CN100409053C - 用于光电互连的组装、连接和耦合的微光学系统 - Google Patents

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Abstract

一种新型光学系统如用于电和光互连、热和机械组装和电子、光电、无源和有源元件的集成的平台技术。该平台通过微波电、光传导和非制导波提供光学耦合和芯片到芯片互连，以及在柔性电路、刚性或非挠性实施例中通过新型芯片实现功率或电偏置联接和连接。

Description

用于光电互连的组装、连接和耦合的微光学系统
技术领域
本发明涉及集成光学，更特别地涉及一种用于支撑光电组件的集成微光学平台。
背景技术
在实际应用如服务器底板、医用光学传感器和常规通信系统中组装大量独立和集成的光和电元件需要建立光学系统。这些系统需要大量的元件来形成电和光信号以及甚至需要更多的相互连接来产生和控制信号和在这些产品中得到完整信号。
常规的光学和电学组件以分别封装的方式物理隔离因此显著地增加了使用它们的系统的成本、材料、尺寸和重量。这些隔离封装包括防止与外界和另外的元件相互作用的密封材料和陶瓷封装。元件之间的连接和相互连接增加了对可靠性关注。分离的散热器起到热隔离的作用但是产生较长的物理路径引起串扰和电磁干扰(EMI)。光学相互连接需要的准直器和透镜占据了更多的物理距离以及需要额外的放大器来解决由物理距离和连接引起的损失。尝试在称作硅光学平台(SOB)的硅上形成复杂的混合去解决这个问题但是受到材料类型、特性匹配、厚度和电介质对微波的兼容性以及光学需求的限制。典型地，这样的SOBs常使用软导线而不是集成成千上万的连线。
这样，在现有技术中急切需要通过在集成微光学平台上集成它们的单一特性以在光电设备中获得无功率损失的电学和光学相互连接的高质量信号。
发明内容
微光学系统如用于支撑光电组件的集成微光学平台包括刚性基板和相对刚性基板以一间隔设置的导热基板。光电集成电路设置在刚性基板上以产生光信号。功率监测单元设置在刚性基板上与光电集成电路信号连接用于监控至少部分光学信号。热敏元件设置在刚性基板上用于监控光学基板的温度。驱动光电电路的电驱动器设置在导热基板上，控制单元也设置在导热基板上。控制单元与功率临测单元和用于控制驱动器的热敏元件信号连接。至少设置一个聚合物基板以覆盖电驱动器、控制单元、功率监测单元、光电电路和热敏元件。多个构成图案的镀金属层设置在至少一个聚合物基板上以及与电驱动器、控制单元、功率监测单元、光电电路和热敏元件电连接。
这种新型微光学平台形成集成平台形状以能应用于许多光电基本系统如电荷耦合器件(CCD)传感器阵列或用于聚束应用的光子天线。通过联合集成本发明的光学和电学导体、波导，以及非制导波的相互连接来解决协同定位能力和集成高速数字、混合信号、仿真、控制以及由最优化半导体形成光电电路的问题。通过超近邻接集成减小了光学衰减以致进一步避免了透镜的角度吸收、减小角度未对准、减小由连接缺陷引起的外部损失。
这种新型微光学平台被描述成一种用于电学和光学互连、热、机械组装的平台技术以及提供了电子、光电、无源和有源元件的集成。此平台通过微波电学、光学波导和非制导波提供了光学连接和芯片间互连，以及通过新型的柔性电路芯片、刚性或柔性实施例提供了功率或电偏置联接或接口。这种处理形成了适当的光学晶片载体，提供一种用于使用未封装或简封装裸器件的电学连接和光学接口互连的组装和操作方法。
使用沉积、集成、组装或堆积以获得共面、邻近或利用单一的绝缘电介质材料的光的直接耦合模式传播，通过在裸光学或光电元件水平面的光发射或接收处所提供的自由空间、折射率匹配材料或传导设备(光纤、波导)实现紧邻耦合。
使用光材料媒质和绝缘材料作为电介质到电导体将联合封装和联合连接的电控制、反馈、放大或需要电传导互连的驱动和偏置电路设置为集成共面、微波或偏置线路。相同的热连接、处理和隔离机构允许相邻元件通过电介质绝缘材料，热电冷却器分离和微管回路的分离的完全隔离下独立地运行。本发明阐述了不需要的电磁干扰(EMI)信号的法拉第(Faraday)隔离和典型的电路结构平台之间的光学互连的集成以获得高保真。
