TWM565804U - Optical communication module alignment device - Google Patents

Abstract

一種光通訊模組對準裝置，包含基板及透鏡載具，基板設有光源和光偵測器，透鏡載具兼具透鏡、反射鏡面及連接光纜接頭的功能。當透鏡載具與基板作對準固定時，藉由前者的對位部契合於後者的定位部，達成二組件初步對位後，再透過CCD攝影機監測二組件同心圓的疊合情況，進行對位的修正，直到二疊紋圖樣為同心圓，使二組件對準固定的精準度可達到奈米等級，以將光源發射的光訊號有效地耦合到光纖之中，而從其他光發射器發射的光訊號亦能準確地入射光偵測器。

Description

光通訊模組對準裝置

本創作係關於一種光通訊模組對準裝置，尤指一種可以將光學元件與光電元件進行對準固定時的精準度提升到奈米等級的被動式對準裝置。

用於光通訊的光電元件在應用上需要與光學元件耦合，才能執行傳送/接收光訊號的作用。由於電路板的表面佈滿光電元件和線路，因此無法提供一平坦的基礎面固定光學元件，而使光耦合的效率受到影響。尤其，作為光源的發光二極體(Light Emitting Diode，LED)或雷射二極體(Laser Diode，LD)，及作為光偵測器(Photodetector)的光二極體(Photo Diode)，如果不能與光學元件精準對位，將導致光能量損失及/或訊號在傳輸時產生誤差。因此，光通訊模組在封裝過程中，應確保光學元件與光電元件精準對位。

本國發明專利No.I461775揭示的『光通訊模組及其耦光組接方法』，即提供一種光學元件與光電元件的對準方式。該光通訊模組包含基板及透鏡耦光載具，基板具有至少二收發光晶片，每一收發光晶片具有複數光電單元，每一光電單元上標記一定位特徵；透鏡耦光載具包括框架及透鏡陣列，透鏡陣列由若干透鏡單元構成，每一透鏡單元對應一光電單元。當透鏡耦光載具與基板作對準固定時，可以透過CCD攝影機觀測每一光電單元 上的定位特徵是否投射到相對應的透鏡單元，藉此進行光耦合位置的確認，使透鏡耦光載具可與基板精準對位，形成精準的光通訊路徑。

由於前揭專利僅在光電單元上標記定位特徵，因此當透過CCD攝影機觀測該光電單元的定位特徵是否投射至相對應的透鏡單元時，光電單元必須在操作狀態下，也就是要在通電流的狀態下，以影像處理等方法實際偵測耦合效果，再以迴授控制找到最佳耦合的元件間相對位置。簡單的說，前揭專利乃是使用主動式對準(Active Alignment)方式，進行透鏡耦光載具與基板的對準固定。當然，主動式對準在生產少量的產品時並無問題，但若產品是需要大批生產時，每個內部元件都需要校正光軸並固定，不僅耗時費工，而且沒有效率。此外，僅憑光電單元上標記的定位特徵是否投射到對應的透鏡單元，難以使透鏡耦光載具與基板進行對準固定時的精準度(accuracy)達到奈米(nm)等級的水準。

本創作乃為解決上述問題所成，其目的在於提供一種被動式對準裝置，可以使光通訊模組的光學元件與光電元件進行對準固定時的精準度達到百奈米，甚至奈米等級。

具體實現本創作的光通訊模組對準裝置，包含一基板，具有一光源及一光偵測器，該基板還包含至少二定位部及二定位點，該至少二定位部間隔設置在該基板的表面，該二定位點間隔標記在該基板的表面；及一透鏡載具，具有一第一透鏡陣列、一第二透鏡陣列及一承接座，該第一和第二透鏡陣列分別對 應該光源和光偵測器，該承接座用以連接一光纜接頭；該透鏡載具還包括至少二對位部及二透明視窗，該至少二對位部分別形成於該透鏡載具的二側邊，該二透明視窗間隔設置在該透鏡載具的表面，每一透明視窗的中心標記一對位點，該二對位點的中心距與該二定位點的中心距相同；當該透鏡載具與基板作對準固定時，藉由每一對位部契合於每一定位部，達成初步對位後，再透過一CCD攝影機進行每一對位點與每一定位點的精準對位，以將該透鏡載具精準固定在該基板上。

