TWI490581B - 光學次模組之兩件式殼體結構及組裝方法 - Google Patents

Description

光學次模組之兩件式殼體結構及組裝方法

本發明係為一種光學次模組之兩件式殼體結構及其組裝方法，尤指一種可在三維方向上調整雷射功能元件之光學焦距的一種光學次模組之兩件式殼體結構及其組裝方法。

按，在光電通訊領域中所稱之光學次模組(OSA，Transceiver Optical Sub-Assembly)，可隨功能元件之不同而大致被區分為發射器光學次模組TOSA(Transmitter Optical Sub-Assembly)及接收器光學次模組ROSA(Receiver Optical Sub-Assembly)兩種。其中，TOSA乃是提供自功能元件到光纖之光路徑，例如從半導體雷射元件到光纖、或是從發光二極體元件到光纖，使電訊號(Electrical Signal)得以轉換成光並經過透鏡而聚焦在光纖內再傳輸。至於ROSA則是提供由光纖到光檢測器之光路徑，使來自光纖的光被聚焦於接收器上並轉換成電訊號。此外，也有將TOSA與ROSA兩者合而為一的雙向式(Bi-Directional)或雙工式(Duplex)的光學次模組。無論是TOSA、ROSA或是雙向式的光學次模組，其大體上均是由一殼體與一功能元件相結合所構成。功能元件提供了雷射光源或是光接收器之功能，而殼體則是提供了與外界之光纖(或光纖接頭)相結合並使光纖和功能元件進行光線訊號耦合的結構。由於目前業界於光學次模組的設計製作上，因功能元件封裝精度所衍生的焦距及發射角問題，使得實際生產過程中需要進行殼體與功能元件之間的對焦調整工作。所以，於業界便有開發出具有兩件式殼體之光學次模組的設計，藉由將殼體拆成兩個可相互水平位移來調整相對位置的元件，以便能進行光學次模組的對焦調整工作。

如圖一所示，為一習用具有兩件式殼體之光學次模組的剖面示意圖。該光學次模組10包括有一雷射功能元件11及一殼體12，而殼體12又是由一光纖固定座121與一功能元件固定座122所組合構成。該雷射功能元件11可以是如前述之雷射光源、光接收器或是雙向(雙工)的功能元件，其大體上包括了：一基座111、一封蓋112結合於該基座111之第一表面1111上、至少一功能晶片113設置於基座111之該第一表面1111上且位於封蓋112內、一透鏡114設置於封蓋112上且和功能晶片113相對應、以及若干訊號接腳115自該基座111之第二表面1112延伸出。該功能元件固定座122是一中空套環，其套設並固定於雷射功能元件11之基座111上，提供了與雷射功能元件11相結合之介面。於該光纖固定座121上設有一軸向之光纖插孔1211，可供外界之一光纖(或光纖接頭，圖中未示)所插置而提供了與光纖(或光纖接頭)相結合之介面。

在習用技術中，功能元件固定座122一般是以電器抵抗熔接(Electric Resistance Welding；簡稱ERW)的方式焊接於基座111上。並且，功能元件固定座122之中空套環的內徑大致等於封蓋112的外徑，所以一旦套合於封蓋112上時，其位置即被固定住無法調整。該光纖固定座121則是接觸於功能元件固定座122之上表面1221，並且可在垂直於光軸13方向之一平面上(也就是功能元件固定座之上表面1221)進行二維方向的位移調整動作，之後再以雷射焊接(Laser Welding)的方式將兩者固定。顯然地，此種二維方向的位移因缺乏在光軸13方向上的位移調整，故無法滿足對焦調整的需求。因此，在習用技術中，製造廠商必須準備多個不同尺寸(尤其是在光軸13方向上具有不同長度)的光纖固定座121。然後，針對不同雷射功能元件11的不同對焦需求，來選用不同規格尺寸的光纖固定座121來組合搭配功能元件固定座122。此種組裝方法不僅增加了生產管理、物料準備、及組裝製程上的複雜性與難度，更拖累了生產效能且間接提高生產成本，而有待進一步改善。

