專利名稱：光纖與面型光電芯片的耦合方法及其結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種光纖通信領(lǐng)域半導(dǎo)體光電子器件及其組件的制造加 工，特別涉及的是一種光纖與面型光電芯片的耦合方法及其結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
對(duì)于半導(dǎo)體光探測(cè)器、發(fā)射器及其組件的核心功能部件光電轉(zhuǎn)換芯片以下 簡(jiǎn)稱"光電芯片"而言，其執(zhí)行光電之間的能量、信號(hào)轉(zhuǎn)換，而光能量本身位于特 定波長(zhǎng)范圍的波段。光電芯片由多層半導(dǎo)體材料層疊而成，根據(jù)需要其進(jìn)、出光方向既可以設(shè)計(jì)成平行于這些工作平面-即側(cè)面進(jìn)、出光類型；又可以設(shè)計(jì) 成垂直于這些工作平面-即表面進(jìn)、出光類型。對(duì)于側(cè)面進(jìn)出光類型而言，由 于光路較長(zhǎng)，因此通常設(shè)計(jì)成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，以防止光的彌散；對(duì)于表面進(jìn)出光類 型主要是考慮限制光發(fā)射或接收區(qū)域的范圍大小。 一類特殊的芯片結(jié)構(gòu)是在波 導(dǎo)型的 一端集成制作一個(gè)45度斜反射面如通過化學(xué)腐蝕的方法在波導(dǎo)的 一端腐 蝕出該斜面，從而將側(cè)面進(jìn)、出光類型轉(zhuǎn)變成表面進(jìn)、出光類型。我們把以上 這些表面進(jìn)、出光的類型統(tǒng)稱為"面型"。下面以常規(guī)的，也是最常見的一種面型芯片-面型光探測(cè)器的光電二極管 芯片英文簡(jiǎn)稱為"PD"為例，對(duì)本發(fā)明予以說明。常規(guī)面型光電芯片100的結(jié)構(gòu) 如圖l所示，其包括光接收面110，又稱光敏面，由相應(yīng)的半導(dǎo)體工藝形成， 通常為一定大小的圓形區(qū)域；光敏面110四周附著金屬電極120以形成與光敏 面功能材料的電接觸，并在附近形成一個(gè)用于引線連接的金屬電極130。光敏面 110所在表面為面型光電芯片100的正面，另一面為芯片的基底材料140,整個(gè) 芯片正是在基底之上經(jīng)由特殊的材料制備工藝形成多層的半導(dǎo)體復(fù)合材料150， 基底這一面稱之為背面。半導(dǎo)體材料150與金屬電極130之間為絕緣介質(zhì)材料 160。對(duì)于這種面型光電芯片100,其進(jìn)光方式有兩種， 一種是正面進(jìn)入，另一 種是背面進(jìn)入，由不同的應(yīng)用要求來決定。對(duì)于通常的面型光發(fā)射芯片，如面 型發(fā)光二極管LED，或垂直腔面發(fā)射激光器VCSEL二極管，其大體結(jié)構(gòu)形式與 圖1所示的面型光探測(cè)器的光電二極管芯片類似，出光方向包括正面出光和背面出光兩種。繼續(xù)以圖1所示的面型光電二極管芯片為例。由于這種進(jìn)光方式的特點(diǎn)， 光纖與面型光電芯片100的耦合通常采取光纖軸與光敏面垂直的形式。這是最 直接的耦合方式，許多單獨(dú)的面型光電二極管芯片器件即釆用這種簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)， 結(jié)合采用相應(yīng)的封裝形式。然而，在某些限定封裝形式、尤其是面型光電二極 管芯片和其它元件一起構(gòu)成組件應(yīng)用的情況下，如果仍保持這種光纖垂直于面 型光電二極管芯片的形式，則會(huì)對(duì)其它相關(guān)組裝和封裝工作造成很大障礙，甚 至無法進(jìn)行。因此，有必要進(jìn)行另一種結(jié)構(gòu)的光纖耦合方式，以解決這個(gè)矛盾。 請(qǐng)參閱圖2所示的，其為一種已經(jīng)被業(yè)界采用的，45度斜面光纖170與面型光 電芯片100耦合的方式。它應(yīng)用于一種稱為"蝶形"管殼190的封裝形式；請(qǐng)參閱如圖3所示，由于面型光電芯片100與其它關(guān)聯(lián)的電子芯片200、以 及與印刷電路板210之間通過金絲鍵合引線220連接，面型光電芯片100需要 平放于基板210之上，而光纖170從水平的方向引入到管殼190內(nèi)，由此光纖 軸與面型光電芯片IOO表面為平行放置。為解決這種情況下光纖170與面型光 電芯片IOO間的耦合問題，采取了在光纖端面制作45度斜反射面180的方法， 使沿光纖水平方向傳輸?shù)墓饨?jīng)端面反射后轉(zhuǎn)向下輸出。