组装式光学装置的制作方法

专利名称：组装式光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一光学装置的组装，使之对准一光学纤维。
光学纤维与光学装置中的其它元件精确对准的重要性是众所周知的。例如在诸如发射机或接收器之类的光电装置中，一光学纤维与一激光器或接收器芯片的对准是获得最佳光能耦合所必需的。对于发射机而言这是尤为实际的，例如好的光学耦合使激光器能利用最小电流进行工作，因而减少激光发射过程中产生的热和延长激光器的寿命。由激光器传热所带来的热膨胀问题也减少了，而且在某些应用场合通过免除对热电冷却剂的需要而降低了封装成本。
在制造中，为了获得最佳耦合，纤维不仅要在三维坐标上对准，而且该对准还必须由一刚性固定装置来固定，且在固定或后续加工过程中还不能为收缩力所改变。例如对于单一波形的纤维，最终对准一般必须控制以下范围内，纤维径向正负1.5微米，轴向1～2微米。
传统情况下，诸如激光器这种环境敏感元件的封装都是气密密封的，以便为该元件提供一个封闭和受保护的环境。通常是通过合适的馈通连接将通讯光学纤维导入该封装内。在制造中，首先将纤维插入馈通装置，然后将该馈通装置固定在该封装上。随后将纤维处于封装内的部分与激光器或其它元件对准，且单独固定就位。例如专利文件US4615031中公开的一种制造技术，是用焊接在封装内纤维上的锚夹进行对准固定。
一种类似的封装光学装置的方法描述于欧洲专利申请EP-A-0286319中，其中一光学纤维密封在一馈通管内，后者通过封装壁上的一个孔与一激光器对准。该馈通管有两个支撑点，安装在封装的一内表面，在该处该管可进行调整以便将其对准光学装置。该纤维实际是与激光器进行光学对准，即激励激光器且随着纤维相对于激光器的位置的改变监测沿纤维通过的光的强度。当得到最佳的对准时，将该管固定，使其相对于激光器呈固定的位置关系。采用这种方法要求封装和封装壁不因温度变化而变形，否则该纤维和光学装置可能脱离光学对准。
封装光学装置的成本是推广一种FTTH(光纤入户)远程通讯网络的关键经济障碍之一，因为该装置在要安装在用户房屋内的设备的费用中占很大的比例。特别明显的是光电元件及组件，例如组装式半导体激光器的成本。诸如组装式半导体激光器的成本中最大的部分来自该装置的封装，而不是激光器本身的成本。一项主要的封装费用是容纳激光器所需的外封装或外壳以及为了防止激光器受到潮湿和其它杂质的影响而与该外封或外壳相关的密封要求。封装成本的另一项是为了使光学纤维与半导体激光器对准而需要采用主动的纤维对准技术(即在对准过程中主动监测射入纤维的激光所需的技术)。
只是为了便于说明，下文所涉及的是一激光器相对于一光学纤维对准的特殊情况。但是对于那些本技术领域的专业人上可以看出，本发明同样适用于光学纤维与其它光学装置的对准，例如探测器、调光器、放大器、滤光器等。
根据一第一方面，本发明提供了一种组装式半导体激光器，其包括一个半导体激光器；一个光学纤维；以及一个支撑件，该激光器承载于该支撑件，其中该光学纤维通过支撑件与激光器保持光学耦合关系，且该激光器装置安装在支撑件外。
光学纤维最好是用一指数匹配的粘合剂，例如环氧树脂基粘合剂粘接在激光器的刻面上。该纤维可以直接粘接于激光器的刻面，这种情况下在纤维和激光器刻面之间只有一薄层粘合剂。另一种情况，纤维可以间接地粘接在激光器的刻面上，例如在纤维和激光器刻面之间粘接一个透镜或其它传送光装置。纤维与刻面的结合，无论直接还是间接，均减弱了刻面和纤维之间所不希望有的反射。
另一方面，刻面与光学纤维之间的反射也可通过已知的方法来减弱，例如，在光学纤维的端部构造一个透镜，在纤维的端部涂上防反射涂层，或在纤维的端部打磨一个角度。但是，采用粘合剂的方法有提高组件附加强度的优点。
最好是采用一大NA(数值口径)纤维提高激光器刻面和光学纤维之间的耦合效率，例如用一NA(数值口径)大于0.25的纤维(相比之下标准纤维的NA(数值口径)约为0.1)，其接收角能更好地与激光器的发射光束角，典型情况下30°×40°匹配。
