集成光學(xué)子組件的制作方法
【專(zhuān)利摘要】一種光學(xué)子組件包括：通過(guò)半導(dǎo)體基板(102)形成的通光渠道(104)；光電部件(108)，被固定到所述基板(102)，使得所述光電部件的激活區(qū)域(106)與所述通光渠道(104)對(duì)齊；和形成在所述基板(102)中的電路(110)，所述電路連接到所述光電部件(108)且根據(jù)所述光電部件(108)操作。
【專(zhuān)利說(shuō)明】集成光學(xué)子組件

【背景技術(shù)】
[0001]光引擎通常用于以高速率轉(zhuǎn)換電子數(shù)據(jù)。光引擎包括硬件，用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)、傳輸該光信號(hào)、接收光信號(hào)和將光信號(hào)轉(zhuǎn)變回電信號(hào)。當(dāng)電信號(hào)被用于調(diào)制諸如激光器等光源設(shè)備時(shí)，電信號(hào)被轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)。來(lái)自光源的光隨后被耦合到諸如光纖的光傳輸介質(zhì)中。在經(jīng)由各種光傳輸介質(zhì)穿過(guò)光學(xué)網(wǎng)絡(luò)并且抵達(dá)其目的地之后，光被耦合到諸如檢測(cè)器的接收設(shè)備中。檢測(cè)器隨后基于接收到的光信號(hào)產(chǎn)生電信號(hào)，用于數(shù)字處理電路的使用。
[0002]光通信系統(tǒng)經(jīng)常被用于在諸如電信系統(tǒng)和數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)等各種系統(tǒng)中傳輸數(shù)據(jù)。電信系統(tǒng)經(jīng)常涉及到在從幾英里到幾千英里范圍的大的地理距離上傳輸數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)通信經(jīng)常涉及到傳輸數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)。這些系統(tǒng)涉及在從幾米至幾百米范圍的距離上傳輸數(shù)據(jù)。用于將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)并且將光信號(hào)放入諸如纖維光纜的光傳輸介質(zhì)中的耦合部件是相對(duì)昂貴的。由于這種昂貴，光學(xué)傳輸系統(tǒng)通常用作網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)用于在較大距離上傳輸大量數(shù)據(jù)。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0003]附圖例示出這里描述的理論的各種示例，且為說(shuō)明書(shū)的一部分。例示的示例僅為示例，而不限制權(quán)利要求的范圍。
[0004]圖1為示出根據(jù)這里描述的理論的一個(gè)示例的示例性集成光學(xué)子組件的框圖。
[0005]圖2示出根據(jù)這里描述的理論的一個(gè)示例的帶有多通道的示例性集成光學(xué)子組件的框圖。
[0006]圖3A為示出根據(jù)這里描述的理論的一個(gè)示例的半導(dǎo)體基板的示例性俯視圖的框圖，其中半導(dǎo)體基板其上形成有電路。
[0007]圖3B為示出根據(jù)這里描述的理論的一個(gè)示例的光電部件的示例性俯視圖的框圖，所述光電部件待與圖3Aa的半導(dǎo)體基板對(duì)齊。
[0008]圖4為示出根據(jù)這里描述的理論的一個(gè)示例被連接到印刷電路板的示例性集成光學(xué)子組件的框圖。
[0009]圖5為示出根據(jù)這里描述的理論的一個(gè)示例用于形成集成光學(xué)子組件的示例性方法的流程圖。
