具有高密度光学互连模块的波分复用的光学部件的制作方法

本发明涉及波分复用，且特别是涉及与微型反射镜结合使用的透镜阵列，以实现具有良好错位容差的低光学损耗结构。

背景技术：

在光学系统中提高总数据速率的一种选择是使用波分复用(WDM)，以在单一波导芯中传输多个信号通道。这增加了通道密度，允许采用相同数量的纤维芯传送实质上更多的信息。

近来的努力已经集中在具有光电芯片阵列(垂直腔面发射激光(VCSEL)和光电二极管)的结合聚合物(integrating polymer)波导上，以提高光学传输系统的带宽密度。正在开发高容量的低成本制造技术。

然而，用传统的制造方法实现WDM存在挑战。典型地，采用全内反射原理或金金属涂层的微型反射镜用于将来自VCSEL的光耦合到波导芯中，且从波导芯到光电二极管。然而，这些微型反射镜在相关光谱范围内没有波长选择性，而不能用作具有多个波长的光信号的滤波器。因此，需要新的光学布置，以容易以低成本制造，具有低光学损耗，并且与聚合物波导中的高芯密度和多路复用方案兼容。则对于接收器尤为重要，其中相同芯中具有不同波长的几个光通道需要被有效地多路分配(de-multiplex)。导致光学错位的制造误差和不规则可能实质上增加损耗和误比特率，这在光学连接中是不利的。而且，为了达到高带宽，需要具有多个小有源区域和低电容的光电二极管阵列。

技术实现要素：

波分复用(WDM)装置包括波导和设置在反射镜之上的耦合透镜，反射镜形成在波导的传输路径中。反射镜反射从传输路径出来的传入光信号，以通过透镜，并且将来自透镜的光信号进一步反射到传输路径中。光学芯片设置为接近透镜的焦距。光学芯片具有光学滤波器，光学滤波器配置为透射第一波长的光信号，且反射接收的波长在第一波长之外的光信号。

WDM系统包括多个WDM装置。波导和设置在反射镜之上的耦合透镜，反射镜形成在波导的传输路径中。反射镜反射从传输路径出来的传入信号，以通过透镜，且进一步反射来自透镜的信号且进入传输路径。光学芯片设置为接近透镜的焦距。光学芯片具有光学滤波器，光学滤波器配置为透射相应波长的光信号，且反射接收的波长在相应波长之外的光信号。

形成波分复用装置的方法包括在波导的传输路径中形成反射镜。透镜附接到反射镜之上的波导。滤波器形成在光学芯片阵列上。滤波器包括多个交替的电介质层。滤波器配置为透射接收的具有第一波长的信号，且反射接收的具有在第一波长之外的波长的信号。光学芯片阵列设置在透镜的焦距处。

这些和其它特征和优点从下面对其说明性实施例的详细描述将变得显而易见，说明性实施例的详细描述应结合附图来阅读。

附图说明

本公开将参考附图对优选实施例提供下述详细的描述，附图中：

图1是根据本原理的波分复用(WDM)系统的示意图；

图2是根据本原理的经由透镜和反射镜连接到光波导的光学芯片和滤波器的示意图；

图3是根据本原理的经由透镜和反射镜连接到光波导的光学芯片和滤波器的示意图；

图4是根据本原理的经由透镜和反射镜连接到光波导的光学芯片的示意图；

图5是根据本原理的通过各自的透镜和反射镜连接到光波导的系列光学芯片的示意图；

图6是根据本原理的通过透镜和反射镜连接到光波导的光学芯片和滤波器的示意图；

图7是根据本原理的聚合物波导层结构的示意图；

图8是根据本原理的芯片载体层的示意图；

图9是根据本原理的装配的WDM系统的示意图；以及

图10是根据本原理制造WDM系统的方法的框图/流程图。

具体实施方式

本发明的实施例在双微型反射镜之上设置双通透镜阵列，该双微型反射镜在波导芯阵列的路径中。在具有多路分配能力的接收器的情况下，透镜阵列用于对由微型反射镜的一侧反射且从波导平面出来的光束给予微小的倾角，且在布拉格电介质滤波器上以接近法向的角度聚焦光束，布拉格电介质滤波器沉积在光电二极管芯片阵列上。波长中的一个通过滤波器，且传输到光电二极管阵列的有源区域，而其它的波长反射回透镜阵列上，其用于在由微型反射镜的第二侧反射后将传入的信号传输回到波导芯中。

相同的原理应用于具有采用发射不同波长的光的VCSEL阵列的多路复用功能的发射器，光以相反的方向进入，并且几个波长添加到每个芯中。对于每个通道，双通透镜阵列用于将光校准(collimate)且聚焦在电介质滤波器上，通过将其重新对焦将反射的光传输回到波导芯中，并且提高总的错位容差。

