CN101303439A - 光学组件及其形成方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种在光电子封装与光学插座之间容许光学连接和机械连接的光学组件。本发明特别适合应用于形成微光学元件组件的光电子工业。

Description

光学组件及其形成方法
本申请依据35U.S.C.§119(e)要求于2007年3月27日提交的美国临时申请No.60/920,515的优先权，该申请的全部内容被引入这里作参考。
技术领域
本发明总地涉及光电子领域。具体地，本发明涉及在光电子封装与光纤连接器之间容许光学连接和机械连接的光学组件。本发明还涉及形成这些光学组件的方法。本发明特别适合于制造微光学元件组件，这种微光学元件组件包括用于像发送器(TOSA)，接收器(ROSA)的光电子子组件(OSA)或收发机光学子组件的外壳，并且这种微光学元件组件可以连接在光纤连接器上。
背景技术
诸如激光二极管这类光电子器件被用于各种应用，例如用在通信产业上。现有商业上的TOSA光学子组件采用的是基于含有激光二极管和监视二极管的TO罐型头部组件的工艺进行制造。典型的TO罐型封装描述在例如美国专利申请公开No.US2004/0240497A1中。这种头部组件还具有光学透明的窗口或透镜，以容许光信号传到光电子器件或从光电子器件发出。为了将激光聚焦进光学插座内，传统的TO罐型TOSA封装包含有圆柱形的机械子部件，这些机械子部件相互对准，并被焊接或粘结到位。
激光器在寿命可靠性和稳定、无差错数据发送能力方面的性能取决于激光器的工作温度。假若在含有激光器的光电子封装和安装有这些封装的光学组件上施加显著的热负载，则会对这些封装和组件内的热管理提出重大挑战。传统的TO罐型密封封装经常采用KOVARTM合金，铁镍合金作为构造材料。使用这种材料是因为其具有的热膨胀系数(CTE)能与玻璃和陶瓷的热膨胀系数合适地匹配，而后者的材料典型地用于穿进需要密封的封装的电学连接。典型地，采用KOVAR合金，因为其具有能进行激光器YAG焊接的能力，能确保光学插座在光学对准之后紧固在TOSA基座上。然而，这种材料具有相对较低的热导率。如此，从热管理的观点看，KOVAR的有用性受到限制。热管理问题例如在未冷却激光器管芯的情形下会变得特别重要，在这种情形下，高温下的高频性能特别富有挑战性，并且处于系统内继续消耗越来越多功率的机架、路由器以及开关的范围内。另外，由于KOVAR合金材料相对较高的成本，因此在形成TOSA封装时采用KOVAR合金会显著地增加封装的成本。因此，期望在光学组件内采用低成本的材料，该材料能容许插座进行焊接，而且能提供有益的热管理性能。
目前，制造TO罐型光学组件有一个重要基础设施。这个制造基础设施包括例如YAG激光器焊接作业线，该YAG激光器焊接作业线典型地用于在将插座内的光纤与光电子元件有效光学对准之后、将TO罐型封装焊接在光纤插座上。激光焊接容许亚微米级的对准容差，而且正在成为工业标准，尤其对单模TOSA而言。期望的是提供利用现有这种TO罐型制造基础设施的光学组件及其形成方法。另外，从应用观点来看，由于存在着围绕传统TO罐型组件而设计的现有基础设施，因此能使用这类光学组件作为TO罐的替代品(drop-in)将是很有用的。
发明内容
因此，在现有技术中需要改进的光学组件及其形成方法，其将消除与现有技术相关的一个或多个问题。
依照本发明的第一方面，提供一种光学组件。该光学组件包括：光电子封装，包括含有单晶硅的基板和位于该基板上的光电子元件；光电子封装外壳，所述光电子封装设置在该光电子封装外壳内；以及包括插座外壳的光学插座；其中所述光学插座用焊接相对于所述光电子封装外壳固定。
