專利名稱：用于高速光發(fā)射器或者接收器的組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明總體上涉及用于在電信號和光信號之間進行轉換的組件，尤其涉及緊湊的高速發(fā)射器和接收器光學組件，以及與之有關的制造方法。
背景技術：
光纖技術非常適合通信應用，因為光纖具有很寬的傳輸帶寬和比較低的衰減。但是，到電子和光網(wǎng)絡的光纖接口制造起來比較昂貴，因為將激光發(fā)射和接收器件安裝到基底上并將它們與單獨安裝的光纖對準比較困難。另外，從成本、技術和小型化的角度，光纖技術的高性能應用提出了集成方面的挑戰(zhàn)，尤其是在光電邊界處的集成。由于這些原因，光纖接口已經(jīng)成為一個障礙，放慢了光纖技術滲透到本地城區(qū)通信系統(tǒng)以及其它市場的步伐。
傳統(tǒng)接口，比如用于高速應用的發(fā)射器光學組件(TOSA，transmitter optical sub-assembly)以及接收器光學組件(receiveroptical sub-assembly(ROSA))接口已經(jīng)有了很大的占用空間，其中沒有集合成本上比較經(jīng)濟的技術，比如垂直腔表面發(fā)射激光器(vertical cavity surface emitting lasers(VCSEL))。相反，傳統(tǒng)的TOSA/ROSA封裝當中結合了邊緣發(fā)射激光器(edge emitting laser)技術。例如，對于TOSA/ROSA應用，如今廣泛使用的有一種稱為蝶形封裝(butterfly package)的封裝設計。蝶形封裝不允許使用VCSEL技術，比較大，其中沒有結合會使封裝高速工作的電導信號跡線以及RF設計特征。
因此，需要一種高速工作的緊湊的光學組件。還需要一種結合了VCSEL技術和RF設計特征的緊湊光學組件，以允許高速工作。還需要有一種容易制造、組裝和使用的串行光學組件，能夠取消格架部件以降低制造和部署的總體成本。還需要一種在高速場合比如10G比特每秒串行應用中應用VCSEL技術的組件。

發(fā)明內容
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種能夠高速工作的光學組件，其使用垂直腔激光器比如垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。該光學組件被設計為具有小的形狀因數(shù)(form factor)，使用嵌入光纖的傾斜面沿著光纖的長度對來自VCSEL的光束進行內反射。所述傾斜面被鍍覆，以確保少量的光束傳播通過所述光纖，離開所述傾斜面進入一個監(jiān)視二極管。這種幾何安排提供了較高的耦合效率，方便了光纖和VCSEL之間的直接有源對準(active alignment)。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述組件可以用作用于高速傳輸(10G比特每秒)、使用垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的小型發(fā)射器光學組件(TOSA)和接收器組件(ROSA)。所述組件可以用在例如符合10G比特小形狀因數(shù)可插(10 Gigabit Small FormFactor Pluggable(XFP))設計的應用中。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，所述光學組件包括一個平臺和一個套圈(ferrule)。該平臺支承一個包括垂直腔激光器的半導體器件。該平臺還將所述半導體器件電耦合到RF信號。所述套圈具有一個配合端，有光纖安裝于其中。該套圈的配合端具有傾斜套圈和共面的光纖表面。該配合端還包括與平臺的端面接合的配合面，以將激光器相對于光纖對準從而使激光器被定位為向光纖中投射光束。在使用中，激光束被投射到光纖中，反射離開所述傾斜面，沿著光纖傳播。
所述傾斜面可以鍍有電介質，電介質的常數(shù)被選擇為使光束發(fā)生內反射，并使少量光束在光纖的傾斜面上透過。該組件可以包括一個監(jiān)視二極管，其被固定到所述平臺上，在光束的透過部分的光路上，用于監(jiān)視VCSEL的工作。
