用于光学子组件的对准柱的制作方法

专利名称：用于光学子组件的对准柱的制作方法
技术领域：
本发明涉及光导纤维收发机中光学子组件上的对准特征结构。
背景技术：
光电(OE)器件一般被封装为独立的管芯。这种组装方式经常较慢并且工作量繁重，结果造成产品成本很高。因此，需要一种改善OE器件封装的方法。

发明内容
在本发明的一个实施例中，光学组件包括具有光电子元件的封装件和安装到该封装件表面上的对准特征结构。该对准特征结构被插入到套筒中，所述套筒的尺寸与光纤连接器的套管相匹配。


图1是在本发明的一个实施例中用于制作包括了底座、盖和对准柱的光电器件的方法10的流程图；图2～13示出了在本发明的一个实施例中利用方法10形成的底座的横截面；图14示出了在本发明的一个实施例中利用方法10形成的底座的俯视图；图15示出了本发明的一个实施例中的光电器件的分解图；图16示出了本发明的一个实施例中的光电器件的组装图；图17和18示出了传统光学子组件(OSA，optical subassembly)和传统LC连接器；图19示出了本发明的一个实施例中的光电子芯片。
图20A和20B示出了本发明的一个实施例中利用对准柱的OSA；图21示出了在本发明的一个实施例中图20A和20B的OSA和光纤连接器的对准；图22A和22B示出了本发明的一个实施例中在对准端口上使用对准柱的优点；图23示出了本发明的一个实施例中具有被插入到套筒中的圆柱形对准柱的OSA；图24示出了本发明的一个实施例中具有被插入到套筒中的实心对准柱的OSA；图25示出了本发明的一个实施例中具有被插入到套筒中的实心对准球体的OSA；在不同的图中所使用的同样的标号表示相近似或相同的项。横截面图不是按比例绘制的，仅仅是用于说明的目的。
具体实施例方式
图17示出了一种传统的光学子组件(OSA)212，其为光导纤维(FO，fiber optic)收发机的制造中的一种普通的标准部件。OSA 212将电信号转换为光信号，并将这些光脉冲发射到例如光纤的光波导214(图18)中。一般，光纤214被安装在陶瓷的套管216中，所述套管216被包含在连接器主体218中。连接器主体218可以是小尺寸(SFF，small-form-factor)的FO连接器，例如朗讯科技有限公司开发的被普遍称为LC连接器的Lucent连接器。也可以使用其它类型的FO连接器，例如SC连接器、ST连接器和FC连接器。
图18示出了OSA 212的细节。一般，OSA 212包括三个需要被光学对准的元件(1)光电(OE)器件220、(2)透镜222和(3)接收包含了光纤214的套管216的端口224。一般，OE器件220被安装在TO(transistor outline，晶体管外形)头226上并被封装在有窗的TO筒(TOcan)228中。端口224是用来容纳TO筒228和透镜222的主体的一部分。这三个元件通常必须被对准以处于它们相对彼此的理想位置的几个微米范围内。
OSA 212在其元件被对准和固定到它们的正确位置之前是不完整的并且不可被测试。该对准一般通过对OE器件220加电并在X、Y和Z方向上相对于端口224移动TO筒228来实现。该对准然后被“固定”，这通常利用聚合物粘合剂或者激光焊工艺。
不同产品的OSA设计变化显著，但是它们通常涉及被封装器件(例如，OE器件220)、透镜(例如，透镜222)和光纤对准特征结构(例如，端口224)。光纤对准特征结构通常是利用注塑成型的塑料或者陶瓷制作的精密开孔，用来接受陶瓷套管(例如，套管216)。
要求制造更小并且更便宜的OSA的需求一直存在。对小型OSA的需求有着很多有关成本、质量和功能的充分的理由。但是，小型的OSA在其包括对准特征结构之前并不完整。因此，人们需要用于小型OSA的对准特征结构。
用于光学子组件的对准柱图19示出了光电子芯片封装(OECE，optoelectronic chip enclosure)302，其与传统的OSA 212中的对应部分相对比。OECE 302需要一种既不昂贵又具有合适的尺寸以与封装件相配的对准特征结构。一种方法是将OECE 302与精密开孔的部分(例如，端口)对准并连结于其上。但是，这种方案有着严重的缺点，因为端口必须比OECE 302大很多，从而可测试的、经对准的OSA会比OECE 302大很多。
