半导体激光器和光学放大器光子封装的制作方法

半导体激光器和光学放大器光子封装
1.相关申请的交叉参考
2.本技术要求于2021年6月29日提交的美国非临时申请17/362,080的优先权，其要求于2020年7月1日提交的美国临时申请63/046,906的优先权。申请17/362,080和63/046,906通过引用合并于此。
技术领域
3.本公开一般涉及激光器，尤其涉及光子封装。


背景技术：

4.过去二十年来，硅光子装置在包括通信和感测在内的广泛应用(诸如光学互连和光检测与测距(lidar))中取得巨大进展。由于硅的独特材料特性，硅光子学与其他光子技术平台相比提供很多优势。尽管具有所有这些益处，但是由于单模硅波导的光学模场很小，因此将硅光子装置与必要的光源(诸如激光器和光学放大器)以及玻璃纤维封装在一起具有很大的挑战性。此外，为了紧凑性和功耗限制，所涉及的光源通常是由化合物半导体材料制成的半导体激光二极管和半导体光学放大器(soa)，优选将它们封装在密封的外壳中。
5.人们普遍认为，硅光子产品的封装成本远远超过生产硅光子集成电路(pic)、激光二极管(ld)和soa芯片的晶圆制造成本。硅光子装置封装技术需要创新和发展。


技术实现要素：

6.本公开的实施方式包括用于自动驾驶车辆的光检测和测距(lidar)装置。lidar装置包括激光器组装级和光子集成电路(pic)级。激光器组装级包括被配置为发射激光的激光器。pic级包括半导体光学放大器(soa)和pic晶圆，pic晶圆被配置为将激光内耦合(incouple)到pic晶圆中并将激光引导到soa。
7.在实施方式中，lidar装置还包括设置在激光器组装级与pic晶圆之间的晶圆层。激光是红外激光，并且晶圆层对于红外激光透明。
8.在实施方式中，晶圆层包括透镜，透镜被配置为接收来自激光器组装级的红外激光，并且透镜集成到晶圆层中并且被配置为将红外激光聚焦到pic晶圆的输入光栅。
9.在实施方式中，晶圆层包括激光器载体晶圆和soa封盖晶圆。激光器耦合到激光器载体晶圆。soa封盖晶圆将soa相对于lidar装置的环境密封，并且soa封盖晶圆设置在pic晶圆与激光器载体晶圆之间。
10.在实施方式中，晶圆层和pic晶圆由单晶硅形成。
11.在实施方式中，晶圆层将soa相对于lidar装置的环境密封，并且激光器耦合到晶圆层。
12.在实施方式中，pic晶圆包括透镜，透镜被配置为接收来自激光器组装级的激光，并且透镜集成到pic晶圆中并且被配置为将激光聚焦到pic晶圆的输入光栅。
13.在实施方式中，pic晶圆包括集成到pic晶圆中的出射部件。出射部件被配置为接
收由soa生成的放大激光，并将放大激光从pic晶圆外耦合(outcouple)。
14.在实施方式中，激光器组装级包括设置在激光器与pic级的反射镜之间的激光透镜。激光透镜被配置为准直从激光器发射的激光。
15.在实施方式中，将soa倒装绑定在pic晶圆上。
16.在实施方式中，pic晶圆包括沟槽和基座，沟槽被设置尺寸为容纳用于soa的焊料，基座由pic晶圆形成以机械地支撑soa并提供垂直对准基准。
17.在实施方式中，pic晶圆包括一个或多个边缘耦合器，以接收来自pic晶圆的输入光栅的激光。一个或多个边缘耦合器被配置为将激光内耦合到soa中。
18.在实施方式中，pic晶圆的输出光栅被设置为与输入光栅相比在pic晶圆中更深。
19.在实施方式中，激光器组装级还包括将激光器相对于lidar装置的环境密封的封盖层，以及设置在封盖层的倾斜壁上的反射镜。pic晶圆包括输入光栅和输出光栅。输入光栅被配置为将从反射镜反射的激光内耦合并将激光引导至soa。输出光栅被配置为接收来自soa的放大激光并将放大激光外耦合到pic晶圆之外。
20.本公开的实施方式包括自动车辆控制系统，自动车辆控制系统包括lidar装置、光电探测器和一个或多个处理器。lidar装置包括激光器组装级和pic级。激光器组装级包括被配置为发射红外激光的红外激光器。pic级包括soa和pic晶圆，pic晶圆被配置为将红外激光内耦合到pic晶圆中并将红外激光引导到soa。光电检测器被配置为接收来自自动车辆控制系统环境中的目标的反射红外激光，该目标反射由soa生成的放大激光。一个或多个处理器响应于光电检测器生成的信号而控制自动车辆控制系统。
21.在实施方式中，晶圆层设置在激光器组装级与pic晶圆之间。晶圆层对于红外激光透明。
22.在实施方式中，晶圆层包括透镜，透镜被配置为接收来自激光器组装级的红外激光。透镜集成到晶圆层中并且被配置为将红外激光聚焦到pic晶圆的输入光栅。
23.在实施方式中，晶圆层包括激光器载体晶圆和soa封盖晶圆。激光器耦合到激光器载体晶圆。soa封盖晶圆将soa相对于lidar装置的环境密封，并且soa封盖晶圆设置在pic晶圆与激光器载体晶圆之间。
24.本公开的实施方式包括自动驾驶车辆，自动驾驶车辆包括lidar装置、光电探测器和一个或多个处理器。lidar装置包括激光器组装级和光子集成电路(pic)级。激光器组装级包括被配置为发射近红外激光的近红外激光器。pic级包括半导体光学放大器(soa)和pic晶圆，pic晶圆被配置为将近红外激光内耦合到pic晶圆中并将近红外激光引导到soa。光电探测器被配置为接收来自自动驾驶车辆环境中的目标的反射近红外激光，目标反射由soa生成的放大激光。一个或多个处理器响应于光电检测器生成的信号而控制自动车辆。
