光子系统及其制造方法与流程

本公开总体上涉及光子系统(还被称为光电系统)，特别地涉及包括光源的光子系统及其制造方法。

背景技术：

光子系统是允许光学信号的生成、传输、处理(例如调制和放大)或转换的系统。特别地，存在使在集成电路的多个芯片之间的信号交换成为可能的光子系统。

通常，光子系统的光学信号由例如激光源的光源生成。激光源通常对应于用于发射光学信号的光子电路，该光子电路与实现光学信号的传输、处理和转换、并且在下文中被称为光子处理电路的其他光子电路不同。在光子发射器电路和光子处理电路之间实现光学耦合。存在用于光学耦合的不同技术，这些技术在光学损耗、拥塞或对未对准的耐受性方面呈现不同的性能。

对于某些应用，期望光子系统包括例如在相同的光子发射器电路上并行操作的多个光学信号源。

技术实现要素：

需要实现在包括多于一个光学信号源的发射器电路与另一个光子电路之间的光学耦合。

一个实施例解决了已知光子系统的缺点中的全部缺点或一些缺点。

一个实施例提供了一种光子系统，其包括具有第一面的第一光子电路和具有第二面的第二光子电路，第二面至少部分地面对第一面，第一光子电路包括第一波导，并且对于每个第一波导，第一光子电路包括至少部分地覆盖第一波导的第二波导，第二波导与第一面接触并且被沉积在第一面和第二面之间，第一波导位于第一面的与第二波导相对的一侧上，在每个第二波导与被所述第二波导覆盖的第一波导之间实现绝热耦合，对于每个第二波导，第二光子电路包括至少部分覆盖第二波导的第三波导，在每个第三波导与被第三波导覆盖的第二波导之间实现绝热耦合，第一光子电路包括从第一面凸起的第一定位设备，并且第二光子电路包括从第二面凸起的第二定位设备，第一定位设备中的至少一个第一定位设备在第一方向上邻接第二定位设备中的一个第二定位设备。

根据一个实施例，每个第一定位设备包括第一表面，该第一表面在垂直于第一方向的第二方向上从第一面凸起。每个第二定位设备包括第二表面，该第二表面在第二方向上从第二面凸起，并且对于与第二定位设备中的一个第二定位设备机械接触的所述第一定位设备，所述第一定位设备的第一表面与所述第二定位设备的第二表面接触。

根据一个实施例，每个第一定位设备包括第一本体和在第一方向上相对于第一本体突出的部分，并且每个第二定位设备包括第二本体和在第一方向上对第二本体进行划分的中空部分。

根据一个实施例，突出部分具有与中空部分至少部分互补的形状。

根据一个实施例，突出部分具有在第一方向上的截面，该截面的面积随着距第一本体的距离增加而减小。

根据一个实施例，第二波导和第一定位设备由相同的材料制成。

根据一个实施例，每个第一定位设备与第二定位设备中的一个第二定位设备机械接触。

根据一个实施例，第一光子电路包括与第一波导一样多的光源。

根据一个实施例，光源是激光源。

根据一个实施例，系统还包括支撑件，第二光子电路被固定到支撑件，并且第一光子电路通过至少一个键合球被固定到支撑件。

一个实施例还提供一种用于制造光子系统的方法，该光子系统包括具有第一面的第一光子电路和具有第二面的第二光子电路，第一光子电路包括第一波导，并且对于每个第一波导，第一光子电路包括至少部分地覆盖第一波导的第二波导，第二波导与第一面接触，第一波导位于第一面的与第二波导相对的一侧，在每个第二波导与被所述第二波导覆盖的第一波导之间实现绝热耦合波导，对于每个第二波导，第二光子电路包括第三波导，第一光子电路包括从第一面凸起的第一定位设备，并且第二光子电路包括从第二面凸起的第二定位设备，方法包括以下步骤：-将第二面定位为至少部分地面对第一面；以及-在第一方向上相对于第二光子电路移动第一光子电路，直到第一定位设备中的至少一个第一定位设备邻接第二定位设备中的一个第二定位设备，每个第三波导因此至少部分地覆盖第二波导中的一个第二波导，在第三波导与被第三波导覆盖的第二波导之间实现绝热耦合。