在另一實施例中，所述對位部為凹槽形狀，並且對稱設置在該透鏡載具的左側邊和右側邊，每一側邊各有二槽形對位部，該凹槽形狀包括但不限於三角形；該定位部為與該槽形對位部吻合的標記或凸塊，每一標記或凸塊對應一凹槽。

在另一實施例中，所述基板進一步具有以每定位點為圓心而標示的同心圓；該透鏡載具包含有以每一對位點為圓心，並且標記在該透明視窗內的同心圓，以透過該CCD攝影機監測該透鏡載具同心圓與該基板同心圓的疊合情況，進行對位的修正。

在另一實施例中，所述光源為複數面射型雷射二極體組成的陣列；該光偵測器為若干光二極體構成的陣列；該第一和第二透鏡陣列分別包括複數準直透鏡及複數聚光透鏡；該透鏡載具還包含一反射鏡面，該面射型雷射二極體發射的光訊號入射該第一透鏡陣列的準直透鏡，並透過該反射鏡面反射及該第一透鏡陣列的聚光透鏡彙聚後，導入該光纜接頭接續的光纖內部而傳輸至其他光接收器，而從其他光發射器發射的光訊號則經由該光 纖入射該第二透鏡陣列的準直透鏡，再透過該反射鏡面反射及該第二透鏡陣列的聚光透鏡彙聚後傳輸至該光二極體。

在另一實施例中，所述基板為矽基板。

在另一實施例中，所述承接座由一前端壁、一頂壁及二平行的側壁界定而成，該承接座還包含二分別從該前端壁的二側向後延伸，並且與該側壁平行的插件。

在另一實施例中，所述透鏡載具的表面包含一吸盤座，該透鏡載具的底面具有複數腳墊。

在另一實施例中，所述基板固定在一電路板上，該電路板具有一驅動晶片及一轉阻放大器，該光源藉由一組導線與該驅動晶片電性連接，該光偵測器透過另一組導線電性連接該轉阻放大器。

在另一實施例中，所述基板可不設置該光偵測器，該電路板可不包含該轉阻放大器，使該光通訊模組僅具發射光訊號的功能。

在另一實施例中，所述基板可不設置該光源，該電路板可不包含該驅動晶片，使該光通訊模組僅具接收光訊號的功能。

本創作對照先前技術的功效在於，使用被動式對準(Passive Alignment)方式，在透鏡載具與基板進行對準固定時，透過二組件對位部與定位部契合，達成初步對位後，再藉由CCD攝影機進行二組件對位點與定位點的精準對位，使精準度可以達到百奈米。

此外，還可在透鏡載具與基板達成初步對位時，透 過CCD攝影機監測二組件同心圓的疊合狀態，進行對位的修正，將精準度提升到奈米等級。

至於本創作的詳細技術內容及其他目的與特點參照下面配合附圖的實施例說明即可完全明白。

10‧‧‧光通訊模組對準裝置

20‧‧‧電路板

21‧‧‧驅動晶片

22‧‧‧轉阻放大器

30‧‧‧光源/VCSEL陣列

31‧‧‧面射型雷射二極體

32‧‧‧導線

40‧‧‧光偵測器/光二極體陣列

41‧‧‧光二極體

42‧‧‧導線

50‧‧‧基板

51‧‧‧定位部

52‧‧‧定位點

53‧‧‧同心圓

60‧‧‧透鏡載具

61‧‧‧第一透鏡陣列

62‧‧‧第二透鏡陣列

63‧‧‧反射鏡面

64‧‧‧承接座

65‧‧‧準直透鏡

66‧‧‧聚光透鏡

67‧‧‧前端壁

68‧‧‧頂壁

69‧‧‧側壁

70‧‧‧插件

71‧‧‧對位部

72‧‧‧視窗

73‧‧‧對位點

74‧‧‧同心圓

75‧‧‧吸盤座

76‧‧‧腳墊

77‧‧‧聚光透鏡

78‧‧‧準直透鏡

79‧‧‧凹槽

第1圖為本創作光通訊模組對準裝置的外觀圖。

第2圖為本創作的分解圖。

第3圖為本創作的俯視圖。

第4圖為沿第3圖中A-A線的剖面圖。

第5圖為本創作透鏡載具倒置的外觀圖。

如第1至第4圖所示，本創作揭示的光通訊模組對準裝置10包括一基板(Substrate)50，該基板50黏合在一電路板20上，以支撐一光源30和一光偵測器40。所述電路板(Printed Circuit Board，PCB)20具有一驅動晶片21、一轉阻放大器(Transimpedence Amplifier，TIA)22，及其他必要電元件構成的線路。在某些實施例中，亦可省略基板50，直接將光源30和光偵測器40設置於電路板20上。

