TWI509300B - 光耦合模組及其製作方法 - Google Patents

Description

光耦合模組及其製作方法

本發明涉及一種光耦合模組及其製作方法，尤其涉及一種能夠提高光耦合效果之光耦合模組及其製作方法。

近年來，光通信有高速化、大容量化之發展趨勢。一般來說，於光通信中，需採用光學元件進行光電訊號之轉換，採用光波導傳輸光訊號。

習知之光耦合模組中，光波導形成於襯底及電路基板之間。光波導由芯層（Core）及包層（Clad）組成。芯層具有呈平面狀之耦光面。包層包覆芯層且露出耦光面。電路基板上對應耦光面貫通開設有透光孔。光學元件藉由黏晶（Die Bond）設置於透光孔上，以與耦光面進行光耦合。耦光面有一定之收光範圍。惟，於黏晶過程中，光學元件之位置易發生偏差，從而影響耦光效果。

鑒於上述內容，有必要提供一種提高耦光效果之光耦合模組及其製作方法。

一種光耦合模組，包括襯底、光波導、電路基板及光學組件，該光波導裝設於該襯底及該電路基板之間，該光波導包括芯層及包層，該芯層具有耦光面，該包層包覆芯層且露出該耦光面，該電路基板上貫通開設有與該耦光面相應之透光孔，該光學組件設置於該透光孔上，並藉由該透光孔與該耦光面進行光耦合。該耦光面呈凸鏡狀，該耦光面能夠將入射至該芯層之光訊號聚集進行傳輸，亦能夠將從該芯層出射之光訊號聚集進行傳輸。

一種光耦合模組之製作方法，包括以下步驟：提供一襯底；提供包層材料，加熱包層材料至熔融狀態，將該熔融狀態之包層材料塗佈於該襯底上，以形成第一包層預型體；提供一第一滾輪，該第一滾輪包括第一滾壓面，第一滾壓面開設複數第一壓槽；採用第一滾輪壓製該第一包層預型體，形成第一包層，該第一包層上形成與該第一壓槽相對應之收容空間；提供芯層材料，加熱該芯層材料至熔融狀態，將熔融狀態之芯層材料塗佈於該收容空間，以形成芯層預型體；提供一第二滾輪，該第二滾輪包括第二滾壓面，該第二滾壓面上開設有複數第二壓槽，該第二壓槽包括本部及相對設置於該本部二端之二連接部，該連接部遠離該本部之一端截面呈凸鏡狀；採用該第二滾輪壓製該芯層預型體，以形成一具有呈凸鏡狀耦光面之芯層；將熔融狀態之包層材料塗佈於該芯層及該第一包層上，且露出該耦光面，以形成第二包層預型體；提供一第三滾輪，該第三滾輪具有第三滾壓面；採用該第三滾輪壓製該第二包層預型體，從而製得光波導；提供一貫通開設有透光孔之電路基板，將該電路基板裝設於該光波導上，該透光孔相對該耦光面；提供或製備一光學組件，該光學組件裝設於該透光孔之上，從而製得光耦合模組。

本發明之光耦合模組及其製作方法，其光波導之耦光面為凸鏡狀，增大了收光範圍，且該耦光面能夠將入射至該芯層之光訊號聚集進行傳輸，亦能夠將從該芯層出射之光訊號聚集進行傳輸，即使黏晶過程中發生了一定之偏移量，耦光效果也不會受到影響。

請參閱圖1與圖2，本實施方式之光耦合模組100包括襯底10、光波導30、電路基板50及光學組件70。光波導30位於襯底10與電路基板50之間，光學組件70安裝於電路基板50上。

襯底10可由樹脂、玻璃或陶瓷等具有絕緣性之材質形成。襯底10亦可由金屬等具有導電性之材料形成，於該種情況時需於安裝積體電路晶片之安裝面上形成一層絕緣膜。優選地，襯底10具有較高之熱傳導性。襯底10上還可佈設電路，以用於驅動及控製光學組件70或其他元件工作。