根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例，該組件可以還包括一個套筒和一個外殼。該套筒保持所述套圈。該外殼包括一個用于接合所述套筒的通道，以及用于包容所述套圈的配合端和所述平臺的腔。該組件的信號可以通過由所述平臺支承的引線耦合到所述半導體器件。另外，所述外殼可以包括一個隙縫，所述引線通過所述隙縫伸出，并使用具有低介電常數(shù)的材料被固定。
根據(jù)本發(fā)明的方法的一個實施例，提供一個具有內部縱向孔的套圈。將一根光纖固定到該縱向孔內。該套圈和光纖被加工為形成共面的傾斜面。所述套圈還被加工為形成配合面，用于與一個平臺接合，并將所述光纖相對于所述平臺上的一個器件定位。在使用中，合適地對準的器件將光束發(fā)射到光纖中，光束反射離開光纖的所述傾斜面，并沿著光纖傳播。


接合下面的詳細說明和附圖，可以更完全地理解本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點。附圖給出了說明性的實施例，這些實施例不是要限制本發(fā)明。附圖中圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于TOSA或者ROSA接口的組件的分解圖；圖2圖示了TOSA組件的一個說明性的例子，圖解了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，套圈和平臺上的元件之間的相互作用；圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在各自的外殼中的組裝起來的TOSA/ROSA接口；圖4A到4C圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的套圈的一個實施例；圖5圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，平臺上的RF信號跡線以及電感元件；圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例用于TOSA的平臺-套圈布局，便于將光學監(jiān)視器件安裝到平臺上；圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例用于TOSA的平臺-套圈布局，便于將光學監(jiān)視器件安裝到外殼上；圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例用于屏蔽所述套圈的技術；圖9圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的在接合期間的平臺及其與套圈的關系。
具體實施例方式
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種使用垂直腔激光器比如垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的光學組件，能夠高速工作。該光學組件被設計為具有小的形狀因數(shù)，使用嵌入光纖的一個傾斜面來沿著光纖的長度對來自VCSEL的光束進行內反射。所述傾斜面被鍍覆以確保少量的光束透過光纖，離開所述傾斜面而進入一個監(jiān)視二極管。這種幾何結構提供了較高的耦合效率，便于光纖和VCSEL之間的直接有源對準。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，所述組件可以用作用于高速傳輸(10G比特每秒)、使用垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)的小型發(fā)射器光學組件(TOSA)和接收器組件(ROSA)。所述組件可以用在例如符合10G比特小形狀因數(shù)可插(10 Gigabit Small Form FactorPluggable(XFP))設計的應用中。所述組件可以被容納在一個小而容易連接光纖和電連接器的外殼中。