25.在实施方式中，晶圆层设置在激光器组装级与pic晶圆之间。晶圆层对于近红外激光透明。
附图说明
26.参考以下附图描述本发明的非限制性和非穷举性实施方式，其中在所有不同的视图中，相似的附图标记表示相似的组件，除非另有指定。
27.图1a和图1b示出根据本公开实施方式的包括激光器组装级和pic级的装置。
28.图2示出根据本公开实施方式的包括激光器组装级和pic级的装置，pic级包括作为pic晶圆的出射部件的出射透镜。
29.图3示出根据本公开实施方式的包括激光器组装级和晶圆层的装置，晶圆层包括包含在晶圆层的激光器载体晶圆中的聚焦透镜。
30.图4示出根据本公开实施方式的包括激光器组装级和包含在pic级的pic晶圆中的聚焦透镜的装置。
31.图5示出根据本公开实施方式的包括激光器组装级和包含在晶圆层的集成晶圆中的聚焦透镜的装置。
32.图6至图9示出根据本公开实施方式的用于制造激光器和光子装置的光学结构的侧视图和俯视图。
33.图10至图13示出根据本公开实施方式的包括pic晶圆的光学结构的侧视图和俯视图。
34.图14示出根据本公开实施方式的光学结构的侧视图和俯视图，该光学结构包括结合在一起的图9的光学结构和图13的光学结构。
35.图15a示出根据本公开实施方式的包括示例性传感器阵列的自动驾驶车辆。
36.图15b示出根据本公开实施方式的包括示例性传感器阵列的自动驾驶车辆的俯视图。
37.图15c示出根据本公开实施方式的包括传感器、驱动传动系统和控制系统的示例性车辆控制系统。
具体实施方式
38.本文描述可以在光检测和测距(lidar)装置和系统中实现的激光器和光子封装的实施方式。在以下描述中，阐述很多具体细节来提供对实施方式的透彻理解。然而，本领域技术人员将认识到，可以在没有一个或多个具体细节的情况下实践本文所述技术，也可以用其他方法、组件或材料来实践本文所述技术。在其他情况下，未详细示出或描述公知结构、材料或操作，以避免混淆某些方面。
39.本说明书上下对“一个实施方式”或“实施方式”的引用意味着结合实施方式所述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施方式中。因此，在整个说明书的不同地方出现的短语“在一个实施方式中”或“在实施方式中”不一定都指代同一个实施方式。此外，在一个或多个实施方式中，可以按照任何适当的方式来组合特定特征、结构或特性。
40.汽车工业目前正在开发用于在特定情况下控制车辆的自动特征。根据sae国际标准j3016，有6个级别的自主性，范围从0级(无自主性)直到5级(在任何条件下无需操作者输入即可运行的车辆)。具有自动特征的车辆利用传感器来感测车辆行驶的环境。从传感器获取数据并处理允许车辆在其环境中行驶。自动驾驶车辆可以包括一个或多个公开的lidar装置和系统来感测其环境。
41.在本说明书上下，使用了多个现有技术术语。这些术语在其所属领域中具有其一般含义，除非本文中有明确定义或它们的使用背景另有明确说明。出于本公开的目的，术语“自动驾驶车辆”包括具有sae国际标准j3016的任何自主级别的自动特征的车辆。
42.在本公开的各个方面中，可见光可以定义为具有大约380nm-700nm的波长范围。不
可见光可以定义为波长在可见光范围之外的光，诸如紫外光和红外光。波长范围约为700nm-1mm的红外光包括近红外光。在本公开的各个方面中，近红外光可以定义为具有大约700nm-1.6μm的波长范围。
43.在本公开的实施方式中，术语“透明”可以定义为具有大于90％的光透射率。在一些实施方式中，术语“透明”可以定义为具有大于90％的可见光透射率的材料。
44.本公开涉及通过晶圆级封装技术，使用硅微光学工作台(mob)构造具有半导体激光器和光学放大器的密封硅光子装置。本公开的实施方式描述硅光子封装的设计和组装工艺，硅光子封装包括硅光子集成电路(pic)、激光二极管和半导体光学放大器(soa)以及其他光电子和微光学组件，诸如光电二极管(pd)、聚焦透镜、隔离器、棱镜、反射镜等。这种封装的载体和外壳可以是使用硅微加工技术制造的硅微工作台。组装工艺可以在晶粒或晶圆级进行，并且密封可以通过真空或惰性环境下的晶圆绑定来实现。完成的晶圆组装可以通过晶圆级自动测试进行测试，然后切割成单个晶粒，其中包含密封的pic、ld和soa，准备与其他电子处理单元集成。
45.图1a示出根据本公开实施方式的包括激光器组装级110和pic级150的装置100。装置100可以包括在自动驾驶车辆中使用的lidar装置和/或系统中。装置100示出包括硅pic晶圆160、一个或多个激光二极管123和soa 151的示例性光子封装。装置100还可以包括其他光电和微光组件，诸如附加光电二极管、附加聚焦透镜、棱镜、反射镜和/或光束监测、校正和转向组件。
46.激光器组装级110包括被配置为发射激光191的激光器123。激光器123可以是连续波(cw)激光器。激光器123可以是发射红外激光的红外激光器。激光器123可以是发射近红外激光的近红外激光器。在图1a中，激光器组装级110还包括光电二极管121、激光透镜125和隔离器127。激光器组装级110还包括封盖层111，封盖层111将激光器123(以及激光器组装级130的其他组件)相对于装置100的环境密封。反射镜115设置在封盖层111的倾斜壁上。在一些实施方式中，反射镜115可以是并非设置在封盖层111的倾斜壁上的分立组件。
