附加有微制作在管芯中的對(duì)準(zhǔn)特征的光學(xué)框架的制作方法
【專利摘要】一種光子器件組件包括制作在芯片基底上的光子器件，芯片基底具有制作在其中的物理對(duì)準(zhǔn)特征，以及將外部光學(xué)透鏡或互連耦合至光子器件的框架。該框架具有與物理對(duì)準(zhǔn)特征的互補(bǔ)面鄰近的框架面。粘合劑將框架永久固定于由鄰近面對(duì)準(zhǔn)的光子器件上。形成光子器件組件的方法包括在光子器件的芯片基底內(nèi)微制作物理對(duì)準(zhǔn)特征，并且通過使耦合面接近制作的物理對(duì)準(zhǔn)特征的互補(bǔ)面，將框架結(jié)合到芯片基底。
【專利說明】附加有微制作在管芯中的對(duì)準(zhǔn)特征的光學(xué)框架
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明的實(shí)施例屬于單片集成光學(xué)部件(IOC)領(lǐng)域，尤其涉及將光學(xué)框架附加到芯片或管芯，以將外部光學(xué)互連耦合至該芯片。
【背景技術(shù)】
[0002]通信網(wǎng)絡(luò)在覆蓋廣度和數(shù)據(jù)密度上持續(xù)增長。這種持續(xù)增長的重要實(shí)現(xiàn)技術(shù)是光學(xué)(光子)部件的不斷集成。例如，利用波分復(fù)用(WDM)來部署城域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，波分復(fù)用使用波長選擇濾波器來添加/放棄信道，波長選擇濾波器利用超大規(guī)模集成(VLSI)制造技術(shù)集成在硅襯底或其他半導(dǎo)體基底上。
[0003]在特定應(yīng)用中，例如其中IOC芯片是光學(xué)收發(fā)器的應(yīng)用中，透鏡或其他光學(xué)互連(例如，光纖)機(jī)械組裝在IOC芯片上。一旦透鏡被附加，可以附加跳線連接器或相似的機(jī)械耦合以創(chuàng)建例如與光纖的光學(xué)鏈接。
[0004]部件的放置、結(jié)合、透鏡對(duì)準(zhǔn)和附加都是費(fèi)時(shí)且繁瑣的過程，并且每個(gè)都與制造公差相關(guān)聯(lián)。例如，在傳統(tǒng)方法中，IOC芯片置于基底上，然后利用帶有可視對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)的拾取和放置設(shè)備，將機(jī)械耦合對(duì)準(zhǔn)并且置于芯片上。
[0005]利用傳統(tǒng)的組裝技術(shù)，在機(jī)械耦合器和IOC芯片之間存在顯著的位置偏移量(例如公差疊加)。位置偏移會(huì)引起性能問題甚至使得封裝的IOC不能工作，從而需要重做或廢棄光子器件組件。對(duì)這兩種技術(shù)，對(duì)準(zhǔn)框架變化、定位性能(10C芯片和/或?qū)?zhǔn)框架)和機(jī)械耦合變化都會(huì)弓I起位置的偏移。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0006]本發(fā)明的實(shí)施例以示例而非限制的方式示出，在圖的圖中:
[0007]圖1是根據(jù)實(shí)施例將光學(xué)框架附加到IOC芯片的方法的流程圖；
[0008]圖2A是根據(jù)實(shí)施例的包括多個(gè)IOC芯片的基底的平面圖，在這些IOC芯片中微制作對(duì)準(zhǔn)特征；
[0009]圖2B是根據(jù)實(shí)施例的在圖2A中示出的基底的截面圖；
[0010]圖2C是在圖2B中示出的一個(gè)IOC芯片的放大截面圖；
[0011]圖3A和3B是根據(jù)實(shí)施例在圖1所示方法中的代表性操作的截面圖；
[0012]圖4是根據(jù)實(shí)施例的光學(xué)框架的等比例視圖；
[0013]圖5A、5B、6A和6B是根據(jù)實(shí)施例的圖1所示方法中的代表性操作的截面圖，該代表性操作用于將圖4示出的光學(xué)框架邊緣安裝在IOC芯片上；
[0014]圖7是根據(jù)實(shí)施例的系統(tǒng)平面圖，該系統(tǒng)采用附加到圖4示出的光學(xué)框架的IOC
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心片；
[0015]圖8A是根據(jù)實(shí)施例的將光學(xué)框架從頂側(cè)安裝至IOC芯片的等比例視圖；
[0016]圖SB是根據(jù)實(shí)施例的用于從頂側(cè)安裝的光學(xué)框架的平面圖；
[0017]圖9A、9B、9C和9D根據(jù)實(shí)施例示出具有微制作對(duì)準(zhǔn)特征的多個(gè)IOC芯片；[0018]圖1OA和IOB根據(jù)實(shí)施例示出在圖8A中示出的光學(xué)框架的水平側(cè)視圖；
[0019]圖1OC是根據(jù)實(shí)施例的圖1OA和IOB示出的光學(xué)框架的底側(cè)的平面圖；
[0020]圖1OD是根據(jù)實(shí)施例的圖10A-10C示出的光學(xué)框架的等比例視圖；
[0021]圖11是根據(jù)實(shí)施例的采用IOC芯片的系統(tǒng)的平面圖，該芯片具有附加到光學(xué)框架的垂直耦合光子器件。
【具體實(shí)施方式】
