用于半导体器件与光纤的无源光学对准的集成平台

摘要

提供了一种用于在光形式和电形式之间转换信号或者反之的光学平台。该平台包括介电底座、半导体光源和光纤。这些部件中的一些是单独制造的，然后与聚焦透镜一起安装到集成组件中。该平台允许在倒装芯片垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列模块封装件中的光纤自对准。光纤的自对准是通过控制平台的几何尺寸实现的。该技术可以用来形成大规模集成光电电路和交换网络。

说明书

技术领域

本发明涉及光电部件的封装，尤其涉及帮助光发射和接收器件与光纤的物理和光学耦接的集成平台。

背景技术

光纤技术非常适合通信应用，因为光纤具有宽的传输带宽，以及相对较低的衰减。但是，光纤与电子和光学网络的接口的制造很昂贵，这是由于难以将激光发射和接收器件安装到衬底上并将它们与单独安装的光纤对准。为此，光纤技术大量用在接口相对较少的长距离通信系统中。长距离通信系统对价格也比较不敏感。但是，制造光纤接口的高成本已经构成了一种障碍，妨碍了光纤技术进入局部城区通信系统以及其它市场。

为了理解将激光器耦接到光纤的过程存在的耦接和对准方面的困难，必须考虑光纤、光学封装以及激光发射和接收器件的几何形状和尺度。光纤是一种挤压的、一般是玻璃的细线，其有一个中央芯用于承载光线，并有环绕的包层用以实现将光反射回中央芯的内反射。在使用中，光以可接受的角度被发射到光纤一端的芯中。入射光然后沿着纤芯传播到光纤的另一端。

典型的单模光纤的纤芯直径约为9微米，多模光纤的纤芯直径约为50或者62.5微米。由于光纤纤芯的尺度小，难以将光纤与孔径尺寸在约2微米到10微米之间变化的激光发射与接收器件对准。当将激光发射与接收器件与单模光纤对准时，由于纤芯直径小，问题就尤为尖锐。

有两种技术用于在封装件或者平台上对准光纤和所述器件：无源对准和有源对准。有源对准是这样进行的：激活光发射器件，将光纤放置到安装到封装件上的位置，当耦合到光纤(或者器件的光探测器)中的光量超过给定阈值时，即选择该安装位置。相反，无源对准的实现是基于要组装的部件的几何特征，在对准过程中不激活激光器。因此，无源对准依赖于放置的精确性以及可接受的制造公差，以产生可靠的、可重复的组装过程。对于多模光纤耦合来说，基于单个集成光学平台的无源对准在某种程度上是成功的，这是因为多模光纤的纤芯直径较大。但是，仍然需要对对准技术加以改进。相反，单模光纤的无源对准已经被忘却了，这是因为在激光发射或者接收器件的孔径和单模光纤的小纤芯之间光耦合激光束所需的精密公差和限制。由于对平台使用不昂贵然而希望使用的材料，这种问题被进一步扩大了，因为所述材料可能天生地具有难以控制的制造公差。

将半导体器件安装到光学平台上的典型方法是使用倒装芯片接合(flipchip bonding)技术，这种技术是从电子工业领域的已臻完善的技术改造而来的。如果不加改进，倒装接合的大约1微米的公差不能满足将要安装的器件的光束耦合到单模光纤中所需的0.5微米的公差。

传统上，硅平台(封装件)已经被用来安装激光发射或接收器件以及光纤。平台包括硅的在器件和光纤之间导引光束的平坦的、倾斜的反射面。光纤被锚定到在同一硅衬底中蚀刻的V形槽中，使得整个封装件紧凑。这种设计公知为硅光学座(silicon optical bench)。最近，已经开始使用V形槽来将光纤阵列连接到被连接在独立石英板上的垂直腔表面发射激光器(vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)器件。

这些设计的平坦、倾斜反射面具有几个基本的缺陷，包括：(i)被限定为器件和光纤之间的距离的工作距离有限；(ii)在二极管激光器耦合的情况下，不能补偿光束剖面分布(beam profile)；以及(iii)光电器件和光纤之间的总位置公差大。

