专利名称：集成的光收发信机及其相关方法
背景技术：
以前将收发信机集成在芯片上的时候采用的是单片集成方法，其中的有源元件都是在基片上形成的，因此它们都是用同一种材料做成的。在这种情况下，检测器阵列和光源阵列不可能同时达到最佳性能。
另外一些尝试将有源元件，例如光源和检测器，制作在不同的基片上。但是这样一来增加了系统的复杂程度，因为元件数量增加了，对准的难度也增大了。
为了这些目的和其它目的，本发明提供一种光收发信机，它包括在一个基片上第一个表面上的至少一个光源，在该基片第一个表面上的至少一个检测器，这至少一个光源和至少一个检测器中的至少一个安装在这个基片上，这至少一个检测器用来接收来自至少一个光源以外的光，该光学组件上面有光学元件。这至少一个光源和至少一个检测器都有光学元件。该光学组件附着在这个基片上。
所述至少一个光源和至少一个检测器可以采用不同的材料。该至少一个光源和至少一个检测器中的一个可以是在基片上单片集成的。可以在这个基片和这个光学组件之间放一个垫片。这个垫片可以完全包围这个光学组件的四周。该垫片包括这个光学组件四周的多个分开的垫片。这至少一个光源和这至少一个检测器的光学元件具有相同的设计。可以在形成至少一个检测器的光学元件的相对一面上形成至少一个光源的光学元件。该至少一个光源可以是一个垂直空腔表面发射激光器。可以在至少一个光源和至少一个检测器的基片的第一个表面上提供互连装置。这些互连装置可以在至少一个光源和这至少一个检测器的基片的第一个表面的同一侧上，也可以在它的相对一侧上。
所述至少一个光源可以是一个光源阵列，所述至少一个检测器可以是一个检测器阵列。光源阵列和检测器阵列可以平行，也可以形成一条直线。
以上目的和其它目的可以用一种方法来实现，这种方法用于形成一个光收发信机，该方法包括在第一个晶片的第一个表面上提供多个检测器，在第一个晶片的第一个表面上提供多个光源，将多个检测器和这多个光源中的至少一个安装在第一个晶片上，并为第一个晶片的第一个表面上的多个光源中的每一个和多个检测器中的每一个提供电互连，提供一个光学组件，对于多个检测器中的每一个和多个光源中的每一个，这个光学组件具有至少一个光学元件，在这个光学组件和第一个晶片之间提供一个垂直垫片，将这个光学垫片、这个光学组件和这第一个晶片互相附着起来，将第一个晶片分开成多个收发信机，每个收发信机都有至少一个光源和至少一个检测器。
该光学组件的提供包括在第二个基片上为多个检测器中的每一个和多个光源中的每一个形成至少一个光学元件，在分开之前将第二个基片与第一个基片附着起来，通过这一连接就能够进行电互连。垂直垫片的提供可以包括在一个垫片晶片上为每一个收发信机形成垂直垫片，在分开之前将这个垫片晶片与第一个基片连接，这样分隔开就能够进行电互连。光学组件的提供可以包括在第二个基片上为多个检测器中的每一个和多个光源中的每一个形成至少一个光学元件，在分隔开之前将第二个基片与垫片晶片和第一个基片连接起来，这样分隔开就能够进行电互连。这一连接可以包括将第二个基片直接与垫片晶片连接。提供多个光源和多个检测器中的一个可以包括以单片集成方式集成到第一个基片上去。为多个检测器中的每一个和多个光源中的每一个提供电互连可以包括为检测器和光源的互连都采用同一个掩膜。
通过阅读以下详细说明，会更加了解本发明的这些目的和其它目的。但是应该明白，说明本发明的优选实施例的这些详细说明和具体实例仅仅是对本发明进行说明，因为本领域中的技术人员可以从这些详细描述得到属于本发明的精神和范围之内的各种改变和改进。
发明详述在以下描述中，为了进行说明而不是进行限制，给出了具体细节，以便完整地理解本发明。但是，对于本领域中的技术人员而言，本发明显然能够用不同于这些具体细节的其它实施例来实现。在其它情形中，省去了已知的装置和方法的详细描述，以免混淆。
