TWI624705B - 包含矽光晶片和耦合器晶片的光學模組 - Google Patents

包含矽光晶片和耦合器晶片的光學模組 Download PDF

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TWI624705B
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周舒瓦 拉及福 闊爾內魯
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Abstract

一種光學模組，其包含：一互連波導管，其會傳輸光信號；一矽光晶片，其會調變該些光信號、偵測該些光信號、或是調變與偵測該些光信號；一耦合器晶片，其被附接至該矽光晶片及該互連波導管，俾使得該些光信號會沿著一介於該矽光晶片與該互連波導管之間的光路徑被傳輸；以及該矽光晶片與該耦合器晶片中的其中一者包含第一對齊突出部、第二對齊突出部、第三對齊突出部。該耦合器晶片與該矽光晶片中的另一者包含一點接點、一線接點、以及一平面接點。該點接點不提供該第一對齊突出部任何移動。該線接點提供該第二對齊突出部線性移動。該平面接點提供該第三對齊突出部平面移動。

Description

包含矽光晶片和耦合器晶片的光學模組
本發明和光學模組有關。更明確的說，本發明和具有矽光裝置的光學模組有關。
相關申請案
本申請案於35 U.S.C.§119(e)的規範下主張下面申請案的權利：2015年3月12日提申的美國申請案第62/131,971號；2015年3月12日提申的美國申請案第62/131,989號；2015年3月13日提申的美國申請案第62/132,739號；2015年3月17日提申的美國申請案第62/134,166號；2015年3月17日提申的美國申請案第62/134,173號；2015年3月17日提申的美國申請案第62/134,229號；2015年5月7日提申的美國申請案第62/158,029號；以及2015年9月9日提申的美國申請案第62/215,932號。本文以引用的方式將美國申請案第62/131,971號、第62/131,989號、第62/131,739號、第62/134,166號、第62/134,173號、第62/134,229號、第62/158,029號、以及第62/215,932號中每一案的完整內容併入。
使用光學互連取代電氣互連雖然可以達成顯著的增益頻寬 以及頻寬密度(被傳收器佔用的表面積的Gb/s/m2)；不過，光學互連已經存在於電信網路(跨海網路、大都會網路、…等)的心臟中，它們並未達到整合的程度，而且成本以及能量效率並不足以取代短程鏈路上的電氣互連。舉例來說，以垂直空腔表面發射雷射(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，VCSEL)為基礎的光學互連的價格仍然比電氣互連貴了十倍。應用大量製造技術以及低成本電子製程的概念已經可以將光功能整合至矽基板之中。被用來製造電子積體電路的基礎架構以及訣竅亦能夠套用於光積體電路，大幅地降低它們的成本。
大量的開發努力被聚焦在整合光功能於矽之中，但卻較少致力於將光從矽光元件處耦合至光纖。許多利用離散器件或積體電路的先前技術光學模組皆配備光纖尾纖(fiber pigtail)並且使用一主動對齊過程來對齊該光纖與雷射源或光偵測器。但是，該主動對齊過程經常依賴於利用多軸機器人來進行動態式或主動式對齊(舉例來說，利用電力或光電流回授)。一旦取得最佳的耦合信號便會利用雷射熔接或是UV(紫外光誘發)固化來固定該光纖。該光纖會被端點耦合(butt coupled)至一裝置或是被固定在一具有微透鏡的聚焦平面之中，該些微透鏡被用來將光耦合至該光纖之中/外面。
主動式動齊有數項缺點。其為製程時間約1分鐘/部件(minute/part)的整體式製程，而且無法擴大至大量的光學埠。和將光耦合至矽光元件之中以及外面相關聯的費用對於以光為基礎的短程鏈路來說，商業存活性有限。因此，需要一種耐用、低成本的方法，用以將光耦合至矽光元件之中以及外面。
和長途電信中的情形雷同，用於光學互連的波長分工器 (Wavelength Division Multiplexing，WDM)非常引人注目，因為其可減少光纖的數量、減少光纖對齊、並且降低和進行光纖佈線相關聯的成本。WDM技術會在單一光纖上多工處理位於不同波長處的數個光學信號。舉例來說，在O頻帶(O-band)中的寬鬆式WDM系統會使用波長為約1271nm、1291nm、1311nm、以及1331nm的四條通道。WDM可以讓此四條通道中的每一條通道在一束光纖上被同步傳輸，從而提高可利用的每條光纖頻寬。為使用WDM，必須在該光學鏈路的末端處提供多工/解多工，用以結合/分離該些不同波長的通道。因此，需要一種耐用、低成本的方法，用以整合多工/解多工功能和矽光元件。
為克服上面所述的問題，本發明的較佳實施例提供一種光學模組，其包含下面中的一或更多者：(1)動力對齊(kinematic alignment)，其包含第一對齊突出部、第二對齊突出部、第三對齊突出部，以及對應的點接點、線接點、以及平面接點；(2)一耦合器晶片，其會改變由該些光信號所定義的一射束的剖面尺寸；(3)一耦合器晶片，其包含一多工器、一解多工器、或是一多工器以及一解多工器；(4)一分隔體，其被附接至一矽光晶片，其中，該分隔體會被陽極焊接至該矽光晶片；(5)一排列，其中，由該些光信號所定義的一射束的剖面尺寸較佳的係 在位於該矽光晶片與該耦合器晶片之間的介面處為最大；(6)一排列，其中，由該些光信號所定義的一射束的剖面尺寸在該耦合器晶片的第一表面及第二表面處並不相同；(7)一互連波導管，其包含一光點尺寸轉換器區；(8)一互連波導管，其會與該矽光晶片形成斜角；(9)一耦合器晶片與一矽光晶片，它們被陽極焊接在一起；以及(10)一光偵測器，其被表面鑲嵌至該矽光晶片。本發明的較佳實施例還提供一種傳收器，其具有一鎖存器，用以讓該互連波導管可以脫離；本發明的較佳實施例還提供一種利用位在沒有彼此相向的兩塊基板的表面中的基準點來對齊該兩塊基板的方法；以及本發明的較佳實施例還提供製造光學模組的方法。
根據本發明的一較佳實施例提供一種光學模組，其包含：一互連波導管，其會傳輸光信號；一矽光晶片，其會調變該些光信號、偵測該些光信號、或是調變與偵測該些光信號；一耦合器晶片，其被附接至該矽光晶片及該互連波導管，俾使得該些光信號會沿著一介於該矽光晶片與該互連波導管之間的光路徑被傳輸；以及該矽光晶片與該耦合器晶片中的其中一者包含第一對齊突出部、第二對齊突出部、第三對齊突出部。該耦合器晶片與該矽光晶片中的另一者包含一點接點、一線接點、以及一平面接點。該點接點不提供該第一對齊突出部任何移動。該線接點提供該第二對齊突出部線性移動。該平面接點提供該第三對齊突出部平面移動。
較佳的係，該些第一對齊突出部、第二對齊突出部、第三對齊突出部為由玻璃製成球體，它們位於被提供在該矽光晶片與該耦合器晶 片中的其中一者之中的倒角錐體之中。該光學模組較佳的係進一步包含一分隔體，其被附接至該矽光晶片。該分隔體與該矽光晶片較佳的係被陽極焊接在一起。
由該些光信號所定義的一射束的剖面尺寸較佳的係在位於該矽光晶片與該耦合器晶片之間的介面處為最大。由該些光信號所定義的一射束的剖面尺寸較佳的係一開始沿著該光路徑遞增並且接著沿著該光路徑遞減。
該矽光晶片與該耦合器晶片中的至少其中一者較佳的係包含一聚焦元件。該聚焦元件較佳的係一準直透鏡。該互連波導管較佳的係可以脫離該光學模組。該互連波導管包含一光點尺寸轉換器區。該矽光晶片較佳的係包含一光偵測器，其被鑲嵌至該矽光晶片的表面。該矽光晶片與該耦合器晶片較佳的係包含位於沒有彼此相向的表面上的多個基準點。