圖1圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例用于TOSA或者ROSA接口的組件的分解圖。見圖1，該組件包括一個外殼，該外殼具有兩個分離部件101和102。外殼101包括一個形成一個內部通道105的中空圓柱形部分104。該內部通道用來接納和安裝保持套圈組件106的套筒103。下面將結合圖2更詳細地描述套圈組件106。但是，應當注意，該套圈組件包括在一端耦合到光纖、在另一端耦合到RF信號引線的有源光學和電子部件。
外殼101可以包括形成所述通道105與之相連的腔的全部或者一部分的壁107。壁107也可以是與外殼部分102上的相對的配合壁108相配合的壁，以形成容納所述套圈組件106的閉合腔。外殼部分102可以包括形成隙縫109的壁108。該隙縫109可以相對于電引線207(示于圖2)定位，使引線穿過該隙縫109伸出。
當組裝時，套圈組件106的套筒103可以被容納和固定在外殼部分101的通道105內。外殼部分101和102然后可以合在一起，使引線207伸過所述隙縫，從而接合壁107和108形成環(huán)繞套圈組件106的閉合腔。外殼部分可以用環(huán)氧樹脂或者焊料密封。對于發(fā)射器光學組件(TOSA)和接收器光學組件(ROSA)，該組件可以應用相同的緊湊外殼(101+102)。但是這并不是一個要求。
圖3圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，在各自的外殼內的組裝起來的TOSA/ROSA接口。所得到的組件尺寸可以是當前在光發(fā)射器和接收器應用中使用的所謂的蝶形封裝的體積的大約30％。看圖3，圖示于圖1的作為蓋子的外殼102中的隙縫109可以被填充以低介電常數(shù)材料，比如聚酰胺或者丙烯酸樹脂。所述低介電材料填充在電引腳207(示于圖2中)和隙縫之間，使引線具有剛性，這便于與電信號連接器互連。另外，所述低介電材料允許引線207被設置得相對來說靠近，例如相互間隔0.4微米，而不會導致引線之間的過度電容耦合。高介電常數(shù)材料容易使引線的傳輸線特性對于高頻RF信號傳輸應用來說不夠理想。
圖3進一步圖解了這樣一種情況外殼300包括一些方便的特征，便于與光信號傳輸路徑的互連。例如，壁302可以延伸過形成腔的所述壁。另外，壁303可以被定位在壁302上，可以包括突舌304。突舌304可以用來方便使另一個光纖接口與外殼300對接。突舌304可以與對接光纖的對接突舌或者其它特征互鎖。
通過將所有的電學部件和光學部件放置在小外殼內的平臺上來使該封裝的尺寸緊湊。通過建立和實現(xiàn)特殊設計的套圈(201)，使得這成為可能。該套圈可以被削出45度面，該面被覆以特殊覆層以能夠將進出光纖的光反射90度，從而透過部分光。套圈的長度可以相對于傳統(tǒng)設計縮短，以實現(xiàn)更為緊湊的總體組件尺寸(見圖4a)。在市場上可以獲得任何方便的套圈，并根據(jù)本發(fā)明的實施例進行改制。
圖2圖解了TOSA組件的一個說明性的例子，用以說明根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，套圈、平臺和平臺上的部件之間的相互作用。見圖2，其描繪了一個TOSA，套筒103容納套圈201。在詳細描述圖2之前，先參照圖4和圖5描述套圈201及其與平臺206的接合關系。
圖4A圖示了套圈201的視圖，其中強調了套圈201中的縱向孔400。該孔的尺寸被設計為在其中容納和固定光纖。光纖的安裝可以是將光纖穿過所述孔，并將其用環(huán)氧樹脂或者其它合適的粘合劑固定在位。所述套圈201還包括傾斜面401和對接面402-405，它們在圖4B中得到了最佳圖示。見圖4B，套圈包括傾斜面401。傾斜面401可以在將光纖固定到套圈201內之前或者之后形成。一般，傾斜面401的形式方法可以是磨削套圈201的表面以及該套圈201內的光纖(還可以拋光)，形成相對于套圈的縱軸的預定角度。該角度可以是將來自光纖內的光反射回光纖中并使光沿著光纖的縱軸的任何方便的角度。
可以切削和/或磨削所述套圈以縮短套圈的整體長度，以在套圈上形成配合面402到405，就如圖4B舉例所示。表面402垂直于套圈的縱軸。表面403平行于縱軸。表面402和403可以被設計為與平臺的相對表面接合的配合面，以合適地將套圈201內的光纖的接合端的傾斜面401與平臺上的光器件對準。
