集成光学子组件.pdf

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1、(10)申请公布号 CN 104246569 A (43)申请公布日 2014.12.24 C N 1 0 4 2 4 6 5 6 9 A (21)申请号 201280072422.9 (22)申请日 2012.04.16 G02B 6/43(2006.01) (71)申请人惠普发展公司，有限责任合伙企业 地址美国德克萨斯州 (72)发明人保罗凯斯勒罗森伯格 迈克尔瑞恩泰谭 沙吉瓦格西马塔伊 约瑟夫斯特拉日尼茨基 (74)专利代理机构北京德琦知识产权代理有限 公司 11018 代理人于会玲 宋志强 (54) 发明名称 集成光学子组件 (57) 摘要 一种光学子组件包括：通过半导体基板 (102。

2、)形成的通光渠道(104)；光电部件(108)， 被固定到所述基板(102)，使得所述光电部件的 激活区域(106)与所述通光渠道(104)对齐；和 形成在所述基板(102)中的电路(110)，所述电路 连接到所述光电部件(108)且根据所述光电部件 (108)操作。 (85)PCT国际申请进入国家阶段日 2014.10.16 (86)PCT国际申请的申请数据 PCT/US2012/033798 2012.04.16 (87)PCT国际申请的公布数据 WO2013/158068 EN 2013.10.24 (51)Int.Cl. 权利要求书1页 说明书4页 附图5页 (19)中华人民共和国国家。

3、知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书1页 说明书4页 附图5页 (10)申请公布号 CN 104246569 A CN 104246569 A 1/1页 2 1.一种光学子组件，包括： 通过半导体基板(102)形成的通光渠道(104)； 光电部件(108)，被固定到所述基板(102)，使得所述光电部件的激活区域(106)与所 述通光渠道(104)对齐；和 形成在所述基板(102)中的电路(110)，所述电路连接到所述光电部件(108)且根据所 述光电部件(108)操作。 2.如权利要求1所述的子组件，其中所述光电部件(108)包括光接收设备。 3.如权利要求2所述的子组件，其中所述电路。

4、(110)包括跨阻抗放大器用于放大来自 所述光接收设备的电信号。 4.如权利要求1所述的子组件，其中所述光电部件(108)包括光发射部件。 5.如权利要求4所述的子组件，其中所述电路(110)用于驱动所述光发射部件。 6.如权利要求1所述的子组件，其中所述电路(110)通过固定机构被连接到所述光电 部件(108)，所述固定机构被用于将所述光电部件(108)固定到所述基板(102)。 7.如权利要求1所述的子组件，其中所述电路(110)通过固定机构被连接到不形成在 所述基板内的数字电路。 8.一种用于形成光学子组件的方法，包括： 通过半导体基板(102)形成通光渠道(104)； 在所述半导体基板。

5、(102)中形成电路块(110)，所述电路块(110)与光电部件(108)交 互；和 将所述光电部件(108)固定到所述半导体基板(102)，使得所述光电部件(108)的激活 区域(106)与所述通光渠道(104)对齐并且所述电路块(110)连接到所述光电部件(108)。 9.如权利要求8所述的方法，其中所述光电部件(108)包括光接收设备。 10.如权利要求9所述的方法，其中所述电路块(110)包括跨阻抗放大器用于放大来自 所述光接收设备的电信号。 11.如权利要求8所述的方法，其中所述光电部件(108)包括光发射部件。 12.如权利要求11所述的方法，其中所述电路块(110)用于驱动所述光。

6、发射部件。 13.如权利要求8所述的方法，其中所述电路块(110)通过固定机构被连接到所述光电 部件(108)，所述固定机构被用来将所述光电部件(108)固定到所述基板(102)。 14.如权利要求8所述的方法，其中所述电路块(110)通过固定机构连接到不形成在所 述基板(102)内的数字电路。 15.一种光学子组件，包括： 通过半导体基板(102)形成的通光渠道(104)的阵列； 光电部件(108)，固定到所述基板(102)，使得与所述通光渠道(104)的所述阵列对应 的所述光电部件的激活区域(106)的阵列与所述通光渠道(104)的所述阵列对齐；和 形成在所述基板(102)中的电路块(11。

7、0)的阵列，所述激活区域(106)中的每一个具 有一个电路块(110)，所述电路块(110)连接到所述光电部件(108)且根据所述光电部件 (108)操作。 权 利 要 求 书CN 104246569 A 1/4页 3 集成光学子组件 背景技术 0001 光引擎通常用于以高速率转换电子数据。光引擎包括硬件，用于将电信号转换为 光信号、传输该光信号、接收光信号和将光信号转变回电信号。当电信号被用于调制诸如激 光器等光源设备时，电信号被转变为光信号。来自光源的光随后被耦合到诸如光纤的光传 输介质中。在经由各种光传输介质穿过光学网络并且抵达其目的地之后，光被耦合到诸如 检测器的接收设备中。检测器随后。