本發明的主要目的係在於提供一種光學次模組之兩件式殼體結構及其組裝方法，其可在三維方向上調整雷射功能元件與光纖之間的對焦工作，故能簡化生產管理、物料準備、及組裝製程，進而可提高生產效能與降低生產成本。

為達上述之目的，本發明在於提供一種光學次模組之兩件式殼體結構，可用於結合一雷射功能元件及一光纖，其包括有：一光纖固定座及一功能元件固定座。該光纖固定座具有一軸向之中心穿孔；於中心穿孔之一端設有一光纖插孔、另一端則設有一第一套環。該功能元件固定座具有一第二套環，其一端係與該第一套環以可相互位移之方式套合，且可沿該軸向進行線性位移。該第二套環之另一端係接觸於該雷射功能元件之一基座的表面上且可進行垂直於該軸向之二維方向的位移。藉此，光學次模組於組裝時可進行三維方向上的對焦工作，故能簡化生產管理、物料準備、及組裝製程，且可提高生產效能與降低生產成本。

較佳者，該雷射功能元件更包括有：一封蓋結合於該基座之第一表面上、至少一功能晶片設置於基座之該第一表面上且位於封蓋內、一透鏡設置於封蓋上且和功能晶片相對應、以及若干訊號接腳自該基座之第二表面延伸出。

較佳者，該功能晶片至少包括以下其中之一：半導體雷射晶片、光檢測晶片。

較佳者，該第一套環與第二套環兩者之中具有較小內徑者，其內徑係比該封蓋之外徑大70-200μm。

較佳者，該第一套環係套合於該第二套環之一外緣，且該第一套環之厚度係小於0.3mm。

較佳者，於該第二套環較接近第一套環之端的一外緣係設有一斜角，使第二套環鄰近第一套環之端係具有相對較小之外徑。

較佳者，於該第二套環鄰近基座之端的一內緣係設有一環狀凹圈，使第二套環鄰近基座之該端係具有相對較小之厚度。

較佳者，該第一套環在與該第二套環相套合狀態下所進行之該軸向位移調整的距離為150-400μm。

為達上述之目的，本發明並揭露了一種光學次模組之組裝方法，包括了下列步驟：首先，提供一雷射功能元件、一光纖固定座、與一功能元件固定座。該光纖固定座具有一軸向之中心穿孔，於中心穿孔之一端設有一光纖插孔以供容置外界之一光纖，於中心穿孔之另一端則設有中空之一第一套環。該功能元件固定座具有中空之一第二套環。該第二套環於該軸向上之一端係與該第一套環套合。然後將整組光學次模組連接一測試機台以測試其對焦狀況。

接著，將該第二套環於該軸向上之另一端接觸於該雷射功能元件之一基座表面上，並使第二套環進行垂直於該軸向之二維的位移調整(亦即調整發射角)，直到發射角調整準確後，以雷射焊接的方式焊接第二套環與基座表面之接觸面處。

之後，將該第一套環進行沿該軸向之線性位移調整(亦即調整焦距)，直到準確對焦後，以雷射焊接的方式焊接第一套環與第二套環之接觸面處。如此，便完成本發明之光學次模組的組裝工作。

為了能更清楚地描述本發明所提出之光學次模組之兩件式殼體結構及其組裝方法，以下將配合圖式詳細說明之。

請參閱圖二所示，為本發明具有兩件式殼體之光學次模組之一實施例的剖面示意圖。該光學次模組20包括有一兩件式的殼體30及一雷射功能元件40，可和外界之一光纖或光纖接頭50相結合以傳輸光線訊號。於本實施例中，該雷射功能元件40可以是一習知的雷射光源、光接收器、或是同時設有雷射光源與光接收器之雙向(雙工)的功能元件，其包括有：一基座41、一封蓋42結合於該基座41之一第一表面411(上表面)上、至少一功能晶片43設置於基座之該第一表面411上且位於封蓋42內、一透鏡44設置於封蓋42上且和功能晶片43相對應、以及若干訊號接腳45自該基座41之一第二表面412(下表面)延伸出。該功能晶片43決定了雷射功能元件40所能執行的功能，其可以是半導體雷射晶片(雷射光源)、光檢測晶片(光接收器)、或是在基座41上同時設置這兩晶片而可提供雙向(雙工)的功能。於本實施例中，該透鏡44是一球狀透鏡，但也可以是其他形式的透鏡，其是用來提供該功能晶片43與光纖50之間所傳輸之光線訊號在光軸60方向上的聚焦工作。

