激光加工的光学部件以及用于拾取和接合组件的相关方法与流程

本申请要求于2014年7月29日提交的美国临时专利申请No.62/030,554的优先权，通过引用将其整体合并于此。

技术领域

本公开涉及光学组件。更具体地，涉及激光加工的光学部件以及用于拾取和接合组件的相关方法。

背景技术：

构成光学组件的离散光学元件需要相对于彼此精确定位。目前，为了实现光学元件的精确定位以及由此实现所需的组件性能，采用耗时的主动调节过程。在这种过程期间，传播通过光学元件的光束可以用于对准。光学性能参数可以被测量并且用作调节光学元件的定位的反馈。在这种主动调节过程之后，则光学元件可以固定在合适位置。

另外，诸如微透镜阵列的多元件光学部件可能呈现显著的元件间差异，从而不利地影响总体组件性能。换而言之，通常存在于制造的光学元件中的光学失真以及光学元件的非完美均匀性可能在对准中引入误差。

消除主动对准的需求以及获取从减小的元件间差异所获得的性能增益将是有利的。本公开描述获得这些优点的光学元件、制造和组装方法。

附图说明

附图并入该说明书中并且组成该说明书的一部分，其图示了本公开的一个或更多个实施例，并且连同示例实施例的描述一起用于说明本公开的原理和实现方式。

图1图示了具有光学元件(激光二极管条和微透镜阵列)的光学组件的一个实施例的概观。

图2图示了激光烧蚀方法的示例。

图3图示了激光二极管条和微透镜阵列的示例。

图4图示了针对本公开的方法的示例性流程图。

技术实现要素：

在本公开的第一方面，描述了一种光学组件，该光学组件包括：光学母板；在该光学母板的表面上的激光加工的激光二极管条；以及在该光学母板的表面上的激光加工的微透镜阵列，其中，激光加工的微透镜阵列与激光加工的激光二极管条对准，使得激光二极管发射的电磁波进入微透镜阵列。

具体实施方式

本公开描述了可以不需要主动对准并且允许减小的性能差异的制造和组装方法以及包括光学元件的光学组件。为了允许利用诸如接合器工具的机器进行被动组装，组装部件可以具有使用激光微加工技术制造的基准标记和/或接合焊盘。

光学组件

本公开描述了包括可以被动地安装在光学母板上的激光二极管条和微透镜阵列的光学组件(图1)。

应当理解，图1的实施例是可以被动地安装在光学母板上的光学元件的更普遍情况的具体示例。光学元件和光学母板在本文中统称为组装部件。

为了允许利用诸如接合器工具(例如，拾取、放置和接合工具)的机器进行被动组装，组装部件可以具有接合焊盘和/或一个或更多个基准标记。应当理解，这种接合焊盘和/或基准标记和/或组装部件(或它们的功件(feature))可以利用激光微加工技术来制造。

在图1中，激光二极管条(105)组装在光学面包板(110)上。激光二极管条是可以以期望频率发出激光的二极管的阵列。如本领域的技术人员所理解的，在图1中，电磁波(即激光)在标准光学常规图中被示出为迹线(115)。在进入微透镜阵列(120)之前绘制迹线(115)，并且在从微透镜阵列(120)出去之后绘制迹线(125)。微透镜阵列(120)是可以利用诸如激光加工的微制造技术制造的微透镜的阵列。

基准标记

基准标记是在多步骤制造处理期间用于部件对准的标记。机器视觉系统可识别的基准标记允许通过自动化工具对部件进行亚微米放置。在本公开中，可以例如使用激光微加工技术、特意将基准标记记在所有组装部件上或者一些组装部件上。在其它实施例中，所有组装部件或一些组装部件可具有可以有效地用作基准标记的整体功件。例如，激光二极管条通常可以涂覆有金层。这种涂覆将在其表面上涂抹任何基准标记。另外，可以以几微米的定位精确度劈开(cleave)二极管条的端面。另一方面，激光条在芯片顶部具有垂直于端面平面延伸的脊。这些脊与端面相接的点可以用作机器视觉系统的基准标记。

接合焊盘

在本公开中，可以在所有组装部件上或者一些组装部件上制造接合焊盘。在一些实施例中，可以使用硬接触“华夫(waffle)焊盘”和适合的接合方法(诸如，焊接)。这允许光学元件在光学母板上的精确被动竖直定位。在其它实施例中，可以使用其它类型的焊盘和接合方法。

