用于制造硅光子封装的方法、用于光耦合的动态对准法和硅
光子封装
技术领域
[0001] 本
发明总体上涉及使用硅光子技术的光学通信，更具体地涉及用于硅光子的微光学模
块、用于制造硅光子封装的方法、用于光耦合的动态对准法，以及硅光子封装。
背景技术
[0002] 在过去的十年中，高速
信号传输已经远远超出了
铜缆线的能
力。标准的铜基以太网组网因无法满足需要而逐渐被光纤通信系统取代。现今的
数据中心需要满足大量的活动，例如网络搜索、科学计算、社交网络、文件存储和分布式文件系统，从而引起数据传输的空前增长。唯100Gbps
数据速率的通信系统显示出其卓越的重要性，但即使在光纤网络中，这一数据传输速率都是一个挑战。
[0003] 由于硅光子在高
密度集成、成熟化制造工艺和与微
电子相兼容方面上的优势，其在光通信领域引起了人们的关注。近年来，它已经逐渐成为一种能提供高密度和高速数据传输的极有前景的技术。
[0004] 基于高度复杂的硅
半导体技术，硅光子将提供低成本的集成电子光子平台，其中融合了超紧凑型光子器件和电子
电路。同时集成电子集成器件的低成本高容量的集成光学元件块(PIC)将拥有高速信号传递和传感的全部潜能，以及随后的逻辑处理和运算能力。
[0005] PIC可以包括许多依比例缩小的光学元件，例如
波导、多模干涉器、
激光器和光学环形
谐振器。波导通常是用于引导光并互连光学芯片上的不同元件的最基本结构。它还通过发送或接收
光信号来确保与外界的通信。当然，在构建和集成这些硅光功能方面，应该保证足够低的传播损耗。
[0006] 硅光子封装能为硅光子系统提供
基板、
支撑和保护，并且提供用于数据传输的通道，故成为了可靠通信的保证。在该领域已经进行了大量研究。用于电信和数据通信应用的光纤到PIC的耦合是光子封装最重要的方面。许多研究工作都集中在为了提高光耦合效率的方向上。
[0007] 在传输系统中，通过来自PIC的光和光纤之间的(或者说在引导光的波导和光纤之间的)的良好对准来确保良好的光学耦合效率。为了允许相对大的组装容差并降低光纤组装的难度，通常在PIC和光纤之间插入光学系统。由于来自PIC的光不可避免地具有
辐射角，通常在系统中使用
准直透镜以使光准直并且使其易于以更高的耦合效率进入到光纤中。在微型且紧凑的PIC系统中，通过精确对准将
准直透镜与PIC组装在一起是一个挑战。
[0008] 因此，需要提供一种改进的用于硅光子封装的制造和对准方法。而动态对准法通常用于该组装过程。这里的动态对准意思是借助一些可指示是否需要为了对准而作出调整的反馈而使组件对准。
发明内容
[0009] 按照本发明的一方面，提供了一种制造硅光子封装的方法，所述方法包括：
[0010] 形成
光学透镜组件，形成所述光学透镜组件的步骤包括：
[0011] 提供长方体；
[0012] 形成贯通长方体的相对的第一表面和第二表面的通孔；
[0013] 从所述长方体中切出矩形块以形成具有L形内部部分的L形安装块，所述L形内部部分包括位于从所述第一表面垂直地延伸并且纵向地将所述通孔的一部分一分为二的平面中的两个第一内表面、形成在所述两个第一内表面之间的被一分为二的通孔、以及垂直于所述两个第一内表面的第二内表面；
[0014] 在所述第一表面上固定第一金属垫，所述第一金属垫具有两个端部，所述两个端部延伸至所述第一表面的两个边缘并分别被设置在所述被一分为二的通孔的两个相对侧；
[0015] 提供光学透镜块，其具有形成在其中间区域的光学透镜或光学透镜阵列；以及[0016] 将所述光学透镜块粘合在所述第二表面上的某个
位置，使得所述光学透镜的中心或所述光学透镜阵列中的每个光学透镜的中心位于所述两个第一内表面所在的所述平面中。
[0017] 在一