根據本發明的一較佳實施例提供一種傳收器，其包含一根據本發明各種較佳實施例的光學模組以及一印刷電路板。該矽光晶片被連接至該印刷電路板。
該傳收器較佳的係進一步包含一殼體，用以封入該矽光晶片以及該耦合器晶片。該傳收器較佳的係進一步包含一鎖存器，其會將該耦合器晶片固定在該殼體之中，其中，該耦合器晶片可以藉由解鎖該鎖存器而脫離該殼體。
根據本發明的一較佳實施例提供一種光學模組，其包含：一矽光晶片，其包含一波導管，該波導管會傳輸光信號；以及一耦合器晶片，其被附接至該矽光晶片，俾使得該些光信號會沿著一介於該矽光晶片與該 耦合器晶片之間的光路徑被傳輸。該耦合器晶片會改變由該些光信號所定義的一射束的剖面尺寸，而且該耦合器晶片包含一多工器、一解多工器、或是一多工器以及一解多工器。
該多工器、該解多工器、或是該多工器以及該解多工器較佳的係包含一埃謝勒格柵(Echelle Grating)、一陣列式波導管格柵、一方向耦合器、一分色濾光器，或是一共振干涉濾波器。該射束的剖面尺寸較佳的係在位於該矽光晶片與該耦合器晶片之間的介面處為最大。該射束的剖面尺寸較佳的係一開始沿著該光路徑遞增並且接著沿著該光路徑遞減。較佳的係，一光偵測器被表面鑲嵌至該矽光晶片或者被併入於該矽光晶片裡面。一光源較佳的係被併入於該矽光晶片裡面。該光學模組較佳的係進一步包含一位於該矽光晶片外面的光源，其中，來自該光源的光會被供應至該矽光晶片。該矽光晶片較佳的係包含一位於該光路徑之中的通孔。該矽光晶片與該耦合器晶片較佳的係彼此陽極焊接。
根據本發明的一較佳實施例提供一種光學模組，其包含：一矽光晶片，其包含一波導管，該波導管會傳輸光信號；以及一耦合器晶片，其被附接至該矽光晶片，俾使得該些光信號會沿著一介於該矽光晶片與該耦合器晶片之間的光路徑被傳輸。該光路徑包含該耦合器晶片的一第一表面以及該耦合器晶片的一第二表面。由該些光信號所定義的一射束的剖面尺寸在該第一表面及該第二表面處並不相同。
該矽光晶片與該耦合器晶片中的至少其中一者較佳的係包含一聚焦元件。該聚焦元件較佳的係一準直透鏡。
根據本發明的一較佳實施例提供一種對齊兩塊基板的方 法，其包含：提供一具有一第一基準點的第一基板以及一具有一第二基準點的第二基板，該些第一基準點與第二基準點位在彼此不相向的第一基板的表面與第二基板的表面；提供彼此反向的第一相機與第二相機，俾使得該第一相機看見該第一基準點並且該第二相機看見該第二基準點；以及藉由利用該些第一相機與第二相機來對齊該些第一基準點與第二基準點而對齊該些第一基板與第二基板。
根據本發明的一較佳實施例提供一種光學模組，其包含：一矽光晶片，其包含一波導管，該波導管會傳輸光信號；以及一耦合器晶片，其被附接至該矽光晶片，俾使得該些光信號會沿著一介於該矽光晶片與該耦合器晶片之間的光路徑被傳輸。該耦合器晶片會改變由該些光信號所定義的一射束的剖面尺寸。該射束的剖面尺寸在位於該矽光晶片與該耦合器晶片之間的介面處為最大。
根據本發明的一較佳實施例提供一種光學模組，其包含：一互連波導管，其會傳輸光信號；一矽光晶片，其會調變該些光信號、偵測該些光信號、或是調變與偵測該些光信號；以及一耦合器晶片，其被附接至該矽光晶片及該互連波導管，俾使得該些光信號會沿著一介於該矽光晶片與與該互連波導管之間的光路徑被傳輸。該互連波導管包含一光點尺寸轉換器區，其中，由該些光信號所定義的一射束的剖面尺寸會改變。
根據本發明的一較佳實施例提供一種光學模組，其包含：一矽光晶片，其包含一波導管，該波導管會傳輸光信號；以及一耦合器晶片，其被附接至該矽光晶片，俾使得該些光信號會沿著一介於該矽光晶片與該耦合器晶片之間的光路徑被傳輸。該耦合器晶片會改變由該些光信號所定 義的一射束的剖面尺寸。該耦合器晶片與該矽光晶片會被陽極焊接在一起。
根據本發明的一較佳實施例提供一種光學模組，其包含：一互連波導管，其會傳輸光信號；一矽光晶片，其會調變該些光信號、偵測該些光信號、或是調變與偵測該些光信號；以及一耦合器晶片，其被附接至該矽光晶片及該互連波導管，俾使得該些光信號會沿著一介於該矽光晶片與與該互連波導管之間的光路徑被傳輸。該互連波導管會與該矽光晶片形成斜角。
根據本發明的一較佳實施例提供一種傳收器，其包含：一印刷電路板；一光學模組，其包含一互連波導管，該互連波導管會傳輸光信號；一矽光晶片，其被連接至該印刷電路板並且會調變該些光信號、偵測該些光信號、或是調變與偵測該些光信號；一耦合器晶片，其被附接至該矽光晶片及該互連波導管，俾使得該些光信號會沿著一介於該矽光晶片與與該互連波導管之間的光路徑被傳輸；以及一殼體，用以封入該矽光晶片以及該耦合器晶片。該耦合器晶片會利用一鎖存器被固定在該殼體之中。該耦合器晶片可以藉由解鎖該鎖存器而脫離該殼體。
根據本發明的一較佳實施例提供一種光學模組，其包含：一矽光晶片，其包含一波導管，該波導管會傳輸光信號；一耦合器晶片，其被附接至該矽光晶片，俾使得該些光信號會沿著一介於該矽光晶片與該耦合器晶片之間的光路徑被傳輸；以及一光偵測器，其被表面鑲嵌至該矽光晶片。
根據本發明的一較佳實施例提供一種製造光學模組的方法，其包含：提供一具有一光層的晶圓；裁切該晶圓，用以形成一矽光晶 片；配接該矽光晶片與一印刷電路板；配接一耦合器晶片與該矽光晶片；以及將一互連波導管鑲嵌至該耦合器晶片。
根據本發明的一較佳實施例提供一種製造光學模組的方法，其包含：提供一由多個矽光晶片組成的晶圓；配接多個耦合器晶片與該晶圓上的該些矽光晶片；裁切該晶圓，用以形成多個矽光晶片/耦合器晶片組裝件；配接該些矽光晶片/耦合器晶片組裝件與多個印刷電路板；以及將多條互連波導管鑲嵌至該些耦合器晶片。
參考隨附的圖式，可以從本發明的較佳實施例的下面詳細說明中更明白本發明的上面以及其它特點、元件、特徵、步驟、以及優點。
10‧‧‧傳收器
11‧‧‧微控制器
12‧‧‧雷射驅動器
13‧‧‧調變器驅動器
14‧‧‧轉阻放大器(TIA)
15‧‧‧矽光晶片
16‧‧‧調變器1至4
17‧‧‧接收器1至4
18‧‧‧雷射A、B
19‧‧‧耦合器晶片
20‧‧‧模態轉換器
21‧‧‧傳送(Tx)互連波導管
22‧‧‧接收(Rx)互連波導管
23‧‧‧傳送(Tx)輸入
24‧‧‧接收(Rx)輸出
25‧‧‧連接器
26‧‧‧多工器(MUX)
27‧‧‧解多工器(DEMUX)
28‧‧‧傳送(Tx)轉向結構
29‧‧‧接收(Rx)轉向結構
30‧‧‧纖殼
31‧‧‧核心
32‧‧‧通道波導管
33‧‧‧通道格柵
34‧‧‧通道偵測器
35‧‧‧通道射束
36‧‧‧方向耦合器
37‧‧‧格柵耦合器
38‧‧‧耦合器光層
39‧‧‧矽光光層
40‧‧‧印刷電路板(PCB)
41‧‧‧球柵陣列(BGA)
42‧‧‧耦合器透鏡
43‧‧‧矽光透鏡
44‧‧‧凹口
45‧‧‧熱化合物
46‧‧‧陸地部
51‧‧‧點接點
52‧‧‧線接點
53‧‧‧平面接點
54‧‧‧通道雷射
55‧‧‧對齊球體
56‧‧‧分隔體
57‧‧‧混合式矽光晶片
58‧‧‧通孔
59‧‧‧直通孔
60‧‧‧第一波導管
61‧‧‧第一漸細部
62‧‧‧第二波導管
63‧‧‧第二漸細部
64‧‧‧基板
65‧‧‧中間層
66‧‧‧頂端層
70‧‧‧殼體
71‧‧‧散熱片
72‧‧‧鎖存器
73‧‧‧凹口
74‧‧‧溝槽
75‧‧‧孔洞
76‧‧‧凹槽
77‧‧‧電子層
78‧‧‧光點尺寸轉換器區
79‧‧‧散熱片
81‧‧‧第一連接器
82‧‧‧第二連接器
100‧‧‧耦合器基準點
101‧‧‧矽光基準點
102‧‧‧底部相機
103‧‧‧頂端相機
104‧‧‧平台
105‧‧‧夾盤
圖1所示的係根據本發明一較佳實施例的矽光系統的方塊圖。
圖2所示的係根據本發明一較佳實施例的另一矽光系統的方塊圖。
圖3與4所示的係具有能夠用於圖2中所示之矽光系統的耦合器晶片，其具有埃謝勒格柵。