图20A和20B示出了本发明的一个实施例中具有对准柱304的OECE302。对准柱304是与OECE 302的前“窗”对准并且被连结于其上的圆柱形管。结果得到经完全对准的、可测试的OSA 306。通过向OECE 302的前窗添加对准柱304，可以在OECE 302的“占地区域(footprint)”内建立起经完全对准的OSA 306。
图21示出了在本发明的一个实施例中OSA 306与FO连接器307的组装。FO连接器307可以是LC连接器、SC连接器、ST连接器、FC连接器或者其它类似的FO连接器。在完全对准的OSA 306上的对准柱304被插入到由塑料、金属或者陶瓷制成的套筒308的一端中。OSA 306与套筒308的这一子组件形成了将与光缆配合的光纤模块的一部分，所述光缆为用户所提供，例如是FO连接器307中的光纤312。承载光纤312的陶瓷套管310被插入到套筒308的另一端。套筒308被制成具有适合的内径(ID)以接受对准柱304以及套管310的外径(OD)。OSA 306向套筒308中的插入将完全是无源的，因此是低成本操作。
尽管对准柱304可能看起来类似于传统OSA 212(图18)上的端口224(图18)，但是它们从根本上是不同的，因为对准柱304上的对准特征结构是外径(OD)而端口224上的对准特征结构是内径(ID)，认识到这一点非常重要。参照图17，端口224的ID通常比相配合的套管216的OD大几个微米。端口224的ID可以为1.255mm，以与套管216的1.249mm的OD相配合。参照图21，对准柱304具有与套管310相同或者相似的OD(例如，1.25mm)。从OECE 302的透镜311到光纤312的光程将由对准柱304的长度设定。对准柱304中央的开孔并不用来对准而只是允许光316通过。因此，开孔的尺寸并不关键。以上描述中的尺寸一般是用于向多模光纤中发射光。所描述的概念也适用于向单模光纤中发射的OSA，但是单模光纤所要求的公差比多模发射要求的公差更为严格。
与OD(即，与柱)对准的概念稍微地不同于与ID(即，与开孔)对准，但是却具有两个关键的优点成本和尺寸。
成本——要制造具有精密直径的柱是非常容易和经济的。这是因为长的杆可以通过磨削外径制成，而然后通过简单地切下杆的部分可以得到很多部件。制作公差大致为1微米或者2微米的精密特征结构的成本对于保持OSA 306的成本最小非常重要。人们能够制作的最便宜的精密特征结构是球体(例如，球轴承)，而第二便宜的精密特征结构可能是圆柱体。
尺寸——OECE 302可以被制造成二维阵列的部件。这种制造方法可以生产数百或者甚至数千的除了对准特征结构以外的完整OSA 306。理想地，在OSA 306还是阵列形式的时候添加对准特征结构，但是这仅仅在对准特征结构小于OECE 302的占有区域的时候才有可能。
图22A示出对准柱304可以与OECE 302的阵列对准并且被连结于其上(单个地或者成组地)。对准柱304足够小，因此它配合在OECE 302的前窗上。另一方面，图22B示出了在不增大间距从而不增大OECE 302的尺寸的情况下，柱224不能与OECE 302对准并被连结于其上。
图23示出了在一个实施例中被插入到套筒308中的OSA 306的横截面。OSA 306的阵列可能在各个被插入到套筒308或者更大的任何东西中之前必须被单个地分开。但是，在此时进行单个分开并不是OSA 306制造中的缺点，因为对准柱304已经在其阵列形式中与OECE 302对准并连结于其上了。
小型OSA 306的另一个优点在于它能够被排列得与其它OSA 306更为靠近，以与新的更小的FO连接器配合。实际上，双向连接器(例如双向LC连接器)当前尺寸的一个历史上的原因可以回溯到靠得多近的两个TO筒能够被对准到端口中。从而OSA 306将使得能够实现更小的连接器和更小的收发机。
图24示出了OSA 306A的横截面，其中圆柱形对准柱304被由例如玻璃的透明材料制成的实心对准柱304A所替代。对准柱304A的外径被用于对准特征结构，而光316被传送穿过对准柱304A。
