用于使用光纤的集成光学器件的带通槽基底

摘要

公开了一种用于形成使用光纤和至少一个有源光学部件的集成光学器件的带通槽基底。所述带通槽基底包括具有在其中形成的一个或多个凹槽的上表面的基底构件和透明片。优选地由薄玻璃制成的透明片固定到基底构件上表面，以与所述一个或多个凹槽结合限定一个或多个通槽。每一个通槽的尺寸均设计成容纳光纤以允许通过透明片在有源光学部件和光纤之间光通信。还提供了通过模制和拉延形成的带通槽基底。还公开了使用所述带通槽基底的集成光学器件。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求在2009年9月30日提交的、名称为“Channeled Substrates For  Integrated Optical Devices Employing Optical Fibers”(用于使用光纤的集成光学 器件的带通槽基底)的美国非临时专利申请No.12/570,523的优先权，其内容 以引用方式全文并入本文中。

技术领域

本公开涉及集成光学器件，更具体地涉及用于形成使用光纤的集成光学器 件的基底。

背景技术

某些类型的集成光学器件以光纤的形式结合有源光学部件、有源电学部件 和无源波导。这样的集成光学器件的例子包括光学收发器和有源电缆组件 (ACA)。

虽然光纤与有源光学部件的有源对准确保了集成光学器件的最佳性能，但 对准优选地为无源的以降低成本和复杂性。此外，优选的是使用在本领域中已 知的标准包装技术以形成集成光学器件。

实际的集成光学器件使用标准包装技术装配以最小化成本。通常，有源光 学部件可以有源侧向上的方式附接在基底上并与引线电学地互连。在这种情况 下，有源光学部件的光路在某些实施例中被导向为朝上远离基底。在另一种方 法中，有源光学部件以倒装片法安装在基底上，以使得光路被定向为朝下进入 基底或朝上穿过诸如玻璃窗的透明介质。

在这两种选择中，倒装片安装方法具有若干优点，例如有源光学部件和光 纤之间的接口得到保护而不受周围环境影响。另外，光学接口被载体基底机械 地稳定化，并且到其它装置的电气链路是短的，使得能够高频率操作。然而， 倒装片安装方法的主要挑战涉及在有源光学部件下面无源地对准光纤的必要 性，以及提供到光纤的低损耗耦合的必要性。

发明内容

本公开的一个方面是用于形成集成光学器件的带通槽基底，该集成光学器 件使用一个或多个光纤和至少一个有源光学部件。带通槽基底包括基底构件， 该基底构件具有在其中形成有一个或多个凹槽的上表面。基底也包括固定到基 底构件上表面的透明片，该透明片与一个或多个凹槽结合限定一个或多个通 槽，所述一个或多个通槽的尺寸均设计成容纳一个或多个光纤之一，以便允许 在有源光学部件与一个或多个光纤之间通过透明片光通信。

本公开的另一个方面是用于形成集成光学器件的带通槽基底，该集成光学 器件使用一个或多个光纤和有源光学部件。带通槽基底包括具有平的上表面的 基底。带通槽基底还包括具有在其中形成有一个或多个凹槽的透明片，该透明 片固定到基底上表面，以与平的基底上表面结合限定一个或多个通槽，所述一 个或多个通槽的尺寸均设计成容纳一个或多个光纤之一，以便允许在有源光学 部件与一个或多个光纤之间通过透明片光通信。

本公开的另一个方面是形成用于形成集成光学器件的带通槽基底的方法， 该集成光学器件使用一个或多个光纤和有源光学部件。该方法包括提供具有上 表面的基底构件和提供具有相对表面的透明片。该方法也包括在透明片表面的 其中一个中形成一个或多个凹槽。该方法还包括使带凹槽的透明片表面与基底 构件上表面接合以限定一个或多个通槽，所述一个或多个通槽的尺寸均设计成 容纳一个或多个光纤之一，以便允许在有源光学部件与一个或多个光纤之间通 过透明片光通信。

本公开的另一个方面是形成用于集成光学器件的带通槽基底的方法，该集 成光学器件使用光纤和有源光学部件。该方法包括形成具有大致矩形形状的截 面和在其中形成的多个通槽的柱形玻璃预制件。该方法也包括拉延预制件以形 成柱形棒部，该棒部比预制件小并具有与预制件大致相同的相对尺寸，其中棒 部通槽的尺寸设计成容纳光纤。该方法还包括切割一段棒部以获得带通槽基 底。

