CN1158552C - 利用soi光学波导的可拆卸光学无线收发装置 - Google Patents

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Abstract

一种可拆卸光学无线电收发装置，包含一光学装置、一硅覆绝缘层(SOI，Silicon On Insulator)光学波导及一硅床，其上表面设有一U形槽用以承接该光学装置，该SOI光学波导使其光程对正，该SOI光学波导包含一硅基板、一单晶硅层其上表面设有波导部分，及一硅土薄层介于该硅激板及该单晶硅层之间，以避免光通过该波导部分扩散，该硅床设有一V形槽沿该硅床纵向延伸并承接引脚，该引脚连接该硅床至一外部连接端。

Description

利用SOI光学波导的可拆卸光学无线收发装置
技术领域
本发明是有关于一种利用SOI光学波导的可拆卸光学无线电收发装置，特别是有关于一种光学接收器，其设有一可拆卸连接器并可利用SOI光学波导收发光学信号。
背景技术
信息交流(如影像、文字及声音)及网络传输不断连续拓展，数据收发也呈大幅成长，因此，利用纤维光学传输线(以下称为“光纤”)整合超高速数据传输已被大量运用。
光学传输网络基本为传送光学信号的光纤，一光学无线电收发装置模块用以将一光学信号转换为一电子信号，如分配放大及分配调制转换信号，反之亦然。该光学无线电收发装置模块在一光学传输系统中为最重要的部分，然而，该模块的成本过高将阻碍产业上的利用性及光学传输网络的整合，主要有二因素阻碍成本的降低：将光纤与激光二极管对准的技术是很困难，其只允许1微米(μm)的公差，投资大量生产的设备需要巨大的成本，特别在将光纤与激光二极管对准的封装程序上，占全部光学无线电收发装置模块制造成本的70～80％。
将光纤与激光二极管对准通常有二种方法，为主动对准及被动对准。
在主动对准法中，其耦合位置由激光二极管的峰值发射光投射至一并列光纤的量而定，该激光二极管及光纤在决定耦合位置后以焊接或黏胶固定。
在被动对准法中，该激光二极管及光纤的耦合位置不需要经由触动该激光二极管来决定，该被动对准法利用一影像处理装置对准该激光二极管及光纤，或利用熔融金属的表面张力的覆晶黏合方法，另一方法为一精密加工的硅床以微影建构一三维的结构，其整合于同一板上使光学装置有不同的功能。近来，由于被动对准法所需时间及成本比主动对准法低，在使用被动对准法有增加的趋势。
图1为一利用光纤的公用可拆卸光学无线电收发装置模块，如图1所示，该光学无线电收发装置模块利用一公用的机械转换强化匣(MT-RJ，mechanically transferable reinforced jacket)连接器1，一外部连接端(未绘示于图中)经由连接器1的一对引脚15连接于该连接器1，因此一光纤2建立一光程，其经由连接器1精确导入外部连接端。
该公用的无线电收发机模块由一排光纤2及光学装置(如一激光二极管、一光电二极管、一监视光电二极管及/或一SOI波导)相对硅床的V形微槽设于该硅床3中，如将光学装置及光纤对准设于该硅床上，为避免光学耦合不良，其光纤2的末端应抛光一如镜面。
然而，该公用的光学无线电收发装置模块所使用的光纤2具有125微米(μm)的外径，因此在操控上较为困难，再者，抛光该光纤2的切断面，及该每一光纤2分别黏接于该硅床3上为一昂贵的操作程序，如此的高精度及高成本将阻碍该无线电收发机的大量生产。
为了解决该光纤2的工艺困难，一平面光导电路(PLC)方法因应而生，其以一硅土波导取代光纤，该PLC方法利用组织水解沉积法精密加工一硅土PLC板，一校准机构将光学装置对准并排列于该PLC板上。然而，该组织水解沉积过程昂贵且成本不易降低。
同时，被动对准法使用公知覆晶技术，使其不易同时黏接其它光学装置于该硅土板上，且以覆晶黏接对准的光学装置使用熔接的表面张力，其需要特别的设备以使焊点抗氧化来增加表面张力，若表面张力不足将造成位置控制有所偏差。
