專利名稱：組裝式光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一光學(xué)裝置的組裝，使之對(duì)準(zhǔn)一光學(xué)纖維。
光學(xué)纖維與光學(xué)裝置中的其它元件精確對(duì)準(zhǔn)的重要性是眾所周知的。例如在諸如發(fā)射機(jī)或接收器之類的光電裝置中，一光學(xué)纖維與一激光器或接收器芯片的對(duì)準(zhǔn)是獲得最佳光能耦合所必需的。對(duì)于發(fā)射機(jī)而言這是尤為實(shí)際的，例如好的光學(xué)耦合使激光器能利用最小電流進(jìn)行工作，因而減少激光發(fā)射過程中產(chǎn)生的熱和延長(zhǎng)激光器的壽命。由激光器傳熱所帶來的熱膨脹問題也減少了，而且在某些應(yīng)用場(chǎng)合通過免除對(duì)熱電冷卻劑的需要而降低了封裝成本。
在制造中，為了獲得最佳耦合，纖維不僅要在三維坐標(biāo)上對(duì)準(zhǔn)，而且該對(duì)準(zhǔn)還必須由一剛性固定裝置來固定，且在固定或后續(xù)加工過程中還不能為收縮力所改變。例如對(duì)于單一波形的纖維，最終對(duì)準(zhǔn)一般必須控制以下范圍內(nèi)，纖維徑向正負(fù)1.5微米，軸向1～2微米。
傳統(tǒng)情況下，諸如激光器這種環(huán)境敏感元件的封裝都是氣密密封的，以便為該元件提供一個(gè)封閉和受保護(hù)的環(huán)境。通常是通過合適的饋通連接將通訊光學(xué)纖維導(dǎo)入該封裝內(nèi)。在制造中，首先將纖維插入饋通裝置，然后將該饋通裝置固定在該封裝上。隨后將纖維處于封裝內(nèi)的部分與激光器或其它元件對(duì)準(zhǔn)，且單獨(dú)固定就位。例如專利文件US4615031中公開的一種制造技術(shù)，是用焊接在封裝內(nèi)纖維上的錨夾進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)固定。
一種類似的封裝光學(xué)裝置的方法描述于歐洲專利申請(qǐng)EP-A-0286319中，其中一光學(xué)纖維密封在一饋通管內(nèi)，后者通過封裝壁上的一個(gè)孔與一激光器對(duì)準(zhǔn)。該饋通管有兩個(gè)支撐點(diǎn)，安裝在封裝的一內(nèi)表面，在該處該管可進(jìn)行調(diào)整以便將其對(duì)準(zhǔn)光學(xué)裝置。該纖維實(shí)際是與激光器進(jìn)行光學(xué)對(duì)準(zhǔn)，即激勵(lì)激光器且隨著纖維相對(duì)于激光器的位置的改變監(jiān)測(cè)沿纖維通過的光的強(qiáng)度。當(dāng)?shù)玫阶罴训膶?duì)準(zhǔn)時(shí)，將該管固定，使其相對(duì)于激光器呈固定的位置關(guān)系。采用這種方法要求封裝和封裝壁不因溫度變化而變形，否則該纖維和光學(xué)裝置可能脫離光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。
封裝光學(xué)裝置的成本是推廣一種FTTH(光纖入戶)遠(yuǎn)程通訊網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)障礙之一，因?yàn)樵撗b置在要安裝在用戶房屋內(nèi)的設(shè)備的費(fèi)用中占很大的比例。特別明顯的是光電元件及組件，例如組裝式半導(dǎo)體激光器的成本。諸如組裝式半導(dǎo)體激光器的成本中最大的部分來自該裝置的封裝，而不是激光器本身的成本。一項(xiàng)主要的封裝費(fèi)用是容納激光器所需的外封裝或外殼以及為了防止激光器受到潮濕和其它雜質(zhì)的影響而與該外封或外殼相關(guān)的密封要求。封裝成本的另一項(xiàng)是為了使光學(xué)纖維與半導(dǎo)體激光器對(duì)準(zhǔn)而需要采用主動(dòng)的纖維對(duì)準(zhǔn)技術(shù)(即在對(duì)準(zhǔn)過程中主動(dòng)監(jiān)測(cè)射入纖維的激光所需的技術(shù))。
只是為了便于說明，下文所涉及的是一激光器相對(duì)于一光學(xué)纖維對(duì)準(zhǔn)的特殊情況。但是對(duì)于那些本技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)人上可以看出，本發(fā)明同樣適用于光學(xué)纖維與其它光學(xué)裝置的對(duì)準(zhǔn)，例如探測(cè)器、調(diào)光器、放大器、濾光器等。
根據(jù)一第一方面，本發(fā)明提供了一種組裝式半導(dǎo)體激光器，其包括一個(gè)半導(dǎo)體激光器；一個(gè)光學(xué)纖維；以及一個(gè)支撐件，該激光器承載于該支撐件，其中該光學(xué)纖維通過支撐件與激光器保持光學(xué)耦合關(guān)系，且該激光器裝置安裝在支撐件外。
光學(xué)纖維最好是用一指數(shù)匹配的粘合劑，例如環(huán)氧樹脂基粘合劑粘接在激光器的刻面上。該纖維可以直接粘接于激光器的刻面，這種情況下在纖維和激光器刻面之間只有一薄層粘合劑。另一種情況，纖維可以間接地粘接在激光器的刻面上，例如在纖維和激光器刻面之間粘接一個(gè)透鏡或其它傳送光裝置。纖維與刻面的結(jié)合，無論直接還是間接，均減弱了刻面和纖維之間所不希望有的反射。
另一方面，刻面與光學(xué)纖維之間的反射也可通過已知的方法來減弱，例如，在光學(xué)纖維的端部構(gòu)造一個(gè)透鏡，在纖維的端部涂上防反射涂層，或在纖維的端部打磨一個(gè)角度。但是，采用粘合劑的方法有提高組件附加強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)。