另一方面，通过采用大尺寸光点激光器(如我们1994年2月24日提交的、共同未决的欧洲专利申请94301309.4号所述)，对准公差、及随之带来的激光器刻面和光学纤维之间的耦合效率得以提高，该激光器具有大尺寸光点输出发射光束，此光束与标准单波形远程通讯光学纤维(标准单波形远程通讯光学纤维的光点尺寸在波长1.55μm下大约为10μm，而典型的双异构半导体激光器在输出刻面的光点尺寸为1.0μm×1.5μm)更加紧密匹配。大光点尺寸半导体激光器采用一波导结构制造，这种结构已进行了改进，以提供在典型情况下大于标准半导体激光器且发散较少的输出。
一大NA(数值口径)纤维和一大尺寸光点激光器可联合使用，但是发明人已经表明，对于本发明使用大尺寸光点激光器结合标准远程通讯光学纤维提供了极好的耦合效率，高达66％。
支撑件的一个目的是使光学纤维与激光器保持精确的光学对准。这可以通过多种方式实现，例如该支撑件可以包括一个基体，在其一个表面上形成一个精密的V形槽参照面。该精密V形槽最好用腐蚀法，特别是通过腐蚀一单晶基体制成。光学纤维就固定在该V形槽内，保持该光学纤维的对准。另一方面，通过在纤维上反向布置一个带V形槽的基体，使这种组件得以加强。激光器应根据支撑件上的一第二参照面与光学纤维保持光学耦合的关系。或者，该支撑件可以是一个精密的套筒，其中容纳光学纤维，以保持其对准。套筒内芯的内表面为光学纤维提供了一个参照面。其它固定光学纤维的方法从本发明的角度看是显而易见的。
在本发明的一优选实施例中，该支撑件是一个陶瓷套管，其尺寸精度足以作为激光器的一基体，且在套管芯中有一个参照面，为光学纤维提供一精确的支撑。套管的凸缘用作对准激光器与光学纤维的参照面。
另一方面，该支撑件可在一硅基体内用显微加工制成，其中支撑件上的激光器的对准通过在一参照面上用平印掩模和蚀刻技术制造一个典型情况下包括SiO2的对准凸耳来实现，它对激光器相对于由支撑件所保持的纤维的端头的定位起导向作用。该经显微加工的基体还可提供一套筒状结构，以容纳光学纤维，或者它也可是一V形槽基体。
一般情况下，半导体激光器需要一散热装置来发散操作过程中所产生的热。最好是该支撑件自身作为一合适的散热装置。另一方面，激光器可安装于一装置安装架上，它本身与支撑件相联，而该装置安装架自己或与支撑件一同作为散热装置。一装置安装架散热装置典型情况下可以是传统类型的，例如一包含镀金钻石的类型，激光器安装其上。但是，典型情况下通过用例如覆有一钻石的基体或诸如氮化铝或类似导热材料的一化合物来代替钻石可以降低成本。
半导体激光器的电触点最好是与支撑件连成整体的。该触点最好也与PCB板插销(与支撑件成整体)相连，以使整个组装好的装置易于安装在一标准PCB结构上。
在使用中，激光器设有某种形式的低成本的保护罩，以防止其受到潮湿和其它杂质的侵害。在本发明的优选实施例中，激光器涂有硅树脂密封胶，它起一保护罩的作用。发明人已经令人惊奇地指出，甚至用于远程通讯领域(该领域对寿命要求严格)，硅树脂密封胶也能足够好地防止激光器受到潮湿和其它杂质的侵害，以至于不需要将激光器装在一密封盒内，这样省去了现有的组装生产中一项主要的包装费用。
在本发明的实施例中，该保护罩，例如硅树脂密封胶在光学装置和光学纤维之间是指数匹配的，且起到替代指数匹配粘接剂而将该纤维粘接到该装置上的作用。
根据一第二方面，本发明提供了一种组装一半导体激光器的方法，该方法包括，将一半导体激光器定位并安装在一支撑件上，将一光学纤维的一端部固定在该支撑件上，使该半导体激光器定位于该支撑件外侧且与该光学纤维呈光学耦合关系。
该方法最好还包括用一指数匹配粘接剂将光学纤维的端部粘接在激光器的一刻面上的步骤。该粘接剂最好是一种无需加热即可固化的粘接剂，例如紫外线固化粘接剂。
