光电设备、组装光电设备的方法以及光学插座支承部件与流程

政府权利声明

本发明是在政府支持下、按照由doe授予的de-ac52-07na27344号主合同完成的。政府享有本发明中的一些权利。

本公开一般地涉及一种光电设备、一种组装光电设备的方法以及一种用于光电设备的光学插座支承部件。

背景技术：

光电通信(例如使用光信号来传输电子数据)作为潜在解决方案变得越来越普遍，这些解决方案至少部分地用于解决在如下应用中对高带宽、高质量及低功耗数据传递的日益增长的需求：例如高性能计算系统、大容量数据存储服务器和网络设备。具有多个电子部件和光学部件的光电系统或设备、例如光子集成电路(pic)可用于转换、传输或处理光信号或电子数据。光信号可经由包括一个或多个光连接器的不同的传输介质从板到板、从芯片到芯片、从系统到系统、从服务器到服务器、或从设备到设备进行传送、传输或传播。

技术实现要素：

在一个方面中，本申请的实施方式提供一种光电设备，所述光电设备包括：基板；设置在所述基板上的光学中介层；设置在所述光学中介层上的电子部件；设置在所述光学中介层上或设置在所述光学中介层中的光学部件，所述光学部件与所述电子部件电通信和/或光通信；光纤；耦合至所述光纤的套圈；光学插座，所述套圈容纳在所述光学插座中，当所述套圈容纳在所述光学插座中并且所述光学插座安装在所述基板上时，所述光学插座用于将所述套圈与所述光学部件对准，所述光学插座能够结合至具有不同规格的支承构件；支承构件，所述支承构件设置在所述基板与所述光学插座之间，使得所述光学插座通过支承构件与所述基板间隔开，所述支承构件结合至所述基板以及所述光学插座二者，以便将所述光学插座支承在所述基板上。

在另一个方面中，本申请的实施方式提供一种组装光电设备的方法，所述方法包括：提供基板，所述基板包括设置在基板上或设置在基板中的电部件和光学部件，所述电部件和光学部件彼此电通信和/或光通信；将耦合至光纤的套圈定位在光学插座中；将支承构件结合至所述基板；以及将所述光学插座结合至所述支承构件，所述支承构件将所述光学插座支承在所述基板上。

在又一个方面中，本申请的实施方式提供一种用于光电设备的光学插座支承部件，所述光学插座支承部件包括：支承构件，所述支承构件包括：相对的侧壁；在所述相对的侧壁之间延伸的平坦表面；以及凹式封装部，所述相对的侧壁能够结合至基板并且所述平坦表面能够结合至光学插座，使得当所述支承构件结合至所述光学插座和所述基板二者时，所述支承构件将所述光学插座支承在所述基板上，并且其中，当所述支承构件结合至所述光学插座和所述基板二者时，所述凹式封装部沿着设置在所述基板上的光学部件的两个或更多个侧延伸。

附图说明

在下面的详细描述中参照各附图描述了一些示例，在附图中：

图1a图示了根据本公开的光电设备的一种示例；

图1b图示了图1a的光电设备的分解视图；

图2a图示了图1a的光学插座的放大的俯视透视图；

图2b图示了图1a的光学插座的放大的仰视透视图；

图3a图示了图1a的支承构件的放大的俯视透视图；

图3b图示了图1a的支承构件的放大的仰视透视图；

图4a图示了根据本公开的光电设备的另一示例；

图4b图示了根据本公开的光电设备的又一示例；以及

图5是示意性地图示了根据本公开的用于制造或组装光电设备的方法的一种示例的流程图。

具体实施方式

通常，光电系统或设备包括一个或多个光连接器，用于将光信号传送、传输或传播到光电设备(例如芯片、基板、套件(package)、片)上或从所述光电设备传送、传输或传播出去。所述光连接器可能需要精密成型的零件或部件，以便在光电设备的一些部件(例如光学部件与光学套圈)之间提供适当的对准(例如微米级对准或微米级公差)。由于在各部件之间可能必要的高度对准，包括光连接器的一些零件或组件经常难以制造并且因此是昂贵的。