47.装置100的晶圆层130设置在激光器组装级110与pic级150的pic晶圆160之间。晶圆层130可以是硅。在实施方式中，晶圆层130由单晶硅形成。注意，硅在红外波长下至少部分透明。在某些红外波长下，可以将硅视为透明的。在图1a中，晶圆层130包括激光器载体晶圆131和soa封盖晶圆132。激光器载体晶圆131和soa封盖晶圆132可以是硅或其他半导体材料。激光器载体晶圆131和soa封盖晶圆132可以绑定在一起。光学组件121、123、125和隔离器127可以耦合到激光器载体晶圆131。封盖层111由激光器载体晶圆131支撑。
48.晶圆层130被配置为将soa 151相对于装置100的环境密封。在图1a的特定实施方式中，soa封盖晶圆132被配置为将soa 151相对于装置100的环境密封。soa封盖晶圆132被设置在pic晶圆160与激光器载体晶圆131之间。晶圆层130包括聚焦透镜133，聚焦透镜133被配置为接收来自激光器组装级110的激光193(在图1a所示的实施方式中从反射镜115反射)。聚焦透镜133被集成到晶圆层130中。在图1a中，聚焦透镜133被集成到soa封盖晶圆132中。聚焦透镜133被配置为将激光193聚焦到pic晶圆160的输入光栅163。可以在减法工艺(例如等离子体蚀刻技术)中形成聚焦透镜133的透镜曲率，以在soa封盖晶圆132中形成聚焦透镜133。
49.在实施方式中，pic晶圆160由单晶硅形成。pic晶圆160包括输入光栅163和输出光
栅165。输入光栅163和输出光栅165可以是在单晶硅中形成的衍射光学元件。输入光栅163被配置为内耦合激光193(从反射镜115反射)并将激光193作为内耦合激光195引导到soa 151。输入光栅163可以使用表面浮雕技术形成。输入光栅163可以被设计为将具有特定波长并以特定角度接收的光内耦合(并重新定向)。聚焦透镜133可以被配置为接收激光193并以增加输入光栅163效率的特定角度照射输入光栅163。聚焦透镜133也可以被配置为照射输入光栅163的二维区域，以增加和/或最大化内耦合效率。
50.soa 151接收来自输入光栅163的内耦合激光195。内耦合激光195被soa 151放大，并作为放大激光197被引导到输出光栅165。图1b示出pic晶圆160和soa 151的稍大视图。在图1b中，内耦合激光195由虚线箭头表示，放大激光197由点化线箭头表示。在图1a中，焊料152将soa151固定在pic晶圆160上。soa 151可以倒装绑定在pic晶圆160上。可以在pic晶圆160上形成电焊盘和迹线，以将soa 151连接到pic晶圆160。输出光栅165被配置为接收来自soa 151的放大激光197并将放大激光197外耦合到pic晶圆160之外。在图1a的图示中，输出光栅165生成输出光198。出射部件169接收放大的激光，并将放大的激光从pic晶圆160外耦合作为出射光199。在图1a的特定实施方式中，出射部件169通过输出光栅165接收放大激光197作为输出光198。出射部件169可以集成到pic晶圆160中并且被设计为以特定角度将出射光199引导到另一个装置(未示出)。在图1a的特定实施方式中，出射部件169是可以在pic晶圆160的减法工艺(例如化学蚀刻技术)中形成的棱镜结构。
51.在操作中，激光器123发射激光191。激光透镜125可以准直激光。激光透镜125设置在激光器123与反射镜115之间。在图1a的特定实施方式中，激光透镜125设置在隔离器127与激光器123之间。隔离器127接收来自激光透镜125的激光191。隔离器127将激光器123与光学系统中隔离器127之后的光学元件光学隔离。例如，隔离器127防止激光被反射镜115反射回激光器123。反射镜115接收来自隔离器127的激光，并将激光反射到透镜133作为激光193。因为激光193可以是红外激光，并且硅对于红外光至少部分透明，所以激光193传播到聚焦透镜133。聚焦透镜133将激光193聚焦到输入光栅163，输入光栅163将激光193内耦合到pic晶圆160中作为内耦合激光195。
52.内耦合激光195可以传播到由pic晶圆160中形成的波导(未具体示出)约束的soa 151。pic晶圆160可以包括边缘耦合器(在图1a中未具体示出)，边缘耦合器可以接收内耦合激光195并帮助将激光195内耦合到soa 151的一个或多个输入端。soa 151放大内耦合激光195并输出放大激光197。pic晶圆160可以包括边缘耦合器(在图1a中未具体示出)，边缘耦合器可以帮助将放大激光197输出到pic晶圆160中。放大激光197可以传播到由pic晶圆160中形成的波导(未具体示出)约束的输出光栅165。输出光栅165接收放大激光197并重新定向该光作为输出光198。出射部件169接收输出光198并将该光外耦合作为出射光199。
53.图2示出根据本公开实施方式的包括激光器组装级110和pic级250的装置200，pic级250包括出射透镜271作为pic晶圆260的出射部件。装置200包括与装置100相同的一些结构，尽管pic晶圆260的出射部件是出射透镜271而非棱镜。出射透镜271集成到pic晶圆260中。可以在减法工艺(例如等离子体蚀刻技术)中形成出射透镜271的透镜曲率，该减法工艺在pic晶圆260中形成出射透镜271。透镜曲率可以是球面或非球面，并且被配置为以特定角度输出出射光299。
