以机械方式对准的光学引擎的制作方法
【专利摘要】一种以机械方式对准的光学引擎包括连接至平台基板第一侧的光电子组件和接合至该平台基板第二侧的透明基板。该透明基板包括机械构件，该机械构件被设计为装配在该平台基板的开口内，使得形成在该透明基板上的透镜与该光电子组件的有效区对准。
【专利说明】以机械方式对准的光学引擎
【背景技术】
[0001]光学引擎常常用来以高速率传送电子数据。光学引擎包括硬件，该硬件用于将电信号传送至光信号、发送此光信号、接收该光信号以及将此光信号转换回电信号。当该电信号用于调制诸如激光器的光源设备时，该电信号被转换成光信号。然后，来自该源的光被率禹合到诸如光纤的光传输介质内。在经过各种光传输媒介穿越光网络并到达其目的地之后，该光被耦合到诸如检测器的接收设备内。然后，检测器基于所接收的光信号产生电信号，以供数字处理电路使用。
[0002]用于将光传输介质耦合到源设备或接收设备的机制一般是通过被称作主动对准的过程进行的。主动对准典型地涉及透镜系统，以将光从源设备引导到光传输介质内或者将光从光传输介质引导到接收设备。主动对准利用反馈信号来调整关键组件的物理位置，其可能是耗时的。在制造期间必须仔细地对准该透镜系统，以使来自源的光功率至光介质的耦合以及返回至检测器的耦合最大化。此过程既耗时又昂贵。此外，在该透镜系统中使用的透镜可能是昂贵的。
【专利附图】
【附图说明】
[0003]附图图示了本文描述的原理的各个示例，并且是本说明书的一部分。这些图仅仅是示例，并不限制权利要求的范围。
[0004]图1是根据本文描述原理的一个示例示出说明性光通信系统的图。
[0005]图2是根据本文描述原理的一个示例示出以机械方式与光传输介质对准的说明性光学引擎的图。
[0006]图3是根据本文描述原理的一个示例示出以机械方式与光传输介质阵列对准的说明性光学引擎阵列的图。
[0007]图4是根据本文描述原理的一个示例示出形成在透明基板中的透镜阵列的说明性俯视图的图。
[0008]图5A至图是根据本文描述原理的一个示例示出用于形成光学引擎的对准结构的过程的说明性步骤的图。
[0009]图6A至图6B是根据本文描述原理的一个示例进一步示出用于形成以机械方式对准的光学引擎的说明性过程步骤的图。
[0010]图7是根据本文描述原理的一个示例示出光传输介质连接器与透明基板之间连接的对准的图。
[0011]图8是根据本文描述原理的一个示例示出用于机械光学引擎对准的说明性方法的流程图。
[0012]在各个图中，相同的附图标记代表相似但不一定相同的要素。
【具体实施方式】
[0013]如上面提到的，用于将光传输介质耦合到源设备或接收设备的机制一般是通过被称作主动对准的过程进行的。该主动对准可能是耗时的且昂贵的。由于该成本的原因，光系统典型地用于电信系统和数据通信系统。电信系统常常涉及跨越数英里至数千英里的地理距离传输数据。数据通信常常涉及在数据中心各处传输数据。这样的系统涉及跨越数英尺至数百英尺的距离传输数据。
[0014]在计算机通信系统中使用光传输系统会受益于由这种光学系统提供的高带宽。带宽指在指定的单位时间内能够传输的数据的量。然而，计算机通信系统典型地涉及跨越数英寸至数英尺的较短距离的数据传输。因此，使用较昂贵的光耦合组件来跨越这样的短距离以光学方式传输数据在经济上常常是不实际的。
[0015]鉴于该问题以及其它问题，本说明书公开了用于以机械方式使光学引擎与光传输介质对准的方法和系统。根据某些说明性示例，将透明基板接合至平台基板。该透明基板可以由诸如玻璃或塑料之类的材料制成，平台基板可以由诸如硅的半导体材料制成。可替代地，平台基板可以由诸如镍的金属材料或塑料材料制成。平台基板包括开口，光通过该开口能够在附接至平台基板一侧的光电子组件与接合至该平台基板另一侧的透明基板之间传输。
