发射器光学组件用于三维主动对准的激光二极管边缘组件的制作方法

本公开内容总体上涉及在光学通信系统中的光学收发器的组件。更特别地，本公开内容涉及用于封装发射器光学子组件的主动对准方法。

背景技术：

在信息时代，毫无疑问，信息技术通过现代通信系统呈指数级增长。光纤通信在高质量和高速度的电信系统的发展中起着至关重要的作用。现代光学通信网络由发射电路和接收电路构造，负责通过将电信号转换为光学信号和将光学信号转换为电信号来进行光学信号传输。数据中心，作为现代通信网络的枢纽，通过互联网和云计算需求推动了市场增长。随着光学互连速度和密度的不断升级和预期，对具有高计算能力、存储能力和互连能力的数据中心进行系统设计的担忧增加。现在，考虑的重点集中在用于数据中心中100g以太网的并行单模4通道光学收发器(psm4)技术和粗波分复用4波长(cwdm4)技术。

作为多模100g数据中心的补充，psm4技术使用单模mpo光纤传输，通过采用4根光纤的数量来达到2km以上的传输距离。在光纤资源有限的情况下，cwdm4技术还显示出其作为替代性代替品的优势。这两种技术的关键部件是发射器和接收器。通常，发射器光学子组件(简称tosa)是确保了收发器将电信号转录为光信号的集成型发射器封装系统。

为了减少在光学系统中传输光信号期间的功率损耗，tosa组件中每个光学部件的对准精度非常重要。如我们所知，在单模传输中，激光光源具有仅几微米的模大小，而光纤的芯仅具有大致为8μm的直径，因此将光与单模光纤以良好耦合的方式进行对准是主要挑战。现在，主动对准——意味着将功能上的光学系统特性用作闭环控制的反馈——在tosa组件中是很有前途的技术。沿组装子基座的表面进行主动对准相对容易。但如何增加与子基座表面垂直的主动对准方向，即实现三维主动对准，对于批量生产实现仍然是困难的技术。

因此，需要在组装子基座中沿光学具座实现三维主动对准，以在单模传输和多模光学传输中使来自光源的光对准。

技术实现要素：

本公开内容克服了常规光学传输系统的上述问题。本公开内容提供了一种方法和系统，用于封装发射器光学子组件的主动对准方法。

因此，本公开内容的目的是提供一种用于使光源的组件沿光学具座在包括x-、y-和z-方向的三个维度上相对于光学具座主动对准的方法和系统。

本公开内容的目的是提供一种在光学传输中用于使光源的组件在三个维度上主动对准以及使一个或多个光学部件诸如补偿器主动对准的方法和系统。

本公开内容的又一个目的是提供一种边缘组件光源结构，该边缘组件光源结构也在光学具座和光源组件的边缘上使用焊料焊接工艺沿光学具座的边缘主动对准。

本公开内容的再一个目的是提供一种用于单通道psm4和多通道cwdm的主动对准方法。

本公开内容的实施方式提供了一种在光学传输中用于封装发射器光学组件的系统，该系统包括：光学具座，在光学具座的顶部表面上设置有用于使多个光学部件对准和固定的多个对准标记和槽(slot，狭槽)；光学具座的第一边缘，该光学具座的第一边缘至少部分地涂覆有粘附材料；以及光源组件，该光源组件安装有光源，并且具有相对的第二边缘，该第二边缘至少部分地涂覆有涂层金属，其中，光源组件在光学路径中沿三个维度主动对准，该光源组件的主动对准包括：(a)通过下述方式使光源组件沿光学路径在x方向和z方向上主动对准：该方式为使光源在x方向和z方向上移动，以与关于设置在光学具座上的多个对准标记被动对准的多个光学部件对准；以及(b)将光源组件沿步骤(a)的主动对准的位置、从光源组件的相对的第二边缘朝向光学具座的第一边缘推动，以利用粘附工艺在光学具座与光源组件之间、分别跨光学具座的第一边缘和光源组件的相对的第二边缘形成粘附接触。

本公开内容的另一实施方式提供了一种用于封装发射器光学子组件以实现主动对准的方法，所述方法包括：使多个光学部件关于设置在光学具座的顶部表面上的多个对准标记和槽对准，光学部件的对准包括使光学部件沿光学路径被动对准；用粘附材料至少部分地涂覆光学具座的第一边缘；用涂层金属至少部分地涂覆安装有激光二极管的光源组件的相对的第二边缘；通过下述使光源组件沿光学路径在x方向和z方向上主动对准：该方式为使激光二极管在x方向和z方向上移动，以与关于设置在光学具座上的多个对准标记被动对准的多个光学部件对准；以及将光源组件沿光源组件的主动对准的位置、从光源组件的相对的第二边缘朝向光学具座的第一边缘推动，以利用粘附工艺在光学具座与光源组件之间、分别跨光学具座的第一边缘和光源组件的相对的第二边缘形成粘附接触。