图25示出了本发明的一个实施例中OSA 306B的横截面。OSA 306B以由例如玻璃的透明材料制成的部分球体304B来替代圆柱形对准柱304。部分球体304B的圆周被用作对准特征结构，而光316被传送穿过部分球体304B。
集成的光学和电子学器件图1是在本发明的一个实施例中，用于制作包括有激光器底座80和盖130的光电子芯片封装(OECE)150(图16)的方法的流程图。
在步骤12中，如图2所示，光学透镜52被形成在底座80的衬底54的顶上。在一个实施例中，衬底54是标准厚度(例如，675微米)的硅晶片，其对1310纳米(nm)的光是透明的。或者，衬底54可以是石英、硼硅酸钠玻璃(例如，Pyrex)、蓝宝石、砷化镓、碳化硅或者磷化镓。在一个实施例中，透镜52是由堆叠多个相移透镜层图案化以形成希望的透镜形状的衍射光学元件(DOE)。该叠层中相邻的相移层由一个刻蚀阻挡层隔开。相移层可以是非晶硅(α-Si)，刻蚀阻挡层可以是二氧化硅(SiO2)。或者，相移层可以是氮化硅(Si3N4)，以替代非晶硅。
为了形成叠层，首先在衬底54上形成非晶硅层。该非晶硅层可以通过550℃下的低压化学气相沉积(LPCVD)或者等离子体增强的化学气相沉积(PECVD)来沉积。非晶硅层的厚度可以由以下公式来确定t=λN(Δni)]]>在以上等式中，t为相移透镜层的厚度，λ为目标波长，N为相移透镜层的数目，而Δni为相移透镜材料与其环境之间的折射率(ni)的差值。在一个实施例中，其中λ为1310nm，N为8，非晶硅的ni为3.6，二氧化硅的ni为1.46，非晶硅层具有765埃的典型厚度。
接下来在非晶硅层上形成二氧化硅(SiO2)层。二氧化硅层可以在550℃的蒸汽中被热生长到非晶硅层上。或者，二氧化硅层可以通过PECVD沉积。二氧化硅层具有50埃的典型厚度。重复进行沉积非晶硅的处理和对非晶硅的低温热氧化，以得到希望数目的相移层。
一旦形成了叠层，则每一层都被掩蔽并刻蚀以形成希望的衍射透镜。顶部非晶硅层上的二氧化硅层首先通过利用稀释的水/氢氟酸溶液(一般为50∶1)被浸蚀掉。接下来，在非晶硅层上，对光刻胶旋涂、曝光和显影。然后将非晶硅层通过等离子体向下刻蚀到下一个作为刻蚀阻挡层的二氧化硅层。对剩余的相移层重复掩蔽和刻蚀处理。
在一个实施例中，透镜52为双焦点衍射透镜，其将激光变换成在一定体积上均匀传播的小角度分布。该体积的尺寸相对于光纤输入面的大小比较大，所以元件能够容易地对准。双焦点衍射透镜的表面具有提供了两个焦距f1和f2的隆脊(ridge)。双焦点衍射透镜的一种设计方法可以从确定定义了具有焦距f1的传统衍射透镜的表面轮廓的第一相位函数开始。可以使用任何用于衍射透镜设计的传统技术。具体而言，例如由AppliedOptics Research，Inc.的GLAD或者由MM Research，Inc.提供的DIFFRACT的商业软件可以分析衍射元件的相位函数。第二相位函数类似地被产生，其中第二相位函数使得如果该第二相位函数与第一相位函数复合(multiplex)在一起，则该组合会提供具有第二焦距f2的衍射透镜。然后对第二相位函数进行缩放，以便提供对一定比例(例如，50％)的入射光聚焦但是通过且不改变入射光的剩余部分(例如，50％)的部分有效的衍射透镜。第一相位函数和经缩放的第二相位函数被复合在一起以形成最终的双焦点透镜设计。
在另一个实施例中，透镜52为衍射/折射混合元件。该衍射/折射混合元件传播来自一定体积之上的光，以扩大如上所述的光纤的对准公差。衍射/折射混合透镜的至少一个表面具有用于形成一种焦距(例如f2)的曲率。进一步，部分有效的衍射透镜的衍射特征结构被叠加在衍射/折射混合透镜的一个或者两个表面之上，使得该组合提供两个焦距f1和f2，用于分开不同部分的入射光。
在步骤14中，如图3中所示，氧化层56形成在衬底54和透镜52之上。在一个实施例中，氧化层56为通过PECVD沉积的二氧化硅，且具有1微米的典型厚度。氧化层56以后被平坦化以提供用于光穿过的平坦表面。这可以在形成金属层之后在处理的末尾进行。
