用于多模并行光互连的光耦合集成结构

摘要

本发明涉及一种用于多模并行光互连的光耦合集成结构，其包括光纤体以及载片；还包括与光纤体呈同轴分布的透镜体、与所述透镜体正对准的光学器件以及与所述光学器件适配的光学驱动放大电路，所述透镜体邻近光纤体的端部，且透镜体位于光纤体与光学器件间；载片上设置相互垂直的水平互连金属线与垂直互连金属线，所述垂直互连金属线与水平互连金属线电连接；光学器件安装于载片的垂直互连金属线一侧，并与所述垂直互连金属线电连接，光学驱动放大电路通过电路互连金属线与水平互连金属线电连接，以使得光学器件与适配的光学驱动放大电路电连接。本发明能有效实现光学的转向，提高互连速度，增强光学器件与光纤的耦合效率，集成封装成本低。

说明书

技术领域

本发明涉及一种集成结构，尤其是一种用于多模并行光互连的光耦合集成结构，属于光耦合集成的技术领域。

背景技术

目前，对于光耦合集成包括间接耦合与直接耦合；其中，对于间接耦合：文章《First Light: Pluggable Optical Interconnect Technologies for polymeric Electro-Optical Printed Circuit Boards in Data Centers》介绍了采用透镜进行耦合的光传输模块。由于VCSEL（Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔面发射激光器）和PIN阵列采用金丝压焊与电路连接，采用透镜提高了VCSEL、PIN阵列和光纤或者波导的耦合，但没解决光路90°转向的问题，同时增加了封装成本。此外，avago等公司，采用改进型的微透镜，透镜带有45°反射角，能实现90°光路转向，但透镜需要精确的光学设计与精细的加工铸造工艺，会大幅增加封装成本。

对于直接耦合，其是将光纤阵列研磨成45°反射角，VCSEL、PIN阵列和光纤阵列耦合，实现90°的光路转向输出。公开号为CN103383482A的文件提出了光纤阵列研磨45°，实现直接耦合，但是光纤研磨时，光纤与光纤之间的角度控制，决定了光纤研磨的质量以及光耦合的效率，同时研磨方法很难提高大规模生产的效率。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种用于多模并行光互连的光耦合集成结构，其结构紧凑，能有效实现光学的转向，提高互连速度，增强光学器件与光纤的耦合效率，集成封装成本低，安全可靠。

按照本发明提供的技术方案，所述用于多模并行光互连的光耦合集成结构，包括光纤体以及载片；还包括与光纤体呈同轴分布的透镜体、与所述透镜体正对准的光学器件以及与所述光学器件适配的光学驱动放大电路，所述透镜体邻近光纤体的端部，且透镜体位于光纤体与光学器件间；载片上设置相互垂直的水平互连金属线与垂直互连金属线，所述垂直互连金属线与水平互连金属线电连接；光学器件安装于载片的垂直互连金属线一侧，并与所述垂直互连金属线电连接，光学驱动放大电路通过电路互连金属线与水平互连金属线电连接，以使得光学器件与适配的光学驱动放大电路电连接。

