CN105891973A - 一种二维阵列光耦合模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种二维阵列光耦合模块，包括陶瓷基底、光收发芯片阵列、微透镜阵列，驱动单元阵列、光纤阵列和光纤连接器。本发明中，光纤阵列耦合端采用45度反射面，通过微透镜与光收发芯片阵列实现了有效耦合，耦合效率高，体积小，便于封装；提出的对准与定位方法较易实现，有利于工业制造；采用异形陶瓷基底，能够减小光程差对于数据传输速率的影响，对于光耦合效率也有一定提升；而且，制作成本相对于聚合物波导来说较低。本发明满足了并行光模块的封装微小化和高密度的要求，解决了现有技术存在的制造成本高、可用通道数不足、微小化封装困难等问题，具有广阔的应用前景。

Description

一种二维阵列光耦合模块

技术领域

本发明属于光通信领域，涉及通讯领域中的光收发部分，更具体地，涉及一种二维阵列光耦合模块。

背景技术

随着大数据和云时代的到来，大量高速的数据需要进行传输和处理。为了应对这种需求，企业、国家纷纷建立了数据中心。大型数据中心一般拥有众多的并行计算和存储部分，光互联是其中数据传输的主要方式之一。

光互联可通过光缆、光模块等来实现，其中光收发模块在发送端通过光电转换把电信号转换成光信号，信号通过光纤传送后，在接收端再将光信号转换成电信号。

在设备体积有限的情况下，为了应对I/O口剧增和传输容量不断扩大的需求，光模块正向高密度、高速和高度集成化的方向发展，一般采用多通道并行光模块来实现大容量、高速信号的传输。

并行光收发模块主要组成部分包括850nm的VCSEL(垂直腔面发射激光器)阵列及其驱动、光纤阵列、光探测器阵列及其放大电路。相较于半导体激光器这种边发光型激光器，VCSEL作为面发光型激光器在阵列应用上有其独特的优势。VCSEL的垂直腔结构很好的限制了横向光场，避免了“解理”等工序，可以像处理微电子硅片一样进行晶片级在线测试或安装，易于制作二维阵列。因此，并行光收发模块中采用VCSEL作为激光源。在光模块的发射部分，VCSEL阵列出射光束与电路板垂直，而光模块输出光路平行于电路板；在光模块的接收部分，光模块输入光路以及光探测器探测面也都 平行于电路板，因此涉及到光束的90°偏转及与并行光接口耦合的问题。

一种光耦合方案采用的是柔性电路板。将电路板弯折成90°，在竖起的电路板上贴装VCSEL阵列，使得VCSEL出射光变为平行于光纤的光束，从而与光纤耦合。这种方案的缺点在于：制造过程中，柔性电路板弯折角度难以做到理想中的90°，弯折角度的误差会影响VCSEL阵列与光纤阵列的对准，进而使光耦合效率降低。且垂直装配不利于集成，PCB成本较高，所以实际中较少采用。

实际制造中常采用的是微透镜阵列耦合的方法。激光光束通过一个直角三棱镜完成90°偏转耦合进入光纤，直角三棱镜的两个直角面都贴装有微透镜阵列以提高耦合效率。此种方案透镜由树脂材料或玻璃材料制成。对于塑料透镜，要求材料的透光性较好，具有长期可靠性，此类透镜要实现较高合格率的大批量生产并非易事。同时因为塑料较易老化，长期使用会使并行光模块的性能下降。

考虑到网络设备数据通道不断增加，对并行光模块的通道数需求也不断增长，但是限制于光纤连接器的IEC61754-7标准，一维阵列光纤连接器一般最多12芯，对于更多数据传输通道(如24通道、48通道)，并行光模块一般采用二维阵列耦合的方式。使用微透镜阵列耦合的方式无疑增加了模块的体积，不利于封装微小化的实现。