不利用单片集成技术，仍然可以通过在一个基片的同一个表面上提供光源阵列和检测器阵列，为集成在其中的光源阵列和检测器阵列提供具有光学元件的一个光学组件，来获得集成技术的许多优点。
2000年10月18日提交，序列号是09/690763，标题是“包括并行阵列、功率监视和/或差分模式延时补偿的光纤接口”未决的相关美国临时专利申请，描述了同一个基片上的一个激光器阵列和一个检测器阵列。在这个先前的申请中，检测器阵列被用于监视激光器的功率，一部分输出激光束被导向检测器。按照本发明的公开，一个光源阵列和一个检测器阵列集成在同一个基片上，但是，如同本申请的
图1和图2所示，这些检测器用于从远处的一个位置接收信号，而不是用于监视这个光源阵列。当然，也可以提供监视检测器的另一个阵列来监视光源的输出。
在图1中，光收发信机100包括一个光源阵列102，在这里将它画成一个垂直空腔侧边发射激光器(VCSELr)阵列，还包括检测器阵列104，它集成在一个硅晶片106上。硅互连线108为有源元件102，106提供电力，焊点110使得检测器信号能够被读出。
光学组件120包括两组集成光学元件，一组122用于光源阵列102，一组124用于检测器阵列104。光源的集成光学元件122从光源阵列102接收光，将这些光导向需要的地方。检测器的集成光学元件124从需要的地方接收光，并将光导向检测器阵列104。这些光学元件可以是衍射光学元件、折射光学元件，也可以是它们的组合，可以用光刻技术在这个光学组件120上形成。
这个光源阵列和检测器阵列的集成光学元件122、124可以包括在光学组件120的一个表面或者两个表面上形成的光学元件。由于光源阵列和检测器阵列的光学元件都是同时对齐的，因此减少了产生收发信机所需要的组装和对准步骤。除此以外，集成起来以后这个收发信机更小，部件更少。根据基片采用的材料，可以将检测器阵列或者是光源阵列以单片集成方式集成在其中。
收发信机100在有源元件和光学组件120之间还有一个垫片130。这个垫片可以是包围光学组件的四周的一个集成垫片，如图1所示。这个垫片可以是一个分开的元件，在光学组件内形成，或者在基片内形成。
在图2中画出了收发信机200粘合好以后的结构。不是在光学组件120的四周围绕着一个垫片130，而是在光学组件的四个角落放置了分开的垫片元件230。还有，光源202的光学元件222在光学组件220上不同于检测器204的光学元件224所在表面的另一个表面上。光源和检测器的这些光学元件可能具有相同的结构。光源202和检测器204又一次在同一个基片206上，它们中间的一个可以以单片集成方式集成在其中。用于为有源元件提供电力和从有源元件接收信号的硅线208和焊点208也在这个基片上。
图3是本发明另一个实施例的收发信机300的一个俯视图。在图3中，不是让有源元件102、104排列成平行阵列，而是让这些有源元件排成一个直线阵列。在图3所示的实例中，四个光源102和四个检测器104排成一条直线。它们之间的空间能够减小有源元件之间的串扰。对应的光学元件122、124也在一条直线上。采用这种结构就能够用标准的1×12光纤阵列与这个收发信机连接。采用这种结构还能够让需要的所有互连都在基片106的同一侧，从而让光学组件120和基片106共用一个边缘，这样做能够方便晶片一级的制造工艺。
同样是在图3中，除了包围光学组件120的四周以外，垫片130在两种电光元件102、104之间还有一个隔离部分132。这个隔离部分132可以镀上一层金属，以便进一步减少这些电光元件之间的串扰。这些电光元件越近，隔离就越重要。也可以在其它任何一个结构中提供隔离部分132。
在以上结构的任意一种结构中，这些元件可以采用晶片-晶片粘合技术连接起来，如同共同转让的第6096155号和第6104690号美国专利所说明的一样，在这里将它们全部引入作为参考。采用以上结构就能够同时对准发射机部分和接收机部分的光学元件。在这里采用的术语晶片指的是具有要分开才最后使用的一个以上的元件的任何一般结构。