现在参考附图，其中相同的附图标记表示相同或类似的元件，从图1开始，其示出了WDM装置100。WDM装置100可构建在有机载体基板上，并且包括发送和接收电信号的处理器101。为了与装置100外通信，处理器101采用传输路径110和接收路径112，其将来自处理器101的电信号转换成在芯片外发送的光信号。对于传输路径110和接收路径112，例如，可采用聚合物波导，以引导光信号从其原点到其目的地。每个通道可包括多个波导芯，每个波导芯携载不同波长的多个信号。

在此特定示例中，传输路径110包括一套四个激光二极管驱动器阵列102，其与四个相应的垂直腔面发射激光(VCSEL)阵列104配对，每一个发射不同波长的光。激光二极管驱动器阵列102中的每个驱动器从处理器101接收电信号且驱动VCSEL阵列104中的VCSEL，以将电信号转换成光信号，其耦合到传输路径110的波导芯中。在接收路径112上，光探测器阵列108和跨阻抗放大器阵列106将接收的光信号转换成由处理器101接收的电信号。传输路径110和接收路径112可各自耦合到光纤阵列，以携载信号到另一个板。

实现这样的设计需要某种波长选择性。特别地，沿着传输路径110，需要将来自VCSEL阵列104₂、104₃和104₄的光耦合到波导芯中，而传输来自阵列104₁、104₂和104₃的光。类似地，在接收路径112上，光探测器阵列108应检测来自波导的单一波长，而其它波长的光在波导芯内传输。

为此，本实施例采用位于VCSEL阵列104和光电探测器阵列108的有源区域上的布拉格滤波器。布拉格滤波器对单一波长是透明的，而对其它的波长是反射的。然而，由于从波导芯出来的光束具有发散角，需要一些光学元件，以将光聚焦在滤波器上以及在波导芯上，以具有低光学损耗。该设计也需要容许光路中部件的可能的错位。特别是在用在阵列108中的光电二极管的情况下，二极管的有源区域直径是小的，以最大化带宽，并且光被紧密地聚焦在正确位置处施重要的，以避免信号损耗。

现在参考图2，其示出了波分复用(WDM)接收器200的一部分。波导芯202和覆层204由例如具有不同折射率的聚合物材料制成。光束206传播在波导芯202中且包括几个波长λ₁、λ₂、λ₃和λ₄。光束206入射在微型反射镜216的一侧之上，其改变了从波导芯202的路径出来的光束206的方向。微型反射镜216可为例如45度气隙，其由全内反射原理操作。在此实施例中，反射镜可采用切割锯或通过激光烧蚀形成。反射镜216可用金属或其它反射层涂覆，从而使用了全内反射之外的原理。

反射的光束通过波导覆层204，且通过设置在反射镜216之上的透镜214。透镜214可由任何适当的材料制成，包括例如玻璃或可类似于波导覆层204的聚合物。透镜214将光束216聚焦在光电装置212上。在如所示的接收器的情况下，光电装置212是检测器，例如光电二极管。光束206入射在滤波器层208上，滤波器层208覆盖检测器200的有源区域210。滤波器层208可为例如布拉格滤波器，其允许单一波长(例如，λ₁)的通过，且反射光束206的其它波长。透镜214配置为以接近法向的角度引导光束206到滤波器层208。接近法向的角度降低了使用布拉格滤波器时滤波器层208的偏振相关性，且提高了其效率。可采用例如3D打印或采用例如模具的其它商业技术来制造微型透镜阵列。微型透镜阵列可用适当的透明粘合剂固定在波导覆层204上。可使用专门的镊子和可机械化的定位机构，将透镜214设置在波导覆层204上。对准标记可存在于结构表面上，以便精确对准。

具有波长λ₂、λ₃和λ₄的反射的光信号二次通过透镜214和波导覆层204a，且然后在再次进入波导芯202前，由微型反射镜216的后一半反射。

透镜214的顶部和滤波器层208之间的距离在本文中用h表示，并且光束206从法向的角度偏移用θ表示。在光束206通过透镜214前，其具有波导芯202内的初始宽度w。

在一个具体实施例中，反射镜206可具有例如50μm的高度和例如100μm的宽度，其每一侧具有面，面对光束206的传播方向成45度角。在此实施例中，透镜214具有120.7μm的半径和217μm的焦距。特别期待的是透镜214可具有光束206两倍大的尺寸。波导覆层204和透镜214二者都具有1.537的折射率，而波导芯202具有1.555的折射率。通常，透镜214可为球形或非球形，并且可具有约150μm至约200μm的底部直径、约40-50μm的中心厚度、以及约100μm至约200μm的焦距。波导芯202可具有约30μm至约50μm的厚度，而波导覆层可具有约20μm至约50μm的顶部厚度和底部厚度。