8、基于接收到的光信号产生电信号，用于数字处理电路的 使用。 0002 光通信系统经常被用于在诸如电信系统和数据通信系统等各种系统中传输数据。 电信系统经常涉及到在从几英里到几千英里范围的大的地理距离上传输数据。数据通信经 常涉及到传输数据中心的数据。这些系统涉及在从几米至几百米范围的距离上传输数据。 用于将电信号转换为光信号并且将光信号放入诸如纤维光缆的光传输介质中的耦合部件 是相对昂贵的。由于这种昂贵，光学传输系统通常用作网络主干网用于在较大距离上传输 大量数据。 附图说明 0003 附图例示出这里描述的理论的各种示例，且为说明书的一部分。例示的示例仅为 示例，而不限制权利要求的范围。 000。

9、4 图1为示出根据这里描述的理论的一个示例的示例性集成光学子组件的框图。 0005 图2示出根据这里描述的理论的一个示例的带有多通道的示例性集成光学子组 件的框图。 0006 图3A为示出根据这里描述的理论的一个示例的半导体基板的示例性俯视图的框 图，其中半导体基板其上形成有电路。 0007 图3B为示出根据这里描述的理论的一个示例的光电部件的示例性俯视图的框 图，所述光电部件待与图3Aa的半导体基板对齐。 0008 图4为示出根据这里描述的理论的一个示例被连接到印刷电路板的示例性集成 光学子组件的框图。 0009 图5为示出根据这里描述的理论的一个示例用于形成集成光学子组件的示例性 方法的流。

10、程图。 0010 在全部附图中，相同的附图标记指代类似但不必是相同的元件。 具体实施方式 0011 如上面提到的那样，由于将电信号转变为光信号和将光信号转变为电信号的部件 昂贵，光通信系统典型地用作网络中的主干网。然而，光学系统能够向计算机通信提供各种 优势。计算机通信指的是从几厘米至几百厘米范围内的那些计算机通信。因为这种系统的 成本和尺寸原因，在计算机通信中使用光引擎还没有成为普遍。 0012 对于该问题，本说明书公开用于使计算机通信更能接受光学系统的方法和系统。 说 明 书CN 104246569 A 2/4页 4 光学系统能够使用将光学传输介质连接到光电部件的半导体平台。光电部件或者为。

11、光发射 设备或者为光接收设备。光发射设备的示例为垂直腔面发射激光器(VCSEL)。光接收设备 的示例为光敏二极管。 0013 通光渠道(thru optical via)通过平台基板形成。各种对齐技术被用于将光电 部件固定到半导体平台的一侧，使得光电部件的激活区域与通光渠道对齐。激活区域是事 实上发射或接受光的光电部件的一部分。电路被用于根据光学部件而操作。例如，光敏二 极管与跨阻抗放大器协作来放大由光子冲击在光敏二极管上导致的电信号。在光电部件是 光发射设备的情况下，电路被用来驱动该设备。 0014 本说明书公开用于形成电路的方法和系统，其中电路根据直接位于半导体基板上 的光电部件而操作，半。

12、导体基板桥接光电部件和光传输介质。通过使电路形成在半导体基 板内，不需要使用单独的芯片来保持该电路。这允许具有更小和更少成本的光传输系统。 0015 在下面的说明中，为了解释的目的，为了提供对本系统和方法的全面理解，提出了 大量的具体细节。然而，对于本领域技术人员明显的是，本装置、系统和方法可在不具有这 些具体细节的情况下实施。说明书中提及的“示例”或类似语言的含义是结合示例描述的 特定特征、结构或特点包括在至少那一个示例中，但不是必须在其它示例中。在说明书各种 地方中的短语“在一个示例中”或类似短语的各种实例不是必须所有的都指代相同的示例。 0016 在整个该说明书和所附权利要求中，术语“光。

13、电部件”指诸如激光的光源设备或者 诸如检测器的光接收器设备。另外，术语“激活区域”指光电部件的发射光或感应光的实际 部分。例如，在光电部件为源设备的情况下，则激活区域是发射光的实际部件。在光电部件 为接收器设备的情况下，激活区域为被接收的光冲击所在的实际部件。并且，术语“光”指 的是任何类型的电磁辐射。 0017 现在参见附图，图1为示出示例性的集成光学子组件(100)的框图。根据特定示 例性示例，光学子组件(100)包括半导体平台基板(102)。通光渠道(104)被形成为穿过 该半导体基板(102)。光电部件(108)通过固定机构被固定到半导体基板(102)。光电部 件(108)被对齐为使得。

