CN101014889A - 具有光电器件对准的光学组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光学组件。至少一个光波导被支撑在衬底上并且具有形成在其柔性元件中的多个栓孔。诸如垂直腔面发射激光器这样的光电器件具有多个凸起，这些凸起与相应的栓孔对齐，以按照相对于所述光波导的预定对准方式来定位所述光电器件。

Description

具有光电器件对准的光学组件
关于联邦资助研发的发明权利的声明
根据DARPA Contract MDA972-03-004，美国可能拥有这里公开的某些发明的权利。
背景技术
大型计算机***和网络交换机中的芯片间互连的带宽要求继续快速增长。当前的电互连方案由于大型大量平行电缆束的物理限制、连接器尺寸和/或功率和速度考虑所造成的电带宽的限制而经历瓶颈。这已经引起了适于长距离电信链路的光纤互连的使用的增加。光纤互连还可以方便地用于连接计算机机架或托架。
随着中央处理单元(CPU)的时钟速度继续增长以及集成电路继续变得更加小型化，光学连接可被使用在电路板组件上以适应增长的带宽要求。除电路导电线(conductive circuit trace)之外，光波导已经被使用在电路板组件上以代替分立式光纤。可以使用成批生产法将聚合材料应用和成形，以形成期望的光波导。因此光波导阵列可被形成在电路板组件上以扩充传统的导电通道。导电通道与其他电器件之间的电连接通常用焊接或可移动式连接器制成，所述焊接或可移动式连接器不需要高度的机械对准来正常工作。然而，诸如垂直腔面发射激光器(VCSEL)这样的光电器件需要与光波导或诸如雪崩光电二极管(APD)这样的另一个光电器件精确对准，以保证具有最小光学损耗的信号传输的完整性。例如，光电器件取决于具体的光学设计和实现通常需要几微米左右的对准精度。这是比电互连所需对准精度高得多的对准精度。因此，需要一种光学组件，其可以同时实现电互连和光互连，并且光互连是以高精度实现的。
在同时提供电互连和光互连的光学组件中需要解决对准保持问题，该问题是由组件中的不同材料具有不同热膨胀系数这一事实引起的。因此在生产和操作温度的整个范围上难于将光电器件的对准保持在几微米之内。例如，如果光学组件的设计需要生产期间的高温，并且此后冷却至环境温度，则光电器件相对于其波导器可能变得对不准。因此光学链路在后续操作期间可能不能实现信号传输完整性。此外，当计算机或交换机柜中的温度在正常操作期间随着时间循环时，光电器件也可能变得对不准并且因此无法正确执行其预期功能。
可同时实现电互连和光互连的光学组件必须设计使得任何诸如透镜这样的敏感组件在操作期间不被擦伤。此外，其应该能够适应光电器件的阵列。
发明内容
根据本发明，光学组件包括衬底和该衬底上支撑的至少一个光波导。所述光波导具有柔性元件，在该柔性元件中形成有多个栓孔(keyapeture)。所述光学组件还包括具有多个凸起(projection)的光电器件，所述多个凸起与相应的栓孔对齐，以按照相对于所述光波导的预定对准方式来定位所述光电器件。
根据本发明，光学组件包括具有至少一个第一导电通道的第一衬底。至少一个光波导被支撑在所述第一衬底上并且具有形成在其中的多个栓孔。所述光学组件还包括具有多个凸起的光电器件，所述多个凸起与相应的栓孔对齐，以按照相对于所述光波导的预定对准方式来定位所述光电器件。第二衬底支撑所述光电器件并且具有至少一个第二导电通道。所述第一和第二导电通道之间的多个电连接以相对于所述光波导的预定对准方式来保持光电器件。
附图说明
图1是本发明的光学组件的一个实施例的概略垂直横截面。
图2是图1的放大的一部分，其图示了图1的光学组件的光电器件中的透镜和光波导中的反射镜。
图3是本发明的光学组件的替代实施例的概略垂直横截面，其不使用图1和2的实施例的第二衬底。
图4是包括光电器件的阵列的本发明的另一个实施例的俯视图。
具体实施方式
