專利名稱：具有光電器件對(duì)準(zhǔn)的光學(xué)組件的制作方法
關(guān)于聯(lián)邦資助研發(fā)的發(fā)明權(quán)利的聲明根據(jù)DARPA Contract MDA972-03-004，美國可能擁有這里公開的某些發(fā)明的權(quán)利。
背景技術(shù)：
大型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)中的芯片間互連的帶寬要求繼續(xù)快速增長。當(dāng)前的電互連方案由于大型大量平行電纜束的物理限制、連接器尺寸和/或功率和速度考慮所造成的電帶寬的限制而經(jīng)歷瓶頸。這已經(jīng)引起了適于長距離電信鏈路的光纖互連的使用的增加。光纖互連還可以方便地用于連接計(jì)算機(jī)機(jī)架或托架。
隨著中央處理單元(CPU)的時(shí)鐘速度繼續(xù)增長以及集成電路繼續(xù)變得更加小型化，光學(xué)連接可被使用在電路板組件上以適應(yīng)增長的帶寬要求。除電路導(dǎo)電線(conductive circuit trace)之外，光波導(dǎo)已經(jīng)被使用在電路板組件上以代替分立式光纖?？梢允褂贸膳a(chǎn)法將聚合材料應(yīng)用和成形，以形成期望的光波導(dǎo)。因此光波導(dǎo)陣列可被形成在電路板組件上以擴(kuò)充傳統(tǒng)的導(dǎo)電通道。導(dǎo)電通道與其他電器件之間的電連接通常用焊接或可移動(dòng)式連接器制成，所述焊接或可移動(dòng)式連接器不需要高度的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)來正常工作。然而，諸如垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)這樣的光電器件需要與光波導(dǎo)或諸如雪崩光電二極管(APD)這樣的另一個(gè)光電器件精確對(duì)準(zhǔn)，以保證具有最小光學(xué)損耗的信號(hào)傳輸?shù)耐暾?。例如，光電器件取決于具體的光學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)通常需要幾微米左右的對(duì)準(zhǔn)精度。這是比電互連所需對(duì)準(zhǔn)精度高得多的對(duì)準(zhǔn)精度。因此，需要一種光學(xué)組件，其可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)電互連和光互連，并且光互連是以高精度實(shí)現(xiàn)的。
在同時(shí)提供電互連和光互連的光學(xué)組件中需要解決對(duì)準(zhǔn)保持問題，該問題是由組件中的不同材料具有不同熱膨脹系數(shù)這一事實(shí)引起的。因此在生產(chǎn)和操作溫度的整個(gè)范圍上難于將光電器件的對(duì)準(zhǔn)保持在幾微米之內(nèi)。例如，如果光學(xué)組件的設(shè)計(jì)需要生產(chǎn)期間的高溫，并且此后冷卻至環(huán)境溫度，則光電器件相對(duì)于其波導(dǎo)器可能變得對(duì)不準(zhǔn)。因此光學(xué)鏈路在后續(xù)操作期間可能不能實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸完整性。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)或交換機(jī)柜中的溫度在正常操作期間隨著時(shí)間循環(huán)時(shí)，光電器件也可能變得對(duì)不準(zhǔn)并且因此無法正確執(zhí)行其預(yù)期功能。
