CN108459382B - 高速多信道光收发模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高速多信道光收发模块，通过将多个发光激光元件、多个感光元件、光纤接头及一导光元件分别先封装成一次模块的型态后，再将该多个次模块封装成一体的高速多信道光收发模块的结构，可减少多信道光收发模块内的独立元件的数量、降低结构复杂度以及提高定位精度，进而使组装与封装过程更省时省工，且产品合格率也可提升。

Description

高速多信道光收发模块
技术领域
本发明涉及一种高速多信道光收发模块及其封装方法，尤指一种将多个发光激光元件、多个感光激光元件及一导光元件分别封装成次模块的型态后，再将该多个次模块封装成一体的高速多信道光收发模块的结构及其封装方法。
背景技术
由于光通讯技术具有不受带宽限制、可高速传输、传输距离长且材质不受电磁波干扰等优点，所以已成为现今传输大量信息的主流技术。光通讯技术是以光波作为信号载体，通过光纤在两个节点之间进行信号传输的技术，光收发器(Optical Transceiver)则可用来发射或接收光波信号。
现有的光收发器根据其应用上的不同，可分为单通道光收发器与多通道光收发器。顾名思义，多通道光收发器就是在单一光收发器的模块中包括了多个用于发光的激光二极管(Laser-Diode；简称LD)封装元件以及多个用于接收与感应光波的二极管(Photo-Diode；简称PD)封装元件，可通过多任务处理多个通过光纤传递的光波信号，提高信号传输的效率。
然而，这些现有的多通道光收发器，在结构上大多是将多个独立的LD封装元件与多个独立的PD封装元件分别地组装在一底座上，并分别通过光纤连接至位于多信道光收发器前端的光纤连接头(MT Ferrule)。这样的结构不仅使得现有的多通道光收发器的内部零件数量多、结构复杂且定位困难，组装与封装制造过程较费工费时，且通过光纤分别连接LD与PD封装元件至转接环的方式也会造成损耗而降低合格率，从而有待进一步改善。
发明内容
缘此，本发明的主要目的在于提供一种高速多信道光收发模块及其封装方法，通过将多个发光激光元件、多个感光激光元件及一导光元件分别封装成次模块的型态后，再将该多个次模块封装成一体的高速多信道光收发模块的结构，以减少多信道光收发模块内的独立元件的数量、降低结构复杂度以及提高定位精度，使组装与封装过程更省时省工，且产品合格率也可提升。
为了达到上述目的，本发明提供一种高速多信道光收发次模块，包括：
一壳体，其内具有一容置空间；
一光纤接头，位于该壳体的该容置空间中，该光纤接头的一前端面暴露于该壳体之外，且该光纤接头的一尾端面具有由多根裸光纤构成的一光纤阵列；
一导光次模块，位于该容置空间中且邻近于该光纤接头，该导光次模块包括位于其前端的一凹座、位于其后端的一光收发元件容置区以及位于该导光次模块内部且延伸于该凹座与该光收发元件容置区的间的多个导光结构，于该凹座上设有沿前后方向狭长延伸的多个V形凹槽；各该裸光纤分别被一相对应的该V形凹槽所定位，使各该裸光纤的一末端接触于该导光次模块的该凹座上的一接触面且进一步耦光于一相对应的该导光结构；
至少一发光(LD)次模块，位于该导光次模块后端的该光收发元件容置区上且耦光于相对应的至少一该导光结构；
至少一感光(PD)次模块，位于该导光次模块后端的该光收发元件容置区上且耦光于相对应的至少一该导光结构；
一电路板，位于该容置空间中且邻近于该导光次模块的后端，该电路板电性耦合于该至少一LD次模块与该至少一PD次模块，且该电路板的一尾部暴露于该壳体之外。
于一较佳实施例中，该壳体包括一底座及一盖体，该容置空间是由该底座与该盖体所包覆；于该底座上具有一用于容置该光纤接头的前容纳区、一用于容置该导光次模块的中容纳区、至少一位于该前容纳区与该中容纳区之间的凸块以及一用于容置该电路板的尾容纳区；于该盖体与该底座之间设有可相互对应卡合的多个凸点与多个凹沟。