通过以下对本公开内容的示例性实施方式的更具体的描述，本公开内容的前述和其他目的、特征和优点将变得明显。

附图说明

图1a和图1b示出了根据本公开内容的实施方式的示例性环境，该示例性环境分别示出了发射器光学子组件的立体图和侧视图；

图2a和图2b示出了根据本公开内容的实施方式的示例性环境，该示例性环境分别用光学具座的立体图和侧视图示出了光学具座；

图3a和图3b示出了根据本公开内容的实施方式的示例性环境，该示例性环境示出了光学具座具有图案化焊料的边缘；

图4a、图4b和图4c示出了根据本公开内容的实施方式的示例性环境，该示例性环境示出了光源组件的立体图、光源组件的光源子基座的俯视图和侧视图；

图5a和图5b示出了根据本公开内容的实施方式的示例性环境，该示例性环境包括可以在三维主动对准中使用的光源组件的实施方式；

图6a和图6b示出了根据本公开内容的实施方式的示例性环境，该示例性环境包括可以在三维主动对准中使用的光源组件的实施方式的激光二极管芯片；

图7示出了根据本公开内容的实施方式的示例性环境，该示例性环境示出了用于容纳光源组件的芯片倒装的激光二极管芯片的子基座；

图8a和图8b示出了根据本公开内容的实施方式的示例性环境，该示例性环境示出了通过使用具有热块的芯片倒装的激光二极管芯片的光源组件；

图9示出了根据本公开内容的实施方式的包括tosa的分解立体图的示例性环境，该示例性环境可以用作将光源组件组装到光学具座的过程图示；

图10示出了根据本公开内容的实施方式的示例性环境，该示例性环境示出了cwdmtosa的组件的立体图；

图11示出了根据本公开内容实施方式的用于cwdm的光学具座的立体图；

图12示出了根据本公开内容的实施方式的可以用于示出组装过程的经部分地组装的cwdmtosa；以及

图13示出了根据本公开内容的实施方式的流程图，该流程图示出了用于沿光学具座的边缘使光源组件主动对准的方法。

具体实施方式

该专利描述了专门满足法定要求的专利主题。但是，说明书本身并不旨在限制本专利的范围。本文描述的原理可以以许多不同的形式实施。

现在将在下文中参照附图更充分地描述本公开内容的说明性实施方式，在附图中示出了本公开内容的一些但不是全部实施方式。实际上，本公开内容可以以许多不同的形式来实施，并且不应被解释为受限于本文阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本公开内容满足适用的法律要求。贯穿全文，相同的附图标记表示相同的元件。

本公开内容提供了用于光学收发器的主动对准的方法和系统，以及用于发射器光学子组件的封装的主动对准方法。该方法包括使光学系统中的光源组件沿光学具座在三维方向上主动对准。该方法可选地还包括使一个或多个光学部件诸如补偿器在光学具座的表面上主动对准。在本方法中，通过沿光学具座的甚至在平面的竖向方向以及纵向方向和横切方向都可以被对准的边缘来附接光源组件，使光源组件与光学具座三维地主动对准。光源组件可以在相对于光学具座主动对准之后使用粘附工艺诸如焊料焊接工艺附接至光学具座的边缘处。粘附工艺中使用的材料包括但不限于钛(ti)、钨钛(tiw)、铬(cr)、金(au)等。为了提高焊料对光学具座的边缘的粘附，多个金属层ti/au首先沉积，tiw/au和cr/au可以是替代的层组合。金层用于焊接工艺期间进行焊料润湿。本主动对准方法可以被实现为单通道tosa组件和多通道tosa组件两者。

图1a和图1b示出了根据本公开内容的实施方式的示例性环境，该示例性环境分别示出了发射器光学子组件的立体图和侧视图。图1a示出了单通道tosa100，该单通道tosa包括光学具座102和光源组件104，光学具座为用于所有组装的光学部件的平台。在优选的实施方式中，硅是用于具座的优选材料。在光学具座102的表面上，放置有多个必要的光学部件，诸如包括但不限于准直透镜106、隔离器108和其他光学部件(108a)。光源110可以是激光二极管110。来自光源组件104的光被光学具座102上的光学部件引导和聚焦，以便精确地进入光纤。在实施方式中，光学部件可以是具有不同的光学路径操纵的组，诸如，具有隔离器108的准直透镜组，或仅聚焦透镜。光源组件104在光学具座102的边缘112上附接至光学具座102。如图1b所示，在光学具座102的侧视图114中，光源组件104被组装在光学具座102的边缘112上，这允许实现三维对准，并且在说明书中进一步解释。来自光源110的光沿着光学路径118通过若干光学部件进入光纤116。

