用于光子集成电路中的激光器对准技术的制作方法
本专利申请要求于2016年2月19日提交的美国临时专利申请第62/297,735号的优先权，其全部内容通过引用并入本文中。
本公开内容总体上涉及半导体激光器并且，更具体地涉及用于将半导体激光器对准光子集成电路(pic)基板的技术。
背景技术
硅光子芯片需要施加电流和光以便起作用。以与其他类型的硅芯片使用的方式类似的方式提供电流。然而，到目前为止，已经使用各种方法来向pic基板提供光输入以形成pic。用于光学耦合的主要方法是基于有源对准。使用有源对准，可以通过为激光器供电来生成光，通常在下游检测到来自激光器的能量。为了峰值光学耦合，在固定几何形状之前相对于检测器精确地移动激光器、光纤、透镜或其他中间对象。该方法需要在组装过程的早期电接触激光器，这可以使可制造性复杂化。以下是与pic基板的光学耦合的三个示例。
第一示例使用将光线带到pic基板的光纤。该示例使用将光纤与pic基板有源对准，这可以是耗时并且昂贵的并且可以产生易碎的组件。使用光纤还消耗了不仅用于光纤而且用于可以连接至光纤的另一端的封装半导体激光器的大量空间。
第二示例与透镜和其他光学元件使用外部封装的半导体激光器二极管，如美国专利8,168,939中所公开的。虽然该示例与第一示例相比减少了使用的空间量，但是它仍然消耗太多空间，而且增加了与光学元件以及所需的组装和封装关联的成本。该示例通常还需要在对准期间激活激光器。
第三示例直接与硅光子芯片使用切割或蚀刻的端面半导体激光器。该示例使整体尺寸最小化，然而，它需要将半导体激光器与硅光子芯片有源或无源对准，这是耗时的并且增加了成本。
为了解决上述缺点，已经在使用无源对准以降低成本和组装速度上做出了一些努力。在无源对准中，通常用显微镜成像系统观察部件上的光学基准，并且然后简单地配合和固定这些部件而不测量光学耦合性能。无源对准可以是简单并且快速的，但是受到实现需要的精度所需的成本和时间的严重限制。产生的对准精度低于15微米是非常昂贵的。
与光向pic基板的电流传送关联的上述挑战和缺点阻碍了在诸如数据中心连接的应用中以有益的方式使用pic的能力。
技术实现要素：
在一些实施方式中，光子集成电路(pic)包括：半导体激光器，其包括前向引导表面；和pic基板，其包括配合表面，其中，通过将半导体激光器放置在pic基板中并且将前向引导表面与配合表面配合来将半导体激光器对准在pic基板中。引导表面可以具有不同的形状，例如三角形或剪切的三角形。配合表面可以匹配引导表面的形状，或者可以包含来自引导表面的顶尖缺口(relief)。配合表面可以包含弯曲边缘。半导体激光器和pic基板可以包含蚀刻到基板中的标尺以辅助对准。对准可以经由外部推力是主动的，或者经由用焊料或树脂的表面张力是被动的。激光器还可以包含端面，并且pic基板可以包含波导。端面和波导可以成角度以防止背反射到激光器中。可以在竖直维度、水平维度或两者上控制角度。
在一些实施方式中，光子集成电路(pic)可以包括：半导体激光器，其包括激光器配合表面；和基板，其包括基板配合表面，其中，激光器配合表面的形状和基板配合表面的形状被配置成在三个维度上将半导体激光器与基板对准。
在一些实施方式中，激光器配合表面的形状和基板配合表面的形状可以被配置成当向半导体激光器施加外力时将半导体激光器与基板对准。在一些实施方式中，可以在从半导体激光器朝向基板的方向上施加外力。
在一些实施方式中，激光器配合表面的边缘可以被配置成当半导体激光器与基板对准时接触基板配合表面。
在一些实施方式中，基板的后壁可以被配置成当将半导体激光器与基板对准时接触半导体激光器的后部部分并且基板的侧壁被配置成当将半导体激光器与基板对准时接触半导体激光器的侧表面。
在一些实施方式中，半导体激光器的侧表面的一部分可以被配置成当将半导体激光器与基板对准时位于基板的间隙部分上方。
在一些实施方式中，激光器配合表面的形状可以是三角形或梯形。在一些实施方式中，基板配合表面的形状可以是三角形、梯形、正方形或矩形。
在一些实施方式中，激光器配合表面的第一边缘可以接触基板配合表面，并且激光器配合表面的第二边缘可以不接触基板配合表面。
在一些实施方式中，基板配合表面可以包括弯曲边缘。在一些实施方式中，弯曲边缘可以被配置成在将半导体激光器与基板对准期间散布施加到半导体激光器的外力。
在一些实施方式中，基板可以包括波导并且半导体激光器可以包括激光器端面，并且波导可以被配置成接收离开激光器端面的激光束。
在一些实施方式中，激光器端面可以成角度并且波导的引导边缘可以成角度，并且激光器端面的角度和波导的引导边缘的角度可以被配置成减少激光束从波导背反射到激光器端面中。此外，在一些实施方式中，激光器端面和波导的引导边缘可以在相同方向上成角度，并且激光器端面可以在竖直方向或水平方向上成角度。
在一些实施方式中，半导体激光器可以包括被配置成与基板形成电连接的接触表面，并且基板可以包括被配置成容纳半导体激光器的着陆区域。在一些实施方式中，着陆区域可以包括基板配合表面以及被配置成电连接至半导体激光器的接触表面的接触垫。
在一些实施方式中，焊料可以位于接触垫与半导体激光器的接触表面之间。
在一些实施方式中，着陆区域还可以包括位于接触垫上的焊料层和可以被配置成从位于接触垫上的焊料层接收焊料的溢流区域。在一些实施方式中，溢流区域可以被配置成通过从焊料层拉动焊料远离接触垫来接收焊料，并且溢流区域可以相对于接触垫垂直地成角度。
在一些实施方式中，制造光子集成电路(pic)的方法可以包括将半导体激光器布置在基板上，半导体激光器包括激光器配合表面并且基板包括基板配合表面，以及使用激光器配合表面的形状和基板配合表面的形状在三个维度上将半导体激光器与基板对准。
在一些实施方式中，该方法可以包括在从半导体激光器朝向基板的方向上向半导体激光器施加外力，并且使用基板配合表面的弯曲边缘散布外力。
在一些实施方式中，该方法可以包括在将半导体激光器布置在基板上之前将焊料沉积在半导体激光器的接触表面上，其中将半导体激光器布置在基板上可以包括将半导体激光器的接触表面附接至基板的接触垫。在一些实施方式中，焊料可以位于接触表面与接触垫之间。在一些实施方式中，焊料的表面张力可以将激光器配合表面拉动成与基板配合表面附接。
在一些实施方式中，光子集成电路(pic)基板可以包括可以被配置成接触半导体器件配合表面的基板配合表面。在一些实施方式中，基板配合表面的形状可以与半导体器件配合表面的形状对应，并且基板配合表面的形状可以被配置成将半导体器件与pic基板对准。在一些实施方式中，pic基板可以包括凹陷着陆区域，其中凹陷着陆区域可以包括被配置成与半导体器件形成电连接的接触垫。在一些实施方式中，pic基板可以包括被配置成接收由半导体器件产生的光学信号的波导，其中波导包括成角度的前边缘。在一些实施方式中，成角度的前边缘可以在竖直方向或水平方向上成角度。在一些实施方式中，基板配合表面的形状可以是三角形、梯形、正方形或矩形。在一些实施方式中，基板配合表面的形状可以被配置成接触半导体器件的第一边缘并且保持基板配合表面与半导体器件的第二边缘之间的空间。在一些实施方式中，基板配合表面可以包括被配置成散布指向基板配合表面的外力的弯曲边缘。