这种精密零件的一种示例是光学插座，所述光学插座构造用于对准或光学耦合到光学套圈，在光学套圈中组装有一根或多根光纤，光纤进而相对于(例如设置在光电设备的光电基板上的)光学部件对准。典型地，光学插座将精确对准并随后结合(bonded)至光电基板上，该光电基板可包含或包括以下中的一个或多个：电子印刷电路板(pcb)或其它合适的电路板(例如硅、有机材料)、设置在电路板之上的基板层、硅中介层、或结合在电路板或基板层的顶部上的中介层(interposer)的组合。由有机基板和硅中介层的多个堆叠层构成的更复杂的结构也是可能的。取决于系统几何结构和附接方法，光学插座可结合至基板(例如基板层或电路板)或结合到安装在基板的顶部上的中介层。中介层可具有各种不同的尺寸，其宽度或长度可从几毫米至20毫米或更大。如果光学插座构造成用于结合至或以其它方式安装至基板，则对于光学插座而言可能需要跨接结合在基板或电路板的顶部上的中介层。在这种情况下，可能需要各种不同的光学插座尺寸以对应于可用的各种不同的中介层尺寸。

如前所述，所述光学插座通常包括精度极高的对准特征部。这些对准特征部可以是正或凸的对准特征部、例如引导销(例如具有在+/-1微米范围内的直径公差，并且引导销对之间的间距控制为小于5微米)。所述插座中的对准特征部也可以是负或凹的、例如是引导孔或槽。当光学插座包括正的对准特征部时，与其配合的套圈包含对应的负的特征部。在一些实施方式中，具有负的对准特征部的光学插座与具有对应的正的特征部的套圈配合。

光学插座典型地通过注塑成型或金属成形(例如精密冲裁或冲压)的工艺制成。这些工艺非常广泛地用于电子部件的制造，并且通常属于可用的最经济的制造工艺。然而，例如成型和冲压典型地不用于生产具有在+/-1微米到+/-5微米范围内公差的零件。生产(例如对于高效光学数据传输而言是需要的)这种精密零件可能需要使用非常昂贵的成型设备和专用成型材料。被注入构成光学插座的塑料的金属模具可能仅包含1个或2个型腔，每个型腔在一个成型生产循环期间生产单个零件。这与可包含64个或128个型腔的更标准的注射模具形成对比，由此相比而言，这些更标准的注射模具的每个循环的产量增加了100倍或更多倍。最后，实际的成型过程通常必须比平常进行得更慢，以便最小化所产生的光学插座的热变形。完善这种高精度零件的工艺是极其耗时的。每个新设计的部件都与其前一个部件表现不同，并且需要投入大量专业的技术关注，以使新设计的部件符合规范。显然，与标准公差零件相比，各因素的这种组合导致超高精度成型零件的成本显著地相对增加。

在这些约束内，高度期望的是，使高精度零件的类型尽可能少并在尽可能多的应用中使用现有的合格零件。根据本公开，实现这种结果的一种方式是如本文所述的那样将光学插座分成两个部分：高精度光学插座(例如光学插座114)和精度低得多的支承或基座构件(例如支承构件116)。以这种方式，无论系统的几何结构如何，通常更昂贵的高精度光学插座可通过与通常较便宜的支承构件相组合地组装在一起使用。所述支承构件可制成为具有不同的尺寸，如本文所描述的那样。

如本文所描述的、根据本公开的各实施方式的那样，除了重复使用高精度的光学插座的益处之外，将支承构件结合至电路板或基板的其它部分上(这与将光学插座结合至安装在基板上的中介层相反)还有附加的益处。这种方法将光学插座从中介层的表面移除并且将附接强度转移到中介层下方的电路板或基板上。光学插座存在于中介层的顶部上或直接附接至中介层可能会由于机械应力或引发的电场效应而导致不期望的结果。另外，可通过利用基板或电路板上的附加区域(中介层上没有这种附加区域)来附接至支承构件上，来增大光学插座与基板之间的机械结合强度。这在将机械力施加至离开套圈或光学插座的光缆(这可能会影响所述结合，如在这种情况下经常发生的那样)时是特别重要的。支承构件甚至可通过回流焊接附接至基板或电路板，从而提供极其牢固的机械附接。

