CN101363948B - 用于电气和光学互连的设备 - Google Patents

Abstract

一种光学-电子接口(10)，包括电路衬底、安装在衬底(18)上的电气部件(16)、离开衬底安装的光学部件(14)和柔性互连(12)，柔性互连(12)具有电气连接到光学部件的第一端和电气连接到紧接电气部件的第二端。电气部件可包括电引线且电路衬底可包括连接到这些电引线的导电迹线。柔性互连的第二端可直接电气连接到电气部件的电引线或直接电气连接到紧接电气部件的位置的导电迹线。柔性光电子互连可包括第一和第二介电层、具有设置在这些介电层之间的信号迹线的信号层、在第一和第二介电层上的接地平面层和电气耦合第一和第二接地层的多个通道。

Description

用于电气和光学互连的设备

本申请为下列申请的分案申请，原申请的国际申请日为2005年6月24日、国际申请号为WO 2006/012260A1、发明名称为“用于电气和光学互连的设备”，并且于2006年12月26日进入中国国家阶段，取得的国家申请号为200580021400.X。

技术领域

本发明总体上涉及电气-光学互连，更具体地来讲，本发明涉及连接具有光学装置的电路衬底上的电气装置的柔性光电子互连。

背景技术

光电子装置，如光学转发器和光学收发器，通常涉及光学部件与电气部件之间的互连。例如，通过将光学组件的电引线直接焊接到或用环氧树脂粘合到嵌在电路衬底上或电路衬底内的信号迹线来将光学组件，如光发射组件(TOSA)和光接收组件(ROSA)，直接连接到电路衬底(如印刷电路板(PCB))的光边缘。光学部件的布置因此而受限，从而导致光电子装置的设计与制造受限。光电子装置还包括一些电气部件，如串行器/解串器、时钟和数据恢复单元或其它高速电气部件。一般来讲，这些电气部件朝向电气边缘安装在电路衬底上，或者安装在与光学边缘相对的电路衬底的直接连接器上。电路衬底内的迹线用作电气部件与光学部件之间的互连且从光学边缘延伸到电气边缘附近的电气部件。

在某些情况下，光学部件设有短的柔性互连，如柔性电路。柔性互连的一端通过电引线电气连接到光学部件，且柔性互连的另一端电气连接到位于电路衬底的光学边缘的嵌入信号迹线。如前面所描述的那样，迹线沿着电路衬底从光学边缘到位于朝向电气边缘的电气部件延伸。柔性互连通常包括两个无屏蔽层：迹线层和接地平面层。接地平面层通常位于柔性互连的一侧且受控阻抗带状线位于柔性互连的相对一侧。一般来讲，柔性互连的长度约为10mm。柔性互连的短长度限制柔性且对在互连上安装另外的部件的妨碍要大于对在电路衬底上安装另外的部件的妨碍。这样，光电子装置的设计选择就受到限制，如光学部件的布置、电路衬底的尺寸和PCB设计。

一个或多个信号迹线从光学边缘延伸到电气边缘附近的电气部件，而并不考虑光学部件是怎样连接到电路衬底的光学边缘的。光学部件直接或通过短的柔性互连进行连接。电路衬底上的迹线通常是导电材料线路或“导线”，如铜、银或金，并且位于电路衬底的表面上或电路衬底内。这些迹线传送光学部件与电气部件之间的电子信号。不过，电路衬底通常有损耗，而且迹线会在电子信号间导致干扰。例如，传输差分信号到光学部件差分有时干扰从光学部件接收差分信号。电信号也受到来自电路衬底上的其它部件的干扰。虽然在从光学部件接收差分信号时有时使用放大器，但传输差分信号的信号强度通常较低，而且更易受到前面所描述的电路衬底的干扰和损耗特性的影响。

除了前面所描述的电气部件之外，电气部件也安装在电路衬底上。这些另外的部件中的一些专门用于一个或多个特定的光学部件。因此，印刷电路板的设计和制造会根据光学部件而变化。

发明内容

按照本发明实施例，提供一种柔性光电子互连，包括：第一介电层；第二介电层；信号层，所述信号层设置在所述第一和第二介电层之间，所述信号层包括第一信号迹线，所述第一信号迹线具有适于与光学部件相耦合的第一端和适于与电气部件相耦合的第二端；第一接地平面层，所述第一接地平面层设置在所述第一介电层上；第二接地平面层，所述第二接地平面层设置在所述第二介电层上；以及多个通道，所述多个通道电气耦合所述第一接地平面层和所述第二接地平面层。

