中介层的制作方法

本文的主题总体上涉及光纤中介层(interposer)，并且更具体地，涉及具有用于被动对准、直接光耦合和集成电子器件的光学特征的中介层。

背景技术：

光纤被用于各种各样的应用中。由于光传输系统可提供的高可靠性和大带宽，使用光纤作为传输数字数据(包括语音数据)的介质变得越来越普遍。这些系统的基础是用于传输和/或接收光学信号的光学子组件(osa)。持续需要为osa提供简化的平台，以简化光学器件并促进被动对准，同时提高光学性能。本发明尤其满足了这种需求。

技术实现要素：

以下给出了本发明的简化的发明内容，以便提供对本发明某些方面的基本理解。该发明内容不是本发明的广泛概述。其无意于标识本发明的关键/重要元素或描绘本发明的范围。其唯一目的是以简化的形式呈现本发明的一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。

在一个实施例中，本发明涉及一种光学子组件，该光学子组件包括：(a)中介层，其具有第一和第二相反侧并限定从第一相反侧延伸到第二相反侧的至少一个对准孔口，该中介层限定具有第一、第二和第三触点的迹线，第一触点被构造为用于电连接到至少一个光学部件，第二触点被构造为用于电连接到至少一个芯片，以及第三触点被构造为用于电连接到电路板；(b)至少一个具有第一光轴的光纤，该光纤被保持为使得第一光轴基本上正交于第一和第二相反侧；(c)至少一个光学部件，其安装到第二相反侧并电连接到第一触点的至少一部分，至少一个光学部件具有与第一光轴重合的第二光轴；(d)用于操作至少一个光学部件的至少一个芯片，该至少一个芯片安装在第一或第二相反侧上并且电连接到第二触点的至少一部分；(e)电路板，其被构造为接收中介层，使得中介层基本上正交于电路板，电路板电连接到第三触点的至少一部分。

在另一实施例中，光学子组件包括：(a)中介层，其具有第一和第二相反侧并限定从第一相反侧延伸到第二相反侧延伸的对准孔口，该中介层限定具有触点的迹线；(b)具有第一光轴的光纤，该光纤被保持为使得第一光轴定位成基本正交于第一和第二相反侧；(c)至少一个光学部件，其安装到第二相反侧并电连接到触点的至少一部分，该至少一个光学部件具有与第一光轴重合的第二光轴；以及(d)电路板，其被构造为接收中介层，使得中介层与该电路板基本正交，并且第一光轴与该电路板基本平行，该电路板电连接至触点的至少一部分。

附图说明

图1示出了本发明的中介层的一个实施例，该中介层包括光纤短截线和构造为接收套圈的光学连接器；

图2a-2c示出了本发明的中介层的迹线布局的各个实施例；

图3示出了封装在插头中的本发明的中介层的一个实施例；

图4示出了本发明的插头实施例以及用于接收插头的插座；

图5示出了图4的插头的底侧；

图6比较了涉及潜望镜光学系统的现有技术osa之间的光学连接和包括本发明的中介层的osa之间的光学连接；

图7示出了本发明的中介层的另一实施例，其包括轴向对准的光学部件；

图8示出了图7的中介层之间的光学连接；

图9示出了图7的中介层实施例的分解图；

图10示出了制备图1的中介层的一个实施例。

具体实施方式

参考图1，示出了本发明的光学子组件(osa)100的一个实施例。osa100包括具有第一光轴107和中介层101的光纤104。中介层具有第一和第二相反(例如，平行)侧101a，101b，并且限定从第一相反侧延伸至第二相反的对准孔口103。在一个实施例中，对准孔口103接收光纤并保持光纤，使得第一光轴107垂直于第一和第二相反侧定位。

中介层还限定了具有第一、第二和第三触点202a，202c，202b的迹线102(见图2a-2c)。参照图2a-2c，第一触点202a被构造用于连接至光学部件，并且在一个实施例中，在第二相反侧上围绕对准孔口的周边222布置。第二触点202c被构造为用于连接至芯片，并且在一个实施例中，被布置在中介层的内部。第三触点202b被构造用于连接至电路板，并且在一个实施例中，围绕中介层的周边223设置。

osa还包括至少一个光学部件106，其安装到第二相反侧并电连接到第一触点的至少一部分。光学部件具有与光纤的第一光轴107重合的第二光轴108。光纤104直接与至少一个光学部件106光学耦合。参考图2c，osa包括另外的至少一个芯片221，用于操作至少一个光学部件220(图1中的106)。芯片安装在第一或第二相反侧上，并且电连接到第二触点的至少一部分。应当理解，尽管第二触点202c被描绘在中介层的第二相反侧上，但是如果芯片被安装在第一相反侧上，则第二触点的至少一部分将被设置在第一相反侧上。另外，在这样的实施例中，中介层可以包括用于在第一和第二相反侧之间连接迹线的通孔。

