CN203133337U - 平面光波导型并行光组件与光模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种平面光波导型并行光组件，包含电路板、光波导、激光器阵列、驱动器、光探测器阵列和跨导放大器。光电芯片以倒装键合的方式安装在电路板的第一侧。电路板上设有透光装置，光波导贴在电路板的第二侧，光波导包含45度镜面。本实用新型还公开了一种平面光波导型并行光模块。本实用新型的平面光波导型并行光组件和光模块，提高了光互连的带宽密度，光电集成方案工艺简洁，有利于规模化生产。采用倒装键合工艺安装光电芯片，有效降低电寄生效应。光路弯折进入光波导，直接耦合到并行光纤可插拔接口，无需透镜，光学元件少，耦合结构简单，成本较低。本实用新型选用高分子薄膜作为光波导，具备较小的弯曲半径，提高了便携性。

Description

平面光波导型并行光组件与光模块

技术领域

本实用新型涉及光通信领域，尤其涉及一种平面光波导型并行光组件与光模块。

背景技术

过去十年光收发模块市场经历了空前的增长，光收发模块被广泛应用于电信和数据通信领域。随带宽需求的增加，对外形尺寸小型化和低功率消耗的要求也更进一步，人们更加关注空间能耗效率和端口速率密度。而小型化的并行光纤互连方案则可以通过增加并行数据传输通道实现带宽的无限扩展。并行光互连已逐渐成为数据中心和高性能计算机安装连接的标准方案，包含两个高速并行光收发器的有源光缆被广泛配置。

相对于在长距离网络中人们对频谱效率和距离-比特率的关注，在短距离通信如数据中心的内部网络中，用来连接的光纤仅仅从几米到几公里，人们更关注的是空间能耗效率和端口速率密度。并行光纤互连在数据中心内的通信中起到一个很重要的作用，通过增加并行数据传输通道可以实现带宽的无限扩展。由于并行光互连具有极高的带宽、无串扰、长距离、重量轻、功耗低、抗电磁干扰等优点，已经成为高速传输信息最好和最安全的载体。

垂直腔面发射激光器（VCSEL）可以充分发挥光子的平行操作能力，在光互连、光通信、图像信号处理、模式识别和神经网络、激光打印、光存储读／写光源等领域具有广阔的应用前景。另外，VCSEL的线宽较窄，其发光波长对温度漂移也较小。VCSEL的阈值电流也较小、功耗较低，并且不容易产生啁啾。

由于VCSEL的面发射特性使得它成为并行光收发器的最佳选择，并且并行的数据连接和数据中心的并行处理机制也相匹配。VCSEL具有发射角非常小的圆形光束，与光纤耦合的时候具有更高的耦合效率，集成和封装的成本也会相应降低。然而，VCSEL在光收发模块的应用中，常常需要将电信号线弯曲90度。目前常用的基于VCSEL的并行光收发模块采用柔性电路板（FPC）将信号线弯曲90度。柔性电路板与陶瓷薄片连接，陶瓷薄片作为VCSEL芯片的基板。VCSEL驱动器芯片安装在陶瓷基底的一个凹槽中。在并行的光收发一体模块中，则将VCSEL芯片阵列、VCSEL驱动器芯片、光探测器芯片阵列和跨导放大器芯片一起粘贴在陶瓷基底上。所有芯片电极与引线框架上对应的电极采用金丝引线键合技术进行电连接。该方案采用的部件较多，工艺较复杂，制造成本高。柔性电路板的采用以及较长的电极引线，也极大的增加了光组件的电寄生效应，限制了系统的传输速率。

发明内容

本实用新型为了克服以上的不足，实现高密度的光子集成，提出了一种平面光波导型并行光组件与光模块。

本实用新型的技术问题通过以下的技术方案予以解决： 

一种平面光波导型并行光组件，包含电路板、光波导、激光器阵列、驱动器、光探测器阵列和跨导放大器，所述电路板的第一侧布置有电极阵列，所述激光器阵列、驱动器、光探测器阵列和跨导放大器以倒装键合的方式安装在电路板的第一侧上，并与所述电极阵列电连接，所述电路板上设有透光装置，所述光波导贴在电路板的第二侧上，所述光波导包含45度镜面，所述45度镜面与激光器阵列和光探测器阵列耦合对准，将激光器出射光反射入光波导中，并将光波导传来的光反射入光探测器。