該殼體30包括有一光纖固定座31及一功能元件固定座32。該光纖固定座可供外界之一光纖50(或光纖接頭)所插置，而可提供與光纖50(或光纖接頭)相結合之介面。該功能元件固定座32是用來套設並固定於雷射功能元件40上，其提供了與雷射功能元件40相結合之介面。

於圖二所示之實施例中，該光纖固定座31之外部設有習知的快拆接頭311結構，以供與光纖50(或光纖接頭)快速地相結合及拆離。光纖固定座31的中央具有一軸向之中心穿孔312以供光線訊號通過。於該中心穿孔312之一端(上端)設有一光纖插孔313以供插置光纖50，光纖固定座31的另一端則設有中空之一第一套環314。於本實施例中，該第一套環314之厚度t1係小於0.3mm為較佳，在此種厚度之下，便能以雷射焊接(Laser Welding)的方式將第一套環314與功能元件固定座32相接觸的表面融接而結合固定成一體。

於本實施例中，該功能元件固定座32於外觀上是呈現一中空之第二套環321的結構。該第二套環321於該軸向60上之一端係與該第一套環314以可相互位移之方式套合，使該第一套環314可在保持與第二套環321相套合的狀態下進行沿該軸向60之線性位移調整。並且，該第二套環321於該軸向60上之另一端係以可相互位移之方式接觸於該雷射功能元件40之基座41的第一表面411上，使第二套環321可接觸在該第一表面411上進行垂直於該軸向60之二維方向的位移調整。於本實施例中，該第一套環314的內徑大體上是等於第二套環321的外徑且係套合於該第二套環321之一外緣3211上。並且，於該第二套環321較接近第一套環314之端的該外緣3211處係設有一斜角3212，使第二套環321鄰近第一套環314之端係具有相對較小之外徑；藉由此種結構，可以使第一套環314更容易套合於第二套環321上。此外，於該第二套環321鄰近基座41之端的一內緣係設有一環狀凹圈3213，使第二套環321鄰近基座41之該端係具有相對較小之厚度t2；藉由此種結構，不僅可以避免封蓋42底部外緣421抵觸到第二套環321底部內緣，且亦可使第二套環321鄰近基座41之該端因為厚度t2較薄(以小於0.3mm為較佳)而可藉由雷射焊接(而非傳統ERW)的方式來結合於基座41表面上。如此，本發明於第一套環314與第二套環321之接處面間、以及於第二套環321底端與基座41上表面之接處面間，其兩個位置都是藉由同一道雷射焊接製程來結合，因此相較於需使用兩種不同焊接技術的習知技術來說，本發明更具有製程簡便快速的優點。