在一个具体实施例中，滤波器层208由9个周期的层叠周期结构形成。此实施例中的滤波器层208具有交替电介质层的结构，其中第一电介质层是二氧化硅(具有示例性的1.46的折射率)，并且第二电介质层是二氧化钛(具有示例性的2.4的折射率)。

现在参考图3，示出了多路分配器300的可替代的实施例，其可潜在地降低像差和光学损耗。在此实施例中，不采用轴向对称的透镜，而是采用具有平面对称性的透镜302。如所示，平面对称的透镜302可形成为由两个重叠的较小透镜形成的形状，但是应理解，可采用任何适当的形状来降低损耗。

图3还示出了反射镜304，反射镜304具有小于45度的斜坡。在此情况下，反射镜304引导光束206朝着布拉格滤波器208，并且透镜302聚焦光束206。反射的光束206然后通过平面对称透镜302的相对的一半，并且反射离开反射镜304，返回到波导芯202。根据波导的折射率分布和光空间和角功率分布，此配置也可导致在检测器有源区域上的较小的斑点尺寸和较高的错位容差。

现在参考图4，其示出了WDM发射器400的一部分。发射极408设置在透镜214和反射镜216之上。包括一个或多个波长(在此情况下，λ₁、λ₂和λ₃)的光束406由反射镜216反射，通过透镜214，并且由在波长λ₄是透明的滤波器404再次反射。发射极408包括有源区域402，有源区域402可与滤波器404重叠或不重叠。特别期待的是发射器是高速VCSEL，其具有发射波长λ₄的光束410的有源区域402。光束410以法向入射发射，且设置为仅由反射镜216的第二侧反射。它通过透镜214且反射进入到波导芯202的路径中。透镜214在新光束410的路径上具有最小化的影响，因为它垂直于波导平面发射。

现在参考图5，包括四个检测器的系列结构200的完整的多路分配器系统示出在波导500上。在一个具体实施例中，波导芯可传播具有随机极化和四种波长(850nm、940nm、1010nm和1060nm)的光束。伴随着此示例，对于具有在滤波器208上的约10度的入射角的光，第一检测器200₁可具有对范围为850nm至1010nm的高反射率和在1060nm的高透射率。第二接收器200₂则可具有850nm至980nm的高反射率和在1010nm的高透射率，1060nm波长的光不再在波导芯202中。第三滤波器200₃则可具有850nm至950nm的高反射率和在980nm的高透射率，而第四接收器502可完全没有滤波器。第四接收器502不需要波长选择性，因为芯中仅剩一个波长。在一个实施例中，类似的结构用于多路复用器系统中，采用分别在850、980、1010和1060nm运行的四个发射器400。

现在参考图6，不可避免的是在该结构的制造和装配期间，将发生一些错位误差。特别是，从透镜到滤波器的距离将具有误差Δh，并且光电二极管-滤波器组装件602将具有角错位误差α。双通透镜214的一个作用是提高了对该错位的容差，从而实现了全波长上的整体低损耗。检测光斑的总面积应小于光电二极管的有源区域，且完全包含在光电二极管的有源区域内。而且，在由滤波器反射后，波导输出处的图像在波导输入上重现。在上面图2和5中描述的具体实施例中，光束传播计算显示，对于通过接收器200₁、200₂和200₃中的滤波器的多个反射光学路径后，到达接收器502中的最后的光电二极管的基本模式激发输入，+/-0.5度或更低的角误差α以及+/-5μm的位置误差Δh将导致1至4dB范围的功率损耗损失，这对于具有典型总功率预算10至12dB的光学连接是可接受的。

应理解，本发明将根据给定的具有有机载体基板的说明性架构来描述；然而，其它的架构、结构、基板材料以及工艺特征和步骤可在本发明的范围内变化。

还应理解，在诸如层、区域或基板的一个元件称为在另一个元件“上”或“之上”时，它可直接在另一个元件上，或可存在介于中间的元件。相反，在一个元件称为“直接”在另一个元件“上”或“之上”时，没有介于中间的元件存在。还应理解，在一个元件称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可直接连接或耦合到另一个元件，或者可存在介于中间的元件。相反，在一个元件称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，没有介于中间的元件存在。

可在图形计算机程序语言中生成集成电路芯片的设计，并且存储在计算机存储介质(例如盘、带、物理硬盘或诸如存储存取网络中的虚拟硬盘)中。如果设计者不制造芯片或者用于制造芯片的光刻掩模，设计者可能通过物理手段(例如，通过提供存储该设计的存储介质的副本)或电子手段(例如，通过互联网)直接或间接地将产生的设计传输到这样的实体。存储的设计然后转换成适当的格式(例如，GDSII)用于光刻掩模的制造，这典型地包括所讨论的将要形成在晶片上的芯片设计的多个副本。光刻掩模用于限定将要蚀刻的或进行其它加工的晶片(和/或其上的层)的区域。

