CN103226223A - 用于高速并行光收发模块的光引擎微封装结构 - Google Patents
用于高速并行光收发模块的光引擎微封装结构 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种用于高速并行光收发模块的光引擎微封装结构，设计了一种新型的光引擎微封装结构，包括光纤阵列模块、光学次级组装基片和有源光信号处理器件及其驱动或放大模块的机械组合结构，通过采用了半导体光学微封装结构技术，利用成熟的半导体工艺，在光纤阵列模块、光学次级组装基片等部件上制造高精度的光学对准结构，如光纤阵列固定槽体阵列、高精度定位孔和与之相匹配的定位销等，在不需要使用微透镜阵列的过程下，实现了光纤阵列与有源光信号处理器件的无源自动对准耦合；具有集成度高、封装工序简单、封装成本低、产出量大等优点，易于扩展到更高密度的集成和工业化大规模生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种封装结构，尤指涉及一种用于高速并行光收发模块的光引擎微封装结构。
背景技术
宽带接入和光纤到户服务的巨大增长已经成为下一代基于光子集成技术的光通讯领域发展的新的推动动力。个人智能移动设备的出现更是对移动骨干网络的传输速率和带宽提出了更高的要求。由于互联网设备日益普及，大数据（Big Data）通讯时代已然来临，促使云端运算数据中心的以太网交换机设备须具备更高的带宽和传输速率。预计不久，以40G和100G为主的以太网络将逐步取代现在采用的10G以太网络。最近的电气电子工程师学会（IEEE）制定的P802.3ba统一标准就是针对40G和100G以太网络制定的。
下一代数据通讯除了对通讯宽带和传输速率提出了新的要求以外，还对相应设备的价格和能耗提出了比较高要求。作为主要光互联接口，新一代低能耗、低价格、高带宽密度的光电收发模块成为目前厂商研发的重点。而作为光电信号收发和转换的的关键模块，光引擎技术则是重中之重。目前占90%以上的市场的高速短距数据通讯模块采用基于波长850nm的垂直腔面发射激光器（VCSEL）的并行光通讯技术。比较流行的并行光通讯模块中使用的光引擎技术主要有45°角打磨光纤技术（US7,178,235B2），注模塑料组件技术（US7,178,235B2）和微透镜阵列微封装技术（US6,953,291B2）。这几项技术无论是制造和封装复杂程度以及生产价格都比较高，有些技术还需要采用有源主动对准封装，从而进一步增加了成本。
发明内容
有鉴于以上现有技术封装结构及方法复杂、成本高昂的原因，本发明提出一种用于高速并行光收发模块的光引擎微封装结构，具体方案如下：
一种用于高速并行光收发模块的光引擎微封装结构，包括
一光纤阵列模块,该模块包括一光纤阵列及一带槽基片,该带槽基片所设槽体贯穿该带槽基片本体，且该槽体形状同该光纤阵列形状相匹配，该光纤阵列固定于该带槽基片的槽体中，该带槽基片槽体出口处端面设有至少一定位销；
一光学次级组装基片，该光学次级组装基片包括至少一定位孔，该定位孔同光纤阵列模块定位销相匹配，以使光纤阵列模块固定于光学次级组装基片之上；
一有源光信号处理器件及其驱动或放大模块，该有源光信号处理器件同光学次级组装基片相对位置固定，并同固定于该光学次级组装基片之上的光纤阵列模块中的光纤阵列对准耦合，该有源光信号处理器件通过其驱动或放大模块同外部电路连接。
进一步，所述槽体设于带槽基片表面，槽体上方还设有一盖板压覆，以固定光纤阵列同带槽基片。
进一步，所述光纤阵列包括去除包层的前端裸带状光纤阵列及包裹有包层的其余部分，前端裸带状光纤阵列槽体出口端面为设有定位销的带槽基片端面。
进一步，所述设有定位销的端面还设有一容纳所述有源光信号处理器件的槽体。
进一步，所述带槽基片的槽体为V型槽体。
进一步，所述光纤阵列模块垂直固定于所述光学次级组装基片之上。
进一步，所述光学次级组装基片为矩形、环形、“[”形或分离形。