圖5所示的係具有能夠用於圖2中所示之矽光系統的耦合器晶片，其具有陣列式波導管格柵。
圖6所示的係具有能夠用於圖2中所示之矽光系統的耦合器晶片，其具有有表面格柵與方向耦合器的分色濾光器。
圖7所示的係被連接至一矽光晶片的耦合器晶片。
圖8至10、32、以及33所示的係用於該耦合器晶片與矽光晶片的各種可能的光學排列。
圖11以及12所示的係具有一分隔體的混合式矽光晶片。
圖13所示的係具有一通孔的矽光晶片。
圖14以及15所示的係具有兩個波導管層的耦合器晶片。
圖16所示的係用於該混合式矽光晶片與該耦合器晶片的傳送側射束模型的範例。
圖17以及18所示的係一種動力對齊排列。
圖19以及20所示的係一種視覺輔助對齊排列。
圖21以及22所示的係傳收器的一範例。
圖23以及24所示的係傳收器的另一範例。
圖25以及26所示的係耦合器晶片的一範例。
圖27所示的係矽光晶片的一範例。
圖28以及29所示的係製造傳收器的步驟。
圖30所示的係具有光點尺寸轉換器區的光纖。
圖31所示的係被一連接至兩個連接器的傳收器。
圖34所示的係傳收器的另一範例。
圖1所示的係根據本發明一較佳實施例的矽光系統。傳收器10包含一微控制器11，其被連接至雷射驅動器12、調變器驅動器13、以及轉阻放大器(Transimpedance Amplifier，TIA)14。微控制器11會如微控制器11的右手邊的箭頭所示般地從位於該矽光系統外部的一或更多個裝置處接收電氣輔助信號以及發送電氣輔助信號至該矽光系統外部的一或更多個裝置，舉例來說，該些電氣輔助信號包含控制與監視信號。該調變器驅動器 13會經由傳送(Tx)輸入23接收電氣資料信號，而TIA14則經由接收(Rx)輸出24來輸出電氣資料信號。該些Tx輸入23以及該些Rx輸出24較佳的係被併入於連接器25之中。雷射A、B(圖中標示為元件符號18)被連接至雷射驅動器12。該傳收器10還包含一矽光晶片15以及一耦合器晶片19。該耦合器晶片19被連接至Tx互連波導管21以及Rx互連波導管22。
一通道係由單一路徑來定義，信號會沿著該單一路徑被傳輸，也就是，傳送及/或接收。舉例來說，其中一條傳送通道係由該調變器驅動器13從最頂端的Tx輸入23處所收到的電氣資料信號所定義，其會讓調變器4調變來自雷射B的光，並且來自該調變器4之經調變的光會經由耦合器晶片19進入最頂端的Tx互連波導管21。於此傳送通道的範例中，該傳送通道包含電氣資料信號以及光學資料信號兩者。一對應的接收通道係由最底部Rx互連波導管22上被該耦合器晶片19收到的光學資料信號所定義，其會讓底部接收器1產生一電氣資料信號，並且來自該最底部接收器1的一對應電氣資料信號會由TIA 14供應至最底部的Rx輸出24，其中，該對應的電氣資料信號係以被該TIA 14收到的該已產生的電氣資料信號為基礎。
微控制器11能夠為任何合宜的微控制器、微處理器、中央處理單元、可場程式化閘極陣列、特定應用積體電路、…等。一個以上的微控制器11會被使用。該微控制器11能夠為一離散部件，或者，其亦能夠和該矽光晶片15整合。整合微控制器11和該矽光晶片15可能會增加該矽光晶片15的成本、複雜度、以及尺寸。
圖1中雖然顯示兩個雷射18；不過，任何合宜數量的雷射 皆能夠被使用。在圖1中，雷射A被連接至調變器1、2(為清楚起見，僅有調變器1被標示為元件符號16)，而雷射B則被連接至調變器3、4。然而，倘若一雷射18有足夠的電力供該些通道中的每一條通道使用的話該雷射18亦能夠被連接至該些調變器中的每一者；或者，四個雷射18可以被連接至該些調變器1至4，俾使得每一條通道皆有一個雷射可以使用。倘若使用一個以上的雷射18的話，該些雷射18能夠提供不同波長的光，俾使得不同的通道使用不同波長的光。
舉例來說，雷射18能夠為邊緣發射器或者垂直空腔表面發射雷射(VCSEL)。該些雷射18能夠：1)被鑲嵌在傳收器10外部，其中，來自該雷射的光能夠利用一互連波導管並且可能利用耦合器晶片19而被供應至該矽光晶片15；2)被鑲嵌在一具有該傳收器10之其它器件的印刷電路板(PCB)上，舉例來說，該些其它器件包含微控制器11、雷射驅動器12、調變器驅動器13、TIA 14、矽光晶片15、耦合器晶片19、…等，其中，來自該些雷射18的光會藉由該PCB之中的埋置有機波導管被耦合至該矽光晶片15；或者3)與該矽光晶片15整合，其範例包含：一微型封裝雷射，其通常係由一MEMS矽外殼所製成，該MEMS矽外殼含有一分散式回授雷射(Distributed FeedBack Laser，DFB雷射)、一光學球透鏡、以及一隔離器；一覆晶式p-down，其為能夠利用覆晶技術來鑲嵌的SOA(半導體光學放大器)、DFB、或是Fabry-Perot半導體雷射晶片；或是一異質整合雷射，其經常包含一III-V量子增益結構，其會創造被耦 合至並且被侷限至底下之矽波導管的光。因為雷射18的效能有溫度敏感性，所以，於某些應用中，有利的方式係將雷射18被鑲嵌在矽光晶片15的外部，其可以被鑲嵌在具有其它器件的PCB上或是被鑲嵌在傳收器10外部。
雷射驅動器12會被鑲嵌在傳收器10裡面，舉例來說，其包含被鑲嵌在矽光晶片15附近或被鑲嵌在矽光晶片15上；或者，雷射驅動器12亦能夠被鑲嵌在傳收器10外面，舉例來說，被鑲嵌在一主PCB(圖1中並未顯示)上。
調變器驅動器13會從Tx輸入23處接收電氣資料信號並且藉由關閉與開啟一對應的調變器16而產生一對應的放大電氣信號，其會產生一具有高位準信號與低位準信號的光學資料信號。該調變器驅動器13能夠為如圖1中所示的單一裝置，其被提供用於供所有通道使用；或者，該調變器驅動器13亦能夠為一組裝置，每一條通道皆有一個裝置可以使用。因為該些調變器16被關閉與開啟的速度會快過雷射被開啟與關閉的速度，所以，利用該些調變器16能夠達到高頻的目的。
TIA 14係受控於微控制器11並且從光偵測器1至4處接收信號(為清楚起見，接收器1至4以元件符號17來標示)。一般來說，該信號為一電流信號，其大小係以被該些接收器17偵測到的光的數額為基礎，並且TIA 14會將該電流信號轉換成一電壓信號。該TIA 14能夠為如圖1中所示的單一裝置，其被提供用於供所有通道使用；或者，該TIA 14亦能夠為一組裝置，每一條通道皆有一個裝置可以使用。
矽光晶片15雖然較佳的係一由矽所製成的光學裝置；然 而，亦能夠使用其它合宜的材料，舉例來說，InP或是鈮酸鋰。矽光晶片15包含一矽晶圓中能夠傳送光、控制光、及/或偵測光的任何部分。矽光晶片15的此些功能包含調變、偵測、引導、MUX/DEMUX…等。矽光晶片15亦能夠為如圖11與12中所示般由被焊接在一起的矽與玻璃所製成的混合式晶片。矽光晶片15通常包含操縱光的波導管(圖中並未顯示)以及被用來產生光信號的驅動器16。矽光晶片15之中的典型波導管的剖面維度目前雖然為約0.3μmx0.3μm；不過，亦可以使用其它合宜的尺寸。於本發明的某些較佳實施例中，矽光晶片15會包含被形成在埋置於一二氧化矽基質中的氮化矽條紋之中的波導管。由於氮化矽與二氧化矽之間的較小折射率差異的關係，此些波導管通常會有較大的模態尺寸(mode size)。
