CN103217751B - 光学机械组件及其制作方法 - Google Patents

Abstract

一种光学机械组件，包含主动单元和传输单元。所述主动单元包含第一承载件用来设置光电单元。所述传输单元包含第二承载件用来固定多个光波导。所述光电单元与所述光波导形成光耦合；所述第一承载件与所述第二承载件具有对称结构。本发明还提供一种光学机械组件的制作方法。

Description

光学机械组件及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种光电转换装置，特别是关于一种可减少定位复杂度并提升定位精度的光学机械组件及其制作方法。

背景技术

光纤与激光光源或光检测器(photodetector)间的良好定位可提高传输的耦合效率。随着传输容量的提升，如何同时针对多个光纤与多个激光光源或光检测器进行光耦合已成为重要的研究课题。

图1是一种熟知的光学机械组件9的立体图，所述光学机械组件9包含基板91、支撑件92、光路转向元件93、光电元件94和多个导线95。所述光电元件94设置于所述基板91的上表面，并发出或检测沿着所述基板91的法线方向n传输的光信号。所述导线95安装在所述基板91的所述上表面并电性耦接所述光电元件94，用来输入电信号到所述光电元件94或从所述光电元件94输出电信号。所述支撑件92则用来支撑所述光路转向元件93，以使所述光路转向元件93与所述光电元件94能够彼此互相定位。所述光路转向元件93用来将平行所述法线方向n传输的光信号转向平行所述基板91的所述上表面后，传输到外部的光连接器(optical connector)。

图2是图1的所述光路转向元件93的底面图，其中，多个V形槽沟931平行地安装在所述光路转向元件93的底面，多条光纤932分别设置于所述V形槽沟931内，并且通常会使用粘胶933固定所述光纤932于所述V形槽沟931内。所述光纤932最后连接到光连接器以将所述光电元件94所发出的光信号传输到外部或将外部光信号传送到所述光电元件94。

图3是图1的光学机械组件9中，沿III-III′线的剖示图。所述光学机械组件9中，所述光路转向元件93将所述光电元件94所发出或接收的垂直光信号转换为水平光信号。转换机制在所述光纤932的前端面形成镜面932S，其与所述法线方向n具有45度夹角用来对光信号进行反射。然而，定位所述光路转向元件93与所述光电元件94时，必须使所述镜面932S精确定位于所述光电元件94，因此至少必须进行三个维度(例如前后、左右和旋转)的定位，制作程序上较为复杂并且定位精度也难以有效提升。

鉴于此，本发明还提出一种可有效简化定位复杂度并提升定位精度和光耦合效率的光学机械组件及其制作方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种可减少制作过程中定位复杂度的光学机械组件及其制作方法。

本发明的又一目的是提供一种可提高定位精度和光耦合效率的光学机械组件及其制作方法。

为达到上述目的，本发明提供一种光学机械组件，包含主动单元和传输单元。所述主动单元还包含第一承载件和光电单元；其中，所述第一承载件包含耦合部、第一固定部和第一支撑部，其中所述耦合部纵向上形成第一槽沟，所述第一固定部纵向上形成多个V型槽沟连通所述第一槽沟，所述第一支撑部纵向上形成第二槽沟连通所述V型槽沟；所述光电单元设置于所述耦合部的所述第一槽沟内，并包含多个光电芯片。所述传输单元还包含第二承载件、固定座和多个光波导；其中，所述第二承载件包含第二固定部和第二支撑部，其中所述第二固定部和所述第二支撑部相对称所述第一承载件的所述第一固定部和所述第一支撑部分别形成多个V型槽沟和一第二槽沟；所述光波导设置于所述第二承载件的所述V型槽沟和所述第二槽沟内，其前端面形成45度角镜面并分别定位所述光电单元的所述光电芯片；所述固定座包含多个透孔供所述光波导穿过；其中，所述第一承载件的所述第一固定部和所述第一支撑部与所述传输单元的所述第二固定部和所述第二支撑部由相同程序所制作。