下面结合所选的替代实施例更详细地描述osa。

本公开的osa的重要元件是中介层。中介层用作光学、光电和电气部件的基板，并提供互连以光学和/或电互连光学/光电/电气部件。尽管在特定实施例中第一和第二相反侧是平行的，但是在其他实施例中，第一和第二相反侧可以是不平行的。中介层应该是刚性的，以支撑光学和电气部件，并能够易于机械加工或蚀刻。在一实施例中，中介层包括绝缘材料以隔离设置在其上的电迹线和触点。在一个实施例中，中介层包括陶瓷或玻璃。替代地，中介层可以包括诸如硅的半导体。在一个实施例中，中介层包括一种材料，该材料具有与光学部件和设置在其上的芯片基本上相同的膨胀系数(coe)。(硅和陶瓷具有相似的coe。)通过使中介层的coe与安装在其上的部件相匹配，osa可以在很宽的温度范围内保持稳定。这在可能需要对osa进行灭菌的应用(例如医疗应用)中特别有利。

中介层的一个实施例的一个特征是对准孔口，以对准光纤，使得光纤的光轴精确地定位在中介层中，并且基本上正交于/垂直于中介层。如本文所使用的，术语基本正交/垂直是指大约90°，而不是精确地90°，而是例如大约90°+/-5°。在一个实施例中，孔口被构造成将光纤相对于中介层保持在精确的位置，从而促进光纤相对于光学部件的被动对准。通常优选被动(passive)对准，因为它有利于可制造性(与主动对准相反，主动对准需要给光学部件增能，然后对准光学部件以优化光学耦合)。

对准孔口可以具有不同的实施例。例如，在图2a中，中介层被示出为具有用于对准光纤的v形槽204a。众所周知，v形槽可为具有圆形横截面的光学元件(例如光纤)提供精确的对准。参考图2b，示出了替代实施例，其中对准孔口是钻孔204b。尽管本文公开了v形槽和钻孔，但是应该理解，可以使用其他对准孔口构造，包括例如提供与光纤至少三个接触点的任何多边形形状(例如，正方形孔口、六角孔口等)。

在另一个实施例中，对准孔口被构造为套圈接收器或容座，以接收包含光纤的插头。在一个实施例中，中介层的第一相反侧可以包括用于与插头机械地相互接合的结构。尽管未示出，但是这种构造可以包括诸如图1所示(并且在下文中描述)的套圈接收器118和包括套圈的连接器，光纤从套圈突出以被接收在对准孔口中。可替代地，孔口可以被构造成接收包含光纤的套圈。鉴于本公开，本领域技术人员将理解其他合适的对准孔口构造。

除了对准孔口之外，鉴于本公开，还可以使用其他对准特征，例如用于套圈(例如mt套圈)的对准孔/对准销或用于在中介层上/下方对准部件的对准孔/对准销，如本领域技术人员已知的那样。

本发明的一个实施例的另一特征是光纤和光学部件之间的直接耦合。如本文所使用的，直接耦合是指在光纤的光轴与光学部件的光轴之间没有光弯曲。因此，在直接耦合中，不存在干涉的光学器件/反射/折射表面，以改变光在光纤的光轴和光学部件的光轴之间的传播方向。换句话说，与许多传统的osa不同，本发明的osa在光纤和光学部件之间没有反射表面。这样的实施例简化了制造并且在不同osa的光学部件之间提供了更鲁棒性/更高完整性的光路。例如，参考图6，示出了发射器662和接收器661之间的常规互连601。在这种传统的互连中，需要弯曲光660以改变从osa的光学部件612，613到光纤614的光传播方向。光学部件612，613的光轴607，608正交于/垂直于osa的电路板610，611和光纤614，需要潜望镜光学器件或光弯曲660以将光转向。在本发明的互连602中不需要这种轻微的弯曲。在此，发射器664和接收器663具有光学部件622，623，该光学部件具有基本上平行于电路板620，621并且与光纤615的光轴一致的光轴609。

