具有被动对准的光学组件的制作方法

本发明总体上涉及光学子组件，且更具体地，涉及包含表面发射光电装置的光学子组件，其中该装置的光轴平行于其所安装的基板。

背景技术：

光学系统和装置通常包括与基板或平台上的光导管(opticalconduit)(例如光纤和波导)集成的光电装置(oed)的光学组件(oa)。对于这些oa的有效性来说至关重要的是oed与该光导管的对准。通常有两种对准方法用于对准oed——主动和被动。在被动对准中，配准或对准特征通常直接制造在部件上、以及部件待安装的平台上。然后，使用对准特征将部件定位在平台上，并将其固定在位。在主动对准中，oed被放置在平台上，但是在固定至其之前，光信号通过部件被传输，同时它们被处理以提供最佳的光学性能。一旦实现最佳的性能，将部件固定到平台。尽管主动对准趋于比被动对准更精确，但被动对准便于高速、大容量自动化制造，且从而是优选的。

光通信技术中优选的oed组是表面发射和检测装置。然而，在顶表面上具有接收或发射光的光敏表面的诸如垂直腔表面发射激光器(vcsels)和光检测器(例如pin光电二极管)通常难以与光纤对准。通常，为了使用硅光具座来实现装置和光纤之间的对准，装置必须在与光纤不同的平面上，使得光通过反射表面在其之间通信。虽然这种技术在某种程度上具有允许被动对准的优点，但是通常需要将装置主动对准到位，使得光被反射表面正确地反射。另外，由于通过色散效应在每个光学表面产生的固有损耗，反射表面的使用降低了耦合效率。

相应地，需要一种更有效的系统，以光学耦合光纤和装置。一种这样的系统在美国专利no.5,905,831中公开，其通过引用并入本文。‘831专利公开了一种系统，其中表面发射oed安装在被动对准构件上，其进而安装到含有光纤的基板，从而被动地将oed与保持在基板中的光纤对准。

尽管这种系统提供了被动对准和可制造性，但申请人已经确定了进一步简化系统、改善光学性能(减少插入损耗)并进一步增强可制造性的需求。本发明满足了这些以及其他需求。

技术实现要素：

以下呈现本发明的简要概述，以提供对本发明的某些方面的基本理解。该概述不是对本发明的广泛概述。它并非旨在标识本发明的关键/决定性要素，或者描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的前序。

本发明通过垂直于基板安装具有有源顶表面(例如vcsel或pin二极管)的oed、使得oed的光轴平行于基板，来实现低的光插入损耗。这允许oed直接耦合到基板上的光导管或其他光学结构。不需要额外的元件来改变光的方向，从而减少插入损耗的可能原因。

为了获得良好的耦合，需要精确地对准光学部件。当垂直于基板放置oed时，这并不简单。在切片过程(例如使用切片锯)中形成oed裸芯的边缘，并且通常不具有相对于oed的有源光学区域的所需精度。因此，将oed安装在其边缘上通常不是可行的选择。

申请人意识到，不依靠oed的边缘进行对准，可以通过标准光刻技术来蚀刻或分层oed的非功能区域，以形成非常精确的机械特征(例如，边缘、圆柱体、正方形、三角形、等等)，其可以用于被动对准。这是在oed裸芯仍然是晶片形式时完成的，使用芯片制造业中常用的工艺，这能够实现非常高的精度。按照这种方式，功能光学区域相对于机械对准特征的位置被良好地限定。在一个实施例中，使用相同的光刻工艺在oed的表面上限定功能区域和(多个)对准元件，以减少公差积累。然后，oed可以侧向放置在接收部分中，在所述接收部分中存在用于进行对准的参考或配准表面(例如，蚀刻在硅中的v-凹槽)。