所述基板50可用不同的材料製作，如矽、高分子和陶瓷材料製作，其中矽基板具有成本低、易加工，具備良好的導電性、導熱性和熱穩定等優點，而為較佳的選擇。採用矽基板作為光源30和光偵測器40的載板具有下列優點：1.矽基板較電路板平坦。2.矽基板可蝕刻定位點，使貼件精準度達到百奈米等級。 3.矽基板厚度的調製可有效控制驅動晶片21/轉阻放大器22與光源30/光偵測器40的打線距離，提升高頻訊號的效能。4.矽基板可當光學元件的基礎面，若矽基板在黏晶(Die Mounting)過程中膠量不均造成貼合的傾斜，光學元件仍在相同的基礎面，光路耦合的效率仍不受影響。5.光源30具有較佳的散熱機制。

在光通訊系統中通常作為光源的半導體元件是發光二極體和雷射二極體。在本創作的實施例中，所述光源30為複數垂直腔面發射雷射二極體(Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode，以下簡稱VCSEL或面射型雷射二極體)31組成的VCSEL陣列，每一面射型雷射二極體31以一導線32與驅動晶片21電性連接，而受該驅動晶片21驅動發射光訊號。其他可作為光源的發光二極體和邊射型雷射二極體(Edge Emitting Laser Diode，EELD)亦可採用，不受VCSEL的限制。

所述光偵測器40乃利用光電效應將入射的光訊號轉為電訊號。在光通訊系統中，光偵測器通常是半導體為基礎的光二極體。在本創作的實施例中，光偵測器40為若干光二極體41組成的光二極體陣列(Photo Diodes Array)，每一光二極體41以一導線42電性連接轉阻放大器22，該轉阻放大器22處理由光二極體41轉換回的電訊號後，透過後端電路轉換成數位訊號。

本創作另一個重要組件是透鏡載具60。該透鏡載具60為塑膠模製件，兼具透鏡、反射鏡面及承接光纜接頭的功能，此三合一的透鏡載具60具有下列優點：1.體積小、重量輕。2.重心可完全落在黏合的基板50(或VCSEL陣列30/光二極體陣列40)上。3.可降低封裝時壓損驅動晶片21/轉阻放大器22與VCSEL陣列 30/光二極體陣列40打線接合(Wire Bonding)金線的機率。

如第2至5圖所示，透鏡載具60包含一第一透鏡陣列(Lens Array)61、一第二透鏡陣列62、一反射鏡面63及一連接光纜接頭(圖未示)的承接座64。其中，第一透鏡陣列61包括複數準直透鏡65及複數聚光透鏡77，二者間隔90度設置，每一準直透鏡65分別對應一面射型雷射二極體31和一聚光透鏡77，該面射型雷射二極體31發射的光訊號入射準直透鏡65，經由準直透鏡65轉換成平行光束，並透過45度的反射鏡面63反射轉變為水準方向，再經由聚光透鏡77彙聚後耦合(Coupling)到該光纜接頭接續的光纖(圖未示)之中，然後藉由該光纖傳輸至其他光接收器(圖未示)。第二透鏡陣列62與第一透鏡陣列61相同，亦由複數聚光透鏡66及複數準直透鏡78構成，二者間隔90度設置，每一聚光透鏡66各自對應一光二極體41和一準直透鏡78，從其他光發射器(圖未示)發射的光訊號依序經由光纖→準直透鏡78→反射鏡面63→聚光透鏡66→光二極體41，在此光訊號被光二極體41轉換回電訊號，然後藉由轉阻放大器22轉換成振幅較小的電訊號，再透過後端的電路轉換成數位訊號。所述承接座64用以連接光纜接頭，其由一前端壁67、一頂壁68及二平行的側壁69界定而成。上述聚光透鏡77和準直透鏡78設置在一形成於該前端壁67的長形凹槽79內。承接座64還包含二分別從前端壁67的二側向後延伸，並且與側壁69平行的插件70，該插件70用於插入光纜接頭的插孔，藉此使光纜接頭與透鏡載具60達成可靠的機械式連結。