[0010]在全部附圖中，相同的附圖標(biāo)記指代類(lèi)似但不必是相同的元件。

【具體實(shí)施方式】
[0011]如上面提到的那樣，由于將電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)和將光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)的部件昂貴，光通信系統(tǒng)典型地用作網(wǎng)絡(luò)中的主干網(wǎng)。然而，光學(xué)系統(tǒng)能夠向計(jì)算機(jī)通信提供各種優(yōu)勢(shì)。計(jì)算機(jī)通信指的是從幾厘米至幾百厘米范圍內(nèi)的那些計(jì)算機(jī)通信。因?yàn)檫@種系統(tǒng)的成本和尺寸原因，在計(jì)算機(jī)通信中使用光引擎還沒(méi)有成為普遍。
[0012]對(duì)于該問(wèn)題，本說(shuō)明書(shū)公開(kāi)用于使計(jì)算機(jī)通信更能接受光學(xué)系統(tǒng)的方法和系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)能夠使用將光學(xué)傳輸介質(zhì)連接到光電部件的半導(dǎo)體平臺(tái)。光電部件或者為光發(fā)射設(shè)備或者為光接收設(shè)備。光發(fā)射設(shè)備的示例為垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。光接收設(shè)備的示例為光敏二極管。
[0013]通光渠道(thru optical via)通過(guò)平臺(tái)基板形成。各種對(duì)齊技術(shù)被用于將光電部件固定到半導(dǎo)體平臺(tái)的一側(cè)，使得光電部件的激活區(qū)域與通光渠道對(duì)齊。激活區(qū)域是事實(shí)上發(fā)射或接受光的光電部件的一部分。電路被用于根據(jù)光學(xué)部件而操作。例如，光敏二極管與跨阻抗放大器協(xié)作來(lái)放大由光子沖擊在光敏二極管上導(dǎo)致的電信號(hào)。在光電部件是光發(fā)射設(shè)備的情況下，電路被用來(lái)驅(qū)動(dòng)該設(shè)備。
[0014]本說(shuō)明書(shū)公開(kāi)用于形成電路的方法和系統(tǒng)，其中電路根據(jù)直接位于半導(dǎo)體基板上的光電部件而操作，半導(dǎo)體基板橋接光電部件和光傳輸介質(zhì)。通過(guò)使電路形成在半導(dǎo)體基板內(nèi)，不需要使用單獨(dú)的芯片來(lái)保持該電路。這允許具有更小和更少成本的光傳輸系統(tǒng)。
[0015]在下面的說(shuō)明中，為了解釋的目的，為了提供對(duì)本系統(tǒng)和方法的全面理解，提出了大量的具體細(xì)節(jié)。然而，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員明顯的是，本裝置、系統(tǒng)和方法可在不具有這些具體細(xì)節(jié)的情況下實(shí)施。說(shuō)明書(shū)中提及的“示例”或類(lèi)似語(yǔ)言的含義是結(jié)合示例描述的特定特征、結(jié)構(gòu)或特點(diǎn)包括在至少那一個(gè)示例中，但不是必須在其它示例中。在說(shuō)明書(shū)各種地方中的短語(yǔ)“在一個(gè)示例中”或類(lèi)似短語(yǔ)的各種實(shí)例不是必須所有的都指代相同的示例。
[0016]在整個(gè)該說(shuō)明書(shū)和所附權(quán)利要求中，術(shù)語(yǔ)“光電部件”指諸如激光的光源設(shè)備或者諸如檢測(cè)器的光接收器設(shè)備。另外，術(shù)語(yǔ)“激活區(qū)域”指光電部件的發(fā)射光或感應(yīng)光的實(shí)際部分。例如，在光電部件為源設(shè)備的情況下，則激活區(qū)域是發(fā)射光的實(shí)際部件。在光電部件為接收器設(shè)備的情況下，激活區(qū)域?yàn)楸唤邮盏墓鉀_擊所在的實(shí)際部件。并且，術(shù)語(yǔ)“光”指的是任何類(lèi)型的電磁輻射。