耦合器晶片19為一在該矽光晶片15與該些互連波導管21、22之間傳輸光學信號的裝置。該耦合器晶片19能夠為在該矽光晶片15與該(些)互連波導管21、22之間提供一光學路徑的任何裝置。該耦合器晶片19會具有被動式光學功能，舉例來說，其包含MUX/DEMUX。該耦合器晶片19能夠改變光的方向並且能夠改變光的模態尺寸。舉例來說，倘若矽光晶片15以垂直方式或是接近垂直方式發光的話，那麼，耦合器晶片19便會重新引導該垂直光，俾使得其會在水平方向或是接近水平方向中傳導。模態轉換器20會改變光的模態尺寸，其能夠在各種光學介面處提供有效的耦合，同時保持該些介面處的對齊容限值。舉例來說，從矽光晶片15處發出的光會具有約0.3μmx0.3μm的剖面模態尺寸，並且該互連波導管的剖面模態尺寸的直徑在單模態光纖中能夠為9μm。模態轉換器20會改變該已發射的光剖面尺寸，以便匹配或是接近匹配互連波導管21、22的剖面尺寸。在 Rx通道中可能未必需要模態轉換器20，因為光並不需要被模態匹配至該光偵測器之中，也就是，即使光的剖面尺寸小於該光偵測器，該光偵測器仍然能夠有效地偵測該光。耦合器晶片19能夠由矽、玻璃、或是矽與玻璃兩者來製成，其中，矽與玻璃被陽極焊接在一起。耦合器晶片19較佳的係由熱膨脹係數和矽光晶片15的熱膨脹係數雷同的材料所製成，俾使得在操作期間，當傳收器10的溫度提高時，該兩個裝置仍會保持對齊並且不會彎折或扭轉(或者，彎折與扭轉大幅地降低或最小化)。
在圖1中，傳收器10雖然包含具有四條對應Tx互連波導管21的四條傳送通道以及具有四條對應Rx互連波導管22的四條接收通道；然而，亦能夠包含任何合宜數量的通道。舉例來說，傳收器10能夠包含一條、六條、八條、或是十二條Tx互連波導管21以及對應的一條、六條、八條、或是十二條Rx互連波導管22。除了傳收器10之外，取而代之的係，亦能夠使用僅具有一條或是更多條Tx互連波導管21的傳送器，或者，亦能夠使用僅具有一條或是更多條Rx互連波導管22的接收器。
互連波導管21、22較佳的係光纖。該些光纖能夠為單獨的光纖或者能夠為被排列成束狀或帶狀的一光纖陣列。該些互連波導管21、22亦能夠為一以撓性聚合物為基礎的波導管帶或是一由矽或特定其它合宜材料所製成的中介片晶片。光纖通常包含一被纖殼30包圍的核心31，舉例來說，如圖5中所示。該些光纖能夠為單模態或是多模態。舉例來說，單模態光纖的核心會具有約9μm的剖面尺寸，而多模態光纖的核心則會具有約50μm或是約62.5μm的剖面尺寸。該些光纖能夠如圖21與22中所示般地被永久地附接至該傳收器10(也就是，尾纖式光纖)，或者能夠如圖23 與24中所示般地可脫離該傳收器(也就是，連接器式光纖)。
連接器25能夠為任何合宜的連接器，舉例來說，其包含由位於美國印第安納州的新奧爾巴尼市的Samtec,Inc.所販售的UEC5連接器。可能會使用一個以上的連接器25。單一連接器25能夠被用來收納該些Tx輸入23以及Rx輸出24；或者，其中一個連接器能夠用於Tx輸入23以及另一個連接器能夠用於Rx輸出24。
本發明較佳實施例的傳收器10能夠被施行為雷同於在美國申請案第13/539,173號、第13/758,464號、第13/895,571號、第13/950,628號、以及第14/295,367號中所揭示之傳收器的傳收器，本文以引用的方式將該些申請案的完整內容併入。除了使用此些申請案中所揭示的光學引擎之外，取而代之的係，傳收器10亦可以使用以矽光為基礎的光學引擎，其可以有較小的尺寸、較高的速度、較大的頻寬、較高的效率、以及較長的信號行進距離。圖1中雖然並未顯示；不過，傳收器10會包含被連接至該傳收器10之各種器件的一或更多個散熱片，用以散熱。
圖2所示的係根據本發明一較佳實施例的另一矽光系統的方塊圖。圖2中的矽光系統雷同於圖1中的矽光系統，雷同的元件係以相同的元件符號來標示。圖2中的傳收器10包含四個雷射1至4(為清楚起見，僅有雷射1以元件符號18來標示)，每一個雷射18有不同的波長。圖2中的耦合器晶片19較佳的係利用多工器(MUX)26以及解多工器(DEMUX)27來提供波長分工。圖2中的耦合器晶片19雖然並未顯示模態轉換器20；不過，該些模態轉換器20會被放置在該耦合器晶片19之中，可能位於該些不同通道中的MUX 26以及DEMUX 27的前面或後面。MUX 26及/或DEMUX 27 較佳的係被形成在具有低熱膨脹係數的玻璃上，而且該玻璃的折射率不會隨著溫度大幅地改變。
MUX 26會結合該些傳送通道的光學信號，俾使得所有該些傳送通道的光學信號會在相同的Tx互連波導管21中往下傳送。DEMUX 27會分離所有接收通道中接收自單一互連波導管22的光學信號。因為該些通道對應於不同波長的光的關係，所以，可以對光學信號進行此結合與分離。圖2中的結合比例為4：1而分離比例為1：4；不過，亦可以使用其它比例。舉例來說，倘若傳收器10有12條傳送通道以及12條接收通道的話，那麼，結合比例可以為12：3或12：1，而分離比例可以為3：12或1：12。12：3或3：12的比例需要三條互連波導管，而非一條。
在圖2中，該些通道較佳的係操作於在通道之間有20nm波長間隔的O頻帶之中；不過，亦可以採用不同的頻帶以及不同的波長間隔。
圖3與4所示的係能夠用於圖2中所示的矽光系統中的耦合器晶片19。如圖3中所示，該耦合器晶片19會被鑲嵌在矽光晶片15的頂端。該耦合器晶片19以及該矽光晶片15的典型維度為約0.5mm至約1mm的厚度，約5mm的寬度，以及約5mm的長度。亦可以採用其它尺寸。
圖3與4中所示的耦合器晶片19包含一MUX 26以及一DEMUX 27。單一Tx互連波導管21以及單一Rx互連波導管22會被連接至該些耦合器晶片19。該些耦合器晶片19可以包含一條以上的互連波導管21、22以及一個以上的對應MUX 26與DEMUX 27。在圖3與4中，該些耦合器晶片19包含六個Tx轉向結構28以及六個Rx轉向結構29，該些Tx轉向結構28會轉向接收自矽光晶片15的垂直光，而該些Rx轉向結構29 會轉向接收自DEMUX 27的水平光。該些六個轉向結構28、29中的每一者係用於一對應波長λ1-λ6中。圖3中的耦合器晶片19雖然包含六條傳送通道以及六條接收通道；不過，可以使用任何數量的傳送通道以及接收通道。該些Tx轉向結構28被連接至MUX 26，俾使得該些光學信號會被結合並且經由Tx互連波導管21被傳送。Rx互連波導管22被連接至DEMUX 27，俾使該些光學信號會被分離並且經由Rx轉向結構29被傳送。在圖3中所示的MUX 26以及DEMUX 27為一埃謝勒格柵的一部分。使用埃謝勒格柵為較佳係因為其體型小並且溫度敏感性小於其它MUX/DEMUX元件。
倘若耦合器晶片19要被使用在傳送器之中而非被使用在傳收器10之中的話，那麼，便僅需要MUX 26以及Tx互連波導管21。倘若該耦合器晶片19要被使用在接收器之中而非被使用在傳收器10之中的話，那麼，便僅需要DEMUX 27以及Rx互連波導管22。
圖5所示的係一波長選擇格柵，其被作為DEMUX 27。圖5中的波長選擇格柵雖然提供四條通道；不過，亦可以使用任何其它數量的通道。該波長選擇格柵在耦合器晶片19的通道波導管32中包含四條通道格柵。為清楚起見，該些通道格柵中僅有其中一條被標示為33。在該波長選擇格柵中的其中一條通道包含Rx互連波導管22、通道格柵33、以及通道偵測器34。通道射束35(其包含該些光學信號)會被傳輸經過Rx互連波導管22、通道格柵33、以及通道偵測器34。該通道射束35較佳的係在耦合器晶片19與矽光晶片15之間的間隙之中垂直於該耦合器晶片19與該矽光晶片15的表面。圖5所示的係用於DEMUX 27的排列。雷同的排列亦能夠當作MUX 26。
圖6所示的係具有能夠當作DEMUX 27之具有方向耦合器36與格柵耦合器37的分色濾光器。方向耦合器36與格柵耦合器37具有波長敏感性，其會減少通道串訊。方向耦合器36較佳的係一能夠將光學功率分割成兩個光學通道的無損失裝置。該些格柵耦合器37能夠由微型加工面鏡來取代。方向耦合器36與格柵耦合器37通常有極化敏感性。每一條通道皆包含一分離的方向耦合器36與一格柵耦合器37用於橫向電氣(Tranverse Electrical，TE)極化以及用於橫向磁性(Tranverse Magnetic，TM)極化。兩種極化會在一光偵測器(圖6中並未顯示)處進行空間結合，俾使得能夠在每一條通道中使用單一光偵測器。或者，該些極化亦能夠進行角度結合，或是使用一極化射束結合結構。圖6雖然顯示用於DEMUX 27的排列；不過，雷同的排列亦能夠當作MUX 26，但是，並不需要考量不同的極化，因為雷射源的極化通常有良好的定義。
