TWI485455B

TWI485455B - 光電混合連接器

Info

Publication number: TWI485455B
Application number: TW100108423A
Authority: TW
Inventors: Mao Jen Wu; Chien Chen Hsieh; Hsiao Chin Lan; Hsu Liang Hsiao; Chia Chi Chang; An Nong Wen; Yun Chih Lee; Po Shen Lee; Chin Ta Chen; Bo Kuan Shen
Original assignee: Ct A Photonics Inc
Priority date: 2011-03-11
Filing date: 2011-03-11
Publication date: 2015-05-21
Also published as: TW201237483A

Description

光電混合連接器

本發明係關於電子連接器，特別係一種光電混合連接器。

電子裝置中通常會配設一連接器藉此與一其他元件電性連接，以使電子裝置與他裝置溝通或傳輸訊號。然而，隨著科技的進步，電子裝置朝向輕薄化之趨勢發展，以傳統模具所製作之連接器塑膠本體以及應用沖壓技術所製作之導電端子即不易裝設於輕薄化之電子裝置中。習知技術即提出一種適於裝設於輕薄化電子裝置中之微型連接器。其中，微型連接器內設有多個導電端子，而***元件可插置於微型連接器中，並藉由這些導電端子來與電子裝置電性連接。舉例而言，HDMI(High-Defenition Multimedia Interface)連接器係用於在同一線材上進行數位聲音訊號和數位畫面訊號之傳輸，而具有不受線材長度影響之高性能傳輸介面。

另外，一種矽基微光學平台之光學連結技術係利用自由空間的光學傳遞，其可以作為板對板或USB 3.0之光學連結技術的一個應用平台。在架構上，此矽基微光學平台之光學連結收發模組包含有：單石積體化之45°微反射面、置放光纖陣列之V型凹槽、具2.5 GHz之高頻傳輸線與錫金焊料等，並可經由適當之光學對位而將面射型雷射與光偵測器封裝至該微光學平台上。矽基微光學平台已完成2.5GHz/channel的傳輸速度。

然而，上述傳輸介面或連接器之效能尚有待提升之處，是以，本發明提出一種以微光學平台為基礎之連接裝置。

本發明提供一種光電混合連接器，包含第一傳輸介面，用於傳輸電訊號；光電耦合模組，耦接第一傳輸介面，用於光訊號與該電訊號間轉換；以及第二傳輸介面，耦接光電耦合模組，包含電訊號傳輸媒介及光訊號傳輸媒介，以利於藉由該電訊號傳輸媒介傳遞電訊號，以光訊號傳輸媒介傳輸光訊號，其中電訊號傳輸媒介與光訊號傳輸媒介被包覆於一纜線內。

光電耦合模組包含一半導體基板，具有一凹型平台形成於其中，凹型平台之第一端具有一反射面，凹型平台中具有凹槽陣列可用於配置光訊號傳輸媒介，傳輸線形成於半導體基板之上；一光元件，經由導電凸塊而耦接半導體基板之傳輸線，配置以接近第一端，並經由反射面而耦接光訊號傳輸媒介；一晶片，耦接該光元件。其中電訊號傳輸媒介包含金屬導線；光訊號傳輸媒介包含光纖。

根據本發明之另一觀點，光電混合連接器，包含：第一傳輸介面，耦接第一電子裝置，用於傳輸第一電訊號；第三傳輸介面，耦接第二電子裝置，用於傳輸第二電訊號；第一光電耦合模組，耦接第一傳輸介面，用於第一光訊號與第一電訊號間轉換；第二光電耦合模組，耦接第二傳輸介面，用於第二光訊號與第二電訊號間轉換；以及第二傳輸介面，耦接第一光電耦合模組與第二光電耦合模組，包含電訊號傳輸媒介及光訊號傳輸媒介，以利於藉由電訊號傳輸媒介傳遞第一與第二電訊號，以光訊號傳輸媒介傳輸第一與第二光訊號，其中電訊號傳輸媒介與光訊號傳輸媒介被包覆於一纜線內。

