TWI747397B

TWI747397B - 光發射元件、光學收發模組及光纖纜線模組

Info

Publication number: TWI747397B
Application number: TW109125155A
Authority: TW
Inventors: 呂政鴻; 陳珉儒; 蔡智韋; 李文賢; 張駿揚
Original assignee: 佑勝光電股份有限公司
Priority date: 2019-11-22
Filing date: 2020-07-24
Publication date: 2021-11-21
Also published as: TW202120979A; CN112835150A

Abstract

本發明提供一種光發射元件、光學收發模組及光纖纜線模組。光發射元件包括密封型殼體、電路基板、光發射器及電容器。電路基板，設置於該密封型殼體內，光發射器設置於該電路基板上，電容器電性連接於該光發射元件的內引腳與該電路基板之間。光學收發模組包括基板、光接收元件及光發射元件。光纖纜線模組包含光纖纜線及光學收發模組。

Description

光發射元件、光學收發模組及光纖纜線模組

本發明涉及光纖通信技術領域，特別涉及一種光發射元件、光學收發模組及光纖纜線模組。

在光纖通信技術的應用中，需要將電信號經過光發射元件(如雷射器)轉換為光信號，然後將光信號耦合進傳導光信號的光纖中。

傳統的電信傳輸系統逐漸被光纖傳輸系統所取代。光纖傳輸系統由於並不具有頻寬限制，具有高速傳輸、傳輸距離長、材質不受電磁波干擾等優點，因此，目前電子產業多朝光纖傳輸的方向進行研發。

然而，近幾年，要求光收發器等光學模組的進一步的小型化，因此需要對光纖傳輸系統的結構進行優化。當光收發器進行小型化時，需再同時改善光收發器的成本及使用頻寬。

本發明提出一種光學收發模組，以改善光收发器的成本及使用频宽。

本發明提出一種光發射元件，其包括密封型殼體、電路基板、光發射器及電容器。電路基板設置於該密封型殼體內，光發射器設置於該電路基板上，電容器電性連接於該光發射元件的內引腳與該電路基板之間。

本發明還提出一種光學收發模組，其包括基板、光接收元件及光發射元件。光發射元件包括密封型殼體、電路基板、光發射器及電容器。電路基板設置於該密封型殼體內，光發射器設置於該電路基板上，電容器電性連接於該光發射元件的內引腳與該電路基板之間。

本發明還提出一種光纖纜線模組，光纖纜線模組包括：光纖纜線及光學收發模組。光學收發模組包括基板、光接收元件及光發射元件。光發射元件包括密封型殼體、電路基板、光發射器及電容器。電路基板設置於該密封型殼體內，光發射器設置於該電路基板上，電容器電性連接於該光發射元件的內引腳與該電路基板之間。

本發明提出一種光發射元件、光學收發模組及其應用，可調整光發射元件的系統阻抗至適當的系統阻抗，避免高頻訊號反射，且加大頻寬，因而適合於高頻訊號的光學收發模組。再者，電容器與引線的制程簡單，而可降低光發射元件的制程成本，有利於光學收發模組的整體成本。

為期許本發明之目的、功效、特徵及結構能夠有更為詳盡之瞭解，茲舉較佳實施例並配合圖式說明如後。

100:光學纜線模組

101:電子裝置

102:匹配埠

103:處理器

104:罩殼

105:周邊裝置

106:路徑

110:光學收發模組

111:基板

112:處理器

113:光發射元件

113a:光發射器

113b:密封型殼體

113c:基座

113d:支柱

113e:電路基板

113f:電容器

113g:第一引線

113h:第二引線

113i:內引腳

114:光接收元件

130:光纖纜線

L3:等效電感

L4:等效電感

L5:等效電感

C1:等效電容

圖1是使用本發明光學纜線模組的一系統的一實施例的方塊圖；

圖2為本發明光學收發模組的一實施例的示意圖；

圖3至圖4為本發明光發射元件的一實施例的示意圖；

圖5為本發明光發射元件的內引腳、引線及電容器的等效電路圖；

圖6A及圖6B分別是未設有電容器時的頻率回應圖及眼圖；

圖7A及圖7B分別是設有電容器時的頻率回應圖及眼圖。

以下各實施例的說明是參考附加的圖式，用以例示本發明可用以實施的特定實施例。本發明所提到的方向用語，例如「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「內」、「外」、「側面」等，僅是參考附加圖式的方向。因此，使用的方向用語是用以說明及理解本發明，而非用以限制本發明。