可以不使用圖3至6中所示的埃謝勒格柵、波長選擇格柵、以及分色濾光器，取而代之的係，可以使用陣列式波導管格柵、其它分色濾光器、或是共振干涉濾波器作為MUX 26及/或DEMUX 27。
圖7所示的係被連接至矽光晶片15的耦合器晶片19。該接收通道包含Rx互連波導管22以及通道偵測器34。在一傳送通道中會使用Tx互連波導管21取代Rx互連波導管22，並且使用一通道雷射54而並非通道偵測器34。該接收通道會在該Rx互連波導管22與該通道偵測器34之間提供一光路徑，而該傳送通道則會在該Tx互連波導管21與該通道雷射54之間提供一光路徑。該耦合器晶片19以及該矽光晶片15會包含用於操控通道射束35的各種結構。耦合器晶片19會包含透鏡42，而矽光晶片15 則會包含透鏡43。該耦合器晶片19包含一包含被動式波導管的光層38，其包含Rx轉向結構29。該Rx轉向結構29會包含一微型加工表面或是一表面格柵。該微型加工表面會使用完全內反射或者會包含一反射塗層。該微型加工表面能夠為平坦狀或者能夠為彎曲用以如圖8至10、32、以及33中所示般地聚焦該通道射束35。互連波導管21、22的末端表面亦能夠被彎折用以取代轉向結構29。在傳送通道中，該矽光晶片15包含一包含主動式波導管的光層39，圖7中雖然並未顯示；但是，其包含調變器16。在接收通道中，該矽光晶片15的光層39並不需要有主動式波導管。在圖7中，該耦合器晶片19的光層38雖然位於頂端表面；但是，該光層38亦能夠位於該耦合器晶片19的底部表面。同樣地，該矽光晶片15的光層39雖然位於底部表面；但是，該光層39亦能夠位於該矽光晶片15的頂端表面。該耦合器晶片19與該矽光晶片15皆會包含一塗層(舉例來說，介電質，例如，氮化矽或氧化矽)，用以減少傳送通道與接收通道中的反向反射。
圖8至10、32、以及33所示的係用於耦合器晶片19以及矽光晶片15的各種可能的光學排列。圖8顯示一種具有單一彎曲表面的排列並且包含平坦的Rx轉向結構29、沒有透鏡43的平坦矽光晶片15、以及耦合器晶片19上的透鏡42，其優點係僅需要一個彎曲表面。圖9顯示一種具有三個彎曲表面的排列並且包含彎曲的Rx轉向結構29、矽光晶片15上的透鏡43、以及耦合器晶片19上的透鏡42，其在矽光晶片15與耦合器晶片19之間的間隙中提供一準直射束。圖10顯示一種具有兩個彎曲表面以及一個平坦表面的排列並且包含彎曲的Rx轉向結構29、沒有透鏡43的平坦矽光晶片15、以及耦合器晶片19上的透鏡42，其好處係在該矽光晶片15的 頂端提供一平坦表面，俾使得在對矽光晶片15的此表面上不需要任何處理或是僅需要最少的處理。在圖32與33中，彼此相向的矽光晶片15的表面以及耦合器晶片19的表面為平坦，並且在該矽光晶片15與該耦合器晶片19之間沒有任何空間。圖32顯示一種具有單一彎曲表面的排列並且包含一平坦的Rx轉向結構29、沒有透鏡43的平坦矽光晶片15、以及位在耦合器晶片19上但是沒有面向該矽光晶片15的透鏡42，其優點係僅需要一個彎曲表面。圖33顯示一種具有單一彎曲表面的排列並且包含一彎曲的Rx轉向結構29、平坦矽光晶片15、以及平坦的耦合器晶片19，其優點係僅需要一個彎曲表面。
通道射束35會被準直(圖9)或者沒有被準直(圖8、10、32、以及33)。該通道射束35可能位在一傾斜角度處，也就是，沒有垂直，如圖8至10、32、以及33中所示。較佳的係，該通道射束35在該矽光晶片15與該耦合器晶片19之間的間隙區域中會被準直或者接近準直。此區域中相對大的射束尺寸(也就是，約20μm至約100μm)會放鬆該矽光晶片15與該耦合器晶片19之間的對齊容限值。有一平坦矽光晶片15的圖8、10、32、以及33不需要在矽光晶片15的其中一側提供表面特徵元件。端視光學佈局而定，舉例來說，位在該矽光晶片15的頂端表面的特徵元件以及位在該矽光晶片15的底部表面的特徵元件之間的必要對齊為±1μm。要達成此精確程度會非常困難並且昂貴。於一具有準直射束的理想系統中，矽光晶片15與耦合器晶片19之間的位置對齊誤差不會在聚焦處造成任何位移。雖然可能會有角度偏移；但是，互連波導管21、22以及通道偵測器34的角度敏感性小於位置敏感性。
圖8至10、32、以及33中所示的各種彎曲表面以及圖7中所示的透鏡能夠利用雷射加工來製造，其中，一超快速的雷射(舉例來說，皮秒(pico second)或是飛秒(femto second)脈衝寬度)會在一表面上方移動，用以產生該彎曲表面。利用雷射加工所進行的燒蝕性材料移除會留下在某些應用中需要進行後置處理的光學粗糙表面。雷射加工會在耦合器晶片19及/或分隔體56(下面會作討論)的表面底下進行，用以顯著地減少或最小化需要被燒蝕移除的材料的數額。雷射加工雖然僅會移除該雷射被聚焦的位置處的材料；但是，雷射加工卻會下切廣大的材料部分，該些部分接著能夠藉由另一製程來移除。雷射加工在形成結構時提供很大的自由度，舉例來說，其包含具有不同曲率及配向的透鏡以及面鏡。可以使用熱研磨製程來磨平雷射加工中的任何殘餘粗糙。亦可以使用一超快速雷射藉由局部性修正耦合器晶片19裡面的折射率而形成該耦合器晶片之中的波導管。
矽光晶片15包含一或更多個通道偵測器34及/或一或更多個通道雷射54。該些通道偵測器34會以一體成形的方式被整合至該矽光晶片15之中，或者會被表面鑲嵌至該矽光晶片15。一體成形整合的通道偵測器34會包含具有約0.4A/W(@1310nm處)響應值的Ge/Si裝置；而表面鑲嵌的通道偵測器34則會包含具有約0.9A/W(@1310nm處)響應值的InGaAs裝置，其響應值約為一體成形整合通道偵測器的兩倍。該通道偵測器34能夠為一提供波長過濾的共振凹腔增強偵測器，或者能夠為一環形共振器。圖27所示的係矽光晶片15的一範例，其中，該通道偵測器34以及該TAI 14被表面鑲嵌至光層39，較佳的係，彼此靠近。該通道偵測器34的直徑會相依於所需要的頻寬而改變。較高頻寬的系統會有小直徑的通道偵測器34。 舉例來說，10Gbps的系統可以有約70μm的偵測器直徑，而28Gbps的系統可以有約22μm的偵測器直徑。
矽光晶片15較佳的係利用覆晶技術(舉例來說，其包含球柵陣列(Ball Grid Array，BGA)41)被連接至PCB 40。其它器件(舉例來說，其包含雷射驅動器12、調變器驅動器13、以及TIA 14、…等)亦能夠使用短柱凸塊覆晶技術。PCB 40較佳的係包含一凹口44，其包含一熱化合物45，該熱化合物45會接觸通道偵測器34或通道雷射54。
耦合器晶片19與矽光晶片15會分隔一間隙，俾使得由該矽光晶片15所產生的熱從該矽光晶片15至該耦合器晶片19有不良的熱路徑。倘若UV光能夠被傳送穿過該耦合器晶片19的話，該間隙則會被UV固化黏著劑填充。舉例來說，該間隙能夠為約20μm至約50μm。利用該耦合器晶片19與該矽光晶片15之間的間隙，該耦合器晶片19與該矽光晶片15會彼此對齊，用以確保所有通道的正確操作。該些對齊特徵元件會有不同的自由度。舉例來說，矽光晶片15上的固定式對齊球體55會扣接耦合器晶片19之中的點接點51、線接點52、以及平面接點53，如圖17與18中所示。此排列能夠倒置，俾使得該些對齊球體55位於耦合器晶片19上，而接點51、52、53則位於矽光晶片15上。該些接點51、52、53會被微型加工、能夠藉由光微影術以及各向異性蝕刻來形成、或者能夠藉由雷射加工製程來形成。該些對齊球體55會被固定於凹部之中。或者，該些對齊球體55亦能夠利用被形成在矽光晶片15(或是耦合器晶片19)的表面上的對齊突出部來取代。該些對齊球體能夠由玻璃製成。