[0022]描述光學(xué)框架和將光學(xué)框架附加到其上具有微制作對(duì)準(zhǔn)特征的IOC芯片的方法。在以下描述中，闡述了許多具體細(xì)節(jié)，諸如材料和制造技術(shù)，以描述本發(fā)明的示例性實(shí)施例。然而，對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員顯而易見的是，本發(fā)明的實(shí)施例可以在無需這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。在其他情況下，公知的方面，諸如IOC芯片制造、基底減薄、凸塊(bumping)、封裝等，不會(huì)詳細(xì)描述以免不必要地混淆本發(fā)明的實(shí)施例。貫穿說明書，對(duì)“實(shí)施例”的引用表示結(jié)合實(shí)施例所描述的特定特征、結(jié)構(gòu)、材料或特性包括在本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例中。因此，貫穿說明書在不同位置中出現(xiàn)的“在實(shí)施例中”的短語不一定指代本發(fā)明的相同實(shí)施例。此外，特定特征、結(jié)構(gòu)、材料或特性可以以任何合適的方式組合在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中。而且，可以理解的是圖中示出的多個(gè)示例性實(shí)施例僅僅是描述性表示而未必按比例繪制。
[0023]本文中使用的術(shù)語“耦合”和“連接”以及其派生詞描述了部件之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系?？梢岳斫獾氖沁@些術(shù)語彼此之間并不是同義詞。相反，在具體實(shí)施例中，“連接”可以用于表示兩個(gè)或更多部件彼此直接物理或電學(xué)接觸?！榜詈稀笨梢杂糜诒硎緝蓚€(gè)或更多部件彼此直接或者間接(在其之間具有其他中間元件)的物理、電學(xué)或光學(xué)接觸，和/或兩個(gè)或更多元件協(xié)調(diào)操作或彼此交互(例如，具有因果關(guān)系)。
[0024]本文使用的術(shù)語“上方” “下方” “之間”和“上”涉及一個(gè)部件相對(duì)于其他部件的相對(duì)位置。同樣的，例如，設(shè)置在另一個(gè)部件上方或下方的一個(gè)部件可以是直接與該另一部件接觸或可以具有一個(gè)或多個(gè)中間部件。此外，設(shè)置在兩個(gè)部件之間的一個(gè)部件可以是直接接觸兩個(gè)部件或具有一個(gè)或多個(gè)中間部件。相反，在第二部件上的第一部件接觸第二部件。另外，在假設(shè)操作相對(duì)于參考基底執(zhí)行而不考慮參考基底的絕對(duì)方位的情況下，提供一個(gè)部件相對(duì)于其他部件的相對(duì)位置。
[0025]在實(shí)施例中，機(jī)械耦合(本文中也被稱為“光學(xué)框架”或簡稱為“框架”)通過將IOC芯片本身上微制作的面與光學(xué)框架中的互補(bǔ)面相匹配而被附于IOC芯片上。匹配面的機(jī)械結(jié)合(例如作為芯片封裝工藝的一部分)形成光子器件組件，在該組件中框架提供外部界面，光學(xué)透鏡或光學(xué)互連(例如光纖)可以隨后附加其上(例如插入光學(xué)框架中)。一旦附加至IOC芯片，該光學(xué)框架充當(dāng)定位外部光學(xué)透鏡或其他光互聯(lián)與IOC芯片中制造的光子器件(例如波導(dǎo))對(duì)準(zhǔn)的橋，從而形成可靠的光學(xué)連接。如本文所述，光學(xué)框架向IOC的附加可以基于IOC芯片中加工的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)特征來執(zhí)行，從而使得基準(zhǔn)或可視對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)都不是必需的，進(jìn)而可以減少隨之產(chǎn)生的對(duì)準(zhǔn)誤差。
[0026]圖1是根據(jù)實(shí)施例將光學(xué)框架附加至IOC芯片的方法100的流程圖。通常地，方法100適用于任合IOC芯片，包括邊緣耦合和垂直耦合的光子器件。圖2A-7示出示例性的邊緣耦合實(shí)施例，而圖8A-11示出示例性的垂直耦合實(shí)施例。在操作101開始，提供IOC芯片。在實(shí)施例中，IOC芯片包括現(xiàn)有技術(shù)中在任何可以購得的基底上制造的任何邊緣耦合或垂直耦合光子器件。示例性光子器件包括以下中的一個(gè)或多個(gè):無源和有源波導(dǎo)、垂直和水平激光器(分布式反饋(DFB)、分布式布拉格反射器(DBR)等)、光電二極管(PiN等)、光學(xué)調(diào)制器(馬赫-曾德爾(MZ)等)、光分插復(fù)用器(OADM)等等。示例性芯片基底包括，但不限于，基于IV族的材料(諸如但不限于單晶硅、鍺或硅/鍺)、II1-V族材料(諸如InP上GaAs)、或包括生長、結(jié)合或以其它方式附在處理基底(諸如藍(lán)寶石、玻璃、聚合物等)上的IV族和/或II1-V族的混合外延結(jié)構(gòu)。
[0027]在操作110，對(duì)準(zhǔn)特征微制作于芯片基底中。這樣的對(duì)準(zhǔn)特征可以在芯片級(jí)制作，但是有利的在晶片級(jí)對(duì)多個(gè)IOC芯片同時(shí)形成，作為芯片基底劃片前的后端操作或芯片基底劃片的一部分。圖2A是根據(jù)實(shí)施例的晶片200的平面圖，其包括IOC芯片250，對(duì)準(zhǔn)特征205在劃片之前被微制作到IOC芯片250中。圖2B是沿著X-X’線所得的圖2A所示基底的截面圖。
