CN1665086A - 应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块及制作方法 - Google Patents

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CN1665086A CN 200410007709 CN200410007709A CN1665086A CN 1665086 A CN1665086 A CN 1665086A CN 200410007709 CN200410007709 CN 200410007709 CN 200410007709 A CN200410007709 A CN 200410007709A CN 1665086 A CN1665086 A CN 1665086A
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陈弘达
申荣铉
毛陆虹
唐君
裴为华
高鹏
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一种应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块，其中包括：一高频印制电路板，在该高频印制电路板的一端形成有一信号输入端口，该信号输入端口采用镀金的插板结构；一垂直腔面发射激光器阵列，该垂直腔面发射激光器阵列以倒装焊工艺直接集成在高频印制电路板上面；一自聚焦透镜阵列，能够将激光器的出射光线平滑且连续的汇聚到特制的光纤阵列接入点，该透镜阵列与垂直腔面发射激光器阵列经有源对准之后直接粘结在一起；一驱动电路芯片，该驱动电路芯片以裸片的形式通过倒装焊工艺直接集成在高频印制电路板上面；将该垂直腔面发射激光器阵列与驱动电路芯片通过高频电路板上的微带线连接，采用小型可插拔封装工艺，构成可插拔的并行光发射模块。

Description

应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块及制作方法
技术领域
本发明涉及光通信用发射模块，更具体地说，是涉及基于垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列，且应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块及制作方法。
背景技术
垂直腔面发射激光器是光从垂直于半导体衬底表面的方向射出的一种半导体激光器。与传统的边发射激光器相比，垂直腔面发射激光器具有非常优越的性能和极其低廉的价格。其输出光垂直于衬底，这种独特的表面发光器件结构具有小发散角和对称的远近场分布，能发射高质量的园形光束，使得其与光纤的耦合效率大为提高。由于其体积小，能够实现极小电流的工作，可大大降低对驱动电路芯片的要求，降低模块的功耗和改善热特性。由于垂直腔面发射激光器是表面发光器件，制备和测试工艺完成在分管和封装工艺之前，可以进行在片测试，与微电子平面工艺完全兼容，满足了低成本、大规模制备这一现代工业的关键要求。作为低成本高性能的激光光源，在光纤通信网络、局域网、高速数据传输、并行光互连方面将具有重大的应用前景。
将激光器与驱动电路芯片以裸片的形势通过倒装焊的工艺直接集成在电路板上，省去了芯片的封装以及金丝压焊的工艺，在节省制作成本的同时同时减少了信号间的噪声干扰。
为了更好地实现激光器阵列与光纤阵列的耦合，设计中加入了自聚焦透镜阵列。自聚焦透镜材料不仅能够使沿径向传输的光产生折射，而且其沿径向逐渐减小的折射率分布，能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到光纤阵列的接入点。通过透镜的水平端面完成聚焦功能，使激光器发出的光经自聚焦透镜后能有效的耦合进特制的光纤阵列，大大提高了耦合效率。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于垂直腔面发射激光器阵列及制作方法，且应用了自聚焦透镜阵列的并行光发射模块，其是应用于短距离(300米以内)传输的并行光发射模块，通过并行光传输方案设计在性能和成本上的优势，实现高带宽，低成本的光传输系统。
本发明一种应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块，其特征在于，其中包括：
一高频印制电路板，在该高频印制电路板的一端形成有一信号输入端口，该信号输入端口采用镀金的插板结构；