然而，还应注意的是，存在如本文所描述的各实施方式，其中，支承构件直接结合至安装在电路板或基板上的中介层。为了满足几何结构要求(例如节省空间)、利用现有零件或出于其它原因，可以这样做。在这种情况下，由于可用的中介层的几何结构的预期几何变化，将单一尺寸的光学插座与较便宜的(例如可制造成多种尺寸的)支承构件组合地使用仍是有益的。

本公开的实施方式提供了改进的光电设备或该光电设备的制造或组装方法，以便在一些部件之间提供精确或高度的对准，同时有效地使用整个系统体积、降低制造复杂性或降低制造成本。例如，可制造或构造不同尺寸的便宜的支承构件，用于配合不同尺寸的中介层或基板。可耦合至这种支承构件的一种或单一尺寸的光学插座可用于在光学套圈与(固定在或以其它方式设置在中介层或电路板上的)光学部件之间提供所需的高精度对准。构造成配合特定尺寸的中介层或基板的便宜的支承构件可组装至单一尺寸的光学插座，以便将光学插座相应地安装至基板或中介层上。

图1a至图1b图示了根据本公开的光电系统或光电设备100的一种示例。光电设备100包括基板102(例如有机基板层)。基板102可包括设置在电路板之上的基板层。基板102可用作用于安装在、或以其它方式设置在中介层112(例如光学或电光中介层)上的电子和光学部件的基底或共用载体。例如，一个或多个电子部件104以及一个或多个光学部件106(例如透镜阵列)可设置在中介层112上或设置在中介层112内。光电设备100可包含诸如波导、光栅耦合器、电光调制器、光电探测器、或用于将电信号转换为光信号(或反之亦然)的其它电光部件等元件。虽然在图1a至图1b中没有具体图示，但是中介层112可包括多个层(例如导电层、半导体层、电介质层或绝缘层)。中介层112可包括夹在各半导体层之间的绝缘层。例如，中介层112可以是绝缘体硅片(soi)基板或玻璃上硅片(silicon-on-glass)基板。在一些实施方式中，中介层112包括绝缘层，例如由二氧化硅或其它绝缘氧化物材料构成的埋氧层(boxlayer)。在其它实施方式中，所述绝缘层由其它绝缘材料(例如蓝宝石、金刚石或玻璃)构成。

所述一个或多个电子部件104与(例如如下文更详细描述的那样包含在中介层112或基板102中或上的，)电光部件处于电通信，所述电光部件在传输模式中将电信号转换为光信号，光信号穿过透镜阵列106传输到套圈(例如套圈110)中。当在接收模式中操作时，光信号从光学插座(例如光学插座114)上的套圈传输到透镜阵列中，这些光信号在所述透镜阵列中被聚焦到嵌入位于透镜阵列下方的中介层中的电光部件上、被转换成电子信号、并且最终被传递至电子部件104进行处理。如下文结合图4a和图4b更详细描述的那样，光电设备100可包括中介层112，用于连接(例如光学地、或电学及光学地连接)一个或多个电子部件和光学部件。所述一个或多个电子部件104可包括、但不限于集成电路、处理器、芯片组、电路板、或它们的组合。所述一个或多个光学部件106可例如包括单透镜、透镜阵列、光纤插芯(fiberstud)、或光锥。集成到中介层112或基板102中的电光部件可包括但不限于光发射器、光检测器、光电探测器、波导、调制器、加热器、滤波器、以及它们的组合。例如，光学部件106可以是透镜或透镜阵列，所述透镜或透镜阵列构造成用于在将光信号从光发射器传递到光检测器或者向/从(光学地耦合至所述透镜或透镜阵列的)光收发器或光纤传递光信号之前，收集、准直、聚焦或集中光信号。垂直腔面发射激光器、发光二极管、分布反馈半导体激光二极管、或微型激光器是常用的光发射器或光源的示例。表面受照光电二极管、波导光电探测器或光电晶体管是常用光检测器的示例。

