CN105408785A - 具有被动光学对准的聚光装置的光学模块及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学模块，该光学模块包括光学元件和用于设备中板件的大量数据高速传输或设备之间大量数据高度传输的光学传输构件并使它们模块化，其中在模块内部完成光学元件与光学传输构件之间的光学对准，从而防止在将光学模块安装在外部PCB基板上时产生的光学对准误差。本发明涉及一种光学模块，包括：光学传输构件(100)；光学元件(200)，如光学传输构件(100)；基板(210)；光学元件(200)与外部电路之间的电极垫(220)；和设有光学传输构件安装部的聚光装置(300)，其中光学传输构件安装部形成为使得在聚光装置上的光轴方向的光学传输效率最大。另外，本发明涉及制造该光学模块的方法，该方法包括如下步骤：将光学元件(200)安装在基板(210)的一个表面上；计算在光学元件(200)的光入射/出射点的二维平面上的位置；形成聚光装置(300)的基材以将光学元件(200)嵌入基板(210)上，接着在前述步骤计算的光入射/出射点的所述二维平面上的位置处形成光学传输构件安装部(310)；以及将光学传输构件(100)安装在光学传输构件安装部(310)上。

Description

具有被动光学对准的聚光装置的光学模块及其制造方法

技术领域

本发明涉及一种模块化的光学模块，该光学模块包括光学元件和光学传输构件，光学传输构件用于设备中的电路板的大量数据高速传输以及设备之间大量数据的高速传输，在该光学模块中完成模块中的光学元件与光学传输构件之间的光学对准，从而消除在将其安装在外部PCB基板上时发生的光学对准误差，更具体地，涉及一种包括聚光装置(opticalblock)的光学模块及其制造方法，该聚光装置能够通过在测量的光学元件安装位置处加工光学传输构件安装部来实施被动光学对准。

背景技术

最近，出现了在设备中或设备之间高速传输大量数据(如高质量的3D图像内容)的技术，并出现了信号衰减、噪声、EMI/EMC、阻抗匹配、串扰、偏移(skew)、连接线小型化等问题。

通常，在设备中或设备之间的数据传输中，换言之，在设备中的数据传输使用铜线基电导线，而在设备之间数据传输使用具有铜线基电导线的电缆，但是铜线不能满足高速传输的需要，也不能解决上述各种技术问题。

作为解决这个问题的技术，最近研究并开发了光学连接技术。因为数十条通道的平行(并行)电信号线路被连续的光学信号线路所代替，所以光学模块可以实现大量数据的高速传输，并且可以解决如噪声、EMI/EMC、阻抗匹配、串扰、偏斜、以及连接线小型化等技术问题。

为了将使用光学材料的光学传输和光学连接设备应用到各种使用环境，已经开发各种类型的产品(如光学连接器和光学模块)。它们基本提供了连接两个或多个彼此分离的光路的连接功能，还另外提供使用光学现象(如折射、反射、干涉以及衍射)形成并改变光学信号传输路径并放大或合并光学信号的功能。具有这种配置的光学元件具有连接两个不同区域(光学区域和电气区域)的功能，或者提供在执行连接光学区域和电气区域的任务时确保光学传输效率的设计。问题是在光学连接器系统等中包括误差。例如，由于用于将光学元件安装在基板上的设备(粘片机等)必然包括误差，所以光学元件的最终安装位置不确定，甚至在光学传输构件的情况中核心的中心为偏心，也就是说，制造区域出现误差。

为了解决上述问题，出现了主动光学对准的过程。主动光学对准意味着一系列搜索并寻找在用于光学信号传输的组成元件(如光学元件)的最佳配置或排布中代表了最佳光学传输效率的一点或一种状态，并固定为维持这一点或这一状态的过程。但是，由于主动光学对准在操作过程中需要大量时间并且不适用于大量生产，所以在近期，连接器中的结构元件被设计并布置为达到光学对准，或者将光学元件的位置直接布置在光路上的被动光学对准的方式已成为趋势。

另外，根据电子设备的小型化，甚至在例如本文使用的光学连接器中，存在小型化和低配置的问题，并且对现有布局优化或设计一种设备中元件的新布局以满足这样的要求是重要的。

图1所示的光学模块(在下文中，称为“现有技术1”)包括传输单元10a、接收单元10b、以及光学传输路径2(即传输单元与接收单元之间的连接线)。传输单元10a包括基板6a上的VCSEL芯片3a、电极垫5a、键合线7a、液态树脂8a、以及高度支撑构件4a，而接收单元10b包括基板6b上的PD芯片3b、电极垫5b、键合线7b、液态树脂8b、以及高度支撑构件4b。

在图1所示的光学模块的操作中，来自连接到传输单元的电路板的电信号转换为VCSEL芯片3a中的光学信号，并且在驱动器IC(未示出)的控制下通过基板6a上的电极垫5a竖直输出，光学信号被形成于光传输路径2的端部的45°镜面反射而改变路线，接着经过光传输路径2传输到接收单元。

在接收单元中，光学信号被形成于光传输路径2的端部的45°镜面反射而改变路线，输入到基板6b上的PD芯片3b，接着转换为PD芯片3b中的电信号并在IC(未示出)的控制下通过基板6b上的电极垫5b，电信号输入到与接收单元连接的板件。

图2示出了日本特开专利第2010-266729号(发明名称：“复杂光电连接器(Photoelectriccomplexconnector)”，在下文中，称为“现有技术2”)中公开的复杂光电连接器，其描述如下。图2所示的现有技术2构造为联接到连接器30(称为插座，安装在设备的电路板上)的插头20，插头20包括：壳体21；电终端22和接地终端23，安装在壳体21两侧上；接地板24，安装在壳体21的底面上；VCSEL芯片26，在安装在接地板24上的子安装件25上；驱动器IC27；键合线28，具有在电终端22、接地终端23、VCSEL26、以及驱动器IC27之间的连接布线的功能；以及光纤29，插入壳体21中。