在圖17中，該矽光晶片15包含各向異性蝕刻的倒角錐體， 該些對齊球體55會被固定於其中。在圖18中，該耦合器晶片19包含多個匹配凹口，它們會定義接點51、52、53。該些對齊球體55提供一剛性連接，而該些接點51、52、53則被排列成用以防止因為該矽光晶片15與該耦合器晶片19的熱膨脹係數差異所造成的彎折與扭轉。本技術領域希望避免或最小化彎折與扭轉，因為彎折與扭轉會導致耦合效率下降並且導致傳收器10無法操作。避免或最小化熱誘發的彎折與扭轉會提高傳收器10的操作溫度範圍。
矽光晶片15與耦合器晶片19會藉由在固化期間收縮的順從性黏著劑而被固定在一起。該順從性黏著劑能夠藉由將該順從性黏著劑注入於該耦合器晶片19上的直通孔59之中來供應。該順從性黏著劑雖然能夠被UV固化；不過，這必非係必要條件。
除了圖8至10、32、以及33中所示的透鏡排列之外，亦能夠如圖11至15中所示般地使用各種其它技術來修正該通道射束的尺寸。此些技術以及透鏡排列能夠分開使用以及組合使用。
圖11以及12所示的係一種混合式矽光晶片57，其包含一被附接至矽光晶片15的分隔體56。該分隔體56的厚度能夠為約0.5mm至數個mm。該分隔體56可以允許在該混合式矽光晶片57與該耦合器晶片19之間有更大的射束擴張，其會放鬆對齊容限值並且允許進行被動式對齊。分隔體56會包含基準標記或是微型加工結構，用以幫助對齊該耦合器晶片19與該混合式矽光晶片57。
分隔體56能夠由玻璃或矽製成，和矽光晶片15為相同的材料。該分隔體56與該矽光晶片15的熱膨脹係數會匹配或是實質上匹配，用 以避免超額應力累積。該分隔體56會被陽極焊接至該矽光晶片15。該分隔體56會先被焊接至一由多個矽光晶片所組成的晶圓，舉例來說，8英吋或12英吋晶圓，並且接著在焊接之後被裁切。假設75%的晶圓利用率以及5mmx5mm的晶片，那麼，從8英吋的晶圓中會取得972個裝置以及從12英吋的晶圓中會取得2188個裝置。該耦合器晶片19會在晶圓級處被附接，或者會在裁切之後才被附接。
圖11顯示介於該混合式矽光晶片57與該耦合器晶片19之間的間隙；而圖12則顯示該混合式矽光晶片57與該耦合器晶片19被陽極焊接在一起，其能夠在晶圓級處被實施並且能夠減少部件數。
圖13所示的係具有通孔58的矽光晶片15。通孔58會如圖13中所示般地具有漸細的壁部，或者會具有筆直的壁部(圖中並未顯示)。通孔58的尺寸超大，以便放鬆對齊容限值，只要通道偵測器34完全露出即可。尺寸超大的通孔58在背側矽光處理中並不需要很高的位置容限值。通孔58會被金屬化，用以提供一反射表面，其在該通道中可以不需要有任何透鏡或者可以放鬆對齊容限值。如圖13中所示，倘若使用一整合式通道偵測器34的話，該通孔58會終止於光層39處。或者，通孔58亦能夠延伸穿過該光層39。
圖14以及15所示的係在光層38之中具有第一波導管60與第二波導管62的耦合器晶片19。第一波導管60位於基板64(其較佳的係玻璃上)並且包含第一漸細部61。第二波導管62位於該第一波導管60的上方並且包含第二漸細部63。第一波導管60與第二波導管62被排列成使得光學能量會被消逝場(evanescent field)耦合通過第一漸細部61與第二漸細部 63。
較佳的係，第一波導管60與第二波導管62具有不同的光學及物理特性。舉例來說，第一波導管60與第二波導管62具有不同的尺寸，用以支援不同的模態尺寸。較大的模態尺寸能夠幫助將來自一通道雷射54的光耦合至互連波導管21，而較小的模態尺寸則能夠幫助進行MUX/DEMUX操作以及調變。
光層38較佳的係包含下面之中的至少其中一者：PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、SU8光阻、矽、二氧化矽、以及氮化矽。第一波導管60與第二波導管62能夠由彼此不相同的材料製成。第一波導管60能夠由SiN製成，因為SiN波導管通常較小；而第二波導管62則能夠由SiO2製成，因為SiO2波導管的維度會妥適地匹配單模態光纖的模態尺寸。這可以讓第一波導管60被連接至MUX 26並且讓第二波導管62被連接至Tx互連波導管21。
第一波導管60與第二波導管62能夠由不同的製程來製造，其包含結合摻雜、蝕刻、或是材料沉積與雷射加工的光微影術，其藉由材料移除或是藉由修正的材料特性來改變材料的折射率及/或密度。雷射加工會藉由將短脈衝波長的雷射光聚焦於一材料之中而稠化及/或提高折射率。被聚焦的光點會局部性地改變一小體積(舉例來說，大小為10至100μm3)中的折射率。被聚焦的光點會高速地(舉例來說，100mm/sec)沿著一材料被掃描。
如圖14中所示，光層38從上至下包含：1)一具有折射率n2的頂端層66； 2)一具有折射率n1的第二波導管62；3)一具有折射率n2的中間層65；以及4)一具有折射率n3的第一波導管60。光層38位於具有折射率nsub的基板64的頂端。第一波導管60與第二波導管62具有不同的光學特性，因此，n1≠n3。第二波導管62的折射率n1大於頂端層66以及中間層65的折射率n2，也就是，n1>n2。第一波導管60的折射率n3大於中間層65的折射率n2以及基板64的折射率nsub，也就是，n3>n2並且n3>nsub。亦可以採用其它排列，只要波導管的折射率高於包圍該波導管的材料的折射率即可。
圖14以及15雖然顯示一耦合器晶片19；不過，雷同的結構同樣能夠被形成在矽光晶片15的光層39之中。
除了圖8至15、32、以及33中所示的排列與技術之外，亦可以使用包含如圖30中所示的光點尺寸轉換器區的互連波導管21、22。耦合器晶片19中的通道波導管32的模態尺寸會匹配或是實質上匹配(落在製造容限值裡面)該些互連波導管21、22的光點尺寸轉換器區78的末端處的模態尺寸。具有光點尺寸轉換器區78的互連波導管21、22能夠被用來取代圖8至15、32、以及33中所示的排列與技術；或者，除了圖8至15、32、以及33中所示的排列與技術之外，還可以額外使用具有光點尺寸轉換器區78的互連波導管21、22。
該光點尺寸轉換器區78能夠由互連波導管21、22的末端處的一絕熱漸細部來提供。提高模態尺寸會降低介於耦合器晶片19中的通道波導管32以及該些互連波導管21、22的核心31之間的對齊容限值。倘若 互連波導管21、22為一光纖的話，那麼，該光點尺寸轉換器區78便能夠藉由局部加熱該些互連波導管21、22來創造，從而導致形成該核心31的摻雜物的擴散。超短雷射處理能夠被用來局部加熱該光纖。該超短雷射處理會藉由將該雷射聚焦在該光纖中的一3維圖樣之中而改變該光纖的折射率，從而創造該光點尺寸轉換器區78。單模態光纖的模態尺寸會從約9μm增加至約20微米。標準單模態光纖在核心31與通道波導管32之間的1μm對齊誤差中會有1dB的光學損失。倍增該模態尺寸則會將1dB的對齊容限值提高至大於2μm。
圖16所示的係用於混合式矽光晶片57與耦合器晶片19的傳送側射束模型的範例。圖16在光路徑中並沒有包含或顯示任何轉向結構並且沒有包含或顯示圖11至15中所示的任何技術。圖16包含如圖9中所示的兩個彎曲表面。首先，假設通道射束35為0.5μm大小的高斯射束。該混合式矽光晶片57包含一0.7mm厚的矽光晶片用以作為矽光晶片15，其折射率n=3.5；並且包含一0.5mm厚的矽酸硼玻璃層用以作為分隔體56，其折射率n=1.45。該矽酸硼玻璃層能夠為Borofloat®，其係由微浮製程(microfloat process)所製成，其會產生一具有低熱膨脹係數的玻璃，並且具有良好的表面品質、可見光透射特徵、以及機械強度。分隔體56中的透鏡43具有351μm的曲率半徑。在混合式矽光晶片57與耦合器晶片19之間有15μm的間隙。耦合器晶片19中的透鏡42具有343μm的曲率半徑。該耦合器晶片19包含一厚度為0.7mm的Borofloat®玻璃層，其折射率n=1.45。於此範例中，通道射束35會以66μm的射束尺寸被準直在該間隙之中並且以85%的耦合效率被耦合至一標準的單模態光纖之中。
