CN104111507A - 集成并行光组件与光收发模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成并行光组件，包含电路板、透明衬底、90度光路折弯连接器、激光器阵列、驱动器、光探测器阵列和跨导放大器，电路板一侧布置电极阵列，光电器件和芯片以倒装键合的方式安装在电路板上，电路板上设有透光装置，透明衬底一侧贴在电路板上，90度光路折弯连接器贴在透明衬底的另一侧，90度光路折弯连接器的45度镜面与光电器件耦合对准。本发明还公开了采用上述光组件的集成并行光收发模块。本发明的集成并行光组件便于集成，有利于增大带宽密度，耦合结构简单，成本较低。本发明所有的组装工序可以在圆片状态下进行，然后进行切割解理形成光组件，这种光电集成方案工艺简洁，有利于规模化生产。

Description

集成并行光组件与光收发模块

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种集成并行光组件与光收发模块。

背景技术

云计算、在线视频、IP语音和其他互联网应用的增加，导致企业网、LAN和SAN网、以及电信网的信息流量越来越大。随着服务器虚拟化和云计算的发展，加上网络集成的趋势，带来了速度更快且效率更高数据中心网络的更大需求。云计算网络把客户侧的应用处理推到数据中心，该应用被多服务器分布式处理，即并行CPU进行分布式运算。为了有效地利用这些分布的CPU资源，需要在各服务器之间提供富裕连接的平坦网络，光技术是用来实现大量的服务器和交换机之间连接的有效途径。作为数据中心和高性能计算机安装连接的有效方案，高速并行光收发器被广泛配置。

相对于在长距离网络中人们对频谱效率和距离-比特率的关注，在短距离通信如数据中心的内部网络中，用来连接的光纤仅仅从几米到几公里，人们更关注的是空间能耗效率和端口速率密度。并行光纤互连通过增加并行数据传输通道可以实现带宽的无限扩展。由于并行光互连具有极高的带宽、无串扰、长距离、重量轻、功耗低、抗电磁干扰等优点，已经成为高速传输信息最好和最安全的载体。并行光收发器充分利用VCSEL的低成本、低功耗等优点，同时和数据中心的并行处理机制相匹配。

垂直腔面发射激光器（VCSEL）可以充分发挥光子的平行操作能力，在光互连、光通信、图像信号处理、模式识别和神经网络、激光打印、光存储读／写光源等领域具有广阔的应用前景。另外，VCSEL的线宽较窄，其发光波长对温度漂移也较小。VCSEL的阈值电流也较小、功耗较低，并且不容易产生啁啾。

由于VCSEL的面发射特性使得它成为并行光收发器的最佳选择，并且并行的数据连接和数据中心的并行处理机制也相匹配。VCSEL具有发射角非常小的圆形光束，与光纤耦合的时候具有更高的耦合效率，集成和封装的成本也会相应降低。然而，VCSEL在光收发模块的应用中，常常需要将电信号线弯曲90度。目前常用的基于VCSEL的并行光收发模块采用柔性电路板（FPC）将信号线弯曲90度。柔性电路板与陶瓷薄片连接，陶瓷薄片作为VCSEL芯片的基板。VCSEL驱动器芯片安装在陶瓷基底的一个凹槽中。在并行的光收发一体模块中，则将VCSEL芯片阵列、VCSEL驱动器芯片、光探测器芯片阵列和跨导放大器芯片一起粘贴在陶瓷基底上。所有芯片电极与引线框架上对应的电极采用金丝引线键合技术进行电连接。该方案采用的部件较多，工艺较复杂，制造成本高。柔性电路板的采用以及较长的电极引线，也极大的增加了光组件的电寄生效应，限制了系统的传输速率。