在一些实施方式中，半导体激光器可以包括有源区，其夹在上部包层与下部包层之间。在一些实施方式中，半导体激光器可以包括通过蚀刻形成的激光器配合表面，其可以被配置成在三个维度上将半导体激光器与基板配合表面对准。在一些实施方式中，激光器配合表面的形状可以与基板配合表面的形状对应。在一些实施方式中，激光器可以包括可以被配置成与基板形成电连接的接触表面以及可以被配置成发出由半导体激光器产生的激光束的经蚀刻的激光器端面。在一些实施方式中，激光器端面可以成角度。在一些实施方式中，激光器配合表面的形状可以是三角形或梯形。激光器端面可以在竖直方向或水平方向上成角度。在一些实施方式中，激光器配合表面的第一边缘可以被配置成当将半导体激光器与基板对准时接触基板配合表面。在一些实施方式中，半导体激光器的后部部分可以被配置成当将半导体激光器与基板对准时接触基板的后壁。在一些实施方式中，半导体激光器的侧表面可以被配置成当将半导体激光器与基板对准时接触基板的侧壁。在一些实施方式中，半导体激光器的侧表面的一部分可以被配置成当将半导体激光器与基板对准时位于基板的间隙部分上方。在一些实施方式中，激光器配合表面的第二边缘可以被配置成不接触基板配合表面。
在一些实施方式中，半导体激光器可以包括在上部包层上方的半导体接触层，以及金属接触层。在一些实施方式中，金属接触层的表面可以是接触表面。
在一些实施方式中，上部包层可以被配置成保持由于半导体接触层和金属接触层而导致的光学损耗小于0.3/cm。
在一些实施方式中，金属接触层可以包括在同一表面上的两个电极。在一些实施方式中，两个电极的第一电极可以与激光器的p触点对应并且两个电极的第二电极可以与激光器的n触点对应。
现在将参考附图中所示的其特定实施方式更详细地描述本公开内容。尽管下面参考特定实施方式描述了本公开内容，但是应当理解本公开内容不限于此。能够访问本文教导的本领域普通技术人员将认识到在本文所述的本公开内容的范围内并且关于本公开内容可以具有重要的实用性的另外的实现、修改和实施方式以及其他使用领域。
附图说明
为了便于更全面地理解本公开内容，现在进行参照附图，其中相同的元件用相同的附图标记表示。这些附图不应被解释为限制本公开内容，而是仅旨在是说明性的。
图1示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器的视图。
图2示出了根据本公开内容的实施方式的pic的视图。
图3示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的视图。
图4示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的另一视图。
图5示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的替选布置。
图6示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的替选布置的另一视图。
图7示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的俯视图。
图8示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。
图9示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。
图10示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。
图11示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。
图12示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。
图13示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。
图14示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。
图15示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。
图16示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。
图17示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。
图18示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的俯视图。
图19示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的俯视图。
图20示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的俯视图。
图21示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的俯视图。
图22示出了根据本公开内容的实施方式的制造pic布置的方法。
图23示出了根据本公开内容的实施方式的将器件对准在基板上的示例性接合方法。
图24示出了根据本公开内容的实施方式的将器件与基板示例性对准的图。
图25(a)示出了根据本公开内容的实施方式的将器件与基板另一示例性对准的图。
图25(b)示出了根据本公开内容的实施方式的将器件与基板又一示例性对准的图。
图26示出了根据用于被配置成发射1310nm的示例性激光器外延结构的上部包层厚度的示例性计算的光学损耗。
图27示出了对准公差的示例性有限差分时域(fdtd)图。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了与所公开的主题的系统和方法以及这样的系统和方法可以操作的环境等有关的许多具体细节以便提供对所公开的主题的透彻理解。然而，对于本领域技术人员明显的是，可以在没有这样的具体细节的情况下实践所公开的主题，并且没有详细描述本领域公知的某些特征以避免所公开的主题的复杂化。此外，将理解下面提供的示例是示例性的，并且预期存在在所公开的主题的范围内的其他系统和方法。
本公开内容的实施方式涉及用于激光器集成pic器件中的半导体激光器的改进的对准技术。半导体激光器是通过使用电刺激的p-n结形成的紧凑型激光器。半导体激光器通过降低操作激光器所需的功率同时还将激光器的尺寸缩小到微米级来提供超过传统激光器技术的显著改进。这些改进允许将许多激光器放置在单个封装中。与许多传统激光器不同，半导体激光器通常必须被引导到特定的引导出射路径中以利用激光，因为该器件太小而不能用手指向。使用可移动激光器安装件或有源透镜元件的自动技术通常需要激光器被电激活以发射激光，即“有源对准”，并且在可移动元件被带入到位置中时实时测量光与pic的耦合。这增加了用于对准功能的实质性负担、时间和成本，因为元件必须是电激活的并且必须采用非常精确的反馈控制系统来提供必要的精度。通过将一个或更多个激光器与pic一个或更多个精确对准来对一个或更多个激光器与pic组装形成激光器集成pic的基础。(应理解，这里的激光器代表需要严格控制的组装运动和与基板的精确对准的几种器件类型中的任何一种。并非全部这样的对准需要是光学的。这样的器件可以是激光器、检测器和光学器件，例如滤波器、调制器、放大器和其他电路，例如成像器和纯电连接器件，例如高接触计算存储器芯片。)
