专利名称：光纤与面型光电芯片的耦合方法及其结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种光纤通信领域半导体光电子器件及其组件的制造加 工，特別涉及的是一种光纤与面型光电芯片的耦合方法及其结构。
背景技术：
对于半导体光探测器、发射器及其组件的核心功能部件光电转换芯片以下 简称"光电芯片"而言，其执行光电之间的能量、信号转换，而光能量本身位于特 定波长范围的波段。光电芯片由多层半导体材料层叠而成，根据需要其进、出光方向既可以设计成平行于这些工作平面-即侧面进、出光类型；又可以设计 成垂直于这些工作平面-即表面进、出光类型。对于侧面进出光类型而言，由 于光路较长，因此通常设计成波导结构，以防止光的弥散；对于表面进出光类 型主要是考虑限制光发射或接收区域的范围大小。 一类特殊的芯片结构是在波 导型的 一端集成制作一个45度斜反射面如通过化学腐蚀的方法在波导的 一端腐 蚀出该斜面，从而将侧面进、出光类型转变成表面进、出光类型。我们把以上 这些表面进、出光的类型统称为"面型"。下面以常规的，也是最常见的一种面型芯片-面型光探测器的光电二极管 芯片英文简称为"PD"为例，对本发明予以说明。常规面型光电芯片100的结构 如图l所示，其包括光接收面110，又称光敏面，由相应的半导体工艺形成， 通常为一定大小的圓形区域；光敏面110四周附着金属电极120以形成与光敏 面功能材料的电接触，并在附近形成一个用于引线连接的金属电极130。光敏面 110所在表面为面型光电芯片100的正面，另一面为芯片的基底材料140,整个 芯片正是在基底之上经由特殊的材料制备工艺形成多层的半导体复合材料150， 基底这一面称之为背面。半导体材料150与金属电极130之间为绝缘介质材料 160。对于这种面型光电芯片100,其进光方式有两种， 一种是正面进入，另一 种是背面进入，由不同的应用要求来决定。对于通常的面型光发射芯片，如面 型发光二极管LED，或垂直腔面发射激光器VCSEL二极管，其大体结构形式与 图1所示的面型光探测器的光电二极管芯片类似，出光方向包括正面出光和背面出光两种。继续以图1所示的面型光电二极管芯片为例。由于这种进光方式的特点， 光纤与面型光电芯片100的耦合通常采取光纤轴与光敏面垂直的形式。这是最 直接的耦合方式，许多单独的面型光电二极管芯片器件即釆用这种简单结构， 结合采用相应的封装形式。然而，在某些限定封装形式、尤其是面型光电二极 管芯片和其它元件一起构成组件应用的情况下，如果仍保持这种光纤垂直于面 型光电二极管芯片的形式，则会对其它相关组装和封装工作造成很大障碍，甚 至无法进行。因此，有必要进行另一种结构的光纤耦合方式，以解决这个矛盾。 请参阅图2所示的，其为一种已经被业界采用的，45度斜面光纤170与面型光 电芯片100耦合的方式。它应用于一种称为"蝶形"管壳190的封装形式；请参阅如图3所示，由于面型光电芯片100与其它关联的电子芯片200、以 及与印刷电路板210之间通过金丝键合引线220连接，面型光电芯片100需要 平放于基板210之上，而光纤170从水平的方向引入到管壳190内，由此光纤 轴与面型光电芯片IOO表面为平行放置。为解决这种情况下光纤170与面型光 电芯片IOO间的耦合问题，采取了在光纤端面制作45度斜反射面180的方法， 使沿光纤水平方向传输的光经端面反射后转向下输出。然而，在已有的这种45度斜面纤170与面型光电芯片IOO耦合的形式中， 存在着一些难以克服的工艺性问题。这主要表现在光纤170位置的调整、以及 最佳耦合位置的稳定上。在现实的产品生产中，它体现为产品生产效率、成品 率、及可靠性三大问题。对于光纤170位置的调整，由于光纤端面在空间上基 本没有限制，因此它的最佳耦合位置的调整需花费一定时间。最大的问题在于， 这种最佳位置的调整受到光纤固定工艺的影响，光纤的固定通常是在其外包裹 一层紧密粘连的金属套管230称为光纤的"金属化"，然后将该套管230焊制在管 壳上的光纤通孔240内。