然而，在已有的這種45度斜面纖170與面型光電芯片IOO耦合的形式中， 存在著一些難以克服的工藝性問題。這主要表現(xiàn)在光纖170位置的調(diào)整、以及 最佳耦合位置的穩(wěn)定上。在現(xiàn)實(shí)的產(chǎn)品生產(chǎn)中，它體現(xiàn)為產(chǎn)品生產(chǎn)效率、成品 率、及可靠性三大問題。對(duì)于光纖170位置的調(diào)整，由于光纖端面在空間上基 本沒有限制，因此它的最佳耦合位置的調(diào)整需花費(fèi)一定時(shí)間。最大的問題在于， 這種最佳位置的調(diào)整受到光纖固定工藝的影響，光纖的固定通常是在其外包裹 一層緊密粘連的金屬套管230稱為光纖的"金屬化"，然后將該套管230焊制在管 殼上的光纖通孔240內(nèi)。焊接造成的溫度變化引起熱脹冷縮效應(yīng)以及其它受影 響的應(yīng)力作用，導(dǎo)致光纖170的位置在焊制過程中容易發(fā)生移動(dòng)，而偏離最佳 耦合的位置。這種問題導(dǎo)致的結(jié)果是進(jìn)行耦合最佳狀態(tài)調(diào)整的工序時(shí)間被延長(zhǎng)， 且容易出現(xiàn)不合格品。以上這些工作都是在"有源"的方式下，以手工操作進(jìn)行， 即讓器件處于通電工作的狀態(tài)， 一邊手工調(diào)整， 一邊觀察輸出在檢測(cè)儀器上的 結(jié)果，這樣使加工的效率過低。而另一方面，當(dāng)耦合、固定好的器件..組件產(chǎn) 品，在進(jìn)行溫度變化過程下的可靠性檢驗(yàn)時(shí)，也同樣容易因相同的因素致使耦 合位置的偏離而導(dǎo)致不合格。對(duì)于不合格品，需要進(jìn)行退出光纖，重新耦合。這種情況對(duì)于光敏面110較小，因而對(duì)位置偏離十分敏感的高速器件，尤為嚴(yán) 重。鑒于上述諸多缺陷，本發(fā)明創(chuàng)作者經(jīng)過長(zhǎng)時(shí)間的研究和試驗(yàn)終于獲得解決 問題的方案。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于，提供一種光纖與面型光電芯片的耦合方法及其結(jié)構(gòu)， 用以克服上述缺陷。為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案在于，首先提供一種光纖與面型光電芯片的耦合方法，其包括的步驟在于在一基板上制作一凹槽，將一光纖設(shè)置在所述凹槽的指定位置上； 將 一 面型光電芯片與所述的基板位置相對(duì)固定；將所述的光纖的 一 端加工成斜面，使經(jīng)過所述的斜面發(fā)生全反射的光線投 射到所述的面型光電芯片的工作表面。較佳的，所述的面型光電芯片設(shè)置在所迷的基板上，所述的面型光電芯片 的工作表面朝向所述凹槽。較佳的，對(duì)于正面進(jìn)、出光類型的面型光電芯片釆用芯片倒裝工藝，使所 述光電芯片的正面朝下放置；對(duì)于背面進(jìn)、出光類型的面型光電芯片直接使所 述光電芯片正面朝上放置。較佳的，所述凹槽的指定位置是通過在所述凹槽上制作圖形對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行 預(yù)先設(shè)定，用以確定光纖設(shè)置在所述凹槽中的縱向位置。較佳的，在安裝精度低的情況下，所述的光纖與所述面型光電芯片間光耦 合的效果，通過沿凹槽的縱向移動(dòng)光纖和/或使所述光纖圍繞自身軸旋轉(zhuǎn)，來調(diào) 整和優(yōu)化。其次提供一種光纖與面型光電芯片的耦合結(jié)構(gòu)，其用以實(shí)現(xiàn)上述的光纖與 面型光電芯片的耦合方法，其包括 一基板，其上具有一凹槽；一面型光電芯片，其所設(shè)置的位置與所述的基板的位置相對(duì)固定； 一光纖，其設(shè)置在所述的凹槽內(nèi)指定位置上，所述的光纖一端具有一斜面， 使經(jīng)過所述的斜面發(fā)生全反射的光線投射到所述的面型光電芯片的工作表面。 較佳的，所述凹槽的指定位置是通過在所述凹槽上制作國(guó)形對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，用以確定光纖設(shè)置在所述凹槽中的縱向位置。較佳的，在安裝精度低的情況下，所述的光纖與所述面型光電芯片間光耦 合的效果，通過沿凹槽的縱向移動(dòng)光纖和/或使所述光纖圍繞自身軸旋轉(zhuǎn)，來調(diào) 整和優(yōu)化。