按照本发明实施例的柔性光电子互连，还包括与所述第一信号迹线电气隔离的第二信号迹线。

按照本发明实施例的柔性光电子互连，其中所述第一接地平面层、所述第二接地平面层和所述多个通道包括在所述第一信号迹线周围的法拉第屏蔽。

按照本发明实施例的柔性光电子互连，其中所述第一信号迹线包括下列中的一种：带状线迹线、单端迹线或差分迹线对。

按照本发明实施例的柔性光电子互连，其中所述第一信号迹线包括约50ohm的受控阻抗。

按照本发明实施例的柔性光电子互连，其中所述第一信号迹线包括约100ohm的受控阻抗。

附图说明

图1是光学-电子接口的框图，该光学-电子接口包括将光学部件与电路衬底上的电气部件互连，电路衬底具有柔性光电子互连；

图2是该光学-电子接口的替代示例的框图，该光学-电子接口将光学部件与电路衬底上的电气部件互连，电路衬底具有柔性光电子互连；

图3是图1和图2的柔性光电子互连的截面图；

图4是光学转发器的示例的框图，该光学转发器具有图1或图2的光学-电子接口。

具体实施方式

利用柔性光电子互连12的光学-电气接口的示例通常在图1中示出。虽然柔性互连12特别适用于光学转发器、光学收发器或类似的装置，但本申请的教导并不仅限于光电子装置的任何特别类型。相反，本申请的教导实际上可与涉及光学和电气互连的任何光电子装置一起使用。因此，虽然本说明书将主要对涉及具有可插拔光学装置的小型波形因数光学转发器的柔性互连10进行描述，但这种设备，例如，可以以其它方式与任何类型的波形因素光学转发器或光学收发器、光学前端(OFE)组件(单模或多模)、接收器光学组件(ROSA)、发送器光学组件(TOSA)、多源协议(MSA)和兼容打包一起使用。此外，虽然主要描述为柔性电路互连晶体管外形(TO)-具有高速电气部件的罐封装光学部件，如时钟和数据恢复(CDR)单元和串行器/解串器(SERDES)单元，但柔性互连12可用于将任何光学部件与电路板上的电气部件互连。

参看图1，光学-电气接口10包括将光学部件14连接到电气部件16的柔性互连12。接口10可以是任何光电子接口，包括但并不仅限于光学转发器，这些光学转发器包括例如具有可插拔光学装置的小型波形因数转发器和符合多源协议(MSA)的光电子装置。特别地，光学部件14包括各种各样的光学装置，如TO罐封装可插拔光学装置和基于TO首标的光学组件如TOSA和ROSA、陶瓷平面光学包、接收器二极管和激光二极管。

电气部件16安装在电路衬底18上，如印刷电路板(PCB)。电路衬底18可以是但并不仅限于陶瓷衬底，如氧化铝衬底、氮化铝(A1N)衬底或硅衬底。电路衬底18包括第一边缘20和与第一边缘20相对的第二边缘22。第一边缘20可对应于与物理层接口(如底板或母线)进行接口的电气边缘或直接连接器。第二边缘22可对应于光学边缘。光学部件14离开电路衬底18安装且位于第二边缘22附近。不过，光学部件14的位置可根据光电子装置的设计而变化。电路衬底18的布置同样也可根据光电子装置的设计而变化(例如，相对于直接连接器呈平面向)。

如图1所示，电气部件16安装在电路衬底18上并紧接第一边缘20。电气部件16，例如，可以是无源或有源电气部件、封装或裸硅电气部件、时钟和数据恢复单元、串行器/解串器、放大器(如跨阻抗放大器(TIA))、激光二极管驱动器、重定时器以及其它小型波形因数高速电气部件。一般来讲，电气部件16并不专用于特别类型的光学部件14。在一个示例中，安装在电路衬底18上的所有电气部件16可独立于所使用的一个或多个特别的光学部件14。虽然在图1中示出利用导线接合电引线24可将电气部件16安装在电路衬底18上，但利用各种各样的表面安装技术可将电气部件16安装在电路衬底18上，包括但并不仅限于倒装片安装，以提供焊料凸点电引线24。在另一个示例中，电路衬底18可包括导电迹线26，导电迹线26安装在电路衬底18上或嵌入电路衬底18并从电引线24(导线接合或焊料凸点)延伸。导电迹线26长度短，约为几毫米或更短的数量级，以减少交叉干扰并减少由于电路衬底18的原因而导致的可能的损耗效应。

