CN1654997A - 具有陶瓷封装的小型光学分组件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学分组件，即用于光学收发器装置的接收器光学分组件或发送器光学分组件。根据本发明的光学分组件包括密封的陶瓷封装，该陶瓷封装带有多层陶瓷结构，该陶瓷结构提供一种独特的RF信号和接地结构，该RF信号和接地结构提供受控的信号阻抗，以实现高信号传输质量。

Description

具有陶瓷封装的小型光学分组件
交叉引用的相关申请
[1]本发明主张于2004年2月2日提交的美国专利申请No.60/541,076的优先权，通过参考将该专利申请合并到本发明中。
技术领域
[2]本发明涉及一种用于光学收发器的光学分组件(OSA)，特别地，本发明涉及一种包括陶瓷封装的小型OSA，所述陶瓷封装的小型OSA用于传输或接收高数据传输速度的信号。
发明背景
[3]收发器制造业的驱动力正在于减小外型尺寸、提高数据传输速度并降低成本。为了实现所有的这些目标，常规的晶体管外形(TO)罐设计方法必须由更加奇特的部件包装方法来取代。不过，为了提供能够用于大范围的数据传输速度和产品的OSA，这种OSA必须在OSA芯片与所述收发器电子装置之间的高速RF电信号通路中采用受控的阻抗连接。而且，部件的总数必须减少，且能够用现有的可获取的材料制造。这种组装过程，包括光学准直，必须进行简化和/或使其自动化，以降低劳动力成本和提高生产速度，且纤维插座部件应支持不同的波长。
[4]常规的OSA设计，如在1996年7月16日授权公告的，申请人为Cina等人并转让给现在的申请人的美国专利No.5,537,504中所公开的OSA设计，包括一个安装在容器25中的光电子(O/E)变换器4，该容器25由一个窗口26密封。实心金属导线23和24延伸穿过所述容器25的后部，以焊接到其它导线或直接焊接到收发器印刷电路板。Cina等人的装置在高速数据传输速度中的信号完整性较差，因为RF信号需要穿过所述导线23和24传输，而所述导线23和24限制传输的质量和所述收发器印刷电路板的定位。软带导电性布线的使用已在1991年4月9日授权公告的，申请人为Arvanitakis等人并转让给现在的申请人的美国专利No.5,005,939中公开，但仅用于将OSA的现有导线连接到所述收发器印刷电路板。而且，Arvanitakis等人的专利中的装置并没有公开高质量高数据速度信号所要求的受控信号阻抗导体的使用。
[5]本发明的一个目的在于通过提供具有受控的信号阻抗的光学分组件来克服现有技术中的缺陷，这种受控的信号阻抗位于变换器芯片与所述收发器PCB之间。
发明概述
[6]相应地，本发明涉及一种光学分组件，包括：
[7]一个限定了纵向光轴的光学连接器，用于接收光纤的一端，所述光纤传输包括光学信号的光束；
[8]耦合到所述光学连接器的外壳；
[9]包括接地和信号导孔结构的多层陶瓷封装，所述多层陶瓷封装用于传输RF信号，所述多层陶瓷封装带有穿过其中的受控的信号阻抗；
[10]安装在所述陶瓷封装中的变换器，该变换器用于将光信号变换成电信号或将电信号变换成光信号；
[11]安装在所述外壳中的限定了透镜轴的透镜，所述透镜用于在所述光纤与变换器之间传递光束；和
[12]包括接地层和信号层的柔性电路导体，所述柔性电路导体用于提供受控的阻抗传输线路，所述受控的阻抗传输线路用于向所述变换器或从所述变换器传输电信号，所述柔性电路导体的一端由所述陶瓷封装支持并与所述变换器进行电气连接，所述柔性电路导体的另一端向外伸出以与主装置的控制电子装置进行连接。
附图详述
[13]本发明将参考附图进行详细描述，这些附图表示本发明的优选实施例，其中：
[14]图1是根据本发明的OSA的等轴测视图；
[15]图2是图1中OSA的分解等轴测视图；
