CN102162885A - 用于高速传输的并行光收发组件 - Google Patents

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孙雨舟
常留勋
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本发明涉及用于高速传输的并行光收发组件，电路板的一端设有电信号输入端口，VCSEL激光器阵列和PD光电探测器阵列组装在衬底基片上，并与导电金线打线连接，基片固定于印刷电路板上并打线连接，激光器驱动芯片和探测器TIA芯片组装在印刷电路板表面的电极上；光学镜组包含一反射镜和两组透镜阵列，第一组透镜阵列和第二组透镜阵列分别放置在光学镜组下端与前端，且透镜轴向相互垂直，第一组透镜阵列中各透镜以一对一方式与VCSEL激光器阵列及PD光电探测器阵列的有效区域中心对准，第二组透镜阵列中各透镜以一对一方式与第一组透镜阵列分别对准，反射镜以45°倾斜角布置于两组透镜阵列的光轴交点处。本发明对准精度高，适用于可插拔并行光学收发模块。

Description

用于高速传输的并行光收发组件
技术领域
本发明涉及一种用于高速传输的并行光收发组件。
背景技术
随着光通信的飞速发展，对于光纤通信中激光器或探测器与光通道对准耦合，已经有了很多相关研究。大部分产品都是基于单一激光器对准单一光纤实现，如SFP光学收发器，设有一良好定位的发射模块和一接受模块，每个模块中都有设在LC连接器壳体内的单一光纤。
然而随着人类对通信带宽需求的快速增长，现有通信系统面临着容量和能耗两大挑战。由于需要在更小的空间、更低的能耗下提供更大的带宽，关于并行光学模块的研究发展开始日益增多。并行光学模块是在一个单独的模块中多个激光器对准多个光纤，例如适合短程高带宽计算和交换应用的4通道短程收发模块，集成了四个独立的发送和接收通道，并连接到一条12通道多模带状光纤。由于器件集成化和小型化所带来的低功耗，使得并行光学模块产生和散发的热量大大少于多个分立器件，从而提高了器件和整个系统的可靠性。
因此，并行光学模块在对子元件和定位件进行对准时所要求的精度要高，误差要小，以保证尽可能高的光耦合效率。对准操作很复杂，费时，需要一套复杂的并行定位件以及精密的定位工艺，还需要打开激光器电源以进行主动对准。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种用于高速传输的并行光收发组件。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
用于高速传输的并行光收发组件，包括印刷电路板和位于其上的光学镜组，特点是：所述印刷电路板的一端设有电信号输入端口，VCSEL激光器阵列和PD光电探测器阵列组装在衬底基片上，并与导电金线打线连接，基片固定于印刷电路板上并打线连接，激光器驱动芯片和探测器TIA芯片组装在印刷电路板表面的电极上；所述光学镜组包含一反射镜和两组透镜阵列，其中，第一组透镜阵列和第二组透镜阵列分别放置在光学镜组下端与前端，且透镜轴向相互垂直，交点位于反射镜上，第一组透镜阵列中各透镜以一对一的方式与VCSEL激光器阵列及PD光电探测器阵列的有效区域中心对准，第二组透镜阵列中各透镜以一对一的方式与第一组透镜阵列分别对准，所述反射镜以45°倾斜角布置于两组透镜阵列的光轴交点处。
进一步地，上述的用于高速传输的并行光收发组件，所述VCSEL激光器阵列和PD光电探测器阵列以并排直线排列方式通过导电胶组装于在衬底基片上。
更进一步地，上述的用于高速传输的并行光收发组件，所述激光器驱动芯片和探测器TIA芯片通过键合方式组装在印刷电路板表面的电极上。
再进一步地，上述的用于高速传输的并行光收发组件，所述信号输入端口为镀金插板结构。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
本发明采用小型可插拔封装工艺，对准精度高，操作误差小，制作成本低，易于实现，适用于可插拔的并行光学收发模块。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：用于高速传输的并行光收发组件的组装示意图；
图2：用于高速传输的并行光收发组件的分解示意图；