附圖和說明被認為在本質上是示出性的，而不是限制性的。在圖中，結構相似的單元是以相同標號表示。另外，為了理解和便於描述，附圖中示出的每個元件的尺寸和厚度是任意示出的，但是本發明不限於此。

在附圖中，為了清晰起見，誇大了層、膜、面板、區域等的厚度。在附圖中，為了理解和便於描述，誇大了一些層和區域的厚度。將理解的是，當例如層、膜、區域或基底的元件被稱作“在”另一元件“上”時，該元件可以直接在該另一元件上，或者也可以存在中間元件。

另外，在說明書中，除非明確地描述為相反的，否則詞語“包括”將被理解為意指包括該元件，但是不排除任何其它元件。此外，在說明書中，“在......上”意指位於目標群元件上方或者下方，而不意指必須位於基於重力方向的頂部上。

請參閱圖1，本實施例提出一種光學纜線模組100，圖1為使用該光學纜線模組100的流程圖，該光學纜線模組100包括光學收發模組110，光纖纜線130及電子裝置101。該電子裝置101可以是許多運算或顯示裝置中的任何一種，其包括但不局限於資料中心、桌上型或膝上型電腦、筆記型電腦、超薄型筆記本、平板電腦、筆記本、或其它運算裝置。除了運算裝置之外，可被瞭解的是，許多其他類型的該電子裝置101可包含一或多種描述於本發明中的該光學收發模組110及/或匹配埠102，且描述於本發明中的實施例可等效地應用在這些電子裝置上。這些其它電子裝置101的例子可包括電動車、掌上型裝置、智慧型手機、媒體裝置、個人數位助理(PDA)、移動個人電腦、行動電話、多媒體裝置、記憶體裝置、照相機、答錄機、I/O裝置、伺服器、機上盒、印表機、掃描機、監視器、電視機、電子看板、投影機、娛樂控制單元、可攜式音樂播放機、數位攝影機、上網裝置、遊戲裝置、遊戲主機、或任何可以包括該光學收發模組110及/或該匹配埠102的其它電子裝置101。在其它實施例中，該電子裝置101可以是任何其他處理資料或影像的電子裝置。

如圖1所示，該光纖纜線130是連接於該光學收發模組110，用於傳輸光學信號。該光纖纜線130可包括至少一或多條光纖芯，用於允許光學信號在光纖芯內傳輸。

請參閱圖1，該電子裝置101可包括處理器103，其可代表任何類型的處理電性及/或光學I/O信號的處理元件。可理解的是，該處理器103可以是一單一處理裝置，或多個分開的裝置。該處理器103可包括或可以是一微處理器、可程式邏輯裝置或陣列、微型控制器、訊號處理器、或某些組合。

請參閱圖1，該電子裝置101的該匹配埠102可用於作為一介面，以連接至該光學收發模組110。該光學收發模組110可允許另一周邊裝置105與該電子裝置101相互連接。本實施例的該光學收發模組110可支援經由一光學介面的通信。在各種實施例中，該光學收發模組110也可支援透過一電性介面的通信。

請參閱圖1，該周邊裝置105可以是一週邊I/O裝置。在各種實施例中，該周邊裝置105可以是多種運算裝置中的任何一種，其包括但不局限於桌上型或膝上型電腦、筆記型電腦、超薄型筆記本、平板電腦、筆記本、或其它運算裝置。除了運算裝置之外，可被瞭解的是，周邊裝置105可包括電動車、掌上型裝置、智慧型手機、媒體裝置、個人數位助理(PDA)、超行動個人電腦、行動電話、多媒體裝置、記憶體裝置、照相機、答錄機、I/O裝置、伺服器、機上盒、印表機、掃描機、監視器、電視機、電子看板、投影機、娛樂控制單元、可攜式音樂播放機、數位攝影機、上網裝置、遊戲裝置、遊戲主機、或其他電子裝置。

請參閱圖1，在一實施例中，該電子裝置101也可包括內部的光學路徑。該光學路徑可代表一或多個元件，其可包括在該處理器103與該匹配埠102之間傳送一光學信號的處理及/或終止元件。傳送一信號可包括產生及轉換至光學性、或接收及轉換至電性。在一實施例中，裝置也可包括電性路徑。電性路徑代表在該處理器103與該匹配埠102之間傳送一電信號的一或多個元件。