为了实现高的耦接效率，光电器件和光纤之间的工作距离应当被保持在与几何构造以及其它实际的结构因素相称的最小值。例如，通过将光纤与坐落在特定平台上的半导体器件的作用区直接对接耦合，可以实现所述最佳距离。但是，这种耦接方案并不总是可能的，因为它常常受到物理约束的限制。这些问题大大地降低了将这种平台用于使用半导体二极管激光器的单模或者多模激光封装的机会，甚至阻止了这样的使用。在将激光器和光纤安装到单独的平台上时，需要进行有源对准。

传统上，用于接纳光纤的硅V形槽的形成方式是这样的：在硅的晶体结构中化学蚀刻精确的形状。但是，与玻璃和塑料比起来，单晶硅很贵。已经提出了使用聚合物模塑技术来设计具有透镜系统、45度反射棱镜以及套管孔(ferrule bore)的波导。也有其它的波导使用塑料注射模塑来形成与滤波器模块、45度反射棱镜、透镜系统和光纤套管芯(fiber ferrule core)集成在一起的复杂的光学多路复用器。但是，传统上这些波导没有为激光发射或接收器件提供平台座。这样，就需要利用有源对准来放置单独封装的器件并将它们与波导对准，这既费时，又费钱。还有其它的一些得到使用的模块化平台具有若干需要有源对准的部件。

与有效用于某些电子芯片的批量封装(batch packaging)不同，使用有源对准技术的光电部件的封装必须一个一个来。这增加了组件的成本。在较小的程度上，操作尺寸在几百微米到几个毫米的许多小的机械部件，以及在密封环境下的封焊都增加了封装的成本。

在远距离通信中，成本高从来都不是主要问题，因为这些部件由许多用户使用和共享。但是，随着作为下一个增长点的短距离城市市场/接入市场的出现，对低成本封装的需求增加了，因为这些市场对价格极为敏感。要满足高容量、低成本的需求，必须对制造经济部分进行重大的改进。降低封装成本的途径是在单个平台中使用更多光学部件的集成、无源对准技术、批量制造技术，以及在制造中引入更多的自动化。

因此，需要有一种安装光发射和接收器件并使之与光纤对准的新技术，允许使用低成本的无源对准技术。还需要有一种单体集成平台用于安装激光发射和接收器件以及光纤。还需要一种平台和安装方法，使用放宽制造公差并允许使用用于安装平台的便宜的材料比如塑料或者玻璃的技术。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种平台，通过其集成特征降低对准公差。这些特征包括将来自连接的源发射器的光束向光纤偏转的反射镜、在所述反射镜和光纤之间、对光纤处的图像有效缩小的集成聚焦透镜，以及在该同一平台中接纳光纤的V形槽结构。平台的制造可以不贵，例如，取决于具体的应用，对玻璃或者塑料进行转移/注射模塑、研磨或者抛光。在用光检测器接收光束而不是发射光束时，适用同样的原则。

一般，可以用激光器，比如垂直腔表面发射激光器或者其它激光器，来产生光束。另外光束可以是非激光比如半导体光放大器(SOA)或者其它任何光束。所述反射镜可以设置为按45度角向所述光纤纤芯反射所述光束，所述角度或者是任何其它合适的角度。

根据本发明的另一个实施例，可以用具有相似的聚焦和缩小效应的集成凹反射镜来取代平面反射镜和透镜。由于光束的聚焦和缩小导致公差放宽，可以应用无源对准技术，比如倒装芯片接合。所述平台和安装方法既适合于多模光纤又适合于单模光纤。根据本发明，1)平台和光纤之间的工作距离被延伸了；2)通过聚焦透镜，将光束分布调整为对称形式；以及3)与传统技术相比，在x维度和y维度，无源对准的公差被放松了。这些特征降低了制造光学封装件的成本。

根据本发明的另一个实施例，所述平台是一个介电衬底，由玻璃、塑料比如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)或者聚碳酸酯(PC)或者其它合适的材料制成。用倒装芯片接合技术将垂直腔表面发射激光器(VCSEL)单元安装到所述衬底上。激光器的总反射实现在衬底的倾斜的侧壁的表面上。侧壁的角度可以选择为按照90度角或者任何其它合适的角度(0到180度)偏转所述光束。通过平台的集成透镜，光被聚焦到像平面上，在这个距离上，所述光纤被放置到例如V形槽或者套管(ferrules)中。