本发明特别致力于获得没有功率损耗的电学和光学互连的高信号质量，该信号质量通过在单一平台中利用多相结构集成需要高保真的其特有的特性获得。在低功率下获得想要的误码率(BER)将取得高灵敏度和与互补金属氧化半导体(CMOS)更好的集成。
附图说明
图1是用于支撑光电电路的集成微光学平台的三维视图；
图2是图1的集成微光学平台的作为传输器的各个元件的三维视图；
图3是图1的集成微光学平台的俯视图；
图4是图1的集成微光学平台的截面图；
图5是图1的集成微光学平台的截面图；
图6是图1的集成微光学平台的部分截面图；
图7是图1的集成微光学平台的截面图；
图8是激光器的输出口具有环形探测器的垂直空腔表面发射激光器的视图；
图9是具有耦合光到波导的环形探测器的垂直空腔表面发射激光器的部分视图，其中探测器接收来自波导的光；
图10是垂直空腔表面发射激光器的端视图；
图11是图9中的垂直空腔表面发射激光器的截面图；
图12是图1中包括倒装晶片构造中的球栅阵列和光学球栅阵列的集成微光学平台的部分视图；
图13是图1中包括倒装晶片构造中的球栅阵列的光学平台的部分视图；
图14是光学球栅阵列作为三面垂直反射器的视图；
图15A是光学球栅阵列作为平面镜的视图；
图15B是光学球栅阵列作为曲面镜的视图；
图16是用于调制光信号的集成光电电路的示意图；
图17是柔性电介质基板里的通孔的横截面图；
图18是具有光探测器阵列和邻接光波导的垂直空腔表面发射激光器的横截面图；以及
图19是具有在倒装晶片构造中的光探测器阵列和邻接光波导的垂直空腔表面发射激光器的横截面图；
具体实施方式
参照图1、2和3，作为支撑光电组件或电路的集成微光学平台的微光学系统通常表示为100。集成微光学平台100包括刚性基板128，刚性基板128包括例如氧化铝陶瓷或硅基板。导热基板130相对刚性基板128以一间隔设置。刚性和导热基板128、130在188间隔开大约25微米。由附图标记188表示的间隔可以保留为空间间隔或以柔性、不导热填充材料填充。光电集成电路(OEIC)108设置在刚性基板128上并可以包括例如提供输出光信号124的连续波或脉冲激光器114。连续波(CW)或脉冲激光器114包括例如分布式反馈(DFB)激光器、Fabry-perot(FP)激光器、面发射激光器如垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)、边发射激光器或另外适当的激光二极管。希望这些激光器包括在前、后、边、顶以及角部等面发射。OEIC 108也可以包括用于调制激光器114的输出光信号124的电吸收调制器(EAM)118。功率监测单元106(例如PIN光电二极管、雪崩光电二极管-APD)设置在刚性基板128上。功率监测单元106通过116与光电集成电路108信号连接以测量从激光器114的背面反射的一段输出光信号116的功率，以此监测光电电路108的输出性能。热敏元件140设置在刚性基板128上用于监测其温度。
如图3所示，光电集成电路(OEIC)108提供作为可以由波导例如光纤184(图5)或另外的光学元件引导的脉冲或连续波光信号124的输出。另外在图3中，可以看到电驱动器102提供输出三个驱动信号122、126、252。驱动信号122是-DC偏压信号用于使激光器114去产生连续波光输出信号124。优选驱动信号122(注入电流)可以是直接调制信号使OEIC108在发光二极管(LED)状态和激光器二极管(LD)状态之间调制。驱动信号126是驱动电吸收调制器(EAM)118的电信号。驱动信号252是RF调制信号以便在电-光调制器中调制光信号(如下所述)。