本發明將配合其較佳實施例與隨附之圖示詳述於下。應可理解者為本發明中所有之較佳實施例僅為例示之用，並非用以限制。因此除文中之較佳實施例外，本發明亦可廣泛地應用在其他實施例中。且本發明並不受限於任何實施例，應以隨附之申請專利範圍及其同等領域而定。

本發明提供一種光電混合連接器，其中光電耦合模組係整合光元件(VCSELs/Photo-Detector)及光纖於一微光學平台之中；另外，光電耦合模組亦包含具有波導之光學連接器或波導整合式單晶片積體電路，其中波導整合式單晶片積體電路係將積體電路與波導整合於單一矽基晶片上或SOI(Silicon On Insulator)-基晶片上。

第一圖顯示根據本發明一實施例之光電混合連接器之功能方塊圖。如第一圖所示，光電混合連接器10包含一第一傳輸介面11、第二傳輸介面12及光電耦合模組13，其中第一傳輸介面11與第二傳輸介面12耦接光電耦合模組13。第一傳輸介面11係用於連接一電子裝置之連接介面，以利於該電子裝置得以傳遞或接收一電訊號；並且第一傳輸介面11耦接光電耦合模組13，以利於電訊號於其間傳遞。光電耦合模組13係用於一光訊號與一電訊號間轉換。而第二傳輸介面12包含電訊號傳輸媒介及光訊號傳輸媒介，耦接光電耦合模組13。因此，第二傳輸介面12得以藉由電訊號傳輸媒介而傳遞/接收電訊號至/從光電耦合模組13，以及藉由光訊號傳輸媒介而傳輸/接收光訊號至/從光電耦合模組13。換言之，第一傳輸介面11與光電耦合模組13之間可以雙向傳輸電訊號；同樣地，第二傳輸介面12與光電耦合模組13之間可以雙向傳輸電訊號及/或光訊號，端視實際應用上之選取，惟其間可以利用光電耦合模組13而轉換光訊號與電訊號。

第二圖顯示為根據本發明之一實施例之光電混合連接器。如第二圖所示，光電混合連接器包含一第一傳輸介面21、第二傳輸介面22及光電耦合模組23，其中第一傳輸介面21與第二傳輸介面22耦接光電耦合模組23。第一傳輸介面21係透過其中的連接介面21a，例如接腳(pins)，而連接一電子裝置之連接介面，以利於該電子裝置得以傳遞或接收一電訊號；並且第一傳輸介面21透過連接介面21a，例如接腳，而耦接光電耦合模組23，以利於電訊號於其間傳遞。光電耦合模組23可利用一外殼24包覆，以保護其免於受到外在環境的影響。第二傳輸介面22包含數條導線25，例如銅導線(copper wires)，及數條光纖(optical fiber)26，其中數條導線25及光纖26被包覆於一纜線22a內。因此，第二傳輸介面22得以藉由數條導線25而傳遞/接收電訊號至/從光電耦合模組23，以及藉由光纖26而傳輸光訊號至/從光電耦合模組23。意即，第一傳輸介面21與光電耦合模組23之間可以透過接腳21a而雙向傳輸電訊號。

此外，上述光電耦合模組23包含一半導體基板29、一晶片27以及一光元件32，上述第二傳輸介面22中之導線25、半導體基板29以及晶片27配置於一印刷電路板30之上與其電性連接。晶片27例如為一驅動電路晶片或控制晶片。半導體基板29係作為矽基微光學平台(Sillcon Optical Bench)，其中具有凹形平台38，凹形平台38中具有凹槽陣列(參考第五圖)以利於光纖26配置於其上，傳輸線31形成於半導體基板29之上以利於電性連接晶片27及光元件32。光元件32為光發射或接收元件，例如包括雷射、垂直共振腔表面放射雷射(VCSEL)、光檢測器(Photodetector)或發光二極體。

