專利名稱：具有集成柔性電路的小型光學(xué)分組件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種小型光學(xué)分組件(OSA)，特別地，本發(fā)明涉及一種包括集成柔性電路連接器的OSA，所述連接器從所述OSA外殼中的光電子變換器芯片延伸到收發(fā)器的印刷電路板(PCB)電子裝置。
背景技術(shù)：
[3]收發(fā)器制造業(yè)的驅(qū)動力在于減小外型尺寸，提高數(shù)據(jù)傳輸速度，并降低成本。為了實(shí)現(xiàn)所有的這些目標(biāo)，常規(guī)的晶體管外形(TO)罐設(shè)計(jì)方法必須由更加奇特的部件包裝方法來取代。不過，為了提供能夠用于大范圍的數(shù)據(jù)傳輸速度和產(chǎn)品的OSA，這種OSA必須在OSA芯片與所述收發(fā)器電子裝置之間的高速RF電信號通路中采用受控的阻抗連接。而且，部件的總數(shù)必須減少，且能夠用現(xiàn)有的可獲取的材料制造。這種組裝過程，包括光學(xué)校準(zhǔn)，必須進(jìn)行簡化和/或使其自動化，以降低勞動力成本和提高生產(chǎn)速度，且纖維插孔部件應(yīng)支持不同的波長。
常規(guī)的OSA設(shè)計(jì)，如在1996年7月16日授權(quán)公告的，申請人為Cina等人并轉(zhuǎn)讓給現(xiàn)在的申請人的美國專利No.5,537,504中所公開的OSA設(shè)計(jì)，包括一個安裝在容器25中的光電子(O/E)變換器4，該容器25由一個窗口26密封。實(shí)心金屬導(dǎo)線23和24延伸穿過所述容器25的后部，以焊接到其它導(dǎo)線或直接焊接到收發(fā)器印刷電路板。所述窗口26限制所述纖維、透鏡和O/E的相對定位，而且所述導(dǎo)線23和24限制傳輸?shù)馁|(zhì)量和所述收發(fā)器印刷電路板的定位。軟帶導(dǎo)電性布線的使用已在1991年4月9日授權(quán)公告的，申請人為Arvanitakis等人并轉(zhuǎn)讓給現(xiàn)在的申請人的美國專利No.5,005,939中公開，但僅用于將OSA的現(xiàn)有導(dǎo)線連接到所述收發(fā)器印刷電路板。而且，Arvanitakis等人的專利中的裝置并沒有公開高質(zhì)量高數(shù)據(jù)速度信號所要求的多層微帶傳輸線路的使用。
本發(fā)明的一個目的在于通過提供具有集成柔性電路連接器的光學(xué)分組件來克服現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，這種具有集成柔性電路連接器的光學(xué)分組件用于降低所述OSA芯片與所述收發(fā)器電子裝置之間的電界面的數(shù)量和長度。
發(fā)明概述[6]相應(yīng)地，本發(fā)明涉及一種光學(xué)分組件，包括用于接收光纖的一端的光纖連接器，該光學(xué)連接器傳輸包括光學(xué)信號的光束；接合到所述光學(xué)連接器的外殼；安裝在所述外殼的一端上的加強(qiáng)板，該加強(qiáng)板與所述外殼一起形成包殼；安裝在所述加強(qiáng)板上的變換器，該變換器用于將光信號變換成電信號或?qū)㈦娦盘栕儞Q成光信號；安裝在所述外殼中的透鏡，該透鏡用于沿著光軸在所述光纖與變換器之間傳遞所述光束；用于向所述變換器或從所述變換器傳輸電信號的柔性電路導(dǎo)體，該柔性電路導(dǎo)體的一端由所述加強(qiáng)板支持并與所述包殼內(nèi)的變換器進(jìn)行電氣連接，該柔性電路導(dǎo)體的另一端伸出所述外殼以與主機(jī)裝置的控制電子裝置進(jìn)行電氣連接。
附圖詳述[7]本發(fā)明將通過參考附圖進(jìn)行詳細(xì)描述，這些附圖表示本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，其中[8]

