具有柔性印刷電路板的高速光學(xué)模塊的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種具有柔性印刷電路板的高速光學(xué)模塊。設(shè)備包括基部基板、光旋轉(zhuǎn)模塊和柔性印刷電路板（PCB）。光旋轉(zhuǎn)模塊具有安裝在基部基板上的底部表面以及耦合到一個(gè)或多個(gè)光電換能器的頂部表面，并且被配置為引導(dǎo)相應(yīng)的光電換能器和垂直于頂部表面的一側(cè)上的光學(xué)端口之間的光信號(hào)。柔性印刷電路板（PCB）包括被附接到光旋轉(zhuǎn)模塊的頂部表面并具有安裝在其上的光電換能器的第一端部、附接到基部基板的第二端部、以及布置在第一端部和第二端部之間以引導(dǎo)光電換能器和基部基板之間的電信號(hào)的導(dǎo)電跡線。
【專利說明】具有柔性印刷電路板的高速光學(xué)模塊
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明大體上涉及光通信，并且具體地涉及高速光學(xué)模塊。
【背景技術(shù)】
[0002]將光纖與光電換能器例如半導(dǎo)體激光器和光電二極管集成在一起的光學(xué)模塊被用在例如高數(shù)據(jù)速率、高帶寬通信系統(tǒng)中。這些模塊可以使用多種混合的組裝技術(shù)被制造，當(dāng)將光纖芯中的光引導(dǎo)至光電換能器時(shí)，該組裝技術(shù)有時(shí)需要高精度的對(duì)準(zhǔn)工藝。
[0003]美國(guó)專利7，538，358和8，043, 877，其公開內(nèi)容通過引用并入本文，描述了封裝的電光集成電路和多模光纖連接器，該多模光纖連接器包括集成電路基板、至少一個(gè)光信號(hào)提供元件、感測(cè)來自至少一個(gè)光信號(hào)提供元件的至少一個(gè)光信號(hào)的至少一個(gè)光信號(hào)傳感器和至少一個(gè)分立的反射光學(xué)元件，所述至少一個(gè)分立的反射光學(xué)元件被安裝到集成電路基板上、與至少一個(gè)光信號(hào)提供元件協(xié)作并且操作來引導(dǎo)來自至少一個(gè)光信號(hào)提供元件的光。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的實(shí)施方式提供了包括基部基板、光旋轉(zhuǎn)模塊和柔性印刷電路板(PCB)的設(shè)備。光旋轉(zhuǎn)模塊具有被安裝在基部基板上的底部表面以及被耦合到一個(gè)或多個(gè)光電換能器的頂部表面，并且被配置為引導(dǎo)在相應(yīng)的光電換能器和垂直于頂部表面的一側(cè)上的光學(xué)端口之間的光信號(hào)。柔性印刷電路板(PCB)包括被附接于光旋轉(zhuǎn)模塊的頂部表面并且具有安裝在其上的光電換能器的第一端部、被附接于基部基板的第二端部以及被布置在第一端部和第二端部之間以引導(dǎo)光電換能器和基部基板之間的電信號(hào)的導(dǎo)電跡線。
[0005]在某些實(shí)施方式中，光旋轉(zhuǎn)模塊包括通過Si中介層(interposer)制造工藝形成的娃光具座。在某些實(shí)施方式中，光旋轉(zhuǎn)模塊包括被配置為弓I導(dǎo)相應(yīng)的光電換能器和光學(xué)端口之間的光信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)反射鏡。在其它實(shí)施方式中，一個(gè)或多個(gè)反射鏡是傾斜的。又在其它實(shí)施方式中，一個(gè)或多個(gè)反射鏡是彎曲的。在某些實(shí)施方式中，一個(gè)或多個(gè)反射鏡包括相應(yīng)的光柵。在其它實(shí)施方式中，設(shè)備還可以包括耦合到一個(gè)或多個(gè)反射鏡的相應(yīng)的透鏡。
