用于光电元件的封装的制作方法

专利名称：用于光电元件的封装的制作方法
技术领域：
本发明一般地涉及用于包括热光学可调薄膜光学滤波器(thermo-optically tunable thin-film filter)以及其它有源和无源的光学器件的光学元件的封装。
背景技术：
最近，新器件系列已产生热光可调薄膜光学滤波器。这些利用无定形半导体材料制成的器件充分利用先前已被看作是无定形硅的不受欢迎的性质(即，其大的热光系数)。这些器件的性能基于尝试将薄膜干涉结构中的热光调整能力最大化，而不是基于往往作为传统的固定光学滤波器的目标的将它减到最小的尝试。
图1展示用于热光可调薄膜光学滤波器的器件基本结构。该举例说明的特定结构是单法布里-珀罗型光学滤波器10。它包括集成到光学干涉设计中的加热器薄膜12和由被衬垫腔(spacer cavity)16分开的一对薄膜反射镜14(a)和14(b)组成的法布里-珀罗腔。在这个例子中，加热器薄膜12是用ZnO或多晶硅制成的，因此它在1500nm下是导电的和光学透明的。薄膜反射镜14(a)和14(b)是高折射率和低折射率薄膜的交替的四分之一波长的若干对。两种材料是a-Si:H(n＝3.67)和非当量的SiNx(n＝1.77)。因为在a-Si和SiNx之间大的折射率反差，所以需要较小数目的反射镜对。在设计波长下，即使4对也得到反射率R＝98.5％，而5对得到R＝99.6％。衬垫腔16是整数(通常为2到4)个半波长的无定形硅。
无定形薄膜可以借助各种不同的物理汽相沉积技术(例如，溅射)或化学汽相沉积技术(包括等离子体增强的化学蒸镀(PECVD))沉积。PECVD是特别灵活和均匀的薄膜工艺，而诸如等离子体功率、总气体压力、氢分压、气体比率、流速和基体温度之类基本的沉积参数的控制能被用来大幅度修正依次影响折射率、光学吸收率和热光系数的薄膜密度和理想配比。此外，a-Si膜的氢化能被用来抑制不饱和键，并借此减少随后降低红外吸收率的缺陷密度。作为基于等离子体的技术，PECVD提供更容易生产诸如无定形硅和无定形氮化硅之类的一些折射率相差很大的光学上截然不同的但工艺兼容的材料的致密的柔顺的、薄膜所需要的工艺可变性，具有广泛不同的指标。材料之间的转换可以在不破坏真空的情况下通过控制气体混合物来实现。
用热光可调薄膜光学滤波器可实现的精度(finesse)是用图2举例说明的。在这种情况下，光学滤波器是使用6个镜面循环(mirrorcycle)和第四阶衬垫(fourth order spacer)(4个半波长)的单腔结构。对于388nm的自由光谱范围和近似地F＝4,500的精度，-3dB宽度是0.085nm。
可实现的热调整是用图3举例说明的。该结构与介质镜(借助离子辅助溅射沉积的五氧化二钽高折射率层和二氧化硅低折射率层，镜面反射率R＝98.5％)一起使用无定形硅衬垫。该结构在烘箱中从25℃加热到229℃。调整是大约15nm或dλ/dT＝0.08nm/K。
最后，使无定形硅不仅用于衬垫而且用于高折射率镜面层来构成带有所有的PECVD薄膜的可调学滤波器的益处是用图4举例说明的。这种有4周期反射镜(4 period mirrors)的滤波器接合用来在内部给薄膜叠层加热的ZnO导电层，因此能够实现比加热器与薄膜叠层分开的情况高得多的局部薄膜温度。在这个例子中调整范围是37nm。
关于这些新结构的进一步的细节在2002年6月17日申请的题为“Index Tunable Thin Film Interference Coatings(折射率调谐薄膜干涉涂层)”的美国专利申请第10/174,503号和2002年8月2日申请的“Tunable Optical Instruments(可调的光学仪器)”为题的美国专利申请第10/211,970号中能够找到，在此将这两份专利申请引入作为参考。

发明内容
一般地说，一方面，本发明提供一种光电子器件，其包括具有上表面而且包括许多穿过上表面向上延伸的传导引线的头部；光学器件；可调光学滤波器；和附着到头部上而且与头部一起限定装有该光学器件和该可调光学滤波器的密封的内部空间的罩。该光学器件和可调光学滤波器被安排在安装于头部的上表面上并且在其上方延伸的垂直的叠层中；该可调光学滤波器被电连接到传导引线上；该罩具有在其中形成窗口、而且对准垂直层叠的可调光学滤波器和光学器件的顶表面。