参照下面的书面说明书、权利要求书和附图，本领域的技术人员将进一步 理解和体会本公开的这些和其它的优点。

附图说明

当与附图结合时，参照下面的详细描述，可对本公开有更完整的理解，其 中：

图1是示出在其中形成精确凹槽的示例性基底构件的透视图；

图2是类似图1的透视图，但还示出了在布置在带凹槽基底构件上面以形 成示例性带通槽基底的过程中的透明片；

图3是在图2中形成的带通槽基底的透视图；

图4与图3相同，但具有形成在透明片上表面的导电触点；

图5与图4相同，但具有形成在导电触点上的焊球，以及具有在布置在导 电触点和焊球上面的过程中的有源光学部件和有源电学部件；

图6与图5类似，但具有以倒装片法安装在带通槽基底上的光学部件和电 学部件；

图7示出了图6的带通槽基底，该基底被翻转和附接到具有“印刷电路板” (“PCB基底”)形式的更大基底，并且还示出了可操作地安装在PCB基底上 的支持芯片；

图8与图7类似，但示出了在PCB基底上就位的带通槽基底和支持芯片；

图9与图8相同，但示出了插入到带通槽基底的通槽中的光纤阵列；

图10与图9相同，但具有在带通槽基底内就位的光纤阵列；

图11与图10相同，但示出了用一团固定材料保持到带通槽基底和PCB 基底的光纤阵列；

图12示出了位于透明片的相对侧上的有源光学部件和光纤的近距离视 图，并且示出了当光束传播通过透明片时来自有源光学部件的光束的发散；

图13是示出在其中用锯切割的凹槽的晶片级基底构件的透视图；

图14是透视图，示出了布置在图13的带凹槽基底构件上面的晶片级透明 片；

图15是与图14类似的透视图，示出了在图13的带凹槽基底构件上面就 位，从而形成晶片级带通槽基底的图14的透明片；

图16是与图15类似的透视图，但示出了形成在透明片上表面上的导电触 点；

图17与图16类似，但示出了在形成集成光学器件的过程中以倒装片法安 装到带通槽基底的有源光学部件和有源电学部件；

图18与图17类似，但是在对晶片级带通槽基底切片以分开单独的集成光 学器件之后；

图19是在其中形成凹槽的模制基底构件的透视图，其中凹槽终止在基底 构件内而不是从一端到另一端延伸；

图20是使用带通槽基底的示例性集成光学器件的剖视图，该基底使用图 19的模制基底构件；

图21与图20类似，但示出了具有比倾斜纤维端部的角度小的角度的倾斜 通槽端部；

图22与图21类似，但示出了具有比倾斜纤维端部的角度大的角度的倾斜 通槽端部；

图23是示例性玻璃预制件，该预制件被拉延以形成类似于图3中示出的 带通槽基底，但具有一体结构；

图24是在圆柱形加热器中的图23的预制件的透视剖面图，示出了圆柱形 预制件的受热端部，该预制件被拉延成较小的棒同时保留通槽的几何形状和预 制件的相对比例；

图25是示出了在其中形成的槽的阵列的拉延的带通槽基底的透视图；

图26与图25相同，但示出了在带通槽基底的下表面上的导电触点；

图27与图26类似并示出了插入到基底通槽中的光纤阵列；

图28与图27类似，但示出了在基底通槽内就位的光纤阵列；

图29是示例性实施例的近距离视图，其中光纤端部包括两个棱面，这两 个棱面有利于将来自有源光学部件的光耦合到光纤内，同时还允许检测一部分 光。

图30是与图28类似的透视图，但示出了在带通槽基底一侧上与发送器有 源光学部件相对的接收器有源光学部件；

图31是示例性带凹槽透明片的透视图；

图32与图31类似，并示出了沉积在带凹槽表面上的支承材料；

图33与图32类似，示出了已被平面化后的支承材料，并且还示出了穿过 支承材料的切割线；

图34与图33类似并示出了不穿过支承材料的切割线；

图35是具有用锯在其中形成的凹槽的薄透明片的透视图；

图36是图35的透明片的剖视图，示出了在其中形成的凹槽的弯曲形状；

图37是与图36类似的剖视图，进一步示出了模制的基底构件，该基底构 件具有被成形为贴合到透明片的凹槽中以进一步限定通槽的隆起。

图38是图37的模制基底的仰视图，示出了贴合到透明片的凹槽中的隆起；

图39示出了与透明片匹配的模制基底并示出了由此形成的通槽；

图40与图39相同，但示出了在由模制基底隆起和透明片凹槽限定的通槽 中的光纤；

图41至图44是用于带通槽基底的不同的示例性凹槽构型的剖视图；

图45和图46与图44类似，并示出了V形凹槽的两个不同顶角的实施例 以及该角如何影响发送器有源光学部件和通槽内的光纤之间的光耦合；

图47和图48与图44和图46类似，并示出了示例性实施例，其中利用在 透明基底凹槽底部处的散射将来自发送器有源光学部件的光耦合到通槽内的 光纤中；以及

图49是示例性印刷电路板(PCB)组件的剖视图，该组件包括与作为发送器 组件的一部分的发送器有源光学部件结合构造的堆叠的集成光学器件。

具体实施方式

下面将详细参考本公开的优选实施例，其示例性实施例在附图中示出。只 要可能，在所有附图中都使用相同或类似的附图标记和符号来表示相同或类似 的部件。

本公开的实例涉及各种基底，以及使用基底无源地对准光纤的阵列与在诸 如低成本光电收发器和ACA的集成光学器件中的有源光学部件的方法。还描 述了使用本公开的基底的示例性集成光学器件。

有源光学部件可具有光源的形式，并且包括例如市售的阵列半导体激光光 源，例如边发射光源(例如，Fabry-Perot、分布反馈、环形激光器等)或诸如 垂直腔面发射激光器(VCSEL)的面发射光源。下文将发光的有源光学部件称为 “发送器有源光学部件”。有源光学部件还可具有有源光调制器的形式，并包括 例如空间光调制器、光相位调制器、电吸收调制器、注入锁定光调制器、光学 晶体管、自由载流子吸收调制器、液晶调制器和半导体光放大器，并且在下文 统称为“光调制器”。有源光学部件还可具有检测器或接收器的形式，并包括例 如诸如PIN光电二极管的检测器阵列，并且在下文统称为“接收器有源光学部 件”。

在下面的讨论中，“晶片级”表示这样的尺寸，该尺寸足以将多个构件、装 置或组件制造在单个结构(例如半导体晶片)上，然后将单个结构切片以得到 单独的构件、装置或组件。

图1是具有上表面12、下表面14和前端16与后端18的示例性基底构件 10的透视图。出于参照目的而示出了笛卡尔坐标，其具有在基底构件10的平 面内的X轴和Y轴以及在该平面之外的Z轴。基底10可由多种材料中的至少 一种制成，例如，硅、InP及其合金、GaAs及其合金、GaN及其合金、GaP 及其合金、石英、蓝宝石、包括锌、锡和铟的氧化物在内的透明导电氧化物、 玻璃、陶瓷、塑料、金属和适用于光电和集成光学器件应用的其它任何尺寸稳 定的材料。

基底构件10包括在上表面12中形成的一个或多个凹槽30。凹槽30具有 底部31和侧壁32。在示例性实施例中，如示出的，凹槽30从前端16延伸到 后端18。凹槽30旨在充当光纤的导向器并因此形成为具有适合(例如，稍大 于)光纤直径的宽度和深度。凹槽30可通过多种方法形成，这些方法包括精 锯、各向同性或各向异性蚀刻(例如，反应离子蚀刻、化学蚀刻或光化学蚀刻) 或模制方法。凹槽30(或下面讨论的凹槽30’)的横截面轮廓可以是矩形形状、 V形或U形或由这些和/或其它轮廓的组合形成的某一其它轮廓。除了如示出 的沿着基底构件10的整个长度延伸之外，凹槽30还可在基底构件的某个位置 处终止，如下面讨论的。