圖1是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)分組件的等軸測視圖；[9]圖2是圖1中光學(xué)分組件的局部截面的等軸測視圖；[10]圖3是圖1和圖2中光學(xué)分組件的截面圖；[11]圖4是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)分組件的一個可供選擇的實(shí)施例；[12]圖5a到圖5d是用于圖1到圖4中光學(xué)分組件的粘合有覆晶(flip-chip)的光電探測器的等軸測視圖；[13]圖6是圖1到圖3中光學(xué)分組件的后端的等軸測視圖；[14]圖7是圖1到圖3中帶有可供選擇的光電探測器的光學(xué)分組件的后端的等軸測視圖；[15]圖8是圖1到圖4中光學(xué)分組件的柔性電路導(dǎo)體的俯視圖；[16]圖9是圖1到圖4中光學(xué)分組件的柔性電路導(dǎo)體的仰視圖；[17]圖10是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)分組件的一個可供選擇的實(shí)施例；[18]圖11是根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)分組件的一個可供選擇的實(shí)施例；和 圖12是具有圖1到圖3中的光學(xué)分組件的光學(xué)收發(fā)器，所述光學(xué)分組件安裝在所述光學(xué)收發(fā)器中。
發(fā)明詳細(xì)描述[20]參看圖1到圖4，根據(jù)本發(fā)明的一般由1所表示的OSA包括位于前端的光學(xué)連接器2，外殼3和一個加強(qiáng)板環(huán)4，該加強(qiáng)板環(huán)4位于其后端，帶有一個柔性電路5，該柔性電路5從那里向外伸出。所述光學(xué)連接器2包括一個鉆孔6，正如在現(xiàn)有技術(shù)中所熟知的那樣，所述鉆孔6用于接收光纖的一端上的套管，所述光纖向或從所述光學(xué)分組件1傳輸含有光學(xué)信號的光束10。所述外殼3包括一個安裝法蘭9和透鏡7，該透鏡7在所述光纖和光電子(O/E)變換器之間傳遞所述光束10，該光電子(O/E)變換器一般用8表示。所述OSA 1既可以是接收器光學(xué)分組件(ROSA)也可以是發(fā)送器光學(xué)分組件(TOSA)。在所述OSA 1是ROSA的情況下，所述O/E變換器8包括一個光電探測器11，該光電探測器11有一個連接在其上的轉(zhuǎn)阻抗放大器(TIA)12。在所述OSA1是TOSA的情況下，所述O/E變換器8包括一個光源，如垂直光腔表面發(fā)射激光(VCSEL)，該垂直光腔表面發(fā)射激光(VCSEL)帶有一個連接在其上的激光驅(qū)動器。優(yōu)選所述光學(xué)連接器2、外殼3、透鏡7和安裝法蘭9一體化地采用光學(xué)等級的塑料而形成，如ULTEM1010。
所述加強(qiáng)板環(huán)4包括一個底座13、其上安裝有所述O/E變換器8，環(huán)狀法蘭14和溝槽16。所述環(huán)狀法蘭14與所述安裝法蘭9緊密配合或環(huán)繞在所述安裝法蘭9的周圍，利用粘合劑17或其它適當(dāng)?shù)姆绞綄⑺霏h(huán)狀法蘭14與所述安裝法蘭9固定在一起。圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的一個OSA1’的實(shí)施例，在該實(shí)施例中，所述環(huán)狀法蘭14’包括齒狀物18，該齒狀物18用于與齒狀物19緊密配合，該齒狀物19從安裝法蘭9’伸出。所述聯(lián)鎖的齒狀物18和齒狀物19提供了一種更加堅(jiān)固的外殼結(jié)構(gòu)。