一垂直腔面发射激光器阵列，该垂直腔面发射激光器阵列以倒装焊工艺直接集成在高频印制电路板上面；
一自聚焦透镜阵列，能够将激光器的出射光线平滑且连续的汇聚到光纤阵列接入点，该透镜阵列与垂直腔面发射激光器阵列经有源对准之后直接粘结在一起；
一驱动电路芯片，该驱动电路芯片以裸片的形式通过倒装焊工艺直接集成在高频印制电路板上面；
将该垂直腔面发射激光器阵列与驱动电路芯片通过高频电路板上的微带线连接，采用小型可插拔封装工艺，构成可插拔的并行光发射模块。
其中所述的垂直腔面发射激光器阵列为1×12线性阵列，是采用金属有机化学汽相沉积工艺实现的，单个垂直腔面发射激光器的出光孔直径为5μm，其电极的尺寸为90μm2，为便于倒装焊工艺，正负电极均做在一侧，出光孔做在另一侧。
其中所述的自聚焦透镜阵列，能够将激光器的出射光线平滑且连续的汇聚到光纤阵列接入点，该透镜阵列与垂直腔面发射激光器阵列经有源对准之后直接粘结在一起。
其中所述的高频印制电路板采用4层板结构设计，信号传输线为0.1μm线宽的微带线。
其中所述的并行光发射模块，单个信道的传输速率为2.5Gbit/s，总的传输速率为30Gbit/s。
其中所述的垂直腔面发射激光器阵列在工作中激射出光，为高质量的圆形光束，通过有源对准技术经自聚焦透镜阵列耦合进入光纤阵列并在光纤中传输，该光纤阵列的尺寸结构与MTP/MPO标准的连接器接口相兼容。
本发明一种应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块的制作方法，其特征在于，其中包括如下步骤：
1)取一高频印制电路板，在该高频印制电路板的一端形成有一信号输入端口，该信号输入端口采用镀金的插板结构；
2)将一垂直腔面发射激光器阵列以倒装焊工艺直接集成在高频印制电路板上面；
3)将一自聚焦透镜阵列与垂直腔面发射激光器阵列经有源对准之后直接粘结在一起；
4)将一驱动电路芯片以裸片的形式通过倒装焊工艺直接集成在高频印制电路板上面；
5)将该垂直腔面发射激光器阵列与驱动电路芯片通过高频电路板上的微带线连接，采用小型可插拔封装工艺，构成可插拔的并行光发射模块。
其中步骤2)所述的垂直腔面发射激光器阵列为1×12线性阵列，是采用金属有机化学汽相沉积工艺实现的，单个垂直腔面发射激光器的出光孔直径为5μm，其电极的尺寸为90μm2，为便于倒装焊工艺，正负电极均做在一侧，出光孔做在另一侧。
其中步骤1)所述的高频印制电路板采用4层板结构设计，信号传输线为0.1μm线宽的微带线。
其中步骤5)所述的并行光发射模块，单个信道的传输速率为2.5Gbit/s，总的传输速率为30Gbit/s。
其中步骤2)所述的垂直腔面发射激光器阵列在工作中激射出光，为高质量的圆形光束，通过有源对准技术经自聚焦透镜阵列耦合进入光纤阵列并在光纤中传输，该光纤阵列的尺寸结构与MTP/MPO标准的连接器接口相兼容。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如下，其中：
图1是本发明的实施例三维结构示意图；
图2是本发明的平面结构示意图；
图3是本发明单个垂直腔面发射激光器(VCSEL)的结构示意图。
具体实施方式
请参阅图1、图2及图3所示，本发明一种应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块，其中包括：
一高频印制电路板7，在该高频印制电路板7的一端形成有一信号输入端口1，该信号输入端口1采用镀金的插板结构；该高频印制电路板7采用4层板结构设计，信号传输线为0.1μm线宽的微带线；
一垂直腔面发射激光器阵列5，该垂直腔面发射激光器阵列5以倒装焊工艺直接集成在高频印制电路板7上面；
一自聚焦透镜阵列4，能够将激光器的出射光线平滑且连续的汇聚到特制的光纤阵列接入点，该透镜阵列4与垂直腔面发射激光器阵列5经有源对准之后直接粘结在一起；该自聚焦透镜阵列4，能够将激光器的出射光线平滑且连续的汇聚到特制的光纤阵列接入点，该透镜阵列4与垂直腔面发射激光器阵列5经有源对准之后直接粘结在一起；
一驱动电路芯片6，该驱动电路芯片6以裸片的形式通过倒装焊工艺直接集成在高频印制电路板7上面；
将该垂直腔面发射激光器阵列5与驱动电路芯片6通过高频电路板7上的微带线连接，采用小型可插拔封装工艺，构成可插拔的并行光发射模块。
其中所述的垂直腔面发射激光器阵列为1×12线性阵列，是采用金属有机化学汽相沉积工艺实现的，单个垂直腔面发射激光器的出光孔直径为5μm，其电极的尺寸为90μm2，为便于倒装焊工艺，正负电极均做在一侧，出光孔做在另一侧。
其中所述的并行光发射模块，单个信道的传输速率为2.5Gbit/s，总的传输速率为30Gbit/s。