为了解决上述问题，一种新的方法产生，其光学装置以超音波暂时黏合于所需的位置，当其位置保持在数十微米的误差内时，以不同的金属黏着，但超音波黏合操作耗时，且黏合过程的振动有可能损及该光学装置。
发明内容
本发明的主要目的是提供一可拆卸的光学无线电收发装置，为降低上述公用方法的成本问题。
本发明的次要目的是提供一可拆卸的光学无线电收发装置，其利用自动化制成使组装容易。
本发明的再一目的是提供一可拆卸的光学无线电收发装置，其利用一平面SOI光学波导代替光纤。
本发明的再一目的是提供一可拆卸的光学无线电收发装置，其减少组装零件并简化工艺。
本发明的再一目的是提供一可拆卸的光学无线电收发装置，其不需使用一MT-RJ连接器固定于该硅床上。
根据本发明的可拆卸的光学无线电收发装置，其包含有数个光学装置，一硅覆绝缘层(SOI)光学波导，其包含有一硅基板，一单晶硅层，其上表面设有波导部分，及一硅土薄层介于硅基板及单晶硅层之间，以避免光经过该波导部分时造成扩散；一硅床，其上表面设有一U形槽可承接该光学装置及该SOI光学波导，使其对准并形成光程。
根据本发明实施例，该硅床有一V形槽沿该硅床纵向延伸，其可承接引脚将一外部连接端导引至该硅床。
根据本发明实施例，每一波导部分包含一纵向凸缘自该单晶硅层的上表面凸出，并可使一光学信号通过。
根据本发明的光学无线电收发装置，该硅床设有一V形槽用以承接外部连接端的引脚。
附图说明
图1：公用可拆卸光学无线电收发装置模块利用光纤的立体图；
图2：本发明实施例利用SOI光学波导的可拆卸光学无线收发装置的立体分解图；
图3：本发明实施例SOI光学波导的立体图；
图4：本发明实施例半对准法则的SOI光学波导设于硅床的剖视图；
图5：本发明实施例利用半对准法则对准该光学装置路径，图2沿线V-V的剖视图；
图6：图7沿线VI-VI的剖视图；及
图7：根据本发明实施例可拆卸光学无线电收发装置的连接器连接至外部连接端的立体分解图。
具体实施方式
请参照图2，本发明实施例可拆卸的光学无线电收发装置所示，该光学无线电收发装置模块使用一SOI光学波导构成一光程，以取代公用的无线电收发装置模块的光纤或硅土波导。
请再参照图2所示，该光学波导装置模块包含一硅床6，其主要为一硅晶元，由氢氧化钾(KOH)溶液蚀刻而成。该硅床6上表面的中央设有一U形槽可承接不同的光学装置，例如，一SOI光学波导7、一激光二极管8及光电二极管9、10。该U形槽7a、8a、9a及10a位于该硅床6上并使该光学装置对正，细信道6a及6b相邻于该U形槽，使该无线电收发模块的光程沿其长度延伸且不相交，一对导槽61分别设于该硅床6上表面的二侧，一对引脚17(如图6及图7)分别设于该导槽61内，因为有该引脚17，使该光学无线电收发装置模块可容易的与外部连接端连接及分离。
请参照图4所示，其为一光学装置在硅床上(在本实施例中为SOI光学波导)的自动较准，一精密加工的U形槽7a用以承接该波导7，该U形槽7a设有一底部及一环绕该底部的斜墙，其剖面形成一梯形的形状，其角度较佳为54.7°，该U形槽7a是以精密加工至30微米(μm)的深度，950微米(μm)的宽度及1500微米(μm)的长度，该SOI光学波导7利用一自动安插机(pick-and-place machine)容易且精确地置于该U形槽7a，其精确度为几十微米(μm)，根据该操作方式及梯形剖面，该SOI光学波导7可自动校准于该硅床6上，即使该SOI光学波导7未正确约置入该U形槽7a，如图4的虚线所示，该波导7可沿该U形槽的斜墙滑入正确的位置，如实线所示。类似地，该激光二极管8如一光源，该监视光电二极管10用以控制自激光二极管8射出的光源强度，该光电二极管9用以接收光源，该硅床6具有相同的U形槽7a结构使该光源可容易对正。