在一半导体激光器的情况下，为了精确地对该半导体激光器和所安装的装置进行对准，主动对准可采用这样的方式，即启动激光器，且利用激光束将元件相对于例如光学纤维支撑件上的一孔的中心定位，当得到正确的定位时，该激光束即照射到例如一光学传感器上。
或者，该激光器可由一机械对准系统被动地定位且粘接在该位置上。为了得到精确的定位，该激光器最好粘接在支撑件上的对准部件上，例如一个或多个槽、边缘、台肩或凸缘。
该激光器可以手动定位于支撑件上，或者最好是由一自动置放粘接机来定位，在将激光器粘接到支撑件的过程中，它可给激光器施加压力，迫使其压靠在支撑件的对准部件上。
被动对准技术的一个缺点是，自激光器本体的一对准边缘至激光器台面的位置的距离对激光器与光学纤维的对准有严重影响。例如，如果自对准边缘至作用区的距离只能限定在微米级精度，那么采用被动对准技术可能没有以足够的精度使光学纤维与激光器作用区光学对准的可能性，特别是当该光学纤维为单一波形时。
迄今为止，对于制造尺寸精确的激光器芯块，技术水平只达到1微米的精度。一般而言，基体的尺寸限定了激光器芯块的尺寸。这些尺寸一般受到从一个大基体上剖切下来的单个激光器的剖切平面的限制。因此，已知激光器的尺寸由剖切工艺的精度来决定。
根据再一个方面，本发明提供了一种包括一半导体基体的半导体激光器，且在其上覆有多个外延生长层，因此至少一个外延生长层有一个边缘，它确定出该激光器的一对准边缘。
此外延生长层或各外延生长层的对准边缘最好通过一平印掩模和蚀刻过程来确定，一般它具有0.25μm的精度。
在一优选实施例中，激光器是由一剖切片所确定的，而其对准边缘与基体的边缘是分开的。因此，无论剖切的基体的尺寸多么精确或多么不精确，激光器的尺寸是由这个或各个外延生长层所确定的对准边缘决定的，可达到微米以下的精度。
激光器上的对准边缘最好与该激光器所要安装在其上的一支撑件上的对准部件相互配合。
该对准部件的形式可以是例如处于支撑件的一参照面上的一个或多个凸缘、或者一条脊或多条脊，激光器的对准边缘压靠其上，以使激光器相对于支撑件保持所要求的对准。
支撑件上的对准部件最好通过同样的标准平印掩模和蚀刻过程制成，用与激光器上的对准边缘所用相同的掩模，以保证制成后的支撑件上对准部件与激光器上对准边缘之间有微米以下的对准。
根据再一方面，本发明提供了一种制造一半导体激光器的方法，该激光器包括一半导体基体且在其上覆有多个外延生长层，以及一个对准边缘，该方法包括的步骤有，形成至少一个外延生长层，它有一个边缘，确定了激光器的对准边缘的位置。
采用适于确定外延生长层的边缘的位置精度达到微米以下的一标准平印掩模和蚀刻过程，可以方便地形成该外延生长层边缘，其决定了对准边缘。
决定对准边缘的外延生长层边缘最好与半导体基体的边缘是分开的，该基体的边缘一般由一剖切面来确定。
可以理解，前面针对半导体激光器的说明也适用于其它半导体光学装置，例如探测器、调制器、放大器、过滤器等。
现在仅以举例的方式参照附图对本发明的实施例进行详细说明，其中

图1表示本发明的一第一实施例；图2和图3分别以正视图和零件分解图表示本发明的一第二实施例；图4a至图4i表示制造一用于第二实施例中的半导体激光器芯块所涉及的步骤；图5给出用图4a至图4i步骤制成的一剖切激光器芯块的正视图；图6给出用图4a至图4i步骤制成的另一种芯块的布置；图7给出第二实施例的一个更详细的例子；图8是根据第二实施例的组件所获得的耦合结果图；及图9是本发明的第二实施例的散热性能与标准钻石散热性能对比的曲线图。
图1中，带有一刻面15的半导体激光器10固定在一散热装置50上，它随后又固定在一纤维支撑管20上。该固定装置包括一种导热的UV(紫外线)固化粘接剂。使用这种粘接剂是因为它不需要如钎焊联接或热压联接法那样要对装置进行加热。支撑管20将光学纤维30容纳其中，所以光学纤维30与激光器10的刻面15是光学耦合对准的。该光学纤维30是用一种指数匹配的UV(紫外线)固化粘接剂90固定在支撑管内的。管20上设有电触点60和70，以便于分别通过一电连线65和散热装置50给激光器10供电。该电触点60和70分别与PCB板插头80和85相连，它们可以将激光组件与PCB(未示出)方便地相连。激光器10为一硅胶罩40，例如Wacher(制造商)905所包覆，防止它受到潮湿和其它杂质的侵害。