14、光电部件(108)的激活区域(106)与通光渠道(104)对齐。另外， 电路(110)形成在半导体基板(102)内并且连接到光电部件(108)。 0018 半导体基板(102)由诸如硅的半导体材料制成。半导体基板的主要功能是将光电 部件(108)与光学传输介质(未示出)耦合。半导体材料还用来形成集成电路。因此，诸 如晶体管、电容器和电阻器的电子部件能够形成在半导体基板中从而形成集成电路。该集 成电路(110)能够被用于与光电部件(108)协作。 0019 通过半导体基板(102)形成的通光渠道(104)被用于在光电部件(108)的激活区 域(106)与光学传输介质之间引导光。通光渠道可被设计为。

15、用作波导，允许光通过反弹墙 壁而传播。可替代地，通光渠道可被设计为让光直接通过而不从墙壁反弹。 0020 将光电部件(108)固定到半导体基板(102)的方法可为焊接回流过程。在这种 过程中，一组金属垫被形成在半导体基板(102)上。对应的一组金属垫被形成在光电部件 (108)上。焊接凸点随后放置在该组垫中的一个上。此时，焊接凸点还没有完全熔化。而 是，它们处于一状态以便粘结至粘接垫。通过应用适当数量的热，焊接凸点将完全熔化。粘 接垫的尺寸、形状和材料以及焊接凸点的尺寸、形状和材料为使得表面张力将半导体基板 (102)粘接垫与光电部件(108)粘接垫对齐。 说 明 书CN 104246569 。

16、A 3/4页 5 0021 电信号能够穿过固定机构的焊接凸点。因此，用于操作光电部件的电路能够形成 在半导体基板(102)内。例如，由光敏二极管输出的电信号经常在被发送到另一数字处理 电路之前被放大。跨阻抗放大器能够被用于执行该放大过程。这些跨阻抗放大器被形成在 半导体平台基板中，而不是光电部件芯片自身内。跨阻抗放大器随后能够通过用于将光敏 二极管固定到半导体基板(102)的焊接凸点而被连接到光敏二极管。 0022 图2为示出具有多通道的示例性集成光学子组件(200)的框图。典型的光学传输 介质传播多个数据通道。根据某些例示性示例，半导体基板(202)可为每个通道包括通光 渠道(204)。尽管。

17、图2中只例示出了两个通光渠道，实际的半导体基板可具有更大量的通光 渠道(204)。光电部件(212)包括对应数量的激活区域(206)、每个通光渠道(204)有一个 激活区域。激活区域(206)的定位精确地匹配通光渠道(204)的定位。 0023 保持光学传输介质(208)的光学连接器(210)可通过各种方法被固定到半导体基 板(202)的相反侧。光学传输介质的一个示例是光纤。光学连接器(210)定位光纤使得它 们与通光渠道(204)对齐。因此，每个光纤(208)将不同通道的数据传播到其相应的通光 渠道(204)中。 0024 接收或发射光信号的每个激活区域(206)能够被连接到形成在半导体基板。

18、(202) 中的其自己的电路块(214)中。在光电部件(212)是光接收设备的情况下，第一光渠道 (204-1)将第一光信号从第一光学传输介质(208-1)传播到第一光敏二极管(206-1)。该 光敏二极管(206-1)被连接到半导体基板(202)上的跨阻抗放大器电路块(214-1)。 0025 同样地，第二光渠道(204-2)将第二光信号从第二光学传输介质(208-2)传播到 第二光敏二极管(206-2)。该光敏二极管(206-2)被连接到半导体基板上的不同的跨阻抗 放大器电路块(214-2)。跨阻抗放大器电路块(214)随后可传递放大的信号用于进一步 的处理。例如，跨阻抗放大器电路块(21。

19、4)可被连接到处理模块(216)，例如串并转换器 (SerDes)。可替代地，SerDes可集成到基板(202)上。在一些示例中，基板(202)可为专 用集成电路(ASIC)。 0026 图3A为示出半导体基板的例示性俯视图(300)的框图，其中半导体基板上形成有 电路。根据某些例示性示例，通光渠道(306)的阵列形成在半导体基板(302)中。对于每 个通光渠道(306)，具有对应的金属垫(304)用在将光电部件固定到半导体基板(302)的 焊接回流过程中。半导体基板(302)被形成为使得电子迹线从每个金属垫(304)到电路块 (308)。 0027 图3B为示出待与图3A中的半导体基板对齐的。

