CN1205766C - 使用硅光座的小形状因数光收发集成模块 - Google Patents

使用硅光座的小形状因数光收发集成模块 Download PDF

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Abstract

使用硅光座的小形状因数光收发集成模块包括：其上集成了激光二极管组件和光检测器组件的硅光座；安装硅光座并装有激光二极管组件驱动电路和光检测器组件驱动电路的印刷电路板，其中激光二极管组件驱动电路把电信号加到激光二极管组件上、驱动它根据电信号产生光信号，而光检测器组件驱动电路把光检测器接收的光信号转换成电信号；和塑料封装，用来通过包上保护层使得印刷电路板与外界隔绝而把印刷电路板密封成具有小形状因数的形状。

Description

使用硅光座的小形状因数光收发集成模块
技术领域
本发明涉及光通信器件，详细地说，涉及小形状因数光收发集成模块。
背景技术
要进行包括动态影像传输的宽带光通信业务，具有约1.3μm光束波长并用作宽带光通信网络的用户终端的激光模块需要具有约155Mbps(兆位/秒)的传输速度。具有1.3μm光束波长的这种激光模块可以广泛地应用于宽带网络和光缆电视系统等的终端系统。光发送模块是把输入的光信号转换成波长1.3μm的光信号用的组件，而光接收模块是把光信号转换成电信号用的组件。
光束波长1.3μm的光接收模块把从激光二极管前面部分发射的光调制成电信号，并把调制后的电信号连接到光纤。所连接的光或信号通过光纤传输，而通过光纤传输的光被传输到对方的光接收模块，在这里光被转换成电信号。
一般说来，光发送器和光接收器模块集成在一个至少具有通用的20个引脚的封装中，并且制造适合作为其通用插座的连接器。当前使用的封装和至少20个引脚主要用金属制造，而所述至少20个引脚中的每一个都需要与本体的完善的电绝缘，这使其制造过程非常复杂和困难。另外，因为金属封装本身非常昂贵，所以已经开发出使用塑料封装的方法，以降低生产成本。此外，由于一般的光接收和发送模块都有光纤附于其上，故使用不便，所以没有光纤的插座型的光发送模块令人感到兴趣。
1998年初新提出的小型封装与以前使用的光收发集成模块相比尺寸减半，并且与以前的相比可以以两倍的集成度安装在同样的面积上。小型封装有个优点，就是可以以不同的方式应用，因为诸如MT-RJ(Mechanical Transferable-Registered Jack机械可传递定位插座)连接器、LC信道(Local Channel本地信道)连接器等不同类型的连接器已经开发出来。
把电信号转换成光信号用的激光二极管和把光信号转换成电信号用的光敏二极管利用一般称为TO-罐(晶体管外形封装密封外壳)金属封装装配起来。因此有个缺点，就是加工成本昂贵，因为所用的金属封装成本昂贵，把金属封装与光纤连接用的加工时间长，而且需要使用非常昂贵的激光焊接设备。
如上所述，以前使用的光收发集成模块使用有9个引脚的插座型封装，而其激光二极管和光敏二极管包含在TO-罐的金属封装中，因此需要引出线(cap)焊接设备来制造TO-罐封装。另外，需要用非常昂贵的激光焊接设备来连接TO-罐和光纤。因此，有个缺点，就是光收发器成本高昂，因为制造光收发集成模块需要昂贵的设备。
另外，在被认同为标准的小形状因数封装中，与连接器连接的部分到接收和发送光信号的另一部分的间隔在MU-RJ封装中是0.75mm，而在LC封装中却是6.35mm。这个间隔无法通过平行地调整TO-罐本身来构造，因此还需要一个特殊构造的光学器件来减短TO-罐和连接器之间的光程。
如图1所示，当前为使用而制造的树脂材料的光学器件10在表面上具有透镜11，而在其内部具有反射镜12和13用来减短光路，其中形成反射镜12和13需要特殊的技术。由于树脂光学器件10的结构的缘故，与单模光纤耦合困难，因而不可能进行单模传输。所以，有个缺点，就是光学器件10无法用在远程通信(TELECOMM)，而只能用于使用多模光纤的短距离数据通信(DACOMM)。
发明内容
因此本发明的一个目的是提供一种制造使用硅光座的小形状因数光收发集成模块的技术，其中制备被称为小型封装的新型塑料封装来代替金属封装，这里使用硅光座技术来制造新型的光收发集成模块，后者与以前的光收发模块相比尺寸减半，使得不必使用昂贵的金属封装或设备即可完成简单的加工过程，而且作为国际标准的MT-RJ连接器和LC连接器均可使用。
本发明提供了一种一种使用硅光座的小形状因数光收发集成模块，它包括：
其上集成了激光二极管组件和光检测器组件的硅光座，所述激光二极管组件包括光信号发送激光二极管，而所述光检测器组件包括光信号接收光检测器；