54.图3示出根据本公开实施方式的包括激光器组装级110和晶圆层330的装置300，晶
圆层330包括聚焦透镜333，聚焦透镜333包括在晶圆层330的激光器载体晶圆331中。尽管聚焦透镜333被集成到激光器载体晶圆331中，而非如图1a所示的聚焦透镜133被集成到soa封盖晶圆132中，装置300包括与装置100相同的一些结构。在图3中，聚焦透镜333由激光器载体晶圆331形成，并且在soa封盖晶圆332中形成对应的空隙339，以容纳突出到soa封盖晶圆332中的聚焦透镜333。可以在减法工艺(例如等离子体蚀刻技术)中形成聚焦透镜333的透镜曲率，该减法工艺在激光器载体晶圆331中形成聚焦透镜333。透镜曲率可以是球面或非球面，并且被配置为以特定角度将激光193聚焦到输入光栅163。
55.图4示出根据本公开实施方式的包括激光器组装级110和聚焦透镜433的装置400，聚焦透镜433包括在pic级450的pic晶圆460中。尽管聚焦透镜433被集成到pic晶圆460中，而非如图1a所示的聚焦透镜133被集成到soa封盖晶圆132中，装置400包括与装置100相同的一些结构。在图4中，聚焦透镜433由pic晶圆460形成，并且在晶圆层430的soa封盖晶圆432中形成对应的空隙439，以容纳突出到soa封盖晶圆432中的聚焦透镜433。可以在减法工艺(例如等离子体蚀刻技术)中形成聚焦透镜433的透镜曲率，该减法工艺在pic晶圆460中形成聚焦透镜433。透镜曲率可以是球面或非球面，并且被配置为以特定角度将激光193聚焦到输入光栅163。
56.图5示出根据本公开实施方式的包括激光器组装级110和包括在晶圆层530的集成晶圆531中的聚焦透镜533的装置500。集成晶圆531同时充当激光器载体晶圆和soa封盖层。晶圆层530可以由连续的硅层形成。在图5中，聚焦透镜533由集成晶圆531形成。可以在减法工艺(例如等离子体蚀刻技术)中形成聚焦透镜533的透镜曲率，该减法工艺在集成晶圆521中形成聚焦透镜533。透镜曲率可以是球面或非球面，并且被配置为以特定角度将激光193聚焦到输入光栅163。
57.图6示出根据本公开实施方式的用于制造激光器和光子装置的光学结构601的侧视图和俯视图。图6左侧示出包括激光器载体晶圆131的光学结构601的侧视图。图6右侧示出包括温度传感器640和凸块下金属(ubm)焊盘642的光学结构601的俯视图。金属迹线和焊盘可以形成在激光器载体晶圆131上，以帮助向装置提供功率以及发射和接收电信号。焊料迹线可以围绕或环绕用于电和/或光学组件的迹线和焊盘，以帮助将电和/或光学组件相对于正在制造的装置的环境密封。光学结构601的制造可以包括制造具有薄膜结构的激光器载体晶圆，诸如温度传感器640、用于焊接的金属膜堆层以及用于电源和装置监测的电迹线。
58.图7示出根据本公开实施方式的用于制造激光器和光子装置的光学结构701的侧视图和俯视图。图7左侧示出光学结构701的侧视图，光学结构701具有耦合到激光器载体晶圆131的光电二极管121和激光器123。光电二极管121和激光器123可以用金线来引线绑定到激光器载体晶圆131上形成的电焊盘。图7右侧示出光学结构701的俯视图，光学结构701包括引线绑定到激光器载体晶圆131上形成的电焊盘的光电二极管121和激光器123。在一些实施方式中，用包括硅通孔(tsv)的通孔来形成电组件的电连接。
59.图8示出根据本公开实施方式的用于制造激光器和光子装置的光学结构801的侧视图和俯视图。图8左侧示出光学结构801的侧视图，光学结构801具有耦合到激光器载体晶圆131的光电二极管121、激光器123、激光透镜125和隔离器127。激光透镜125和隔离器127可以视为无源光学装置。激光束准直和对准可以在组装工艺中通过主动对准来实现。激光
器123发射激光191，激光透镜125将激光191准直为准直的激光。图8右侧示出光学结构801的俯视图。
60.图9示出根据本公开实施方式的用于制造激光器和光子装置的光学结构901的侧视图和俯视图。图9左侧示出光学结构901的侧视图，光学结构901具有封盖层111，封盖层111封盖并密封光学结构801的电和光学组件。可以在真空或惰性环境下执行图9的封盖工艺，以提供激光器的密封。封盖层111还包括内置反射镜115，以将激光重新定向到pic级(图9中未示出)。图9右侧示出光学结构901的俯视图。封盖层111可以被设置尺寸为与焊料迹线匹配，以密封包括在光学结构902中的电和光学组件。
61.图10示出根据本公开实施方式的包括示例性pic晶圆1060的光学结构1001的侧视图和俯视图。图10左侧(光学结构1001的侧视图)显示，可以在pic晶圆1060中形成深沟槽1064和基座1066，以容纳(并对准)soa 151。深沟槽1066被配置为容纳焊料，以将soa 151电耦合到pic晶圆1060的迹线/焊盘。基座1066被配置为帮助在soa 151与pic晶圆1060之间传播的激光光束的垂直对准。pic晶圆1060还可以包括由pic晶圆1060形成的内置棱镜和/或透镜，以操控激光。光学结构1001的侧视图显示，在一些实施方式中，与输入光栅1063相比，输出光栅1065可以在pic晶圆1060中设置得更深。激光通过边缘耦合器1068在pic晶圆1060与soa 151(在图12中添加)之间传播。图10右侧示出光学结构1001的俯视图。
