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CN109891290A - 用于将光纤阵列与激光阵列或光波导阵列对准和附接的方法和系统 - Google Patents

用于将光纤阵列与激光阵列或光波导阵列对准和附接的方法和系统 Download PDF

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CN109891290A
CN109891290A CN201780045031.0A CN201780045031A CN109891290A CN 109891290 A CN109891290 A CN 109891290A CN 201780045031 A CN201780045031 A CN 201780045031A CN 109891290 A CN109891290 A CN 109891290A
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CN
China
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substrate
waveguide
optical fiber
nodule
interconnection
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Application number
CN201780045031.0A
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English (en)
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詹森·M·库利克
钱义
斯蒂芬·普雷布尔
杰弗里·斯泰德尔
迈克尔·范图
陆天
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Magnetic Resonance Spectral Imaging System Co Ltd
University of Rochester
Indiana Integrated Circuits LLC
Original Assignee
Magnetic Resonance Spectral Imaging System Co Ltd
University of Rochester
Indiana Integrated Circuits LLC
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Publication date
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Abstract

本发明公开了一种使用芯片到芯片竖直渐逝光学波导(44)和(64)来被动地对准光纤(4)、第一波导阵列(62)和第二波导阵列(42)的方法和系统，其能够与全自动芯片焊接设备配合使用。组装系统(2、30、60)可以实现高光学耦合和高工艺产量，以满足光子学、硅光子学和其它应用的大批量制造的需要，这些应用将有益于将光纤有效地对准激光器。

Description

用于将光纤阵列与激光阵列或光波导阵列对准和附接的方法 和系统
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年7月21日提交的美国临时专利申请No.62/364,990的权益，其公开内容通过引用的方式并入本申请。
技术领域
本发明公开了一种用于光学耦合光波导和光纤的系统和方法。
背景技术
将光纤或激光器对准和附接到光波导的传统方法是通过主动对准。然而，主动对准的缺点是它不能为单模光纤和激光对准提供高容量吞吐量和低制造成本。这是因为将所有组件准备好进行最终组装需要花费时间。其次，它必须处理总共十二个轴对准(每个激光器和光纤的6个轴)，这最终需要相对长的时间进行对准。第三，激光元件必须在对准过程中进行电调谐(这就是为什么它被称为“主动对准”的原因。)这增加了成本和时间。它还引入了现场中的实际激光性能的不确定性，因为激光在使用中的行为可能与在洁净室环境中的主动对准期间不同。最后，对准精度必须在约0.2微米内，以便保持单模光纤和激光对准的高耦合效率。这需要花费时间并且可能降低产量。在包装设计和技术方面还需要非常小心，以在整个设备寿命期间将联接器的稳定性保持在约0.2微米的尺寸内。
发明内容
以下示例公开了一种渐逝波导，以便于在1-2微米内对准；一种使用绗缝封装(QP)技术的装配方法，用于将对准轴的总数从12减少到2；以及一种适合于全自动拾取和放置芯片的组装方法，用于高速处理以完成对准。
通常，提供了一种用于光学耦合光波导和光纤的改进的系统和方法。在示例中，改进的系统和方法能够使用渐逝光来进行这种光学耦合。
根据一个优选的和非限制性的实施例或方面，提供了一种系统，包括：具有第一和第二端的第一基板，第一基板包括设置在凹槽中的光纤；具有第一和第二端的第二基板，第二基板包括具有第一和第二端的第一波导，其中第二基板的第一端靠近第一基板的第一端定位；以及具有第一和第二端的第三基板，第三基板包括具有第一和第二端的第二波导。第二和第三基板被布置成第一和第二波导的第一端以间隔开的平行或基本平行的关系重叠。第一和第二基板被布置成使第二波导的第二端与光纤的端面光学对准。