[0006]在某些實(shí)施方式中，柔性PCB的第一端部與光旋轉(zhuǎn)模塊的頂部表面對(duì)準(zhǔn)，并且柔性PCB的第二端部與光旋轉(zhuǎn)模塊的底部表面對(duì)準(zhǔn)。在其它實(shí)施方式中，光學(xué)端口包括放置在相應(yīng)的孔中的一條或多條光纖，所述相應(yīng)的孔形成在垂直于光旋轉(zhuǎn)模塊的頂部表面的側(cè)中。
[0007]在其它實(shí)施方式中，光電換能器被制造在安裝到柔性PCB的第一端部上的換能器管芯中，并且包括與第一端部處的換能器管芯相鄰地安裝的驅(qū)動(dòng)器管芯以及布置在柔性PCB上用于連接換能器管芯與驅(qū)動(dòng)器管芯的電路跡線。又在其它實(shí)施方式中，設(shè)備還可以包括附接到光學(xué)端口的光學(xué)平行連接器。
[0008]根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式，還提供了包括將光旋轉(zhuǎn)模塊的底部表面安裝到基部基板上的方法。柔性印刷電路板(PCB)的具有安裝在其上的一個(gè)或多個(gè)光電換能器的第一端部被附接到光旋轉(zhuǎn)模塊的頂部表面，以便引導(dǎo)光電換能器和在光旋轉(zhuǎn)模塊垂直于頂部表面的一側(cè)上的相應(yīng)的光學(xué)端口之間的光信號(hào)。柔性PCB的第二端部被附接到基部PCB。導(dǎo)電跡線被布置在第一端部和第二端部之間，以便引導(dǎo)光電換能器和基部基板之間的電信號(hào)。
[0009]從與附圖結(jié)合在一起的本發(fā)明的實(shí)施方式的如下詳細(xì)描述中，本發(fā)明將被更充分地理解，在附圖中:
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的高速光學(xué)模塊的橫截面圖的簡(jiǎn)圖；
[0011]圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的高速光學(xué)模塊的俯視圖的簡(jiǎn)圖；以及
[0012]圖3是示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于制造高速光學(xué)模塊的方法的流程圖。
【具體實(shí)施方式】[0013]概述
[0014]網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)，例如無(wú)限帶寬網(wǎng)絡(luò)單元，可以包括基于光電的連接性或切換部件，例如增強(qiáng)的數(shù)據(jù)速率(EDR)有源光纜、EDR光學(xué)模塊開關(guān)和EDR主機(jī)通道適配器(HCA)光學(xué)模塊。這些光學(xué)部件通常包括光具座，光具座經(jīng)常被認(rèn)為是最低分級(jí)的光學(xué)構(gòu)件，其包括與光電換能器陣列連接的光纖陣列。光電換能器可以包括例如生成光的激光器和探測(cè)光的光探測(cè)器，所述光被路由在通信系統(tǒng)的單元之間的光纖中。
[0015]光學(xué)模塊還可以包括將來自一個(gè)集成電路芯片的控制信號(hào)和處理信號(hào)耦合到包括光電換能器的另一個(gè)芯片的互連部。例如，光電換能器(OT)管芯上的光電二極管探測(cè)調(diào)制的光并將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為調(diào)制電流。OT管芯的電端口然后被耦合到包括跨阻抗放大器(TIA)電路的輔助(AUX)管芯，以將調(diào)制電流轉(zhuǎn)換為電壓。某些常規(guī)的光學(xué)模塊將AUX管芯引線鍵合到OT管芯。因此，調(diào)制帶寬被限制為約25GBps，這是由于引線鍵合的寄生電感劣化在OT輸出端(例如光電二極管輸出端)的到AUX管芯(例如TIA)的輸入端的調(diào)制電流信號(hào)的信號(hào)完整性。
