使用晶体管外形技术的光模式转换和一种球透镜的制作方法

本申请要求2016年3月2日递交的发明名称为“使用晶体管外形(TO)技术的光模式转换和一种球透镜”的第15/058,753号美国非临时专利申请案的在先申请优先权和权益，该在先申请的内容以引用的方式并入本文本中。

背景技术：

硅光设备是使用硅(Si)及其衍生物作为光介质的光设备。硅光设备可以使用电设备的现有半导体制造技术来制造。因此，许多硅光设备是在单个芯片上具有光部件和电部件的混合设备。这种混合设备可以是较大系统集成封装(system in package，SIP)的一部分，SIP是指单个封装中的多个集成电路。

具有硅光部件的SIP通常包括硅光波导和光纤。波导通常包括输入端口和输出端口。光纤通常为单模光纤。需要将波导的光模式转换到光纤的光模式。在本上下文中，光模式可以是指光束在波导、光纤或其它介质的出口或入口的形状。光模式尺寸是指光模式的物理尺寸。物理尺寸可以基于光强度。例如，低于指定阈值强度的光可能不认为是物理尺寸的一部分。

波导输入端口和输出端口的模式尺寸相对较小，通常为约2至4毫米(μm)。光纤的模式尺寸相对较大，通常为约8至10μm。这种相对尺寸差异使得波导与光纤之间的光难以耦合。

技术实现要素：

在一项实施例中，本发明包括一种装置，包括：晶体管外形(transistor outline，TO)封装，包括：TO管帽夹持件和至少部分地嵌入所述TO管帽夹持件的TO管帽；以及耦合到所述TO封装的模式转换器。

在一些实施例中，所述模式转换器是一个球面透镜。

所述球面透镜包括N-BK7玻璃或蓝宝石玻璃。

所述球面透镜使用玻璃料粘接到所述TO管帽的顶部。

所述装置还包括：粘接到所述TO管帽夹持件的插芯夹持件，以及至少部分地嵌入所述插芯夹持件的光纤插芯。

其中，所述插芯夹持件包括不锈钢，所述光纤插芯包括不锈钢的外表和包括有氧化锆插芯的内部，所述氧化锆插芯被包裹有大模光纤。

所述插芯夹持件激光焊接到所述TO管帽夹持件，所述光纤插芯粘接到所述插芯夹持件。

所述装置还包括：粘接到所述TO管帽夹持件的光纤尾纤夹持件，以及至少部分地嵌入所述插光纤尾纤夹持件的光纤尾纤。

其中，所述光纤尾纤夹持件包括不锈钢，所述光纤尾纤包括不锈钢的外表和包括有氧化锆插芯以及大模光纤的内部。

所述光纤尾纤夹持件激光焊接到所述TO管帽夹持件，所述光纤尾纤激光焊接到所述光纤尾纤夹持件。

所述装置还包括：粘接到所述TO管帽夹持件的插芯夹持件，至少部分地嵌入所述插芯夹持件的插芯，以及至少部分地嵌入所述插芯的小模光纤。

其中，所述插芯夹持件包括Kovar或不锈钢，所述插芯包括氧化锆的外表，所述小模光纤包括纤芯和包层。

所述插芯夹持件激光焊接到或电阻焊接到所述TO管帽夹持件，所述插芯粘接到所述插芯夹持件。

所述模式转换器是一个非球面透镜。

在另一项实施例中，本发明包括一种系统，包括：模式转换器，包括用于将光的模式从第一模式尺寸转换到第二模式尺寸的透镜，其中，所述第一模式尺寸小于所述第二模式尺寸。硅光芯片，包括用于传送所述光的波导。光纤，用于耦合到所述透镜和所述波导。以及衬底，用于为所述硅光芯片提供支撑。

在一些实施例中，所述透镜是一个球面透镜或者非球面透镜，所述透镜还用于将所述模式从所述第二模式尺寸转换到所述第一模式尺寸。

所述硅光芯片还包括波导端口和V形槽，所述光纤还用于通过所述波导端口和所述V形槽进一步耦合到所述波导。

所述硅光芯片还包括光纤外壳，所述光纤还用于粘接在所述光纤外壳中并且通过对接耦合光学耦合到所述波导。

所述模式转换器、所述硅光芯片和所述衬底组成非气密封装。

在又一项实施例中，本发明包括一种方法，包括：从第一光纤接收包括第一尺寸的模式的光；将所述光从所述第一光纤传递到光学耦合到所述第一光纤的球面透镜。使用所述球面透镜将所述模式从所述第一尺寸转换到第二尺寸。将所述光穿过包封所述球面透镜的晶体管外形(transistor outline，TO)封装。以及将所述光传送到光学耦合到所述球面透镜的第二光纤。

