[发明专利]硅板上有源与无源光学部件的混合集成

说明书

本发明涉及一种组件结构和一种用于在硅板上组装有源与无源光子和/或光电子器件的方法。本发明特别涉及一种组件结构和一种在组装过程中对准光子器件的方法。所得的部件将尤其用于宽带电信通信部件。

光子部件的组装是一道非常困难，而且昂贵的工序。现有工艺技术通过有源对准过程把光学纤维相对于光子部件放置。这意味着在对准过程中，部件通过高度精确的工作台(±0.1μm)来操作。在显微操作中，进来或出去的光信号一直被监控，直到最佳的传输光被确定。然后用不同的技术机械地固定光纤。最后的组装步骤是把光纤终结的部件放入一个壳中，然后能将其密封起来，以保护半导体部件。这个壳提供光和电的馈通。用于光学纤维的馈通的制造也是一个制造困难的过程。

由于要求很严格，光子部件的组装是耗时的制造步骤且典型地构成器件成本的80％。如果把平面光导电路(PLC)用于宽带远程通信系统而不仅仅作为无源部件，则成本可大大降低。PLC具有很吸引人的潜力，就是通过在PLC板上直接安装半导体部件来增加其功能。但最重要的，这一在文献中被称为混合的概念，还能有助于部件的组装以及随后的部件的高度密封。

混合集成的光子部件的典型应用示于图1，其中泵浦激光器装置2附连在PLC板10上，该PLC板还具有把来自激光器的光引导到平面光波电路(PLC)上其它部分的波导4。半导体部件的对准和组装由一个简单的“夹住(clip on)”过程得到，其不要求有源对准并因此将大大降低组装成本。

混合集成概念的固有优点是它允许发自泵浦激光器的光直接耦合进入波导，而利用传统的技术，每一个部件必须分别连接到光纤上、放进一个壳内且用光学纤维连接器连接起来。现有技术的概念导致庞大且难以处理的部件，而混合带来高度集成且紧凑的模块。

在充分开发PLC潜力的努力中，一个问题是关键：如何得到PLC板上光子部件与波导结构间长期的机械稳定性，且如何避免有源的对准过程？这一问题已经为光纤光学部件产业产生了技术性的挑战。必要的耦合容限在亚微米区，而且在所有可能的操作与存储条件下，固定需要小于+/-0.1μm的机械稳定性。

在现有工艺中，人们作过几种尝试以通过无源对准实现将诸如激光器光子部件的固定到PLC板上。

已经发展了采用高精确度倒装法结合机器的方法。这些方法利用了光子部件和衬底上基准点(对准标记)的光学探测。但是，配准和定位很耗费时间，且装置非常贵。

利用了微型机械加工的V-凹槽用于光纤固定以及熔融的焊接材料的表面张力的自对准结合已经被建议并为全世界研究装置所采用。这一方法经证实达到所需的容许量。然而，所需的在1μm以内精确度，要求在焊接和V型凹槽的微型机械加工上有极好的受控工艺公差，开发该方法将非常昂贵。

一种利用刻蚀的对准结构和熔融焊接材料的表面张力的对准概念在US5,656,507中给出。这里，硅衬底备有一个波导，两个对准阻挡层(stop)，一个V型凹槽和一个在底部带有L型金属盘的沟槽。激光器的底部拥有一条脊和一个L型带有焊料块的金属盘，以便于适合衬底上的V型凹槽和L-型金属盘。基本原理就是把激光器放置在带有被插入凹槽的脊和邻接对准阻挡层(stop)的边缘的硅衬底上时，尽管被焊料块连接起来，两个L-型金属盘还是有轻微的位移。当焊料熔化时，它将通过表面张力牵引激光器到与波导对准。

很多公司已经把他们的焦点转向要求高度精确的选择并把机器与组装的部件上的对准基准点相配合来放置的对准的概念，见H.L.Althaus等人的，“用于大批量生产应用于远程通信和数据通信的高度可靠性纤维光学部件的微系统和晶片处理”，47th ECTC Conf.，SanJose，CA，1997，pp 7-15)。这些概念是在应用上很特定的，并且，仅仅为支付大的生产量就要求有大量的投资。与此可比的，建议一种使用干或湿刻对准结构的概念的文献数目逐渐增加，例如D.A.Ackerman(US 5,023,881)，J.Gates等人(“混合集成的硅光板平面光导电路”)，48th ECTC Conf.，Seattle，WA，1998，pp 551-559)和S.A.Merrit(“一种用于半导体激光二极管阵列的快速倒装结合法”，48th ECTC Conf.，Seattle，WA，1998，pp 775-779)。