[0016]一个或多个透镜被形成到透明基板中。这些透镜用于将穿过该开口的光耦合到连接至该透明基板相对侧的光传输介质内。必须使这些透镜精确对准，使得光在光电子组件与光传输介质之间有效地耦合。为了使这些透镜对准，将机械对准构件形成到透明基板内。该对准构件被设计为精确地装配到平台基板的开口内。在一些情况中，透镜本身可以充当该对准构件。形成在透明基板中或在透明基板上的透镜可以是折射透镜、衍射透镜或高对比度光栅透镜。
[0017]光电子组件包括诸如激光器的发射设备或诸如光电二极管的接收设备。通过焊料回流工艺能够使该光电子组件与该开口准确地对准。下面将介绍关于该焊料回流工艺的更多细节。在光电子组件和透镜两者精确对准的情况下，光将穿过该开口并且被聚焦到靠该透明基板相对侧放置的光传输介质中。在光电二极管与透镜精确对准的情况中，来自光传输介质的光将穿过该开口并且聚焦到光电二极管上。可以利用各种其它机械对准构件来将光传输介质固定至透明基板的相对侧。
[0018]通过使用体现本文描述原理的方法和系统,实现一种使光电子组件与光传输介质对准的简单的、较为经济的方式。不需要进行主动对准过程。该较为经济的对准方式能够使光传输系统应用于计算机通信变得更经济。
[0019]在下面的描述中，为了说明的目的，阐述多个特定细节，以便提供本系统和方法的透彻理解。然而，本领域技术人员将清楚，本装置、系统和方法可以在没有这些特定细节的情况下付诸于实践。在说明书中，对“示例”或类似语言的引用是指与该示例相关描述的特定特征、结构或特性如所描述那样被包含，但是可能在其它示例中不被包含。
[0020]现在参考附图，图1是示出说明性光通信系统(100)的图。根据某些说明性示例，光通信系统包括源设备(102)、稱合机构(104)、光传输介质(106)和接收设备(108)。
[0021 ] 源设备(102)是光发射器，其投射能够被调制来发射数据的光束。源设备(102)可以通过使用电信号对光源进行调制，将该电信号转换成光信号。在光通信系统中可以使用的光源的示例包括发光二极管(LED)和激光器。能够使用的一种激光器是垂直腔面发射激光器(VCSEL)。[0022]VCSEL是垂直于半导体基板的平面投射光的激光器。半导体基板可以包括VCSEL的二维阵列。每个VCSEL可以被不同的电信号调制，因此该阵列内的每个VCSEL能够发射携带不同数据信道的光信号。为了通过由VCSEL产生的光传输光信号，该光被诸如透镜之类的耦合机构(104-1)聚焦或准直到诸如光纤或空心金属波导之类的光传输介质(106)内。
[0023]诸如光纤的光传输介质(106)是被设计为提供光传播的介质。光纤可以弯曲，而光仍从该光纤的一端传播至另一端。光纤典型地包括两种不同的材料。光纤的芯典型地是透明材料。围绕光纤的芯形成透明包覆材料。该包覆材料具有比芯材料的折射率稍小的折射率。这导致被投射到芯中的光从芯的侧面跳向芯的中央。因此，光将沿光纤的全部长度传播，并且在另一端出现。为了使光正确地传播通过光纤，必须通过耦合结构(104-1)对光进行适当地聚焦。
[0024]当传播通过光传输介质(106)的光到达相对端时,稱合结构(104-2)会将该光聚焦到诸如光电检测器之类的接收设备(108)上。光电检测器可以通过根据所接收的光信号生成电信号，来将所接收的光信号转换成电信号。如下面会更详细地描述的，耦合结构(104-2)能够充当解复用器，并且分离光的多个波长，使得多个波长被不同的检测器接收。
[0025]图2是示出其中光电子组件(202)以机械方式与光传输介质(220)对准的的光学引擎(200)的图。根据某些说明性示例，光电子组件(202)使用焊料回流工艺连接至平台基板(214)。对该焊料回流工艺进行设计，使得该光电子组件的有效区(204)与平台基板(214)内的开口对准。此外，将透明基板(218)接合至平台基板(214)的另一侧。对该透明基板进行放置，使得形成在该基板中的透镜(216)与该平台基板中的开口对准。透镜(216)以及光电子组件(202)的有效区(204)的放置使得在透镜(216)与有效区(204)之间耦合光。透镜可以是衍射透镜、折射透镜或者高对比度光栅透镜。