柔性互连12从光学部件14延伸到电气部件16。柔性互连12包括第一端和第二端。第一端通过焊接、环氧树脂粘合或其它粘合方式电气连接到光学部件14并且将柔性互连12的导电部件电气连接到光学部件14的陶瓷衬底18上的电引线。如图1所示，柔性互连12可在电路衬底18的大的部分的上方延伸，且柔性互连12的相对端连接到导电迹线26。导电迹线26长度短，以使柔性互连12的第二端通过焊接、环氧树脂粘合或其它粘合方式紧接电气部件16与导电迹线26连接，以建立与电引线24的电气连接。因此，在光学部件14与电气部件16之间传输的任何差分信号仅包括沿着电路衬底18的短的路线，以减少干扰和损耗影响。

如图2所示，光学-电气接口50的第二个示例包括柔性互连52，柔性互连52将光学部件54连接到电气部件56。柔性互连52可像前面所描述的那样连接到光学部件54。电气部件56安装在电路衬底58上，电路衬底58可类似于电路衬底18。特别地，电路衬底58包括第一边缘60和与第一边缘60相对的第二边缘62。第一边缘60可对应于与物理层接口(如底板或母线)进行接口的电气边缘或直接连接器。第二边缘62可对应于光学边缘。可利用导线接合电引线64将电气部件56安装在电路衬底58上。光学部件54安装成离开电路衬底58且可位于第二边缘52附近。此外，柔性互连52可从电路衬底58的大部分长度延伸到达电气部件56，且电路元件66和68可像下面描述的那样安装在柔性互连52上。

不过，柔性互连52不是连接到安装在电路衬底58上或嵌入电路衬底58内的导电迹线，而是通过电引线64或设有电气部件56的其它电气接口直接连接到电气部件56，设有电气部件56的其它电气接口包括但并不仅限于设在电气部件56的上表面上的导线结合或焊料凸点。实际上，差分信号可在电气部件56与光学部件54之间传输，而并不穿过安装在电路衬底58上或嵌入电路衬底58内的任何迹线传输。因此，差分信号并不受由于迹线和/或电路衬底58的原因而导致的任何干扰或损耗效应的影响。这样就可以提高光学部件54的灵敏度，如接收光学部件。

再参看图1，电路元件28和30设置在柔性互连12上。电路元件28和30也电气耦合到柔性互连12，并因此而电气耦合到电气部件16和光学部件14。可利用表面安装技术来安装电路元件28和30，如倒装片安装。在一个示例中，电路元件28和30专门用于所使用的光学部件14的类型。这些电路元件可包括，例如，直流(DC)块、直流插入器(偏置T形)和射频(RF)匹配网络。如图1所示，电路元件28和30可安装在柔性互连12的下侧，以向电路元件28和30提供保护并减小外壳的尺寸和光电子装置的总体尺寸，柔性互连12的下侧也可称为柔性互连12的面向电路衬底18的表面。

因此，柔性互连12实际上允许将光学部件14相对于电路衬底18在柔性互连12的长度和容限内以任何位置和任何角度安装。在一个示例中，柔性互连12的长度可在约50mm至约120mm的范围内变化。

进一步来讲，通过仅将与不同的光学部件14兼容的部件安装在电路衬底18上，就可将相同的印刷电路板或PCB设计用于不同的光电子装置，如不同的波形因素转发器，从而可将专用于所使用的光学部件14的类型的部件安装在柔性互连12上。同样地，当柔性互连12可焊接、用环氧树脂粘合或以其它方式粘合到且电气连接到一个或多个光学部件14的电引线时，可通过可插拔接口将柔性互连12的另一端与电气部件16可拆卸地耦合，该可插拔接口安装在电气部件16或电路衬底18上并电气耦合到电气部件16。对应的连接器(如配对的可插拔连接器)可设在柔性互连12的该端上并与该端电气连接且适于与设在电气部件16或电路衬底18上的连接器可靠地接口。柔性互连12连同光学部件14以及光学地依赖的电路元件28、30可容易地从电气部件16断开并与其它印刷电路板互换。同样地，电气部件16和电路衬底18的相同布置(如相同的PCB设计)可与光学部件14的不同的类型一起使用。

除了可互换性和兼容性之外，电路衬底18并不要求从光学边缘22到位于朝着电气边缘20的位置的电气部件16延伸的导电迹线，这样就在电路衬底18上为另外的部件提供另外的表面面积和/或减小电路衬底18的总体尺寸，并进而减小光电子装置的尺寸。在电气部件16与光学部件14之间传输的差分信号并不受电路衬底18的损耗效应的影响或交叉干扰的影响。