继续参照图1、2和3，微晶片180，包括电驱动器102，例如单片集成电路(MMIC)设置在导热基板130上。电驱动器102提供驱动信号122、126、252给光电电路108。控制单元104，设置在导热基板130上以及在194处与功率监测单元106信号连接和在192处与热敏元件140信号连接，以此控制电驱动器102。参照图1，多个组成图案的镀金属层或迹线136与电驱动器102和光电集成电路108电连接。组成图案的镀金属层136也与微光学系统100的功率监测单元106和热敏元件140和控制单元104以及另外的元件电连接。进一步，仍参照图1(以及图4、5、6、7)，设置第一柔性聚合物基板132以从上面覆盖和埋置这里的电驱动器102、控制器104、功率监测单元106、光电集成电路108、热敏元件140、刚性和导热基板128、130和镀金属层136的组件，或从下面铺垫(例如底部加固)所述组件。另参照图1(以及图4、5、6、7)，可以设置第二柔性聚合物基板186。
柔性聚合物基板132、186和光-电调制器146、148的适合的有机材料的实例包括聚(丙烯酸脂)；聚(甲基丙烯酸烷基酯)；例如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)；聚四氟乙烯(PTFE)；硅树脂；以及包括至少一种前述有机材料的混合物，其中烷基具有从1到12个碳原子。柔性聚合物基板132、186也可以包括例如聚合物如聚酰亚胺、聚合物如
Figure C20038010799200091
实际上刚性基板128和导热基板130被隔离元件彼此间隔开，或注入柔性、不导热填充材料，由于电介质聚合物基板132、186的柔性，使集成微光学平台100能够在刚性和导热基板128、130和设置在其上的元件之间完全弯曲。这可参见图4。
为更好地理解集成微光学平台100的描述，刚性基板128提供用于精确对准光电集成电路108中的光学元件的刚性平台。导热基板130提供具有热交换性质的平台，通过它由控制单元104和电驱动器102产生的热可以从集成微光学平台100消散。为此，由电驱动器102产生的高热量和稳定的光电元件之间的热隔离由设置在两个物理邻近基板128、130之间的分界188提供。电驱动器102和OEIC108具有分开的导热路径，这些路径通过使用导体如改变这些相对的导热路径的方向的微管实现。
参照图4，集成微光学平台100还包括一种聚合物光-电装置如波导146、148，该装置设置或埋置于柔性电介质基板132、186之一上，该平台接收来自光电集成电路108的光信号124。如图16中较详细示出，聚合物光-电波导146、148可以是例如具有Mach-zehnder干涉仪(MZI)的特性。其中，接地电极198沿着MZI146的一个分支212设置以及信号电极142沿着相对接地电极198的分支212设置。信号电极142接收来自电驱动器102的调制信号252用于在MZI146中调制光学信号124。在图16中，MZI146包括接收来自OEIC108的光信号124的输入通道208。光束分离器214将光信号124分离成两个光束254、256且它们的方向分别沿着第一分支210和第二分支212。在图16的实施例中，电极142、198正好彼此相对地横跨MZI146的一个分支设置。优选，多个接地电极198可以分别沿着第一分支210和第二分支212设置，电极142沿着第一分支210和第二分支212并设置在它们之间。
参照图3、4、5和7，集成微光学平台100还包括光学系统176，所述光学系统176至少包括一个用于起偏输出光信号124的偏振器134、用于准直输出光信号124的准直器150、和光束反射器144如棱镜或反射镜。光学系统176接收来自光电集成电路108的光信号124和处理光信号的状态或形态以及引导光信号124到光-电波导146、148。光学系统176提供修正功能如模式转换，提供用于将输出光信号124耦合到MZI146、148或波导184的修正反射角。如图5和6所示，当光信号124从OEIC108(或光学系统176)耦合到波导184如光纤184时，集成微光学平台100还可以包括折射率匹配聚合物或玻璃152。优选的，可以不使用这样的折射率匹配材料取而代之的是在OEIC108(或光学系统176)到波导184之间为任意间隔的光学路径。