透鏡載具60又包含至少二對位部71；在附圖的實施例中，該對位部71為三角形(V形)凹槽，並且對稱設置在透鏡載具 60的左側邊和右側邊，每一側邊各有二槽形對位部71。就對位部71的其他凹槽形狀，如長方形、四方形、梯形或半圓形等幾何形狀設計自亦應包含在本創作的申請專利範圍內。對位部71的作用在於與基板50表面對應的定位部51合作，使透鏡載具60與基板50作對準固定時，可透過對位部71與定位部51的契合而達成初步對位，其作用留待後述，暫且略過。所述定位部51是與對位部71數目相同，並且形狀吻合的標記，每一定位部51對應一對位部71，此定位部51可利用已知的方法，如光刻(Photolithography)技術得到。定位部51也可為一突出於基板50表面的凸塊，不受平面標記的限制。

透鏡載具60的表面進一步包含二間隔設置的透明視窗72，該透明視窗72為圓形，同時每一透明視窗72的中心標記一約20微米(μm)的對位點73。所述對位點73在於配合基板50上的定位點52使用，即基板50包含二定位點52，該二定位點52間隔標記在基板50的表面，並且中心距及間距及大小與透鏡載具60上的二對位點73相同，使透鏡載具60與基板50達成初步對位後，可再透過二對位點73與二定位點52進行精準對位，其作用同樣留待後述。

又，透鏡載具60的表面提供一吸盤座75，供一由機器手臂控制的吸盤(圖未示)將透鏡載具60抓到基板50的上方進行組裝。此外，透鏡載具60的底面四角落各有一腳墊76，此腳墊76有助於透鏡載具60與基板50的表面保持一較佳的接觸關係，使透鏡載具60可以平穩地黏合於基板50上。

當透鏡載具60與基板50進行對準固定時，可以在光 電元件(面射型雷射二極體31/光二極體41)不通電流的狀態下，使用被動式對準方式，將透鏡載具60精準固定到基板50上。如第3圖所示，首先藉由透鏡載具60的每一對位部(三角形凹槽)71契合於基板50的每一定位部51(三角形標記)，完成二組件的初步對位，此時精準度可達微米(μm)等級。接著透過一電荷耦合元件(Charge Coupled Device，CCD)攝影機(圖未示)進行透鏡載具60上每一對位點73與基板50上每一定位點52的對位。當二對位點73分別與二定位點52對準時，表示透鏡載具60已與基板50精準對位，即第一透鏡陣列61和第二透鏡陣列62分別對準VCSEL陣列30和光二極體陣列40，使面射型雷射二極體31發射的光訊號可有效地耦合到光纖之中，而其他光發射器發射的光訊號亦可經由光纖準確地入射光二極體41。使用上述被動式對準方式將透鏡載具60固定到基板50上的精準度可以達到百奈米(nm)。

在較佳的實施例中，如第2和第3圖所示，本創作進一步應用莫列疊紋(Moiré Pattern)原理進行光學對準，使透鏡載具60與基板50作對準固定時的精準度可以提升到奈米等級。所述莫列疊紋係由標記在基板50表面的二組同心圓53，及標記在透鏡載具60表面的二組同心圓74構成。其中，基板50上的同心圓53係以定位點52為圓心而標示；透鏡載具60上的同心圓74以對位點73為圓心標記在透明視窗72內，並且四組同心圓的周期相同。

在透鏡載具60與基板50依照上述被動式對準方式完成初步對位時，可以直接透過CCD攝影機觀測檢視透鏡載具60二組同心圓74分別與基板50二組同心圓53的疊合情況，進行光學對準。如第3圖所示，當二組件精準疊合對位時，其疊紋圖樣為 同心圓；若往左偏則呈現逆時針螺旋圖樣，往右偏則出現順時針螺旋圖樣。從而，可藉由此現象進行對位的修正，將透鏡載具60與基板50進行對準固定時的精準度大幅提高到奈米等級。