光电设备100进一步包括光纤108和(例如光机地)耦合至光纤108的套圈110。光纤108的第一端部可终止于套圈110内或以其它方式耦合或结合至所述套圈。在一些实施方式中，光纤108的第二端部可耦合至设置在基板102外或远离基板地设置的光发射器、光检测器或光收发器(在图1a至图1b中未示出)。光纤108可向或从光学部件106传送或传输光信号(例如传送或传输到光电设备100上或从光电设备传送或传输出)。光纤108可以是单根光纤或光纤阵列。光纤108可以是单模光纤、偏振保持光纤或多模光纤。

光电设备100进一步包括光学插座114，所述光学插座构造成(例如设计形状或设计尺寸为)用于在该光学插座中容纳和保持套圈110。如下文更详细描述的那样，当套圈110被容纳(例如定位、设置、插入)在光学插座中并且光学插座114通过支承构件116安装在或安装至基板102上时，光学插座114将套圈110与光学部件106对准。例如，当套圈110容纳在光学插座114中并且光学插座114通过支承构件116安装在或安装至基板102上时，耦合至套圈110的光纤108可与光学部件106的透镜对准，使得光信号可从光学部件106传递或传输至光纤108，或反之亦然。

参照图2a至图2b中的光学插座114的放大的视图，为了如上所述在套圈110与光学部件106之间提供精确的对准，光学插座114是精密地成型或制造的零件或部件，其包括制成为具有微米公差(例如小于+/-5微米的公差，在一些情况下为+/-1微米的公差)的精密的对准特征部。例如，光学插座114可包括容纳部220，所述容纳部的形状、尺寸或规格设计为用于容纳套圈110。特别地，容纳部220的形状或轮廓可构造成与套圈110的本体的对应形状或轮廓相匹配或配合。

在一些实施方式中，光学插座114可包括一个或多个对准特征部222(例如机械的附接特征部)，所述一个或多个对准特征部构造成用于与套圈110的对应的对准特征部111配合，以便将套圈110对准至光学插座。例如，光学插座114可包括一个或多个凸连接特征部，所述一个或多个凸连接特征部构造成用于与套圈110的对应的凹连接特征部配合，或反之亦然。凸连接特征部可包括销、杆或突起，并且凹连接特征部可包括孔、开口或空腔。在一些实施方式中，光学插座114可包括一个或多个对准或连接特征部224，所述一个或多个对准或连接特征部224构造成用于与如下文更详细描述的支承构件116的对应的对准或连接特征部(例如开口或槽344)配合。

仍然参照图1a至图1b，光电设备100进一步包括支承构件116。如上所述的那样，光学插座114通过支承构件116固定地安装在基板102上或安装至基板102。支承构件116设置在基板102与光学插座114之间，使得光学插座114通过支承构件116与基板102间隔开。支承构件116可结合(例如固定地附接、组装或以其它方式物理地耦合)至基板102(例如，或中介层112)和光学插座114两者上，以便在固定位置将光学插座114支承在基板102上。支承构件116可为光学插座114提供基座，以坐落或者被设置在光学插座114与基板102之间。

在一些实施方式中，支承构件116被焊接至基板102或借由粘合剂(例如可固化的粘合剂或环氧树脂)粘合至基板102。支承构件116可由能够在有限时间段(例如通常短于1分钟的时间段)内承受多个回流焊接温度循环(例如高达270℃)的材料构成。在一些实施方式中，支承构件116借由粘合剂(例如可固化的粘合剂或环氧树脂)粘合至光学插座114。在其它实施方式中，使用焊料或通过用激光器或其它聚焦加热方法局部熔化插座来将支承构件116结合至光学插座114。

在一些实施方式中，支承构件116可在光学插座114与基板102之间或在光学插座114与中介层112之间提供应变消除，因为光学插座114未直接耦合或结合至基板102或中介层112。在其它实施方式中，支承构件116可由材料(例如金属材料)构成，并且用作为对于其所覆盖的或设置在其下方的光学部件或电子部件的电磁屏蔽装置或射频屏蔽装置。在一些实施方式中，在光学插座114结合至或以其它方式附接至支承构件116之后，光学插座114可从支承构件116移除或拆卸，而不损坏光学中介层112、基板102或光学部件106中的一个或多个。如此，光学插座114可从光电设备上移除，以便提供模块性(例如用于修理、检查或更换)。