针对上述问题，一种解决方案是二维的聚合物波导阵列进行光的耦合。波导内置激光烧蚀的45°全内反射镜，VCSEL阵列出射光经过微透镜阵列进入聚合物波导实现耦合。聚合物波导层放置在光印刷电路板上，VCSEL阵列以及PD阵列一起封装为光电子芯片置于有机载体上，载体与光印刷电路板通过BGA进行连接。参见Doany F E,Schow C L,Lee B G等人发表的文章《Terabit/sec-class board-level optical interconnects through polymer waveguides using 24-channel bidirectional transceiver modules》。此方案缺点在于：聚合物波导的材料工艺要求较高，制作过程 复杂；在波导内烧蚀全内反射镜不易，对工艺要求较高，增加了成本。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种二维阵列光耦合模块，其目的在于满足对并行光模块的封装微小化和高密度的要求，由此解决现有技术存在的制造成本高、可用通道数不足、微小化封装困难等问题。

本发明提出的二维阵列光耦合模块，包括陶瓷基底(6)、光收发芯片阵列(5)、微透镜阵列(2)，驱动/放大单元阵列(7)、光纤阵列(1)和光纤连接器(4)，其中：

所述光收发芯片阵列(5)贴装于陶瓷基底(6)上，为2×N芯片阵列，用于发射时，所述2×N芯片阵列为VCSEL芯片阵列；当用于接收时，所述2×N芯片阵列为光探测器芯片阵列；

所述光纤阵列(1)是与光收发芯片阵列(5)相对应的2×N光纤阵列；所述光纤阵列(1)一端接入光纤连接器(4)，另一端正下方贴装有微透镜阵列(2)，其光纤端面研磨成45度的斜面，使得当光耦合模块用于发射时，光收发芯片阵列(5)发射出的光信号以全反射方式耦合进入光纤阵列(1)；当光耦合模块用于接收时，光纤阵列(1)中传输的光信号经45度斜面发生全反射，转为垂直向下传输，被光收发芯片阵列(5)所接收；

微透镜阵列(2)是通过微光学和微细加工技术制作在基底平板上刻蚀而成的单球面透镜阵列，各透镜的平面一侧紧贴于光纤阵列各根光纤，其中透镜的平面中心与光纤阵列(1)中光纤45度斜面的圆心位于同一垂直线上，以确保光信号以全反射方式的进行耦合；微透镜阵列(2)各个透镜的曲面顶点则与光收发芯片阵列(5)中各芯片的出射(或接收)端面中心位于同一垂直线上；

所述驱动/放大单元阵列(7)和陶瓷基底(6)通过银浆粘接在印制电 路板上，驱动/放大单元阵列(7)由两列1×N的驱动/放大单元组成，通过金丝绑定和所述光收发芯片阵列(5)中的芯片一一对应相连；当光耦合模块用于发射时，驱动/放大单元阵列(7)用于驱动VCSEL芯片阵列，将电信号转变为光信号；当光耦合模块用于接收时，驱动/放大单元阵列(7)用于放大光探测器芯片阵列接收的信号；

所述光纤连接器(4)和外部光纤相连，用于传输光信号。

所述贴装光收发芯片阵列(5)的陶瓷基底是非平坦平面，通过刻蚀出异形陶瓷基底改变各光收发芯片阵列(5)的高度，使得光束从光纤阵列(1)到光收发芯片阵列(5)的光程相等。

进一步的，所述2×N光纤阵列由两个1×N光纤阵列组成，2×N芯片阵列由两个1×N芯片阵列组成，当用于实现光耦合模块收发一体的功能时，其中一个1×N光纤阵列与其正下方对应的1×N芯片阵列组成一个接收通道，另一个1×N光纤阵列和其正下方对应的另一个1×N芯片阵列组成发射通道。

进一步的，所述的2×N光纤阵列的耦合端反光面上可以镀上增反膜，以进一步增加光的耦合效率。

进一步的，本发明还提出一种所述光耦合模块中光纤阵列排列方法，包括如下步骤：

(1)制作模版，在硅基底的坐标轴y方向上刻蚀多条平行线，线间距为一维光纤阵列上的各个光纤间距；坐标轴x方向刻蚀两条平行线A、B，其线间距为两列一维光纤阵列的微透镜阵列中心的距离；

(2)将第一列一维光纤阵列放置在硅基底上，此时从光纤阵列正上方俯视其45°斜面，因为光束在一维光纤阵列的45°反射面发生全反射光纤阵列研磨端面呈一维黑点阵列，在y方向平移光纤阵列，使得黑点阵列落于硅基底y方向上的各条平行线上，完成y方向对准；