光波導30形成於襯底10上，用於傳輸光訊號。光波導30包括芯層31及包覆芯層31之包層35。芯層31之截面大致呈U形，其包括主體311及由主體311兩端遠離襯底10彎折延伸形成之傳輸端313。主體311之截面大致呈梯形，包括底壁3113、頂壁3115及二反射壁3117。底壁3113鄰近襯底10，頂壁3115與底壁3113平行，反射壁3117由底壁3113之兩端延伸彎折形成。反射壁3117用於反射光訊號，以改變光訊號傳輸之方向。每一傳輸端313包括本體3130及耦光部3131。本體3130之截面大致呈方形，其形成於頂壁3115之端部，並沿遠離底壁3113之方向延伸。耦光部3131形成於本體3130遠離主體311之一端。耦光部3131包括呈凸鏡狀之耦光面3135，耦光面3135遠離本體3130設置，用於與光學組件70進行耦光。本實施方式中，底壁3113與反射壁3117間之夾角等於135度，入射至一反射壁3117之光訊號經反射後沿與底壁3113平行之傳輸方向到達另一反射壁3117，從而可減小能量損耗。本實施方式中，耦光面3135呈半球面結構，以達到收光面積最大。可理解，底壁3113與反射壁3117間夾角亦可改變，只要從一耦光面3135入射之光訊號能夠從另一耦光面3135出射即可。芯層材料為感光型高分子材料，如聚醯亞胺樹脂（PSPI），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等。

包層35整體包覆芯層31，且僅露出耦光面3135。包層35用於保護芯層31，並可防止光訊號折射出光波導30。包層材料之折射率必須低於芯層材料，使光於光路中全反射，從而沿設計之路線傳輸。本實施方式中，包層材料可選用聚壓克力酸酯（Polyacrylate）、聚矽氧烷（Polysiloxane）、聚醯亞胺（Polyimide）或聚碳酸酯（Polycarbonare）,以及其他高分子感光聚合物。包層35包括相互連接設置之第一包層351及第二包層355（請參閱圖6）。第一包層351位於襯底10與主體311之間。第二包層355包覆於頂壁3115及傳輸端313上，僅露出耦光面3135。

電路基板50形成於光波導30上，用於裝設光學組件70。電路基板50上對應芯層31之二傳輸端313貫通開設有二透光孔53，以透過光訊號。二透光孔53分別對應芯層31之二傳輸端313開設，透光孔53之孔徑大致與傳輸端313之耦光面3135之寬度相當。本實施方式中，透光孔53之孔徑為200μm。可理解，透光孔53之孔徑亦可大於或小於本體3130之寬度。

光學組件70裝設於電路基板50上，用於轉換光訊號。光學組件70包括分別位於二透光孔53上之發光元件71及受光元件73，以與二耦光面3135相對應。發光元件71用於將電訊號轉換為光訊號。發光元件71通常採用面發光元件，如面發光雷射器。受光元件73用於將光訊號轉換為電訊號。本實施方式中，發光元件71為垂直面射型雷射器（Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL），受光元件73為檢光二極體。

工作時，電訊號傳遞到發光元件71，發光元件71將電訊號轉換為光訊號，發光元件71發出垂直襯底10之光訊號。光訊號經由透光孔53進入與發光元件71相對之耦光面3135，再藉由反射壁3117反射改變方向，平行底壁3113傳輸至另一反射壁3117，經由該另一反射壁3117反射，從而到達與受光元件73相對之耦光面3135，繼而出射至受光元件73，受光元件73最終將該光訊號轉變為電訊號。

請參閱圖3A與圖3B，以下對本發明之光耦合模組100之製作方法進行詳細描述。本實施方式中，光耦合模組100之製作方法包括以下步驟：

步驟S401：提供一襯底10。

襯底10可由樹脂、玻璃或陶瓷等具有絕緣性之材質形成。襯底10亦可由金屬等具有導電性之材料形成，於該種情況時需於安裝積體電路晶片之安裝面上形成一層絕緣膜。優選地，襯底10具有較高之熱傳導性。襯底10上還可佈設電路，以用於驅動及控製光學組件70或其他元件工作。

步驟S402：提供包層材料，並加熱包層材料至熔融狀態，將該熔融狀態之包層材料均勻塗佈於襯底10上，以形成第一包層預型體（圖未示）。

本實施方式中，包層材料可選用聚壓克力酸酯（Polyacrylate）、聚矽氧烷（Polysiloxane）、聚醯亞胺（Polyimide）或聚碳酸酯（Polycarbonare）,以及其他高分子感光聚合物，如3-異丁烯醯氧基丙基三乙氧基矽烷（MPETS）和苯基三乙氧基矽烷（PhTES）。

步驟S403：提供一第一滾輪40（請參閱圖4），其包括第一滾壓面41。第一滾壓面41設置於第一滾輪40之圓周側面上，其上開設有複數第一壓槽401。

第一壓槽401包括基部4011及形成於基部4011底壁二端之延伸部4013。基部4011之截面大致呈弓形。延伸部4013之截面大致呈梯形，且朝向第一滾輪40內部延伸。