在基底凹槽加工完成之后，然后参照图2和图3，将具有上表面52、下表 面54、前端56和后端58以及厚度T₅₀的薄透明片50设置在基底构件10的带 凹槽顶部表面12上。在示例性实施例中，透明片50由玻璃制成。透明片50 利用诸如固定材料62的多种技术中的一种固定至顶部表面12，固定材料为例 如键合剂、粘合剂或环氧树脂。例如，固定材料62可使用丝网印刷方法施加 到透明基底下表面54的选定区域，或者在将透明片50放置在基底构件上表面 上之前施加到基底构件上表面12的部分。如果基底构件10由硅制成，则在示 例性实施例中使用阳极键合将透明片50固定到基底构件上表面12。

在基底构件10具有与透明片50紧密匹配的热膨胀系数(CTE)且基底能承 受高温(例如＞850℃)的情况中，则在另一个实例中，将透明片熔接到基底。 此外，在该实例中，在施加到透明片50的另外的向下压力下进行熔接。在另 一个示例性实施例中，在选定位置处将透明片50激光熔融到基底构件10。

用于透明基底50的示例性材料为玻璃，因为玻璃在较大的波长范围内是 透光的，能支承导电触点和透明导电氧化物，与封装和组装工艺相容，并且可 以由薄片以低成本制成并具有可控厚度。此外，玻璃为低热膨胀系数材料，其 可从组分上设计以匹配硅或在集成光学器件的诸如GasAs、InP、GaN、GaP及 其合金的III-V族光电半导体材料的热膨胀系数。此外，玻璃具有可制造得相 对高的折射率以限制光束在玻璃内传播的衍射。如下所述，这延长了有源光学 部件和光纤阵列之间的允许间距。也可将折射率制造得相对低以减少在玻璃光 学界面处的背反射。用于透明片50的可选合适材料包括蓝宝石和石英，因为 其具有各种光学、热学、化学和机械性质。

透明片50的厚度T₅₀的示例性范围在约75μm和约125μm之间，用于将 波长λ＝1.55μm的光低损耗耦合到多模光纤中。在示例性实施例中，透明片50 包括在上表面52和下表面54中的一者或两者上的至少一个抗反射涂层(未示 出)。该至少一个抗反射涂层可在透明片50结合到基底构件上表面12之前或 之后施加。

透明片50和基底构件上表面12形成了其中凹槽30和透明片限定通槽66 的组件，并且在后续加工中可当作单个一体的带通槽基底。因此，在下文中将 透明片50和带凹槽基底10的组合称为“带通槽基底”70。带凹槽基底构件10 为透明片50充当稳固的机械支承，透明片50在一些情况下太易弯曲和/或易碎 而不能独立经受后续加工步骤。

参照图4，导电触点80被添加到透明片50的上表面52。例如，使用丝网 印刷、电镀、光化学蚀刻处理或其它已知的方法施加导电触点80。在触点形成 过程期间，将导电触点80对准基底凹槽30，使得随后安装的有源光学部件与 凹槽30的中心对齐。

导电触点80提供与有源部件的电接触。一种示例性的导电触点80具有图 案化构型，而另一种示例性导电触点则是接触垫或包括接触垫。图4的导电触 点80示出为具有由相对窄的线段连接的两个较宽的焊盘段。在一个示例性实 施例中，导电焊盘80由诸如金、铬、锡、钛、银和铟的金属单独或组合制成。 在可用于在希望通过导电触点80传播光束时的另一个示例性实施例中，导电 触点由诸如锌的氧化物、铟的氧化物和锡的氧化物的透明导电材料形成。在一 些实施例中，基底构件10由透明导电材料的厚膜或片材制成，在这种情况下， 基底构件和导电触点80被组合成一个。例如当希望有源部件的所有共同引线 端接到相同的电接地平面时，这种构型是有用的。

现在参照图5和图6，将焊球82施加到选定的导电触点80。然后将有源 光学部件100(例如，诸如VCSEL的光源、诸如宽面积阵列检测器的光电检 测器、诸如自由载流子光调制器的光调制器等)和有源电子部件102(例如， 驱动芯片、接收器芯片等)以倒装片法安装在焊球82上。虽然图5和图6示 出了安装在通槽66的阵列上方的一个有源光学部件100，但通常可在同一个带 通槽基底70上布置一个或多个有源光学部件。在一个示例性实施例中，将具 有VCSEL阵列形式的发送器有源光学部件100定位在一组通槽66的上方，同 时将接收器有源光学部件定位在不同组的通槽的上方。

在有源部件100为光调制器的形式并且尤其是具有本身透光而不是本质 上光反射的类型的情况中，优选的是为光提供基本上透明的路径以继续通过有 源光学部件，并可在那里进一步使用这部分光束。此外，在示例性实施例中， 具有电子驱动芯片或电子接收器芯片形式的有源电子部件102也可操作地布置 在带通槽基底70上。图6示出了在以倒装片法附接有源光学部件100和有源 电子部件102之后的带通槽基底70。图6的构型也称为“集成光学器件”202。

应当注意，有源光学部件100包括在平行于带通槽基底70的平面的方向 上发射或接收光的诸如边缘发射激光器、平面波导和光纤阵列的装置。对于这 样的有源光学部件100，在这些装置中或附近提供了光学的直角弯曲结构或元 件(未示出)。例如，平面光波回路(PLC)的边缘可以45°或接近45°的角度倾 斜，以通常垂直于PLC基底导向光。可选地，可将单独的直角镜结构邻近有 源光学部件添加，或者通过锯切或其它的表面成形方法在透明层的某个部分中 形成。

