具有形成在半导体基板上的多模耦合器的光学模块的制作方法

本发明涉及光学模块。

背景技术：

日本专利公开no.jp-2010-171922a已披露了包括2×4多模干涉(mmi)耦合器和2×2mmi耦合器的通常被称作90°光混合器的光学器件。前一mmi耦合器将由正交相移键控(qpsk)或差分qpsk的算法调制的光信号转换为第一对光信号和第二对光信号，其中，第一对的光信号彼此同相，并且第二对的光信号也彼此同相。第二mmi耦合器将第一对光信号和第二对光信号中的一者转换为相对于第一对和第二对中的该一者具有正交相位的第三对光信号。

近来，对使光学器件更小以及光学器件的密度更高的迫切需要促生了这样的光混合器：其将mmi耦合器与光电二极管(pd)集成在由磷化铟(inp)制成的基板上。这些光混合器通常通过由铜钨(cuw)制成的载体安装在基座上。然而，被选择来示出均衡差分输出的光混合器的差分输出有时会使正相和负相之间的均衡差增加。本发明提供了对两个输出之间的均衡差的增加进行抑制的光学模块。

技术实现要素：

本发明的一方面涉及包括多模干涉(mmi)器件和载体的光学模块。mmi器件包括其上具有mmi耦合器和波导的半导体基板，其中，波导在半导体基板的顶面中从mmi耦合器纵向地延伸。通过焊料在载体上安装mmi器件。本光学模块的特征在于：mmi器件在半导体基板的背面具有这样的区域：mmi器件的该区域不固定于载体，与半导体基板的顶面中的mmi耦合器重叠，并且沿半导体基板的整个横向宽度延伸。

从下面参考附图对优选实施例的详细描述中能更佳地理解上述和其它目的、方面以及优点，其中：

附图说明

[图1]

图1是根据本发明的实施例的光学模块的平面图；

[图2]

图2(a)示出了光学模块的功能框图，并且图2(b)示出了应用于光学模块中的光混合器的光学布置；

[图3]

图3示出了将光混合器通过载体和第二基座安装在第一基座上的方法；

[图4]

图4是光混合器的平面图；

[图5]

图5是通过载体安装在第一基座上的光混合器的侧视图；

[图6]

图6(a)是载体的透视剖视图，并且图6(b)是载体的俯视图；

[图7]

图7(a)是与图6(a)所示的载体相对比的载体的透视剖视图，并且图7(b)也是与图6(a)所示的载体相对比的另一载体的透视剖视图；

[图8]

图8(a)示出了磷化铟(inp)的热膨胀系数，并且图8(b)示出了氧化铝(al2o3)的热膨胀系数；

[图9]

图9(a)示出了由本实施例的载体导致的应力，图9(b)示出了由图7(a)所示的另一载体导致的应力，并且图9(c)还示出了由图7(b)所示的又一载体导致的应力；并且

[图10]

图10(a)是根据本发明的第二实施例的另一光混合器的俯视图；并且图10(b)是与图10(a)所示的光混合器相对比的光混合器的俯视图。

具体实施方式

接下来，将参考附图对本发明的实施例进行描述。在附图的描述中，彼此相同或相似的附图标记或符号将指彼此相同或相似的元件，并且不重复进行解释。

(第一实施例)

图1是根据本发明的实施例的光学模块1的内部的平面图。光学模块1设置有盒状壳体2，盒状壳体2在其一侧2a中具有信号端口3和本振端口4。下文的描述有时假设方向“前方”和/或“前”为设置有两个端口3和4的一侧；同时，另一方向“后方”和/或“后”为前述一侧的相反侧。与单模光纤(smf)5耦合的信号端口3接收来自smf5的信号光；同时，与偏振保持光纤(pmf)6耦合的本振端口4接收来自pmf6的本振光(locallight)。信号光和本振光分别通过信号端口3和本振端口4进入壳体2。壳体2在除前侧2a以外的其余侧中设置有端子25。端子25包括用于输出从信号光恢复的数据的端子、用于对应用在壳体2中的电路供应电能和偏压的端子、以及接地端子。