本发明还提供一种光学机械组件的制作方法，包含下列步骤：提供相同的第一承载件和第二承载件，其中所述第一承载件和所述第二承载件上均形成耦合部、固定部和支撑部，所述耦合部纵向上形成第一槽沟，所述固定部纵向上形成多个V型槽沟，所述支撑部纵向上形成第二槽沟；在所述第一承载件的所述耦合部的所述第一槽沟内设置光电单元以形成主动单元，其中所述光电单元包含多个光电芯片；移除所述第二承载件的所述耦合部；提供多个光波导安装于所述第二承载件的所述V型槽沟和所述第二槽沟内；研磨所述第二承载件的所述固定部和所述光波导的前端面使分别形成45度角斜面和45度角前端面；将所述光波导的45度角前端面形成45度角镜面；提供具有多个透孔的固定件供所述光波导穿过以形成传输单元；以及将所述传输单元结合于所述主动单元上并使所述光波导的45度角镜面定位所述光电芯片。

本发明的光学机械组件和其制作方法中，所述第一承载件的耦合部横向上还形成至少一组定位槽沟。

本发明的光学机械组件和其制作方法中，所述光电单元的所述光电芯片于横向方向定位所述定位槽沟。

本发明的光学机械组件和其制作方法中，所述光电芯片于纵向方向分别定位所述V型槽沟。

本发明的光学机械组件和其制作方法中，所述固定部的所述45度角斜面的前缘定位所述定位槽沟。

本发明的光学机械组件仅需进行一个维度方向的定位，因此具有较低的制作复杂度。此外，所述第一承载件和所述第二成载件以相同制作程序所制作，可有效提升定位精度和光耦合效率。

附图说明

图1是熟知的光学机械组件的立体示意图。

图2是图1的光学机械组件的光路转向元件的底面图。

图3是图1的光学机械组件沿III-III′线的剖示图。

图4是本发明实施方式的光学机械组件的立体图。

图5是本发明实施方式的光学机械组件的分解图。

图6是本发明实施方式的光学机械组件的制作流程图。

图7-9E是是本发明实施方式的光学机械组件的制作流程的示意图。

附图标记说明

10基板                   20控制芯片

30主动单元               32第一承载件

321、421耦合部           3211、4211第一槽沟

3212、4212定位槽沟       322第一固定部

3221、4221V形槽沟        323第一支撑部

3231、4231第二槽沟       324、424第一连通槽沟

325、425第二定位槽沟     34光电单元

341光电芯片              40传输单元

42第二承载件             422第二固定部

422S第二固定部前端面     422S′45度角斜面

423第二支撑部            441光波导

441S光波导前端面         441S′45度角前端面

442保护套                46固定座

461透孔                462固定销孔

8切割刀具              9光学机械组件

91基板                 92支撑件

93光路转向元件         931V形槽沟

932光纤                932S镜面

933粘胶                94光电元件

95导线                 S51-S58步骤

具体实施方式

为了让本发明的上述和其他目的、特征和优点更明显，下文将配合附图作详细说明。在本发明的说明中，相同的构件以相同的符号表示，在此先说明。

请参照图4和5，图4是本发明实施方式的光学机械组件的立体图，图5是本发明实施方式的光学机械组件的分解图。本发明实施方式的光学机械组件包含基板10、控制芯片20、主动单元30和传输单元40。

所述基板10，例如可以是印刷电路板(PCB板)，用来提供所述控制芯片20和所述主动单元30操作时所需电力，因此所述基板10上形成一层或多层导线(trace)和接触孔(contact hole)用来传输电力和电信号，其中在基板上安装导线和接触孔的方式已经是熟知的，故不再赘述。