最好是采用一大NA(數(shù)值口徑)纖維提高激光器刻面和光學(xué)纖維之間的耦合效率，例如用一NA(數(shù)值口徑)大于0.25的纖維(相比之下標(biāo)準(zhǔn)纖維的NA(數(shù)值口徑)約為0.1)，其接收角能更好地與激光器的發(fā)射光束角，典型情況下30°×40°匹配。
另一方面，通過采用大尺寸光點(diǎn)激光器(如我們1994年2月24日提交的、共同未決的歐洲專利申請(qǐng)94301309.4號(hào)所述)，對(duì)準(zhǔn)公差、及隨之帶來的激光器刻面和光學(xué)纖維之間的耦合效率得以提高，該激光器具有大尺寸光點(diǎn)輸出發(fā)射光束，此光束與標(biāo)準(zhǔn)單波形遠(yuǎn)程通訊光學(xué)纖維(標(biāo)準(zhǔn)單波形遠(yuǎn)程通訊光學(xué)纖維的光點(diǎn)尺寸在波長(zhǎng)1.55μm下大約為10μm，而典型的雙異構(gòu)半導(dǎo)體激光器在輸出刻面的光點(diǎn)尺寸為1.0μm×1.5μm)更加緊密匹配。大光點(diǎn)尺寸半導(dǎo)體激光器采用一波導(dǎo)結(jié)構(gòu)制造，這種結(jié)構(gòu)已進(jìn)行了改進(jìn)，以提供在典型情況下大于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體激光器且發(fā)散較少的輸出。
一大NA(數(shù)值口徑)纖維和一大尺寸光點(diǎn)激光器可聯(lián)合使用，但是發(fā)明人已經(jīng)表明，對(duì)于本發(fā)明使用大尺寸光點(diǎn)激光器結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)遠(yuǎn)程通訊光學(xué)纖維提供了極好的耦合效率，高達(dá)66％。
支撐件的一個(gè)目的是使光學(xué)纖維與激光器保持精確的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。這可以通過多種方式實(shí)現(xiàn)，例如該支撐件可以包括一個(gè)基體，在其一個(gè)表面上形成一個(gè)精密的V形槽參照面。該精密V形槽最好用腐蝕法，特別是通過腐蝕一單晶基體制成。光學(xué)纖維就固定在該V形槽內(nèi)，保持該光學(xué)纖維的對(duì)準(zhǔn)。另一方面，通過在纖維上反向布置一個(gè)帶V形槽的基體，使這種組件得以加強(qiáng)。激光器應(yīng)根據(jù)支撐件上的一第二參照面與光學(xué)纖維保持光學(xué)耦合的關(guān)系。或者，該支撐件可以是一個(gè)精密的套筒，其中容納光學(xué)纖維，以保持其對(duì)準(zhǔn)。套筒內(nèi)芯的內(nèi)表面為光學(xué)纖維提供了一個(gè)參照面。其它固定光學(xué)纖維的方法從本發(fā)明的角度看是顯而易見的。
在本發(fā)明的一優(yōu)選實(shí)施例中，該支撐件是一個(gè)陶瓷套管，其尺寸精度足以作為激光器的一基體，且在套管芯中有一個(gè)參照面，為光學(xué)纖維提供一精確的支撐。套管的凸緣用作對(duì)準(zhǔn)激光器與光學(xué)纖維的參照面。
另一方面，該支撐件可在一硅基體內(nèi)用顯微加工制成，其中支撐件上的激光器的對(duì)準(zhǔn)通過在一參照面上用平印掩模和蝕刻技術(shù)制造一個(gè)典型情況下包括SiO2的對(duì)準(zhǔn)凸耳來實(shí)現(xiàn)，它對(duì)激光器相對(duì)于由支撐件所保持的纖維的端頭的定位起導(dǎo)向作用。該經(jīng)顯微加工的基體還可提供一套筒狀結(jié)構(gòu)，以容納光學(xué)纖維，或者它也可是一V形槽基體。
一般情況下，半導(dǎo)體激光器需要一散熱裝置來發(fā)散操作過程中所產(chǎn)生的熱。最好是該支撐件自身作為一合適的散熱裝置。另一方面，激光器可安裝于一裝置安裝架上，它本身與支撐件相聯(lián)，而該裝置安裝架自己或與支撐件一同作為散熱裝置。一裝置安裝架散熱裝置典型情況下可以是傳統(tǒng)類型的，例如一包含鍍金鉆石的類型，激光器安裝其上。但是，典型情況下通過用例如覆有一鉆石的基體或諸如氮化鋁或類似導(dǎo)熱材料的一化合物來代替鉆石可以降低成本。
半導(dǎo)體激光器的電觸點(diǎn)最好是與支撐件連成整體的。該觸點(diǎn)最好也與PCB板插銷(與支撐件成整體)相連，以使整個(gè)組裝好的裝置易于安裝在一標(biāo)準(zhǔn)PCB結(jié)構(gòu)上。
在使用中，激光器設(shè)有某種形式的低成本的保護(hù)罩，以防止其受到潮濕和其它雜質(zhì)的侵害。在本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例中，激光器涂有硅樹脂密封膠，它起一保護(hù)罩的作用。發(fā)明人已經(jīng)令人驚奇地指出，甚至用于遠(yuǎn)程通訊領(lǐng)域(該領(lǐng)域?qū)勖髧?yán)格)，硅樹脂密封膠也能足夠好地防止激光器受到潮濕和其它雜質(zhì)的侵害，以至于不需要將激光器裝在一密封盒內(nèi)，這樣省去了現(xiàn)有的組裝生產(chǎn)中一項(xiàng)主要的包裝費(fèi)用。
在本發(fā)明的實(shí)施例中，該保護(hù)罩，例如硅樹脂密封膠在光學(xué)裝置和光學(xué)纖維之間是指數(shù)匹配的，且起到替代指數(shù)匹配粘接劑而將該纖維粘接到該裝置上的作用。
根據(jù)一第二方面，本發(fā)明提供了一種組裝一半導(dǎo)體激光器的方法，該方法包括，將一半導(dǎo)體激光器定位并安裝在一支撐件上，將一光學(xué)纖維的一端部固定在該支撐件上，使該半導(dǎo)體激光器定位于該支撐件外側(cè)且與該光學(xué)纖維呈光學(xué)耦合關(guān)系。