光学模块1还设置有两个多模干涉(mmi)器件30以及用于使这两个mmi器件30与各个端口3和4耦合的一些光学元件，这些光学元件包括：偏振分束器(pbs)8、分束器(bs)18、偏斜调整器9和19、半波片11、两个反射镜12和21以及四个透镜系统10、13、20和22。此外，光学模块1在信号端口3与pbs8之间还设置有另一bs14、可变光衰减器(voa)15以及准直透镜16。bs14将来自信号端口3的信号光分成两束，其中一束通过根据信号光的大小而生成电信号的监测光电二极管(mpd)17来检测。

bs14显示出少于10％(通常约5％)的分离比率。voa15使穿过bs14的信号光(即，信号光的未被分离至mpd17的其余部分)衰减。可以通过从壳体2外部提供的电信号来对voa15的衰减进行控制。例如，当采用光学模块1的系统通过mpd17的输出检测到信号光中过剩的能量时，该系统增加voa15的衰减，这将减少mmi器件30接收的能量。准直透镜16准直穿过voa15的信号光。具体地说，信号光优选地被保持在信号端口3的透镜架中的透镜会聚为使得被会聚的信号光的光束腰位于voa15中。因此，与voa15的孔相比，信号光的场尺寸被足够地会聚。准直透镜16可以准直被如此会聚的信号光。由于设置在voa15的下游的光学元件对准直光束可操作，因此mmi器件30可相对于信号光显示出足够的光学耦合效率。

pbs8根据偏振对来自准直透镜16的信号光进行分离。例如，信号光的一个分量(其具有与壳体2的底部平行的偏振)穿过pbs8；同时，信号光的其余分量(其偏振与壳体的底部垂直)在pbs8处被反射。pbs8具有1：1(即50％)的分离比率。穿过和反射关于偏振的关系可以是可选的。信号光的具有与壳体2的底部垂直的偏振的分量可以穿过pbs8；同时，具有与壳体2的底部平行的偏振的其余分量可以被pbs8反射。

偏斜调整器9和第一透镜系统10可以对信号光的在pbs8处被反射并进入另一mmi器件30的分量的光学路径长度进行补偿，偏斜调整器9和第一透镜系统10被置于mmi器件30中的一个与pbs8之间。即，从pbs8到mmi器件30的光学路径比从pbs8到另一mmi器件30的光学路径短了从pbs8到第一反射镜12的距离。信号光的穿过pbs8的分量通过穿过偏斜调整器9并被包括两个透镜的第一透镜系统10会聚而最终进入mmi器件30。

半波片11、第一反射镜12和第二透镜系统13布置在用于信号光的偏振的另一分量的从pbs8到mmi器件30的光学路径上。信号光的在pbs8处被反射的另一偏振分量穿过使偏振旋转90°的半波片11，即，信号光的穿过半波片11的该另一偏振分量具有与用于信号光的穿过pbs8的分量的偏振平面相同的偏振平面。信号光的穿过半波片11的该另一偏振分量通过被第一反射镜12以90°反射并被第二透镜系统13会聚而进入mmi器件30。第二透镜系统13也设置有两个透镜，这两个透镜沿其光轴顺序布置。第一反射镜12可以具有立方体反射镜和/或平板反射镜的类型。

为了使本振端口4与两个mmi器件30光耦合，光学模块1还设置有bs18、偏斜调整器19、第三透镜系统20、第二反射镜21和第四透镜系统22。此外，光学模块1在其前端(即，在本振端口4与bs18之间)还设置有偏振器23。偏振器23可以限定来自本振端口4的本振光的偏振平面。几种原因可能使本振光lo的偏振平面从通常被设定为与壳体2的底部平行或垂直的设计方向移动或旋转。另外，本振光通常由半导体激光二极管(ld)生成，并且ld自然地输出具有椭圆偏振的激光，椭圆偏振的长轴远大于短轴。被设定在光学系统的前端的偏振器23可以使本振光的偏振平面沿设计方向(即，与壳体2的底部垂直或平行地)对准。