参照图1，根据本发明的一个实施例，光学组件10包括下衬底12，下衬底12具有形成于其上方的导电通道14和16。光波导18也被形成在第一衬底12的上方。光波导18由光传导聚合材料制成，该光传导聚合材料具有被选择用来对在由外包层18b围绕的内核18a中传输的光提供充分的全内反射的折射率。光波导18具有形成在其中的多个栓孔20和22。光学组件10还包括光电器件24，光电器件24具有多个凸起26和28，凸起26和28分别与相应的栓孔20和22对齐，以按照相对于光波导18的预定对准方式来定位光电器件24。
上衬底30支撑光电器件24并且具有形成在其下方的导电通道32和34。导电通道14和16被电连接到导电通道32和34，以按照相对于光波导18的预定对准方式来保持光电器件24。这里所使用的术语“导电通道”不仅包括导电线，除此之外包括使得能够在下衬底12与上衬底30之间制造电连接的导电盘、焊盘、引脚和其他合适的电传导结构。
根据图1的实施例，配合焊球接点36和38被用来永久地保持光电器件24，使得光波导18的有角度转向(angled turning)或反射镜40(图2)和光电器件24的透镜42被精确配合至几微米公差。这在按照相对于光波导18的预定对准方式保持光电器件24(图1)时保证了信号传输的完整性并使光损耗最小化。在图2中，镜40与透镜42之间从透镜42引至镜40的会聚线图示了关于这些光学元件的光通道。
光波导18(图1)与导电通道14和16是利用已知的成批生产方法来形成的。栓孔20和22可以通过筛网(screening)方法或合适的激光挖掘方法来形成，并且可能是部分延伸通过光波导18的凹陷，或是完全延伸通过波导18的洞。下衬底12可以是在生产印刷电路板时使用的传统的覆铜玻璃纤维层压板，或是诸如硅、陶瓷或聚酰亚胺这样的任何其他合适衬底。上衬底30可以是硅、陶瓷或聚酰亚胺块，集成电路或者机械结构。凸起26和28优选为锥形并且具有比栓孔20和22的最大直径更大的最大外径，以在它们配合时实现自动定心效果，从而实现所期望的精确对准。虽然在图示的实施例中，凸起26和28是圆柱并且栓孔20和22具有圆柱构造，但是各种合适构造可被使用，例如锥形凸起和圆柱形栓孔。
光学组件10(图1)简化了达到几微米内公差所需的初始对准过程。在高温制造和后续冷却期间，以及在正常操作期间遇到的温度改变期间，精确对准被保持，而完全不管光学组件10中的各种材料的不同的热膨胀。
栓孔20和22(图1)和凸起26和28与波导18和光电器件24同时在相同的成批过程中制造。通过将专用功能元件集成在这些器件上，无需处理额外的部件。另外，因为可以在与栓孔20和22相同的过程中制造由凸起26和28提供的机械闭锁，所以光电器件24的安置精度很高。通过类似的方法，栓孔20和22相对于光波导18的反射镜40(图2)被精确地定位。另外，因为机械对准功能元件本身位于波导18(图1)和光电器件24上，所以焊球接点36和38的对准被从紧密光学对准要求中去除。这消除了通常由将器件对齐到焊盘的多个掩蔽步骤引起的对准公差的积累。这在电连接不是直接连接到光电器件24而是连接到其所附接的上衬底30的情况下特别重要，如光学组件10的情况一样。其在波导器18只是粗略对准到下衬底12上的导电通道14和16的情况下也特别重要，如光学组件10的情况一样。此外，聚合光波导18的柔性物理属性有利地适应了光电器件24的很硬的半导体材料。通常，凸起/孔接合离光学内核18a越近，光电器件24与光波导器18之间的对准将越精确。
根据本发明，在诸如24这样的光电器件上制造诸如26和28这样的多个凸起非常精确地参照了光电器件24的光轴。在诸如18这样的光波导中制造诸如20和22这样的相应栓孔非常精确地参照了其光耦合轴。使凸起26和28锥形化或圆化并使它们略大于栓孔20和22允许了当光电器件24被配合到光波导18时的自动定心动作。这将光电器件24带入其相对于光波导18的理想位置。一旦凸起26和28变为对齐在其相应的栓孔20和22中，则当上和下衬底12和30之间诸如焊球接点36和38这样的电传导连接冷却和凝固时，光电器件被稳固地保持对准。