所述控制芯片20设置于所述基板10上并电性连接所述基板10上的导线，用来输出电信号至所述主动单元30或自所述主动单元30读取电信号；其中，所述控制芯片20安装在所述基板10上的方式并无特定限制，只要所述控制芯片20电性耦接所述基板10和所述主动单元30即可。

所述主动单元30包含第一承载件32和光电单元34。所述第一承载件32优选为硅基板，它可利用粘合、卡合、使用固定件通过其他方式连接在所述基板10上，并无特定限制。所述第一承载件32具有耦合部321、第一固定部322和第一支撑部323，其中所述耦合部321与所述第一固定部322以第一连通槽沟324作为区隔，所述第一固定部322与所述第一支撑部323以第二连通槽沟325作为区隔；亦即，所述耦合部321、第一固定部322和第一支撑部323沿着纵向方向(如图中X方向)分别作为所述第一承载件32的一部分，所述第一连通槽沟324和所述第二连通槽沟325沿横向方向(如图中Y方向)区隔所述耦合部321、第一固定部322和第一支撑部323。

所述耦合部321上沿所述纵向方向利用蚀刻(etching)的方式形成第一槽沟3211连通所述第一连通槽沟324，其中所述第一槽沟3211大致位于所述耦合部321的中间部分。所述耦合部321上所述第一连通槽沟324的两侧外还分别形成至少一组定位槽沟3212(此处是3组，但并不以此为限)，其中所述定位槽沟3212的长度方向优选沿着所述横向方向，且可连通或不连通于所述第一槽沟3211。所述第一槽沟3211内设置有所述光电单元34，其包含多个光电芯片341用来发出或接收光信号，具有电极耦接所述光电芯片341，并通过所述基板10上的导线或通过打线(wire bond)的方式电性连接所述控制芯片20。所述光电芯片341，例如可以是激光芯片或光检测器(photodetector)，其中所述光电芯片341中心线的间距优选为250微米，亦即相等于一般光纤带(fiber ribbon)中光纤的间距。可以了解的是，所述光电芯片341于所述横向方向大致排列成一直线。相对应不同种类的光电单元34，所述定位槽沟3212可相应地安装在所述耦合部321上以利后续定位用，因此当所述耦合部321上形成多个组定位槽沟3212时，本发明的光学机械组件可适用多种光电单元34。

所述第一固定部322上沿着所述纵向方向，利用蚀刻的方式形成多个V型槽沟3221，其同时连通于所述第一连通槽沟324和所述第二连通槽沟325。所述V型槽沟3221彼此间的间距优选为250微米，用来分别设置裸光纤(barefiber)。因此，所述V型槽沟3221尺寸优选至少能够置入裸光纤，并无特定限制。

所述第一支撑部323上沿所述纵向方向，利用蚀刻的方式形成一支撑槽沟3231连通所述第二连通槽沟325，用来支撑光波导(详述于后)。本实施方式中，所述二槽沟3231与所述第一槽沟3211优选通过同一道制作程序制作而成，因此可大致具有相同的宽度和深度，其中所述深度可根据设置于所述第一槽沟3211内的所述光电单元34的尺寸决定。

本实施方式的所述主动单元30中，设置所述光电单元34时，优选使所述光电单元34上每个光电芯片341的中心于纵向方向分别定位于所述第一固定部322上的每条V型槽沟3221，并于横向方向定位于所述耦合部321上的定位槽沟3212。由此，当所述光电单元34设置完毕后，即同时完成两个维度(左右和旋转)的定位程序。所述光电芯片341和所述V型槽沟3221的数目则根据所传输的信道(channel)数目决定，并不限定于图5所示。所述第一连通槽沟324系用来连通所述第一槽沟3211和所述V型槽沟3221，所述第二连通槽沟325系用来连通所述V型槽沟3221和所述第二槽沟3231，因此所述第一连通槽沟324和所述第二连通槽沟325的横截面形状并无特定限制。