进一步，所述分离形光学次级组装基片包括前片和后片，前后片咬合并拢时形成至少一空隙，该空隙距离小于或等于所述定位销的宽度，该空隙可通过调节前片、后片位置以形成同定位销相匹配定位孔。
进一步，所述定位孔、所述定位销、所述带槽基片槽体为通过光刻半导体工艺制成。
进一步，所述有源光信号处理器件同驱动或放大模块通过导线键合方式或高速金属布线层进行连接。
进一步，还包括一导热基板，所述驱动或放大模块通过高速柔性电路板同外部电路连接，所述有源光信号处理器件及其驱动或放大模块设置于光学次级组装基片、导热基板或高速柔性电路板上。
进一步，所述有源光信号处理器件为光信号接收、发射或/和收发模块。
进一步，所述光信号接收或发射模块为垂直腔面发射激光器阵列，所述光信号收发模块为光电探测器阵列，其驱动放大模块包括垂直腔面发射激光器驱动芯片、光电探测器跨阻抗放大器。
进一步，所述基片材料为硅、绝缘衬底上的硅、III-V族复合半导体、玻璃或聚合物。
本发明的有益效果在于：本发明设计了一种新型的光引擎微封装结构，包括光纤阵列模块、光学次级组装基片和有源光信号处理器件及其驱动或放大模块的机械组合结构，通过采用了半导体光学微封装结构技术，利用成熟的半导体工艺，在光纤阵列模块、光学次级组装基片等部件上制造高精度的光学对准结构，如光纤阵列固定槽体阵列、高精度定位孔和与之相匹配的定位销等，在不需要使用微透镜阵列的过程下，实现了光纤阵列与有源光信号处理器件的无源自动对准耦合；具有集成度高、封装工序简单、封装成本低、产出量大等优点，易于扩展到更高密度的集成和工业化大规模生产。
为便于审查委员能对本发明目的、技术特征及其功效，做更进一步之认识与了解，兹举实施例配合图式，详细说明如下：
附图说明
图1为本发明用于高速并行光收发模块的光引擎微封装结构组装结构示意图；
图2为本发明用于高速并行光收发模块的光引擎微封装结构分解结构示意图；
图3为光纤阵列模块组件的分解结构示意图；
图4A为OSAB模块组件第一实施例示意图；
图4B为OSAB模块组件第二实施例示意图；
图4C为OSAB模块组件第三实施例示意图；
图5为采用本发明光引擎微封装结构的插拔式光引擎模块实现方案示意图；
【主要组件符号说明】
基板 ……. 01
OSAB ……. 02
OSAB表面 ……. 02A
键合定位标记 ……. 02B
OSAB后片 ……. 02C
OSAB前片 ……. 02D
VCSEL阵列 ……. 03
PD阵列 ……. 04
定位孔 ……. 05
带槽基片 ……. 06
带槽基片表面 ……. 06A
光纤阵列 ……. 07
裸带状光纤阵列 ……. 07A
玻璃盖板 ……. 08
第一槽体阵列 ……. 09
第二槽体阵列 ……. 09A
定位销 ……. 10
带槽基片第一端面 ……. 11A
带槽基片第二端面 ……. 11B
VCSEL驱动芯片 ……. 12
探测器TIA芯片 ……. 13
柔性电路板 ……. 14
MT光学连接器 ……. 15
MT光学连接器定位销 ……. 15A
具体实施方式
请参阅图1～图2，为用于高速并行光收发模块的光引擎微封装结构结构示意图，包括一个导热基板01、一个半导体光学微封装结构OSAB(Optical Sub-Assembly Bench，光学次级组装基片，以下简称OSAB)02和一光纤阵列模块，该半导体光学微封装结构的OSAB02设置于导热基板01之上，而该光纤阵列模块设置于该半导体光学微封装结构的OSAB02之上。该光纤阵列模块包括一表面设有呈直线均匀排列的多通道光纤自组装槽体阵列的基片06、一带状多通道光纤阵列07及一设置于带槽基片06槽体阵列上方的玻璃盖板08，该带槽基片06的槽体阵列的槽体横截面形状同该带状多通道光纤阵列07的横截面形状相匹配以使该带状多通道光纤阵列07安装固定在该带槽基片06的槽体阵列内，且进一步通过槽体阵列上方的玻璃盖板08进行固定，形成光纤阵列模块。