批量制造光滤波器元件的方法和元件晶圆

摘要

本发明涉及可调的波长选择光滤波器，该光滤波器允许其中心在一个可调的波长附近的窄光谱带通过，并阻止处于该光谱带外的波长。更具体地，本发明涉及一种批量制作光滤波元件(1)的方法，包括在一个透光衬底(2)上制作多个光滤波元件(1)。本发明还包括用透光的整体覆盖层(8)覆盖该多个元件，对每个元件进行光学测试，并彼此分离该多个元件。本发明还涉及到一个元件晶圆，包括一个在其上制作多个光滤波元件(1)的透光衬底(2)，一个整体覆盖所述元件(1)的透光覆盖层(8)。该晶圆还包括用于独立测试每个元件(1)的装置。

说明书

技术领域

本发明涉及可调的波长选择光滤波器，该光滤波器能够允许其中心在一个可调波长附近的窄光谱带的光通过，同时阻止处于该光谱带之外的波长。可以利用电子装置执行该窄光谱带的中心波长的调节。

背景技术

从下面可以看出，广义上理解的术语“light”具体包括处于红外区的谱带，本发明的一项主要应用是过滤位于1.3和1.61微米之间的各种光纤通信带内的光。

该1.3到1.61微米波段的优势来自于这样一个事实：现有由玻璃制成的光纤在该波段衰减小，因此光信号可以在非常长的距离内传输。下面将结合该光波段来说明本发明，应该理解地是，如果有必要，通过使用适合于其它波段的材料，本发明也可以转用于该其它波段。

在光纤通信网络中，包含数根光纤的光缆可以用于形成几个不同的传输信道。为了达到同样目的，也可以进行时分复用。但是，在网络的数据流量进一步增加的地方，当前趋势是在同一根光纤上同时传输几个光波长，这些光波长间彼此相互独立调制，且每个波长都定义了一个数据信道。ITU(国际电信联盟)标准692建议定义光谱宽度为100GHZ的相邻信道，该信道的中心在N个相邻的归一化的光频率上，其值为200THZ、199.9THZ、199.8THZ等，对应于从1.52微米到1.61微米的N个波长。此波段内的光波长可以以10Gbit/s到40Gbit/s的速率调制，而不会存在太大的干扰直接相邻谱带内信道的风险，(为了最小化该调制占用的带宽，可以使用高斯形的调制脉冲)。该频分复用技术称为DWDM(密集波分复用)。

因此，在一个通信网络中，问题在于，能够在不干扰相邻信道内的光的情况下，收集对应于给定信道的光。例如，在一个网络的发送节点，该发送节点被分配来发送和接收信道i的数据，必须能够在不阻碍调制在中心频率F₁到F_N上的光的传输的情况下，在中心频率F_i(波长λ_i)上收集光，即使这些光频率彼此非常接近。

为实现该目的，必须提供高效的波长选择光滤波器元件，该波长选择光滤波器元件能够允许中心光频率F_i及位于该中心频率两边、且每边都小于50GHZ的窄频带内的频率通过，同时阻止其它频段。在此种光滤波器的输出端，只收集来自信道i的光，并且解调该光，以提取有用数据。

已经有人提出根据F-P干涉原理工作的滤波元件，该滤波元件可以通过沉淀利用空气隙彼此分开的半导体层来制作，该空气隙的厚度根据所选择的波长λ_i来校准。实际上，干涉仪包括两个反射镜，该两个反射镜组成具有高反射率的叠置电介质层(布拉格镜)，且被光学厚度为kλ_i/2的透光空隙分开(如果空隙是空气隙，则kλ_i/2是空隙的实际厚度)，其中k是整数，其定义了干涉滤波器的阶数。特别是由于对某些准备使用的波长具有好的透光性、非常高的折射率以及沉淀附着层的厚度可以精确控制，铟磷(InP)非常适用于此种结构。

如果能够很好地控制沉淀层的厚度和沉淀层间的空隙，并且材料具有很高的折射率，则此种滤波器被证明具有很好的选择性。

A.Spisser等在1998年的“Electronics letters”的第34(5)卷的453页到454页上发表的，题目为“Highly Selective 1.55micrometer InP/airgap micromachined Fabry-Perot filter foroptical communications”的论文中描述了这种结构。也有人提出其它的构造，如微机械加工硅和以砷化镓为基础的合金。

这些滤波器一般在一个晶圆上制作。更确切地说，该滤波器是在一个透光的衬底上批量制作，比如铟磷衬底。当然，透光的概念是针对准备使用的这些波段。在同一衬底晶圆上可以制作几百个滤波器。

用空气隙分开的两个布拉格镜形成的滤波器非常脆弱，其厚度不超过几微米，因此要非常严格地操作。

发明内容

本发明的一个目的是通过提出一种批量制作光滤波元件的方法，该方法允许更简单地操作，从而缓解该问题。

为了此目的，本发明的主题就是一种批量制作光滤波元件的方法，包括在一种透光衬底上制作多个光滤波元件，其特征在于，还包括用一个透光整体覆盖层覆盖该多个光滤波元件，对每个元件独立地进行光学测试，并彼此分离该多个元件。