实施例中，所述的制造硅光子封装的方法，还可以包括：提供集成光学元件块，所述集成光学元件块具有边缘，所述集成光学元件块的第一壁和第二壁沿着所述边缘连接，所述集成光学元件块还具有被设置在所述集成光学元件块的所述第一壁上并从所述边缘垂直延伸的波导或波导阵列；以及将所述集成光学元件块的所述第一壁上的两个第二金属垫分别附接到所述光学波导或所述波导阵列的两个相对侧，金属垫的厚度在几百纳米量级内。
[0018] 在一实施例中，所述的制造硅光子封装的方法，还可以包括：
[0019] 将所述光学透镜组件安装在所述集成光学元件块的所述边缘的某个位置，使得所述光学透镜组件的所述两个第一内表面分别停留在所述集成光学元件块的所述第一壁上的所述两个第二金属垫上，从而使所述光学透镜的所述中心与所述光学波导或使所述光学透镜阵列中的所述光学透镜的所述中心与所述波导阵列在垂直于所述集成光学元件块的所述第一壁的Z方向上自动地对准，并且使所述光学透镜组件的所述第二内表面悬挂在所述边缘上并且在离所述集成光学元件块的所述第二壁的一定距离处面向所述集成光学元件块的所述第二壁；
[0020] 通过在沿着所述集成光学元件块的所述边缘并且与所述Z方向
正交的Y方向上调整所述光学透镜组件，使所述光学透镜的所述中心与所述光学波导或使所述光学透镜阵列中的所述光学透镜的所述中心与所述波导阵列动态地对准；以及
[0021] 通过在沿着所述光学波导并且与所述Y方向和所述Z方向正交的X方向上调整所述光学透镜组件，使所述光学透镜与所述光学波导或使所述光学透镜阵列中的所述光学透镜与所述波导阵列动态地光学对准以优化光学耦合。
[0022] 在一实施例中，所述的制造硅光子封装的方法，还可以包括：在所述对准步骤之后，通过将所述第一金属垫的所述两个端部中的一个和所述两个金属垫中的对应的一个
焊接到一起并且将所述第一金属垫的所述两个端部中的另一个和所述两个金属垫中的对应的另一个焊接到一起，将所述光学透镜组件固定在所述集成光学元件块上。
[0023] 按照本发明的另一方面，提供了一种用于硅光子封装的光学透镜组件的批量制造的方法，所述方法包括：
[0024] 提供具有相对的第一表面和第二表面的第一
硅片；
[0025] 在所述第一表面上以预定间隔以
晶圆级制作方法放置多个金属垫；金属垫至少一个端部沿晶圆平边方向。
[0026] 在晶片级实施的图形对准之后，通过第一次深反应离子蚀刻工艺在晶片上以相应的预定间隔形成贯通所述第一表面和所述第二表面的多个通孔，使得每个金属垫沿晶圆平边方向的两个端部分布在通孔两边，且在通孔同一直径的延长线上。
[0027] 在晶片级实施的图形对准之后，通过第二次深反应离子蚀刻工艺以所述预定间隔从所述第一表面垂直延伸去除多个矩形块，形成多个L形安装块的L形内部部分，所述L形内部部分包括位于从所述第一表面垂直地延伸并且纵向地将所述通孔的所述部分一分为二的所述平面中的两个第一内表面、形成在所述两个第一内表面之间的被一分为二的通孔、以及垂直于所述两个第一内表面的第二内表面；两个第一内表面与第一表面的相交的边缘与金属垫分布在通孔两边的端部方向平行，距离在微米量级内。
[0028] 提供第二硅片，所述第二硅片限定出光学透镜块，所述光学透镜块具有以所述预定间隔形成在其中间区域中的多个光学透镜或透镜阵列；
[0029] 将所述第二硅片利用晶圆键合粘合在所述第一硅片的所述第二表面上，使得每个光学透镜的中心位于所述两个第一内表面所在的所述平面中；以及
[0030] 以所述预定间隔将被粘合的所述第一硅片和所述第二硅片切块，以形成多个L型光学透镜组件。
[0031] 在一实施例中，所述的用于硅光子封装的光学透镜组件的批量制造的方法，可以包括采用以所述预定间隔的倍数的更宽的间隔来切割所述被粘合的所述第一硅片和所述第二硅片切块步骤来代替所述切块步骤，以形成包含多个光学透镜的光学透镜组件阵列。