印刷电路板，用来安装所述硅光座，并装有激光二极管组件驱动电路、光检测器组件驱动电路和具有至少一根光纤的光纤/包层/套管组，其中所述激光二极管组件驱动电路把电信号加在所述激光二极管组件上，以便驱动它根据电信号产生光信号，而且其中所述光检测器组件的驱动电路把所述光检测器接收的光信号转换成电信号；和
塑料封装，用来通过包上保护层使得所述印刷电路板可以与外界隔绝而把所述印刷电路板密封成具有小形状因数的形状。
附图说明
图1是表示相关技术光收发集成模块结构的剖面简图；
图2是表示按照本发明的使用硅光座的小形状因数光收发集成模块中可用于RJ(定位插座)-45封装的与激光二极管/光检测器组件一起形成的硅光座结构的简图；
图3是表示按照本发明的使用硅光座的小形状因数光收发集成模块中可用于RJ-45封装的与另一种激光二极管/光检测器组件一起形成的硅光座结构的简图；
图4是表示按照本发明的使用硅光座的小形状因数光收发集成模块中可用于LC封装的与激光二极管/光检测器组件一起形成的硅光座结构的简图；
图5A和5B是表示可用于RJ-45封装并装有图2所示硅光座的按照本发明使用的硅光座的小形状因数光收发集成模块的结构的简图；其中：
图5A简要地示出使用装有激光二极管/光检测器组件的RJ-45封装用的2×10型硅光座的小形状因数光收发集成模块的结构的简图；以及
图5B简要地示出使用装有激光二极管/光检测器组件的RJ-45封装用的2×5型硅光座的小形状因数光收发集成模块的结构的简图；以及
图6A和6B是表示可用于LC封装并装有图4所示硅光座的按照本发明的使用硅光座的小形状因数光收发集成模块的结构的简图；其中：
图6A简要地示出使用装有激光二极管/光检测器组件的LC封装用的2×10型硅光座的小形状因数光收发集成模块的结构的简图；以及
图6B简要地示出使用装有激光二极管/光检测器组件的LC封装用的2×5型硅光座的小形状因数光收发集成模块的结构的简图。
具体实施方式
本发明的目的是提供一种使用硅光座的小形状因数光收发集成模块，其中制备一种被称为小型封装的新型塑料封装，其中把硅光座技术用来制造新型的光收发集成模块，后者与以前的光收发模块相比尺寸减半，并可使用作为国际标准的MT_RJ或LC连接器。
下文中将参照附图详细地描述按照本发明的使用硅光座的小形状因数光收发集成模块。
在按照本发明的使用硅光座的小形状因数光收发集成模块中，把塑料封装制造成插座形状，而不使用光纤，以便符合小形状因数规格，并且造使用硅光座的激光二极管或光检测器组件，以便装在所述封装内。激光二极管把电信号转换成光信号，而光检测器则把光信号转换成电信号。通过把光发送器和光接收器集成为在一个模块中而形成光收发模块。所述塑料封装减小了总体尺寸，以便符合小形状因数封装的规格，然后利用固定在SiOB(Silicon Optical Bench硅光座)中的包层(ferrule)或双芯包层、使用塑料封装和光纤/包层/套管组制造成新型光收发模块。这里，小型封装与以前的光收发模块相比尺寸减半，并且与先前的光收发模块相比能以两倍的集成度安装在相同的面积上。有利的是，当前开发的各种类型连接器，诸如MT-RJ连接器或LC连接器都能用于小型封装。
与一般的光收发集成模块不同，小型封装在光信号的发送部分和接收部分之间的距离具有小的数值，如图2和图3所示对于MT-RJ封装为0.75mm，如图4所示在LC封装中为6.35mm，以便制造为此使用的配备有规定设计在硅晶片上的V型槽的硅光座。
在小形状因数封装中，为了制造RJ-45封装，如图2和图3所示，在各单模光纤的纤芯之间的距离为750μm的情况下，制造双芯包层118和127。为了制造LC封装，如图4所示，通过把单模光纤156固定在陶瓷包层158上制造光纤/包层/套管组156，158和159。这里，为了制造RJ-45封装，如图5A所示，制备纤芯之间距离为750μm的双芯包层144，而不分别单独使用两根光纤和包层，因为单模光纤116和125的纤芯具有750μm这样非常小的距离。如图5A所示，双芯包层配备有几个孔143，MT-RJ连接器的导销可以插入其中。另外，为了制造LC封装，如图4所示，单独制造两套光纤/包层/套管组156，158和159，因为小形状因数的连接部分的尺寸比以前的小，所以，使用小单元包层(Miniature Unit ferrule)来制造光纤/包层/套管组156，158和159。
在光收发器的激光二极管组件中，激光二极管115和155和监视用的光检测器利用焊料隆起物(solder bump)按照倒装式接合法粘结在硅光座上。光纤116和156利用SiOB上形成的V型槽117和157用手工与激光二极管对准并用紫外线环氧树脂可靠地固定。
