專利名稱：批量制造光濾波器元件的方法和元件晶圓的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可調(diào)的波長(zhǎng)選擇光濾波器，該光濾波器能夠允許其中心在一個(gè)可調(diào)波長(zhǎng)附近的窄光譜帶的光通過，同時(shí)阻止處于該光譜帶之外的波長(zhǎng)?？梢岳秒娮友b置執(zhí)行該窄光譜帶的中心波長(zhǎng)的調(diào)節(jié)。
背景技術(shù)：
從下面可以看出，廣義上理解的術(shù)語“l(fā)ight”具體包括處于紅外區(qū)的譜帶，本發(fā)明的一項(xiàng)主要應(yīng)用是過濾位于1.3和1.61微米之間的各種光纖通信帶內(nèi)的光。
該1.3到1.61微米波段的優(yōu)勢(shì)來自于這樣一個(gè)事實(shí)現(xiàn)有由玻璃制成的光纖在該波段衰減小，因此光信號(hào)可以在非常長(zhǎng)的距離內(nèi)傳輸。下面將結(jié)合該光波段來說明本發(fā)明，應(yīng)該理解地是，如果有必要，通過使用適合于其它波段的材料，本發(fā)明也可以轉(zhuǎn)用于該其它波段。
在光纖通信網(wǎng)絡(luò)中，包含數(shù)根光纖的光纜可以用于形成幾個(gè)不同的傳輸信道。為了達(dá)到同樣目的，也可以進(jìn)行時(shí)分復(fù)用。但是，在網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量進(jìn)一步增加的地方，當(dāng)前趨勢(shì)是在同一根光纖上同時(shí)傳輸幾個(gè)光波長(zhǎng)，這些光波長(zhǎng)間彼此相互獨(dú)立調(diào)制，且每個(gè)波長(zhǎng)都定義了一個(gè)數(shù)據(jù)信道。ITU(國際電信聯(lián)盟)標(biāo)準(zhǔn)692建議定義光譜寬度為100GHZ的相鄰信道，該信道的中心在N個(gè)相鄰的歸一化的光頻率上，其值為200THZ、199.9THZ、199.8THZ等，對(duì)應(yīng)于從1.52微米到1.61微米的N個(gè)波長(zhǎng)。此波段內(nèi)的光波長(zhǎng)可以以10Gbit/s到40Gbit/s的速率調(diào)制，而不會(huì)存在太大的干擾直接相鄰譜帶內(nèi)信道的風(fēng)險(xiǎn)，(為了最小化該調(diào)制占用的帶寬，可以使用高斯形的調(diào)制脈沖)。該頻分復(fù)用技術(shù)稱為DWDM(密集波分復(fù)用)。
因此，在一個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)中，問題在于，能夠在不干擾相鄰信道內(nèi)的光的情況下，收集對(duì)應(yīng)于給定信道的光。例如，在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)送節(jié)點(diǎn)，該發(fā)送節(jié)點(diǎn)被分配來發(fā)送和接收信道i的數(shù)據(jù)，必須能夠在不阻礙調(diào)制在中心頻率F1到FN上的光的傳輸?shù)那闆r下，在中心頻率Fi(波長(zhǎng)λi)上收集光，即使這些光頻率彼此非常接近。
為實(shí)現(xiàn)該目的，必須提供高效的波長(zhǎng)選擇光濾波器元件，該波長(zhǎng)選擇光濾波器元件能夠允許中心光頻率Fi及位于該中心頻率兩邊、且每邊都小于50GHZ的窄頻帶內(nèi)的頻率通過，同時(shí)阻止其它頻段。在此種光濾波器的輸出端，只收集來自信道i的光，并且解調(diào)該光，以提取有用數(shù)據(jù)。