图2a和图2b示出了根据本公开内容的实施方式的示例性环境，该示例性环境分别用光学具座的立体图和侧视图示出了该光学具座。在图2a中，光学具座102的立体图200示出了光学具座102的顶部表面上的多个对准标记202和用于粘附材料的粘附槽204。对准标记202用于使光学部件在光学具座102的顶部表面上被动对准。使用粘附材料例如环氧树脂将光学部件诸如隔离器、准直仪等固定在光学具座102上。可以将这种粘附材料沉积在槽204中，以将光学部件紧固在光学具座102的表面上。这些槽204用于容纳粘附材料诸如环氧树脂，以将光学部件固定在光学具座102的表面上，而不会由于粘附材料的厚度而影响光学部件的竖向组装位置。这些槽204在描述中可以还被称为环氧树脂槽204，但是不将用以将光学部件固定至光学具座102的粘附材料限制为环氧树脂。

此外，为了使光源组件在三个维度上主动对准，将光源组件附接至光学具座102的边缘112上。如图2b中的侧视图206所示，根据实施方式，在光学具座102的边缘112上，为了附接光源组件，首先在边缘112的整个表面上沉积多个粘附材料层。在图2b中还示出了光学具座的边缘112的放大视图a。为了提高焊料材料对光学具座102的边缘112的粘附，首先沉积多个粘附金属层。粘附金属层可以是金属，包括但不限于ti/au、tiw/au和cr/au。此外，金层用于在焊接工艺期间进行焊料润湿。

在优选实施方式中，由于硅的稳定性和用于制造所有对准标记202和环氧树脂槽204的批量制造工艺，因此光学具座的材料为硅。

图3a示出了根据本公开内容的实施方式的示例性环境，该示例性环境示出了光学具座的具有图案化焊料的边缘。在图3a和图3b中，光学具座102的边缘112还可以设置有图案化的焊料300，以使光源组件与光学具座附接。图案化的焊料300不同于在图2b中的边缘上沉积整个焊料层。

为了在光学具座102的边缘112上提供图案化的焊料，边缘表面112具有用于容纳焊料材料的凹部302，如图3b所示。在实施方式中，光学具座102内部的凹部302的深度可以优选为2μm。因此，仅在凹部区域302内部沉积并图案化具有适当厚度诸如2μm的厚度的焊料(soldering：焊接)材料300。因此，焊料材料300被嵌入到凹部302中而不会从边缘表面112挤出。本领域技术人员可以理解，在不脱离本公开内容的含义和范围的情况下，焊料可以以任何所需的数量来图案化，并且不限于如图3a所示的仅2个图案。在焊接工艺期间，凹部302防止焊料覆盖在边缘112的表面上，因此焊料仅在边缘112中熔化，并在光学具座102的边缘112处，在光学具座102与光源组件104之间形成粘附接合。将光源组件104与光学具座102附接的这种方式可以控制光学具座102与光源组件104之间的距离，并且不受焊料厚度的影响。

图4a、图4b和图4c示出了根据本公开内容的实施方式的示例性环境，该示例性环境示出了光源组件的立体图、光源组件的光源子基座的俯视图和侧视图。光源子基座优选地由硅制成。本领域技术人员可以理解，在不脱离本公开内容的含义和范围的情况下，光源子基座可以由硅以外的其他可能的材料制成。立体图400示出了光源子基座402，其中，光源110利用引线键合404与子基座402连接。参照图4b，顶部表面406设置有用于光源子基座402的多个对准标记408。顶部表面406还示出用于管芯附接和引线键合404的金属焊盘410。通过在子基座402上的金属图案/迹线的不同配置，可以通过dml和eml两者来构造光源(激光二极管)组件104。

参照图4c，如侧视图412所示，光源子基座402的用于光发出的边缘414涂覆有涂层金属。涂层可以是涂覆的单个金属层或多个金属层。涂层金属可以包括但不限于钛、钛钨、铬、金等。钛、钛钨或铬被用作粘附层，并且金被用作用于光源子基座402与光学具座102之间的焊料接合的润湿表面。这些多个涂层金属层首先被涂覆在光源子基座402的边缘414上。然后，光源，优选为激光二极管，通过管芯附接置于光源子基座402的顶部表面406上，并通过引线键合404连接到金属焊盘。因此，光源组件104准备就绪。