[16]图3是图1和图2中OSA的截面图；
[17]图4是用于图1到图3中OSA的陶瓷封装和帽的分解等轴测视图；
[18]图5是图4中的陶瓷封装的截面图；
[19]图6a到图6d是用于图1到图5中OSA的光电探测器和转阻抗放大器的实施例的等轴测视图；
[20]图7是本发明的陶瓷封装中可供选择的实施例的截面图；
[21]图8是图4和图5中的陶瓷封装的仰视图；
[22]图9是图4和图5中的陶瓷封装的第一内部布线层的俯视图；
[23]图10是图4和图5中陶瓷封装的第二内部布线层的俯视图；
[24]图11是图4和图5中陶瓷封装的一部分的俯视图，该图示出了由接地导孔(via)所围绕的RF信号导孔；
[25]图12是所述第一或第二内部布线层的一部分的俯视图，该图示出了所述RF信号导孔；
[26]图13是图4和图5中陶瓷封装的一部分的俯视图，该图示出了由接地导孔所围绕的RF信号导孔的一个可供选择的实施例；
[27]图14是所述第一或第二内部布线层的一部分的俯视图，该图示出了图9中的所述RF信号导孔的一个可供选择的实施例；
[28]图15是柔性电路信号层的俯视图；
[29]图16是柔性电路接地层的俯视图；
[30]图17是柔性电路掩模层的俯视图；和
[31]图18是安装在收发器上的根据本发明的OSA的等轴测视图。
发明详细描述
[32]参看图1到图3，根据本发明的一般由1所表示的OSA包括光学耦合器2、外壳3、陶瓷封装4和柔性电路5。所述光学耦合器2包括光学钻孔6，该光学钻孔6限定了纵向光轴OA，用于接收光纤(未示出)的一端，该光纤用于向所述OSA 1或从所述OSA 1传输包括光学信号的光束。所述外壳3包括用于在所述光纤和陶瓷封装4之间传递光束的透镜7，和限定外罩9的环状安装法兰8。优选地，所述光学耦合器2和外壳3用光学等级的塑料一体化而形成，所述光学等级塑料如ULTEM1010。
[33]所述OSA 1既可以是接收器光学分组件(ROSA)，该ROSA带有光电子(OE)变换器10并用于将光学信号转换成电信号，也可以是发送器光学分组件(TOSA)，该TOSA带有OE变换器10并用于将电信号转换成光学信号。在所述OSA 1是ROSA的情况下，所述OE变换器10包括一个光电探测器11，该光电探测器11有一个连接在其上的转阻抗放大器(TIA)12。在所述OSA 1是TOSA的情况下，所述OE变换器10包括一个光源，如垂直腔表面发射激光(VCSEL)，该垂直腔表面发射激光(VCSEL)带有一个连接在其上的激光驱动器。
[34]在所述OSA 1用作ROSA的情况下，将透镜光轴LA相对于所述纵向光轴OA径向偏移，以使离开所述光纤的由主光线15所表示的光发生倾斜，即相对于所述纵向光轴OA呈一个3°到10°的小的锐角。相应地，所述光就会以一个80°到87°的角度入射到所述光电探测器11上，即与法线成一个3°到10°的角，这样就会减少从所述光电探测器11到所述光纤的背反射，而并不在物理上倾斜所述光电探测器11。
[35]为了进一步对所述光束离开所述光纤时的背反射进行限制，在所述透镜7的前表面上安装一个折射率匹配的光学插入件16。所述光学插入件16的折射率与所述光纤的折射率紧密匹配。优选所述光学插入件16为矩形或圆柱形的二氧化硅块，BK7，或者硼硅酸盐浮法玻璃。理想地，所述光学插入件16用折射率匹配的粘合剂固定到所述透镜7的前表面，优选所述粘合剂的折射率介于所述光学插入件16的折射率与所述透镜7的折射率之间。作为选择，所述光学插入件16也可以用其它的方式固定到所述透镜7的前表面，如压配合。
[36]在一个优选实施例中，所述光学插入件16向外伸出而进入所述光学耦合器2的钻孔6内，并在其附近形成一个槽17。所述槽17会提供用于收集任何进入所述钻孔6的尘埃或外来颗粒的区域，以避免这种物质埋置在所述光学插入件16之中。