該方法最好還包括用一指數(shù)匹配粘接劑將光學(xué)纖維的端部粘接在激光器的一刻面上的步驟。該粘接劑最好是一種無需加熱即可固化的粘接劑，例如紫外線固化粘接劑。
在一半導(dǎo)體激光器的情況下，為了精確地對(duì)該半導(dǎo)體激光器和所安裝的裝置進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)可采用這樣的方式，即啟動(dòng)激光器，且利用激光束將元件相對(duì)于例如光學(xué)纖維支撐件上的一孔的中心定位，當(dāng)?shù)玫秸_的定位時(shí)，該激光束即照射到例如一光學(xué)傳感器上。
或者，該激光器可由一機(jī)械對(duì)準(zhǔn)系統(tǒng)被動(dòng)地定位且粘接在該位置上。為了得到精確的定位，該激光器最好粘接在支撐件上的對(duì)準(zhǔn)部件上，例如一個(gè)或多個(gè)槽、邊緣、臺(tái)肩或凸緣。
該激光器可以手動(dòng)定位于支撐件上，或者最好是由一自動(dòng)置放粘接機(jī)來定位，在將激光器粘接到支撐件的過程中，它可給激光器施加壓力，迫使其壓靠在支撐件的對(duì)準(zhǔn)部件上。
被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)的一個(gè)缺點(diǎn)是，自激光器本體的一對(duì)準(zhǔn)邊緣至激光器臺(tái)面的位置的距離對(duì)激光器與光學(xué)纖維的對(duì)準(zhǔn)有嚴(yán)重影響。例如，如果自對(duì)準(zhǔn)邊緣至作用區(qū)的距離只能限定在微米級(jí)精度，那么采用被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)可能沒有以足夠的精度使光學(xué)纖維與激光器作用區(qū)光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的可能性，特別是當(dāng)該光學(xué)纖維為單一波形時(shí)。
迄今為止，對(duì)于制造尺寸精確的激光器芯塊，技術(shù)水平只達(dá)到1微米的精度。一般而言，基體的尺寸限定了激光器芯塊的尺寸。這些尺寸一般受到從一個(gè)大基體上剖切下來的單個(gè)激光器的剖切平面的限制。因此，已知激光器的尺寸由剖切工藝的精度來決定。
根據(jù)再一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種包括一半導(dǎo)體基體的半導(dǎo)體激光器，且在其上覆有多個(gè)外延生長(zhǎng)層，因此至少一個(gè)外延生長(zhǎng)層有一個(gè)邊緣，它確定出該激光器的一對(duì)準(zhǔn)邊緣。
此外延生長(zhǎng)層或各外延生長(zhǎng)層的對(duì)準(zhǔn)邊緣最好通過一平印掩模和蝕刻過程來確定，一般它具有0.25μm的精度。
在一優(yōu)選實(shí)施例中，激光器是由一剖切片所確定的，而其對(duì)準(zhǔn)邊緣與基體的邊緣是分開的。因此，無論剖切的基體的尺寸多么精確或多么不精確，激光器的尺寸是由這個(gè)或各個(gè)外延生長(zhǎng)層所確定的對(duì)準(zhǔn)邊緣決定的，可達(dá)到微米以下的精度。
激光器上的對(duì)準(zhǔn)邊緣最好與該激光器所要安裝在其上的一支撐件上的對(duì)準(zhǔn)部件相互配合。
該對(duì)準(zhǔn)部件的形式可以是例如處于支撐件的一參照面上的一個(gè)或多個(gè)凸緣、或者一條脊或多條脊，激光器的對(duì)準(zhǔn)邊緣壓靠其上，以使激光器相對(duì)于支撐件保持所要求的對(duì)準(zhǔn)。
支撐件上的對(duì)準(zhǔn)部件最好通過同樣的標(biāo)準(zhǔn)平印掩模和蝕刻過程制成，用與激光器上的對(duì)準(zhǔn)邊緣所用相同的掩模，以保證制成后的支撐件上對(duì)準(zhǔn)部件與激光器上對(duì)準(zhǔn)邊緣之間有微米以下的對(duì)準(zhǔn)。
根據(jù)再一方面，本發(fā)明提供了一種制造一半導(dǎo)體激光器的方法，該激光器包括一半導(dǎo)體基體且在其上覆有多個(gè)外延生長(zhǎng)層，以及一個(gè)對(duì)準(zhǔn)邊緣，該方法包括的步驟有，形成至少一個(gè)外延生長(zhǎng)層，它有一個(gè)邊緣，確定了激光器的對(duì)準(zhǔn)邊緣的位置。
采用適于確定外延生長(zhǎng)層的邊緣的位置精度達(dá)到微米以下的一標(biāo)準(zhǔn)平印掩模和蝕刻過程，可以方便地形成該外延生長(zhǎng)層邊緣，其決定了對(duì)準(zhǔn)邊緣。
決定對(duì)準(zhǔn)邊緣的外延生長(zhǎng)層邊緣最好與半導(dǎo)體基體的邊緣是分開的，該基體的邊緣一般由一剖切面來確定。
可以理解，前面針對(duì)半導(dǎo)體激光器的說明也適用于其它半導(dǎo)體光學(xué)裝置，例如探測(cè)器、調(diào)制器、放大器、過濾器等。
現(xiàn)在僅以舉例的方式參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)說明，其中

圖1表示本發(fā)明的一第一實(shí)施例；圖2和圖3分別以正視圖和零件分解圖表示本發(fā)明的一第二實(shí)施例；圖4a至圖4i表示制造一用于第二實(shí)施例中的半導(dǎo)體激光器芯塊所涉及的步驟；圖5給出用圖4a至圖4i步驟制成的一剖切激光器芯塊的正視圖；圖6給出用圖4a至圖4i步驟制成的另一種芯塊的布置；圖7給出第二實(shí)施例的一個(gè)更詳細(xì)的例子；圖8是根據(jù)第二實(shí)施例的組件所獲得的耦合結(jié)果圖；及圖9是本發(fā)明的第二實(shí)施例的散熱性能與標(biāo)準(zhǔn)鉆石散熱性能對(duì)比的曲線圖。