图3是在前面通过参考图1和图2描述的柔性光电子互连12的示例的截面图。柔性互连12包括第一介电层100和第二介电层102。用于第一和第二介电层100和102的介电材料可包括聚酰亚胺、聚酯、环氧树脂、聚四氟乙烯或其它适当的柔性介电材料。

柔性互连12还包括布置在第一和第二介电层100和102之间的信号层104。第一和第二介电层100和102可层压在信号层104的表面上。信号层104包括第一信号迹线106和第二信号迹线108。可提供另外的或较少的信号迹线。信号迹线106和108可用导电材料制成，如用于传导差分信号但保持强度和柔性的铜、银、金或其它适当的材料。利用在信号迹线106和108之间的或信号层104内的其它任何区域的填充材料将第一信号迹线106与第二信号迹线108隔离，以将它们之间的干扰或外部因素如静电、外部信号和损耗效应的干扰屏蔽。填充材料可以是与第一和第二介电层100和102所使用的材料相同的材料，如聚酰亚胺、聚酯、环氧树脂和聚四氟乙烯。

信号迹线106和108的每一个可作为差分迹线对提供。在一个示例中，示于图3中的信号迹线106和108可视为单一差分迹线对。或者，信号迹线106和108的每一个可作为单端带状线或共面带状线波导管提供。参看图3，柔性光电子互连12可视为两个单端带状线。如果信号层104仅设有一个信号迹线，那么信号迹线可作为单端带状线迹线提供。

柔性互连12还包括设在第一介电层100上的第一接地平面层110和设在第二介电层102上的第二接地平面层112。接地平面层110和112可用与信号迹线106和108相同的导电材料制成，包括如铜、银和金。利用穿过第一和第二介电层100和102以及信号层104延伸的多个通道114、116、118和120将接地平面层110和112相互电气耦合，但与信号迹线106和108隔开以提供电气隔离。在一个示例中，通道114、116、118和120可沿着柔性互连12的长度隔开。接地平面层110和112可与通道114、116、118和120一起提供法拉第笼，以保护信号迹线106和108不受静电干扰，这种法拉第笼也称为法拉第屏蔽。实际上，任何外部或静电电荷或电气干扰可位于接地平面层110和112的外表面122和124上以及通道114、116、118和120上，而并不干扰穿过信号迹线106和108传输的信号。可在整个柔性互连12的周围设有另外的介电屏蔽(未示出)以使接地平面110和112与外部干扰电气隔离。

如参照图1所进行的描述那样，电路元件28和30可设置在柔性互连12的面向电路衬底18的表面122上。电路元件28和30可电气耦合到柔性互连12，而且尤其可电气耦合到信号迹线106和108中的一个或多个。因此，可穿过接地平面层112中的开口设有另外的通道126和128。可利用介电填充材料将通道126和128与接地平面层112电气隔离，介电填充材料可以是第二介电层102的延伸。

因此，信号迹线106和108可设在用于光学部件14与电气部件16之间互连的带状线构造中。在一个示例中，信号迹线106和108可耦合到单光学部件14和单电气部件16。不过，在另一个示例中，可以是单端迹线或差分迹线对的一个单迹线108连接到用于接收信号的光学部件14和电气部件16，而也可以是单端迹线或差分迹线对的另一个单迹线108连接到用于传输信号的光学部件14和电气部件16。可提供信号迹线106和108之间的隔离和/或用于信号层104的填充材料，以确保信号迹线106和108之间的电气隔离。第一和第二信号迹线106和108的每一个在作为单端迹线提供时具有约50ohm的受控阻抗，或者在作为差分迹线对提供时具有约100ohm的受控阻抗。

图4是光学转发器200的示例的框图，光学转发器200具有示意性地示于图1或图2中的光学-电子接口。参看图4，光学转发器200包括电路衬底202，如在前面所描述的电路衬底18。光学转发器200可包括各种各样的小型波形因素电气部件，如重定时器、激光驱动器、时钟和数据恢复单元、串行器/解串器和放大器，这些电气部件中的某些或全部可依赖于或独立于所使用的光学部件的类型。依赖于光学部件的类型的任何电气部件可安装在柔性互连上，其中独立于光学部件的电气部件可安装在作为PCB设计的一部分的衬底上。此外，光学转发器200可包括各种各样的光学部件，如发送光学组件和接收光学组件。光学部件可包括具有其它封装类型的晶体管外形(TO)罐封装可插拔光学装置或光学部件。