[0016]在本文中被描述的本發(fā)明的實(shí)施方式提供了具有改進(jìn)的光學(xué)調(diào)制帶寬的光學(xué)模塊設(shè)備。在某些實(shí)施方式中，光旋轉(zhuǎn)模塊被安裝在基部基板，例如基部印刷電路板(PCB )上。光旋轉(zhuǎn)模塊包括在娃基板中形成的娃光具座(SiOB),其被配置為在SiOB的一側(cè)上的多個(gè)光學(xué)端口和SiOB的頂部表面之間垂直地引導(dǎo)光。光學(xué)端口通常包括形成在SiOB的垂直于SiOB的頂部表面的一側(cè)中的光纖陣列。
[0017]光電換能器管芯和輔助管芯緊鄰彼此被安裝(例如使用倒裝芯片安裝)在柔性PCB被附接到SiOB的頂部表面的一個(gè)端部處。柔性PCB的相反的端部沿光旋轉(zhuǎn)模塊被附接到
基部基板。
[0018]光學(xué)端口通常被連接到光學(xué)平行連接器。柔性PCB上的導(dǎo)電跡線將輔助管芯連接到整個(gè)光學(xué)模塊被安裝在其上的基部基板。使光學(xué)接口和電接口中的全部都在單一的柔性PCB上簡(jiǎn)化了組裝并且顯著減小了在OT管芯和AUX管芯之間的連接中的寄生電容和電感二者，這顯著提高了調(diào)制帶寬。[0019]系統(tǒng)描述
[0020]圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的高速光學(xué)模塊10的橫截面圖的簡(jiǎn)圖。模塊10的俯視圖在下面的圖2中示出。模塊10包括硅光具座(SiOB) 20，硅光具座20的底部表面被附接到基部印刷電路板(PCB)30或任何其它合適的基部基板。柔性PCB40的第一端部被附接到Si0B20的頂部表面，并且相反的第二端部被附接到基部PCB30。
[0021]Si0B20的垂直側(cè)120包括光學(xué)端口。對(duì)于在此示出的實(shí)例來說，光學(xué)端口包括多模光纖50，多模光纖50被放置在形成在SiOB中的垂直于側(cè)120并且平行于SiOB的頂部表面的相應(yīng)的嵌入光纖孔60中?？?0可以例如通過化學(xué)蝕刻、反應(yīng)離子蝕刻、機(jī)械鉆孔或任何其它合適的工藝形成。
[0022]在用于圖1中示出的實(shí)施方式的光旋轉(zhuǎn)模塊20的制造中，槽70例如通過機(jī)械鋸、化學(xué)蝕刻或任何其它合適的蝕刻工藝被蝕刻到SiOB中，其切割基板材料以及斜面上的光纖邊緣。光纖被放置在其中的孔60通常不延伸到SiOB的相反的面，但被配置為終止在槽70被蝕刻的地方，其形成光纖邊緣小面的斜面切口。
[0023]微光學(xué)反射鏡80被放置在槽70中。反射鏡80被對(duì)準(zhǔn)并且被配置為引導(dǎo)被放置在柔性PCB的頂部表面上的光電換能器(OT)管芯90 (例如垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)管芯或光電二極管管芯)和具有被切成斜面的邊緣小面的嵌入光纖50之間的光線85。
[0024]光電換能器管芯90通常包括一個(gè)或多個(gè)砷化鎵(GaAs)垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)或光電二極管，其通過倒裝片隆起焊盤(bump) 100安裝到柔性PCB上。光電換能器管芯90還可以包括在同一管芯上的VCSEL或光電二極管器件的陣列。柔性PCB包括在VCSEL正下方的孔105，其使光能夠不受阻礙地在VCSEL和正下方的反射鏡80之間通過。然后，反射鏡使光垂直地旋轉(zhuǎn)并將光引導(dǎo)到相應(yīng)的光纖50中。
[0025]在本發(fā)明的上下文中，術(shù)語(yǔ)“光電換能器”指代用于在光信號(hào)和電信號(hào)之間轉(zhuǎn)換的VCSEL、光電二極管或任何其它合適的換能器。