图3：基片的俯视示意图；
图4：光学镜组的透视示意图；
图5a：由一个激光器发射的光通过光学镜组被发射出去的示意图；
图5b：由光从通过光学镜组被耦合至一光电探测器的示意图。
图中各附图标记的含义见下表：
Figure BSA00000486761100031
具体实施方式
本发明设计一种采用包括多个光导管或光纤的单一结构以对准两个或更多光学器件的装置。需要多个达到微米(或亚微米)级公差水平的光学耦合操作以制备一种用于双向传输光学元件的同时包括有输入输出电信号以及输入输出光信号的光学组件。
使用至少两个独立光通道的双向光学数据通信装置，至少一个单芯片光学发射部件和至少一个单芯片光学探测部件，被并排平行安装在一个电连接基片上；具有至少两个光通路的光学镜组，其中至少一个通路用于光发射部件和光纤间的光耦合，另一个用于光接收部件和光纤间的光耦合。
光电阵列部件通过电连接(如金线连接)被安装在基片上，连接的金线能够有一定变化量的偏差范围以获得理想的位置，在基片和印刷电路板之间、集成电路芯片和印刷电路板之间的电连接也是如此。
基片用于定义任何片状材料，光电元件被安装在其上。基片的表面区域比光电元件的表面区域大。光电元件由于其小尺寸需要用紧密的取放仪器来操作，而基片则能够用手来操作。导致了如果一个光电元件被安装在基片上，就可以通过操作基片来用手操纵该光电元件。同时，基片具有一定的导电导热能力，使得光电器件，如发射器、探测器等能够通过电连接其上，并且利于热量的耗散和传导。
用于组装光学组件的各元件的方法，提供一光学镜组，一光学镜组包含一反射镜和两组透镜阵列，嵌设于光学镜组内，两组透镜阵列分别放置在光学镜组下端和前端，且透镜轴向相互垂直，能够将光发射阵列的光耦合进入光纤阵列并在光纤中传输，或将光纤阵列的光耦合进入光探测阵列，反射镜以45°倾斜角放置在两透镜阵列间，用于引导光在两组透镜阵列间的传播；提供一基片，包含设于其上的光发射器阵列和一光探测器阵列，光发射器和光探测器并排平行放置，且以一对一的方式完全对准第一透镜阵列中对应透镜的一端耦合面；提供一高频印刷电路板，其一端形成有一信号输入端口，该信号输入端口采用镀金的插板结构；提供至少两个集成电路芯片，包括一驱动电路芯片和一跨阻放大器芯片，且以裸片的形式通过高精度键合组装在印刷电路板上；将光电元件的第一阵列设置到基片上，调整光电元件的第二阵列的位置，使其与第一光电元件的第一阵列并排平行放置，同时各光电元件的有效区域中心在同一直线上等距排列；定位光学镜组，以使第一透镜阵列以一对一的方式完全对准光电元件阵列，出射或入射的光经第一透镜阵列在反射镜处被反射并通过第二透镜阵列；将基片粘贴至印刷电路板表面并打线连接。
如图1、图2所示，用于高速传输的并行光收发组件，包括印刷电路板01和位于其上的光学镜组12，印刷电路板01的一端设有电信号输入端口02，信号输入端口02为镀金插板结构，VCSEL激光器阵列08和PD光电探测器阵列09以并排直线排列方式通过导电胶组装在衬底基片07上，并与导电金线打线连接，基片07固定于印刷电路板01上并打线连接，激光器驱动芯片03和探测器TIA芯片04通过键合方式组装在印刷电路板01表面的电极上；如图3所示，光学镜组12包含一反射镜14和两组透镜阵列，其中，第一组透镜阵列13放置在光学镜组下端，第二组透镜阵列15放置在光学镜组前端，且透镜轴向相互垂直，交点位于反射镜14上，第一组透镜阵列13中各透镜以一对一的方式与VCSEL激光器阵列08及PD光电探测器阵列09的有效区域中心对准，第二组透镜阵列15中各透镜以一对一的方式与第一组透镜阵列分别对准，反射镜14以45°倾斜角布置于两组透镜阵列的光轴交点处。
基片表面固定有两个光电芯片——一个发射芯片，即VCSEL激光器阵列08；一个接收芯片，即PD光电探测器阵列09。然而，其他的发射器与发射器或探测器与探测器芯片的组合，尤其是不同波长的组合，也是可以被预见的。光电芯片在基片上的允许位置和角度偏移由所有子组件的尺寸和形状所限定。
如图4，光学镜组12包含一反射镜14和透镜阵列13和透镜阵列15，用于引导光电元件阵列和光纤之间的光耦合。该光学镜组能够将VCSEL激光器阵列08的出射光线平滑且连续的耦合进入光纤阵列并在光纤中传输，或将光纤阵列的光耦合进入光探测阵列，光纤阵列的尺寸结构与MTP/MPO标准的连接器接口相兼容。该光学镜组与VCSEL激光器阵列08和PD光电探测器阵列09经主动或被动对准后粘接在一起。
