专利名称：具有集成柔性电路的小型光学分组件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种小型光学分组件(OSA)，特别地，本发明涉及一种包括集成柔性电路连接器的OSA，所述连接器从所述OSA外壳中的光电子变换器芯片延伸到收发器的印刷电路板(PCB)电子装置。
背景技术：
[3]收发器制造业的驱动力在于减小外型尺寸，提高数据传输速度，并降低成本。为了实现所有的这些目标，常规的晶体管外形(TO)罐设计方法必须由更加奇特的部件包装方法来取代。不过，为了提供能够用于大范围的数据传输速度和产品的OSA，这种OSA必须在OSA芯片与所述收发器电子装置之间的高速RF电信号通路中采用受控的阻抗连接。而且，部件的总数必须减少，且能够用现有的可获取的材料制造。这种组装过程，包括光学校准，必须进行简化和/或使其自动化，以降低劳动力成本和提高生产速度，且纤维插孔部件应支持不同的波长。
常规的OSA设计，如在1996年7月16日授权公告的，申请人为Cina等人并转让给现在的申请人的美国专利No.5,537,504中所公开的OSA设计，包括一个安装在容器25中的光电子(O/E)变换器4，该容器25由一个窗口26密封。实心金属导线23和24延伸穿过所述容器25的后部，以焊接到其它导线或直接焊接到收发器印刷电路板。所述窗口26限制所述纤维、透镜和O/E的相对定位，而且所述导线23和24限制传输的质量和所述收发器印刷电路板的定位。软带导电性布线的使用已在1991年4月9日授权公告的，申请人为Arvanitakis等人并转让给现在的申请人的美国专利No.5,005,939中公开，但仅用于将OSA的现有导线连接到所述收发器印刷电路板。而且，Arvanitakis等人的专利中的装置并没有公开高质量高数据速度信号所要求的多层微带传输线路的使用。
本发明的一个目的在于通过提供具有集成柔性电路连接器的光学分组件来克服现有技术中的缺陷，这种具有集成柔性电路连接器的光学分组件用于降低所述OSA芯片与所述收发器电子装置之间的电界面的数量和长度。
发明概述[6]相应地，本发明涉及一种光学分组件，包括用于接收光纤的一端的光纤连接器，该光学连接器传输包括光学信号的光束；接合到所述光学连接器的外壳；安装在所述外壳的一端上的加强板，该加强板与所述外壳一起形成包壳；安装在所述加强板上的变换器，该变换器用于将光信号变换成电信号或将电信号变换成光信号；安装在所述外壳中的透镜，该透镜用于沿着光轴在所述光纤与变换器之间传递所述光束；用于向所述变换器或从所述变换器传输电信号的柔性电路导体，该柔性电路导体的一端由所述加强板支持并与所述包壳内的变换器进行电气连接，该柔性电路导体的另一端伸出所述外壳以与主机装置的控制电子装置进行电气连接。
附图详述[7]本发明将通过参考附图进行详细描述，这些附图表示本发明的优选实施例，其中[8]
图1是根据本发明的光学分组件的等轴测视图；[9]图2是图1中光学分组件的局部截面的等轴测视图；[10]图3是图1和图2中光学分组件的截面图；[11]图4是根据本发明的光学分组件的一个可供选择的实施例；[12]图5a到图5d是用于图1到图4中光学分组件的粘合有覆晶(flip-chip)的光电探测器的等轴测视图；[13]图6是图1到图3中光学分组件的后端的等轴测视图；[14]图7是图1到图3中带有可供选择的光电探测器的光学分组件的后端的等轴测视图；[15]图8是图1到图4中光学分组件的柔性电路导体的俯视图；[16]图9是图1到图4中光学分组件的柔性电路导体的仰视图；[17]图10是根据本发明的光学分组件的一个可供选择的实施例；[18]图11是根据本发明的光学分组件的一个可供选择的实施例；和 图12是具有图1到图3中的光学分组件的光学收发器，所述光学分组件安装在所述光学收发器中。
发明详细描述[20]参看图1到图4，根据本发明的一般由1所表示的OSA包括位于前端的光学连接器2，外壳3和一个加强板环4，该加强板环4位于其后端，带有一个柔性电路5，该柔性电路5从那里向外伸出。所述光学连接器2包括一个钻孔6，正如在现有技术中所熟知的那样，所述钻孔6用于接收光纤的一端上的套管，所述光纤向或从所述光学分组件1传输含有光学信号的光束10。所述外壳3包括一个安装法兰9和透镜7，该透镜7在所述光纤和光电子(O/E)变换器之间传递所述光束10，该光电子(O/E)变换器一般用8表示。所述OSA 1既可以是接收器光学分组件(ROSA)也可以是发送器光学分组件(TOSA)。在所述OSA 1是ROSA的情况下，所述O/E变换器8包括一个光电探测器11，该光电探测器11有一个连接在其上的转阻抗放大器(TIA)12。在所述OSA1是TOSA的情况下，所述O/E变换器8包括一个光源，如垂直光腔表面发射激光(VCSEL)，该垂直光腔表面发射激光(VCSEL)带有一个连接在其上的激光驱动器。优选所述光学连接器2、外壳3、透镜7和安装法兰9一体化地采用光学等级的塑料而形成，如ULTEM1010。