[0026]輔助(AUX)管芯95例如通過倒裝芯片附接部與OT管芯90相鄰地安裝在柔性PCB40上。AUX管芯可以利用工藝?yán)缁パa(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)、硅鍺(SiGe)或任何其它合適的半導(dǎo)體工藝被制造。當(dāng)光電換能器包括光發(fā)射器例如VCSEL時(shí)，AUX管芯包括生成用于驅(qū)動(dòng)光發(fā)射器的電信號(hào)的相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)器。當(dāng)光電換能器包括光探測(cè)器例如光電二極管時(shí)，AUX管芯包括用于放大由光探測(cè)器生成的電信號(hào)的放大器，例如跨阻抗放大器(TIA)。
[0027]Si0B20可以通過任何合適的附接工藝附接到基部基板。相似地，基部PCB30可以通過焊接隆起焊盤110或通過任何其它合適的附接工藝被附接到任何其它基板。柔性PCB40可以包含例如由Matrix公司(圣安娜，加利福尼亞州)生產(chǎn)的Megtron_6PPE共混樹脂膜、由Nelco California公司(富勒頓，加利福尼亞州)生產(chǎn)的N4000-13EP膜或任何其它合適的柔性PCB材料?；縋CB可以包含F(xiàn)R4或任何其它合適的PCB材料。
[0028]圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的高速光學(xué)模塊10的俯視圖的簡(jiǎn)圖。該俯視圖還疊加了嵌入光纖50，為了概念清楚，如圖1的橫截面圖所示。光學(xué)模塊的典型尺寸在圖2中示出，其絕不是對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限制。任何其它合適的尺寸可被用于實(shí)現(xiàn)支持范圍例如從25GHz至50GHz的調(diào)制頻率的模塊。
[0029]本實(shí)例中的光學(xué)模塊包括嵌入在SiOB中的相應(yīng)的光纖孔60 (在上面的圖1中示出)中的十二條光纖50、放置在槽70 (在上面的圖1中示出)中的十二個(gè)相應(yīng)的微光學(xué)反射鏡80,微光學(xué)反射鏡80引導(dǎo)光纖和光電換能器管芯90之間的光。模塊10還可以包括支桿150，支桿150可以被嵌入到SiOB中并用于機(jī)械地支撐被安裝到基部PCB30的面120上的光學(xué)平行連接器(在圖2中未示出)?；縋CB的寬度通常是高達(dá)10_。
[0030]在某些實(shí)施方式中，管芯90可以包括十二個(gè)單獨(dú)的VCSEL管芯或一個(gè)包括十二個(gè)VCSEL器件的陣列的管芯。在某些實(shí)施方式中，光電換能器管芯可以包括光電二極管的陣列。圖1和圖2中示出的實(shí)施方式僅僅是為了概念清楚，并且不當(dāng)作對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式的限制。
[0031]AUX管芯95被安裝為盡可能靠近OT管芯90，例如通過借助倒裝芯片附接或以任何其它合適的方式安裝兩個(gè)管芯。AUX管芯95通常具有2.7-3mm乘1.5_3mm的尺寸，如圖2所示。導(dǎo)電的電跡線160被布置在柔性PCB40的表面上，其將AUX管芯95連接到OT管芯90。光電換能器管芯的寬度通常是3mm。管芯90的高度加上跡線160的長(zhǎng)度通常是
0.4-0.8mm，如圖2所示。將管芯90和95安裝在如此靠近的距離中使跡線160能夠是盡可能短的，通常小于0.5_。這種類型的配置通過最小化電氣寄生保持AUX管芯和OT管芯之間的電調(diào)制信號(hào)的完整性，由此增加光的可實(shí)現(xiàn)的調(diào)制帶寬。
[0032]柔性PCB上的不同的導(dǎo)電跡線被用于驅(qū)動(dòng)被制造在AUX管芯95上的電路。不同的跡線由圍繞信號(hào)跡線180的粗的接地跡線170形成。十二個(gè)不同的跡線對(duì)然后路由到AUX管芯中，如圖2所示。導(dǎo)電跡線路由在管芯95和90被定位的柔性PCB40的端部和柔性PCB的連接到基部PCB30的相反的端部之間的電信號(hào)。