对于pic中的传统半导体激光器，必须将激光器与基板非常精确地对准以用于从激光器至波导的最佳耦合。例如，对于具有模场直径在1至3微米量级的激光器，对准精度应当在0.05至0.5微米(50至500nm)内以获得所需的结果。实现这样的精确度是非常昂贵的并且需要在低生产速度和高错误率的情况下进行大量投资。
本公开内容的实施方式提供了用于以显著更高的精确度将半导体激光器与基板的波导对准的装置和方法。特别地，本公开内容的实施方式提供了被成形为使得可以朝向pic基板中的匹配结构轻轻地推动或拉动激光器的结构的激光器和半导体基板两者中的物理结构。这些匹配的物理结构使得能够通过简单的热和机械处理廉价的对准。装置可以经由具有自对准的有源组件对准，并且可以经由具有自对准的无源组件对准。
如下面将更详细描述的，本公开内容的实施方式提供了精确的参考配合表面以及光刻限定的滑动和停止表面以允许激光器在pic上的精确定位。可以使用这些方法以高产率在三个直线维度的每个上以100nm内的公差将这些激光器对准。
参照图1，示出了根据实施方式的半导体激光器的三维偏移视图。在图1中，激光器100是适于在制造过程期间产生特定颜色(即，波长)的激光束的半导体激光器器件。激光器100包含电镀金表面102、导电层104、下部配合表面区域106、上部区域108和侧表面110。下部配合表面区域106包含配合表面112和114、激光器端面116和激光器标尺118。
电镀金表面102可以是用于与pic的基板形成电连接的金层，如下面将在图3中更详细地描述的。应当注意，尽管该表面是电镀的，但是可以使用除电镀(例如蒸发和剥离)之外的其他沉积技术。此外，尽管可以使用许多不同的厚度，但是在一个实施方式中，电镀金表面102的厚度可以为大约5微米。
导电层104可以是用于帮助电子从电镀金表面102辅助传导至下部配合表面区域106并且改善上部导电层与激光器或pic基板的粘附的许多金属的堆叠。导电层104可以包含例如铂、金、铂和钛的堆叠。在一个实施方式中，该层的总厚度可以是1.05微米。
下部配合表面区106和上部区108可以共同包括激光器100的有源区。下部配合表面区106可以包含由器件产生的实际激光器。如图所示，下部配合表面可以包含配合表面112和114。配合表面112和114是可以提供pic的边缘与激光器100的前部之间的接触点的物理特征。如图3所示，配合表面112和114可以接触pic内的匹配表面以提供将激光器100与半导体基板安全并且非常精确的对准。此外，如图19至图21所示，配合表面112和114可以包括与图1所示的形状不同的各种形状。
上部区108是不直接接触pic基板200的基板的激光器100的有源区的部分。上部区108可以是适于在半导体器件中产生激光器的任何尺寸。在如图4所示组装器件之后，上部区108可以被连接至外部导线以形成与控制激光器操作的切换机构的电连接。
侧表面110是专门用于在pic的顶表面与激光器100之间提供接触点的激光器的区。当将激光器放置到pic中时侧表面110将保持激光器的大部分重量，并且当用于对准将激光器放置到pic中时侧表面110还允许激光器100平滑地滑动到位置中。虽然分开描述下部配合表面106、上部区108和侧表面110，但是应当注意，这些区由基本相同的材料形成并且除了如上所述以外它们之间不包含明确限定的边界。
激光器标尺118是侧表面110中的一个上的图案。激光器标尺118被蚀刻到形成侧表面110的材料中以示出从激光器端面至激光器器件100的端部的距离。该距离可以用于帮助确定用于将激光器对准的装置的精确特性，如下面更详细地描述的。
形成激光器100的有源区的材料可以使用任何数目的光刻技术来形成。然而，由于激光器灯丝的竖直位置对于确保器件的正常运行非常重要，因此可以使用许多附加技术来控制该高度。因此，可以通过各种精密薄膜沉积和去除(减去)过程精确地控制激光器和pic侧表面两者上的参考表面的高度和关联偏移。
例如，可以采用薄材料层被构建在下面的参考基板上的几个沉积过程。在一些实施方式中，采用了例如inp、ingaas、ingaasp和其他半导体或介电材料的外延薄膜生长和薄膜沉积例如等离子体辅助沉积、原子层沉积等。这些现在可以实现在100nm下至单个原子层的范围内的精度水平。
在其他实施方式中，可以采用以精确的方式移除单独的材料层以留下具有精确的已知高度的表面的几种减去过程中的一种。例如，在一些实施方式中，使用选择性湿法和干法蚀刻，其中蚀刻剂在例如光刻图案化区域中移除所需材料，但是在达到某个表面或材料边界时停止蚀刻。进一步的示例包括使用缓冲的hf(bhf)溶液移除二氧化硅层，这暴露用作停止蚀刻层的下面的硅表面，因为bhf溶液不影响单片硅表面。又一示例包括各向异性湿法蚀刻，例如使用koh以向下蚀刻至并且暴露例如硅基板的主体内的特定晶面。又一示例是使用hcl溶液向下蚀刻穿过inp层，然后这将停止在蚀刻部件的主体内的ingaasp层处。例如，在该公开内容中描述的蚀刻可以用于蚀刻激光器100的配合表面。
最后，诸如气态sf6干法蚀刻的非选择性蚀刻剂可以用于以由蚀刻时间、基板温度或实时原位测量确定的量蚀刻到表面中。这些减去过程可以具有与上面讨论的添加过程相当的精度。采用用于竖直参考位置控制和横向参考位置控制两者的添加和减去过程。可以根据在竖直维度和横向维度两者上提供期望的最终表面特征的需要在结合中混合和匹配这些过程。
参照图2，示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器pic的三维偏移视图。在图2中，pic基板200是适于容置用于在半导体基板中产生激光束的激光器100的组件。pic基板200包含波导202、凹陷着陆区域204、前侧壁206和208、后侧壁210和212、间隙214、激光器接触导电垫216、导线接触导电连接218、导线接触导电垫220。pic基板200还可以包括布置在激光器接触导电垫216上的焊料222，如图8所示。激光器着陆区域204包含配合表面224和226。此外，波导202包含pic标尺228。
波导202是适于引导入射激光束通过基板的结构。波导202是形成在半导体基板顶部上的元件。波导202可以例如是包括下部氧化层、薄导电层和上部氧化层的沉积材料的夹层。薄导电层可以是适于允许激光束透过半导体基板的层。在一个示例性实现中，薄导电层可以是硅。在一个实施方式中，下部氧化层可以是2微米、薄导电层可以是220纳米并且上部氧化层可以是2.1微米。
通常，除非另有说明，否则通过将图2所示的结构蚀刻到半导体基板中来形成pic基板200的其余结构。凹陷着陆区域204是通过蚀刻形成的pic基板200的基板中的凹陷。凹陷着陆区域204是将激光器100放置到其中的区域，如图3所示。凹陷着陆区域204可以是允许在电镀金表面102与焊料222之间的牢固接触的恒定深度。在一个实施方式中，凹陷着陆区域可以是低于其余的基板大约10微米。小心选择凹陷着陆区域204和pic基板200的剩余非蚀刻区域的形状以允许在将激光器100放置在pic基板200中时将激光器100简单对准，如下面更全面地描述的。