62.图11示出根据本公开实施方式的光学结构1101的侧视图和俯视图，光学结构1101包括在pic晶圆1060的深沟槽1064中形成的焊球。可以将焊球植入(碰撞)到深沟槽1064中并压平(压铸)，以将旧焊球的高度降低到基座1066的高度以下。
63.图12示出根据本公开实施方式的光学结构1201的侧视图和俯视图，光学结构1201包括将soa 151绑定到pic晶圆1060。在一些实施方式中，soa 151是绑定到pic晶圆1060的倒装芯片(p侧向下)。soa 151在同一边缘上具有输入端口和输出端口，它们与pic晶圆1060的边缘耦合器1068耦合。通过倒装芯片绑定来实现横向对准，同时通过基座1066的预设高度来控制垂直对准。当焊球由于加热回流时，它们将膨胀上升以接触soa 151表面的金属膜，从而将soa 151焊接到pic晶圆1060。
64.图13示出根据本公开实施方式的光学结构1301的侧视图和俯视图，光学结构1301包括用包括透镜133的soa封盖晶圆132封盖soa 151。可以在真空或惰性环境下执行图13所示的操作，以提供soa 151的密封。
65.图14示出根据本公开实施方式的光学结构1401的侧视图和俯视图，光学结构1401包括绑定在一起的光学结构901和1301。可以通过晶圆-晶圆绑定或晶粒-晶圆绑定来执行光学结构901和1301的绑定。在绑定工艺之后，可以切割晶圆，并且可以拾取已知良好晶粒用来与系统中的其他装置集成。可以通过有线绑定或焊接到tsv来提供电连接。
66.本公开的实现允许使用微加工硅微光学工作台(mob)作为装置载体和外壳来制造硅光子封装。可以在晶圆级组装电和/或光学组件，以增加生产规模。此外，在真空或惰性环境下通过晶圆绑定工艺使用封盖(例如封盖层111和/或soa封盖晶圆132)来与另一个封盖晶圆来封盖晶圆上的完成的组装整体，有助于将所公开的装置相对于装置的环境密封。
67.单晶硅晶圆的独特物理化学特性可能有助于制造硅光子组件的封装。例如，单晶硅在红外波长下的透明性允许在光通信和包括lidar在内的很多感测应用中使用所公开的装置。此外，单晶硅可以化学蚀刻，以特定角度形成原子尺度的平坦小平面，这可以制成反
射镜和棱镜。它也可以等离子体蚀刻，在晶圆上形成内置微透镜。它具有非常稳定的氧化物作为坚固的钝化层，并具有高导热性和出色的机械强度。因此如本公开所述，设计者可以将诸如光子集成电路、微光学、散热器和机械支撑的很多关键功能集成在一个硅晶圆中。
68.图1a示出具有混合集成的硅封装。制造者首先构建具有目标应用的所有关键功能的pic晶圆(例如pic晶圆160)。在同一片晶圆上，制造者可以制造用于光学转向的微光学组件，诸如反射镜、透镜和棱镜。它还可以用作晶粒载体，用于将激光二极管(ld)或soa芯片与经由边缘耦合器或光栅耦合器在pic与光源之间耦合的光附接起来。ld和soa是发热装置，而硅晶圆充当散热器。采用晶圆级封装方法，设计者可以充分利用成熟的自动化晶圆测试方法来探测和筛选在晶圆上的整体中完成的组装，设计出已知良好晶粒(kgd)供日后使用。将组装保持在晶圆上也使得晶圆绑定成为一种在真空或惰性环境下将组装密封封装的可用技术。在实践中，可以制造多个多功能硅晶圆并绑定在一起。
69.图1a至图5示出共享包括激光器组装级、pic级和设置在激光器组装级与pic级之间的晶圆层的结构的封装设计的不同实施方式。图6至图9示出构造激光器组装的组装工艺。组装过程始于制造激光器载体晶圆，其上提供各种薄膜部件，诸如温度传感器、用于焊接的金属膜堆层、以及用于电连接的金属迹线。设计者还可以包括用于电连接(未示出)的硅通孔(tsv)。在该载体上，设计者可以先用焊料来附接诸如ld的有源装置，因为这些装置是功率密集型的并且得益于散热。如果没有tsv来电连接这些装置，则执行引线绑定。接着，在主动对准过程中，可以用uv粘合胶来附接诸如透镜和隔离器的无源组件，以实现精确定位。该组装工艺可以应用于晶粒级和晶圆级组装。晶圆级组装可以允许自动测试和密封封装。在晶圆级组装工艺中，可以通过局部加热来进行焊接，以防止干扰相邻位置的任何预沉积焊料。组装完成且晶圆密封封盖以后，可以进行晶圆测试并切割出kgd供日后使用。
70.图10至图13示出将soa芯片附接到pic晶圆的组装工艺。pic晶圆(例如pic晶圆1060)提供深沟槽(例如沟槽1064)以容纳焊料和基座(例如基座1066)，从而机械地支撑soa 151并提供垂直对准基准。焊球的使用允许通过激光喷射或筛选引入。也可以将焊料电镀在沟槽底部并回流形成焊球。可以确定焊料沉积物的体积和形状满足以下两个条件：(1)当soa放置在基座上时，焊料不应接触soa；以及(2)在回流时，焊料应膨胀上升以接触soa 151形成接头。一种实用的方法是使得凸块下金属(ubm)焊盘的直径小于落在它上面的焊球的直径，并将焊球压平(所谓的“压铸”工艺)。这种技术可以将焊料的高度降低到低于基座。在加热时，焊料将聚集在ubm焊盘上，并且有限的焊盘面积将迫使焊料成团到达soa。进行这种布置是为了确保精确对准，避免在回流之前将soa直接放在焊料上，在焊料熔化时这可能会导致soa的一些滑动。pic晶圆上的其他部件可以包括输入/输出光栅和边缘耦合器、用于转向光的棱镜/透镜以及用于电连接的引线绑定焊盘。