圖9圖示了平臺420及其與套圈在接合期間的關系。見圖9，平臺420包括與套圈的配合面402和403分別接合的配合面421和422。面402和403的尺度被設計為確保光纖403、其傾斜面401以及平臺上的光學元件423之間的正確接合和正確縱向對準。平臺上的光學元件423可以是VCSEL或者光接收器元件比如高速光電二極管，這取決于平臺是被設計為實現(xiàn)TOSA抑或ROSA接口。面404一般被選擇為確保平臺上的光學元件423和套圈內的光纖之間的間隙。套圈內的光纖一般沿著面404和401之間的面405被暴露。在使用正確對準的平臺時，對于TOSA，如圖9所示，光在光纖和平臺上的光學元件423之間傳遞。對于ROSA，光束的方向反過來。圖4C圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的套圈的另一個視圖。
再看圖2，其中圖示了所述平臺，其配合面與套圈的配合面對接。在TOSA的情況下，激光二極管205(這里是高速(10G比特每秒)垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL))向上垂直發(fā)射光，通過光纖底部向傾斜面401進入光纖。該傾斜面可以是45度套圈面，其覆蓋有精確控制了反射率的特殊鍍層，以允許部分光在傾斜面上被反射。反射的光沿著光纖傳播。所述鍍層還使部分光透過光纖，離開面401，向監(jiān)視光電二極管傳播。
監(jiān)視光電二極管可以位于構造202的底部，與始于VCSEL的光束的透過路徑對準。該構造202可以是包括所述光電二極管的器件，該光電二極管通過固定器耦接到平臺上。固定器210可以用任何方便的方式(包括使用粘合劑)固定到平臺上。監(jiān)視光電二極管器件可以被粘結到固定器上，并直接地或者通過固定器間接地通過引線接合或者倒裝片接合而電耦接到平臺。
所述平臺可以結合一個熱敏電阻203來檢測組件工作時的溫度。電感線圈204可以是寬帶電感線圈，其被設置為將較大端對著輸出電引腳(207)?？梢詫崿F(xiàn)高速地-信號-地傳輸線布局(206)，以方便共面波導-共面條帶過渡，接地阻抗匹配接近100微米。為了在外殼內在同一平面上容納電感線圈，可以在平臺實現(xiàn)一種布線方案，比如圖5所示者。這種配置釋放了放置電感線圈的空間。
引線207可以被耦接到平臺上的信號跡線(signal trace)，所述信號跡線以引線框的形式被結合在平臺上。引線207可以由高速收發(fā)芯片驅動，以利于通過串行路徑的高速10G比特每秒的操作?？梢詮腂roadcom獲得芯片以正確地驅動來自外部元件的引線207。
在組件中使用的元件，包括電感線圈、VCSEL激光器、監(jiān)視光電二極管、熱敏電阻，以及進行了某些改制工作的套圈，都可以從市場上買到，這樣有利于降低總體成本。
在ROSA的情況下，設計布局是大致類似的，用電容器替換204處的電感線圈，在同樣的203位置用轉移阻抗放大器(TIA)代替熱敏電阻。既然沒有了VCSEL二極管，還要用高速光電二極管代替205處的監(jiān)視光電二極管。
圖6圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的用于TOSA的平臺-套圈布局，其利于在平臺上安裝監(jiān)視光學監(jiān)視器件。見圖6，其中圖示了一個替換實施例，根據(jù)該實施例，目標是要利用透鏡化來實現(xiàn)激光二極管502和監(jiān)視光電二極管在同一平臺上協(xié)同定位。平臺可以是陶瓷面505。
套圈501包括向凹面鏡503反射部分光束的傾斜面401。該凹面鏡503可以被澆鑄到外殼(102)的內上側。這種設計可以使組件具有更少的部件，因為用這種設計，注意到要需要單獨的固定器(standoff)。
圖7圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例，用于TOSA的平臺-套圈布局，其有利于向外殼安裝光學監(jiān)視器件。見圖7，圖示的該替換實施例的目標在于容許更大的監(jiān)視光電二極管605，該光電二極管現(xiàn)在位于后外殼603、102內上側的底部。市場上的大多數(shù)合適的監(jiān)視光電二極管的占用面積大于1mm×1mm，取決于實施例，這是一個難以避免的必須尺寸。為了避免接地，在后外殼和監(jiān)視二極管之間夾一個電絕緣層604，該電絕緣層可以是例如陶瓷。