图5a和图5b示出了根据本公开内容的实施方式的示例性环境，该示例性环境包括可以在三维主动对准中使用的光源组件的实施方式。图5a示出光源组件500，该光源组件包括具有光源504诸如激光二极管芯片504的子基座502。从芯片504上的激光二极管射出的光通过波导，该波导布置在子基座502的表面附近的凹部506中(如图5b所示，该图是沿光源组件500的截面d-d截取的截面图)。为了在操作期间增加针对激光二极管芯片504的散热，如图5a所示，可以通过在对应金属焊盘之间使用共晶键合将激光二极管芯片504以芯片倒装的方式安装在子基座502上。来自激光二极管芯片的表面上的波导的热量可以通过具有高导热率的短路径传递到子基座502。

图6a和图6b示出了根据本公开内容的实施方式的示例性环境，该示例性环境包括光源组件的一实施方式的可以以芯片倒装的方式组装在光源组件的子基座上的激光二极管芯片。如图6a和图6b所示，激光二极管芯片600包括基板602。激光二极管配置为用于激光射出的波导604，在波导604的两侧处的金属焊盘606以及在与光射出波导604相反的侧上的片材金属层608。

图7示出了根据本公开内容的实施方式的示例性环境，该示例性环境示出了包括用于容纳光源组件的芯片倒装的激光二极管芯片600的子基座的光源组件的实施方式。光源组件700包括子基座702。子基座702在波导的对应位置具有凹部704，以为波导提供足够的空间来防止其在组装过程中受到损坏或污染。芯片倒装的激光二极管芯片600通过在对应金属焊盘706之间使用共晶键合而安装在子基座702上。

图8a和图8b示出了根据本公开内容实施方式的示例性环境，该示例性环境示出了具有热块的芯片倒装的激光二极管芯片。参照图8a和图8b，光源组件800包括具有芯片倒装的激光二极管芯片804的子基座802，该芯片倒装的激光二极管芯片设置有热块806，该热块利用通过芯片倒装的激光二极管芯片上的片材金属进行良好的热接合来共晶键合在激光二极管芯片804的顶部上。热块806增加热电容并增强从激光二极管芯片804的散热。图8b示出了沿光源组件800的截面d-d的截面图。

图9示出了根据本公开内容实施方式的包括tosa的分解立体图的示例性环境，该示例性环境可以用作将光源组件组装到光学具座的过程的图示。分解图900示出了准直透镜106和其他光学部件(108等)在光学具座102表面上与对准标记202被动对准。这确保了透镜106被定位在朝向光学具座102的边缘112的适当位置。此外，其他光学部件(108等)与准直透镜106和光学路径118一起相互对准。光源组件104朝向准直透镜106主动对准，以确保来自光源的光沿着光学路径118前进。通过检测穿过光学路径118的光强度先使光源组件104在x方向和z方向上对准，然后沿着主动对准的位置和具有光学路径的平面将光源组件推向光学具座102的边缘112，以通过焊料接合形成接触。实施激光焊接以使具座102的边缘112上的焊料局部熔融。熔融的焊料在光学具座102和光源子基座402的两个边缘(112和414)上被金润湿，使得形成接合。

此方法还可以用于组装具有多个通道的cwdmtosa。

图10示出了根据本公开内容实施方式的示出cwdmtosa的组件的立体图的示例性环境。立体图1000示出了cwdm，该cwdm将四个波长信号组合为一个，以沿光纤线缆进行传输。在光学具座1002上，紧固了光学部件，诸如准直透镜或透镜阵列1004，以使四个波长光束准直并将它们引导到也在具座1002的表面上的多路复用器(mux)1006中。一组补偿器1008插入光学路径中，该组补偿器处于准直仪1004与mux1006之间的位置。补偿器1008是具有长焦距透镜，该补偿器可以将被准直的光束调节成在不改变被准直的光束的准直特性的情况下在一定范围内远离其原始位置。mux1006通过多次反射和滤波将具有不同波长的光束组合成一个光束。从mux1006出来后，承载四个波长的单个光束借助于具座1002上的其他光学部件(隔离器1010、透镜等)进入光纤。

在该cwdmtosa中，如以上在图1a至图9中所述，通过相同的三维主动对准方法，将四个光源组件1012组装到光学具座1002的边缘1014。之后，调节补偿器1008以进一步修改光束，以确保它们以良好的光学对准进入mux1006。