71.在图10至图13所示的实施方式中，光经由光栅耦合器输入pic/从pic输出，并且光经由边缘耦合器在pic与soa之间传播。因此，组装soa和pic以实现直接耦合(对接耦合)，这可能需要soa相对于pic中的边缘耦合器的精确定位。为此，精确调整基座高度以提供适当的垂直对准，而横向对准可以通过高精度倒装芯片绑定器来管理。同样，组装工艺可以应用于晶粒级或晶圆级组装。晶圆级组装可以允许自动测试和密封封装。在晶圆级组装工艺中，可以通过局部加热来进行焊接，以防止干扰相邻位置的任何预沉积焊料。组装完成且晶圆密封封盖以后，可以进行晶圆测试并绘制kgd。
72.图14示出将激光器单元附接到soa/pic单元的最后组装操作。这可以通过晶圆-晶圆绑定或晶粒-晶圆绑定来实现。可以通过如图所示的双级引线绑定或焊接到tsv(未具体示出)来提供电连接。
73.图15a示出可以包括根据本公开各个方面的图1a至图14的lidar设计的示例性自动驾驶车辆1500。所示自动驾驶车辆1500包括传感器阵列，传感器阵列被配置为捕捉自动驾驶车辆外部环境的一个或多个对象，并生成与捕捉的一个或多个对象相关的传感器数据，目的是控制自动驾驶车辆1500的操作。图15a示出传感器1533a、1533b、1533c、1533d和1533e。图15b示出除了传感器1533a、1533b、1533c、1533d和1533e之外还包括传感器1533f、1533g、1533h和1533i的自动驾驶车辆1500的俯视图。传感器1533a、1533b、1533c、1533d、1533e、1533f、1533g、1533h和/或1533i中的任何一个传感器都可以包括具有图1a至图14的设计的lidar装置。图15c示出用于自动驾驶车辆1500的示例性系统1599的方框图。例如，自动驾驶车辆1500可以包括动力传动系统1502，动力传动系统1502包括原动机1504，原动机1504由能量源1506提供动力并且能够向驱动传动系统1508提供动力。自动驾驶车辆1500还可以包括控制系统1510，控制系统1510包括方向控制1512、动力传动系统控制1514和制动器控制1516。自动驾驶车辆1500可以实现为任何数量的不同车辆，包括能够运输人员和/或货物并且能够在各种不同环境中行驶的车辆。应当理解，上述组件1502至1516可以基于使用这些组件的车辆的类型而广泛变化。
74.例如，以下讨论的实施方式将侧重于轮式陆地车辆，诸如汽车、厢式货车、卡车或公共汽车。在这些实施方式中，原动机1504可以包括一个或多个电动机和/或内燃机(以及其他)。能量源例如可以包括燃料系统(例如提供汽油、柴油、氢气)、电池系统、太阳能电池板或其他可再生能量源和/或燃料电池系统。连同变速器一起，驱动传动系统1508可以包括车轮和/或轮胎和/或适合于将原动机1504的输出转换成车辆运动的任何其他机械驱动组件以及被配置为可控制地停止或减速自动驾驶车辆1500的一个或多个制动器和适合于控制自动驾驶车辆1500的轨迹的方向或转向组件(例如，齿条和小齿轮转向连杆使得自动驾驶车辆1500的一个或多个车轮能够围绕大致垂直的轴线枢转，从而改变车轮的旋转平面相对于车辆纵向轴线的角度)。在一些实施方式中，可以使用动力传动系统和能量源的组合(例如在电/气混合动力车辆的情况下)。在一些实施方式中，可以将多个电动机(例如专用于单个车轮或车轴)用作原动机。
75.方向控制器1512可以包括一个或多个致动器和/或传感器，用于控制和接收来自方向或转向组件的反馈，以使得自动驾驶车辆1500能够遵循期望的轨迹。动力传动系统控制器1514可以被配置为控制动力传动系统1502的输出，例如控制原动机1504的输出功率，控制驱动传动系统1508中变速器的档位，从而控制自动驾驶车辆1500的速度和/或方向。制动器控制1516可以被配置为控制减速或停止自动驾驶车辆1500的一个或多个制动器，例如耦合到车辆车轮的盘式制动器或鼓式制动器。
76.受益于本公开的本领域技术人员应当理解，包括但不限于越野车、全地形或履带式车辆或施工设备的其他车辆类型必须使用不同的动力传动系统、驱动传动系统、能量源、方向控制、动力传动系统控制和制动器控制。此外，在一些实施方式中，可以将一些组件组合，例如，其中车辆的方向控制主要通过改变一个或多个原动机的输出来处理。因此，本文公开的实施方式并不限于本文所述技术在自动轮式陆地车辆中的特定应用。
77.在所示实施方式中，在车辆控制系统1520中实现对自动驾驶车辆1500的自动控制，车辆控制系统1520可以包括处理逻辑1522中的一个或多个处理器和一个或多个存储器1524，其中，处理逻辑1524被配置为执行存储在存储器1524中的程序代码(例如指令1526)。例如，处理逻辑1522可以包括(一个或多个)图形处理单元(gpu)和/或(一个或多个)中央处理单元(cpu)。
78.传感器1533a至1533i可以包括适合于从自动驾驶车辆周围环境收集数据的各种传感器，用于控制自动驾驶车辆的操作。例如，传感器1533a至1533i可以包括radar单元1534、lidar单元1536、(一个或多个)3d定位(positioning)传感器1538，诸如gps、glonass、北斗、伽利略或指南针这样的卫星导航系统。图1a至图14的lidar设计可以包括在lidar单元1536中。例如，lidar单元1536可以包括分布在自动驾驶车辆1500周围的多个lidar传感器。在一些实施方式中，(一个或多个)3d定位传感器1538可以使用卫星信号来确定车辆在地球上的位置。传感器1533a至1533i可以选择性地包括一个或多个超声波传感器、一个或多个相机1540和/或惯性测量单元(imu)1542。在一些实施方式中，相机1540可以是专题或立体相机，并且可以记录静止和/或视频图像。相机1540可以包括被配置为捕捉自动驾驶车辆1500外部环境中的一个或多个对象的图像的互补金属氧化物半导体(cmos)图像传感器。imu 1542可以包括能够检测自动驾驶车辆1500在三个方向上的线性运动和旋转运动的多个陀螺仪和加速计。可以将诸如车轮编码器的一个或多个编码器(未示出)用于监测自动驾驶车辆1500的一个或多个车轮的旋转。
