專利名稱：用于光電元件的封裝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及用于包括熱光學(xué)可調(diào)薄膜光學(xué)濾波器(thermo-optically tunable thin-film filter)以及其它有源和無源的光學(xué)器件的光學(xué)元件的封裝。
背景技術(shù)：
最近，新器件系列已產(chǎn)生熱光可調(diào)薄膜光學(xué)濾波器。這些利用無定形半導(dǎo)體材料制成的器件充分利用先前已被看作是無定形硅的不受歡迎的性質(zhì)(即，其大的熱光系數(shù))。這些器件的性能基于嘗試將薄膜干涉結(jié)構(gòu)中的熱光調(diào)整能力最大化，而不是基于往往作為傳統(tǒng)的固定光學(xué)濾波器的目標(biāo)的將它減到最小的嘗試。
圖1展示用于熱光可調(diào)薄膜光學(xué)濾波器的器件基本結(jié)構(gòu)。該舉例說明的特定結(jié)構(gòu)是單法布里-珀羅型光學(xué)濾波器10。它包括集成到光學(xué)干涉設(shè)計(jì)中的加熱器薄膜12和由被襯墊腔(spacer cavity)16分開的一對薄膜反射鏡14(a)和14(b)組成的法布里-珀羅腔。在這個(gè)例子中，加熱器薄膜12是用ZnO或多晶硅制成的，因此它在1500nm下是導(dǎo)電的和光學(xué)透明的。薄膜反射鏡14(a)和14(b)是高折射率和低折射率薄膜的交替的四分之一波長的若干對。兩種材料是a-Si:H(n＝3.67)和非當(dāng)量的SiNx(n＝1.77)。因?yàn)樵赼-Si和SiNx之間大的折射率反差，所以需要較小數(shù)目的反射鏡對。在設(shè)計(jì)波長下，即使4對也得到反射率R＝98.5％，而5對得到R＝99.6％。襯墊腔16是整數(shù)(通常為2到4)個(gè)半波長的無定形硅。
無定形薄膜可以借助各種不同的物理汽相沉積技術(shù)(例如，濺射)或化學(xué)汽相沉積技術(shù)(包括等離子體增強(qiáng)的化學(xué)蒸鍍(PECVD))沉積。PECVD是特別靈活和均勻的薄膜工藝，而諸如等離子體功率、總氣體壓力、氫分壓、氣體比率、流速和基體溫度之類基本的沉積參數(shù)的控制能被用來大幅度修正依次影響折射率、光學(xué)吸收率和熱光系數(shù)的薄膜密度和理想配比。此外，a-Si膜的氫化能被用來抑制不飽和鍵，并借此減少隨后降低紅外吸收率的缺陷密度。作為基于等離子體的技術(shù)，PECVD提供更容易生產(chǎn)諸如無定形硅和無定形氮化硅之類的一些折射率相差很大的光學(xué)上截然不同的但工藝兼容的材料的致密的柔順的、薄膜所需要的工藝可變性，具有廣泛不同的指標(biāo)。材料之間的轉(zhuǎn)換可以在不破壞真空的情況下通過控制氣體混合物來實(shí)現(xiàn)。
用熱光可調(diào)薄膜光學(xué)濾波器可實(shí)現(xiàn)的精度(finesse)是用圖2舉例說明的。在這種情況下，光學(xué)濾波器是使用6個(gè)鏡面循環(huán)(mirrorcycle)和第四階襯墊(fourth order spacer)(4個(gè)半波長)的單腔結(jié)構(gòu)。對于388nm的自由光譜范圍和近似地F＝4,500的精度，-3dB寬度是0.085nm。
可實(shí)現(xiàn)的熱調(diào)整是用圖3舉例說明的。該結(jié)構(gòu)與介質(zhì)鏡(借助離子輔助濺射沉積的五氧化二鉭高折射率層和二氧化硅低折射率層，鏡面反射率R＝98.5％)一起使用無定形硅襯墊。該結(jié)構(gòu)在烘箱中從25℃加熱到229℃。調(diào)整是大約15nm或dλ/dT＝0.08nm/K。
最后，使無定形硅不僅用于襯墊而且用于高折射率鏡面層來構(gòu)成帶有所有的PECVD薄膜的可調(diào)學(xué)濾波器的益處是用圖4舉例說明的。這種有4周期反射鏡(4 period mirrors)的濾波器接合用來在內(nèi)部給薄膜疊層加熱的ZnO導(dǎo)電層，因此能夠?qū)崿F(xiàn)比加熱器與薄膜疊層分開的情況高得多的局部薄膜溫度。在這個(gè)例子中調(diào)整范圍是37nm。
關(guān)于這些新結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步的細(xì)節(jié)在2002年6月17日申請的題為“Index Tunable Thin Film Interference Coatings(折射率調(diào)諧薄膜干涉涂層)”的美國專利申請第10/174,503號和2002年8月2日申請的“Tunable Optical Instruments(可調(diào)的光學(xué)儀器)”為題的美國專利申請第10/211,970號中能夠找到，在此將這兩份專利申請引入作為參考。

發(fā)明內(nèi)容
一般地說，一方面，本發(fā)明提供一種光電子器件，其包括具有上表面而且包括許多穿過上表面向上延伸的傳導(dǎo)引線的頭部；光學(xué)器件；可調(diào)光學(xué)濾波器；和附著到頭部上而且與頭部一起限定裝有該光學(xué)器件和該可調(diào)光學(xué)濾波器的密封的內(nèi)部空間的罩。該光學(xué)器件和可調(diào)光學(xué)濾波器被安排在安裝于頭部的上表面上并且在其上方延伸的垂直的疊層中；該可調(diào)光學(xué)濾波器被電連接到傳導(dǎo)引線上；該罩具有在其中形成窗口、而且對準(zhǔn)垂直層疊的可調(diào)光學(xué)濾波器和光學(xué)器件的頂表面。