本文描述的方法可用在集成电路芯片的制造中。产生的集成电路芯片可由制造者以作为裸芯的原料晶片形式(即作为具有多个未封装芯片的单一晶片)分配，或者以封装的形式分配。在后者的情况下，芯片安装在单芯片封装体(例如塑料载体，用引线固定到母板或其它较高级载体)中，或安装在多芯片封装体(例如陶瓷载体，其具有表面互连或埋设互连的任何一个或二者)中。在任意情况下，芯片然后与其它芯片、离散电路元件和/或其它信号处理装置集成，作为下述任何一个的部分：(a)中间产品，例如母板，或者(b)最终产品。最终产品可为包括集成电路芯片的任何产品，范围为从玩具和其它低端应用到具有显示器、键盘或其它输入装置及中央处理器的先进计算机产品。

说明书中参考的本原理的“一个实施例”或“实施例”及其其它变化是指结合该实施例描述的特定特征、结构、特点等包括在本原理的至少一个实施例中。因此，呈现在全部说明书中不同地方的词语“在一个实施例中”或“在实施例中”以及任何其它变化的出现不是必须全部涉及相同的实施例。

应理解，下面“/”、“和/或”以及“至少一个”的任何一个的使用，例如在“A/B”、“A和/或B”以及“A和B的至少一个”的情况下，是指包括仅第一所列选项(A)的选择或仅第二所列选项(B)的选择或者选项(A和B)二者的选择。作为进一步示例，在“A、B和/或C”和“A、B和C的至少一个”的情况下，这样的词语是指包括仅第一所列选项(A)的选择，或仅第二所列选项(B)的选择，或仅第三所列选项(C)的选择，或仅第一和第二所列选项(A和B)的选择，或仅第一和第三所列选项(A和C)的选择，或仅第二和第三所列选项(B和C)的选择，或所有三个选项(A和B和C)的选择。多于很多所列的选项这可延伸，如本领域或相关领域的普通技术人员所容易理解的。

现在参考图7，聚合物波导结构702示出为具有若干平方厘米的示例性区域，其具有两个多通道芯的阵列704₁和704₂，分别用于发射器和接收器部分。凹槽706由结构的背面制作，以形成双侧微型反射镜200。透镜708设置在每个凹槽706与波导704相交处之上。聚合物波导结构702具有例如约10mm乘约25mm的示例性尺寸。

现在参考图8，其示出了芯片载体802。芯片载体802具有约10mm乘约20mm的示例性尺寸，并且可由例如硅或其它适当的电路板材料形成，电路板材料具有约为透镜708的焦距的示例性厚度。孔804形成为使其直径略大于透镜708，并且为电接触形成通孔808。通过例如蒸镀金或其它导体在芯片载体802上形成表面接触806，以形成导电垫。

现在参考图9，芯片载体802固定在聚合物波导结构702的顶部上。使用倒装芯片接合将芯片902和904电连接到与适当的电接触相接触的芯片载体802上。整个结构然后可固定到基板，并且通孔808可用于连接芯片902/904到其它电结构。

现在参考图10，示出了形成完整WDM系统100的方法。区块1002在光学芯片阵列212的有源区域之上形成滤波器208。可通过例如蒸镀二氧化钛和二氧化硅的交替层，以产生在使用中具有在一个特定的波长处的高透射率和在其它波长上的高反射率的滤波器，来形成滤波器208。区块1004采用任意适当的技术制造聚合物波导702，包括在聚合物波导702中形成波导芯206。区块1006在聚合物波导结构702中形成垂直于波导704长度的反射镜706。这可采用例如45度切割锯片实现，以产生通过全内反射运行的反射镜。区块1008将透镜阵列708固定在反射镜706之上。

区块1010制造如上所述的芯片载体802，具有孔804，孔804对准并且尺寸化为容纳透镜阵列708以及电接触806和通孔808。区块1012将芯片载体802固定到波导层702。区块1014然后将光学芯片902/904固定到芯片载体802，用适当的接触806和通孔808提供电连接。

已经描述了用于具有高密度光学互连模块的波分复用的光学部件优选实施例(其旨在为说明性的而不是限制性的)，应注意，根据上面的教导本领域的技术人员可进行修改和变化。因此，应理解，公开的特定实施例可进行变化，其落入如所附权利要求所限定的本发明的范围内。因此，已经连同专利法要求的细节和特性，描述了本发明的方面，在所附的权利要求中提出了所要求的和希望由专利证书保护的内容。