79.可以将传感器1533a至1533i的输出提供给控制子系统1550，包括本地化(localization)子系统1552、轨迹子系统1556、感知子系统1554和控制系统接口1558。本地化子系统1552被配置为确定自动驾驶车辆1500在其周围环境中(并且通常在特定地理区域中)的位置和方位(有时候也称为“姿态”)。作为生成标记的自动驾驶车辆数据的一部分，可以将自动驾驶车辆的位置与相同环境中附加车辆的位置进行比较。感知子系统1554可以被配置为检测、跟踪、分类和/或确定自动驾驶车辆1500周围环境中的对象。轨迹子系统1556被配置为在给定期望目的地以及环境中的静止和移动对象的情况下，生成自动驾驶车辆在特定时间框架内的轨迹。可以将根据若干实施方式的机器学习模型用于生成车辆轨迹。控制系统接口1558被配置为与控制系统1510通信，从而实现自动驾驶车辆1500的轨迹。在一些实施方式中，可以将机器学习模型用于控制自动驾驶车辆来实现计划的轨迹。
80.车辆控制系统1520可以被配置为响应于传感器1533中包括的光电探测器生成的信号而控制自动驾驶车辆1500的动力传动系统1502。一个或多个光电探测器(例如光电二极管或图像传感器)可以被配置为接收来自自动驾驶车辆控制系统的环境中的目标(例如对象)的反射红外激光，该目标反射由soa 151生成的放大激光并作为出射光199从装置外耦合。光电探测器可以包括在(一个或多个)lidar单元1536中，并且图1a至图14中公开的装置也可以包括在(一个或多个)lidar单元1536中。车辆控制系统1520可以被配置为响应于来自多个lidar传感器1536的输出而控制自动驾驶车辆1500的动力传动系统1502。
81.应当理解，图15c所示用于车辆控制系统1520的组件集合本质上只是示例性的。在一些实施方式中，可以省略个别传感器。在一些实施方式中，可以将图15c所示不同类型的传感器用于冗余和/或用于覆盖自动驾驶车辆周围环境中的不同区域。在一些实施方式中，可以使用不同类型的控制子系统和/或控制子系统的组合。此外，虽然子系统1552至1558被
示出为与处理逻辑1522和存储器1524分离，但是应当理解，在一些实施方式中，子系统1552至1558的一部分或全部功能可以通过诸如驻留在存储器1524中由处理逻辑1522执行的指令1526这样的程序代码来实现，并且这些子系统1552至1558在某些情况下可以使用(一个或多个)相同的处理器和/或存储器来实现。在一些实施方式中，子系统可以至少部分地使用各种专用电路逻辑、各种处理器、各种现场可编程门阵列(fpga)、各种专用集成电路(asic)、各种实时控制器等来实现，如上所述，多个子系统可以使用电路、处理器、传感器和/或其他组件。此外，车辆控制系统1520中的各种组件可以通过各种方式联网。
82.在一些实施方式中，可以使用不同的架构，包括软件、硬件、电路逻辑、传感器和网络的各种组合来实现图15c所示的各种组件。例如，每个处理器可以实现为微处理器，每个存储器可以表示随机存取存储器(ram)装置，包括主存储器以及任何补充级别的存储器，例如高速缓存存储器、非易失性或备用存储器(例如可编程存储器或闪存)或只读存储器。此外，可以将每个存储器视为包括物理上位于自动驾驶车辆1500中其他位置的存储器，例如，处理器中的任何高速缓存存储器，以及用作虚拟存储器的任何存储能力，例如，存储在大容量存储装置或另一个计算机控制器上。可以将图15c所示的处理逻辑1522或完全独立的处理逻辑用于在自主控制目的之外实现自动驾驶车辆1500中的附加功能，例如控制娱乐系统、操作车门、车灯或便利特征。
83.此外，对于附加存储而言，自动驾驶车辆1500还可以包括一个或多个大容量存储装置，例如可移动磁盘驱动器、硬盘驱动器、直接存取存储装置(dasd)、光盘驱动器(例如cd驱动器、dvd驱动器)、固态存储驱动器(ssd)、网络附接存储、存储区域网络和/或磁带驱动器，以及其他。此外，自动驾驶车辆1500可以包括用户界面1564，以使得自动驾驶车辆100能够从乘客接收多个输入并为乘客生成输出，例如，一个或多个显示器、触摸屏、语音和/或手势界面、按钮和其他触觉控制。在一些实施方式中，可以通过另一个计算机或电子装置接收来自乘客的输入，例如通过移动装置上的应用或通过网络接口。
84.在一些实施方式中，自动驾驶车辆1500可以包括适合于与一个或多个网络1570(例如局域网(lan)、广域网(wan)、无线网络和/或互联网，以及其他)通信的一个或多个网络接口，例如网络接口1562，以允许与其他计算机和电子装置(例如包括中心服务，诸如云服务)的信息通信，自动驾驶车辆1500由其接收环境数据和其他数据，用于其自动控制。在一些实施方式中，可以将通过一个或多个传感器1533a至1533i收集的数据经由网络1570上传到计算系统1572，用于附加处理。在这些实施方式中，可以在上传之前将时间戳与车辆数据的每个实例相关联。