在图8-14以及18和19中，OEIC108包括面发射激光器，如垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)110。环形光电探测器154环绕VCSEL110的出口光阑168设置。在图9中，VCSEL110提供输出光信号112导入例如为光纤的波导184。在一测试条件下，例如，光电探测器154可以接收来自波导184的反射返回测试信号158以监测VCSEL110的运行。优选信号158可以是直接从波导184接收的信号。在任一种情况下微光学系统100是以双向方式运行(如，传输和接收)。在图9中，第一和第二柔性电介质基板132、186包括通孔156、178。通孔178包括与镀金属层136连接的镀金属层170。如图17所示，微光学系统包括多个通孔156、178。第一通孔156在第一柔性电介质基板132中，以及第二通孔178是在第二柔性电介质基板186中并沿轴402与第一通孔156准直。第一和第二通孔156、178具有相对于轴402成对向角θ的截顶锥的形状。典型的θ角的角度为25度至35度。第一通孔156在其表面上包括镀金属条(或层)408。镀金属条408包括在第一通孔156的表面410上的多个镀金属条。多个镀金属条408、410包括设置在多个镀金属条408、410之间的非镀金属条406，这样使镀金属和非镀金属条406、408、410交替排列，其中可防止从VCSEL110发射的光112泄漏到第一电介质基板132，从而波导或另外的器件发射的光174、196可以通过非镀金属条406。镀金属是在电介质基板132、186或它们的表面上设置导电材料的薄膜图案，以使微光学系统的电学元件的电连接。应该理解第一通孔156中的镀金属条408、410不具有电学功能。
在图12、13和19中，集成微光学平台100还包括以倒装晶片方式配置的球栅阵列(BGA)172以使刚性基板128和第一和第二柔性电介质聚合物基板132、186之间导电和机械连接。在倒装晶片的配置中，OEIC108使其一边上的整个终端具有凸块状触点或珠状焊点的形式，以便允许翻转或反面安装OEIC 108引导所需的电路互连连接。
另外，集成微光学平台100还包括用于将VCSEL110的输出光信号112耦合到微光学平台100中的另外的器件或外部器件如光纤184的光学球栅阵列(OBGA)164。光学球栅阵列(OBGA)具有在使用面安装技术(SMT)的光电器件之间耦合光电输出/输入(I/O)的结构。图12、13和19中的OBGA164包括封闭空间，该封闭空间可以包围如自由空间、波导(如聚合物或氧化硅或硅)、适合传输、定向或传导光线(或信号)的光学媒质。OBGA164将来自VCSEL110的输出光信号112耦合、反射、或者定向到微光学平台100中的另外的光学或电学器件。OBGA164可以是球形或椭圆形形状，顶部/底部安装或电偏置引角到微机械系统(MEMS)的内部电源，如可程序控制偏转面(如电控制可变形镜)。OBGA164形成防止杂物和/或环境影响的互连以使微光学平台100的光学和光电器件精确对准。OBGA164的结构涉及到碰撞到反射面的部分光线，该反射面例如是平面镜322(图15A)或抛物镜324(图15B)，或故意不对准的带有孔316的微机械三面垂直反射器(CCR)306(图14)。
OBGA164的可变形CCR的实施例(图14)设置三个互相垂直的反射表面或镜310、312、314，形成凹状的三面垂直镜306，以确保进入OBGA164的光112至少部分被反射。优化孔316以允许第一部分光320从其中通过，由静电激励器通过预定变形或倾斜CCR306反射第二部分光318。CCR306的第一面310可以与水平方向成大约60至75度角以及第二面312可以成大约45度角。另外的角度提供反射以达到如耦合外部表面到OBGA164的需要。孔316允许用于具有高效率和高能量通过效果的部分能量反射器的反射优化选择。从光电器件面上发射，或碰撞到面上的光子通过OBGA164定向或传导以致能够低串扰和低信号损失地实现高精度光学对准。