監(jiān)視二極管可以通過金屬線(金、銅或者軟電纜)連接到高速傳輸線。同樣，在該設計中不需要固定器，套圈(601)傾斜面上的特殊鍍層在將進出光纖的部分光分向監(jiān)視光電二極管的過程中起作用。
圖8圖示了根據(jù)本發(fā)明的一個實施例屏蔽套圈的技術。為了應付小腔中的諧振問題，可以對套圈(702)實現(xiàn)一個接地金屬屏蔽。根據(jù)一個實施例，其可由陶瓷制成。將金屬屏蔽(701)鍍覆到陶瓷上，套筒(703)和套圈之間的空間也可以由金屬(704)密封。由于套圈懸在空氣中而不接觸基底，套圈通過導電環(huán)氧樹脂條(705)接地，該環(huán)氧樹脂條連接套圈屏蔽和基底板上的小出孔。這樣，所述陶瓷套圈使用該接地金屬屏蔽裝置隔絕了諧振。
上面圖示了描述了本發(fā)明的具體實施例，本領域的普通技術人員可以理解，可以對這些實施例加以變化而不脫離本發(fā)明的實質范圍。
權利要求
1.一種光學組件，包括支承一個包括垂直腔激光器的半導體器件的平臺，該平臺將所述半導體器件電耦合到信號；一個套圈，該套圈中有一根光纖，該套圈還具有一個配合端，該配合端具有傾斜套圈和共面的光纖表面，該配合端還具有與平臺的端面接合的配合面，以將激光器相對于光纖對準從而使激光器被定位為向光纖中投射光束，以反射離開所述傾斜面和沿著光纖傳播。
2.如權利要求1所述的組件，還包括一個監(jiān)視二極管，其由所述平臺支承并電耦合到所述平臺上，該監(jiān)視二極管被定位為接收透過所述光纖的所述傾斜面的部分光束。
3.如權利要求1所述的組件，還包括保持所述套圈的套筒；以及一個外殼，該外殼包括一個用于接合所述套筒的通道，以及用于包容所述套圈的配合端和所述平臺的腔。
4.如權利要求3所述的組件，其中，信號沿著由所述平臺支承的引線耦合到所述半導體器件。
5.如權利要求4所述的組件，其中，所述外殼包括一個隙縫，所述引線通過所述隙縫伸出。
6.如權利要求5所述的組件，其中，所述外殼包括一個殼體部分和一個蓋體部分，該殼體部分包括一個開口到配合壁的通道，所述配合壁形成所述腔的至少一部分；并且所述蓋體部分包括形成所述隙縫的隙縫壁和用于與所述配合壁接合的相對配合壁，所述相對配合壁與所述配合壁相接合而圍成所述腔。
7.如權利要求6所述的組件，還包括所述隙縫內的固定所述引線的環(huán)氧樹脂。
8.如權利要求7所述的組件，其中，所述環(huán)氧樹脂具有低介電常數(shù)。
9.如權利要求1所述的組件，還包括電耦合到所述平臺的電感元件。
10.如權利要求9所述的組件，其中，所述平臺包括沿著安裝面的信號跡線，用于將信號耦合到所述半導體器件，所述信號跡線被定位為限定一個沒有信號跡線的區(qū)域，在該區(qū)域上定位所述電感線圈。
11.一種制造光學組件的方法，包括；提供一個具有內部縱向孔的套圈；將一根光纖固定到該縱向孔內；加工該套圈和光纖以形成共面的傾斜面；加工所述套圈以形成配合面，用于與一個平臺接合，并將所述光纖相對于所述平臺上的一個器件定位，以允許所述器件將光束發(fā)射到所述光纖中，光束反射離開光纖的所述傾斜面，并沿著光纖傳播。
12.如權利要求11所述的方法，還包括用介電材料鍍覆所述傾斜面。
13.如權利要求12所述的方法，其中，所述介電材料是聚酰胺。
14.如權利要求12所述的方法，其中，所述介電材料是丙烯酸樹脂。
全文摘要
提供了一種能夠高速工作的光學組件，其使用垂直腔激光器比如垂直腔表面發(fā)射激光器(VCSEL)。該光學組件被設計為具有小的形狀因數(shù)，使用嵌入光纖的傾斜面沿著光纖的長度對來自VCSEL的光束進行內反射。所述傾斜面被鍍覆，以確保少量的光束傳播通過所述光纖，離開所述傾斜面進入一個監(jiān)視二極管。這種幾何安排提供了較高的耦合效率，方便了光纖和VCSEL之間的直接有源對準。
文檔編號G02B6/42GK1701540SQ03820775
公開日2005年11月23日 申請日期2003年7月2日 優(yōu)先權日2002年7月2日
發(fā)明者富蘭克林·F.·K·佟, 阿倫·回, C·W.·范, 弗洛拉·霍, 納爾遜·勞, K·S·李, K·S·程, S·K.·拉姆, 埃德溫·常, 阿莉斯·常, 池林, 雷蒙德·常 申請人:新科實業(yè)有限公司