可同時(shí)實(shí)現(xiàn)電互連和光互連的光學(xué)組件必須設(shè)計(jì)使得任何諸如透鏡這樣的敏感組件在操作期間不被擦傷。此外，其應(yīng)該能夠適應(yīng)光電器件的陣列。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，光學(xué)組件包括襯底和該襯底上支撐的至少一個(gè)光波導(dǎo)。所述光波導(dǎo)具有柔性元件，在該柔性元件中形成有多個(gè)栓孔(keyapeture)。所述光學(xué)組件還包括具有多個(gè)凸起(projection)的光電器件，所述多個(gè)凸起與相應(yīng)的栓孔對(duì)齊，以按照相對(duì)于所述光波導(dǎo)的預(yù)定對(duì)準(zhǔn)方式來定位所述光電器件。
根據(jù)本發(fā)明，光學(xué)組件包括具有至少一個(gè)第一導(dǎo)電通道的第一襯底。至少一個(gè)光波導(dǎo)被支撐在所述第一襯底上并且具有形成在其中的多個(gè)栓孔。所述光學(xué)組件還包括具有多個(gè)凸起的光電器件，所述多個(gè)凸起與相應(yīng)的栓孔對(duì)齊，以按照相對(duì)于所述光波導(dǎo)的預(yù)定對(duì)準(zhǔn)方式來定位所述光電器件。第二襯底支撐所述光電器件并且具有至少一個(gè)第二導(dǎo)電通道。所述第一和第二導(dǎo)電通道之間的多個(gè)電連接以相對(duì)于所述光波導(dǎo)的預(yù)定對(duì)準(zhǔn)方式來保持光電器件。


圖1是本發(fā)明的光學(xué)組件的一個(gè)實(shí)施例的概略垂直橫截面。
圖2是圖1的放大的一部分，其圖示了圖1的光學(xué)組件的光電器件中的透鏡和光波導(dǎo)中的反射鏡。
圖3是本發(fā)明的光學(xué)組件的替代實(shí)施例的概略垂直橫截面，其不使用圖1和2的實(shí)施例的第二襯底。
圖4是包括光電器件的陣列的本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施例的俯視圖。
具體實(shí)施例方式
參照圖1，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，光學(xué)組件10包括下襯底12，下襯底12具有形成于其上方的導(dǎo)電通道14和16。光波導(dǎo)18也被形成在第一襯底12的上方。光波導(dǎo)18由光傳導(dǎo)聚合材料制成，該光傳導(dǎo)聚合材料具有被選擇用來對(duì)在由外包層18b圍繞的內(nèi)核18a中傳輸?shù)墓馓峁┏浞值娜珒?nèi)反射的折射率。光波導(dǎo)18具有形成在其中的多個(gè)栓孔20和22。光學(xué)組件10還包括光電器件24，光電器件24具有多個(gè)凸起26和28，凸起26和28分別與相應(yīng)的栓孔20和22對(duì)齊，以按照相對(duì)于光波導(dǎo)18的預(yù)定對(duì)準(zhǔn)方式來定位光電器件24。
上襯底30支撐光電器件24并且具有形成在其下方的導(dǎo)電通道32和34。導(dǎo)電通道14和16被電連接到導(dǎo)電通道32和34，以按照相對(duì)于光波導(dǎo)18的預(yù)定對(duì)準(zhǔn)方式來保持光電器件24。這里所使用的術(shù)語“導(dǎo)電通道”不僅包括導(dǎo)電線，除此之外包括使得能夠在下襯底12與上襯底30之間制造電連接的導(dǎo)電盤、焊盤、引腳和其他合適的電傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
根據(jù)圖1的實(shí)施例，配合焊球接點(diǎn)36和38被用來永久地保持光電器件24，使得光波導(dǎo)18的有角度轉(zhuǎn)向(angled turning)或反射鏡40(圖2)和光電器件24的透鏡42被精確配合至幾微米公差。這在按照相對(duì)于光波導(dǎo)18的預(yù)定對(duì)準(zhǔn)方式保持光電器件24(圖1)時(shí)保證了信號(hào)傳輸?shù)耐暾圆⑹构鈸p耗最小化。在圖2中，鏡40與透鏡42之間從透鏡42引至鏡40的會(huì)聚線圖示了關(guān)于這些光學(xué)元件的光通道。