為所述柔性電路5的一端提供可靠支撐的所述加強(qiáng)板環(huán)4能夠用具有高熱導(dǎo)率(TC)，即100到500W/m°K之間或熱導(dǎo)率比常規(guī)的TO罐外殼的熱導(dǎo)率高數(shù)倍的材料制造，如鋅、鋁，這種材料能夠使所述OSA1在熱誘導(dǎo)噪音變成需考慮的因素之前而在較高的工作溫度下運(yùn)行。例如，TCAl＝237W/m°K，TCZn＝116W/m°K，TCCu＝410W/m°K。為了減少ROSA中的背反射，將所述O/E變換器8以與入射光束5成非直角而安裝，以使任何反射的光不會通過所述透鏡7直接反射進(jìn)所述光纖。所述底座13與一個與入射光束10垂直的平面呈-4°和-10°之間，優(yōu)選在-7°的標(biāo)稱角，即所述底座13的內(nèi)表面與所述光束10的中心光軸成80°到86°之間的銳角。
為了進(jìn)一步對所述光束10離開所述光纖時的背反射進(jìn)行限制，在所述透鏡7的前表面上安裝一個折射率匹配的光學(xué)插入件21。所述光學(xué)插入件21的折射率與所述光纖的折射率嚴(yán)密匹配。優(yōu)選所述光學(xué)插入件21為矩形或圓柱形的二氧化硅(silica)塊，BK7，或者硼硅酸鹽浮法玻璃。理想地，所述光學(xué)插入件21用折射率匹配的粘合劑固定到所述透鏡7的前表面，優(yōu)選所述粘合劑的折射率介于所述光學(xué)插入件21的折射率與所述透鏡7的折射率之間。作為選擇，所述光學(xué)插入件21也可以用其它的方式固定到所述透鏡7的前表面，如壓合。
理想地，所述光學(xué)插入件21向外伸出而進(jìn)入所述光學(xué)連接器2的鉆孔6內(nèi)，并在其附近形成一個槽22。所述槽22會提供用于收集任何進(jìn)入所述鉆孔6內(nèi)的灰塵或外來顆粒的區(qū)域，以避免這種物質(zhì)被埋置在所述光學(xué)插入件21之中。
由于所述光纖是以二氧化硅為基礎(chǔ)的，所以在所述光纖/光學(xué)插入件21的界面處的反射可以忽略。在所述光學(xué)插入件21/塑料透鏡7的界面處的折射率差異確實(shí)會導(dǎo)致少量的背反射的產(chǎn)生。不過，如圖4所示，所述光束10在到達(dá)所述透鏡7的前表面之前就擴(kuò)大，并在其背反射回到所述光纖時繼續(xù)擴(kuò)大。相應(yīng)地，所述背反射光與所述光纖模式之間的重疊相對較小，即所述光束10的僅僅一小部分被反射回所述光纖。為了進(jìn)一步減少這種背反射，所述光學(xué)插入件21的尺寸可以增加而超過通常的0.8mm的長度。
參看圖5a到5d，所述光電探測器11優(yōu)選是一種后照射反偏壓光電二極管，該光電探測器11通過在AC和DC部件都產(chǎn)生電流來回應(yīng)入射光學(xué)信號。在所述TIA12的安裝表面上的多個電接觸器28連接到所述光電探測器11上的對應(yīng)電極29上，這種連接采用已知的許多方法中的任何一種來進(jìn)行，如在覆晶粘結(jié)方法中的焊料塊的使用。優(yōu)選在為了匹配所述光電探測器11上的電接觸器29而進(jìn)行的初始處理之后，在所述TIA12上加上再分布層27，該再分布層27帶有所述前置放大器接觸器28。所述覆晶粘結(jié)方法具有非常低的封裝寄生現(xiàn)象，但能夠使所述光電探測器11以高精度校準(zhǔn)。作為選擇，在初始處理期間，可將帶有接觸器28的線路布置圖加在所述TIA12的熔煉之中，不過，這種方法使所述TIA12不能夠用在標(biāo)準(zhǔn)引線接合之中。
參看圖6，用短導(dǎo)線33將在所述TIA12上的外接觸器25與所述柔性電路導(dǎo)體5的圓端32上的相應(yīng)的接觸器31進(jìn)行電氣連接。將所述圓端32的一部分切去并留下一個開口34，在所述圓端32固定到所述加強(qiáng)板環(huán)4的底座13上時，所述TIA12和所述光電探測器11能夠穿過所述開口34延伸?？蓪⑵渌姎獠考?6定位于接近所述變換器8的圓端32處，如用于所述TIA12中的低通過濾器中的電容器或電感扼流圈元件，這些電氣部件36能夠使直流電流被饋入激光，而交流RF信號并不減少。