于一较佳实施例中，于该导光次模块的该凹座上方设有一压板，并且，该电路板是软性电路板。
于一较佳实施例中，该发光LD次模块的数量为多个，且每一个该LD次模块分别包括：一LD基座、一位于该基座的一前端的V形座、一位于该V形座上的透镜、一位于该LD基座上且对应于该透镜的一光轴的LD元件、一位于该LD基座的一尾端的监控探测器以及多个电极，多个电极电性耦合于该LD元件且延伸至该LD基座的该尾端；其中，每一个该透镜的该光轴对应于该导光次模块的至少一该导光结构。
于一较佳实施例中，该PD次模块的数量为一个，且该PD次模块包括一PD基座和多个PD元件，多个PD元件设置于该PD基座的一前端面上，各该PD元件分别对应于该导光次模块的至少一该导光结构；其中，于该PD基座上相对应于各个该PD元件的位置处分别设置有多个金属垫，多个金属垫延伸于该PD基座的该前端面与该PD基座的一上表面。
为了达到上述目的，本发明还提供了一种高速多信道光收发模块的封装方法，包括以下步骤：
步骤(A)：提供至少一发光(LD)次模块、至少一感光(PD)次模块、一导光次模块、一光纤接头、一压板、一盖体、一底座及一电路板；各该LD次模块是通过将一透镜、一LD元件、与一监控探测器安置在一LD基座上而形成；该PD次模块是通过将至少一PD元件安置在一PD基座上而形成；该光纤接头的一尾端面具有由多根裸光纤构成的一光纤阵列；该导光次模块具有一位于其前端的一凹座、位于其后端的一光收发元件容置区以及多个位于该导光次模块内部且延伸于该凹座与该光收发元件容置区之间的导光结构；于该凹座上设有多个沿前后方向狭长延伸的V形凹槽；
步骤(B)：将该至少一LD次模块与该至少一PD次模块安置于该导光次模块的该光收发元件容置区上；以及，将该光纤接头的各该裸光纤安置于该导光次模块的该凹座上并使各该裸光纤分别被一相对应的该V形凹槽所定位，进而使各该裸光纤的一末端接触于该导光次模块的该凹座上的一接触面且进一步耦光于一相对应的该导光结构；以及，将盖体黏压于位于该凹座上的该多根裸光纤上；以及，将该导光次模块组装于该底座上，并以打线方式将电路板与该多个LD元件与该多个PD元件电性连接；之后，再将盖体封盖于该底座上，以完成高速多信道光收发模块的封装。
附图说明
图1是本发明提供的高速多信道光收发模块的一较佳实施例的立体透视图；
图2A是图1所示的高速多信道光收发模块拿掉盖体后的立体视图；
图2B是图2A所示的本发明高速多信道光收发模块的俯视图；
图3A至图3D分别为本发明提供的高速多信道光收发模块的光纤接头的立体视图、俯视图、侧视图、及前视图；
图4A至图4C分别为本发明提供的高速多信道光收发模块的导光次模块的立体视图(含分离的压板)、俯视透视示意图、及前视图；
图5为图4C所示的导光本体前端凹座的多个V形凹槽的局部放大图(区域A)；
图6A至图6D分别为本发明提供的高速多信道光收发模块的LD次模块的立体视图、俯视图、前视图、及侧视图；
图7A至图7C分别为本发明提供的高速多信道光收发模块的PD次模块的立体视图、前视图、及俯视图；
图8A与图8B分别为本发明提供的高速多信道光收发模块的底座的立体视图(含分离的盖体)及俯视图(不含盖体)；
图9为本发明提供的高速多信道光收发模块的封装方法的一较佳实施例方块示意图。