在本实用新型的一个实施例中，所述透光装置为小孔，所述小孔设在与激光器阵列和光探测器阵列对准的位置。

在本实用新型的一个实施例中，所述透光装置为透明的柔性基材。

在本实用新型的一个实施例中，所述透明的柔性基材为聚酰亚胺薄膜。

在本实用新型的一个实施例中，所述聚酰亚胺薄膜的厚度为20-50微米。

在本实用新型的一个实施例中，所述光波导与电路板之间通过透明热压胶粘接。

在本实用新型的一个实施例中，所述光波导为高分子薄膜，包含第一包层、芯层和第二包层。

在本实用新型的一个实施例中，所述高分子薄膜由寡聚物和高分子树脂混掺形成。

在本实用新型的一个实施例中，所述高分子薄膜通过整体干膜热压的方式贴在电路板上。

在本实用新型的一个实施例中，所述高分子薄膜通过如下方式制作形成：先在所述电路板上制作第一包层，将芯层热压上去，对芯层按照预先设定好的光路图案进行曝光和显影，然后压合第二包层。

在本实用新型的一个实施例中，所述第一包层和第二包层的厚度为30微米，所述芯层的厚度为50微米。

本实用新型还公开了一种平面光波导型并行光模块，包含电路基板、外壳、并行光纤可插拔接口和上述任一权利要求所述的平面光波导型并行光组件。

本实用新型的平面光波导型并行光组件，便于集成，有利于增大光互连的带宽密度。本实用新型的集成方案适于采用垂直腔面发射激光器（VCSEL），和底部照射式光探测器（PD）。VCSEL发出的光经电路板上透光装置的透射后，入射到45度镜面。VCSEL的出射光经45度镜面反射后，光路弯折进入光波导，然后耦合到并行光纤可插拔接口。该方案的光学元件实现直接耦合，而无需透镜，并且光学元件少，耦合结构简单，成本较低。

本实用新型选用聚酰亚胺薄膜作为电路板的透明基材，其对VCSEL发出的850nm近红外光的透射率可以达到85%以上。采用寡聚物和高分子树脂混掺形成的高分子薄膜，具备较小的弯曲半径，可以为3毫米左右，经过多次弯曲和折叠，光损耗的增加不明显。柔性的电路板和光波导，极大的提高了便携性，尤其是对于手持式产品，提高了可操作性，降低了制作和应用过程中的损伤。

另外，本实用新型的平面光波导型并行光组件采用倒装键合的工艺安装光电芯片，由于倒装键合的互联线更短，可以有效降低电寄生效应。含45度镜面的平面光波导片被粘贴在电路板的一侧，电路板的另一侧用于制作电子学布线，电路板上制作了透光的小孔或者采用透明的柔性基材，用来实现VCSEL阵列、PD阵列和光波导之间的光耦合，同时实现高速电传输。这种光电集成方案工艺简洁，有利于规模化生产。

附图说明

图1是本实用新型的实施例一的平面光波导型并行光组件的侧视图；

图2是本实用新型的平面光波导型并行光组件的光电芯片在电路板上的布置示意图；

图3是本实用新型的平面光波导型并行光组件的光波导的结构示意图；

图4是本实用新型的实施例二和实施例三的平面光波导型并行光组件的侧视图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

实施例一：

如图1和图2所示，本实施例的平面光波导型并行光组件，包含电路板1、光波导2、激光器阵列3、驱动器4、光探测器阵列5和跨导放大器6。激光器阵列3和光探测器阵列5均为并行的四列阵。本实施例的激光器为垂直腔面发射激光器（VCSEL）。

所述电路板1的第一侧11布置有电极阵列7，所述VCSEL阵列3、驱动器4、光探测器阵列5和跨导放大器6以倒装键合的方式安装在电路板1的第一侧11上，并与所述电极阵列7电连接。所述VCSEL阵列3、驱动器4、光探测器阵列5和跨导放大器6在电路板1上的布置如图2所示。

