Конструкция планарных матричных линзовых растров и призменных делителей
Преимущества использования оптического диапазона частот в системах передачи и обработки информации, стремление к миниатюризации стимулируют развитие интегральной оптики, в задачу которой входит создание оптических узлов и устройств в интегральном исполнении. Важным элементом интегрально-оптических устройств являются микролинзы. Они находят применение для коллимации и фокусировки (волоконная оптика, сенсорные устройства, оптическое сопряжение, оптические компьютеры), для передачи света (дисплеи, проекционные системы) и для формирования изображения (фотокопиры, трёхмерные фотографии, микролинзовая литография, астрономические приборы).
Метод электростимулированного ионного обмена
Среди известных методов формирования интегральных микролинз устоявшейся является ионообменная техника. Трёхмерное распределение показателя преломления (ПП) в таких микролинзах является дополнительной степенью свободы для вариации их оптических свойств. При их изготовлении методом электростимулированного ионного обмена профиль ПП иногда получается ступенчатым (с высоким градиентом) и характеризуется сферической симметрией. Рассмотрим пример возможного изготовления микролинз по данной технологии на фотопластинке и стекле К8. При этом использовался расплав смеси нитратов серебра AgNO3 и натрия NaNO3. Величина прикладываемого напряжения составляла 40 и 70 В. ПП подложки обычно известен. Для стекла К8 его значение на длине волны l=0,6328 мкм равно 1,515, для фотопластинки – 1,510. Для микролинзы, изготовленной в фотопластинке и имеющей диаметр D=80 мкм, путём решения задачи минимизации был рассчитан дифракционный фокус fdif. Было получено значение fdif=300 мкм, экспериментальное значение фокусного расстояния f=360 мкм, то есть относительная ошибка составляла около 20%. Этот факт свидетельствует в пользу сделанного выше предположения о приближённом равенстве параксиального и дифракционного фокусов fp и fdif. Таким образом, в рамках используемых технологических параметров для получения оценочных оптических характеристик (фокусное расстояние, диаметр фокального пятна) можно приближённо считать распределение показателя преломления сферически симметричным и носящим ступенчатый характер. В основе технологии изготовления матриц микролинз лежит подход, основанный на использовании электростимулированной миграции ионов Ag и т.п. в стеклянную подложку из расплавов солей под действием внешнего электрического поля. Миграция ионов из расплава соли в стеклянную подложку приводит к увеличению показателя преломления в приповерхностной области стекла. Внедрение ионов происходит через отверстия в маскирующем слое, наносимом на поверхность стеклянной подложки.
На рисунке 47 показаны основные этапы технологического процесса изготовления матрицы интегральных линз.
Одноформатные матричные объёмные микролинзовые растры
Одноформатные матричные объёмные микролинзовые растры предназначены для ввода оптического излучения в 3D М ФЭ СБИС А/Ц и вывода оптического излучения из
3D М ЭФ СБИС VCSEL. Образец матричного объёмного линзового растра приведён на рисунке 48.
Технологический процесс изготовления линзовых растров состоит из следующих операций: производство полированных штабиков, прессование заготовок растров и обработка заготовок растров механическим способом.
Сваренное и отлитое в блок оптическое стекло после отжига и контроля разделывается на кубики размером 160×160×400 мм, которые загружаются в печь нагрева, где стекло разогревается до температуры расплавления. Затем включается механизм вытяжки, разогретое стекло через специальную фильеру попадает на рамки вытяжной машины, и получается полированный штабик круглого сечения. Изменением скорости роликов достигается необходимый диаметр штабика. После обрубки определённой длины штабики укладываются в специальную печь, где происходит отжиг стекла.
Для прессования заготовок растров используется комплекс оборудования, включающий печь для разогрева штабика, пресс и печь отжига. После проверки качества поверхности штабика на отсутствие дефектов (царапины, включения) штабик укладывается в специальное устройство и подаётся к окну печи разогрева. По мере разогрева конца штабик продвигается внутрь печи. По достижении на конце штабика вязкости стекла, при которой возможно формование, он переносится к прессу, разогретый конец укладывается на нижний пуансон.