圖19以及20所示的係一種視覺輔助對齊排列，其能夠被用來取代圖17以及18中所示的動力對齊排列。於該視覺輔助排列中，該耦合器晶片19包含一基準點100，而該矽光晶片15包含一基準點101。基準點100、101會如圖20中所示般地被對齊。如圖19中所示，為對齊矽光晶片15以及耦合器晶片19，該矽光晶片15會被放置在平台104上，並且夾盤105被用來以該矽光晶片15為基準移動該耦合器晶片19。夾盤105會在x方向、y方向、以及z方向之中被移動並且亦可能被旋轉。平台104會在x方向以及y方向之中被移動並且亦可能被旋轉。頂端相機103係被用來觀看耦合器晶片19上的基準點100，而底部相機102則係被用來觀看矽光晶片15上的基準點101。耦合器晶片19以及矽光晶片15會相互對齊，直到相機102、103(它們會在x方向以及y方向之中被精確地對齊)能夠被用來視覺確認基準點100、101如圖20中所示般地被對齊為止。因為使用兩部相機102、103並且該些相機102、103會看見位於面向該些相機102、103的表面上的基準點100、101的關係，所以，該些相機102、103並不需要看穿該矽光晶片15或是耦合器晶片19。然而，亦可以使用一透射穿過該耦合器晶片19及/或該矽光晶片15的光波長，其可以讓該視覺輔助對齊系統對齊耦合器晶片19及/或矽光晶片15中位在該相機102或103的反向側上的標記。耦合器晶片19及/或該矽光晶片15之中的波導管會傳輸該視覺輔助對齊系統可以看見的光學輻射，以便進行主動式對齊。
該耦合器晶片19以及該矽光晶片15使用接點51、52、53作為零個至三個對齊特徵元件。在零個對齊特徵元件中(也就是，沒有使用接點51、52、53中的任一者)，該耦合器晶片19以及該矽光晶片15的對齊 僅有使用基準點100、101。在三個對齊特徵元件中(也就是，使用全部的接點51、52、53)，雖然使用視覺輔助對齊會有幫助，不過，亦可以不使用視覺輔助對齊。在一或兩個對齊特徵元件中，該耦合器晶片19以及該矽光晶片15之間的某些自由度會取決於該些對齊特徵元件，而某些自由度則會取決於使用具有基準點100、101的視覺輔助對齊。
在圖17至20中，該些對齊特徵元件係被用來對齊該耦合器晶片19以及該矽光晶片15。除此之外，雷同的對齊特徵元件亦能夠被用來對齊矽光晶片15以及分隔體56。
圖21、22、以及34所示的係傳收器10的範例。圖21以及22中所示的傳收器10包含一PCB 40。微控制器11以及矽光晶片15會被鑲嵌至該PCB 40。該耦合器晶片19以及該矽光晶片15被封入在一殼體70之中。散熱片71為非必要並且會被用來消散來自該矽光晶片15的熱能或是來自被鑲嵌在該矽光晶片15上的器件的熱能。如圖21中所示，散熱片71會被連接至該矽光晶片15的底部。如圖34中所示，除了被附接至該矽光晶片15之底部的散熱片71之外，散熱片79亦能夠被連接至該矽光晶片15的頂端。互連波導管21、22會被永久地附接至該傳收器10。也就是，互連波導管21、22會係尾纖式光纖。PCB 40在能夠被插入於一連接器(圖21與22中並未顯示)之中的其中一個邊緣中包含多個陸地部46。該連接器能夠位於一IC封裝之中、位於一主PCB(圖21與22中並未顯示)的中間、或是一中介片。圖31顯示被插入於第一連接器81之中的PCB 40。如圖31中所示，PCB 40亦能夠同步於該第一連接器81被連接至一第二連接器82；不過，這並非必要條件。倘若傳收器10如圖31中所示般被連接至第一連接器81與 第二連接器82的話，那麼，高速信號便能夠經由第一連接器81被傳輸，而低速信號則能夠經由第二連接器82被傳輸。較佳的係，互連波導管21、22相對於該傳收器10形成某個角度，俾使得，當該傳收器10被插入於位在一PCB中間的連接器之中時，該些互連波導管21、22會延伸在該PCB上的任何其它裝置上方而不會干擾該些裝置。圖21與22之中雖然顯示多條互連線21、22；不過，亦可以使用單一互連波導管21或22。
圖23以及24所示的係具有一鎖存器72的傳收器10的範例。圖21與22之中的傳收器10以及圖23與24之中的傳收器10雷同；不同的係，圖23與24之中的傳收器10包含鎖存器72。因為該些互連波導管21、22可以脫離該傳收器10，所以，該些互連波導管21、22能夠為連接器式光纖。在圖23與24中的傳收器10中，該矽光晶片15以及具有鎖存器72的殼體70係被排列成使得在該耦合器晶片19被插入於該殼體70之中以後，該耦合器晶片19會被固定於該殼體70裡面並且對齊該矽光晶片15。該傳收器10會包含粗略對齊特徵元件，其會大體上對齊該耦合器晶片19以及該矽光晶片15。對齊球體55以及接點51、52、53會精確地對齊該耦合器晶片19以及該矽光晶片15。該些粗略對齊特徵元件會被放置在任何合宜的位置中，其包含被放置在該耦合器晶片19、該矽光晶片15、殼體70、或是散熱片中的任何一者上。舉例來說，粗略對齊特徵元件能夠包含位於該耦合器晶片19或是該矽光晶片15上之經蝕刻的導引柱，其會對齊位於該矽光晶片15或是該耦合器晶片19上之經蝕刻的導引孔。一散熱片(圖中並未顯示)會被整合於該鎖存器72之中或者被放置在該殼體70上，其具有一不會覆蓋該鎖存器72的削切部。
圖25與26所示的係耦合器晶片19的一範例。該耦合器晶片19包含用於該些互連波導管21、22的一溝槽74陣列以及一凹口73。該些互連波導管21、22中的每一者會被插入於一對應孔洞75之中，其會精確地對齊耦合器晶片19裡面的互連波導管21、22。孔洞75能夠以一利用超短雷射脈衝的雷射來製造。該耦合器晶片19包含一凹槽76，其會被一黏著劑填充，用以將該些互連波導管21、22永久性地固定在正確位置中。黏著劑亦會被塗敷於該凹口73之中，用以提供應變消除劑。在圖25以及26之中，轉向結構28、29在相鄰的互連波導管21、22的側邊上提供一完全內反射表面，俾使得來自該些互連波導管21、22的光會被引導向下。
圖28以及29所示的係製造傳收器的步驟。在圖28中所示的方法中，一矽光晶片會被附接至一PCB。一耦合器晶片接著會被配接至該矽光晶片。接著，多條光纖便會被附接至該耦合器晶片1。
在步驟S10中，該矽光晶片會被製造。該矽光晶片在第一側包含一光層。該矽光晶片在第二側包含透鏡及/或對齊特徵元件。該些透鏡及/或對齊特徵元件會直接被蝕刻在該矽光晶片的第二側；或者會先被蝕刻在一不同的晶圓(其可以為矽或是玻璃)上，並且接著被焊接至該矽光晶片(晶圓至晶圓或是晶片至晶圓)。在步驟S11中，該些主動式裝置(舉例來說，其包含覆晶光偵測器、覆晶TIA、以及覆晶調變器驅動器)會被附接至該矽光晶片。該矽光晶片接著會在步驟S12中被測試。在步驟S13中，具有矽光晶片的晶圓會被裁切。在步驟S14中，該PCB會被組裝。在步驟S15中，該耦合器晶片會被製造。該耦合器晶片在第一側包含一光層以及多條溝槽。該耦合器晶片在第二側會包含透鏡及/或對齊特徵元件。在步驟S16中， 具有耦合器晶片的晶圓會被裁切。
在步驟S17中，該矽光晶片會被連接至該PCB。在步驟S18中，分離的對齊特徵元件會視情況被加入。在步驟S19中，該矽光晶片與耦合器晶片會被配接。在步驟S20中，該矽光晶片與耦合器晶片會利用黏著劑被焊接在一起。在步驟S21中，該些光纖會被鑲嵌至耦合器晶片之中的溝槽。在步驟S22中，散熱片、光纖應變消除劑、…等會視情況被加入。在步驟S23中會對該傳收器進行最終測試。