請參閱圖1，該光學收發模組110可用於對應配接該電子裝置101的匹配埠102。在本實施例中，將一連接器插頭和另一者配接可以是用來提供一機械式連接。將一連接器插頭與另一者配接通常亦提供通信連接。該匹配埠102可包括一罩殼104，其可提供該機械式連接機構。該匹配埠102可包括一或多個光學介面構件。路徑106可代表一或多個構件，其可包括用來傳遞光訊號(或光訊號及電訊號)於該處理器103和該匹配埠102之間的處理及/或終止構件。傳遞訊號可包括產生並轉換成光訊號、或接收並轉換成電訊號。

請參閱圖1，本發明的該光學收發模組110可被稱為光學連接器或光學接頭。一般而言，此光學連接器可用於提供和一匹配的連接器及光學元件相界接的實體連接介面。該光學收發模組110可為光引擎，用於產生光訊號及/或接收並處理光訊號。該光學收發模組110可提供從電-至-光信號或從光-至-電信號的轉換。

在一些實施例中，該光學收發模組110可用來遵照或依據一或多種通信協議處理該等光訊號。對於該光學收發模組110用來傳遞一光訊號及一電訊號的實施例而言，光學介面和電性介面可依據相同的協定，但這並不是絕對必要的。不論該光學收發模組110是依據電性I/O介面的協定，或是依據一不同的協議或標準來處理訊號，該光學收發模組110都可為了一預期的(intended)的協定而被建構或程式化於一特定的模組內，且不同的收發模組或光引擎可為了不同的協定而被建構。

請參閱圖2，其為本發明光學收發模組的一實施例的示意圖。本實施例提出的光學收發模組110可包括基板111、處理器112、光發射元件113及光接收元件114。基板111例如為印刷電路板(PCB)或陶瓷基板，並可包括例如插腳或連接球，用於介接至一外部裝置。處理器112是連接於基板111，處理器112可為任何類型的處理器晶粒或光學IC，而非限制于任一特定的處理器類型。光發射元件113及光接收元件114是連接至基板111上的處理器112，分別用於發射及接收光信號。光發射元件113及光接收元件114可包括傳輸電子信號之發射電路和接收電路，更具體的說，是處理對應光信號之電子信號的時序或其它協定方面的事項。

此外，在一些實施例中，基板111相對的兩個表面上皆可設置有不同的電路，用於設置不同功能的電路、晶片或元件。舉例說明，光接收元件114可設置於基板111的一表面上，而處理器112及IC晶片(例如但不限於LDD、PA、CDR、DSP晶片等)可設置於基板111的另一表面上。如此，可增加電路或晶片的設置空間，並可對應縮減基板111的尺寸。在一些實施例中，光接收元件114也可通過晶片直接封裝(chip on board)方式來固定於基板111上。

在本實施例中，光學收發模組110可例如應用於四光纖通道平行傳輸(Parallel Single Mode 4 lane,PSM4)的技術，其是經由多個光發射元件113分別將四個雷射源不同波長的光導入光纖中，通過光纖來進行中、長距離的傳輸。光接收元件114可接收光信號，並可將處理過的光信號分別導引至不同的通道。然不限於此，光學收發模組110除應用PSM4的技術外，亦可應用於各式多光纖通道波長分波多工(multi-channel，WDM)，例如但不限於：二位相位偏移調變(Binary Phase Shift Keying，BPSK)，四位相位偏移調變(Quadrature Phase Shift Keying，QPSK)、粗式波長分割多工轉換(Conventional/Coarse Wavelength Division Multiplexing，CWDM)、高密度分波多工(Dense Wavelength Division Multiplexing，DWDM)、光增/減多工(Optical Add/Drop Multiplexer，OADM)、可調光增/減多工(Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer，ROADM)、LR4或類似之相關光通訊技術。

如圖3及圖4所示，每一光發射元件113可包括光發射器113a及密封型殼體113b，且光發射器113a可完全地密封於一個或多個密封型殼體113b內，亦即光發射元件113內的光發射器113a並不會接觸到光發射元件113之外的外部環境或空氣，以避免光發射器113a的元件老化，確保光發射器113a的元件性能，大幅延長元件的使用壽命。其中，光發射元件113的密封程度可符合工業用途TO(Transmitter Optical Sub-Assembly)類型封裝的氣密要求。例如，每一多個光發射元件113的密封程度可為1x10-12~5x10-7(atm*cc/sec)。