步驟S404：採用第一滾輪40壓製第一包層預型體，形成第一包層351，第一包層351對應第一壓槽401形成有收容空間353（請參閱圖4）。

收容空間353之截面大致呈梯形。收容空間353之底壁與側壁之夾角為135度。

步驟S405：提供芯層材料，加熱芯層材料至熔融狀態，將熔融狀態之芯層材料均勻塗佈於收容空間353上，以形成芯層預型體（圖未示）。

芯層材料之折射率高於包層材料，以使光於光路中全反射，從而沿設計之路線傳輸。芯層材料為感光型高分子材料，如聚醯亞胺樹脂（PSPI），聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）等等。

步驟S406：提供一第二滾輪60（請參閱圖5），其包括第二滾壓面61。第二滾壓面61設置於第二滾輪60之圓周側面上，其上開設有複數第二壓槽601。

每一第二壓槽601包括本部6011及相對設置於本部6011二端之連接部6013。本部6011之截面大致呈弓形。連接部6013遠離本部6011延伸，其遠離本部6011一端之截面大致呈凸鏡狀。本實施方式中，連接部6013遠離本部6011一端之截面大致呈半圓形。

步驟S407：採用第二滾輪60壓製芯層預型體，以形成芯層31。

芯層31之截面大致呈U形，其包括主體311及由主體311兩端遠離襯底10彎折延伸形成之傳輸端313。主體311之截面大致呈梯形，包括底壁3113、頂壁3115及二反射壁3117。本實施方式中，底壁3113與反射壁3117間之夾角等於135度。傳輸端313包括本體3130及耦光部3131。本體3130形成於頂壁3115之端部，並沿遠離底壁3113之方向延伸。耦光部3131形成於本體3130遠離主體311之一端。耦光面3135設置於耦光部3131遠離主體311之末端面，其大致呈凸鏡狀。本實施方式中，耦光面3135對應連接部6013遠離本部6011之一端呈半球面狀。

步驟S408：加熱包層材料至熔融狀態，並將熔融狀態之包層材料均勻塗佈於芯層31及第一包層351上，且僅露出耦光面3135，以形成第二包層預型體（圖未示）。

步驟S409：提供一第三滾輪80（請參閱圖6），其包括光滑之第三滾壓面81。第三滾壓面81設置於第三滾輪80之圓周側面上。

步驟S410：用第三滾輪80壓製該第二包層預型體，形成第二包層355，從而製得光波導30。

步驟S411：提供一間隔貫通開設有二透光孔53之電路基板50，將電路基板50裝設於光波導30上，二透光孔53分別相對二傳輸端313之耦光面3135。

步驟S412：提供一具有發光元件71及受光元件73之光學組件70，發光元件71及受光元件73分別裝設於電路基板50上，並位於該二透光孔53之上，從而製得光耦合模組100。

本發明之光耦合模組100及其製作方法，由於光波導30之耦光面3135為凸鏡狀，從發光元件71發出之光訊號入射到芯層31中時，與發光元件71相對之耦光面3135能夠將光訊號進行集中傳遞至一反射壁3117，經反射改變方向到達另一反射壁3117，再經與受光元件73相對之耦光面3135聚集成束傳遞至受光元件73。相較於呈平面狀之耦光面，凸鏡狀之耦光面3135增大了收光範圍，且使光訊號聚集成束，提高了入射到芯層31中及從芯層31出射之光訊號之品質，即使黏晶過程中發生了一定之偏移量，耦光效果也不會受到影響。

可理解，可只將其中之一耦光面3135設為凸鏡狀。

可理解，襯底10與電路基板50都可設置為多層電路板，而直接將光波導30嵌入多層電路板中。

綜上所述，本發明符合發明專利要件，爰依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，舉凡熟悉本案技藝之人士，於爰依本發明精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下之如申請專利範圍內。