所述的面型光電芯片為面型光探測(cè)器芯片、面型光發(fā)射器芯片或面接收/發(fā) 射類型的波導(dǎo)型光探測(cè)器/發(fā)射器芯片。與現(xiàn)有技術(shù)比較本發(fā)明的有益效果在于，首先，通過一種簡(jiǎn)潔的光纖和芯 片裝配、固定的方式，以解決現(xiàn)有相關(guān)耦合工藝中耦合難度高和穩(wěn)定性差的問題。其次，通過預(yù)先精確設(shè)定光纖和光電芯片位置關(guān)系，提供一種可用于無源 方式組裝的光纖與面型光電芯片耦合的方法，可實(shí)現(xiàn)低成本和規(guī)?；墓怆娖?件及組件產(chǎn)品的組裝、生產(chǎn)，所述的耦合方法將有助于使相關(guān)的工序?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化，改變?cè)袉我豢渴止げ僮鞯木置?；最后，通過采用芯片倒裝的形式，可用于解決高速光電器件及其組件在封 裝中面臨的 一些關(guān)鍵性技術(shù)問題。


圖1為現(xiàn)有的面型光探測(cè)器芯片結(jié)構(gòu)的立體示意圖；圖2為現(xiàn)有技術(shù)中光纖與面型光探測(cè)器芯片耦合結(jié)構(gòu)實(shí)施例的側(cè)視示意圖； 圖3為現(xiàn)有技術(shù)中采用圖2耦合結(jié)構(gòu)的蝶形管殼封裝結(jié)構(gòu)實(shí)施例的立體示 意圖；圖4為本發(fā)明所述的光纖與面型光電芯片耦合方法的流程圖；圖5A為本發(fā)明所述的光纖與面型光電芯片耦合結(jié)構(gòu)的立體分解示意圖；圖5B為本發(fā)明所述的光纖與面型光電芯片耦合結(jié)構(gòu)的側(cè)視示意圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明上述的和另外的技術(shù)特征和優(yōu)點(diǎn)作更詳細(xì)的說明。 請(qǐng)參閱圖4所示，其為本發(fā)明所述的光纖與面型光電芯片耦合方法的流程 圖；其包括的步驟為步驟a:在一基板上制作一凹槽，將一光纖設(shè)置在所述凹槽的指定位置上； 步驟b:將一面型光電芯片與所述的基板位置相對(duì)固定；步驟C:將所述的光纖的一端加工成斜面，使經(jīng)過所述的斜面發(fā)生全反射的 光線投射到所述的面型光電芯片的工作表面。對(duì)于上述的步驟a而言，根據(jù)機(jī)械加工中的定位理論，任何一不受約束的 空間自由物體都具有6個(gè)自由度，因此通過設(shè)置不同限位特性的定位件實(shí)現(xiàn)對(duì) 相應(yīng)運(yùn)動(dòng)的限制，對(duì)于設(shè)置有凹槽的基板而言，這種凹槽可以是V型的，也可 以是圓弧型U型的，或矩形的，其主要目的是通過線接觸從而限制了光纖的4 個(gè)自由度，從而在進(jìn)行定位之后，即使將光纖用金屬套管包覆所述的光纖與管 殼上的光纖通孔以焊料進(jìn)行焊接，也不會(huì)造成其他自由度對(duì)定位的影響；同時(shí) 將所述的面型光電芯片與所述的基板位置相對(duì)固定，確保所述的光纖出射的光 能夠投射到所述的面型光電芯片的工作表面，最終達(dá)到最佳的耦合效果。請(qǐng)參閱圖5A所示，其為本發(fā)明所述的光纖與面型光電芯片耦合結(jié)構(gòu)的立體 分解示意圖，所述的光纖與面型光電芯片耦合結(jié)構(gòu)包括 一基板250,其上具有 一凹槽260; —面型光電芯片100,其所設(shè)置的位置與所述的基板250的位置相 對(duì)固定，其一實(shí)施例是將所述的面型光電芯片100與基板250上的電路采用金 屬焊料或?qū)щ娔z等物質(zhì)280進(jìn)行連接(請(qǐng)參閱圖5B所示)，從而取代引線連接； 以及一光纖170，其設(shè)置在所述的凹槽260內(nèi)指定位置上，所述的光纖170—端 具有一斜面，所述的斜面根據(jù)具體的全反射情況可以設(shè)置成45度，但也可以根 據(jù)具體的需要改變斜面的角度。使經(jīng)過所述的斜面發(fā)生全反射的光線投射到所 述的面型光電芯片IOO的工作表面。為了確保能夠達(dá)到光纖170和面型光電芯片100間的"無源"對(duì)準(zhǔn)組裝方式， 所述的凹槽260必須提供對(duì)光纖170橫向截面位置的精確限定，它通過嚴(yán)格設(shè) 計(jì)凹槽的橫截面形狀來實(shí)現(xiàn)，與此同時(shí)通過在所述凹槽260上制作圖形對(duì)準(zhǔn)標(biāo) 記270預(yù)先設(shè)定光纖170在所述凹槽260中的縱向位置；使所述的面型光電芯 片100準(zhǔn)確安裝于基板250上的相應(yīng)位置，從而實(shí)現(xiàn)面型光電芯片100與耦合 光纖170的自然對(duì)準(zhǔn)。