[0032] 按照本发明的又一方面，提供了一种硅光子封装，包括：
[0033] 光学透镜组件，其包括：
[0034] 长方体，其具有延伸贯通所述长方体的相对的第一表面和第二表面的通孔，以及从所述长方体切出矩形块以形成的L形安装块，所述L形安装块具有L形内部部分，该L形内部部分包括位于从所述第一表面垂直地延伸并纵向地将所述通孔的一部分一分为二的的平面中的两个第一内表面、形成在所述两个内表面之间的被一分为二的通孔，以及垂直于所述两个内表面的第二内表面；以及
[0035] 光学透镜块，其具有形成在其中间区域中的光学透镜或光学透镜阵列，所述光学透镜块被粘合在所述第二表面上的某个位置，使得所述光学透镜的中心或所述光学透镜阵列中的每个光学透镜的中心位于所述两个第一内表面所在的所述平面中。
[0036] 在一实施例中，所述的硅光子封装，还可以包括：集成光学元件块，所述集成光学元件块具有边缘，所述集成光学元件块的第一壁和第二壁沿着所述边缘连接，所述集成光学元件块还具有被设置在所述集成光学元件块的所述第一壁上并从所述边缘垂直地延伸的光学波导或波导阵列；以及两个第二金属垫，所述两个第二金属垫分别被固定在所述集成光学元件块的所述第一壁上且位于所述光学波导或所述波导阵列的两个相对侧；其中所述光学透镜组件通过涂在所述第一金属垫的所述两个端部与所述两个第二金属垫之间的
焊料被固定在所述集成光学元件块的所述边缘的某个位置，使得所述光学透镜组件的所述两个第一内表面分别停留在所述集成光学元件块的所述第一壁上的所述两个第二金属垫上，所述光学透镜组件的所述第二内表面面向所述集成光学元件块的所述第二壁，并且所述光学透镜与所述光学波导光学地对准。
[0037] 在一实施例中，所述两个第二金属垫从所述集成光学元件块的所述边缘垂直地延伸并且具有长于所述光学透镜组件的所述两个第一内表面的长度的长度。
[0038] 在一实施例中，所述两个第二金属垫具有0.1μm的厚度。
[0039] 在一实施例中，所述通孔的形状为圆形、椭圆形或矩形。
[0040] 在一实施例中，所述光学透镜是准直透镜。
[0041] 虽然对本发明的某些实施例进行了展示和描述，但显而易见的是，本领域技术人员在阅读和理解了
说明书之后能够想到一些等同特征和
修改。本
申请所公开内容包括所有此类等同特征和修改，并且仅受
权利要求的限制。
附图说明
[0042] 现在将参考附图通过示例来描述本发明的特定实施例。其中：
[0043] 图1(a)是根据本发明的实施例的光学透镜组件被安装在集成光学元件块上的立体图。
[0044] 图1(b)示出了图1(a)中的被安装在集成光学元件块上的光学透镜组件的部件分解图。
[0045] 图2(a)是根据本发明的实施例的L形安装块的顶视图。
[0046] 图2(b)是图2(a)中的L形安装块的底视图。
[0047] 图2(c)是图2(a)中的L形安装块的截面图。
[0048] 图3是光学透镜组件被安装在集成光学元件块上的截面图。
[0049] 图4示出了光学透镜组件与设置在集成光学元件块上的波导的动态式对准。
[0050] 图5(a)是示出根据本发明的实施例的通过焊接将光学透镜组件固定在集成光学元件块上的立体图。
[0051] 图5(b)是示出通过焊接将光学透镜组件固定在集成光学元件块上的截面图。
[0052] 图6(a)是根据本发明的另一实施例的光学透镜组件被安装在集成光学元件块上的立体图。
[0053] 图6(b)示出了图6(a)中的被安装在集成光学元件块上的光学透镜组件的部件分解图。
[0054] 图7(1)至7(7b)示出了根据本发明的实施例的制造光学透镜组件的过程。
[0055] 图8(1)至8(7b)示出了根据本发明的实施例的批量制造光学透镜组件的过程。