[0028]在實(shí)施例中，對(duì)準(zhǔn)特征形成在芯片基底中。如在圖2A和2B中示出的，晶片200包含多個(gè)IOC芯片，示出的IOC芯片250包括形成在芯片基底260的器件層側(cè)的邊緣耦合波導(dǎo)257。器件層255和芯片基底260之間的差別對(duì)本發(fā)明并不重要，因?yàn)橹付ū疚臉?biāo)注的器件層255僅僅是作為讀者的方便參考結(jié)構(gòu)。在示出的實(shí)施例中，對(duì)準(zhǔn)特征205在器件層255 一側(cè)形成在芯片基底260中，盡管在其他實(shí)施例中對(duì)準(zhǔn)特征形成在芯片基底260 (與器件層255相對(duì))的背側(cè)上并且可以進(jìn)一步形成穿過芯片基底260 (如通過垂直耦合實(shí)施例示出的)的整個(gè)厚度。
[0029]在一個(gè)實(shí)施例中，在操作110形成的對(duì)準(zhǔn)特征產(chǎn)生至少兩個(gè)面以在至少一個(gè)維度上機(jī)械對(duì)準(zhǔn)框架的匹配結(jié)構(gòu)。在圖2A示出的實(shí)施例中，對(duì)準(zhǔn)特征205是沿著Y維度延伸的槽并且由此提供在至少X維度上的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)。在其他實(shí)施例中，對(duì)準(zhǔn)特征205提供至少在第二維度(Y或Z維度)上的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)。例如，在圖8A中示出的并且進(jìn)一步在本文別處描述的對(duì)準(zhǔn)特征205A、B在X和Y維度上都提供了機(jī)械對(duì)準(zhǔn)，同時(shí)分離的面提供在第三(Z)維度上的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)。
[0030]在實(shí)施例中，與劃線重合地微制作對(duì)準(zhǔn)特征。例如，在圖2A中，X-X’線表示第一劃線(與邊緣耦合波導(dǎo)257相交)并且Y-Y’線表示正交的第二劃線，用于將IOC芯片250兩側(cè)與和對(duì)準(zhǔn)特征205重合的鄰近芯片分開。圖2C是沿著圖2B中圈起的區(qū)域280中的X_X’線截取的放大的截面圖280。如示出的，微制作到芯片基底260中的對(duì)準(zhǔn)特征205與劃線270 (在圖2A中平行于Y-Y’線)重合或與其對(duì)齊。這樣，對(duì)準(zhǔn)特征的制作可以作為劃線工藝的第一部分完成(例如，利用劃片鋸)?？蛇x的，隨后的劃線工藝可以與由對(duì)準(zhǔn)特征形成的圖案對(duì)準(zhǔn)地執(zhí)行，以在IOC芯片250和鄰近芯片上都產(chǎn)生對(duì)準(zhǔn)面。
[0031]在一個(gè)實(shí)施例中，第一和第二對(duì)準(zhǔn)特征均形成在IOC芯片的相對(duì)端的芯片基底中。如在圖2C中示出的，鄰近劃線270限定了 X維度上的芯片基底260的相對(duì)端。在一個(gè)實(shí)施例中，對(duì)準(zhǔn)特征205采用劃片刀制作。另一種微制作工藝，諸如但不限于等離子蝕刻，并且除了鋸切之外或作為替代，可以采用濕化學(xué)蝕刻。例如，對(duì)一個(gè)實(shí)施例，其中芯片基底260是硅，可以采用在現(xiàn)有技術(shù)已知的任何深硅等離子蝕刻(基于SF6等)來在硅片上形成溝或槽。根據(jù)該實(shí)施例，第一和第二對(duì)準(zhǔn)特征制作為與器件層255上的特征對(duì)準(zhǔn)，所以在對(duì)準(zhǔn)特征205和光子器件之間存在最小的對(duì)準(zhǔn)誤差。例如在一個(gè)實(shí)施例中，利用與邊緣耦合波導(dǎo)257對(duì)準(zhǔn)的蝕刻掩膜來制作對(duì)準(zhǔn)特征205中的第一個(gè)和第二個(gè)。作為另一個(gè)示例，對(duì)準(zhǔn)特征205通過在鋸切工藝中實(shí)施的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)而與邊緣耦合波導(dǎo)257對(duì)準(zhǔn)?？蛇x的，利用與制作邊緣耦合波導(dǎo)257相同的掩膜和蝕刻工藝來制作對(duì)準(zhǔn)特征205中的第一個(gè)和第二個(gè)。
[0032]圖3A和3B是示出單獨(dú)的IOC芯片250的截面圖。如示出的，第一和第二對(duì)準(zhǔn)特征205由劃片工藝分開形成第一和第二側(cè)壁面205A和205B，其設(shè)置在芯片基底260的相對(duì)邊緣271上。盡管單獨(dú)的芯片可以具有幾乎任何尺寸，作為一個(gè)示例相對(duì)邊緣271由芯片長度L1分開，該長度在4-6mm的量級(jí)上。示例性的邊緣耦合波導(dǎo)257具有在0.3和25 μ m之間的寬度L2 (以及在大約0.2 μ m和20 μ m之間的凸緣高度)，這樣的光波導(dǎo)的陣列跨過250 μ m或更大的寬度L2。對(duì)準(zhǔn)特征205的深度，并且相應(yīng)的側(cè)壁面205A和205B的深度T2可以隨著實(shí)現(xiàn)和基底厚度廣泛改變。芯片基底260的厚度T1例如可以在0.1mm(IOOym)和
0.5mm之間，對(duì)準(zhǔn)特征205的范圍從T1的25-30%到凹陷/溝。在圖3A示出的示例性實(shí)施例中，T1在0.35mm和0.5mm之間，而T2在約0.1mm和0.35mm之間。