[0033]包括多對(duì)不同的傳輸線的導(dǎo)電跡線的合適的設(shè)計(jì)將AUX管芯連接到電連接器或任何合適的電接口，這確保了電接口和光電換能器之間的電調(diào)制信號(hào)的高信號(hào)完整性和連續(xù)性。
[0034]在圖1和圖2中示出的實(shí)施方式中，光旋轉(zhuǎn)模塊可以使用Si中介層制造工藝形成，或通過在上文引用的美國(guó)專利7，538，358和8，043，877中所描述的技術(shù)形成。在某些實(shí)施方式中，反射鏡80可以通過蝕刻S1、玻璃或任何合適的光學(xué)材料以及通過沉積金或任何其它合適的反射性材料的層來制造，以形成具有期望的形狀因數(shù)的微光學(xué)反射鏡。在其它實(shí)施方式中，反射鏡可以通過任何合適的制造技術(shù)形成以使反射鏡在光旋轉(zhuǎn)模塊內(nèi)嵌入和自對(duì)準(zhǔn)，從而引導(dǎo)光纖50和OT管芯90之間的光85。
[0035]在某些實(shí)施方式中，放置在槽70中的反射鏡80可以包括一個(gè)十二個(gè)微光學(xué)反射鏡的陣列。在其它實(shí)施方式中，反射鏡可以包括平坦的傾斜的反射鏡、彎曲的傾斜的反射鏡(如圖1所示)或透鏡和反射鏡的組合。又在其它實(shí)施方式中，反射鏡還可以包括集成到上文所討論的實(shí)施方式中的光柵。彎曲的反射鏡、透鏡和光柵的實(shí)施方式可以用于準(zhǔn)直入和出光纖50的光線85，如圖1所示。
[0036]圖1和2中示出的模塊10的機(jī)械和幾何配置是僅僅為了概念的清楚被示出的示例性配置。在可選擇的實(shí)施方式中，任何其它合適的配置可被使用。
[0037]圖3是示意性地圖示了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施方式的用于制造高速光學(xué)模塊10的方法的流程圖。在制造步驟200處，柔性PCB40被制造為具有PCB孔105和導(dǎo)電跡線170和180。在對(duì)準(zhǔn)步驟210處，光電換能器管芯90 (例如VCSEL或光電二極管陣列管芯)的光學(xué)接口與柔性PCB孔105對(duì)準(zhǔn)，并且管芯90被附接到柔性PCB40。在附接步驟220處，輔助管芯95被附接到柔性PCB40。如果與包括VCSEL器件的OT管芯配對(duì)，則AUX管芯可以包括驅(qū)動(dòng)器電路，或相反地，如果與包括光電二極管的OT管芯配對(duì)，則AUX管芯可以包括跨阻抗放大器。
[0038]在附接步驟230處，柔性PCB的一個(gè)端部被附接到光旋轉(zhuǎn)模塊(例如Si0B20)的頂部面，同時(shí)PCB孔105與反射鏡80對(duì)準(zhǔn)。在附接步驟240處，柔性PCB40的相反的端部處的導(dǎo)電跡線170和180被附接到基部PCB30。電跡線170和180然后可被附接到基部PCB30上的任何電連接器或其它部件。相似地，任何合適的光學(xué)平行連接器可以被安裝在面120上，如先前所描述的。
[0039]圖3的方法中的步驟的順序以實(shí)例的方式被選擇。在可選擇的實(shí)施方式中，模塊100可以使用步驟的任何其它合適的順序被制造。
[0040]因此將意識(shí)到，上文所描述的實(shí)施方式以實(shí)例的方式被引用，并且本發(fā)明不限于已經(jīng)在上文具體地示出和描述的內(nèi)容。相反，本發(fā)明的范圍包括在上文所描述的各種特征的組合和子組合二者，以及本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀前述描述時(shí)將想到的并且在現(xiàn)有技術(shù)中未公開的其變化和修改。本專利申請(qǐng)中通過引用并入的文件將被認(rèn)為是本申請(qǐng)的一體的部分，只是在任何術(shù)語(yǔ)在這些并入的文件中以與在本說明書中明確或隱含地做出的定義沖突的方式被定義這方面來說，僅本說明書中的定義應(yīng)當(dāng)被考慮。