前侧壁206和208包括未被蚀刻的pic器件200的上表面。前侧壁206和208适于允许与激光器器件100的侧表面110直接接触以在将器件放置在基板中时支承器件的重量。如图4所示，将前侧壁206和208与激光器100的侧表面110的前端对准。类似地，pic基板200的后侧壁210和212适于接触激光器100的侧表面110的后部部分以保持激光器的其余重量。
间隙214是已被蚀刻掉并且占据前侧壁206和208与对应的后侧壁210和212之间的空间的pic基板200的区域。间隙214被特别成形以允许用于将激光器100不精确地初始放置到半导体基板中的空间。间隙214可以提供用于回流焊料的溢流区域。例如，间隙214可以被配置成将多余的焊料吸引离开位于激光器接触导电垫216、导线接触导电连接218和导线接触导电垫220中的一个或更多个上的回流焊料。间隙214可以接收吸引的焊料。如图2所示，间隙214可以相对于激光器接触导电垫216、导线接触导电连接218和导线接触导电垫220中的一个或更多个水平地成角度，其中后侧壁210和212以及前侧壁206和208可以限定角度。间隙214可以相对于激光器接触导电垫216、导线接触导电连接218和导线接触导电垫220中的一个或更多个垂直地成角度。间隙214可以被度量使得它接收的多余焊料不到达后侧壁210和212以及前侧壁206和208。
间隙214还可以提供用于焊料的储存区域。例如，焊料可以被放置在一个或更多个间隙214中并且被芯吸至激光器接触导电垫216、导线接触导电连接218和导线接触导电垫220中的一个或更多个。因此芯吸的焊料可以用于帮助将基板200附接至激光器100。
本公开内容的实施方式有利地生成用于特别适于帮助将激光器100对准在pic基板内的凹陷着陆区域204的特定形状。特别地，该区域的形状允许通过有源或无源对准技术将激光器100对准，如下面在图3至图6中更全面地说明的。激光器着陆区域204包含被成形以与激光器100的配合表面112和114对应的配合表面224和226。在图1和图2中，配合表面被示出为三角形。然而，该形状不是必需的，并且可以考虑许多其他形状以用作配合表面，如图19至图21所示。例如，配合表面可以是对应于三角形的夹持形式的梯形的以在配合表面之间提供更大的接触区域。
激光器接触导体垫216是已将导电元件放置到其中的凹陷的激光器着陆区域204内的区域。在一个实施方式中，激光器接触导体垫216的导电元件可以是包含钛、铂和金的材料的夹层。在一个实施方式中，该垫可以具有大约0.75微米的高度。激光器接触导体垫216适于保持用于在pic基板200与激光器100之间形成电连接的焊料222。焊料222可以是适于产生该电连接的任何焊接材料。在一个实施方式中，焊料222可以是高度大约为5微米的金-锡混合物。在一个实施方式中，焊料222可以被沉积在激光器100上而不是pic基板200上。
导电连接218是将激光器接触导体垫216与导线接触导电垫220连接的穿过pic基板200延伸的两个线。导线接触导电垫220是允许附接外部导线以电控制pic组件的pic基板200后面的大的、暴露区域。
pic标尺228是波导202的一侧上的图案。pic标尺228被蚀刻到波导202的材料中以示出从波导202的前边缘至pic基板200的端部的距离。结合激光器标尺118，该距离可以用于帮助确定用于将激光器对准的装置的精度特性。例如，可以经由激光器标尺118精确地确定从激光器面至激光器100的端部的距离。此外，可以确定在波导202的前边缘与pic基板200的边缘之间的距离。当如图3至图6所示将激光器100放置到pic基板200中时，来自标尺118和228的这些测量的组合可以用于确定激光器端面116与波导202的前边缘之间的精确距离。可以将第二标尺添加在例如围绕波导202对称的位置处以确定激光器100与pic基板200之间的相对倾斜角。
参照图3，示出了根据本公开内容的实施方式的pic组件的三维偏移视图。在图3中，pic300是半导体激光器100和pic基板200的组合。为了实现图3中的配置，图1的激光器被上下翻转使得电镀金表面102向下指向pic基板200的基板的顶部，如图所示。
图3示出了当在预对准配置中将激光器100最初放置到pic基板200中时装置的配置。应当理解，当将装置如所示预对准时，激光器100被放置成使得将激光器与波导202完美对准，但是也在其后面有一定距离。该完美的对准是理想的示例，并且应当理解的是，当放置激光器100时通常激光器100不处于预先对准的配置中。
在图3中，激光器100被最初放置成使得配合表面112和114是在远离接触pic基板200的配合表面224和226的一定距离处。可以由可以携带激光器100而不损坏其的任何装置放置激光器100。在一些实施方式中，经由吸盘组件放置激光器100。在该阶段处，侧表面110应当与前侧壁206和208以及后侧壁210和212直接接触，如图所示。每个侧表面110的一部分在间隙214上方。在该配置中，电镀金表面102的至少一部分与焊料222接触。然而，电镀金表面的引导边缘基本上是在距焊料222的前部一定距离处。
参照图4，示出了根据本公开内容的实施方式的pic组件的三维偏移视图。在图4中，pic300包含半导体激光器100和pic基板200。图4示出了pic300的组装的完成使得将激光器100对准以将产生的激光传输到pic基板200的波导202中。为了实现图4中的配置，可以有源地或无源地向前推动图3所示的激光器100。当将激光器100有源地对准时，必须开启激光器器件100以生成用于校准器件位置的参考点。然后向激光器100施加外力以将器件朝向波导202移动。在一些实施方式中，可以经由附接至激光器100的上部区108的吸盘向前推动激光器。
在其他实施方式中，也可以将激光器100无源地对准。在这些实施方式中，当将激光器对准时不开启激光器；相反，对准过程利用激光器100和pic基板200中的参考表面的形状来校准未对准并且利用pic300将激光器移动到适当的位置中。在该实施方式中，可以通过外力主动地推动激光器。在替选实施方式中，可以将激光器100自对准而不施加任何外力。当经由与pic基板200的表面上的液体直接接触而通过表面张力的作用向前拉动激光器100时提供强制对准。在一些实施方式中，该液体可以是已被加热变成熔融的焊料222。在这些实施方式中，焊料222可以流体地耦合至电镀金表面102和导电连接218。在这些实施方式中，熔融焊料的表面张力可以将弱力施加至激光器100，使得朝向配合表面224和226轻轻地向前拉动激光器。在又一实施方式中，可以经由有源和无源对准的组合向前推动激光器。尽管将焊料222的表面张力描述为提供该表面张力，但是也可以使用其他材料，例如环氧树脂或树脂。
当向前推动激光器时，配合表面112和114将牢固地接触pic基板200的配合表面224和226。在该阶段处，侧表面110应当与前侧壁206和208以及后侧壁210和212直接接触。每个侧表面110的一部分位于间隙214上方；然而，该部分不同于图3中的间隙上方的部分。在该配置中，电镀金表面102最初与焊料222流体接触，并且最终耦合至固体、冷却焊料222。此外，将电镀金表面的引导边缘与焊料222的前边缘基本上对准。在该阶段处，将激光器的对准完成，并且将激光器100对准在pic基板200中以进行非常精确的测量。
