[发明专利]光学中介件

说明书

技术领域

本发明涉及将单模垂直腔面放射激光器(VCSEL)耦合到光子集成电路(PIC)或光纤，VCSEL为一类发射垂直于晶圆表面的光的器件。具体而言，本发明涉及利用光学中介件来增加阵列中单模VCSEL的密度。

背景技术

超级电脑和数据中心推动了对高互联带宽的需求，因为高互联带宽通常促使在实际计算中更为高效地使用微处理器。若距离大于20m，电互联是不切实际的，如今光学通常用于这些距离更长的机架到机架的互联。由于这些光学互联的成本下降，光学互联甚至将接替单板到单板的互联，最终接替片上互联。这些光学互联往往采用并联光纤架构，而不是以不断增长的比特率运行。这产生了对多个激光源的需要。满足这种需求的最为引人注目的器件之一是VCSEL，因为其功耗低、尺寸小并适合于晶圆测试。

在Ray T.Chen等作者在IEEE会议录2000年6月第88期第6卷中发表的文章“全嵌入式单板级导波光电互联(Fully Embedded Board-Level Guided-Wave Optoelectronic Interconnects)”中，描述了单板级的光学互联，其用于将来自VCSEL的光耦合到波导中，随后耦合到硅MSM光检测器(photodetector)中。如段落“III.薄膜波导耦合器”中所示，该文章试图解决表面法线(surface-normal)1比1单板级耦合到波导中的问题。Chen等人未揭示或教示硅级耦合并且本文所研究的表面法线或90度垂直耦合涉及大量光学损耗。

通过将VCSEL的基板(substrate)直接或间接附接到含有波导的另一基板来安装单个VCSEL或VCSEL阵列。基板可为玻璃、硅、InP、GaAs等。VCSEL通常以覆晶(flip-chip)方式安装，即垂直翻转VCSEL以向光耦合器件展示激光，光耦合器件包括平面波导(planar waveguide)、反射镜(mirror)、光学检测器(optical detector)、衍射光栅(diffraction grating)等。

WO 2009/141332揭示了用于通过硅光子集成电路上的衍射光栅在VCSEL和波导之间耦合光的集成光子器件。VCSEL和波导之间的基本上垂直的耦合有利于光纤安装并降低了封装成本。

第2011/133063号美国专利申请案和D.Balaraman等作者撰写的文章“有机单板或封装上的芯片到芯片的光电SOP(Chip-to-Chip Optoelectronics SOP on Organic Boards or Packages)”描述了单个VCSEL的光耦合到波导中的其它现有技术解决方案。除了将来自单个VCSEL的光耦合到导波中这个事实，以及密度问题并未解决之外，这些现有技术方案还实施了表面法线耦合，即涉及大量损耗的90度垂直耦合。

随着在同一系统中用作多个源的VCSEL的数目增加，最好能够缩放VCSEL的尺寸。尤其是随着VCSEL功耗的降低(由于使用VCSEL的距离变短并且VCSEL设计改善)，以及使用更为有效的方式对产生的热量进行散热，所以最好再缩小VCSEL的尺寸。

遗憾的是，VCSEL或VCSEL阵列的尺寸迄今为止尚不能缩放。这是必须要找到一种方法将来自VCSEL阵列的光耦合到光纤中的原因。如今，VCSEL阵列通过将光纤阵列直接放置在VCSEL阵列之上或者使用反射镜阵列将光旋转90度来耦合到光纤。有时对光纤端进行微加工(micro-machine)和处理以将反射镜集成到光纤头中。在多数情况下，耦合损耗通过使用光学路径中的透镜阵列得以改善。在所有情况下，耦合器件的间距(pitch)由光纤间距决定。如今，行业标准为250um，但是如客户有特别要求也可使用稍微更小的间距。