由於目前對於功能元件43之封裝精度的技術限制，導致其發射或接收光線訊號的焦距及發射角之公差範圍分別大概落在150-400μm以及70-200μm之範圍區間；因此，本發明之該第一套環314在與該第二套環321相套合狀態下所進行之該軸向60位移調整的距離d1也是落在150-400μm範圍內；同時，該第一套環314與第二套環321兩者之中具有較小內徑者(於本實施例中是第二套環321)，其內徑係比該封蓋42之外徑大70-200μm(如圖二中之編號t2)。如此，第一套環314便可在第二套環321上於150-400μm範圍內進行軸向位移的焦距調整工作；而第二套環321亦可在基座41上表面上於150-400μm範圍內進行垂直於該軸向之二維方向的位移以調整發射角。如此一來，本發明之光學次模組20在組裝過程中便可進行三維方向的對焦調整工作，不再需要像習用技術般需更換不同尺寸的固定座，因此確實能能簡化生產管理、物料準備、及組裝製程，進而可提高生產效能與降低生產成本依據如圖二所示之本發明光學次模組20之兩件式殼體30結構，其組裝方法之一較佳實施例係包括有下列步驟：首先，提供一雷射功能元件40、一光纖固定座31、與一功能元件固定座32。該雷射功能元件40包括有：一基座41、一封蓋42結合於該基座41之一第一表面411上、至少一功能晶片43設置於基座41之該第一表面411上且位於封蓋42內、一透鏡44設置於封蓋42上且和功能晶片43相對應、以及若干訊號接腳45自該基座41之第二表面412延伸出。該光學次模組20之兩件式殼體30結構包括有：一光纖固定座31以及一功能元件固定座32。該光纖固定座31具有一軸向之中心穿孔312以供一光線通過。於中心穿孔312之一端設有一光纖插孔313以供容置外界之一光纖50，於中心穿孔312之另一端則設有中空之一第一套環314。該功能元件固定座32具有中空之一第二套環321。該第二套環321於該軸向60上之一端係與該第一套環314以可相互位移之方式套合。然後將整組光學次模組20連接一習知的測試機台(圖中未示)，以測試其對焦狀況。

接著，將該第二套環321於該軸向60上之另一端接觸於該雷射功能元件40之基座41的第一表面411上，並使第二套環321在該第一表面411上進行垂直於該軸向60之二維的位移調整(亦即調整發射角)，直到該光纖50、透鏡44及功能晶片43係準確座落於該軸向60上後，以雷射焊接的方式焊接第二套環321與第一表面411之接觸面處，以固定第二套環321與雷射功能元件40之相對位置。

之後，將該第一套環314保持與第二套環321相套合的狀態下進行沿該軸向60之線性位移調整(亦即調整焦距)，直到該光纖50、透鏡44及功能晶片43的相對位置係可供該光線準確對焦後，以雷射焊接的方式焊接第一套環314與第二套環321之接觸面處，以固定第一套環314與第二套環321之相對位置。

唯以上所述之實施例不應用於限制本發明之可應用範圍，本發明之保護範圍應以本發明之申請專利範圍內容所界定技術精神及其均等變化所含括之範圍為主者。即大凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化及修飾，仍將不失本發明之要義所在，亦不脫離本發明之精神和範圍，故都應視為本發明的進一步實施狀況。

10．．．光學次模組

11．．．雷射功能元件

111．．．基座

1111．．．第一表面

1112．．．第二表面

112．．．封蓋

113．．．功能晶片

114．．．透鏡

115．．．訊號接腳

12．．．殼體

121．．．光纖固定座

1211．．．光纖插孔

122．．．功能元件固定座

1221．．．上表面

13．．．光軸

20．．．光學次模組

30．．．兩件式的殼體

31．．．光纖固定座

311．．．快拆接頭

312．．．中心穿孔

313．．．光纖插孔

314．．．第一套環

32．．．功能元件固定座

321．．．第二套環

3211．．．外緣

3212．．．斜角

3213．．．環狀凹圈

40．．．雷射功能元件

41．．．基座

411．．．第一表面

412．．．第二表面

42．．．封蓋

421．．．外緣

43．．．功能晶片

44．．．透鏡

45．．．訊號接腳

50．．．光纖(或光纖接頭)

60．．．光軸

圖一為一習用具有兩件式殼體之光學次模組的剖面示意圖。

圖二為本發明具有兩件式殼體之光學次模組之一實施例的剖面示意圖。

20．．．光學次模組

30．．．兩件式的殼體

31．．．光纖固定座

311．．．快拆接頭

312．．．中心穿孔

313．．．光纖插孔

314．．．第一套環

32．．．功能元件固定座

321．．．第二套環

3211．．．外緣

3212．．．斜角

3213．．．環狀凹圈

40．．．雷射功能元件

41．．．基座

411．．．第一表面

412．．．第二表面

42．．．封蓋

421．．．外緣

42．．．功能晶片

44．．．透鏡

45．．．訊號接腳

50．．．光纖(或光纖接頭)

60．．．光軸

Claims (25)