已經(jīng)有人提出根據(jù)F-P干涉原理工作的濾波元件，該濾波元件可以通過沉淀利用空氣隙彼此分開的半導(dǎo)體層來制作，該空氣隙的厚度根據(jù)所選擇的波長(zhǎng)λi來校準(zhǔn)。實(shí)際上，干涉儀包括兩個(gè)反射鏡，該兩個(gè)反射鏡組成具有高反射率的疊置電介質(zhì)層(布拉格鏡)，且被光學(xué)厚度為kλi/2的透光空隙分開(如果空隙是空氣隙，則kλi/2是空隙的實(shí)際厚度)，其中k是整數(shù)，其定義了干涉濾波器的階數(shù)。特別是由于對(duì)某些準(zhǔn)備使用的波長(zhǎng)具有好的透光性、非常高的折射率以及沉淀附著層的厚度可以精確控制，銦磷(InP)非常適用于此種結(jié)構(gòu)。
如果能夠很好地控制沉淀層的厚度和沉淀層間的空隙，并且材料具有很高的折射率，則此種濾波器被證明具有很好的選擇性。
A.Spisser等在1998年的“Electronics letters”的第34(5)卷的453頁到454頁上發(fā)表的，題目為“Highly Selective 1.55micrometer InP/airgap micromachined Fabry-Perot filter foroptical communications”的論文中描述了這種結(jié)構(gòu)。也有人提出其它的構(gòu)造，如微機(jī)械加工硅和以砷化鎵為基礎(chǔ)的合金。
這些濾波器一般在一個(gè)晶圓上制作。更確切地說，該濾波器是在一個(gè)透光的襯底上批量制作，比如銦磷襯底。當(dāng)然，透光的概念是針對(duì)準(zhǔn)備使用的這些波段。在同一襯底晶圓上可以制作幾百個(gè)濾波器。
用空氣隙分開的兩個(gè)布拉格鏡形成的濾波器非常脆弱，其厚度不超過幾微米，因此要非常嚴(yán)格地操作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一個(gè)目的是通過提出一種批量制作光濾波元件的方法，該方法允許更簡(jiǎn)單地操作，從而緩解該問題。
為了此目的，本發(fā)明的主題就是一種批量制作光濾波元件的方法，包括在一種透光襯底上制作多個(gè)光濾波元件，其特征在于，還包括用一個(gè)透光整體覆蓋層覆蓋該多個(gè)光濾波元件，對(duì)每個(gè)元件獨(dú)立地進(jìn)行光學(xué)測(cè)試，并彼此分離該多個(gè)元件。
本發(fā)明的另一個(gè)主題是元件晶圓，包括一個(gè)透光襯底，其上制作多個(gè)光濾波元件，一個(gè)覆蓋元件的透光整體覆蓋層以及用于對(duì)每個(gè)元件進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試的裝置。
使用襯底和透光覆蓋層，可以將光聚焦和準(zhǔn)直裝置集成進(jìn)或者覆蓋層、或者襯底，甚至同時(shí)集成進(jìn)覆蓋層和襯底，該光聚焦和準(zhǔn)直裝置用于直接從光纖來從光學(xué)上調(diào)諧濾波器。由此，在同一晶圓上制作的每個(gè)元件被分離之前，可以對(duì)每個(gè)濾波器進(jìn)行光學(xué)測(cè)試。因此，可以只保留那些成功通過測(cè)試的元件，而刪除其它元件。
可以通過切割來實(shí)現(xiàn)分離元件的操作，比如鋸開，但是這種操作會(huì)產(chǎn)生大量顆粒，這些顆粒可能損害元件。在元件分離之前，覆蓋層的存在允許保護(hù)由布拉格鏡組成的元件的有源部分。