上述第二傳輸介面22中之導線25及光纖26分別配置於光電耦合模組23中的印刷電路板30與半導體基板29之上，因此第二傳輸介面22與光電耦合模組23之間可以透過數條導線25及光纖26而雙向傳輸電訊號及光訊號，端視實際應用上之選取，惟其間可以利用光電耦合模組23上的晶片27及光元件32以進行光訊號與電訊號間的轉換。

舉一實施例而言，第一傳輸介面21為一有線傳輸介面，包含但不限定於HDMI傳輸介面、USB傳輸介面、顯示面板傳輸介面、RS-232、RS-422、RJ-45、Fire Wire等等，或主動光纜(Active Optical Cable)介面、Light Peak、Thunderbolt、單端具有電性的介面、單端具有光學或光電混合型態的介面、雙向傳輸介面，都可以用應用於本發明。

以HDMI為例，在高速的訊號傳遞上(例如4條光纖)係單向傳輸(Transmitter to Receiver)，而其他傳輸器如USB等接頭，是屬於收發器(Transceiver)形式，意即單端(Single End)上同時具有接收與發射模組。此外，在同一側配置光發射次組裝與光接收次組裝(TOSA與ROSA：Transmitter optical sub-assembly與Receiver optical sub-assembly)而成為雙向光次組裝(BOSA：Bi-directional optical sub-assembly)也包含在內。換言之，本發明之第一傳輸介面21可以適用於單向傳輸或雙向傳輸的介面。

第三圖顯示為根據本發明之一實施例之光電耦合模組之截面圖。在本實施例中包含二組光電耦合模組，為微型化被動式光連結發射端模組以及接收端模組，其分別包含半導體基板29a及29b、晶片27a及27b、發光元件32a及光接收元件32b，上述半導體基板29a及29b、晶片27a及27b分別配置於印刷電路板30a及30b之上與其電性連接。晶片27a及27b例如為一驅動電路晶片或控制晶片。半導體基板29a及29b包含凹形平台及具某一角度(例如45度)之反射面37a與37b，凹形平台上具有凹槽陣列35a及35b以利於光纖26配置於其上，其中凹槽陣列35a及35b例如為V型凹槽陣列(V-groove array)，該45度反射面37a與37b可作為各式光電元件中所需之光學反射面。傳輸線31a及31b，例如為頻率10 GHz或更高的高頻傳輸線，分別形成於半導體基板29a及29b之上以利於電性連接晶片27a及27b及發光元件32a及光接收元件32b。舉例而言，傳輸線31a及31b係分別透過焊線(wire bonds)34a及34b以電性連接晶片27a及27b，而傳輸線31a及31b係分別透過(導電)焊接凸塊(solder bump)33a及33b以電性連接發光元件32a及光接收元件32b。此外，傳輸線31a及31b亦可以利用覆晶接合(Flip-Chip Bonding)的方法以電性連接晶片27a及27b。發光元件32a例如包括雷射、垂直共振腔表面放射雷射(VCSEL)或發光二極體，光接收元件32b例如包括光檢測器。

光纖26包含核心部份(Core)26b及被覆部份(Cladding)26a，核心部份26b為光纖中傳遞光信號的部份，而被覆部份26a被覆在核心部份26b外圍，使光線能在核心部份26b中傳送。核心部份26b之折射率須比被覆部份26a之折射率大以使光線成全反射。另外，可增加一保護層以保護被覆部份26a周圍，以防止損害光纖之被覆部份26a及核心部分26b。

舉一實施例而言，上述半導體基板29a及29b分別具有凹形平台形成於其下的一特定深度，該凹形平台之第一端形成一反射面37a及37b，並且該凹形平台中具有凹槽陣列35a及35b。反射面37a及37b為45度之反射面。

舉例而言，上述發光元件32a及光接收元件32b係配置以接近凹形平台之第一端，並經由反射面37a及37b而光學耦接光纖26。因此，發光元件32a及光接收元件32b之間的光路徑40包含：從發光元件32a發出的光經由反射面37a的反射而進入光纖26，通過光纖26之後再經由反射面37b的反射而進入光接收元件32b以接收光訊號。