附图说明

下面的详细说明以举例的形式给出，不是要将本发明仅仅限定到这里所描述的实施例。参照附图可以更好地理解本发明。附图中：

图1A是本发明的一个实施例的集成平台的三维视图，其中图示了用于将VCSEL器件通过该平台电耦接和光耦接到光纤的焊盘和互连；

图1B是图1A中的一个剖面，该图图示了激光束从VCSEL器件通过平台、通过聚焦透镜传播到光纤；

图1C图示了图1A的实施例的顶视图；

图1D是根据本发明的一个实施例的集成平台的三维视图，图示了焊盘和互连；

图1E是使用具有一体的透镜的单体集成衬底的一个实施例的集成平台的三维视图；

图1F是使用单体集成衬底的一个实施例的集成平台的三维视图；

图1G图示了根据本发明的一个实施例，通过套管(ferrules)将光纤放置到集成平台上，其中两个平台被一起粘合在一个系统内；

图1H图示了根据本发明的一个实施例的集成平台，其中，用阵列波导取代了透镜-V形槽光纤组合；

图1I图示了根据本发明的一个实施例的集成平台的三维视图，其中，光纤中包含有倾斜反射面；

图1L图示了图1I的沿着光纤的剖面图以及沿着光纤的平台；

图2A是根据本发明的一个实施例的集成平台的三维视图，该实施例使用曲反射面用于激光反射和聚焦；

图2B图示了图2A实施例的剖面图；

图2C图示了图2A实施例的顶视图；

图3是根据本发明的一个实施例的集成平台的三维视图，其被集成在一个印刷电路板上；

图4A是集成平台的三维视图，其中，光纤阵列垂直于例如VCSEL器件的发射表面产生的光束；

图4B图示了图4A的剖面图，其中的配置是，部件和光纤都安装到衬底上；

图5图解了根据本发明的一个实施例形成集成平台的方法。

具体实施方式

根据本发明的一个实施例，提供了一种单体平台，通过其集成特征来降低对准公差。这些特征包括：将来自垂直腔表面发射激光(VCSEL)发射器的光束向光纤偏转的45度反射镜、在所述反射镜和光纤之间、对光纤处的图像有效缩小的聚焦透镜，以及在该同一平台中接纳光纤的V形槽结构。该平台的制造可以不贵，例如，取决于具体的应用，对玻璃或者塑料进行转移/注射模塑、研磨或者抛光。在用光检测器接收光束而不是发射光束时，适用同样的原理。

图1A是本发明的一个实施例的集成平台的三维视图，其中图示了用于将光发射或接收器件100，比如VCSEL器件，通过该平台电耦接和光耦接到光纤的焊盘和互连。见图1A，一个介电衬底103用于安装激光发射和接收器件100以及光纤。该衬底103可以由玻璃或者其它合适的材料比如聚合物制成。该衬底可以通过转移模塑、注射模塑或者高精度研磨而形成。当使用玻璃模塑时，可以将预成形的玻璃压到被预热的模具中。在若干分钟以后释放压强，将衬底取出。取决于所使用的材料的玻璃转变温度，可以在模塑过程中使用宽范围的温度。例如，取决于所使用的玻璃材料，一般的温度范围是650度到1300度。但是，该范围之外的温度也是可能的。当使用聚合物时，可以用注射模塑工艺来形成衬底。

衬底103包括一个器件安装表面，可以在上面形成电互连用于安装光电器件。例如，可以在衬底103上形成焊盘104，将它们与器件100上的配合焊盘对准。类似地，可以在器件安装表面上或者器件安装表面中形成布线，以将接合触点焊盘耦接到衬底上的其它器件，比如激光器驱动器件105，或者通过例如引线接合耦接到衬底103外部的其它器件。