在讀完本發(fā)明的三個(gè)實(shí)施例的詳細(xì)描述后，將會(huì)更好地理解本發(fā)明，本發(fā)明的其它優(yōu)點(diǎn)也將更加明顯，下面結(jié)合附圖進(jìn)行描述，其中圖1示出了根據(jù)第一實(shí)施例的一個(gè)光濾波元件的橫截面；圖2是圖1中示出的元件的俯視圖；圖3示出了根據(jù)第二實(shí)施例的元件的橫截面；圖4示出了根據(jù)第三實(shí)施例的元件的橫截面。
發(fā)明詳述圖1和圖2示出了在晶圓上制作的光濾波元件1。光濾波元件1在襯底2上制作，其中只顯示了承載元件1的部分。實(shí)際上，在一個(gè)或相同晶圓上制作大量元件，例如該元件彼此相同且并排地放置在襯底2上。元件1的有源部分包括被空氣隙5分開的布拉格鏡3和4。鏡3和4與主體部分6相連，并通過臂7附著在襯底2上，例如，如圖2所示，臂7有4個(gè)。臂7為鏡3和4提供一定的彈性，用來調(diào)節(jié)空氣隙5的厚度，進(jìn)而調(diào)節(jié)元件1過濾的中心波長(zhǎng)。元件1的有源部分上覆蓋有透光覆蓋層8。隔離片(spacer)9使覆蓋層8和鏡子4之間保持一定的距離。利用包裹元件1的有源部分的樹脂球形腔10將覆蓋層8固定在主體部分6上。樹脂球形腔10可以替換成軟金屬球形腔10，比如可以擠壓的銦材料，或者替換成其它由軟焊料合金制成的球形腔，通過適度加熱元件1，該軟焊料合金可以整體融化。利用箭頭11來符號(hào)示出通過濾波器的光束路徑。該路徑垂直于鏡3和4的平面。優(yōu)選，光學(xué)處理裝置12放在覆蓋層8上，例如允許聚焦或準(zhǔn)直經(jīng)由覆蓋層8的外表面13進(jìn)入濾波器的光束。
優(yōu)選，通過改變將鏡3和4分開的空氣隙5的厚度來調(diào)諧元件1。鏡3和4可以由半導(dǎo)體層制成。定義F-P諧振腔的空氣隙5以彼此面對(duì)的半導(dǎo)體層為界，制造時(shí)要精確定義兩個(gè)半導(dǎo)體層的間距。通過為每個(gè)半導(dǎo)體層制造一個(gè)電接觸點(diǎn)(假設(shè)此種電接觸點(diǎn)充分導(dǎo)電或其上覆蓋有導(dǎo)電材料)，就可以施加一個(gè)DC電壓，該DC電壓在面對(duì)的半導(dǎo)體層之間產(chǎn)生靜電力，用于以可控的方式改變?cè)撻g距。通過改變電壓，可以改變靜電力，進(jìn)而調(diào)節(jié)元件1的調(diào)諧。臂7具有足夠的硬度來抗拒靜電力，進(jìn)而使這兩層保持在穩(wěn)定位置。電接觸點(diǎn)14、15提供鏡子3、4和外部電源(沒有示出)之間的電連接。
在制造元件1的過程中，首先在襯底2上制作幾個(gè)元件1。然后，用透光的整體覆蓋層8覆蓋所有元件1。然后在元件分離之前，對(duì)每個(gè)元件進(jìn)行光學(xué)測(cè)試。優(yōu)選，在元件1的光學(xué)測(cè)試過程中，也可以進(jìn)行其調(diào)諧方式的測(cè)試。更確切地說，可以在焊盤14和15之間施加一個(gè)電壓，該電壓在一個(gè)有用的范圍內(nèi)變化，以檢測(cè)是否在一個(gè)可以接受的條件下進(jìn)行元件1的調(diào)諧。
為了將電壓施加到焊盤14和15之間，可以事先切割元件1，從而將部分16從覆蓋層8上移走(部分16位于虛線17之外)。因此，可以從外部接入焊盤14和15，且可以比如利用探針施加電壓，探針的針尖壓在焊盤14和15上。
圖3示出了第二實(shí)施例，其中再次示出了上面描述的所有元件。與上述實(shí)施例不同，為了在焊盤14和15上施加調(diào)諧元件1所需的電壓，沒有切割覆蓋層8，而是切割襯底2。焊盤14和15分別與焊接區(qū)18和19相連接，使得易于通過襯底施加電壓，該焊接區(qū)18和19可以通過在覆蓋層8的內(nèi)表面20上通過光刻方法制成。焊盤14經(jīng)由導(dǎo)電材料制成的圓柱21與焊接區(qū)18電連接。對(duì)焊盤15施加相同的處理，經(jīng)由圓柱22與焊接區(qū)19連接。