依照本发明的另一方面，提供一种光学组件。该光学组件包括：光电子封装，包括基板和位于该基板上的光电子元件；光电子封装外壳，所述光电子封装设置在该光电子封装外壳内，其中所述封装外壳包括其上安装有所述光电子封装的基座，其中所述基座由锌或其合金构造而成；以及包括插座外壳的光学插座；其中所述光学插座相对于所述光电子封装外壳固定。
在本发明的示例性方面，所述光学插座外壳可以由锌或其合金构造而成。所述光学插座可以通过激光焊接相对于所述光电子封装外壳固定。所述光学组件还可以包括围绕所述光学插座设置的对准套筒，其中所述对准套筒激光焊接在所述光学插座和所述光电子封装外壳上，所述对准套筒容许光纤与光电子元件在焊接之前、沿着光纤的纵向和/或横向相对准。所述光学插座可以有利地激光焊接在所述光电子封装外壳上。在其他方面，所述光电子封装外壳还包括压配合在其上的金属环，所述光学插座激光焊接在所述金属环上。所述光电子封装可以本身是密封的。所述光电子封装外壳可以包括封装基座上的封装盖板，所述光电子封装安装在该外壳基座上。所述光电子封装可以包括盖板，该盖板包括粘附在基板上的单晶硅，盖板圈起光电子元件设置的容积。所述光电子封装的基板可以包括：第一表面和与第一表面相对的第二表面，其中第二表面在其内具有局部变薄区域；和多个位于该局部变薄区域内、延伸穿过基板到达第一表面的导电微通路，其中所述光电子器件连接在导电微通路上。另外，所述光学组件可以包括粘附在光电子封装上的柔性电路。有利地是，所述光学组件可以形成为TO罐型光学组件的替代品(drop-in)。所述光学组件可以具有的尺寸使得其直径为4毫米或更小。在其他方面，所述光学插座是可以与MU或LC光纤连接器进行连接和相容的。在另外的方面，光隔离器可以安装在所述光电子封装外壳或所述光学插座上。在又一方面，光纤可以设置在插座外壳内。
依照本发明的另一方面，提供形成如上所述光学组件的方法。该方法包括：(a)提供光电子封装，所述光电子封装包括含有单晶硅的基板和位于该基板上的光电子元件；(b)提供光电子封装外壳，所述光电子封装设置在该光电子封装外壳内；(c)提供包括插座外壳的光学插座；(d)将所述光学插座有效地对准光电子元件；以及(e)在(d)之后，用焊接相对于所述光电子封装外壳固定所述光学插座。
依照本发明的另一方面，提供形成如上所述光学组件的方法。该方法包括：(a)提供光电子封装，所述光电子封装包括含有单晶硅的基板和基板上的光电子元件；(b)提供光电子封装外壳，所述光电子封装设置在该光电子封装外壳内，其中所述封装外壳包括其上安装有所述光电子封装的基座，其中所述基座由锌或其合金构造而成；(c)提供包括插座外壳的光学插座；(d)将所述光学插座有效地对准光电子元件；以及(e)在(d)之后，用焊接相对于所述光电子封装外壳固定所述光学插座。
依照本发明的另一方面，提供一种发送器光学子组件(TOSA)。该发送器光学子组件包括：光电子封装，包括基板和位于该基板上的光电子元件；光电子封装外壳，所述光电子封装设置在该光电子封装外壳内；以及包括插座外壳的光学插座；其中所述子组件具有下列性质中的两个或多个：(a)适合于在10Gb/s或更高数据速率下工作；(b)具有小于4mm的直径和小于14mm的长度；或(c)具有可以支持五个或更多引线的电互连密度。
依照本发明的再一方面，提供包括如上所述的光学组件或TOSA的收发机。
如这里所用地，术语“一”包括“一个或多个”；“在…上”和“在…之上”在确定空间关系时可以互换使用，并且涵盖存在或不存在插入层或结构的情况；“微结构”指的是用微制造或纳米制造工艺形成的结构，典型地为但不限于为晶片级；“晶片级”指的是与任一基板所产生的工艺，多个管芯由该基板形成，如果多个管芯是由该同一基板或同一基板部分形成，那么该基板包括例如整个晶片或其一部分；“金属”包括金属合金，除非具体限定为一种元素金属，例如锌金属。
附图说明
参看下列附图将说明本发明，在附图中相同的参考数字表示相同的特征，其中：
图1示出依照本发明的一种示例性光学组件的立体图；