bs18将来自偏振器23的本振光分离为两部分，这两部分中的一者穿过bs18；并且，另一者在bs18处被反射。应该注意到，bs18不影响被分离光的偏振。即，穿过bs18的本振光和在bs18处被反射的另一本振光具有彼此相同的偏振平面。bs18具有1：1(即50％)的分离比率。偏斜调整器19和第三透镜系统20被置于bs18与mmi器件30之间。与前述偏斜调整器9类似，偏斜调整器19可以补偿由从bs18和第二反射镜21起的光学路径导致的偏斜。穿过bs18的本振光通过穿过偏斜调整器19并被设置有两个透镜(沿其光轴顺序布置)的第三透镜系统20会聚而进入mmi器件30。第二反射镜21和第四透镜系统22被置于bs18与mmi器件30之间。本振光的在bs18处被反射的部分在被第二反射镜21再次反射并被第四透镜系统22会聚之后到达mmi器件30的本振端口。与第一至第三透镜系统10、13和20类似，第四透镜系统22设置有两个透镜，这两个透镜沿其光轴顺序布置。第二反射镜21可以具有立方体反射镜和/或平板反射镜的类型。

由此，从各个端口3和4进入光学模块1的信号光和本振光通过上述光学系统到达mmi器件30。本实施例的mmi器件30可以具有在由磷化铟(inp)制成的半导体基板上单片集成多个光电二极管(pd)26的所谓的多模光混合器的类型。由mmi器件30中的多个pd26(以下统称为pd26)生成的光电流被放置在mmi器件30后部的放大器24a和24b放大、转换为各个电压信号，并且从端子25输出。

图2a示意性地示出了光学模块1的光学和电学功能框图，并且图2b示意性地示出了被集成在mmi器件30内的光混合器7的功能框图。mmi器件30包括由平面型波导形成的多模干涉(mmi)耦合器，并且在mmi器件30的后端单片集成有pd26，pd26对由mmi耦合器生成的信号光sg和本振光lo的干涉进行检测。

即，参考图2b，光混合器7a或7b包括2×4mmi耦合器27以及在该耦合器27下游的2×2mmi耦合器28，其中两个mmi耦合器都主要由inp制成。第一mmi耦合器27接收信号光sg和本振光lo。尽管在图2b中未明确地示出，但由波导制成的移相器置于第一mmi耦合器27与第二mmi耦合器28之间以使本振光的相位提前或延迟π/2(90°)。两个mmi耦合器27和28生成四个光信号；即，i、/i、q和/q，其中，i表示信号光sg的具有与本振光lo的相位一致的相位的分量(被称为“同相”)，同时，q表示具有与本振光lo的相位正交的相位的分量；并且前缀斜线“/”表示具有与没有该斜线的分量的相位相反的相位的分量。即，本实施例的光混合器7可以以差分形式输出信号光sg的与本振光lo同相的分量，并且还以差分形式输出具有与本振光lo的相位正交的相位的另一分量。由于本实施例的光学模块1设置有两个mmi器件30，并且信号光sg根据偏振被分离为两部分并进入各个mmi器件30。因此，光学模块1可以恢复包含在信号光sg中的差分形式的四个数据，即，ix、qx、iy和qy，其中，x和y表示偏振的方向。

从光混合器7输出的信号光的四个分量进入pd26，并且pd26检测这四个分量的大小。即使当光混合器7仅接收信号光(即，没有本振光进入光混合器7)时，光混合器7也可以输出上述信号光的四个分量。另外，即使当没有信号光sg进入光混合器7(即，仅本振光lo进入光混合器7)时，光混合器7也可以输出本振光的四个分量。

大部分主要由半导体材料制成的常规mmi器件通常具有这样的布置：构成mmi耦合器的波导形成在硅基板上，并且独立于si基板形成的pd与si基板上的波导光耦合。本实施例的mmi器件30将pd26与光混合器7(包括第一mmi耦合器27和第二mmi耦合器28)单片集成在由磷化铟(inp)制成的共同的半导体基板上，这提高了整体性并且可以以紧凑的形式形成光混合器30。

图3是示出通过载体29安装在第一基座31上的mmi器件30的透视图。第一基座31还安装有第二基座32，在第二基座32上安装有上述光学元件。可由氧化铝(al2o3)制成的载体29和第二基座32具有矩形平面形状。第一基座31可以由包含10％的铜的铜钨(cuw)制成并且具有厚度为0.55mm的矩形板形状。载体29具有0.50mm的厚度，并且mmi器件30具有0.10mm的厚度。