还可将有源光学部件100定向为垂直于带通槽基底70(特别地，垂直于 透明片50的上表面52)，使得光以类似于VCSEL光源的方式沿着垂直发射 路径穿过透明片。

现在参照图7，在下一个加工步骤中，图6的集成光学器件202被翻转并 附接到更大的基底120，例如印刷电路板(PCB)(下文中，“PCB基底”120)。 PCB基底120具有上表面122，该上表面122可选地具有在其中形成的孔或凹 部126，当将带通槽基底安装在PCB基底中或PCB基底上时，该孔或凹部126 防止与在带通槽基底70上以倒装片法安装的有源光学部件100和有源电学部 件102的机械干扰。PCB基底上表面122包括导电触点80和在周边孔或凹部 126周围的焊球82，该焊球82在PCB基底和集成光学器件202之间提供各种 所需的电连接。在示例性实施例中，附接过程还可涉及在PCB基底120上的 辅助芯片或支持芯片150的倒装片安装。结果是如图8中所示的PCB组件204。

现在参照图9，提供了具有带护套部221并由光纤222构成的光纤阵列220 并将其插入到带通槽基底70中的通槽66内，每个光纤222具有外表面223、 芯224和劈割(例如，激光劈割)的光纤端部226。在示例性实施例中，光纤 阵列220构成诸如带状光缆的光缆。在示例性实施例中，光纤端部226成角度 并因而具有倾斜端面228，其中端面角可形成为45°或接近45°，或者提供改进 的光学性能(例如，降低的背反射、增加的多模光纤带宽等)的相对于光纤轴 线A1的其它角度。倾斜光纤端部226的尖头形状有利于将光纤222插入到通 槽66中。在示例性实施例中，通槽66的暴露(开放)端部是张开的，以进一 步有利于光纤阵列220在通槽66内的插入和对准。

图10示出了在通过插入通槽66中而将光纤阵列220结合到其中之后的 PCB组件204。光纤阵列220被插入到通槽66中，直到倾斜光纤端部226对 准有源光学部件100。对于具有VCSEL或其它光源形式的发送器有源光学部 件100来说，在示例性方法中，使用有源光反馈来对准光纤阵列220。该对准 方法涉及激活有源光学部件100并调整光纤阵列220在通槽66内的位置，直 到在光纤阵列远端处的功率最大化。对于接收器有源光学部件100来说，光发 送到光纤阵列220的远端，并且当在通槽66内调整光纤阵列的位置时主动地 监控接收器功率。在另一个示例性实施例中，构造成在通过带通槽基底70观 察时识别部件或基准的视觉系统(未示出)允许对准光纤阵列220与有源光学 部件100，而不增加必须对有源光学部件加电的困难。

在光纤外表面223和侧壁32和/或限定通槽66的透明片下表面54之间的 界面处可发生背反射和标准具效应。在示例性实施例中，在光纤外表面223、 通槽壁32和透明片下表面54中的至少一个上使用抗反射涂层降低这样的效 应。替代地，可在该界面处施加折射率匹配的环氧树脂或折射率匹配的流体(未 示出)。折射率匹配的环氧树脂还用来补偿在界面区域中的光纤外径的微小变 化。通过在给定的工作波长下适当选择透明片50的折射率也可减少背反射。

作为最终组装步骤，可能需要机械地限制光纤阵列220，以使得光纤222 在通槽66内不移动。图11是与图10类似的示意图，但其示出了将固定材料 62在基底端部18处施加(例如，作为一团粘结材料)到光纤阵列220上的示 例性实施例。其它的示例性解决方案包括将光纤阵列保护套221卷曲到PCB 基底120，以使得光纤222相对于PCB组件204固定。

为了将来自安装在透明片上表面52上的发送器有源光学部件100和安装 在透明片下表面54附近的光纤222的光的低损耗耦合，透明片50的厚度T₅₀最好不太厚。例如，参照图12，从发送器有源光学部件100发送的光束100L 穿过透明片50。由于衍射效应，光束100在传播时直径增加。如果透明片50 太厚，光束100L的直径将显著大于光纤芯224的直径，导致光低效耦合进光 纤222中。使用具有约8μm的孔并耦合到具有直径30μm的芯224的多模光纤 222中的VCSEL光源在由具有折射率n＝1.45的玻璃制成的透明片50中进行的 光束发散评价表明，对于λ＝850nm来说，透明片50应具有不大于约250μm的 厚度T₅₀，而对于λ＝1.55μm来说，则应具有不大于约130μm的厚度T₅₀。

此外，作为VCSEL发送器有源光学部件100和光纤端部226之间的距离 的函数，用于小于300m的短的多模光纤链路的链路带宽的测量显示，当空气 中的间隔距离在约80μm至约100μm之间时最优性能是最佳的。对于λ＝1.55um 来说，该间隔距离对应于约150μm的玻璃厚度T₅₀。使用熔融拉制法的低成本 的玻璃制造技术允许形成具有低至至少100μm的厚度T₅₀的精确厚度(例如， ±1μm)的玻璃透明片50。具有至少100μm的厚度T₅₀的薄玻璃透明片50充分 刚性且相对容易操作。因而，当使用具有在λ＝850nm下工作的VCSEL形式的 有源光学部件100时，玻璃透明片50的厚度T₅₀的示例性范围在约200μm至 约250μm之间，而对于在λ＝1.55μm下工作的VCSEL，厚度则在100μm和150μm 之间。

带通槽基底组件的晶片级制造

制造带通槽基底70的方法被放大至更大的(例如“晶片级”)基底构件10 和透明片50，从而允许在同一基底构件上制造许多单独的带通槽基底70和集 成光学器件202，然后在以后彼此分离(切割)。较大的基底构件10的使用降 低了制造成本，因为各个加工步骤(例如，锯切、导电触点形成、芯片附接和 各个基底的切片)可以在单个结构上并行进行。带通槽基底70的形状和厚度 可以选择以模仿现有标准尺寸晶片和透明片。这允许较大的基底构件10使用 现有加工设备而不进行修改，甚至基底性质(例如，具有槽结构的玻璃)可以 与加工设备通常处理的基底大不相同。

图13至图18示出了当放大至较大尺寸的基底构件10时用于形成带通槽 基底组件70以及集成光学器件202和PCB组件204的各种示例性加工步骤。 图13使用具有锯片302的锯300在基底构件10中形成凹槽30的示例性方法 的透视图。精锯操作形成具有良好控制的几何形状的凹槽30。例如，在陶瓷和 玻璃材料中的V形凹槽精锯操作可以产生间距和深度控制在约1μm内的凹槽 30。其它精度较低的锯切操作仍然可以更经济的成本提供对凹槽结构的更宽松 但可接受的几何控制(例如，在约3μm至5μm的公差范围内)。这样的公差 通常对于将有源光学部件100对准到多模光纤220是可接受的。