根据一个实施例，在移动期间，所述第一定位设备与所述第二定位设备机械地协作，以在第三方向上相对于第二光子电路移动第一光子电路，该第三方向相对于第一方向和第二方向倾斜。

根据一个实施例，光子系统还包括支撑件，第二光子电路被固定到支撑件，该方法包括通过至少一个键合球将第一光子电路固定到支撑件。

根据一个实施例，该方法相继包括：移动第一定位设备中的所述至少一个第一定位设备，以便在键合球处于固态时邻接第二定位设备中的所述一个第二定位设备，至少部分地熔化键合球，并且使第一面和第二面靠近在一起。

附图说明

在以下参考附图，通过说明而非限制给出的对特定实施例的描述中，将详细描述上述特征和优点以及其他特征和优点，其中：

图1是光子系统的一个实施例的局部示意性横截面图；

图2是图1中所示的光子系统的一部分的放大截面图；

图3是图示两个波导之间重叠的区域的俯视图；

图4是图示两个波导之间重叠的区域的俯视图；

图5是图1和图2中图示的光子系统的光子发射器电路的局部示意性仰视图；

图6是第一定位设备的一个实施例的透视图；

图7是图1和图2中图示的光子系统的光子处理电路的局部示意性仰视图；

图8是第二定位设备的一个实施例的透视图；

图9是在将光子发射器电路安装在光子处理电路上的方法的一个实施例的步骤处的图5中图示的光子发射器电路和图7中图示的光子处理电路的局部示意性截面俯视图；以及

图10是在将光子发射器电路安装在光子处理电路上的方法的一个实施例的步骤处的图5中图示的光子发射器电路和图7中图示的光子处理电路的局部示意性截面俯视图。

具体实施方式

在各个附图中，相似的特征已经由相似的附图标记指定。特别地，在各个实施例之间共有的结构和/或功能特征可以具有相同的附图标记，并且可以具有相同的结构、尺寸和材料性质。

为了清楚起见，仅详细说明和描述了对于理解本文描述的实施例有用的操作和元件。

在以下公开中，除非另有指示，否则当参考绝对位置修饰词(诸如，术语“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“左”、“右”等)、或相对位置修饰词(诸如，术语“上方”、“下方”、“较高”、“较低”等)、或定向的修饰词(诸如，“水平”、“竖直”等)时，参考的是图中所示的定向或者参考的是在正常使用期间定向的光子电路。

除非另外指定，否则表述“大约”、“近似”、“基本上”和“约”意味着在10％以内，优选在5％以内。对光子电路的材料的折射率的任何参考都应当被理解为是指在光子电路的正常操作期间使用的光学信号的波长折射率。

图1图示了光子系统5的一个实施例。图2是图1的一部分的放大图。光子系统5包括光子发射器电路lic，该光子发射器电路lic包括用于生成至少两个光学信号的光学信号生成器10。根据一个实施例，光学信号生成器10包括至少两个光源。根据一个实施例，每个光源是激光源。可以至少部分地使用iii-v族化合物(即，主要包含至少一个iii族元素和一个v族元素的化合物，例如磷化铟(inp))来实现光子发射器电路lic的光学信号生成器10。而且，可以使用绝缘体上硅(soi)衬底来实现光学信号生成器10。

光子系统5包括至少一个光子处理电路pic，该光子处理电路pic使得可以执行对由光子发射器电路lic发射的光学信号的传输、处理和/或转换的操作。光子发射器电路lic与光子处理电路pic光学耦合。

根据一个实施例，光子处理电路pic例如通过连接元件22(例如铜引脚)被固定到支撑件20。在本实施例中，光子发射器电路lic也例如通过至少一个键合球24被固定到支撑件20。键合球24起到在光子发射器电路lic和支撑件20之间的机械连接元件和电连接元件的作用。

光子系统5还可以包括至少一个集成电路30(例如，asic(专用集成电路))，其可以例如通过连接元件32(特别地，铜引脚)被固定到光子处理电路pic或被固定到支撑件20。光子系统5还可以包括例如由聚合物制成的链接模块34，该链接模块34被固定到光子处理电路pic。链接模块34包括波导，并且使得例如可以将光子系统5链接到未图示的光纤。光子处理电路pic特别地包括波导36、38，波导36、38用于在光子系统5的不同元件之间(特别是在光子发射器电路lic和链接模块34之间)传输光学信号。