如图1所示，所述电路板1上设的透光装置为小孔8，小孔8设在与VCSEL阵列3和光探测器阵列5对准的位置，电路板1本身具备多层电路。所述光波导2贴在电路板1的第二侧12上，所述光波导2包含45度镜面9，与VCSEL阵列3和光探测器阵列5耦合对准，将VCSEL 3出射光反射入光波导2中，并将光波导2传来的光反射入光探测器阵列5。所述光波导2包含12路信道，光波导2的出光端面与并行光纤可插拔接口耦合对准。

如图3所示，光波导2为高分子薄膜，光波导2的第一包层21、芯层22和第二包层23的厚度依次为30微米、50微米和30微米。本实施例的光波导2与电路板1之间通过透明热压胶粘接，通过整体干膜热压的方法将光波导2的高分子薄膜贴在电路板1上。本实施例中所制作的光波导2的截面为30微米×30微米。由于VCSEL阵列3的相邻激光器的间距和光探测器阵列5的相邻光探测器的间距相同，都为250微米，本实施例的光波导2的相邻信道之间的距离相应的也为250微米。

工作时，在信号发射端，在驱动器4的驱动下VCSEL阵列3发出四束并行发射光，并经透光小孔8无损耗的透射，入射到45度镜面9。VCSEL的出射光经45度镜面9反射后，光路弯折进入光波导2，然后耦合到并行光纤可插拔接口，进入光通信链路。在信号接收端，光信号经并行光纤可插拔接口耦合到光波导2中，然后入射到45度镜面9，经45度镜面9反射后，光路弯折进入透光小孔8，经透光小孔8无损耗的透射后，入射到光探测器阵列5，并被光探测器阵列5转换为电流信号，然后经过跨导放大器6进一步转换为放大的电压信号，从而实现与外部链路的光互连。本实用新型的平面光波导型并行光组件包含发射和接收单元，可以同时进行双向的信号传输。

实施例二：

本实施例与实施例一的区别在于，所述电路板1上设的透光装置通过采用透明基材实现，如图4所示。在本实施例中，透明基材为聚酰亚胺薄膜。选用聚酰亚胺薄膜作为电路板的透明基材，其对VCSEL发出的850nm近红外光的透射率可以达到85%以上。本实施例的聚酰亚胺薄膜厚度为30微米。电路板1本身具备多层电路。采用透明的聚酰亚胺薄膜作为电路板基材可以省去钻孔的程序，从而降低成本。

如图2和图4所示，本实施例的平面光波导型并行光组件，包含电路板1、光波导2、激光器阵列3、驱动器4、光探测器阵列5和跨导放大器6。激光器阵列3和光探测器阵列5均为并行的四列阵。本实施例的激光器为垂直腔面发射激光器（VCSEL）。

所述电路板1的第一侧布置有电极阵列7，所述VCSEL阵列3、驱动器4、光探测器阵列5和跨导放大器6以倒装键合的方式安装在电路板1的第一侧11上，并与所述电极阵列7电连接。所述光波导2贴在电路板1的第二侧12上，所述光波导2包含45度镜面9，与VCSEL阵列3和光探测器阵列5耦合对准，将VCSEL 3出射光反射入光波导2中，并将光波导2传来的光反射入光探测器5。所述光波导2包含12路信道，光波导2的出光端面与并行光纤可插拔接口耦合对准。

如图3所示，光波导2为高分子薄膜，光波导2的第一包层21、芯层22和第二包层23的厚度依次为30微米、50微米和30微米。本实施例通过整体干膜热压的方法将高分子薄膜贴在电路板1上。本实施例中所制作的光波导2的截面为30微米×30微米。由于VCSEL阵列3的相邻激光器的间距和光探测器阵列5的相邻光探测器的间距相同，都为250微米，本实施例的光波导2的相邻信道之间的距离相应的也为250微米。

工作时，在信号发射端，在驱动器4的驱动下VCSEL阵列3发出四束并行发射光，并经聚酰亚胺薄膜构成的柔性电路板1透射，入射到45度镜面9。VCSEL的出射光经45度镜面9反射后，光路弯折进入光波导2，然后耦合到并行光纤可插拔接口，进入光通信链路。在信号接收端，光信号经并行光纤可插拔接口耦合到光波导2中，然后入射到45度镜面9，经45度镜面9反射后，光路弯折入射到聚酰亚胺薄膜构成的柔性电路板1，经聚酰亚胺薄膜构成的柔性电路板1透射后，入射到光探测器阵列5，并被光探测器阵列5转换为电流信号，然后经过跨导放大器6进一步转换为放大的电压信号，从而实现与外部链路的光互连。本实用新型的平面光波导型并行光组件包含发射和接收单元，可以同时进行双向的信号传输。