圖1中，帶有一刻面15的半導(dǎo)體激光器10固定在一散熱裝置50上，它隨后又固定在一纖維支撐管20上。該固定裝置包括一種導(dǎo)熱的UV(紫外線)固化粘接劑。使用這種粘接劑是因?yàn)樗恍枰玮F焊聯(lián)接或熱壓聯(lián)接法那樣要對(duì)裝置進(jìn)行加熱。支撐管20將光學(xué)纖維30容納其中，所以光學(xué)纖維30與激光器10的刻面15是光學(xué)耦合對(duì)準(zhǔn)的。該光學(xué)纖維30是用一種指數(shù)匹配的UV(紫外線)固化粘接劑90固定在支撐管內(nèi)的。管20上設(shè)有電觸點(diǎn)60和70，以便于分別通過一電連線65和散熱裝置50給激光器10供電。該電觸點(diǎn)60和70分別與PCB板插頭80和85相連，它們可以將激光組件與PCB(未示出)方便地相連。激光器10為一硅膠罩40，例如Wacher(制造商)905所包覆，防止它受到潮濕和其它雜質(zhì)的侵害。
該纖維支撐管是一個(gè)精密制造的陶瓷套管，例如一種可以從Kyocera(日本)買到的套管，其制造公差在1微米以內(nèi)。套管20的精度使其可作為整個(gè)激光器組件的基體。因此，只要使半導(dǎo)體激光器10和散熱裝置50相對(duì)于套管20上的凸緣精確定位，那么就能保證只要簡(jiǎn)單地將光學(xué)纖維插入該套管即可使光學(xué)纖維30與激光器刻面15呈光學(xué)耦合對(duì)準(zhǔn)。從這種方式要使光學(xué)纖維30與刻面15對(duì)準(zhǔn)并不需要采用主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)。
對(duì)采用這種裝配結(jié)構(gòu)進(jìn)行了試驗(yàn)，結(jié)果示于表1。為進(jìn)行這些試驗(yàn)，將帶有UV(紫外線)固化粘接劑90的光學(xué)纖維30插入套管20。采用主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)使激光器10和光學(xué)纖維30對(duì)準(zhǔn)，即給激光器通電且在一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)臺(tái)上與纖維30對(duì)準(zhǔn)。一旦對(duì)準(zhǔn)后，將散熱裝置50加上，支撐激光器10，且通過將該結(jié)構(gòu)暴露在紫外線照射下，用UV(紫外線)固化粘接劑將該散熱裝置粘接在套管20上。在各裝置的不同制作階段測(cè)量光學(xué)耦合效率，結(jié)果示于表1。
表1
表1中，“激光器號(hào)”表示所試驗(yàn)的激光器；“固定前”是主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)的初始耦合效率；“散熱裝置固定”是加上散熱裝置后的耦合效率；“照射固化”裝置固化后的耦合效率。
表1中的結(jié)果表明，平均的耦合效率接近45％，采用大尺寸光點(diǎn)激光器所具有的最大理論最高效率為66％。
隨后的試驗(yàn)用一理論最高效率為76％的超大尺寸光點(diǎn)激光器進(jìn)行。在此試驗(yàn)中，獲得了超過62％的耦合效率。本申請(qǐng)人相信，通過制造過程的精雕細(xì)琢，激光器裝置的耦合效率趨近理論最大值是可能的。
圖2給出了根據(jù)本發(fā)明的一組合式半導(dǎo)體激光器的一第二實(shí)施例，圖3是其零件分解圖。圖中給出一硅支撐件，或稱下座200，它包括一SiO2對(duì)準(zhǔn)脊210，一半導(dǎo)體激光器芯塊220壓靠其上得以對(duì)準(zhǔn)。下座200采用硅的優(yōu)點(diǎn)之一是，它可以利用各向異性理論進(jìn)行精確浸蝕，以提供精確的浸蝕深度和浸蝕角度。下座200上覆有釬料墊230，激光器芯塊220安裝其上。該釬料墊230為激光器芯塊220提供了熱和電的連接，同時(shí)還提供了固定手段，以使該芯塊保持就位。該激光器芯塊220有一精密的對(duì)準(zhǔn)緣240，它壓靠在SiO2對(duì)準(zhǔn)脊210上，以保證激光器芯塊220相對(duì)下座200精確對(duì)準(zhǔn)。浸蝕到下座200內(nèi)的一精密V形槽250自下座200的一條邊緣向激光器芯塊220的邊緣延伸。該V形槽250有這樣的深度，它使V形槽內(nèi)所容納的一光學(xué)纖維260與激光器芯塊220光學(xué)對(duì)準(zhǔn)。該V形槽250用眾所周知的掩模和各向異性浸蝕技術(shù)制成。光學(xué)纖維260用一指數(shù)匹配的UV(紫外線)固化粘接劑或其它適用的現(xiàn)有粘接劑粘接在V形槽250內(nèi)。
正如前面所指出的，人們期望能采用被動(dòng)的而不是主動(dòng)的對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。只要精確規(guī)定出自激光器刻面或臺(tái)面的光發(fā)射區(qū)至激光器芯塊對(duì)準(zhǔn)緣的距離上述實(shí)施例即可采用被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。迄今為止，制造尺寸精密的激光器芯塊的技術(shù)只達(dá)到1微米的精度。但是，本發(fā)明人開發(fā)了一種制造激光器芯塊的技術(shù)，能使尺寸精度達(dá)到微米以下。此方法雖然在制造本發(fā)明所用激光器中找到了特定的應(yīng)用場(chǎng)合，但也具有更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。