该纤维支撑管是一个精密制造的陶瓷套管，例如一种可以从Kyocera(日本)买到的套管，其制造公差在1微米以内。套管20的精度使其可作为整个激光器组件的基体。因此，只要使半导体激光器10和散热装置50相对于套管20上的凸缘精确定位，那么就能保证只要简单地将光学纤维插入该套管即可使光学纤维30与激光器刻面15呈光学耦合对准。从这种方式要使光学纤维30与刻面15对准并不需要采用主动对准。
对采用这种装配结构进行了试验，结果示于表1。为进行这些试验，将带有UV(紫外线)固化粘接剂90的光学纤维30插入套管20。采用主动对准使激光器10和光学纤维30对准，即给激光器通电且在一标准对准台上与纤维30对准。一旦对准后，将散热装置50加上，支撑激光器10，且通过将该结构暴露在紫外线照射下，用UV(紫外线)固化粘接剂将该散热装置粘接在套管20上。在各装置的不同制作阶段测量光学耦合效率，结果示于表1。
表1
表1中，“激光器号”表示所试验的激光器；“固定前”是主动对准的初始耦合效率；“散热装置固定”是加上散热装置后的耦合效率；“照射固化”装置固化后的耦合效率。
表1中的结果表明，平均的耦合效率接近45％，采用大尺寸光点激光器所具有的最大理论最高效率为66％。
随后的试验用一理论最高效率为76％的超大尺寸光点激光器进行。在此试验中，获得了超过62％的耦合效率。本申请人相信，通过制造过程的精雕细琢，激光器装置的耦合效率趋近理论最大值是可能的。
图2给出了根据本发明的一组合式半导体激光器的一第二实施例，图3是其零件分解图。图中给出一硅支撑件，或称下座200，它包括一SiO2对准脊210，一半导体激光器芯块220压靠其上得以对准。下座200采用硅的优点之一是，它可以利用各向异性理论进行精确浸蚀，以提供精确的浸蚀深度和浸蚀角度。下座200上覆有钎料垫230，激光器芯块220安装其上。该钎料垫230为激光器芯块220提供了热和电的连接，同时还提供了固定手段，以使该芯块保持就位。该激光器芯块220有一精密的对准缘240，它压靠在SiO2对准脊210上，以保证激光器芯块220相对下座200精确对准。浸蚀到下座200内的一精密V形槽250自下座200的一条边缘向激光器芯块220的边缘延伸。该V形槽250有这样的深度，它使V形槽内所容纳的一光学纤维260与激光器芯块220光学对准。该V形槽250用众所周知的掩模和各向异性浸蚀技术制成。光学纤维260用一指数匹配的UV(紫外线)固化粘接剂或其它适用的现有粘接剂粘接在V形槽250内。
正如前面所指出的，人们期望能采用被动的而不是主动的对准技术。只要精确规定出自激光器刻面或台面的光发射区至激光器芯块对准缘的距离上述实施例即可采用被动对准技术。迄今为止，制造尺寸精密的激光器芯块的技术只达到1微米的精度。但是，本发明人开发了一种制造激光器芯块的技术，能使尺寸精度达到微米以下。此方法虽然在制造本发明所用激光器中找到了特定的应用场合，但也具有更广泛的应用领域。
对于制造微米以下精度激光器，仅作为例子，参照图4a至4i，介绍了pn二极管激光器芯块。图4a表示一个InP基体400，带有两个外延生长表面层402和404，以及一个二氧化硅(SiO2)层，它经过腐蚀处理形成一个轮廓，激光器芯块即从其上制造出。在图4a至图4i中，为了清晰起见，表层402和404(以插图形式示于图4a和图4b中)表示为没有特殊形状的单一一层。