支撑件20可以通过连接元件(例如，键合球42)被紧固到印刷电路板40。光子系统5还可以包括壳体44，其在图1中被部分地图示，壳体44封装前述的不同电路。壳体44还可以包括例如与集成电路30链接的热沉46。支撑件20还可以包括导电和横穿过孔，导电和横穿过孔使得可以通过键合球24、42向光子发射器电路lic供电，并且还能够与键合球24、42一起起到用于光子发射器电路lic的热沉的作用。

根据一个实施例，光子发射器电路lic和光子处理电路pic之间的光学耦合是绝热耦合或至少部分绝热。光子发射器电路lic包括界定下面52的至少一个层50。下面52优选是平面的。定义了正交坐标系(oxyz)，轴(oz)垂直于面52延伸，并且平面(oxy)与面52平行。

对于待从光子发射器电路lic传送到光子处理电路pic的每个光学信号，光子处理电路lic包括波导54，波导54至少部分在靠近下面52的层50中延伸。根据一个实施例，每个波导54具有在方向(ox)上延伸的至少一个直线部分。根据一个实施例，层50由具有第一折射率的第一无机电介质材料(例如由氧化物，特别地，氧化硅)制成，并且波导54由具有高于第一折射率的第二折射率的第二无机电介质材料(例如硅(si)、氮化硅(sin)或磷化铟(inp))制成。

对于每个波导54，光子发射器电路lic还包括波导56，波导56在面52之上延伸并且在方向(oz)察看时，至少部分地覆盖波导54。每个波导56可以由聚合物制成，例如由含氢硅酸盐(hsq)类型的无机材料或在光学通信模块中使用的常规有机材料制成。

光子处理电路pic包括界定光子处理电路pic的上面62的至少一个层60。上面62优选是平面的。对于每个波导56，光子处理电路pic包括波导64，波导64至少部分地在靠近上面62的层60中延伸，并且在方向(oz)上察看时，部分地覆盖波导56。根据一个实施例，层60由具有第三折射率的第三无机电介质材料制成，其可以对应于前述的第一无机电介质材料(例如氧化物，特别地氧化硅)，并且波导64由具有高于第三折射率的第四折射率的第四无机电介质材料制成，其可以对应于前述的第二无机电介质材料(例如，si、sin或sion)。根据一个实施例，波导54、波导56和波导64在基本平行的方向上延伸。

形成波导56的材料的折射率在形成波导54的第二材料的折射率和形成波导64的第四材料的折射率之间。

可以在光子处理电路pic和波导56之间沉积胶合材料66(未在图1中图示)。在方向(oz)上测量的光子处理电路pic和波导56之间的胶合材料66的最大厚度优选地小于2μm。胶合材料66具体地可以起到防潮保护层的作用。胶合材料66可以以液体形式实现，并且胶合材料66的硬化可以由其内的化学反应引起。当使用键合球24将光子发射器电路lic固定到光子处理电路pic时，优选地选择胶合材料66，使得其硬化发生在熔化键合球24的步骤之后。

图3是在方向(ox)上的局部示意性图，其图示了波导54中的一个波导和对应的波导56之间重叠的区域。根据一个实施例，每个波导54包括具有矩形恒定截面的部分55，其以具有矩形截面的尖端部分57延长，该尖端部分57的面积减小。尖端部分57覆盖波导56。根据一个实施例，在尖端部分57内，在方向(oy)上测量的波导54的截面的宽度可以从50nm至250nm变化(例如100nm)，并且在方向(oz)上测量的高度可以从75nm至750nm变化。根据一个实施例，每个波导56具有矩形截面，该矩形截面具有恒定尺寸，在方向(oy)上平行于下面52测量的该矩形截面的宽度可以从5μm至10μm变化，并且在方向(oz)上垂直于下面52测量的该矩形截面的高度可以从5μm至10μm变化，例如大约6μm。被沉积在每个波导54和对应的波导56之间的层50的部分的在方向(oz)上测量的厚度可以从50nm至500nm变化。该厚度具体地取决于形成层50和波导54、56的材料，并且取决于波导54、56的尺寸。相邻波导之间的距离在10μm和100μm之间。