在一个优选的且非限制性的实施例或方面中，靠近其第一端的第一波导能够逐渐变细到一个点，例如圆点，以及靠近其第一端的第二波导能够逐渐变细到一个点，例如圆点。
在一个优选的和非限制性的实施例或方面中，第一和第二波导的第一端能够重叠300微米±30微米。
在一个优选的和非限制性的实施例或方面中，第一和第二波导的所重叠的第一端之间的中心距离可以小于或等于2微米。
在一个优选的和非限制性的实施例或方面中，第一和第二波导能够被配置，因此传播到第一或第二波导的第一端的光能够形成渐逝光场，该渐逝光场能够(至少部分地)被第一或第二波导中的另一个的第一端接收。被第一或第二波导中的另一个的第一端接收的渐逝光能够远离第一或第二波导中的另一个的第一端传播。
在一个优选的和非限制性的实施例或方面中，第三基底能够覆盖第一基底的一部分和第二基底的一部分。
在一个优选的和非限制性的实施例或方面中，第一基板能够包括具有能露出光纤端面的面的台阶。第三基板的第二端的至少一部分能够邻接第一基板的台阶的面。
在一个优选的和非限制性的实施例或方面中，凹槽可以是V形的。
在一个优选的和非限制性的实施例或方面中，第一基板的第一端能够包括互连节结，第二基板的第一端能够包括互连节结，以及第一基板的第一端上的互连节结和第二基板的第一端能够彼此配对。
在一个优选的和非限制性的实施例或方面中，第一基板的第一端和第二基板的第一端上的互连节结能够以下述方式配对(a)其端面邻接、(b)以交叉的方式、(c)以摩擦配对方式、(d)以互锁方式，或(e)通过(a)-(d)的某种组合的方式。
在一个优选的和非限制性的实施例或方面中，每个互连节结能够单独地与所对应的第一或第二基板的第一端的表面齐平或延伸超出所对应的第一或第二基板的第一端的表面。
在一个优选的和非限制性的实施例或方面中，以间隔开的基本平行的关系重叠的第一和第二波导的第一端能够使其纵轴对准±2°。
在一个优选的和非限制性的实施例或方面中，第一基板能够包括多个光纤，每个光纤被设置在单独的凹槽中，第二基板能够包括多个第一波导，以及第三基板能够包括多个第二波导。
在一个优选的和非限制性的实施例或方面中，相邻的第二波导之间的间隔能够朝向第三基板的第二端增加。
在一个优选的和非限制性的实施方案或方面中，配对对准特征能够被包括在至少两个基板上，例如，在至少两个基板的表面上。
根据一个优选的和非限制性的实施例或方面，提供了一种方法，包括：(a)提供具有锥形端的第一波导；(b)提供具有锥形端的第二波导；(c)将第一和第二波导的锥形端定位成重叠，例如第一和第二波导能够以间隔开的平行或基本平行的关系重叠；(d)提供被定位成与第二波导的锥形端相对的端部光学对准的光纤；(e)将光传播到第一波导的锥形端，以产生由第二波导的锥形端接收的渐逝光场；(f)通过第二波导传播由第二波导的锥形端接收的来自渐逝光场的光；以及(g)将通过第二波导传播的光传输到光纤。
在一个优选的和非限制性的实施例或方面中，以间隔开的基本上平行的关系重叠的第一和第二波导的锥形端能够使其纵向轴线对准±2°。在示例中，步骤(d)的光学对准可以在已知的工业公差范围内，用于光纤的轴线与第二波导的与锥形端相对的端部的轴线光学对准。
在一个优选的和非限制性的实施例或方面中，第一和第二波导的锥形端部能够重叠(例如，纵向)300微米±30微米。
在一个优选的和非限制性的实施例或方面中，光纤能够被设置在第一基板上，第一基板具有包括互连节结的第一端，第一波导能够被设置在第二基板上，第二基板具有包括互连节结的第一端，以及该方法能够进一步包括将互连节结定位在第一和第二基板的第一端上，使其彼此接触或相互配对。
进一步优选的和非限制性的实施例或方面在以下编号的条款中阐述。
条款1：一种系统，包括：具有第一和第二端的第一基板，第一基板包括设置在凹槽中的光纤；具有第一和第二端的第二基板，第二基板包括具有第一和第二端的第一波导，其中，第二基板的第一端靠近第一基板的第一端定位；以及具有第一和第二端的第三基板，第三基板包括具有第一和第二端的第二波导，其中：第二和第三基板被布置成第一和第二波导的第一端以间隔开的平行或基本平行的关系重叠；以及第一和第二基板被布置成第二波导的第二端与光纤的端面光学对准。
条款2：条款1的系统，其中：靠近其第一端的第一波导能够逐渐变细到一圆点；以及靠近其第一端的第二波导能够逐渐变细到一圆点。
条款3：条款1或2的系统，其中，第一和第二波导的第一端能够重叠300微米±30微米。
条款4：条款1-3中的任一条款的系统，其中，第一和第二波导的所重叠的第一端之间的中心距可以小于或等于2微米。
条款5：条款1-4中的任一条款的系统，其中：第一和第二波导能够被配置，因此传播到第一或第二波导的第一端的光形成渐逝光场，渐逝光场能够由第一或第二波导中的另一个的第一端接收；以及由第一或第二波导中的另一个的第一端接收的来自渐逝光场的光能够远离第一或第二波导中的另一个的第一端传播。
条款6：条款1-5中的任一条款的系统，其中，第三基板能够覆盖第一基板的一部分和第二基板的一部分。
条款7：条款1-6中的任一条款的系统，其中：第一基板能够包括具有露出光纤的端面的面的台阶；以及第三基板的第二端的至少一部分能够邻接第一基板的台阶的面。
条款8：条款1-7中的任一条款的系统，其中凹槽可以是V形的。