對(duì)于制造微米以下精度激光器，僅作為例子，參照?qǐng)D4a至4i，介紹了pn二極管激光器芯塊。圖4a表示一個(gè)InP基體400，帶有兩個(gè)外延生長(zhǎng)表面層402和404，以及一個(gè)二氧化硅(SiO2)層，它經(jīng)過腐蝕處理形成一個(gè)輪廓，激光器芯塊即從其上制造出。在圖4a至圖4i中，為了清晰起見，表層402和404(以插圖形式示于圖4a和圖4b中)表示為沒有特殊形狀的單一一層。
基體400通常摻雜S達(dá)3×1018cm-3至1×1019cm-3間的水平。該表層包括InwGaxAsyPz四元活性(Q-活性)層402，一般為0.15μm厚，其上覆蓋有InP保護(hù)層404，一般為50nm厚，摻雜有5×1017cm-3水平的Zn。激光器芯塊最后發(fā)射激光的波長(zhǎng)取決于Q-活性層中各組分的比。一般而言，以1300nm發(fā)射，組分比w∶x∶y∶z應(yīng)為0.74∶0.26∶0.56∶0.44；而以1500nm發(fā)射，該比例應(yīng)為∶0.61∶0.39∶0.83∶0.17。用標(biāo)準(zhǔn)的光刻和腐蝕程序進(jìn)行腐蝕處理，給基體涂上SiO2410，再在SiO2上涂以標(biāo)準(zhǔn)的正性光刻膠，一般為鍍鉻石英玻璃，從而在基體400上規(guī)定出一埋入式異構(gòu)(BH)激光器臺(tái)面420(～3.5μm寬)和V形槽開口430(～5.0μm寬)。輪廓首先腐蝕進(jìn)入SiO2410內(nèi)，一般是采用一標(biāo)準(zhǔn)活性陽離子腐蝕(RIE)，例如CF4等離子@10mT和150w，或者在HF基腐蝕劑內(nèi)進(jìn)行濕法腐蝕，例如用10∶1稀釋的HF(等凈級(jí)@20℃)。殘留的SiO2410隨后用作一罩層以將下面的半導(dǎo)體400腐蝕到約1.0μm的深度，使用的是一合適的晶體生長(zhǎng)腐蝕劑，例如14∶1∶9{DI H2O∶(17∶1 HBr∶Br2)∶HBr}@5℃，或者是CH4/H2等離子@70mT和200w的RIE。殘留的光刻膠一般是用丙酮隨后再用濃硫酸除去。在這一步，是通過光刻工藝，其精度一般在±0.25μm以內(nèi)，精確確定出自激光器臺(tái)面420至V形槽開口430的邊緣的距離。
圖4b所示是制造的第二步，在此步驟中，激光器臺(tái)面420要用一合適的保護(hù)耐蝕劑450加以保護(hù)，一般是鍍鉻石英玻璃，同時(shí)在第一階段的光刻之后要用CF4將殘余的SiO2410從平臺(tái)區(qū)460除去，留下InP罩層404暴露在外。生長(zhǎng)的第一和第二階段示于圖4c和圖4d，其中一傳統(tǒng)的封閉層470和接觸層480分別在該結(jié)構(gòu)上外延生長(zhǎng)。
該封閉層有兩層，一層為p-InP472，通常0.5μm厚，摻雜Zn至5×1017水平，另一層為p-InP474，通常0.4μm厚，摻雜S至1-2×1018水平。該封閉層布置為向pn二極管激光器芯塊的n層和p層(一般n層在上邊)反向偏置。
接觸層480包括兩層，一層為摻雜Zn的InP482(事實(shí)上包含兩層一下層厚0.7μm，摻雜至5×1017；而一上層厚0.7μm，摻雜至1-2×1018水平)。另外的接觸層484是InGaAs，0.1μm厚，摻雜至大于4×1019的水平，提供一近似金屬的p++表面層以保持電接觸。
而后用光刻給InGaAs接觸層484形成圖案(圖4e)，以通過將接觸層腐蝕掉來減小電流路徑和減弱電容效應(yīng)。這是通過采用一個(gè)SiO2掩蔽層486和在濕腐蝕劑內(nèi)腐蝕InGaAs層來實(shí)現(xiàn)的，腐蝕劑包括H2SO4(1份)、H2O2(1份)和H2O(25份)。
在實(shí)際中，制圖案過程除一小部分面積外去除了所有的InGaAs層486，一般只在臺(tái)面420上留下15μm寬的部分。
如圖4F所示，下一步驟是開槽，即用一合適的掩蔽層，一般是SiO2，和腐蝕劑，例如包括H3PO4(4份)和HCl(1份)的一濕腐蝕劑，在激光器臺(tái)面420的每一側(cè)腐蝕出槽490。BH半導(dǎo)體激光器的作業(yè)速度取決于許多因素，封閉結(jié)構(gòu)的電容是比較重要的一個(gè)。該槽將臺(tái)面420隔離開，免受由于整體封閉結(jié)構(gòu)470所造成的電容效應(yīng)的影響，這樣就能在沒有這種電容效應(yīng)的情況下進(jìn)行高速激光作業(yè)。
開槽步驟之后，將起掩蔽作用的SiO2492從薄片上除去，然后給薄片重新涂上一層新的SiO2502。然后在激光器臺(tái)面上開一個(gè)～10μm的接觸窗，以便能與激光器進(jìn)行電接觸。在此過程中，V形槽開口430上方的窗要再次打開。
圖4g表示電接觸窗500的p側(cè)觸點(diǎn)金屬化(TiAu)的形成，以及用一層耐蝕劑510，例如Hoechst AZ5214E之類的標(biāo)準(zhǔn)正性光刻膠，作為進(jìn)一步圖形化的掩蔽層，對(duì)該窗的保護(hù)。Au層在以Kl為基的濕腐蝕劑中腐蝕，且Ti采用標(biāo)準(zhǔn)條件在CF等離子中用RIE進(jìn)行腐蝕。當(dāng)用標(biāo)準(zhǔn)的濕腐蝕劑(Br/甲醇)將薄片(未示出)減薄到～90μm之后，在薄片的底面鍍以同樣的金屬化層，以形成n側(cè)觸點(diǎn)。
注意在V形槽腐蝕(下面介紹)過程中，采用HBr，圖形化p金屬所用的耐蝕劑掩蔽層留在金屬上作為保護(hù)層，而V形槽腐蝕完成后除去。