1. 一種光學次模組之兩件式殼體結構，可用於結合一雷射功能元件及一光纖；該雷射功能元件包括有一基座，該基座具有一第一表面及一第二表面；該兩件式殼體結構包括有：一光纖固定座，其具有一軸向之中心穿孔以供一光線通過；於該中心穿孔之一端設有一光纖插孔、另一端則設有中空之一第一套環；以及一功能元件固定座，其具有中空之一第二套環；該第二套環於該軸向上之一端係與該第一套環以可相互位移之方式套合，使該第一套環可在保持與第二套環相套合的狀態下進行沿該軸向之線性位移調整；並且，該第二套環於該軸向上之另一端係以可相互位移之方式接觸於該雷射功能元件之基座的第一表面上，使第二套環可接觸在該第一表面上進行垂直於該軸向之二維的位移調整；其中，當該第二套環與該第一套環以相互位移之方式套合線性位移調整完成後，予以固定；其中，當該第二套環於該軸向上之另一端係以相互位移之方式接觸於該雷射功能元件之基座的第一表面上之該垂直於該軸向之二維位移調整完成後，予以固定。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光學次模組之兩件式殼體結構，其中，該雷射功能元件更包括有：一封蓋結合於該基座之第一表面上、至少一功能晶片設置於基座之 該第一表面上且位於封蓋內、一透鏡設置於封蓋上且和功能晶片相對應、以及若干訊號接腳自該基座之第二表面延伸出。
3. 如申請專利範圍第2項所述之光學次模組之兩件式殼體結構，其中，該功能晶片至少包括以下其中之一：半導體雷射晶片、光檢測晶片。
4. 如申請專利範圍第2項所述之光學次模組之兩件式殼體結構，其中，該第一套環與第二套環兩者之中具有較小內徑者，其內徑係比該封蓋之外徑大70-200μm。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光學次模組之兩件式殼體結構，其中，該第一套環係套合於該第二套環之一外緣；並且，固定該第二套環與雷射功能元件之基座、以及固定該第一套環與第二套環的方式是雷射焊接(Laser Welding)。
6. 如申請專利範圍第5項所述之光學次模組之兩件式殼體結構，其中，該第一套環之厚度係小於0.3mm。
7. 如申請專利範圍第5項所述之光學次模組之兩件式殼體結構，其中，於該第二套環較接近第一套環之端的一外緣係設有一斜角，使第二套環鄰近第一套環之端係具有相對較小之外徑。
8. 如申請專利範圍第5項所述之光學次模組之兩件式殼體結構，其中，於該第二套環鄰近基座之端的一內緣係設有一環狀凹圈，使第二套環鄰近基座之該端係具有相對較小之厚度。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光學次模組之兩件式殼 體結構法，其中，該第一套環在與該第二套環相套合狀態下所進行之該軸向位移調整的距離為150-400μm。
10. 一種光學次模組之組裝方法，包括有下列步驟：提供一雷射功能元件、一光纖固定座、與一功能元件固定座，該雷射功能元件包括有：一基座、一封蓋結合於該基座之一第一表面上、至少一功能晶片設置於基座之該第一表面上且位於封蓋內、一透鏡設置於封蓋上且和功能晶片相對應、以及若干訊號接腳自該基座之一第二表面延伸出；該光學次模組結構包括有：一光纖固定座以及一功能元件固定座；該光纖固定座具有一軸向之中心穿孔以供一光線通過，於中心穿孔之一端設有一光纖插孔，於中心穿孔之另一端則設有中空之一第一套環；該功能元件固定座具有中空之一第二套環；該第二套環於該軸向上之一端係與該第一套環以可相互位移之方式套合；將該第二套環於該軸向上之另一端接觸於該雷射功能元件之基座的第一表面上，並使第二套環在該第一表面上進行垂直於該軸向之二維的位移調整，直到透鏡及功能晶片係座落於該軸向上後，固定第二套環與雷射功能元件之相對位置；以及，將該第一套環保持與第二套環相套合的狀態下進行沿該軸向之線性位移調整，直到該透鏡及功能晶片的相對位置係可供該光線對焦後，固定第一套環與第二套環之相對位置。