也可以使用前照射的光電探測器41(圖7)，在該前照射光電探測器41中，所述光電二極管基片上的上層接觸片42連接到TIA44上的片43上。新開發(fā)的前照射光電二極管使所述基片與所述光電二極管的頂部表面相接觸，以使兩種接觸器(陽極和陰極)均能夠與引線接合一起制造。所述TIA44與所述柔性電路導(dǎo)體5中的每個都包括6條對應(yīng)的電氣示蹤導(dǎo)線，兩條用于電力傳輸(+V，Gnd)，兩條用于差分?jǐn)?shù)據(jù)傳輸(RF，輸出)，兩條用于光學(xué)功率監(jiān)控。作為選擇，所述光電探測器11和所述TIA12可以相鄰地附在所述加強(qiáng)板4上。
由于所述OSA外殼3/所述加強(qiáng)板4并不是密封封閉的，所以所述變換器8必須有涂層，以使其能夠經(jīng)受環(huán)境壓力條件。在制造變換器8期間可以使用特殊的芯片等級的涂層，如SiO2，或者在組裝所述OSA1期間對該變換器8進(jìn)行涂覆或封裝。參考前述的覆晶組裝方法，通過對所述光電探測器11的主動(active)表面與所述轉(zhuǎn)阻抗放大器12的頂部表面之間的空腔進(jìn)行不充分填充來進(jìn)行封裝。如果所述主動側(cè)朝上，如在圖7中所示的前照射光電探測器41中那樣，那么就在主動光電探測器芯片41上使用封裝。
由于所述變換器8在其容器內(nèi)并不是密封封閉的，所以現(xiàn)有技術(shù)裝置中的密封窗口就不必要使用了。相應(yīng)地，透鏡7就可定位于與所述變換器8相對較近的位置，并能夠使在所述光電探測器11上產(chǎn)生小的斑點(diǎn)，而同時保持小的數(shù)字孔徑。在較高的數(shù)據(jù)速度的情況下，能夠提供小的斑點(diǎn)很重要，因?yàn)樗龉怆娞綔y器的主動區(qū)域被減小以降低電容增加的帶寬。在較低的數(shù)據(jù)速度光電探測器的情況下，如2.5Gb/s，所述主動區(qū)域的直徑有70到100um，而在較高的數(shù)據(jù)速度光電探測器的情況下，如10Gb/s，在所述主動區(qū)域采用20到40um的直徑。由于多模式光纖的直徑在50到62.5um之間，所以能夠?qū)⑺鐾哥R7置于接近所述光電探測器11的位置是非常有好處的，以產(chǎn)生并不一致的放大率，而仍能夠提供相對較小的數(shù)字孔徑。
參看圖8和9，所述柔性電路導(dǎo)體5是多層微帶傳輸線路，該多層微帶傳輸線路包括用于信息信號的第一導(dǎo)電層51(圖8)以及第二導(dǎo)電層52(圖9)，并且能夠提供高質(zhì)量高數(shù)據(jù)速度信號所要求的受控的阻抗傳輸線路的布置。
本發(fā)明的以O(shè)SA61的形式出現(xiàn)的另一個實(shí)施例在圖10中示出，該OSA61包括光耦合器62、外殼63、加強(qiáng)板64、和從其側(cè)面伸出的柔性電路導(dǎo)體65。如上所述，光耦合器62和外殼63制成一個整體并限定了用于光學(xué)套管(未示出)的鉆孔66以及透鏡67。所述柔性電路導(dǎo)體65與一個變換器68進(jìn)行電氣連接，如光電探測器或VCSEL，并位于所述外殼62的一個安裝法蘭69與所述加強(qiáng)板64之間。所述柔性電路導(dǎo)體65可包括位于其相對的表面上的連接部分，以便于將所述安裝法蘭69和所述加強(qiáng)板64附在它的上面。像所述加強(qiáng)板環(huán)4一樣，所述加強(qiáng)板64優(yōu)選呈圓柱形，但任何其它形狀均可使用。如上所述，在ROSA的情況下，所述透鏡67將光束70聚焦于光電探測器71上，以將所述光信號轉(zhuǎn)換成電信號，該電信號通過所述柔性電路導(dǎo)體65經(jīng)過TIA72傳輸?shù)剿鍪瞻l(fā)器的PCB。所述柔性電路導(dǎo)體65的端部由所述加強(qiáng)板64支持并圍繞在所述變換器68的周圍，以使不同的接觸器易于進(jìn)入。
