器電路之電性接點。
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