光波導(dǎo)18(圖1)與導(dǎo)電通道14和16是利用已知的成批生產(chǎn)方法來形成的。栓孔20和22可以通過篩網(wǎng)(screening)方法或合適的激光挖掘方法來形成，并且可能是部分延伸通過光波導(dǎo)18的凹陷，或是完全延伸通過波導(dǎo)18的洞。下襯底12可以是在生產(chǎn)印刷電路板時(shí)使用的傳統(tǒng)的覆銅玻璃纖維層壓板，或是諸如硅、陶瓷或聚酰亞胺這樣的任何其他合適襯底。上襯底30可以是硅、陶瓷或聚酰亞胺塊，集成電路或者機(jī)械結(jié)構(gòu)。凸起26和28優(yōu)選為錐形并且具有比栓孔20和22的最大直徑更大的最大外徑，以在它們配合時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定心效果，從而實(shí)現(xiàn)所期望的精確對(duì)準(zhǔn)。雖然在圖示的實(shí)施例中，凸起26和28是圓柱并且栓孔20和22具有圓柱構(gòu)造，但是各種合適構(gòu)造可被使用，例如錐形凸起和圓柱形栓孔。
光學(xué)組件10(圖1)簡化了達(dá)到幾微米內(nèi)公差所需的初始對(duì)準(zhǔn)過程。在高溫制造和后續(xù)冷卻期間，以及在正常操作期間遇到的溫度改變期間，精確對(duì)準(zhǔn)被保持，而完全不管光學(xué)組件10中的各種材料的不同的熱膨脹。
栓孔20和22(圖1)和凸起26和28與波導(dǎo)18和光電器件24同時(shí)在相同的成批過程中制造。通過將專用功能元件集成在這些器件上，無需處理額外的部件。另外，因?yàn)榭梢栽谂c栓孔20和22相同的過程中制造由凸起26和28提供的機(jī)械閉鎖，所以光電器件24的安置精度很高。通過類似的方法，栓孔20和22相對(duì)于光波導(dǎo)18的反射鏡40(圖2)被精確地定位。另外，因?yàn)闄C(jī)械對(duì)準(zhǔn)功能元件本身位于波導(dǎo)18(圖1)和光電器件24上，所以焊球接點(diǎn)36和38的對(duì)準(zhǔn)被從緊密光學(xué)對(duì)準(zhǔn)要求中去除。這消除了通常由將器件對(duì)齊到焊盤的多個(gè)掩蔽步驟引起的對(duì)準(zhǔn)公差的積累。這在電連接不是直接連接到光電器件24而是連接到其所附接的上襯底30的情況下特別重要，如光學(xué)組件10的情況一樣。其在波導(dǎo)器18只是粗略對(duì)準(zhǔn)到下襯底12上的導(dǎo)電通道14和16的情況下也特別重要，如光學(xué)組件10的情況一樣。此外，聚合光波導(dǎo)18的柔性物理屬性有利地適應(yīng)了光電器件24的很硬的半導(dǎo)體材料。通常，凸起/孔接合離光學(xué)內(nèi)核18a越近，光電器件24與光波導(dǎo)器18之間的對(duì)準(zhǔn)將越精確。
根據(jù)本發(fā)明，在諸如24這樣的光電器件上制造諸如26和28這樣的多個(gè)凸起非常精確地參照了光電器件24的光軸。在諸如18這樣的光波導(dǎo)中制造諸如20和22這樣的相應(yīng)栓孔非常精確地參照了其光耦合軸。使凸起26和28錐形化或圓化并使它們略大于栓孔20和22允許了當(dāng)光電器件24被配合到光波導(dǎo)18時(shí)的自動(dòng)定心動(dòng)作。這將光電器件24帶入其相對(duì)于光波導(dǎo)18的理想位置。一旦凸起26和28變?yōu)閷?duì)齊在其相應(yīng)的栓孔20和22中，則當(dāng)上和下襯底12和30之間諸如焊球接點(diǎn)36和38這樣的電傳導(dǎo)連接冷卻和凝固時(shí)，光電器件被穩(wěn)固地保持對(duì)準(zhǔn)。
凸起26和28與栓孔20和22的配合，連同焊球接點(diǎn)36和38一起，提供了局部機(jī)械控制來幫助初始對(duì)準(zhǔn)和對(duì)準(zhǔn)隨時(shí)間的保持，而不管產(chǎn)品生命周期期間的溫度改變。最后，因?yàn)橥哥R42被凹進(jìn)在凸起26和28的外端的水平之下，所以其被保護(hù)免于擦傷。所述多個(gè)凸起26和28從光電器件24的下方開始延伸超出透鏡42，使得透鏡42在光電器件24的操作期間被保護(hù)免于擦傷。