图3所示的现有技术3提供了一种光连接器，该光连接器包括：PCB基板50，光学元件40安装在PCB基板50上；光学子组件(OSA)70，其容置光学传输构件80，包括具有竖直改变光学信号方向的功能的45°光学反射面以及集合光学信号的透镜单元，并且由光学透明材料制成；引导构件90，将光学传输构件固定到OSA；以及光对准构件60，其放置在PCB基板上，且具有使光学信号以高传输效率从光学传输构件传输到光学元件或者使光学信号以高传输效率从光学元件传输到光学传输构件的光学对准的结构，特别地，通过联接在光学对准构件60与OSA70中分别形成的对准突出部71与对准凹槽部61的来执行光学对准。

发明内容

技术问题

在现有技术1中，为使光学路径改变90°，使光学传输构件的端面相对于轴向形成45°的附加的切割过程是必要的，并且还需要包括主动光学对准过程，以矫正用于将光学元件安装在电路板上的粘片机中必然存在的装置误差。现有技术1中光学对准过程包括：操作光学元件的驱动电路；接着相对于生成的光学信号，使用测量设备(如光学光谱分析仪)测量传输效率；搜索传输效率满足预定条件的状态；以及相继将光学元件和光学传输构件固定在该状态下的一位置。但是，当经过这种主动光学对准时，确保了具有预定等级或更高等级的光传输效率，但是由于其基本上基于试错法，因此存在相对长时间和高成本的问题。

同时，在现有技术2中，接地板24上的驱动器IC27应通过键合(bonding)工艺电连接到壳体21一侧的电终端22，难以实施插头20上的具有最小化和低配置的尺寸的键合线28，具体地，当电终端22的针脚数量变大时，难以进行线键合工艺。另外，在现有技术2中，由于所有元件和部件必须安装在插头20的壳体21中，因此工艺难度高，并且由于具有相对大尺寸的驱动器IC27位于插头侧，因此存在难以使插头小型化的问题。

另外，在现有技术2中，在VCSEL芯片26放置在子安装件25(由晶圆制造)上且安装在接地板24上的情况中，光纤29被放置在接地板24上，光学对准用VCSEL芯片26来执行，VCSEL芯片26和光纤29没有相对固定，因此存在没有适当执行光学对准的问题。另外，当插头20联接(插接)到插座30或者与插座30脱离(分离)时，在插头上没有柄部，因此存在操作困难的问题。

在现有技术3中，由于与光学对准相关的误差相对大，PCB基板50与光学对准构件80之间、光学对准构件60与OSA70之间、以及光学传输构件80与OSA70之间产生的误差被累积。特别是对于每个误差，在光学对准构件60放置在PCB基板50上时，光学元件40没有对准光学对准构件的对准凹槽部61的横截面中心的连接线上时发生的误差、光学对准构件的对准凹槽部61和OSA的对准突出部71的加工误差和装配误差而产生的误差、以及由于光学传输构件80没有安装在OSA70的确定位置处而产生的误差被累积。不仅如此，甚至在光学元件的贴片过程中，甚至当由于设备误差而使光学元件没有安装在确定的位置时，光传输效率降低，以及由于外部误差因素(没有包括在现有技术3的发明的组成元件中)累积并一起产生而使整体误差可能大于在设计时的那些误差。换言之，为了确保光学对准，必须同时管理所有这些误差，整体光传输效率很有可能因此而降低。另外，由于大量部件被用于提供确保光学对准以及稳定安装所需的结构，所以成本问题和制造复杂的问题就不利；并且由于光学元件直接安装在PCB基板(非模块化)上的构造，使现有技术3的构造不可能被直接应用于其他应用。

解决方案

根据为解决上述问题并且满足上述要求而提出的本发明，提供一种光学模块，该光学模块包括：光学传输构件100，用于传输光学信号；光学元件；基板210；电极垫220；以及聚光装置300，包括用于光学元件200与光学传输构件100之间的光学对准而形成的光学传输构件安装部310，其中光学传输构件安装部形成于最佳位置，在该最佳位置，在聚光装置上垂直于基板的光学轴方向的位置处的光学传输效率最大。

另外，光学传输构件安装部310的形状满足相对于深度与宽度的纵横比，深度等于或大于宽度的条件。

另外，提供一种光学模块的制造方法，该方法包括将光学元件200安装并电连接到基板210的一面上；计算光学元件200的光学输入/输出点的二维平面上的位置；接着形成聚光装置300的基材以使光学元件200浸注到基板210上；此后，在基材上的由前一步骤计算的光学输入/输出点的二维平面上的位置处形成光学传输构件安装部310；以及在光学传输构件安装部310上安装光学传输构件100。

发明的有益效果

本发明包括：第一效果，使用被动光学对准而不是时间多、步骤复杂的主动光学对准；第二效果，通过吸收加工设备(如粘片机)的加工误差而得到整体改善；以及第三效果，通过将本发明的光学模块作为一种元件应用或扩展到各种其它系统的模块化的优势。

关于第一效果，提出一种确保光学对准效果的构造，仅仅通过使光学传输构件安装部310的端部的中心位置对准光学元件200的光学输入/输出点的构造，而使光学传输构件100安装在光学传输构件安装部310上。

关于第二效果，不接受芯片键合或者粘片机设备通常具有的约几十微米的设备误差或者使其最小化，光学元件200的最终安装位置在实际安装时就反应了这些误差，通过使光学传输构件100的位置对准可以提高光传输效率并降低由加工误差导致的光学对准缺陷率。换言之，最初包括的加工设备的误差带来的影响被消除。