结合附图和权利要求书可以从以下的详细描述中更清楚地理解这些和其它特征。

附图说明

为了更透彻地理解本发明，现参阅结合附图和具体实施方式而描述的以下简要说明，其中的相同参考标号表示相同部分。

图1为采用自由空间光学(free-space optics，FSO)的SIP的示意图。

图2为图1中的SIP中的光纤与波导之间的光耦合的光学图。

图3为采用倒锥形的模式转换器的示意图。

图4为根据本发明一实施例的模式转换器的侧视图。

图5为图4中的模式转换器的透视图。

图6为根据本发明一实施例的图4中的模式转换器的截面侧视图。

图7为根据本发明一实施例的图6中的球面透镜和TO管帽的透视图。

图8为根据本发明一实施例的图6中的插芯夹持件、插芯和小光纤的透视图。

图9为根据本发明一实施例的图6中的模式转换器中的光耦合的光学图。

图10为根据本发明另一实施例的模式转换器的截面侧视图。

图11为根据本发明一实施例的图10中的透镜夹持件和球面透镜的透视图。

图12为根据本发明又一实施例的模式转换器的侧视图。

图13为根据本发明一实施例的图12中的模式转换器的截面侧视图。

图14为根据本发明一实施例的采用V形槽耦合的模式转换器系统的示意图。

图15A为根据本发明一实施例的图14中的光芯片的第一放大视图。

图15B为根据本发明一实施例的图14中的光芯片的第二放大视图。

图16为根据本发明一实施例的一种采用对接耦合的模式转换器系统的示意图。

图17为图示一种制造模式转换器系统的方法的流程图。

图18为根据本发明一实施例的图示一种转换光的模式的方法的流程图。

具体实施方式

首先应理解，尽管下文提供一项或多项实施例的说明性实施方案，但所公开的系统和/或方法可使用任何数目的技术来实施，无论该技术是当前已知还是现有的。本发明决不应限于下文所说明的说明性实施方案、附图和技术，包括本文所说明并描述的示例性设计和实施方案，而是可在所附权利要求书的范围以及其等效物的完整范围内修改。

图1为采用自由空间光学(free-space optics，FSO)的SIP 100的示意图。SIP 100包括芯片110、光纤120、光纤夹持件130、FSO部分140，透镜150和波导160。芯片110提供/支撑光纤夹持件130、透镜150和波导160。光纤夹持件130夹持住光纤120。波导160包括硅。工作时，光在某个点进入波导160，通过波导160进入透镜150，在FSO部分140的第一边缘处离开透镜150，穿过FSO部分140进入空气，穿过FSO部分140转换到更大的模式，并且在FSO部分140的第二边缘处耦合到光纤120。附图示出了以光从波导到光纤的方向为例，但是可以理解，光可以双向传播，意味着既可以沿着所示的方向，也可以沿着相反的方向。

图2为图1中的SIP 100中的光纤120与波导160之间的光耦合的光学图200。图200包括对应于光纤120的光纤段210和光纤端口，对应于透镜150的透镜段220，以及对应于波导160的波导段230和波导端口。可以看出，光纤段210相对于波导段230更长，因为光纤120的模式比波导160的模式大。

返回图1，当光穿过FSO部分140时，光暴露于空气中。这在SIP 100密封时可能不是问题。在本上下文中，密封意味着SIP 100为气密封装的一部分，因此排除了水分等外部元素的通过。然而，当SIP 100不密封时，水分等外部元素可能干扰光穿过FSO部分140。因此，SIP 100可能仅适用于密封应用。

图3为采用倒锥形的模式转换器300的示意图。模式转换器300包括波导310、包层320、掩埋氧化物(buried oxide，BOX)330和衬底340。波导310包括硅(Si)，包层320包括二氧化硅(SiO2)，衬底340包括硅。可以看出，波导310朝向模式转换器300的背面相对较宽，但是朝向模式转换器300的前面以倒锥形方式变窄。工作时，光在某个点进入波导310，在波导310的前面处转换到较大的模式以便匹配光纤的模式尺寸，朝向模式转换器300的前面离开波导310，然后进入光纤。因此，当SIP 100采用FSO进行模式转换时，模式转换器300采用倒锥形进行模式转换。

然而，目前材料和制造技术限制了波导310的倒锥形。例如，波导310的模式在其出口处只能达到4μm。这种尺寸使得光难以耦合到8至10μm的模式光纤。模式转换不足可能导致光损，这会降低光信号检测或需要增加光传输功率。