条款9：条款1-8中的任一条款的系统，其中：第一基板的第一端能够包括互连节结；第二基板的第一端能够包括互连节结；以及第一基板的第一端上的互连节结和第二基板的第一端上的互连节结能够彼此配对。
条款10：条款1-9中的任一条款的系统，其中，第一基板的第一端和第二基板的第一端上的互联节结能够通过以下方式配对：(a)其端面邻接、(b)以交叉的方式、(c)以摩擦配合方式、(d)以互锁方式，或(e)通过(a)-(d)的某种组合的方式。
条款11：条款1-10中的任一条款的系统，其中，每个互连节结单独地能够与所对应的第一或第二基板的第一端的(竖直的)表面(或侧面)齐平或延伸超出所对应的第一或第二基板的第一端的(竖直的)表面(或侧面)。
条款12：条款1-11中的任一条款的系统，其中，以间隔开的基本平行的关系重叠的第一和第二波导的第一端能够使其纵轴线对准±2°。
条款13：条款1-12中的任一条款的系统，其中：第一基板能够包括多个光纤，每个光纤能够被设置在单独的凹槽中；第二基板能够包括多个第一波导；以及第三基板能够包括多个第二波导。
条款14：条款1-13中的任一条款的系统，其中，相邻的第二波导之间的间隔能够朝向第三基板的第二端增加。
条款15：条款1-14中的任一条款的系统，其中，系统还能够包括在至少两个基板上配对的对准特征。
条款16：一种方法，包括：(a)提供具有锥形端的第一波导；(b)提供具有锥形端的第二波导；(c)将第一和第二波导的锥形端定位成以间隔开的平行或基本平行的关系重叠；(d)提供被定位成与第二波导的锥形端相对的端部光学对准的光纤；(e)将光传播到第一波导的锥形端，以产生由第二波导的锥形端接收的渐逝光；(f)通过第二波导传播由第二波导的锥形端接收的渐逝光；以及(g)将通过第二波导传播的光传输到光纤。
条款17：条款16的方法，其中，以间隔开的基本平行的关系重叠的第一和第二波导的锥形端能够使其纵轴线对准±2°。
条款18：条款16或17的方法，其中，第一和第二波导的锥形端能够重叠300微米±30微米。
条款19：条款16-18中任一条款的方法，其中：光纤能够被设置在第一基板上，第一基板具有包括互连节结的第一端；以及第一波导能够被设置在第二基板上，第二基板具有包括互连节结的第一端，其中，方法还包括将互连节结定位在第一和第二基板的第一端上，使其彼此接触或相互配对。
附图说明
图1、2A和2B示出了用于将光纤阵列被动地对准和附接到激光器阵列或光波导阵列的系统的组装(图1)和分解立体图(图2A和2B)；
图3A是图1的第二和第三基板的单独部分的立体图，其示出了第二和第三基板的波导的锥形第一端的重叠和对准。
图3B是图3A中所示的第二和第三基板的波导的重叠的锥形第一端的截面图。
图3C是(渐逝光耦合)效率与图3B中所示的波导的重叠的锥形第一端的Y偏移的关系曲线图。
图3D是渐逝光场以及当激光输入到其中一个波导时图3B中所示的波导的重叠的锥形第一端产生的渐逝光场的耦合的视图。
图4是图1的预组装的第一和第三基板的分解立体图。
图5是图4所示的第一和第三基板的组装图。
图6是图5所示组装的第一和第三基板的倒视图。
图7A和7B示出了在以图6所示的方式组装第一和第三基板之后，图1的第一、第二和第三基板的部分组装的底侧和顶侧立体图。
图8A和8B示出了7A-7B中所示的组装后的第一、第二和第三基板的底侧和顶侧立体图。
具体实施方式
现在将参考附图描述各种非限制性的示例，其中相同的附图标记对应于相同或功能上等同的元件。
出于以下描述的目的，术语“端”、“上”、“下”、“右”、“左”、“竖直”、“水平”、“顶部”、“底部”、“横向”、“纵向”及其衍生物应与附图中所示的示例相关。然而，应该理解的是，除非明确地相反指出，否则示例可以采用各种替代变型和改变步骤顺序。还应理解的是，附图中示出的以及以下说明书中描述的具体示例仅是本发明的示例性示例或方面。因此，本文公开的具体示例或方面不应解释为限制性的。
以下美国专利通过引用的方式并入本文作为背景技术：US 5216729；US 4466696；US 7608919；US 7612443；US 8021965；US 8623700；US 9243784；US 9316796；US 8752283；US8534927。
图1、2A和2B示出了用于将光纤阵列被动地对准和附接到激光器阵列或光波导阵列的系统的组装(图1)和分解立体图(图2A和2B)。系统能够包括三个基板，即包括设置在凹槽6中的光纤4的第一基板2；包括通过传统的晶片制造工艺在其中或其上形成的波导44的第二基板30；以及通过传统的晶片制造工艺在其中或其上形成的波导64的第三基板60，波导64靠近第三基板60的一端，所述波导64以扇出(fan out)布置彼此分开。
在示例中，第一基板2能够由半导体材料形成，诸如，例如硅、例如硅芯片，凹槽6可以是间隔开的关系，并且光纤4可以是间隔开的关系。出于描述的目的，第一基板2将被描述为硅芯片。然而，这不应被解释为具有限制意义，因为可以设想第一基板2可以由任何合适的和/或期望的材料形成，该材料可以根据本文描述的预期目的和原理被利用和发挥作用。在示例中，凹槽6可以是间隔开的平行关系，并且被设置在所述凹槽6中的光纤4也可以是间隔开的平行关系。在示例中，每个凹槽可以具有“V”形状，其可以通过湿法化学蚀刻形成第一基板2的硅来形成。V形可以由形成第一基板2的硅的天然(111)晶面限定。