參照圖3，根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例50包括光波導(dǎo)52，光波導(dǎo)52包括封閉在聚合物膜的包層56形式的柔性元件中的平行延伸的分立玻璃或塑料光纖54的一般平面陣列。光電器件58具有多個(gè)錐形凸起60，所述錐形凸起60與形成在聚合物包層56中的栓孔(不可見)對(duì)齊。可通過在精確位置處對(duì)聚合物包層56的機(jī)械鉆眼、沖壓或激光挖掘來預(yù)先形成栓孔。可替換地，當(dāng)硬的凸起60刺入聚合物包層56中時(shí)可形成栓孔。透鏡、鏡或其他光學(xué)功能元件(未在圖3中圖示)在光電器件58和分立光纖54和/或其他光波導(dǎo)(未圖示)之間耦合光。單個(gè)襯底62被附接到光波導(dǎo)52或光電器件58并對(duì)其進(jìn)行支撐。實(shí)施例50中沒有第二襯底，因此通常不需要在兩個(gè)襯底上的導(dǎo)電通道之間的任何電連接。
雖然已經(jīng)描述了根據(jù)本發(fā)明的幾個(gè)示范性實(shí)施例，但是其修改和改裝對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員將顯而易見。例如，圖4是構(gòu)造與光學(xué)組件10類似的另一個(gè)光學(xué)組件100的俯視圖。光學(xué)組件100包括48個(gè)光電器件的一般矩形陣列，這些光電器件每個(gè)都具有透鏡102。四個(gè)透鏡柱104被定位在光學(xué)組件100的各個(gè)角上。各種光電器件可被提供，包括但不限于發(fā)光二極管(LED)、法布里-佩羅(FP)激光二極管、分布式反饋(DFB)激光二極管、垂直腔面發(fā)射激光器(VCEL)、正-本征-負(fù)(PIN)光電二極管、集成檢測器/前置放大器(IDP)、雪崩光電二極管(APD)、激光驅(qū)動(dòng)器的硅集成電路，以及液晶器件?？梢允褂脗鹘y(tǒng)的回流焊接點(diǎn)或諸如導(dǎo)電環(huán)氧樹脂這樣的導(dǎo)電粘合劑來代替焊球接點(diǎn)36和38。雖然光波導(dǎo)18以沉積在下襯底12的上方的聚合物膜18a和18b的形式被圖示，但是其他形式的光波導(dǎo)可被使用，例如填滿聚合物的凹槽、分立塑料光纖或者分立玻璃光纖。除轉(zhuǎn)向鏡和透鏡之外的其他光學(xué)功能元件可被使用在光學(xué)組件中并受益于精確對(duì)準(zhǔn)，包括但不限于起偏器和波長濾波器。因此，本發(fā)明所獲得的保護(hù)僅受所附權(quán)利要求書的范圍的限制。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)組件，包括襯底；至少一個(gè)光波導(dǎo)，所述至少一個(gè)光波導(dǎo)被支撐在所述襯底上并且具有柔性元件，所述柔性元件具有形成于其中的多個(gè)栓孔；以及光電器件，所述光電器件具有多個(gè)凸起，所述多個(gè)凸起與相應(yīng)的栓孔對(duì)齊，以按照相對(duì)于所述光波導(dǎo)的預(yù)定對(duì)準(zhǔn)方式來定位所述光電器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組件，還包括支撐所述光電器件的第二襯底。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)組件，還包括支撐所述光波導(dǎo)的所述襯底上的至少一個(gè)第一導(dǎo)電通道和所述第二襯底上的至少一個(gè)第二導(dǎo)電通道。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)組件，還包括所述第一與第二導(dǎo)電通道之間的多個(gè)電連接，所述多個(gè)電連接以相對(duì)于所述光波導(dǎo)的預(yù)定對(duì)準(zhǔn)方式來保持所述光電器件。