因此，需要一种模式转换器，该模式转换器包括闭合光路，因此不需要密封。闭合光路或无间隙光路是一种未暴露于外部元素的光路。还需要一种模式转换器，该模式转换器基本上或完全将光的模式从波导转换到光纤或者从光纤转换到波导。

本文公开了具有闭合光路和改进模式转换的模式转换器的实施例。该模式转换器包括成本降低的晶体管外形(transistor outline，TO)封装。TO封装不需要粘合剂，因此可以用于非气密封装。该模式转换器还包括耦合光纤的球面透镜。球面透镜提供有实现非气密封装的闭合光路。另外，球面透镜基本上或完全将光的模式从波导转换到光纤。

图4为根据本发明一实施例的模式转换器400的侧视图。模式转换器400包括光纤插芯410、插芯夹持件420、TO管帽夹持件430、插芯夹持件440、插芯450和小模光纤460。图5为图4中的模式转换器400的透视图。图5示出了模式转换器400中与图4相同的部件。下文参照图6更全面地描述这些组件。

图6为根据本发明一实施例的图4中的模式转换器400的截面侧视图。图6中的截面视图取自沿着图4中的6-6切线。图6示出了与图4和图5相同的部件。另外，图6示出了模式转换器400包括球面透镜610和TO管帽620。

光纤插芯410包括不锈钢的外表和包括插芯630和大模光纤640的内部。光纤插芯410粘接到插芯夹持件420。插芯630包括氧化锆并且封住大模光纤640。大模光纤640的模式的直径约为8至10μm。光纤插芯410容纳外部大模光纤。例如，模式直径约为8至10μm的光纤可以通过ST连接器、FC连接器、LC连接器、SC连接器或其它合适连接器插入到插芯410中。因此，大模光纤640和外部大模光纤具有匹配或基本匹配的多个模式。光可以通过对接耦合从大模光纤640传递到外部大模光纤。外部大模光纤未示出，因为它可能不是模式转换器400的一部分，而是单独的部件。

插芯夹持件420包括不锈钢。插芯夹持件420激光焊接到TO管帽夹持件430。插芯夹持件420为光纤插芯410提供支撑。

TO管帽夹持件430包括不锈钢。TO管帽夹持件430为TO管帽620提供支撑。TO管帽620包括合金，该合金具有与球面透镜610相同或相似的温度膨胀系数。例如，该合金为或不锈钢。TO管帽620粘接到TO管帽夹持件430的合适位置。

球面透镜610为球面或基本上为球面，包括N-BK7玻璃、蓝宝石玻璃或其它合适的玻璃。球面透镜610的直径可以在约1毫米(millimeter，mm)到约2mm之间，折射率在约1.7到1.9之间，有效焦距为约0.3mm至约3mm。可选地，球面透镜610不是球面形的。球面透镜610使用玻璃料粘接到TO管帽620的顶部。玻璃料既适合用于气密封装也适合于非气密封装。球面透镜610提供从小模光纤460到大模光纤640的模式转换，小模光纤460相比于大模光纤640具有相对小的模式尺寸，而大模光纤640相比于小模光纤460具有相对大的模式尺寸并且连接到光纤插芯410。因此，球面透镜610本身可以称为模式转换器。在此情况下，模式转换器400可以称为模式转换器组件或模式转换器封装。

小模光纤460与球面透镜610之间以及球面透镜610与大模透镜640之间具有气隙。然而，模式转换器400封住这些气隙。因此，TO管帽620提供了闭合光路。

图7为根据本发明一实施例的图6中的球面透镜610和TO管帽620的透视图700。图7示出了球面透镜610和TO管帽620与模式转换器400隔离。另外，图7示出了从TO管帽620的外部看，仅有一半或一部分的球面透镜610是可见的，而剩下的一半或剩余部分的球面透镜610封在TO管帽620中。

返回到图6，插芯夹持件440包括或不锈钢。插芯夹持件440激光焊接或电阻焊接到TO管帽夹持件430。插芯夹持件440为插芯450提供支撑。

插芯450包括氧化锆的外表和一个内部，该内部为小模光纤460的一部分。插芯450的两个尖端可以以一定角度抛光，以减少插芯450的表面上的光反射。该角度可以是4度至8度(°)。插芯450粘接到插芯夹持件440中的合适位置上。可选地，插芯450使用机器压接固定在插芯夹持件440中。