图4是在方向(ox)上的局部示意性图，其图示了波导64中的一个波导64和对应的波导56之间重叠的区域。根据一个实施例，每个波导64包括具有矩形恒定截面的部分65，其以具有矩形截面的尖端部分67延长，该尖端部分67的面积减小。波导56覆盖尖端部分67。根据一个实施例，在绝热耦合的区域内，在方向(oy)上测量的波导64的截面的宽度可以从50nm至250nm变化(例如100nm)，并且在方向(oz)上测量的高度可以从75nm至750nm变化(例如，大约600nm)。被沉积在每个波导64和对应的波导56之间的层60的部分的在方向(oz)上测量的厚度可以从25nm至100nm变化。该厚度具体地取决于形成层60和波导64、56的材料，并且取决于波导64、66的尺寸。两个相邻波导64之间的距离在10μm和100μm之间。

图5是光子发射器电路lic的一部分的仰视图。作为示例，在该图中图示了十个波导56，并且部分地图示了十个相关联的波导54。每个波导56覆盖相关联的波导54的一部分。优选地，每个波导56是直线的并且在方向(ox)上延伸，并且每个波导54包括在方向(ox)上延伸的直线部分。每个波导56在方向(ox)上的长度可以从2mm至6mm变化。每个波导56和相关联的波导54之间在方向(ox)上重叠的长度可以从1mm至3mm变化。

光子发射器电路lic还包括位于面52上的第一定位设备70。根据一个实施例，第一定位设备70可以由与波导56相同的材料制成。优选地，第一定位设备70与波导56同时形成。根据一个实施例，在方向(oz)上测量的每个第一定位设备70的高度小于或等于(优选地等于)在方向(oz)上测量的每个波导56的高度。优选地，第一定位设备70具有相同的形状。

图6是第一定位设备70的一个实施例的透视图。根据一个实施例，第一定位设备70包括本体72和在方向(ox)上相对于本体72突出的突出部分74。根据一个实施例，在方向(oz)上的突出部分74的截面基本恒定并且具有例如三角形的尖端形状。提供本体72的尺寸以便确保第一定位设备70适当地固定到面52。根据一个实施例，在垂直于方向(ox)的平面中的本体72的截面对应于矩形，该矩形的长边在100μm和1mm之间。

图7是光子处理电路pic的一部分的俯视图。作为示例，在该图中图示了十个波导64。每个波导56(未在图7中图示)覆盖相关联的波导64的一部分。优选地，每个波导64包括在方向(ox)上延伸的至少一个直线部分。根据一个实施例，波导56和相关联的波导64之间重叠的区域的长度可以从1mm至3mm变化。

光子处理电路pic还包括位于上面62上的第二定位设备80。根据一个实施例，第二定位设备80可以由与第一定位设备相同的材料制成，或者可以由与第一定位设备不同的材料制成。根据一个实施例，在方向(oz)上测量的每个第一定位设备80的高度小于或等于(优选地等于)在方向(oz)上测量的每个波导56的高度。优选地，第二定位设备80具有相同的形状。第二定位设备80的数目等于第一定位设备70的数目。根据一个实施例，第一定位设备70的数目可以根据定位设备70的尺寸从2至6变化。

图8是第二定位设备80的一个实施例的透视图。根据一个实施例，第二定位设备80包括本体82和对本体82进行划分的中空部分84。根据一个实施例，第二定位设备80的中空部分84具有至少部分地与第一定位设备70的突出部分74互补的形状。根据一个实施例，如图8中所图示的，在方向(oz)上的中空部分84的截面具有“v”形状，并且例如对应于三角形。提供本体82的尺寸，以便确保将第二定位设备80适当地固定到面62。根据一个实施例，在方向(ox)上的本体82的截面对应于矩形，该矩形的长边在100μm和1mm之间。

图9和图10图示了用于将光子发射器电路lic固定到光子处理电路pic的方法。出于说明的目的，光子发射器电路lic和光子处理电路pic以俯视图示意性地图示并且被叠加。

图9图示了当使光子发射器电路lic靠近光子处理电路pic时获得的结构，光子发射器电路lic的下面52至少部分地覆盖光子处理电路pic的上面62，其中pic侧上存在未图示的胶合材料66。在该步骤中，光子发射器电路lic相对于光子处理电路pic的定位使得每个第一定位设备70位于定位设备80中的一个定位设备80的对面。在该步骤中，降低了对与波导56相对于波导64的对准有关的限制。