一般地说，另一方面，本发明提供一种光电子器件，其包括具有上表面而且包括多个穿过上表面向上延伸的传导引线的头部；用其基本上平行于头部的上表面的主表面支撑在头部的顶表面上的光学器件；和附着到头部上而且与头部一起限定装有光学器件的密封的内部空间的罩。所述罩有在其中形成窗口的顶表面，而头部有在其中形成的第二窗口。
不同的实施方案包括下述特征的一个或多个。头部和罩是晶体管轮廓(TO)封装。可调光学滤波器是热光可调薄膜光学滤波器。光学器件是辐射器(LED)或探测器。该光电子器件还包括安装在头部的顶表面上而且限定安装光学器件的第一表面和安装可调光学滤波器的第二表面的支座结构。头部上的罩形成气密密封的内部空间而且可以包括固定光纤准直器或其它光纤的套环(collar)。该光电子器件还包括在其一个表面上形成光学滤波器而在其相反的表面安装光学器件的基体。
本发明的各种不同的实施方案有下述的一个或多个优势。它们提供低成本的小着地面积的封装。它们提供不依赖波导效应而是为了实现波长滤波而在自由空间中处理准直射束的“自由空间”可调的滤波器。封装可以使用已适当修改的既定的标准外壳(例如，TO封装)。在那种情况下，封装方法能利用已良好确立的组装技术和到处可得的廉价外壳。与使用定制的封装设计相比，这将导致大幅度降低组装和材料的费用。此外，它有助于产生密封的封装(可选择的，气密的密封)，其具有电馈通(feed-through)和一个或多个光束从中通过的透明的窗口。另外，取消对光纤馈通的需求也大幅度减少封装费用，而且提高整个系统的可靠性。
在本文中公开的这些类型的气密的封装由于光学通信系统苛刻的可靠性要求对光学元件是所希望的。当前气密的多端口光学器件封装技术包括蝶式、迷你型-DIL和定制设计的无数机械加工的铝制封装。为了维持气密性，用于通过型光学器件的大多数封装使用生产复杂而且昂贵的用于接缝密封的激光焊接。这种类型的最简单的封装往往每个花费20.00美元以上，而更复杂的能接近数百美元。
本发明的一个或多个实施方案的细节是在下面的附图和描述中发表的。本发明的其它特征、目的和利益通过这些描述和附图将变得显而易见。


图1展示热光可调薄膜光学滤波器的基本器件结构。
图2是展示单腔的热光可调薄膜光学滤波器的精度的滤波器传输特性曲线。
图3表示多条滤波器传输特性曲线，示出具有热光衬垫和电介质反射镜的滤波器的调整范围。
图4表示多条滤波器传输特性，示出包括a-Si:H高折射率层和衬垫、SiNx低折射率层和4周期反射镜的全PECVD的滤波器的调整范围。
图5A是展示一组实施方案的核心部件的剖视图。
图5B举例说明用于封装上的罩的替代方案设计。
图6展示修改的封装实施方案。
图7A、7B和7C展示修改的TO封装，其在罐子的顶部有不同类型的窗口。
图7D展示双列直插式封装实施方案。
图8A和8B展示分别在顶部和底部具有轴向对准的输入端口和输出端口的多端口实施方案。
图9A和9B展示作为光上/下路复用器(add/drop multiplexer)的三端口器件。
图10A-10D展示光学元件配置的四个一般类别。
图11展示使光纤/准直器对准包括有光电子元件的封装的方法的分解图。
图12A和12B举例说明用来优化回波损耗的对准过程。
图13A-13C举例说明能使用的替代组装技术。
图14A和B举例说明用来在单一的基体上制作多位模(multipledie)的技术。
图15展示另一个多端口实施方案。
同样的参考符号在各种不同的附图中表示同样的元件。
具体实施例方式
参照图5A，一组实施方案包括在具有自由空间光束能通过的光通道窗口106的封装104之内以“向上层叠”形式把自由空间可调光学滤波器元件100与一个或多个无源和/或有源的光学/光电子元件102封装在一起。封装104包括具有安装在其上并形成密封内腔的罩110的头部108。支座元件112附着到头部108上，而许多电引线116向上穿过头部108以使对封装104内部的可调的滤波器元件100和其它光电元件的电连接成为可能。支座元件112把可调的滤波器元件100和光电子元件102固定在垂直排列的叠层(stack)中，而且滤波器元件100的主平面安排成基本上平行于头部108的上安装表面。在操作中，来自光纤121的光束120穿过窗口106进入封装104的内部空间，在那里它通过可调的滤波器元件100。然后，从可调的滤波器元件100的另一边离开的经过滤光的光束照射在光电子元件102上。