关于第三效果，通过利用最小数量的部件(比如光学元件200、聚光装置300和光学传输构件100)而使本发明的光学模块被模块化，具体地，作为光学部件中的关键质量因素的光学对准被独立地设置在根据本发明的光学模块中，因此当根据本发明的光学模块被应用于其他应用装置(例如，如手机等电子设备)时，在该应用装置与根据本发明的光学模块之间不再出现光学对准的问题，以及它作为用于光学对准的所谓的“元件”。因为在该应用装置中的用于光学对准的单独结构或者对准键变得不必要，所以就包括光学模块的整体系统而言，光学信号的损失减少，可以满足该应用的低配置和小型化的问题，在应用的主要过程中没有必要手动地对准光学组件，因此能够减少加工时间和加工成本。此外，由于光学元件不是安装在该应用装置的基板上而是通过模块化包括在本发明中，应用侧上的图案设计相对简单，所以根据本发明的光学模块可以以各种方案使用，比如直接安装在PCB基板上或者联接到在各种需要光电转换的外部设备的槽。

附图说明

图1是示出根据现有技术1的光学传输构件100被加工出45°以形成光波导的视图。

图2是示出根据现有技术2的包括插头和插座的光学模块的视图。

图3是示出根据现有技术3的光学元件与光学传输构件之间光学对准的构造(非模块化)的立体图。

图4是示出根据本发明的实施例的光学元件200被安装在基板210上的立体图。

图5是示出根据本发明的实施例的聚光装置300的基材被形成在基板210上的立体图。

图6是示出根据本发明的实施例的形成光学模块的光学传输构件安装部310的立体图。

图7是示出根据本发明的实施例的在光学传输构件安装部310上另外加工接头部(tapportion)312的立体图。

图8是示出根据本发明的实施例的将光学传输构件安装在光学传输构件安装部310上的立体图。

图9是示出光学传输构件安装部310的规格和用于安装光学传输构件100的参数的视图。特别地，图9(a)示出了光学传输构件安装部的纵横比，图9(b)示出了光学传输构件安装部与光学传输构件之间的空隙(间隙)，以及图9(c)示出了具有凸透镜形状的光学透明部形成在光学传输构件安装部上。

图10是示出根据本发明的实施例的聚光装置300、光学元件200等的相对位置的剖视图。

图11是示出了根据本发明的实施例的光学透明部311和核心附加插入部313的形状的视图。

图12是示出根据本发明的光学模块的制造方法的步骤顺序的流程图。

具体实施方式

将描述用于确保安装性能和安装可靠性的聚光装置的实施例。

实施例1

在图9(a)所示的聚光装置的实施例中，通过设定光学传输构件安装部310的深度和宽度，来确保安装性能和安装可靠性。考虑到光学传输构件100的通用直径是几百微米，没有必要使光学传输构件安装部310的深度形成得太深，但是深度必须确定为足以固定的程度，以便在安装光学传输构件100之后不会脱离。在实施例中，为了提高光学传输构件100在实际环境中的安装可靠性，引入了纵横比的概念即光学传输构件安装部310的深度与宽度之比，以及提出光学传输构件安装部310形成为其深度等于或大于宽度。换言之，图9(a)中的条件是光学传输构件安装部310的宽度(α)和深度(β)之间的关系为β≥α。在满足这样条件的情况下，作用在光学传输构件100与光学传输构件安装部310之间的静摩擦力之和的作用大于光学传输构件100的外部移除力(如在一般实际环境中的振动)，并因此可确保安装的可靠性。同时，关于光学传输构件安装部的纵横比，当深度大于宽度时，在安装光学传输构件之后光学传输构件安装部的内壁面与光学传输构件之间的接触面积相对小于本发明的接触面积，这导致静态摩擦力的减小，其中静态摩擦力是用于维持光学传输构件的插入状态的唯一保持力，很有可能光学传输构件将会脱离。在这个情况中，由于基于静态摩擦力的安装性能不能可靠地确保，所以光学传输构件安装孔的意义降低，而光学传输构件安装孔的仅有功能是体现光学传输构件安装位置。因此，在这种情况中，为了确保安装可靠性，基本上粘合剂被应用在光学传输构件安装部的内壁面上以固定光学传输构件，或者在这种情况中粘合剂流动，因此光学传输构件的核心或者聚光装置的光学透明部设置有用于将光学传输构件固定到聚光装置上的单独结构，例如肋结构，或者使得竖直向下拉光学传输构件也不会脱离的单独结构是必要的。同时，在本发明中，没有必要提供这样的粘合剂或者单独构造，通过小心管理配合公差可以确保光学传输构件的安装可靠性，配合公差将稍后与光学传输构件安装部的形状(深度大于宽度)一起描述。这还意味着可以减少单独结构需要的成本和加工时间、或者减少应用粘合剂的过程。但是，当光学传输构件安装部310的深度大于所需要的时，聚光装置300的高度b变得更大，结果，可以认为光学模块存在低配置的缺点。

在图9(a)所示的实施例中光学传输构件安装部310的宽度值是α，其与光学传输构件的直径值c有关。换言之，甚至当光学传输构件安装部310的形状满足纵横比的条件时，以及当光学传输构件100的直径明显小于光学传输构件安装部310的宽度时，也就是说，c<<α时，出现容易脱离的问题。另外，当光学传输构件100的直径明显大于光学传输构件安装部310的宽度时，也就是说，α<<c时，光学传输构件100的安装可能变得不可能。因此，在本发明中，排除了光学传输构件100与光学传输构件安装部310之间松配合公差或者过盈配合公差的应用，提出了通过应用过渡配合公差来管理。当存在空隙时，能够另外考虑通过将由环氧树脂或者类似材料制成的粘合剂应用到光学传输构件的插入部，以进一步防止脱离。单独地，当光学传输构件的盖由具有弹性的材料制成时，以及甚至当光学传输构件与光学传输构件安装部之间没有空隙时，认为盖在配合过程中被压缩，因而可以安装。但是，为了压缩盖，更优选地，不平的结构设置在光学传输构件安装部的内面上或者光学传输构件的盖具有能够形成褶皱的结构。