圖3還示出了抗反射膜23，24和30，優(yōu)選沿著穿過元件1的光徑制作?？狗瓷淠?3鍍?cè)诠鈱W(xué)處理裝置12上，抗反射膜24鍍?cè)诟采w層8的內(nèi)表面上，抗反射膜30鍍?cè)谝r底2的表面31上。表面31是襯底2上承載鏡3和4的面的對(duì)立面。該抗反射膜可以用于本發(fā)明的任何實(shí)施例。
圖4示出了第三實(shí)施例，其中第一實(shí)施例里所描述的元件在這里再次示出。此時(shí)，在焊盤14和15間施加電壓，不需要進(jìn)行切割。相反，在覆蓋層8中制作通孔25和26，從而經(jīng)由覆蓋層8的外表面13來施加調(diào)諧元件1所需的電壓。在覆蓋層8上沿與焊接區(qū)18和19成直線的方向垂直打孔，可以制成通孔25和26。然后，在通孔中填充導(dǎo)電材料，如導(dǎo)電的環(huán)氧樹脂或與覆蓋層8的材料兼容的金屬合金。在面對(duì)各自通孔25和26的覆蓋層8的外表面13上，還可以制成焊接區(qū)27和28，以增加接觸點(diǎn)區(qū)，該接觸點(diǎn)區(qū)用于通過例如探針來施加電壓。
調(diào)諧光濾波元件1，使得其上通過的中心波長(zhǎng)是ITU-692標(biāo)準(zhǔn)所定義的某個(gè)波長(zhǎng)。但是，單靠濾波元件1來抑制相鄰信道被證明是不夠的。覆蓋層8可以自身參與光學(xué)處理裝置，以改進(jìn)此種抑制。更確切地說，DWDM頻分復(fù)用技術(shù)使得間隔100GHZ的信道具有40Gbit/s的數(shù)據(jù)速率。因此，濾波器有必要對(duì)信道的中心波長(zhǎng)兩邊大于50GHZ的區(qū)域有好的抑制，從而防止信號(hào)混合。
以F-P干涉原理工作的濾波器，即F-P濾波器，其響應(yīng)形式是一個(gè)艾里函數(shù)，也就是說，半高帶寬和傳輸最大值的1％處帶寬的比率與帶寬無關(guān)。因此，這將導(dǎo)致或者如果優(yōu)選給定一個(gè)阻止性能，則制成的濾波器的帶寬將非常窄，或者如果優(yōu)選給定一個(gè)帶寬，則抑制就不充分。
一般來講，可以通過與其它諧振腔耦合來改善干涉濾波器如F-P濾波器的傳輸性能。此時(shí)傳輸曲線將不再是一個(gè)艾里函數(shù)，而接近于理想帶寬，該帶寬在中心波長(zhǎng)處有很好的傳輸性能，在有用帶寬的范圍之外有很好的抑制性能。
更確切地說，優(yōu)選將濾波元件1的調(diào)諧腔或空氣隙5與另外一個(gè)腔耦合，該另一個(gè)腔的厚度使得作為波長(zhǎng)函數(shù)的傳輸曲線呈梳狀，該梳狀曲線的高傳輸頻率與ITU-692標(biāo)準(zhǔn)中定義的頻率一致。該腔的光學(xué)厚度ne給定為ne＝c/2Δυ其中，c代表光速，Δυ代表ITU-692標(biāo)準(zhǔn)中兩個(gè)相鄰頻率的頻差。在空氣中，該厚度大約為1.5mm，可以利用一個(gè)覆蓋層產(chǎn)生，該覆蓋層可以由厚度為862μm的藍(lán)寶石制成，也可以由厚度為475μm的銦磷(InP)制成。當(dāng)然，也可以是其它材料。
控制覆蓋層8和元件1之間的電磁耦合很重要?？刂圃摲N耦合意味著必須控制覆蓋層8相對(duì)于元件1的位置，其精度高于一個(gè)波長(zhǎng)。為了達(dá)到該目標(biāo)，要用校準(zhǔn)球或光纖來制成隔離片9。例如，可能用尺寸非常精確的玻璃球，該玻璃球在別處用于生產(chǎn)液晶屏。