支承构件116是对于制造而言相对便宜的零件或部件。例如，在一些实施方式中，支承构件116由金属片或塑料片构成。支承构件116可在不进行精密地成型或制造的情况下形成或构成。即，相比于光学插座114而言，支承构件116可构造成不具有用于将套圈110与光学部件106对准的微米级公差的对准特征部。以这种方式，用于支承构件116的制造成本、时间和复杂性可相对于光学插座114的制造成本、时间和复杂性显著降低。另外，可在不严重影响制造成本的情况下，构造多种或不同尺寸或规格的支承构件116，用于装配在或跨接在具有不同尺寸的基板102或中介层112之上。如下文更详细描述的那样，单一或一种尺寸的光学插座114可结合至不同或各种尺寸的支承构件116，以便将光学插座114安装至具有不同规格的基板或中介层。

一起参照图1a以及图4a至图4b，光学插座114可结合至具有不同规格的支承构件116、416a和416b。支承构件416a和416b可包括本文所述的支承构件116的任何特征中的一个或多个特征。光电设备100、400a和400b的相应的中介层112、412a和412b可分别具有不同的宽度w1、w2和w3，其中，w1<w2<w3。相应的支承构件116、416a和416b可分别具有对应的不同宽度w4、w5和w6，以便装配在(例如跨接在)相应的中介层112、412a和412b上，其中，w4<w5<w6。以这种方式，单一尺寸的光学插座114可与不同尺寸的支承构件一起使用，以便被安装至不同尺寸的基板或中介层。可为对于制造而言相对更昂贵的光学插座114提供单一库存单位(sku)，而可为尺寸不同的、对于制造而言相对便宜的支承构件(例如支承构件116、416a、416b)提供多个库存单位。虽然提及不同的宽度，但除了宽度以外或替代宽度，相应的中介层和支承构件可具有不同的对应的长度或高度。

参照图3a至图3b中所图示的支承构件116的放大的视图，在一些实施方式中，支承构件116可具有基本u形的构型。然而，支承构件116不限于这种构型。支承构件116可包括在两个相对的侧壁334和336之间延伸的支承表面332(例如平坦的表面)。光学插座114可结合至支承表面332，而基板102可以结合至所述两个相对的侧壁334和336。在一些实施方式中，侧壁334和336分别包括要与基板102直接接触的支座或安装脚338和340。光学插座114还可包含形成在下表面上的特征部(例如圆柱突起)，这些特征部与支承构件116的上表面配合。在这种情况下，将穿过支承构件116的上表面形成对应的特征部(例如圆孔或长形槽)，以便容纳光学插座114上的定位特征部。这些特征部可用于在光学插座114与支承构件116之间提供粗略对准，或者可用于提高将光学插座结合至支承构件的粘合接合部的附接强度。

在一些实施方式中，支承构件116包括凹式封装部342，当支承构件116结合至基板102或中介层112时，所述凹式封装部沿着光学部件106的两个、三个或四个侧延伸。该凹式封装部342可用于防止或减少污染物或碎屑进入套圈110、光学部件106(例如透镜阵列)和制造在中介层112的表面上的各电光部件之间的光路中。凹式封装部342作为污染物防护装置的有效性可通过在中介层112的顶表面或上表面与凹式封装部342的相对表面之间分配粘合剂滴来增强。当粘合剂固化时，粘合剂可有效地封闭可能存在于中介层112与支承构件116之间的任何间隙，并且防止所有污染物从光学插座114下方进入。凹式封装部342的贯通开口344允许光信号在光学部件106与耦合至套圈110的光纤108之间穿过该贯通开口。进一步地，在一些实施方式中，贯通开口344可起到连接特征部的作用，该连接特征部构造成用于与光学插座114的连接特征部224配合。例如，开口344可以是构造成用于在其中容纳连接特征部224的槽。