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組件，其中，所述光波導(dǎo)的柔性元件是由聚合材料組成的并且所述光波導(dǎo)包括至少一個(gè)玻璃組件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組件，其中，所述凸起是球形的。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組件，還包括所述光波導(dǎo)中的第一光學(xué)功能元件和所述光電器件中的第二光學(xué)功能元件，所述第一光學(xué)功能元件和所述第二光學(xué)功能元件被精確地配合以在所述光電器件以相對(duì)于所述光波導(dǎo)的預(yù)定對(duì)準(zhǔn)方式被保持時(shí)保證具有最小光損耗的信號(hào)傳輸?shù)耐暾浴?br> 8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組件，其中，所述光電器件是從由發(fā)光二極管、法布里-佩羅激光二極管、分布式反饋激光二極管、垂直腔面發(fā)射激光器、正-本征-負(fù)光電二極管、集成檢測器/前置放大器、雪崩光電二極管、激光驅(qū)動(dòng)器的硅集成電路和液晶器件組成的組中選擇的。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)組件，其中，所述多個(gè)電連接包括多個(gè)焊球接點(diǎn)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組件，其中，所述光電器件包括形成在所述光電器件的下方的透鏡，并且所述多個(gè)凸起從所述光電器件的下方開始延伸超出所述透鏡，使得所述透鏡在所述光電器件的操作期間被保護(hù)免于擦傷。
11.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光學(xué)組件，其中，所述第二襯底是集成電路器件。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組件，其中，所述凸起是錐形的。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)組件，其中，所述栓孔是延伸通過所述光波導(dǎo)的洞。
14.一種光學(xué)組件，包括第一襯底，所述第一襯底具有至少一個(gè)第一導(dǎo)電通道；至少一個(gè)光波導(dǎo)，所述至少一個(gè)光波導(dǎo)被支撐在所述第一襯底上并且具有形成于其中的多個(gè)栓孔；光電器件，所述光電器件具有多個(gè)凸起，所述多個(gè)凸起與相應(yīng)的栓孔對(duì)齊，以按照相對(duì)于所述光波導(dǎo)的預(yù)定對(duì)準(zhǔn)方式來定位所述光電器件；第二襯底，所述第二襯底支撐所述光電器件并且具有至少一個(gè)第二導(dǎo)電通道；以及所述第一與第二導(dǎo)電通道之間的多個(gè)電連接，所述多個(gè)電連接以相對(duì)于所述光波導(dǎo)的預(yù)定對(duì)準(zhǔn)方式來保持所述光電器件。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)組件，還包括所述光波導(dǎo)中的第一光學(xué)功能元件和所述光電器件中的第二光學(xué)功能元件，所述第一光學(xué)功能元件和所述第二光學(xué)功能元件被精確地配合以在所述光電器件以相對(duì)于所述光波導(dǎo)的預(yù)定對(duì)準(zhǔn)方式被保持時(shí)保證具有最小光損耗的信號(hào)傳輸?shù)耐暾浴?br> 16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)組件，其中，所述光電器件是從由發(fā)光二極管、法布里-佩羅激光二極管、分布式反饋激光二極管、垂直腔面發(fā)射激光器、正-本征-負(fù)光電二極管、集成檢測器/前置放大器、雪崩光電二極管、激光驅(qū)動(dòng)器的硅集成電路和液晶器件組成的組中選擇的。