在各種實施例中，光發射元件113的光發射器113a所發出的光信號的波長可位於近紅外光至紅外光的範圍，約為830奈米(nm)~1660奈米。光發射器113a可為可為適於產生光信號之任一種類型的雷射晶片(例如邊射型雷射裝置，FP/DFB/EML雷射，或垂直腔表面發光型雷射，VCSEL)。

在不同實施例中，光發射器113a可直接密封於密封型殼體113b內，且不具有外露的間隙，以確保光發射元件113的密封性。在一些實施例中，密封型殼體113b例如為圓筒型殼體。

在不同實施例中，通過光發射元件113的設置排列及/或基板111的設計，基板111的尺寸可以為符合QSFP28，QSFP+或Micro QSFP+的要求之設計。例如，在一些實施例中，基板111的寬度可約為11~18mm，在一些實施例中，基板111的長度可約為58~73mm，以符合QSFP+或QSFP28的要求。因此，通過光發射元件113的設置排列及/或基板111的設計，可將多個光發射元件113配置及封裝於一小型的光學收發模組110內，實現光學收發模組的小型化。

在不同實施例中，多個光接收元件114也可交錯設置，所述多個光發射元件的光接收方向之間具有一夾角是介於90度與180度之間。

在不同實施例中，光接收元件114與基板之間可具有一傾斜角度，光接收元件與基板之間的傾斜角度可小於90度，例如介於0度與90度之間，如1度、5度、30度、60度或45度。

在一些實施例中，光接收元件114可例如為筒型光接收元件，又例如可為同軸(Transistor-Ou也ne)筒型(TO-CAN)光接收元件。其中，筒型光接收元件的密封程度為符合工業用途TO(Transmitter Optical Sub-Assembly)類型封裝的氣密要求。例如，每一多個筒型光接收元件的密封程度可為1 x 10-12~5*10-7(atm*cc/sec)。在一實施例中，更具體地，每一筒型光接收元件的密封程度可為1 x 10-9~5 x 10-8(atm*cc/sec)。然不限於此，在一些實施例中，光接收元件114亦可非密封型的光接收元件。

值得說明的是，在不同實施例中，光發射元件113及光接收元件114可以有不同的排列、組合、及/或配置。例如，在一些實施例中，光發射元件113及光接收元件114可設置於基板111的同一側上。然不限於此，在一些實施例中，光發射元件113及光接收元件114也可分別設置於基板111的不同側上。

如圖3及圖4所示，在不同的實施例中，每一光發射元件113還可包括基座113c、支柱113d、電路基板113e、電容器113f及引線113g、113h。光發射器113a、基座113c、支柱113d、電路基板113e、電容器113f及引線113g、113h是設置於密封型殼體113b內。支柱113d是設置於基座113c上，電路基板113e是設置于支柱113d上，光發射器113a是設置于電路基板113e上，電容器113f可通過引線113g、113h來電性連接於光發射元件113的內引腳113i與電路基板113e之間。

如圖3及圖4所示，密封型殼體113b及基座113c可形成密閉空間，以容置光發射器113a、支柱113d及電路基板113e。支柱113d可由基座113g所延伸而出設置，用以支撐電路基板113e。在不同的實施例中，支柱113d的數量可為一個或多個，以支撐不同的電路元件。在不同實施例中，支柱113d可以是一體成型地形成於基座113c上，亦即支柱113d與基座113c可具有相同材料，例如具有良好導熱性的金屬。在一些實施例中，支柱113d可為半圓形柱狀，然不限於此，在一些實施例中，支柱113d可為矩形柱狀、圓柱狀、錐狀或其他立體形狀。

如圖3及圖4所示，在不同的實施例中，電路基板113e可設有電路，用以設置光發射器113a，且電路基板113e可包括良導熱材料(例如陶瓷、氧化鋁、氮化鋁)所製成，以改善散熱效率，減少高頻信號損耗。

在不同的實施例中，電容器113f可設置於光發射元件113內的適當位置，並可通過引線113g、113h來電性連接於光發射元件113的內引腳113i與電路基板113e之間，用於調整光發射元件113的系統阻抗至一預設的系統阻抗(例如20ohm~50ohm)，以避免高頻訊號反射，並可加大頻寬。