所述加強(qiáng)板64可用具有高熱導(dǎo)率，即大于100W/m°K或熱導(dǎo)率比常規(guī)的TO罐外殼的熱導(dǎo)率高數(shù)倍的材料制造，如鋅、鋁，這種材料能夠使所述OSA61在熱誘導(dǎo)噪音變成需要考慮的因素之前而在較高的工作溫度下運(yùn)行。
本發(fā)明的另一個實(shí)施例在圖11中示出，在該實(shí)施例中，OSA75包括與上面所述類似的集成光耦合器62/外殼63，但用方形加強(qiáng)板74替代了所述加強(qiáng)板64，所述加強(qiáng)板74用印刷電路板材料制成，如FR4。用粘合劑76將所述加強(qiáng)板74附在所述安裝法蘭69上，以包覆所述外殼63。相應(yīng)地，所述加強(qiáng)板74在為所述變換器68與所述柔性電路導(dǎo)體65之間提供電氣聯(lián)系時，也為所述柔性電路導(dǎo)體65的端部提供了支持。
圖12所示的光學(xué)收發(fā)器裝置81包括用于支持ROSA83(類似于OSA1)的模塊外殼82以及TOSA84和PCB85。OSA鞍形適配器86為OSA的位于外殼82中的83和84提供額外的支持。所述外殼82的前端87包括一個光學(xué)連接器，該光學(xué)連接器適于接收雙工光學(xué)連接器，如LC或SC，這種雙工光學(xué)連接器安裝在一對光纖的端部，以向所述OSA的83和84并從所述OSA的83和84傳輸光學(xué)信號。電連接器，如針或邊卡連接器(未示出)，從外殼82的后端88處的PCB85伸出，以將所述收發(fā)器連接到主機(jī)裝置中的PCB。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)分組件，包括用于接收光纖的一端的光纖連接器，該光學(xué)連接器傳輸包括光學(xué)信號的光束；接合到所述光學(xué)連接器的外殼；安裝在所述外殼的一端上的加強(qiáng)板，該加強(qiáng)板與所述外殼一起形成包殼；安裝在所述加強(qiáng)板上的變換器，該變換器用于將光信號變換成電信號或?qū)㈦娦盘栕儞Q成光信號；安裝在所述外殼中的透鏡，該透鏡用于沿著光軸在所述光纖與變換器之間傳遞所述光束；用于向所述變換器或從所述變換器傳輸電信號的柔性電路導(dǎo)體，該柔性電路導(dǎo)體的一端由所述加強(qiáng)板支持并與所述包殼內(nèi)的變換器進(jìn)行電氣連接，該柔性電路導(dǎo)體的另一端伸出所述外殼以與主機(jī)裝置的控制電子裝置進(jìn)行電氣連接。
2.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)分組件，其特征在于，所述光耦合器、透鏡和外殼一體化而形成。
3.如權(quán)利要求2所述的光學(xué)分組件，其特征在于，所述加強(qiáng)板由熱導(dǎo)率大于100W/m°K的材料組成。
4.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)分組件，其特征在于，所述加強(qiáng)板包括一個環(huán)，該環(huán)從所述加強(qiáng)板伸出并帶有一個槽，該槽以大體上垂直于所述光軸的方向延伸，所述柔性電路導(dǎo)體穿過所述槽而延伸。
5.如權(quán)利要求4所述的光學(xué)分組件，其特征在于，所述加強(qiáng)板的環(huán)包括多個齒狀物，這些齒狀物從所述加強(qiáng)板的環(huán)伸出，并用于與從所述外殼伸出的相應(yīng)的齒狀物聯(lián)鎖。
6.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)分組件，其特征在于，所述加強(qiáng)板的一個表面以與所述光軸成80°與85°之間的角而安裝。