所述加强板环4包括一个底座13、其上安装有所述O/E变换器8，环状法兰14和沟槽16。所述环状法兰14与所述安装法兰9紧密配合或环绕在所述安装法兰9的周围，利用粘合剂17或其它适当的方式将所述环状法兰14与所述安装法兰9固定在一起。图5示出了根据本发明的一个OSA1’的实施例，在该实施例中，所述环状法兰14’包括齿状物18，该齿状物18用于与齿状物19紧密配合，该齿状物19从安装法兰9’伸出。所述联锁的齿状物18和齿状物19提供了一种更加坚固的外壳结构。
为所述柔性电路5的一端提供可靠支撑的所述加强板环4能够用具有高热导率(TC)，即100到500W/m°K之间或热导率比常规的TO罐外壳的热导率高数倍的材料制造，如锌、铝，这种材料能够使所述OSA1在热诱导噪音变成需考虑的因素之前而在较高的工作温度下运行。例如，TCAl＝237W/m°K，TCZn＝116W/m°K，TCCu＝410W/m°K。为了减少ROSA中的背反射，将所述O/E变换器8以与入射光束5成非直角而安装，以使任何反射的光不会通过所述透镜7直接反射进所述光纤。所述底座13与一个与入射光束10垂直的平面呈-4°和-10°之间，优选在-7°的标称角，即所述底座13的内表面与所述光束10的中心光轴成80°到86°之间的锐角。
为了进一步对所述光束10离开所述光纤时的背反射进行限制，在所述透镜7的前表面上安装一个折射率匹配的光学插入件21。所述光学插入件21的折射率与所述光纤的折射率严密匹配。优选所述光学插入件21为矩形或圆柱形的二氧化硅(silica)块，BK7，或者硼硅酸盐浮法玻璃。理想地，所述光学插入件21用折射率匹配的粘合剂固定到所述透镜7的前表面，优选所述粘合剂的折射率介于所述光学插入件21的折射率与所述透镜7的折射率之间。作为选择，所述光学插入件21也可以用其它的方式固定到所述透镜7的前表面，如压合。
理想地，所述光学插入件21向外伸出而进入所述光学连接器2的钻孔6内，并在其附近形成一个槽22。所述槽22会提供用于收集任何进入所述钻孔6内的灰尘或外来颗粒的区域，以避免这种物质被埋置在所述光学插入件21之中。
由于所述光纤是以二氧化硅为基础的，所以在所述光纤/光学插入件21的界面处的反射可以忽略。在所述光学插入件21/塑料透镜7的界面处的折射率差异确实会导致少量的背反射的产生。不过，如图4所示，所述光束10在到达所述透镜7的前表面之前就扩大，并在其背反射回到所述光纤时继续扩大。相应地，所述背反射光与所述光纤模式之间的重叠相对较小，即所述光束10的仅仅一小部分被反射回所述光纤。为了进一步减少这种背反射，所述光学插入件21的尺寸可以增加而超过通常的0.8mm的长度。
参看图5a到5d，所述光电探测器11优选是一种后照射反偏压光电二极管，该光电探测器11通过在AC和DC部件都产生电流来回应入射光学信号。在所述TIA12的安装表面上的多个电接触器28连接到所述光电探测器11上的对应电极29上，这种连接采用已知的许多方法中的任何一种来进行，如在覆晶粘结方法中的焊料块的使用。优选在为了匹配所述光电探测器11上的电接触器29而进行的初始处理之后，在所述TIA12上加上再分布层27，该再分布层27带有所述前置放大器接触器28。所述覆晶粘结方法具有非常低的封装寄生现象，但能够使所述光电探测器11以高精度校准。作为选择，在初始处理期间，可将带有接触器28的线路布置图加在所述TIA12的熔炼之中，不过，这种方法使所述TIA12不能够用在标准引线接合之中。
参看图6，用短导线33将在所述TIA12上的外接触器25与所述柔性电路导体5的圆端32上的相应的接触器31进行电气连接。将所述圆端32的一部分切去并留下一个开口34，在所述圆端32固定到所述加强板环4的底座13上时，所述TIA12和所述光电探测器11能够穿过所述开口34延伸。可将其它电气部件36定位于接近所述变换器8的圆端32处，如用于所述TIA12中的低通过滤器中的电容器或电感扼流圈元件，这些电气部件36能够使直流电流被馈入激光，而交流RF信号并不减少。