(3)在硅基底的坐标轴x方向上平移一维光纤阵列，使得黑点阵列位 于y方向平行线与线A的交点处，固定好第一列一维光纤阵列的位置；取第二列一维光纤阵列，通过在y方向平移，使得其黑点阵列落于y方向平行线上，使得第二列一维光纤阵列与第一列一维光纤阵列在坐标轴y方向上对准；再平移第二列一维光纤阵列在坐标轴x方向上的位置，使得黑点阵列位于y方向平行线与线B的交点处，完成排列。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明的优点在于：制作成本相对于聚合物波导来说较低，提出的对准与定位方法较易实现，有利于工业制造；此外，本发明采用异形陶瓷基底，能够减小光程差对于数据传输速率的影响，对于光耦合效率也有一定提升。

附图说明

图1是本发明所述的光电信号传输示意图

图2是本发明所述的二维阵列光耦合模块的结构示意图。

图3是本发明所述的二维光纤阵列器件结构示意图。

图4是本发明所述的两列一维光纤阵列定位的模版示意图。

图5是本发明所述的陶瓷基底结构示意图。

图6是本发明所述的光耦合部分的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构。在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-光纤阵列，2-微透镜阵列，3-光纤尾纤，4-光纤连接器，5-光收发芯片阵列,6-陶瓷基底，7-驱动/放大单元阵列，8-印刷电路板。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的 本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明所述二维阵列光耦合模块有两种应用场合：

①2×N通道：接收模块和发射模块分离，不共用同一块电路板。接收和发射结构一致，只有陶瓷基底上贴装的芯片不同。发射模块陶瓷基底上贴装的是2×N的VCSEL阵列，接收模块贴装的是2×N的光探测器阵列。

②1×N通道的光耦合模块：发射和接收模块一体，结构如图2所示。但是陶瓷基底上两列通道一列贴装的是1×N的VCSEL芯片，另一列贴装的是1×N的光探测器芯片。

本发明所提出的二维阵列光耦合模块的结构如图2所示。二维阵列光耦合模块包括光纤阵列1，微透镜阵列2，光纤尾纤3，光纤连接器4，光收发芯片阵列5,陶瓷基底6，驱动/放大单元阵列7，印刷电路板8。

光耦合发射模块和光耦合接收模块结构相同，下面以光发射模块的二维光纤阵列器件为例说明其结构，如图3所示，第一二维光纤阵列器件部分包括光纤阵列1，微透镜阵列2，光纤尾纤3和光纤连接器4。

如图3所示，二维光纤阵列1由两列相同的一维光纤阵列错开紧密贴合组成。

首先在硅基基片上刻V型槽，将光纤放入槽内，再将光纤和V型槽的端面均研磨为45°斜面，从而制成带45°反射面的一维光纤阵列。为了提升制造过程中对于阵列对准的误差容限，需在每个一维光纤阵列下表面贴装一个微透镜阵列2，加入微透镜阵列也可以使光束会聚，增大了光耦合的效率。为提高光的耦合效率，可以在光纤阵列的反射面上镀上高反射膜(目前一般采用850nm波长的反射膜)。然后对两列一维光纤阵列进行定位贴合。

对于两列一维光纤阵列的定位贴合，本发明采用制作模版对准的方案，原理如下：如果从光纤阵列正上方俯视其45°斜面，因为光束在一维光纤阵列的45°反射面发生全反射，即无光束从45°斜面出射，所以光纤阵列 研磨端面呈一列黑点，可视黑点阵列为一维光纤阵列定位基准。在定位贴合之前，首先制作对准模版。对于两列一维光纤阵列的定位，要从左右对准和水平错开距离两方面考虑，因此模版结构如图4所示。模版为硅基基底，其y方向上刻蚀有多条平行线，线间距为一维光纤阵列各V型槽间距，也是各光纤间距；x方向刻蚀有两条平行线A、B，其线间距为两列一维光纤阵列的微透镜阵列2中心的距离，从图2可以看出，这个距离为两列VCSEL阵列(或光探测器阵列)的间距。定位操作如下：首先将第一维光纤阵列放置在模版上，通过在y方向平移使得黑点阵列落于y方向的各条平行线上。然后在x方向上进行平移，使得黑点阵列位于y方向平行线与线A的交点处，这样固定好第一列一维光纤阵列的位置；取第二列一维光纤阵列，通过在y方向平移，使得其黑点阵列落于y方向的各条平行线上，且与第一列一维光纤阵列的黑点阵列所落平行线一一相对。然后在x方向上进行平移，使得黑点阵列位于y方向平行线与线B的交点处。通过上述操作，完成两列一维光纤阵列的定位，然后进行贴合形成二维光纤阵列。再将二维光纤阵列的尾纤3端头剥纤后，穿入2-D的MT光纤连接器4中，待紫外固化后再进行MT的端面研磨。经过上述流程后即制成本发明所述的二维光纤阵列器件。

