CN103163600A - 光耦合模块及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种光耦合模块，包括衬底、光波导、电路基板及光学模组，该光波导装设于该衬底及该电路基板之间，该光波导包括芯层及包层，该芯层具有耦光面，该包层包覆芯层且仅露出该耦光面，该电路基板上贯通开设有与该耦光面的相应的透光孔，该光学模组设置于该透光孔上通过，并通过该透光孔与该耦光面进行光耦合。该耦光面大致呈凸镜状，该耦光面能够将入射至该芯层的光讯号聚集进行传输，也能够将从该芯层的出射的光讯号聚集进行传输。本发明的光耦合模块，即使粘晶过程中发生了一定的偏移量，耦光效果也不会受到影响。本发明还提供一种光耦合模块的制作方法。
Description
技术领域
本发明涉及一种光耦合模块及其制备方法，尤其涉及一种能够提高光耦合效果的光耦合模块及其制备方法。
背景技术
近年来，光通信有高速化、大容量化的发展趋势。一般来说，光通信中，需采用光学元件进行光电讯号的转换，采用光波导传输光讯号。
现有的光耦合模块中，光波导形成于衬底及电路基板之间。光波导由芯层(Core)及包层(Clad)组成。芯层具有呈平面状的耦光面。包层包覆芯层且露出耦光面。电路基板上对应耦光面贯通开设有透光孔。光学元件通过粘晶(Die Bond)设置于透光孔上，以与耦光面进行光耦合。耦光面有一定的收光范围。然而，粘晶过程中，光学模组的位置易发生偏差，从而影响耦光效果。
发明内容
鉴于上述内容，有必要提供一种提高耦光效果的光耦合模块及其制备方法。
一种光耦合模块，包括衬底、光波导、电路基板及光学模组，该光波导装设于该衬底及该电路基板之间，该光波导包括芯层及包层，该芯层具有耦光面，该包层包覆芯层且露出该耦光面，该电路基板上贯通开设有与该耦光面相应的透光孔，该光学模组设置于该透光孔上，并通过该透光孔与该耦光面进行光耦合。该耦光面大致呈凸镜状，该耦光面能够将入射至该芯层的光讯号聚集进行传输，也能够将从该芯层的出射的光讯号聚集进行传输。
一种光耦合模块的制备方法，包括以下步骤：提供一衬底；提供包层材料，加热包层材料至熔融状态，将该熔融状态的包层材料涂布于该衬底上，以形成第一包层预型体；提供一个第一滚轮，该第一滚轮包括第一滚压面，第一滚压面开设若干第一压槽；采用第一滚轮压制该第一包层预型体，形成第一包层，该第一包层上形成与该第一压槽相对应的收容空间；提供芯层材料，加热该芯层材料至熔融状态，将熔融状态的芯层材料涂布于该收容空间，以形成芯层预型体；提供第二滚轮，该第二滚轮包括第二滚压面，该第二滚压面上开设有若干第两的压槽，该第二压槽第二压槽包括本部及相对设置于本部两端的两个连接部，该连接部远离该本部的一端截面呈凸镜状；采用该第二滚轮压制该芯层预型体，以形成一个具有呈凸镜状耦光面的芯层；将熔融状态的包层材料涂布于该芯层及该第一包层上，且露出该耦光面，以形成第二包层预型体；提供第三滚轮，该第三滚轮具有第三滚压面；采用该第三滚轮压制该第二包层预型体，从而制得光波导；提供一个贯通开设有透光孔的电路基板，将该电路基板装设于该光波导上，该透光孔相对该耦光面；提供或制备一个光学模组，该光学模组装设于该透光孔上，从而制得光耦合模块。
本发明的光耦合模块及其制备方法，其光波导的耦光面为凸镜状，增大了收光范围，且该耦光面能够将入射至该芯层的光讯号聚集进行传输，也能够将从该芯层出射的光讯号聚集进行传输，即使粘晶过程中发生了一定的偏移量，耦光效果也不会受到影响。
附图说明
图1为本发明实施方式光耦合模块的立体示意图。
图2为图1的光耦合模块沿II-II方向的剖面示意图。
图3A与图3B为光耦合模块制备方法的流程图。
图4为第一滚轮及其对应所制备产品的局部剖面示意图。
图5为第二滚轮及其对应所制备产品的局部剖面示意图。
图6为第三滚轮及其对应所制备产品的局部剖面示意图。
主要元件符号说明
| 光耦合模块 | 100 |
| 衬底 | 10 |
| 光波导 | 30 |
| 芯层 | 31 |
| 主体 | 311 |
| 底壁 | 3113 |
| 顶壁 | 3115 |
| 反射壁 | 3117 |
| 传输端 | 313 |
| 本体 | 3130 |
| 耦光部 | 3131 |
| 耦光面 | 3135 |
| 包层 | 35 |
| 第一包层 | 351 |
| 收容空间 | 353 |