一般地說，另一方面，本發(fā)明提供一種光電子器件，其包括具有上表面而且包括多個(gè)穿過上表面向上延伸的傳導(dǎo)引線的頭部；用其基本上平行于頭部的上表面的主表面支撐在頭部的頂表面上的光學(xué)器件；和附著到頭部上而且與頭部一起限定裝有光學(xué)器件的密封的內(nèi)部空間的罩。所述罩有在其中形成窗口的頂表面，而頭部有在其中形成的第二窗口。
不同的實(shí)施方案包括下述特征的一個(gè)或多個(gè)。頭部和罩是晶體管輪廓(TO)封裝?？烧{(diào)光學(xué)濾波器是熱光可調(diào)薄膜光學(xué)濾波器。光學(xué)器件是輻射器(LED)或探測器。該光電子器件還包括安裝在頭部的頂表面上而且限定安裝光學(xué)器件的第一表面和安裝可調(diào)光學(xué)濾波器的第二表面的支座結(jié)構(gòu)。頭部上的罩形成氣密密封的內(nèi)部空間而且可以包括固定光纖準(zhǔn)直器或其它光纖的套環(huán)(collar)。該光電子器件還包括在其一個(gè)表面上形成光學(xué)濾波器而在其相反的表面安裝光學(xué)器件的基體。
本發(fā)明的各種不同的實(shí)施方案有下述的一個(gè)或多個(gè)優(yōu)勢。它們提供低成本的小著地面積的封裝。它們提供不依賴波導(dǎo)效應(yīng)而是為了實(shí)現(xiàn)波長濾波而在自由空間中處理準(zhǔn)直射束的“自由空間”可調(diào)的濾波器。封裝可以使用已適當(dāng)修改的既定的標(biāo)準(zhǔn)外殼(例如，TO封裝)。在那種情況下，封裝方法能利用已良好確立的組裝技術(shù)和到處可得的廉價(jià)外殼。與使用定制的封裝設(shè)計(jì)相比，這將導(dǎo)致大幅度降低組裝和材料的費(fèi)用。此外，它有助于產(chǎn)生密封的封裝(可選擇的，氣密的密封)，其具有電饋通(feed-through)和一個(gè)或多個(gè)光束從中通過的透明的窗口。另外，取消對光纖饋通的需求也大幅度減少封裝費(fèi)用，而且提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。
在本文中公開的這些類型的氣密的封裝由于光學(xué)通信系統(tǒng)苛刻的可靠性要求對光學(xué)元件是所希望的。當(dāng)前氣密的多端口光學(xué)器件封裝技術(shù)包括蝶式、迷你型-DIL和定制設(shè)計(jì)的無數(shù)機(jī)械加工的鋁制封裝。為了維持氣密性，用于通過型光學(xué)器件的大多數(shù)封裝使用生產(chǎn)復(fù)雜而且昂貴的用于接縫密封的激光焊接。這種類型的最簡單的封裝往往每個(gè)花費(fèi)20.00美元以上，而更復(fù)雜的能接近數(shù)百美元。
本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施方案的細(xì)節(jié)是在下面的附圖和描述中發(fā)表的。本發(fā)明的其它特征、目的和利益通過這些描述和附圖將變得顯而易見。


圖1展示熱光可調(diào)薄膜光學(xué)濾波器的基本器件結(jié)構(gòu)。
圖2是展示單腔的熱光可調(diào)薄膜光學(xué)濾波器的精度的濾波器傳輸特性曲線。
圖3表示多條濾波器傳輸特性曲線，示出具有熱光襯墊和電介質(zhì)反射鏡的濾波器的調(diào)整范圍。
圖4表示多條濾波器傳輸特性，示出包括a-Si:H高折射率層和襯墊、SiNx低折射率層和4周期反射鏡的全PECVD的濾波器的調(diào)整范圍。
圖5A是展示一組實(shí)施方案的核心部件的剖視圖。
圖5B舉例說明用于封裝上的罩的替代方案設(shè)計(jì)。
圖6展示修改的封裝實(shí)施方案。
圖7A、7B和7C展示修改的TO封裝，其在罐子的頂部有不同類型的窗口。
圖7D展示雙列直插式封裝實(shí)施方案。
圖8A和8B展示分別在頂部和底部具有軸向?qū)?zhǔn)的輸入端口和輸出端口的多端口實(shí)施方案。
圖9A和9B展示作為光上/下路復(fù)用器(add/drop multiplexer)的三端口器件。
圖10A-10D展示光學(xué)元件配置的四個(gè)一般類別。
圖11展示使光纖/準(zhǔn)直器對準(zhǔn)包括有光電子元件的封裝的方法的分解圖。
圖12A和12B舉例說明用來優(yōu)化回波損耗的對準(zhǔn)過程。
圖13A-13C舉例說明能使用的替代組裝技術(shù)。
圖14A和B舉例說明用來在單一的基體上制作多位模(multipledie)的技術(shù)。
圖15展示另一個(gè)多端口實(shí)施方案。
同樣的參考符號在各種不同的附圖中表示同樣的元件。
具體實(shí)施例方式
參照圖5A，一組實(shí)施方案包括在具有自由空間光束能通過的光通道窗口106的封裝104之內(nèi)以“向上層疊”形式把自由空間可調(diào)光學(xué)濾波器元件100與一個(gè)或多個(gè)無源和/或有源的光學(xué)/光電子元件102封裝在一起。封裝104包括具有安裝在其上并形成密封內(nèi)腔的罩110的頭部108。支座元件112附著到頭部108上，而許多電引線116向上穿過頭部108以使對封裝104內(nèi)部的可調(diào)的濾波器元件100和其它光電元件的電連接成為可能。支座元件112把可調(diào)的濾波器元件100和光電子元件102固定在垂直排列的疊層(stack)中，而且濾波器元件100的主平面安排成基本上平行于頭部108的上安裝表面。在操作中，來自光纖121的光束120穿過窗口106進(jìn)入封裝104的內(nèi)部空間，在那里它通過可調(diào)的濾波器元件100。然后，從可調(diào)的濾波器元件100的另一邊離開的經(jīng)過濾光的光束照射在光電子元件102上。