为了制造焊盘104，可以将金属淀积到衬底103上的预定位置。淀积可以使用若干用于将金属淀积到衬底上的已知技术中的任何技术进行。根据一个实施例，在衬底103上淀积纯金层，以形成接合触点焊盘104。器件100可以包括半导体激光源比如VCSEL器件或者VCSEL阵列。器件100和105的安装可以使用焊球106。根据本发明的一个实施例，焊球106可以包括金/锡低共熔混合物焊球，焊球的大小例如从五到五十微米。器件100和105可以互连并/或通过使用例如纯金的引线接合连接到衬底外的器件。可以理解，可以用其它的材料形成焊球以及引线接合。

衬底103可以包括一个光纤安装部分，该部分包括一个从器件安装表面延伸开来的光纤安装表面。该光纤安装表面可以包括用于接纳光纤的V形槽107。V形槽107可以精确地形成为模塑工艺的底盘。或者，它们可以机加工到光纤安装表面中。所述V形槽107提供了精确限定每一个要耦接到衬底上的器件100的光纤的安装点的机制。

衬底103也包括一个在器件100下方的反射性倾斜侧壁以及器件安装表面。该衬底103是半透明的，以便从器件100发射或者耦合到器件100的激光穿过该衬底。当器件100包括一个VCSEL时，激光束从器件上的激光器向下发射穿过衬底。所述倾斜的反射侧壁的角度安排为将来自器件100的光束向与活动VCSEL相关的V形槽反射。所述反射侧壁例如可以形成在侧壁和安装表面之间的45度角。取决于衬底的几何形状、设置在衬底中的透镜的特性以及器件100的特性，0到90度之间的其它角度也是可能的。一般，反射侧壁的角度应当选择为在光纤和器件100之间形成激光束的最大耦合。

衬底103还包括一个传输面，来自器件100或者来自光纤的激光束通过该传输面传播。在该传输面中，可以形成一个凹陷。可以形成一个透镜安装台，其中有一个或者多个聚焦透镜。该透镜安装台108可以被安装在所述衬底的所述凹陷内，例如将所述安装台粘到所述衬底的所述凹陷中。为了将透镜阵列101粘到所述传输面上，可以使用指数匹配的环氧树脂。或者，所述透镜可以一体形成在所述衬底的所述传输面中。

在所述V形槽107中，光纤109在每一个聚焦透镜的像平面上对准。这可以用一个引导止动器进行。示于图1A的衬底具有将反射平面和光纤之间的工作距离扩展，以实现具有更大对准公差的高耦合效率的潜力。这部分地是因为透镜阵列101所提供的缩小作用。

图1B图示了图1A的剖面图，其中图示了来自VCSEL器件100的激光束通过平台103、通过透镜阵列101中的聚焦透镜中的一个传播到光纤。见图1B，一个激光束从VCSEL发射出来，通过衬底103向反射面传播。该反射面将光束向衬底103的传输面中的透镜反射。当该光束从反射面向透镜传播时，该光束变宽。所述透镜将所述光束聚焦并会聚为一个较窄的分布断面，其应当被对中在光纤端面的纤芯中。这个聚焦过程扩展了工作距离，提高了将光束耦合到纤芯中的耦合效率。

图1C图示了图1A实施例的顶视图。从图1C显然可见，器件100被定位在所述倾斜的反射面上，所述透镜阵列101被定位在所述光纤端部和所述倾斜反射面之间。还显然可见，在光纤端部和透镜之间可以有一个间隙。

图1D是根据本发明的一个实施例的集成平台的三维视图，其中图示了焊盘和互连。见图1D，衬底103的倾斜的反射面被形成为与器件安装表面相对的表面的一部分。这种设计可能没有图1A所示严格：在图1A中，倾斜的反射面通过延伸到器件安装表面的材料切除被形成在衬底103中。图1D还图示了这样一种实施例，其中，所述透镜阵列一体地形成在衬底103的传输面中。另外，对于图1D所示的衬底，器件安装表面的表面金属化与图1A所示稍稍不同，使用了到外部器件的引线接合手段。

图1E图示了根据一种实施例的集成平台的三维视图，该实施例使用具有一体的透镜的单体集成衬底。见图1E，一个衬底集成有一个反射镜、形成在衬底的传输面中的微透镜以及形成在光纤安装表面中的V形槽，它们通过传递模塑形成。反射镜的45度指的是其相对于器件安装表面的角度。45度的角产生90度的光束反射。取决于实现方式，可以使用0到180度的任何合适的光束反射角，以在光纤纤芯和光发射或接收器件之间对光束改变方向。

