一種二維陣列光耦合模塊的制作方法
【專利摘要】本發明公開了一種二維陣列光耦合模塊，包括陶瓷基底、光收發芯片陣列、微透鏡陣列，驅動單元陣列、光纖陣列和光纖連接器。本發明中，光纖陣列耦合端采用45度反射面，通過微透鏡與光收發芯片陣列實現了有效耦合，耦合效率高，體積小，便于封裝；提出的對準與定位方法較易實現，有利于工業制造；采用異形陶瓷基底，能夠減小光程差對于數據傳輸速率的影響，對于光耦合效率也有一定提升；而且，制作成本相對于聚合物波導來說較低。本發明滿足了并行光模塊的封裝微小化和高密度的要求，解決了現有技術存在的制造成本高、可用通道數不足、微小化封裝困難等問題，具有廣闊的應用前景。
【專利說明】
一種二維陣列光耦合模塊
技術領域
[0001 ]本發明屬于光通信領域，涉及通訊領域中的光收發部分，更具體地，涉及一種二維陣列光親合模塊。
【背景技術】
[0002]隨著大數據和云時代的到來，大量高速的數據需要進行傳輸和處理。為了應對這種需求，企業、國家紛紛建立了數據中心。大型數據中心一般擁有眾多的并行計算和存儲部分，光互聯是其中數據傳輸的主要方式之一。
[0003]光互聯可通過光纜、光模塊等來實現，其中光收發模塊在發送端通過光電轉換把電信號轉換成光信號，信號通過光纖傳送后，在接收端再將光信號轉換成電信號。
[0004]在設備體積有限的情況下，為了應對I/O口劇增和傳輸容量不斷擴大的需求，光模塊正向高密度、高速和高度集成化的方向發展，一般采用多通道并行光模塊來實現大容量、高速信號的傳輸。
[0005]并行光收發模塊主要組成部分包括850nm的VCSEL(垂直腔面發射激光器)陣列及其驅動、光纖陣列、光探測器陣列及其放大電路。相較于半導體激光器這種邊發光型激光器，VCSEL作為面發光型激光器在陣列應用上有其獨特的優勢。VCSEL的垂直腔結構很好的限制了橫向光場，避免了“解理”等工序，可以像處理微電子硅片一樣進行晶片級在線測試或安裝，易于制作二維陣列。因此，并行光收發模塊中采用VCSEL作為激光源。在光模塊的發射部分，VCSEL陣列出射光束與電路板垂直，而光模塊輸出光路平行于電路板;在光模塊的接收部分，光模塊輸入光路以及光探測器探測面也都平行于電路板，因此涉及到光束的90°偏轉及與并行光接口耦合的問題。
[0006]—種光耦合方案采用的是柔性電路板。將電路板彎折成90°，在豎起的電路板上貼裝VCSEL陣列，使得VCSEL出射光變為平行于光纖的光束，從而與光纖耦合。這種方案的缺點在于:制造過程中，柔性電路板彎折角度難以做到理想中的90°，彎折角度的誤差會影響VCSEL陣列與光纖陣列的對準，進而使光耦合效率降低。且垂直裝配不利于集成，PCB成本較高，所以實際中較少采用。
[0007]實際制造中常采用的是微透鏡陣列耦合的方法。激光光束通過一個直角三棱鏡完成90°偏轉耦合進入光纖，直角三棱鏡的兩個直角面都貼裝有微透鏡陣列以提高耦合效率。此種方案透鏡由樹脂材料或玻璃材料制成。對于塑料透鏡，要求材料的透光性較好，具有長期可靠性，此類透鏡要實現較高合格率的大批量生產并非易事。同時因為塑料較易老化，長期使用會使并行光模塊的性能下降。
[0008]考慮到網絡設備數據通道不斷增加，對并行光模塊的通道數需求也不斷增長，但是限制于光纖連接器的IEC61754-7標準，一維陣列光纖連接器一般最多12芯，對于更多數據傳輸通道(如24通道、48通道)，并行光模塊一般采用二維陣列耦合的方式。使用微透鏡陣列耦合的方式無疑增加了模塊的體積，不利于封裝微小化的實現。
