1 引言

光网络中最重要和关键的器件之一是激光器与光纤耦合封装的模块，其主要功能是调节半导体激光器光束与光纤的耦合。目前，光网络应用对激光器与光纤耦合有很大的需求，虽然现有用于光通信中发射数据信号的商用激光器与光纤耦合效率已比较高了，但是其制作工艺时间长，且需要昂贵的外部自动控制装置来调节激光器与光纤的光对准，因此，在现有条件下的耦合对准技术不能满足光电封装领域的需求，为此，提出一些不同的激光器与光纤耦合对准技术，一般用于激光器与光纤位置对准的低成本光电封装技术是采用腐蚀V型槽技术或焊料自对准功能，均可获得较高耦合效率，但在大量生产制作中，这些无源对准方法的精度低于±2μm，不能满足高性能和高可靠的光通信网络需求，并且也没有良好的光互连技术用于未来的光通信与封装。

最近，组装激光器与光纤耦合模块的一个备受关注的方法是采用微电子机械系统（MEMS）技术，MEMS的固有优点是尺寸小、成本低和纳米级的调谐性能，并可定向和调节进入光纤的激光束，采用MEMS微反射镜进行激光器与单模光纤的耦合，已获得40%的耦合效率，使得MEMS在激光与光纤耦合系统中有很大的应用潜力，但一般的MEMS耦合系统是基于传统的侧面发射激光器与光纤的耦合，MEMS基的激光与光纤耦合概念还不能用于垂直腔表面发射激光器（VCSEL）基模块，而VCSEL模块将是未来光通信所需要的关键器件之一，由于目前MEMS基封装技术仅达到实验室水平，同时仍需要对每个元器件进行外部对准，这导致器件结构尺寸增大，并且较大尺寸的驱动器也增加了MEMS的体积，所以，MEMS基封装技术还不能替代完成自动化的大规模生产制作和封装工艺，为此，目前已开发出一种可用于VCSEL与光纤耦合对准的新型集成微光学系统。

2 新型集成微光学系统的基本概念

图1示出可用于VCSEL与光纤耦合对准的新型集成微光学系统，该小型化耦合对准系统由VCSEL、具有热驱动微反射镜的MEMS平台和光纤三个部分组成，采用对接耦合概念进行VCSEL与光纤的有源耦合对准。在MEMS平台上倒装VCSEL，该倒装VCSEL位于与MEMS平台成45°角的微反射镜上方，将光纤安放在MEMS平台中已腐蚀的V型槽中，可实现±2μm的无源对准精度，来自VCSEL的激光束被反射，并通过驱动微反射镜进行调整再耦合到光纤，这种新型集成微光学系统可不用外部对准控制，仅通过微反射镜将来自VCSEL的光发射与光纤波导耦合的光封装技术，即可自动实现VCSEL与光纤之间的光耦合调谐。

这种新型MEMS基VCSEL与光纤耦合对准集成微光学系统的主要优点是：

（1）不用外部昂贵的精度自动控制装置，可提供完全自动的有炊宰迹?/P>

（2）由于采用大规模生产的模块构型，可获得几百个批量生产的MEMS驱动VCSEL与光纤对准组件；

（3）模块组件工艺与现有平台上VCSEL和光纤的无源和高速布局相容；

（4）这种小型化、简单的模块技术还可用于VCSEL与光纤阵列的耦合对准。

图1 用于VCSEL与光纤耦合对准的新型集成微光学系统

3 新型集成微光学系统的设计与制作

一般采用现有的商用VCSEL与光纤或VCSEL与波导模块设计和制作这种新型集成微光学系统，因此，可根据VCSEL构形（如芯片尺寸、电极位置和光束孔位置）来制约MEMS平台结构的设计，如果采用比较大的电极，并使电极位于VCSEL的一边，则可使VCSEL键合工艺变得简单易行，并且也扩展了MEMS微反射镜的设计灵活性。此外，由于所有功能是在MEMS平台中单片集成，不需要采用另外的压模或元器件，因此，该微光学系统有很好的有机性。

该新型集成微光学系统的设计和封装适合于大规模生产，在这种激光器与光纤耦合的制作中所采用的工艺与现有MEMS和光电封装制造技术（如倒装焊、无定型硅体腐蚀、焊料自组装和微机械锁定系统）相容；因此，通过采用现有制作技术完全可自动进行器件制作工艺。

该MEMS平台采用多用户MEMS工艺（MUMPs）铸件。通过采用MUMPs工艺可提供两个架构多晶硅层、两个磷硅酸盐玻璃（PSG）牺牲层和一个金属层。制作时，在除去PSG牺牲层之前，采用EDP（邻苯二酚）溶液各向异性地腐蚀出一个15μm深的V型槽，然后在两个焊接点之间进行焊料连接；在MEMS微反射镜支撑架一端和在MEMS平台底座上的另一端采用1.02×10-4mm直径的Sn63Pb37易熔焊料球，采用金属线键合设备制作叠加的金凸台，并作为与套装VCSEL芯片的连接台，可移动微反射镜结构由两个重叠的带有金属层的多晶硅层构成，矩形反射镜面积为80μm×80μm，并具有直径为72μm的金属层。通过4个重新的热驱动器支撑可移动微反射镜，并且将该驱动器与支撑架连接，采用焊料自组装工艺使器件结构升高，并采用机械锁定机构以一个14°角固定微反射镜头，图2示出在焊料自组装之后，可移动微反射镜的闭合视图。