| 第二包层 | 355 |
| 电路基板 | 50 |
| 透光孔 | 53 |
| 光学模组 | 70 |
| 发光元件 | 71 |
| 受光元件 | 73 |
| 第一滚轮 | 40 |
| 第一滚压面 | 41 |
| 第一压槽 | 401 |
| 基部 | 4011 |
| 延伸部 | 4013 |
| 第二滚轮 | 60 |
| 第二滚压面 | 61 |
| 第二压槽 | 601 |
| 本部 | 6011 |
| 连接部 | 6013 |
| 第三滚轮 | 80 |
| 第三滚压面 | 81 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
请参阅图1与图2的，本实施方式的光耦合模块100包括衬底10、光波导30、电路基板50及光学模组70。光波导30位于衬底10与电路基板50之间，光学模组70安装于电路基板50上。
衬底10可由树脂、玻璃或陶瓷等具有绝缘性的材质形成。衬底10也可由金属等具有导电性的材料形成，于该种情况时，需于安装集成电路芯片的安装面上形成一层绝缘膜。优选地，衬底10具有较高的热传导性。衬底10上还可布设电路，以用于驱动及控制光学模组70或其它组件工作。
光波导30形成于衬底10上，用于传输光讯号。光波导30包括芯层31及包覆芯层31的包层35。芯层31的截面大致呈U形，其包括主体311及由主体311两端远离衬底10弯折延伸形成的传输端313。主体311的截面大致呈梯形，包括底壁3113、顶壁3115及两个反射壁3117。底壁3113邻近衬底10设置，顶壁3115与底壁3113平行设置，反射壁3117由底壁3113的两端延伸弯折形成。反射壁3117用于反射光讯号，以改变光讯号传输方向。每一个传输端313包括本体3130及耦光部3131。本体3130的截面大致呈方形，其形成于顶壁3115的端部，并沿远离底壁3113的方向延伸。耦光部3131形成于本体3130远离主体311的一端。耦光部3131包括呈凸镜状的耦光面3135，耦光面3135远离本体3130设置，用于与光学模组70进行耦光。本实施方式中，底壁3113与反射壁3117之间的夹角等于135度，入射至一反射壁3117的光讯号经反射后沿与底壁3113平行的传输方向到达另一反射壁3117，从而可减小能量损耗。本实施方式中，耦光面3135呈半球面结构，以达到收光面积最大。可理解，底壁3113与反射壁3117间夹角也可改变，只要从一耦光面3135的入射的光讯号能够从另一耦光面3135出射即可。芯层材料为感光型高分子材料，如聚酰亚胺树脂(PSPI)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等。
包层35整体包覆芯层31，且仅露出耦光面3135。包层35用于保护芯层31，并可防止光讯号折射出光波导30。包层材料的折射率-低于芯层材料，才能使光于光路中全反射，从而沿着设计的路线传输。本实施方式中，包层材料可选用聚压克力酸酯(Polyacrylate)、聚硅氧烷(Polysiloxane)、聚酰亚胺(Polyimide)或聚碳酸酯(Polycarbonare)，以及其它高分子感光聚合物。包层35包括相互连接设置的第一包层351及第二包层355(请参阅图6)。第一包层351位于衬底10与主体311之间。第二包层355包覆于顶壁3115及传输端313上，仅露出耦光面3135。
电路基板50形成于光波导30上，用于装设光学模组70。电路基板50上对应芯层31的两个传输端313贯通开设有两个透光孔53，以透过光讯号。两个透光孔53分别对应芯层31的两个传输端313开设，透光孔53的孔径大致与传输端313的耦光面3135的宽度相当。本实施方式中，透光孔53的孔径为200μm。可理解，透光孔53的孔径也可大于或小于本体3130的宽度。
光学模组70装设于电路基板50上，用于转换光电讯号。光学模组70包括分别位于两个透光孔53上方的发光元件71及受光元件73，以与两个耦光面3135相对应。发光元件71用于将电讯号转换为光讯号。发光元件71通常采用面发光元件，如面发光激光器。受光元件73用于将光讯号转换为电讯号。本实施方式中，发光元件71为垂直面射型激光器(Vertical CavitySurface Emitting Laser，VCSEL)，受光元件73为光电二极管。