光学部件中的光纤之间的直接耦合可以具有不同的实施例。例如，在一个实施例中，如图1所示，光纤被对接(but)耦合到光学部件。对接耦合的接口提供了高完整性/低损耗的光耦合。在一个实施例中，对接耦合的接口包括使光纤的端面与光学部件物理接触。在另一个实施例中，在光纤端面和光学部件之间没有物理接触，从而在它们之间限定了气隙，例如如图1所示。在这样的实施例中，使用抗反射涂层来减少菲涅耳损失可能是有益的。在又一个实施例中，在光纤和光学部件之间使用扩展的光束耦合可能是有益的。例如，在一个实施例中，梯度折射率(grin)透镜设置在光纤端面与光学部件之间。可替代地，会聚透镜可以形成在光纤端面上或者以其他方式设置在端面附近以聚焦光。鉴于本公开，本领域技术人员还将知道其他实施例。

本发明的一个实施例的另一特征是光学部件和操作光学部件所需的电子芯片在中介层上的设置。如本文所使用的，光学部件可以是可以如下文所述光学地耦合到光导管的任何已知或以后开发的部件。光学部件可以是例如：(a)光电设备(oed)，它是发出、检测和/或控制光的电气设备(例如，激光器，诸如竖直腔表面发射激光器(vcsel)、双通道、平面埋入异质结构(dc-pbh)、埋入新月形(bc)、分布式反馈(dfb)、分布式布拉格反射器(dbr)；发光二极管(led)，例如表面发光led(sled)、边缘发光led(eled)、超发光二极管(sld)；光电二极管，例如p本征n(pin)和雪崩光电二极管(apd)；光子处理器，例如用于接收光学信号、进行处理信号和传输响应信号的互补金属氧化物半导体(cmos)光子处理器、电光存储器、电光随机存取存储器(eo-ram)或电光动态随机存取存储器(eo-dram)以及用于管理光存储器的电光逻辑芯片(eo逻辑芯片))；(b)混合设备，其不将光能转换成另一种形式，而是响应于控制信号而改变状态(例如，开关、调制器、衰减器和可调滤波器)。还应该理解，光学部件可以是单个分立的设备，或者可以被组装或集成为设备的阵列。在一个实施例中，光学部件是表面发射光源。在一个实施例中，表面发射光源是vcsel。在一个实施例中，光学部件是光敏的。在一个实施例中，光敏光学部件是光电二极管。

在一个实施例中，光学部件与一个或多个电子芯片协同工作。如本文所使用的芯片是指促进光学部件的功能所需的任何电子/半导体芯片。例如，如果光学部件是发射器，则芯片可以是驱动器，或者，如果光学部件是接收器，则芯片可以是跨阻放大器(tia)。给定光学部件所需的芯片在本领域中是众所周知的，这里将不对其进行详细描述。

如上所述，所要求保护的发明的一个特征是将光学部件及其相关联的芯片布置在中介层上。即，不是像传统上那样将芯片布置在电路板上并将芯片与中介层上的光学部件电连接，在此，在一个实施例中，将发射器/接收器芯片设置在中介层上非常靠近光学部件。这种构造具有许多重要的好处。首先，因为芯片非常靠近光学部件，所以芯片和光学部件之间的迹线非常短，这有助于通过降低阻抗来实现高速操作。另外，将芯片设置在中介层上消除了将其放置在由于减小电路板尺寸的需要而通常限制空间的电路板上的需要。

芯片在中介层上的放置可以以不同的方式构造。在一个实施例中，芯片被布置在与光学部件相同的一侧上，即第二侧上。由于芯片的光学部件可以仅经由表面迹线进行电连接，所以这种构造具有简化的优点。可替代地，可以将芯片设置在中介层的第一侧上，即，在光学部件的相反侧上。这样的构造具有利用中介层的第一相反侧上的空间的益处，如果中介层的第二相反侧上的空间受到限制，则这可能是重要的。在该实施例中，可能需要通孔以将第一相反侧上的芯片连接至第二相反侧上的其相应的光学部件。