在一些實施例中，如圖3及圖4所示，電容器113f可設置於基座113c的內表面上，且位於內引腳113i與電路基板113e之間，以縮短引線長度。然不限於此，電容器113f亦可設置於光發射元件113內的其他適當位置上，例如密封型殼體113b內或支柱113d上。

在一些實施例中，電容器113f可例如為單層電容器(single layer capacitor，SLC)或其他適當的電容器，電容器113f的電容值例如為0.05pF~1pF。然不限於此，電容器113f的電容值亦可依據光發射元件113的整體阻抗來進行調整配置，以調整光發射元件113的系統阻抗至適當的系統阻抗。

在不同的實施例中，如圖3及圖4所示，引線113g、113h可包括第一引線113g及第二引線113h。第一引線113g是連接于電路基板113e與電容器113f之間，亦即可電性連接光發射器113a與電容器113f之間。第二引線113h是連接於電容器113f與內引腳113i之間，且第一引線113g及第二引線113h可連接於電容器113f的同一表面上。在不同的實施例中，引線113g、113h的長度例如為100um~1500um。然不限於此，引線113g、113h的長度亦可依據光發射元件113的整體阻抗來進行調整配置，以進一步調整光發射元件113的系統阻抗至適當的系統阻抗。

值得說明的是，如圖5所示，內引腳113i的等效電感L3、第一引線113g的等效電感L4、第二引線113h的等效電感L5及電容器113f的等效電容C1可形成T形等效電路。通過調整T形等效電路的阻抗，可進一步調整光發射元件113的系統阻抗至適當的系統阻抗。

圖6A及圖6B分別是未設有電容器時的頻率回應圖及眼圖(eye pattern)，圖7A及圖7B分別是設有電容器時的頻率回應圖及眼圖。如圖6A、圖6B、圖7A及圖7B所示，通過光發射元件113的電容器113f配置，光發射元件113的頻寬及高頻信號的傳輸有明顯地的改善。

因此，通過光發射元件113的電容器113f與引線113g、113h配置，可改善光發射元件113的引線電感阻抗，以調整光發射元件113的系統阻抗至適當的系統阻抗，並可避免高頻訊號反射，且加大頻寬，因而適合於高頻訊號(10Gb/s以上)的光學收發模組110。再者，電容器113f與引線113g、113h的制程簡單，而可降低光發射元件113的制程成本，有利於光學收發模組110的整體成本。

在不同的實施例中，每一光發射元件113還可包括至少一光學透鏡(未顯示)，用以將光發射器113a所發出的光信號進行光學改善，例如聚焦、准直、發散等。

“在一些實施例中”及“在各種實施例中”等用語被重複地使用。該用語通常不是指相同的實施例；但它亦可以是指相同的實施例。“包含”、“具有”及“包括”等用詞是同義詞，除非其前後文意顯示出其它意思。

雖然各種方法、設備、及系統的例子已被描述于本文中，但本揭示內容涵蓋的範圍並不局限於此。相反地，本揭示內容涵蓋所有合理地落在權利要求界定的範圍內的方法、設備、系統及製造之物，權利要求的範圍應依據已被建立的申請專利範圍解釋原理來加以解讀。例如，雖然上面揭示的系統的例子在其它構件之外還包括可自硬體上執行的軟體或或韌體，但應被理解的是，該等系統只是示範性的例子，並應被解讀為是限制性的例子。詳言之，任何或所有被揭示的硬體、軟體、及/或韌體構件可被專門地被體現為硬體、專門地被體現為軟體、專門地被體現為韌體、或硬體、軟體及/或韌體的一些組合。

綜上，雖然本發明已以優選實施例揭露如上，但上述優選實施例並非用以限制本發明，本領域的普通技術人員，在不脫離本發明的精神和範圍內，均可作各種更動與潤飾，因此本發明的保護範圍以權利要求界定的範圍為准。

故，本發明在同類產品中具有極佳之進步性以及實用性，同時查遍國內外關於此類之技術資料文獻後，確實未發現有相同或近似之構造或技術存在於本案申請之前，因此本案應已符合『新穎性』、『合於產業利用性』以及『進步性』的專利要件，爰依法提出申請之。

唯，以上該者，僅係本發明之較佳實施例而已，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之其它等效結構變化者，理應包含在本發明之申請專利範圍內。