支座元件112是用陶瓷之类的电绝缘材料(例如，矾土或氮化铝)制成的。这个元件将可调光学滤波器100以固定的、良好控制的距离悬挂在光电子元件102(例如，PIN探测器或LED辐射器)的上方。此外，传导迹线(trace)(或接触焊盘)125和127可以为了接触和互相连接被限定在这个支座上。在所描述的实施方案中，光学滤波器元件100包括基体103，其具有在其面对下方的表面中形成的可调的薄膜光学滤波器元件101。这是倒装芯片(flip-chip)安装的实例，依照它器件被翻转后安装在支座上，以有助于制作至基体表面上形成的金属迹线的电连接。
使用无源的对准导向器(aligement guide)或参考标记，可调的滤波器和光电子元件可以在对自由空间元件的典型要求大约为10微米的x-y平面中被精确地对准，而且可以沿着Z轴精确地安放。这样的可以使用标准的芯片安装设备完成的而且有可能在自动生产线上大批量制作的组件与通常用于多元件光学通信组件的“硅微座(siliconmicro-bench)”型组件相比要经济得多。此外，重要的是它在机械上更有弹性，因为所有的元件都平放在封装表面或支座上，而不是作为垂直取向的元件被排列在水平表面上方。
再一次参照图5A，具有位于其顶端的整体成形的套环172的盖子170安装到封装104的罩110上。盖子170把光纤121(在其末端可能包括准直或聚焦光学器件)固定在套环172之内而且相对于封装104内的窗口101适当地调整它。准直光学器件能采取各种不同的形式，包括GRIN透镜(梯度折射率透镜)或球形透镜。同样，聚焦光学器件也能采取各种不同的形式。
作为替代，如图5B所示，可以提供包括在其中整体成形的套环119的经过修改的罩110′。光纤121被密封在套环119中而且作为进入封装的窗口。这取消了提供图5A所示的独立的盖子的需要。
参照图6，通常可得的能用的封装的例子是包括装在头部208上的圆金属罐210(见图7A)的TO(“晶体管轮廓”)型的封装。头部208有穿过它延伸而且使用焊接用的玻璃气密地密封在各通道(pass-through)之内的多条整体传导引线(“脚”)216。这些传导引线提供对内部的光电元件和相关的元件的电寻址或连接的方法。在完全装配好的时候，这些引线借助金属丝连接到在密封的光电元件上对应的金属焊盘上。
在图6的实施方案中展示的各光电元件与在图5中展示的那些相同。此外，装在头部208上的是用来监视封装的温度以在热光可调薄膜光学滤波器的操作方面提供帮助的温度传感器(例如，热敏电阻)。
参照图7A-7C，TO封装特别好地适用于要求入射光束垂直于器件平面的光学器件，例如法布里-珀罗光学滤波器。罐210是通过把可能作为几种不同的设计之一的窗口包括在其顶面中进行修改的。例如，它可能是球形透镜206(a)(见图7A)；它可能是用于单一探测器那种平坦的窗口206(b)(见图7B)，或者它可能是完整的透镜206(c)(见图7C)。在这样的封装中材料费用少于一美元，大大低于工业上广泛使用的具有光纤馈通的“蝶式”封装。此外，用来组装、丝焊和密封这种封装的手工操作的或自动化的设备是容易得到的和相对比较便宜的。
参照图7D，另一种通常可得的能用的封装的例子是具有用于线性探测器阵列的顶部窗口306的双列直插式封装300。该双列直插式封装还包括限定光电元件如同前面描述的那样垂直地层叠在它上面的平表面的头部。引线316从头部的底面延伸出来并且提供能够电连接密封封装内的光电元件的方法。窗口306在封装的顶部提供光束能穿过它到达封闭的光电子器件的透明区域。
多端口封装图8A和8B展示上述设计的进一步的修改方案。它是用于双端口TO封装的通用结构并且包括允许光学信号通过封装内部的光电子电路的整合的馈通。