[37]由于所述光纤是以二氧化硅为基础的，所以在所述光纤/光学插入件16界面处的反射可以忽略。在所述光学插入件16/塑料透镜7界面处的折射率差异确实会导致少量的背反射的产生。不过，所述光束在到达所述透镜7的前表面之前就扩大，并在其背反射回到所述光纤时继续扩大。相应地，所述背反射光与所述光纤模式之间的重叠相对较小，即所述光束的仅仅一小部分被反射回所述光纤。为了进一步减少这种背反射，所述光学插入件16的尺寸可以增加而超过通常的0.8mm的长度。
[38]参看图4和图5，所述陶瓷封装4由过渡帽21、密封隔离环22，和多层陶瓷结构23组成。为了便于制造，所述陶瓷结构通常呈正方形或矩形。相应地，所述过渡帽21包括用于伸入所述外罩9中的上部分24、过渡中间部分25，和用于覆盖多层陶瓷结构23的正方形(或矩形)的基座部分26。在所述上部分24中安装有密封封闭的窗口28，以使所述光束能够在所述透镜7和变换器10之间传递。优选所述封闭隔离环22用热膨胀系数低的材料组成，如Kovar，该封闭隔离环22被焊接到所述上部分24上并钎焊到所述陶瓷结构23的金属部分上，以确保密封封闭，这种密封封闭在某种用途中是是必需的，如具有高偏压的雪崩光电二极管(APD)。所述陶瓷封装4用粘合剂29固定到所述外壳3上，这种粘合剂分别用在所述安装法兰8和过渡与基座部分25和26之间。
[39]与所述变换器10，如所述光电探测器11和TIA 12一起，所述陶瓷结构23的上表面包括焊接垫30a和30b，或电线结合垫(未示出)，该焊接垫30a和30b或电线结合垫用于将RF信号传输线路分别连接到所述TIA 12(或激光驱动器)。提供8个冗余控制垫33来连接其它的电气部件和传输信号，这些电气部件和传输信号用于其它的功能，如功率和光学功率监测。在贴近所述变换器10的位置可以安装其它的部件34a到34c，如用于监测温度的电热调节器34a、用于所述TIA 12的低通过滤器中的电容器34b到34c、以及电感扼流圈部件，这些电感扼流圈部件能够使直流电流被馈入激光，而交流RF信号并不减少。
[40]如图4和图5所示，所述光电探测器11被安装(“覆晶(flip-chip)”)在小基板36上，以使所述光进入并穿过基片，即后照射；不过，也可以使用其它的安排，如前照射光电探测器。所示出的TIA 12被置于邻近于所述光电探测器11的位置，以使所述光电探测器与所述TIA的输入垫进行直接的引线接合，因此，也就能够保持较短的引线接合以限制引线接合电感，并且也能够使所述引线接合的长度被调整，以使其电感能够变化来符合多种TIA输入要求。
[41]参看图6a到6d和图7，作为一种选择，所述光电探测器11可以是一种后照射反偏压光电二极管，该光电探测器11通过在AC和DC部件都产生电流来回应入射光学信号。在所述TIA 12的安装表面上的多个电接触器38被连接到所述光电探测器11上的对应电极39上，这种连接采用已知的许多方法中的任何一种来进行，如在覆晶粘结方法中的焊料块的使用。优选在为了匹配所述光电探测器11上的电接触器39而进行的初始处理之后，在所述TIA 12中加上再分布层41，该再分布层41带有所述前置放大器接触器38。所述覆晶粘结方法提供非常低的封装寄生效应，但能够使所述光电探测器11以高精度对准。作为选择，在初始处理期间，可将带有接触器38的线路配置图加在所述TIA 12的熔炼之中，不过，这种方法使所述TIA 12不能够用在标准引线接合之中。在所述TIA 12的周围提供接触器42，以将引线接合器43连接到所述陶瓷结构23的表面上的适当连接器上。
[42]在TIA芯片上也可以使用前照射光电探测器，在该前照射光电探测器中，所述光电二极管基片上的最上层接触片连接到所述TIA上的垫片上。新开发的前照射光电二极管使所述基片与所述光电二极管的顶部表面接触，以使两种接触器(阳极和阴极)均能够与引线接合一起制造。
