集成的光收發信機及其相關方法
2023-10-18 03:06:09 3
專利名稱：集成的光收發信機及其相關方法
背景技術：
以前將收發信機集成在晶片上的時候採用的是單片集成方法，其中的有源元件都是在基片上形成的，因此它們都是用同一種材料做成的。在這種情況下，檢測器陣列和光源陣列不可能同時達到最佳性能。
另外一些嘗試將有源元件，例如光源和檢測器，製作在不同的基片上。但是這樣一來增加了系統的複雜程度，因為元件數量增加了，對準的難度也增大了。
為了這些目的和其它目的，本發明提供一種光收發信機，它包括在一個基片上第一個表面上的至少一個光源，在該基片第一個表面上的至少一個檢測器，這至少一個光源和至少一個檢測器中的至少一個安裝在這個基片上，這至少一個檢測器用來接收來自至少一個光源以外的光，該光學組件上面有光學元件。這至少一個光源和至少一個檢測器都有光學元件。該光學組件附著在這個基片上。
所述至少一個光源和至少一個檢測器可以採用不同的材料。該至少一個光源和至少一個檢測器中的一個可以是在基片上單片集成的。可以在這個基片和這個光學組件之間放一個墊片。這個墊片可以完全包圍這個光學組件的四周。該墊片包括這個光學組件四周的多個分開的墊片。這至少一個光源和這至少一個檢測器的光學元件具有相同的設計。可以在形成至少一個檢測器的光學元件的相對一面上形成至少一個光源的光學元件。該至少一個光源可以是一個垂直空腔表面發射雷射器。可以在至少一個光源和至少一個檢測器的基片的第一個表面上提供互連裝置。這些互連裝置可以在至少一個光源和這至少一個檢測器的基片的第一個表面的同一側上，也可以在它的相對一側上。
所述至少一個光源可以是一個光源陣列，所述至少一個檢測器可以是一個檢測器陣列。光源陣列和檢測器陣列可以平行，也可以形成一條直線。
以上目的和其它目的可以用一種方法來實現，這種方法用於形成一個光收發信機，該方法包括在第一個晶片的第一個表面上提供多個檢測器，在第一個晶片的第一個表面上提供多個光源，將多個檢測器和這多個光源中的至少一個安裝在第一個晶片上，並為第一個晶片的第一個表面上的多個光源中的每一個和多個檢測器中的每一個提供電互連，提供一個光學組件，對於多個檢測器中的每一個和多個光源中的每一個，這個光學組件具有至少一個光學元件，在這個光學組件和第一個晶片之間提供一個垂直墊片，將這個光學墊片、這個光學組件和這第一個晶片互相附著起來，將第一個晶片分開成多個收發信機，每個收發信機都有至少一個光源和至少一個檢測器。
該光學組件的提供包括在第二個基片上為多個檢測器中的每一個和多個光源中的每一個形成至少一個光學元件，在分開之前將第二個基片與第一個基片附著起來，通過這一連接就能夠進行電互連。垂直墊片的提供可以包括在一個墊片晶片上為每一個收發信機形成垂直墊片，在分開之前將這個墊片晶片與第一個基片連接，這樣分隔開就能夠進行電互連。光學組件的提供可以包括在第二個基片上為多個檢測器中的每一個和多個光源中的每一個形成至少一個光學元件，在分隔開之前將第二個基片與墊片晶片和第一個基片連接起來，這樣分隔開就能夠進行電互連。這一連接可以包括將第二個基片直接與墊片晶片連接。提供多個光源和多個檢測器中的一個可以包括以單片集成方式集成到第一個基片上去。為多個檢測器中的每一個和多個光源中的每一個提供電互連可以包括為檢測器和光源的互連都採用同一個掩膜。
通過閱讀以下詳細說明，會更加了解本發明的這些目的和其它目的。但是應該明白，說明本發明的優選實施例的這些詳細說明和具體實例僅僅是對本發明進行說明，因為本領域中的技術人員可以從這些詳細描述得到屬於本發明的精神和範圍之內的各種改變和改進。
發明詳述在以下描述中，為了進行說明而不是進行限制，給出了具體細節，以便完整地理解本發明。但是，對於本領域中的技術人員而言，本發明顯然能夠用不同於這些具體細節的其它實施例來實現。在其它情形中，省去了已知的裝置和方法的詳細描述，以免混淆。