所述传输单元40包含一第二承载件42(实际上为所述第二承载件42的一部分)、多个光波导441和固定座46。所述第二承载件42与所述第一承载件30事先通过相同制作程序制作而成，因此同样包含第二固定部422相对所述第一固定部322以及第二支撑部423相对所述第一支撑部323，其中所述第二承载件42的耦合部已于制作过程中移除(详述于后)。同样地，所述第二固定部422上沿着所述纵向方向以蚀刻的方式形成多个V型槽沟4221；所述第二支撑部423上沿着所述纵向方向以蚀刻的方式形成支撑槽沟4231；所述V型槽沟4221与所述支撑槽沟4231以沿所述横向方向延伸的第二连通槽沟425相连通。

所述光波导441为裸光纤，靠近其前端面的部分设置于所述V型槽沟4221内，优选以粘胶固定于所述V型槽沟4221内。所述光波导441的一部分优选包有保护套442(fiber ribbon)，其中包有保护套442的部分设置于所述第二支撑部423的第二槽沟4231内并由所述第二支撑部423提供支撑于所述保护套442。所述固定座46包含多个透孔461和多个定位销孔462；所述透孔461供所述光波导441的另一端穿过以进行固定，因此所述透孔461的直径优选大致相等于裸光纤的直径，约125微米；而透孔间距优选为250微米，但并不以此为限，其可根据实际使用的光波导决定。所述定位销孔462则用来与外部光连接器(optical connector)的定位销(未示出)连接。可以了解的是，若外部光连接器并非利用定位销作为结合固定的方式，所述固定座46亦可不具有所述定位销孔462。

请参照图6所示，其是本发明实施方式的光学机械组件的制作流程图，包含下列步骤：提供相同的第一承载件和第二承载件(步骤S₅₁)；于所述第一承载件的耦合部的第一槽沟内设置光电单元以形成主动单元(步骤S₅₂)；移除所述第二承载件的耦合部(步骤S₅₃)；提供多个光波导安装于所述第二承载件的多个V型槽沟和第二槽沟内(步骤S₅₄)；研磨所述第二承载件和所述光波导的前端面以分别形成45度角斜面和45度角前端面(步骤S₅₅)；将所述光波导的45度角前端面形成45度角镜面(步骤S₅₆)；提供具有多个透孔的固定件供所述光波导穿过以形成传输单元(步骤S₅₇)；以和将所述传输单元结合于所述主动单元上并使所述光波导的45度角镜面定位所述光电单元(步骤S₅₈)。

请同时参照图6至9E所示，以下将说明制作本实施方式的光学机械组件的制作流程。

请参照图7所示，首先提供两完全相同的第一承载件32和第二承载件42。所述第一承载件32上已事先利用蚀刻的方式形成所述第一连通槽沟324和所述第二连通槽沟325以区隔出所述耦合部321、所述第一固定部322和所述第一支撑部323；并事先利用蚀刻的方式于所述耦合部321上形成所述第一槽沟3211和至少一组定位槽沟3212，于所述第一固定部322上形成所述V型槽沟3221，于所述第一支撑部323上形成所述第二槽沟3231。所述第二承载件42亦利用相同制作程序制作出第一连通槽沟424、第二连通槽沟425、第一槽沟4211、定位槽沟4212、V型槽沟4221和第二槽沟4231(步骤S₅₁)。换句话说，此步骤所提供的所述第一承载件32和所述第二承载件42具有对称的结构。

请参照图8所示，接下来于所述第一承载件32的第一槽沟3211内设置光电单元34以形成本实施方式所称的主动单元30(步骤S₅₂)；其中，所述光电单元34上已事先形成多个光电芯片341以及与所述光电芯片341电性耦接的电极，所述光电单元34例如可为商用元件，但也可以是自行设计制作的元件。如前所述，所述光电单元34的设置方式须将所述光电芯片341与所述V型槽沟3221和所述定位槽沟3212进行定位。接下来将所述主动单元30设置于基板10上，并电性耦接所述基板10和所述基板10上的控制芯片20。必需说明的是，此步骤中可先将所述第一承载件32设置于所述基板10上后再设置所述光电单元34，或者两者的设置顺序对调；此外，所述主动单元30与所述控制芯片20的设置顺序也没有特定限制，只要能将所述控制芯片20和所述主动单元30设置于所述基板10上并使彼此电连接即可。