圖4h給出如何用HBr進(jìn)一步腐蝕V形槽520的，它只腐蝕InP基體而不腐蝕Q-層402。處于V形槽520口部的開口430、及隨之的V形槽520的邊緣和臺(tái)面420之間的距離，靠在第一步驟(圖4a)內(nèi)規(guī)定的前面已經(jīng)腐蝕過的O-層402，精確規(guī)定在1μm以內(nèi)。該V形槽520的輪廓形狀為一鉆石形，是由于HBr在<110>InP晶向上的結(jié)晶學(xué)腐蝕特性造成的。圖4i所示為最終所得到的結(jié)構(gòu)，在V形槽520的底部形成劈裂面530。
如圖5所示，一旦劈裂后，此結(jié)構(gòu)為激光器芯塊提供兩個(gè)可能的對(duì)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)。第一，有Q-緣240，它可能在激光器臺(tái)面420的中心和Q-緣240間提供為微米以下的精度；第二，有自V形槽520的底部發(fā)源的劈裂面530，其精度應(yīng)在1微米以內(nèi)。
用于劈裂激光器芯塊的另一種劈裂布置可利用如果采用Q-緣進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，則劈裂機(jī)構(gòu)不再是對(duì)準(zhǔn)過程的基本特性的事實(shí)。
這樣，圖6給出更寬的開口435(～50μm寬)，它更容易在半導(dǎo)體上制造。在這種情況下該激光器芯塊將用一鉆石劃線工具550通過傳統(tǒng)方式進(jìn)行劈裂來分離，但是精確的非劈裂對(duì)準(zhǔn)緣將用于實(shí)際對(duì)準(zhǔn)。
在實(shí)踐中，同樣的掩蔽層的相關(guān)部分將用于腐蝕下座和激光器芯塊基體，以保證它們?cè)诩す馄餍緣K與該下座精確對(duì)準(zhǔn)方面是匹配的。
圖8更詳細(xì)地給出了前面結(jié)合圖2和圖3所述的本發(fā)明的一個(gè)例子。一個(gè)1550nm Fabry-Perot激光器220安裝在一顯微加工的硅光學(xué)床200上。該激光器220是一大光點(diǎn)尺寸激光器，它有8層經(jīng)過很好壓縮應(yīng)變的活性層，該平面設(shè)計(jì)以前已經(jīng)在本申請(qǐng)人前面的專利申請(qǐng)94301309.4號(hào)中報(bào)告過。
激光器光刻的第一步是用來確定大光點(diǎn)尺寸激光器的被動(dòng)導(dǎo)向槽(未示出)和位于該裝置邊緣的槽(未示出)兩者，后者確定了劃線通道435，通過它可將制造在同一塊基體上的多個(gè)激光器分開。用這種方法可將劃線通道的精密劈裂邊240的精度規(guī)定在±0.2μm。
在此實(shí)施例中，劃線通道435是外露的，且要用4∶1的H3PO4∶HCL腐蝕，而后將由后續(xù)加工步驟獲得的涂層掩埋。這種腐蝕的結(jié)果是一個(gè)約20μm深、5μm寬大致呈U形的槽，精密劈裂邊240，或頂角，它是由激光器的被動(dòng)導(dǎo)槽的1.1μm四元組分所確定的。制造完的裝置從一共同的基體上切成1.1mm長(zhǎng)、300μm寬(由劃線通道確定)的裝置。該裝置的長(zhǎng)度包括340μm不傾斜活動(dòng)區(qū)、460μm傾斜區(qū)和300μm被動(dòng)區(qū)。
對(duì)根據(jù)上述方法制造、安裝在傳統(tǒng)激光頭上的一組裝置最佳耦合的測(cè)量獲得了對(duì)于劈裂端頭單波形光學(xué)纖維高達(dá)62％的耦合效率。
在圖8中，激光器裝置220安裝在硅光學(xué)床200上，一釬料粘接墊230介于其中，為激光器220和硅光學(xué)床200之間提供熱和電的接觸。通過使精密的四元組分邊240緊靠在一個(gè)氧化硅(SiO2)的對(duì)準(zhǔn)擋板210上使激光器220對(duì)準(zhǔn)，上述擋板已經(jīng)在光學(xué)床上精密形成，如下所述。
硅光學(xué)床200的制造采用硅顯微加工技術(shù)，激光器220在其上精密對(duì)準(zhǔn)。硅光學(xué)床200的主要特點(diǎn)是一個(gè)用于固定纖維的V形槽250和氧化硅擋板210，激光器芯塊220的精密劈裂邊240抵靠在上面進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)。該氧化硅擋板210是15μm高且通過等離子強(qiáng)化化學(xué)蒸鍍法制成，且用活性陽離子腐蝕劑和濕化學(xué)腐蝕劑的混合劑進(jìn)行腐蝕。釬料粘接墊230是用50nm鈦、200nm鉑和200nm金的電子束蒸發(fā)形成，且采用除去法進(jìn)行圖案化。而后用熱蒸發(fā)法將3μm金-錫釬料鍍?cè)谒纬傻慕饘僬辰訅|230上，且也用除去法圖案化。纖維V形槽250是用氮化硅作掩蔽膜，用乙二胺和鄰苯二酚進(jìn)行<100>硅片的各向異性腐蝕而形成的。該V形槽250的深度是使合適的單波形光學(xué)纖維260的芯部與激光器基本呈光學(xué)對(duì)準(zhǔn)的。實(shí)踐中該V形槽250的確切深度根據(jù)對(duì)腐蝕劑、硅基體和所用光學(xué)纖維260的試驗(yàn)來確定。
槽710垂直于V形槽250進(jìn)行腐蝕，以保證使纖維260定位所用的膠能在纖維之下自由流動(dòng)。再有，在V形槽250靠近激光器220的一端制成一陰影的切去部分700，以去除V形槽腐蝕后殘留的V形槽斜坡端。這使得纖維260可與激光器220更靠近。
該組件的制造如下。用一傳統(tǒng)的激光器模粘接劑將激光器220壓靠在硅床200上的氧化硅對(duì)準(zhǔn)擋板210上并粘接住。然后將一劈裂后的單波形光學(xué)纖維260導(dǎo)入光學(xué)床200上的V形槽250內(nèi)，并用UV(紫外線)固化粘接劑粘住。再進(jìn)一步，一個(gè)用帶V型腐蝕槽、由一片硅制成的蓋子施加在纖維260上，以保證該纖維牢牢定位和提供剛度。