[0026]用于将光电子组件(202)连接至平台基板(214)的焊料回流工艺涉及特殊尺寸的金属接触件(206)的使用。第一组金属接触件(206-1)被形成到该光电子组件自身上。第二组金属接触件(206-2)被形成到平台基板(214)上。在一个示例中，在形成于平台基板(214)底部的金属层上形成钝化层(208)。然后，能够从钝化层(208)中移除特定区域，来暴露金属接触件。
[0027]然后，在第一组金属接触件(206-1)与第二组金属接触件(206-2)之间放置焊料凸块。这些金属接触件可以连接至基板(214)和光电子组件(202)上的电迹线。对该焊料凸块的体积、形状和构成进行精确选择，使得当该焊料被再加热和冷却时，其促使金属接触件(206)彼此对准。光电子组件(202)和平台基板(214)两者上的金属接触件的间距和位置使得当焊料冷却时，该光电子组件的有效区(204)被恰当地放置。有效区(204)的恰当位置是利用形成在该透明基板中的透镜(216)有效地耦合从该有效区发出的光或者由该有效区收集的光的地方。透镜本身也会被对准至恰当位置，使得光在透镜(216)与有效区(204)之间有效地行进。
[0028]在光电子组件(202 )是发射设备的情况中，有效区(204 )是发光的那个部分。根据电信号对该光进行调制，使得该信号内的数据作为光信号传输穿过光传输介质(220)。在光电子组件(202)是接收设备的情况中，则有效区是用于收集之后用来产生电信号的光信号的那个部分。为了有效地将该光信号传送至光传输介质(220)或者从光传输介质(220)有效地接收该光信号，必须通过精确放置的透镜(216 )对光进行适应地聚焦。[0029]代替使用主动对准工艺来放置透镜，形成透镜的透明基板(218)可以包括机械对准构件。机械对准构件可以是位于平台基板(214)上或透镜基板(218)上的凸块或某一其它突出构造。将一个基板的对准构件设计为装配到另一基板的对应构件内。例如，透镜(216)本身可以被用作对准构件。能够对透镜进行设计，使得透镜(216)的外边界精确地装配到平台基板(214)中的开口内。开口和对准构件的尺寸设计使得当透明基板(218)被接合至平台基板(214)时透镜(216)会被放置在恰当的地点。当透镜被放置在该恰当的地点时，其将有效地将来自有效区(204)的光聚焦到光传输介质(220)内。
[0030]光传输介质(220)可以是嵌入在线缆内并且被固定至连接器(222)的光纤。连接器(222)可以容纳一条或多条光纤。可以利用各种对准构件将连接器(222)固定至透明基板(218)，使得光纤芯与透镜将光聚焦至的区域对准。光传输介质(220)可以与透明基板(218)直接接触。在一些示例中，光传输介质(220)可以偏离透明基板(218)或者凹陷到透明基板(218)内。该连接器可以永久地附接或者被设计为可拆卸的。在永久附接的情况下，该连接器能够被最小地设计，而没有诸如锁紧机构的其它构件。
[0031]图3是示出以机械方式与光传输介质阵列对准的说明性光学引擎阵列的图。根据某些说明性示例，开口可以足够宽，以允许数个光束在透镜阵列(306)与有效区阵列(304)之间传输。在一些示例中，多个开口可以足够宽，以允许单独光束或多组光束在透镜阵列(306)与有效区阵列(304)之间传输。
[0032]在一个示例中，透明基板(310)包括对准构件阵列。平台基板(316)内的开口的边界可以被设计为匹配外对准构件(308)的外边界。在该示例中，外对准构件(308)仅用于对准作用，而不作为透镜。然而，在一些情况中，该外对准构件可以被用作透镜。
[0033]光电子组件(302)包括有效区阵列(304)。该阵列(304)内的间距被设计为匹配透镜阵列(306)内透镜的间距。当使用焊料回流工艺使该光电子组件与该开口恰当对准时，有效区会精确地与透镜阵列(306)内的透镜对准。于是，透镜可以将光聚焦到被固定至连接器(312)的光纤(314)的阵列。