[0009]針對上述問題，一種解決方案是二維的聚合物波導陣列進行光的耦合。波導內置激光燒蝕的45°全內反射鏡，VCSEL陣列出射光經過微透鏡陣列進入聚合物波導實現耦合。聚合物波導層放置在光印刷電路板上，VCSEL陣列以及H)陣列一起封裝為光電子芯片置于有機載體上，載體與光印刷電路板通過BGA進行連接。參見Doany F E1Schow C L1Lee B G等人發表的文章〈〈Terabit/sec-class board-level optical interconnects throughpolymer waveguides using 24-channel bidirect1nal transceiver modules〉〉。此方案缺點在于:聚合物波導的材料工藝要求較高，制作過程復雜;在波導內燒蝕全內反射鏡不易，對工藝要求較高，增加了成本。
【發明內容】
[0010]針對現有技術的以上缺陷或改進需求，本發明提供了一種二維陣列光耦合模塊，其目的在于滿足對并行光模塊的封裝微小化和高密度的要求，由此解決現有技術存在的制造成本高、可用通道數不足、微小化封裝困難等問題。
[0011]本發明提出的二維陣列光耦合模塊，包括陶瓷基底(6)、光收發芯片陣列(5)、微透鏡陣列(2)，驅動/放大單元陣列(7)、光纖陣列(I)和光纖連接器(4)，其中:
[0012]所述光收發芯片陣列(5)貼裝于陶瓷基底(6)上，為2XN芯片陣列，用于發射時，所述2 XN芯片陣列為VCSEL芯片陣列；當用于接收時，所述2 XN芯片陣列為光探測器芯片陣列；
[0013]所述光纖陣列(I)是與光收發芯片陣列(5)相對應的2X N光纖陣列;所述光纖陣列
(I)一端接入光纖連接器(4)，另一端正下方貼裝有微透鏡陣列(2)，其光纖端面研磨成45度的斜面，使得當光耦合模塊用于發射時，光收發芯片陣列(5)發射出的光信號以全反射方式耦合進入光纖陣列(I);當光耦合模塊用于接收時，光纖陣列(I)中傳輸的光信號經45度斜面發生全反射，轉為垂直向下傳輸，被光收發芯片陣列(5)所接收；
[0014]微透鏡陣列(2)是通過微光學和微細加工技術制作在基底平板上刻蝕而成的單球面透鏡陣列，各透鏡的平面一側緊貼于光纖陣列各根光纖，其中透鏡的平面中心與光纖陣列(I)中光纖45度斜面的圓心位于同一垂直線上，以確保光信號以全反射方式的進行耦合；微透鏡陣列(2)各個透鏡的曲面頂點則與光收發芯片陣列(5)中各芯片的出射(或接收)端面中心位于同一垂直線上；
[0015]所述驅動/放大單元陣列(7)和陶瓷基底(6)通過銀漿粘接在印制電路板上，驅動/放大單元陣列(7)由兩列I XN的驅動/放大單元組成，通過金絲綁定和所述光收發芯片陣列(5)中的芯片一一對應相連;當光耦合模塊用于發射時，驅動/放大單元陣列(7)用于驅動VCSEL芯片陣列，將電信號轉變為光信號；當光耦合模塊用于接收時，驅動/放大單元陣列
(7)用于放大光探測器芯片陣列接收的信號；
[0016]所述光纖連接器(4)和外部光纖相連，用于傳輸光信號。
[0017]所述貼裝光收發芯片陣列(5)的陶瓷基底是非平坦平面，通過刻蝕出異形陶瓷基底改變各光收發芯片陣列(5)的高度，使得光束從光纖陣列(I)到光收發芯片陣列(5)的光程相等。
[0018]進一步的，所述2 X N光纖陣列由兩個I X N光纖陣列組成，2 X N芯片陣列由兩個I XN芯片陣列組成，當用于實現光耦合模塊收發一體的功能時，其中一個I XN光纖陣列與其正下方對應的I XN芯片陣列組成一個接收通道，另一個I XN光纖陣列和其正下方對應的另一個I XN芯片陣列組成發射通道。
[0019]進一步的，所述的2XN光纖陣列的耦合端反光面上可以鍍上增反膜，以進一步增加光的耦合效率。
[0020]進一步的，本發明還提出一種所述光耦合模塊中光纖陣列排列方法，包括如下步驟:
[0021](I)制作模版，在硅基底的坐標軸y方向上刻蝕多條平行線，線間距為一維光纖陣列上的各個光纖間距;坐標軸X方向刻蝕兩條平行線A、B，其線間距為兩列一維光纖陣列的微透鏡陣列中心的距離；
[0022](2)將第一列一維光纖陣列放置在硅基底上，此時從光纖陣列正上方俯視其45°斜面，因為光束在一維光纖陣列的45°反射面發生全反射光纖陣列研磨端面呈一維黑點陣列，在y方向平移光纖陣列，使得黑點陣列落于硅基底y方向上的各條平行線上，完成y方向對準；