在示例中，第一基板2可包括第一端8、第二端10、第一侧12和第二侧14。在第一侧12和第二侧14之间在第一端8和第二端10中间延伸，第一基板2能够包括在靠近第二端10的较高高度和靠近第一端8的较低高度之间的台阶16。台阶16能够具有足够的高度，从而露出光纤4的端面18。
第一基板2的第一端8可包括多个绗缝封装(QP)节结20，也称为互连节结。QP节结(或互连节结)在本领域中是公知的，例如在US 8623700中所示，其通过引用并入本文。因此，本文将不再进一步描述关于QP节结和/或其形成的细节。
面向与第一基板2的第一端8相同的方向的每个QP节结20的端部能够与第一端8的表面齐平，或者能够延伸超过(悬臂式地越过)第一端8的表面。
最后，第一基板2能够包括一组或多组可选的对准特征22，其被配置成与下文更详细描述的第三基板60的对应组的可选对准特征24相配对、啮合或相互作用。
在示例中，第二基板30能够包括第一端32、第二端34、第一侧36和第二侧38。第二基板30的第一端32能够包括多个QP节结40。在示例中，QP节结40能够以镜像或配对图案布置到第一基板2的QP节结20，因此当第一基板2的第一端8和第二基板30的第一端32放在一起时，所述基板的QP节结20和40彼此接触(邻接)或配对。
在示例中，QP节结20和40能够被设计来配对。在一个示例中，QP节结20和40能够被配置为以交叉的方式配对。在另一示例中，被配置为以交叉的方式配对的QP节结20和40也能够被配置成摩擦配合，例如，QP节结20(或40)能够摩擦配合在一对相邻的QP节结40(或20)之间。
在又一示例中，QP节结20和40能够包括互补的配对特征，在示例中，该互补配对特征能够以互锁的方式配对。例如，一个或多个QP节结20(或40)能够包括具有第一形状/配置的突起，并且一个或多个QP节结40(或20)可具有孔，该孔具有与第一形状/配置互补的第二形状/配置。在示例中，互补的第一和第二形状能够例如以摩擦配合的方式耦合在一起。
第二基板30可以由具有表面耦合波导阵列42的半导体材料形成，例如硅、例如硅芯片，表面耦合波导阵列42可以包括形成在第二基板30的主体中的多个单独的波导44。出于描述的目的，第二基板30将被描述为硅芯片。然而，这不应被解释为具有限制意义，因为可以设想第二基板30及其波导44可以由任何合适的和/或期望的材料形成，该材料可以根据本文描述的预期目的和原理被利用和发挥作用。每个波导44可以是在使用本领域已知的常规半导体制造工艺制造第二基板30期间以硅芯片的形式创造的硅基波导。在示例中，相邻对的波导44之间的中心间距可以在10-20微米之间。然而，这不应被解释为限制意义。在示例中，相邻对的波导44之间的中心间距在某个预定公差内是相同的，例如±0.5微米。然而，这不应被解释为限制意义。
在示例中，波导44能够以间隔开的关系定位并且能够在第二基板30的第一端32和第二端34之间延伸，每个波导44包括第一端46和第二端48。在示例中，每个波导44的第一端46能够与第二基板30的第一端32间隔开距离D。在另一示例中，波导44的每个实例的第一端46能够与第一端32间隔开不同的距离。
在图2A所示的示例中，每个波导44的第二端48可以使用本领域已知的半导体制造工艺耦合到形成在第二基板(例如，由硅形成)中的激光器50。每个激光器50可以用电能激励，例如，以本领域已知的方式通过焊盘52(示出)或QP节结(未示出)提供，以产生所述激光。由每个激光器50产生的激光能够从第二端48朝向相应的波导44的第一端46传播。在另一个示例中，每个激光器50能够安装在第二基板30上。在激光器50安装在第二基板30上的情况下，能够可选地将电能直接提供给所述激光器，从而避免需要在第二基板30上形成焊盘和相关的电互连。
图2B示出了在大多数方面与图2A所示的示例类似的另一示例，除了图2A中的激光器50、焊盘52和相关的互连被省略并且用波导44的第二端48和板外激光器57之间的耦合器或多个耦合器55代替，板外激光器57通过光纤59和耦合器或多个耦合器55耦合到所述波导44。
使用耦合器或多个耦合器55将光纤59耦合到波导44是本领域公知的。在一个非限制性的示例中，耦合器或多个耦合器55可以是外部光栅结构的准直梯度折射率(GRIN)透镜，其中从光纤59出射的激光由GRIN透镜扩展和准直。GRIN透镜的出射面相对于激光的传播方向以一定角度设置，并且用高频光栅抛光和构造。当耦合器或多个耦合器55的准直透镜的出射面放置成与波导44的表面紧密邻近或接触时，准直激光束的一部分能够耦合到所述波导44并由所述波导44引导。作为GRIN透镜的耦合器或多个耦合器55的描述不应被解释为限制意义，因为可以设想本领域或以下开发的任何合适的和/或期望的耦合器或多个耦合器55能够用于从光纤59到波导44耦合激光。
每个波导44的第一端46能够包括激光接收器(未示出)，用于接收输入到所述波导44的第二端48的激光，以便耗散所述激光和由此产生的热量。
第三基板60可以由玻璃、硅上的氮化硅、聚合物或任何其他合适的和/或期望的光学级材料制成。第三基板60能够包括波导阵列62，其包括以本领域已知的方式在其上形成的多个波导64。每个波导64包括第一端66和第二端68。
波导阵列62的每个波导64能够从第三基板60的第一端70朝向第三基板60的第二端72延伸。在示例中，靠近第一端70的波导阵列62的第一部分74包括间隔的多个波导64。在示例中，沿波导阵列62的第一部分74的多个波导64可以是间隔开的平行关系。