支座元件112是用陶瓷之類的電絕緣材料(例如，礬土或氮化鋁)制成的。這個(gè)元件將可調(diào)光學(xué)濾波器100以固定的、良好控制的距離懸掛在光電子元件102(例如，PIN探測器或LED輻射器)的上方。此外，傳導(dǎo)跡線(trace)(或接觸焊盤)125和127可以為了接觸和互相連接被限定在這個(gè)支座上。在所描述的實(shí)施方案中，光學(xué)濾波器元件100包括基體103，其具有在其面對下方的表面中形成的可調(diào)的薄膜光學(xué)濾波器元件101。這是倒裝芯片(flip-chip)安裝的實(shí)例，依照它器件被翻轉(zhuǎn)后安裝在支座上，以有助于制作至基體表面上形成的金屬跡線的電連接。
使用無源的對準(zhǔn)導(dǎo)向器(aligement guide)或參考標(biāo)記，可調(diào)的濾波器和光電子元件可以在對自由空間元件的典型要求大約為10微米的x-y平面中被精確地對準(zhǔn)，而且可以沿著Z軸精確地安放。這樣的可以使用標(biāo)準(zhǔn)的芯片安裝設(shè)備完成的而且有可能在自動(dòng)生產(chǎn)線上大批量制作的組件與通常用于多元件光學(xué)通信組件的“硅微座(siliconmicro-bench)”型組件相比要經(jīng)濟(jì)得多。此外，重要的是它在機(jī)械上更有彈性，因?yàn)樗械脑计椒旁诜庋b表面或支座上，而不是作為垂直取向的元件被排列在水平表面上方。
再一次參照圖5A，具有位于其頂端的整體成形的套環(huán)172的蓋子170安裝到封裝104的罩110上。蓋子170把光纖121(在其末端可能包括準(zhǔn)直或聚焦光學(xué)器件)固定在套環(huán)172之內(nèi)而且相對于封裝104內(nèi)的窗口101適當(dāng)?shù)卣{(diào)整它。準(zhǔn)直光學(xué)器件能采取各種不同的形式，包括GRIN透鏡(梯度折射率透鏡)或球形透鏡。同樣，聚焦光學(xué)器件也能采取各種不同的形式。
作為替代，如圖5B所示，可以提供包括在其中整體成形的套環(huán)119的經(jīng)過修改的罩110′。光纖121被密封在套環(huán)119中而且作為進(jìn)入封裝的窗口。這取消了提供圖5A所示的獨(dú)立的蓋子的需要。
參照圖6，通?？傻玫哪苡玫姆庋b的例子是包括裝在頭部208上的圓金屬罐210(見圖7A)的TO(“晶體管輪廓”)型的封裝。頭部208有穿過它延伸而且使用焊接用的玻璃氣密地密封在各通道(pass-through)之內(nèi)的多條整體傳導(dǎo)引線(“腳”)216。這些傳導(dǎo)引線提供對內(nèi)部的光電元件和相關(guān)的元件的電尋址或連接的方法。在完全裝配好的時(shí)候，這些引線借助金屬絲連接到在密封的光電元件上對應(yīng)的金屬焊盤上。
在圖6的實(shí)施方案中展示的各光電元件與在圖5中展示的那些相同。此外，裝在頭部208上的是用來監(jiān)視封裝的溫度以在熱光可調(diào)薄膜光學(xué)濾波器的操作方面提供幫助的溫度傳感器(例如，熱敏電阻)。
參照圖7A-7C，TO封裝特別好地適用于要求入射光束垂直于器件平面的光學(xué)器件，例如法布里-珀羅光學(xué)濾波器。罐210是通過把可能作為幾種不同的設(shè)計(jì)之一的窗口包括在其頂面中進(jìn)行修改的。例如，它可能是球形透鏡206(a)(見圖7A)；它可能是用于單一探測器那種平坦的窗口206(b)(見圖7B)，或者它可能是完整的透鏡206(c)(見圖7C)。在這樣的封裝中材料費(fèi)用少于一美元，大大低于工業(yè)上廣泛使用的具有光纖饋通的“蝶式”封裝。此外，用來組裝、絲焊和密封這種封裝的手工操作的或自動(dòng)化的設(shè)備是容易得到的和相對比較便宜的。
參照圖7D，另一種通常可得的能用的封裝的例子是具有用于線性探測器陣列的頂部窗口306的雙列直插式封裝300。該雙列直插式封裝還包括限定光電元件如同前面描述的那樣垂直地層疊在它上面的平表面的頭部。引線316從頭部的底面延伸出來并且提供能夠電連接密封封裝內(nèi)的光電元件的方法。窗口306在封裝的頂部提供光束能穿過它到達(dá)封閉的光電子器件的透明區(qū)域。
多端口封裝圖8A和8B展示上述設(shè)計(jì)的進(jìn)一步的修改方案。它是用于雙端口TO封裝的通用結(jié)構(gòu)并且包括允許光學(xué)信號通過封裝內(nèi)部的光電子電路的整合的饋通。
在這個(gè)例子中，該經(jīng)過修改的TO封裝如同先前描述的那樣包括密封到頭部508上的金屬罩510。在頭部508之內(nèi)有許多穿過頭部向上延伸的傳導(dǎo)引線516。在罩510的頂部，有其周界被密封到罩的金屬中的窗口506。整體成形的金屬插芯(ferrule)530從罩510的主體向上延伸并且包圍窗口506。插芯530固定封閉在套管542中的光纖540。球形透鏡544附著在光纖540的末端上并且毗鄰窗口506。球形透鏡544將從光纖射出的光束在它進(jìn)入經(jīng)過該修改的TO封裝之前進(jìn)行準(zhǔn)直。頭部508包括在其中心形成的通孔546，窗口529在這個(gè)通孔的頂端并且被密封在頭部508的上表面中形成的凹陷中。插芯531離開頭部508的底部向下延伸而且對準(zhǔn)通孔546。插芯531固定封閉在套管541中的另一根光纖535。球形透鏡543附著在與窗口529相鄰的光纖的頂端。
這種安排限定了沿著它的縱軸通過封裝中心的光學(xué)路徑。在光電子器件550的許多不同的組合中的任何一個(gè)都能被安裝在封裝內(nèi)的頭部上和光學(xué)路徑中。