所述光纤体为多模光纤或光纤阵列，光纤体安装于光纤体安装固定座上。

所述水平互连金属线与垂直互连金属线为同一工艺层，载片内设有贯通载片的对准孔，光学器件与透镜体分别位于载片的两侧，光学器件通过对准孔透镜体正对准。

所述电路互连金属线为金丝压焊，电路互连金属线的一端与光学驱动放大电路的电路连接焊盘接触后电连接，电路互连金属线的另一端与水平互连金属线接触后电连接。

所述光学器件与透镜体位于载片的同一侧，透镜体安装于光学器件表面的光学器件连接层上，且光学器件通过光学器件连接层以及光学器件连接线与垂直互连金属线电连接。

所述透镜体为透镜或透镜阵列，光学器件为VCSEL、VCSEL阵列、PIN探测器或PIN探测器阵列。

所述光纤体的光纤头为齐头或斜面，光纤体安装固定座、载片均支撑固定于支撑底座上，光学驱动放大电路支撑固定于载板上或直接支撑固定于支撑底座上。

所述载片的材料包括硅。

本发明的优点：载片上具有水平互连金属线以及垂直互连金属线，光学器件安装于载片具有垂直互连金属线的一侧，并与垂直互连金属线电连接，水平互连金属线通过电路互连金属线与光学驱动放大电路电连接，从而实现光学器件与光学驱动放大电路的电连接，光学器件与透镜体正对准，并实现与光纤体的有效耦合，通过水平互连金属线与垂直互连金属线的连接配合，从而能有效实现光学的转向，提高互连速度，增强光学器件与光纤体的耦合效率，集成封装成本低，安全可靠。

附图说明

图1为本发明采用倒装封装时的结构示意图。

图2为本发明采用打线封装时的结构示意图。

图3为本发明共同位于支撑底座上的示意图。

图4~图13为采用倒装封装时的具体实施工艺步骤剖视图，其中，

图4为本发明在载片上得到沟槽后的剖视图。

图5为本发明得到钝化层后的剖视图。

图6为本发明得到载片金属互连层后的剖视图。

图7为本发明得到对准孔后的剖视图。

图8为本发明进行切片后的剖视图。

图9为本发明将光学器件贴在载片上后的示意图。

图10为本发明将透镜体贴在载片上后的示意图。

图11为本发明将载片安装于支撑底座上后的示意图。

图12为本发明将光纤体安装固定座置于支撑底座上后的示意图。

图13为本发明利用电路互连金属线将光学器件与光学驱动放大电路电连接后的示意图。

附图标记说明：1-载片、2-水平互连金属线、3-对准孔、4-光纤体、5-电路互连金属线、6-光学驱动放大电路、7-电路连接焊盘、8-光纤体安装固定座、9-支撑底座、10-载板、11-光学器件、12-光学器件焊盘、13-垂直互连金属线、14-透镜体、15-光学器件连接线、16-沟槽、17-钝化层、18-载片金属互连层、19-对准定位窗口以及20-光学器件连接层。

具体实施方式

下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1、图2和图3所示：为了能有效实现光学的转向，增强光学器11纤的耦合效率，降低集成封装成本，本发明包括光纤体4以及载片1；还包括与光纤体4呈同轴分布的透镜体14、与所述透镜体14正对准的光学器件11以及与所述光学器件11适配的光学驱动放大电路6，所述透镜体14邻近光纤体4的端部，且透镜体14位于光纤体4与光学器件11间；载片1上设置相互垂直的水平互连金属线2与垂直互连金属线13，所述垂直互连金属线13与水平互连金属线2电连接；光学器件11安装于载片1的垂直互连金属线13一侧，并与所述垂直互连金属线13电连接，光学驱动放大电路6通过电路互连金属线5与水平互连金属线2电连接，以使得光学器件11与适配的光学驱动放大电路6电连接。

具体地，所述载片1的材料包括硅，当然，载片1也可以采用其他常用的半导体材料，载片1具体材料的选择可以根据需要确定，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。所述光纤体4为多模光纤或光纤阵列，光纤体4安装于光纤体安装固定座8上，光纤体4的具体实施结构可以根据需要进行选择，或者具体与光学器件11等配合确定，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。所述透镜体14为透镜或透镜阵列，光学器件11为VCSEL、VCSEL阵列、PIN探测器或PIN探测器阵列，透镜体14的具体实施结构，光学器件11的具体形式均可以根据需要进行选择，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

光纤体4安装于光纤体安装固定座8上，透镜体14与光纤体4呈同轴分布，光学器件11与透镜体14呈正对应分布，光学器件11、透镜体14以及光纤体4呈同轴分布，当光学器件11为VCSEL时，光学器件11发射的激光通过透镜体14后由光纤体4接收，而光学器件11为PIN探测器或PIN探测器阵列时，光纤体4发射的光线通过透镜体14后由光学器件11接收探测，光纤体4、透镜体14以及光学器件11的具体配合过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。此外，当光学器件11为VCSEL时，光学驱动放大电路6为与光学器件11匹配的驱动电路，即通过光学驱动电路6能实现对光学器件11的驱动，而当光学器件11为PIN探测器或PIN探测器阵列时，光学驱动放大电路6为将光学器件探测的信号进行放大，光学驱动放大电路6与光学器件11间的具体配合过程也为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