[0056] 图9(a)至9(c)示出了根据本发明的另一实施例的批量制造光学透镜组件的过程。
具体实施方式
[0057] 现在将详细参考本发明的优选实施例，在以下描述中也提供了其示例。以下对本发明的示例性实施例进行了详细描述，但对于相关领域技术人员而言显而易见的是，为了清楚起见，其中未示出对于理解本发明来说并非特别重要的一些特征。
[0058] 此外，应当理解，本发明不限于下述确切实施例，并且本领域技术人员在不背离保护范围的情况下可以对其进行各种改变和修改。例如，在本发明和所附权利要求的范围内，不同的说明性实施例的元件和/或特征可彼此组合和/或彼此替换。
[0059] 出于说明的目的，下文中出现的涉及本发明的诸如“垂直”、“
水平”、“前”、“后”、“顶部”或“底部”的术语就是指其在附图中的方位。应当理解的是，除非有明确规定，否则本发明可以采用各种方位。
[0060] 图1(a)和1(b)示出了根据本发明的实施例的硅光子封装，其中光学透镜组件10被安装在集成光学元件(PIC)块12上。光学波导14可形成于PIC块12的顶部。波导14可以是厚度为几百纳米的条带形，并且可以从PIC块12的边缘垂直地延伸用于向光纤传输信号。可将波导对准光纤用于PIC块到光纤的耦合，光纤可具有约8μm的直径。在所示实施例中，可在波导14的两侧安装两个厚度约为0.1μm的水平金属垫16。光学透镜组10可包括L形安装块18和光学透镜块20。可在光学透镜块20的中间区域形成光学透镜22。光学透镜22可以是准直透镜，或任何其他合适的透镜。
[0061] 图2(a)、2(b)和2(c)示出了根据本发明的实施例的L形安装块18的细节。L形安装块18可由长方体制成，该长方体具有延伸贯通长方体的相对的第一/前表面32和第二/后表面34的通孔30以及从长方体切出的矩形块。
[0062] L形安装块18可包括L形内部部分，该内部部分具有位于从前表面32垂直地延伸并纵向地将通孔30的一部分一分为二的平面38中的两个第一/水平内表面36、形成在两个水平内表面36之间的被一分为二的通孔40，以及垂直于两个水平内表面36的第二/垂直内表面42。如本文中所用的，“一分为二”一词的意思是“切成两部分，这两部分并不一定是两个完全相等的部分”。在所示的实施例中，通孔30的形状为圆形，被一分为二的通孔40的形状为半圆形。L形安装块18可包括具有顶表面31和后表面34的L形外部部分。光学透镜块20可被粘合在后表面34上的某个位置，使得光学透镜22的中心位于两个水平内表面36所在的平面38中。
[0063] L形安装块18还可包括被固定在前表面32上的垂直金属垫46。垂直金属垫46可以具有两个端部，该两个端部延伸至前表面32的两个边缘并分别被设置在被一分为二的通孔40两个相对侧。
[0064] 图3是被安装在PIC块12上的光学透镜组件10的截面图。PIC块12可具有边缘，PIC块的第一/顶壁121和第二/
侧壁122沿着该边缘连接。光学波导14可形成于PIC块12的顶壁121上并且可从该边缘垂直地延伸。
[0065] 如图4所示，两个水平金属垫16可从PIC块12的边缘垂直地延伸，并且两个水平金属垫16的长度可长于L形安装块18的两个水平内表面36的长度。与光学波导14的高度相比，两个水平金属垫16的厚度较小。
[0066] 光学透镜组件10可以被放置在某个位置，使得光学透镜组件10的两个水平内表面36分别停留在PIC块的顶壁121上的两个水平金属垫16上。光学透镜组件10的垂直内表面42可面向PIC块的侧壁122。光学透镜22可沿光路OP与光学波导14光学地对准。