与由介电材料制成的其它mmi器件相比，由半导体材料制成的mmi器件可以使其物理尺寸紧凑，这是由于半导体材料的介电常数通常大于介电材料的介电常数，这不可避免地使mmi耦合器的物理尺寸更小。因此，物理尺寸的微小偏差会强烈影响mmi器件的光学性能，具体地说，上述四个输出的相位和振幅会很宽地分散。理想地，正相位输出i和q与负相位输出/i和/q之间的差在载体29上的mmi器件30的安装前后是不变量。实际上要求安装前与安装后之间的差在预定范围内。

可以通过经由各个透镜光纤向本振端口和信号端口提供测试光束并且监测用于裸mmi器件30(这意味着mmi器件30未安装在载体29上)的pd26的输出来估算正相位输出与负相位输出之间的差分振幅。pd26的输出可以通过探测(probing)来检测。差分振幅adiff由下式给定：

adiff＝10×log10(pn/pp)，

其中，pn和pp分别是负相位输出和正相位输出的大小。显示出大于预定阈值的差分振幅adiff的mmi器件作为合格器件可供用于后续过程；但显示出小于预定阈值的差分振幅的那些mmi器件则被从后续过程淘汰。

然而，尽管进行了上述选择，但一些mmi器件在其组装到载体29上之后显示出小于预定阈值的差分振幅。对在组装之后显示出更小的差分振幅的一个推测性的原因是mmi器件30的半导体材料(inp)与载体29的氧化铝(al2o3)之间的线性膨胀系数不同。具体地说，氧化铝的线性膨胀系数大于inp的线性膨胀系数。通过下述方式将mmi器件30安装到载体29上：将载体29加热到大约300℃的温度以便溶解载体29上的焊料，然后将载体29与其上的mmi器件30一起冷却到室温。在以上热处理期间，与mmi器件30相比载体29大大地收缩；因此，mmi器件30在组装之后受到压缩应力，这可能引起或增大对mmi器件的裸布置(baredarrangement)进行估算而得到差分振幅中的偏差。本发明使在热处理期间在mmi器件中引起的应力减小，并且使差分振幅的偏差减少。

图4是本实施例的mmi器件30的平面图。mmi器件30具有矩形平面形状，信号光sg和本振光lo沿该矩形平面形状的纵向传播。mmi器件30在平面形状的中央部分中设置有mmi耦合器27和28。用于将信号光和本振光提供给mmi耦合器27和28以及从mmi耦合器27和28提取干涉光的波导33和34沿mmi器件30的纵向延展。mmi器件30可沿纵向具有4.1mm的长度，同时，沿与纵向垂直的横向具有1.4mm的宽度。

具体地说，第一mmi耦合器27沿纵向朝向信号端口37和本振端口36输出两个波导33；同时，朝向相反侧(布置pd26的一侧)输出四个波导34。本振端口36和信号端口37布置在波导33的各自的端部。第二mmi耦合器28朝向第一mmi耦合器27输出两个波导34并且朝向pd26输出另外两个波导35。

本实施例的mmi器件30设置有相对加宽的平面尺寸，这是由于需要将波导33至35的曲率设定为小。与波导34和35直接耦合的pd26单片形成在mmi器件30内，并且具有波导pd的类型。即，pd26具有包括p-i-n或n-i-p结构的半导体堆叠，其中，i型层用作有源层以将光子转换为导电载流子。本实施例的pd26从波导34和35直接接收光而不经过导电的p型和/或n型层，即，光从i型层侧直接进入i型层。

pd26伴随有连接至pd26的阳极的信号焊盘38，同时，pd26通过连接至偏压焊盘39的各个电阻元件在pd26的阴极中被偏置。mim(金属-绝缘体-金属)电容器42连接在阴极焊盘39与接地焊盘40之间，接地焊盘40经由导通孔43连接至inp基板的背垫金属r。

mmi器件30在基板的背面设置背垫金属r。背垫金属r被分成两部分，其中一部分r1与形成mmi耦合器27和28的区域b重叠，并且另一部分r2与pd26重叠。物理上分开的背垫金属可以减小pd26的漏电流。当前一背垫金属r1与后一背垫金属r2连接时，从偏压焊盘39经过波导34和35向背垫金属r2泄漏的电流增加。