图14是设置在带凹槽基底构件上表面12上的透明片50的透视图，而图 15则是示出为形成带通槽基底70而就位的透明片的类似视图。在此阶段， 在示例性实施例中，带通槽基底70的总体尺寸和形状被修剪以匹配所需形状。

图16是图15的带通槽基底70的透视图，但具有施加在多个位置处的导 电触点80。用于形成导电触点80的过程(例如焊盘金属化)例如使用用于整 个带通槽基底70的单个掩模和图案化操作或通过在带通槽基底的不同部分上 使用多个操作来进行。焊盘金属化或图案化的透明导电氧化物(或PTCO)可 以在形成凹槽30之前或之后施加。在任一种情况下，都在掩模和下面的通槽 66之间进行精确对准，以确保光纤222在放入通槽内时与以倒装片法安装在导 电触点80上的有源光学器件100正确对准。透明片50的透明性有利于这种对 准过程。透明片50也使得更容易确保PCB组件204的表面和掩埋特征对准至 微米级公差。

在导电触点80形成之后，将焊球82布置在导电触点上。然后，参照图 17，将有源光学部件100和相关的有源电学部件102在不同的焊盘金属化(或 PTCO)位置以倒装片法安装在带通槽基底70上。该方法导致显著的成本降低， 因为焊球施加、倒装片安装和焊料回流过程都以晶片级进行。

在倒装片安装步骤之后，参照图18，进行切片操作以将单独的集成光纤 器件202分离。然后，将集成光纤器件202可选地安装到诸如PCB基底的更 大的光学子组件(未示出)中。然后，将光纤阵列220插入相应的带通槽基底 70的通槽66内以完成如上文讨论的集成光学器件202或PCB组件204(参见 例如图7)。

模制通槽基底

精密凹槽30也可以多种基底材料使用模制操作形成。在一个示例性实施 例中，在模制的塑性基底构件10中形成带有具有微米级位置精度的特征的V 形凹槽30。在另一个示例性实施例中，利用将玻璃片热压入模具来形成凹槽 30，该凹槽30在尺寸和位置上以在约3μm至约5μm之间的公差变化。这些技 术可用来形成带凹槽基底构件10。

图19是类似于图1的基底构件10的透视图，但示出了通过模制操作形成 的凹槽30。与锯切的凹槽30不同，模制凹槽可容易地制备成具有在基底构件 内而不是从前端16至后端18延伸的端壁34。在示例性实施例中，通过以90° 端接凹槽30的模制止挡来形成端壁34。端壁34由此充当通槽端壁并在光纤插 入通槽66内时充当光纤止挡。在另一个示例性实施例中，模制操作在基底构 件上表面12上的多个位置处形成模制基准350，其中基准相对于模制凹槽30 精确对准。基准350用来例如有助于将透明片50和后续导电触点80对准到凹 槽30。

图20是使用具有模制基底构件10的带通槽基底70的集成光学器件202 的剖视图。光纤222具有倾斜光纤端部226，倾斜光纤端部226引导光在大致 垂直于光纤轴线A1(即向上至有源光学部件100)的方向上进入或离开光纤。 在形成集成光学器件202期间，将光纤阵列220插入通槽66内，如上所述。 然而，渐缩的光纤端部226接触90°端壁34并在倾斜光纤端部与有源光学部 件100对准的位置处停止。90°端壁34不接触倾斜光纤端面228，这确保由光 纤222引导且入射到倾斜光纤端面228上的光经历全内反射(TIR)并向上朝有源 光学部件100反射。最佳对准对应于光学部件100和光纤222之间的最佳光学 耦合。

通槽端壁34的角度可以调整以支持小于90°的角度，例如图21所示。就 这一点而言，考虑用于倾斜模制端壁34的两种一般构型。在第一构型中，端 壁34的角度略大于在光纤端部226处的倾斜面228，例如图21所示。当光纤 222完全插入通槽66内时，在光纤端部226处的顶端在端壁34的上部与其接 触。在图22所示的第二构型中，端壁34的角度略小于在光纤端部226处的倾 斜面228。当光纤222完全插入通槽66内时，在光纤端部226处的顶端在端壁 34的下部与其接触。

在两种情况下，倾斜通槽端壁34用来对准有源光学部件100正下方的光 纤端部226，而不直接接触光纤端部226处的倾斜面228。倾斜端壁34也用来 迫使光纤端部236向上紧密接触透明片50的下表面54。这确保在有源光学部 件100和光纤222之间保持受控距离。倾斜通槽端壁34的向上楔入功能也允 许凹槽30的深度略大于位于其中的光纤222的直径，这简化了将光纤阵列220 结合到带通槽基底70内的过程。在另一个实施例中，端壁34成角度，使得其 大约平行于光纤端面228。在这种情况下，端壁34在对应于光纤芯224的位置 处提供了轻微的凹部。该凹部通过在光纤端面228上的一个位置处提供小的气 隙而允许光在光纤222内的全内反射。在示例性实施例中，端壁34的其它部 分构造成接触光纤端部228并迫使光纤向上接触透明片50。

通过拉延形成的带通槽基底

在示例性实施例中，通过拉延适当构造的预制件来形成带通槽基底70。 图23是具有柱形矩形截面主体382的玻璃预制件380的透视图，在主体382 内形成多个通槽384。预制件380具有相对的端部386和388。预制件380例 如通过以下方式形成：将一块玻璃加工至所选尺寸，并且在玻璃块中端部386 和388的其中一个的准确位置处钻孔。预制件380基本上是带通槽基底70的 放大形式。

典型的玻璃预制件被加工成一定的几何形状，该几何形状与最终产品的形 状紧密匹配但大许多倍(例如十至一千倍)。预制件通常从一端悬挂下来并受 热，直到玻璃软化。施加到预制件自由端的重力和/或受控张力使得玻璃被拉伸 成狭窄的股线或坯体。该坯体的截面大致保留初始预制件的几何形状，但具有 小得多的尺寸。利用该方法，可以将拉延制品的特征尺寸控制到低至亚微米分 辨率。