半导体OSAB02表面上设置有至少一有源光信号处理器件，该有源光信号处理器件包括至少一组光信号接收、发射或收发模块，本实施例中具体为VCSEL（Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser，垂直腔面發射激光器，以下简称VCSEL）阵列03和/或PD（photodetector，光电探测器，以下简称PD）阵列04。OSAB02和带槽基片06上还分别设有采用半导体光刻工艺制作的用于光纤阵列无源对准的高精度定位孔05和定位销10，以便通过匹配带槽基片上的定位销10和OSAB上的定位孔05，使光纤阵列模块得以以垂直的方式安装于OSAB02之上，保证设置在带槽基片06上的光纤阵列07与设置在OSAB02上的VCSEL阵列03和/或PD阵列04无源自动对准耦合。VCSEL阵列03和/或PD阵列04还进一步通过导电金线打线分别连接到设置于基板01上的VCSEL驱动芯片12和探测器TIA（Transimpedance Amplifier，跨阻抗放大器，以下简称TIA）芯片13，并通过高速柔性电路板14与外电路连接。
其中，所有基片材料(OSAB02、带槽基片06)可以选择为硅、绝缘衬底上的硅（Silicon-On-Insulator,SOI）、III-V族复合半导体，玻璃（SiO2）或聚合物（Polymer）的一种，并且所有基片上的结构都采用半导体工艺制造。而用于安装和固定OSAB、VCSEL阵列03和/或PD阵列04和高速柔性电路板的导热基板01材料可以为PCB，金属和其它导热材料。
请参阅图3，为光纤阵列模块组件的分解结构示意图，带槽基片06上表面设有一槽体阵列，该槽体阵列包括第一槽体阵列09及同其相接的第二槽体阵列09A。该第一槽体阵列09为采用半导体湿法刻蚀技术刻蚀出均匀排列的多通道光纤自组装槽体阵列，该槽体阵列间距同VCSEL和PD阵列的间距相匹配，以便设置于内的光纤阵列07可在槽体阵列端面同前述VCSEL和PD阵列相连接，一般采用250微米的间距；该槽体阵列单槽刻蚀深度取决于裸光纤的直径（直径125微米）和设计的光纤中心离基片表面06A的距离。而与该第一槽体阵列相连接的第二槽体阵列09A为一结构相似、但内径较大的槽体，以放置未去除聚合物包层的光纤带（直径250微米）。带槽基片06一端还设置有至少有一定位销10，以同采用半导体光刻工艺制作的、设置于OSAB上的定位孔05（请见图4）相匹配，以便与之卡嵌、咬合。定位销10长度应等于或小于OSAB02厚度，厚度应等于或小于基片06厚度。带槽基片06设置定位销10的一侧还设置有一容置槽体，以在组装时，容纳VCSEL阵列03和/或PD阵列04，该槽体的高度大于或等于VCSEL阵列03和/或PD阵列04的高度（即第一端面11A、第二端面11B的距离）。前端去除聚合物包层的带状光纤阵列07（一般为12根）卡嵌于带槽基片06上表面的槽体阵列内,前端裸带状光纤阵列07A设置于第一槽体阵列内、前端断面同第二端面11B齐平，其余带有聚合物包层的部分设置于第二槽体阵列09A内，光纤陈列07同槽体阵列内直线型阵列槽形紧密贴合，玻璃盖板08黏合于光纤阵列07上方，构成光纤阵列模块。当该光纤阵列模块通过定位销10和定位孔05同OSAB02连接在一起时，带槽基片第一端面11A同OSAB表面02A相贴合，带槽基片第二端面11B同VCSEL阵列03和/或PD阵列04贴合，第一槽体阵列内的裸带状光纤阵列07A端面同VCSEL阵列03和/或PD阵列04光学表面相贴合。
请参阅图4A～图4C,为OSAB模块组件的第一、第二和第三实施例，该模块的形状可以应不同需求所改变。
请参阅图4A，该实施例中半导体OSAB02形状为一体矩形，该OSAB02上设置有定位孔05和安装有源光信号处理器件阵列(VCSEL阵列03和/或PD阵列04)的键合定位标记结构02B，该有源光信号处理器件(VCSEL阵列03和/或PD阵列04)可以通过黏合剂胶合或键合的方式直接安装在半导体OSAB06上。
请参阅图4B,该实施例中半导体OSAB02形状为一“[”形，有源光信号处理器件（VCSEL阵列03和/或PD阵列04）可以通过胶合或键合的方式直接安装在导热基板01上，并按照键合定位标记结构02B对齐位置，以便同光纤阵列7连接。