焊接造成的温度变化引起热胀冷缩效应以及其它受影 响的应力作用，导致光纤170的位置在焊制过程中容易发生移动，而偏离最佳 耦合的位置。这种问题导致的结果是进行耦合最佳状态调整的工序时间被延长， 且容易出现不合格品。以上这些工作都是在"有源"的方式下，以手工操作进行， 即让器件处于通电工作的状态， 一边手工调整， 一边观察输出在检测仪器上的 结果，这样使加工的效率过低。而另一方面，当耦合、固定好的器件..组件产 品，在进行温度变化过程下的可靠性检验时，也同样容易因相同的因素致使耦 合位置的偏离而导致不合格。对于不合格品，需要进行退出光纤，重新耦合。这种情况对于光敏面110较小，因而对位置偏离十分敏感的高速器件，尤为严 重。鉴于上述诸多缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和试验终于获得解决 问题的方案。发明内容本发明的目的在于，提供一种光纤与面型光电芯片的耦合方法及其结构， 用以克服上述缺陷。为实现上述目的，本发明采用的技术方案在于，首先提供一种光纤与面型光电芯片的耦合方法，其包括的步骤在于在一基板上制作一凹槽，将一光纤设置在所述凹槽的指定位置上； 将 一 面型光电芯片与所述的基板位置相对固定；将所述的光纤的 一 端加工成斜面，使经过所述的斜面发生全反射的光线投 射到所述的面型光电芯片的工作表面。较佳的，所述的面型光电芯片设置在所迷的基板上，所述的面型光电芯片 的工作表面朝向所述凹槽。较佳的，对于正面进、出光类型的面型光电芯片釆用芯片倒装工艺，使所 述光电芯片的正面朝下放置；对于背面进、出光类型的面型光电芯片直接使所 述光电芯片正面朝上放置。较佳的，所述凹槽的指定位置是通过在所述凹槽上制作图形对准标记进行 预先设定，用以确定光纤设置在所述凹槽中的纵向位置。较佳的，在安装精度低的情况下，所述的光纤与所述面型光电芯片间光耦 合的效果，通过沿凹槽的纵向移动光纤和/或使所述光纤围绕自身轴旋转，来调 整和优化。其次提供一种光纤与面型光电芯片的耦合结构，其用以实现上述的光纤与 面型光电芯片的耦合方法，其包括 一基板，其上具有一凹槽；一面型光电芯片，其所设置的位置与所述的基板的位置相对固定； 一光纤，其设置在所述的凹槽内指定位置上，所述的光纤一端具有一斜面， 使经过所述的斜面发生全反射的光线投射到所述的面型光电芯片的工作表面。 较佳的，所述凹槽的指定位置是通过在所述凹槽上制作國形对准标记进行预先设定，用以确定光纤设置在所述凹槽中的纵向位置。较佳的，在安装精度低的情况下，所述的光纤与所述面型光电芯片间光耦 合的效果，通过沿凹槽的纵向移动光纤和/或使所述光纤围绕自身轴旋转，来调 整和优化。所述的面型光电芯片为面型光探测器芯片、面型光发射器芯片或面接收/发 射类型的波导型光探测器/发射器芯片。与现有技术比较本发明的有益效果在于，首先，通过一种简洁的光纤和芯 片装配、固定的方式，以解决现有相关耦合工艺中耦合难度高和稳定性差的问题。其次，通过预先精确设定光纤和光电芯片位置关系，提供一种可用于无源 方式组装的光纤与面型光电芯片耦合的方法，可实现低成本和规模化的光电器 件及组件产品的组装、生产，所述的耦合方法将有助于使相关的工序实现自动化，改变原有单一靠手工操作的局面；最后，通过采用芯片倒装的形式，可用于解决高速光电器件及其组件在封 装中面临的 一些关键性技术问题。
图1为现有的面型光探测器芯片结构的立体示意图；图2为现有技术中光纤与面型光探测器芯片耦合结构实施例的侧视示意图； 图3为现有技术中采用图2耦合结构的蝶形管壳封装结构实施例的立体示 意图；图4为本发明所述的光纤与面型光电芯片耦合方法的流程图；图5A为本发明所述的光纤与面型光电芯片耦合结构的立体分解示意图；图5B为本发明所述的光纤与面型光电芯片耦合结构的侧视示意图。
具体实施方式