在光收发器用的PD或光检测器组件中，接收器光检测器112，122和152利用焊料隆起物按照倒装式接合法粘结在SiO上。而光纤116，125和156用手工与接收器的光敏二极管对准，并用紫外线环氧树脂可靠地固定。
像这样在制造过程中使用精确地在SiOB上确定的V型槽117，126和157把光纤116，125和156加在光发送器和光接收器上。因此，光纤116，125和156可以用手工对准，而且不需要使用昂贵的对准仪器。光发送器和光接收器全都插入塑料封装，还使用塑料盖，使封装的成本得以降低，成本竞争力得以提高。
实际上，在RJ-45封装用的激光二极管/光电检测器组件中，印刷电路板141固定在RJ-45上，而双芯包层144安装在印刷电路板141上，这里包上塑料制的用以固定的保护层，以便如图5A和5B所示地制造RJ-45封装的光收发集成模块。这里，标号141是具有2×10个引脚的印刷电路板，143是导销用的孔，145是MT-RJ连接器用的连接部分，146是引脚，147是2×5引脚的印刷电路板。
另外，在LC封装用的激光二极管/光检测器组件中，印刷电路板固定在LC封装型塑料封装上，而连接到SiOB的光纤/包层/套管组被送入塑料包层支架中，然后装在印刷电路板上，其中包上塑料制的用以固定的保护层，以便如图6A和6B所示地制造出利用LC封装的光收发集成模块。这里，标号161是2×10引脚印刷电路板，162是发送器硅光座，163是接收器硅光座，164是包层，165是套管，166是LC连接器的连接部分，167是引脚，而168是2×5引脚印刷电路板。
在利用这些RJ-45塑料封装和LC塑料封装制造光收发集成模块的过程中，对外部EMI(电磁干扰)反应敏感的前置放大器和接收器光检测器132和152外围的印刷电路板部分用专门设计的双屏蔽壳覆盖，后者通过固定到印刷电路板上来覆盖前置放大器和光检测器组件，使得有源组件可以免受外来电磁干扰影响。这是因为，塑料封装不能起与金属封装相同的功能，后者利用TO-罐型金属封装和金属外侧封装用到相关封装上，它本身能有效地保护金属封装内的组件。
为了在-40至85℃的温度下工作，如上所述地制造的光收发集成模块必须气密密封。因为塑料封装不提供气密密封，所以把硅胶涂在激光二极管组件和光检测器组件上，以便提供气密密封，然后在硅胶上加上胶套密封材料，以防吸收外部湿气，以此保护有源组件免受外部环境影响。
正如在上面看到的，本发明的利用硅光座的小形状因数光收发器是用塑料封装而不是用金属封装制造，由于硅SiOB的缘故而用手工对准光纤，并且，对于RJ-45封装利用双芯包层，而对于LC封装则利用光纤/包层/套管组。
在像这样的利用硅光纤的小形状因数光收发集成模块的光发送部分中，激光二极管把电信号转换成光信号，并通过光纤把光信号送到外部，而来自激光二极管后部的强度弱的光由设置在激光二极管后面的监视光电二极管检测，以便通过返回电路调整来自激光二极管前部的光强度。在光接收部分，接收器光电二极管把通过光纤传输的外部光信号转换成电信号。
在利用本发明的硅光座的小形状因数光收发集成模块中，制备被称为小型封装的新型塑料封装来代替金属封装，其中把硅光座技术应用于新型光收发集成模块的制造，它与以前的光收发模块相比尺寸减半，使得能够完成简单的加工，而不使用昂贵的金属封装和装备，而且可以用于作为国际标准的MT-RJ连接器和LC连接器。
此外，利用硅光座、塑料封装、双芯包层和光纤/包层/套管组制造的小形状因数光收发集成模块具有以下优点：
首先，可以利用在SiOB中形成的V型槽手工对准光纤，使得加工过程可以简化，而且不必使用任何昂贵的设备即可完成。
其次，不需要外加的光学器件和封装材料，对于大规模生产，可以使用可以获得的廉价硅材料的SiOB和塑料封装，使制造可以以低成本完成，因而模块的总成本得以降低。
第三，使用纤芯间距离为750μm的双芯包层，使得不需要任何特殊的光学器件，因而加工过程得以简化，生产成本低廉，模块成本得以降低。
第四，使用光纤/包层/套管组，而无须特殊光学器件，使得加工过程能够简单地进行，生产成本低廉，模块成本得以降低。
第五，可以在设置光电二极管和激光二极管的部分上涂敷硅胶和密封剂，使得这些组件可以免受外部环境的影响。
第六，单模光纤可以直接用来耦合到SiOB，既适用于单模又适用于多模，因而既可以用于DACOMM又可以用于TELECOMM。
第七，对于LC封装和RJ封装，SiOB可以用相同的工艺加工，因此能够实现对任何封装的有效对应性。
最后，第八，在制造过程中该模块可以适配几乎所有不使用光纤的插座型光模块。