[0067] 图4还示出了根据本发明的实施例的光学透镜组件10与设置在PIC块12上的波导14的动态式对准。首先，光学透镜组件10可被放置在PIC块12的边缘的某个位置，使得光学透镜组件的两个水平内表面36分别停留在PIC块12的顶壁121上的两个水平金属垫16上，从而使得光学透镜22的中心在垂直于PIC块12的顶壁121的Z方向上与光学波导14自动地对准，并且使得光学透镜组件10的垂直内表面42悬挂在所述边缘上并且在间隔一定距离处面向PIC块12的侧壁122，如图3所示。两个水平内表面36可具有足以允许光学透镜组件10被牢固地安装在PIC块12上的长度和
接触面积。
[0068] 然后，通过在沿着PIC块12的边缘且与Z方向正交的Y方向上调整光学透镜组件10，可使光学透镜22的中心与光学波导14动态式地对准。
[0069] 最后，通过在沿光学波导14且与Y方向和Z方向正交的X方向上调整光学透镜组件10，可使光学透镜22和光学波导14光学地动态式地对准以优化光学耦合。在所示实施例中，光学透镜22是准直透镜。一旦通过动态对准将其放置在距波导的发光点的焦距处，从波导
14发射的光可被完美地准直。
[0070] 组装过程和动态的对准方法可以提供具有高
精度的三维对准。光学透镜和来自PIC的光之间的精确对准可以为光纤对准提供大的余量，因此，使得光纤放置的容差变宽松。
[0071] 图5(a)和5(b)示出了根据本发明的实施例的通过焊接将光学透镜组件10固定在PIC块12上。在将光学透镜22对准在最佳位置之后，可将光学透镜组件10固定在PIC块12上。在该位置处，两个水平金属垫16在一定距离处延伸超出垂直金属垫46以形成两个可以涂焊料的拐角。通过在两个拐角处涂焊料48，可将垂直金属垫46的两个端部中的一个和两个水平金属垫16中的相应的一个焊接在一起。类似地，可将垂直金属垫46的两个端部中的另一个和两个水平金属垫16中的相应的另一个焊接在一起。垂直金属垫46的两个端部和两个水平金属垫16可具有足以在焊接过程中将焊料浸润的区域。
[0072] 图6(a)和6(b)示出了本发明的另一实施例。透镜阵列22’代替在透镜块20处的单个透镜22。可将透镜阵列22’置于形成在L形安装块的后端的通孔30’的一端。通孔30’的形状可以是椭圆形的或矩形的。可在L形安装块的前端形成一分为二的通孔40’。通过图4中描述的动态对准法可使透镜阵列22’中的透镜的中心与PIC块上的光学波导阵列14’对准。这种实施例尤其适用于波导阵列的间距非常小的情形。
[0073] 图7(1)至7(7b)示出了根据本发明的实施例的制造光学透镜组件10的过程。如图7(1)所示，可提供具有六个彼此成直角的矩形面的实心体形的长方体50。可在长方体50上形成贯通于其的任何可能形状的通孔。
[0074] 如图7(2a)和7(2b)所示，可形成贯通长方体50的相对的第一表面和第二表面的圆形通孔30。
[0075] 从长方体切出矩形块以形成L形安装块18，如图7(3a)和7(3b)所示。L形安装块18可形成有L形内部部分，该内部部分可包括位于从第一表面垂直地延伸并且纵向地将通孔30的一部分一分为二的平面中的两个第一内表面36、形成在两个第一内表面36之间的被一分为二的通孔40，以及垂直于两个第一内表面36的第二内表面42。可在第一表面上安装第一金属垫46。第一金属垫46可以具有两个端部，该两个端部延伸到第一表面的两个边缘并分别被设置在被一分为二的通孔40的两个相对侧，如图7(4a)和7(4b)所示。
[0076] 如图7(5a)和7(5b)所示，可提供光学透镜块20，其具有形成在其中间区域中的光学透镜22。光学透镜块20可具有与L形安装块18的第二表面的尺寸相匹配的尺寸。
[0077] 光学透镜块20可被粘合在L形安装块18的第二表面上的某个位置，使得光学透镜22的中心位于两个第一内表面36所在的平面38中，如在图7(6a)和7(6b)中所示。