因此，现在参照图24，在使用玻璃预制件380形成带通槽基底70的过程 中，将预制件端部386保持并将玻璃预制件在自由端388处的至少一部分390 放入圆柱形加热器400中加热，直到部分390中的玻璃软化。向下拉伸(“拉 延”)软化的预制件部分390中的玻璃，使得预制件形状和所有内部通槽384 向下渐缩至更小的几何形状。通槽384的相对尺寸和位置以及其它预制件尺寸 在拉延过程中大致保留，导致形成尺寸减小的带通槽棒410。然后，将带通槽 棒410切割成多个具有通槽66的带通槽基底70，如图25所示。由于图25的 带通槽基底70由玻璃制成，其在所关注的波长(例如，880nm和1550nm的 通信波长)下是透明的，并且因此允许在基底表面和内部通槽之间的光通信。 图25的一体带通槽基底70的上表面记为52，并且将下表面记为14，以使附 图标记与如上所述由基底构件10和透明片50形成的带通槽基底的实施例保持 一致。

在图25的带通槽基底70上的后续加工步骤在带通槽基底下表面14上形 成导电触点80，如图26所示。然后进行有源光学部件100和有源电学部件102 的倒装片附接，结果形成图27所示对应的集成光学器件202。如上文所述和图 28所示，然后将带有具有倾斜光纤端部230的光纤222的光纤阵列220插入通 槽66内并与有源光学部件100对准。

在替代的组装顺序中，带通槽棒410被切割成更长的长度，以便在很大程 度上以上文讨论的“晶片级”制造方法的方式由单个长棒制造多个带通槽基底 70。在上述组装过程之后，在更大的“带通槽基底”70的不同位置进行焊盘金属 化、焊球附接和部件的倒装片附接，以使用带通槽棒410形成多个集成光学器 件202。在倒装片附接之后，然后将带通槽棒410切片以形成单独的集成光学 器件202，然后可以如上所述将集成光学器件202可选地一体化到更大的光学 子组件中。也可以进行其它操作，例如对带通槽棒410上的一个或多个表面的 精抛光。

具有安装在两侧的有源光学部件的透明带通槽基底

在一些应用中，有源光学部件100和有源电学部件102安装在带通槽基底 构件70的相对侧上。例如，对于诸如VCSEL的发送器有源光学部件100，可 能需要在发送器的寿命期内用接收器有源光学部件监测光输出功率。在示例性 实施例中，使用透光的带通槽基底70将接收器有源光学部件100大致相对地 倒装片安装到发送器有源光学部件。

图29是光纤222及其光纤端部226的近距离视图，光纤端部226具有倾 斜面228，倾斜面228具有劈割的上棱面228U和下棱面228L，用来将来自光 束100L的光在光纤芯224和附近的光电检测器有源光学部件100之间分裂。 下棱面228L形成为相对陡峭的角度(相对于图29的水平面)，以使得来自布 置在光纤端部226下面的VCSEL有源光学部件100的光100L被全内反射到光 纤芯224中。上棱面228U形成为更浅的角度，以使得光100L的一部分折射 通过该棱面并到达布置在光纤端部226上方的接收器有源光学部件100。

在图30所示示例性实施例中，双棱面光纤222的阵列220被插入带通槽 基底70的通槽66内。光纤阵列220中的光纤222的光纤端部226定位在发送 器有源光学部件100的对应阵列的正上方和接收器有源光学部件的第二阵列的 下方。来自发送器有源光学部件100的阵列的光100L被导向至相应的光纤端 部226内，使得该光的一部分被反射到光纤芯224内，该光的一部分被向上朝 接收器有源光学部件100折射。

此处可以构想到带通槽基底70的其它应用，例如所有有源光学部件100 都以倒装片法安装在带通槽基底的一侧上的应用。例如，在一个这样的应用中， 从发送器有源光学部件100发出的光100L的一部分传播通过带通槽基底70的 一部分，然后在被导向至安装在发送器有源光学部件装置附近的接收器有源光 学部件之前反射离开一个或多个内表面或外表面(或机加工棱面)。

光衰减

对于诸如VCSEL基发送器形式的光源的某些发送器有源光学部件100， 常常希望以高光输出功率水平操作部件。由于眼睛安全要求限制了光链路中传 输的最大光学功率，有时需要衰减进入光纤222的光学功率。在一个实例中， 在有源光学部件100和光纤222之间提供已知的光衰减，或者将光纤定位(即 选择性地对准)以使其仅捕获由有源光学部件输出的一小部分光，通过这种方 式来实现对光学功率的控制。

虽然基底构件10、透明片50和预制件380可以全部由低损耗光学玻璃制 成，但这些部件也可由掺杂玻璃制成，其中将掺杂物以一定量加入玻璃中，所 述量改变玻璃的光吸收特性，同时优选地基本上不改变其它相关玻璃性质，例 如CTE、导热率和电导率。在示例性实施例中，使用多种掺杂玻璃中的一种来 制造基底构件10、透明片50和/或预制件380，以实现给定应用所需的光衰减。

在示例性实施例中，具有选定厚度T₅₀的透明片50具有对应的所需衰减， 以允许在光纤222和有源光学部件100之间引入受控量的插入损耗。对于该方 法的一个顾虑是，当光束100L在传播通过透明片50的过程中发散时，是否将 存在与相邻光纤222的大量光学串扰。光纤222的阵列220通常布置成127μm 或250μm的间距，因此，来自一个有源光学部件100的发散光束100L横向散 布最好不超过该值的大约一半。取62.5μm的横向散布(即125μm的光束直径) 为保守值，则对于波长λ＝850nm且由直径8μm的VCSEL产生的光束100L， 光束在穿过约1.4mm的玻璃之后将散布125μm。与在1.4mm玻璃厚度下进入 直径30μm的多模光纤222的耦合相关联的估计插入损耗为约10dB。