图5示出了通过由氧化铝(al2o3)制成的载体29而安装在第一基座31上的mmi器件30的侧视图。通过例如导电树脂a将载体29安装在第一基座31上；同时，通过例如由ausn制成的共晶焊料h将mmi器件30安装在载体29上。

载体29具有带纵向和横向的矩形块的形状。图6a是载体29的纵向剖视图的透视图，并且图6b示出了载体29的平面图。载体29在面向mmi器件30的顶面29a中设置有台阶c。台阶c沿载体29的整个横向宽度延伸从而覆盖区域e1，区域e1与mmi器件30中的形成第一mmi耦合器27和第二mmi耦合器28的区域b对应。顶面29a起测量，台阶c具有例如80μm的深度。当mmi器件30在载体29的顶面29a中安装在载体29上时，inp基板的背面中的区域b与台阶c分开。因此，可以抑制由于线性膨胀系数之差而在mmi器件30中引起的应力，并且可以显著地减小在mmi器件30安装在载体29上之后出现在mmi器件30的输出中的差分振幅的偏差。接下来，通过与其它类型的载体的对比，对本实施例的载体29的优点进行描述。

图7a示出了根据与图6a所示的本实施例相对比的第一实例的载体101的透视剖视图，并且图7b还示出了根据第二比较例的另一载体102的透视剖视图。图7a所示的前一载体101设置有与本发明相同的矩形块，但不在载体101的顶面上设置任何台阶c。图7b所示的后一载体102设置有矩形块和台阶k，但台阶k在载体102的各侧终止(terminated)。即，载体102设置有这样的台阶k：其最高高度低于围绕该台阶k的区域；而当mmi器件安装在载体102上时，mmi器件的周边被固定于载体102。

当mmi器件30安装在各个载体29、101和102上时，对mmi器件30的形成mmi耦合器27和28的中央区域中引起的应力进行估算。如下地执行将mmi器件30安装在载体29、101和102上的过程：将载体29、101和102的温度提升到高于焊料的熔化温度的300℃并且将mmi器件30附接到载体29、101和102上；然后将温度冷却到25℃的室温。在300℃下，由于焊料熔化，因此在mmi器件30中实质上不引起应力。

图8a示出了inp的线性膨胀系数，并且图8b示出了氧化铝(al2o3)的线性膨胀系数。材料(即，用于mmi器件30的inp，用于载体29、101和102的al2o3以及用于第一基座31的铜钨(cuw))固有地具有各自的膨胀系数。因此，当载体29、101和102的温度从300℃被冷却到室温25℃时，由于275℃的温度差导致的部件的物理尺寸之间的差异而在部件之间引起机械应力。具体地说，inp与al2o3之间的膨胀系数之差变得处于主导地位，这是由于inp与cuw之间的差异可以通过在inp与cuw之间夹置al2o3而缓和。

如图8a所示，对于300℃到25℃的温度，磷化铟(inp)的膨胀系数从6.98变为4.67(单位为10^-6/k)；另一方面，如图8b所示，氧化铝(al2o3)的膨胀系数也从7.65变为5.40。尽管未在附图中示出，但对于这些温度，铜钨(cuw)的膨胀系数也从7.39变为6.66。然而，cuw的变化比inp和al2o3的变化小。此外，如上文所述，由cuw制成的第一基座31间接与由inp制成的mmi器件30接触，即，第一基座31将载体29、101和102夹置在第一基座31与mmi器件30之间；因此，由cuw制成的第一基座31对应力起次要作用。参考图8a和图8b，在从25℃到300℃的全部温度中al2o3的膨胀系数超过inp的膨胀系数。然后，在300℃的温度下将mmi器件30安装在载体29、101和102上，并且将温度冷却到室温25℃；与mmi器件30相比，载体29、101和102更多地收缩，这意味着mmi器件30朝下弯曲，并且总是会在mmi器件30中引起应力(即，用于恢复平面状态的压缩应力)。