发明内容

本发明为了克服以上的不足，实现结构简单、便于生产的高密度光子集成，提出了一种集成并行光组件与光模块。

本发明的技术问题通过以下的技术方案予以解决： 

一种集成并行光组件，包含电路板、透明衬底、90度光路折弯连接器、激光器阵列、驱动器、光探测器阵列和跨导放大器，所述电路板的第一侧布置有电极阵列，所述激光器阵列、驱动器、光探测器阵列和跨导放大器以倒装键合的方式安装在所述电路板的第一侧上，并与所述电极阵列电连接，所述电路板上设有透光装置，所述透明衬底的第一侧贴在所述电路板的第二侧上，所述90度光路折弯连接器贴在所述透明衬底的第二侧，所述90度光路折弯连接器包含45度镜面，所述45度镜面与激光器阵列和光探测器阵列耦合对准，将激光器出射光反射入所述90度光路折弯连接器的尾纤中，并将尾纤传来的光反射入光探测器。

在本发明的一个实施例中，所述透明衬底上设置有透镜，所述透镜设置在与激光器阵列和光探测器阵列对准的位置。

在本发明的一个实施例中，所述透光装置为小孔，所述小孔设在与激光器阵列和光探测器阵列对准的位置。

在本发明的一个实施例中，所述透光装置为透明的柔性基材。

在本发明的一个实施例中，所述透明衬底为具有良好透光性的玻璃。

在本发明的一个实施例中，所述电路板与所述透明衬底通过胶粘的方式固定在一起。

在本发明的一个实施例中，所述电路板通过在所述透明衬底上蒸镀电子学布线和绝缘层形成。

在本发明的一个实施例中，所述90度光路折弯连接器包含4个通道。

在本发明的一个实施例中，所述90度光路折弯连接器包含10个通道。

本发明还公开了一种集成并行光收发模块，包含电路基板、外壳、并行光纤可插拔接口和上述任一权利要求所述的集成并行光组件。

本发明的集成并行光组件，便于集成，有利于增大光互连的带宽密度。本发明的集成方案适于采用垂直腔面发射激光器（VCSEL），和底部照射式光探测器（PD）。VCSEL发出的光经电路板上透光装置和透明衬底的透射后，入射到45度镜面。VCSEL的出射光经45度镜面反射后，光路弯折进入尾纤，然后耦合到并行光纤可插拔接口。该方案的光学元件少，耦合结构简单，成本较低。

另外，本发明的集成并行光组件采用倒装键合的工艺安装光电芯片，由于倒装键合的互联线更短，可以有效降低电寄生效应。含45度镜面的90度光路折弯连接器被粘贴在透明衬底的一侧，透明衬底的另一侧用于制作电子学布线，电路板上制作了透光的小孔或者采用透明的柔性基材，用来实现VCSEL阵列、PD阵列和90度光路折弯连接器的45度镜面之间的光耦合，同时实现高速电传输。本方案所有的组装工序可以在圆片状态下进行，然后进行切割解理形成光组件，这种光电集成方案工艺简洁，有利于规模化生产。

 

附图说明

图1是本发明的实施例一的集成并行光组件的侧视图；

图2是本发明的集成并行光组件的芯片在电路板上的布置示意图；

图3是本发明的实施例二的集成并行光组件的侧视图。

 

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本发明做进一步详细说明。

实施例一：

如图1和图2所示，本实施例的集成并行光组件，包含电路板1、透明衬底2、90度光路折弯连接器3、激光器阵列4、驱动器5、光探测器阵列6和跨导放大器7。激光器阵列4和光探测器阵列6均为并行的四列阵。本实施例的激光器为垂直腔面发射激光器（VCSEL）。

所述电路板1的第一侧11布置有电极阵列8，所述VCSEL阵列4、驱动器5、光探测器阵列6和跨导放大器7以倒装键合的方式安装在电路板1的第一侧11上，并与所述电极阵列8电连接。所述VCSEL阵列4、驱动器5、光探测器阵列6和跨导放大器7在电路板1上的布置如图2所示。本实施例中，透明衬底2上设置有透镜23，以使激光器发出的光更好的汇聚到光路折弯连接器3的45度镜面31上。透镜设置在与激光器阵列和光探测器阵列对准的位置。本实施例的透明衬底2为具有良好透光性的玻璃，电路板与透明衬底通过胶粘的方式固定在一起。