Claims (8)

1.一种使用硅光座的小形状因数光收发集成模块，它包括：
其上集成了激光二极管组件和光检测器组件的硅光座，所述激光二极管组件包括光信号发送激光二极管，而所述光检测器组件包括光信号接收光检测器；
印刷电路板，用来安装所述硅光座，并装有激光二极管组件驱动电路、光检测器组件驱动电路和具有至少一根光纤的光纤/包层/套管组，其中所述激光二极管组件驱动电路把电信号加在所述激光二极管组件上，以便驱动它根据电信号产生光信号，而且其中所述光检测器组件的驱动电路把所述光检测器接收的光信号转换成电信号；和
塑料封装，用来通过包上保护层使得所述印刷电路板可以与外界隔绝而把所述印刷电路板密封成具有小形状因数的形状。
2.按照权利要求1的使用硅光座的小形状因数光收发集成模块，其特征在于：所述激光二极管组件和所述光检测器组件涂有硅胶，后者加有密封剂。
3.按照权利要求1的使用硅光座的小形状因数光收发集成模块，其特征在于：所述硅光座利用将光纤的纤芯距离调整为0.75mm的双芯包层连接到连接器。
4.按照权利要求1的使用硅光座的小形状因数光收发集成模块，其特征在于：所述硅光座利用将光纤的纤芯距离调整为6.35mm的光纤/包层/套管组连接到连接器。
5.按照权利要求1的使用硅光座的小形状因数光收发集成模块，其特征在于：装在所述硅光座上的所述激光二极管和连接到所述光检测器的光纤用手工对准。
6.按照权利要求1的使用硅光座的小形状因数光收发集成模块，其特征在于：所述保护层是塑料制成的。
7.按照权利要求1的使用硅光座的小形状因数光收发集成模块，其特征在于还包括屏蔽壳，用来屏蔽所述光检测器组件驱动电路和所述接收器光检测器，使其免受外部电磁干扰影响，并且所述屏蔽壳固定在所述印刷电路板上所述光检测器组件驱动电路和所述接收器光检测器周围。
8.按照权利要求7的使用硅光座的小形状因数光收发集成模块，其特征在于：所述屏蔽壳具有双层结构。
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