[0023](3)在硅基底的坐標軸X方向上平移一維光纖陣列，使得黑點陣列位于y方向平行線與線A的交點處，固定好第一列一維光纖陣列的位置;取第二列一維光纖陣列，通過在y方向平移，使得其黑點陣列落于y方向平行線上，使得第二列一維光纖陣列與第一列一維光纖陣列在坐標軸y方向上對準;再平移第二列一維光纖陣列在坐標軸X方向上的位置，使得黑點陣列位于y方向平行線與線B的交點處，完成排列。
[0024]總體而言，通過本發明所構思的以上技術方案與現有技術相比，本發明的優點在于:制作成本相對于聚合物波導來說較低，提出的對準與定位方法較易實現，有利于工業制造;此外，本發明采用異形陶瓷基底，能夠減小光程差對于數據傳輸速率的影響，對于光耦合效率也有一定提升。
【附圖說明】
[0025]圖1是本發明所述的光電信號傳輸示意圖
[0026]圖2是本發明所述的二維陣列光耦合模塊的結構示意圖。
[0027]圖3是本發明所述的二維光纖陣列器件結構示意圖。
[0028]圖4是本發明所述的兩列一維光纖陣列定位的模版示意圖。
[0029]圖5是本發明所述的陶瓷基底結構示意圖。
[0030]圖6是本發明所述的光耦合部分的結構示意圖。
[0031]在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構。在所有附圖中，相同的附圖標記用來表示相同的元件或結構，其中:
[0032]1-光纖陣列，2-微透鏡陣列，3-光纖尾纖，4-光纖連接器，5-光收發芯片陣列，6-陶瓷基底，7-驅動/放大單元陣列，8-印刷電路板。
【具體實施方式】
[0033]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及到的技術特征只要彼此之間未構成沖突就可以相互組合。
[0034]本發明所述二維陣列光耦合模塊有兩種應用場合:
[0035]①2XN通道:接收模塊和發射模塊分離，不共用同一塊電路板。接收和發射結構一致，只有陶瓷基底上貼裝的芯片不同。發射模塊陶瓷基底上貼裝的是2 X N的VCSEL陣列，接收模塊貼裝的是2 X N的光探測器陣列。
[0036]②IXN通道的光耦合模塊:發射和接收模塊一體，結構如圖2所示。但是陶瓷基底上兩列通道一列貼裝的是I XN的VCSEL芯片，另一列貼裝的是I XN的光探測器芯片。
[0037]本發明所提出的二維陣列光耦合模塊的結構如圖2所示。二維陣列光耦合模塊包括光纖陣列1，微透鏡陣列2，光纖尾纖3，光纖連接器4，光收發芯片陣列5，陶瓷基底6，驅動/放大單元陣列7，印刷電路板8。
[0038]光耦合發射模塊和光耦合接收模塊結構相同，下面以光發射模塊的二維光纖陣列器件為例說明其結構，如圖3所示，第一二維光纖陣列器件部分包括光纖陣列1，微透鏡陣列2，光纖尾纖3和光纖連接器4。
[0039]如圖3所示，二維光纖陣列I由兩列相同的一維光纖陣列錯開緊密貼合組成。
[0040]首先在硅基基片上刻V型槽，將光纖放入槽內，再將光纖和V型槽的端面均研磨為45°斜面，從而制成帶45°反射面的一維光纖陣列。為了提升制造過程中對于陣列對準的誤差容限，需在每個一維光纖陣列下表面貼裝一個微透鏡陣列2，加入微透鏡陣列也可以使光束會聚，增大了光耦合的效率。為提高光的耦合效率，可以在光纖陣列的反射面上鍍上高反射膜(目前一般采用850nm波長的反射膜)。然后對兩列一維光纖陣列進行定位貼合。