实施例2

在图9(b)所示的聚光装置的实施例中，其它构造与实施例1相同，但是通过设定光学传输构件和光学传输构件安装部之间的空隙(图9(b)中为值δ)与光学传输构件安装部的深度(图9(b)中为值β)之间的关系来确保安装性能和安装可靠性。如上所述，当光学传输构件与光学传输构件安装部之间存在空隙时，在光学传输构件安装部的深度明显大于这一空隙的尺寸时，这由使用图9(b)所示的值的等式表示为β>>δ，明显可以确保光学传输构件的安装可靠性。

实施例3

图9(c)所示的聚光装置的实施例中，其它构造与实施例1相同，但是当光学透明部311(以下将会描述与其有关的细节)形成在光学传输构件安装部的底面时，提供了提高光学传输构件的安装性能和安装可靠性的构造。当形成具有凸透镜形状的光学透明部时，由于在光学透明部的形状的最高点处的厚度(图9(c)的值)，在安装光学传输构件时光学传输构件与光学传输构件安装部之间的侧面接触面积减少，结果，作用在构件之间的静摩擦力减小，光学传输构件被外部力脱离的可能性变高。因此，在这种情况中，优选地设定光学传输构件安装部的纵横比满足条件β≥α+a。在这种情况中，尽管存在光学透明部，但是确保光学传输构件插入到光学传输构件安装部的深度至少为α，从而维持安装可靠性。

根据本发明的光学模块(作为主要组成元件)包括：光学传输构件100，用于传输光学信号；光学元件200，用于光电转换；基板210；光学元件200安装在该基板210上；电极垫220，用于光学元件200与外部电路之间的电连接；以及聚光装置300，包括用于光学元件200与光学传输构件之间光学对准而形成的光学传输构件安装部310。

就光学信号和电信号而言，当本发明的光学模块被用于传输单元时，所安装的光学元件200是激光二极管或VCSEL，从而光学元件200(由外部驱动电路控制)输出的光学信号进入光学传输构件100的核心(core)单元并且进行传输。另外，当光学模块被用于接收单元时，所安装的光学元件200是光电二极管，从光学传输构件100传输的光学信号输入到光学元件200的光学输入面，接着被光学元件200的光电转换行为转换为电信号，而电信号经过电极垫220传输到外部电路。

关于光学对准的安全性，采用并体现所谓的对接联接(buttcoupling)方式，其中由根据本发明的光学元件200和光学传输构件100的光学输入/输出面传输的光学信号彼此垂直。当光学元件200和光学传输构件以这样的方式连接时，存在这样的优势：从光学传输构件和光学元件200输入和输出的光学信号可以立即向彼此传输，但是安装在水平基板的上面的光学元件100的光学输入/输出表面相对垂直于光学信号的行进方向，因此用于固定光学传输构件的单独结构是必要的，而聚光装置300在本发明中负责这样的功能。

在对接联接的情况中，理想的完全光学对准的条件能够通过在光学输入/输出点尽可能精确地匹配核心横截面中心时，使光学元件200的光学输入/输出点与光学传输构件的暴露核心横截面的中心之间的距离最小化来体现。但是，考虑到组成光连接器的组成元件之间的位置误差以及构成元件中包括的制造误差，这样的完全光学对准是不可能的。因此，对于实际可能的光学对准等级，能够想到以下两个光学对准方法。

首先，第一光学对准方法为，在改变光学传输构件100和光学元件200的相对位置时找到最大光学传输效率点，并将光学传输构件100和光学元件200的相对位置固定到在光学传输效率最大时的时间点的位置；其次，第二光学对准方法为，制备平台部，平台部为起到安装光学传输构件100的平台的作用的构件，在安装光学传输构件之前预先光学对准平台部和光学元件200，从而仅通过将光学传输构件安装在平台部上来确保光学对准而没有单独的光学对准过程。第一光学对准方法是所谓的主动光学对准，而第二光学对准方法是所谓的被动光学对准。在第一光学对准方法中，使用光学测量设备所测量的光学传输效率，光学对准的可靠性高，同时，光学传输系统组成元件的安装位置经过若干步骤而接连对准并固定，因此过程复杂且整个过程时间长。在第二光学对准方法中，存在于平台部的光学传输构件安装部310的中心轴线的位置能够落在相对于光学元件200的光学输入/输出点的预定误差范围内。当使用这样的平台部完成光学传输构件100的安装时，不需要单独的主动光学对准操作，整体加工速度和制造成本可以减小，本发明提出了用于这种被动光学对准的构造。

在下文中，将具体描述本发明的组成元件。

如上所述，根据本发明可既应用于光学信号的接收单元又应用于传输单元的观点，光学元件200可以是VCSEL、激光二极管(LD)以及光电二极管(PD)。光学传输构件100是已知的光纤，且对于直径和横截面形状没有限制。