[0033]對(duì)特定實(shí)施例，其中對(duì)準(zhǔn)特征205是V形槽，側(cè)壁面205A和205B彼此傾斜或成角度，從而與器件層255的名義上的平坦表面不正交。如這里其他位置的描述，相對(duì)的傾斜/成角度的側(cè)壁面有利地提供了機(jī)械對(duì)準(zhǔn)到IOC芯片250 (也就是對(duì)準(zhǔn)到波導(dǎo)257)的方式。在特定的這樣的實(shí)施例中，在V形槽下方的相對(duì)邊271基本上與器件層255正交。側(cè)壁面205A和205B可以與器件層255成30和60度之間(例如45度是示例性實(shí)施例)的角度(也就是說正的、非凹入斜率(non-reentrant slope))。在示例性實(shí)施例中，利用了具有V形槽片的劃線鋸?？蛇x的，可以利用現(xiàn)有技術(shù)中能夠?qū)崿F(xiàn)給定基底材料的傾斜或成角度側(cè)壁的多種等離子蝕刻工藝、濕化學(xué)蝕刻工藝等中的任何一個(gè)。
[0034]回到圖1，在操作120處，IOC芯片組裝在封裝基底上。例如，如進(jìn)一步在圖3A和3B中示出的，單獨(dú)的IOC芯片250利用球柵陣列(BGA) 285設(shè)置在封裝基底275上，形成器件層255和封裝基底275之間的電耦合。在示例性實(shí)施例中，包括邊緣耦合波導(dǎo)257的器件層面向封裝基底275，如同傳統(tǒng)的C4或倒裝型配置?；蛘?，例如在引線結(jié)合封裝技術(shù)中，邊緣耦合波導(dǎo)257可以在與面向封裝基底275的表面相對(duì)的表面上。IOC芯片250與封裝基底275的對(duì)準(zhǔn)可以以現(xiàn)有技術(shù)中任何已知的方式實(shí)施。
[0035]在實(shí)施例中，IOC芯片組裝在封裝基底上，IOC芯片從封裝基底突出，從而使得第一和第二側(cè)壁面延伸超過封裝基底的邊緣。如在圖3B中示出的，沿著Y維度，IOC芯片250從封裝基底275突出距離Dp因此，側(cè)壁面205B和205A (未示出)也從封裝基底275突出距離Dp如進(jìn)一步在圖3B中示出的，邊緣耦合波導(dǎo)257在芯片突出的邊緣處暴露。
[0036]通過IOC芯片組裝在封裝基底上，光學(xué)框架被安裝。參照?qǐng)D1，在操作130處，芯片對(duì)準(zhǔn)特征的面附加至光學(xué)框架的面。圖4是根據(jù)實(shí)施例的光學(xué)框架400的等比例視圖。通常，光學(xué)框架成型或加工為具有與制作到IOC芯片基底的面互補(bǔ)的面。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，光學(xué)框架400是塑料的(例如，注塑成型)。同時(shí)塑料框架可以有利地比IOC芯片(例如硅)更軟，這使得芯片損壞和顆粒形成被降低，其他更硬的材料也可以用于光學(xué)框架，諸如，但是不限于金屬(例如，鋁)、晶態(tài)半導(dǎo)體材料(例如硅)和玻璃。
[0037]在一個(gè)示例性實(shí)施例中，光學(xué)框架400包括第一和第二橫向相對(duì)的框架面405A和405B以與第一和第二橫向相對(duì)側(cè)壁面205A和205B匹配。如示出的，相對(duì)的框架面405A和405B與垂直線成例如30到60度之間的角度，并且分開最大距離L3,其大于相對(duì)的芯片邊緣271之間的距離U。以這種方式，當(dāng)光學(xué)框架400在組裝期間沿著Z軸移動(dòng)時(shí)，IOC芯片250安裝在相對(duì)的框架面405A和405B的最大開口之間。光學(xué)框架400進(jìn)一步包括水平面455以機(jī)械限定與IOC芯片250分開的垂直(Z軸)框架。附加相應(yīng)地如下進(jìn)行:首先沿Z軸移動(dòng)IOC芯片，在光學(xué)框架面405A和405B的阻礙下允許IOC芯片250或光學(xué)框架400沿著X軸移動(dòng)以使IOC芯片250橫向位于框架中央，將IOC芯片250沿著Y軸移動(dòng)直到接觸到封裝基底275，并且將IOC芯片250進(jìn)一步沿著Z軸移動(dòng)直到接觸到水平面455。
[0038]如進(jìn)一步在圖4中示出的，提供附加對(duì)準(zhǔn)特征490和491用于透鏡或光學(xué)互連與光學(xué)框架400的后續(xù)直接機(jī)械對(duì)準(zhǔn)。例如，當(dāng)透鏡相對(duì)于光學(xué)框架400沿著Y軸移動(dòng)時(shí)，可以提供成角度的面491用于透鏡與光學(xué)框架400沿著X軸的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)。凹陷490可以進(jìn)一步用于接收插入光學(xué)框架400中的透鏡或光學(xué)互連(跳線器)內(nèi)的互補(bǔ)突起。需要注意的是，第一和第二橫向相對(duì)框架面405A、B是開放邊緣(而不是像凹陷490那樣的閉合凹陷)以避免在附加光學(xué)框架400期間IOC芯片250的拉伸應(yīng)變。然而凹陷490不會(huì)產(chǎn)生問題，其中對(duì)于光學(xué)框架400的材料(諸如塑料)，框架的拉伸應(yīng)變不會(huì)產(chǎn)生類似對(duì)晶體材料芯片的問題。