图10图示了在方向(ox)上相对于光子处理电路pic移动光子发射器电路lic直到每个第一定位设备70的突出部分74穿过相关联的第二定位设备80的中空部分84之后获得的结构。通过继续光子发射器电路lic在方向(ox)上相对于光子处理电路pic的移动，每个第一定位设备70的突出部分74与第二定位设备80的中空部分84协作，这会进一步引起光子发射器电路lic在方向(oy)上相对于光子处理电路pic的相对移动，直到每个第一定位设备70邻接相关联的第二定位设备80。在方向(ox)和(oy)上自动地实现相对于光子处理电路pic的光子发射器电路lic的精确定位。

根据一个实施例，通过抵靠光子处理电路pic支撑光子发射器电路lic，光子发射极电路lic与光子处理电路pic的上面62接触，来实现光子发射器电路lic在方向(oz)上相对于光子处理电路pic的定位。键合球24可以用于光子发射器电路lic和支撑件20之间的机械和电链接。因此，将光子发射器电路lic固定到光子处理电路pic包括熔化键合球24的步骤，在此期间，键合球24变形。在熔化步骤之前，键合球24的尺寸可能不允许抵靠光子处理电路pic支撑光子发射器电路lic。根据一个实施例，在方向(oz)上测量的第一定位设备70的高度和相关联的第二定位设备80的高度使得：在熔化键合球的步骤之前，第一定位设备70可以与第二定位设备80协作。由此可以实现光子发射器电路lic在方向(ox)和(oy)上相对于光子处理电路pic的定位。在熔化期间，在光子发射器电路lic的重量的作用下，键合球24可以变形，使得光子发射器电路lic在方向(oz)上相对于光子处理电路pic移动，直到光子发射器电路lic抵靠光子处理电路pic被支撑。因此，实现了光子发射器电路lic在方向(oz)上相对于光子处理电路pic的定位。

前述实施例的优点在于，在将光子发射器电路lic安装在光子处理电路pic上期间，以被动的方式自动地实现了光子发射器电路lic与光子处理电路pic之间的适当对准。因此，与边缘耦合或表面耦合机构相反，通过所实施的绝热耦合机构，光子发射器电路lic和光子处理电路pic之间的耦合表现出低的光学损耗。而且，由于在光子发射器电路lic和光子处理电路pic之间同时耦合了多个光学信号，因此减少了光学耦合的区域的拥塞。

已经描述了各种实施例和变型。本领域技术人员将理解，可以组合这些实施例的某些特征，并且本领域技术人员将容易想到其他变型。特别地，尽管已经描述了用于在光子发射器电路和光子处理电路pic之间进行光学耦合的几个实施例，但是显然这些实施例可以被实施以便实现任何类型的光子电路之间的光学耦合，例如两个光子处理电路之间的光学耦合。而且，尽管具有突出部分74的第一定位设备70在上述实施例中被图示为形成在光子发射器电路lic上，并且具有中空部分84的第二定位设备80被图示为形成在光子处理电路pic上，显然，可以提供相反的布置，即，具有突出部分74的第一定位设备70形成在光子处理电路pic上，并且具有中空部分84的第二定位设备80形成在光子发射器电路lic上。而且，尽管已经描述了其中第一定位设备70的突出部分74具有三角形截面并且第二定位设备80的中空部分84具有三角形截面的实施例，但是显然，突出部分74和中空部分84可以具有不同的形状，只要：这些部分在突出部分74在方向(ox)上穿过中空部分84时允许在方向(oy)上相对于中空部分84自动居中突出部分74，并且在突出部分74充分穿过中空部分84时允许在方向(ox)和(oy)上相对于中空部分84阻挡突出部分74。例如，中空部分84和突出部分74可以均具有带有弯曲臂(例如圆的圆弧的形式)的“v”的形式的截面。

最后，基于上文提供的功能描述，本文描述的实施例和变型的实际实施方式在本领域技术人员的能力范围内。

可以将上述各种实施例组合以提供另外的实施例。可以根据以上详细描述对实施例进行这些和其他改变。通常，在随附权利要求中，所使用的术语不应当解释为将权利要求限制为说明书和权利要求书中公开的特定实施例，而是应当被解释为包括所有可能的实施例以及这种权利要求被赋予的等同方案的全部范围。因此，权利要求不受公开内容的限制。