隔離片9還可以通過在覆蓋層8或襯底2上蝕刻一層材料制成。例如，該層可以利用在襯底2或以InP為材料制成的覆蓋層8上制成的一個(gè)InGaAs附著層來生成。為了在適當(dāng)?shù)奈恢蒙筛綦x片9，可選擇蝕刻該附著層。該附著層也可以用二氧化硅(SiO2)，鋁或金制成，使得該附加層也可以實(shí)現(xiàn)焊盤14和15提供的功能。
優(yōu)選，元件晶圓包括用于調(diào)節(jié)覆蓋層8的光學(xué)厚度ne的裝置。這是因?yàn)椋瑢?duì)于實(shí)現(xiàn)覆蓋層8和元件1之間很好的電磁耦合，控制覆蓋層8的光學(xué)厚度ne很重要。如果沒有這些調(diào)節(jié)方法，則需要以1/100微米量級(jí)的精度來控制覆蓋層8的光學(xué)厚度，這很難實(shí)現(xiàn)?？梢允褂糜糜谡{(diào)節(jié)覆蓋層8的溫度T的裝置來調(diào)節(jié)其光學(xué)厚度ne。更確切地說，大部分材料的尺寸，特別是其厚度e會(huì)隨著溫度T而改變。另外，透光材料的光折射率n也會(huì)隨著溫度T改變。以藍(lán)寶石為例dndT=+15×10-6K-1]]>和dee.dT=5×10-6K-1]]>而且，已知dυdT=-υ(1ndndT+1ededT).]]>將方程應(yīng)用于藍(lán)寶石中可以得出dυdT=2.7GHz/K]]>該數(shù)字實(shí)例顯示以幾十分之一度的精度來穩(wěn)定覆蓋層8的溫度，就可以將利用覆蓋層8制成的光學(xué)腔調(diào)諧到所期望的頻率。該精度很容易實(shí)現(xiàn)，比如用一個(gè)帶有用來控制模塊工作的溫度傳感器的帕耳帖效應(yīng)模塊就可以實(shí)現(xiàn)。另外，帕耳帖效應(yīng)模塊可以替換成加熱電阻，如果所需的溫度大于室溫，則加熱電阻本身可以沉淀到覆蓋層上。
優(yōu)選，在圖4所示的實(shí)施例中，樹脂球形腔10包裹圓柱21和22以及元件1的有源部分。因此，通過將圓柱21和22和元件1的有源部分裝入一個(gè)密封外套，在該外套中填充惰性氣體譬如氮，從而使其免受任何外來攻擊。
權(quán)利要求
1.一種批量制造光濾波元件(1)的方法，包括在透光襯底(2)上制作多個(gè)光濾波元件(1)，其特征在于，還包括用透光的整體覆蓋層(8)覆蓋所述多個(gè)元件，對(duì)每個(gè)元件(1)獨(dú)立地進(jìn)行光學(xué)測(cè)試，和將所述多個(gè)元件(1)相互分離。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，在一個(gè)元件的光學(xué)測(cè)試過程中，測(cè)試用于調(diào)諧該元件(1)的裝置。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，為了測(cè)試用于調(diào)諧所述元件(1)的所述裝置，在所述元件(1)的兩個(gè)鏡子(3，4)之間施加一個(gè)電壓，該電壓用于改變位于該兩個(gè)鏡子(3，4)之間的空氣層(5)的厚度。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，切割所述覆蓋層(8)的一部分(16)，以將所述電壓施加給焊盤(14，15)，每個(gè)焊盤與由半導(dǎo)體材料制成的所述鏡子(3，4)中的一個(gè)相連。
5.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，切割所述襯底(2)的一部分，以將所述電壓施加給焊盤(14，15)，每個(gè)焊盤與由半導(dǎo)體材料制成的所述鏡子(3，4)中的一個(gè)相連。