[0017]現(xiàn)在參見(jiàn)附圖，圖1為示出示例性的集成光學(xué)子組件(100)的框圖。根據(jù)特定示例性示例，光學(xué)子組件(100)包括半導(dǎo)體平臺(tái)基板(102)。通光渠道(104)被形成為穿過(guò)該半導(dǎo)體基板(102)。光電部件(108)通過(guò)固定機(jī)構(gòu)被固定到半導(dǎo)體基板(102)。光電部件(108)被對(duì)齊為使得光電部件(108)的激活區(qū)域(106)與通光渠道(104)對(duì)齊。另外，電路(110)形成在半導(dǎo)體基板(102)內(nèi)并且連接到光電部件(108)。
[0018]半導(dǎo)體基板(102)由諸如硅的半導(dǎo)體材料制成。半導(dǎo)體基板的主要功能是將光電部件(108)與光學(xué)傳輸介質(zhì)(未示出)耦合。半導(dǎo)體材料還用來(lái)形成集成電路。因此，諸如晶體管、電容器和電阻器的電子部件能夠形成在半導(dǎo)體基板中從而形成集成電路。該集成電路(110)能夠被用于與光電部件(108)協(xié)作。
[0019]通過(guò)半導(dǎo)體基板(102)形成的通光渠道(104)被用于在光電部件(108)的激活區(qū)域(106)與光學(xué)傳輸介質(zhì)之間引導(dǎo)光。通光渠道可被設(shè)計(jì)為用作波導(dǎo)，允許光通過(guò)反彈墻壁而傳播?？商娲?，通光渠道可被設(shè)計(jì)為讓光直接通過(guò)而不從墻壁反彈。
[0020]將光電部件(108)固定到半導(dǎo)體基板(102)的方法可為焊接回流過(guò)程。在這種過(guò)程中，一組金屬墊被形成在半導(dǎo)體基板(102)上。對(duì)應(yīng)的一組金屬墊被形成在光電部件(108)上。焊接凸點(diǎn)隨后放置在該組墊中的一個(gè)上。此時(shí)，焊接凸點(diǎn)還沒(méi)有完全熔化。而是，它們處于一狀態(tài)以便粘結(jié)至粘接墊。通過(guò)應(yīng)用適當(dāng)數(shù)量的熱，焊接凸點(diǎn)將完全熔化。粘接墊的尺寸、形狀和材料以及焊接凸點(diǎn)的尺寸、形狀和材料為使得表面張力將半導(dǎo)體基板
(102)粘接墊與光電部件(108)粘接墊對(duì)齊。
[0021]電信號(hào)能夠穿過(guò)固定機(jī)構(gòu)的焊接凸點(diǎn)。因此，用于操作光電部件的電路能夠形成在半導(dǎo)體基板(102)內(nèi)。例如，由光敏二極管輸出的電信號(hào)經(jīng)常在被發(fā)送到另一數(shù)字處理電路之前被放大?？缱杩狗糯笃髂軌虮挥糜趫?zhí)行該放大過(guò)程。這些跨阻抗放大器被形成在半導(dǎo)體平臺(tái)基板中，而不是光電部件芯片自身內(nèi)?？缱杩狗糯笃麟S后能夠通過(guò)用于將光敏二極管固定到半導(dǎo)體基板(102)的焊接凸點(diǎn)而被連接到光敏二極管。
[0022]圖2為示出具有多通道的示例性集成光學(xué)子組件(200)的框圖。典型的光學(xué)傳輸介質(zhì)傳播多個(gè)數(shù)據(jù)通道。根據(jù)某些例示性示例，半導(dǎo)體基板(202)可為每個(gè)通道包括通光渠道(204)。盡管圖2中只例示出了兩個(gè)通光渠道，實(shí)際的半導(dǎo)體基板可具有更大量的通光渠道(204)。光電部件(212)包括對(duì)應(yīng)數(shù)量的激活區(qū)域(206)、每個(gè)通光渠道(204)有一個(gè)激活區(qū)域。激活區(qū)域(206)的定位精確地匹配通光渠道(204)的定位。