如图1所示，所述电路板1上设的透光装置为小孔9，小孔9设在与VCSEL阵列4和光探测器阵列6对准的位置，电路板1本身具备多层电路。所述透明衬底2的第一侧21贴在所述电路板1的第二侧12上，所述90度光路折弯连接器3贴在所述透明衬底2的第二侧22，所述90度光路折弯连接器3包含45度镜面31，所述45度镜面31与激光器阵列4和光探测器阵列6耦合对准，将激光器阵列出射光反射入所述90度光路折弯连接器3的尾纤32中，并将尾纤32传来的光反射入光探测器阵列6。所述90度光路折弯连接器3的尾纤32的出光端面与并行光纤可插拔接口耦合对准。

工作时，在信号发射端，在驱动器5的驱动下VCSEL阵列4发出四束并行发射光，并经透光小孔9无损耗的透射，然后经过透镜23耦合入射到45度镜面31。VCSEL的出射光经45度镜面31反射后，光路弯折进入90度光路折弯连接器3的尾纤32，然后耦合到并行光纤可插拔接口，进入光通信链路。在信号接收端，光信号经并行光纤可插拔接口耦合到90度光路折弯连接器3的尾纤32中，然后入射到45度镜面31，经45度镜面31反射后光路弯折，经过透镜23耦合进入透光小孔9，经透光小孔9无损耗的透射后，入射到光探测器阵列6，并被光探测器阵列6转换为电流信号，然后经过跨导放大器7进一步转换为放大的电压信号，从而实现与外部链路的光互连。本发明的集成并行光组件包含发射和接收单元，可以同时进行双向的信号传输。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于，所述电路板1上设的透光装置通过采用透明基材实现。

如图2和图3所示，本实施例的集成并行光组件，包含电路板1、透明衬底2、90度光路折弯连接器3、激光器阵列4、驱动器5、光探测器阵列6和跨导放大器7。激光器阵列4和光探测器阵列6均为并行的四列阵。本实施例的激光器为垂直腔面发射激光器（VCSEL）。

所述电路板1的第一侧11布置有电极阵列8，所述VCSEL阵列4、驱动器5、光探测器阵列6和跨导放大器7以倒装键合的方式安装在电路板1的第一侧11上，并与所述电极阵列8电连接。所述VCSEL阵列4、驱动器5、光探测器阵列6和跨导放大器7在电路板1上的布置如图2所示。本实施例中，透明衬底2上设置有透镜23，以使激光器发出的光更好的汇聚到光路折弯连接器3的45度镜面31上。透镜设置在与激光器阵列和光探测器阵列对准的位置。本实施例的透明衬底2为具有良好透光性的玻璃，电路板与透明衬底通过胶粘的方式固定在一起。

如图3所示，所述电路板1上设的透光装置为透明基材，透明基材设在与VCSEL阵列4和光探测器阵列6对准的位置，电路板1本身具备多层电路。在本实施例中，透明基材为聚酰亚胺薄膜。选用聚酰亚胺薄膜作为电路板的透明基材，其对VCSEL发出的850nm近红外光的透射率可以达到85%以上。本实施例的聚酰亚胺薄膜厚度为30微米。电路板1本身具备多层电路。采用透明的聚酰亚胺薄膜作为电路板基材可以省去钻孔的程序，从而降低成本。

所述透明衬底2的第一侧21贴在所述电路板1的第二侧12上，所述90度光路折弯连接器3贴在所述透明衬底2的第二侧22，所述90度光路折弯连接器3包含45度镜面31，所述45度镜面31与激光器阵列4和光探测器阵列6耦合对准，将激光器阵列出射光反射入所述90度光路折弯连接器3的尾纤32中，并将尾纤32传来的光反射入光探测器阵列6。所述90度光路折弯连接器3的尾纤32的出光端面与并行光纤可插拔接口耦合对准。