图9a至图9c示出了在安装在各个载体29、101和102上的mmi器件30中，在mmi器件30的纵向上引起的应力。在图9a至图9c中，x、y和z分别与在mmi器件30中引起的纵向、横向和竖直应力对应。如图9b所示，第一比较载体101(其具有用于将mmi器件30安装在第一比较载体101的整个顶面中的常规布置)在mmi器件30的全部纵向位置上引起约-28mpa的应力。对于图9c所示的第二比较载体102(其具有mmi器件30的周边被固定于载体102的布置)也引起了与第一常规载体101所引起的应力大小大致相同的应力。由于载体102的各个横向侧被固定于mmi器件30，因此在mmi器件30中引起的应力与第一比较载体101中引起的应力变得大致相同。

另一方面，对于图9a所示的本实施例的载体29，由于载体的仅纵向侧被固定于mmi器件30，这意味着在mmi器件30中引起与比较载体101和102中出现的应力大致相同的应力。然而，mmi器件30的横向y上的各个端部不受载体29约束，mmi器件30中在横向(y方向)上的引起的应力以不同于比较载体101和102中出现的横向上引起的应力的方式作用，并且在从1.3至2.1mm的中央部分中大致为零。如图4所示，mmi耦合器27和28布置在mmi器件30的中央区域b中，并且在该中央区域b中出现的应力影响这些mmi耦合器27和28的光学性能。如图9a所示，本实施例的载体29在中央区域b中实质上不引起应力。

因此，本实施例的载体29设置有这样的台阶c：其以较宽的范围包含面向mmi器件30的中央区域b的区域e1，并且沿载体29整个横向宽度延伸。即，载体29在以较宽范围包含中心e1并沿载体29的整个横向宽度延伸的区域中不与mmi器件30接触，这可以有效地抑制在mmi器件30的形成有mmi耦合器27和28的中央区域b中引起的应力。

(第二实施例)

本发明的第一实施例的光学模块1在载体29的顶面29a中设置有沿载体29的整个横向宽度完全延伸的台阶c，台阶c与安装在载体29上的mmi器件30之间具有间隙。如图10a所示，第二实施例的光学模块从mmi器件30a的一端到另一端在整个横向宽度上去除了mmi器件30a的背垫金属r，这形成了即使当mmi器件30a安装在载体29上时也不与载体29紧密接触的区域。

除背垫金属r以外的其它布置与第一实施例的布置大致相同。mmi器件30a的背面中的形成背垫金属r的区域通过焊料h与载体29紧密接触；但未覆盖背垫金属r的其它区域没有焊料h，这意味着即使mmi器件30a安装在载体29上，其它区域也与载体29形成间隙，或者不能牢固地固定于载体29。

第二实施例的mmi器件30a将同与本mmi器件30a相对比的mmi器件130进行比较。相对比的mmi器件130设置有这样的区域：该区域与mmi耦合器27和28重叠，未覆盖有背垫金属r，但在mmi器件130的各个横向端中留有背垫金属r。对于这种mmi器件130，mmi器件130中的应力与在mmi器件30的全部背面中留有背垫金属r的mmi器件30中的应力大致相同。然而，由于mmi器件30a的横向端实质上不受载体29约束，因此第二实施例的mmi器件30a在横向上实质上不引起应力。

因此，第二实施例的mmi器件30a在与mmi耦合器27和28重叠的区域x1中去除了背垫金属r，并且以沿整个横向从一端延伸到另一端的方式去除背垫金属r。即，mmi器件30a在除与mmi耦合器27和28重叠的区域x1以及从区域x1横向地延伸到mmi器件30a的端部的附加区域以外的区域中设置背垫金属r。因此，可以使在与mmi耦合器27和28重叠的区域x1中引起的应力实质上消失，并且可以减小在mmi器件30a在载体29上安装前后mmi器件30a的输出中的差分振幅的偏差。

虽然出于示例的目的，描述了本发明的具体实施例，但对于本领域的技术人员而言显而易见的是可以进行许多变型和修改。因此，所附权利要求书意图涵盖落入本发明的真实精神和范围内的所有这些变形和修改。