工作时，电讯号传递到发光元件71，发光元件71将电讯号转换为光讯号，发光元件71发出垂直衬底10的光讯号。光讯号经由透光孔53进入与发光元件71相对的耦光面3135，再通过其下方的反射壁3117反射改变方向，平行底壁3113传输至另一个反射壁3117，经由该另一个反射壁3117反射，从而到达与受光元件73相对的耦光面3135，继而出射至受光元件73，受光元件73最终将该光讯号转变为电讯号。
请参阅图3A与图3B，以下对本发明的光耦合模块100的制备方法进行详细描述。本实施方式中，光耦合模块100的制备方法包括以下步骤。
步骤S401：提供一个衬底10。
衬底10可由树脂、玻璃或陶瓷等具有绝缘性的材质形成。衬底10也可由金属等具有导电性的材料形成，于该种情况时需于安装集成电路芯片的安装面上形成一层绝缘膜。优选地，衬底10具有较高的热传导性。衬底10上还可布设电路，以用于驱动及控制光学模组70或其它元件工作。
步骤S402：提供包层材料，并加热包层材料至熔融状态，将该熔融状态的包层材料均匀涂布于衬底10上，以形成第一包层预型体(图未示)。
本实施方式中，包层材料可选用聚压克力酸酯(Polyacrylate)、聚硅氧烷(Polysiloxane)、聚酰亚胺(Polyimide)或聚碳酸酯(Polycarbonare)，以及其它高分子感光聚合物，如3-异丁烯酰氧基丙基三乙氧基硅烷(MPETS)和苯基三乙氧基硅烷(PhTES)。
步骤S403：提供一个第一滚轮40(请参阅图4)，其包括第一滚压面41。第一滚压面41设置于第一滚轮40的圆周侧面上，其上开设有若干第一压槽401。
第一压槽401包括基部4011及形成于基部4011底壁两端的延伸部4013。基部4011的截面大致呈弓形。延伸部4013的截面大致呈梯形，且朝向第一滚轮40内部延伸。
步骤S404：采用第一滚轮40压制第一包层预型体，形成第一包层351，第一包层351对应第一压槽401形成有收容空间353(请参阅图4)。
收容空间353的截面大致呈梯形。收容空间353的底壁与侧壁的夹角为135度。
步骤S405：提供芯层材料，加热芯层材料至熔融状态，将熔融状态的芯层材料均匀涂布于收容空间353上，以形成芯层预型体(图未示)。
芯层材料的折射率高于包层材料，以使光于光路中全反射，从而沿设计的路线传输。芯层材料为感光型高分子材料，如聚酰亚胺树脂(PSPI)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等等。
步骤S406：提供第二滚轮60(请参阅图5)，其包括第二滚压面61。第二滚压面61设置于第二滚轮60的圆周侧面上，其上开设有若干第二压槽第二压槽601。
每一个第二压槽601包括本部6011及相对设置于本部6011两端的连接部6013。本部6011的截面大致呈弓形。连接部6013远离本部6011延伸，其远离本部6011的一端的截面大致呈凸镜状。本实施方式中，连接部6013远离本部6011的一端的截面大致呈半圆形。
步骤S407：用第二滚轮60压制芯层预型体，以形成芯层31。
芯层31的截面大致呈U形，其包括主体311及由主体311两端远离衬底10的弯折延伸形成的传输端313。主体311的截面大致呈梯形，包括底壁3113、顶壁3115及两个反射壁3117。本实施方式中，底壁3113与反射壁3117之间的夹角等于135度。传输端313包括本体3130及耦光部3131。本体3130形成于顶壁3115的端部，并沿远离底壁3113的方向延伸。耦光部3131形成于本体3130远离主体311的一端。耦光面3135设置于耦光部3131远离主体311的末端面，其大致呈凸镜状。本实施方式中，耦光面3135对应连接部6013远离本部6011的一端呈半球面状。
步骤S408：加热包层材料至熔融状态，并将熔融状态的包层材料均匀涂布于芯层31及第一包层351上，且露出耦光面3135，以形成第二包层预型体(图未示)。
步骤S409：提供一个第三滚轮80(请参阅图6)，其包括光滑的第三滚压面81。第三滚压面81设置于第三滚轮80的圆周侧面上。
步骤S410：用第三滚轮80压制该第二包层预型体，形成第二包层355，从而制得光波导30。
步骤S411：提供一个间隔贯通开设有两个透光孔53的电路基板50，将电路基板50装设于光波导30上，两个透光孔53分别相对两个传输端313的耦光面3135。