7.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)分組件，其特征在于，所述變換器包括覆晶粘結(jié)在一個轉(zhuǎn)阻抗放大器上的后照射光電探測器，該后照射光電探測器安裝在所述加強(qiáng)板上并與所述柔性電路導(dǎo)體進(jìn)行電氣連接。
8.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)分組件，其特征在于，所述變換器包括安裝在一個轉(zhuǎn)阻抗放大器上的前照射光電探測器。
9.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)分組件，其特征在于，將所述變換器定位于與所述透鏡足夠近的位置以提供小于1的光纖放大率，以將所述光束的光點(diǎn)直徑減小到20至40um之間。
10.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)分組件，其特征在于，所述柔性電路導(dǎo)體的附在所述加強(qiáng)板上的一端包括一個開口，所述變換器通過所述開口而延伸，因此所述柔性電路導(dǎo)體環(huán)繞在所述變換器的周圍。
11.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)分組件，其特征在于，所述柔性電路導(dǎo)體的所述一端的一部分被置于所述加強(qiáng)板與所述外殼之間。
12.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)分組件，其特征在于，所述包殼并不是密封的；而且所述變換器用密封涂層包覆，以對環(huán)境壓力進(jìn)行防護(hù)。
13.如權(quán)利要求1所述的光學(xué)分組件，還包括一個在光耦合器之中或鄰近于所述光耦合器的折射率匹配塊，該折射率匹配塊的折射率類似于所述光纖的折射率，以限制反射回所述光纖的光的數(shù)量。
14.一種光學(xué)分組件，包括用于接收光纖的一端的光纖連接器，該光學(xué)連接器傳輸包括光學(xué)信號的光束；接合到所述光學(xué)連接器的外殼；安裝在所述外殼的一端的加強(qiáng)板，該加強(qiáng)板與所述外殼一起形成包殼，所述加強(qiáng)板用印刷電路板材料制成；安裝在所述加強(qiáng)板上的變換器，該變換器用于將光信號變換成電信號或?qū)㈦娦盘栕儞Q成光信號；安裝在所述外殼中的透鏡，該透鏡用于沿著光軸在所述光纖與變換器之間傳遞所述光束；和用于向所述變換器或從所述變換器傳輸電信號的柔性電路導(dǎo)體，該柔性電路導(dǎo)體的一端由所述加強(qiáng)板支持，并通過用印刷電路板材料制成的電路與所述變換器進(jìn)行電氣連接，該柔性電路導(dǎo)體的另一端向外伸出以與主機(jī)裝置的控制電子裝置進(jìn)行電氣連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于接收器光學(xué)分組件或發(fā)送器光學(xué)分組件的光學(xué)分組件，在該光學(xué)分組件中，變換器芯片，如光電探測器或光源，與所述裝置印刷電路板之間的電氣連接由單一的柔性電路導(dǎo)體來完成，該柔性電路導(dǎo)體延伸穿過所述組件的壁。所述組件包括外殼和加強(qiáng)板，該外殼和加強(qiáng)板包覆所述外殼的一端并為所述柔性電路導(dǎo)體的一端形成機(jī)械支持。
文檔編號H05K1/18GK1657999SQ20051000273
公開日2005年8月24日 申請日期2005年1月26日 優(yōu)先權(quán)日2004年1月26日
發(fā)明者瑪瑞安·C.·哈吉斯, 戴維·彼得·高, 羅杰·T.·林奎斯特, 威廉姆·K·霍根, 詹姆士·沃林, 杉迪普·南格利亞, 菲利普·帝尼, 邁爾斯·F.·史文, 克里斯托夫·M.·加貝爾 申請人:Jds尤尼弗思公司