在步骤16中，如图4至6所示，金属层1形成在氧化层56之上，然后被图案化。在一个实施例中，金属层1(图4)为通过溅射沉积的钛-钨(TiW)、铝-铜(AlCu)以及TiW金属的堆叠。TiW合金层一般每层为0.1微米厚，而AlCu合金层一般为0.8微米厚。金属层1被图案化以形成互连。在一个实施例中，光刻胶被旋涂、曝光以及显影，以形成刻蚀掩膜60(图5)，刻蚀掩膜60定义了刻蚀窗62(图5)。金属层1被刻蚀窗62所暴露的部分然后被刻蚀以形成互连1A(图6)。之后，掩膜60被从互连1A上剥去。
在步骤20中，如图7和8所示，介电层64形成在氧化层56和互连1A之上，然后被平坦化。介电层64将互连1A与其它导电层绝缘。在一个实施例中，介电层64是从四乙基原硅酸盐(TEOS)制备、通过PECVD形成的二氧化硅，并且通过化学机械抛光(CMP)被平坦化。介电层64具有1微米的典型厚度。
在步骤22中，如图9和10所示，形成到互连1A的接触窗或者过孔70。在一个实施例中，光刻胶被旋涂、曝光以及显影，以形成定义了刻蚀窗68(图9)的刻蚀掩膜66(图9)。介电层64被刻蚀窗68暴露的部分然后被刻蚀以形成接触窗/过孔70(图10)。之后，掩膜66从互连1A上被剥去。在过孔70中可以沉积金属以形成到互连1A的插塞。
在步骤24中，如图11至13所示，金属层2形成在介电层64之上。在一个实施例中，金属层2为通过蒸镀顺序沉积的钛-铂-金(TiPtAu)。钛具有0.1微米的典型厚度，铂具有0.1微米的典型厚度，金具有0.5微米的典型厚度。形成金属层2来形成接触焊盘和接合焊盘(bonding pad)。在一个实施例中，光刻胶被旋涂、曝光以及显影，以形成定义了沉积窗73(图11)的掀除掩膜(liftoff mask)72(图11)。金属层2(图12)然后被沉积在掀除掩膜72之上，以及穿过窗73沉积到介电层64上。之后，掩膜72被剥去以掀除沉积在掩膜72之上的金属层2，留下接触焊盘或接合焊盘2A(图13)。
金属层1和2可以被图案化以形成2个互连层。这两个互连层可以通过两层之间的插塞被连结。图14示出了在一个实施例中方法10此时所形成的底座80的俯视图。底座80包括密封环106，密封环106形成围绕透镜52和接触焊盘82、84、86以及88的周边。密封环106被用来将底座80接合到盖上，该盖封闭了透镜52、激光器管芯(laser die)122(图15)以及监视器光电二极管管芯124(图15)。密封环106是在步骤24中被形成和图案化的金属层2的一部分。密封环106耦合到提供了接地连接的接合焊盘108和110。当密封环106以后被电耦合到覆有金属的盖130时，该金属会起到电磁干扰(EMI)屏蔽的作用，使得EMI不能通过盖130出去。
接触焊盘82和84提供了到激光器管芯122的电连接。接触焊盘82和84通过各自被掩埋的迹线90和92被连接到位于密封环106外部各自的接触焊盘94和96。接触焊盘82和84是在步骤24中被形成和图案化的金属层2的一部分。迹线90和92是在步骤16中被形成和图案化的金属层1的一部分。
接触焊盘86和88提供了到监视器光电二极管管芯124的电连接。接触焊盘86和88通过各自被掩埋的迹线98和100被连接到位于密封环106外部各自的接触焊盘102和104。接触焊盘86和88是在步骤24中被形成和图案化的金属层2的一部分。迹线98和100是在步骤16中被形成和图案化的金属层1的一部分。
在步骤28中，如图15所示，激光器管芯122被与接触焊盘82对准并被接合于其上。激光器管芯122还通过线接合(wire bond)被电连接到接触焊盘84(图14)。在一个实施例中，激光器管芯122是边缘发射的法布里-珀罗激光器。类似地，监视器光电二极管管芯124与接触焊盘86对准并被接合于其上。监视器光电二极管管芯124也通过线接合被电连接到接触焊盘88。在激光器管芯122和光电二极管管芯124被连接之后，可以在透镜52的表面上涂敷抗反射涂层(未示出)以减小光从底座80出射时的反射。