三端口結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子被展示在圖9中，它是光上/下路復(fù)用器600。它包括裝在頭部608上而且相對于頭部的上表面以微小的角度(例如，＜5°)傾斜的熱光可調(diào)薄膜光學(xué)濾波器601。雙光纖準(zhǔn)直器620(例如，GRIN透鏡)被放置在從罩610的頂端向外延伸的插芯630內(nèi)，而兩根光纖612和614被接到雙光纖準(zhǔn)直器的一端。光纖612代表輸入信道，而光纖614代表輸出信道。在封裝的另一端是對準(zhǔn)與結(jié)合圖8A展示的器件描述的通孔類似的通孔的第三光纖619。該熱光可調(diào)薄膜光學(xué)濾波器601和雙光纖準(zhǔn)直器620彼此相互對準(zhǔn)，以便來自光纖612的入射光束603以略微小于垂直于其表面的角度照射在可調(diào)光學(xué)濾波器601上。
入射光束603代表許多不同的信道，每個(gè)信道在不同的波長上。該可調(diào)薄膜光學(xué)濾波器601的特性是它把波長中選擇的一種傳送到光纖619。在狹窄的傳輸頻帶之外的信道(即，波長)的剩余部分作為反射光束605由可調(diào)的薄膜光學(xué)濾波器601反射并向雙光纖準(zhǔn)直器620回射?？烧{(diào)薄膜光學(xué)濾波器601和準(zhǔn)直器620的相對定位調(diào)整是這樣的，即，使得被反射的波長進(jìn)入準(zhǔn)直器620并且被引入輸出光纖614。被傳輸?shù)墓馐?07進(jìn)入光纖619。在這種操作模式中，該器件作為光波下路復(fù)用器，即，它下路或摘除在輸入光學(xué)信號的多個(gè)信道中選定的一個(gè)信道。
作為替代，如果波長適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)信號通過光纖621輸入，那么該器件用作為光波上路復(fù)用器，即，它把新的信道添加到正在通過該器件的多信道信號中。
參照圖15，另一種多端口結(jié)構(gòu)利用多端口輸入光學(xué)器件和多端口輸出光學(xué)器件以及上/下路光學(xué)器件，以允許更有效的封裝設(shè)計(jì)。這在單一的六附加端口設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)兩個(gè)或兩個(gè)以上三端口封裝的功能。由于空間和功耗兩種考慮，這是所希望的。上/下路兩種處理通過在上路周期(add cycle)和下路周期(drop cycle)里使用不同的入射角但仍然利用光學(xué)濾波器表面上的同一位置可以都發(fā)生在這個(gè)單一的組件中。這避免否則將導(dǎo)致被傳輸和反射的信號兩者惡化的干涉效應(yīng)。上/下路、上/上路或下/下路配置在這種封裝配置中都可以獲得，僅僅取決于輸入/輸出安排。
所公開的實(shí)施方案包括兩個(gè)GRIN透鏡1000和1002(或其它可比的光學(xué)元件)。有四條光纖被連接到透鏡1000上，對稱地排列在透鏡的輸入面上。如同眾所周知的那樣，那些從透鏡的中心軸移位的光束按由光纖離開中心軸的位移所確定的角度從透鏡的另一端出來。使用這項(xiàng)原則可以下述方法獲益。
把在透鏡的中心軸附近按對稱的方式呈直線排列的四條光纖1010、1011、1012和1013連接到透鏡1000。換句話說，光纖1010和1013是兩條外側(cè)光纖，每條距透鏡1000軸線的距離相等，而光纖1011和1012是兩條內(nèi)側(cè)光纖，每條距透鏡1000的中心軸線的距離也相等。光纖1010把多信道光學(xué)輸入信號提供給透鏡1000，后者隨后把該信號相對于其法線方向以角度θ傳送給可調(diào)的濾波器1004。該可調(diào)的濾波器1004把輸入信號的選擇的信道之一傳送到透鏡1002，后者把它提供給放在透鏡1002表面上的適當(dāng)位置的下路光纖(dropfilter)1016。輸入信號的剩余部分被可調(diào)的濾波器1004反射，通過透鏡1000返回，然后進(jìn)入光纖1013。光纖1013被連接到光纖1011，以便把它收到的信號在光纖1011的位置送回透鏡1000。這個(gè)返回的光學(xué)信號被送回可調(diào)的濾波器1004，但這次相對其法線的角度較小。當(dāng)它到達(dá)可調(diào)的濾波器的時(shí)候，由于選定的信道都已被移除，所以它全部被反射回透鏡1000，后者把該反射信號傳送給輸出光纖1012。
以被下路的信道的頻率傳送ADD信號的輸入光纖1014把光學(xué)信號以某個(gè)角度提供給可調(diào)的濾波器1004的背部，以便當(dāng)它被光學(xué)濾波器1004傳輸?shù)臅r(shí)候，它與傳送給輸出光纖1012的反射信號相接合。
其它的實(shí)現(xiàn)方式各種不同的應(yīng)用需要可調(diào)的濾波器、光學(xué)器件和其它有源器件在小封裝中不同的組合。圖10A-10D展示可調(diào)的濾波器與其它的有源光電元件的可能的組合的四個(gè)一般類別，雖然這個(gè)例子并非無遺漏的。
在圖10A中舉例說明的組合包括輸入光學(xué)器件，可調(diào)的濾波器702和探測器704?？赡馨?zhǔn)直器的輸入光學(xué)器件700把由多種波長組成的光學(xué)信號傳遞給可調(diào)的濾波器702，該濾波器允許將光學(xué)信號的多種波長中選擇的一個(gè)傳送到探測器704。對于這個(gè)系統(tǒng)典型的應(yīng)用包括光譜功率監(jiān)測和單一信道的檢測或監(jiān)測。在光譜功率監(jiān)測的情況下，可調(diào)的濾波器702用于在感興趣的波長范圍內(nèi)來回掃描，探測器704測量光學(xué)信號內(nèi)不同波長的功率。在單一信號通道檢測或監(jiān)測的情況下，可調(diào)的濾波器702調(diào)整到單一波長，而探測器704監(jiān)測那個(gè)頻帶中的信號(即，“可調(diào)的探測器”或“可調(diào)的接收器”)。在任何情況下，該系統(tǒng)通常不是為了把被濾除的波長送回輸出光學(xué)器件而設(shè)計(jì)的。