[0023]保持光學(xué)傳輸介質(zhì)(208)的光學(xué)連接器(210)可通過(guò)各種方法被固定到半導(dǎo)體基板(202)的相反側(cè)。光學(xué)傳輸介質(zhì)的一個(gè)示例是光纖。光學(xué)連接器(210)定位光纖使得它們與通光渠道(204)對(duì)齊。因此，每個(gè)光纖(208)將不同通道的數(shù)據(jù)傳播到其相應(yīng)的通光渠道(204)中。
[0024]接收或發(fā)射光信號(hào)的每個(gè)激活區(qū)域(206)能夠被連接到形成在半導(dǎo)體基板(202)中的其自己的電路塊(214)中。在光電部件(212)是光接收設(shè)備的情況下，第一光渠道(204-1)將第一光信號(hào)從第一光學(xué)傳輸介質(zhì)(208-1)傳播到第一光敏二極管(206-1)。該光敏二極管(206-1)被連接到半導(dǎo)體基板(202)上的跨阻抗放大器電路塊(214-1)。
[0025]同樣地，第二光渠道(204-2)將第二光信號(hào)從第二光學(xué)傳輸介質(zhì)(208-2)傳播到第二光敏二極管(206-2)。該光敏二極管(206-2)被連接到半導(dǎo)體基板上的不同的跨阻抗放大器電路塊(214-2)。跨阻抗放大器電路塊(214)隨后可傳遞放大的信號(hào)用于進(jìn)一步的處理。例如，跨阻抗放大器電路塊(214)可被連接到處理模塊(216)，例如串并轉(zhuǎn)換器(SerDes)。可替代地，SerDes可集成到基板(202)上。在一些示例中，基板(202)可為專(zhuān)用集成電路(ASIC)。
[0026]圖3A為示出半導(dǎo)體基板的例示性俯視圖(300)的框圖，其中半導(dǎo)體基板上形成有電路。根據(jù)某些例示性示例，通光渠道(306)的陣列形成在半導(dǎo)體基板(302)中。對(duì)于每個(gè)通光渠道(306)，具有對(duì)應(yīng)的金屬墊(304)用在將光電部件固定到半導(dǎo)體基板(302)的焊接回流過(guò)程中。半導(dǎo)體基板(302)被形成為使得電子跡線(xiàn)從每個(gè)金屬墊(304)到電路塊(308)。
[0027]圖3B為示出待與圖3A中的半導(dǎo)體基板對(duì)齊的光電部件(312)的例示性俯視圖(310)的框圖。根據(jù)某些例示性示例，光電部件(312)包括激活區(qū)域(314)的陣列。這些激活區(qū)域?qū)?yīng)于半導(dǎo)體基板(302)的通光渠道(306)。另外，每個(gè)激活區(qū)域(314)被電連接到形成在光電部件上的一組金屬墊(316)。這組金屬墊對(duì)應(yīng)于半導(dǎo)體基板(302)上的一組金屬墊(304)。
[0028]當(dāng)光電部件(312)被固定到半導(dǎo)體基板(302)時(shí)，激活區(qū)域(314)變?yōu)橥ㄟ^(guò)焊接凸電連接到電路塊(308)。例如，在光電部件為接收設(shè)備的情況下，響應(yīng)光從通光渠道(306)沖擊到光敏二極管上，那些光敏二極管的激活區(qū)域?qū)⒔邮针娦盘?hào)。這些電信號(hào)隨后將行進(jìn)通過(guò)光電部件上的跡線(xiàn)、通過(guò)焊接凸點(diǎn)和通過(guò)半導(dǎo)體基板(302)上的跡線(xiàn)到達(dá)跨阻抗放大器電路塊(308)。
[0029]在光電部件(312)為光發(fā)射設(shè)備的情況下，VCSEL的激活區(qū)域?qū)⑼ㄟ^(guò)半導(dǎo)體基板(302)上的跡線(xiàn)、通過(guò)焊接凸點(diǎn)和通過(guò)光電部件(312)上的跡線(xiàn)從電路塊(308)接收電信號(hào)。電路塊(308)在這種情況下可被用于驅(qū)動(dòng)被發(fā)送到VCSEL的電信號(hào)從而適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)VCSEL0