中介层上的光学部件的构造可以变化。例如，在一个实施例中，中介层仅包括发射或接收光学部件。在该实施例中，osa可以是专用发射器或接收器的一部分。替代地，中介层可以包括发射和接收光学部件，并且osa可以是收发器的一部分。在该实施例中，光学部件可以分开设置在中介层上，或者，在一个实施例中，它们可以串联设置。例如，参考图7，示出了串联的光学部件的一个实施例。在该实施例中，中介层701限定对准孔口，光纤704穿过对准孔口设置。发射光学部件771靠近光纤704设置。第二光学部件(例如接收光学部件772)可以设置在中介层上，以使其光轴与发射光学部件771的光轴重合。在该特定实施例中，接收光学部件772在发射光学部件771的后面，因此，由接收光学部件772接收的信号通过发射光学部件771。这要求光学部件被构造成使得发射光学部件对于接收的信号基本上是透明的。鉴于本公开，本领域技术人员将理解如何将发射光学部件构造成对接收信号是基本透明的。(例如，参见图8和相关文本。)

如图7所示，接收光学部件772安装在第二中介层773上。第二中介层7073包括迹线/触点776，777，其将接收光学部件772与中介层701上的迹线电连接。分离的触点778被提供用于将发射光学部件771与其相应的芯片电连接。如图所示，在该实施例中，芯片774设置在基板上，该芯片可以被构造为操作一个或多个光学部件。这种构造的优点在于，发射和接收光学部件都设置在单个中介层上，并且耦合到单个光纤。

参照图9，在类似于osa700的osa900的分解图中示出了图7的中介层的构思。如图所示，发射光学部件971设置在中介层901上。迹线991连接发射光学部件971及其相关的芯片992。接收光学部件972设置在发射光学部件971上，并由第二中介层973支撑。第二中介层973具有孔口975，以容纳/接收发射光学部件971。第二中介层973还具有迹线990和通孔(未示出)，其被构造为与迹线993接口以将接收光学部件972连接到其相关联的芯片994。与其他中介层实施例一样，第三触点989设置成沿着中介层的周边，以与相应的电路板触点接触。

osa700的收发器实施例简化了安装。例如，参考图8，示出了其中图7的osa700经由光纤704连接到另一osa700'的示意图。如上所述，这种连接不需要任何附加的光学器件/光弯曲来促进两个osa之间的光连接之间的接触。此外，根据特定实施例，osa700，700'促进了在单根光纤704上的双向通信。例如，在一个实施例中，osa700，700'的接收光学部件772，772'在很宽的范围内是敏感的，其还覆盖了发射光学部件771，771'的波长。发射光学部件771，771'以不同的波长发射，其中发射光学部件771在发射光学部件771'的发射波长处是透明的，并且发射光学部件771'在发射光学部件771的发射波长处是透明的。例如，在一个实施例中，发射光学部件对于波长为1310nm左右的接收光基本上是透明的。在该实施例中，发射信号可以具有明显较短的波长，例如大约850nm。这样，即使发射光学部件771就在接收光学部件771'的正前方，接收光学部件772也可以接收来自发射光学部件771'的信号，因为发射光学部件771对于来自发射光学部件771'的信号是透明的(反之亦然)。

还有其他实施例也是可能的，例如，在一个实施例中，芯片与光学部件集成在一起。在这样的实施例中，应当理解，如图2a和2b所示，在光学部件和芯片之间将不存在任何迹线。

光纤集成到本发明的osa中可以具有不同的实施例。例如，参考图1，示出了在中介层的钻孔中设置的纤短截线。这样的实施例有助于制造，如关于图10更详细地讨论的。

在另一实施例中，中介层包括设置在第一相反侧上以接收连接器115的套圈接收固定装置。在一个实施例中，套圈接收固定装置118(例如光纤对准套筒)具有与第一光轴一致的轴线并且被构造为接收包含端接的光纤117的套圈116，使得端接的光纤与中介层101中的光纤短截线光学耦合。

替代地，代替光纤短截线，对准孔口可以被构造为接收更长的光纤，或者甚至被构造为连接器以接收插头。例如，参考图7，示出了光纤的另一实施例，其中中介层不具有光纤短截线，而是替代地具有更长的光纤长度，该光纤设置在中介层中并延伸超过中介层侧。在又一个实施例中，光纤端接于套圈中，然后将其设置在中介层中。在又一个实施例中，可以在中介层中设置多根光纤，以将多根光纤连接到光学部件。就这一点而言，尽管在图1中示出了单光纤的套圈，但是应当理解，根据其他实施例，诸如mt的套圈的多光纤的套圈也可以用于本发明的中介层中。