其中所述的垂直腔面发射激光器阵列5在工作中激射出光，为高质量的圆形光束，通过有源对准技术经自聚焦透镜阵列4耦合进入特制的光纤阵列并在光纤中传输，该光纤阵列的尺寸结构与MTP/MPO标准的连接器接口相兼容。
请再参阅图1所示，将采用金属有机化学气相沉积方法生长的1×12的垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列5通过倒装焊工艺集成在高频印制电路板7上面，驱动电路芯片也通过倒装焊工艺集成在高频印制电路板7上，高频印制电路板7的信号输入端1为插板结构，与其对应的是AMP公司的专用电连接器，载入的数据信号为低压差分信号(LVDS)，经过高频印制电路板7上的传输线到达驱动电路芯片6的电极2，由于垂直腔面发射激光器阵列5工作需要的阈值电压高于电路板的输入信号电压，所以驱动电路芯片6的功能是将低压差分信号转换为较高的电流信号注入到垂直腔面发射激光器阵列5的正电极10。其中驱动电路芯片6的输出信号通过高频印制电路板7上的微带线传输到垂直腔面发射激光器阵列5。出于高频信号的完整性考虑，印制电路板7需采用高频陶瓷材料，并按4层板结构设计，外面的两层为信号层，中间的两层分别为电源层和地层，电源层和地层之间需加上去耦电容。为了更好地实现激光器与光纤的耦合，需要加入自聚焦透镜阵列4。自聚焦透镜材料不仅能够使沿径向传输的光产生折射，而且其沿径向逐渐减小的折射率分布，能够实现出射光线被平滑且连续的汇聚到光纤阵列的接入点。通过透镜的水平端面完成聚焦功能，使激光器阵列5发出的光经自聚焦透镜阵列4后能有效的耦合进光纤阵列3，大大提高了耦合效率。同时，我们将光线阵列3的端面加工成37度角，在耦合时光纤阵列与水平面之间采用8度角的倾斜，大大减少了反射损耗，提高耦合效率，如图2所示。
图3为单个垂直腔面发射激光器(VCSEL)的结构，出光孔9为激光器激射发光的出光位置，直径为5μm，其正电极10为电流注入端，信号由驱动电路提供，负电极8接地处理，电极尺寸为90μm2，激光器的激射光波波长为850nm。
请再结合参阅图1、图2，图3，本发明一种基于垂直腔面发射激光器阵列，且应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块的制作方法，包括如下步骤：
1)取一高频印制电路板7，在该高频印制电路板7的一端形成有一信号输入端口1，该信号输入端口1采用镀金的插板结构；该高频印制电路板7采用4层板结构设计，信号传输线为0.1μm线宽的微带线；
2)将一垂直腔面发射激光器阵列5以直接集成在高频印制电路板7上面；该垂直腔面发射激光器阵列5为1×12线性阵列，是采用金属有机化学汽相沉积工艺实现的，单个垂直腔面发射激光器的出光孔直径为5μm，其电极的尺寸为90μm2；该垂直腔面发射激光器阵列5在工作中激射出光，为高质量的圆形光束，通过有源对准技术经自聚焦透镜阵列4耦合进入特制的光纤阵列并在光纤中传输，该光纤阵列的尺寸结构与MTP/MPO标准的连接器接口相兼容；
3)将一自聚焦透镜阵列与垂直腔面发射激光器阵列经有源对准之后直接粘结在一起；
4)将一驱动电路芯片6以倒装焊工艺直接集成在高频印制电路板7上面；
5)将该垂直腔面发射激光器阵列与驱动电路芯片通过高频电路板上的微带线连接，采用小型可插拔封装工艺，构成可插拔的并行光发射模块；该并行光发射模块，单个信道的传输速率为2.5Gbit/s，总的传输速率为30Gbit/s。
垂直腔面发射激光器阵列5为1×12线性阵列，是采用金属有机化学汽相沉积工艺实现的，单个垂直腔面发射激光器的出光孔直径为5μm，其电极的尺寸为90μm2。
本发明工艺简单，由于是将垂直腔面发射激光器(VCSEL)阵列和驱动电路芯片直接在裸片基础上通过倒装焊工艺集成在高频印制电路板上面，省却了传统的芯片封装工序，提高了焊接的稳定性，提高了信号传输质量的同时大大降低加工成本；安全可靠，具有极强的实用性；可以减小封装后模块的尺寸，更好的适应了光发射模块小型化的趋势。可插拔的封装结构有利于设备的维护和系统的升级。
前面已经描述了本发明的特殊实施例，对于熟悉本领域的人可以做进一步的修改和改进。我们有理由认为，本发明不仅仅限于所描述的特殊形式。凡是本领域的技术人员看过本发明说明书后，所能想到的其它不超出本发明思路和范围的所有修改情形，都应看成是在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1、一种应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块，其特征在于，其中包括：