С помощью прессующего цилиндра разогретый конец штабика подаётся к матрице, и происходит прессование заготовки растра. Излишки стекла выдавливаются по краям матрицы. Специальными ножницами штабик отрезается от отпрессованной заготовки и снова укладывается на специальное устройство для разогрева. После того как отпрессованная заготовка вынута из матрицы, она переносится в печь отжига.
После отжига заготовки подвергаются обработке, при которой достигается требуемая толщина. Поскольку линзы растра и его диаметр окончательно формуются, требуемая толщина достигается снятием припуска с одной стороны заготовки. Обработка производится на шлифовально-полировальном станке.
Заготовки наклеиваются на планшайбы с помощью специального лака, который позволяет удерживать наклеенную заготовку даже при нагреве в процессе полирования. Снятие припуска осуществляется за несколько переходов сначала круглым наждаком, затем средним и микропорошком, который готовит поверхность для полирования.
Оптическая схема построения хода лучей и габаритно-энергетический расчёт оптической системы для 3D М ФЭФ М
В ходе работы были проведены исследование оптической схемы (ОС) с построением хода лучей и габаритно-энергетический расчёт одного канала 3D М ФЭФ М.
Расчёт ОС соответствует следующим требованиям:
- активными элементами системы являются матричный кристалл светоизлучающих лазеров (VCSEL) и матричный кристалл фотоприёмных устройств;
- матричные кристаллы VCSEL и фотоприёмников излучения (ФП) должны иметь высокую механическую прочность;
- пассивные элементы ОС должны обеспечить максимальную передачу мощности потока излучения VCSEL на расстояния, необходимые для передачи информации между 3D ЭФ VCSEL.
Излучающая структура представляет собой кристалл на базе арсенида галлия (GaAs) с габаритными размерами 12×12×0,16 мм. Каждый VCSEL располагается с периодом 0,75 мм и имеет следующие параметры:
- длина волны излучения l=0,85 мкм;
- вид индикатрисы излучения – распределение Гаусса;
- полный угол излучения 2sVCSEL=80°;
- мощность излучения Рвх=300 мкВт;
- диаметр излучателя dVCSEL=0,05 мм;
- показатель преломления при 0,85 мкм – 3,211.
Матричный кристалл ФП изготовлен по технологии КМОП на кремнии толщиной 0,48 мм. Размер кристалла – 14×14 мм. На его лицевой стороне с шагом 0,75 мм расположены ФП. Для обеспечения эффективного срабатывания ФП с обратной стороны кристалла с шагом 0,75 мм вытравлены углубления, приближающиеся по форме к усечённым конусам с диаметром большего основания 0,65 мм и диаметром меньшего 0,065 мм. Каждый ФП имеет следующие параметры:
- диаметр площадки ФП dФП=0,065 мм;
- пороговая мощность Рпор=10 мкВт;
- глубина усечённого конуса – 0,47 мм.
В ФЭ вычислительной системе между 3D ФЭ ГИМС используется оптическое волокно (ОВ), имеющее следующие параметры:
- материал сердцевины – дейтерированный полиметилметакрилат;
- материал оболочки – полифторакрилат;
- диаметр сердцевины (жилы) – 0,4 мм;
- диаметр оболочки – 0,42 мм;
- показатель преломления сердцевины – 1,485;
- показатель преломления оболочки – 1,42;
- структура – ступенчатый профиль;
- числовая апертура – 0,44;
- апертурный угол – 52°;
- длина волны пропускания lmах=(670–680, 850) нм;
- затухание на lmах – 100–150, 200–250 дБ/км;
- допустимый радиус изгиба – 10 мм;
- интервал рабочих температур – -40...+70°С.
Прочие параметры системы:
- шаг между оптическими каналами – 0,75 мм;
- материал оптических элементов – стекло ТФ4, nТФ4=1,72019 (при 0,852 мкм);
- показатель преломления GaAs nAs=3,211 (при 0,85 мкм);
- промежутки клеевого соединения оптических деталей – 0,05 мм;
- воздушные промежутки при соединении деталей – 0,05 мм или 0,12 мм;
- минимально возможный радиус сферической поверхности оптических деталей – 0,34 мм.
Габаритно-аберрационный расчёт проводился с помощью пакета прикладных программ «Призма», который является исходным для энергетического расчёта.
Основные цели габаритного расчёта данной ОС:
- При заданном шаге каналов 3D ФЭ ГИМС подобрать параметры ОС.