对于波长λ＝1.55μm和直径8μm的VCSEL，光束100L在穿过约0.75mm 的玻璃之后将散布125μm。与在0.75mm玻璃厚度下进入直径30μm的多模光 纤222的耦合相关联的估计插入损耗为约10dB。

因此，对于常用的波长λ＝1.55μm和λ＝850nm，可以在光纤222之间不引 入显著的信号串扰的情况下引入显著的信号衰减。如果仍然担心信号串扰，则 可以将基底通槽66的间距增加至更大的值，例如250μm或500μm。为了消除 或减少来自带通槽基底70内的额外反射的不需要的串扰，在示例性实施例中， 将抗反射涂层、吸收性涂层或散射表面处理施加到带凹槽基底(当带凹槽基底 不透明时)或带通槽基底相对面(当带凹槽基底或拉延带通槽基底透明时)。

薄玻璃片上的通槽和其它特征

在用于制造带通槽基底70的另一个示例性实施例中，使用略厚的透明片 50(例如，0.7mm至约1.1mm)来增加透明片在加工期间的机械稳定性。此外， 以与上文结合基底构件10所述的相同或类似方式加工透明片50，以便在上表 面52中形成平行凹槽30’的阵列，如图31所示。在一种方法中，通过精锯在 透明片50中形成凹槽30’，例如上述用于在基底10中形成凹槽30的精锯。凹 槽30’的形成导致在凹槽底部31’和下表面54之间形成变薄区域17。在本示例 性实施例中，基底构件10不带凹槽，使得凹槽30’和基底上表面12限定了通 槽66’。下面描述其中基底构件10也带凹槽的示例性实施例。

在带通槽透明片50与不带通槽基底构件10结合形成带通槽基底70之后， 需要在安装在透明片下表面54上的有源光学部件100和定位在通槽66’中的光 纤端部226之间的损耗耦合。变薄区域17的厚度应不超过约150μm至250μm， 表面上取决于波长λ和有源光学部件100的其它光学性质，以及(多模)光纤 芯224的直径。所得透明片50即使在轻微的机械变形之下，也易于在变薄区 域17处断裂。例如，在透明片不断裂的情况下，通常难以从切片中常用的压 敏背衬片(未示出)移除带凹槽透明片50。

为了减轻透明片50在变薄区域17处断裂的倾向，在示例性实施例中，通 过在凹槽30’的所选部分内施加少量的支承材料450，例如环氧树脂、粘结材 料或粘合剂来加固薄的区域，如图32所示。支承材料450优选地足够稀，以 便在从透明片上表面施加压力时向下流入到凹槽30’中，但又足够稠，以防止 沿凹槽流动。在示例性实施例中，支承材料450包含可得自康宁股份有限公司 (Corning，Inc.)(美国纽约州康宁市)的Corning MCA-xx系列的填充CTE匹配 热固化环氧树脂。

在示例性实施例中，支承材料450在仍然附接到压敏粘合剂背衬(未示出) 的同时被施加到透明片50的上(带凹槽)表面52。这允许充分地加固透明片 50，以便在后续加工步骤期间经受背衬移除和处理。支承材料450的流动优选 地使用丝网印刷、自动注射分配或其它掩模或分配方法限制在具体凹槽位置。 该方法允许在同一透明片50上制造多个部件，从而降低了总部件成本。在示 例性实施例中，使用额外的粘合剂抛光和/或研磨步骤来平面化支承材料450， 从而使其不高出透明片上表面52，如图33所示。

图33也示出了切割线460，以显示如何将较大的带凹槽透明片50分割成 单独的透明片的实例。切片操作可以立即在透明片50上进行，或者延迟，直 到将基底构件10附接到透明片以形成带通槽基底70之后。当基底构件10附 接到透明片50之后，其为薄区域17提供了机械加固。因此，切片操作可以这 样的方式进行，使得在切片之后例如沿图34所示切割线460暴露通槽。这使 得类似于图7至图11所示步骤的后续加工能够实现集成光学器件202的实施 例。

如果在切片之前将基底构件10附接到带凹槽透明片50提供足够的加固， 则可以取消上述凹槽加固步骤。然而，在后续焊盘金属化和倒装片附接期间需 要注意薄区域17，以确保这些区域不承受过度的机械荷载。

在另一个示例性实施例中，凹槽30’不在透明片50的前端56和后端58 之间延伸。相反，例如通过在一个或多个位置(例如透明片的中心附近)处锯 入透明片上表面52内而形成较短的凹槽30’，如图35所示。该方法优选地在 具有约0.7mm至1.1mm的厚度的上述较厚透明片50上进行，使得未被锯移除 的透明片的部分在后续加工期间为透明片提供足够的机械支承。

图36是10mm宽、0.7mm厚的透明片50的示意性按比例剖视图，该透明 片已使用直径50mm的锯片302横锯。锯片302被下降，直到薄区域17为约 0.2mm厚。在该深度处，锯片302仅仅在前端56和后端58处接触透明片50 的顶部表面52。

在示例性实施例中，模制基底构件10包括隆起470，隆起470构造成贴 合到通过横锯操作形成的凹槽30’中并用来进一步限定通槽66，以将光纤阵列 220引导至适当的位置，如图37所示。隆起470包括倾斜光纤止挡472和扩大 (例如张开)的光纤入口474，以使光纤阵列220插入通槽66简化。

图38提供了图37的模制基底构件10底部视图，示出了贴合到玻璃基底 横锯凹槽30’中的升高的隆起470。模制基底构件10和透明片50在插入光纤 阵列之前的组装剖视图在图39中示出。在将模制基底构件10和透明片50结 合(例如，使用粘合剂)之后，将光纤阵列220插入通槽66内，如图40所示。 倾斜光纤止挡472确保倾斜光纤端部226位于正确的位置并受压接触透明片 50。

许多上文讨论的制造技术涉及从基底构件10或透明片50移除材料。在其 它示例性实施例中，从基底10和透明片50两者移除材料以形成由凹槽30和 30’两者限定的通槽66。

图41至图44示出了基底构件10和透明片50的示例性构型。图41示出 了通过仅从基底10移除材料形成的通槽66。图42示出了通过仅从透明片50 移除材料形成的通槽66，其与具有贴合到透明片凹槽内的隆起11的模制基底 构件10结合。图43示出了通过从基底10和透明片50两者移除材料形成的通 槽66。图44类似于图43，不同的是凹槽30’为V形。