100．．．光耦合模組

10．．．襯底

30．．．光波導

31．．．芯層

311．．．主體

3113．．．底壁

3115．．．頂壁

3117．．．反射壁

313．．．傳輸端

3130．．．本體

3131．．．耦光部

3135．．．耦光面

35．．．包層

351．．．第一包層

353．．．收容空間

355．．．第二包層

50．．．電路基板

53．．．透光孔

70．．．光學組件

71．．．發光元件

73．．．受光元件

40．．．第一滾輪

41．．．第一滾壓面

401．．．第一壓槽

4011．．．基部

4013．．．延伸部

60．．．第二滾輪

61．．．第二滾壓面

601．．．第二壓槽

6011．．．本部

6013．．．連接部

80．．．第三滾輪

81．．．第三滾壓面

圖1係本發明實施方式之光耦合模組之立體示意圖。

圖2係圖1之光耦合模組沿II-II方向之剖面示意圖。

圖3A與圖3B係光耦合模組製作方法之流程圖。

圖4係第一滾輪及其對應所製備產品之局部剖面示意圖。

圖5係第二滾輪及其對應所製備產品之局部剖面示意圖。

圖6係第三滾輪及其對應所製備產品之局部剖面示意圖。

100．．．光耦合模組

10．．．襯底

30．．．光波導

31．．．芯層

311．．．主體

3113．．．底壁

3115．．．頂壁

3117．．．反射壁

313．．．傳輸端

3130．．．本體

3131．．．耦光部

3135．．．耦光面

35．．．包層

50．．．電路基板

53．．．透光孔

70．．．光學組件

71．．．發光元件

73．．．受光元件

Claims (10)

1. 一種光耦合模組，包括襯底、光波導、電路基板及光學組件，該光波導裝設於該襯底及該電路基板之間，該光波導包括芯層及包層，該芯層具有耦光面，該包層包覆芯層且露出該耦光面，該電路基板上貫通開設有與該耦光面相應之透光孔，該光學組件設置於該透光孔上，並藉由該透光孔與該耦光面進行光耦合，其改良在於：該耦光面呈凸鏡狀，該耦光面能夠將入射至該芯層之光訊號聚集進行傳輸，亦能夠將從該芯層出射之光訊號聚集進行傳輸。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光耦合模組，其中該耦光面呈半球面狀。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光耦合模組，其中該芯層包括主體及分別形成於該主體二端之二傳輸端，該傳輸端背離該襯底延伸彎折，該耦光面之數量為二，該二耦光面分別設置於該二傳輸端遠離該主體之末端面上。
4. 如申請專利範圍第3項所述之光耦合模組，其中該電路基板上間隔開設有二透光孔，該光學組件包括分別設置於該二透光孔上之發光元件及受光元件，以分別與二該耦光面進行耦光。
5. 如申請專利範圍第3項所述之光耦合模組，其中該主體包括底壁、頂壁及二反射壁，該底壁鄰近該襯底設置，該頂壁與該底壁平行設置，該反射壁連接該底壁與頂壁，該二傳輸端分別形成於該頂壁二端。
6. 如申請專利範圍第5項所述之光耦合模組，其中該反射壁與該底壁間之夾角等於135度。
7. 一種光耦合模組之製作方法，包括以下步驟：
   提供一襯底；
   提供包層材料，加熱包層材料至熔融狀態，將該熔融狀態之包層材料塗佈於該襯底上，以形成第一包層預型體；
   提供一第一滾輪，該第一滾輪包括第一滾壓面，第一滾壓面開設複數第一壓槽；
   採用第一滾輪壓製該第一包層預型體，形成第一包層，該第一包層上形成與該第一壓槽相對應之收容空間；
   提供芯層材料，加熱該芯層材料至熔融狀態，將熔融狀態之芯層材料塗佈於該收容空間，以形成芯層預型體；
   提供一第二滾輪，該第二滾輪包括第二滾壓面，該第二滾壓面上開設有複數第二壓槽，該第二壓槽包括本部及相對設置於本部二端之二連接部，該連接部遠離該本部之一端截面呈凸鏡狀；
   採用該第二滾輪壓製該芯層預型體，以形成一具有呈凸鏡狀耦光面之芯層；
   將熔融狀態之包層材料塗佈於該芯層及該第一包層上，且露出該耦光面，以形成第二包層預型體；
   提供一第三滾輪，該第三滾輪具有第三滾壓面；
   採用該第三滾輪壓製該第二包層預型體，從而製得光波導；
   提供一貫通開設有透光孔之電路基板，將該電路基板裝設於該光波導上，該透光孔相對該耦光面；
   提供或製備一光學組件，該光學組件裝設於該透光孔之上，從而製得光耦合模組。
8. 如申請專利範圍第7項所述之光耦合模組之製作方法，其中該連接部遠離該本部之一端截面呈半圓形該耦光面呈半球面狀。
9. 如申請專利範圍第8項所述之光耦合模組之製作方法，其中該收容空間之底壁與側壁間之夾角為135度。
10. 如申請專利範圍第7項所述之光耦合模組之製作方法，其中該芯層包括主體及分別形成於該主體二端之二傳輸端，該傳輸端背離該襯底延伸彎折，該耦光面之數量為二，該二耦光面分別設置於該二傳輸端遠離該主體之末端面上。