本发明的另一个主题是元件晶圆，包括一个透光衬底，其上制作多个光滤波元件，一个覆盖元件的透光整体覆盖层以及用于对每个元件进行独立测试的装置。

使用衬底和透光覆盖层，可以将光聚焦和准直装置集成进或者覆盖层、或者衬底，甚至同时集成进覆盖层和衬底，该光聚焦和准直装置用于直接从光纤来从光学上调谐滤波器。由此，在同一晶圆上制作的每个元件被分离之前，可以对每个滤波器进行光学测试。因此，可以只保留那些成功通过测试的元件，而删除其它元件。

可以通过切割来实现分离元件的操作，比如锯开，但是这种操作会产生大量颗粒，这些颗粒可能损害元件。在元件分离之前，覆盖层的存在允许保护由布拉格镜组成的元件的有源部分。

附图说明

在读完本发明的三个实施例的详细描述后，将会更好地理解本发明，本发明的其它优点也将更加明显，下面结合附图进行描述，其中：

图1示出了根据第一实施例的一个光滤波元件的横截面；

图2是图1中示出的元件的俯视图；

图3示出了根据第二实施例的元件的横截面；

图4示出了根据第三实施例的元件的横截面。

发明详述

图1和图2示出了在晶圆上制作的光滤波元件1。光滤波元件1在衬底2上制作，其中只显示了承载元件1的部分。实际上，在一个或相同晶圆上制作大量元件，例如该元件彼此相同且并排地放置在衬底2上。元件1的有源部分包括被空气隙5分开的布拉格镜3和4。镜3和4与主体部分6相连，并通过臂7附着在衬底2上，例如，如图2所示，臂7有4个。臂7为镜3和4提供一定的弹性，用来调节空气隙5的厚度，进而调节元件1过滤的中心波长。元件1的有源部分上覆盖有透光覆盖层8。隔离片(spacer)9使覆盖层8和镜子4之间保持一定的距离。利用包裹元件1的有源部分的树脂球形腔10将覆盖层8固定在主体部分6上。树脂球形腔10可以替换成软金属球形腔10，比如可以挤压的铟材料，或者替换成其它由软焊料合金制成的球形腔，通过适度加热元件1，该软焊料合金可以整体融化。利用箭头11来符号示出通过滤波器的光束路径。该路径垂直于镜3和4的平面。优选，光学处理装置12放在覆盖层8上，例如允许聚焦或准直经由覆盖层8的外表面13进入滤波器的光束。

优选，通过改变将镜3和4分开的空气隙5的厚度来调谐元件1。镜3和4可以由半导体层制成。定义F-P谐振腔的空气隙5以彼此面对的半导体层为界，制造时要精确定义两个半导体层的间距。通过为每个半导体层制造一个电接触点(假设此种电接触点充分导电或其上覆盖有导电材料)，就可以施加一个DC电压，该DC电压在面对的半导体层之间产生静电力，用于以可控的方式改变该间距。通过改变电压，可以改变静电力，进而调节元件1的调谐。臂7具有足够的硬度来抗拒静电力，进而使这两层保持在稳定位置。电接触点14、15提供镜子3、4和外部电源(没有示出)之间的电连接。

在制造元件1的过程中，首先在衬底2上制作几个元件1。然后，用透光的整体覆盖层8覆盖所有元件1。然后在元件分离之前，对每个元件进行光学测试。优选，在元件1的光学测试过程中，也可以进行其调谐方式的测试。更确切地说，可以在焊盘14和15之间施加一个电压，该电压在一个有用的范围内变化，以检测是否在一个可以接受的条件下进行元件1的调谐。

为了将电压施加到焊盘14和15之间，可以事先切割元件1，从而将部分16从覆盖层8上移走(部分16位于虚线17之外)。因此，可以从外部接入焊盘14和15，且可以比如利用探针施加电压，探针的针尖压在焊盘14和15上。

图3示出了第二实施例，其中再次示出了上面描述的所有元件。与上述实施例不同，为了在焊盘14和15上施加调谐元件1所需的电压，没有切割覆盖层8，而是切割衬底2。焊盘14和15分别与焊接区18和19相连接，使得易于通过衬底施加电压，该焊接区18和19可以通过在覆盖层8的内表面20上通过光刻方法制成。焊盘14经由导电材料制成的圆柱21与焊接区18电连接。对焊盘15施加相同的处理，经由圆柱22与焊接区19连接。

图3还示出了抗反射膜23，24和30，优选沿着穿过元件1的光径制作。抗反射膜23镀在光学处理装置12上，抗反射膜24镀在覆盖层8的内表面上，抗反射膜30镀在衬底2的表面31上。表面31是衬底2上承载镜3和4的面的对立面。该抗反射膜可以用于本发明的任何实施例。