不利用單片集成技術，仍然可以通過在一個基片的同一個表面上提供光源陣列和檢測器陣列，為集成在其中的光源陣列和檢測器陣列提供具有光學元件的一個光學組件，來獲得集成技術的許多優點。
2000年10月18日提交，序列號是09/690763，標題是「包括並行陣列、功率監視和/或差分模式延時補償的光纖接口」未決的相關美國臨時專利申請，描述了同一個基片上的一個雷射器陣列和一個檢測器陣列。在這個先前的申請中，檢測器陣列被用於監視雷射器的功率，一部分輸出雷射束被導向檢測器。按照本發明的公開，一個光源陣列和一個檢測器陣列集成在同一個基片上，但是，如同本申請的
圖1和圖2所示，這些檢測器用於從遠處的一個位置接收信號，而不是用於監視這個光源陣列。當然，也可以提供監視檢測器的另一個陣列來監視光源的輸出。
在圖1中，光收發信機100包括一個光源陣列102，在這裡將它畫成一個垂直空腔側邊發射雷射器(VCSELr)陣列，還包括檢測器陣列104，它集成在一個矽晶片106上。矽互連線108為有源元件102，106提供電力，焊點110使得檢測器信號能夠被讀出。
光學組件120包括兩組集成光學元件，一組122用於光源陣列102，一組124用於檢測器陣列104。光源的集成光學元件122從光源陣列102接收光，將這些光導向需要的地方。檢測器的集成光學元件124從需要的地方接收光，並將光導向檢測器陣列104。這些光學元件可以是衍射光學元件、折射光學元件，也可以是它們的組合，可以用光刻技術在這個光學組件120上形成。
這個光源陣列和檢測器陣列的集成光學元件122、124可以包括在光學組件120的一個表面或者兩個表面上形成的光學元件。由於光源陣列和檢測器陣列的光學元件都是同時對齊的，因此減少了產生收發信機所需要的組裝和對準步驟。除此以外，集成起來以後這個收發信機更小，部件更少。根據基片採用的材料，可以將檢測器陣列或者是光源陣列以單片集成方式集成在其中。
收發信機100在有源元件和光學組件120之間還有一個墊片130。這個墊片可以是包圍光學組件的四周的一個集成墊片，如圖1所示。這個墊片可以是一個分開的元件，在光學組件內形成，或者在基片內形成。
在圖2中畫出了收發信機200粘合好以後的結構。不是在光學組件120的四周圍繞著一個墊片130，而是在光學組件的四個角落放置了分開的墊片元件230。還有，光源202的光學元件222在光學組件220上不同於檢測器204的光學元件224所在表面的另一個表面上。光源和檢測器的這些光學元件可能具有相同的結構。光源202和檢測器204又一次在同一個基片206上，它們中間的一個可以以單片集成方式集成在其中。用於為有源元件提供電力和從有源元件接收信號的矽線208和焊點208也在這個基片上。
圖3是本發明另一個實施例的收發信機300的一個俯視圖。在圖3中，不是讓有源元件102、104排列成平行陣列，而是讓這些有源元件排成一個直線陣列。在圖3所示的實例中，四個光源102和四個檢測器104排成一條直線。它們之間的空間能夠減小有源元件之間的串擾。對應的光學元件122、124也在一條直線上。採用這種結構就能夠用標準的1×12光纖陣列與這個收發信機連接。採用這種結構還能夠讓需要的所有互連都在基片106的同一側，從而讓光學組件120和基片106共用一個邊緣，這樣做能夠方便晶片一級的製造工藝。
同樣是在圖3中，除了包圍光學組件120的四周以外，墊片130在兩種電光元件102、104之間還有一個隔離部分132。這個隔離部分132可以鍍上一層金屬，以便進一步減少這些電光元件之間的串擾。這些電光元件越近，隔離就越重要。也可以在其它任何一個結構中提供隔離部分132。
在以上結構的任意一種結構中，這些元件可以採用晶片-晶片粘合技術連接起來，如同共同轉讓的第6096155號和第6104690號美國專利所說明的一樣，在這裡將它們全部引入作為參考。採用以上結構就能夠同時對準發射機部分和接收機部分的光學元件。在這裡採用的術語晶片指的是具有要分開才最後使用的一個以上的元件的任何一般結構。