在圖10B中說明的組合包括輸入光學(xué)器件710、可調(diào)的濾波器712、探測器714和輸出光學(xué)器件716。這樣的系統(tǒng)的典型應(yīng)用是“光下路(optical drop)”，其中可調(diào)的濾波器712允許單一信道進(jìn)入探測器714，而且被可調(diào)的濾波器712濾除的波長被反射到準(zhǔn)直器之類的輸出光學(xué)器件716中。這樣的配置在其中每個(gè)位置都能動(dòng)態(tài)地選擇哪個(gè)通信信道(即，波長)要檢測的靈活的通信網(wǎng)絡(luò)中是有用的。
在圖10C中說明的組合包括寬帶光源或輻射器720、可調(diào)的濾波器722和輸出光學(xué)器件726。諸如發(fā)光二極管(LED)之類的寬帶光源720被用來連同可調(diào)的濾波器722一起形成可調(diào)的窄帶光源。當(dāng)可調(diào)的濾波器722是如同前面描述的熱光可調(diào)薄膜濾波器的時(shí)候，可能制造供測量應(yīng)用或廉價(jià)的光學(xué)網(wǎng)絡(luò)使用的可調(diào)的光源。
在圖10D中說明的組合包括輸入光學(xué)器件730、可調(diào)的濾波器732、輻射器734和輸出光學(xué)器件736。輻射器734可以為固定的寬帶輻射器，或是可調(diào)的窄帶輻射器，例如發(fā)出經(jīng)由可調(diào)的濾波器“被上路”到光流中的激光的可調(diào)垂直腔的表面。在這個(gè)例子中，可調(diào)的濾波器732沿著與被反射(“通過”)的波長相同的路徑接納新的波長。這樣的系統(tǒng)可能連同圖10B展示的系統(tǒng)一起工作，以便在網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)地上路和下路波長，或者它可能被用作為能被設(shè)定到任何需要的波長的“通用的備份”發(fā)射器。
可能存在需要類似的系統(tǒng)的廣泛的應(yīng)用范圍，在這種場合除了可調(diào)的濾波器之外的有源光學(xué)元件是探測器、輻射器、或其它用來測量或處理光線的光學(xué)元件。采用在此提及的封裝原理，現(xiàn)在有可能以低成本、小波形因數(shù)的方式構(gòu)成這樣的系統(tǒng)以使它們的普遍應(yīng)用變得可行。
光束的對準(zhǔn)回波損耗是反射波的幅度與入射波的幅度之比。在光學(xué)應(yīng)用中，這是用-dB度量的，而且就一個(gè)組成元件而言，反射功率被定義為在一個(gè)組成元件內(nèi)通過光纖傳回的來自所有表面的總反射。事實(shí)上，所有的光學(xué)系統(tǒng)由于穩(wěn)定性的原因都設(shè)置對于RL量的限制。
按回波損耗(RL)規(guī)范制造的光學(xué)組件在元器件和組件兩個(gè)方面通常都是按常規(guī)設(shè)計(jì)和規(guī)定公差的，以便計(jì)算的入射角將在各元器件表面和各光源之間得以實(shí)現(xiàn)。這個(gè)角度被計(jì)算用來提供足夠高RL以滿足定制的規(guī)范。然而，由于大多數(shù)光學(xué)元件的性能按照角度的函數(shù)降低(主要由偏振相依性)，所以在覆蓋機(jī)械公差層疊所需要的緩沖量和需要的器件性能之間存在某種折衷。這種在器件和加工兩個(gè)方面的精密水平都是令人異常昂貴和非常難以設(shè)計(jì)、維持和制造的。
這種用于規(guī)定與元器件有關(guān)的緊公差的過程的替代方案已利用代價(jià)高昂的麻煩的翻轉(zhuǎn)/傾斜作用來實(shí)現(xiàn)所希望的校準(zhǔn)。在這種情況下，當(dāng)自動(dòng)化設(shè)備使元件相對于光源翻轉(zhuǎn)、傾斜和旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，積極監(jiān)測RL，直到性能要求令人滿意，然后把元件固定在那個(gè)位置。然而，這個(gè)過程需要非常昂貴的高精度的自動(dòng)化設(shè)備。
能獲得用現(xiàn)有的加工方式實(shí)現(xiàn)的必需的RL參數(shù)的、便宜得多的新的對準(zhǔn)方法現(xiàn)在將結(jié)合圖11和圖12A和12B予以描述。這種新方法也是據(jù)此改變光源的取向以優(yōu)化監(jiān)測的RL的有源的對準(zhǔn)過程。這種方法對在此描述的那類公差寬松的零件起作用，盡管它適用于任何需軸向?qū)?zhǔn)的系統(tǒng)。
首先參照圖11，為實(shí)現(xiàn)改進(jìn)的對準(zhǔn)過程而設(shè)計(jì)的封裝結(jié)構(gòu)包括具有附著在頭部804上的罩801的經(jīng)修改的TO封裝800。在頭部804上安裝了可調(diào)的薄膜光學(xué)濾波器806(或?qū)⑨槍λ鼘?zhǔn)輸入光纖的光學(xué)器件)。在所描述的實(shí)施方案中，可調(diào)的濾波器806是按照相對于頭部804的基礎(chǔ)頂表面成一小角度(Φ)安裝的(或者換一種說法，使它的法線相對于封裝的縱軸830處在某個(gè)小角度(Φ))。固定光纖818和準(zhǔn)直器815的套管組件810在該封裝的罩802上滑動(dòng)而且呈松配合，由此粗略地使光纖對準(zhǔn)密封罩頂端中的窗口。直到套管組件810被錨定到罩上(例如，借助環(huán)氧樹脂或套管側(cè)面的螺絲釘)之前，套管組件810能夠圍繞著該封裝的縱軸830在罩上旋轉(zhuǎn)。蓋子820在套管上滑動(dòng)而且一旦套管被適當(dāng)?shù)囟ㄏ蚓透采w套管。