這點(diǎn)對(duì)本發(fā)明的應(yīng)用意義是至關(guān)重要的， 一方面其關(guān)系 到光纖170與面型光電芯片100無源自動(dòng)化耦合的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)涉及光路設(shè)計(jì)上 的精確要求，如光纖170的纖芯到面型光電芯片100進(jìn)、出光面之間距離的控 制，因?yàn)閺墓饫w170出來的光具有發(fā)散性質(zhì)。對(duì)于面型光電芯片IOO與所述的 基板250間的設(shè)置問題，采用的精確放置方法，業(yè)界已有完善的自動(dòng)化設(shè)備可 以實(shí)現(xiàn)，稱為芯片的"倒裝"技術(shù)。所述的光纖170在定位后可以通過粘接(如采 用簡(jiǎn)單的樹脂膠固定)，或者其它已有連接方式和所述的凹槽260實(shí)現(xiàn)固定連接，進(jìn)而將剩余的兩個(gè)自由度也進(jìn)行了限制。雖然上述方法已然可以實(shí)現(xiàn)無源的自動(dòng)組裝，但是在安裝精度較低的情況 下，所述的光纖170與所述面型光電芯片100間光耦合的效果，可能仍然需要通過沿凹槽260的縱向移動(dòng)光纖170和/或使所述光纖170圍繞自身軸旋轉(zhuǎn)，來 調(diào)整和優(yōu)化，在一定情況下增加了本發(fā)明在方法上和結(jié)構(gòu)上的靈活性。需要說 明的是本發(fā)明所述的面型光電芯片適用于面型光探測(cè)器芯片、面型光發(fā)射器芯 片或面接收/發(fā)射類型的波導(dǎo)型光探測(cè)器/發(fā)射器芯片。本發(fā)明光纖與面型光電芯片的耦合方法及其結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于多種需要實(shí)現(xiàn) 耦合的場(chǎng)合，以圖3中的蝶形管殼封裝結(jié)構(gòu)為例，本發(fā)明所反映出的優(yōu)點(diǎn)在于1使用特定形狀、尺寸的凹槽260限制光纖170的空間位置，使光纖170只 在沿凹槽260縱向的位置具有平移自由度，沿橫向的位置被精確限定。這種方 式不僅可以減少光纖170位置調(diào)節(jié)的變量數(shù)目，同時(shí)可消除或極大地減小因其 它部位的變化而造成對(duì)光纖170位置、耦合狀態(tài)的影響。2光纖170沿凹槽260縱向位置的設(shè)定，可通過在基板250上制作某些圖形 對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記270，或者參考其它位置處的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行。這種方式使光纖170與面 型光電芯片100間的"無源"對(duì)準(zhǔn)組裝方式成為可能。3由于凹槽260本身對(duì)光纖170形成的良好限制，這種固定過程對(duì)耦合結(jié)果 的影響將減至最小。在光纖170已經(jīng)被基板250固定的情況下，光纖170的金 屬套管230于管殼通孔240處的焊接將成為一個(gè)與耦合過程相獨(dú)立的工序，因 此也不再對(duì)耦合結(jié)果的穩(wěn)定性、可靠性造成影響。4無源對(duì)準(zhǔn)組裝方式還包括面型光電芯片IOO位置的精確設(shè)定，它可通過在 面型光電芯片100和基板250上分別制作圖形對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記270來實(shí)現(xiàn)，這樣，采 用面型光電芯片100倒裝的方式， 一方面形成所需的耦合結(jié)構(gòu)，另一方面又可 同時(shí)實(shí)現(xiàn)相關(guān)精密操作的自動(dòng)化，解決了人為因素的影響。5除無源組裝方式外，在需要時(shí)也可結(jié)合有源的方式，使光纖170沿凹槽 260縱向進(jìn)行調(diào)節(jié)，并觀察輸出結(jié)果達(dá)到最佳。在這種情形下，由于光纖只有一 個(gè)待定的位置變量不考慮對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)的調(diào)整下，因而耦合過程也將變得十分迅捷。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明而言僅僅是說明性的，而非 限制性的。