附图标记说明：1～高速多信道光收发模块；10～光纤接头；11～接头本体；12～光纤接口；13～凸缘；14～凸伸部；15～裸光纤；16～定位柱；17～凹陷；20～导光次模块；200～压板；21～导光本体；22～凹座；23～标示点；221～V形凹槽；222～接触面；24～光收发元件容置区；241～LD元件容置区；242～PD元件容置区；25～导光结构；30～LD次模块；31～LD基座；311～V形座；32～透镜；33～LD元件；34～电极；35～监控探测器；40～PD次模块；41～PD基座；411～前端面；42～PD元件；43～金属垫；50～电路板；60～壳体；61～底座；62～盖体；63～前容纳区；64～中容纳区；65～凸块；621、622～凸点；66、67～多个凹沟；810～透镜；811～LD元件；812～监控探测器；813～LD基座；814～LD次模块；821～PD元件；822～PD基座；823～PD次模块；831～光纤接头；832～压板；833～盖体；834～底座；835～电路板；84～导光次模块；85～高速多信道光收发模块。
具体实施方式
为了能更清楚地描述本发明所提出的高速多信道光收发模块及其方法，以下将配合图式详细说明。
本发明提供的高速多信道光收发模块及其封装方法，主要是通过将多个发光激光元件、多个感光激光元件及一导光元件分别封装成次模块的型态后，再将该多个次模块封装成一体的高速多信道光收发模块的结构，以减少多信道光收发模块内的独立元件的数量、降低结构复杂度以及提高定位精度，使组装与封装过程更省时省工，且产品合格率也可提升。
如图1、图2A及图2B；其中，图1是本发明提供的高速多信道光收发模块的一较佳实施例的立体透视图，图2A是图1所示的高速多信道光收发模块拿掉盖体后的立体视图，图2B是图2A所示的高速多信道光收发模块的俯视图。
如图1、图2A及图2B所示，于本发明的一较佳实施例中，该高速多信道光收发模块1包括：一壳体60、一光纤接头10、一导光次模块20、至少一发光(Laser-Diode；简称LD)次模块30、至少一感光(Photo-Diode；简称PD)次模块40以及一电路板50。
如图8A与图8B所示，分别为本发明提供的高速多信道光收发模块的底座的立体视图(含分离的盖体)及俯视图(不含盖体)。于本实施例中，该壳体60包括有一底座61、一盖体62以及位于该壳体内的一容置空间，通过将盖体62盖合到底座61上可将该容置空间包覆于该底座61与该盖体62之间，仅在壳体60的前端与尾端留有开口，以连通位于其内的该容置空间。于本实施例中，该电路板50是一软性电路板(Flexible PCB)为较佳；并且，该电路板50位于该容置空间中且邻近于该导光次模块20的后端(如图1所示)。该电路板50电性耦合于该至少一LD次模块30与该至少一PD次模块40，且该电路板50的一尾部暴露于该壳体60之外以供连接外部电路(图中未示)。于本实施例中，于该底座61上具有一前容纳区63(用于容置该光纤接头10)、一中容纳区64(用于容置该导光次模块20)、至少一凸块65(位于该前容纳区63与该中容纳区64之间)以及一尾容纳区(未编号，用于容置该电路板50)；并且，于该盖体62与该底座61之间设有可相互对应卡合的多个凸点621、622与多个凹沟66、67。当完成本发明提供的高速多信道光收发模块1的各个次模块的组装后，可以气密封装或非气密封装的方式将盖体62封盖于底座61上，使电路板50自壳体60尾端露出以将信号带出，除了可以提高本发明提供的高速多信道光收发模块1的安全性外，也能够使得后段光收发设备生产组装更加便利。
如图1及图2A所示，该光纤接头10位于该壳体60的该容置空间中，该光纤接头10的一前端面暴露于该壳体60的前端之外并将壳体60的前端开口封闭。如图3A至图3D所示，分别为本发明提供的高速多信道光收发模块的光纤接头的立体视图、俯视图、侧视图及前视图。于本实施例中，该光纤接头10具有一接头本体11，于该接头本体11的前端面设有用于和外界一光纤插座(图中未示)相组接的多个光纤接口12以及两个定位柱16，于接头本体11上设有一凹陷17、可提供卡合定位功能的一凸缘13以及位于接头本体11后半部的一凸伸部14。此外，于该光纤接头10的一尾端面具有自该凸伸部14突伸出且是由多根裸光纤15构成的一光纤阵列，在各该裸光纤15的末端具有透镜(Lens)结构(图中未示)以提高光耦合效率，且各该裸光纤15所延伸的长度可以是(但不局限于)约5mm左右。于本实施例中，该光纤接头10的前端面及其光纤接口12与定位柱16的规格都是符合业界对于光纤接头10的标准规范，于光纤接头10的前端面具有一8°的斜面，使本发明提供的高速多信道光收发模块1可通过其光纤接头10来与符合相同规范的其他外界光纤插座组接。