在这个例子中，该经过修改的TO封装如同先前描述的那样包括密封到头部508上的金属罩510。在头部508之内有许多穿过头部向上延伸的传导引线516。在罩510的顶部，有其周界被密封到罩的金属中的窗口506。整体成形的金属插芯(ferrule)530从罩510的主体向上延伸并且包围窗口506。插芯530固定封闭在套管542中的光纤540。球形透镜544附着在光纤540的末端上并且毗邻窗口506。球形透镜544将从光纤射出的光束在它进入经过该修改的TO封装之前进行准直。头部508包括在其中心形成的通孔546，窗口529在这个通孔的顶端并且被密封在头部508的上表面中形成的凹陷中。插芯531离开头部508的底部向下延伸而且对准通孔546。插芯531固定封闭在套管541中的另一根光纤535。球形透镜543附着在与窗口529相邻的光纤的顶端。
这种安排限定了沿着它的纵轴通过封装中心的光学路径。在光电子器件550的许多不同的组合中的任何一个都能被安装在封装内的头部上和光学路径中。
三端口结构的一个例子被展示在图9中，它是光上/下路复用器600。它包括装在头部608上而且相对于头部的上表面以微小的角度(例如，＜5°)倾斜的热光可调薄膜光学滤波器601。双光纤准直器620(例如，GRIN透镜)被放置在从罩610的顶端向外延伸的插芯630内，而两根光纤612和614被接到双光纤准直器的一端。光纤612代表输入信道，而光纤614代表输出信道。在封装的另一端是对准与结合图8A展示的器件描述的通孔类似的通孔的第三光纤619。该热光可调薄膜光学滤波器601和双光纤准直器620彼此相互对准，以便来自光纤612的入射光束603以略微小于垂直于其表面的角度照射在可调光学滤波器601上。
入射光束603代表许多不同的信道，每个信道在不同的波长上。该可调薄膜光学滤波器601的特性是它把波长中选择的一种传送到光纤619。在狭窄的传输频带之外的信道(即，波长)的剩余部分作为反射光束605由可调的薄膜光学滤波器601反射并向双光纤准直器620回射。可调薄膜光学滤波器601和准直器620的相对定位调整是这样的，即，使得被反射的波长进入准直器620并且被引入输出光纤614。被传输的光束607进入光纤619。在这种操作模式中，该器件作为光波下路复用器，即，它下路或摘除在输入光学信号的多个信道中选定的一个信道。
作为替代，如果波长适当的光学信号通过光纤621输入，那么该器件用作为光波上路复用器，即，它把新的信道添加到正在通过该器件的多信道信号中。
参照图15，另一种多端口结构利用多端口输入光学器件和多端口输出光学器件以及上/下路光学器件，以允许更有效的封装设计。这在单一的六附加端口设计中实现两个或两个以上三端口封装的功能。由于空间和功耗两种考虑，这是所希望的。上/下路两种处理通过在上路周期(add cycle)和下路周期(drop cycle)里使用不同的入射角但仍然利用光学滤波器表面上的同一位置可以都发生在这个单一的组件中。这避免否则将导致被传输和反射的信号两者恶化的干涉效应。上/下路、上/上路或下/下路配置在这种封装配置中都可以获得，仅仅取决于输入/输出安排。
所公开的实施方案包括两个GRIN透镜1000和1002(或其它可比的光学元件)。有四条光纤被连接到透镜1000上，对称地排列在透镜的输入面上。如同众所周知的那样，那些从透镜的中心轴移位的光束按由光纤离开中心轴的位移所确定的角度从透镜的另一端出来。使用这项原则可以下述方法获益。
把在透镜的中心轴附近按对称的方式呈直线排列的四条光纤1010、1011、1012和1013连接到透镜1000。换句话说，光纤1010和1013是两条外侧光纤，每条距透镜1000轴线的距离相等，而光纤1011和1012是两条内侧光纤，每条距透镜1000的中心轴线的距离也相等。光纤1010把多信道光学输入信号提供给透镜1000，后者随后把该信号相对于其法线方向以角度θ传送给可调的滤波器1004。该可调的滤波器1004把输入信号的选择的信道之一传送到透镜1002，后者把它提供给放在透镜1002表面上的适当位置的下路光纤(dropfilter)1016。输入信号的剩余部分被可调的滤波器1004反射，通过透镜1000返回，然后进入光纤1013。光纤1013被连接到光纤1011，以便把它收到的信号在光纤1011的位置送回透镜1000。这个返回的光学信号被送回可调的滤波器1004，但这次相对其法线的角度较小。当它到达可调的滤波器的时候，由于选定的信道都已被移除，所以它全部被反射回透镜1000，后者把该反射信号传送给输出光纤1012。