凸起26和28与栓孔20和22的配合，连同焊球接点36和38一起，提供了局部机械控制来帮助初始对准和对准随时间的保持，而不管产品生命周期期间的温度改变。最后，因为透镜42被凹进在凸起26和28的外端的水平之下，所以其被保护免于擦伤。所述多个凸起26和28从光电器件24的下方开始延伸超出透镜42，使得透镜42在光电器件24的操作期间被保护免于擦伤。
参照图3，根据本发明的实施例50包括光波导52，光波导52包括封闭在聚合物膜的包层56形式的柔性元件中的平行延伸的分立玻璃或塑料光纤54的一般平面阵列。光电器件58具有多个锥形凸起60，所述锥形凸起60与形成在聚合物包层56中的栓孔(不可见)对齐。可通过在精确位置处对聚合物包层56的机械钻眼、冲压或激光挖掘来预先形成栓孔。可替换地，当硬的凸起60刺入聚合物包层56中时可形成栓孔。透镜、镜或其他光学功能元件(未在图3中图示)在光电器件58和分立光纤54和/或其他光波导(未图示)之间耦合光。单个衬底62被附接到光波导52或光电器件58并对其进行支撑。实施例50中没有第二衬底，因此通常不需要在两个衬底上的导电通道之间的任何电连接。
虽然已经描述了根据本发明的几个示范性实施例，但是其修改和改装对本领域技术人员将显而易见。例如，图4是构造与光学组件10类似的另一个光学组件100的俯视图。光学组件100包括48个光电器件的一般矩形阵列，这些光电器件每个都具有透镜102。四个透镜柱104被定位在光学组件100的各个角上。各种光电器件可被提供，包括但不限于：发光二极管(LED)、法布里-佩罗(FP)激光二极管、分布式反馈(DFB)激光二极管、垂直腔面发射激光器(VCEL)、正-本征-负(PIN)光电二极管、集成检测器/前置放大器(IDP)、雪崩光电二极管(APD)、激光驱动器的硅集成电路，以及液晶器件。可以使用传统的回流焊接点或诸如导电环氧树脂这样的导电粘合剂来代替焊球接点36和38。虽然光波导18以沉积在下衬底12的上方的聚合物膜18a和18b的形式被图示，但是其他形式的光波导可被使用，例如填满聚合物的凹槽、分立塑料光纤或者分立玻璃光纤。除转向镜和透镜之外的其他光学功能元件可被使用在光学组件中并受益于精确对准，包括但不限于起偏器和波长滤波器。因此，本发明所获得的保护仅受所附权利要求书的范围的限制。

Claims (21)

1.一种光学组件，包括：
衬底；
至少一个光波导，所述至少一个光波导被支撑在所述衬底上并且具有柔性元件，所述柔性元件具有形成于其中的多个栓孔；以及
光电器件，所述光电器件具有多个凸起，所述多个凸起与相应的栓孔对齐，以按照相对于所述光波导的预定对准方式来定位所述光电器件。
2.根据权利要求1所述的光学组件，还包括支撑所述光电器件的第二衬底。
3.根据权利要求2所述的光学组件，还包括支撑所述光波导的所述衬底上的至少一个第一导电通道和所述第二衬底上的至少一个第二导电通道。
4.根据权利要求2所述的光学组件，还包括所述第一与第二导电通道之间的多个电连接，所述多个电连接以相对于所述光波导的预定对准方式来保持所述光电器件。
5.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述光波导的柔性元件是由聚合材料组成的并且所述光波导包括至少一个玻璃组件。
6.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述凸起是球形的。
7.根据权利要求1所述的光学组件，还包括所述光波导中的第一光学功能元件和所述光电器件中的第二光学功能元件，所述第一光学功能元件和所述第二光学功能元件被精确地配合以在所述光电器件以相对于所述光波导的预定对准方式被保持时保证具有最小光损耗的信号传输的完整性。
8.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述光电器件是从由发光二极管、法布里-佩罗激光二极管、分布式反馈激光二极管、垂直腔面发射激光器、正-本征-负光电二极管、集成检测器/前置放大器、雪崩光电二极管、激光驱动器的硅集成电路和液晶器件组成的组中选择的。