请参照图9A所示，接下来利用一切割刀具8(例如钻石刀，但不以此为限)将所述第二承载件42的耦合部421从所述第二承载件42移除(步骤S₅₃)；也就是，本实施方式的光学机械组件在制作完成时，所述第二承载件42并不具有耦合部421。

请参照图9B所示，接下来分别设置多个光波导441于所述V型槽沟4221和所述第二槽沟4231内，并于所述光波导441上套保护套442，其中所述光波导441未套有所述保护套422的裸露部分设置于所述V型槽沟4221内而套有所述保护套422的受保护部分优选设置于所述第二槽沟4231内以受其支撑(步骤S₅₄)。所述光波导441的前端面441S优选大致对齐于所述第二固定部442的前端面422S，以利后续研磨步骤。此外，保护套422此处虽是为4个分离套体，但亦可为单一套体并具有多个穿孔用来套在所述光波导441外。

请参照图9C所示，接下来同时研磨所述第二固定部442的前端面422S和所述光波导441的前端面441S以分别形成45度角斜面422S′和45度角前端面441S′(步骤S₅₅)。接下来对所述光波导441的45度角前端面441S′进行抛光研磨以形成45度角镜面(步骤S₅₆)；于此步骤中，亦可于所述45度角镜面上镀上一层或数层适当金属层以增加其反射率，但并非限定必须在所述45度角镜面镀上金属层。

请参照图9D所示，接下来提供具有多个透孔461的固定座46供所述光波导441的远离所述45度角前端面441S′的一端穿过以进行固定；其中，所述透孔461定位于所述光波导441，换句话说，定位于所述V型槽沟4221。接下来对所述固定座46远离所述第二承载座42的一侧进行抛光研磨以形成本实施方式所述的传输单元40(步骤S₅₇)，如图9E所示。所述固定座46可用来与外部光连接元件相结合以将所述光波导441与外部光波导光耦合。

接下来，将所述传输单元40盖在所述主动单元30(此时所述主动单元30已设置在所述基板10上)并使所述光波导的45度角镜面441S′定位于所述光电单元34的光电芯片341以完成本实施方式的光学机械组件(步骤S₅₈)，即如图4所示。此步骤中，由于所述主动单元30上设置有所述定位槽沟3212，因此只要将所述传输单元40的所述第二固定部422的45度角斜面422S′的前缘定位于所述定位槽沟3212则可完成纵向方向的定位，如前所述横向方向和旋转方向的定位于设置所述光电单元34时即已完成。由于所述第一承载件32和所述第二承载件42系互为对称结构，只要将所述第一承载件32和所述第二承载件42定位完成，即同时完成了所述光波导441与所述光电芯片341的定位并具有高定位精确度。此外，其他实施方式中，所述主动单元30上也可不设置有所述定位槽沟3212，可通过检测所述光波导441的最大输出光功率以确认所述光波导441与所述光电芯片341的定位，且由于仍不需进行横向和旋转的定位，相对于熟知的结构仍具有较简单的定位复杂度。

必须说明的是，本实施方式中图8与图9A-9E所示步骤可同时进行，或者先进行图8的步骤，或者先进行图9A-9E的步骤，并无特定限制。

综上所述，熟知的光学机械组件需要同时进行至少三个维度的定位程序，因此制作过程复杂且不易达成高耦合效率。本发明还提供一种光学机械组件(如图4)及其制作方法(第6-9E图)，它可大幅降低光波导与光电芯片间的定位复杂度，并且由于承载光波导与承载光电芯片的两承载件以相同制作程序制作，可有效提升定位精度以提升光耦合效率。