参照图5，示出了根据本公开内容的实施方式的将半导体激光器100和pic基板200交替布置到pic300中的三维偏移视图。图5示出了如图3中将激光器100放置到pic基板200中；然而，与图3不同，在最初放置激光器100时在一个或更多个维度上将激光器100未对准使得不将激光器端面116与波导202对准。如上所述，将激光器100放置到pic基板200中使得将激光器端面116和波导202对准存在很大的困难。特别地，当放置激光器100时，可以在任何三个空间维度(例如，水平、竖直和后向)上将激光器100未对准。因此，期望一种校准激光器100的可能的未对准的方法。图5示出了一个激光器100的可能的未对准；然而，应当理解的是，可以在任何空间维度上将激光器100未对准到不同程度。
参照图6，示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic组件的替选布置的三维偏移视图。在图6中，pic组件500包含半导体激光器100和pic基板200。图6示出了将激光器100对准到pic基板200中。在图6中，图5中的激光器100经由如上所述的有源或无源过程被向前推动使得配合表面112和114牢固地接触pic基板200的配合表面224和226。与图3不同，将图5中的激光器100与半导体基板和波导202最初未对准。由于对需要激活激光器的激光器对准的使用既困难又昂贵，所以希望仅使用上述无源过程来校准未对准。
图6示出了本公开内容的新设计的行为，由此当向前推动或拉动激光器100时配合表面112和114以及配合表面224和226的形状导致激光器100与pic基板200的自然对准。特别地，当对激光器100施加推力或拉力时这些配合表面的形状将激光器移动到与波导202的对准中。以这种方式，这些匹配表面的形状将将激光器100移动到位置中并且以非常精确的方式将激光器端面116与波导202对准。因此，图6的组件与图4中的组件匹配，尽管激光器100被放置在图3和图5中的非常不同的初始位置中，并且在一个维度上从激光器100的后面朝向pic基板200的前部施加仅外部对准力。有利地，该设计允许从任何数目的可能初始位置将激光器100与pic基板200自对准到非常高的精度程度。
如图4所示，一旦将激光器100与其最终位置对准，侧表面110应当与前侧壁206和208以及后侧壁210和212直接接触。每个侧表面110的一部分位于间隙214上方；然而，该部分不同于图5中的间隙上方的部分。在该配置中，电镀金表面与焊料222接触，并且将电镀金表面的引导边缘与焊料222的前边缘基本上对准。应当注意，尽管图1至图6示出了经由匹配的、尖头的配合表面112、114、224和226将激光器100与pic基板200对准，但是不需要该形状，并且可以示出或优选替选形状。替选配合表面的一些示例被示出在图19至图21中。
参照图7，根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的俯视图。在图7中，激光器100包含电镀金表面102、导电层104、下部配合表面区106、上部区108和侧表面110。下部配合表面区106包含配合表面112和114以及激光器端面116。此外，pic基板200包含波导202、激光器着陆区域204、侧壁206和208以及导电垫210。激光器着陆区域204包含配合表面224和226。图7还示出了沿着截取横截面a-a’、b-b’、c-c’和d-d’的平面，如图8至图17所示。
参照图8，示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器100和pic基板200的横截面图。特别地，图8示出了穿过激光器100的有源区的中心截取的图7所示的a-a’横截面。图8特别地示出了在将激光器100放置到pic基板200中之前的该横截面。在图8中，激光器100包含电镀金表面102、导电层104、下部配合表面区106、上部区108和侧表面110。下部配合表面区106包含配合表面112和114以及激光器端面116。此外，pic基板200包含波导202、激光器着陆区域204、侧壁206和208以及导电垫210。激光器着陆区域204包含配合表面224和226。pic基板200还包含可以被加热以形成用于键合至电镀金表面102的液体的焊料222，如上所述。
参照图9，示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的另一横截面图。特别地，图9示出了穿过激光器100的有源区的中心截取的图7所示的a-a’横截面。图9特别地示出了在将图8中的激光器100放置到pic基板200中并且将其对准之后的该横截面。图9的布置与当组件300处于图4所示的配置中时所截取的横截面对应。在图9中，图8中的激光器100已被向前推动或拉动以产生将激光器端面116与波导202对准使得配合表面112和114牢固地接触pic基板200的配合表面224和226。在该阶段处，侧表面110应当与前侧壁206和208以及后侧壁210和212直接接触。每个侧表面110的一部分位于间隙214上方；然而，该部分不同于图8中的间隙上方的部分。在该配置中，电镀金表面与可以经由表面张力朝向pic基板200的前部拉动激光器100的焊料222接触。此外，将电镀金表面的引导边缘与焊料222的前边缘基本上对准。
参照图10，示出了根据本公开内容的替选实施方式的半导体激光器100和pic基板200的横截面图。特别地，图10示出了穿过激光器100的有源区的中心截取的图7所示的a-a’横截面。图10特别地示出了在将激光器100放置到pic基板200中之前的该横截面。在图10中，激光器100包含电镀金表面102、导电层104、下部配合表面区106、上部区108和侧表面110。下部配合表面区106包含配合表面112和114以及激光器端面116。此外，pic基板200包含波导202、激光器着陆区域204、侧壁206和208以及导电垫210。激光器着陆区域204包含配合表面224和226。pic基板200还包含可以被加热以形成用于键合至电镀金表面102的液体的焊料222，如上所述。
图10示出了具有重要的区别的如图8所示将激光器100放置到pic基板200中。在图10中，激光器100的端面116不是直的，而是在竖直方向上成角度，如所示。通过将端面的边缘蚀刻至高精度水平来在制造过程期间精确地控制该角度。如所示，在激光器端面116的前部上提供该角度使激光束离开端面并且被向上成角度。因此，在图10中，波导202的引导边缘也在竖直方向上成角度以允许波导202接收和重定向激光使得激光沿着波导202笔直地延伸。在一些实施方式中，波导202的引导边缘的角度可以是端面116的角度的大约三倍一样陡峭。
参照图11，示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。特别地，图11示出了穿过激光器100的有源区的中心截取的图7所示的a-a’横截面。图11特别地示出了在将图10中的激光器100放置到pic基板200中并且将其对准之后的该横截面。图11是如所示提供了成角度的端面116和波导202的成角度的引导边缘的图9的替选实施方式。在该图中，激光在离开成角度端面116之后向上弯曲，并且在激光器源上方的某个竖直偏移处到达波导202的成角度引导边缘。激光器100的该布置防止从波导202的激光器的不期望的背反射到激光器端面116中。