也可以使用前照射的光电探测器41(图7)，在该前照射光电探测器41中，所述光电二极管基片上的上层接触片42连接到TIA44上的片43上。新开发的前照射光电二极管使所述基片与所述光电二极管的顶部表面相接触，以使两种接触器(阳极和阴极)均能够与引线接合一起制造。所述TIA44与所述柔性电路导体5中的每个都包括6条对应的电气示踪导线，两条用于电力传输(+V，Gnd)，两条用于差分数据传输(RF，输出)，两条用于光学功率监控。作为选择，所述光电探测器11和所述TIA12可以相邻地附在所述加强板4上。
由于所述OSA外壳3/所述加强板4并不是密封封闭的，所以所述变换器8必须有涂层，以使其能够经受环境压力条件。在制造变换器8期间可以使用特殊的芯片等级的涂层，如SiO2，或者在组装所述OSA1期间对该变换器8进行涂覆或封装。参考前述的覆晶组装方法，通过对所述光电探测器11的主动(active)表面与所述转阻抗放大器12的顶部表面之间的空腔进行不充分填充来进行封装。如果所述主动侧朝上，如在图7中所示的前照射光电探测器41中那样，那么就在主动光电探测器芯片41上使用封装。
由于所述变换器8在其容器内并不是密封封闭的，所以现有技术装置中的密封窗口就不必要使用了。相应地，透镜7就可定位于与所述变换器8相对较近的位置，并能够使在所述光电探测器11上产生小的斑点，而同时保持小的数字孔径。在较高的数据速度的情况下，能够提供小的斑点很重要，因为所述光电探测器的主动区域被减小以降低电容增加的带宽。在较低的数据速度光电探测器的情况下，如2.5Gb/s，所述主动区域的直径有70到100um，而在较高的数据速度光电探测器的情况下，如10Gb/s，在所述主动区域采用20到40um的直径。由于多模式光纤的直径在50到62.5um之间，所以能够将所述透镜7置于接近所述光电探测器11的位置是非常有好处的，以产生并不一致的放大率，而仍能够提供相对较小的数字孔径。
参看图8和9，所述柔性电路导体5是多层微带传输线路，该多层微带传输线路包括用于信息信号的第一导电层51(图8)以及第二导电层52(图9)，并且能够提供高质量高数据速度信号所要求的受控的阻抗传输线路的布置。
本发明的以OSA61的形式出现的另一个实施例在图10中示出，该OSA61包括光耦合器62、外壳63、加强板64、和从其侧面伸出的柔性电路导体65。如上所述，光耦合器62和外壳63制成一个整体并限定了用于光学套管(未示出)的钻孔66以及透镜67。所述柔性电路导体65与一个变换器68进行电气连接，如光电探测器或VCSEL，并位于所述外壳62的一个安装法兰69与所述加强板64之间。所述柔性电路导体65可包括位于其相对的表面上的连接部分，以便于将所述安装法兰69和所述加强板64附在它的上面。像所述加强板环4一样，所述加强板64优选呈圆柱形，但任何其它形状均可使用。如上所述，在ROSA的情况下，所述透镜67将光束70聚焦于光电探测器71上，以将所述光信号转换成电信号，该电信号通过所述柔性电路导体65经过TIA72传输到所述收发器的PCB。所述柔性电路导体65的端部由所述加强板64支持并围绕在所述变换器68的周围，以使不同的接触器易于进入。
所述加强板64可用具有高热导率，即大于100W/m°K或热导率比常规的TO罐外壳的热导率高数倍的材料制造，如锌、铝，这种材料能够使所述OSA61在热诱导噪音变成需要考虑的因素之前而在较高的工作温度下运行。
本发明的另一个实施例在图11中示出，在该实施例中，OSA75包括与上面所述类似的集成光耦合器62/外壳63，但用方形加强板74替代了所述加强板64，所述加强板74用印刷电路板材料制成，如FR4。用粘合剂76将所述加强板74附在所述安装法兰69上，以包覆所述外壳63。相应地，所述加强板74在为所述变换器68与所述柔性电路导体65之间提供电气联系时，也为所述柔性电路导体65的端部提供了支持。
图12所示的光学收发器装置81包括用于支持ROSA83(类似于OSA1)的模块外壳82以及TOSA84和PCB85。OSA鞍形适配器86为OSA的位于外壳82中的83和84提供额外的支持。所述外壳82的前端87包括一个光学连接器，该光学连接器适于接收双工光学连接器，如LC或SC，这种双工光学连接器安装在一对光纤的端部，以向所述OSA的83和84并从所述OSA的83和84传输光学信号。电连接器，如针或边卡连接器(未示出)，从外壳82的后端88处的PCB85伸出，以将所述收发器连接到主机装置中的PCB。