该导光次模块20位于该容置空间中且邻近于该光纤接头10。如图4A至图4C所示，分别为本发明提供的高速多信道光收发模块的导光次模块的立体视图(含分离的压板)、俯视透视示意图、及前视图。于本实施例中，该导光次模块20具有：一导光本体21、位于导光本体21前端的一凹座22、位于导光本体21后端的一光收发元件容置区24以及位于该导光本体21内部且延伸于该凹座22与该光收发元件容置区24之间的多个导光结构25；此外，于该凹座22上设有沿前后方向狭长延伸的多个V形凹槽221。其中，该光收发元件容置区24又分为一LD元件容置区241及一PD元件容置区242；并且，在导光本体21上表面且邻近于该LD元件容置区241与该PD元件容置区242之处设有多个标示点23，标示点23的数量与LD元件33与PD元件42的数量总和相同，以清楚辨识各个LD次模块30与PD次模块40所对应的位置，方便封装程序时的初步对位。于本实施例中，该多个导光结构25并非等间距的，具体来说，该多个导光结构25在邻近光纤接头10的接收(Rx)侧的间距较窄(例如但不局限于：0.25mm)，而在邻近电路板50的传送(Tx)侧的间距则较宽(例如但不局限于：0.7mm～2mm)。如图5所示为图4C所示的导光本体前端凹座的多个V形凹槽的局部放大图(区域A)。于本实施例中，该光纤接头10尾端面所延伸出的各该裸光纤15分别被一相对应的该V形凹槽221所定位，使各该裸光纤15的一末端接触于该导光次模块20的该凹座22上的一接触面222且进一步耦光于一相对应的该导光结构25，该多个V形凹槽221的设置密度、间隔与深度则是配合该多根裸光纤15的规格而设定。藉此，在组装时，该多根裸光纤15可以受到该多个V形凹槽221的导引而被动地被定位在导光次模块20的凹座22上的接触面222的预定位置，不仅省时省工、且更能提高定位精确度与封装合格率。此外，于该导光次模块20的该凹座22上方设有透明的压板200，其材质可为透明石英玻璃或透明塑料材质，可经由该压板200看到该多根裸光纤。于组装时，可使用将压板200及紫外线(UV)胶将该多根裸光纤15压合且黏着于V形凹槽221内，以使其固定在一起。
该至少一LD次模块30位于该导光次模块20后端的该光收发元件容置区24的该LD元件容置区241上且耦光于相对应的至少一该导光结构25。如图6A至图6D所示，分别为本发明提供的高速多信道光收发模块的LD次模块的立体视图、俯视图、前视图、及侧视图。于本实施例中，该发光LD次模块30的数量为多个(例如但不局限于4个)，且每一个该LD次模块30分别包括：一LD基座31、一V形座311(位于该基座31的一前端)、一透镜32(位于该V形座311上)、一LD元件33(位于该LD基座31上且对应于该透镜32的一光轴)、一监控探测器(MonitorPhoto-Diode；简称MPD)35(位于该LD基座31的一尾端)以及多个电极34(电性耦合于该LD元件33且延伸至该LD基座31的该尾端)；其中，每一个该透镜32的该光轴对应于该导光次模块20的至少一该导光结构25。于本实施例中，该LD元件33与该监控探测器35都是以半导体制程制成的半导体芯片，其直接安置在LD基座31表面上，从而构成一LD COS(Laser-DiodeChip On Sub-mount)的结构。于组装时，先将各个LD次模块30组装于导光次模块20的LD元件容置区241上，再将该多个电极34以及该监控探测器35以打线(Wire Bond)方式电性连接于电路板50。