为了能实现所需的光学转向，载片1上具有水平互连金属线2以及垂直互连金属线13，垂直互连金属线13与水平互连金属线2间相互垂直，且水平互连金属线2与垂直互连金属线13间的一端部相互连接，具体实施时，水平互连金属线2呈水平分布状态，而垂直互连金属线13呈竖直分布状态，水平互连金属线2与垂直互连金属线13间分别位于载片1相对应的表面，水平互连金属线2、垂直互连金属线13与载片1呈相互绝缘状态。

光学器件11安装于载片1对应设置垂直互连金属线13的一侧，且光学器件11与垂直互连金属线13电连接，由于垂直互连金属线13与水平互连金属线2相互接触且电连接，因此，光学器件11通过垂直互连金属线13实现与水平互连金属线2的电连接。一般地，光纤体4呈水平放置，光学器件11、透镜体14与载片1具有垂直互连金属线13的一侧呈相互平行状态，即通过垂直互连金属线13与水平互连金属线2配合后，能实现光信号的90°转换，与现有实现转向的封装相比，封装成本低。

进一步地，所述电路互连金属线5为金丝压焊，电路互连金属线5的一端与光学驱动放大电路6的电路连接焊盘7接触后电连接，电路互连金属线5的另一端与水平互连金属线2接触后电连接，本发明实施例中，利用金丝压焊的电路互连金属线5实现光学驱动放大电路6与水平互连金属线2的连接的具体实施过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。通过上述连接后，能实现光却驱动放大电路6与光学器件11间的电连接。

如图1所示，所述水平互连金属线2与垂直互连金属线13为同一工艺层，载片1内设有贯通载片1的对准孔3，光学器件11与透镜体14分别位于载片1的两侧，光学器件11通过对准孔3透镜体14正对准。

本发明实施例中，光学器件11与透镜体14分别位于对准孔3的两端，光学器件11采用倒装（flip-chip）封装的形式与载片1的垂直互连金属线13电连接，其中，光学器件11通过光学器件焊盘12与垂直互连金属线13电连接，光学器件焊盘12位于对准孔3的外圈，透镜体14邻近光纤体4的端部，从而能提高光学器件11与光纤体4的耦合效率。

如图4~图13所示，为图1中结构的具体实施工艺步骤剖视图，即过相应的工艺步骤能得到图1的结构，具体工艺包括如下步骤：

步骤1、提供载片1，所述载片1的材料为硅，对所述载片1的正面进行选择性地掩蔽和刻蚀，以在载片1内得到沟槽16，所述沟槽16从载片1的表面垂直向下延伸，沟槽16的深度小于载片1的厚度，如图4所示，具体制备得到沟槽16的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

步骤2、在上述载片1的正面进行钝化材料淀积，以在载片1的正面得到钝化层17，所述钝化层17覆盖在载片1的正面，同时覆盖沟槽16内，如图5所示，钝化层17的厚度小于沟槽16的深度，钝化层17可以为二氧化硅层或氮化硅层，具体淀积得到钝化层17的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

步骤3、在上述载片1的正面进行金属材料淀积，并对淀积后的材料进行选择性地掩蔽和刻蚀，以得到载片金属互连层18，所述载片金属互连层18覆盖在上述钝化层17，填充在沟槽16内，且得到对准定位窗口19，所述对准定位窗口19贯通载片金属互连层18，即通过对准定位窗口19使得对应区域的钝化层17裸露，本发明实施例中，对准定位窗口19是指邻近沟槽16的区域，相对远离沟槽16的区域裸露后，用于形成载片1其他功能区，如图6所示，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