在图14中OBGA通常表示为300。OBGA300包括包围在折射率匹配凝胶体、粘合剂或环氧树脂308中的可调节(如可倾斜)CCR306。CCR306包括一组互相正交面310、312、314。一个面包括孔316。CCR306接收从VCSEL110发射的光112。第一部分输出光320通过孔316而第二部分光318被面310、312反射到光电探测器154。通过将CCR306倾斜一个β角，第一部分光320能通过孔316而剩余部分光信号318被反射到探测器154。OBGA164的预定操作是与分离或连接VCSEL/PIN器件154，或这些共同连接在单一器件上的器件或紧邻器件协作，来监测光信号或探测调制。
可变形热塑性或另外的可变形热器件、或可变形镜面可以包括CCR306。常规的球栅阵列(BGA)可以是微尺寸，仅仅表示微小型化的芯片尺度和晶片尺度实施例允许在平版印刷下得到进一步提高。在MEMS结构或其它材料中的形变能力，包括材料的活性偏压或热活性以减小表面形状的改变。在本说明书中，通过故意不对准一个或多个CCR表面310、312、314，能在不需要监测可用信号100％强度的情况下提供部分光学输出信号112实现监测功能。OBGA164的静态(一次设置)和动态调节允许光学调节由环境或微光学平台100老化引起的寿命问题。
因此，在前述描述的基础上，公开了一种新型的微光学平台。其中的元件包括设置在以通过准直机械光轴和最小材料散布的模块耦合而具有高耦合率和低损耗的新型光学平台上的以激光二极管为基础的发射器和光电二极管接收器的光通信收发功能。通过模场直径和应用媒质中的模场分布耦合的匹配抑制模式噪声。通过管理和协同定位电介质和传播媒质(光纤芯和导体)提供从光或电连接到达设备的电磁波匹配以减少模式选择损耗效应。通过在角度扩散光超出纤芯或探测器孔径之前在邻近的连接中获取角度扩散光而对影响器件和结构的损失预算的近似参数如数值孔径产生作用。通过让两个物理邻近的基板之间的边界微型化在高电驱动热功率和稳定光电子器件之间设置热隔离以使它们通过导体具有单独的传热路径，如改变这些相对传热面的方向的微管。通过控制阻抗路径的重叠实现高质量电学路径的匹配。通过共面直接镀金属和以聚合物、空气和其它电介质系统封装、辐射、照明或桥接这些互连器件，使得光往返损失提供低连接衰退最小化。从器件或结构发射的光通过这样互连以最小或零度数的损失垂直、正交或小角度耦合到器件或耦合表面。
任何的标记如第一、第二等，或前或后，左或右、顶或底、上部或下部、水平或垂直，或任何另外的词汇指示一个对象的相对于另外的对象的相对位置、数量或改变，除非另有标注，目的是方便描述，本发明或它的器件不限于任何一个位置、空间或时间取向。附图中所示的器件的所有度数可随实施例的潜在的设计和预计的使用改变而不脱离本发明的精神。
虽然本发明已经参照其中几个实施例作了描述，但是应当理解本领域技术人员作出各种改变和等价的器件替代没有脱离本发明的精神。另外，得到本发明启示的为适应特殊条件或材料的改变也不会脱离它的实质精神。因此，本发明不限于为实现本发明所作的特殊实施例，但本发明包括落入附加权利要求书的精神范围内的所有实施例。

Claims (27)

1. 一种微光学系统，包括：
一刚性基板(128)；一相对于刚性基板(128)以一间隔设置的导热基板(130)；光电集成电路(108)设置在刚性基板(128)上；电驱动器(102)设置在导热基板(130)上用于驱动光电集成电路(108)；以及
一个设置成覆盖电驱动器(102)、光电集成电路(108)、导热基板(130)和刚性基板(128)的柔性电介质基板(132)；
其中，光电集成电路(108)包括用于产生光学输出信号(124)的激光器(114)。
2. 如权利要求1所述的微光学系统，其特征在于，柔性电介质基板(132)包括多个通孔(156，170)。
3. 如权利要求2所述的微光学系统，其特征在于，还包括设置在柔性电介质基板(132)上以及通过多个通孔(182)与电驱动器(102)和光电集成电路(108)电连接的多个构成图案的镀金属层。
4. 如权利要求1所述的微光学系统，其特征在于，还包括用于调制光学输出信号(124)的光吸收调制器(118)。
5. 如权利要求1所述的微光学系统，其特征在于，还包括接收部分光学输出信号以用于监测光学输出信号(124)的功率监测单元(106)。
6. 如权利要求5所述的微光学系统，其特征在于，还包括设置导热基板(130)上且与功率监测单元(106)信号连通以便控制电驱动器(102)的控制单元(104)。