如图4所示的是分开之前将所有三个基片粘合在一起的晶片的一个特定实例。通过例如按照图示方式在硅上面进行腐蚀，为每个收发信机在光学元件122、124之间以及在垫片130之间为每个收发信机形成垫片340，每一个收发信机都可以通过在适当的点将有光源102和检测器304的基片106分开来实现。如图4所示，以单片集成方式将检测器304集成到基片106中去。在基片上形成的具有更高产量的有源元件最好是以单片集成方式集成的元件，因为以单片集成方式集成的元件不可能被替换掉。此外，在这个基片上以单片方式集成的元件和其它有源元件的电连接所需要的金属化与形成单片集成元件一样都是用同一个掩膜做成的。这样就能够保证精确对准，因为要安装的有源元件可以利用它的金属化来对准，例如利用焊料自对准。然后可以在安装之前对将要安装在基片上的有源元件进行测试。安装好以后，可以在粘合晶片之前对它们进行再一次测试，如果需要就进行更换。
在这里所用的粘合可以是任何一种类型的附着，包括利用粘合材料、表面张力或者直接在同一个基片上形成。同样在这里分开可以包括制作单个元件所采用的所有手段，例如切割开。除此以外，制作具有电光元件的模块的时候分开晶片的实例还可以在与本申请同时提交的，案号为DOC.072P，标题是“电光集成模块的分开方法以及用这种方法形成的结构”的共同转让的共同未决申请中找到，在这里将它的内容全部引入作为参考。
有源元件输入口和输出口的对准特别重要，特别是光纤的输入口和输出口更是如此。图5给出了确保收发信机和光纤之间能够正确对准的一种结构。如图5所示，将多根光纤410插入一个套内412。本发明中的要与光纤410进行通信的有源元件，在这里是图3所示的直线结构，最好是做在一个硅台上或安装台416上，对应于图3所示的公共基片106。在这个时候，这个硅台416最好是在基片418上。光学组件420在安装台416的每个光电装置和对应的光纤410之间至少提供一个光学元件。最好用一个垫片415将光学组件420与光电器件隔开。这些光学元件最好包括将光对准、聚焦、均匀化或其他连接光的元件。由于光学组件有两个表面，所以在它上面可以有两个光学元件。除此以外，如果需要还可以在光学组件420上粘合更多的光学组件，并且与光学组件420隔开，以获得更多的表面，就象针对前面的收发信机结构中的任何一个所做的那样。
机械接口422将已经与电光装置对准的光学组件420与光纤410对准。这可以通过在机械接口422和安装光纤410的套412上提供对准装置来实现。在图示实例中，这些对准装置包括套412上的孔，为了将套与其它装置对准，已经有了这些孔，还包括机械接口422上的对准孔426。一旦这些对准孔424、426被对准，就可以将图中没有画出的一根对准针插入其中，保持对准的位置。这些接口的其它细节可以在例如共同转让的共同未决美国专利申请09/418022“光学组件”中找到，在这里将它全部引入作为参考。
虽然描述本发明的时候参考了特定应用的说明性实施例，但是应该明白本分明并不限于这些实施例。本领域中的技术人员能够根据这里教导的技术找到其它的改进、应用和实施例，还能够找到可以利用本发明的其它领域，但它们属于本发明的范围。因此，本发明的范围应该由后面的权利要求和它们的法律效率给出，而不是由已经给出的实例给出。
权利要求
1.一种光收发信机，包括在一个基片的第一个表面上的至少一个光源；在所述基片的第一个表面上的至少一个检测器，所述至少一个光源和至少一个检测器中的至少一个安装在所述基片上，所述至少一个检测器用来从这至少一个光源以外接收光；和在其上具有光学元件的一个光学组件，所述至少一个光源和至少一个检测器都有所述光学元件，该光学组件附着在所述基片上。
2.如权利要求1所述的光收发信机，其中至少一个光源和至少一个检测器是用不同材料制作的。
3.如权利要求1所述的光收发信机，其中至少一个光源和至少一个检测器中的一个是以单片集成方式集成在基片上的。