组装部件的制造

组装部件(例如，光学元件和母板)的制造可以包括所有以下步骤或以下步骤中的一些，不一定以列出的顺序：

1.坯料/基板的激光微加工，包括表面、基准标记、接合焊盘和其它功件；

2.用以改善光学质量的可选择回流步骤(例如，激光辅助回流、火抛光等)；

3.金属化。

激光微加工包括使用激光的元件制造，例如，激光烧蚀、切割或加热。回流步骤可以包括材料的局部加热或非局部加热以实现焊接。例如，回流焊接可以是焊膏可以用于暂时将一个或若干个电学部件附接至其接触焊盘的处理。然后，可以对整个组件或其一些部件进行受控加热，其使焊料熔化，从而永久连接接合处。激光辅助回流可以包括使用利用一个或更多个激光光束的局部加热的类似处理。

如本领域的技术人员所理解的并且如装置的操作可能必需的，金属化可以包括添加金属迹线、接触或电极。

应当理解，可以使用本文描述的方法来制造各种光学元件，包括但不限于：透镜、微透镜阵列、衍射光栅、棱镜、反射镜、平面光波电路及其元件(例如，波导)。所有这些光学元件或这些光学元件中的一些可以集成在本公开的装置中。

在一些实施例中，基准标记、接合焊盘、部件的功件、整个部件或者这些元素的一些组合可以在同一制造步骤中制造，以确保精确的相对配准(registration)。

在一些实施例中，激光微加工可以包括从加工件(坯料或基板)的表面对材料进行烧蚀。这种烧蚀可以在一个步骤、两个步骤(例如，粗材料去除和细材料去除)或者更多个步骤中执行。

在一些实施例中，紧密聚焦的飞秒脉冲可以用于精确的烧蚀材料去除。在一些实施例中，几皮秒的脉冲以及更长的脉冲(高至几纳秒以及更长)可以用于烧蚀材料去除。例如，使用在紫外光谱范围中(例如，处于355nm)的亚纳秒脉冲可以允许实现低损坏/烧蚀处理阈值和高精度微加工。作为另一示例，可以为了高产量而使用纳秒紫外脉冲。

在一些实施例中，替代从坯料的表面进行烧蚀材料去除，可以使用聚焦激光脉冲在材料体中修改材料的折射指数。这个处理可以用于创建或者修改光学元件，例如，(梯度指数光学)GRIN透镜、波导电路等。在一些实施例中，紧密聚焦的飞秒脉冲可以用于精确指数修改。在其它实施例中，几皮秒的脉冲(即持续时间在皮秒范围中的脉冲)可以用于折射指数修改。在其它实施例中，更长的脉冲(每个脉冲的持续时间高达几纳秒)可以用于折射指数修改。

又一替选方式是使用激光微加工来进行表面烧蚀和体指数修改两者以制造具有所需性能的部件。

为了获得最好的产量和部件性能，可以谨慎优化激光处理参数。激光处理的这种参数的一些示例是：扫描速度、重叠、通过次数、脉冲长度、重复率、波长、偏振、聚焦条件等。这种优化对于光学表面可能尤其重要。应当理解，可能需要使用不同的激光参数来执行不同的处理步骤。

光学母板

母板可以含有用于接合焊盘、凹处(pocket)、基座等的拓扑，以用于光学元件的定位并且允许光学元件彼此被动对准。这种光学母板可以提供针对电子部件(例如，电路迹线)和/或诸如散热器的热管理功件的构造(provision)。

光学母板可以具有激光加工的功件和/或拓扑，或者可以整体被激光加工。光学母板可以例如制造在Au/Ti涂覆的AlN基板上。

微透镜阵列

在一些实施例中，微透镜阵列可以用于激光二极管条发射的光束的准直。在一些实施例中，该条可以具有布置为线性阵列的2-150个均匀间隔(例如，150μm间距)的发射器。微透镜阵列可以具有相应数目的透镜和透镜间的间隔。在一些实施例中，阵列的每个微透镜可以对应于二极管条的一个二极管。在一些实施例中，两个元件用于沿着输出激光束的快轴和慢轴的准直。可以使用铸模来制造微透镜阵列。由于在制造处理期间的非均匀冷却和收缩，可能出现明显的透镜间差异和阵列间差异。这可能导致需要微透镜阵列的耗时主动对准以及导致总体光学组件的性能下降。

在本公开发明的一些实施例中，可以使用激光微加工技术来制造微透镜阵列。这种技术可以允许微透镜阵列的更一致和更精确的制造。基准标记和接合焊盘可以在与透镜制造相同的步骤期间制造，以确保精确配准。