基体400通常掺杂S达3×1018cm-3至1×1019cm-3间的水平。该表层包括InwGaxAsyPz四元活性(Q-活性)层402，一般为0.15μm厚，其上覆盖有InP保护层404，一般为50nm厚，掺杂有5×1017cm-3水平的Zn。激光器芯块最后发射激光的波长取决于Q-活性层中各组分的比。一般而言，以1300nm发射，组分比w∶x∶y∶z应为0.74∶0.26∶0.56∶0.44；而以1500nm发射，该比例应为∶0.61∶0.39∶0.83∶0.17。用标准的光刻和腐蚀程序进行腐蚀处理，给基体涂上SiO2410，再在SiO2上涂以标准的正性光刻胶，一般为镀铬石英玻璃，从而在基体400上规定出一埋入式异构(BH)激光器台面420(～3.5μm宽)和V形槽开口430(～5.0μm宽)。轮廓首先腐蚀进入SiO2410内，一般是采用一标准活性阳离子腐蚀(RIE)，例如CF4等离子@10mT和150w，或者在HF基腐蚀剂内进行湿法腐蚀，例如用10∶1稀释的HF(等净级@20℃)。残留的SiO2410随后用作一罩层以将下面的半导体400腐蚀到约1.0μm的深度，使用的是一合适的晶体生长腐蚀剂，例如14∶1∶9{DI H2O∶(17∶1 HBr∶Br2)∶HBr}@5℃，或者是CH4/H2等离子@70mT和200w的RIE。残留的光刻胶一般是用丙酮随后再用浓硫酸除去。在这一步，是通过光刻工艺，其精度一般在±0.25μm以内，精确确定出自激光器台面420至V形槽开口430的边缘的距离。
图4b所示是制造的第二步，在此步骤中，激光器台面420要用一合适的保护耐蚀剂450加以保护，一般是镀铬石英玻璃，同时在第一阶段的光刻之后要用CF4将残余的SiO2410从平台区460除去，留下InP罩层404暴露在外。生长的第一和第二阶段示于图4c和图4d，其中一传统的封闭层470和接触层480分别在该结构上外延生长。
该封闭层有两层，一层为p-InP472，通常0.5μm厚，掺杂Zn至5×1017水平，另一层为p-InP474，通常0.4μm厚，掺杂S至1-2×1018水平。该封闭层布置为向pn二极管激光器芯块的n层和p层(一般n层在上边)反向偏置。
接触层480包括两层，一层为掺杂Zn的InP482(事实上包含两层一下层厚0.7μm，掺杂至5×1017；而一上层厚0.7μm，掺杂至1-2×1018水平)。另外的接触层484是InGaAs，0.1μm厚，掺杂至大于4×1019的水平，提供一近似金属的p++表面层以保持电接触。
而后用光刻给InGaAs接触层484形成图案(图4e)，以通过将接触层腐蚀掉来减小电流路径和减弱电容效应。这是通过采用一个SiO2掩蔽层486和在湿腐蚀剂内腐蚀InGaAs层来实现的，腐蚀剂包括H2SO4(1份)、H2O2(1份)和H2O(25份)。
在实际中，制图案过程除一小部分面积外去除了所有的InGaAs层486，一般只在台面420上留下15μm宽的部分。
如图4F所示，下一步骤是开槽，即用一合适的掩蔽层，一般是SiO2，和腐蚀剂，例如包括H3PO4(4份)和HCl(1份)的一湿腐蚀剂，在激光器台面420的每一侧腐蚀出槽490。BH半导体激光器的作业速度取决于许多因素，封闭结构的电容是比较重要的一个。该槽将台面420隔离开，免受由于整体封闭结构470所造成的电容效应的影响，这样就能在没有这种电容效应的情况下进行高速激光作业。
开槽步骤之后，将起掩蔽作用的SiO2492从薄片上除去，然后给薄片重新涂上一层新的SiO2502。然后在激光器台面上开一个～10μm的接触窗，以便能与激光器进行电接触。在此过程中，V形槽开口430上方的窗要再次打开。
图4g表示电接触窗500的p侧触点金属化(TiAu)的形成，以及用一层耐蚀剂510，例如Hoechst AZ5214E之类的标准正性光刻胶，作为进一步图形化的掩蔽层，对该窗的保护。Au层在以Kl为基的湿腐蚀剂中腐蚀，且Ti采用标准条件在CF等离子中用RIE进行腐蚀。当用标准的湿腐蚀剂(Br/甲醇)将薄片(未示出)减薄到～90μm之后，在薄片的底面镀以同样的金属化层，以形成n侧触点。