所有的光学装置经由微影过程的模式在一晶元上制造，使该光学装置对齐并保持于1微米(μm)的误差内，以该模式及一KOH蚀刻溶液并控制温度及时间加工该晶元，利用三次元测量仪以非接触方法调整所需的结构大小。
例如一激光二极管的光学装置具有1300nm的波长，In-P应力多量子井结构(mult-quantum well Structure，其是利用金属有机化学气象沉积(MOCVD)装置加以制造，该二极管是以切割晶元后利用H2SO4及HCl混合溶液加以蚀刻而成，该每一切割的晶元皆可为一激光二极管，并精确控制其外直径在0.5微米(μm)，该光电二极管9及监视光电二极管10使用一裁切法(scoring-and-breaking)精密加工至0.5微米(μm)。
请参照图3，本发明实施例光学波导7结构的立体图，其为利用SOI晶元加工如硅-锗的基板装置。请再参图3所示，该光学波导7包含一硅基板71，一硅土薄层72覆于该硅基板71上，一单晶硅层73覆于该硅土薄层72上，一对黏接部分74及一对波导部分75设于该单晶硅层73的上表面，该硅土薄层72介于该硅基板71及该单晶硅层73之间；其厚度较佳为0.2微米(μm)并避免光沿该波导部分75进入该硅基板71，一微影过程及KOH溶液蚀刻该单晶硅层73，使该黏接部分74及该波导部分75形成于该单晶硅层73上，该波导部分75经由激光二极管8及光电一极管9连接至一外部连接端13(如图7所示)，即该波导部分75设有主要光程用以传送光纤。
该黏接部分74是将该SOI光学波导7以金属黏接至一硅床6上，其加工方式如该波导部分75同样的方法，铬及金位于每一黏接部分74的上表面约0.6微米(μm)厚，镀层不可包覆于该波导部分75，因为该波导部分75显示不同于空气的折射指针，最后将该SOI光学波导7加工为950微米(μm)的宽度及1500微米(μm)的长度，该波导部分75于该外部连接端13的光纤之间构成一空间，其较佳为750微米(μm)。如上述结构的该光学波导7使用一平面金属黏接工艺固定于该硅床6上，该光学波导7是以一加热镀层12将其黏着于该硅床6上，该焊层12包含一银-锡合金层层位于该硅层6上，将其加热至280℃或更高而熔化并得以冷却凝固。如同对准该光学波导7的方式对准其它的光学装置，包含该激光二极管8，在该光学装置对准后同时施以金属黏着工艺，该光学装置的金属黏着不需要一独立抗氧化功能，即该光学装置于金属黏着时几乎不需加热至该焊层12的熔点(或更高)后冷却，因此得以生产一低成本的光学传输模块的积体结构。
根据本发明光学装置如SOI光学波导7及激光二极管8，其自动校准于该硅床6并黏着于该硅床6上，避免温度变化造成的热冲，再者，处理该SOI光学波导7比处理光纤简单，使光学无线电收发装置模块得以大量生产。
根据本发明的V形槽设于该硅床6上，其可承接一引脚以连接一外部连接端，相比于公用的方法，其引脚为固定连接于一光学无线电收发装置模块，因此，本发明减少光学无线电收发装置模块的元件，其简化制造过程并使光学耦合降到最低。
请参照图5，光学装置黏接于该硅床6的光学耦合状态，该激光二极管8将一电子信号转换为一光学信号，光自激光二极管8发射进入该SOI光学波导7，光经由该光学波导7进入一外部连接端的光纤，该光纤的直径为125微米(μm)并呈向心排列，光经由一硅床的银层1ob反射自激光二极管8射出，聚焦于一监视光电二极管，该监视二极管将该光学信号转换为一电子信号，除了转换电子信号，该监视光电二极管10操控该激光二极管8及射出光的强度，该每一光学装置皆堆积于该硅床6上以形成一密集结构。