在步骤30中，如图15所示，形成盖130。盖130定义了具有被反射材料134所覆盖的表面132的腔体131。腔体131提供了必要的空间以容纳底座80上的管芯。表面132上的反射材料134形成45度的反射镜135，该反射镜135将来自激光器管芯122的光反射到透镜52。盖130的边缘处的反射材料134同样起到密封环136的作用。腔体131上的反射材料134在其通过密封环136和接触焊盘108和110被接地时还起到EMI屏蔽的作用。在一个实施例中，反射材料134是通过蒸镀顺序沉积的钛-铂-金(TiPtAu)。钛具有0.1微米的典型厚度，铂具有0.1的典型厚度，而金具有0.1微米的典型厚度。在一个实施例中，盖130为对1310nm的光透明的标准厚度(例如，675微米)的硅晶片。
在一个实施例中，盖130具有从主表面138偏离9.74度的<100>面。盖130被湿刻蚀，以便沿着硅衬底的<111>面形成表面132。由于盖130的<100>面从主表面138偏离9.74度，所以<111>面和反射镜135被定向为从主表面138偏离45度。
在步骤32中，如图16所示，盖130与底座80的顶边对准并接合于其上，以形成OECE 150。在一个实施例中，盖130的密封环136和底座80的密封环106通过焊料接合。或者，盖130的密封环136和底座80的密封环106通过冷焊接合。
如可以看到的那样，光152(例如，1310nm)由激光器管芯122发射出。光152从反射镜135被向下反射到透镜52。透镜52然后将光152聚焦，使得光152能够被处于特定位置的光纤所接收。作为绝缘体层64，氧化层56和衬底54对光152是透明的，光152能够穿过衬底80从光电器件150出射。
在步骤34中，如图16所示，对准柱140与底座80的背面对准并被接合于其上。对准柱140使得OECE 150能够与套管中的光纤对准。
如本发明的技术人员所能理解的，以上描述的处理可以在晶片规模上进行，以便同时形成很多OECE 150。这些OECE 150然后被单个分开以形成单独的封装。
相比于传统的光电子封装，OECE 150具有若干优点。第一，制作OECE 150仅仅需要两块晶片，而不是传统封装的三块晶片。第二，晶片可以是标准厚度(例如，675微米)的，而不是传统封装的两块薄晶片。第三，在盖130和底座80之间仅需要一个气密性密封，而不是传统封装的两个。
所公开实施例的特征的各种其它改造和组合都在本发明的范围之内。尽管图23至25的对准特征结构被示为被安装到发送机OECE的特定实施例上，但是，这些对准特征结构可以被安装在OECE的其它实施例上(例如，用于不同波长的激光器的发送机OECE、接收机OECE、收发机OECE或者具有垂直腔表面发射激光器而不是边缘发射激光器的OECE)。此外，这些对准特征结构可以被安装在其它类型的光电子封装上，例如，TO筒。所附权利要求包括了很多实施例。
权利要求
1.一种光学组件，包括包括光电元件的封装件；被固定到所述封装件的表面的对准特征结构；和套筒，其中所述对准特征结构被插入到所述套筒中，并且所述套筒具有适合的尺寸以与光纤连接器的套管配合。
2.如权利要求1所述的组件，还包括光纤连接器，其中所述套筒定义了接收所述对准特征结构和所述套管的孔。
3.如权利要求1所述的组件，其中所述对准特征结构包括圆柱形柱，所述圆柱形柱具有允许由所述封装件发射的光穿过的开孔。
4.如权利要求1所述的组件，其中所述对准特征结构包括实心柱，所述实心柱包括允许由所述封装件发射的光穿过的透射材料。
5.如权利要求1所述的组件，其中所述对准特征结构包括实心的部分球体，所述球体包括允许由所述封装件发射的光穿过的透射材料。
6.如权利要求1所述的组件，其中所述套管构成光纤连接器的一部分。
7.如权利要求6所述的组件，其中所述光纤连接器是从由LC连接器、ST连接器、SC连接器和FC连接器构成的组中选择的。
8.如权利要求1所述的组件，其中所述封装件是从由光电子芯片封装和晶体管外形筒构成的组中选择的。
9.如权利要求1所述的组件，其中所述光电子元件为激光器。
全文摘要
本发明提供了一种光学组件，所述组件包括有着光电元件的封装件和被固定到所述封装件的表面的对准特征结构。所述对准特征结构将被插入到有着适合与光纤连接器的套管配合的尺寸的套筒中。
文档编号G02B6/42GK1598633SQ20041003821
公开日2005年3月23日 申请日期2004年5月13日 优先权日2003年9月19日
发明者罗伯特·爱德华·威尔逊, 理查德·保罗·特利亚, 詹姆斯·艾伯特·马修斯 申请人:安捷伦科技有限公司