一高频印制电路板，在该高频印制电路板的一端形成有一信号输入端口，该信号输入端口采用镀金的插板结构；
一垂直腔面发射激光器阵列，该垂直腔面发射激光器阵列以倒装焊工艺直接集成在高频印制电路板上面；
一自聚焦透镜阵列，能够将激光器的出射光线平滑且连续的汇聚到光纤阵列接入点，该透镜阵列与垂直腔面发射激光器阵列经有源对准之后直接粘结在一起；
一驱动电路芯片，该驱动电路芯片以裸片的形式通过倒装焊工艺直接集成在高频印制电路板上面；
将该垂直腔面发射激光器阵列与驱动电路芯片通过高频电路板上的微带线连接，采用小型可插拔封装工艺，构成可插拔的并行光发射模块。
2、根据权利要求1所述的应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块，其特征在于，其中所述的垂直腔面发射激光器阵列为1×12线性阵列，是采用金属有机化学汽相沉积工艺实现的，单个垂直腔面发射激光器的出光孔直径为5μm，其电极的尺寸为90μm2，为便于倒装焊工艺，正负电极均做在一侧，出光孔做在另一侧。
3、根据权利要求1所述的应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块，其特征在于，其中所述的自聚焦透镜阵列，能够将激光器的出射光线平滑且连续的汇聚到光纤阵列接入点，该透镜阵列与垂直腔面发射激光器阵列经有源对准之后直接粘结在一起。
4、根据权利要求1所述的应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块，其特征在于，其中所述的高频印制电路板采用4层板结构设计，信号传输线为0.1μm线宽的微带线。
5、根据权利要求1所述的应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块，其特征在于，其中所述的并行光发射模块，单个信道的传输速率为2.5Gbit/s，总的传输速率为30Gbit/s。
6、根据权利要求1所述的应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块，其特征在于，其中所述的垂直腔面发射激光器阵列在工作中激射出光，为高质量的圆形光束，通过有源对准技术经自聚焦透镜阵列耦合进入光纤阵列并在光纤中传输，该光纤阵列的尺寸结构与MTP/MPO标准的连接器接口相兼容。
7、一种应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块的制作方法，其特征在于，其中包括如下步骤：
1)取一高频印制电路板，在该高频印制电路板的一端形成有一信号输入端口，该信号输入端口采用镀金的插板结构；
2)将一垂直腔面发射激光器阵列以倒装焊工艺直接集成在高频印制电路板上面；
3)将一自聚焦透镜阵列与垂直腔面发射激光器阵列经有源对准之后直接粘结在一起；
4)将一驱动电路芯片以裸片的形式通过倒装焊工艺直接集成在高频印制电路板上面；
5)将该垂直腔面发射激光器阵列与驱动电路芯片通过高频电路板上的微带线连接，采用小型可插拔封装工艺，构成可插拔的并行光发射模块。
8、根据权利要求7所述的应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块的制作方法，其特征在于，其中步骤2)所述的垂直腔面发射激光器阵列为1×12线性阵列，是采用金属有机化学汽相沉积工艺实现的，单个垂直腔面发射激光器的出光孔直径为5μm，其电极的尺寸为90μm2，为便于倒装焊工艺，正负电极均做在一侧，出光孔做在另一侧。
9、根据权利要求7所述的应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块的制作方法，其特征在于，其中步骤1)所述的高频印制电路板采用4层板结构设计，信号传输线为0.1μm线宽的微带线。
10、根据权利要求7所述的应用了自聚焦透镜阵列的并行光发射模块的制作方法，其特征在于，其中步骤5)所述的并行光发射模块，单个信道的传输速率为2.5Gbit/s，总的传输速率为30Gbit/s。
11、根据权利要求7所述的应用自聚焦透镜阵列的并行光发射模块的制作方法，其特征在于，其中步骤2)所述的垂直腔面发射激光器阵列在工作中激射出光，为高质量的圆形光束，通过有源对准技术经自聚焦透镜阵列耦合进入光纤阵列并在光纤中传输，该光纤阵列的尺寸结构与MTP/MPO标准的连接器接口相兼容。
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