如图5a，在光电器件和光学镜组之间的光耦合和光路。VCSEL激光器阵列08位于透镜阵列13的正下方，激光器发出的光经过透镜阵列13中对应的透镜在倾斜放置的反射镜14处被反射，指向透镜阵列15发射出去。如图5b，光耦合至PD光电探测器阵列09中，PD光电探测器阵列09设置在透镜阵列13的下方。在光纤或光通道中传播的光进入透镜阵列15，在反射镜14处被反射，再通过透镜阵列13被PD光电探测器阵列09收集。VCSEL激光器阵列08或PD光电探测器阵列09有效区域的中心完全位于透镜阵列13一端的聚焦中心的正下方，透镜阵列15也与光纤阵列的耦合中心完全对准，以改进光耦合进入光纤或光电探测器的耦合性能。
光纤阵列的尺寸结构与MTP/MPO标准的连接器接口相兼容，即光学连接头内嵌有12根对准的、并排的光纤，各光纤末端呈直线等距排列，间距为0.25mm。12个光通道只使用了8个：左端四个用于发射通道，中间四个未使用，右端四个用于接收通道。光纤阵列、光学镜组和一包括两个光电芯片的基片的对准组装过程：一个1×4的VCSEL激光器阵列08和一个1×4的PD光电探测器阵列09经打线连接被安装在基片07上的标记位置，标记位置使得两个芯片并排直线排列，并且两芯片的间隔刚好对准光学接头中不被使用的4个通道，即间隔1mm。标记位置可以帮助标记VCSEL激光器阵列08及PD光电探测器阵列09以一对一的方式分别对应光纤阵列最左边的4个通道和最右边的4个通道，基片07胶固定并打线连接到印刷电路板01表面。采用一可视系统将基片07与光学镜组12进行对准使得每个VCSEL和PD的每个有效区域的中心与对应透镜的中心完全对准。在一个实施例中，由于基片07上的标记位置确定了两芯片间的相对位置和间距，因此只需将透镜阵列13和透镜阵列15最左边和最右边的透镜实现与对应激光器和探测器的完全对准，即可实现。通过固定印刷电路板01和基片07的同时操作光学镜组12的本体进行对准，但实际操作中相反的方式也是可行的。这种情况下光学镜组12的本体被固定的同时操作印刷电路板01。此后，基片在该位置与光学镜组通过超声焊接连接固定。根据对某一特定组件的附着可靠性要求不同，也可以选择其他类型的定位结构，如热焊接、环氧处理或机构夹具等。
本发明提供一种简单易行的并行光收发组件，采用小型可插拔封装工艺，对准精度高，操作误差小，制作上低成本，易实现，适用于可插拔的并行光学收发模块。
需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.用于高速传输的并行光收发组件，包括印刷电路板(01)和位于其上的光学镜组(12)，其特征在于：所述印刷电路板(01)的一端设有电信号输入端口(02)，VCSEL激光器阵列(08)和PD光电探测器阵列(09)组装在衬底基片(07)上，并与导电金线打线连接，基片(07)固定于印刷电路板(01)上并打线连接，激光器驱动芯片(03)和探测器TIA芯片(04)组装在印刷电路板(01)表面的电极上；所述光学镜组(12)包含一反射镜(14)和两组透镜阵列，其中，第一组透镜阵列和第二组透镜阵列分别放置在光学镜组下端与前端，且透镜轴向相互垂直，交点位于反射镜(14)上，第一组透镜阵列中各透镜以一对一的方式与VCSEL激光器阵列(08)及PD光电探测器阵列(09)的有效区域中心对准，第二组透镜阵列中各透镜以一对一的方式与第一组透镜阵列分别对准，所述反射镜(14)以45°倾斜角布置于两组透镜阵列的光轴交点处。
2.根据权利要求1所述的用于高速传输的并行光收发组件，其特征在于：所述VCSEL激光器阵列(08)和PD光电探测器阵列(09)以并排直线排列方式通过导电胶组装于在衬底基片(07)上。
3.根据权利要求1所述的用于高速传输的并行光收发组件，其特征在于：所述激光器驱动芯片(03)和探测器TIA芯片(04)通过键合方式组装在印刷电路板(01)表面的电极上。
4.根据权利要求1所述的用于高速传输的并行光收发组件，其特征在于：所述信号输入端口(02)为镀金插板结构。
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