[0041]對于兩列一維光纖陣列的定位貼合，本發明采用制作模版對準的方案，原理如下:如果從光纖陣列正上方俯視其45°斜面，因為光束在一維光纖陣列的45°反射面發生全反射，即無光束從45°斜面出射，所以光纖陣列研磨端面呈一列黑點，可視黑點陣列為一維光纖陣列定位基準。在定位貼合之前，首先制作對準模版。對于兩列一維光纖陣列的定位，要從左右對準和水平錯開距離兩方面考慮，因此模版結構如圖4所示。模版為硅基基底，其y方向上刻蝕有多條平行線，線間距為一維光纖陣列各V型槽間距，也是各光纖間距;X方向刻蝕有兩條平行線A、B，其線間距為兩列一維光纖陣列的微透鏡陣列2中心的距離，從圖2可以看出，這個距離為兩列VCSEL陣列(或光探測器陣列)的間距。定位操作如下:首先將第一維光纖陣列放置在模版上，通過在y方向平移使得黑點陣列落于y方向的各條平行線上。然后在X方向上進行平移，使得黑點陣列位于y方向平行線與線A的交點處，這樣固定好第一列一維光纖陣列的位置;取第二列一維光纖陣列，通過在y方向平移，使得其黑點陣列落于y方向的各條平行線上，且與第一列一維光纖陣列的黑點陣列所落平行線一一相對。然后在X方向上進行平移，使得黑點陣列位于y方向平行線與線B的交點處。通過上述操作，完成兩列一維光纖陣列的定位，然后進行貼合形成二維光纖陣列。再將二維光纖陣列的尾纖3端頭剝纖后，穿入2-D的MT光纖連接器4中，待紫外固化后再進行MT的端面研磨。經過上述流程后即制成本發明所述的二維光纖陣列器件。
[0042]本發明所述的貼裝有光收發芯片陣列(VCSEL陣列或光探測器陣列)5的異形陶瓷基底6結構如圖5所示。上述光纖陣列器件中，兩列一維光纖陣列在高度上有上下之分，如若使用平坦的陶瓷基底，則兩列激光光束之間會有一定的光程差。光程差的出現會影響數據的傳輸速率，所以需要改變兩列芯片貼裝基底的高度。此外，改變基底形狀，使得陣列芯片高低不同，也可以減少光纖陣列與VCSEL激光器(或光探測器)的距離，使光更易會聚，從而提尚親合效率。
[0043]陶瓷基底6—體成型，通過刻蝕形成一條低凹的通道，其中一列光收發芯片陣列5貼裝于上，另一光收發芯片陣列5則位于抬高的基底上。低凹通道的最大深度與光刻所使用的激光脈沖能量密度及掃描速度有關，其中紫外激光刻蝕一般最大刻蝕深度可達0.16mm。
[0044]本發明所述的光親合部分結構如圖6所不。為確保光纖陣列I與光收發芯片陣列5耦合效果，需要調整二維光纖陣列的位移和角度，通過功率計檢測各通道的耦合效率。調整達到最佳耦合效率時，將二維光纖陣列與陶瓷基底6粘接在印刷電路板8上。
[0045]上述結構中，當用于發射光束時，VCSEL激光器陣列5發射出的光束經微透鏡陣列2會聚進入光纖。光束在45°反射面上發生全反射，從而變成平行于電路板的光束進入光纖傳輸。光纖陣列I與VCSEL陣列5—一相對。
[0046]本發明中，貼裝有光收發芯片陣列5的陶瓷基底6與驅動/放大單元陣列7都置于印刷電路板8上。驅動/放大單元陣列7分別位于基底6兩邊，通過金線綁定與光收發芯片陣列對應連接。
[0047]光纖中傳輸的水平于印刷電路板的光束進入接收部分的二維光纖陣列，通過全反射轉變為垂直光束進入光探測器陣列。光探測器陣列接收光信號并將光信號轉換為電信號。跨阻放大單元將電信號放大到光模塊輸出標準。發射部分的驅動單元將電信號轉換成驅動VCSEL陣列的電流信號。VCSEL陣列接收電流信號，并轉換成光信號發射。VCSEL激光器陣列發射出的光束經微透鏡陣列會聚進入光纖。光束在45°反射面上發生全反射，從而變成平行于電路板的光束進入光纖傳輸。
[0048]本發明采用45°斜面二維光纖陣列的耦合方式，滿足了對于光模塊多通道、高速率、高密度的要求，避免了聚合物波導制作、波導內激光刻蝕等復雜工藝，降低了制造成本；光纖陣列的斜面鍍膜和下方貼裝微透鏡陣列則大大增加了制造中的誤差容限并提升了耦合效率。本發明通過制作標準模板實現了對兩列一維光纖陣列的對準，方法簡單成本低廉。另外，本發明采用的異形陶瓷基底結構避免了兩列激光光束陣列之間的光程差，減小其對數據傳輸的影響的同時增大了激光與光纖耦合的效率。總之，本發明所述的二維陣列耦合模塊是一種高效的、較低成本的結構。