安装有光学元件200的基板210的作用为支撑聚光装置300，并且可以是PCB、柔性PCB(FPCB)、或者类似装置。

电极垫220起到在光学元件200与外部电路之间传输和接收电信号的媒介作用，并且在上述基板210上形成而具有预定图案。电极垫200必须形成为与光学元件200的终端数量一样多，在图4所示的实施例中为光学元件200的终端数量，因此形成两个电极垫220。电极垫的形状根据实施情况可不同地设定，电极垫在图4所示的实施例中形成为覆盖基板210的整个面并且从基板210的上面经过侧面形成到下面，根据本发明的光学模块可以构造成通过回流工艺或者在下面上形成凸起的SMT而安装在单独的电路板上，但是电极垫220未必限于这样的形状。电极垫220优选地由导电金属(比如铜和银)形成，并可以以具有几百微米厚度的镀膜的形式形成。作为形成镀膜的实施例，可以应用电铸工艺。电铸可以称为电解铸造，由于电流导致的金属的电沉积(电泳)而使其组织紧密，因此无论厚度多薄都很硬，而且比铸造制成的三维物体更轻，抛光、光泽度等性能优异。甚至在本发明中，通过反映电极垫的形状用蜡等来制造模型，金属通过电镀现象被电沉积在所制造的模型的外表面上，然后移除模型，从而制造纯金属的电极垫。可选地，可使用制作模具模型并将电镀构件注射进模具模型的空余空间来形成形状的方式。金属悬浮在正电极(+)，模型悬浮在其它负电极(-)，电解质放在其中，电流能够流动，经过预定时间，接着均匀地附接具有预定厚度的金属。

聚光装置300是组成元件，该元件执行通过形成为允许光学信号通过而形成光学信号路径的第一功能、通过形成为使光学元件200等嵌入以保护它们的作为封装构件的第二功能、安装和固定光学传输构件100的第三功能、通过使光学传输构件安装部310形成在预定位置来确保光学对准的第四功能、以及通过使单独的光学透明部311具有一形状而有助于精确传输光学信号的第五功能。这样的聚光装置可以通过形成两个或多个部件并接着联接它们来构造，但是更优选形成单一部件。

关于第一功能，在制造透明构件时，聚光装置300必须由具有70％至100％透射率(相对光传输所使用的光学信号的波长带)的材料构成，其中穿过该聚光装置300的光学信号经过透明构件中的预定距离。这种具有高透射率的材料可以优选地为硅、环氧基树脂、ABS、丙烯酸、聚烯烃以及它们的共聚物中的任一个。具体地，硅树脂具有基于具有硅氧烷键形式的硅的构造，其中硅和氧在分子结构中交替；硅树脂是热塑性或热固性树脂，其中甲基、苯基、羟基等添加到硅，获得优异的电绝缘、耐久性和耐热性。特别地关于耐热性这种特性，甚至在基于表面安装技术设备(SMT)、回流设备等温度上升到大约300℃的工艺期间，热几乎不引起光透明性变形、破坏或降低。换言之，这意味着稍后在实施本发明的光学模块的环境中，甚至在通过工艺(如SMT)安装光学模块的过程中，或者甚至当光学模块暴露于回流工艺来安装外围元件时，光学模块的聚光装置300所需的物理性质几乎不存在退化。

关于第二功能，如固体密封剂(EMC)或通常在封装工艺中使用的底部填充剂(underfill)的密封剂是封装材料，用于保护半导体芯片远离尘土和冲击，以减少外部环境的影响，从而能够保护线键合的连接部或者SMT工艺或倒装芯片安装的焊接部分，而本发明的透明构件也由作为密封剂使用的材料制造，因此基本上具有这样的功能。

第三功能涉及安装性能和可靠性，以及在形成聚光装置300中形成的光学传输构件安装部310时，光学传输构件安装部与光学传输构件之间的联接必须达到稳定，以及必须确保即使时间流逝能够维持安装的进一步可靠性。

以上描述了用于确保这样的安装性能和安装可靠性的聚光装置的实施例。

关于第四功能，作为选择用于确保光学对准的最佳位置的方法，可以想到两个实施例。一个实施例是所谓的视觉反馈(visionfeedback)，视觉反馈是使用位于光学元件的安装点上方的成像设备得到光学元件的图像来获得，并从得到的光学元件的图像提取出来而确定光学元件的光学信号输入/输出点的位置作为最佳位置(这将在之后描述)的方法。

另一实施例是通过重复以下过程确定形成光学传输构件安装部的最佳位置的方法：在光学传输构件安装在聚光装置(通过模塑或注射成型形成以具有光学传输构件安装部)上的状态下，在改变基板上的位置时测量光学传输效率，然后操作者找到确保光学传输效率等于或大于一确定的值的位置。在将聚光装置固定在光学模块的基板上之前，执行所谓的主动光学对准，以下为主动光学对准的示意性程序。根据本发明的光学模块被驱动，使用测量设备(如光谱分析仪)来计算光学传输效率，以及根据预定参考值(就是说，由操作者的使用环境)任意设定光学传输效率。例如，为了找到光学传输效率高于90％的时间，重复这个过程。当光学传输效率高于设定参考值时，聚光装置固定到该时间点时的位置，以及作为固定方法，容易想到激光焊接方法或者将UV粘合剂等应用到透明构件的底面以附接聚光装置的方法。

以供参考，在图6至图10所示的实施例中，甚至在图6至图8以及图10的情况中，没有示出光学传输构件安装部和光学元件光学地且轴向地对准，也没有示出图9中光学元件的情况，首先，在执行视觉反馈工艺的情况中，光学传输构件安装部以垂直于基板的方向形成并且形成为在光学元件的光学输入/输出点处光学地且轴向地对准，第二，在执行模塑或注射成型的方法的情况中，聚光装置的光学传输构件安装部以垂直于基板的方向形成，以及形成在通过上述光学传输效率的搜索过程而确定的光学传输效率(这是前提)的最佳位置。