图2示出图1所示的示例性光学组件的横截面图；
图3示出图1所示的示例性光学组件的分解图；
图4示出一种包含在图1所示光学组件内的示例性光电子封装；
图5示出图4所示光电子封装的示例性光电子封装基板的立体图；
图6A-B示出依照本发明的一种示例性光学组件的横截面图和端面图；
图7示出依照本发明的一种示例性收发机的背面立体图；
图8示出依照本发明、如图7所示的示例性收发机的正面立体图；
图9示出在如图7所示的示例性收发机内的一种示例性TOSA和ROSA的立体图；
图10示出依照本发明、用柔性电路连接在印刷电路板上的一种示例性TOSA的立体图。
具体实施方式
现在，参看图1-3描述本发明，这些附图分别以立体图、横截面图和分解图描绘依照本发明的一种示例性TOSA光学组件1。尽管图示的光学组件是TOSA，但是应当清楚，这些光学组件也可以应用于ROSA以及收发机光学组件。光学组件1包括光电子封装3。该光电子封装包括基板5，各个表面特征形成在该基板5的上表面7之内和/或之上。基板5典型地是由呈晶片或芯片形的半导体材料像硅形成，例如<100>单晶硅、硅绝缘体(SOI)、砷化镓、磷化铟或铌酸锂，或者由陶瓷、聚合物形成，或者由金属形成。典型地，基板是由单晶硅或单晶硅绝缘体(SOI)像<100>单晶硅形成。一个或多个光电子元件2、9以及任选的一个或多个光学部件像球透镜11粘结在基板的上表面7上。典型地，在光电子封装上得到应用的光电子器件包括例如激光器管芯，像边缘发射型激光器、垂直腔表面发射型激光器(VCSEL)和泵浦激光器，传感器和光电探测器。图示的组件包括激光器管芯9和监控光电二极管2。典型地，用在光电子封装3上的光学部件包括例如光纤，透镜，像球透镜、模制玻璃透镜，滤光器以及光隔离器。在光电子封装上得到应用的典型电子器件包括例如电阻器，电感器，电容器，互阻抗放大器以及受控阻抗传输线和迹线。
基板上表面7包括一个或多个形成在其内或其上、用于保持各个部件的表面特征。这些表面特征包括例如槽，像用于保持光纤的V槽或U槽，用于保持透镜像球透镜的坑8，以及用于电学连接光电子元件9的金属特征。典型的金属特征包括例如接触垫，光电子元件9焊接在该接触垫上，金属线，金属化通路15以及用于连接到电源的焊盘。这些槽和坑可以用已知的掩模和湿或干蚀刻技术形成，而这些金属化结构可以用溅射、蒸发、电镀和/或蚀刻技术形成。
如图4-5所示，在这个示例性光电子封装3内，基板5在其表面内具有局部变薄的区域13，金属线18以及位于该局部变薄区域内、延伸穿过基板并用于向光电子元件9(监控光电二极管，未示出)提供电学连接的多个导电微通路15。如图所示，光电子元件9可以设置在基板其内形成有局部变薄区域和导电通路15的表面相对的表面上。或者，该电子器件可以设置在形成盖板17的单独基板上，该盖板17密封含有通路的基板5。封装盖板17围起一个其内设置光电子元件9的容积20，该容积典型地被密封起来。盖板可以由上述材料形成。盖板或封装的其他部分包括一光学直通，例如盖板材料本身的一个窗口或一部分，以容许光进入封装内和/或从封装出去。典型地，盖板17是由单晶硅或单晶硅绝缘体(SOI)像<100>单晶硅形成，使得盖板和基板都可以由单晶硅材料形成。
与光电子封装3的电学连接可以用任何已知的手段来实现。在这个示例性实施例中，柔性电路19就是为此目的而设置地，当然也可以采用另外合适的载体像陶瓷或玻璃光纤接线板。柔性电路的焊盘21焊接在光电子封装3下面的相应球形栅格阵列焊接位置上，这些焊盘21电学连接在导电微通路15和光电子器件9上。微通路和焊球相组合提供了致密的电学互连结构，从而容许紧凑的OSA具有高达12个或更多的电学连接。