【權(quán)利要求】
1.一種高速光學(xué)模塊，包括: 基部基板； 光旋轉(zhuǎn)模塊，所述光旋轉(zhuǎn)模塊具有安裝在所述基部基板上的底部表面以及耦合到一個(gè)或多個(gè)光電換能器的頂部表面，并且所述光旋轉(zhuǎn)模塊被配置為引導(dǎo)相應(yīng)的光電換能器和垂直于所述頂部表面的一側(cè)上的光學(xué)端口之間的光信號(hào)；以及 柔性印刷電路板(PCB)，其包括被附接到所述光旋轉(zhuǎn)模塊的所述頂部表面并具有安裝在其上的所述光電換能器的第一端部、附接到所述基部基板的第二端部、以及布置在所述第一端部和所述第二端部之間以引導(dǎo)所述光電換能器和所述基部基板之間的電信號(hào)的導(dǎo)電跡線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速光學(xué)模塊，其中所述光旋轉(zhuǎn)模塊包括通過Si中介層制造工藝形成的娃光具座。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速光學(xué)模塊，其中所述光旋轉(zhuǎn)模塊包括被配置為引導(dǎo)所述相應(yīng)的光電換能器和所述光學(xué)端口之間的所述光信號(hào)的一個(gè)或多個(gè)反射鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速光學(xué)模塊，其中所述一個(gè)或多個(gè)反射鏡是傾斜的。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速光學(xué)模塊，其中所述一個(gè)或多個(gè)反射鏡是彎曲的。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速光學(xué)模塊，且包括耦合到所述一個(gè)或多個(gè)反射鏡的相應(yīng)的透鏡。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的高速光學(xué)模塊，其中所述一個(gè)或多個(gè)反射鏡包括相應(yīng)的光柵。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速光學(xué)模塊，其中所述柔性PCB的所述第一端部與所述光旋轉(zhuǎn)模塊的所述頂部表面對(duì)準(zhǔn)，并且其中所述柔性PCB的所述第二端部與所述光旋轉(zhuǎn)模塊的所述底部表面對(duì)準(zhǔn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速光學(xué)模塊，其中所述光學(xué)端口包括被放置在形成在與所述光旋轉(zhuǎn)模塊的所述頂部表面垂直的所述側(cè)中的相應(yīng)的孔中的一條或多條光纖。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速光學(xué)模塊，其中所述光電換能器被制造在安裝到所述柔性PCB的所述第一端部上的換能器管芯中，并且所述光電換能器包括與所述第一端部處的所述換能器管芯相鄰地安裝的驅(qū)動(dòng)器管芯以及被布置在所述柔性PCB上用于連接所述換能器管芯與所述驅(qū)動(dòng)器管芯的電路跡線。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高速光學(xué)模塊，還包括附接到所述光學(xué)端口的光學(xué)平行連接器。
【文檔編號(hào)】G02B6/42GK203385897SQ201320137037
【公開日】2014年1月8日 申請(qǐng)日期:2013年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月28日
【發(fā)明者】什姆埃爾·萊維 申請(qǐng)人:梅蘭諾克斯科技有限公司