CN115343808B - 光模块装置 - Google Patents

Abstract

一种光模块装置，包括光电芯片、第一光纤阵列以及第二光纤阵列。光电芯片设置于基板，包括发射部与接收部，上述发射部包括激光器阵列与光复用器，上述接收部包括光解复用器与光检测阵列。第一光纤阵列耦合于上述接收部，以及第二光纤阵列耦合于上述发射部，其中第二光纤阵列为90度弯折光纤阵列。本申请实施例激光器、光检测器、光复用器以及光解复用器集成在同一光电芯片，可减少芯片贴装的次数以及光电耦合的次数，简化产品的复杂度以及组装效率。

Description

光模块装置

技术领域

本申请有关于一种光模块装置，尤指一种将光接收次模块以及光发射次模块整合在单一模块的光模块装置。

背景技术

光收发器用于发送和接收用于各种应用的光信号，包括互联网数据中心、有线电视宽带和光纤到户(fiber to the home，FTTH)应用等。光收发器可以包括用于发送和接收光信号的光发射次模块(transmitteroptical subassemblies，TOSA)和光接收次模块(receiver optical subassemblies，ROSA)。传统光收发器将光接收次模块以及光发射次模块分别在独立的光电芯片上组成，然而，必须在光电芯片的贴片及耦合上执行多次步骤，导致制程繁复并影响产品的可靠度。

发明内容

有鉴于此，在本申请一实施例中，在芯片上集成激光器、光检测器、光复用器以及光解复用器，以简化光收发器的制造程序。

本申请一实施例揭露一种光模块装置，包括光电芯片、第一光纤阵列以及第二光纤阵列。光电芯片设置于基板，包括发射部与接收部，上述发射部包括激光器阵列与光复用器，上述接收部包括光解复用器与光检测阵列。第一光纤阵列耦合于上述接收部，以及第二光纤阵列耦合于上述发射部，其中第二光纤阵列为90度弯折光纤阵列。

根据本申请一实施例，上述光电芯片大致呈矩形，具有第一边以及与上述第一边相邻的第二边，上述接收部与上述第一光纤阵列于上述第一边耦合，上述发射部与上述第二光纤阵列于上述第二边耦合。

根据本申请一实施例，上述接收部具有输入端子，设置于上述光电芯片的上述第一边，用以接收输入光信号，上述发射部具有输出端子，设置于上述光电芯片的上述第二边，用以发射输出光信号。

根据本申请一实施例，上述第一光纤阵列具有第一光波导，以大致与上述第一边正交的既定方向传递上述输入光信号。上述第二光纤阵列具有第二光波导，于上述第二边接收上述输出光信号，以弯折90度的方式改变上述输出光信号的方向，并以大致与上述第一边正交且与上述既定方向相反的方向输出上述输出光信号。

根据本申请一实施例，更包括光接收接口，经由第一光纤缆线耦合到上述第一光纤阵列；以及光发射接口，经由第二光纤缆线耦合到上述第二光纤阵列，其中上述光接收接口与上述光发射接口位于上述基板的同一侧。

根据本申请一实施例，上述第一光纤阵列更包括第一聚光透镜，设置于上述第一边，用以将上述第一光波导所传输的上述输入光信号耦合至上述输入端子，以及上述第二光纤阵列更包括第二聚光透镜，设置于上述第二边，用以将上述输出端子所发射的上述输出光信号耦合至上述第二光波导。

根据本申请一实施例，上述发射部更包括监控光学二极管，上述接收部更包括跨阻放大器。

根据本申请一实施例，将激光器与光检测器集成在同一光电芯片，可减少芯片贴装的次数，而将光复用器以及光解复用器也集成在同一光电芯片，可减少光电耦合的次数，再者，因为光电芯片高度积集化的缘故，组件设置更加紧密，更可提升光耦合效率。另外，透过光电芯片光电芯片中的光波导的光路设计，再搭配光纤阵列使光路转弯，使得光接收次模块(ROSA)以及光发射次模块(TOSA)的光缆线能够并排设置，并使得两者的光接收接口能够位于基板的同一侧，有效简化产品的复杂度以及组装效率。