图4示出了第三实施例，其中第一实施例里所描述的元件在这里再次示出。此时，在焊盘14和15间施加电压，不需要进行切割。相反，在覆盖层8中制作通孔25和26，从而经由覆盖层8的外表面13来施加调谐元件1所需的电压。在覆盖层8上沿与焊接区18和19成直线的方向垂直打孔，可以制成通孔25和26。然后，在通孔中填充导电材料，如导电的环氧树脂或与覆盖层8的材料兼容的金属合金。在面对各自通孔25和26的覆盖层8的外表面13上，还可以制成焊接区27和28，以增加接触点区，该接触点区用于通过例如探针来施加电压。

调谐光滤波元件1，使得其上通过的中心波长是ITU-692标准所定义的某个波长。但是，单靠滤波元件1来抑制相邻信道被证明是不够的。覆盖层8可以自身参与光学处理装置，以改进此种抑制。更确切地说，DWDM频分复用技术使得间隔100GHZ的信道具有40Gbit/s的数据速率。因此，滤波器有必要对信道的中心波长两边大于50GHZ的区域有好的抑制，从而防止信号混合。

以F-P干涉原理工作的滤波器，即F-P滤波器，其响应形式是一个艾里函数，也就是说，半高带宽和传输最大值的1％处带宽的比率与带宽无关。因此，这将导致：或者如果优选给定一个阻止性能，则制成的滤波器的带宽将非常窄，或者如果优选给定一个带宽，则抑制就不充分。

一般来讲，可以通过与其它谐振腔耦合来改善干涉滤波器如F-P滤波器的传输性能。此时传输曲线将不再是一个艾里函数，而接近于理想带宽，该带宽在中心波长处有很好的传输性能，在有用带宽的范围之外有很好的抑制性能。

更确切地说，优选将滤波元件1的调谐腔或空气隙5与另外一个腔耦合，该另一个腔的厚度使得作为波长函数的传输曲线呈梳状，该梳状曲线的高传输频率与ITU-692标准中定义的频率一致。该腔的光学厚度n_e给定为：

           n_e＝c/2Δυ

其中，c代表光速，Δυ代表ITU-692标准中两个相邻频率的频差。在空气中，该厚度大约为1.5mm，可以利用一个覆盖层产生，该覆盖层可以由厚度为862μm的蓝宝石制成，也可以由厚度为475μm的铟磷(InP)制成。当然，也可以是其它材料。

控制覆盖层8和元件1之间的电磁耦合很重要。控制该种耦合意味着必须控制覆盖层8相对于元件1的位置，其精度高于一个波长。为了达到该目标，要用校准球或光纤来制成隔离片9。例如，可能用尺寸非常精确的玻璃球，该玻璃球在别处用于生产液晶屏。

隔离片9还可以通过在覆盖层8或衬底2上蚀刻一层材料制成。例如，该层可以利用在衬底2或以InP为材料制成的覆盖层8上制成的一个InGaAs附着层来生成。为了在适当的位置生成隔离片9，可选择蚀刻该附着层。该附着层也可以用二氧化硅(SiO₂)，铝或金制成，使得该附加层也可以实现焊盘14和15提供的功能。

优选，元件晶圆包括用于调节覆盖层8的光学厚度n_e的装置。这是因为，对于实现覆盖层8和元件1之间很好的电磁耦合，控制覆盖层8的光学厚度n_e很重要。如果没有这些调节方法，则需要以1/100微米量级的精度来控制覆盖层8的光学厚度，这很难实现。可以使用用于调节覆盖层8的温度T的装置来调节其光学厚度n_e。更确切地说，大部分材料的尺寸，特别是其厚度e会随着温度T而改变。另外，透光材料的光折射率n也会随着温度T改变。以蓝宝石为例：

$>>>dn>dT>>=>+>15>\times >>10>>->6>\; >>K>>->1>\; >$>

和 $>>>de>>e>.>dT>>>=>5>\times >>10>>->6>\; >>K>>->1>\; >$>

而且，已知：

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将方程应用于蓝宝石中可以得出：

$>>>d\upsilon >dT>>=>2.7>GHz>/>K>$>

该数字实例显示：以几十分之一度的精度来稳定覆盖层8的温度，就可以将利用覆盖层8制成的光学腔调谐到所期望的频率。该精度很容易实现，比如用一个带有用来控制模块工作的温度传感器的帕耳帖效应模块就可以实现。另外，帕耳帖效应模块可以替换成加热电阻，如果所需的温度大于室温，则加热电阻本身可以沉淀到覆盖层上。

优选，在图4所示的实施例中，树脂球形腔10包裹圆柱21和22以及元件1的有源部分。因此，通过将圆柱21和22和元件1的有源部分装入一个密封外套，在该外套中填充惰性气体譬如氮，从而使其免受任何外来攻击。