以被下路的信道的频率传送ADD信号的输入光纤1014把光学信号以某个角度提供给可调的滤波器1004的背部，以便当它被光学滤波器1004传输的时候，它与传送给输出光纤1012的反射信号相接合。
其它的实现方式各种不同的应用需要可调的滤波器、光学器件和其它有源器件在小封装中不同的组合。图10A-10D展示可调的滤波器与其它的有源光电元件的可能的组合的四个一般类别，虽然这个例子并非无遗漏的。
在图10A中举例说明的组合包括输入光学器件，可调的滤波器702和探测器704。可能包括准直器的输入光学器件700把由多种波长组成的光学信号传递给可调的滤波器702，该滤波器允许将光学信号的多种波长中选择的一个传送到探测器704。对于这个系统典型的应用包括光谱功率监测和单一信道的检测或监测。在光谱功率监测的情况下，可调的滤波器702用于在感兴趣的波长范围内来回扫描，探测器704测量光学信号内不同波长的功率。在单一信号通道检测或监测的情况下，可调的滤波器702调整到单一波长，而探测器704监测那个频带中的信号(即，“可调的探测器”或“可调的接收器”)。在任何情况下，该系统通常不是为了把被滤除的波长送回输出光学器件而设计的。
在图10B中说明的组合包括输入光学器件710、可调的滤波器712、探测器714和输出光学器件716。这样的系统的典型应用是“光下路(optical drop)”，其中可调的滤波器712允许单一信道进入探测器714，而且被可调的滤波器712滤除的波长被反射到准直器之类的输出光学器件716中。这样的配置在其中每个位置都能动态地选择哪个通信信道(即，波长)要检测的灵活的通信网络中是有用的。
在图10C中说明的组合包括宽带光源或辐射器720、可调的滤波器722和输出光学器件726。诸如发光二极管(LED)之类的宽带光源720被用来连同可调的滤波器722一起形成可调的窄带光源。当可调的滤波器722是如同前面描述的热光可调薄膜滤波器的时候，可能制造供测量应用或廉价的光学网络使用的可调的光源。
在图10D中说明的组合包括输入光学器件730、可调的滤波器732、辐射器734和输出光学器件736。辐射器734可以为固定的宽带辐射器，或是可调的窄带辐射器，例如发出经由可调的滤波器“被上路”到光流中的激光的可调垂直腔的表面。在这个例子中，可调的滤波器732沿着与被反射(“通过”)的波长相同的路径接纳新的波长。这样的系统可能连同图10B展示的系统一起工作，以便在网络中动态地上路和下路波长，或者它可能被用作为能被设定到任何需要的波长的“通用的备份”发射器。
可能存在需要类似的系统的广泛的应用范围，在这种场合除了可调的滤波器之外的有源光学元件是探测器、辐射器、或其它用来测量或处理光线的光学元件。采用在此提及的封装原理，现在有可能以低成本、小波形因数的方式构成这样的系统以使它们的普遍应用变得可行。
光束的对准回波损耗是反射波的幅度与入射波的幅度之比。在光学应用中，这是用-dB度量的，而且就一个组成元件而言，反射功率被定义为在一个组成元件内通过光纤传回的来自所有表面的总反射。事实上，所有的光学系统由于稳定性的原因都设置对于RL量的限制。
按回波损耗(RL)规范制造的光学组件在元器件和组件两个方面通常都是按常规设计和规定公差的，以便计算的入射角将在各元器件表面和各光源之间得以实现。这个角度被计算用来提供足够高RL以满足定制的规范。然而，由于大多数光学元件的性能按照角度的函数降低(主要由偏振相依性)，所以在覆盖机械公差层叠所需要的缓冲量和需要的器件性能之间存在某种折衷。这种在器件和加工两个方面的精密水平都是令人异常昂贵和非常难以设计、维持和制造的。
这种用于规定与元器件有关的紧公差的过程的替代方案已利用代价高昂的麻烦的翻转/倾斜作用来实现所希望的校准。在这种情况下，当自动化设备使元件相对于光源翻转、倾斜和旋转的时候，积极监测RL，直到性能要求令人满意，然后把元件固定在那个位置。然而，这个过程需要非常昂贵的高精度的自动化设备。
能获得用现有的加工方式实现的必需的RL参数的、便宜得多的新的对准方法现在将结合图11和图12A和12B予以描述。这种新方法也是据此改变光源的取向以优化监测的RL的有源的对准过程。这种方法对在此描述的那类公差宽松的零件起作用，尽管它适用于任何需轴向对准的系统。