[0039]圖5A、5B，是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例示出將光學(xué)框架400從邊緣安裝至IOC芯片250的操作130的截面圖。圖5A示出了沿著X軸的截面圖，描述了通過將光學(xué)框架400相對(duì)于IOC芯片250移動(dòng)，以及分別將第一和第二橫向相對(duì)框架面405A、B鄰近互補(bǔ)的(基本平行)第一和第二側(cè)壁面205A、B，將光學(xué)框架400橫向?qū)?zhǔn)芯片基底。通過與相對(duì)框架面405A、B的突起基本平行地凹進(jìn)的面205A、B，光學(xué)框架400沿著Z軸的移動(dòng)將光學(xué)框架400沿著X軸(橫向)機(jī)械對(duì)準(zhǔn)IOC芯片250，其中在光學(xué)框架400和相對(duì)的芯片邊緣171之間具有由機(jī)械定心力設(shè)置的橫向間空520。如進(jìn)一步在圖5B中示出的，光學(xué)框架400的Z軸位移通過將水平面455接近器件層255的平行表面(即，在相對(duì)芯片邊緣171處，在IOC芯片250和光學(xué)框架400之間存在垂直間空515)而停止。在實(shí)施例中，負(fù)責(zé)垂直對(duì)準(zhǔn)的水平面455被間隔開，從而避免與器件層255內(nèi)的光子器件物理接觸。換句話說，水平面455接觸設(shè)置在光子器件(如由第一和第二側(cè)壁面205A、B橫向?qū)?zhǔn)的)之間的場區(qū)域。邊緣耦合波導(dǎo)257例如可以穿過水平面455之間的縫隙。
[0040]相對(duì)框架面405A、405B和435的匹配從而將光學(xué)框架400在橫向(X軸)和垂直方向(Z軸)機(jī)械對(duì)準(zhǔn)。如進(jìn)一步在圖6B中示出的，示出了沿著Y軸的截面圖，光學(xué)框架400沿著Y軸移動(dòng)，直到突出距離D1完全被光學(xué)框架400占據(jù)，框架面466接觸封裝基底275的邊緣，用于沿著Y軸的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)。從而，在操作120處(圖1) IOC芯片250與封裝基底275的對(duì)準(zhǔn)限定了在將光學(xué)框架400組裝至IOC芯片250期間采用的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)面之一。
[0041]回到圖1，隨著框架機(jī)械對(duì)準(zhǔn)IOC芯片，方法100進(jìn)行到在操作140處施加粘合劑，以在由鄰近面確定的位置處將框架永久附加于光子器件。通常，可以將任何粘合劑用于光學(xué)框架400的附加。根據(jù)光學(xué)框架400的材料，粘合劑可以變化，環(huán)氧化物是用于塑料框架的示例性實(shí)施例。如在圖6A中示出的，粘合劑605施加于由結(jié)合的面限定的縫隙620和615中。在特定實(shí)施例中，如在圖6B中示出的，粘合劑605也施加為在IOC芯片250和封裝基底275之間的未滿填充685。這樣，在一個(gè)實(shí)施例中，粘合劑605是任何傳統(tǒng)的未滿填充環(huán)氧化物。起伏450(圖6A)可以提供在框架面466處施加環(huán)氧物通道，并且完成在IOC芯片250和封裝基底275之間的區(qū)域647中的芯片未滿填充。由于毛細(xì)作用，粘合劑605在BGA285的焊點(diǎn)、間空615、620和框架面466與封裝基底275之間的空隙之間流動(dòng)。[0042]參照返回圖1，在粘合劑605固化后，光子器件組件基本上完成。在操作150處，完成的封裝可以被進(jìn)一步處理，例如將透鏡對(duì)準(zhǔn)光學(xué)框架400 (例如，基于對(duì)準(zhǔn)特征490、491)。在特定實(shí)施例中，封裝基底將被焊接至印刷電路板(PCB)，在將透鏡附加至光學(xué)框架400之前，完成的封裝被焊接且焊料回流，從而避免高的回流溫度(例如，260°C或更高)損
害透鏡。
[0043]圖7是根據(jù)實(shí)施例的包括平臺(tái)790的光學(xué)系統(tǒng)751的平面圖，該平臺(tái)790包括附加至光學(xué)框架400的IOC芯片250。在IOC芯片250上是電泵混合半導(dǎo)體倏逝激光器的陣列701，該激光器耦合至在IOC芯片250上方、之上或之內(nèi)的無源半導(dǎo)體層。在一個(gè)實(shí)施例中，激光器陣列701中的每個(gè)激光器可以是電泵混合硅倏逝激光器。在另一個(gè)實(shí)施例中，激光器陣列701包括分布式布拉格反射器(DBR)和分布式反饋(DFB)激光器中的一個(gè)或兩個(gè)。在示出的例子中，IOC芯片250包括多個(gè)光學(xué)波導(dǎo)705A-705N，在其上單條增益介質(zhì)材料723被結(jié)合以與光柵709A-709N形成激光器陣列，該陣列分別在多個(gè)光波導(dǎo)705A-705N中產(chǎn)生多個(gè)光束719A-719N。多個(gè)光束719A-719N由調(diào)制器713A-713N調(diào)制并且然后多個(gè)光束719A-719N的選定波長與光分插復(fù)用器717組合從而輸出穿過邊緣耦合波導(dǎo)257的光束，其經(jīng)由光學(xué)框架400耦合至單個(gè)光纖753并且輸出至外部接收器，諸如光學(xué)接收器757。