附图说明

图1显示根据本申请一实施例所述的光模块装置的方块示意图。

图2显示根据本申请一实施例所述的光模块装置的外观图。

图3显示根据本申请一实施例所述的光电芯片的部份结构示意图。

图4显示根据本申请一实施例所述的光电芯片与光纤阵列结合配置的上视图。

主要元件符号说明

光模块装置 100

光接收次模块 10A

光发射次模块 10B

光接收接口 11A、26A

光发射接口 11B、26B

光解复用器 12A、34

光复用器 12B、32

光检测器 14A

激光器 14B

接收处理电路 16A

发送处理电路 16B

基板 20

第一光纤阵列 22

第二光纤阵列 24

光缆线 28A、28B

聚光透镜 222、242

光波导 224、244

光电芯片 30

发射部 301

接收部 303

第一边 41

第二边 42

输入端子 43

输出端子 44

光信号 L1、L2、L3、L4

激光器阵列 LD

监控光学二极管 MPD

光检测阵列 PD

数据 RX_D1、RX_D2、RX_D3、RX_D4

电数据信号 TX_D1、TX_D2、TX_D3、TX_D4

跨阻放大器 TIA

既定方向 X

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

为了便于本发明技术领域的技术人员理解和实施本发明，下面结合附图与实施例对本发明进一步的详细描述，应当理解，本发明提供许多可供应用的发明概念，其可以多种特定型式实施。本发明技术领域的技术人员可利用这些实施例或其他实施例所描述的细节及其他可以利用的结构，逻辑和电性变化，在没有离开本发明的精神与范围之下以实施发明。

本发明说明书提供不同的实施例来说明本发明不同实施方式的技术特征。其中，实施例中的各元件的配置是为说明之用，并非用以限制本发明。且实施例中图式标号的部分重复，是为了简化说明，并非意指不同实施例之间的关联性。其中，图示和说明书中使用的相同的元件编号表示相同或类似的元件。本说明书的图示为简化的形式且并未以精确比例绘制。为清楚和方便说明起见，方向性用语(例如顶、底、上、下以及对角)是针对伴随的图示说明。而以下说明所使用的方向性用语在没有明确使用在以下所附的申请专利范围时，并非用来限制本发明的范围。

再者，在说明本申请一些实施例中，说明书以特定步骤顺序说明本申请的方法以及(或)程序。然而，由于方法以及程序并未必然根据所述的特定步骤顺序实施，因此并未受限于所述的特定步骤顺序。本发明技术领域的技术人员可知其他顺序也为可能的实施方式。因此，于说明书所述的特定步骤顺序并未用来限定申请专利范围。再者，本申请针对方法以及(或)程序的申请专利范围并未受限于其撰写的执行步骤顺序，且本发明技术领域的技术人员可了解调整执行步骤顺序并未跳脱本发明的精神以及范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。下面结合附图，对本申请的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

图1显示根据本申请一实施例所述的光模块装置的方块示意图。根据本申请实施例，光模块装置100为光收发模组。如图1所示，光模块装置100包括光接收接口11A、光发射接口11B、光接收次模块(Receiver Optical Subassembly，ROSA)10A以及光发射次模块(Transmitter Optical Subassembly，TOSA)10B。光接收次模块10A包括光解复用器12A、光检测器14A以及接收处理电路16A。光发射次模块10B包括光复用器12B、激光器14B以及发送处理电路16B。在本实施例中，光模块装置100透过光接收接口11A以及光发射接口11B与光缆线连接。光接收接口11A以及光发射接口11B可以是ST型、SC型、FC型、与LC型等形式。

密集波长分波多任务(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)技术利用单模光纤的带宽以及低损耗的特性，采用多个波长作为载波，允许各载波信道在光纤内同时传输。本申请一实施例利用密集波长分波多任务技术，光模块装置100可以使用四个不同的通道波长(λ1、λ2、λ3、λ4)来接收或发送四个通道，因此，光接收接口11A所接收的光信号L1可以具有λ1、λ2、λ3、λ4等四种波长，而光发射接口11B所发射的光信号L2可以具有λ1、λ2、λ3、λ4等四种波长，而光检测器14A的光检测组件以及激光器14B的激光组件个数也与信道的个数对应配置。虽然本实施利是以四个信道配置为例，但是其他信道配置(例如，2、8、16、32等等)也在本申请的范围内。

光信号L1经由光接收接口11A传送至光解复用器12A，根据本申请实施例，光解复用器12A利用阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)技术将光信号L1区分为对应于λ1、λ2、λ3、λ4等四种波长的光信号。光检测器14A(在本实施例中为四个)检测光信号并产生对应的电信号，根据本申请实施例，光检测器14A可包括PIN(P-doped-intrinsic-doped-N)二极管或雪崩式光电二极管(Avalance Photodiode，APD)。光检测器14A所产生的电信号再经由接收处理电路16A的放大电路(例如跨阻放大器(Trans-impedanceamplifier，TIA))以及转换电路处理之后，即可取得光信号L1所传送的数据(例如RX_D1至RX_D4)。根据本申请其他实施例，光解复用器12也可使用介质膜滤光片(Thin-film filter，TFF)以及光纤光栅(Fiber Bragg Grating，FBG)等相关技术来将光信号L1转换为不同波长的光信号。