[0034]图4是示出形成在透明基板(410)内的透镜阵列(400)的说明性俯视图的图。根据某些说明性示例，对准构件的二维阵列可以用来将透明基板(410)与平台基板恰当地对准。虚线(404)代表外对准构件(402)的外边界。形成在该平台基板内的开口被形成为匹配该外边界。因此，该对准构件阵列装配到此开口内。透明基板(410)还可以包括诸如突起或孔的附加对准构件(408)，用来将光传输介质与该透明基板连接并对准。用来对准该连接器的对准构件(408)精确地被套准至用来将透明基板(410)对准至平台基板的对准构件(402)。
[0035]对准构件(402、406)还可以被用作透镜。在一些情况中，仅内对准构件(406)被用作透镜，而外对准构件(402)仅被用于对准用途。由于用来形成透镜的工艺常常与用来形成对准构件的工艺相同，所以对准构件(402)的形状仍可以被构造为透镜，无论他们是否被用作透镜。这简化了制造透明基板的过程。在一些示例中，对准构件(402、406)可以是单个连续构件，如壁、岛或凹陷构件。
[0036]图5A至图是示出用于形成光学引擎的对准结构的说明性过程步骤的图。图5A是示出包括半导体层(502)、介电层(504)和金属层(506)的说明性平台基板(500)的图。该半导体层由诸如硅的半导体材料制成。介电材料是非导电材料，如二氧化硅。该介电层的作用是防止穿过金属层(506)的电流泄露到半导体层(502)内。在一些情况中，可以使用高电阻性半导体材料，来代替半导体层(502)和介电层(504)。
[0037]图5B是图示钝化层(508)的沉积和蚀刻的图。该钝化层可以是沉积在金属层(506)上方的介电材料。然后，使用光刻工艺，蚀刻掉钝化层(508)的某些区域，来暴露下面的金属层(506)。这些被暴露的区域是用于焊料回流工艺的焊料凸块应被放置的区域。
[0038]图5C是在已经形成穿过平台基板(500)的开口(510)之后该基板(500)的图。可以使用各种蚀刻工艺形成该开口。如上面提到的，该开口被用来使光在光电子组件的有效区与用于将该光聚焦到光传输介质内的透镜之间传输。
[0039]图是示出被接合至平台基板(500)的说明性透明基板(512)的图。透明基板(512)包括可以用作透镜的对准构件。在一些情况中，在这些透镜周围还可以形成不被用作透镜的对准构件。在一个示例中，这些透镜和对准构件可以使用干式蚀刻工艺形成。可以利用其它方法来形成透镜，这些方法包括但不限于冲压、光刻胶回流、注模和压缩模制。
[0040]在透明基板(512)内还可以形成连接器对准构件(516)。该连接器对准构件(516)用来允许光传输介质连接器将其自己对准至透明基板，使得由该透镜聚焦的光被置于光传输介质连接器中的光纤内。这种对准构件的一个示例可以是销孔。在一些情况中，该销孔可以用来提供连接器的粗略对准。粗略对准是指使该连接器处于其最终需要放置的大致区域的对准。该销孔可以由例如喷砂工艺形成。
[0041]在平台基板(500)中可以形成对应销孔。平台基板(500)中的该销孔被套准至所暴露的金属层(506)，以提供连接器与光电子组件的精确对准。精确对准是指使该连接器处于精确位置的对准，该精确对准会有效地允许来自电光组件有效区的光耦合到连接器中的传输介质内。在一些示例中，该销可以包含在用于容纳光电子组件的印刷电路板内。可替代地，该销可以暂时地附接至该印刷电路板并且被配置为与平台基板、透明基板和连接器中的开口配合。该连接器可以是可拆卸的连接器，或者是被设计为永久地附接至该光电子系统的连接器。