参照图12，示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。特别地，图12示出了图7所示的b-b'横截面。图12特别地示出了当激光器处于图2所示的配置中时的该横截面。在图12中，激光器100包含电镀金表面102、导电层104、下部配合表面区106、上部区108和侧表面110。下部配合表面区106包含配合表面112和114以及激光器端面116。此外，pic基板200包含波导202、激光器着陆区域204、侧壁206和208以及导电垫210。激光器着陆区域204包含配合表面224和226。
图12示出了在预对准配置中将激光器100放置到pic基板200中。在图12中，激光器100被最初放置成使得配合表面112和114是在远离接触pic基板200的配合表面224和226的一定距离处。在该阶段处，侧表面110应当与前侧壁206和208以及后侧壁210和212直接接触。每个侧表面110的一部分在间隙214上方。在该配置中，电镀金表面与焊料222接触。然而，电镀金表面的引导边缘基本上是在距焊料222的前部一定距离处。
参照图13，示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。特别地，图13示出了图7所示的b-b’横截面。图13特别地示出了当激光器处于图4所示的配置中时的该横截面。在图13中，pic组件300包含半导体激光器100和pic基板200。图13示出了将激光器100与pic基板200对准。在图13中，图12中的激光器100被向前推动使得配合表面112和114牢固地接触pic基板200的配合表面224和226。在该阶段处，侧表面110应当与前侧壁206和208以及后侧壁210和212直接接触。每个侧表面110的一部分位于间隙214上方；然而，该部分不同于图12中的间隙上方的部分。在该配置中，电镀金表面与焊料222接触，并且将电镀金表面的引导边缘与焊料222的前边缘基本上对准。参照图14，示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。特别地，图14示出了图7中所示的c-c’横截面。图14特别地示出了当激光器处于图2所示的配置中时的该横截面。在图14中，激光器100包含电镀金表面102、导电层104、下部配合表面区106、上部区108和侧表面110。下部配合表面区106包含配合表面112和114以及激光器端面116。此外，pic基板200包含波导202、激光器着陆区域204、侧壁206和208以及导电垫210。激光器着陆区域204包含配合表面224和226。
图14示出了在预对准配置中将激光器100放置到pic基板200中。在图14中，激光器100被最初放置成使得配合表面112和114是在远离接触pic基板200的配合表面224和226的一定距离处。在该阶段处，侧表面110应当与前侧壁206和208以及后侧壁210和212直接接触。每个侧表面110的一部分在间隙214上方。在该配置中，电镀金表面与焊料222接触。然而，电镀金表面的引导边缘基本上是在距焊料222的前部一定距离处。
参照图15，示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。特别地，图15示出了图7所示的c-c’横截面。图15特别地示出了当激光器处于图4所示的配置中时的该横截面。在图15中，pic组件300包含半导体激光器100和pic基板200。图15示出了将激光器100对准到pic基板200中。在图15中，图14中的激光器100被向前推动使得配合表面112和114牢固地接触pic基板200的配合表面224和226。在该阶段处，侧表面110应当与前侧壁206和208以及后侧壁210和212直接接触。每个侧表面110的一部分位于间隙214上方；然而，该部分不同于图14中的间隙上方的部分。在该配置中，电镀金表面与焊料222接触，并且将电镀金表面的引导边缘与焊料222的前边缘基本上对准。参照图16，示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。特别地，图16示出了图7所示的d-d’横截面。图16特别地示出了当激光器处于图2所示的配置中时的该横截面。在图16中，激光器100包含电镀金表面102、导电层104、下部配合表面区106、上部区108和侧表面110。下部配合表面区106包含配合表面112和114以及激光器端面116。此外，pic基板200包含波导202、激光器着陆区域204、侧壁206和208以及导电垫210。激光器着陆区域204包含配合表面224和226。
图16示出了在预对准配置中将激光器100放置到pic基板200中。在图16中，激光器100被最初放置成使得配合表面112和114是在远离接触pic基板200的配合表面224和226的一定距离处。在该阶段处，侧表面110应当与前侧壁206和208以及后侧壁210和212直接接触。每个侧表面110的一部分在间隙214上方。在该配置中，电镀金表面与焊料222接触。然而，电镀金表面的引导边缘基本上是在距焊料222的前部一定距离处。
参照图17，示出了根据本公开内容的实施方式的半导体激光器和pic的横截面图。特别地，图17示出了图7所示的d-d’横截面。图17特别地示出了当激光器处于图4所示的配置中时的该横截面。在图17中，pic组件300包含半导体激光器100和pic基板200。图15示出了将激光器100与pic基板200对准。在图15中，图14中的激光器100被向前推动使得配合表面112和114牢固地接触pic基板200的配合表面224和226。在该阶段处，侧表面110应当与前侧壁206和208以及后侧壁210和212直接接触。每个侧表面110的一部分位于间隙214上方；然而，该部分不同于图14中的间隙上方的部分。在该配置中，电镀金表面与焊料222接触，并且将电镀金表面的引导边缘与焊料222的前边缘基本上对准。参照图18，根据本公开内容的替选实施方式的半导体激光器和pic的俯视图。在图18中，激光器100包含电镀金表面102、导电层104、下部配合表面区106、上部区108和侧表面110。下部配合表面区106包含配合表面112和114以及激光器端面116。此外，pic基板200包含波导202、激光器着陆区域204、侧壁206和208以及导电垫210。激光器着陆区域204包含配合表面224和226。
图18呈现了具有对激光器端面116和波导202修改的图3所示的激光器100和pic基板200的配置的俯视图。在图3和图9中，激光器端面116被蚀刻成使得其沿着装置的水平轴和竖直轴是直的。然而，如图11所示，激光器端面116可以被蚀刻成使得其在竖直方向上成角度。在传统的半导体激光器中，通过切割形成激光器的材料以生成边缘来形成激光器端面116，但这是非常不精确的过程。该切割过程可以沿着激光器的端面形成不精确的竖直角度，但是不可以如在图11的配置中所示的控制角度。