发送处理电路16B接收的电数据信号(TX_D1至TX_D4)，经过转换处理后，输出至激光器14B，激光器14B将所接收的电数据信号分别调制为光信号。激光器14B可以包括单个或多个垂直腔面发射雷射二极体(Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode，VCSEL)，或称面射型雷射二极体，多个垂直腔面发射雷射二极体构成阵列，并由驱动晶片驱动而发射光讯号。在其他实施例中，亦可使用其他可作为光源的元件，例如发光二极管(LED)、边射型雷射二极管(Edge Emitting Laser Diode，EELD)、具有衍射光栅的分布式反馈(Distributed Feedback Laser，DFB)激光器或电吸收调制激光(Electlro-absorptionModulated Laser，EML)激光二极管封装。光复用器12B将对应于电数据信号(TX_D1至TX_D4)的调制光信号转换为包括λ1、λ2、λ3、λ4等四种波长的光信号L2，并传送至光发射接口11B以输出至光缆线。根据本申请实施例，光接收次模块10A与光发射次模块10B尚包括其他功能电路元件,例如用来驱动激光器14B的激光器驱动器、功率控制器(Automatic PowerControl；APC)，用来监测激光器功率的监控光学二极管(Monitor Photo Diode,MPD)，及其他实施光信号发射功能以及接收光信号并处理所必要的电路元件，以及用以处理光接收次模块10A传来的电讯号和要传送至光发射次模块10B的电讯号的数位讯号处理积体电路此为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述以精简说明。

图2显示根据本申请一实施例所述的光模块装置的外观图。如图2所示，根据本申请一实施例所述的光模块装置为一種硅光模塊封裝，包括基板20、光电芯片30、第一光纤阵列22、第二光纤阵列24、光接收接口26A以及光发射接口26B。根据本申请一实施例，光电芯片30、第一光纤阵列22以及第二光纤阵列24可透过黏着层贴在基板20上，并执行打线接合(Wire Bonding)、卷带自动接合(Tape Automated Bonding，TAB)、覆晶接合(Flip Chip，FC)等电性连接程序。基板20可用不同的材料制作，如塑料材料、环氧材料、复合材料、FR-4材料或陶瓷材料制作。基板20上具有预先设计的内连线结构、透过网版印刷方式形成的印刷电路以及用来实施光信号发射或接收功能所必要的电路元件，此为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述以精简说明。

光电芯片30设置于基板20上。第一光纤阵列22耦合于光电芯片30，用以将经由光接收接口26A以及光缆线28A所接收的光信号传送至光电芯片30的接收部，第二光纤阵列24耦合于光电芯片30，用以将经由光电芯片30的发射部所接收的光信号透过光缆线28B传送至光接收接口26A，根据本申请一实施例，第二光纤阵列24为90度弯折光纤阵列。如图2所示，第一光纤阵列22将光接收接口26A所接收的光信号大致沿着光信号的方向传送至光电芯片30的接收部，而第二光纤阵列24将经由光电芯片30的发射部所接收的光信号以大致转弯90度的方式传送，使得光缆线28A与28B能够并排设置，并使得光接收接口26A与26B位于基板20的同一侧。

图3显示根据本申请一实施例所述的光电芯片的部份结构示意图。如图3所示，根据本申请一实施例所述的光电芯片30包括发射部301与接收部303，发射部301包括激光器阵列LD与光复用器32以及监控光学二极管MPD，接收部303包括光解复用器34与光检测阵列PD以及跨阻放大器TIA。光检测阵列PD的光检测组件以及激光器阵列LD的激光组件个数也与信道的个数对应配置。激光器阵列LD将所接收的电数据信号调制为光信号L3，经过反射传送至光复用器32，光复用器32将光信号L3转换为不同波长的光信号，并传送至光电芯片30的光发射接口以输出至光缆线。光信号L4经由光电芯片30的光接收接口传送至光解复用器34，光解复用器34利用阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)技术将光信号L4区分为不同波长的光信号，经反射再传送至光检测阵列PD。光检测阵列PD检测光信号并产生对应的电信号。根据本申请实施例，光电芯片30尚包括其他功能电路元件，例如用来驱动激光器阵列LD的激光器驱动器、功率控制器(Automatic Power Control，APC)，及其他实施光信号发射功能以及接收光信号并处理所必要的电路元件，以及用以处理电讯号的数位讯号处理积体电路此为本领域技术人员所熟知，在此不予赘述以精简说明。