再次参看图1-3，还设有光电子封装基座23，光电子封装3设置在光电子封装基座23之上。该封装基座可以例如由机械加工的、模制的例如注射模塑的压铸件，金属注射模塑的或模压成型的金属和合金或塑料，包括导热塑料构造。有利地是，该封装基座可以由锌或其合金构造，例如锌铝合金，像ZA-8合金(8wt％Al)。为提高可焊性的目的，期望用一个或多个金属层，像外涂覆金的镍、或外涂覆镍的铜、或其他合适的涂层或电镀层涂覆封装基座23和/或封装外壳的其他部分。在本发明的封装基座23和光学组件的其他各个部件上如上所述使用锌或锌合金的优点在于它提供了具有优良热传递和机械性能(例如强度和硬度)的低成本材料。例如，ZA-8锌合金的热导率约为115W/mK，而KOVAR合金的热导率仅为17W/mK。另外，典型的锌合金可以是压铸件，从而使形成的部件具有低成本，而且还是激光器可焊接的。
光电子封装盖25设置用来围起光电子封装3，以提供保护避免操作失误和/或环境因素的影响。封盖25可以由如上所述封装基座所用的材料形成，并且典型地是由粘附在封装基座23上的模压成型金属形成。封装基座23和封盖25可以由相同或不同的材料形成。封盖25典型地由不锈钢、锌或其合金形成。可以用搭扣配合的方式，或用其他技术像焊接或粘结技术将封盖25粘附在基座23上。
封装基座23和封装盖25形成光电子封装3的外壳。这样，就提供了位于封装内的光电子封装。封装外壳提供一种或多种功能，包括例如当组装光学组件时提供对准，散热，以除去光电子器件产生的不必要的热，应变消除，以消除柔性电路19受到的应力，对光电子封装3提供机械保护，安装到印刷电路板或其他电子基板的安装能力，以及隔热，以避免在后来的焊接工艺过程中在较早形成的焊接点处出现焊料回流。光电子封装外壳可以采用单片结构的形式，或者如该示例性结构所示的，采用多个构件像封装基座23和封盖25的形式。
该光学封装外壳可以任选地包括用于保持一个或多个部件的设备，这些一个或多个部件例如是上面描述的一个或多个光学部件，如光纤、透镜像球透镜、滤光器和光隔离器49。因此，这样的结构容许用于具有较小轨迹(footprint)的封装，并能提供改进的可制造性。例如，图2和3示出光隔离器49，它包括石榴石28、磁铁30以及集成在封装外壳上的隔离器基板4。该光隔离器49或如上所述的其他光学部件可以任选地安装到光学组件的另一部分上，例如安装在光学插座33像套圈插座上。
光电子封装外壳可以包括开口，例如，狭槽29，柔性电路19穿过该狭槽29进入密封封装内。在该示例性结构内的狭槽29由封装基座23与封盖25之间的开口形成。狭槽29在柔性电路19周围的开口区域可以例如用环氧树脂或粘合剂31密封。这样的密封容许提供密封式的封装，而且还对柔性电路提供应变消除，以保护柔弱的焊接连接。
本发明的光学组件还包括光学插座33。该光学插座提供用来与光连接器(未示出)光学地和机械地配合，该光连接器例如是含有光纤套圈的光纤连接器。该光连接器可以粘附在例如光纤尾段上。如图所示，光学插座33可以是光学套圈插座，但并不限于此。如图所示，光学插座33包括插座外壳35，该插座外壳35在外部由金属构造而成，并且典型地包含有分离的陶瓷套管36，以与光连接器对准。插座外壳35可以例如由不锈钢构造成，或者有利地，由锌或其合金例如锌铝合金像ZA-8合金构造成。期望地是用一种或多种金属层，像外涂覆金的镍、外涂覆镍的铜或其他合适的涂层或电镀层涂覆外壳或外壳的部分。光学插座33可以包括双侧抛光的套管残段37，一段长度的光纤残段39位于该套管残段37之内，该光纤残段39例如是商业上可以获得的如从Kyocera Corporation获得的光纤残段。另外，还可以想像地是光学插座是没有包含套管或光纤的光学插座。光学外壳例如可以包含除光纤外的其他光学元件，像用于在光学插座内将光聚焦或准直的透镜。