注意在V形槽腐蚀(下面介绍)过程中，采用HBr，图形化p金属所用的耐蚀剂掩蔽层留在金属上作为保护层，而V形槽腐蚀完成后除去。
图4h给出如何用HBr进一步腐蚀V形槽520的，它只腐蚀InP基体而不腐蚀Q-层402。处于V形槽520口部的开口430、及随之的V形槽520的边缘和台面420之间的距离，靠在第一步骤(图4a)内规定的前面已经腐蚀过的O-层402，精确规定在1μm以内。该V形槽520的轮廓形状为一钻石形，是由于HBr在<110>InP晶向上的结晶学腐蚀特性造成的。图4i所示为最终所得到的结构，在V形槽520的底部形成劈裂面530。
如图5所示，一旦劈裂后，此结构为激光器芯块提供两个可能的对准机构。第一，有Q-缘240，它可能在激光器台面420的中心和Q-缘240间提供为微米以下的精度；第二，有自V形槽520的底部发源的劈裂面530，其精度应在1微米以内。
用于劈裂激光器芯块的另一种劈裂布置可利用如果采用Q-缘进行对准，则劈裂机构不再是对准过程的基本特性的事实。
这样，图6给出更宽的开口435(～50μm宽)，它更容易在半导体上制造。在这种情况下该激光器芯块将用一钻石划线工具550通过传统方式进行劈裂来分离，但是精确的非劈裂对准缘将用于实际对准。
在实践中，同样的掩蔽层的相关部分将用于腐蚀下座和激光器芯块基体，以保证它们在激光器芯块与该下座精确对准方面是匹配的。
图8更详细地给出了前面结合图2和图3所述的本发明的一个例子。一个1550nm Fabry-Perot激光器220安装在一显微加工的硅光学床200上。该激光器220是一大光点尺寸激光器，它有8层经过很好压缩应变的活性层，该平面设计以前已经在本申请人前面的专利申请94301309.4号中报告过。
激光器光刻的第一步是用来确定大光点尺寸激光器的被动导向槽(未示出)和位于该装置边缘的槽(未示出)两者，后者确定了划线通道435，通过它可将制造在同一块基体上的多个激光器分开。用这种方法可将划线通道的精密劈裂边240的精度规定在±0.2μm。
在此实施例中，划线通道435是外露的，且要用4∶1的H3PO4∶HCL腐蚀，而后将由后续加工步骤获得的涂层掩埋。这种腐蚀的结果是一个约20μm深、5μm宽大致呈U形的槽，精密劈裂边240，或顶角，它是由激光器的被动导槽的1.1μm四元组分所确定的。制造完的装置从一共同的基体上切成1.1mm长、300μm宽(由划线通道确定)的装置。该装置的长度包括340μm不倾斜活动区、460μm倾斜区和300μm被动区。
对根据上述方法制造、安装在传统激光头上的一组装置最佳耦合的测量获得了对于劈裂端头单波形光学纤维高达62％的耦合效率。
在图8中，激光器装置220安装在硅光学床200上，一钎料粘接垫230介于其中，为激光器220和硅光学床200之间提供热和电的接触。通过使精密的四元组分边240紧靠在一个氧化硅(SiO2)的对准挡板210上使激光器220对准，上述挡板已经在光学床上精密形成，如下所述。
硅光学床200的制造采用硅显微加工技术，激光器220在其上精密对准。硅光学床200的主要特点是一个用于固定纤维的V形槽250和氧化硅挡板210，激光器芯块220的精密劈裂边240抵靠在上面进行对准。该氧化硅挡板210是15μm高且通过等离子强化化学蒸镀法制成，且用活性阳离子腐蚀剂和湿化学腐蚀剂的混合剂进行腐蚀。钎料粘接垫230是用50nm钛、200nm铂和200nm金的电子束蒸发形成，且采用除去法进行图案化。而后用热蒸发法将3μm金-锡钎料镀在所形成的金属粘接垫230上，且也用除去法图案化。纤维V形槽250是用氮化硅作掩蔽膜，用乙二胺和邻苯二酚进行<100>硅片的各向异性腐蚀而形成的。该V形槽250的深度是使合适的单波形光学纤维260的芯部与激光器基本呈光学对准的。实践中该V形槽250的确切深度根据对腐蚀剂、硅基体和所用光学纤维260的试验来确定。