- Обеспечить ввод излучения в ОВ с определённой апертурой.
- Обеспечить вывод оптического излучения из ОВ на ФП.
Данная ОС работает с увеличением Во=-1,271 и даёт изображение источника излучения на расстоянии s×=0,0387 мм от последней поверхности ОС.
Заметим, что для унификации узлов и деталей ОС используются одинаковые геометрические параметры линзовых растров. Стрелки прогиба на всех линзах (при плотной упаковке линзового растра) при диаметре каждой линзы 0,6 мм и шаге между каналами 0,75 мм равны 0,18 мм.
На рисунке 50 представлены матричный линзовый растр и расчёт хода лучей оптического потока в линзе.
Примечание: D – диаметр линзы, Λ – период матрицы, d – толщина подложки, f и f′ – фокусные расстояния, f ≈ f′.
На рисунке 51 изображены фрагмент матрицы линз, мультиплицирование изображения с помощью матрицы линз и фокальные пятна матрицы линз.
Схематический вид оптических каналов, используемых в разъёме с матрицей линз, представлен на рисунке 52.
На рисунке 53 представлен расчёт хода лучей в канале сетки с оптическими отрезками для фокусного согласования оптического излучения для разъёма.
Исследование возможности уплотнения фотоприёмного устройства ФЭ СБИС и излучающего элемента
Применяемые в схеме приёма-передачи плосковыпуклые и двояковыпуклые линзовые системы дважды переворачивают изображение. Это обстоятельство приводит к тому, что пучки света не теряют адресации, то есть луч, вышедший из нижнего светодиода, имеет мнимое изображение на поверхности матричного линзового растра (см. рис. 50) перед входом в приёмный конденсор, на выходе из конденсора луч снова попадает на матричный линзовый растр, инвертирующий изображение на фотоприёмную площадку матричного кристалла. А это, в свою очередь, вселяет уверенность в том, что если источники излучения «подкрашены» в рабочем диапазоне длин волн, то можно рассчитывать на адресную передачу уплотнённой информации.
Проведённые оценочные расчёты и построения показывают, что теоретически разработка оптической системы связи между оптическими модулями для передачи уплотнённой информации возможна. При этом следует отметить, что практически воспроизвести подобную схему сегодня очень трудно. Нужно учитывать, что телесные углы распространения света малы (0,05…0,07 рад) и мощность излучения должна быть достаточно высокой. Напрашивается полупроводниковый поверхностный лазер с матричной структурой. Такие приборы ещё не освоены отечественной наукой и техникой. Оптическая схема, приведённая выше, хотя и выполняет поставленные перед ней задачи, всё же не идеальна в части больших фоновых засветок от соседних близко стоящих источников. Целый ряд конструктивных и технологических ограничений оставляет массу проблем со сборкой и юстировкой подобных схем.
Таким образом, осуществление разделения сигнала по узкому диапазону частот и изготовление оптоэлектронных преобразователей с повышенной плотностью информации, передаваемой посредством света, можно рассматривать как перспективное направление. На рисунке 54 представлена модель оптического призменного мультиплексора.
Выпущена конструкторская документация и изготовлены опытные образцы оптического призменного мультиплексора с корпусом-разъёмом Пикатинни под разъём с линзовыми растрами и под разъём с многоканальным оптическим волокном.
Технология сборки 3D ФЭ СБИС VCSEL и 3D ФЭ СБИС МА/Ц на многослойной полосковой плате для 3D М ФЭФ М
Принцип сборки бескорпусных кристаллов 3D ЭФ СБИС VCSEL и 3D ФЭ СБИС МА/Ц методом перевёрнутого монтажа (flip-chip) основан на технологических возможностях формирования индиевых столбиков.
Особенностями сборки кристаллов методом перевёрнутого монтажа являются:
- качество соединения собираемых частей 3D М ФЭФ М зависит от степени чистоты поверхности соединяемых материалов, а также параметров сборки, таких как температура соединяемых частей, механическая сила, прикладываемая к ним, время, в течение которого прикладывается усилие;
- параметры и режимы сборки в значительной степени определяются геометрическими размерами индиевых столбиков: наилучшей является ситуация, когда отношение высоты столбика к его поперечному размеру приближается или превышает единицу;
- рекомендуемые в зарубежных источниках параметры сборки следующие: механическое давление на границе соединяемых поверхностей – 0,5 кг/мм2, температура соединяемых частей – около 90°C при времени воздействия давления порядка 1 минуты.