光学插座33可以直接或间接地连接到封装外壳上。在图示的光学组件1里，用Z套筒41在插座33与封装外壳之间提供间接的连接。该Z套筒设置用来容许沿着光学插座33的纵轴在光学插座与光电子元件9之间实现有效的光学对准。光学插座与Z套筒沿该纵轴彼此滑动接合，直至例如用激光焊接相互固定起来。Z套筒上光学插座相反一侧的表面43设置用来与封装外壳的表面45相配合。在该示例性结构中，配合表面45位于封装外壳的基板基座部分上，并且与通孔47一起具有环形形状，该通孔47设置用来容许光信号穿过。Z套筒的表面43与封装外壳的配合表面45滑动接触，并且相对于封装外壳的配合表面45横向地(沿x-y方向)移动，直至例如用激光焊接相互固定起来。该光学组件还可以在封装外壳与光学插座之间的光路上包括窗口，该窗口典型地由玻璃制成。虽然该示例性组件以圆柱形的形式示出，但是应当清楚，其他形状例如矩形以及其组合也是可以采用的。
光学组件1还可以包括容许在各种部件进行被动对准的表面特征。例如，可以设置用于被动地定位柔性电路19的对准销，在封装基座23内用于被动地定位光学封装3的沟道和/或升高区域。
如上所述，采用锌或锌合金例如锌铝合金像ZA-8合金来制作光电子封装基座23、封盖25、包含插座33和光学组件其他部分的光学外壳与KOVAR合金相比，可以提供各种优点，像低成本和优良的热导率。上述可以用锌和锌合金制造的光学组件的其他示例性部件包括插座部分，像插座外壳35和插座保持器38，该插座外壳35和插座保持器38一起保持着陶瓷套筒36和含有光纤残段39的光纤套管37，还包括光学套管插座，对准套筒像Z套筒41以及其他部件。从材料成本及其相关的制造成本看，能用锌或锌合金例如用锌压铸件制造这些部分这种能力能够显著地节约成本。
图6A-B示出依照本发明另一方面的示例性光学组件的横截面图和端面图。在这种组件里，光电子封装基座23可以由锌、铜及其合金，或其他与金属注射模塑(MIM)或硬模铸造相容的、能够显示出良好热导率性能的材料形成。这些材料还期望具有低成本。如上所述，为可焊性的目的，可以设置一个或多个金属涂层或电镀层。当希望使用较高成本的材料来进行激光焊接时，可以将激光可焊接材料例如KOVAR合金或不锈钢的环47附接在光电子封装基座23要焊接光学插座的表面上。该环47例如可以是按压配合在封装基座23上。这样，较昂贵的焊接材料的材料容积能够得以减小，从而降低材料成本，同时还能提供较低成本的焊接封装外壳。这样的环结构也可以用于光学组件内要焊接的其他部件。
有利地是，本发明的光学组件可以使用现有的TO罐型基础设施例如用YAG激光焊接的方式任选地对准和焊接。例如，在图1-3上述的光学组件情形中，光学插座33相对于光电子元件9沿其纵轴(z方向)可以移动，同时该插座与Z套筒41一起可以沿光电子封装外壳的表面45在xy方向上横向地滑动。在沿z方向有效对准光学插座之后，插座可以激光焊接在Z套筒41上。接下来，插座和Z套筒41可以沿x-y方向有效地对准，一旦对准，Z套筒41可以激光焊接在封装外壳表面45上。
现在，参看图1和图4描述这种示例性光学组件的操作。将TOSA器件1用作例子，发送的数据信号通过将柔性电路连接到光电子封装基板5下侧的焊料连接，再通过微通路15，沿着设置在封装基板上表面7上的传输线18，并沿着柔性电路19的传输线传播，到达光电子器件9像激光二极管。调制的激光光信号用透镜11收集、聚焦并耦合进光学插座33其陶瓷套管37的光纤残段39内，该陶瓷套管37用于与插进插座33内、以与套管37相配合的配合套管(未示出)相连。
依照其他方面，本发明容许制造紧凑的、尺寸减小的TOSA，其适合于以高数据速率工作，例如10Gb/S或更高，例如25～40Gb/s，并且该TOSA具有小于例如4mm的直径和例如小于14mm的长度。另外，该光学组件可以具有能支持高达十二或更多引线的电互连密度。该TOSA可以用在高数据速率、小波形因数的收发机内，像新兴的SFP+波形因数。这种紧凑型TOSA因其更高的数据速率可以任选地被用来替代目前在SFP型收发机内使用的较低数据速率的单模TOSA。