模塑材料可以是玻璃或者其它高温聚合物。该衬底也可以用作激光器驱动器以及其它电子器件的载体。然后可以淀积多层纯金，以形成接合触点焊盘104，半导体激光源100(VCSEL阵列)以及激光器驱动器105器件利用金/锡低共熔混合物焊球(直径20微米)106安装到所述焊盘上。这些部件然后用使用纯金的引线接合方法互连起来。类似于图1A的实施例，从VCSEL发射的激光束由45度反射镜反射，然后由微透镜聚焦到坐落于V形槽上的光纤中。

图1F是根据一个实施例的集成平台的三维视图，该实施例使用单体的集成衬底。见图1F，该衬底103包括一个嵌在衬底内部的45度反射面。该衬底具有更牢固的机械结构，因此可以放松对45度反射镜的位置的设计约束。45度反射镜越靠近透镜，从VCSEL到透镜的光路越短。从VCSEL到透镜的光路越短，激光束在被透镜汇集之前的发散就越小。该衬底还能提供从VCSEL到激光器驱动器器件的电路，从而不必使用引线接合方式，这进而使得整个封装件更有鲁棒性。

图1G图示了根据本发明的一个实施例，通过套管将光纤放置到集成平台中，其中，两个平台被一起粘合到一个系统中。见图1G，使用一个套管109来对准光纤。所述套管被设计为具有一个配合端部以锚定到衬底103的弯曲表面上。然后将光纤通过所述套管放置到像平面处。这可以通过使用引导止动器110而加以控制。同样在图1G中，还可以看到，衬底103可以耦合到另一个封装组件，后者可以包括一个集成电路板。所述器件100可以由被引线接合到该器件100的印刷电路板上的其它器件驱动。

图1H图示了根据本发明的一个实施例的集成平台，其中，用阵列波导替代了透镜-V形槽光纤组合。见图1H，用阵列波导替代了图1A实施例中的透镜-V形槽光纤组合。根据该实施例，激光束从VCSEL器件辐射出来，反射而离开所述倾斜面从而进入波导。每一个波导接下来将光束输送到相应的光纤。所述波导可以与平台单片集成，或者可以单独制造然后与平台组合起来而形成混合结构。

图1I图示了根据本发明的一个实施例的集成平台的三维视图。平台材料可以是透明的以允许光束通过。材料可以是玻璃或者透明的塑料。如果需要，平台材料最好可以耐高温，以允许在高温进行随后的制造步骤。

见图1I，平台103包括具有V形槽的上表面和用于接纳光发射或接收部件的下表面。下表面也可以包括在该下表面上的金属化，包括焊球106，以连接到并安装光发射或接收部件100。光纤112可以被安装到平台上的V形槽内，这样就相对于衬底对准。所述光纤的一端被抛光为相对于光纤和衬底形成特定的角度，并被镀覆以在光纤和表面界面处提供一个反射面。光纤112被定位在沿着V形槽的位置处，使得从光纤的反射面反射的光束在部件100内的光发射或接收器件比如VCSEL和纤芯之间传播。换句话说，基于反射镜相对于光纤和/或平台的角度、平台几何形状以及VCSEL阵列(其具有每一个VCSEL器件的相关窗口)的几何结构，对准部件100和光纤112。光纤112的反射面的角度可以是任何方便的值，如果需要，在V形槽内不同的光纤112之间可以变化。

图1L图示了图1I实施例的剖面视图，其中，图示了从部件100发射的光束到光纤112的光路。见图1L，光束穿过半透明的平台103、V形槽并穿透光纤112的外表面。为此，光纤的在光束路径中的部分必须具有半透明的表面允许光束进入光纤112。一旦在光纤中，则光束通过光纤、反射而离开反射面并向下传播到纤芯。在通过所述玻璃衬底和光纤包层后，来自VCSEL阵列的光束被所述有角度的纤芯反射，然后沿着光纤阵列传播。