在示例中，靠近第二端72的波导阵列62的第二部分76能够包括扇形图案的多个波导64，其中相邻波导64之间的间隔从第一部分74朝向第二端72增加。
在示例中，第一基板2的相邻对的光纤4之间的中心间距在125-250微米之间；第二基板30的相邻对的波导44之间的中心间距在10-20微米之间；沿波导阵列62的第一部分74的相邻对的波导64之间的中心间距在10-20微米之间；并且，在第三基板60的第二端72处的相邻对的波导64之间的中心间距在125-250微米之间。然而，前述尺寸不应被解释为限制意义，因为可以设想相邻对的光纤4、波导44和波导64之间的中心间距(包括邻近波导阵列62的第一部分74和第二部分76的间隔)可以选择任何合适的和/或理想的尺寸，以符合本协议中所述的第一至第三基板2、30和60的预期用途和原则。例如，每对相邻波导44和每对相邻波导46的中心间距可以与光纤4的中心间距相同。因此，在该示例中，波导阵列62的第二部分76的波导64靠近第二端72的扇出可以被省略。
在图1所示系统的完整组件中，第一基板2的第一端8和第二基板30的第一端32可以邻接在一起或者可以间隔开(后者发生在当QP节结20和40中的一个或多个以悬臂方式分别延伸超过第一基板2的第一端8的表面和第二基板30的第一端32的表面时)，其中一个或多个QP节结20与一个或多个相应的QP节结40邻接或配对。在示例中，第一基板2的可选对准特征22和第三基板60的可选对准特征24可以是配对对准特征，其有助于第三基板60与第一基板2和第二基板30的精确对准。在示例中，对准特征24的集合可以是一个或多个支柱或柱，并且对准特征22的集合可以是配对孔的集合，每个配对孔被配置成接收至少一个支柱或柱。在示例中，支柱或柱可以由金属形成，诸如但不限于铜。然而，这不应被解释为限制意义，因为可以设想对准特征22和24可以由任何合适的和/或期望的材料形成，并且对准特征22和24可以是任何合适的和/或期望的形式、形状或设计，便于第一基板2和第三基板60的对准。
在示例中，当第三基板60与第一基板2配对时，第三基板60的第二端72的至少下部(在图1、图2A和图2B中示出的视图中)能够邻接第一基板2的台阶16的竖直面。
在图1所示的示例性的完成组件中，包括形成在其中的波导阵列62的第三基板60的表面能够桥接第一基板2的第一端8和第二基板30的第一端32的邻接或间隔关系。而且，位于靠近第二基板30的第一端32的波导阵列42的至少部分波导44的上方的波导阵列62的第一部分74的至少部分波导64能够竖直的或基本竖直的对准。在第三基板60的第二端68处的波导阵列62的一个或多个波导64的面能够与在第一基板2的凹槽6中光纤4的一个或多个端面18对准或光学对准，例如通过邻接或间隔开的方式。在示例中，每个波导64的第二端68处的面能够与凹槽6中的单个光纤4的端面18对准或光学对准。
现在将描述图1中所示系统的示例使用。为简单起见，使用单个激光器50或57向下输出单个波导44的激光，并且对波导64的响应与所述波导44竖直或基本竖直对准，并且光纤4与波导64的第二端68对准时的响应将被描述。然而，这不应被解释为限制意义。
响应于激光器50或57将激光输出到波导44的第二端48，所述激光沿波导44传播，并且在靠近所述波导44的第一端46处横向于波导44的轴线产生渐逝光。该渐逝光至少部分地由波导64接收，靠近所述波导64的第一端66与所述波导44竖直或基本竖直对准。在波导64中接收的渐逝光在波导64中从所述波导64的第一端66传播到第二端68。在波导64中行进的光离开波导64的第二端68并且被接收在光纤4的端面18中，光纤4在示例中与波导64的第二端68对准、邻接或光学对准。进入光纤4的面18的光在朝向第一基板2的第二端10的方向上在所述光纤4中传播，以用于耦合到光纤4的与光纤4的面18相对的端部的系统(未示出)中。因此，可以看出，由激光器50或57输出的激光经由波导44和波导64以与所述波导44竖直或基本竖直对准的方式传播到靠近第一基板2的第二端10的光纤4的端部。
据估计，当所述波导44和64彼此距离在一微米内时，波导64与波导44竖直或基本竖直对准之间的耦合效率能够大于90％，并且当所述波导44和64彼此距离在2微米之内时，波导64与波导44竖直或基本竖直对准之间的耦合效率能够大于73％。在示例中，前述耦合效率被建模为波导44和波导64彼此之间以1微米的中心到中心距离间隔竖直对齐时，耦合效率大于90％，波导44和波导64彼此之间以2微米的中心到中心距离间隔竖直对齐时，耦合效率大于73％。
下面的表1示出了在图1所示类型的实际组装系统的各种接口位置处测量的平均TE和TM插入损耗(以dB为单位)的示例。
在示例中，为了帮助减少插入损耗，本领域中已知的折射率匹配材料可以(1)通过台阶16设置在光纤4到波导64的界面(或对接耦合)处和或(2)设置在第一基板2的第一端8邻接第二基板30的第一端32或与第二基板30的第一端32间隔开的位置处。
在示例中，波导44的最大横向尺寸可以与波导64的与所述波导44竖直或基本竖直对准的部分的最大横向尺寸相同。此外，在示例中，在第三基板60的第二端72处的每个波导64的第二端68的形状可以是圆形的，以匹配与之对准的光纤4的端面18的芯的圆形形状，并且理想地邻接波导64的第二端68。光纤4和波导64的对准端面的形状匹配便于光纤4和波导64之间的耦合。