步骤4、利用对准定位窗口19对载片1进行打孔，以得到对准孔3，所述对准孔3贯通载片1，且对准孔3与对准定位窗口19相连通，如图7所示，具体打孔得到对准孔3的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

步骤5、对上述的载片1进行切片，切片时沿沟槽16邻近对准孔3的侧壁进行切割，在切割后，载片金属互连层18形成水平互连金属线2以及垂直互连金属线13，其中，覆盖沟槽16侧壁的载片金属互连层18形成水平互连金属线2，位于载片1正面的载片金属互连层18形成垂直互连金属线13，如图8所示，具体切片的过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

步骤6、提供所需的光学器件11，并将所述光学器件11贴在上述载片1的正面，对准孔3的轴线过光学器件11的中心，光学器件11通过光学器件焊盘12与载片1上的垂直互连金属线13电连接，如图9所示，具体贴装过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

步骤7、利用对准孔3将透镜体14贴在载片1上，透镜体14与光学器件11分别位于载片1的两侧，透镜体14贴在载片1上后，透镜体14与光学器件11呈正对准状态，如图9所示，透镜体14贴装过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

步骤8、将上述贴装有透镜体14以及光学器件11的载片1固定安装于支撑底座9上，载片1与支撑底座9呈相互垂直的状态，且载片1与支撑底座9相互绝缘，光学器件11的长度方向、透镜体14的长度方向与载片1呈平行状态，如图10所示。

步骤9、在上述支撑底座9上设置与光学器件11耦合的光纤体4，所述光纤体4通过光纤体安装固定座8安装于支撑底座9上，光纤体安装固定座8与载片1呈相互平行分布，且光纤体4邻近透镜体14，且光纤体4与透镜体14呈同轴分布，如图11所示，光纤体4、光纤体安装固定座8对应的具体安装过程为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

步骤10、提供与光学器件11适配的光学驱动放大电路6，光学驱动放大电路6支撑在载板10上，光学驱动放大电路6上的电路连接焊盘7利用电路互连金属线5与水平互连金属线2电连接，电路互连金属线5为金丝压焊，如图13所示，具体为本技术领域人员所熟知，此处不再赘述。

如图2所示，所述光学器件11与透镜体14位于载片1的同一侧，透镜体14安装于光学器件11表面的光学器件连接层20上，且光学器件11通过光学器件连接层20以及光学器件连接线15与垂直互连金属线13电连接。

本发明实施例中，光学器件11与透镜体14位于载片1的同一侧时，光学器件11安装于载片1上，且与载片1绝缘隔离，在光学器件11上设置光学器件连接层10，所述光学器件连接层20在光学器件11远离载片1的表面上，透镜体14支撑在光学器件连接层20上，通过光学器件连接线15使得光学器件连接层20与垂直互连金属线13电连接，光学器件连接线15采用打线的工艺制备得到，透镜体14与光学器件11依然为正对准的分布状态。

所述光纤体4的光纤头为齐头或斜面，光纤体安装固定座8、载片1均支撑固定于支撑底座9上，光学驱动放大电路6支撑固定于载板7上或直接支撑固定于支撑底座9上。

本发明实施例中，光学放大电路6支撑固定于载板7上，载板7与支撑底座9呈相互分离的状态，如图1和图2所示；当然，光学驱动放大电路6也可直接支撑在支撑底座9上，光学驱动放大电路6与支撑底座9绝缘隔离，如图3所示；除光学驱动放大电路6的支撑位置不同，其余的均可以参照上述的说明，此处不再意义赘述。

本发明载片1上具有水平互连金属线2以及垂直互连金属线13，光学器件11安装于载片1具有垂直互连金属线13的一侧，并与垂直互连金属线13电连接，水平互连金属线2通过电路互连金属线5与光学驱动放大电路6电连接，从而实现光学器件11与光学驱动放大电路6的电连接，光学器件11与透镜体14正对准，并实现与光纤体14的有效耦合，通过水平互连金属线2与垂直互连金属线13的连接配合，从而能有效实现光学的转向，提高互连速度，增强光学器件11与光纤体4的耦合效率，集成封装成本低，安全可靠。