[43]如图5到图10所示，所述陶瓷结构23分别包括第一、第二和第三陶瓷层51、52和53，第一和第二内部布线层54和55位于所述第一、第二和第三陶瓷层51、52和53之间。所述陶瓷结构23的一侧包括垂直延伸的导孔50，该导孔50从所述第一陶瓷层51表面上的8个冗余控制垫33延伸到所述第三陶瓷层53的底部上的4个底部控制垫56中的一个，并为电压电源、APD偏压、温度输出、激光偏压、激光温度、监测光电二极管阳极、监测光电二极管阴极，和光学功率监测形成控制线路。所述第一内部布线层54(图9)包括横向延伸的导体57，该导体57用于连接所述导孔50中的一条、两条或三条，所述一条、两条或三条导孔50穿过所述第一陶瓷层51延伸到单独的一条导孔50，该单独的一条导孔50延伸穿过所述第二陶瓷层52，从而提供冗余的控制垫，如与所述底部控制垫56相连接的所述第一陶瓷层51的上表面上的33。所述冗余能够使所述TIA 12芯片有多种变化，从而具有不同的输入/输出垫布置，这些不同的输入/输出垫布置可以配置成相同的底部控制垫配置，即用于所述柔性电路5和主收发器PCB的相同输入/输出配置。因此，所述导孔50中的一些并不延伸穿过所有三层所述第一、第二和第三陶瓷层51、52和53，见图5。
[44]所述陶瓷结构23的另一侧包括第一和第二RF信号导孔59，该第一和第二RF信号导孔59从所述焊接垫30a和30b延伸，并分别垂直穿过所述第一、第二和第三陶瓷层51、52和53，到达所述第三陶瓷层53的底部表面上的焊接垫60a和60b。所述第一和第二RF信号导孔59基本上由多个接地导孔61所围绕，所述多个接地导孔61提供受控的信号阻抗，以在整个所述陶瓷结构23中实现高的信号传输质量。参看图11和12，在这些图中示出了第一实施例，在该实施例中，通过包围每个RF信号导孔59并确保在所述RF信号导孔59之间至少置放所述接地导孔61中的一个，如所述接地导孔61形成一个数字8的形状，所述多个接地导孔61将所述RF信号导孔59彼此隔离，即将所述RF信号导孔解耦。每个所述RF信号导孔59位于等距分开的接地导孔61的环的中央，即所述接地导孔61的环与所述RF信号导孔59同轴。所述接地导孔61与所述RF信号导孔59的间隔对所有的接地导孔61都是均等的，且根据所要求的阻抗量来确定，如50欧姆。如图9、10和12分别所示，每个第一和第二内部布线层54和55都包括金属接地平面63，该金属接地平面63都有单独切出的用于每个RF信号导孔51的孔64。所述孔64的直径比所述接地导孔61的环的直径略小，以使所述接地导孔61能够延伸穿过所述金属接地平面63。
[45]在图13和图14所示的一个可供选择的实施例中，所述接地导孔61围绕所述第一和第二RF信号导孔59，所述RF信号导孔59的信号通过电磁交感耦合。同样，对所述RF信号导孔59与所述接地导孔61之间的间隔进行选择，以提供所希望的阻抗，如100欧姆。在此实施例当中，在所述第一和第二内部布线层54和55中切出一个单独的孔65，以容纳所述RF信号导孔59。所述孔65大体上呈椭圆形或带有圆角的矩形。
[46]在前述的两个实施例中，所希望的阻抗全都不仅根据所述接地导孔61的间隔，而且根据所述第一和第二内部布线层54和55中的孔64或65的截面和间隔来确定，所述第一和第二内部布线层54和55与所述接地导孔61耦合并形成所述接地结构的部分。
[47]如图8所示，在所述第三陶瓷层53的底部表面上的剩余连接片67为接地导孔71提供了连接，该接地导孔71与所述控制线路导孔50一起使用。作为选择，许多并不与接地导孔71连接的连接片67提供无载连接方式，所述柔性电路5能够通过该无载连接方式固定在所述第三陶瓷层53上，以使带电连接不受到所述OSA 1与所述收发器PCB之间的任何压力的大部分影响。