本專業(yè)技術(shù)人員理解，在本發(fā)明權(quán)利要求所限定的精神和范圍內(nèi)可 對(duì)其進(jìn)行許多改變，修改，甚至等效，但都將落入本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1、一種光纖與面型光電芯片的耦合方法，其特征在于，在一基板上制作一凹槽，將一光纖設(shè)置在所述凹槽的指定位置上；將一面型光電芯片與所述的基板位置相對(duì)固定；將所述的光纖的一端加工成斜面，使經(jīng)過所述的斜面發(fā)生全反射的光線投射到所述的面型光電芯片的工作表面。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖與面型光電芯片的耦合方法，其特征在于， 所述的面型光電芯片設(shè)置在所述的基板上，所述的面型光電芯片的工作表面朝 向所述凹槽。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的光纖與面型光電芯片的耦合方法，其特征在于， 對(duì)于正面進(jìn)、出光類型的面型光電芯片采用芯片倒裝工藝，使所述光電芯片的 正面朝下放置；對(duì)于背面進(jìn)、出光類型的面型光電芯片直接使所述光電芯片正 面朝上放置。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的光纖與面型光電芯片的耦合方法，其特征在于， 所述凹槽的指定位置是通過在所述凹槽上制作圖形對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，用 以確定光纖設(shè)置在所述凹槽中的縱向位置。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的光纖與面型光電芯片的耦合方法，其特征在于， 在安裝精度低的情況下，所述的光纖與所述面型光電芯片間光耦合的效果，通 過沿凹槽的縱向移動(dòng)光纖和/或使所述光纖圍繞自身軸旋轉(zhuǎn)，來調(diào)整和優(yōu)化。
6、 一種光纖與面型光電芯片的耦合結(jié)構(gòu)，其用以實(shí)現(xiàn)上述的光纖與面型光 電芯片的耦合方法，其特征在于，其包括一基板，其上具有一凹槽；一面型光電芯片，其所設(shè)置的位置與所述的基板的位置相對(duì)固定； 一光纖，其設(shè)置在所述的凹槽內(nèi)指定位置上，所述的光纖一端具有一斜面， 使經(jīng)過所述的斜面發(fā)生全反射的光線投射到所述的面型光電芯片的工作表面。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖與面型光電芯片的耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于， 所述凹槽的指定位置是通過在所述凹槽上制作圖形對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記進(jìn)行預(yù)先設(shè)定，用 以確定光纖設(shè)置在所述凹槽中的縱向位置。
8、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的光纖與面型光電芯片的耦合結(jié)構(gòu)，其特征在于， 在安裝精度低的情況下，所述的光纖與所述面型光電芯片間光耦合的效果，通過沿凹槽的縱向移動(dòng)光纖和/或使所述光纖圍繞自身軸旋轉(zhuǎn)，來調(diào)整和優(yōu)化。
9、根據(jù)權(quán)利要求6- 8其中任一項(xiàng)光纖與面型光電芯片的耦合結(jié)構(gòu)，其特 征在于，所述的面型光電芯片為面型光探測(cè)器芯片、面型光發(fā)射器芯片或面接 收/發(fā)射類型的波導(dǎo)型光探測(cè)器/發(fā)射器芯片。
全文摘要
本發(fā)明為一種光纖與面型光電芯片的耦合方法及其結(jié)構(gòu)，其方案是在一基板上制作一凹槽，將一光纖設(shè)置在所述凹槽的指定位置上；將一面型光電芯片與所述的基板位置相對(duì)固定；將所述的光纖的一端加工成斜面，使經(jīng)過所述的斜面發(fā)生全反射的光線投射到所述的面型光電芯片的工作表面。
文檔編號(hào)G02B6/42GK101226261SQ20081000593
公開日2008年7月23日 申請(qǐng)日期2008年2月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月18日
發(fā)明者丹 周 申請(qǐng)人:武漢電信器件有限公司