光学传输构件安装部310的整体形状可以设定为不同形状，例如，如图11所示的实施例中用于在内壁面上产生更大摩擦的楔形形状(e)和(f)。

关于第五功能而提出的光学透明部311具有用于确保光学对准且光学元件输入/输出面与光学传输构件100的光输入/输出面之间不彼此接触连接的构造。图11示出在透明构件中形成的光学传输构件安装孔的底面上形成的光学透明部11形成各种形状的实施例。应用于光学透明部311(在光学传输构件安装部310的底面形成)的透镜形状可以根据光学元件200的类型、规格、操作特性等选择。当光学元件是VCSEL芯片时，VCSEL作用为点光源，光学信号从输入/输出点扩散，或者在通过SMT工艺或类似工艺安装在基板上的过程中没有相对于基板水平安装VCSEL芯片，则光学信号没有相对于基板垂直发射，或者在芯片安装工艺中由于设备的操作误差而使芯片的中心可从指定位置分离，以及在这样的情况中，光学信号没有进入光学传输构件的核心横截面的内侧，因此可导致光学信号损失。为了消除这样的光学信号损失，输出光必须转换为平行光并且必须可靠地进入光学传输构件的核心横截面，这通过加工以具有凹透镜的形状(如图11(c)所示，朝向基板侧上聚光装置300观察光学透明部311)来实施。换言之，这样的光学透明部起到准直器的作用，在穿过光学透明部之后，即使在输出时存在一些偏差，光学信号平行光学传输构件安装孔的深度方向行进，因此能够确保高的光学传输效率。在这个情况中，考虑到随着透镜曲率半径变大焦距变长，必须确定透镜形状的曲率。

当光学元件是PD芯片时，光学透明部311可以以凹透镜形状进行加工(如图11(a)或图11(e)所示，从聚光装置300朝向基板观察)，由此收集从光学传输构件传输的光学信号且以高传输效率使其照射到PD芯片的光学接收部。换言之，光学信号在光学透明部的界面上折射并且聚集到透镜的焦点，以及可以增加到达PD芯片的光学接收部的效率。与VCSEL的情况相同，考虑到随着透镜曲率半径变大焦距变长，必须确定透镜形状的曲率，关于透镜厚度(图9(c)中的a)适当设定。另外，在平面或平面透镜形状的情况中，应理解，在形成聚光装置300的过程中，在光学传输构件安装部310的底面不形成单独的透镜形状。

另外，当接头部形成在光学传输构件安装部310的进口侧上时，能够容易地安装光学传输构件100，接头部312的形状优选地具有图7和图10所示实施例中的应用情况相似的锥形形状，但不限于此。

可以想到，进一步形成核心附加插入部313，用于使光学传输构件的核心进一步深入地插入光学传输构件安装部310的底面。换言之，经过图11(j)和图11(k)所示的这种构造，直接关于传输光学信号的光学传输构件100的核心部可以更靠近光学元件的光学输入/输出部，能够增加信号传输效率。由于核心附加插入部313不涉及固定光学传输构件100，因此可以通过松配合公差来管理，这与光学传输构件安装部310的宽度的情况不同。

当形成光学透明部311或者核心附加插入部313时，可以想到将与聚光装置300的材料相同的材料97应用或附接到光学透明部的表面或核心附加插入部的底面上。这是为了补偿所加工表面的粗糙度，以防止光学信号传输效率由于光学信号所经过的表面的粗糙度高时光学信号的散射而降低，表面粗糙度高是因为在加工光学透明部或者核心附加插入部的过程中加工操作的限制，或者是因为难以在光学透明部的表面或者核心附加插入部上另外执行抛光过程的情况。使用与聚光装置材料相同的材料的原因是：因为在材料不同时，光学信号由于折射率不同而以不期望的图案在界面上折射。图11示出应用到光学透明部的实施例(h)和(i)以及应用到核心附加插入部313的实施例(l)。

接下来，将逐步描述根据本发明的光学模块的制造方法。

首先，光学元件安装在基板210的一个面上。通过将用于附接的膏剂或粘合剂应用在光学元件220的表面上进而附接到安装面的方法来执行安装，这样的步骤可以使用芯片键合机或粘片机自动进行。通常，粘片机执行的操作为：在使用吸气提升芯片的一面之后安装在位置处。在这种情况中，膏剂可以具有导电性。

第二，光学元件200电连接。将所安装的光学元件200电连接到电极垫220的方法可以选择性地为线键合、倒装芯片键合、表面安装技术(SMT)以及回流中的任一种。

线键合是将光学元件电连接到基板，可想到热压缩工艺和超声键合方式。热压缩工艺通过应用热和压力、使用放电或焊枪(torch)融化直径为10至20μm的线的端部、以及对其应用压力来形成接合部，从而形成球焊接头(ballbond)。作为接合条件，接合部通过在第二接合位置、使用毛细管尖端而将压力应用到线来形成，以及线被剪切(这被称为楔形结合点)。接合速度大约6bpm(bondperminute)。在超声键合工艺中，线通过以竖直方向应用压力和以水平方向应用大约60kHz的超声振动而在正常温度下键合到垫。由于压力和振动破坏了氧化膜而产生金属接触，该操作在常温下执行，因此形成冷焊接。垫的两端的接合部具有球形-楔形键合或楔形-楔形键合的形式。在楔形-楔形键合的情况中，可以使用具有与毛细管尖端不同形式的工具。Au或Cu作为线的材料使用，以及接合速度大约240bpm(bondperminute)。倒装芯片键合是在基板的后面上安装光学元件的方法，以及使用金、焊料凸块或类似材料键合光学元件和基板的工艺。另外，当导电胶应用到元件的后面上并且使用回流设备吹出热风，膏剂融化以形成锡球，这被称为表面安装技术(SMT)，以及在元件封装过程时具有低配置和小型化的优势。在图4所示的实施例中，光学元件通过线键合安装在基板210上，并当光学元件的每个终端分别连接到每个电极垫220时可以处理相关电信号。