相应地，本发明的一个方面是一种光学组件，其包括oed，所述oed垂直地安装到基板，并通过被动对准沿着一个或多个轴线对准。在一个实施例中，一种光学组件具有x轴、y轴和z轴，且包括(a)第一基板，其具有：平面表面、邻接且垂直于所述平面表面的第一壁、邻接所述第一壁的第一配准表面、用于接收光学元件的至少一个基座，所述光学元件具有至少部分地沿着所述z轴的第一光轴；以及(b)光电装置(oed)，其具有：顶表面、在所述顶表面上的有源区域(所述有源区域具有法向于所述顶表面的第二光轴)、以及在所述顶表面上限定的第一对准元件，所述oed安装到所述第一壁，使得所述第一对准元件接触所述第一配准表面，以沿着所述x轴或y轴中的至少一个、将所述oed定位在所述第一基板上，并且所述第二光轴平行于所述平面表面。

附图说明

图1示出了本发明的光学组件的一个实施例，其中光电装置(oed)与基板分离。

图2示出了图1中的光学组件，其中oed在位。

图3示出了图1的光学组件，其中光纤设置在其上。

图4示出了本发明的光学组件的替代实施例，其中oed与基板分离。

图5示出了图4的光学组件，其中oed与基板集成。

图6示出了图1的光学组件的侧视图的示意，其中推动构件推动oed在基板中前进。

具体实施方式

参考图1-3，示出了本发明的光学组件(oa)100的一个实施例。本文关于x轴、y轴和z轴描述了oa，尽管应当理解，这种取向仅用于说明目的，而不应解释为限制所要求保护的发明。oa100包括具有平面表面106的第一基板101。第一基板还包括第一壁116，其垂直于平面表面，且在该实施例中，其限定在平面表面中的腔102的一部分。第一基板101还包括邻接第一壁的第一配准表面103，以及用于接收光学元件301的基座104，光学元件301例如是光导管302(参见图3)，其至少部分地沿着z轴从第一壁116延伸到基板的边缘105。oa100还包括光电装置(oed)110，其具有顶表面111和法向于顶表面的光轴112。oed110包括限定在顶表面上或邻接顶表面的第一对准元件113。oed110配置为安装抵靠第一壁116，使得第一对准元件接触第一配准表面，以沿着x轴或y轴中的至少一个将oed定位在第一基板上，并且将光轴112定位为平行于平面表面106(如图2和图3所示)。

本发明的oa的对准元件和配准表面的实施例各不相同。例如，在图1-3所示的实施例中，第一对准元件113的形状设定为沿着多个轴线提供对准。具体地，在该实施例中，对准元件113的形状设定为类似光纤的一部分(半圆柱形)，以按照与光纤座置在凹槽中的相同的方式来座置在光纤凹槽118中。更具体地，在该实施例中，基座104是用于接收图3所示的光纤302的凹槽118。第一配准表面103包括邻接第一壁116的凹槽的一部分。光导管302(其在该实施例中为光纤302)具有某一截面形状——即，具有特定曲率的弯曲轮廓。对准元件113具有与光纤302相同的曲率。由于光纤和对准元件具有相同的弯曲形状，它们都可以按照相同的方式座置在凹槽118中。众所周知的是，凹槽(例如v-凹槽)可以精确地蚀刻在基板中，使得当光纤(其具有精确的外径)设置在凹槽中时，光纤将在x轴和y轴上在基板上对准。相应地，在图1所示的实施例中，对准元件113基本上与光纤302相同地沿着x轴和y轴定位在凹槽中。换言之，oed和光纤在基板的v-凹槽中以相同的方式对准。这样，仅oed和光纤的精度影响对准，而v-凹槽的精度(位置和角度)将不会影响oed和光纤相对于彼此的对准。因此，接收部件不需要严格的尺寸要求，从而可能降低制造成本、并且使得可能使用其他材料和工艺来制造这种部件。