[0078] 在将光学透镜块20粘合在L形安装块18的第二表面上时需确保光学透镜22能够被准确地调整到通孔30中并且便于光学透镜22的中心与光学波导14的精确对准。如此便可在光学透镜块20和L形安装块18之间形成紧密接触。L形安装块18和光学透镜块20一起形成光学透镜组件10。
[0079] 光学透镜22也可被配置为安装在透镜块20上的光学透镜阵列22’。配置透镜阵列22’的光学透镜块可被装配到通孔30’的一端，并且透镜阵列22’中的所有光学透镜的中心位于两个第一内表面36所在的平面38中，如图7(7a)和7(7b)所示。这样便于透镜阵列22’中的光学透镜的中心与波导阵列14’的精确对准。
[0080] 图8(1)至8(7b)示出了根据本发明的实施例的批量制造光学透镜组件的过程。可采用半导体批量制造技术来制造光学透镜组件，该技术具有容量大成本低和效率高的优点。可由一个硅片制成大量的L形安装块，并且可由另一硅片制成大量的光学透镜块。以下参考截面图对批量
制造过程进行了描述。
[0081] 可提供具有相对的第一圆面和第二圆面并具有一定厚度的第一圆形硅片60，如图8(1)所示。
[0082] 可在晶片上方的第一表面上以预定的间隔附接多个金属垫46，如图8(2)所示。
[0083] 可形成多个通孔30。在采用具有1μm精度的对准机器将晶片对准之后，通过第一次深反应离子蚀刻工艺，通孔30可以以相应的预定间隔延伸贯通第一表面和第二表面到达金属垫，其位置使得每个金属垫46沿晶圆平边方向的两个端部分布在通孔两边，且在通孔同一直径的延长线上，此位置也即为之后将形成的到从第一表面垂直地延伸并纵向地将相应的通孔30的一部分一分为二的平面与第一表面相交处，如图8(3)所示。
[0084] 在采用具有1μm精度的对准机器将晶片对准之后，通过第二次深反应离子蚀刻工艺，以相应的预定间隔从晶片上方的第一表面去除多个矩形块，以形成多个预切割的L形安装块18，如图8(4)所示，每个预切割的L形安装块18都具有L形内部部分，该L形内部部分包括位于从第一表面垂直地延伸并纵向地将通孔30的一部分一分为二的平面中的两个第一内表面36、形成在两个第一内表面36之间的被一分为二的通孔40，以及垂直于两个第一内表面36的第二内表面42。
[0085] 可提供第二圆形晶片62。第二晶片62可用作具有以相应的预定间隔形成的多个光学透镜22的光学透镜块，如图8(5)所示。
[0086] 可将第二晶片62粘合在第一硅片60的第二表面上的某个位置，使得每个光学透镜22可以被装配到相应的通孔30的一端并且其中心位于两个第一内表面36所在的平面38中，如图8(6)所示。
[0087] 可以以预定间隔将粘合的第一晶片60和第二晶片62切块以形成多个单光学透镜组件10，如图8(7a)和8(7b)所示。
[0088] 图9(a)至9(c)示出了根据本发明的另一实施例的批量制造光学透镜组件的过程。批量制造方法还具有制造光学透镜组件阵列的优点。批量制造过程并非以预定间隔将粘合的第一晶片60和第二晶片62切块以形成多个单光学透镜组件10，而是可包括以预定间隔的倍数的更宽的间隔将粘合的第一晶片60和第二晶片62切割的步骤以形成多个多光学透镜组件。
[0089] 如图9(a)和9(b)所示，可形成包含四个光学透镜组件10’的阵列。该包含四个光学透镜组件10’的阵列可被安装在具有四个光学波导14的PIC模块12上，如图9(c)所示，其安装方式与前述单光学透镜组件10的安装方式类似。
[0090] 尽管已特别参考本发明的多个优选实施例对本发明进行了展示和描述，但是应当注意的是，在不脱离所附权利要求的范围的情况下，可以对本发明进行各种其他改变或修改。