第三，计算所安装光学元件200的光学输入/输出点的二维平面上的位置。这涉及聚光装置300的第四功能(尚未描述)。这个值是设计被动光学对准的重要参数，原因是因为光学对准可以通过精确形成光学传输构件安装部310来立即确保，由此使光学传输构件安装部310的中心轴线位于光学输入/输出点的二维平面上所计算的位置。当使用具有仅几百微米直径的光学传输构件100时，考虑到加工精度，肉眼测量光学元件200的安装位置并在该位置处加工光学传输构件安装部310基本上是不可能的。因此，在本发明中提出了，使用包括摄像机的构造的视觉系统，这样的构造可以被称为所谓的视觉反馈工艺。换言之，本发明提出了预设光学元件200的安装位置，目标不是管理以最小误差安装，作为前提接受“已经执行”的光学元件的安装，而光学传输构件安装部310正好在所测量的位置处形成。因此，能够得到消除基本上包括在粘片机等中的操作误差的效果，可以确保光学对准。

除摄像机之外，这样的视觉系统可以包括作为基本组成元件的图像处理设备。将会在以下逐步描述使用视觉系统计算在光学元件200的光学输入/输出点的二维平面上的位置的方法的实施例。首先，根据光学元件的形状确定光学元件的位置测量目标部。例如，当外观的横截面形状为完整地圆形时，圆周上相对于一个参考点距离最大的特定点，确定测量参考点和特定点的位置(它们形成直径)，或者当外观的横截面形状为矩形或正方形时，可以确定测量形成四个顶点的一对角线的两个点的位置。第二，使用摄像机获得所安装的光学元件的图像。第三，从图像确认预先确定的每个位置测量目标部在二维平面上的位置值。换言之，在示例中，测量在圆周上形成直径的两个点或者形成矩形的两个顶点的位置。位置可以是其测量系统的绝对坐标系统的值，绝对坐标系统值可以是已知特定参考点的相对坐标值。仅采用在二维平面上的位置值就足以的原因是因为，光学传输构件安装部310垂直形成到基板的面，因此高度方向的坐标值无意义。第四，在光学元件200的光学输入/输出点的二维平面上的位置值可以从前一步骤确认的每个位置测量目标部的二维平面上的位置值计算。这是在光学输入/输出点通常位于光学元件的中心(虽然光学元件具有不同形状)的前提下实现的，在示例中，圆周上两点之间的中间点或者形成矩形的对角线的两个顶点之间的中间点是光学输入/输出点，因此通过坐标系的表达方式计算这些点的位置坐标值的平均值来代表平均值。在实施例中，不排除执行与获得光学输入/输出点的二维平面上的位置值的示例相同目的的其它算法。

第四，聚光装置300的基材在基板210上形成，以嵌入光学元件200。以这种方式形成的基材可以通过嵌入光学元件来保护光学元件，基材维持与基板210的强联接以可靠地安装光学传输构件100很重要。如上所述，作为在基板210上形成基材的方法的示例，可想到直接在基板210上模塑或注射成型。在这种情况中，能够维持与基板的强联接，基本上基材完全包封光学元件。作为另一实施例，存在通过模塑或注射成型预先形成基材的方法，以具有空腔部而在其下部容置光学元件的形状，接着这样的基材粘附或融化附接在基板210上的预定位置。在这种情况中，基材没有包封光学元件，仅通过空腔部覆盖光学元件一预定距离，且基材可以通过使用单独的粘合剂固定到基板210上，或者通过用UV激光器照射基材的表面从而部分融化并接着附接到基板210上。图5中示出了在基板210上形成基材的实施例。

第五，光学传输构件安装部310在基材上形成于光学输入/输出点的二维平面上计算的位置处。在图6至图10所示实施例中，光学传输构件安装部310的形状是圆柱形，因此通过使用之前计算的光学输入/输出点的二维平面上的位置值作为中间点，进行加工以具有单独确定的光学传输构件安装部310的直径。这样的工艺可以通过激光工艺、CNC工艺、或者钻孔工艺执行。这些工艺的共同点是基于操作部的精确位置值来执行工艺，因此它们适合于加工本发明的光学传输构件安装部310。在机械钻孔工艺的情况中，工艺可以通过以下步骤执行：第一步骤，在准确位置生成并定位圆柱形的孔；以及第二步骤，镗孔以通过附加地切割第一步骤中所生成的孔而得到精确直径的孔。在这种情况中，为在第一步骤中准确定位，必须使用计算机和机器移动并固定钻尖(drillingtip)。在使用CNC工艺的情况中，将孔的形状信息预先输入到计算机，根据信息执行切割，因此具有缩短减少加工时间的优点。激光工艺基于非接触式操作，适合于自动线构造，可以执行精确控制，可以由于高扫描速度而体现短的加工时间。使用的激光器类型是UV激光器、二氧化碳气体激光器等，根据镗孔方式可从冲击、钻孔、和螺旋的方式使用并选择。作为特定操作，工艺可根据基板210的厚度通过控制一次发射(oneshot)的能量、发射的数量、总能量等来执行。即使在这种情况中，控制必须通过计算机和机器精确地执行，使得发射开启了在上述计算的光学元件200的光学输入/输出点的二维平面上的位置对中的过程。图6中示出了如上所述加工光学传输构件安装部310的实施例，而图7中示出了另外形成接头部312的实施例。在形成接头部312中，在机械钻削工艺的情况中，工艺可以通过以下步骤执行：第一步骤，在指定位置处生成圆柱形的孔；以及第二步骤，通过另外切割在第一步骤中生成的孔而生成逐渐倾斜的面。当使用CNC和激光工艺时，将锥度孔的形状信息预先输入到计算机，然后执行工艺。

第六，光学传输构件100安装在如上所述加工的光学传输构件安装部310上。安装意味着配合，可以想到在安装过程中增加在光学传输构件与光学传输构件安装孔之间使用的粘合剂(比如环氧基树脂)将它们固定的过程，从而提高安装可靠性。