关于波导阵列62的第一部分74和第二部分76之间的波导44的形状，形成波导阵列62的第二部分76的每个波导64的部分可以改变波导阵列62的第一部分和第二部分74、76和第三基板60的第二端72之间的过渡之间的形状和尺寸。换句话说，从波导阵列62的第一部分74向第三基板60的第二端72移动，每个波导64可以改变形状和/或尺寸，以便于波导阵列42的波导44和第一基板2的光纤4的形状之间的过渡。
已经如此描述了图1、2A和2B中所示的示例性的系统。现在将参考图4-8B描述将第一、第二和第三基板2、30和60组装到图1所示的组装系统中的示例性的方法。然而，应该理解，以下描述仅是示例性的，不应被解释为限制意义。
参考图4所示的分解立体图，在示例中，第一基板2和第三基板60能够至少在抵靠第一基板2的台阶16的竖直面的第三基板60的第二端72的下部(在图4中所示的立体图中)相连接，并且在示例中波导64的第二端68与光纤4的邻接端面18对准。
在示例中，为了促进波导64的第二端68和光纤4的端面18之间的这种对准，在图4所示的立体图中，波导64能够被定位在第三基板60的面向下的表面上或面向下的表面中。
可选的对准特征22和24能够被设置在第一基板2和第三基板60上，以帮助在台阶16处将波导64的第二端68对准光纤4的端面18。
在示例中，高精度晶片焊接机能够从载体组件获取第三基板60并将其反转，使得形成波导阵列62的第三基板60的表面面向下。芯片焊接机还能够拾取第一基板2，第一基板2包括一个或多个凹槽6，并且在示例中，在所述一个或多个凹槽6中拾取一个或多个光纤4，并将其放置在加热台上作为基板以接收第三基板60。然后，如图4所示，芯片焊接机能够将第三基板60转移到第一基板2的顶部上，以产生图5的组装立体图中所示的组件2、60。
包括以图5中所示的方式定位在其上的第三基板60的第一基板2能够以本领域已知的任何合适和/或期望的方式结合在一起。在示例中，对准特征24的集合和对准特征22的集合可以由具有低共晶点的材料制成，因此加热图5中所示的组件能够以这种方式将第一和第三基板2、60结合在一起，如图5所示。在另一示例中，环氧树脂能够分配在第一和第三基板2、60的配对表面之间，希望远离波导阵列62和台阶16。然后可以以任何合适和/或期望的方式固化该环氧树脂，例如，当使用UV可固化环氧树脂时，通过暴露于UV光，或当使用可热固化的环氧树脂时，通过施加热量。
参考图6的组装立体图，图5中所示的第一和第三基板2和60的组件然后可以倒转，因此第三基板60的波导阵列62的波导64面向上，如图6所示。
图7A和7B分别示出了在第一和第三基板2和60以图5和6所示的方式连接之后的第一、第二和第三基板2、30和60的部分组装的底侧和顶侧立体图。如图7A和7B所示，第二基板30的第一端32(在图7A所示的视图中，包括波导阵列42的表面朝下)移动到与第一基板2的第一端8邻接或间隔开的位置，其中第二和第一基板30和2的QP节结40和20分别接触和/或配对，并且波导阵列42的波导44与波导阵列62的波导64竖直或基本对准。这里，“竖直或基本上竖直对准”是指波导64和波导44在图1所示的笛卡尔坐标系图90中所示的Z方向上的对准在Y方向上竖直±2微米内或在±5°内竖直。
第一、第二和第三基板2、30和60的完整组件的底侧和顶侧立体图示于分别示于图8A和8B。
用于组装第一、第二和第三基板2、30和60的设备可以包括本领域当前已知的或下文开发的任何合适的和/或期望的设备。在示例中，可以利用包括合适的卡盘或平台的芯片焊接机来拾取、操纵、定向和放置基板2、30和60，以形成图8A和8B中所示的组件。
再次参考图1、2A和图2B，可以看出，第一、第二和第三基板2、30和60的完整组件包括第一基板2的第一端8，其与第二基板30的第一端32邻接或间隔开，其中QP节结20和40接触或配对。在示例中，QP节结20和40有助于控制沿波导阵列42的波导44的长度(或X)方向和波导阵列62的第一部分74的波导64的角度变化和对准。
包括波导阵列62的第二部分76的至少一部分的第三基板60的表面与第一基板2的下降表面或较低的表面接触，即，第一基板2的靠近第一端8的不包括光纤4和凹槽6的表面。同时，包括波导阵列62的第一部分74的至少一部分的第三基板60的表面与第二基板30的表面接触，第二基板30的表面包括靠近第二基板30的第一端32的波导阵列42的至少一部分。
在图1所示的示例中，包括波导阵列62的第三基板60的表面被第一基板2和第二基板30的部分覆盖或覆盖第一基板2和第二基板30的部分。相反，仅第一和第二基板2和30的靠近QP节结20和40的部分被第三基板60的表面覆盖或覆盖第三基板60的表面。
组装上面结合图4-8B讨论的第一、第二和第三基板2、30和60的示例不应被解释为具有限制意义，因为可以设想所述基板可以以任何合适和/或期望的方式组装成图8A和8B所示的形式。在示例中，第一基板2的第一端8和第二基板30的第一端32能够邻接在一起或者通过QP节结20、40邻接的间隔关系固定，然后以图1所示的方式将第三基板60放置在与第二基板30邻接或间隔的第一基板2上方。