该至少一PD次模块40位于该导光次模块20后端的该光收发元件容置区24的该PD元件容置区242上且耦光于相对应的至少一该导光结构25。如图7A至图7C所示，分别为本发明提供的高速多信道光收发模块的PD次模块的立体视图、前视图及俯视图。于本实施例中，该PD次模块40的数量为一个，且该PD次模块40包括一PD基座41以及多个PD元件42(例如但不局限于4个PD元件，设置于该PD基座41的一前端面411上)，并且，各该PD元件42分别是对应于该导光次模块20的至少一该导光结构24。于PD基座41的底侧面设有两处导角44，便于对位组装于底座61上。其中，于该PD基座41上相对应于各个该PD元件42的位置处分别设置有多个金属垫43，多个金属垫43延伸于该PD基座41的该前端面411与该PD基座41的一上表面，且金属垫43的数量需不少于PD元件42数量的两倍。该PD元件42是以半导体制程制成的半导体芯片，其直接安置在PD基座41表面上，从而构成一LD COS(Laser-Diode Chip OnSub-mount)的结构。于组装时，先将如图7B所示的PD基座41前端面411上的该多个金属垫43分别打线连接至各个PD元件42的两个电极，之后，再如图7C所示的PD基座41上表面上的该多个金属垫43分别打线连接至电路板50上，达到将该PD次模块40电性连接于电路板50的目的。
如图9所示为本发明提供的高速多信道光收发模块的封装方法的一较佳实施例的方块示意图。本发明提供的高速多信道光收发模块的封装方法包括以下步骤：
步骤(A)：提供至少一发光(LD)次模块814、至少一感光(PD)次模块823、一导光次模块84、一光纤接头831、一压板832、一盖体833、一底座834及一电路板835。其中，各该LD次模块814是通过将一透镜810、一LD元件811与一监控探测器(MPD)812安置在一LD基座813上而形成。该PD次模块823是通过将以阵列形式排列的多个PD元件821安置在一PD基座822上而形成。该光纤接头的一尾端面具有由多根裸光纤构成的一光纤阵列。该导光次模块具有包括：一位于其前端的一凹座、位于其后端的一光收发元件容置区以及多个位于该导光次模块内部且延伸于该凹座与该光收发元件容置区之间的导光结构。于该凹座上设有沿前后方向狭长延伸的多个V形凹槽。
步骤(B)：将该至少一LD次模块814与该至少一PD次模块823安置于该导光次模块84的该光收发元件容置区上；以及，将该光纤接头831的各该裸光纤安置于该导光次模块84的该凹座上并使各该裸光纤分别被一相对应的该V形凹槽所定位，进而使各该裸光纤的一末端接触于该导光次模块84的该凹座上的一接触面且进一步耦光于一相对应的该导光结构；以及，将压板832黏压于位在该凹座上的该多根裸光纤上；以及，将该导光次模块84组装于该底座834上，并以打线方式将电路板835与该多个LD元件811与该多个PD元件821电性连接；之后，再将盖体833封盖于该底座834上，以完成高速多信道光收发模块85的封装。
由上述可知，本发明提供的高速多信道光收发模块，通过将多个LD元件分别封装成一LD次模块，以及将多个PD元件封装成单一PD次模块，并通过在以导光材质所构成且内部具有导光结构的导光次模块上装置这些LD次模块与PD次模块；并且，于导光次模块上更设置有可供引导与定位裸光纤的凹座与V形槽。之后，再以此一设有LD次模块与PD次模块的导光次模块来组接光纤接头与电路板于该底座上。藉此，本发明提供的高速多信道光收发模块不仅结构单纯、独立元件数量较少(因为都是次模块型态)而易于封装，且标示点与V形槽的设置更让封装程序更为省时省力；此外，更利用导光次模块内的导光结构来取代以现有的以光纤直接连接于LD/PD元件与光纤接头之间的设计，可进一步减少损耗，使产品合格率进一步提升。