另外，光学传输构件安装部310的加工步骤和安装步骤之间，当存在光学传输构件安装部310的底部时，就是说，光学透明部311或者核心附加插入部313，可以想到将与聚光装置300的材料相同的材料应用或附接到核心附加插入部的底面。这可防止光学信号传输效率降低，光学信号传输效率的降低是由于难以在光学传输构件安装部310的内面上另外进行抛光过程等的情况下光学信号所经过的表面的粗糙度高时光学信号的散射引起的，或者是由于如上所述加工光学传输构件安装部310的过程中加工精度的限制引起的。使用与聚光装置的材料相同材料的原因是：因为当材料不同时，由于折射率不同而使光学信号以不期望的图案在界面折射。图11示出应用到光学透明部311的实施例(h)和(i)，以及应用到核心附加插入部313的实施例(l)。

已经参考附图描述了本发明，但是这仅仅是包括本发明要点的各种实施例的一个实施例，其目的是使本领域技术人员易于实施本发明，以及可以清楚认识到本发明不仅仅限于上述实施例。因此，与不背离本发明的要点的范围的更改、替换以及更换等效的范围内的所有技术精神被包括在本发明的权利范围内。另外，附图的某些构造是为了更清楚描述构造，应清楚它们与实际相比可能夸张和缩小。

Claims (15)

1.一种光学模块，所述光学模块包括光学元件和光学传输构件，所述光学传输构件在光轴上与所述光学元件对准不需要与外部电路光学对准，所述光学模块包括：

光学传输构件(100)，用于传输光学信号；

光学元件(200)，向所述光学传输构件(100)传输光学信号或者从所述光学传输构件(100)接收光学信号；

基板(210)，所述光学元件(200)安装在所述基板上；

电极垫(220)，用于光学元件(200)与外部电路之间的电连接；以及

聚光装置(300)，包括光学传输构件安装部，所述光学传输构件安装部形成为使所述光学元件(200)与所述光学传输构件(100)之间光轴对准，

其中所述光学传输构件安装部以垂直于所述基板的方向形成，并且形成在所述聚光装置上的光学传输效率最大的最佳位置处。

2.根据权利要求1所述的光学模块，其中所述光学传输构件安装部的形状满足深度与宽度的纵横比为β≥α的条件，其中α是所述光学传输构件安装部的宽度，而β是所述光学传输构件安装部的深度。

3.根据权利要求1所述的光学模块，其中用于形成所述光学传输构件安装部的最佳位置是所述光学元件的光学信号输入/输出点的位置，所述位置通过使用位于所述光学元件的安装点上方的成像设备得到所述光学元件的图像来获得，并从所得到的所述光学元件的图像提取出来。

4.根据权利要求1所述的光学模块，其中用于形成所述光学传输构件安装部的最佳位置通过重复以下过程确定，在所述光学传输构件安装在所述聚光装置上的状态下，在改变所述基板上的位置时测量光学传输效率，操作者找到确保光学传输效率等于或高于一确定的值的位置，其中所述聚光装置通过模塑或注射成型形成以具有所述光学传输构件安装部。

5.根据权利要求1所述的光学模块，其中所述聚光装置(300)由经过传输到所述光学传输构件(100)的光学信号的波长带的材料制成。

6.根据权利要求5所述的光学模块，其中经过传输到所述光学传输构件(100)的光学信号的波长带的所述材料包括硅、环氧基树脂、ABS、丙烯酸、聚烯烃以及它们共聚物中的任一种。

7.根据权利要求1所述的光学模块，其中在所述光学传输构件安装部的底面上还形成光学透明部(311)，以及所述光学透明部(311)的形状是以下任一种：平面；凸透镜，具有聚光功能；以及凹透镜，将分散的光学信号转换为平行光束(光柱)。

8.根据权利要求7所述的光学模块，其中所述光学透明部的形状是凸透镜，所述光学传输构件安装部的形状满足深度与宽度的纵横比β≥α+a的条件，以及所述光学传输构件插入所述光学传输构件安装部的深度为α或更多，其中a是所述凸透镜的厚度，α是所述光学传输构件安装部的宽度，β是所述光学传输构件安装部的深度。

9.根据权利要求7所述的光学模块，其中所述光学透明部的加工面粗糙度通过将与所述聚光装置(300)的材料相同的材料(97)应用或附接到所述光学透明部(311)的面上来补偿。

10.根据权利要求1所述的光学模块，其中所述光学传输构件安装部和所述光学传输构件(100)采用预定配合公差联接。

11.根据权利要求1所述的光学模块，其中接头部形成在所述光学传输构件安装部的进口侧上，以容易安装所述光学传输构件(100)。

12.根据权利要求1所述的光学模块，其中在所述光学传输构件安装部的底面上还形成用于将所述光学传输构件(100)的核心更深地插入的核心附加插入部(313)。

13.根据权利要求12所述的光学模块，其中所述核心附加插入部的加工面粗糙度通过将与所述聚光装置(300)的材料相同的材料(97)应用或附接到所述核心附加插入部的底面上来补偿。

14.一种根据权利要求1至13中任一项所述的光学模块的制造方法，所述方法包括：

(i)将所述光学元件(200)安装在所述基板(210)的一面上的步骤(s10)；

(ii)电连接和键合所述光学元件(200)的步骤(s20)；

(iii)计算在所述光学元件(200)的光学输入/输出点的二维平面上的位置的步骤(s30)；

(iv)形成所述聚光装置(300)的基材，以将所述光学元件(200)嵌入到所述基板(210)上的步骤(s40)；

(v)在所述基材上的通过步骤(iii)中所计算的所述光学输入/输出点的二维平面上的位置处形成所述光学传输构件安装部的步骤(s50)；以及

(vi)将所述光学传输构件(100)安装在所述光学传输构件安装部上的步骤(s60)。

15.一种包括根据权利要求1至13中任一项所述的光学模块的电子设备，其中仅通过所述光学模块与电路板之间的电连接传输和接收信号，无需所述光学模块与所述电路板之间额外的光轴对准。