VCSEL激光器芯片尺寸为500μm×500μm×250μm（厚度），在升高微反射镜之后，面向下倒装的VCSEL位于微反射镜上方，并且采用导电环氧树脂将VCSEL的背面接地电极与衬底连接在一起，在倒装芯片工艺后，VCSEL与MEMS平台之间的空隙为65μm。最后，把光纤安装进V型槽，并将其粘接固定，已完成组装（带有倒装芯片VCSEL）的MEMS平台面积为2mm×2mm。图3示出已完成激光器与光纤耦合的微光学系统微型照片。

由于VCSEL设计的局限性，金凸台也可作为VCSEL倒装芯片的连接柱，而且，VCSEL有足够的空间放置焊料，VCSEL倒装片工艺也可同时进行与其他的焊料回流相关的工艺，并且可使制作工艺变得更为简单，因而不仅可减少制作工艺的时间和成本，而且可进行自动化和大规模生产，由于该微光学系统具有小型化和集成化的特点，所以采用标准的光电子学管壳可容易地进行封装，同时，该封装方法也可用于VCSEL与光纤耦合阵列。

4 微反射镜的调整

在该新型集成微光学系统中，微反射镜的可控制性很大，所以可进行VCSEL与光纤耦合的光束调节。当调整VCSEL的光束进入光纤时，仅仅不需要调整45°角微反射镜的两个自由度。微反射镜具有4个垂直热驱动器，这4个垂直热驱动器的综合移动提供了二维（2D）微反射镜的移动，通过对垂直热驱动器施加电流，可使垂直驱动器的臂获得大的电阻率，并进行加热，位于中心的多晶硅层悬臂梁为加热臂（200μm长），位于边上多晶硅层悬臂梁为致冷臂（160μm长），由于两臂之间的尺寸不同和热膨胀差异可使单个垂直热驱动器上下移动，通过控制每个驱动器，即可二维地调整微反射镜。图4示出2D微反射镜的调整移动说明，当仅仅驱动两个上驱动器时，微反射镜垂直旋转，如图4（a）所示，当驱动两个右边的驱动器，可横向地调整微反射镜，如图4（b）所示，当仅仅移动一个驱动器时，可交叉地倾斜反射镜，如图4（c）所示，垂直和横向调整的最大光束调整角度均为4.0°，光纤端面与微反射镜的距离为300μm，热驱动器的综合移动可使该微光学系统获得半径为15μm的可调整范围。

5 耦合精度与效率

在集成的微光学系统制作期间，总的位置对准误差为±10μm。其中，在器件组装期间，VCSEL倒装芯片与微反射镜焊料自组装可产生±8μm的对准误差，V型槽可提供±2μm的光纤位置对准。由于可移动微反射镜有半径为15μm的调整范围，所以可补偿全部对准误差。

光束调整角度与微反射镜的驱动电流大小有关，MEMS微反射镜具有驱动速率0.08°/mA的精细可调性，因此，该精细可调性可在微光学系统的光纤端面提供纳米（nm）级调节，图5示出两个驱动器的驱动电流与光束调整角度之间的关系曲线。

耦合效率为VCSEL输出功率与光纤末端的功率强度之比，VCSEL输出功率为375μW（850nm波长），采用芯径为100μm的多模光纤作为耦合光纤，并且从VCSEL到光纤末端的总光路长度为500μm，耦合效率取决于光束调整角度，图6示出了当安放V型槽上的光纤最佳化时，耦合效率与光束调整角度（横向反射镜摆动）的关系，当移动两边的驱动器从左到右进行横向调整时，VCSEL与多模光纤耦合效率产生了变化，该微光学系统用于控制VCSEL光束方向相当有效，大大地提高了耦合效率，最大耦合效率可达80%以上。

在实际应用中，微光学系统的微反射镜可补偿在25μm以内的光纤位置对准误差。在图7中示出当VCSEL与光纤有25μm偏移时，初始耦合效率仅为9%，通过调整光束角度的变化，大大地提高了耦合效率，并获得>80%的最大耦合效率，即使有50μm对准误差，该微光学系统也可进行补偿，此外，该微光学系统还有很好的对准重复性。

6 结论

采用MEMS和光电子学封装技术开发了一种用于VCSEL与光纤有源对准的新型集成微光学系统。由于该微光学系统具有小型化和集成化的特点，在VCSEL光束与光纤的耦合中具有可封装性。该微光学系统不仅用于控制VCSEL光束方向相当有效，大大地提高了耦合效率，而且还有很好的对准重复性。这种简单的封装对准技术，可用于目前低成本的耦合模块，也可用与VCSEL与光纤耦合阵列。将在未来的光通信与光互连封装中的发挥重要的作用。