实施例三： 

本实施例与实施例一的区别在于，所述光波导2的高分子薄膜通过干膜压合的方法，将第一包层11、芯层2、第二包层13逐层热压在电路板1上。先在所述电路板1上制作第一包层11，将芯层12的干膜热压上去，对芯层12按照预先设定好的光路图案进行曝光和显影，形成光信号通道的布线，然后压合第二包层13，即波导上盖层填补布线的空隙。本实施例的高分子薄膜由寡聚物和高分子树脂混掺形成。优选的，可以采用紫外固化型寡聚物。

采用寡聚物和高分子树脂混掺形成的高分子薄膜，具备较小的弯曲半径，可以为3 毫米左右，经过多次弯曲和折叠，光损耗增加不到0.1dB/cm。

实施例四：

本实施例为采用实施例一、二和三中的任意一个方案所描述的平面光波导型并行光组件的并行光模块，优选的，采用实施例二的平面光波导型并行光组件。

本实施例的平面光波导型并行光模块，包含电路基板、外壳、并行光纤可插拔接口和平面光波导型并行光组件。电路基板和平面光波导型并行光组件均封装在外壳内。电路基板与平面光波导型并行光组件电连接，并行光模块的电接口采用金手指电极。并行光纤可插拔接口为12路，与本实用新型的平面光波导型并行光组件的VCSEL阵列3和光探测器阵列5耦合对准，作为并行光模块对外连接的光接口，连接带状光纤。

进一步的，VCSEL阵列3和光探测器阵列5可以为10路或12路，相应的并行光纤可插拔接口为20路或24路。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，例如基于本发明的构思变动电路板的透光装置、或者改变光波导的结构或材料，或者改变并行光路的数目也即VCSEL和光探测器数目等，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (2)

1.一种平面光波导型并行光组件，包含电路板、光波导、激光器阵列、驱动器、光探测器阵列和跨导放大器，其特征在于，所述电路板的第一侧布置有电极阵列，所述激光器阵列、驱动器、光探测器阵列和跨导放大器以倒装键合的方式安装在电路板的第一侧上，并与所述电极阵列电连接，所述电路板上设有透光装置，所述光波导贴在电路板的第二侧上，所述光波导包含45度镜面，所述45度镜面与激光器阵列和光探测器阵列耦合对准，将激光器出射光反射入光波导中，并将光波导传来的光反射入光探测器。

2.根据权利要求1所述的平面光波导型并行光组件，其特征在于，所述透光装置为小孔，所述小孔设在与激光器阵列和光探测器阵列对准的位置。

3. 根据权利要求1所述的平面光波导型并行光组件，其特征在于，所述透光装置为透明的柔性基材。

4. 根据权利要求3所述的平面光波导型并行光组件，其特征在于，所述透明的柔性基材为聚酰亚胺薄膜。

5. 根据权利要求4所述的平面光波导型并行光组件，其特征在于，所述聚酰亚胺薄膜的厚度为20-50微米。

6. 根据权利要求1所述的平面光波导型并行光组件，其特征在于，所述光波导与电路板之间通过透明热压胶粘接。

7. 根据权利要求1所述的平面光波导型并行光组件，其特征在于，所述光波导为高分子薄膜，包含第一包层、芯层和第二包层。

8. 根据权利要求7所述的平面光波导型并行光组件，其特征在于，所述高分子薄膜通过整体干膜热压的方式贴在电路板上。

9. 根据权利要求7所述的平面光波导型并行光组件，其特征在于，所述高分子薄膜通过如下方式制作形成：先在所述电路板上制作第一包层，将芯层热压上去，对芯层按照预先设定好的光路图案进行曝光和显影，然后压合第二包层。

10. 根据权利要求7所述的平面光波导型并行光组件，其特征在于，所述第一包层和第二包层的厚度为30微米，所述芯层的厚度为50微米。

11. 一种平面光波导型并行光模块，其特征在于，包含电路基板、外壳、并行光纤可插拔接口和上述任一权利要求所述的平面光波导型并行光组件。

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