图11示出了根据本公开内容实施方式的用于cwdm的光学具座的立体图。与图10所示的单通道具座相同，在具座的顶部表面上也存在对准标记、环氧树脂槽以及在具座的边缘上具有粘附层的焊料，如在立体图1100中所示。在具座1002的边缘1014上存在另外的分离槽1102。这些槽1102从顶部表面到底表面穿过具座1002，以将连续边缘1014分成用于不同光源组件1012的不同岛1104。利用这些分离槽，被施加来熔融焊料的热能可以在每个岛1104处被独占(occupy，占用)，并防止该热能快速消散，使得可以进行焊料焊接工艺。

图12示出了根据本公开内容的实施方式的可以用于示出组装过程的被部分地组装的cwdmtosa。首先通过基于对准标记的被动对准将准直透镜或透镜阵列1004置于具座1002的表面上，以确保其在对应光学路径上的位置以及到边缘1014的距离。mux1006还与隔离器1010和透镜1004一起在具座1002上被动对准，以将组合的光束引导至光纤。在这个阶段，补偿器1008置于临时位置上。

在图12中，两个光源组件1200和1202已经被组装到光学具座1002的它们对应的岛1104中的边缘1014上。图12示出了第三光源组件1204的对准。光源组件1204可以在x方向和z方向上移动以便与其自身的光学路径对准，然后朝向具座1002的边缘1014移动以形成接触。实施激光焊接以熔融具座1002的边缘1014上的焊料。分离槽1102可以防止热量散发到其他岛上，使得热量可以集中在期望的位置以熔融岛上的焊料。将熔融的焊料在光学具座和光源子基座的两个边缘上凭借金来进行润湿，使得形成接合。

如上所述，最后一步是调节补偿器1008。补偿器1008也主动对准，直到实现最佳的光强度。然后，补偿器1008通过环氧树脂固定在具座1002上，补偿器1008的z方向通过环氧树脂的厚度来调节。

图13示出了根据本公开内容的实施方式的流程图，该流程图示出了用于使光源组件沿光学具座的边缘主动对准的方法。结合图1a至图12来阅读和理解方法1300的步骤。方法1300包括步骤1302，在该步骤中，对光学具座102的边缘112涂覆粘附材料层。粘附材料可以是焊料材料。此外，粘附材料可以在光学具座102的边缘的一部分上或在光学具座的边缘的整个表面上沉积或层叠。在实施方式中，在光学具座的边缘上形成图案化的焊料。为了提高焊料材料对光学具座102的边缘112的粘附，首先沉积多个粘附金属层。粘附金属层可以是金属，包括但不限于ti/au、tiw/au和cr/au。此外，金层用于在焊接工艺期间进行焊料润湿。

在下一步骤1304中，对光源组件的光源子基座的边缘涂覆涂层金属，通常涂覆多个金属层。涂层金属可以包括但不限于ti/au、tiw/au、cr/au等。钛用作粘附层，并且金用作用于光源子基座402与光学具座102之间的焊料接合的润湿表面。这些多个涂层金属层首先被涂覆在光源子基座402的边缘414上。此外，在步骤1306中，具有光源子基座402的光源组件104跨光学具座102的边缘沿着光学路径118在三个维度上主动对准。在实施方式中，准直透镜106和其他光学部件(108等)首先与光学具座102的表面上的对准标记202被动对准，以确保部件在光学路径118中的适当定位，然后光源子基座402在三个维度上主动对准。为了使光源子基座402主动对准，首先将其朝向准直透镜106对准，以确保来自光源的光沿着光学路径118前进。通过检测穿过光学路径118的光强度，使光源组件102在x方向和z方向上对准。此后，在步骤1308，将光源子基座402在步骤1308中沿主动对准的位置和具有光学路径的平面推向光学具座102的边缘112，以通过焊料接合形成接触。在步骤1308中，实施激光焊接以使具座102的边缘112上的焊料局部熔融。熔融的焊料在光学具座102和光源子基座402的两个边缘(112和414)上被金浸湿，使得形成接合。

有利地，本公开内容提供了tosa结构，该结构示出了可以三维对准到光学路径中的关键部件，即激光二极管光源。与光源附接在子基座的表面上并且仅在平面中在纵向方向和横切方向上沿光学路径对准的传统子组件方法不同，本结构示出了位于激光二极管子基座上的激光二极管源甚至在平面的竖向方向上也可以对准，其中子基座附接在光学具座的边缘上。对准方法可以同时被实施于单通道和多通道tosa组件两者。