20、光电部件(312)的例示性俯视图 (310)的框图。根据某些例示性示例，光电部件(312)包括激活区域(314)的阵列。这些激 活区域对应于半导体基板(302)的通光渠道(306)。另外，每个激活区域(314)被电连接到 形成在光电部件上的一组金属垫(316)。这组金属垫对应于半导体基板(302)上的一组金 属垫(304)。 0028 当光电部件(312)被固定到半导体基板(302)时，激活区域(314)变为通过焊 接凸电连接到电路块(308)。例如，在光电部件为接收设备的情况下，响应光从通光渠道 (306)冲击到光敏二极管上，那些光敏二极管的激活区域将接收电信号。这些电信号随后将 行进通过光。

21、电部件上的迹线、通过焊接凸点和通过半导体基板(302)上的迹线到达跨阻抗 放大器电路块(308)。 说 明 书CN 104246569 A 4/4页 6 0029 在光电部件(312)为光发射设备的情况下，VCSEL的激活区域将通过半导体基板 (302)上的迹线、通过焊接凸点和通过光电部件(312)上的迹线从电路块(308)接收电信 号。电路块(308)在这种情况下可被用于驱动被发送到VCSEL的电信号从而适当地调节 VCSEL。 0030 图4为示出连接到印刷电路板(414)的例示性集成光学子组件(400)的框图。如 上所提到的那样，光引擎被用于在光学介质上传输之前将电信号转换为光信号。在抵。

22、达目 的地之后，光信号被转变回电信号。电信号典型地在被转变为光信号之前由处理模块处理。 传输端上的处理模块(418)包括用于格式化电信号从而使之转变为光信号的硬件(即激光 驱动器集成电路)。另外，在接收端(即接收器集成电路)上的处理模块(418)将检测到的 光信号格式化为待被标准数字处理电路使用的格式。 0031 在一个示例中，印刷电路板(414)可被支撑光电部件(404)的散热器材料(416) 包围。在光电部件(404)是光检测设备的情况下，从检测到的光信号产生的电信号能够被 发送通过粘结垫，沿半导体基板(406)到达形成在半导体基板(406)内的电路块(412)。该 电路块(412)可为放。

23、大器电路用于将来自光电部件(404)的光敏二极管的电信号放大。在 被电路块(412)放大之后，放大的信号可穿过用于将半导体基板连接到印刷电路板(414) 的不同的粘接垫组。印刷电路板可进一步包括诸如SerDes的处理模块(418)。 0032 在光电部件(404)为光发射设备的情况下，处理模块(418)可通过将印刷电路板 (418)固定到半导体基板(406)的粘接垫将电信号发送到电路块(412)。电路块(412)内 的驱动器电路随后被用于调制光电部件(404)的VCSEL。这可通过连接光电部件(404)与 半导体基板(406)的粘接垫从电路块(412)发送适当的电信号而完成。VCSEL的激活区。

24、域 随后将被调制的光透射通过对应的通光渠道(408)并且进入光学传输介质中。 0033 图5为示出用于形成集成光学子组件的例示性方法(500)的流程图。根据某些例 示性示例，该方法包括通过半导体基板形成通光渠道(框502)和在半导体基板中形成电路 块(框504)。电路块将与光电部件交互。该方法进一步包括将光电部件固定(框506)到 半导体基板，使得光电部件的激活区域与通光渠道对齐且电路块连接到光电部件。 0034 总之，本说明书公开用于形成电路的方法和系统，其中所述电路根据直接在半导 体基板上的光电部件操作，所述半导体基板桥接光电部件和光学传输介质。通过使电路形 成在半导体基板内，不再需要单独。

25、的芯片来保持所述电路。这使光学传输系统更小和更便 宜。 0035 前述的说明被呈现为仅例示和描述理论的示例。该说明不倾向于穷尽或者将这些 理论限制到公开的任何精确的形式。从上述教导可知很多修改和变型都是可能的。 说 明 书CN 104246569 A 1/5页 7 图1 说 明 书 附 图CN 104246569 A 2/5页 8 图2 说 明 书 附 图CN 104246569 A 3/5页 9 图3A 图3B 说 明 书 附 图CN 104246569 A 4/5页 10 图4 说 明 书 附 图CN 104246569 A 10 5/5页 11 图5 说 明 书 附 图CN 104246569 A 11 。