在另一实施例中，使用一个或多个简单的对准元件，使得每个元件沿着特定的轴线定位oed。这些对准元件可以包括接触对应的配准表面的仅简单的表面或边缘。例如，可以使用“片上锥形”配置。具体地，参考图4和图5所示的oa400，oed410包括顶表面411和第一配准表面413(其为沿着x轴行进的边缘/壁)、以及第二对准元件451(其为沿着y轴行进的边缘/壁)。第一基板401具有对应的配准表面。具体地，在该实施例中，第一基板401包括腔402(其类似于图1的腔102)，并限定多个配准表面403、450。第一配准表面403是邻接腔的平面表面406的一部分，且沿着x轴行进。在这种情况下，为了与基板的平面表面一致的实际原因而选择第一配准表面。尽管第一配准表面在图4中被绘示为平面表面406的一部分，但应当理解，第一配准表面可以与平面表面一致或与其平行。例如，配准表面可以蚀刻进或沉积在平面表面上，且仍提供下文讨论的相同的y轴对准。第二配准表面450是限定在腔402的第一壁414中的边缘/壁，且沿着y轴行进。类似于第一配准表面，该配置可以变化。第一对准元件413和第一配准表面403协作，以如图5所示地沿着y轴定位oed410，而第二对准元件451和第二配准表面450协作以沿着x轴对准oed410。在另一实施例中，仅使用y轴对准特征，且在拾取和放置组装期间主动地执行x轴对准。如果被动对准可以用于实现沿着两个轴或甚至一个轴的可接受的对准，则可以实现制造时间和成本的显著减少，使得仅需要对剩余的轴线或者对于精细微调而进行主动对准。

还有对准元件和参考表面的各种实施例，以沿着z轴定位oed。例如，在一个实施例中，oed110包括对准元件114，其为顶表面111的一部分，且基板包括配准表面115，其为腔102的第一壁116的一部分。应当理解，尽管在图1-3中，对准元件114和配准表面115被绘示为较大的平面表面的部分，它们可以邻接平面表面，且可以例如蚀刻到它们相应的平面表面中或从它们相应的平面表面凸出。对准元件114和配准表面115协作，以当在腔102中推动oed前进时，沿着z轴定位oed。

可以使用不同的方法在腔102中推动oed前进。例如，在一个实施例中，腔102配置为紧密地接收oed110，使得对准元件114推靠在其中限定基座的腔的前壁116。在另一实施例中，腔配置为以公差接收oed，且顶表面111的相反侧602的至少一个推动构件601被用于将对准元件114推靠壁。在一个实施例中，推动构件包括顺应材料。在另一实施例中，如图6所绘示的，推动构件是楔状的。在另一实施例中，推动构件是楔状且顺应的。在又一实施例中，oed被保持抵靠前壁，而oed和第一壁之间的粘合剂固化，以永久地将oed保持在位。根据本公开，本领域技术人员将知晓用于将oed推靠前壁的其他方法。

根据本公开，本领域技术人员将知晓用于沿着x轴、y轴和z轴对准oed的其他对准元件和参考表面。例如，是否配准表面接收对准元件，或者是否对准元件接收配准表面，都是不重要的，除非在本说明书中另有说明。类似地，配准表面或对准元件中的任一个可以是平坦的表面、边缘或成型的凸起/腔。还应当理解，多个配准表面或对准元件可以用于相对于oa的x轴、y轴和z轴对准oed，或者可以通过配准表面/对准元件的单个对应的组来实现沿着两个或更多个轴线的对准。还应当理解，根据本公开，本文所述的各种对准元件/配准表面配置可以基于应用的需要以任何组合进行混合和匹配，这对于本领域技术人员将是显而易见的。