小模光纤460包括用于传送光的纤芯和保护纤芯的包层。该纤芯的直径可以为约2至4μm。小模光纤460嵌入在插芯450中。工作时，光穿过小模光纤460，穿过球面透镜610，通过球面透镜610转换到更大模式，经过大模光纤640，并且从模式转换器400离开进入插入光纤插芯410的外部大模光纤中。

图8为根据本发明一实施例的图6中的插芯夹持件440、插芯450和小模光纤460的透视图800。图8示出了插芯夹持件440、插芯450和小模光纤460与模式转换器400隔离。另外，图8示出了虽然插芯450和小模光纤460重叠，但插芯450完全包封小模光纤460。类似地，虽然插芯夹持件440和插芯450重叠，插芯夹持件440完全包封插芯450。

返回到图6，光纤插芯410、插芯夹持件420、TO管帽夹持件430和TO管帽620可以统称为TO封装或TO封装的一部分。可选地，TO管帽夹持件430和TO管帽620可以统称为TO封装或TO封装的一部分。

TO封装为模式转换器400提供基底以在其周围或其内构造。TO封装可以使用不需要复杂工具、不需要复杂设备、提供简易组装并且提供高产量的简化技术进行制造，从而使成本降低。此外，TO封装可以不需要粘合剂，因此特别适合非气密封装。在一些TO封装中，金属针代替小模光纤460，这些金属针传送电信号。然而，如图6所示，存在小模光纤460，其传送光信号，而且没有金属针。

图9为根据本发明一实施例的图6中的模式转换器400中的光耦合的光学图900。图900示出了对应于大模光纤640的大模光纤段910和大模光纤端口，对应于球面透镜610的球面透镜段920，以及对应于小模光纤460的小模光纤段930和小模光纤端口。可以看出，大模光纤段910相对于小模光纤930更长。因此，为了耦合从右到左，即从小模光纤段930到大模光纤段910，传播的光，球面透镜段920在从右到左的方向延伸。

图10为根据本发明另一实施例的模式转换器1000的截面侧视图。模式转换器1000与模式转换器400相似。具体地，模式转换器1000包括光纤插芯1010、插芯夹持件1020、球面透镜1040、插芯夹持件1050、插芯1060、小模光纤1070、插芯1080和大模光纤1090。然而，取代模式转换器400中的TO管帽夹持件430和TO管帽620，模式转换器1000包括透镜夹持件1030。

透镜夹持件1030包括合金，该合金具有与球面透镜1040相同或相似的温度膨胀系数。例如，该合金为或不锈钢。透镜夹持件1030可以使用减少制造成本的技术来制造。球面透镜1040使用玻璃料粘接到透镜夹持件1030的内部。玻璃料既适合用于气密封装也适合于非气密封装。

图11为根据本发明一实施例的图10中的透镜夹持件1030和球面透镜1040的透视图1100。图11示出了透镜夹持件1030和球面透镜1040与模式转换器1000隔离。另外，图11示出了透镜夹持件1030完全包封球面透镜1040。

图12为根据本发明又一实施例的模式转换器1200的侧视图。模式转换器1200与模式转换器400相似。具体地，模式转换器1200包括TO管帽夹持件1230、插芯夹持件1240、插芯1250和小模光纤1260。然而，取代光纤插芯410和插芯夹持件420，模式转换器1200包括光纤尾纤1210和光纤尾纤夹持件1220。

图13为根据本发明一实施例的图12中的模式转换器1200的截面侧视图。图13中的截面视图取自沿着图12中的13-13切线。图13示出了与图12相同的部件。另外，图13示出了模式转换器1200包括球面透镜1310、TO管帽1320、插芯1330和大模光纤1340。

光纤尾纤1210包括不锈钢的外表和包括插芯1330和大模光纤1340的内部。光纤尾纤1210使用激光焊接粘接到光纤尾纤夹持件1220。插芯1330包括氧化锆并且封住大模光纤1340。

光纤尾纤夹持件1220包括不锈钢。光纤尾纤夹持件1220激光焊接到TO管帽夹持件1230。光纤尾纤夹持件1220为光纤尾纤1210提供支撑。

图14为根据本发明一实施例的采用V形槽耦合的模式转换器系统1400的示意图。系统1400包括模式转换器1410、小模光纤1420、光芯片1430和衬底1440。模式转换器1410是模式转换器400、1000和1200之一。小模光纤1420是分别对应于模式转换器400、1000和1200的小模光纤460、1070和1260之一。