舉一實施例而言，微型化被動式光連結發射端模組以及接收端模組之傳輸線31係分別透過導電部33以電性連接發光元件或光接收元件32，半導體基板29係為矽基微光學平台(Silicon Optical Bench)，並且一塑模材料(molding material)41係用於填入(滿)該凹形平台，而光纖26得以附著於該凹槽陣列中的塑模材料41之上，如第四圖所示。發光元件或光接收元件32係配置(形成)於矽基微光學平台之上。舉例而言，塑模材料41之上表面係與導體基板29之凹形平台上表面平齊。基於光學平台(凹形平台)中的凹槽陣列35，使得光纖26得以被動式地對準凹槽陣列，如第五圖所示。舉一實施例而言，凹槽陣列的凹槽間距一般係為250微米，而凹槽寬度70則視不同的規格需求而作設計或調整，在光學平台上5平方公釐內具有4個通道(channel)以傳輸10 Gbps。舉一實施例而言，光學元件之結構誤差容忍度(Tolerance)為±10微米，光學系統的對準誤差容忍度為±20微米，而發光元件32至光纖26的光路經40a約為200微米。

第六圖顯示根據本發明一系統之功能方塊圖。如第六圖所示，此系統50包含一第一傳輸介面51、第二傳輸介面52、第三傳輸介面53、第一光電耦合模組54、第二光電耦合模組55、第一電子裝置56及第二電子裝置57，其中第一傳輸介面51與第二傳輸介面52耦接第一光電耦合模組54，第二傳輸介面52與第三傳輸介面53耦接第二光電耦合模組55。第一傳輸介面51係用於連接電子裝置56之連接介面，以利於第一電子裝置56得以傳遞或接收一電訊號；並且第一傳輸介面51耦接第一光電耦合模組54，以利於電訊號於其間傳遞。第三傳輸介面53係用於連接第二電子裝置57之連接介面，以利於第二電子裝置57得以傳遞或接收一電訊號；並且第三傳輸介面53耦接第二光電耦合模組55，以利於電訊號於其間傳遞。而第二傳輸介面52包含電訊號傳輸媒介及光訊號傳輸媒介，耦接第一光電耦合模組54及第二光電耦合模組55。因此，第一電子裝置56與第二電子裝置57得以藉由上述傳輸介面與光電耦合模組而雙向或單向傳輸與接收電訊號。

第七圖顯示為根據本發明之另一實施例之光電混合連接器。如第七圖所示，光電混合連接器更包含一電源轉換器61、功率控制晶片60、光纖轉接器(fiber adapter)66、平均電阻63及調變電阻64。一訊號輸入65可以透過接腳(pins)21a以輸入其訊號，接腳21a電性連接功率控制晶片60。其中光纖轉接器66可用其光纖接頭連接至光纖26。電源轉換器61為外接式電源，透過導線25b電性連接功率控制晶片60。數條導線25a配置於印刷電路板之上。外接式電源61主要在於考量光電轉換器(OE converter)的功耗是否可以在特定連接器的功率提供內完成，例如USB可以提供電壓5V且500～900 mA的最大電流，相當於2.5 mW的功率，而HDMI則可以提供電壓5V、電流50mA或500 mA。外接電源將視需求引入或不需要均可。當內部電源功率不足夠供應給光電耦合模組時，即可透過功率控制晶片60以啟動此外接式電源轉換器61以進行供電。平均電阻63及調變電阻64電性連接晶片27，以用於固定發光元件32之平均電流及調變電流。

對熟悉此領域技藝者，本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明之精神。在不脫離本發明之精神與範圍內所作之修改與類似的配置，均應包含在下述之申請專利範圍內，此範圍應覆蓋所有類似修改與類似結構，且應做最寬廣的詮釋。