尽管图1和图4绘示了oed设置在基板内的腔中，应当理解，oed不需要设置在腔中，而是在另一实施例中，可以粘附至限定在基板的侧面上的第一壁。更具体地，在一些应用中，避免制备腔可能是有利的，而是，使用如上所述的对准元件和配准表面将oed固定到基板的侧面或边缘。这样的实施例的优点在于避免了在基板中形成或掘出腔的需要。

oed可以是发出、检测和/或控制通过有源顶部(或底部)的光的任何电子装置，且包含例如垂直腔表面发射激光器(vcsel)、光电二极管和光电处理器。

oed所光学耦合的光学元件可以是可以直接光学耦合到oed的任何已知或之后开发的部件。例如，在一个实施例中，光学元件是光导管。如本文所使用的，术语“光导管”是指用于促进光信号在某个方向上传播的任何已知的介质。通常的光导管包含例如光纤和平面光波导。这种光导管通常，但不一定包括芯材和围绕芯材的包层，以促进光沿着光导管向下传播。

在另一实施例中，光学元件可以是用于发出、检测和/或控制光的其他oed(例如，光电处理器，比如cmos光电处理器，用于接收光信号、处理信号并发送响应信号，电光存储器，光电随机存取存储器(eo-ram)或光电动态随机存取存储器(eo-dram)，以及用于管理光存储器的光电逻辑芯片(eo逻辑芯片)，激光器，诸如垂直腔表面发射激光器(vcsel)，双通道、平面埋入异质结构(dc-pbh)，埋入新月形(bc)，分布式反馈(dfb)，分布式布拉格反射器(dbr)；发光二极管(led)，例如表面发射led(sled)、边缘发射led(eled)、超辐射发光二极管(sld)；以及光电二极管，例如p本征n(pin)和雪崩光电二极管(apd))。

在又一实施例中，光学元件是无源部件，其不将光能转换成其他形式并且不改变状态(例如，光纤、透镜、加/减滤波器、阵列波导光栅(awg)、grin透镜、分束器/耦合器、平面波导、或衰减器)。在另一实施例中，光学元件是混合装置，其不将光能转换为其他形式，但是响应于控制信号改变状态(例如，开关、调制器、衰减器和可调谐滤波器)。还应当理解，光学装置可以是单个分立装置，或者其也可以组装或集成为装置阵列。

基座是配置为接收光学元件的基板上的结构特征。基座的配置自然地根据光学元件而变化。例如，如果光学元件是光导管(例如光纤)，则基座可以是蚀刻在平面表面中的凹槽(例如v-凹槽)，其已知为接收光纤，并使得它们沿着x轴和y轴准确地定位。如果光学元件是波导，则基座可以是其中可以设置波导的蚀刻沟槽或类似结构。替代地，基座可以是例如使用光刻法沉积在平面表面上的结构(例如壁)。在又一实施例中，基座可以是用于oed的焊盘或其他互连部。根据本公开，其他实施例对于本领域技术人员也是显而易见的。

本文所公开的oa封装体构造便于可制造性。例如，参考图1-3，在一个实施例中，蚀刻oed的非功能区，以形成对准元件113，其可以如上文所述地用于进行被动对准。这可以优选地在oed裸芯仍然是晶片形式时完成的，使用芯片制造业中常用的工艺，这能够实现非常高的精度。例如，可以在相同的光刻工艺中掩蔽有源部分和对准特征的所有关键尺寸。类似地，该掩蔽可以便于蚀刻或者沉积诸如光致抗蚀剂或其他聚合物材料的材料，所述材料可以高度的定位沉积在基板上。

然后可以将oed侧向放置在其中存在配准表面的基板中(例如在硅中蚀刻的v-凹槽)。在一个实施例中，oed由专用设备拾取并放置，并通过粘合剂结合到位。侧向及上/下方向的定位(参照图中的取向)来自上述对准特征。

可选地，通过在接触焊盘区域中分配焊膏液滴、之后回流工艺形成焊接接头来制造到oed的电连接。然而，电连接也可以通过其他方式进行，可选地涉及其他部件，例如pcb。

应当理解，上文是说明性的而不是限制性的，并且在不脱离本发明的理念的情况下，本领域技术人员可以进行明显的修改。相应地，本说明书旨在涵盖可以包括在如所附权利要求所限定的本发明的理念和范围内的这些替代、修改和等同。