7. 如权利要求1所述的微光学系统，其特征在于，电驱动器(102)包括微波单片集成电路。
8. 如权利要求1所述的微光学系统，其特征在于，还包括设置在柔性电介质基板(132)和刚性基板(128)之间的光学球栅阵列(164)。
9. 如权利要求8所述的微光学系统，其特征在于，光学球栅阵列包括：
接收光学输出信号(124)的折射率匹配材料：
封装在折射率匹配材料中以便改变光学输出信号(124)方向的反射表面。
10. 如权利要求9所述的微光学系统，其特征在于，反射表面包括平面镜。
11. 如权利要求9所述的微光学系统，其特征在于，反射表面包括曲面镜。
12. 如权利要求8所述的微光学系统，其特征在于，光学球栅阵列包括：
接收光学输出信号(124)的折射率匹配材料：
封装在折射率匹配材料中以便导向光学输出信号(124)的波导。
13. 如权利要求8所述的微光学系统，其特征在于，光学球栅阵列包括：
接收光学输出信号(124)的折射率匹配材料：
封装在折射率匹配材料中以便衍射光学输出信号(124)的衍射光学元件(174)。
14. 如权利要求9所述的微光学系统，其特征在于，反射表面包括三面垂直反射镜(306)。
15. 如权利要求14所述的微光学系统，其特征在于，三面垂直反射镜包括：
多个互相垂直的反射表面(310，312，314)；以及
一个设置在多个互相垂直的反射表面(310，312，314)中的一个反射表面中并接收光学输出信号(124)的孔(316)；
其中第一部分光学输出信号(318)在该三面垂直反射镜(306)处被反射以及第二部分光学输出信号(320)继续通过。
16. 如权利要求1所述的微光学系统，其特征在于，还包括：
一设置在柔性电介质基板(132)上或埋置其中以及接收从光电集成电路(108)来的光学输出信号(124)的光-电波导(146，148)；
沿光-电波导(146，148)设置的接地电极(198)；
沿光-电波导(146，148)相对接地电极(198)设置以及接收来自电驱动器(102)以便调制光-电波导(146，148)中的光输出信号(124)的调制信号(252)的信号电极(142)。
17. 如权利要求1所述的微光学系统，其特征在于，还包括：
包括偏振器、准直器或波束反射器的光学系统(176)，其中光学系统(176)接收来自光电集成电路(108)的光学输出信号以及通过处理将光输出信号传输到光-电波导(146，148)。
18. 如权利要求1所述的微光学系统，其特征在于，还包括设置在刚性基板(128)上以便监测刚性基板(128)的温度的热敏元件(140)。
19. 如权利要求1所述的微光学系统，其特征在于，柔性电介质基板(132)包括聚酰胺。
20. 如权利要求1所述的微光学系统，其特征在于，柔性电介质基板(132)包括聚丙烯酸脂，聚甲基丙烯酸烷基酯，聚四氟乙烯，硅树脂或它们的混合物。
21. 如权利要求20所述的微光学系统，其特征在于，聚甲基丙烯酸烷基酯包括聚甲基丙烯酸甲酯。
22. 如权利要求1所述的微光学系统，其特征在于，柔性电介质基板(132)包括多个柔性电介质基板(132，186)。
23. 如权利要求22所述的微光学系统，其特征在于，多个通孔包括：
在第一柔性电介质基板(132)中的第一通孔(156)；以及
在第二柔性电介质基板(186)中且与第一通孔(156)对准的第二通孔(170)。
24. 如权利要求23所述的微光学系统，其特征在于，第一和第二通孔(156，170)具有相对于轴成对向角θ的截顶锥的形状。
25. 如权利要求22所述的微光学系统，其特征在于，第一通孔(156)包括第一通孔(156)的表面上的镀金属条。
26. 如权利要求25所述的微光学系统，其特征在于，镀金属条包括在第一通孔(156)的表面上的多个镀金属条。
27. 如权利要求26所述的微光学系统，其特征在于，多个镀金属条包括多个设置在多个镀金属条之间的未镀金属条。
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