[0030]圖4為示出連接到印刷電路板(414)的例示性集成光學(xué)子組件(400)的框圖。如上所提到的那樣，光引擎被用于在光學(xué)介質(zhì)上傳輸之前將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)。在抵達(dá)目的地之后，光信號(hào)被轉(zhuǎn)變回電信號(hào)。電信號(hào)典型地在被轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)之前由處理模塊處理。傳輸端上的處理模塊(418)包括用于格式化電信號(hào)從而使之轉(zhuǎn)變?yōu)楣庑盘?hào)的硬件(即激光驅(qū)動(dòng)器集成電路)。另外，在接收端(即接收器集成電路)上的處理模塊(418)將檢測(cè)到的光信號(hào)格式化為待被標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字處理電路使用的格式。
[0031]在一個(gè)示例中，印刷電路板(414)可被支撐光電部件(404)的散熱器材料(416)包圍。在光電部件(404)是光檢測(cè)設(shè)備的情況下，從檢測(cè)到的光信號(hào)產(chǎn)生的電信號(hào)能夠被發(fā)送通過(guò)粘結(jié)墊，沿半導(dǎo)體基板(406)到達(dá)形成在半導(dǎo)體基板(406)內(nèi)的電路塊(412)。該電路塊(412)可為放大器電路用于將來(lái)自光電部件(404)的光敏二極管的電信號(hào)放大。在被電路塊(412)放大之后，放大的信號(hào)可穿過(guò)用于將半導(dǎo)體基板連接到印刷電路板(414)的不同的粘接墊組。印刷電路板可進(jìn)一步包括諸如SerDes的處理模塊(418)。
[0032]在光電部件(404)為光發(fā)射設(shè)備的情況下，處理模塊(418)可通過(guò)將印刷電路板(418)固定到半導(dǎo)體基板(406)的粘接墊將電信號(hào)發(fā)送到電路塊(412)。電路塊(412)內(nèi)的驅(qū)動(dòng)器電路隨后被用于調(diào)制光電部件(404)的VCSEL。這可通過(guò)連接光電部件(404)與半導(dǎo)體基板(406)的粘接墊從電路塊(412)發(fā)送適當(dāng)?shù)碾娦盘?hào)而完成。VCSEL的激活區(qū)域隨后將被調(diào)制的光透射通過(guò)對(duì)應(yīng)的通光渠道(408)并且進(jìn)入光學(xué)傳輸介質(zhì)中。
[0033]圖5為示出用于形成集成光學(xué)子組件的例示性方法(500)的流程圖。根據(jù)某些例示性示例，該方法包括通過(guò)半導(dǎo)體基板形成通光渠道(框502)和在半導(dǎo)體基板中形成電路塊(框504)。電路塊將與光電部件交互。該方法進(jìn)一步包括將光電部件固定(框506)到半導(dǎo)體基板，使得光電部件的激活區(qū)域與通光渠道對(duì)齊且電路塊連接到光電部件。
[0034]總之，本說(shuō)明書(shū)公開(kāi)用于形成電路的方法和系統(tǒng)，其中所述電路根據(jù)直接在半導(dǎo)體基板上的光電部件操作，所述半導(dǎo)體基板橋接光電部件和光學(xué)傳輸介質(zhì)。通過(guò)使電路形成在半導(dǎo)體基板內(nèi)，不再需要單獨(dú)的芯片來(lái)保持所述電路。這使光學(xué)傳輸系統(tǒng)更小和更便且。
[0035]前述的說(shuō)明被呈現(xiàn)為僅例示和描述理論的示例。該說(shuō)明不傾向于窮盡或者將這些理論限制到公開(kāi)的任何精確的形式。從上述教導(dǎo)可知很多修改和變型都是可能的。
【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)子組件，包括: 通過(guò)半導(dǎo)體基板(102)形成的通光渠道(104)； 光電部件(108)，被固定到所述基板(102)，使得所述光電部件的激活區(qū)域(106)與所述通光渠道(104)對(duì)齊；和 形成在所述基板(102)中的電路(110)，所述電路連接到所述光電部件(108)且根據(jù)所述光電部件(108)操作。