本发明的光学组件容许提高光学端口的密度。例如，图7描绘依照本发明的示例性收发机50的背面立体图。该收发机包含有一个利用窄MU光纤连接器的紧凑型TOSA。该收发机包括典型的桶形闭锁机构51和热可插拔连接器52。该收发机还具有一个发送器，以接收例如节距为4.5mm、宽度为11.2mm的光学端口53(参看Telecommunications Industry Association document TIA-604-17，“Fiber Optic Connector Intermateability Standard，Type MU”)。图8示出图7所示相同收发机50的正面立体图。因为SFP收发机的宽度典型地为13.5mm，所以MU器件能够提高线性端口密度大约17％。通过降低收发机的高度，还可以实现表面密度的进一步提高。
图9示出安装在MU基收发机50上的上述光学组件1的立体图。该收发机包含托架54，该托架54在侧面沿着光轴定位TOSA 1和ROSA 53。
图10示出在例如通过减小PCB边缘到TOSA 1背面的距离从而可以减小可用的PCB面积的结构中，如上所述位于MU收发机50内的光学组件1通过柔性电路19连接到收发机印刷电路板(PCB)58。在这种器件里，由PCB上的激光器驱动集成电路发出的电信号传播到柔性电路19，并传播到硅封装5，然后通过微通路15，横穿传输线18，到达激光器9。
尽管参看本发明的具体实施例详细描述了本发明，但是所属领域的普通技术人员应当清楚，在不脱离本发明的范围下可以对本发明作出各种改变和改进及等同变化。

Claims (10)

1.一种光学组件，包括：
光电子封装，包括含有单晶硅的基板和位于该基板上的光电子元件；
光电子封装外壳，所述光电子封装设置在该光电子封装外壳内；以及
包括插座外壳的光学插座；
其中，所述光学插座通过焊接相对于所述光电子封装外壳固定。
2.一种光学组件，包括：
光电子封装，包括基板和位于该基板上的光电子元件；
光电子封装外壳，所述光电子封装设置在该光电子封装外壳内，其中，所述光电子封装外壳包括其上安装有所述光电子封装的基座，所述基座由锌或其合金构造而成；以及
包括插座外壳的光学插座；
其中，所述光学插座相对于所述光电子封装外壳固定。
3.如权利要求1或2的光学组件，其特征在于，所述光学插座外壳由锌或其合金构造而成。
4.如权利要求1-3中任一项权利要求所述的光学组件，其特征在于，还包括围绕所述光学插座设置的对准套筒，其中，所述对准套筒激光焊接在所述光学插座和所述光电子封装外壳上，所述对准套筒容许光纤与光电子元件在焊接之前沿光纤的纵向和/或横向对准。
5.如权利要求1-4中任一项权利要求所述的光学组件，其特征在于，所述光学插座激光焊接在所述光电子封装外壳上。
6.如权利要求1-5中任一项权利要求所述的光学组件，其特征在于，所述光电子封装外壳还包括压配合在其上的金属环，其中所述光学插座激光焊接在所述金属环上。
7.如权利要求1-6中任一项权利要求所述的光学组件，其特征在于，还包括安装在所述光电子封装外壳或所述光学插座上的光隔离器。
8.如权利要求1-7中任一项权利要求所述的光学组件，其特征在于，所述光电子封装外壳包括封装基座上的封装盖板，其中所述光电子封装安装在该外壳基座上。
9.一种收发机，包括如权利要求1-8中任一项权利要求所述的光学组件。
10.一种发送器光学子组件，包括：
光电子封装，包括基板和位于该基板上的光电子元件；
光电子封装外壳，其中所述光电子封装设置在该光电子封装外壳内；以及
包括插座外壳的光学插座；
其中，所述发送器光学子组件具有下列性质中的两个或多个：
(a)适合于在10Gb/s或更高的数据速率下工作；
(b)具有小于4mm的直径和小于14mm的长度；或
(c)具有可以支持五个或更多引线的电互连密度。
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