[0044]在一個(gè)實(shí)施例中，IOC芯片250是光學(xué)收發(fā)器，其可以以超過ITb / s的速度在多個(gè)波長下在單個(gè)光纖753上發(fā)送數(shù)據(jù)。在示例性光學(xué)系統(tǒng)751中，IOC芯片250也可以與邊緣耦合波導(dǎo)257耦合以通過由光學(xué)框架400與IOC芯片250對(duì)準(zhǔn)的單個(gè)光纖755從外部光源(諸如光學(xué)發(fā)射器759)接收光束，。雖然光學(xué)接收器757與光學(xué)發(fā)射器759也被示作位于相同的遠(yuǎn)程位置761，但是可以理解到光學(xué)接收器757和光學(xué)發(fā)射器759僅僅是在平臺(tái)790的外部，并且也可以提供在分離的平臺(tái)上、位置處等。在示出的實(shí)施例中，IOC芯片250的接收器側(cè)包括光分插解復(fù)用器718，其將接收的光束分成多個(gè)光束720A-720N。在一個(gè)示例性實(shí)施例中，多個(gè)光束720A-720N根據(jù)其相應(yīng)的波長由光學(xué)解復(fù)用器718中的一個(gè)或多個(gè)光柵分束，并且隨后被導(dǎo)向穿過多個(gè)光波導(dǎo)706A-706N。光檢測(cè)器763A-763N的陣列被光學(xué)耦合至多個(gè)光波導(dǎo)706A-706N。作為一個(gè)例子，光檢測(cè)器763A-763N中的每一個(gè)是基于硅鍺的光檢測(cè)器或諸如此類的。在另一個(gè)實(shí)施例中，也在圖7中示出了，可以跨多個(gè)光學(xué)波導(dǎo)706A-706N結(jié)合單條半導(dǎo)體材料724，從而形成光學(xué)耦合至多個(gè)光波導(dǎo)706A-706N的光檢測(cè)器陣列。作為一個(gè)例子，單條半導(dǎo)體材料724包括II1-V族半導(dǎo)體材料從而形成II1-V族光檢測(cè)器。如示出的，通過基于SiGe和II1-V的光檢測(cè)器光學(xué)耦合至多個(gè)光波導(dǎo)706A-706N,多個(gè)光束720A-720N的多個(gè)波長可以被檢測(cè)。
[0045]控制/泵浦電路也可以包括或集成在IOC芯片250上。在一個(gè)實(shí)施例中，IOC芯片250包括硅層(例如，SOI基底)，控制電路762可以直接集成在硅中。在一個(gè)例子中，可以電耦合控制電路762以控制、監(jiān)控和/或電泵浦多波長激光器陣列701中的任何激光器、多個(gè)光學(xué)調(diào)制器713A-713N、光檢測(cè)器陣列(例如763A-763N)或其他設(shè)置在IOC芯片250上的器件或結(jié)構(gòu)。
[0046]如進(jìn)一步在圖7中示出的，平臺(tái)790進(jìn)一步包括無線收發(fā)器251，例如，其中平臺(tái)790是智能電話、平板PC或其他移動(dòng)計(jì)算設(shè)備。無線收發(fā)器251耦合至天線252和IOC芯片250從而在單個(gè)平臺(tái)790上啟用無線至光和光至無線的收發(fā)器功能?？蛇x的，平臺(tái)790可以配置為獨(dú)立傳導(dǎo)無線和光學(xué)通信，例如其中移動(dòng)計(jì)算設(shè)備可以通過光學(xué)耦合至IOC芯片250上而光學(xué)耦合至顯示裝置，從而向顯示器提供內(nèi)容(例如，經(jīng)由流送或其他已知協(xié)議)，并且還提供無線通信功能(例如，經(jīng)由WiF1、藍(lán)牙和類似公知的協(xié)議)。
[0047]圖8A-8B示出方法100對(duì)垂直耦合IOC芯片的應(yīng)用。圖8A是根據(jù)一個(gè)實(shí)施例示出從頂側(cè)將光學(xué)框架800安裝至IOC芯片250的等比例視圖。如先前描述的，IOC芯片250在附連光學(xué)框架800之前附加至封裝基底275。在一個(gè)實(shí)施例中，封裝基底275配置為模塊化可插入基板格柵陣列(LGA)以及可以進(jìn)一步包括電耦合至IOC芯片250的附加芯片276。在垂直稱合實(shí)施例中，IOC芯片250包括一個(gè)或多個(gè)垂直稱合光子器件256,諸如但不限于，垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)或光檢測(cè)器。
[0048]在一個(gè)實(shí)施例中，制作在IOC芯片中的對(duì)準(zhǔn)特征是通孔。如在圖8A中示出的，IOC芯片250包括在IOC芯片250的相對(duì)邊緣具有側(cè)壁面205A和205B的對(duì)準(zhǔn)特征。在這個(gè)示例性實(shí)施例中的側(cè)壁面205A和205B延伸穿過IOC芯片250的整個(gè)厚度。側(cè)壁面205A、B可以基本如本文其他地方所描述的制成，例如特征被深層反應(yīng)離子(等離子)蝕刻、濕化學(xué)蝕刻、或超聲加工。在優(yōu)選實(shí)施例中，所制作的特征由劃片工藝分開，從而將該特征打開成面205A和205B，其具有控制良好的斜度，并且能夠在組裝期間承受住相應(yīng)的框架對(duì)準(zhǔn)面805A、B施加的壓力，從而影響機(jī)械對(duì)準(zhǔn)，同時(shí)避免閉合特征可能產(chǎn)生的拉伸應(yīng)變。
[0049]圖9A、9B、9C、9D示出了具有示例性微制作通孔的IOC芯片的示意平面圖。在圖9A中，被劃線工藝分開的通孔提供了在IOC芯片的一個(gè)邊緣上的第一對(duì)交叉面205A和在相對(duì)邊緣上的第二對(duì)交叉面205B。在圖9B中，三個(gè)側(cè)壁面206A和206B形成在IOC芯片的相對(duì)邊緣上。在圖9C和9D中，四個(gè)側(cè)壁面207A、B和圓形側(cè)壁208A、B被分別示出。對(duì)圖9A-9D示出的任何實(shí)施例，側(cè)壁面可以進(jìn)一步沿著Z方向成角度從而當(dāng)光學(xué)框架800向著IOC芯片的器件層255移動(dòng)時(shí),驅(qū)動(dòng)橫向位移?？蛇x的，框架對(duì)準(zhǔn)面805A、B可以在Z方向成角度(也就是說，銳角)，以類似地實(shí)現(xiàn)在X和/或Y維度上的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)。