首先参照图11，为实现改进的对准过程而设计的封装结构包括具有附着在头部804上的罩801的经修改的TO封装800。在头部804上安装了可调的薄膜光学滤波器806(或将针对它对准输入光纤的光学器件)。在所描述的实施方案中，可调的滤波器806是按照相对于头部804的基础顶表面成一小角度(Φ)安装的(或者换一种说法，使它的法线相对于封装的纵轴830处在某个小角度(Φ))。固定光纤818和准直器815的套管组件810在该封装的罩802上滑动而且呈松配合，由此粗略地使光纤对准密封罩顶端中的窗口。直到套管组件810被锚定到罩上(例如，借助环氧树脂或套管侧面的螺丝钉)之前，套管组件810能够围绕着该封装的纵轴830在罩上旋转。盖子820在套管上滑动而且一旦套管被适当地定向就覆盖套管。
套管组件810相对于它的旋转轴(就举例说明的封装而言也是罩/封装的纵轴)按某个小角度(Ω)把光纤和准直器固定。如同图12A和12B说明的那样，当套管组件810装配到罩802上的时候，通过围绕着它的旋转轴旋转该套管组件，光束和光学元件表面的法线之间的角度扫过Φ-Ω到Φ+Ω之间所有的角度。例如，如果准直器和元件的法线彼此平行(即，Φ＝Ω)，但是偏离旋转轴的角度为2度，那么使用这个方法入射角可以变化0到4度。这个角度差异可能是设计的或是组装/制造的副产品。
通过在该旋转操作期间积极监测对光纤的输入和来自光纤的输出，预期的高回波损耗能在十分之几dB的范围内，从而使因高于必要的入射角造成的任何劣化都减到最小。
如果在罩上套管呈松配合，也可能有XY对准步骤，在此期间套管在与头部的平面平行的平面中移动，以寻找它作为器件性能的函数的最佳位置。同样，由于对来自准直器的光束存在“腰部”，在那里所有的光线都被假定是近乎平行的，这是放置有源光学元件表面的理想的地方。但是鉴于光束的低发散度，这规定了非常宽松的公差，也就是说，滤波器性能和RL两者对于Z位置通常都是非常不敏感的。这样，这个维度(即，Z轴)中的对准通过在套管中使用相对于光学元件设定准直器的Z位置的简单的机械定位器就能令人满意地完成。
全面的对准过程包括下述的步骤序列，同时监视实测的RL。首先有Z-方向的粗调。然后，通过旋转套管优化RL。接下来，通过在XY平面中的对准进一步优化器件性能。最后，在Z方向进一步微调。
分层构建(stacking buildup)法如同前面提及的那样，在这里描述的一些实施方案的优势是它们允许使用Z轴构建制造法。Z轴构建法是低成本的并且包括但不限于(1)用来把各个元件沿着Z轴隔开并且在x-y平面把它们对准的多层的(例如，成梯状的)支座，例如陶瓷；(2)把光学芯片/光电芯片和其它芯片通过倒装芯片安装到无源基体和/或在其上制造光电元件的基体上；(3)把各个元件预先安装到基体/支座子，然后使用这些基体的无源对准把组件安装到封装之中；和(4)把各基体或各元件直接安装到封装之内的电引线上。
所用的组件导向器如同图13A-13C说明的那样，一些图案形成方法可用来使所需的组装精度和付出减到最少。例如，首先参照图13A，掩模或者孔900可以在一个元件(例如，可调的滤波器902)上形成图案，然后为了考虑无源对准公差可以设计其它元件(例如，探测器904)以便有足够大的有效面积906。此外，参照图13B，可以使用标准化的表面安装技术(SMT)组装方法和机器来获得高度的对准精确性，有可能借助于由SMT机器解读的光学对准导向器。在那种情况下，例如，探测器或辐射器芯片920可能通过倒装芯片安装在其前表面已形成有可调的薄膜光学滤波器924的基体922的背面。为了有利于对探测器或辐射器芯片920的调整和接触，可以有由照相平版印刷法限定的对准导向器926和触点928在基体922的背面上形成。作为替代，可以在基体或光学器件上使用中间掩模，以便对准个别的光学元件/光电元件。另外，可以构建混和结构，如同图13C说明的那样。例如，用于固定其它的电路或连接器950(例如，驱动电路或读出电路)的基体或底板940可以配备有光学通孔942以使将安装在基体940两侧的元件之间的光学通信成为可能(例如，通过倒装芯片安装在基体940一侧的可调光学滤波器芯片944和通过倒装芯片安装在基体940另一侧的探测器或辐射器芯片946)。