请参照图6，该硅床6覆盖一精密加工硅盖11，以避免堆积于该硅床6上的光学装置受到外界的冲击、湿气及污染。如图6所示，该硅盖11中央设有一U形槽11a使SOI光学波导7位于该硅床6中央，一对V形槽11b及11b’位于该硅盖11上相对于该硅床6的U形槽的位置，使其可容纳该引脚17，该硅盖11以热固性树脂胶16黏着于该硅床6上，该引脚17设于该硅床6的导槽61，将光学无线电收发装置模块传送至外部连接端13，因为该引脚17固定于该硅床6上，使该光学无线电收发装置模块与该外部连接端13之间紧密连接，并且，因为该外部连接端13由塑料材料制成，使该硅床6不会因接触或瞬间的碰撞而损坏。
请参照图7所示，一光学无线电收发装置模块具有155Mbps(位元组/秒)的传输速率，其使该外部连接端13与该光学无线电收发模块可独自拆卸分离，图中为拆卸的状态，一硅床6覆有一硅盖11，其中该光学装置自动校准并结合成一光学耦合的状态，引脚17自硅床6凸出连接至外部连接端13，以此方式该外部连接端13经由引脚17可轻易及简单地与该光学无线电收发装置连接，并使光学耦合的损失降低，一般为2dB或更少，根据本发明的光学无线电收发装置模块，当该激光二极管最后接至外部光纤时，其光学偶的损失约为11dB。
根据如上所述的本发明，可制造一积体、密集及低成本的光学无线电收发装置模块，并可自动校准不同的光学装置。
虽然本发明已以一实施例说明如上，然其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰，因此本发明的保护范围当以权利要求书为准。
如前所述，根据本发明可拆卸光学无线电收发装置利用一平面SOI光学波导代替光纤，因此降低制造成本及简化工艺使其容易自动化，SOI光学波导可应用于积体模块的制造，如一光电开关、多波长模块或多芯片模块。
根据本发明，V形槽设于一硅床上以承接连接外部连接端的引脚，而公用方法为使用一MT-RJ连接器固定该硅床上，因此，本发明使用较少的元件组成一光学无线电收发装置模块，能够简化工艺及提高成本效益。

Claims (8)

1.一种利用SOI光学波导的可拆卸光学无线电收发装置，其特征为：其包含数个光学装置；
一硅覆绝缘层光学波导，其包含有：
一硅基板；
一单晶硅层，其上表面设有一波导部分；
一硅土薄层，其介于该硅基板及该单晶硅层之间，以避免光进入该波导部分而扩散；及
一硅床，其上表面设有数个U形槽，用以承接该数个光学装置及SOI光学波导使其对准并形成光程。
2.如权利要求1所述的利用SOI光学波导的可拆卸光学无线电收发装置，其特征为：其中该硅床设有纵向延伸的V形槽用以承接引脚，该引脚连接该光学无线电收发装置的一外部连接端。
3.如权利要求1或2所述的利用SOI光学波导的可拆卸光学无线电收发装置，其特征为：其中该每一波导部分包含一纵向凸缘，自该单晶硅层的上表面一体成型，用以传输及接收一光学信号。
4.如权利要求3所述的利用SOI光学波导的可拆卸光学无线电收发装置，其特征为：其中该SOI光学导波设有一纵向黏接部分，其中该纵向黏接部分与该SOI光学波导一体成型，且自该单晶硅层的上表面突出于该波导部分，该纵向黏接部分可包覆金属并黏接该SOI光学波导至该硅床。
5.如权利要求4所述的利用SOI光学波导的可拆卸光学无线电收发装置，其特征为：其中该数个光学装置及SOI光学波导经由加热一焊层将其黏着于该硅床，其加热温度比该焊层的熔点低并得以冷却凝固。
6.如权利要求5所述的利用SOI光学波导的可拆卸光学无线电收发装置，其特征为：其中该焊层包含一银-锡合金层。
7.如权利要求1或2所述的利用SOI光学波导的可拆卸光学无线电收发装置，其特征为：其包含一硅盖覆盖于该数个光学装置及该SOI光学波导。
8.如权利要求7所述的利用SOI光学波导的可拆卸光学无线电收发装置，其特征为：其中该硅盖经由一热固性树脂胶黏着于该硅床。
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