本发明所述的贴装有光收发芯片阵列(VCSEL阵列或光探测器阵列)5的异形陶瓷基底6结构如图5所示。上述光纤阵列器件中，两列一维光纤阵列在高度上有上下之分，如若使用平坦的陶瓷基底，则两列激光光束之间会有一定的光程差。光程差的出现会影响数据的传输速率，所以需要改变两列芯片贴装基底的高度。此外，改变基底形状，使得阵列芯片高低不同，也可以减少光纤阵列与VCSEL激光器(或光探测器)的距离，使光更易会聚，从而提高耦合效率。

陶瓷基底6一体成型，通过刻蚀形成一条低凹的通道，其中一列光收发芯片阵列5贴装于上，另一光收发芯片阵列5则位于抬高的基底上。低 凹通道的最大深度与光刻所使用的激光脉冲能量密度及扫描速度有关，其中紫外激光刻蚀一般最大刻蚀深度可达0.16mm。

本发明所述的光耦合部分结构如图6所示。为确保光纤阵列1与光收发芯片阵列5耦合效果，需要调整二维光纤阵列的位移和角度，通过功率计检测各通道的耦合效率。调整达到最佳耦合效率时，将二维光纤阵列与陶瓷基底6粘接在印刷电路板8上。

上述结构中，当用于发射光束时，VCSEL激光器阵列5发射出的光束经微透镜阵列2会聚进入光纤。光束在45°反射面上发生全反射，从而变成平行于电路板的光束进入光纤传输。光纤阵列1与VCSEL阵列5一一相对。

本发明中，贴装有光收发芯片阵列5的陶瓷基底6与驱动/放大单元阵列7都置于印刷电路板8上。驱动/放大单元阵列7分别位于基底6两边，通过金线绑定与光收发芯片阵列对应连接。

光纤中传输的水平于印刷电路板的光束进入接收部分的二维光纤阵列，通过全反射转变为垂直光束进入光探测器阵列。光探测器阵列接收光信号并将光信号转换为电信号。跨阻放大单元将电信号放大到光模块输出标准。发射部分的驱动单元将电信号转换成驱动VCSEL阵列的电流信号。VCSEL阵列接收电流信号，并转换成光信号发射。VCSEL激光器阵列发射出的光束经微透镜阵列会聚进入光纤。光束在45°反射面上发生全反射，从而变成平行于电路板的光束进入光纤传输。

本发明采用45°斜面二维光纤阵列的耦合方式，满足了对于光模块多通道、高速率、高密度的要求，避免了聚合物波导制作、波导内激光刻蚀等复杂工艺，降低了制造成本；光纤阵列的斜面镀膜和下方贴装微透镜阵列则大大增加了制造中的误差容限并提升了耦合效率。本发明通过制作标准模板实现了对两列一维光纤阵列的对准，方法简单成本低廉。另外，本发明采用的异形陶瓷基底结构避免了两列激光光束阵列之间的光程差，减小其对数据传输的影响的同时增大了激光与光纤耦合的效率。总之，本发 明所述的二维阵列耦合模块是一种高效的、较低成本的结构。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种二维阵列光耦合模块，其特征在于，包括陶瓷基底(6)、光收发芯片阵列(5)、微透镜阵列(2)，驱动/放大单元阵列(7)、光纤阵列(1)和光纤连接器(4)，其中：