虽然本发明已用前述实施方式揭示，然而它并非用来限定本发明，任何本发明所属技术领域中的技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内的情况下，可以作各种更动与修改。因此本发明的保护范围应该以所附的权利要求范围所界定的为准。

Claims (10)

1.一种光学机械组件，该光学机械组件包含：

主动单元，该主动单元包含第一承载件和光电单元，其中，

所述第一承载件包含耦合部、第一固定部和第一支撑部，其中所述耦合部纵向上形成有第一槽沟，所述第一固定部纵向上形成有多个V型槽沟连通所述第一槽沟，所述第一支撑部纵向上形成有第二槽沟连通所述V型槽沟；

所述光电单元设置在所述耦合部的所述第一槽沟内，并包含多个光电芯片；以及

传输单元，该传输单元包含第二承载件、固定座和多个光波导，其中，

所述第二承载件包含第二固定部和第二支撑部，其中所述第二固定部和所述第二支撑部对称于所述第一承载件的所述第一固定部和所述第一支撑部分别形成多个V型槽沟和第二槽沟；

所述光波导设置在所述第二承载件的所述V型槽沟和所述第二槽沟内，所述光波导前端面形成45度角镜面并分别定位所述光电单元的所述光电芯片；

所述固定座包含多个透孔以供所述光波导穿过；

其中，所述第一承载件的所述第一固定部和所述第一支撑部与所述传输单元的所述第二固定部和所述第二支撑部由相同制作程序制作。

2.根据权利要求1所述的光学机械组件，其中所述第一承载件的所述耦合部横向上还形成有至少一组定位槽沟。

3.根据权利要求2所述的光学机械组件，其中所述光电单元的所述光电芯片在横向方向定位所述定位槽沟。

4.根据权利要求1或2所述的光学机械组件，其中所述光电芯片在纵向方向分别定位所述第一承载件的所述V型槽沟。

5.根据权利要求1所述的光学机械组件，其中所述光波导套有保护套；所述光波导未套有所述保护套的部分设置在所述第二承载件的所述V型槽沟内，所述光波导套有所述保护套的部分设置在所述第二承载件的所述第二槽沟内。

6.一种光学机械组件的制作方法，该方法包含下列步骤：

提供相同的第一承载件和第二承载件，其中所述第一承载件和所述第二承载件上均形成有耦合部、固定部和支撑部，所述耦合部纵向上形成有第一槽沟，所述固定部纵向上形成有多个V型槽沟，所述支撑部纵向上形成有第二槽沟；

在所述第一承载件的所述耦合部的所述第一槽沟内设置光电单元以形成主动单元，其中所述光电单元包含多个光电芯片；

移除所述第二承载件的所述耦合部；

提供多个光波导安装在所述第二承载件的所述V型槽沟和所述第二槽沟内；

研磨所述第二承载件的所述固定部和所述光波导的前端面以分别形成45度角斜面和45度角前端面；

将所述光波导的45度角前端面形成45度角镜面；

提供具有多个透孔的固定件以供所述光波导穿过形成传输单元；以及

将所述传输单元结合在所述主动单元上并使所述光波导的45度角镜面定位所述光电芯片。

7.根据权利要求6所述的制作方法，其中所述第一承载件的所述耦合部横向上还形成有至少一组定位槽沟。

8.根据权利要求7所述的制作方法，其中将所述传输单元结合在所述主动单元上的步骤是将所述固定部的所述45度角斜面的前缘定位所述定位槽沟。

9.根据权利要求7所述的制作方法，其中所述设置光电单元的步骤是将所述光电单元的所述光电芯片在横向方向定位所述定位槽沟。

10.根据权利要求6或7所述的制作方法，其中所述设置光电单元的步骤是将所述光电芯片在纵向方向分别定位所述第一承载件的所述V型槽沟。