步骤S412：提供一个具有发光元件71及受光元件73的光学模组70，发光元件71及受光元件73分别装设于电路基板50上，并位于两个透光孔53的上方，从而制得光耦合模块100。
本发明的光耦合模块100及其制备方法，由于光波导30的耦光面3135为凸镜状，从发光元件71发出的光讯号入射到芯层31中时，与发光元件71相对的耦光面3135能够将光讯号进行集中传递至其下方的一个反射壁3117，经反射改变方向到达另一个反射壁3117，再经与受光元件73相对的耦光面3135聚集成束传递至受光元件73。相较于呈平面状的耦光面，凸镜状的耦光面3135增大了收光范围，且使光讯号聚集成束，提高了入射到芯层31中及从芯层31出射的光讯号的质量，的即使粘晶过程中发生了一定的偏移量，耦光效果也不会受到影响。
可以理解，可只将其中的一耦光面3135设为凸镜状。
可以理解，衬底10与电路基板50都可设置为多层电路板，而直接将光波导30嵌入多层电路板中。
另外，本领域技术人员还可以于本发明精神内做其它变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含于本发明所要求保护的范围内。
Claims (10)
1.一种光耦合模块，包括衬底、光波导、电路基板及光学模组，该光波导装设于该衬底及该电路基板之间，该光波导包括芯层及包层，该芯层具有耦光面，该包层包覆该芯层且露出该耦光面，该电路基板上贯通开设有与该耦光面相应的透光孔，该光学模组设置于该透光孔上，并通过该透光孔与该耦光面进行光耦合，其特征在于：该耦光面呈凸镜状，该耦光面能够将入射至该芯层的光讯号聚集进行传输，也能够将从该芯层的出射的光讯号聚集进行传输。
2.如权利要求1所述的光耦合模块，其特征在于：该耦光面呈半球面状。
3.如权利要求1所述的光耦合模块，其特征在于：该芯层包括主体及分别形成于该主体两端的两个传输端，该传输端背离该衬底延伸弯折，该耦光面的数量为二，该两个耦光面分别设置于该两个传输端远离该主体的末端面上。
4.如权利要求3所述的光耦合模块，其特征在于：该电路基板上间隔开设有两个透光孔，该光学模组包括分别设置于该两个透光孔上的发光元件及受光元件，以分别与两个耦光面进行耦光。
5.如权利要求3所述的光耦合模块，其特征在于：该主体包括底壁、顶壁及两个反射壁，该底壁邻近该衬底设置，该顶壁与该底壁平行设置，该反射壁连接该底壁与顶壁，该两个传输端分别形成于该顶壁两端。
6.如权利要求5所述的光耦合模块，其特征在于：该反射壁与该底壁间的夹角等于135度。
7.一种光耦合模块的制备方法，包括以下步骤：
提供一衬底；
提供包层材料，加热包层材料至熔融状态，将该熔融状态的包层材料涂布于该衬底上，以形成第一包层预型体；
提供第一滚轮，该第一滚轮包括第一滚压面，第一滚压面开设若干第一压槽；
采用第一滚轮压制该第一包层预型体，形成第一包层，该第一包层上形成与该第一压槽相对应的收容空间；
提供芯层材料，加热该芯层材料至熔融状态，将熔融状态的芯层材料涂布于该收容空间，以形成芯层预型体；
提供第二滚轮，该第二滚轮包括第二滚压面，该第二滚压面上开设有若干第二压槽，该第二压槽包括本部及相对设置于本部两端的两个连接部，该连接部远离该本部的一端截面呈凸镜状；
采用该第二滚轮压制该芯层预型体的，以形成一个具有呈凸镜状耦光面的芯层；
将熔融状态的包层材料涂布于该芯层及该第一包层上，且露出该耦光面，以形成第二包层预型体；
提供第三滚轮，该第三滚轮具有第三滚压面；
采用该第三滚轮压制该第二包层预型体，从而制得光波导；
提供一个贯通开设有透光孔的电路基板，将该电路基板装设于该光波导上，该透光孔相对该耦光面；
提供或制备一个光学模组，将该光学模组装设于该透光孔上方，从而制得光耦合模块。
8.如权利要求7所述光耦合模块的制备方法，其特征在于：该连接部远离该本部的一端截面呈半圆形，该耦光面呈半球面状。
9.如权利要求8所述光耦合模块的制备方法，其特征在于：该收容空间的底壁与侧壁间的夹角为135度。
10.如权利要求7所述光耦合模块的制备方法，其特征在于：该芯层包括主体及分别形成于该主体两端的两个传输端，该传输端背离该衬底延伸弯折，该耦光面的数量为两个，该两个耦光面分别设置于该两个传输端远离该主体的末端面上。
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