第一、第二和第三基板2、30和60的组件可以以任何合适和/或期望的方式结合在一起。在示例中，可以使用环氧树脂(UV固化或热固化)。在示例中，在图1、8A和8B所示的组装图中，环氧树脂可以被设置在第一基板2和第三基板60的相对表面之间，以及第二基板30和第三基板60的相对表面之间。在另一示例中，热表面粘合可用于通过在每个基板上预沉积的例如SiO2的层来连接第一、第二和第三基板2、30和60。在又一示例中，可以利用激光辅助焊接来连接第一、第二和第三基板2、30和60。通过预沉积层(例如SiO2)、环氧树脂(UV或热固化)和/或激光辅助焊接的热表面结合的组合也可以用于以1、8A和8B中所示的方式连接第一、第二和第三基板2、30和60。
现在参考图2A、2B和3A-3D所示，接近第二基板30的第一端32，形成每个波导44的材料能够从整个横向宽度(沿Y方向)在所述波导44的第一端46处逐渐变细到圆点54(图3A)。类似地，靠近第一端66，每个波导64可以是锥形的并且具有圆点78。对于波导阵列62的第一部分74的其余部分，波导64能够在远离第一端66的方向上移动，向外逐渐变细至其整个横向宽度(在Y方向上)。
在示例中，靠近其第一端46的每个波导44和靠近其第一端66的每个波导64竖直或基本上与所述波导44对准可以彼此重叠300微米±30微米(图3B)。这种重叠如图3B的附图标记80表示。然而，这不应被解释为限制意义。
在示例中，距离圆点54的尖端25-100微米的波导44的锥形部分的横向宽度(在图3A中所示的Y方向上)可以小于远离波导44的锥形部分的波导44的主体的Y方向上的最大宽度的1/2或1/4。在另一示例中，距离波导64的圆点78的尖端25-100微米的波导64的横向宽度(在图3A中所示的Y方向上)可以小于远离波导64的锥形部分的波导64的主体的Y方向上的最大宽度的1/2或1/4。换句话说，波导44的非锥形部分的宽度(在Y方向上)可以是距离圆点54的尖端25-100微米的波导44的锥形部分的宽度(在Y方向上)的2-4倍。在另一示例中，波导64的非锥形部分的宽度(在Y方向上)可以是距离圆点78的尖端25-100微米的波导64的锥形部分的宽度(在Y方向上)的2倍或4倍。
在示例中，波导44在Z方向上的最大厚度(或高度)(如图3A所示)为1.25微米，波导64在Z方向上的最大厚度(或高度)为200纳米。然而，这不应被解释为限制意义。
每个波导44的锥形部分有助于响应于在波导44中朝向第一端46传播的激光形成渐逝光场。当波导64的锥形部分与波导44的锥形部分竖直或基本竖直对准(Z)对准(在Y方向上竖直偏离±2微米)时，并且波导46和64的纵轴线平行或者基本上平行，±2°平行，该渐逝光场能够在波导64靠近其第一端66的锥形部分中被接收，用于将接收到的光持续传播到波导64的第二端68，以便传输到具有与所述第二端68对齐的端面18的光纤4。
可以看出，公开了一种使用芯片到芯片竖直渐逝光学波导44和64被动地对准光纤4、波导阵列62和波导阵列42的方法和系统，其可以与全自动芯片焊接设备一起使用。预期组件2、30和60能够实现高光学耦合和高工艺产量，以满足光子学、硅光子学和需要将光纤有效地对准激光器的其他应用的大批量制造的需要。
本文还公开了一种系统，包括：具有第一和第二端的第一基板，第一基板包括设置在凹槽中的光纤；具有第一和第二端的第二基板，第二基板包括具有第一和第二端的第一波导，其中，第二基板的第一端靠近第一基板的第一端定位；以及具有第一和第二端的第三基板，第三基板包括具有第一和第二端的第二波导，其中：第二和第三基板被布置成第一和第二波导的第一端以间隔开的平行或基本平行的关系重叠；以及第一和第二基板被布置成第二波导的第二端与光纤的端面光学对准。
靠近其第一端的第二波导能够逐渐变细到一点，例如圆点。靠近其第一端的第二波导能够逐渐变细到一点，例如圆点。
第一和第二波导的第一端能够重叠300微米±30微米。
第一和第二波导的重叠的第一端之间的中心距离可以小于或等于2微米。
第一和第二波导能够被配置，因此传播到第一或第二波导的第一端的光形成渐逝光场，渐逝光场能够由第一或第二波导中的另一个的第一端接收。由第一或第二波导中的另一个的第一端接收的渐逝光场能够远离第一或第二波导中的另一个的第一端传播。
第三基板能够覆盖第一基板的一部分和第二基板的一部分。
第一基板能够包括具有露出光纤的端面的面的台阶。第三基板的第二端的至少一部分能够邻接第一基板的台阶的面。
凹槽可以是V形的。
第一基板的第一端能够包括互连节结。第二基板的第一端能够包括互连节结。第一基板的第一端上的互连节结和第二基板的第一端上的互连节结能够彼此配对。
第一基板的第一端和第二基板的第一端上的互联节结能够通过以下方式配对：(a)其端面邻接、(b)以交叉的方式、(c)以摩擦配合方式、(d)以互锁方式，或(e)通过(a)-(d)的某种组合的方式。
每个互连节结单独地能够与所对应的第一或第二基板的第一端的表面齐平或延伸超出所对应的第一或第二基板的第一端的表面。
以间隔开的基本平行的关系重叠的第一和第二波导的第一端能够使其纵轴线对准±2°。
第一基板能够包括多个光纤，每个光纤能够被设置在单独的凹槽中。第二基板能够包括多个第一波导。第三基板能够包括多个第二波导。
相邻的第二波导之间的间隔能够朝向第三基板的第二端增加。
至少两个基板能够包括配对的对准特征。
本文还公开了一种方法，包括：(a)提供具有锥形端的第一波导；(b)提供具有锥形端的第二波导；(c)将第一和第二波导的锥形端定位成以间隔开的平行或基本平行的关系重叠；(d)提供被定位成与第二波导的锥形端相对的端部光学对准的光纤；(e)将光传播到第一波导的锥形端，以产生由第二波导的锥形端接收的渐逝光；(f)通过第二波导传播由第二波导的锥形端接收的渐逝光；以及(g)将通过第二波导传播的光传输到光纤。