如圖4所示的是分開之前將所有三個基片粘合在一起的晶片的一個特定實例。通過例如按照圖示方式在矽上面進行腐蝕，為每個收發信機在光學元件122、124之間以及在墊片130之間為每個收發信機形成墊片340，每一個收發信機都可以通過在適當的點將有光源102和檢測器304的基片106分開來實現。如圖4所示，以單片集成方式將檢測器304集成到基片106中去。在基片上形成的具有更高產量的有源元件最好是以單片集成方式集成的元件，因為以單片集成方式集成的元件不可能被替換掉。此外，在這個基片上以單片方式集成的元件和其它有源元件的電連接所需要的金屬化與形成單片集成元件一樣都是用同一個掩膜做成的。這樣就能夠保證精確對準，因為要安裝的有源元件可以利用它的金屬化來對準，例如利用焊料自對準。然後可以在安裝之前對將要安裝在基片上的有源元件進行測試。安裝好以後，可以在粘合晶片之前對它們進行再一次測試，如果需要就進行更換。
在這裡所用的粘合可以是任何一種類型的附著，包括利用粘合材料、表面張力或者直接在同一個基片上形成。同樣在這裡分開可以包括製作單個元件所採用的所有手段，例如切割開。除此以外，製作具有電光元件的模塊的時候分開晶片的實例還可以在與本申請同時提交的，案號為DOC.072P，標題是「電光集成模塊的分開方法以及用這種方法形成的結構」的共同轉讓的共同未決申請中找到，在這裡將它的內容全部引入作為參考。
有源元件輸入口和輸出口的對準特別重要，特別是光纖的輸入口和輸出口更是如此。圖5給出了確保收發信機和光纖之間能夠正確對準的一種結構。如圖5所示，將多根光纖410插入一個套內412。本發明中的要與光纖410進行通信的有源元件，在這裡是圖3所示的直線結構，最好是做在一個矽臺上或安裝臺416上，對應於圖3所示的公共基片106。在這個時候，這個矽臺416最好是在基片418上。光學組件420在安裝臺416的每個光電裝置和對應的光纖410之間至少提供一個光學元件。最好用一個墊片415將光學組件420與光電器件隔開。這些光學元件最好包括將光對準、聚焦、均勻化或其他連接光的元件。由於光學組件有兩個表面，所以在它上面可以有兩個光學元件。除此以外，如果需要還可以在光學組件420上粘合更多的光學組件，並且與光學組件420隔開，以獲得更多的表面，就象針對前面的收發信機結構中的任何一個所做的那樣。
機械接口422將已經與電光裝置對準的光學組件420與光纖410對準。這可以通過在機械接口422和安裝光纖410的套412上提供對準裝置來實現。在圖示實例中，這些對準裝置包括套412上的孔，為了將套與其它裝置對準，已經有了這些孔，還包括機械接口422上的對準孔426。一旦這些對準孔424、426被對準，就可以將圖中沒有畫出的一根對準針插入其中，保持對準的位置。這些接口的其它細節可以在例如共同轉讓的共同未決美國專利申請09/418022「光學組件」中找到，在這裡將它全部引入作為參考。
雖然描述本發明的時候參考了特定應用的說明性實施例，但是應該明白本分明並不限於這些實施例。本領域中的技術人員能夠根據這裡教導的技術找到其它的改進、應用和實施例，還能夠找到可以利用本發明的其它領域，但它們屬於本發明的範圍。因此，本發明的範圍應該由後面的權利要求和它們的法律效率給出，而不是由已經給出的實例給出。
權利要求
1.一種光收發信機，包括在一個基片的第一個表面上的至少一個光源；在所述基片的第一個表面上的至少一個檢測器，所述至少一個光源和至少一個檢測器中的至少一個安裝在所述基片上，所述至少一個檢測器用來從這至少一個光源以外接收光；和在其上具有光學元件的一個光學組件，所述至少一個光源和至少一個檢測器都有所述光學元件，該光學組件附著在所述基片上。
2.如權利要求1所述的光收發信機，其中至少一個光源和至少一個檢測器是用不同材料製作的。