应当理解，本公开中描述的技术不仅适用于线性(1D)微透镜阵列，还适用于2D微透镜阵列。

在激光微加工步骤期间，可以从坯料烧蚀过量的材料。激光可以使用各种扫描图案，例如，螺旋形(spiral)、光栅、螺旋线(helix)、复合图案等。可以制造柔性光学表面，例如，球面、非球面或自由形状表面。菲涅耳(Fresnel)透镜也可以通过激光微加工来制造。另外，可以将单个微透镜元件设计和制造成使输出激光光束沿着快轴和慢轴两者准直。

制造透镜具有两个弯曲表面(即，凸-凸透镜)的微透镜阵列可以是有利的。与制造平-凸透镜所需的对一面进行微加工相比，可能需要对原始平坦的坯料的两面进行微加工。利用激光微加工，可以在同一处理步骤期间实现两面加工。首先，使激光光束聚焦通过坯料以烧蚀底部的材料，然后使焦点上升以烧蚀顶表面(图2)。利用该方法，可以自动使两个弯曲表面彼此配准。

在图2中，通过使激光(205)聚焦在期望的第一深度处，可以使用激光(205)来烧蚀一定深度(210)处的材料。然后可以使用具有不同焦点的激光(215)来烧蚀期望的第二深度(220)处的材料。

替选地，替代从坯料的表面进行烧蚀材料去除，可以使用聚焦激光光修改坯料体中的折射指数。这可以用于创建具有逐步变化(例如，球梯度、轴向梯度、或径向梯度)的折射指数的梯度折射率(GRIN)透镜或类似透镜。优选地，使用紧密聚焦的飞秒脉冲来进行精确指数修改。在其它实施例中，可以使用持续时间为几皮秒的脉冲。在其它实施例中，可以使用更长的持续时间，例如几纳秒的量级的持续时间。

又一替选方式是使用表面烧蚀和体指数修改两者来创建具有所需折射参数的透镜。

组装处理

可以使用类似于常规接合器工具的机器将光学元件被动地组装在光学母板上。该工具依靠基准标记来精确定位光学元件，然后将它们接合至母板。

在一些实施例中，可以使用焊料将光学部件接合至母板。例如，结合适当设计的接合焊盘，AuSn焊料可以用在Au/Ti涂覆的AlN面包板上。

在其它实施例中，可以使用结合适当设计的接合焊盘的其它接合方法。例如，粘合剂接合、焊接、接触接合、卡扣(snap-on)附接(在一个部件上需要负牵伸并且在配合部件上需要一个或更多个弯曲功件)等。

在一些实施例中，一些元件可以在接合至光学母板之前彼此接合。例如，首先，可以将微透镜阵列接合至激光二极管条和/或可以将两个微透镜阵列彼此接合。然后，可以将所得到的子组件接合至光学母板。

图3图示激光二极管条的示例，其中，若干个二极管发射器(305)排列成条。包括微透镜(310)的阵列的微透镜阵列也是可见的。在图3中，每个发射器(305)对准在微透镜(310)的前侧。

图4图示了用于对光学元件进行激光加工的示例性方法。例如，第一步骤(405)可以包括将激光脉冲聚焦在材料上。通过材料的晶体结构的改变或烧蚀，可以制造激光二极管条或微透镜阵列。

在第二步骤(410)中，可以将制造的光学元件定位在基板上，诸如光学母板。在第三步骤(415)中，可以对光学元件进行接合。可选择地，在第四步骤(420)中，可以对接合材料进行回流。

在本公开中，加工和微加工意在指如本公开中所描述的制造的任何步骤，在微米范围以上、在微米范围或在微米范围以下均可。激光加工和激光微加工意在指利用激光的任何加工或微加工步骤。

已经对本公开的许多实施例进行了描述。然而，应当理解，在不背离本公开的精神和范围的情况下，可以做出各种修改。相应地，其它实施例在权利要求的范围中。

上述示例作为如何实现和使用本公开的实施例的完整公开和描述而提供给本领域的普通技术人员，而非意在限制发明人/多个发明人视为其公开的范围。

对于本领域的技术人员而言是明显的、用于执行本文中公开的方法和系统的上述方式的修改旨在落入所附权利要求的范围内。说明书中提及的所有专利和出版物指示本公开所属的技术领域的技术人员的水平。本公开中引用的所有参考文献通过引用并入，其程度与每个参考文献通过引用单独地全部并入一样。

应当理解，本公开不限于具体方法或系统，其当然可以变化。还应当理解，本文中所使用的术语仅出于描述具体实施例的目的，而非意在是限制的。如说明书和所附权利要求中所使用的，单数形式“一(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括复数所指事物，除非文本另外清楚指出。术语“多个”包括两个或更多个所指事物，除非文本另外清楚指出。除非另外限定，否则本文中使用的所有技术术语和科学术语具有与本公开所属的技术领域中的一个普通技术人员通常理解的含义相同的含义。