需知，本創作揭示的光通訊模組對準裝置10亦可在省略其中的轉阻放大器22、光二極體陣列40和第二透鏡陣列62，組成僅具有發射光訊號功能的光發射模組，而與其他用於接收光訊號的光接收模組對接，實現該光發射模組與其他光接收模組之間的光訊號雙向傳輸。同理，亦可省略光通訊模組10中的驅動晶片21、VCSEL陣列30和第一透鏡陣列61，構成僅具接收光訊號功能的光接收模組，而與其他用於發射光訊號的光發射模組對接，實現該光接收模組與其他光發射模組之間的光訊號雙向傳輸。

當然，以上所述僅為本創作的較佳實施例，並非因此限制本創作的專利範圍，凡是利用本創作說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本創作的專利保護範圍內。

Claims (10)

1. 一種光通訊模組對準裝置，包含：一基板，具有一光源及一光偵測器，該基板還包含至少二定位部及二定位點，該至少二定位部間隔設置在該基板的表面，該二定位點間隔標記在該基板的表面；及一透鏡載具，具有一第一透鏡陣列、一第二透鏡陣列及一承接座，該第一和第二透鏡陣列分別對應該光源和光偵測器，該承接座用以連接一光纜接頭；該透鏡載具還包括至少二對位部及二透明視窗，該至少二對位部分別形成於該透鏡載具的二側邊，該二透明視窗間隔設置在該透鏡載具的表面，每一透明視窗的中心標記一對位點，該二對位點的中心距與該二定位點的中心距相同；當該透鏡載具與基板作對準固定時，藉由每一對位部契合於每一定位部，達成初步對位後，再透過一CCD攝影機進行每一對位點與每一定位點的精準對位，以將該透鏡載具精準固定在該基板上。
2. 如請求項1所述的光通訊模組對準裝置，其中該對位部為凹槽形狀，並且對稱設置在該透鏡載具的左側邊和右側邊，每一側邊各有二槽形對位部，該凹槽形狀包括但不限於三角形；該定位部為與該槽形對位部吻合的標記或凸塊，每一標記或凸塊對應一凹槽。
3. 如請求項1所述的光通訊模組對準裝置，其中該基板進一步具有以每定位點為圓心而標示的同心圓；該透鏡載具包含有以每一對位點為圓心，並且標記在該透明視窗內的同心圓，以透過 該CCD攝影機監測該透鏡載具同心圓與該基板同心圓的疊合情況，進行對位的修正。
4. 如請求項1所述的光通訊模組對準裝置，其中該光源為複數面射型雷射二極體組成的陣列；該光偵測器為若干光二極體構成的陣列；該第一和第二透鏡陣列分別包括複數準直透鏡及複數聚光透鏡；該透鏡載具還包含一反射鏡面，該面射型雷射二極體發射的光訊號入射該第一透鏡陣列的準直透鏡，並透過該反射鏡面反射及該第一透鏡陣列的聚光透鏡彙聚後，導入該光纜接頭接續的光纖內部而傳輸至其他光接收器，而從其他光發射器發射的光訊號則經由該光纖入射該第二透鏡陣列的準直透鏡，再透過該反射鏡面反射及該第二透鏡陣列的聚光透鏡彙聚後傳輸至該光二極體。
5. 如請求項1項所述的光通訊模組對準裝置，其中該基板為矽基板。
6. 如請求項1所述的光通訊模組對準裝置，其中該承接座由一前端壁、一頂壁及二平行的側壁界定而成，該承接座還包含二分別從該前端壁的二側向後延伸，並且與該側壁平行的插件。
7. 如請求項1所述的光通訊模組對準裝置，其中該透鏡載具的表面包含一吸盤座，該透鏡載具的底面具有複數腳墊。
8. 如請求項1項所述的光通訊模組對準裝置，其中該基板固定在一電路板上，該電路板具有一驅動晶片及一轉阻放大器，該光源藉由一組導線與該驅動晶片電性連接，該光偵測器透過另一組導線電性連接該轉阻放大器。
9. 如請求項8所述的光通訊模組對準裝置，其中該基板可不設置 該光偵測器，該電路板可不包含該轉阻放大器，使該光通訊模組僅具發射光訊號的功能。
10. 如請求項8所述的光通訊模組對準裝置，其中該基板可不設置該光源，該電路板可不包含該驅動晶片，使該光通訊模組僅具接收光訊號的功能。