如上述內(nèi)容制造一些根據(jù)圖7的組合式激光器裝置。另外，為了進(jìn)行性能對(duì)比，將同一硅片的一些激光器芯塊分離開并結(jié)合面向下粘接在傳統(tǒng)激光頭的鉆石上。人們發(fā)現(xiàn)這種鉆石安裝的布置具有非常均勻的性能。在50mA、20℃下其輸出功率在5-6mW的范圍。
通過將50mA、20℃下在單波形纖維中的輸出功率與平均值5.5mW進(jìn)行比較，對(duì)硅光學(xué)床上的裝置的耦合效率進(jìn)行評(píng)價(jià)。采用這種技術(shù)，已經(jīng)計(jì)算出耦合效率高達(dá)55％。
如圖8所示，已經(jīng)表明根據(jù)本發(fā)明的組合式裝置的具有再現(xiàn)性的放射率，耦合效率大部分大于30％，但是也很明顯，也有許多的放射率具有大于50％的效率。
從圖9可以看出，硅床上的激光器的熱性能較粘接在鉆石上的試驗(yàn)裝置的要好。這表明硅床較鉆石安裝有更大的軌跡，對(duì)硅導(dǎo)熱性差起到補(bǔ)償作用。
對(duì)根據(jù)本發(fā)明的裝置的調(diào)節(jié)能力的初始評(píng)價(jià)表明，背對(duì)背的位誤差測(cè)量指出，該裝置的調(diào)節(jié)速率能超過300MBit/s。
專業(yè)人士可以理解，根據(jù)本發(fā)明的組合式激光器的低成本組裝、高耦合效率和頻帶寬度的結(jié)合表明它對(duì)于纖維入戶(FTTH)是具有生命力的技術(shù)。
上述激光器芯塊的制造技術(shù)在構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的組合式半導(dǎo)體激光器裝置的方法中找到了特定的應(yīng)用，同時(shí)很明顯，本技術(shù)半導(dǎo)體裝置制造和對(duì)準(zhǔn)的一般領(lǐng)域也可找到重要的應(yīng)用場(chǎng)合。特別是，此方法不局限于上述制造標(biāo)準(zhǔn)pn半導(dǎo)體激光器的步驟。該方法在制造其它類型激光器中也找到應(yīng)用領(lǐng)域，例如MQW激光器或大光點(diǎn)尺寸激光器，或著確實(shí)是需要微米級(jí)以下對(duì)準(zhǔn)的任何類型的半導(dǎo)體裝置。這樣，有關(guān)涂層成分、添加劑、厚度和整個(gè)裝置的尺寸的精確細(xì)節(jié)只是舉例的方式。根據(jù)本發(fā)明此方面的其它裝置，無論是激光器或其它什麼，一般具有與上述非常不同的特性。特別是，提供非劈裂緣的四元層也提供了裝置的活性層。在其它裝置中相應(yīng)的涂層可能不是四元的，也可能是三元的、二元的或其它成分的。再有，提供非劈裂對(duì)準(zhǔn)緣的涂層可能是一層，而不是它還提供裝置的活性層，其實(shí)該裝置可能沒有特殊標(biāo)明的活性層。無論如何，本發(fā)明在解決對(duì)準(zhǔn)問題方面的應(yīng)用對(duì)本技術(shù)領(lǐng)域的專業(yè)技術(shù)人士將是清楚的。
權(quán)利要求
1.一種帶有一對(duì)準(zhǔn)部件的半導(dǎo)體裝置，上述裝置包括一半導(dǎo)體和附著其上的一層或多層裝置層。其中至少有一層裝置層有一個(gè)由光刻掩蔽和腐蝕加工所確定的邊界，且其中上述邊界確定出上述對(duì)準(zhǔn)部件。
2.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置，該裝置包括由一層或多層裝置層所確定的能動(dòng)區(qū)，其中上述對(duì)準(zhǔn)部件是由同樣的一層或多層裝置層中至少一層所確定的。
3.一光學(xué)裝置組件包括a)一光學(xué)纖維；b)一光學(xué)裝置，其具有根據(jù)權(quán)利要求1或2所確定的對(duì)準(zhǔn)部件；及c)一光學(xué)纖維支撐件，該光學(xué)纖維支撐件提供一個(gè)參照面，光學(xué)裝置的對(duì)準(zhǔn)部件相對(duì)于它定位，實(shí)現(xiàn)裝置與光學(xué)纖維之間的對(duì)準(zhǔn)。
4.一種根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)裝置組件，其中該支撐件和光學(xué)裝置之間相互熱接觸，因此該支撐件起到光學(xué)裝置散熱器的作用。
5.一種根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的光學(xué)裝置組件，其中該支撐件有一個(gè)起支撐作用的V形槽，為承納一光學(xué)纖維提供一參照面。
6.一種根據(jù)權(quán)利要求5所述的光學(xué)裝置組件，其中該支撐件還包括一帶有起加強(qiáng)作用的V形槽的加強(qiáng)件，該加強(qiáng)V形槽的布置是覆蓋在支撐V形槽上，以形成大體方形截面的孔，用于承納上述光學(xué)纖維。
7.一光學(xué)裝置組件，其包括一光學(xué)裝置、一光學(xué)纖維和一支撐件，上述支撐件提供一個(gè)孔，光學(xué)纖維容納其中，且提供一個(gè)參照面，上述光學(xué)裝置安裝其上，實(shí)現(xiàn)與承納于上述孔內(nèi)的上述光學(xué)纖維的端部的對(duì)準(zhǔn)。
8.一種根據(jù)權(quán)利要求7所述的光學(xué)裝置，其中該裝置安裝在一散熱器上，而該散熱器安裝在上述參照面上。
9.一種根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的光學(xué)裝置組件，其中在支撐件上設(shè)有為該光學(xué)裝置供電的電觸點(diǎn)。