[0050]圖8B是根據(jù)實(shí)施例的光子器件組件850的平面圖，其包括安裝在IOC芯片250的頂側(cè)上的光學(xué)框架800。如由虛線示出的，側(cè)壁面205A與相應(yīng)的框架對(duì)準(zhǔn)面805A匹配(并且類似地相對(duì)側(cè)壁面205B與相應(yīng)的框架對(duì)準(zhǔn)面805B匹配)，從而影響在X和Y維度上的機(jī)械對(duì)準(zhǔn)。對(duì)準(zhǔn)之后，粘合劑被施加從而將機(jī)械對(duì)準(zhǔn)框架固定在IOC芯片上，基本上如邊緣耦合實(shí)施例中所描述的。
[0051]如進(jìn)一步示出的，光學(xué)框架800包括透鏡860，其提供了面向垂直耦合光子器件256的光學(xué)輸入856A和與光子器件表面不平行(例如正交)的光學(xué)輸出856B之間的光學(xué)路徑?？梢宰⒁獾降氖菍?duì)實(shí)施例來說，透鏡860嵌入在光學(xué)框架800內(nèi)，可插入LGA工藝有利地避免了將透鏡860暴露于高焊接回流溫度?？蛇x的，在光子器件組件850形成后需要焊接回流的情況下，透鏡860可以利用到光學(xué)框架800的其他對(duì)準(zhǔn)特征的后組裝物理對(duì)準(zhǔn)而安裝至光學(xué)框架800。
[0052]圖1OA和IOB示出了在圖8A和8B中示出的光學(xué)框架的水平側(cè)視圖，同時(shí)圖1OC是根據(jù)實(shí)施例的在圖1OA和IOB中示出的光學(xué)框架800的底側(cè)平面圖。圖1OD是圖10A-10C中示出的光學(xué)框架的等比例視圖。如在圖10AU0C和IOD中示出的，光學(xué)框架800的底側(cè)包括面855，其將接近器件層255的表面從而通過限定停止高度來設(shè)置光學(xué)框架800與IOC芯片250沿著z軸的對(duì)準(zhǔn)。這樣，類似于邊緣耦合實(shí)施例，至少三個(gè)分離的對(duì)準(zhǔn)面設(shè)置在框架上(兩個(gè)相對(duì)的垂直側(cè)壁面(805A、B)用于橫向?qū)?zhǔn)并且至少一個(gè)水平對(duì)準(zhǔn)面(855)用于垂直對(duì)準(zhǔn))。
[0053]圖11是根據(jù)實(shí)施例的光學(xué)系統(tǒng)1151的平面圖，其包含光子器件組件850。在示例性實(shí)施例中，PCB1100包括多個(gè)模塊組件(例如，可插入LGA)，第一個(gè)是光子器件組件850，其包括耦合至封裝基底275和光學(xué)框架800的IOC芯片。光學(xué)解復(fù)用模塊718經(jīng)由光學(xué)框架800光學(xué)耦合至IOC芯片，其包括光學(xué)復(fù)用器719。光學(xué)復(fù)用器719形成在與光子器件組件850的IOC芯片分離的基底上。光學(xué)解復(fù)用模塊718進(jìn)一步耦合至PCB1100的外部的單個(gè)光纖753，PCB1100例如在遠(yuǎn)程位置761處連接至光學(xué)接收器757。在光子器件組件850和光學(xué)解復(fù)用模塊718之間提供PCBl 100板上的局部光學(xué)互連，其具有多個(gè)光纖705A-705N。第二個(gè)模塊(包括天線252的無線收發(fā)器251)進(jìn)一步(例如，通過微處理器1170)耦合至光子器件組件850，并且，這樣，光學(xué)系統(tǒng)1151可以在單個(gè)平臺(tái)上提供無線至光和光至無線的收發(fā)器功能。
[0054]作為一個(gè)說明性實(shí)施例，PCB1100設(shè)置在智能電話或平板PC中。智能電話或平板PC可以配置為實(shí)施無線至光和光至無線轉(zhuǎn)換和/或獨(dú)立地傳導(dǎo)無線和光通信，例如其中智能電話或平板PC可以通過光學(xué)耦合至PCB1100而光學(xué)耦合至顯示器裝置從而將內(nèi)容(例如經(jīng)由流送或其他已知的協(xié)議)提供給顯示器，并且還提供無線通信功能(例如，經(jīng)由WiF1、藍(lán)牙和類似公知的協(xié)議)。
[0055]可以理解的是，上述描述意在說明性，而非限定性。例如，雖然圖中的流程圖示出了由本發(fā)明的特定實(shí)施例實(shí)施的操作的具體順序，但是可以理解，這樣的順序不是必需的(例如，可選的實(shí)施例可以以不同順序?qū)嵤┰摬僮鳎M合特定操作，重疊特定操作等)。更進(jìn)一步，基于閱讀和理解上述描述，許多其他實(shí)施例對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。盡管本發(fā)明已經(jīng)參照具體示例性實(shí)施例描述，可以理解的本發(fā)明不限于上述實(shí)施例，而是可以在所附權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)采用修改和替換來實(shí)施。本發(fā)明的范圍因此參照所附權(quán)利要求連同這些權(quán)利要求所授權(quán)的等效方案的全部范圍來確定。
【權(quán)利要求】