权利要求
1.一种光学分组件，包括用于接收光纤的一端的光纤连接器，该光学连接器传输包括光学信号的光束；接合到所述光学连接器的外壳；安装在所述外壳的一端上的加强板，该加强板与所述外壳一起形成包壳；安装在所述加强板上的变换器，该变换器用于将光信号变换成电信号或将电信号变换成光信号；安装在所述外壳中的透镜，该透镜用于沿着光轴在所述光纤与变换器之间传递所述光束；用于向所述变换器或从所述变换器传输电信号的柔性电路导体，该柔性电路导体的一端由所述加强板支持并与所述包壳内的变换器进行电气连接，该柔性电路导体的另一端伸出所述外壳以与主机装置的控制电子装置进行电气连接。
2.如权利要求1所述的光学分组件，其特征在于，所述光耦合器、透镜和外壳一体化而形成。
3.如权利要求2所述的光学分组件，其特征在于，所述加强板由热导率大于100W/m°K的材料组成。
4.如权利要求1所述的光学分组件，其特征在于，所述加强板包括一个环，该环从所述加强板伸出并带有一个槽，该槽以大体上垂直于所述光轴的方向延伸，所述柔性电路导体穿过所述槽而延伸。
5.如权利要求4所述的光学分组件，其特征在于，所述加强板的环包括多个齿状物，这些齿状物从所述加强板的环伸出，并用于与从所述外壳伸出的相应的齿状物联锁。
6.如权利要求1所述的光学分组件，其特征在于，所述加强板的一个表面以与所述光轴成80°与85°之间的角而安装。
7.如权利要求1所述的光学分组件，其特征在于，所述变换器包括覆晶粘结在一个转阻抗放大器上的后照射光电探测器，该后照射光电探测器安装在所述加强板上并与所述柔性电路导体进行电气连接。
8.如权利要求1所述的光学分组件，其特征在于，所述变换器包括安装在一个转阻抗放大器上的前照射光电探测器。
9.如权利要求1所述的光学分组件，其特征在于，将所述变换器定位于与所述透镜足够近的位置以提供小于1的光纤放大率，以将所述光束的光点直径减小到20至40um之间。
10.如权利要求1所述的光学分组件，其特征在于，所述柔性电路导体的附在所述加强板上的一端包括一个开口，所述变换器通过所述开口而延伸，因此所述柔性电路导体环绕在所述变换器的周围。
11.如权利要求1所述的光学分组件，其特征在于，所述柔性电路导体的所述一端的一部分被置于所述加强板与所述外壳之间。
12.如权利要求1所述的光学分组件，其特征在于，所述包壳并不是密封的；而且所述变换器用密封涂层包覆，以对环境压力进行防护。
13.如权利要求1所述的光学分组件，还包括一个在光耦合器之中或邻近于所述光耦合器的折射率匹配块，该折射率匹配块的折射率类似于所述光纤的折射率，以限制反射回所述光纤的光的数量。
14.一种光学分组件，包括用于接收光纤的一端的光纤连接器，该光学连接器传输包括光学信号的光束；接合到所述光学连接器的外壳；安装在所述外壳的一端的加强板，该加强板与所述外壳一起形成包壳，所述加强板用印刷电路板材料制成；安装在所述加强板上的变换器，该变换器用于将光信号变换成电信号或将电信号变换成光信号；安装在所述外壳中的透镜，该透镜用于沿着光轴在所述光纤与变换器之间传递所述光束；和用于向所述变换器或从所述变换器传输电信号的柔性电路导体，该柔性电路导体的一端由所述加强板支持，并通过用印刷电路板材料制成的电路与所述变换器进行电气连接，该柔性电路导体的另一端向外伸出以与主机装置的控制电子装置进行电气连接。
全文摘要
本发明涉及一种用于接收器光学分组件或发送器光学分组件的光学分组件，在该光学分组件中，变换器芯片，如光电探测器或光源，与所述装置印刷电路板之间的电气连接由单一的柔性电路导体来完成，该柔性电路导体延伸穿过所述组件的壁。所述组件包括外壳和加强板，该外壳和加强板包覆所述外壳的一端并为所述柔性电路导体的一端形成机械支持。
文档编号H05K1/18GK1657999SQ20051000273
公开日2005年8月24日 申请日期2005年1月26日 优先权日2004年1月26日
发明者玛瑞安·C.·哈吉斯, 戴维·彼得·高, 罗杰·T.·林奎斯特, 威廉姆·K·霍根, 詹姆士·沃林, 杉迪普·南格利亚, 菲利普·帝尼, 迈尔斯·F.·史文, 克里斯托夫·M.·加贝尔 申请人:Jds尤尼弗思公司