以上所述的实施例不应用于限制本发明的可应用范围，本发明的保护范围应以本发明的权利要求范围内容所界定技术精神及其均等变化所涵盖的范围为主。即大凡依本发明权利要求范围所做的均等变化及修饰，仍将不失本发明的要义所在，亦不脱离本发明的精神和范围，故都应视为本发明的进一步实施状况。

Claims (2)

1.一种高速多信道光收发模块，其特征在于，包括：
一壳体，其内具有一容置空间；
一光纤接头，位于该壳体的该容置空间中，该光纤接头的一前端面暴露于该壳体之外，且该光纤接头的一尾端面具有由多根裸光纤构成的一光纤阵列；
一导光次模块，位于该容置空间中且邻近于该光纤接头，该导光次模块包括一导光本体、位于该导光本体前端的一凹座、位于该导光本体后端的一光收发元件容置区以及位于该导光本体内部且延伸于该凹座与该光收发元件容置区之间的多个导光结构，于该凹座上设有多个沿前后方向延伸的V形凹槽，各该裸光纤分别被一相对应的该V形凹槽所定位，使各该裸光纤的一末端接触于该导光次模块的该凹座上的一接触面且进一步耦光于一相对应的该导光结构；
至少一LD次模块，位于该导光次模块后端的该光收发元件容置区上且耦光于相对应的至少一该导光结构；
至少一PD次模块，位于该导光次模块后端的该光收发元件容置区上且耦光于相对应的至少一该导光结构；
一电路板，位于该容置空间中且邻近于该导光次模块的后端，该电路板电性耦合于该至少一LD次模块与该至少一PD次模块，且该电路板的一尾部暴露于该壳体之外；
其中：
该壳体包括一底座及一盖体，该容置空间是由该底座与该盖体所包覆；于该底座上具有一用于容置该光纤接头的前容纳区、一用于容置该导光次模块的中容纳区、至少一位于该前容纳区与该中容纳区之间的凸块以及一用于容置该电路板的尾容纳区，于该盖体与该底座之间设有能够相互对应卡合的多个凸点与多个凹沟；
该LD次模块的数量为多个，且每一个该LD次模块分别包括：一LD基座、一位于该基座的一前端的V形座、一位于该V形座上的透镜、一位于该LD基座上且对应于该透镜的一光轴的一LD元件、一位于该LD基座的一尾端的监控探测器以及多个电极，该多个电极电性耦合于该LD元件且延伸至该LD基座的该尾端；其中，每一个该透镜的该光轴对应于该导光次模块的至少一该导光结构；该LD元件与该监控探测器都是以半导体制程制成的半导体芯片，其直接安置在该LD基座表面上，从而构成一LD COS的结构；
该PD次模块的数量为一个，且该PD次模块包括一PD基座和多个PD元件，多个该PD元件设置于该PD基座的一前端面上，各该PD元件分别对应于该导光次模块的至少一该导光结构；其中，于该PD基座的底侧面设有两处导角，便于对位组装于该底座上；于该PD基座上相对应于各个该PD元件的位置处分别设置有多个金属垫，多个该金属垫延伸于该PD基座的该前端面与该PD基座的一上表面，且该金属垫的数量需不少于该PD元件数量的两倍；该PD元件是以半导体制程制成的半导体芯片，其直接安置在该PD基座表面上，从而构成一LD COS的结构；
该光收发元件容置区又分为一LD元件容置区及一PD元件容置区；
在该导光本体上表面且邻近于该LD元件容置区与该PD元件容置区之处设有多个标示点，该标示点的数量与该LD元件与该PD元件的数量总和相同，以清楚辨识各个该LD次模块与该PD次模块所对应的位置，方便封装程序时的初步对位。
2.根据权利要求1所述的高速多信道光收发模块，其特征在于，于该导光次模块的该凹座上方设有一压板，并且，该电路板是软性电路板。
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