槽710垂直于V形槽250进行腐蚀，以保证使纤维260定位所用的胶能在纤维之下自由流动。再有，在V形槽250靠近激光器220的一端制成一阴影的切去部分700，以去除V形槽腐蚀后残留的V形槽斜坡端。这使得纤维260可与激光器220更靠近。
该组件的制造如下。用一传统的激光器模粘接剂将激光器220压靠在硅床200上的氧化硅对准挡板210上并粘接住。然后将一劈裂后的单波形光学纤维260导入光学床200上的V形槽250内，并用UV(紫外线)固化粘接剂粘住。再进一步，一个用带V型腐蚀槽、由一片硅制成的盖子施加在纤维260上，以保证该纤维牢牢定位和提供刚度。
如上述内容制造一些根据图7的组合式激光器装置。另外，为了进行性能对比，将同一硅片的一些激光器芯块分离开并结合面向下粘接在传统激光头的钻石上。人们发现这种钻石安装的布置具有非常均匀的性能。在50mA、20℃下其输出功率在5-6mW的范围。
通过将50mA、20℃下在单波形纤维中的输出功率与平均值5.5mW进行比较，对硅光学床上的装置的耦合效率进行评价。采用这种技术，已经计算出耦合效率高达55％。
如图8所示，已经表明根据本发明的组合式装置的具有再现性的放射率，耦合效率大部分大于30％，但是也很明显，也有许多的放射率具有大于50％的效率。
从图9可以看出，硅床上的激光器的热性能较粘接在钻石上的试验装置的要好。这表明硅床较钻石安装有更大的轨迹，对硅导热性差起到补偿作用。
对根据本发明的装置的调节能力的初始评价表明，背对背的位误差测量指出，该装置的调节速率能超过300MBit/s。
专业人士可以理解，根据本发明的组合式激光器的低成本组装、高耦合效率和频带宽度的结合表明它对于纤维入户(FTTH)是具有生命力的技术。
上述激光器芯块的制造技术在构成根据本发明的组合式半导体激光器装置的方法中找到了特定的应用，同时很明显，本技术半导体装置制造和对准的一般领域也可找到重要的应用场合。特别是，此方法不局限于上述制造标准pn半导体激光器的步骤。该方法在制造其它类型激光器中也找到应用领域，例如MQW激光器或大光点尺寸激光器，或着确实是需要微米级以下对准的任何类型的半导体装置。这样，有关涂层成分、添加剂、厚度和整个装置的尺寸的精确细节只是举例的方式。根据本发明此方面的其它装置，无论是激光器或其它什麽，一般具有与上述非常不同的特性。特别是，提供非劈裂缘的四元层也提供了装置的活性层。在其它装置中相应的涂层可能不是四元的，也可能是三元的、二元的或其它成分的。再有，提供非劈裂对准缘的涂层可能是一层，而不是它还提供装置的活性层，其实该装置可能没有特殊标明的活性层。无论如何，本发明在解决对准问题方面的应用对本技术领域的专业技术人士将是清楚的。
权利要求
1.一种带有一对准部件的半导体装置，上述装置包括一半导体和附着其上的一层或多层装置层。其中至少有一层装置层有一个由光刻掩蔽和腐蚀加工所确定的边界，且其中上述边界确定出上述对准部件。
2.一种根据权利要求1所述的半导体装置，该装置包括由一层或多层装置层所确定的能动区，其中上述对准部件是由同样的一层或多层装置层中至少一层所确定的。
3.一光学装置组件包括a)一光学纤维；b)一光学装置，其具有根据权利要求1或2所确定的对准部件；及c)一光学纤维支撑件，该光学纤维支撑件提供一个参照面，光学装置的对准部件相对于它定位，实现装置与光学纤维之间的对准。
4.一种根据权利要求3所述的光学装置组件，其中该支撑件和光学装置之间相互热接触，因此该支撑件起到光学装置散热器的作用。
5.一种根据权利要求3或4所述的光学装置组件，其中该支撑件有一个起支撑作用的V形槽，为承纳一光学纤维提供一参照面。
6.一种根据权利要求5所述的光学装置组件，其中该支撑件还包括一带有起加强作用的V形槽的加强件，该加强V形槽的布置是覆盖在支撑V形槽上，以形成大体方形截面的孔，用于承纳上述光学纤维。
7.一光学装置组件，其包括一光学装置、一光学纤维和一支撑件，上述支撑件提供一个孔，光学纤维容纳其中，且提供一个参照面，上述光学装置安装其上，实现与承纳于上述孔内的上述光学纤维的端部的对准。