[48]所述柔性电路5的层在图15、16和17中示出，这些层包括信号层72(图15)、接地层73(图16)和掩模层74(图17)。所述信号层72包括两条RF数据信号传输线路76a和76b、两条接地线路77a和77b，以及四条控制线路78a到78d。利用BGA焊接球79或其它适当的方式，将所述RF数据信号传输线路76a和76b的一端分别连接到所述RF数据信号垫片60a和60b的一端。类似地，焊接球79或其它适当的方式也用于将所述控制线路78a到78d的一端连接到所述底部控制垫56，而所述接地线路77a和77b的一端连接到接地连接垫67。所述线路76a、76b、77a、77b和78a到78d包括用于连接到所述收发器PCB的焊接垫。所述信号层72最初包括试验垫片80，这些试验垫片在组装之后被切除。所述接地层73包括用于控制线路导孔的开口81，和用于RF数据信号导孔的开口82。所述接地线路77a和77b在点83和84分别与所述接地层73连接。所述掩模层74为所述铜接地层73提供了焊接掩模或覆盖，并包括16个开口88，这些开口88能够使其进入所述第三陶瓷层53(图8)的底部上的16个焊接垫。
[49]参看图8、图9和图10，在所述陶瓷结构23的周围置有多个屏蔽接地导孔91。所述屏蔽接地导孔91从所述柔性电路5的接地层73延伸并穿过所述第一、第二和第三陶瓷层51、52和53中的每一层，以及所述第一和第二内部布线层54和55的接地平面63。所述屏蔽接地导孔91被连接到所述封闭隔离环22且隔开约1/4的波长，所述金属过渡帽21被焊接到所述封闭隔离环22上，而所述1/4的波长足够小以阻断并不希望的电磁干扰(EMI)。相应地，所述过渡帽21、封闭隔离环22、屏蔽接地导孔91，和所述柔性电路5的接地平面形成一个“法拉第罩”，以屏蔽所述OSA 1免受并不希望的EMI的影响。
[50]而且，所述接地导孔61、71和91、DC和RF导孔50和59、封闭隔离环22、过渡帽21、焊接球79，以及所述柔性电路5上的轨迹的组合，从所述TIA12中将内部热负荷散去，以在所要求的温度范围上提供更好的性能。
[51]参看图18，所述OSA 1最适合用作ROSA，该ROSA安装在收发器外壳103中的TOSA旁。在所述外壳103上的前部提供一个双工光学连接器104，该双工光学连接器104用来接收对应的双工光学连接器，该对应的双工光学连接器固定在一对光纤的一端，所述一对光纤的一端分别延伸到所述ROSA 1和TOSA 101的光学耦合器2和102中。正如在通过参考合并到本发明中的、于2004年1月26日提交的同时待审的美国专利申请No.60/539,219中所公开的那样，所述TOSA 101是柔性环TOSA，并包括延伸到PCB 106的柔性电路导体105。如上所述，所述OSA 1包括陶瓷封装4，该陶瓷封装4带有柔性电路5，该柔性电路5从那里延伸到所述PCB 106。所述外壳103的后端107包括一个电连接器，如PCB边缘连接器或针，该电连接器用于将所述收发器连接到主装置上。

Claims (17)

1.一种光学分组件，包括：
一个限定了纵向光轴的光学连接器，用于接收光纤的一端，所述光纤传输包括光学信号的光束；
耦合到所述光学连接器的外壳；
包括接地和信号导孔结构的多层陶瓷封装，用于传输RF信号，所述多层陶瓷封装带有穿过其中的受控的信号阻抗；
安装在所述陶瓷封装中的变换器，该变换器用于将光信号变换成电信号或将电信号变换成光信号；
安装在所述外壳中的限定了透镜轴的透镜，所述透镜用于在所述光纤与变换器之间传递光束；和