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)組件，其中，所述導(dǎo)電連接裝置包括多個(gè)焊球接點(diǎn)。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)組件，其中，所述光電器件包括形成在所述光電器件的下方的透鏡，并且所述多個(gè)凸起從所述光電器件的下方開始延伸超出所述透鏡，使得所述透鏡在所述光電器件的操作期間被保護(hù)免于擦傷。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)組件，其中，所述光波導(dǎo)具有柔性元件并且所述栓孔被形成在所述柔性元件中。
20.一種光學(xué)組件，包括第一襯底，所述第一襯底具有至少一個(gè)第一導(dǎo)電通道；至少一個(gè)光波導(dǎo)，所述至少一個(gè)光波導(dǎo)被支撐在所述第一襯底上并且具有形成在其柔性元件中的多個(gè)栓孔，并且所述光波導(dǎo)具有位于其內(nèi)核中的轉(zhuǎn)向鏡；光電器件，所述光電器件是從由發(fā)光二極管、法布里-佩羅激光二極管、分布式反饋激光二極管、垂直腔面發(fā)射激光器、正-本征-負(fù)光電二極管、集成檢測器/前置放大器、雪崩光電二極管、激光驅(qū)動(dòng)器的硅集成電路和液晶器件組成的組中選擇的，所述光電器件具有多個(gè)凸起，所述多個(gè)凸起與相應(yīng)的栓孔對(duì)齊，以按照相對(duì)于所述光波導(dǎo)的預(yù)定對(duì)準(zhǔn)方式來定位所述光電器件，所述光電器件具有形成在所述光電器件的下方的透鏡，并且所述凸起從所述光電器件的下方開始延伸超出所述透鏡，使得所述透鏡在所述光電器件的操作期間被保護(hù)免于擦傷；第二襯底，所述第二襯底支撐所述光電器件并且具有至少一個(gè)第二導(dǎo)電通道；以及所述第一和第二導(dǎo)電通道之間的多個(gè)電連接，所述多個(gè)電連接以相對(duì)于所述光波導(dǎo)的預(yù)定對(duì)準(zhǔn)方式來保持所述光電器件，使得所述轉(zhuǎn)向鏡和透鏡被精確配合以保證所述內(nèi)核與所述光電器件之間具有最小光損耗的信號(hào)傳輸?shù)耐暾裕鲭娺B接是從由焊球接點(diǎn)、回流焊接點(diǎn)和導(dǎo)電環(huán)氧樹脂組成的組中選擇的。
21.一種光學(xué)組件，包括光波導(dǎo)，具有至少一個(gè)玻璃元件和柔性元件；光電器件，具有多個(gè)凸起，所述多個(gè)凸起延伸進(jìn)所述柔性元件中，以按照相對(duì)于所述光波導(dǎo)的預(yù)定對(duì)準(zhǔn)方式來定位所述光電器件；以及襯底，所述襯底被附接到所述光電器件或所述光波導(dǎo)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種光學(xué)組件。至少一個(gè)光波導(dǎo)被支撐在襯底上并且具有形成在其柔性元件中的多個(gè)栓孔。諸如垂直腔面發(fā)射激光器這樣的光電器件具有多個(gè)凸起，這些凸起與相應(yīng)的栓孔對(duì)齊，以按照相對(duì)于所述光波導(dǎo)的預(yù)定對(duì)準(zhǔn)方式來定位所述光電器件。
文檔編號(hào)G02B6/12GK101014889SQ200580029341
公開日2007年8月8日 申請日期2005年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月1日
發(fā)明者加里·R·托特, 拉塞爾·A·布德, 珍妮·M·特韋拉 申請人:安捷倫科技有限公司, 國際商業(yè)機(jī)器公司