10．．．光電混合連接器

11、21、51．．．第一傳輸介面

12、22、52．．．第二傳輸介面

13、23．．．光電耦合模組

21a．．．連接介面

22a．．．纜線

24．．．外殼

25、25a、25b．．．導線

26．．．光纖

26a．．．被覆部份

26b．．．核心部份

27、27a、27b．．．晶片

29、29a、29b．．．半導體基板

30、30a、30b．．．印刷電路板

31、31a、31b．．．傳輸線

32．．．光元件

32a．．．發光元件

32b．．．光接收元件

33．．．導電部

33a、33b．．．焊接凸塊

34a、34b．．．焊線

35、35a、35b．．．凹槽陣列

37a、37b．．．反射面

38．．．凹形平台

40、40a．．．光路徑

41．．．塑模材料

50．．．系統

53．．．第三傳輸介面

54．．．第一光電耦合模組

55．．．第二光電耦合模組

56．．．第一電子裝置

57．．．第二電子裝置

60．．．功率控制晶片

61．．．電源轉換器

63．．．平均電阻

64．．．調變電阻

65．．．訊號輸入

66．．．光纖轉接器

70．．．凹槽寬度

第一圖顯示根據本發明一實施例之光電混合連接器之功能方塊圖。

第二圖顯示根據本發明之一實施例之光電混合連接器。

第三圖顯示根據本發明之一實施例之光電耦合模組之截面圖。

第四圖顯示根據本發明之另一實施例之光電耦合模組之截面圖。

第五圖顯示為根據本發明之一實施例之凹槽陣列之截面圖。

第六圖顯示為根據本發明之一實施例之一系統之功能方塊圖。

第七圖顯示為根據本發明之另一實施例之光電耦合模組之示意圖。

10．．．光電混合連接器

11．．．第一傳輸介面

12．．．第二傳輸介面

13．．．光電耦合模組

Claims

一種光電混合連接器，包含：第一傳輸介面，用於傳輸第一電訊號；第一光電耦合模組，耦接該第一傳輸介面，用於第一光訊號與該第一電訊號間轉換；以及第二傳輸介面，耦接該第一光電耦合模組，包含電訊號傳輸媒介及光訊號傳輸媒介，以利於藉由該電訊號傳輸媒介傳遞該第一電訊號，以該光訊號傳輸媒介傳輸該第一光訊號，其中該電訊號傳輸媒介與該光訊號傳輸媒介被包覆於一纜線內；其中該第一光電耦合模組包含：一半導體基板，具有一凹型平台形成於其中，該凹型平台之第一端具有一反射面，該凹型平台中具有凹槽陣列用於配置該光訊號傳輸媒介。
如請求項1所述之光電混合連接器，其中該第一光電耦合模組包含一具有波導之光學連接器或波導整合式單晶片積體電路。
如請求項1所述之光電混合連接器，其中該第一光電耦合模組更包含：傳輸線形成於該半導體基板之上；一光元件，經由導電凸塊而耦接該半導體基板之該傳輸線，配置以接近該第一端，並經由該反射面而耦接該光訊號傳輸媒介；一晶片，耦接該光元件。
如請求項3所述之光電混合連接器，其中該光元件包含雷射、垂直共振腔表面放射雷射、光檢測器或發光二極體。
如請求項1所述之光電混合連接器，其中該第一傳輸介面包含單端具有電性的介面、單端具有光學或光電混合型態的介面、或雙向傳輸介面。
如請求項1所述之光電混合連接器，其中該電訊號傳輸媒介包含金屬導線；該光訊號傳輸媒介包含光纖。
如請求項1所述之光電混合連接器，更包含一控制晶片耦接該光電耦合模組。
如請求項7所述之光電混合連接器，其中該控制晶片耦接一外接電源。
如請求項1所述之光電混合連接器，更包含：第二光電耦合模組，耦接該第二傳輸介面，用於第二光訊號與第二電訊號間轉換；以及第三傳輸介面，耦接該第二光電耦合模組，用於傳輸該第二電訊號。
如請求項9所述之光電混合連接器，其中該第一與該第二光電耦合模組之結構相同。