8.一种根据权利要求7所述的光学装置，其中该装置安装在一散热器上，而该散热器安装在上述参照面上。
9.一种根据权利要求7或8所述的光学装置组件，其中在支撑件上设有为该光学装置供电的电触点。
10.一种根据权利要求7至9中任一款所述的光学装置组件，其中该支撑件还能提供PCB插头，它与相应的电触点是电接触的。
11.一种根据权利要求7至10中任一款所述的的光学装置组件，其中上述支撑件包括一套筒。
12.一种根据权利要求11所述的光学装置组件，该套筒的凸缘提供了该参照面。
13.一种根据权利要求11或12所述的光学装置组件，其中该光学纤维承纳于该套筒的孔内，该孔使光学纤维与光学装置呈光学耦合对准。
14.一种根据权利要求3至12任一款所述的光学装置组件，其中该光学装置有一层硅胶涂层。
15.一种根据权利要求14所述的光学装置组件，该硅胶是指数匹配的，且在光学装置刻面和光学纤维的端部之间形成粘接层。
16.一种根据权利要求3至14中任一款所述的光学装置组件，其中该光学纤维的端部用某种指数匹配的粘接剂粘接到光学装置的刻面上。
17.一种根据权利要求3至16中任一款所述的光学装置组件，其中该光学纤维有一个大于0.25的数值口径。
18.一种根据权利要求3至17中任一款所述的光学装置组件，其中该光学装置是一带有波导结构的半导体激光器，它已经过改进，以提供一大致与单波形光学纤维的基础波形光点尺寸相匹配的输入。
19.一种制造半导体元件的方法，该方法具有以下步骤，确定上述装置的对准部件，上述步骤包括通过光刻掩蔽和腐蚀过程在构成该装置的一部分的材料的一层或多层中形成一边界，其中上述边界确定出上述对准部件。
20.一种根据权利要求19所述的方法，其中一活性区由构成部分装置的材料的一层或多层所确定，其中上述对准部件由同样的一层或多层材料的至少一层所确定。
21.一种根据权利要求20或21所述的方法，其包括以下步骤a)在装置的一第一表面上形成一层材料层，和b)对上述那层材料进行掩蔽，且腐蚀掉未掩蔽的部分，以提供低于第一表面的一第二表面。其中上述第二表面上方第一表面的边缘提供了上述边界和确定了上述对准部件。
22.一种根据权利要求19至21中任一款所述的光学装置组件，其中上述各层材料或至少部分层是通过外延生长附着上的。
23.一种组装光学装置的方法，上述方法包括a)将一光学纤维安装在一支撑件上，上述支撑件为上述光学纤维提供一参照面；以及b)将上述支撑件安装在带有根据权利要求1或2所确定的一对准部件的光学装置上，使上述对准部件紧靠在上述支撑件上所提供的一参照面上，以实现该装置与光学纤维之间的对准。
24.一种根据权利要求23所述的方法，其中光学纤维用一UV(紫外线)固化粘接剂粘接在支撑件上。
25.一种组装带有权利要求1或权利要求2中所提供的对准部件的光学半导体元件的方法，该方法包括以下步骤a)将一光学纤维安装在一光学纤维支撑件上，该支撑件有一第一参照面，光学纤维压靠其上固定；b)将光学装置的对准部件压靠在支撑件的第二参照面上进行定位；c)将装置和纤维紧固在一起，不用进行主动对准即使其呈光学耦合关系。以及d)将装置封装，提供一非气密性组件。
全文摘要
一光学装置组件，其包括一光学装置(10)，通过一陶瓷套筒(60)与一光学纤维(260)保持光学耦合关系。该光学装置(10)安装在散热器件(50)上，该散热器件安装在套筒(60)上。该光学装置(10)相对于套筒(60)的凸缘精确安装，使得该光学纤维插入套筒，即可使该光学纤维与光学装置呈光学耦合关系而不需采用主动对准技术。在使用中，该光学装置(10)密封在硅密封剂(40)内，使该装置免受潮湿影响。
文档编号G02B6/42GK1156510SQ9519484
公开日1997年8月6日 申请日期1995年6月29日 优先权日1995年6月29日
发明者J·V·科林斯, R·A·佩恩, A·R·特劳, I·F·里尔曼, P·J·菲迪门特 申请人:英国电讯公司