以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。 请参阅图4所示，其为本发明所述的光纤与面型光电芯片耦合方法的流程 图；其包括的步骤为步骤a:在一基板上制作一凹槽，将一光纤设置在所述凹槽的指定位置上； 步骤b:将一面型光电芯片与所述的基板位置相对固定；步骤C:将所述的光纤的一端加工成斜面，使经过所述的斜面发生全反射的 光线投射到所述的面型光电芯片的工作表面。对于上述的步骤a而言，根据机械加工中的定位理论，任何一不受约束的 空间自由物体都具有6个自由度，因此通过设置不同限位特性的定位件实现对 相应运动的限制，对于设置有凹槽的基板而言，这种凹槽可以是V型的，也可 以是圆弧型U型的，或矩形的，其主要目的是通过线接触从而限制了光纤的4 个自由度，从而在进行定位之后，即使将光纤用金属套管包覆所述的光纤与管 壳上的光纤通孔以焊料进行焊接，也不会造成其他自由度对定位的影响；同时 将所述的面型光电芯片与所述的基板位置相对固定，确保所述的光纤出射的光 能够投射到所述的面型光电芯片的工作表面，最终达到最佳的耦合效果。请参阅图5A所示，其为本发明所述的光纤与面型光电芯片耦合结构的立体 分解示意图，所述的光纤与面型光电芯片耦合结构包括 一基板250,其上具有 一凹槽260; —面型光电芯片100,其所设置的位置与所述的基板250的位置相 对固定，其一实施例是将所述的面型光电芯片100与基板250上的电路采用金 属焊料或导电胶等物质280进行连接(请参阅图5B所示)，从而取代引线连接； 以及一光纤170，其设置在所述的凹槽260内指定位置上，所述的光纤170—端 具有一斜面，所述的斜面根据具体的全反射情况可以设置成45度，但也可以根 据具体的需要改变斜面的角度。使经过所述的斜面发生全反射的光线投射到所 述的面型光电芯片IOO的工作表面。为了确保能够达到光纤170和面型光电芯片100间的"无源"对准组装方式， 所述的凹槽260必须提供对光纤170横向截面位置的精确限定，它通过严格设 计凹槽的横截面形状来实现，与此同时通过在所述凹槽260上制作图形对准标 记270预先设定光纤170在所述凹槽260中的纵向位置；使所述的面型光电芯 片100准确安装于基板250上的相应位置，从而实现面型光电芯片100与耦合 光纤170的自然对准。这点对本发明的应用意义是至关重要的， 一方面其关系 到光纤170与面型光电芯片100无源自动化耦合的实现，同时涉及光路设计上 的精确要求，如光纤170的纤芯到面型光电芯片100进、出光面之间距离的控 制，因为从光纤170出来的光具有发散性质。对于面型光电芯片IOO与所述的 基板250间的设置问题，采用的精确放置方法，业界已有完善的自动化设备可 以实现，称为芯片的"倒装"技术。所述的光纤170在定位后可以通过粘接(如采 用简单的树脂胶固定)，或者其它已有连接方式和所述的凹槽260实现固定连接，进而将剩余的两个自由度也进行了限制。虽然上述方法已然可以实现无源的自动组装，但是在安装精度较低的情况 下，所述的光纤170与所述面型光电芯片100间光耦合的效果，可能仍然需要通过沿凹槽260的纵向移动光纤170和/或使所述光纤170围绕自身轴旋转，来 调整和优化，在一定情况下增加了本发明在方法上和结构上的灵活性。需要说 明的是本发明所述的面型光电芯片适用于面型光探测器芯片、面型光发射器芯 片或面接收/发射类型的波导型光探测器/发射器芯片。本发明光纤与面型光电芯片的耦合方法及其结构可以应用于多种需要实现 耦合的场合，以图3中的蝶形管壳封装结构为例，本发明所反映出的优点在于1使用特定形状、尺寸的凹槽260限制光纤170的空间位置，使光纤170只 在沿凹槽260纵向的位置具有平移自由度，沿横向的位置被精确限定。这种方 式不仅可以减少光纤170位置调节的变量数目，同时可消除或极大地减小因其 它部位的变化而造成对光纤170位置、耦合状态的影响。2光纤170沿凹槽260纵向位置的设定，可通过在基板250上制作某些图形 对准标记270，或者参考其它位置处的对准标记进行。这种方式使光纤170与面 型光电芯片100间的"无源"对准组装方式成为可能。3由于凹槽260本身对光纤170形成的良好限制，这种固定过程对耦合结果 的影响将减至最小。