此外，基于传统的电子学方法的元件大量组装(例如，SMT)可能被用来在分开和封装它们之前在“薄片”中建造光电组件。这样的组装过程的例子被展示在图14A和14B中，在此探测器元件980和热敏电阻元件982安装在可调的薄膜光学滤波器984的背面一侧。几百个或上千个这样的子组件可以被自动地组装起来，并且回流焊(或金属丝压焊)工艺在薄膜光学滤波器晶片被切割成小块并且产生的子组件被封装之前进行。
图14B说明一种构造这样的组件的方法。基体984进行构图以接纳探测器元件980、热敏电阻元件982、可调的滤波器元件988和可能有的其它元件，然后被切割成小块。然后，某些基体块被堆叠起来以形成具有形成图案的金属迹线的支座元件。
所用的光学器件可能与上述的封装一起使用的光学配置包括不限于(1)入站的光学信号，出站的光学信号，或入站和出站的光学信号两者；(2)准直的或聚焦的光束，虽然在可调的滤波器的情况下优选准直的；(3)仅仅使用唯一的外部光学器件、外部和内部光学器件的组合、或唯一的内部集成封装的光学器件；(4)在外部的光学器件、封装的透明窗口或内部元件(例如，基体)上用于抗反射涂层、高反射涂层或选择性波长滤波目的的无源光学涂层，和(5)光学元件，例如，在封装外部使用的单或双光纤准直器、集成到封装自身中的透镜、或在封装内部元件的叠层中使用的微光学元件。
孔板在使用热光可调薄膜滤波器的实施方案中，在可调的薄膜滤波器中的加热元件通常为了至少两个理由应该做得尽可能小。首先，就比较小的加热器而言，器件的速度将比较快，因为较小的热质量需要被加热和冷却。其次，器件能以比较低的功率运行，因为可调元件的温度与功率密度成正比。对于给定的所需的最高温度和因此给定的所需的功率密度，加热器越小，所需的输入功率就越低。
然而，加热元件小的不足是在尝试使它光学对准自由空间准直光束时产生的困难。所有通过可调的滤波器传输的光都必须通过该器件被加热的部分。任何通过滤波器未被加热的部分或通过该器件未经滤波的部份传输的光都将包含不想要的波长并且将把不想要的噪音加到所需要的信号中。
为了实现低成本的封装，对准应该是尽可能容易的、无源的和自动化的。实现这一点的一个途径是通过把用于阻挡任何光线通过器件中除了可调的滤波器被加热的部分之外的任何部分传输的层集成到该器件中。在其最简单的形式中，这将是具有对准加热元件的小孔的金属层907，如图13A所示。在这种情况下，该对准仅仅必需好到足以保证准直光束的某个部分击中该小孔。准直光束的其余部分没有结果地击中在加热器区域外面的部分，因为这种光线将被反射而不被透射。因此，有孔的挡光层(“孔层”)使加热器相对比较小。另外，该孔与加热器区域相比应该是小的。这将保证加热元件边缘附近的温度不均匀性被减到最低，从而导致较狭窄的峰。
孔层应该足够厚，以便有足够的反射率滤去所需光量。然而，如果它太厚，那么它可能把不想要的应力加到薄膜叠层上和/或通过带走太多的热量而损害器件的热性能。如果孔层确实带走太多的热量，那么它能导致在小孔中不均匀的温度分布，而且将需要对加热器更多的输入功率以达到给定的温度。另外，该孔层需要能够经得起调整该器件所需的可能的高温。可能用于这个目的一些普通金属包括Al、Ag、Cu、Au、Pd、Pt、Ni、Fe、Cr、W和Ti。理想的材料将有感兴趣的波长(例如，1550nm)下的高k值、高熔融温度(因为金属通常将在它们的熔融温度的几分之一下软化和蠕变)、低热导率和低热质量(即，质量密度×比热)，所以孔层不带走太多的热量。请注意，非金属材料也是用于该孔层的可选项。
自由空间滤波器能在本文描述的实施方案中使用的可调滤波器的类型是可接纳可能已被准直的光束而且滤出用于透射或反射的特定的波长或波长组的“自由空间”滤波器。这些光学滤波器被称为“自由空间”滤波器，因为除了从诸如光纤之类的波导提取它们和把它们插入诸如光纤之类的波导的输入和输出光学器件之外，将被滤波的光束是未被引导的。许多这样的可调的滤波器件在技术上是已知的。这些包括但不限于·可调薄膜光学滤波器，包括在性能、成本和可靠性方面有很大的优势而且也异常适合这种封装形式的上述的热光可调薄膜光学滤波器；·使用两个或两个以上为了调整而一起移位或分开的电介质反射镜的基于微电子机械系统(MEMS)的法布里-珀罗滤波器；这包括基于硅的传统的MEMS和那些基于聚合物薄膜或其它材料的器件两者；·全息或光栅波导耦合的滤波器，其中，平面内的图案被用来形成用于沿着Z轴传播的光线的滤波器(或者被用来使特定的波长或波长组偏离轴)；·基于压电薄膜的压电法布里-珀罗。