光芯片1430包括硅并且包括波导，波导在内部，因此未示出。衬底1440包括硅、陶瓷或其它合适的材料。衬底1440为光芯片1430提供支撑，并且为其它未示出的部件提供支撑。这些部件可以是电气部件等。工作时，光在光芯片1430内的某个点进入波导，耦合到小模光纤1420，穿过模式转换器1410，在模式转换器1410内转换到更大模式，并且从模式转换器1410离开进入插入模式转换器1410的外部大模光纤。

图15A为根据本发明一实施例的图14中的光芯片1430的第一放大视图1500。图15A示出了光芯片1430包括波导端口1510和V形槽1520。图15B为根据本发明一实施例的图14中的光芯片1430的第二放大视图1550。图15B示出了小模光纤1420粘接到V形槽1520，该V形槽1520由小模光纤1420覆盖。显示小模光纤1420包括周线，表示小模式光纤1420的外部缓冲层与包层之间的分界面。

光从波导端口1510耦合到光芯片1430内的波导。将V形槽1520湿蚀刻到光芯片1430内。小模光纤1420滑入V形槽1520内，V形槽1520将小模光纤1420固定到位。小模光纤1420可使用粘合剂粘接到V形槽1520。该粘合剂可以是允许光穿过的光学环氧树脂。小模光纤1420将光从光芯片1430内的波导耦合到模式转换器1410。

图16为根据本发明一实施例的一种采用对接耦合的模式转换器系统1600的示意图。系统1600包括模式转换器1610、小模光纤1620、光纤外壳1630、光芯片1640和衬底1650。模式转换器1610是模式转换器400、1000和1200之一。小模光纤1620是分别对应于模式转换器400、1000和1200的小模光纤460、1070和1260之一。系统1600与系统1400相似，然而，系统1600采用对接耦合而不是采用V形槽1520进行耦合，从而不需要V形槽。

小模光纤1620包括抛光尖端。该抛光尖端使用粘合剂粘接在光纤外壳1630中。抛光尖端也使用粘合剂粘接到光芯片1640的边缘，光芯片1640的波导结束于该边缘处。抛光尖端粘接到光芯片1640的边缘称为对接耦合或边缘耦合。抛光尖端可以以一定角度抛光，以减少光芯片1640的表面上的光反射。该角度可以是4°至8°。光纤外壳1630包括玻璃或硅。

图17为图示一种制造模式转换器系统的方法1700的流程图。模式转换器系统1400是系统1400或1600等。在步骤1710处，提供一个衬底。例如，提供衬底1440或1650。在步骤1720处，提供一个光芯片。例如，提供光芯片1430或1640。在步骤1730处，将光芯片粘接到衬底。在步骤1740处，提供模式转换器。例如，提供模式转换器1410或1610。最后，在步骤1750处，将模式转换器耦合到光芯片。例如，通过如上文图14和图16所述的波导端口和V形槽或者对接耦合将模式转换器耦合到光芯片。

图18为根据本发明一实施例的图示一种转换光的模式的方法1800的流程图。系统1400、1600在传送或接收光时实现方法1800。在步骤1810处，从第一光纤接收光。例如，从小模光纤1420或小模光纤1620接收光。该光包括第一尺寸的模式。在步骤1820处，将光从第一光纤传递到光学耦合到第一光纤的球面透镜。例如，将光从小模光纤1420或1620传递到球面透镜610、1040或1310。在步骤1830中，使用球面透镜将模式从第一尺寸转换到第二尺寸。在步骤1840处，将光穿过包封球面透镜的TO封装。例如，将光穿过模式转换器1410或1610中的TO封装。步骤1840可发生在步骤1830之前、之后或作为步骤1830的一部分。最后，在步骤1850处，将光传送到光学耦合到球面透镜的第二光纤。例如，将光传送到装入模式转换器1410或1610中的外部大模光纤。

除非另有说明，否则使用术语“约”是指以下描述的数字的±10％。虽然本发明多个具体实施例，但应当理解，所公开的系统和方法也可通过其它多种具体形式体现，而不会脱离本发明的精神或范围。本发明的实例应被视为说明性而非限制性的，且本发明并不限于本文中所给出的细节。例如，各种元件或部件可以在另一系统中组合或整合，或者某些特征可以省略或不实施。此外，在不脱离本发明的范围的情况下，各种实施例中描述和说明为离散或单独的技术、系统、子系统和方法可以与其它系统、模块、技术或方法进行组合或集成。展示或论述为彼此耦合或直接耦合或通信的其它项也可以采用电方式、机械方式或其它方式经由某一接口、设备或中间部件间接地耦合或通信。其它变更、替换、更替示例对本领域技术人员而言是显而易见的，均不脱离此处公开的精神和范围。