圖29中所示的方法依賴於以晶圓級製造的方式在該矽光晶圓上製造該些耦合器晶片。多個單獨的耦合器晶片會被鑲嵌至該矽光晶圓上的矽光晶片。該矽光/耦合器晶圓接著會被裁切。接著，光纖會被附接至耦合器晶片。
在步驟S30中，該矽光晶片會被製造。該矽光晶片在第一側包含一光層。該矽光晶片在第二側會包含透鏡及/或對齊特徵元件。該些透鏡及/或對齊特徵元件會直接被蝕刻在該矽光晶片的第二側；或者會先被蝕刻在一不同的晶圓(其可以為矽或是玻璃)上，並且接著被焊接至該矽光晶片(晶圓至晶圓或是晶片至晶圓)。在步驟S31中，該些主動式裝置(舉例來說，其包含覆晶光偵測器、覆晶TIA、以及覆晶調變器驅動器)會被附接至該矽光晶片。該矽光晶片接著會在步驟S32中被測試。在步驟S34中，該耦合器晶片會被製造。該耦合器晶片在第一側包含一光層以及多條溝槽。該耦合器晶片在第二側會包含透鏡及/或對齊特徵元件。在步驟S35中，具有耦合器晶片的晶圓會被裁切。
在步驟S36中，分離的對齊特徵元件會視情況被加入。在步 驟S37中，該些矽光晶片與該些耦合器晶片會被配接至該晶圓上的矽光晶片。在步驟S38中，該矽光晶片與耦合器晶片會被焊接。在步驟S39中，具有該些矽光晶片與該些耦合器晶片的晶圓會被裁切。在步驟S40中，該PCB會被組裝。在步驟S41中，該矽光晶片會被連接至該PCB。在步驟S42中，該些光纖會被鑲嵌至耦合器晶片之中的溝槽。在步驟S43中，散熱片、光纖應變消除劑、…等會視情況被加入。在步驟S44中會對該傳收器進行最終測試。
應該瞭解的係，前面的說明僅係解釋本發明。熟習本技術的人士便會明白便能夠設計各種替代例與修正例，其並不會脫離本發明。據此，本發明希望涵蓋落在隨附申請專利範圍的範疇裡面的所有此些替代例、修正例、以及變化例。

Claims (29)

  1. 一種光學模組，其包括：一互連波導管，其會傳輸光信號；一矽光晶片，其會調變該些光信號、偵測該些光信號、或是調變與偵測該些光信號；一耦合器晶片，其被附接至該矽光晶片及該互連波導管，俾使得該些光信號會沿著一介於該矽光晶片與該互連波導管之間的光路徑被傳輸；以及該矽光晶片與該耦合器晶片中的其中一者包含第一對齊突出部、第二對齊突出部、第三對齊突出部；該耦合器晶片與該矽光晶片中的另一者包含：一點接點；一線接點；以及一平面接點；該點接點不提供該第一對齊突出部任何移動；該線接點提供該第二對齊突出部線性移動；該平面接點提供該第三對齊突出部平面移動。
  2. 根據申請專利範圍第1項的光學模組，其中，該些第一對齊突出部、第二對齊突出部、第三對齊突出部為由玻璃製成球體，它們位於被提供在該矽光晶片與該耦合器晶片中的其中一者之中的倒角錐體之中。
  3. 根據申請專利範圍第1項的光學模組，其進一步包括一分隔體，其被附接至該矽光晶片。
  4. 根據申請專利範圍第3項的光學模組，其中，該分隔體與該矽光晶片被陽極焊接在一起。
  5. 根據申請專利範圍第1項的光學模組，其中，由該些光信號所定義的一射束的剖面尺寸在位於該矽光晶片與該耦合器晶片之間的介面處為最大。
  6. 根據申請專利範圍第1項的光學模組，其中，由該些光信號所定義的一射束的剖面尺寸一開始沿著該光路徑遞增並且接著沿著該光路徑遞減。
  7. 根據申請專利範圍第1項的光學模組，其中，該矽光晶片與該耦合器晶片中的至少其中一者包含一聚焦元件。
  8. 根據申請專利範圍第7項的光學模組，其中，該聚焦元件係一準直透鏡。
  9. 根據申請專利範圍第1項的光學模組，其中，該互連波導管可以脫離該光學模組。
  10. 根據申請專利範圍第1項的光學模組，其中，該互連波導管包含一光點尺寸轉換器區。
  11. 根據申請專利範圍第1項的光學模組，其中，該矽光晶片包含一光偵測器，其被鑲嵌至該矽光晶片的表面。
  12. 根據申請專利範圍第1項的光學模組，其中，該矽光晶片與該耦合器晶片包含位於沒有彼此相向的表面上的多個基準點。
  13. 一種傳收器，其包括：根據申請專利範圍第1項的光學模組；以及一印刷電路板；其中， 該矽光晶片被連接至該印刷電路板。
  14. 根據申請專利範圍第13項的傳收器，其進一步包括一殼體，用以封入該矽光晶片以及該耦合器晶片。
  15. 根據申請專利範圍第14項的傳收器，其進一步包括一鎖存器，其會將該耦合器晶片固定在該殼體之中，其中，該耦合器晶片可以藉由解鎖該鎖存器而脫離該殼體。
  16. 一種光學模組，其包括：一矽光晶片，其包含一波導管，該波導管會傳輸光信號；以及一耦合器晶片，其被附接至該矽光晶片，俾使得該些光信號會沿著一介於該矽光晶片與該耦合器晶片之間的光路徑被傳輸；其中，該耦合器晶片會改變由該些光信號所定義的一射束的剖面尺寸；以及該耦合器晶片包含一多工器、一解多工器、或是一多工器以及一解多工器。
  17. 根據申請專利範圍第16項的光學模組，其中，該多工器、該解多工器、或是該多工器以及該解多工器包含一埃謝勒格柵(Echelle Grating)、一陣列式波導管格柵、一方向耦合器、一分色濾光器，或是一共振干涉濾波器。
  18. 根據申請專利範圍第16項的光學模組，其中，該射束的剖面尺寸在位於該矽光晶片與該耦合器晶片之間的介面處為最大。
  19. 根據申請專利範圍第16項的光學模組，其中，該射束的剖面尺寸一開始沿著該光路徑遞增並且接著沿著該光路徑遞減。
  20. 根據申請專利範圍第16項的光學模組，其中，一光偵測器被表面鑲嵌至該矽光晶片。
  21. 根據申請專利範圍第16項的光學模組，其中，一光偵測器被併入於該矽光晶片裡面。
  22. 根據申請專利範圍第16項的光學模組，其中，一光源被併入於該矽光晶片裡面。
  23. 根據申請專利範圍第16項的光學模組，其進一步包括一位於該矽光晶片外面的光源；其中，來自該光源的光會被供應至該矽光晶片。
  24. 根據申請專利範圍第16項的光學模組，其中，該矽光晶片包含一位於該光路徑之中的通孔。
  25. 根據申請專利範圍第16項的光學模組，其中，該矽光晶片與該耦合器晶片彼此陽極焊接。
  26. 一種光學模組，其包括：一矽光晶片，其包含一波導管，該波導管會傳輸光信號；以及一耦合器晶片，其被附接至該矽光晶片，俾使得該些光信號會沿著一介於該矽光晶片與該耦合器晶片之間的光路徑被傳輸；其中，該耦合器晶片會改變由該些光信號所定義的一射束的剖面尺寸；以及該射束的剖面尺寸在位於該矽光晶片與該耦合器晶片之間的介面處為最大。
  27. 一種光學模組，其包括：一互連波導管，其會傳輸光信號；一矽光晶片，其會調變該些光信號、偵測該些光信號、或是調變與偵測該些光信號；以及 一耦合器晶片，其被附接至該矽光晶片及該互連波導管，俾使得該些光信號會沿著一介於該矽光晶片與與該互連波導管之間的光路徑被傳輸；其中，該互連波導管包含一光點尺寸轉換器區，其中，由該些光信號所定義的一射束的剖面尺寸會改變。
  28. 一種光學模組，其包括：一矽光晶片，其包含一波導管，該波導管會傳輸光信號；以及一耦合器晶片，其被附接至該矽光晶片，俾使得該些光信號會沿著一介於該矽光晶片與該耦合器晶片之間的光路徑被傳輸；其中，該耦合器晶片會改變由該些光信號所定義的一射束的剖面尺寸；以及該耦合器晶片與該矽光晶片會被陽極焊接在一起。
  29. 一種傳收器，其包括：一印刷電路板；一光學模組，其包含：一互連波導管，其會傳輸光信號；一矽光晶片，其被連接至該印刷電路板並且會調變該些光信號、偵測該些光信號、或是調變與偵測該些光信號；一耦合器晶片，其被附接至該矽光晶片及該互連波導管，俾使得該些光信號會沿著一介於該矽光晶片與與該互連波導管之間的光路徑被傳輸；以及一殼體，用以封入該矽光晶片以及該耦合器晶片；其中，該耦合器晶片會利用一鎖存器被固定在該殼體之中；以及 該耦合器晶片可以藉由解鎖該鎖存器而脫離該殼體。
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