许多现有的或研制中的其它的自由空间滤波器将从这份公开所描述的封装方法中获益。
将会理解，尽管已通过使用其详细说明的实施方案描述了本发明，但是前面的描述意在举例说明而不是限制本发明的范围，后者是用权利要求书的范围定义的。因此，本发明的其它方面、利益和修改都在下面的权利要求书的范围之内。
权利要求
1.一种光电子器件，其包括一个头部，其具有上表面并且包括许多穿过该上表面向上延伸的传导引线；一个光学器件；一个可调光学滤波器，其中，所述的光学器件和所述可调光学滤波器被设置在安装于头部的上表面并且在其上方延伸的垂直的叠层中，以及其中，所述的可调光学滤波器被电连接到一组所述许多传导引线；以及一个附加到该头部上而且与该头部一起限定包含有该光学器件和该可调光学滤波器的密封的内部空间的罩，其中，所述罩具有在其中形成窗口的顶表面，所述的窗口对准该可调光学滤波器和该光学器件。
2.根据权利要求1的光电子器件，其中，该头部和罩是晶体管轮廓(TO)组件。
3.根据权利要求1的光电子器件，其中，可调光学滤波器是热光可调薄膜光学滤波器。
4.根据权利要求1的光电子器件，其中，所述光学器件是辐射器(LED)。
5.根据权利要求1的光电子器件，其中，所述光学器件是探测器。
6.根据权利要求1的光电子器件，进一步包括安装在该头部的该顶表面上的支座结构，其中，该支座结构限定其上安装该光学器件的第一表面和其上面安装该可调光学滤波器的第二表面。
7.根据权利要求1的光电子器件，其中，该头部上的罩形成气密密封的内部。
8.根据权利要求1的光电子器件，其中，该罩包括固定光纤耦合光学器件的套环。
9.根据权利要求1的光电子器件，进一步包括一个基体，在该基体的一个表面上形成所述光学滤波器而在其相反表面上安装该光学器件。
10.一种光电子器件，其包括一个头部，其具有一个上表面并且包括许多穿过该上表面向上延伸的传导引线；一个光学器件，其用基本上平行于该头部的上表面的主表面支撑在该头部的顶表面上，其中，所述光学器件被电连接到一组所述的许多传导引线上；以及附加到该头部上而且与该头部一起限定包含有该光学器件的密封内部的罩，其中，所述的罩具有在其中形成第一窗口的顶表面，以及该头部具有在其中形成的第二窗口。
11.根据权利要求10的光电子器件，其中，该头部和罩是晶体管轮廓(TO)封装。
12.根据权利要求10的光电子器件，其中，该可调光学滤波器是热光可调薄膜光学滤波器。
13.根据权利要求10的光电子器件，其中，该光学器件是辐射器(LED)。
14.根据权利要求10的光电子器件，其中，该光学器件是探测器。
15.根据权利要求10的光电子器件，进一步包括安装在该头部的顶表面上的支座结构，其中，该支座结构限定其上安装该光学器件的第一表面和其上安装该可调光学滤波器的第二表面。
16.根据权利要求10的光电子器件，其中，该头部上的罩形成气密密封的内部。
17.根据权利要求10的光电子器件，其中，该罩包括固定光纤准直器的套环，其中，窗口是透镜。
18.根据权利要求10的光电子器件，进一步包括一个基体，在该基体的一个表面上形成该光学滤波器而在其相反的表面上安装该光学器件。
19.根据权利要求10的光电子器件，其中，该罩包括从其顶表面向上延伸并提供用来保持光馈送的孔的插芯。
全文摘要
一种光电子器件，包括具有上表面且包括许多穿过上表面向上延伸的传导引线(116)的头部(108)；光学器件(102)；可调光学滤波器(100)，其中，光学器件和可调光学滤波器被安排于安装在头部的上表面上且在其上方延伸的垂直的叠层中，而可调光学滤波器被电连接到该许多传导引线上；附加到头部上而且与头部一起限定包含有光学器件和可调光学滤波器密封的内部空间的罩(110)，其中，该罩具有在其中形成窗口(106)的顶面，而且该窗口对准该可调光学滤波器和光学器件。其应用包括三端口上/下路复用器。
文档编号H01L31/0232GK1610851SQ02826493
公开日2005年4月27日 申请日期2002年11月27日 优先权日2001年11月28日
发明者马太亚斯·瓦格纳, 罗伯特·姆拉诺, 尤金·Y·马, 史蒂文·谢尔曼, 劳伦斯·多玛斯 申请人:伊吉斯半导体公司