套管組件810相對于它的旋轉(zhuǎn)軸(就舉例說明的封裝而言也是罩/封裝的縱軸)按某個(gè)小角度(Ω)把光纖和準(zhǔn)直器固定。如同圖12A和12B說明的那樣，當(dāng)套管組件810裝配到罩802上的時(shí)候，通過圍繞著它的旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)該套管組件，光束和光學(xué)元件表面的法線之間的角度掃過Φ-Ω到Φ+Ω之間所有的角度。例如，如果準(zhǔn)直器和元件的法線彼此平行(即，Φ＝Ω)，但是偏離旋轉(zhuǎn)軸的角度為2度，那么使用這個(gè)方法入射角可以變化0到4度。這個(gè)角度差異可能是設(shè)計(jì)的或是組裝/制造的副產(chǎn)品。
通過在該旋轉(zhuǎn)操作期間積極監(jiān)測對光纖的輸入和來自光纖的輸出，預(yù)期的高回波損耗能在十分之幾dB的范圍內(nèi)，從而使因高于必要的入射角造成的任何劣化都減到最小。
如果在罩上套管呈松配合，也可能有XY對準(zhǔn)步驟，在此期間套管在與頭部的平面平行的平面中移動(dòng)，以尋找它作為器件性能的函數(shù)的最佳位置。同樣，由于對來自準(zhǔn)直器的光束存在“腰部”，在那里所有的光線都被假定是近乎平行的，這是放置有源光學(xué)元件表面的理想的地方。但是鑒于光束的低發(fā)散度，這規(guī)定了非常寬松的公差，也就是說，濾波器性能和RL兩者對于Z位置通常都是非常不敏感的。這樣，這個(gè)維度(即，Z軸)中的對準(zhǔn)通過在套管中使用相對于光學(xué)元件設(shè)定準(zhǔn)直器的Z位置的簡單的機(jī)械定位器就能令人滿意地完成。
全面的對準(zhǔn)過程包括下述的步驟序列，同時(shí)監(jiān)視實(shí)測的RL。首先有Z-方向的粗調(diào)。然后，通過旋轉(zhuǎn)套管優(yōu)化RL。接下來，通過在XY平面中的對準(zhǔn)進(jìn)一步優(yōu)化器件性能。最后，在Z方向進(jìn)一步微調(diào)。
分層構(gòu)建(stacking buildup)法如同前面提及的那樣，在這里描述的一些實(shí)施方案的優(yōu)勢是它們允許使用Z軸構(gòu)建制造法。Z軸構(gòu)建法是低成本的并且包括但不限于(1)用來把各個(gè)元件沿著Z軸隔開并且在x-y平面把它們對準(zhǔn)的多層的(例如，成梯狀的)支座，例如陶瓷；(2)把光學(xué)芯片/光電芯片和其它芯片通過倒裝芯片安裝到無源基體和/或在其上制造光電元件的基體上；(3)把各個(gè)元件預(yù)先安裝到基體/支座子，然后使用這些基體的無源對準(zhǔn)把組件安裝到封裝之中；和(4)把各基體或各元件直接安裝到封裝之內(nèi)的電引線上。
所用的組件導(dǎo)向器如同圖13A-13C說明的那樣，一些圖案形成方法可用來使所需的組裝精度和付出減到最少。例如，首先參照圖13A，掩?；蛘呖?00可以在一個(gè)元件(例如，可調(diào)的濾波器902)上形成圖案，然后為了考慮無源對準(zhǔn)公差可以設(shè)計(jì)其它元件(例如，探測器904)以便有足夠大的有效面積906。此外，參照圖13B，可以使用標(biāo)準(zhǔn)化的表面安裝技術(shù)(SMT)組裝方法和機(jī)器來獲得高度的對準(zhǔn)精確性，有可能借助于由SMT機(jī)器解讀的光學(xué)對準(zhǔn)導(dǎo)向器。在那種情況下，例如，探測器或輻射器芯片920可能通過倒裝芯片安裝在其前表面已形成有可調(diào)的薄膜光學(xué)濾波器924的基體922的背面。為了有利于對探測器或輻射器芯片920的調(diào)整和接觸，可以有由照相平版印刷法限定的對準(zhǔn)導(dǎo)向器926和觸點(diǎn)928在基體922的背面上形成。作為替代，可以在基體或光學(xué)器件上使用中間掩模，以便對準(zhǔn)個(gè)別的光學(xué)元件/光電元件。另外，可以構(gòu)建混和結(jié)構(gòu)，如同圖13C說明的那樣。例如，用于固定其它的電路或連接器950(例如，驅(qū)動(dòng)電路或讀出電路)的基體或底板940可以配備有光學(xué)通孔942以使將安裝在基體940兩側(cè)的元件之間的光學(xué)通信成為可能(例如，通過倒裝芯片安裝在基體940一側(cè)的可調(diào)光學(xué)濾波器芯片944和通過倒裝芯片安裝在基體940另一側(cè)的探測器或輻射器芯片946)。
此外，基于傳統(tǒng)的電子學(xué)方法的元件大量組裝(例如，SMT)可能被用來在分開和封裝它們之前在“薄片”中建造光電組件。這樣的組裝過程的例子被展示在圖14A和14B中，在此探測器元件980和熱敏電阻元件982安裝在可調(diào)的薄膜光學(xué)濾波器984的背面一側(cè)。幾百個(gè)或上千個(gè)這樣的子組件可以被自動(dòng)地組裝起來，并且回流焊(或金屬絲壓焊)工藝在薄膜光學(xué)濾波器晶片被切割成小塊并且產(chǎn)生的子組件被封裝之前進(jìn)行。
圖14B說明一種構(gòu)造這樣的組件的方法?；w984進(jìn)行構(gòu)圖以接納探測器元件980、熱敏電阻元件982、可調(diào)的濾波器元件988和可能有的其它元件，然后被切割成小塊。然后，某些基體塊被堆疊起來以形成具有形成圖案的金屬跡線的支座元件。