3.如權利要求1所述的光收發信機，其中至少一個光源和至少一個檢測器中的一個是以單片集成方式集成在基片上的。
4.如權利要求1所述的光收發信機，其中的至少一個光源是一個光源陣列，至少一個檢測器是一個檢測器陣列。
5.如權利要求1所述的光收發信機，還包括基片和光學組件之間的一個墊片。
6.權利要求5的光收發信機，其中所述的墊片完全包圍光學組件的四周。
7.如權利要求5所述的光收發信機，其中所述的墊片包括在光學組件四周互相分開的多個墊片。
8.如權利要求1所述的光收發信機，其中用於至少一個光源和至少一個檢測器的光學元件具有相同的設計。
9.如權利要求1所述的光收發信機，其中用於至少一個光源的光學元件是在光學組件上形成所述至少一個檢測器的光學元件的一個相對面上形成的。
10.如權利要求1所述的光收發信機，其中所述的至少一個光源是一個垂直空腔表面發射雷射器。
11.如權利要求1所述的光收發信機，還包括在基片第一表面上的至少一個光源和至少一個檢測器的互連裝置。
12.如權利要求11所述的光收發信機，其中所述的互連裝置在所述至少一個光源和至少一個檢測器的基底的第一表面的同一側上。
13.如權利要求11所述的光收發信機，其中所述互連裝置在所述至少一個光源和至少如一個檢測器的基片的第一表面的相對側面上。
14.如權利要求4所述的光收發信機，其中所述的光源陣列和檢測器陣列是平行的。
15.如權利要求4所述的光收發信機，其中所述的光源陣列和檢測器陣列形成一條直線。
16.一種形成光收發信機的方法，包括在第一個晶片的第一表面上形成多個檢測器；在第一個晶片的第一表面上提供多個光源，多個檢測器和多個光源中的至少一個安裝在第一個晶片上；在第一個晶片的第一個表面上為多個檢測器中的每一個和多個光源的每一個提供電互連；給多個檢測器中的每一個和多個光源中的每一個提供具有至少一個光學元件的一個光學組件；在光學組件和第一個晶片之間提供一個垂直墊片；將垂直墊片、光學組件和第一個晶片互相附著在一起；和將第一個晶片分成多個收發信機，每個收發信機具有至少一個光源和至少一個檢測器。
17.如權利要求16所述的方法，其中所述光學組件的提供包括在第二個晶片上為多個檢測器中的每一個和多個光源中的每一個形成至少一個光學元件，在進行所述分開步驟之前將第二個晶片附著在第一個晶片上，進行所述分開以後就能夠進行所述電互連。
18.如權利要求16所述的方法，其中所述垂直墊片的提供包括在一個墊片晶片上為每個收發信機形成垂直墊片，並在進行所述分開步驟之前將所述墊片晶片附著在第一個晶片上，進行了這一分開步驟以後就能夠進行所述電互連。
19.如權利要求18所述的方法，其中所述光學組件的提供包括在第二個晶片上為多個檢測器中的每一個和多個光源中的每一個形成至少一個光學元件，在進行所述分開步驟之前將第二個晶片附著在墊片晶片和第一個晶片上，分開了以後就能夠進行所述電互連。
20.如權利要求19所述的方法，其中所述附著包括將第二個晶片直接附著在墊片晶片上。
21.如權利要求16所述的方法，其中所述多個光源和所述多個檢測器中一個的提供包括以單片集成方式集成在第一個晶片上。
22.如權利要求16所述的方法，其中為多個檢測器中的每一個和多個光源中的每一個提供電互連包括給檢測器和光源的互連都採用同一個掩膜。
全文摘要
一種安裝在同一個基片的同一表面上包括至少一個光源和至少一個檢測器的光收發信機。這個光源和檢測器中的至少一個安裝在這個表面上。每個光源和檢測器都有光學元件的一個光學組件通過一個垂直墊片與這個基片附著。光源和檢測器的電互連能夠夠著上面附著了光學組件的基片的同一個表面。光源和檢測器中的一個可以以單片集成方式集成在這個基片上。
文檔編號H01L31/12GK1419659SQ01806175
公開日2003年5月21日 申請日期2001年3月6日 優先權日2000年3月6日
發明者麥可·R·費爾德曼, 小詹姆斯·E·莫裡斯 申請人:數字光學公司