1.一種形成光子器件組件的方法，包括: 在芯片基底中微制作物理對(duì)準(zhǔn)特征，所述芯片基底包括單片集成光子器件； 通過將框架面接近所述物理對(duì)準(zhǔn)特征的互補(bǔ)面，將框架結(jié)合至所述芯片基底，所述框架進(jìn)一步與外部光學(xué)透鏡或光學(xué)互連耦合；以及在所述框架和所述芯片基底之間施加粘合劑。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其中微制作所述物理對(duì)準(zhǔn)特征進(jìn)一步包括: 在芯片基底的相對(duì)端部蝕刻或鋸切第一和第二特征；以及 將第一和第二結(jié)構(gòu)分開從而將芯片基底同鄰近的芯片分離，分離的芯片基底具有側(cè)壁面，所述側(cè)壁面來自設(shè)置在相對(duì)的芯片邊緣上的第一和第二蝕刻特征中的每一個(gè)。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其中所述物理對(duì)準(zhǔn)特征是形成在芯片基底中的V形槽，所述V形槽形成分離后的芯片基底的成角度的邊緣表面。
4.如權(quán)利要求2所述的方法，其中將框架面結(jié)合至物理對(duì)準(zhǔn)特征面進(jìn)一步包括: 通過將第一和第二橫向相對(duì)框架面接近在芯片基底的邊緣上的第一和第二側(cè)壁面，將框架與芯片基底橫向?qū)?zhǔn)。
5.如權(quán)利要求4所述的方法，其中將框架面結(jié)合到物理對(duì)準(zhǔn)特征面進(jìn)一步包括通過將水平框架面接近芯片基底的器件表面，將框架與芯片基底垂直對(duì)準(zhǔn)。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，進(jìn)一步包括將芯片基底固定到封裝基底，以將芯片基底電耦合至封裝基底，其`中所述固定進(jìn)一步包括將第一和第二側(cè)壁面從封裝基底的邊緣突出。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其中粘合劑施加在由結(jié)合面限定的間空中，并且作為在芯片基底和封裝基底之間的未滿填充。
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其中光學(xué)透鏡或光學(xué)互連進(jìn)一步包括光學(xué)透鏡，并且所述方法進(jìn)一步包括將透鏡與框架上的對(duì)準(zhǔn)特征對(duì)準(zhǔn)。
9.一種光子器件組件，包括: 形成在芯片基底上的光子器件，所述光子器件芯片具有制作在其中的物理對(duì)準(zhǔn)特征；框架，將外部光學(xué)互連耦合至光子器件，其中框架具有框架面，所述框架面鄰近物理對(duì)準(zhǔn)特征的面，以及 粘合劑，將框架永久固定到光子器件，由鄰近面對(duì)準(zhǔn)。
10.如權(quán)利要求9所述的光子器件組件，其中物理對(duì)準(zhǔn)特征包括在芯片基底的相對(duì)邊緣上的第一和第二橫向相對(duì)側(cè)壁面，并且其中框架面包括與第一和第二橫向相對(duì)側(cè)壁面匹配的第一和第二橫向相對(duì)框架面。
11.如權(quán)利要求10所述的光子器件組件，其中光子器件組件進(jìn)一步包括電耦合到光子器件的封裝基底，并且 其中芯片基底設(shè)置在封裝基底上，第一和第二橫向相對(duì)側(cè)壁面從封裝基底的邊緣突出。
12.如權(quán)利要求11所述的光子器件組件，進(jìn)一步包括設(shè)置在由結(jié)合面限定的間空中的粘合劑，以及未滿填充芯片基底和封裝基底之間的非焊接界面。
13.如權(quán)利要求10所述的光子器件組件，其中第一和第二橫向相對(duì)側(cè)壁面從芯片基底的器件層傾斜30至60度。
14.如權(quán)利要求9所述的光子器件組件，其中所述框架進(jìn)一步包括鄰近芯片基底的器件表面的面； 其中光子器件包括垂直耦合的光子器件；以及 其中所述框架包括透鏡，所述透鏡路由垂直耦合的光子器件和外部光學(xué)互連之間的光通信，所述光學(xué)互連安裝到與器件表面不平行的框架的表面。
15.如權(quán)利要求9所述的光子器件組件，其中所述框架進(jìn)一步包括機(jī)械特征，通過所述機(jī)械特征，外部光學(xué)互連與制作在光子器件中的波導(dǎo)、光電二極管或激光器中的至少一個(gè)對(duì)準(zhǔn)。
16.如權(quán)利要求9所述的光子器件組件，其中芯片基底是單晶硅并且框架是塑料。
17.—種系統(tǒng),包括: 制作在芯片基底上的集成光子器件； 將所述集成光子器件光學(xué)耦合至系統(tǒng)外部的光接收器或光源的光纖；以及框架，將所述光纖機(jī)械耦合至所述光子器件，其中所述框架具有鄰近制作在芯片基底中的互補(bǔ)物理對(duì)準(zhǔn)特征的框架面。
18.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括無線收發(fā)器，所述無線收發(fā)器通信耦合至所述光子器件以無線發(fā)射由所述光子器件接收的數(shù)據(jù)或者無線接收由所述光子器件發(fā)送的數(shù)據(jù)。
19.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，進(jìn)一步包括制作在基底上的光學(xué)復(fù)用器，所述基底與芯片基底分開，其中所述光纖是將所述光子器件耦合至所述光學(xué)復(fù)用器的多個(gè)光纖之一。
20.如權(quán)利要求17所述的系統(tǒng)，其中所述光子器件包括多個(gè)垂直發(fā)射或邊緣發(fā)射激光`器。
【文檔編號(hào)】G02B6/43GK103874944SQ201280032416
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2012年7月2日 優(yōu)先權(quán)日:2011年7月1日
【發(fā)明者】B·H·金 申請(qǐng)人:英特爾公司