工作时，在信号发射端，在驱动器5的驱动下VCSEL阵列4发出四束并行发射光，并经透明基材透射，然后经过透镜23耦合入射到45度镜面31。VCSEL的出射光经45度镜面31反射后，光路弯折进入90度光路折弯连接器3的尾纤32，然后耦合到并行光纤可插拔接口，进入光通信链路。在信号接收端，光信号经并行光纤可插拔接口耦合到90度光路折弯连接器3的尾纤32中，然后入射到45度镜面31，经45度镜面31反射后光路弯折，经过透镜23耦合进入透明基材，经透明基材透射后，入射到光探测器阵列6，并被光探测器阵列6转换为电流信号，然后经过跨导放大器7进一步转换为放大的电压信号，从而实现与外部链路的光互连。本发明的集成并行光组件包含发射和接收单元，可以同时进行双向的信号传输。

实施例三： 

本实施例为采用实施例一或实施例二中的任意一个所描述的集成并行光组件的并行光收发模块，优选的，采用实施例二的集成并行光组件。

本实施例的集成并行并行光收发模块，包含电路基板、外壳、并行光纤可插拔接口和集成并行光组件。电路基板和集成并行光组件均封装在外壳内。电路基板与集成并行光组件电连接，并行光模块的电接口采用金手指电极。本实施例的VCSEL阵列4和光探测器阵列6均为为4路，并行光纤可插拔接口为12通道，其中4个通道与本发明的集成并行光组件的VCSEL阵列4的4个VCSEL耦合对准，另外4个通道与光探测器阵列6的4个光探测器耦合对准，作为并行光收发模块对外连接的光接口，连接带状光纤。

进一步的，VCSEL阵列4和光探测器阵列6可以为10路或12路，相应的并行光纤可插拔接口为20通道或24通道。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种集成并行光组件，包含电路板、透明衬底、90度光路折弯连接器、激光器阵列、驱动器、光探测器阵列和跨导放大器，所述电路板的第一侧布置有电极阵列，所述激光器阵列、驱动器、光探测器阵列和跨导放大器以倒装键合的方式安装在所述电路板的第一侧上，并与所述电极阵列电连接，所述电路板上设有透光装置，所述透明衬底的第一侧贴在所述电路板的第二侧上，所述90度光路折弯连接器贴在所述透明衬底的第二侧，所述90度光路折弯连接器包含45度镜面，所述45度镜面与激光器阵列和光探测器阵列耦合对准，将激光器出射光反射入所述90度光路折弯连接器的尾纤中，并将尾纤传来的光反射入光探测器。

2.根据权利要求1所述的集成并行光组件，其特征在于，所述透明衬底上设置有透镜，所述透镜设置在与激光器阵列和光探测器阵列对准的位置。

3.根据权利要求1或2任一所述的集成并行光组件，其特征在于，所述透光装置为小孔，所述小孔设在与激光器阵列和光探测器阵列对准的位置。

4.根据权利要求1或2任一所述的集成并行光组件，其特征在于，所述透光装置为透明的柔性基材。

5.根据权利要求1或2任一所述的集成并行光组件，其特征在于，所述透明衬底为具有良好透光性的玻璃。

6.根据权利要求1或2任一所述的集成并行光组件，其特征在于，所述电路板与所述透明衬底通过胶粘的方式固定在一起。

7.根据权利要求1或2任一所述的集成并行光组件，其特征在于，所述电路板通过在所述透明衬底上蒸镀电子学布线和绝缘层形成。

8.根据权利要求1或2任一所述的集成并行光组件，其特征在于，所述90度光路折弯连接器包含4个通道。

9.根据权利要求1或2任一所述的集成并行光组件，其特征在于，所述90度光路折弯连接器包含10个通道。

10.一种集成并行光收发模块，其特征在于，包含电路基板、外壳、并行光纤可插拔接口和权利要求1-9任一所述的集成并行光组件。