[0049]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種二維陣列光親合模塊，其特征在于，包括陶瓷基底(6)、光收發芯片陣列(5)、微透鏡陣列(2)，驅動/放大單元陣列(7)、光纖陣列(I)和光纖連接器(4)，其中: 所述光收發芯片陣列(5)貼裝于陶瓷基底(6)上，為2XN芯片陣列，用于發射時，所述2X N芯片陣列為VCSEL芯片陣列；當用于接收時，所述2 X N芯片陣列為光探測器芯片陣列； 所述光纖陣列(I)是與光收發芯片陣列(5)相對應的2XN光纖陣列；所述光纖陣列(I)一端接入光纖連接器(4)，另一端正下方貼裝有微透鏡陣列(2)，其光纖端面研磨成45度的斜面，使得當光耦合模塊用于發射時，光收發芯片陣列(5)發射出的光信號以全反射方式耦合進入光纖陣列(I);當光耦合模塊用于接收時，光纖陣列(I)中傳輸的光信號經45度斜面發生全反射，轉為垂直向下傳輸，被光收發芯片陣列(5)所接收； 微透鏡陣列(2)是通過微光學和微細加工技術制作在基底平板上刻蝕而成的單球面透鏡陣列，各透鏡的平面一側緊貼于光纖陣列各根光纖，其中透鏡的平面中心與光纖陣列(I)中光纖45度斜面的圓心位于同一垂直線上，以確保光信號以全反射方式的進行耦合;微透鏡陣列(2)各個透鏡的曲面頂點則與光收發芯片陣列(5)中各芯片的出射(或接收)端面中心位于同一垂直線上； 所述驅動/放大單元陣列(7)和陶瓷基底(6)通過銀漿粘接在印制電路板上，驅動/放大單元陣列(7)由兩列I XN的驅動/放大單元組成，通過金絲綁定和所述光收發芯片陣列(5)中的芯片一一對應相連；當光耦合模塊用于發射時，驅動/放大單元陣列(7)用于驅動VCSEL芯片陣列，將電信號轉變為光信號；當光耦合模塊用于接收時，驅動/放大單元陣列(7)用于放大光探測器芯片陣列接收的信號； 所述光纖連接器(4)和外部光纖連接器相連，用于傳輸光信號。2.根據權利要求1所述一種二維陣列光耦合模塊，其特征在于，所述貼裝光收發芯片陣列(5)的陶瓷基底是非平坦平面，通過刻蝕出異形陶瓷基底改變各光收發芯片陣列(5)的高度，使得光束從光纖陣列(I)到光收發芯片陣列(5)的光程相等。3.根據權利要求1或2所述一種二維陣列光耦合模塊，其特征在于，所述2XN光纖陣列由兩個I XN光纖陣列組成，2XN芯片陣列由兩個I XN芯片陣列組成，當用于實現光耦合模塊收發一體的功能時，其中一個I XN光纖陣列與其正下方對應的I XN芯片陣列組成一個接收通道，另一個I XN光纖陣列和其正下方對應的另一個I XN芯片陣列組成發射通道。4.根據權利要求1或2所述一種二維陣列光耦合模塊，其特征在于，所述的2XN光纖陣列的耦合端反光面上可以鍍上增反膜，以進一步增加光的耦合效率。5.根據權利要求1或2所述一種二維陣列光耦合模塊，其特征在于，所述光纖陣列(I)排列包括如下步驟: (1)制作模版，在硅基底的坐標軸y方向上刻蝕多條平行線，線間距為一維光纖陣列上的各個光纖間距;坐標軸X方向刻蝕兩條平行線A、B，其線間距為兩列一維光纖陣列的微透鏡陣列中心的距離； (2)將第一列一維光纖陣列放置在硅基底上，此時從光纖陣列正上方俯視其45°斜面，因為光束在一維光纖陣列的45°反射面發生全反射光纖陣列研磨端面呈一維黑點陣列，在y方向平移光纖陣列，使得黑點陣列落于硅基底y方向上的各條平行線上，完成y方向對準； (3)在硅基底的坐標軸X方向上平移一維光纖陣列，使得黑點陣列位于y方向平行線與線A的交點處，固定好第一列一維光纖陣列的位置;取第二列一維光纖陣列，通過在y方向平移，使得其黑點陣列落于y方向平行線上，使得第二列一維光纖陣列與第一列一維光纖陣列在坐標軸y方向上對準;再平移第二列一維光纖陣列在坐標軸X方向上的位置，使得黑點陣列位于y方向平行線與線B的交點處，完成排列。
【文檔編號】G02B6/43GK105891973SQ201610321253
【公開日】2016年8月24日
【申請日】2016年5月16日
【發明人】羅志祥, 陳希, 柯昌劍, 劉德明
【申請人】華中科技大學