[0042]图6A和图6B是示出用于形成以机械方式对准的光学引擎的进一步说明性步骤的图。根据某些说明性示例，透明基板(512)被接合至该平台基板的半导体层(502)。可以使用各种接合方法，包括但不限于阳极接合、热压缩和粘合。如上面提到的，透明基板内的透镜由于形成在该透明基板内的机械对准构件而被适当地对准。这些机械对准构件被具体放置为使得当被放置到平台基板的适当开口内时，这些透镜将被适当地对准。
[0043]为了将该光电子组件固定至该开口的相对侧，将焊料凸块放置在金属层(506)的暴露区上。光电子组件(602)本身包括一组焊料盘或一组具有凸块下金属化的盘。这些盘被设计为具有特定体积、形状和构造以及特定放置，使得当将它们放置到焊料凸块(608)上并且应用焊料回流工艺时，会促使倒装晶片光电子组件精确对准。该精确对准使得该光电子组件的有效区(606)与形成在透明基板(512)中的透镜(514)对准。
[0044]图6B是示出将光学引擎连接至印刷电路板的说明性过程的图。根据某些说明性示例，较大的焊料凸块(614)可以被放置在金属层(506)的较大暴露区上。此外，可以将热沉材料(604)放置在该光电子组件上方。该热沉防止该光电子组件发生过热。在一些情况中，可以在该热沉(604)上方以及在该热沉与光电子组件(602)之间放置导热材料(612)。
[0045]印刷电路板(610)包括用于放置在较大焊料凸块(614)上的一组金属接合盘。于是，焊料回流工艺沿该印刷电路板(610)将平台基板(502)连接至恰当位置。在一些情况中，该印刷电路板可以包括小腔或通孔，在该小腔或通孔中放置用于光电子组件的热沉(604)。在其它示例中，可以将焊料凸块(614)放置在印刷电路板(610)上而不是平台基板(500)上。在一些情况中，可以使用陶瓷基板或柔性电路，来代替印刷电路板。
[0046]图7是示出关于光传输介质连接器(704)与接合至透明基板(708)的平台基板(710)之连接的对准(700)的图。根据某些说明性示例，光传输介质连接器(704)包括对准构件，如销(706)。该销被设计为装配到形成穿过玻璃基板(708)、平台基板(710)的孔内，并且装配到印刷电路板(712)内。销(706)和孔的位置使得当将该销放置在该孔内时，连接器(704)内的光传输介质(702)精确地对准。当精确地对准时，由透镜聚焦的光会恰当地耦合到光传输介质(702)内。
[0047]例如，该销可以被套准至基板(710)中与基板(710)中的开口精确地对准的孔。基板上的这些构件和其它构件之间的精确对准能够通过光刻实现。在此情况下，透明基板(708)中的孔的尺寸能够被加大，以提供粗略对准。孔的形状能够是圆锥形的、圆筒形的或者这两者的组合。该对准方案能够用来实现尾纤连接或可拆卸连接。
[0048]图7所示的对准构件仅是光传输介质连接器(704)可以如何连接至透明基板(708)的一个示例。该销可以是连接器的组成部分，或者是插入在连接器主体中的精确孔内的分离部分。在一些情况中，透明基板(708)可以包括装配到该连接器内的孔中的突起。可以使用允许将光传输介质与透明基板(708)齐平放置或者偏移放置并且恰当对准的任何连接方法。本文描述的关于对准方法的示例仅是说明性方法。可以根据本文描述的原理使用用于提供连接器与透明基板之间的对准的数种其它方法。
[0049]本文描述的原理容易批处理。特别地，平台基板和透明基板可以被形成和接合为晶片。这些晶片之后可以被相应地切割成单独的组件。这种批处理提供更加经济的制造方法。
[0050]图8是示出机械光学引擎对准的说明性方法的流程图。根据某些说明性示例，该方法包括利用机械构件将透明基板晶片接合至平台基板的第一侧，该机械构件形成在透明基板中以装配到平台基板的开口内(框802)，并且将光电子组件连接至该平台基板的第二侧(框804)。形成在透明基板中的透镜被放置为使得在机械构件被装配到该开口内时透镜与光电子组件的有效区对准。
[0051]总之，通过使用体现本文描述的原理的方法和系统，实现了一种使光电子组件与光传输介质对准的简单、较为经济的方式。不需要进行主动对准过程。该较为经济的解决方案能够使光传输系统应用于计算机通信更经济。