Технология сборки кристаллов методом перевёрнутого монтажа проводилась в следующей последовательности.
Используемые индиевые столбики имели высоту 9 мкм, площадь поперечного сечения у основания 12×12 мкм с переходом на конус у вершины.
Поскольку наличие окисла (толщина окисной плёнки составляет свыше 100 А) на поверхности индиевых столбиков препятствует созданию надёжного контакта между ними, то для предотвращения влияния окисла после формирования индиевых столбиков содержащие их компоненты до сборки хранятся в среде, не содержащей кислорода, – в вакууме или в инертном газе. Непосредственно перед сборкой эти компоненты должны подвергаться травлению ионами аргона для удаления окисной плёнки индия.
Сборка 3D ЭФ СБИС VCSEL и 3D ФЭ СБИС МА/Ц производилась на установке М9-А производства фирмы R&D Automation (США).
Был выбран следующий режим сборки:
- механическая нагрузка – 130–150 Н/см2;
- температура стыкуемых частей – 130°C;
- время приложения нагрузки – 5 минут.
Установка М-9А использует оптику, управляемую от ПЭВМ, которая допускает быстрое повторяемое совмещение и посадку перевёрнутого кристалла на подложку. Процесс сопровождается использованием оптического зонда с одиночной камерой и призменного блока, которые обеспечивают проецирование наложенных изображений кристалла и подложки на видеомониторе.
Как только изображения совмещены правильным образом, оптический зонд отводится, а кристалл и подложка, совмещённые и параллельные друг другу, приводятся в контакт, начиная соединение. Предварительно запрограммированные эпюры давления и температуры исполняются так, чтобы обеспечить соответствующее качество сборки для соединяемых типов контактных площадок. Установка может быть настроена под разный тип площадок и запрограммирована на любую комбинацию давления, нагрева подложки и кристалла для создания надёжного контакта.
Применяемый оптический зонд позволяет одновременно видеть и верхний, и нижний кристаллы. Оба кристалла, а также пьедестал (инструмент для крепления кристалла) удерживаются на месте в процессе обработки за счёт использования внешнего вакуумного устройства. Узел оптического зонда позволяет перемещаться по осям х, у и z и обеспечивает точную фокусировку и сканирование всего кристалла и подложки в ходе совмещения.
Перемещающийся подложечный узел установки используется для точного расположения подложки под кристаллом и обеспечивает высоконадёжное параллельное размещение собираемых частей относительно друг друга для соединения. На рисунке 55 представлен пример схемы сборки посредством индиевых столбиков.
Индиевые столбики формировались методом «взрывной» фотолитографии в комбинации с магнетронным напылением адгезионных молибден-никелевых подслоёв и термическим напылением толстых слоёв In.
Для реализации «взрывной» фотолитографии была разработана технология двухслойной фоторезистивной маски толщиной 7–9 мкм на основе фоторезистов ФП 3515 и ФП 3550. Метод обработки этих фоторезистов позволил с высокой воспроизводимостью получать фоторезистивные маски с локальными окнами размером 12 мкм и шагом 30 мкм, имеющие отрицательный профиль, как показано на рисунке 56.
Следующей операцией было напыление на пластины с маской фоторезиста адгезионного молибден-никелевого подслоя толщиной 1000 А и слоя In толщиной 6…12 мкм, как показано на рисунке 57.
После удаления фоторезиста на пластинах формировались индиевые столбики, показанные на рисунке 58.
Формируемые индиевые столбики необходимы для осуществления электрического соединения матричных оптоэлектронных СБИС VCSEL и МА/Ц на соединяемых частях, а соединение указанных частей производится методом перевёрнутого монтажа кристаллов.
В следующей части будут рассмотрены конструкторские и технологические решения, применяемые при создании информационно-вычислительных, коммутационных и радиолокационных устройств и систем на базе трёхмерных матричных фотон-электрон-фотонных модулей (3D М ФЭФ М), изготовленных на основе мезонинной платы с применением металлокерамических корпусов PGA с многоканальными электрическими контактами и металлическими корпусами-разъёмами для многоканальных оптических линий связи.