图4显示根据本申请一实施例所述的光电芯片与光纤阵列结合配置的上视图。如图4所示，根据本申请一实施例所述的光电芯片30大致呈矩形，具有第一边41以及与第一边41相邻的第二边42。光电芯片30包括输入端子43与输出端子44，输入端子43设置于第一边41并与第一光纤阵列22于第一边41耦合，用以接收输入光信号，输出端子44设置于第二边42并与第二光纤阵列24于第二边42耦合，用以发射输出光信号。如图所示，第一光纤阵列22将光信号传送至输入端子43后，以大致平行既定方向X的方向传送至光解复用器34，经过光解复用器34利用阵列波导光栅(Arrayed Waveguide Grating，AWG)技术将光信号区分为不同波长的光信号，再传送至光检测阵列PD。而激光器阵列LD所发出的光信号传送至光复用器32，经光复用器32将光信号转换为不同波长的光信号，透过波导光栅的传送，先以同样大致平行既定方向X的方向传送，再以转弯90度的方式传送，使得光信号最后以大致垂直既定方向X的方向传送至位于第二边42的输出端子44。根据本申请一实施例，第一光纤阵列22具有光波导，以大致与第一边41正交(即大致平行既定方向X的方向)传送输入光信号。第一光纤阵列22还具有聚光透镜222，设置于第一边41，用以将第一光纤阵列22的光波导224所传输的输入光信号耦合至输入端子43。另外，第二光纤阵列24同样具有光波导244，于第二边42从输出端子44接收输出光信号，以弯折90度的方式改变光传送方向，因此输出光信号的方向由大致垂直既定方向X的方向转换为大致平行既定方向X的方向，最后以大致与第一边41正交且与既定方向X相反的方向输出光信号。第二光纤阵列24还具有聚光透镜242，设置于第二边42，用以将输出端子44所传输的输出光信号耦合至第二光纤阵列24。

根据本申请实施例，将激光器与光检测器集成在同一光电芯片，可减少芯片贴装的次数，而将光复用器以及光解复用器也集成在同一光电芯片，可减少光电耦合的次数，再者，因为光电芯片高度积集化的缘故，组件设置更加紧密，更可提升光耦合效率。另外，透过光电芯片光电芯片中的光波导的光路设计，再搭配光纤阵列使光路转弯，使得光接收次模块(ROSA)以及光发射次模块(TOSA)的光缆线能够并排设置，并使得两者的光接收接口能够位于基板的同一侧，有效简化产品的复杂度以及组装效率。

以上概述之许多实施例的特征使得本领域的普通技术人员能够更了解本发明之范围。本领域的普通技术人员能够以本揭露为基础而设计或修改其他制程以及结构，以实现在本发明之实施例所介绍的相同特征及/或达成相同的优点。本领域的普通技术人员也了解，这些等效的结构并不背离本揭露之精神与范围，并且他们也能够在不背离本发明之精神与范围的情况下，改变、替换、以及变动本发明之特征，而这些改变和调整都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种光模块装置，其特征在于，包括：

光电芯片，设置于基板，包括发射部与接收部，其中上述发射部包括激光器阵列与光复用器，上述接收部包括光解复用器与光检测阵列；

第一光纤阵列，耦合于上述接收部；以及

第二光纤阵列，耦合于上述发射部，其中第二光纤阵列为90度弯折光纤阵列；上述光电芯片呈矩形，具有第一边以及与上述第一边相邻的第二边，上述接收部与上述第一光纤阵列于上述第一边耦合，上述发射部与上述第二光纤阵列于上述第二边耦合。

2.如权利要求1所述的光模块装置，其特征在于，上述接收部具有输入端子，设置于上述光电芯片的上述第一边，用以接收输入光信号，上述发射部具有输出端子，设置于上述光电芯片的上述第二边，用以发射输出光信号。

3.如权利要求2所述的光模块装置，其特征在于，上述第一光纤阵列具有第一光波导，以与上述第一边正交的既定方向传递上述输入光信号。

4.如权利要求3所述的光模块装置，其特征在于，上述第二光纤阵列具有第二光波导，于上述第二边接收上述输出光信号，以弯折90度的方式改变上述输出光信号的方向，并以与上述第一边正交且与上述既定方向相反的方向输出上述输出光信号。

5.如权利要求4所述的光模块装置，其特征在于，更包括:

光接收接口，经由第一光纤缆线耦合到上述第一光纤阵列；以及

光发射接口，经由第二光纤缆线耦合到上述第二光纤阵列，其中上述光接收接口与上述光发射接口位于上述基板的同一侧。

6.如权利要求5所述的光模块装置，其特征在于，上述第一光纤阵列更包括第一聚光透镜，设置于上述第一边，用以将上述第一光波导所传输的上述输入光信号耦合至上述输入端子，以及上述第二光纤阵列更包括第二聚光透镜，设置于上述第二边，用以将上述输出端子所发射的上述输出光信号耦合至上述第二光波导。

7.如权利要求5所述的光模块装置，其特征在于，上述发射部更包括监控光学二极管，上述接收部更包括跨阻放大器。

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