特别地，在本公开内容的激光器中，激光器端面116不是通过切割形成的，而是从激光器器件中被蚀刻出来的。蚀刻过程允许形成端面116的边缘中的高精度程度。该蚀刻允许不仅在竖直方向上而且在水平方向上精确控制端面116的引导边缘的形状。因此，在图18中，所示的激光器端面116不是被沿水平轴以直线刻蚀，而是相对于水平轴被以精确控制的角度刻蚀，如所示。因为激光器端面不是直线，所以使激光以一定角度离开端面，如激光1802所示。该激光从端面116以水平偏移距离1802进入波导。如所示，也以一定角度生成波导202的前表面。优选地，该角度大约是激光器端面角度的三倍(由材料的折射率确定)，尽管可以使用许多其他角度比。此外，波导前表面优选地在与激光器端面相同的方向上成角度。通过生成成角度的端面并且将波导放置在距端面一定偏离处，可以避免激光不希望地背反射到激光器中。
图19呈现了具有对激光器100的配合表面112和114修改的图3所示的激光器100和pic基板200的配置的俯视图。由于与制造机器解决小图案细节的能力有关的技术问题而导致制造图1所示的配合表面112和114的尖角是困难的。作为图1所示的尖角的替选，图19呈现了配合表面112和114已被夹住以形成所示的配置的激光器器件。以这种方式，配合表面112和114在其端部处不形成尖点，而是包含沿着配合表面的引导边缘的平坦表面。在该配置中，一些顶尖缺口被提供使得配合表面112和114的前边缘不接触配合表面224和226。而是，在该实施方式中，配合表面112和114在图案边缘的前部后面一定距离处接触配合表面224和226，形成如所示的孔1902和1904。该新设计有利地提供了来自即使在激光器100和pic基板200中存在图案化缺陷也允许将激光器器件非常精确的自对准的直接接触的顶尖缺口。
图20呈现了具有对配合表面224和226修改的图3所示的激光器100和pic基板200的配置的俯视图。由于与制造机器解决小图案细节的能力有关的技术问题而导致制造图2所示的配合表面224和226的尖角是困难的。作为图2所示的尖角的替选，图20呈现了配合表面224和226被设计成形成如所示的方形结构的激光器器件。以这种方式，配合表面224和226在其端部不形成尖点，而是包含形成盒状结构。在该配置中，一些顶尖缺口被提供使得配合表面112和114的前边缘不直接接触配合表面224和226。而是，在该实施方式中，配合表面112和114在配合表面224和226的图案边缘的前部后面一定距离处接触配合表面224和226，形成如所示的孔2002和2004。与图19中的配置类似，该配置提供了有利地提供了来自即使在激光器100和pic基板200中存在图案化缺陷也允许使激光器器件非常准确的自对准的直接接触的顶尖缺口的新设计。
图21呈现了具有与图20不同的对配合表面224和226的修改的图3所示的激光器100和pic基板200的配置的俯视图。在图21中，配合表面224和226的边缘2102和2014形成曲线，如所示。这些边缘的曲率提供了独特的配置，其中当激光器沿着壁滑动到对准中时，激光器100的下部配合表面106的不同部分沿着路径接触侧壁。以这种方式，可以通过散布施加在激光器器件100上的力在对准期间使对激光器器件的损坏最小化。与图19和图20中的配置类似，该配置还有利地提供了来自即使在激光器100和pic基板200中存在图案化缺陷也允许将激光器器件非常精确的自对准的直接接触的顶尖缺口。
形成相互接触的要被配合的部件的表面可以被成形以在对准期间消除尖点处的接触。例如，考虑到诸如基板200的基板例如具有是平坦的基板配合表面。诸如激光器100的部件例如可以具有与平坦基板配合表面配合的激光器配合表面。因此，激光器配合表面可以被成形以消除与基板配合表面的尖点接触。例如激光器配合表面可以被成形以具有光滑的滑动表面使得激光器配合表面和基板配合表面在接触时彼此相切。基板配合表面还可以被成形以消除尖点接触，并且可以被成形以类似地具有光滑的滑动表面使得激光器配合表面和基板配合表面在接触时彼此相切。
此外，为了在滑动动作期间使这些表面的侵蚀或点蚀最小化，激光器和/或基板配合表面可以被成形使得切向接触的位置沿着一个或两个配合表面以连续或不连续的方式移动使得在对准期间接触位置平滑地移动至前部配合区。在对准期间，随着对准的进行可以移动接触位置更靠近前部最终接合位置。该位置移动可以帮助提供在对准期间通过摩擦产生的侵蚀或碎屑不干扰正在进行的对准并且保持在接触区域后面的开口区域中。
例如诸如基板200的基板和/或诸如激光器100的部件的配合表面例如可以被成形使得在对准过程期间减小对准误差。可以通过使弯曲和/或直表面逐渐变尖细来成形配合表面使得减小对准误差容限。可以通过光刻或其他成形过程提供配合表面的成形。可以通过这样的成形将对准误差容限减小到必要值。例如，当首先将不完全对准的部件与基板接触时，最大定位误差可以高达10至25微米。然而，对准进行，可以根据由位于部件和/或基板上的一个或更多个锥形配合表面提供的锥形率而横向和/或纵向移动部件。当纵向距离减小时该移动可以减小横向定位误差，始终平稳地移动部件(和关联的接触件)更靠近最终配合位置。例如，当移动部件更靠近其最终配合位置时定位误差可以减小到低于10微米、低于2微米，并且最终低于1微米。
图22示出了制造诸如pic300的pic布置的方法2200。在步骤2202处，将器件布置在基板上。例如该器件可以是半导体激光器100或不同的器件，例如不同种类的激光器、滤波器、调制器、放大器、成像器或存储器芯片。基板可以是pic基板200。类似于上面关于图3所讨论的，可以通过可以放置器件而不损坏器件例如吸盘组件的放置组件将器件放置在基板上。在步骤2204处，可以使用力来在基板上移动器件。该力可以是如上所述的外力或如上所述的被动力。在步骤2206处，可以由于外力或被动力将器件与基板对准。可以如上所述执行对准。
图23示出了将器件对准在基板上的示例性接合方法2300。可以由先前在上面讨论的任何对准过程使用方法2300。在将器件放置在基板上之后，可以开始方法2300。在步骤2302处，最初移动器件。最初移动可以相对于接合方法2300中的其他移动具有更高的速度，并且被提供以最初地将器件对准在基板上。在步骤2304处，执行器件的中间移动。该运动相对于步骤2302的移动是更精细的移动，并且将器件的配合表面与基板的表面小心地对准。在步骤2306处，执行最后器件移动。最后器件移动是相对于步骤2302和2304中的移动的器件的最精确移动，并且用于将器件的前端面与基板横向和竖直地接合，并且确保将器件的特征与基板准确地安装。可以由外力或被动力引起步骤2302、2304和2306的移动。
图24是示出将器件2401与基板2407示例性对准的图2400。器件2401可以是激光器100或先前讨论的任何其他器件。基板2407可以是容纳本公开内容中讨论的一个或更多个器件的基板200或任何其他基板。在图24(a)的示例中，器件2401具有配合表面2402、2404和2406。配合表面在图24(a)中被示出为具有最小粗糙度或没有粗糙度，但是可替选地可以具有粗糙表面。基板2407具有基板配合表面2408、2410和2412。如图24(a)所示的基板配合表面具有如由锯齿状线所示的粗糙表面，但是可以可替选地具有最小粗糙度或没有粗糙度。如图24(a)所示，x方向相对于图的透视图是水平的。z方向相对于图的透视图是竖直的并且y方向相对于图的透视图从页面出来。