V形通槽66是用于光纤对准的吸引人的选项，因为“V”的顶点允许准确定 位。然而，V形通槽66也具有有效耦合进出光纤220的倾斜端部236的光的 含意。图45和图46示出了用于通槽66的两种不同的V形构型的两个不同的 剖视图，其中V形通槽66由V形凹槽30’和例如基底构件10的平坦上表面12 限定。凹槽30’的“V”部分具有顶角θ。发送器有源光学部件100定位在邻近透 明片50的下表面54的光纤222正上方(应当注意，由于上表面已带凹槽，因 此此时下表面54在带通槽基底70的顶部上)。来自发送器有源光学部件100 的光向下穿过薄区域17并入射到光纤222正上方的倾斜V形凹槽侧壁32。

V形凹槽侧壁32的取向导致来自发送器有源光学部件100的光束100L 在穿过V形凹槽时发散。这种发散横向地加宽光束100L，导致一部分光束未 进入光纤芯224。光束100L的发散量取决于顶角θ。在图45中，V形凹槽30’ 具有相对小的顶角θ，使得光束100L以相对高的入射角入射到V形凹槽侧壁 32。这导致通过斯涅耳定律而以甚至更高的入射角折射。由于V形凹槽顶角θ 较小，因此光入射到的那部分V形凹槽侧壁32和光纤外表面223之间的距离 较大。较长的距离意味着光束100L有更多的机会发散，这增加了至少一部分 光束将不会进入光纤芯224的可能性。

在图46中，V形凹槽30’具有大于图44所示角度的顶角θ。这减小了穿 过V形凹槽侧壁32的光的入射角，从而相比图44的构型减小了光束的发散率。 由于V形凹槽顶角θ大于图44所示角度，光束100L入射到的那部分V形凹 槽侧壁32和光纤外表面223之间的距离减小。这种减小的距离意味着光束100L 有更少的机会发散，这减小了至少一部分光束将不会进入光纤芯224的可能性。

当光束100L从倾斜光纤端部226向上进入安装在透明基底50的下表面 54附近的接收器有源光学部件100A时，出现类似的光束发散情况。V形凹槽 顶角θ可用来改变光束的发散，并且优选较大的V形凹槽顶角θ以最小化该几 何形状的光束发散。

在示例性实施例中，光束100L的发散受到控制以最大化多模光纤链路中 的链路带宽。通过优先地激发有限组的导模或导模组，可以减少多模光纤中的 模态色散。具体地讲，通过以相对于光纤轴线A1较高的角度将光射入多模光 纤芯224内，可以实现较高阶导模的激发。只要发射角小于光纤的截光角，光 就在光纤内以有限数量的高阶模被引导，导致对于更长的链路(例如＞200m) 减少的模态色散和增加的链路带宽。

在一个实例中，来自光束100L的光优先地以较高的角度使用图43所示V 形凹槽形凹槽30’射入光纤芯224内。V形凹槽顶角θ被调整以改善高角度发 射条件。在一些情况下，可能需要减小透明片厚度T₅₀，因为光束100L的高度 发散部分更可能落在光纤芯224以外。

在示例性实施例中，在光链路的接收器端使用V形构型的凹槽30’，在那 里，与V形凹槽30’相关的光束100L的发散充当角度滤波器，并且只允许高 阶模光传播和到达光电检测器(未示出)。在到达倾斜面228之前大致平行于 光纤轴线A1传播的低阶模光趋于被倾斜V形凹槽侧壁表面导向至除了以倒装 片法安装的接收器有源光学部件100之外的位置。

在另一个示例性实施例中，通过使用介于发送器有源光学部件100和光纤 222之间的散射表面而将来自光束100L的光入射为光纤222的较高阶模。当 使用锯形成凹槽30’时，其底部表面31’由于锯片302的偏差而具有一定的粗糙 度。图47和图48示出了放大的底部粗糙表面31’。当光束100L被发送器有源 光学元件100发射时，其入射到粗糙化表面31’并在相对于光束初始传播方向 的一定散射角范围内散射。如果大部分光束100L以适度的散射角散射， 则散射部分将趋于激发光纤222的较高阶模，导致改善的链路带宽性能。

在示例性实施例中，通过改变锯片302所用材料并在切割之前处理或打磨 锯片表面而改善了凹槽底部表面31’的粗糙度。在示例性实施例中，使用诸如 凸面或凹面轮廓的复杂锯片轮廓来进一步改善发射条件和散射角

上述示例性实施例可扩展至二维带通槽基底构型。图49是示例性PCB组 件204的剖视图，该组件包括二维(叠置)集成光学器件202，集成光学器件 202构造成与作为发送器组件512一部分的发送器有源光学部件100结合。发 送器组件512包括导电触点80和焊球82，导电触点80和焊球82提供与也包 括导电触点的相邻带通槽基底70的电连接。

在示例性实施例中，多个带凹槽透明片50(或带通槽基底70)被叠置和 用来将二维光纤阵列220与有源光学部件100的二维阵列在一个或多个倒装片 法安装的基底组件上对准。凹槽30可在带凹槽基底70的一侧或两侧上形成， 并且根据需要被叠置和覆以薄玻璃片50。可选地沿光路包括诸如透镜520的透 镜，以补偿光纤与有源装置互连中增加的光束衍射。图49示出了与最上带通 槽基底70相关的透镜520。透镜520也可用来将光100L耦合到较下的带通槽 基底70的光纤222内。透镜520可通过微成型或激光成形来形成。透镜520 也可包括衍射光栅结构。在各个叠置的光纤阵列平面内的透镜520的焦距优选 地被定制，以优化各个光纤阵列的光学耦合性能。

对于本领域的技术人员将显而易见的是，在不脱离如所附权利要求限定的 本公开的精神和范围的情况下，可以对本文所述本公开的优选实施例进行各种 更改。因此，本公开旨在涵盖本公开的更改和变型，前提是这些更改和变型在 所附权利要求及其等同物的范围内。