11. 如申請專利範圍第10項所述之組裝方法，其中，固定該第二套環與雷射功能元件、以及固定該第一套環與第二套環的方式是雷射焊接(Laser Welding)。
12. 如申請專利範圍第10項所述之組裝方法，其中，該功能晶片至少包括以下其中之一：半導體雷射晶片、光檢測晶片。
13. 如申請專利範圍第10項所述之組裝方法，其中，該第一套環與第二套環兩者之中具有較小內徑者，其內徑係比該封蓋之外徑大70-200μm。
14. 如申請專利範圍第10項所述之組裝方法，其中，該第一套環係套合於該第二套環之一外緣。
15. 如申請專利範圍第14項所述之組裝方法，其中，該第一套環之厚度係小於0.3mm。
16. 如申請專利範圍第14項所述之組裝方法，其中，於該第二套環較接近第一套環之端的一外緣係設有一斜角，使第二套環鄰近第一套環之端係具有相對較小之外徑。
17. 如申請專利範圍第14項所述之組裝方法，其中，於該第二套環鄰近基座之端的一內緣係設有一環狀凹圈，使第二套環鄰近基座之該端係具有相對較小之厚度。
18. 如申請專利範圍第10項所述之組裝方法，其中，該第一套環在與該第二套環相套合狀態下所進行之該軸向位移調整的距離為150-400μm。
19. 一種光學次模組之殼體結構，可用於結合一雷射功能 元件與一光纖，該雷射功能元件包括有一封蓋；該光學次模組之殼體結構包括有：一光纖固定座，其具有一軸向之中心穿孔以供一光線通過；於該中心穿孔之一端設有一光纖插孔、另一端則設有中空之一第一套環；以及一功能元件固定座，其具有中空之一第二套環；該第二套環於該軸向上之一端係與該第一套環以可相互位移之方式套合，使該第一套環可在保持與第二套環相套合的狀態下進行沿該軸向之線性位移調整；其中，該第一套環與第二套環兩者之中具有較小內徑者，其內徑係比該雷射功能元件之封蓋的外徑大一預定尺寸；其中，當該第二套環與該第一套環以相互位移之方式套合線性位移調整完成後，予以固定；其中，該雷射功能元件更包括有：該封蓋結合於該基座之一第一表面上、至少一功能晶片設置於基座之該第一表面上且位於封蓋內、一透鏡設置於封蓋上且和功能晶片相對應、以及若干訊號接腳自該基座之一第二表面延伸出；其中，該第二套環於該軸向上之另一端係以可相互位移之方式接觸於該雷射功能元件之基座的第一表面上，使第二套環可接觸在該第一表面上進行垂直於該軸向之二維的位移調整；其中，當該第二套環於該軸向上之另一端係以相互 位移之方式接觸於該雷射功能元件之基座的第一表面上之該垂直於該軸向之二維位移調整完成後，予以固定。
20. 如申請專利範圍第19項所述之光學次模組之殼體結構，其中，該功能晶片至少包括以下其中之一：半導體雷射晶片、光檢測晶片。
21. 如申請專利範圍第19項所述之光學次模組之殼體結構，其中，該第一套環與第二套環兩者之中具有較小內徑者，其內徑係比該封蓋之外徑大70-200μm。
22. 如申請專利範圍第19項所述之光學次模組之殼體結構，其中，該第一套環係套合於該第二套環之一外緣；並且，固定該第二套環與雷射功能元件之基座、以及固定該第一套環與第二套環的方式是雷射焊接(Laser Welding)。
23. 如申請專利範圍第22項所述之光學次模組之殼體結構，其中，該第一套環之厚度係小於0.3mm。
24. 如申請專利範圍第22項所述之光學次模組之殼體結構，其中，於該第二套環較接近第一套環之端的一外緣係設有一斜角，使第二套環鄰近第一套環之端係具有相對較小之外徑。
25. 如申請專利範圍第19項所述之光學次模組之殼體結構，其中，該第一套環在與該第二套環相套合狀態下所進行之該軸向位移調整的距離為150-400μm。