6.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，在所述覆蓋層(8)上制作通孔，該通孔使得可以經(jīng)由所述覆蓋層(8)的外表面(13)將所述電壓施加給焊盤(14，15)，每個(gè)焊盤與由半導(dǎo)體材料制成的所述鏡子(3，4)中的一個(gè)相連。
7.一個(gè)元件晶圓，包括一個(gè)其上制作多個(gè)光濾波元件(1)的透光襯底(2)，一個(gè)用于整體覆蓋該多個(gè)元件(1)的覆蓋層(8)，其特征在于，還包括用于獨(dú)立測(cè)試每個(gè)元件(1)的裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的晶圓，其特征在于，所述覆蓋層包括光學(xué)處理裝置(12)。
9.如權(quán)利要求7和8中的任何一個(gè)所述的晶圓，其特征在于，所述測(cè)試裝置包括通孔(25，26)，該通孔(25，26)穿過所述覆蓋層(8)，并連接到所述元件(1)。
10.如權(quán)利要求7到9中任何一個(gè)所述的晶圓，其特征在于，所述透光覆蓋層(8)至少在穿過所述元件(1)的光徑(11)周圍具有一個(gè)恒定的光學(xué)厚度(ne)，以形成一個(gè)隨所述元件(1)可調(diào)的腔。
11.如權(quán)利要求10所述的晶圓，其特征在于，包括裝置(9)，該裝置(9)用于確定所述覆蓋層(8)相對(duì)于所述元件(1)的位置，使得可以達(dá)到一個(gè)高于一個(gè)波長(zhǎng)的精度，該波長(zhǎng)經(jīng)由所述元件(1)濾波通過。
12.如權(quán)利要求11所述的晶圓，其特征在于，用于確定所述覆蓋層(8)位置的所述裝置(9)包括校準(zhǔn)球。
13.如權(quán)利要求11所述的晶圓，其特征在于，包括裝置(9)，該裝置(9)用于確定所述覆蓋層(8)相對(duì)于所述襯底(2)的位置，且該定位裝置(9)具有在所述覆蓋層(8)或所述襯底(2)中蝕刻的一個(gè)材料層。
14.如權(quán)利要求10到13中的任何一個(gè)所述的晶圓，其特征在于，所述覆蓋層(8)包括用于調(diào)節(jié)所述覆蓋層(8)的光學(xué)厚度(ne)的裝置。
15.如權(quán)利要求14所述的晶圓，其特征在于，用于調(diào)節(jié)所述覆蓋層(8)的光學(xué)厚度(ne)的所述裝置包括用于調(diào)節(jié)所述覆蓋層(8)的溫度(T)的裝置。
全文摘要
本發(fā)明涉及可調(diào)的波長(zhǎng)選擇光濾波器，該光濾波器允許其中心在一個(gè)可調(diào)的波長(zhǎng)附近的窄光譜帶通過，并阻止處于該光譜帶外的波長(zhǎng)。更具體地，本發(fā)明涉及一種批量制作光濾波元件(1)的方法，包括在一個(gè)透光襯底(2)上制作多個(gè)光濾波元件(1)。本發(fā)明還包括用透光的整體覆蓋層(8)覆蓋該多個(gè)元件，對(duì)每個(gè)元件進(jìn)行光學(xué)測(cè)試，并彼此分離該多個(gè)元件。本發(fā)明還涉及到一個(gè)元件晶圓，包括一個(gè)在其上制作多個(gè)光濾波元件(1)的透光襯底(2)，一個(gè)整體覆蓋所述元件(1)的透光覆蓋層(8)。該晶圓還包括用于獨(dú)立測(cè)試每個(gè)元件(1)的裝置。
文檔編號(hào)G02B6/34GK1653367SQ03811295
公開日2005年8月10日 申請(qǐng)日期2003年5月16日 優(yōu)先權(quán)日2002年5月17日
發(fā)明者讓-皮埃爾·穆瓦, 格扎維?！び谪?申請(qǐng)人:Atmel 格勒諾布爾公司