2.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述光電部件(108)包括光接收設(shè)備。
3.如權(quán)利要求2所述的子組件，其中所述電路(110)包括跨阻抗放大器用于放大來(lái)自所述光接收設(shè)備的電信號(hào)。
4.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述光電部件(108)包括光發(fā)射部件。
5.如權(quán)利要求4所述的子組件，其中所述電路(110)用于驅(qū)動(dòng)所述光發(fā)射部件。
6.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述電路(110)通過(guò)固定機(jī)構(gòu)被連接到所述光電部件(108)，所述固定機(jī)構(gòu)被用于將所述光電部件(108)固定到所述基板(102)。
7.如權(quán)利要求1所述的子組件，其中所述電路(110)通過(guò)固定機(jī)構(gòu)被連接到不形成在所述基板內(nèi)的數(shù)字電路。
8.一種用于形成光學(xué)子組件的方法，包括: 通過(guò)半導(dǎo)體基板(102)形成通光渠道(104)； 在所述半導(dǎo)體基板(102)中形成電路塊(110)，所述電路塊(110)與光電部件(108)交互；和 將所述光電部件(108)固定到所述半導(dǎo)體基板(102)，使得所述光電部件(108)的激活區(qū)域(106)與所述通光渠道(104)對(duì)齊并且所述電路塊(110)連接到所述光電部件(108)。
9.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述光電部件(108)包括光接收設(shè)備。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中所述電路塊(110)包括跨阻抗放大器用于放大來(lái)自所述光接收設(shè)備的電信號(hào)。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述光電部件(108)包括光發(fā)射部件。
12.如權(quán)利要求11所述的方法，其中所述電路塊(110)用于驅(qū)動(dòng)所述光發(fā)射部件。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述電路塊(110)通過(guò)固定機(jī)構(gòu)被連接到所述光電部件(108)，所述固定機(jī)構(gòu)被用來(lái)將所述光電部件(108)固定到所述基板(102)。
14.如權(quán)利要求8所述的方法，其中所述電路塊(110)通過(guò)固定機(jī)構(gòu)連接到不形成在所述基板(102)內(nèi)的數(shù)字電路。
15.一種光學(xué)子組件，包括: 通過(guò)半導(dǎo)體基板(102)形成的通光渠道(104)的陣列； 光電部件(108)，固定到所述基板(102)，使得與所述通光渠道(104)的所述陣列對(duì)應(yīng)的所述光電部件的激活區(qū)域(106)的陣列與所述通光渠道(104)的所述陣列對(duì)齊；和 形成在所述基板(102)中的電路塊(110)的陣列，所述激活區(qū)域(106)中的每一個(gè)具有一個(gè)電路塊(110)，所述電路塊(110)連接到所述光電部件(108)且根據(jù)所述光電部件(108)操作。
【文檔編號(hào)】G02B6/43GK104246569SQ201280072422
【公開(kāi)日】2014年12月24日 申請(qǐng)日期:2012年4月16日 優(yōu)先權(quán)日:2012年4月16日
【發(fā)明者】保羅·凱斯勒·羅森伯格, 邁克爾·瑞恩·泰·譚, 沙吉·瓦格西·馬塔伊, 約瑟夫·斯特拉日尼茨基 申請(qǐng)人:惠普發(fā)展公司，有限責(zé)任合伙企業(yè)