所用的光學(xué)器件可能與上述的封裝一起使用的光學(xué)配置包括不限于(1)入站的光學(xué)信號，出站的光學(xué)信號，或入站和出站的光學(xué)信號兩者；(2)準(zhǔn)直的或聚焦的光束，雖然在可調(diào)的濾波器的情況下優(yōu)選準(zhǔn)直的；(3)僅僅使用唯一的外部光學(xué)器件、外部和內(nèi)部光學(xué)器件的組合、或唯一的內(nèi)部集成封裝的光學(xué)器件；(4)在外部的光學(xué)器件、封裝的透明窗口或內(nèi)部元件(例如，基體)上用于抗反射涂層、高反射涂層或選擇性波長濾波目的的無源光學(xué)涂層，和(5)光學(xué)元件，例如，在封裝外部使用的單或雙光纖準(zhǔn)直器、集成到封裝自身中的透鏡、或在封裝內(nèi)部元件的疊層中使用的微光學(xué)元件。
孔板在使用熱光可調(diào)薄膜濾波器的實(shí)施方案中，在可調(diào)的薄膜濾波器中的加熱元件通常為了至少兩個(gè)理由應(yīng)該做得盡可能小。首先，就比較小的加熱器而言，器件的速度將比較快，因?yàn)檩^小的熱質(zhì)量需要被加熱和冷卻。其次，器件能以比較低的功率運(yùn)行，因?yàn)榭烧{(diào)元件的溫度與功率密度成正比。對于給定的所需的最高溫度和因此給定的所需的功率密度，加熱器越小，所需的輸入功率就越低。
然而，加熱元件小的不足是在嘗試使它光學(xué)對準(zhǔn)自由空間準(zhǔn)直光束時(shí)產(chǎn)生的困難。所有通過可調(diào)的濾波器傳輸?shù)墓舛急仨毻ㄟ^該器件被加熱的部分。任何通過濾波器未被加熱的部分或通過該器件未經(jīng)濾波的部份傳輸?shù)墓舛紝幌胍牟ㄩL并且將把不想要的噪音加到所需要的信號中。
為了實(shí)現(xiàn)低成本的封裝，對準(zhǔn)應(yīng)該是盡可能容易的、無源的和自動(dòng)化的。實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的一個(gè)途徑是通過把用于阻擋任何光線通過器件中除了可調(diào)的濾波器被加熱的部分之外的任何部分傳輸?shù)膶蛹傻皆撈骷?。在其最簡單的形式中，這將是具有對準(zhǔn)加熱元件的小孔的金屬層907，如圖13A所示。在這種情況下，該對準(zhǔn)僅僅必需好到足以保證準(zhǔn)直光束的某個(gè)部分擊中該小孔。準(zhǔn)直光束的其余部分沒有結(jié)果地?fù)糁性诩訜崞鲄^(qū)域外面的部分，因?yàn)檫@種光線將被反射而不被透射。因此，有孔的擋光層(“孔層”)使加熱器相對比較小。另外，該孔與加熱器區(qū)域相比應(yīng)該是小的。這將保證加熱元件邊緣附近的溫度不均勻性被減到最低，從而導(dǎo)致較狹窄的峰。
孔層應(yīng)該足夠厚，以便有足夠的反射率濾去所需光量。然而，如果它太厚，那么它可能把不想要的應(yīng)力加到薄膜疊層上和/或通過帶走太多的熱量而損害器件的熱性能。如果孔層確實(shí)帶走太多的熱量，那么它能導(dǎo)致在小孔中不均勻的溫度分布，而且將需要對加熱器更多的輸入功率以達(dá)到給定的溫度。另外，該孔層需要能夠經(jīng)得起調(diào)整該器件所需的可能的高溫?？赡苡糜谶@個(gè)目的一些普通金屬包括Al、Ag、Cu、Au、Pd、Pt、Ni、Fe、Cr、W和Ti。理想的材料將有感興趣的波長(例如，1550nm)下的高k值、高熔融溫度(因?yàn)榻饘偻ǔ⒃谒鼈兊娜廴跍囟鹊膸追种幌萝浕腿渥?、低熱導(dǎo)率和低熱質(zhì)量(即，質(zhì)量密度×比熱)，所以孔層不帶走太多的熱量。請注意，非金屬材料也是用于該孔層的可選項(xiàng)。
自由空間濾波器能在本文描述的實(shí)施方案中使用的可調(diào)濾波器的類型是可接納可能已被準(zhǔn)直的光束而且濾出用于透射或反射的特定的波長或波長組的“自由空間”濾波器。這些光學(xué)濾波器被稱為“自由空間”濾波器，因?yàn)槌藦闹T如光纖之類的波導(dǎo)提取它們和把它們插入諸如光纖之類的波導(dǎo)的輸入和輸出光學(xué)器件之外，將被濾波的光束是未被引導(dǎo)的。許多這樣的可調(diào)的濾波器件在技術(shù)上是已知的。這些包括但不限于·可調(diào)薄膜光學(xué)濾波器，包括在性能、成本和可靠性方面有很大的優(yōu)勢而且也異常適合這種封裝形式的上述的熱光可調(diào)薄膜光學(xué)濾波器；·使用兩個(gè)或兩個(gè)以上為了調(diào)整而一起移位或分開的電介質(zhì)反射鏡的基于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)的法布里-珀羅濾波器；這包括基于硅的傳統(tǒng)的MEMS和那些基于聚合物薄膜或其它材料的器件兩者；·全息或光柵波導(dǎo)耦合的濾波器，其中，平面內(nèi)的圖案被用來形成用于沿著Z軸傳播的光線的濾波器(或者被用來使特定的波長或波長組偏離軸)；·基于壓電薄膜的壓電法布里-珀羅。
許多現(xiàn)有的或研制中的其它的自由空間濾波器將從這份公開所描述的封裝方法中獲益。