9.根据权利要求4所述的光学组件，其中，所述多个电连接包括多个焊球接点。
10.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述光电器件包括形成在所述光电器件的下方的透镜，并且所述多个凸起从所述光电器件的下方开始延伸超出所述透镜，使得所述透镜在所述光电器件的操作期间被保护免于擦伤。
11.根据权利要求2所述的光学组件，其中，所述第二衬底是集成电路器件。
12.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述凸起是锥形的。
13.根据权利要求1所述的光学组件，其中，所述栓孔是延伸通过所述光波导的洞。
14.一种光学组件，包括：
第一衬底，所述第一衬底具有至少一个第一导电通道；
至少一个光波导，所述至少一个光波导被支撑在所述第一衬底上并且具有形成于其中的多个栓孔；
光电器件，所述光电器件具有多个凸起，所述多个凸起与相应的栓孔对齐，以按照相对于所述光波导的预定对准方式来定位所述光电器件；
第二衬底，所述第二衬底支撑所述光电器件并且具有至少一个第二导电通道；以及
所述第一与第二导电通道之间的多个电连接，所述多个电连接以相对于所述光波导的预定对准方式来保持所述光电器件。
15.根据权利要求14所述的光学组件，还包括所述光波导中的第一光学功能元件和所述光电器件中的第二光学功能元件，所述第一光学功能元件和所述第二光学功能元件被精确地配合以在所述光电器件以相对于所述光波导的预定对准方式被保持时保证具有最小光损耗的信号传输的完整性。
16.根据权利要求14所述的光学组件，其中，所述光电器件是从由发光二极管、法布里-佩罗激光二极管、分布式反馈激光二极管、垂直腔面发射激光器、正-本征-负光电二极管、集成检测器/前置放大器、雪崩光电二极管、激光驱动器的硅集成电路和液晶器件组成的组中选择的。
17.根据权利要求14所述的光学组件，其中，所述导电连接装置包括多个焊球接点。
18.根据权利要求14所述的光学组件，其中，所述光电器件包括形成在所述光电器件的下方的透镜，并且所述多个凸起从所述光电器件的下方开始延伸超出所述透镜，使得所述透镜在所述光电器件的操作期间被保护免于擦伤。
19.根据权利要求14所述的光学组件，其中，所述光波导具有柔性元件并且所述栓孔被形成在所述柔性元件中。
20.一种光学组件，包括：
第一衬底，所述第一衬底具有至少一个第一导电通道；
至少一个光波导，所述至少一个光波导被支撑在所述第一衬底上并且具有形成在其柔性元件中的多个栓孔，并且所述光波导具有位于其内核中的转向镜；
光电器件，所述光电器件是从由发光二极管、法布里-佩罗激光二极管、分布式反馈激光二极管、垂直腔面发射激光器、正-本征-负光电二极管、集成检测器/前置放大器、雪崩光电二极管、激光驱动器的硅集成电路和液晶器件组成的组中选择的，所述光电器件具有多个凸起，所述多个凸起与相应的栓孔对齐，以按照相对于所述光波导的预定对准方式来定位所述光电器件，所述光电器件具有形成在所述光电器件的下方的透镜，并且所述凸起从所述光电器件的下方开始延伸超出所述透镜，使得所述透镜在所述光电器件的操作期间被保护免于擦伤；
第二衬底，所述第二衬底支撑所述光电器件并且具有至少一个第二导电通道；以及
所述第一和第二导电通道之间的多个电连接，所述多个电连接以相对于所述光波导的预定对准方式来保持所述光电器件，使得所述转向镜和透镜被精确配合以保证所述内核与所述光电器件之间具有最小光损耗的信号传输的完整性，所述电连接是从由焊球接点、回流焊接点和导电环氧树脂组成的组中选择的。
21.一种光学组件，包括：
光波导，具有至少一个玻璃元件和柔性元件；
光电器件，具有多个凸起，所述多个凸起延伸进所述柔性元件中，以按照相对于所述光波导的预定对准方式来定位所述光电器件；以及
衬底，所述衬底被附接到所述光电器件或所述光波导。
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