在一个实施例中，光纤的一端从第一相反侧101a自由地延伸。换句话说，尽管可以将光纤的一端保持在套圈或钻孔中，但是另一端从中介层自由地延伸，从而允许根据需要将其束捆/布线。例如，参考图7，光纤704从中介层的第一相反侧自由地延伸，从而允许光纤根据需要进行布线或端接。例如，在图8的实施例中，来自osa700的光纤704端接在另一osa700中，如下所述。

本发明的中介层便于多种不同的osa封装构造。首先，由于光学部件和相关的芯片都设置在中介层上，并且没有分布在中介层和电路板之间(传统上是这样做的)，因此本发明的中介层趋于更加模块化，在制造和封装构造方面提供更大的灵活性。例如，取决于应用，可以将中介层设置为基本上正交于/垂直于电路板或平行于电路板。如上所述，在一个实施例中，中介层包括沿着中介层的周边的触点，以利于与电路板的连接。尽管沿着中介层的周边定位第二触点是优选的，因为第二触点提供了到电路板的方便的连接位置，但是应当理解，存在其他实施例。例如，岛型连接器可用于将中介层连接到电路板上。

根据本发明的特定实施例，osa可以被实施为插头，或者可以被集成在母板或底板连接器组件中。例如，参考图3，示出了osa插头300的一个实施例。在该实施例中，中介层301基本上正交/垂直地设置在印刷电路板330上。光纤333从插头延伸，使得其光轴基本上平行于印刷电路板。如以上关于图6所描述的，这样的实施例简化了osa之间的连接，从而最小化了额外的部件和信号损失。再参考图3，在该实施例中，插头还包括用于容纳灌封材料的灌封结构332，在一个实施例中，该灌封材料被施加在中介层上。在该实施例中，还将柔软的包覆模制件334施加到组件上，以便于搬运和保护电路板。在该实施例中，插头接口331设置在插头的底部上。参照图4和图5，根据另一个实施例，示出了类似于插头300的插头组件400。这里，插头430包含本发明的中介层401，如上所述，光纤703基本平行于电路板延伸。如图4所示，在插头430的底部上是触点441a，触点441a被构造为连接到插座440的相应触点441b。插座440包括用于接触电路板上的相应触点的电路板触点442。图5示出了插头430的底侧以及用于与插座440接口连接的各种迹线和触点。应当理解，该插头实施例仅仅是其中可以使用中介层的许多封装的一个实施例。

参照图10，示出了用于制备图1中的中介层的工艺的一个实施例。在步骤1001中，提供诸如陶瓷晶片的绝缘基板。在步骤1002中，在晶片中限定对准孔口。在该特定实施例中，对准孔口是可例如钻过晶片的钻孔。在步骤1003中，将光纤短截线插入钻孔中。在步骤1004中，将熔接环(frittring)设置在光纤与钻孔之间，以使光纤在钻孔中居中。在步骤1005中，加热晶片，使得熔接环熔化并流入光纤和晶片之间的钻孔中，从而将光纤保持在适当的位置。接下来，在步骤1006中，如图所示，将光纤在两侧上抛光以基本上与晶片的第一和第二相反侧齐平。应当注意，对于中介层的一些实施例，例如图7所示，在图1的光纤短截线不适用的情况下，可以省略该步骤1006。

在步骤1007中，如图所示，将迹线、触点和其他特征沉积在晶片的任一侧。应当注意，在该沉积步骤中，不仅沉积了用于光学部件/芯片的迹线/触点，而且在该实施例中，还定义了用于母连接器118的连接。在相同的沉积工艺中定义这些关键元件不仅有效，而且还可以通过避免因多个沉积步骤而导致的公差累积，从而提高了精度。在步骤1008中，将光学部件/和相关联的芯片设置在中介层上的触点上，并且将套圈接收结构添加到中介层的相对侧上。应该理解，这仅仅是制备本发明中介层的一个实施例。本领域技术人员将理解，在本发明的范围内许多变化是可能的。

根据所描述的具体实施例以及其他变型，可以实现这些和其他优点。应当理解，以上描述旨在说明而不是限制。在阅读以上描述之后，在权利要求的精神和范围内的许多其他实施例和修改对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，本发明的范围应参考所附权利要求以及这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来确定。