將會(huì)理解，盡管已通過使用其詳細(xì)說明的實(shí)施方案描述了本發(fā)明，但是前面的描述意在舉例說明而不是限制本發(fā)明的范圍，后者是用權(quán)利要求書的范圍定義的。因此，本發(fā)明的其它方面、利益和修改都在下面的權(quán)利要求書的范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光電子器件，其包括一個(gè)頭部，其具有上表面并且包括許多穿過該上表面向上延伸的傳導(dǎo)引線；一個(gè)光學(xué)器件；一個(gè)可調(diào)光學(xué)濾波器，其中，所述的光學(xué)器件和所述可調(diào)光學(xué)濾波器被設(shè)置在安裝于頭部的上表面并且在其上方延伸的垂直的疊層中，以及其中，所述的可調(diào)光學(xué)濾波器被電連接到一組所述許多傳導(dǎo)引線；以及一個(gè)附加到該頭部上而且與該頭部一起限定包含有該光學(xué)器件和該可調(diào)光學(xué)濾波器的密封的內(nèi)部空間的罩，其中，所述罩具有在其中形成窗口的頂表面，所述的窗口對準(zhǔn)該可調(diào)光學(xué)濾波器和該光學(xué)器件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光電子器件，其中，該頭部和罩是晶體管輪廓(TO)組件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光電子器件，其中，可調(diào)光學(xué)濾波器是熱光可調(diào)薄膜光學(xué)濾波器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光電子器件，其中，所述光學(xué)器件是輻射器(LED)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的光電子器件，其中，所述光學(xué)器件是探測器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光電子器件，進(jìn)一步包括安裝在該頭部的該頂表面上的支座結(jié)構(gòu)，其中，該支座結(jié)構(gòu)限定其上安裝該光學(xué)器件的第一表面和其上面安裝該可調(diào)光學(xué)濾波器的第二表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的光電子器件，其中，該頭部上的罩形成氣密密封的內(nèi)部。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的光電子器件，其中，該罩包括固定光纖耦合光學(xué)器件的套環(huán)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的光電子器件，進(jìn)一步包括一個(gè)基體，在該基體的一個(gè)表面上形成所述光學(xué)濾波器而在其相反表面上安裝該光學(xué)器件。
10.一種光電子器件，其包括一個(gè)頭部，其具有一個(gè)上表面并且包括許多穿過該上表面向上延伸的傳導(dǎo)引線；一個(gè)光學(xué)器件，其用基本上平行于該頭部的上表面的主表面支撐在該頭部的頂表面上，其中，所述光學(xué)器件被電連接到一組所述的許多傳導(dǎo)引線上；以及附加到該頭部上而且與該頭部一起限定包含有該光學(xué)器件的密封內(nèi)部的罩，其中，所述的罩具有在其中形成第一窗口的頂表面，以及該頭部具有在其中形成的第二窗口。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的光電子器件，其中，該頭部和罩是晶體管輪廓(TO)封裝。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的光電子器件，其中，該可調(diào)光學(xué)濾波器是熱光可調(diào)薄膜光學(xué)濾波器。
13.根據(jù)權(quán)利要求10的光電子器件，其中，該光學(xué)器件是輻射器(LED)。
14.根據(jù)權(quán)利要求10的光電子器件，其中，該光學(xué)器件是探測器。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的光電子器件，進(jìn)一步包括安裝在該頭部的頂表面上的支座結(jié)構(gòu)，其中，該支座結(jié)構(gòu)限定其上安裝該光學(xué)器件的第一表面和其上安裝該可調(diào)光學(xué)濾波器的第二表面。
16.根據(jù)權(quán)利要求10的光電子器件，其中，該頭部上的罩形成氣密密封的內(nèi)部。
17.根據(jù)權(quán)利要求10的光電子器件，其中，該罩包括固定光纖準(zhǔn)直器的套環(huán)，其中，窗口是透鏡。
18.根據(jù)權(quán)利要求10的光電子器件，進(jìn)一步包括一個(gè)基體，在該基體的一個(gè)表面上形成該光學(xué)濾波器而在其相反的表面上安裝該光學(xué)器件。
19.根據(jù)權(quán)利要求10的光電子器件，其中，該罩包括從其頂表面向上延伸并提供用來保持光饋送的孔的插芯。
全文摘要
一種光電子器件，包括具有上表面且包括許多穿過上表面向上延伸的傳導(dǎo)引線(116)的頭部(108)；光學(xué)器件(102)；可調(diào)光學(xué)濾波器(100)，其中，光學(xué)器件和可調(diào)光學(xué)濾波器被安排于安裝在頭部的上表面上且在其上方延伸的垂直的疊層中，而可調(diào)光學(xué)濾波器被電連接到該許多傳導(dǎo)引線上；附加到頭部上而且與頭部一起限定包含有光學(xué)器件和可調(diào)光學(xué)濾波器密封的內(nèi)部空間的罩(110)，其中，該罩具有在其中形成窗口(106)的頂面，而且該窗口對準(zhǔn)該可調(diào)光學(xué)濾波器和光學(xué)器件。其應(yīng)用包括三端口上/下路復(fù)用器。
文檔編號H01L31/0232GK1610851SQ02826493
公開日2005年4月27日 申請日期2002年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月28日
發(fā)明者馬太亞斯·瓦格納, 羅伯特·姆拉諾, 尤金·Y·馬, 史蒂文·謝爾曼, 勞倫斯·多瑪斯 申請人:伊吉斯半導(dǎo)體公司