4.如权利要求1所述的光收发信机，其中的至少一个光源是一个光源阵列，至少一个检测器是一个检测器阵列。
5.如权利要求1所述的光收发信机，还包括基片和光学组件之间的一个垫片。
6.权利要求5的光收发信机，其中所述的垫片完全包围光学组件的四周。
7.如权利要求5所述的光收发信机，其中所述的垫片包括在光学组件四周互相分开的多个垫片。
8.如权利要求1所述的光收发信机，其中用于至少一个光源和至少一个检测器的光学元件具有相同的设计。
9.如权利要求1所述的光收发信机，其中用于至少一个光源的光学元件是在光学组件上形成所述至少一个检测器的光学元件的一个相对面上形成的。
10.如权利要求1所述的光收发信机，其中所述的至少一个光源是一个垂直空腔表面发射激光器。
11.如权利要求1所述的光收发信机，还包括在基片第一表面上的至少一个光源和至少一个检测器的互连装置。
12.如权利要求11所述的光收发信机，其中所述的互连装置在所述至少一个光源和至少一个检测器的基底的第一表面的同一侧上。
13.如权利要求11所述的光收发信机，其中所述互连装置在所述至少一个光源和至少如一个检测器的基片的第一表面的相对侧面上。
14.如权利要求4所述的光收发信机，其中所述的光源阵列和检测器阵列是平行的。
15.如权利要求4所述的光收发信机，其中所述的光源阵列和检测器阵列形成一条直线。
16.一种形成光收发信机的方法，包括在第一个晶片的第一表面上形成多个检测器；在第一个晶片的第一表面上提供多个光源，多个检测器和多个光源中的至少一个安装在第一个晶片上；在第一个晶片的第一个表面上为多个检测器中的每一个和多个光源的每一个提供电互连；给多个检测器中的每一个和多个光源中的每一个提供具有至少一个光学元件的一个光学组件；在光学组件和第一个晶片之间提供一个垂直垫片；将垂直垫片、光学组件和第一个晶片互相附着在一起；和将第一个晶片分成多个收发信机，每个收发信机具有至少一个光源和至少一个检测器。
17.如权利要求16所述的方法，其中所述光学组件的提供包括在第二个晶片上为多个检测器中的每一个和多个光源中的每一个形成至少一个光学元件，在进行所述分开步骤之前将第二个晶片附着在第一个晶片上，进行所述分开以后就能够进行所述电互连。
18.如权利要求16所述的方法，其中所述垂直垫片的提供包括在一个垫片晶片上为每个收发信机形成垂直垫片，并在进行所述分开步骤之前将所述垫片晶片附着在第一个晶片上，进行了这一分开步骤以后就能够进行所述电互连。
19.如权利要求18所述的方法，其中所述光学组件的提供包括在第二个晶片上为多个检测器中的每一个和多个光源中的每一个形成至少一个光学元件，在进行所述分开步骤之前将第二个晶片附着在垫片晶片和第一个晶片上，分开了以后就能够进行所述电互连。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述附着包括将第二个晶片直接附着在垫片晶片上。
21.如权利要求16所述的方法，其中所述多个光源和所述多个检测器中一个的提供包括以单片集成方式集成在第一个晶片上。
22.如权利要求16所述的方法，其中为多个检测器中的每一个和多个光源中的每一个提供电互连包括给检测器和光源的互连都采用同一个掩膜。
全文摘要
一种安装在同一个基片的同一表面上包括至少一个光源和至少一个检测器的光收发信机。这个光源和检测器中的至少一个安装在这个表面上。每个光源和检测器都有光学元件的一个光学组件通过一个垂直垫片与这个基片附着。光源和检测器的电互连能够够着上面附着了光学组件的基片的同一个表面。光源和检测器中的一个可以以单片集成方式集成在这个基片上。
文档编号H01L31/12GK1419659SQ01806175
公开日2003年5月21日 申请日期2001年3月6日 优先权日2000年3月6日
发明者麦克尔·R·费尔德曼, 小詹姆斯·E·莫里斯 申请人:数字光学公司