[0052]提供前面的描述，仅为了说明和描述所描述的原理的示例。该描述不旨在详尽的，或将这些原理局限于所公开的任何精确形式。鉴于上面的教导，许多修改和变化是可能的。
【权利要求】
1.一种以机械方式对准的光学引擎，包括: 光电子组件，连接至平台基板的第一侧；和 透明基板，接合至所述平台基板的第二侧， 其中所述透明基板包括对准构件，所述对准构件被设计为装配在所述平台基板的开口内，使得形成在所述透明基板上的透镜与所述光电子组件的有效区对准。
2.根据权利要求1所述的光学引擎，其中所述开口使得允许光在所述透镜与所述有效区之间传输。
3.根据权利要求1所述的光学引擎，其中所述透镜包括所述对准构件。
4.根据权利要求1所述的光学引擎，其中所述平台基板和所述透明基板中的至少一个包括关于所述透明基板装配光传输介质连接器的连接器对准构件，所述光传输介质连接器被对准为使得在所述透镜与所述有效区之间传输的光被引导至所述光传输介质连接器的光传输介质中。
5.根据权利要求4所述的光学引擎，其中所述连接器对准构件包括以下之一:所述光传输介质连接器与所述透明基板之间的销孔连接，和形成在所述透明基板中的突起，所述突起精确地装配在形成于所述连接器和所述平台基板中的孔内。
6.根据权利要求1所述的光学引擎，其中所述透镜是透镜阵列中的一个，所述透镜阵列形成在所述透镜基板上并且被放置为使所述光在所述透镜与所述光电子组件上的有效区阵列之间传输。
7.根据权利要求1所述的光学引擎，其中所述平台基板包括以下之一:绝缘体上硅和掺杂硅材料，以及高电阻率半导体材料。
8.根据权利要求1所述的光学 引擎，其中所述透镜包括以下之一:折射透镜，衍射透镜和高对比度光栅透镜。
9.一种用于以机械方式对准光学引擎的方法，所述方法包括: 利用对准构件将透明基板接合至平台基板的第一侧，所述对准构件形成在所述透明基板中以装配到所述平台基板的开口内；以及 将光电子组件连接至所述平台基板的第二侧， 其中对形成在所述透明基板中的透镜进行放置，使得在所述对准构件被装配到所述开口内时所述透镜与所述光电子组件的有效区对准。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述透镜包括所述对准构件。
11.根据权利要求9所述的方法，进一步包括:使用连接器对准构件将光传输介质连接器连接至所述平台基板和所述透明基板中的所述至少一个，所述连接器对准构件被放置为使得在所述透镜与所述有效区之间传输的光被引导至所述光传输介质连接器的光传输介质中。
12.根据权利要求8所述的方法，其中所述透镜是透镜阵列中的一个，所述透镜阵列形成在所述透明基板上并且被放置为使得所述光在所述透镜与所述光电子组件上的有效区阵列之间传输。
13.根据权利要求8所述的方法，进一步包括:使用倒装晶片工艺将所述平台基板连接至以下之一:印刷电路板、陶瓷基板和柔性电路。
14.根据权利要求8所述的方法，其中将所述光电子组件连接至所述平台基板的所述第一侧包括焊料凸块回流工艺。
15.一种以机械方式对准的光学引擎，包括: 光电子组件，连接至平台基板的第一侧，所述光电子组件包括有效区阵列；以及 透明基板，接合至所述平台基板的第二侧，所述透明基板包括对准构件阵列， 其中所述对准构件阵列的外对准构件的外边界被放置为装配在所述平台基板的开口内，使得充当透镜的内对准 构件与所述有效区阵列对准。
【文档编号】G02B6/42GK103858038SQ201180074113
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2011年9月6日 优先权日:2011年9月6日
【发明者】沙吉·瓦格西·马塔伊, 迈克尔·瑞恩·泰·谭, 保罗·凯斯勒·罗森伯格, 韦恩·V·瑟林, 乔治斯·帕诺托普洛斯, 苏桑特·K·帕特拉 申请人:惠普发展公司，有限责任合伙企业