所述光收发芯片阵列(5)贴装于陶瓷基底(6)上，为2×N芯片阵列，用于发射时，所述2×N芯片阵列为VCSEL芯片阵列；当用于接收时，所述2×N芯片阵列为光探测器芯片阵列；

所述光纤阵列(1)是与光收发芯片阵列(5)相对应的2×N光纤阵列；所述光纤阵列(1)一端接入光纤连接器(4)，另一端正下方贴装有微透镜阵列(2)，其光纤端面研磨成45度的斜面，使得当光耦合模块用于发射时，光收发芯片阵列(5)发射出的光信号以全反射方式耦合进入光纤阵列(1)；当光耦合模块用于接收时，光纤阵列(1)中传输的光信号经45度斜面发生全反射，转为垂直向下传输，被光收发芯片阵列(5)所接收；

微透镜阵列(2)是通过微光学和微细加工技术制作在基底平板上刻蚀而成的单球面透镜阵列，各透镜的平面一侧紧贴于光纤阵列各根光纤，其中透镜的平面中心与光纤阵列(1)中光纤45度斜面的圆心位于同一垂直线上，以确保光信号以全反射方式的进行耦合；微透镜阵列(2)各个透镜的曲面顶点则与光收发芯片阵列(5)中各芯片的出射(或接收)端面中心位于同一垂直线上；

所述驱动/放大单元阵列(7)和陶瓷基底(6)通过银浆粘接在印制电路板上，驱动/放大单元阵列(7)由两列1×N的驱动/放大单元组成，通过金丝绑定和所述光收发芯片阵列(5)中的芯片一一对应相连；当光耦合模块用于发射时，驱动/放大单元阵列(7)用于驱动VCSEL芯片阵列，将电信号转变为光信号；当光耦合模块用于接收时，驱动/放大单元阵列(7)用于放大光探测器芯片阵列接收的信号；

所述光纤连接器(4)和外部光纤连接器相连，用于传输光信号。

2.根据权利要求1所述一种二维阵列光耦合模块，其特征在于，所述贴装光收发芯片阵列(5)的陶瓷基底是非平坦平面，通过刻蚀出异形陶瓷基底改变各光收发芯片阵列(5)的高度，使得光束从光纤阵列(1)到光收发芯片阵列(5)的光程相等。

3.根据权利要求1或2所述一种二维阵列光耦合模块，其特征在于，所述2×N光纤阵列由两个1×N光纤阵列组成，2×N芯片阵列由两个1×N芯片阵列组成，当用于实现光耦合模块收发一体的功能时，其中一个1×N光纤阵列与其正下方对应的1×N芯片阵列组成一个接收通道，另一个1×N光纤阵列和其正下方对应的另一个1×N芯片阵列组成发射通道。

4.根据权利要求1或2所述一种二维阵列光耦合模块，其特征在于，所述的2×N光纤阵列的耦合端反光面上可以镀上增反膜，以进一步增加光的耦合效率。

5.根据权利要求1或2所述一种二维阵列光耦合模块，其特征在于，所述光纤阵列(1)排列包括如下步骤：

(1)制作模版，在硅基底的坐标轴y方向上刻蚀多条平行线，线间距为一维光纤阵列上的各个光纤间距；坐标轴x方向刻蚀两条平行线A、B，其线间距为两列一维光纤阵列的微透镜阵列中心的距离；

(2)将第一列一维光纤阵列放置在硅基底上，此时从光纤阵列正上方俯视其45°斜面，因为光束在一维光纤阵列的45°反射面发生全反射光纤阵列研磨端面呈一维黑点阵列，在y方向平移光纤阵列，使得黑点阵列落于硅基底y方向上的各条平行线上，完成y方向对准；

(3)在硅基底的坐标轴x方向上平移一维光纤阵列，使得黑点阵列位于y方向平行线与线A的交点处，固定好第一列一维光纤阵列的位置；取第二列一维光纤阵列，通过在y方向平移，使得其黑点阵列落于y方向平行线上，使得第二列一维光纤阵列与第一列一维光纤阵列在坐标轴y方向上对准；再平移第二列一维光纤阵列在坐标轴x方向上的位置，使得黑点阵列位于y方向平行线与线B的交点处，完成排列。