以间隔开的基本平行的关系重叠的第一和第二波导的锥形端能够使其纵轴线对准±2°。在示例中，步骤(d)的光学对准可以在已知的工业公差范围内，用于光纤的轴线与第二波导的与锥形端相对的端部的轴线光学对准。
第一和第二波导的锥形端能够重叠300微米±30微米。
光纤能够被设置在第一基板上，且第一基板能够具有包括互连节结的第一端。第一波导能够被设置在第二基板上，第二基板具有包括互连节结的第一端。方法还包括将互连节结定位在第一和第二基板的第一端上，使其彼此接触或相互配对。
尽管为了说明的目的已经基于目前被认为是最实用和优选的实施例详细描述了本发明，但是应该理解，这些细节仅用于该目的，并且本发明不限于给公开的实施例，但是，相反，本发明旨在覆盖落入所附权利要求的精神和范围内的修改和等同布置。例如，应该理解，本发明设想，在可能的范围内，任何实施例的一个或多个特征可以与任何其他实施例的一个或多个特征组合。

Claims (19)

1.一种系统，包括：
具有第一和第二端的第一基板，所述第一基板包括设置在凹槽中的光纤；
具有第一和第二端的第二基板，所述第二基板包括具有第一和第二端的第一波导，其中，所述第二基板的所述第一端靠近第一基板的所述第一端；以及
具有第一和第二端的第三基板，所述第三基板包括具有第一和第二端的第二波导，其中：
所述第二和第三基板被布置成所述第一和第二波导的所述第一端以间隔开的平行或基本平行的关系重叠；以及
所述第一和第二基板被布置成所述第二波导的所述第二端与所述光纤的端面光学对准。
2.如权利要求1所述的系统，其中：
所述第一波导在靠近其所述第一端处逐渐变细到一点；以及
所述第二波导在靠近其所述第一端处逐渐变细到一点。
3.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一和第二波导的所述第一端重叠300微米±30微米。
4.如权利要求1所述的系统，其中，所述第一和第二波导的所重叠的第一端之间的中心距小于或等于2微米。
5.如权利要求1所述的系统，其中：
所述第一和第二波导被配置使得：传播到所述第一波导的第一端或第二波导的第一端的光形成渐逝光场，所述渐逝光场由所述第一或第二波导中的所述另一个的所述第一端接收；以及
由所述第一或第二波导中的所述另一个的所述第一端接收的所述光远离所述第一或第二波导中的所述另一个的第一端传播。
6.如权利要求1所述的系统，其中，所述第三基板覆盖所述第一基板的一部分和所述第二基板的一部分。
7.如权利要求1所述的系统，其中：
所述第一基板包括具有面的台阶，所述光纤的所述端面在所述面上暴露出来；以及
所述第三基板的所述第二端的至少一部分邻接所述第一基板的所述台阶的所述面。
8.如权利要求1所述的系统，其中所述凹槽是V形的。
9.如权利要求1所述的系统，其中：
所述第一基板的所述第一端包括互连节结；
所述第二基板的所述第一端包括互连节结；以及
所述第一基板的所述第一端上的所述互连节结和所述第二基板的所述第一端上的所述互连节结彼此配对。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述第一基板的所述第一端和所述第二基板的所述第一端上的所述互联节结通过以下方式配对：(a)其端面邻接、(b)以交叉的方式、(c)以摩擦配合方式、(d)以互锁方式，或(e)通过(a)-(d)的某种组合的方式。
11.如权利要求9所述的系统，其中，每个互连节结单独地与所对应的第一或第二基板的所述第一端的表面齐平或延伸超出所对应的第一或第二基板的所述第一端的表面。
12.如权利要求1所述的系统，其中，以间隔开的基本平行的关系重叠的所述第一和第二波导的所述第一端使其纵轴线对准±2°。
13.如权利要求1所述的系统，其中：
所述第一基板包括多个光纤，每个光纤被设置在单独的凹槽中；
所述第二基板包括多个第一波导；以及
所述第三基板包括多个第二波导。
14.如权利要求1所述的系统，其中，相邻的第二波导之间的间距朝向所述第三基板的所述第二端增加。
15.如权利要求1所述的系统，还包括在至少两个所述基板上配对对准特征。
16.一种方法，包括：
(a)提供具有锥形端的第一波导；
(b)提供具有锥形端的第二波导；
(c)将所述第一和第二波导的所述锥形端定位成以间隔开的平行或基本平行的关系重叠；
(d)提供与所述第二波导的所述锥形端相对的端部进行光学对准的光纤；
(e)将光传播到所述第一波导的所述锥形端，以产生由所述第二波导的所述锥形端接收的渐逝光；
(f)通过所述第二波导传播由所述第二波导的所述锥形端接收的渐逝光；以及
(g)将通过所述第二波导传播的所述光传输到所述光纤。
17.如权利要求16所述的方法，其中，以间隔开的基本平行的关系重叠的所述第一和第二波导的所述锥形端使其纵轴线对准±2°。
18.如权利要求16所述的方法，其中，所述第一和第二波导的所述锥形端重叠300微米±30微米。
19.如权利要求16所述的方法，其中：
所述光纤被设置在第一基板上，所述第一基板具有包括互连节结的第一端；以及
所述第一波导被设置在第二基板上，所述第二基板具有包括互连节结的第一端，其中：
所述方法还包括将所述互连节结定位在所述第一和第二基板的所述第一端上，使其彼此接触或相互配对。
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