请参阅图4C,该实施例中半导体OSAB02为可分离的两部分：OSAB后片02C和OSAB前片02D，当“[”形后片02C嵌入“T”形前片02D至贴合时，“[”形后片02C两端同“T”形前片02D存在两个空隙，该空隙距离小于或等于定位销10的宽度，该可调节空隙即形成一可调节定位孔05。该种设计可通过调节前述空隙距离来消除由于带槽基片06的厚度误差造成的定位销10和定位空05之间的空隙的问题，具体而言，可通过沿图中箭头所指方向夹紧并固定前片02D和后片02C，则前片02D和后篇02C自动夹紧定位销10，消除前述设计（如第一实施例或第二实施例）中定位销10与定位孔05间可能存在的空隙，从而达到更加紧密的连接并保证更高的耦合精度。并通过黏合剂最终固定OSAB前后基片以及带槽基片06。
有源光信号处理器件（VCSEL阵列03和/或PD阵列04）还可以通过导线键合方式与VCSEL驱动芯片12和探测器TIA芯片13相连接。半导体OSAB06表面也可以有高速金属布线层作为桥梁用于和VCSEL驱动芯片12和探测器TIA芯片13的连接。所述VCSEL驱动芯片12和探测器TIA芯片13可以直接安装在导热基板上01或高速柔性电路板14上。
上述实施例中，光纤阵列模块和OSAB模块的对准是通过将带槽基片06上的定位销10卡嵌入OSAB02上的相匹配的定位孔05，从而保证安装在带槽基片06上的光纤阵列07与安装在OSAB02上的VCSEL阵列03和/或PD阵列04无源自动对准耦合；光纤阵列模块以垂直的方式安装在组装好的OSAB06上，第一端面11A直接接触OSAB02表面02A，从而保证两芯片的垂直；并用黏合剂固定在OSAB上。
上述定位孔05深度等于或小于半导体基片02的厚度。定位孔形状根据应用的不同可以是矩形，梯形，圆形，楔形或其它形状。
上述带槽基片06上的槽体阵列的单槽横截面可以为V型。
上述光纤引擎封装结构的制备方法如下：
步骤1：将导体OSAB02同导热基板01可通过黏合剂黏合固定；
步骤2：通过对准半导体OSAB表面02A定位记号用黏合剂将有源光信号处理器件(VCSEL阵列03和/或PD阵列04)固定于半导体OSAB上表面或者高速柔性电路板；
步骤3：通过芯片键合的方法将有源光信号处理器件(VCSEL阵列03和/或PD阵列04)的激光器驱动芯片和探测器的TIA芯片安装在导热基板或高速柔性电路板上；
步骤4：将有源光信号处理器件(VCSEL阵列03和/或PD阵列04)或半导体OSAB高速金属布线层通过导线键合方式与激光器驱动芯片和探测器的TIA芯片连接；
步骤5：制备光纤陈列模块。首先，将带状光纤阵列07（一般为12根）前端去除聚合物包层，则呈现裸带状光纤阵列07A。光纤端面可以是垂直端面或约8°角端面；然后，将去除聚合物包层的裸带状光纤阵列07A卡嵌入带槽基片06的第一槽体阵列09的槽体阵列中，用玻璃盖板08覆盖按压并用黏合剂固定形成光纤阵列模块。制备过程中保证光纤阵列07A的端面中心与带槽基片06上的第二个端面11B齐平。光纤通道的安排一般是左端四根为发射端通道，右端四根为接收端通道，中间四根目前未使用。
步骤6：通过匹配带槽基片上的定位销和OSAB上的定位孔，光纤阵列模块以垂直的方式安装在OSAB上，保证安装在带槽基片上的光纤阵列与安装在OSAB上的VCSEL激光器阵列和/或PD光电探测器阵列无源自动对准耦合；并用黏合剂固定在OSAB上；如果是分离式OSAB则夹紧前片和后片并用黏合剂固定在OSAB上；
请参阅图5，采用本发明光引擎微封装结构的插拔式光引擎模块实现方案示意图。为了实现可插拔功能，该实现方案使用了一个标准的MT光学连接器15。实现时，将与MT光学连接器15连接的带光纤阵列07去除聚合物包层并切齐待用。然后采用上面描述的方法将带光纤阵列安装入带槽基片06，并按照描述的步骤完成封装。MT光学连接器15最终通过连接器定位销15A和与之相匹配的另一插拔式MT光学连接器连接并对准完成光学连接。而对于非可插拔式光引擎模块则可以省略MT光学连接器15，直接与外接带光纤阵列连接。