包括接地层和信号层的柔性电路导体，所述柔性电路导体用于提供受控的阻抗传输线路，所述受控的阻抗传输线路用于向所述变换器或从所述变换器传输电信号，所述柔性电路导体的一端由所述陶瓷封装支持并与所述变换器进行电气连接，所述柔性电路导体的另一端向外伸出以与主装置的控制电子装置进行连接。
2.如权利要求1所述的光学分组件，其特征在于，所述导孔结构包括第一和第二RF导孔，所述第一和第二RF导孔用于传输第一和第二RF信号，并且所述第一和第二RF导孔由多个接地导孔以提供所希望的阻抗的距离所围绕。
3.如权利要求2所述的光学分组件，其特征在于，所述第一和第二RF导孔在它们之间有一个接地导孔，因此将所述第一和第二RF信号彼此隔开。
4.如权利要求3所述的光学分组件，其特征在于，所述第一和第二RF导孔中的每一个位于多个等距分开的接地导孔的中心。
5.如权利要求2所述的光学分组件，其特征在于，所述接地导孔以基本上呈椭圆形的形状排列在所述第一和第二RF导孔周围，由此所述第一和第二RF信号被耦合。
6.如权利要求1所述的光学分组件，其特征在于，所述陶瓷封装包括多层陶瓷结构和一个金属顶盖，所述金属顶盖固定在所述陶瓷封装上并有一个透明的窗口，用于将所述变换器密封在所述陶瓷封装内。
7.如权利要求6所述的光学分组件，还包括位于所述陶瓷结构周围的多个屏蔽接地导孔，所述多个屏蔽接地导孔从所述金属顶盖穿过所述陶瓷结构延伸到所述柔性电路的接地平面，由此形成法拉第罩以阻止电磁干扰。
8.如权利要求6所述的光学分组件，其特征在于，所述陶瓷结构布置成与所述光轴垂直，以包覆所述外壳。
9.如权利要求8所述的光学分组件，其特征在于，将所述光轴从所述透镜进行横向偏移，由此所述光束以一个80°到87°的角度入射到所述变换器上。
10.如权利要求9所述的光学分组件，其特征在于，所述光学耦合器、透镜和外壳一体化而形成并带有一个安装法兰，该安装法兰从那里延伸并用于将所述陶瓷封装固定在其上。
11.如权利要求6所述的光学分组件，其特征在于，所述金属顶帽包括用于伸进所述外壳的圆柱形部分、用于覆盖所述陶瓷结构的矩形部分，和用于在所述圆柱形和矩形部分之间提供过渡的过渡部分。
12.如权利要求1所述的光学分组件，还包括控制导孔，该控制导孔用于在所述变换器与柔性电路之间传输功率、控制和监测信号中的一个或多个；所述陶瓷封装包括多层陶瓷结构，其中所述陶瓷结构的各层之间带有内部布线层；其中所述陶瓷结构的上层所包括的控制导孔比所述陶瓷结构的下层所包括的控制导孔多；其中所述上层的上表面所具有的焊接垫比所述下层的下表面所具有的焊接垫多；其中所述内部布线层中的一层包括导体，所述导体用于将在所述上层中的多条导孔与在所述下层中的单独的导孔进行电气连接；所述上层的上表面上的多个焊接垫与所述下层的下表面上的单独焊接垫进行电气连接，以产生用于不同变换器的连接分布。
13.如权利要求1所述的光学分组件，还包括在所述光学耦合器内部或邻近于所述光学耦合器的折射率匹配块，该折射率匹配块的折射率类似于所述光纤的折射率，并用于对反射回所述光纤的光的量进行限制。
14.如权利要求13所述的光学分组件，其特征在于，所述折射率匹配块由一个槽所围绕，该槽用于收集进入所述光学耦合器的并不希望的碎片。
15.如权利要求1所述的光学分组件，还包括位于所述陶瓷封装的底部表面上的带电焊接垫，该带电焊接垫用于与所述柔性电路的信号层上的对应传输线路，以及邻近于所述带电焊接垫并用于连接到所述柔性电路的无载焊接垫进行带电连接，由此对在所述带电连接所引致的压力的量进行限制。
16.如权利要求1所述的光学分组件，其特征在于，所述变换器包括安装在转阻抗放大器的项部的光电探测器。
17.如权利要求16所述的光学分组件，其特征在于，所述光电探测器以覆晶方式接合在所述转阻抗放大器上。
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