直接连接器204可向接口提供母线或底板并操作性地耦合到重定时器206，重定时器206安装在电路衬底202上，紧接直接连接器204。正如前面所描述的那样，重定时器206操作性地耦合到激光驱动器208，激光驱动器208可安装在电路衬底202上或安装在柔性互连上。激光驱动器208操作性地耦合到二极管激光器210并用于驱动二极管激光器210。二极管激光器210安装成离开电路衬底202。虽然所示出的是二极管激光器210，但正如可在发送光学组件中找到的那样，也可使用其它发送光学部件。

接收器正-本征-负(PIN)二极管212也设置成离开电路衬底202。接收器PIN二极管212操作性地耦合到安装在电路衬底202上的放大器214。或者，放大器214可安装在柔性互连上，放大器214可以是跨阻抗放大器。放大器214操作性地耦合到安装在电路衬底202上的时钟和数据恢复单元216。直接连接器204还操作性地耦合到安装在电路衬底202上的时钟和数据恢复单元216，紧接直接连接器204。

在前面作为柔性互连12或柔性互连52公开的柔性互连218可操作性地将二极管激光器210与激光驱动器208和/或重定时器206耦合。正如与电气部件14和54相关进行的描述那样，激光驱动器208可安装在柔性互连218的面向电路衬底202的表面上，然后，激光驱动器208既可直接地也可通过短路线导电迹线连接成紧接重定时器206。或者，如果安装在电路衬底202上，柔性互连218既可直接地也可通过短路线导电迹线连接成紧接激光驱动器208。

同样，在前面作为柔性互连12或柔性互连52公开的柔性互连220可操作性地将接收器二极管212与放大器214和/或时钟和数据恢复单元216耦合。柔性互连220可设有柔性互连218作为另外的信号迹线或作为单独的互连。放大器214可安装在柔性互连220的面向电路衬底202的表面上，然后，放大器214既可直接地也可通过短路线导电迹线连接成紧接时钟和数据恢复单元216。或者，如果安装在该电路衬底上，柔性互连220既可直接地也可通过短路线导电迹线连接成紧接放大器214。

正如可从图4中看到的那样，光学部件210和212可位于相对电路衬底202不同的方向和相互不同的方向，这样就在涉及尺寸和形状以及印刷电路板的设计时虑及光学转发器200的设计中的柔性。光学部件210和212中的每一个均可像与图1有关的描述中那样通过可插拔连接器与光学转发器200的其余部分耦合，这样就允许光学部件210和212以及对应的任何光学地依赖的电路元件容易地从光学转发器200的其余部分断开。因此，光学部件210和212就可以与示于图4的电路衬底202、电气部件206和216(以及电气部件208和214，如果安装在电路衬底202上的话)以外的不同印刷电路板设计一起使用。同样地，不同的光学部件可以与和电气部件206和216兼容的印刷电路板设计一起使用，并且，也可以与和电气部件208和214兼容的印刷电路板设计一起使用，如果并不是专用于特定类型的光学部件的话。

虽然对根据本发明的教导制成的某些设备进行了描述，但本发明的范围并不仅限于此。相反，本发明包括在文字上或等同物的原则上在所附的权利要求书的范围内的本发明的教导的所有实施例。

Claims (6)

1.一种柔性光电子互连，包括：

第一介电层；

第二介电层；

信号层，所述信号层设置在所述第一和第二介电层之间，所述信号层包括第一信号迹线，所述第一信号迹线具有适于与光学部件电气耦合的第一端和适于与电气部件电气耦合的第二端；

第一接地平面层，所述第一接地平面层设置在所述第一介电层上；

第二接地平面层，所述第二接地平面层设置在所述第二介电层上；以及

多个第一通道，所述多个第一通道电气耦合所述第一接地平面层和所述第二接地平面层；以及

至少一个第二通道，所述至少一个第二通道从所述信号层延伸通过所述第一接地平面层，用于将所述信号层电气耦合到至少一个外部电路元件。

2.如权利要求1所述的互连，还包括与所述第一信号迹线电气隔离的第二信号迹线。

3.如权利要求1所述的互连，其中所述第一接地平面层、所述第二接地平面层和所述多个第一通道包括在所述第一信号迹线周围的法拉第屏蔽。

4.如权利要求1所述的互连，其中所述第一信号迹线包括下列中的一种：带状线迹线、单端迹线或差分迹线对。

5.如权利要求1所述的互连，其中所述第一信号迹线包括约50ohm的受控阻抗。

6.如权利要求1所述的互连，其中所述第一信号迹线包括约100ohm的受控阻抗。

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