本发明采用了半导体光学微封装结构技术，利用成熟的半导体工艺制造高精度的光学对准结构，包括光纤阵列固定槽体阵列、高精度定位孔和与之相匹配的定位销，在不需要使用微透镜阵列的过程下，实现了光纤阵列与VCSEL阵列和PD阵列的无源自动对准耦合；具有集成度高、封装工序简单、封装成本低、产出量大等优点，易于扩展到更高密度的集成和工业化大规模生产。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例，本发明所主张的权利范围，并不局限于此，按凡熟悉该项技术人士，依据本发明所揭露的技术内容，可轻易思及的等效变化，均应属不脱离本发明的保护范畴。
Claims (14)
1.一种用于高速并行光收发模块的光引擎微封装结构，其特征在于，包括
一光纤阵列模块,该模块包括一光纤阵列及一带槽基片,该带槽基片所设槽体贯穿该带槽基片本体，且该槽体形状同该光纤阵列形状相匹配，该光纤阵列固定于该带槽基片的槽体中，该带槽基片槽体出口处端面设有至少一定位销；
一光学次级组装基片，该光学次级组装基片包括至少一定位孔，该定位孔同光纤阵列模块定位销相匹配，以使光纤阵列模块固定于光学次级组装基片之上；
一有源光信号处理器件及其驱动或放大模块，该有源光信号处理器件同光学次级组装基片相对位置固定，并同固定于该光学次级组装基片之上的光纤阵列模块中的光纤阵列对准耦合，该有源光信号处理器件通过其驱动或放大模块同外部电路连接。
2.如权利要求1所述的光引擎微封装结构，其特征在于，所述槽体设于带槽基片表面，槽体上方还设有一盖板压覆，以固定光纤阵列同带槽基片。
3.如权利要求1所述的光引擎微封装结构，其特征在于，所述光纤阵列包括去除包层的前端裸带状光纤阵列及包裹有包层的其余部分，前端裸带状光纤阵列槽体出口端面为设有定位销的带槽基片端面。
4.如权利要求1所述的光引擎微封装结构，其特征在于，所述设有定位销的端面还设有一容纳所述有源光信号处理器件的槽体。
5.如权利要求1所述的光引擎微封装结构，其特征在于，所述带槽基片的槽体为V型槽体。
6.如权利要求1所述的光引擎微封装结构，其特征在于，所述光纤阵列模块垂直固定于所述光学次级组装基片之上。
7.如权利要求1所述的光引擎微封装结构，其特征在于，所述光学次级组装基片为矩形、环形、“[”形或分离形。
8.如权利要求7所述的光引擎微封装结构，其特征在于，所述分离形光学次级组装基片包括前片和后片，前后片咬合并拢时形成至少一空隙，该空隙距离小于或等于所述定位销的宽度，该空隙可通过调节前片、后片位置以形成同定位销相匹配定位孔。
9.如权利要求1所述的光引擎微封装结构，其特征在于，所述定位孔、所述定位销、所述带槽基片槽体为通过光刻半导体工艺制成。
10.如权利要求1所述的光引擎微封装结构，其特征在于，所述有源光信号处理器件同驱动或放大模块通过导线键合方式或高速金属布线层进行连接。
11.如权利要求1所述的光引擎微封装结构，其特征在于，还包括一导热基板，所述驱动或放大模块通过高速柔性电路板同外部电路连接，所述有源光信号处理器件及其驱动或放大模块设置于光学次级组装基片、导热基板或高速柔性电路板上。
12.如权利要求1～9任一所述的光引擎微封装结构，其特征在于，所述有源光信号处理器件为光信号接收、发射或/和收发模块。
13.如权利要求12任一所述的光引擎微封装结构，其特征在于，所述光信号接收或发射模块为垂直腔面发射激光器阵列，所述光信号收发模块为光电探测器阵列，其驱动放大模块包括垂直腔面发射激光器驱动芯片、光电探测器跨阻抗放大器。
14.如权利要求1～9任一所述的光引擎微封装结构，其特征在于，所述基片材料为硅、绝缘衬底上的硅、III-V族复合半导体、玻璃或聚合物。
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