图5图示了根据本公开的、制造或组装光电设备(例如光电设备100、400a、400b)的一种示例性方法的流程图。方法500从框550开始，在框550中，提供基板102，所述基板包括设置在该基板上的电部件104和光学部件106。电部件104和光学部件106构造成彼此电通信、光通信、或光通信并且电通信。在框552，将耦合至光纤108的套圈110定位在光学插座114中。在框554，将支承构件116结合至基板102上。在框556，将光学插座结合至支承构件116。支承构件116将光学插座114支承在基板102上。在一些实施方式中，在将光学插座114结合至支承构件116之前，将支承构件116结合至基板102。在其它实施方式中，在将支承构件116结合至基板102之前，将光学插座114结合至支承构件116。在一些实施方式中，该方法提供如本文中所描述的光电设备的光发射部件与光接收部件之间的对准。

在一些实施方式中，如本文中描述的那样，支承构件116直接结合至基板102或基板102下方的电路板。在其它实施方式中，支承构件116直接结合至设置在基板102上的中介层112。在另外的其它实施方式中，支承构件116结合至基板102并且跨接中介层112或相对于中介层悬置。在一些实施方式中，方法500可包括：在不损坏基板102、光学部件106或中介层112的情况下，将光学插座114从支承构件116上移除或拆卸，(例如为了修理、更换或检查光学插座114或光学插座中的其它部件)。

在一些实施方式中，方法500可进一步包括：在将光学插座114结合至支承构件116之前、或者在之前已经将插座114结合至支承构件116的情况下将插座114和支承构件116二者结合至基板102之前，通过使用图形识别或智能机器视觉一方面对套圈110或光学插座114进行被动对准(passivealignment)、另一方面对光学部件106或光学中介层112进行被动对准，以使一个或多个机械对准特征部(例如对应的对准特征部222、111，贯通开口344和连接特征部224，或容纳部220)对准。

在一些实施方式中，方法500可进一步包括：在将支承构件116结合至基板102之前、在将光学插座114结合至支承构件116之前、或在将支承构件116结合至基板102之前并且在将光学插座114结合至支承构件116之前，将套圈110或光学插座114与光学部件106或光学中介层112主动对准(activealignment)。在这种实施方式中，方法500包括激活光源(例如设置在基板100上并耦合至光学部件106的光源，或设置在基板100外并耦合至光纤108的光源)，以便在光纤108与光学部件106之间发射光。方法500进一步包括将光学插座114或光学部件106相对彼此移动至多个位置。这些部件可在相对于光的路径成一定角度(例如正交、平行或倾斜)的平面内移动，以便调节光纤108与光学部件106之间的光的路径。例如，当光纤108与光学部件106之间的光的路径相对于基板102的顶表面或后表面垂直或正交时，这些部件可在相对于光的路径正交的平面内(例如在相对于基板102平行的平面内)移动到多个位置。在一些实施方式中，这些部件可在平行于基板102的顶表面或后表面延伸的平面中移动。所述方法进一步包括：监视所述多个位置中的每个位置处的光通量，以及在光通量最大的位置处将支承构件116结合至基板102、将光学插座114结合至支承构件116上或将支承构件116结合至基板102并将光学插座114结合至支承构件116上。

在前述描述中，为了提供本文中所公开的主题的理解而阐述了许多细节。然而，各实施方式可在没有这些细节中的一些或全部细节的情况下实施。其它实施方式可包括以上所讨论的细节的添加、修改或变型。所附权利要求旨在覆盖这样的修改和变型。相应地，说明书和附图应被视为说明性的、而非限制性的。

应认识到的是，本文所使用的术语“包括”、“包含”和“具有”特别地旨在被解读为开放式技术术语。关于所列出的两个或更多项，术语“或”覆盖了对该词的以下所有解释：所列出的任何项、所列出的所有项、以及所列出的项的任何组合。如本文所用的那样，术语“连接”、“耦合”或其任何变型意指两个或更多个元件之间的直接或间接的任何连接或耦合；元件之间的耦合或连接可以是物理的(例如机械的)、逻辑的、电学的、光学的、或它们的组合。

在各附图中，相同的附图标记标识了相同的或至少大致相似的元件。为了便于讨论任何特定的元件，任何附图标记的最显著的一个或多个数字指代在该附图中首要介绍的那个元件的附图。例如，元件110是参照图1来首先介绍和讨论的。