10.一種根據(jù)權(quán)利要求7至9中任一款所述的光學(xué)裝置組件，其中該支撐件還能提供PCB插頭，它與相應(yīng)的電觸點(diǎn)是電接觸的。
11.一種根據(jù)權(quán)利要求7至10中任一款所述的的光學(xué)裝置組件，其中上述支撐件包括一套筒。
12.一種根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)裝置組件，該套筒的凸緣提供了該參照面。
13.一種根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的光學(xué)裝置組件，其中該光學(xué)纖維承納于該套筒的孔內(nèi)，該孔使光學(xué)纖維與光學(xué)裝置呈光學(xué)耦合對(duì)準(zhǔn)。
14.一種根據(jù)權(quán)利要求3至12任一款所述的光學(xué)裝置組件，其中該光學(xué)裝置有一層硅膠涂層。
15.一種根據(jù)權(quán)利要求14所述的光學(xué)裝置組件，該硅膠是指數(shù)匹配的，且在光學(xué)裝置刻面和光學(xué)纖維的端部之間形成粘接層。
16.一種根據(jù)權(quán)利要求3至14中任一款所述的光學(xué)裝置組件，其中該光學(xué)纖維的端部用某種指數(shù)匹配的粘接劑粘接到光學(xué)裝置的刻面上。
17.一種根據(jù)權(quán)利要求3至16中任一款所述的光學(xué)裝置組件，其中該光學(xué)纖維有一個(gè)大于0.25的數(shù)值口徑。
18.一種根據(jù)權(quán)利要求3至17中任一款所述的光學(xué)裝置組件，其中該光學(xué)裝置是一帶有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體激光器，它已經(jīng)過改進(jìn)，以提供一大致與單波形光學(xué)纖維的基礎(chǔ)波形光點(diǎn)尺寸相匹配的輸入。
19.一種制造半導(dǎo)體元件的方法，該方法具有以下步驟，確定上述裝置的對(duì)準(zhǔn)部件，上述步驟包括通過光刻掩蔽和腐蝕過程在構(gòu)成該裝置的一部分的材料的一層或多層中形成一邊界，其中上述邊界確定出上述對(duì)準(zhǔn)部件。
20.一種根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中一活性區(qū)由構(gòu)成部分裝置的材料的一層或多層所確定，其中上述對(duì)準(zhǔn)部件由同樣的一層或多層材料的至少一層所確定。
21.一種根據(jù)權(quán)利要求20或21所述的方法，其包括以下步驟a)在裝置的一第一表面上形成一層材料層，和b)對(duì)上述那層材料進(jìn)行掩蔽，且腐蝕掉未掩蔽的部分，以提供低于第一表面的一第二表面。其中上述第二表面上方第一表面的邊緣提供了上述邊界和確定了上述對(duì)準(zhǔn)部件。
22.一種根據(jù)權(quán)利要求19至21中任一款所述的光學(xué)裝置組件，其中上述各層材料或至少部分層是通過外延生長(zhǎng)附著上的。
23.一種組裝光學(xué)裝置的方法，上述方法包括a)將一光學(xué)纖維安裝在一支撐件上，上述支撐件為上述光學(xué)纖維提供一參照面；以及b)將上述支撐件安裝在帶有根據(jù)權(quán)利要求1或2所確定的一對(duì)準(zhǔn)部件的光學(xué)裝置上，使上述對(duì)準(zhǔn)部件緊靠在上述支撐件上所提供的一參照面上，以實(shí)現(xiàn)該裝置與光學(xué)纖維之間的對(duì)準(zhǔn)。
24.一種根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中光學(xué)纖維用一UV(紫外線)固化粘接劑粘接在支撐件上。
25.一種組裝帶有權(quán)利要求1或權(quán)利要求2中所提供的對(duì)準(zhǔn)部件的光學(xué)半導(dǎo)體元件的方法，該方法包括以下步驟a)將一光學(xué)纖維安裝在一光學(xué)纖維支撐件上，該支撐件有一第一參照面，光學(xué)纖維壓靠其上固定；b)將光學(xué)裝置的對(duì)準(zhǔn)部件壓靠在支撐件的第二參照面上進(jìn)行定位；c)將裝置和纖維緊固在一起，不用進(jìn)行主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)即使其呈光學(xué)耦合關(guān)系。以及d)將裝置封裝，提供一非氣密性組件。
全文摘要
一光學(xué)裝置組件，其包括一光學(xué)裝置(10)，通過一陶瓷套筒(60)與一光學(xué)纖維(260)保持光學(xué)耦合關(guān)系。該光學(xué)裝置(10)安裝在散熱器件(50)上，該散熱器件安裝在套筒(60)上。該光學(xué)裝置(10)相對(duì)于套筒(60)的凸緣精確安裝，使得該光學(xué)纖維插入套筒，即可使該光學(xué)纖維與光學(xué)裝置呈光學(xué)耦合關(guān)系而不需采用主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)技術(shù)。在使用中，該光學(xué)裝置(10)密封在硅密封劑(40)內(nèi)，使該裝置免受潮濕影響。
文檔編號(hào)G02B6/42GK1156510SQ9519484
公開日1997年8月6日 申請(qǐng)日期1995年6月29日 優(yōu)先權(quán)日1995年6月29日
發(fā)明者J·V·科林斯, R·A·佩恩, A·R·特勞, I·F·里爾曼, P·J·菲迪門特 申請(qǐng)人:英國(guó)電訊公司