在光纤170已经被基板250固定的情况下，光纤170的金 属套管230于管壳通孔240处的焊接将成为一个与耦合过程相独立的工序，因 此也不再对耦合结果的稳定性、可靠性造成影响。4无源对准组装方式还包括面型光电芯片IOO位置的精确设定，它可通过在 面型光电芯片100和基板250上分别制作图形对准标记270来实现，这样，采 用面型光电芯片100倒装的方式， 一方面形成所需的耦合结构，另一方面又可 同时实现相关精密操作的自动化，解决了人为因素的影响。5除无源组装方式外，在需要时也可结合有源的方式，使光纤170沿凹槽 260纵向进行调节，并观察输出结果达到最佳。在这种情形下，由于光纤只有一 个待定的位置变量不考虑对转动的调整下，因而耦合过程也将变得十分迅捷。以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非 限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可 对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
权利要求
1、一种光纤与面型光电芯片的耦合方法，其特征在于，在一基板上制作一凹槽，将一光纤设置在所述凹槽的指定位置上；将一面型光电芯片与所述的基板位置相对固定；将所述的光纤的一端加工成斜面，使经过所述的斜面发生全反射的光线投射到所述的面型光电芯片的工作表面。
2、 根据权利要求1所述的光纤与面型光电芯片的耦合方法，其特征在于， 所述的面型光电芯片设置在所述的基板上，所述的面型光电芯片的工作表面朝 向所述凹槽。
3、 根据权利要求2所述的光纤与面型光电芯片的耦合方法，其特征在于， 对于正面进、出光类型的面型光电芯片采用芯片倒装工艺，使所述光电芯片的 正面朝下放置；对于背面进、出光类型的面型光电芯片直接使所述光电芯片正 面朝上放置。
4、 根据权利要求1所述的光纤与面型光电芯片的耦合方法，其特征在于， 所述凹槽的指定位置是通过在所述凹槽上制作图形对准标记进行预先设定，用 以确定光纤设置在所述凹槽中的纵向位置。
5、 根据权利要求4所述的光纤与面型光电芯片的耦合方法，其特征在于， 在安装精度低的情况下，所述的光纤与所述面型光电芯片间光耦合的效果，通 过沿凹槽的纵向移动光纤和/或使所述光纤围绕自身轴旋转，来调整和优化。
6、 一种光纤与面型光电芯片的耦合结构，其用以实现上述的光纤与面型光 电芯片的耦合方法，其特征在于，其包括一基板，其上具有一凹槽；一面型光电芯片，其所设置的位置与所述的基板的位置相对固定； 一光纤，其设置在所述的凹槽内指定位置上，所述的光纤一端具有一斜面， 使经过所述的斜面发生全反射的光线投射到所述的面型光电芯片的工作表面。
7、 根据权利要求6所述的光纤与面型光电芯片的耦合结构，其特征在于， 所述凹槽的指定位置是通过在所述凹槽上制作图形对准标记进行预先设定，用 以确定光纤设置在所述凹槽中的纵向位置。
8、 根据权利要求6所述的光纤与面型光电芯片的耦合结构，其特征在于， 在安装精度低的情况下，所述的光纤与所述面型光电芯片间光耦合的效果，通过沿凹槽的纵向移动光纤和/或使所述光纤围绕自身轴旋转，来调整和优化。
9、根据权利要求6- 8其中任一项光纤与面型光电芯片的耦合结构，其特 征在于，所述的面型光电芯片为面型光探测器芯片、面型光发射器芯片或面接 收/发射类型的波导型光探测器/发射器芯片。
全文摘要
本发明为一种光纤与面型光电芯片的耦合方法及其结构，其方案是在一基板上制作一凹槽，将一光纤设置在所述凹槽的指定位置上；将一面型光电芯片与所述的基板位置相对固定；将所述的光纤的一端加工成斜面，使经过所述的斜面发生全反射的光线投射到所述的面型光电芯片的工作表面。
文档编号G02B6/42GK101226261SQ20081000593
公开日2008年7月23日 申请日期2008年2月18日 优先权日2008年2月18日
发明者丹 周 申请人:武汉电信器件有限公司