为了将器件2401与基板2407对准，器件和基板配合表面的平均粗糙度以及配合表面彼此的角度确定了配合组件的定位精度(或误差)。角度β(β)是基板2407的配合表面例如表面2412相对于基板2407的正常表面例如表面2408的角度。选择角度β对将器件2401和基板2407对准的角度误差容限有影响。
例如，β可以等于45度。45度的β表示为了将器件2401与基板2407成功对准，z方向上的容许误差等于x方向上的容许误差。因此，在该情况下，将器件2401与基板2407对准在x和z方向上具有相同的误差容限。
在另一示例中，β可以大于45度。在该示例中，为了将器件2401与基板2407成功对准，x方向上的容许误差必须小于z方向上的容许误差。因此，在该示例中，z方向上的误差容限相对于x方向上的误差容限更高。
在另一示例中，β可以小于45度。在该示例中，为了将器件2401与基板2407成功对准，z方向上的容许误差必须小于x方向上的容许误差。因此，在该示例中，x方向上的误差容限相对于z方向上的误差容限更高。
在一些实施方式中，容许误差容限可以与x和z方向的比率对应。在一个示例中，可以针对z:x的方向比率提供m:1的容许误差率，并且因此β可以等于m的反正切。因此，在该示例中，z方向上的角度误差容限可以是x方向上的角度误差容差的两倍，并且m可以等于2。在该情况下，β的最佳角度等于2的反正切。
图25(a)是示出将器件与基板的另一示例对准的图2500。必须将器件2502与基板2504对准。器件2502可以是激光器100或先前讨论的任何其他器件。基板2504可以是容纳本公开内容中讨论的一个或更多个器件的基板200或任何其他基板。
器件2502具有包括参数a、d、g和角度
通过增加台阶高度a，g也增加。然而，当器件2502被附接至基板2504时增加g可以降低性能，因为器件2502与基板2504之间的间隙太大可以引入背反射，增加干扰的可能性，并且引入其他错误分量。然而，可以增加参数d以缓解该问题。通过增加参数d，端面处的有源区的中心将位于更远离器件2502中的平面(i)并且更靠近基板2504，从而使g最小化。然而必须小心以确保增加的d不使台阶高度a太大，因为这样可以将堆叠误差引入到器件2502中并且导致对准问题。
还可以通过使高度台阶a最小化并且增加角度
图25(b)示出了相对于器件2502和基板2504增加台阶高度a的以上讨论的示例的图2506。如图25(b)所示，增加a进而增加g，并且这样的g的增加可以引入背反射，增加干扰的可能性，并引入其他错误分量。
如以上讨论的，使高度a最小化可以改善器件2502与基板2504的光学耦合。然而，高度a还针对器件2502提供包层厚度，并且如果该高度变薄太多，则器件2502的光学性能可以受损。例如，器件2502可以是基于inp的半导体激光器。这样的半导体激光器可以用于向硅光子电路提供激光，并且发射在对硅透明的范围内的光。因此，硅可以用作高折射率材料作为硅光子电路中波导形成的部分。
可以是图1所示类型的激光器的基于inp的激光器可以具有由inp制成的包层的由ingaasp或ingaalas有源区制造，并且可以具有全部在n型inp基板上外延沉积的由高p掺杂的ingaas制成的半导体接触层。例如高p掺杂的ingaas的金属化可以是ti、pt和au。金属化可以形成作为与基板形成电连接的接触表面的金属接触层。金属接触层可以包括至少一个电极。例如，金属接触层可以包括两个电极。两个电极可以位于同一表面上。电极中的一个可以与激光器的p触点对应，并且电极中的另一个可以与激光器的n触点对应，如下面所述。半导体接触层可以位于上部包层上方。可以通过电子束蒸发沉积这些层。也可以使用电镀来沉积au。这些金属以及ingaas层可以在激光器操作的波长处具有损耗并且同样地，可以使上部包层(例如，包括在高度a和a-d中)足够厚以避免由于用于激光器模式的这些层而导致的光学损耗。上部包层的厚度可以被配置成保持由吸收引起的光学损耗等于或低于大约0.3/cm。保持光学损耗等于或低于大约0.3/cm帮助确保激光器效率不受到不利影响。可以通过由于半导体接触层和/或金属接触层而导致的吸收引起该光学损耗。
在一个示例中，激光器外延结构可以被配置成发射1310nm。例如使用诸如金属有机化学气相沉积(mocvd)或分子束外延(mbe)的沉积技术，可以在n型inp基板上外延沉积以下层：n型inp下部包层(下部包层可以延伸到基板中)；未掺杂的有源区；p掺杂inp上部包层；和高p掺杂的ingaas接触层。有源区可以由algainas梯度层夹住的由基于inalgaas的压缩应变量子阱和基于inalgaas的拉伸应变势垒形成。有源区可以被夹在上部包层与下部包层之间。该结构还可以具有湿蚀刻停止层以帮助制造脊形激光器。该结构还可以包含用全息光刻或电子束光刻图案化的光栅层以允许形成分布式反馈(dfb)激光器。图26示出了根据用于被配置成在图2600中发射1310nm的示例性激光器外延结构的上部包层厚度的示例性计算的光学损耗。光学损耗可以归因于高p掺杂的ingaas和金属层。在该示例中，当光学损耗等于或小于0.3cm-1时有效地操作示例性激光器。如图26所示，光学损耗随着包层厚度的增加而减小，并且对于该示例希望具有至少1.5μm的上部包层厚度以保持激光器有效。
用于激光器的n触点可以在inp基板的后部上或在半导体的顶表面上。将n触点和p触点或电极放置在半导体激光器100的顶表面的顶部上允许在附接过程期间在激光器芯片与pic基板之间形成两个电触点。
图27示出了实现激光器100至pic基板200的界面的最小耦合损耗所需的对准公差的有限差分时域(fdtd)图2700。该图示出了根据针对激光器100相对于pic基板200的界面的水平和竖直偏移的预期耦合损耗。以纳米(nm)示出了对准的水平和竖直偏移。以分贝(db)示出了耦合损耗。如图所示，当高达50nm的水平偏移并且竖直偏移高达60nm时，使以db的耦合损耗最小化。随着竖直和水平两个方向上的偏移增加，耦合损耗增加。
总之，本公开内容以具有使能结构的新无源组装技术的形式引入了成本有效的精确组装的新范例。这些技术允许自对准和精确的自组装。通过“自对准”部件，精密表面和特征的组合用于要一起配合的部件中，并且使用附加的简单一维有限运动控制的机械引导功能用于在以六个定向度精确地对准的三维中一起锁定配合零件。与现有方法相比这些技术以与简单的“原样”无源组装技术可比拟的速度实现了更好的定位公差。通过精确的自组装，可以与例如通过热循环、差动膨胀、振动、真空和其他物理效应与部件本身一起移动到最终位置中无需外部机械辅助的附加特征使用如以上所述的相同的新精密表面和几何特征。这些技术具有潜力来通过以极低的成本点实现超高的组装精度来彻底改变行业。
本公开内容不限于本文中描述的具体实施方式的范围。实际上，除了本文中描述的那些之外，对于本领域普通技术人员本公开内容的其他各种实施方式和修改从前面的描述和附图中将是明显的。因此，这些其他实施方式和修改旨在落在本公开内容的范围内。此外，尽管出于至少一个特定目的在本文中在至少一个特定环境中的至少一个特定实现的上下文中描述了本公开内容，但是本领域普通技术人员将认识到其有用性不限于此并且可以出于任何数目的目的在任何数目的环境中有益地实现本公开内容。因此，应当考虑如本文中所述的本公开内容的全部范围和精神来解释所阐述的权利要求。
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