图2A图示了根据本发明一个实施例的集成平台的三维视图，该实施例引入了弯曲反射面用于激光反射和聚焦。见图2A，所述衬底包括多个弯曲面401，每一个弯曲面用作凹面反射镜。来自VCSEL的入射光被反射离开所述弯曲面401并被聚焦到像平面上，其中，多个光纤被放置到V形槽中。所速凹面反射镜取代了用在图1的实施例中的反射面和聚焦透镜。这将设计方案简化得更为紧凑。为了确保曲面的最大反射率，可以在该面上形成金属镀层。该实施例能够实现高的耦合效率，并具有大的对准公差，并允许扩展反射镜和光纤之间的工作距离。

图2B图示了图2A实施例的剖面图。见图2B，来自VCSEL的光束在向反射曲面401传播时被图示为发散的。该光束然后被向所述光纤反射并被聚焦，从而，当入射到光纤上时，该光束被会聚并在纤芯中心位置进入光纤。

图2C图示了图2A实施例的顶视图，其中图示了本发明的实施例的双向传输特征。它还图示了使用多个发射器。

图3图示了根据本发明的一个实施例的集成平台的三维视图，该实施例被集成到了一个印刷电路板上。见图2A，所述光学平台包括一个聚合物衬底，该衬底具有曲面以对从VCSEL器件发射的激光束进行聚焦。在本实施例中，由于焊接所需的高温，通过作为引线框架芯片封装的替代手段的倒装芯片接合，半导体器件被直接连接到电子印刷电路板或者具有其它电子部件的平台。所述聚合物衬底被设计为具有用于连接到电子平台连同相应的金属镀敷曲面和光纤槽的定位针601。在广泛发展的PCB(印刷电路板)工业中，这种设计由于组装容易而得到应用。

至于半导体激光器件的安装，应用底层填充来填充激光器件和安装底座(submount)之间的间隙，以增加机械强度，使半导体器件、焊盘和焊料套(solder pumps)的氧化最小化。

图4A图示了集成平台的三维视图，其中，光纤阵列垂直于例如VCSEL器件100的发射面产生的光束。该VCSEL阵列可以用焊球106被倒装芯片接合到玻璃衬底113上。该集成平台103具有一个当部件相对于平台103排列时平行于光束设置的V形槽阵列。该平台103还包括用于接纳和安装玻璃衬底113的矩形框。通过控制集成平台的玻璃衬底113的尺寸公差，VCSEL阵列能够与光纤阵列112无源光学对准。这可以通过使玻璃衬底的尺寸精确配合于平台103的矩形切除部分内而实现。其它技术包括图案(模式)识别：分别在玻璃衬底113和平台103上形成图案。图4B图示了图4A的剖面图，其中的配置是同时安装了部件100和光纤112。来自部件100的VCSEL阵列的光束穿过玻璃衬底113，然后直接进入光纤阵列。该光纤可以是但是不限于透镜纤维(lensed fiber)。玻璃衬底113不仅用作部件的电和物理安装表面，而且用作光纤止动体。该光纤止动体允许通过将光纤的一端抵在玻璃衬底113的表面上而进行对准，从而有助于沿着V形槽的光纤的对准。这样，部件和光纤端部之间的距离可以得到很好的控制。从部件100发出的光束穿过玻璃衬底113进入光纤112的一端。

图5图示了根据本发明的实施例安装平台的方法。见图5，在步骤400，形成一个模腔。该模腔用来在步骤410通过例如传递模塑或者注射模塑产生衬底。在步骤420，按照掩模工艺用金属对所述衬底进行选择性镀敷，形成焊盘。在步骤430，使用焊接或者倒装芯片安装技术，将用于进行激光发射和接收的器件安装到所述焊盘上。在步骤440，将其它器件和部件引线接合到形成在衬底103的安装表面上的焊盘上。在步骤440，然后进行底层填充，以保护芯片不受氧化并提供机械支持。在步骤450，将光纤排列到光纤安装表面上的V形槽中。然后例如通过粘合将光纤固定到V形槽内。在步骤460，例如通过将衬底连接到集成电路板，将衬底与其它电子器件封装起来。

上面公开了本发明的若干具体实施例。本领域的普通技术人员了解，在不脱离本发明的实质范围的情况下，可以对上述实施例进行一些改变。