85.图15c所示处理逻辑1522以及本文公开的各种附加控制器和子系统通常在操作系统的控制下操作，并执行或以其他方式依赖于各种计算机软件应用、组件、程序、对象、模块或数据结构，如下更详细所述。此外，各种应用、组件、程序、对象或模块也可以在通过网络1570耦合到自动驾驶车辆1500的另一个计算机中的一个或多个处理器上执行，例如，在分布式、基于云的计算环境或客户端-服务器计算环境中，由此实现计算机程序的功能所需的处理可以通过网络分配给多个计算机和/或服务。
86.为实现本文所述各种实施方式而执行的例程，无论是作为操作系统的一部分还是作为特定应用、组件、程序、对象、模块或指令序列的一部分甚至是其子集来实现，在此都将称为“程序代码”。程序代码通常包括一个或多个指令，这些指令在不同的时间驻留在不同
的存储器和存储装置中，并且当由一个或多个处理器读取和执行时，进行为执行具体实施本发明各个方面的步骤或元件所必须的步骤。此外，虽然已经并且以下可以在完全功能的计算机和系统的背景下描述多个实施方式，但是应当理解，本文所述的各种实施方式能够以各种形式作为程序产品来分配，并且无论用于实际执行分配的特定类型的计算机可读介质如何，都可以实现这些实施方式。计算机可读介质的示例包括有形的非暂时性介质，诸如易失性和非易失性存储装置、软盘和其他可移动磁盘、固态驱动器、硬盘驱动器、磁带和光盘(例如cd-rom、dvd)，以及其他。
87.此外，可以基于在特定实施方式中将其实现的应用来识别以下所述的各种程序代码。然而，应当理解，后面的任何特定程序命名仅仅是为了方便而使用的，因此本发明不应仅限于在通过这种命名识别和/或暗示的任何特定应用中使用。此外，考虑到可以将计算机程序组织为例程、过程、方法、模块、对象等的通常无数种方式，以及可以在驻留在典型计算机中的各种软件层(例如，操作系统、库、api、应用、小程序)之间分配程序功能的各种方式，应当理解，本发明并不限于本文所述程序功能的特定组织和分配。
88.受益于本公开的本领域技术人员将认识到，图15c所示的示例性环境并非要限制本文公开的实施方式。事实上，本领域技术人员将认识到，在不脱离本文公开的实施方式范围的情况下，可以使用其他替代性硬件和/或软件环境。
89.本公开中的术语“处理逻辑”(例如处理逻辑1522)可以包括一个或多个处理器、微处理器、多核处理器、专用集成电路(asic)和/或现场可编程门阵列(fpga)，以执行本文公开的操作。在一些实施方式中，将存储器(未示出)集成到处理逻辑中存储指令，以执行操作和/或存储数据。处理逻辑还可以包括模拟电路或数字电路，以执行根据本公开实施方式的操作。
90.本公开所述“存储器”或“多个存储器”可以包括一个或多个易失性或非易失性存储器体系结构。“存储器”或“多个存储器”可以是通过任何方法或技术实现的可移动介质和不可移动介质，用于存储信息，例如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据。示例性存储器技术可以包括ram、rom、eeprom、闪存、cd-rom、数字多功能盘(dvd)、高清多媒体/数据存储盘、或其他光存储、盒式磁带、磁带、磁盘存储或其他磁存储装置、或者可以用于存储信息供计算装置访问的任何其他非传输介质。
91.网络可以包括任何网络或网络系统，诸如但不限于：对等网络、局域网(lan)、广域网(wan)、诸如互联网的公共网络、专用网络、蜂窝网络、无线网络、有线网络、无线和有线组合网络、以及卫星网络。
92.通信信道可以包括使用ieee 802.11协议、spi(串行外围接口)、i2c(相互集成电路)、usb(通用串行端口)、can(控制器局域网)、蜂窝数据协议(例如3g、4g、lte、5g)、光通信网络、互联网服务提供商(isp)、对等网络、局域网(lan)、广域网(wan)、公共网络(例如互联网)、专用网络、卫星网络或其他网络的一个或多个有线或无线通信，或通过一个或多个有线或无线通信被路由。
93.计算装置可以包括台式电脑、笔记本电脑、平板电脑、平板手机、智能手机、功能手机、服务器计算机或其他装置。服务器计算机可以远程放置在数据中心，也可以本地存储。
94.以上所述处理是根据计算机软件和硬件来描述的。所述技术可以构成在有形或非暂时性机器(例如计算机)可读存储介质内具体实施的机器可执行指令，在通过机器执行
时，这些指令将使得机器执行所述操作。此外，这些处理可以在硬件(例如专用集成电路(asic)或其他)中具体实施。
95.有形非暂时机器可读存储介质包括以机器可访问的形式提供(即存储)信息的任何机制(例如，计算机、网络装置、个人数字助理、制造工具、具有一组一个或多个处理器的任何装置等)。例如，机器可读存储介质包括可记录/不可记录介质(例如，只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、磁盘存储介质、光存储介质、闪存装置等)。
96.以上对本发明所示实施方式的描述，包括摘要所述内容，并非要穷举或将本发明限制于所公开的精确形式。虽然本文出于说明性目的描述了本发明的特定实施方式和示例，但是本领域技术人员将认识到，在本发明的范围内可以进行各种修改。
97.可以根据以上详细描述对本发明进行这些修改。在以下权利要求中使用的术语不应解释为将本发明限制于说明书公开的特定实施方式。更准确而言，本发明的范围将完全由以下权利要求来确定，这些权利要求将根据权利要求解释的既定原则来解释。