专利名称：具有电接头的高速光信号互连装置的制作方法
技术领域：
本发明有关一种信号传输装置，且特别是有关一种具有电接头的高速光信号互连装置。
(2)背景技术全球化趋势的形成，使得频宽需求急遽的成长，为避免高频信号在高密度铜导线布线的高速电路板上传输时，产生信号干扰或辐射等问题，电路设计已日趋困难。就目前而言，电路板上所传输的高频信号大多为差动(differential)信号型态，高频信号除了有衰减快、易辐射的缺点外，阻抗不易匹配及相位差所造成的抖动(jitter)亦难以解决，使电路布局困难重重。针对这些问题，全球各大厂正积极研发以光信号取代电信号的解决方案，日本厂商更提出光学电子电路板原型，以期能克服电信号在高频传输时的布局限制。
由于光通讯路径大幅缩短及用途的扩展，其应用领域已经由最初的长距离传输，发展到现在由光纤将服务器连结至路由器或交换器上的应用，联机距离仅数米之遥；此等应用如同步光纤网络(SONET/SDH)、光纤信道(Fiber channel)、超高速以太网络(Gigabit Ethernet)等。在室内主机互连之后，当前的发展重点即在于芯片之间的信号互连，虽然高速光信号互连为大势所趋，光电组件的应用将如同芯片上的输入/输出电路一样普遍，但不可讳言的，光学组件在配置时远比IC芯片的配置要困难许多。请参照图1，其绘示Fuji Xerox所提出的光电互连架构。所谓光电互连，指的是电信号先由发射端转换为光信号输出，再利用光信道(例如光学波导)将光信号传送至接收端，由接收端将其还原为电信号的过程。电路板10上配置有发射器(transmitter)、光学波导(optical waveguide)130及接收器(receiver)，发射器主要由配置于陶瓷次装置101两侧的激光驱动器110及面射型激光115所构成，并利用金属脚柱15a，15b定位于光学波导130的一端；接收器主要由陶瓷次装置105两侧的检光放大器155及前置放大器150所构成，并利用金属脚柱55a，55b定位于光学波导130的另一端，使面射型激光115所发出的激光光信号能通过光学波导130的传输由检光放大器155所接收。应用时，激光驱动器110可依据电信号的型态来驱动面射型激光115，让面射型激光115输出一相对应的激光光信号，通过光学波导130传送至检光放大器155。检光放大器155接收激光光信号后，可由前置放大器150将激光光信号还原为电信号(此即激光驱动器110所据以驱动面射型激光115的信号)，并将其输出。需要注意的是，发射器上的穿孔112a，112b为电极穿孔，是作为激光驱动器110与面射型激光115间的信号连结之用；同样的，接收器上的穿孔152a，152b亦为电极穿孔，是作为检光放大器155与前置放大器150间的信号连结之用。
我们可以发现，目前的光电互连技术存在着以下几项主要的瓶颈一、光电材料的介质差异大，不易与电路板整合。
二、光学传输路径的定位必须精确地校正(例如1μm以内)，且需要人为操作，困难度高。
三、制程困难且传输路径及长度固定，设计缺乏弹性，难以整合于高积集度的电路布局及与I/O卡间的连结。
四、非直线的光学路径在制作上极为困难。
五、不易量产，制作成本高昂。
基于上述原因，可知光信号互连的成本较现有的电子产品大幅增加，装置复杂度亦高，因此一直无法有效应用。但电信号在高频时所衍生的问题又亟待解决，故同时具有高速传输、宽频、无干扰且易于配置等特性的光电互连装置，是业界所引颈企盼的。
(3)发明内容有鉴于此，本发明的目的就是在提供一种低成本、体积小且使用简便的具有电接头的高速光信号互连装置，以作为超高速电子电路板及相关接口连结之用。本发明除适用于目前3Gbps及3Gbps以下的高速传输，未来亦可升级至10Gbps的应用层面，以解决高密度布线电路板上不易布放超高速传输线的限制。
根据本发明的目的，提出一种具有电接头的高速光信号互连装置，此装置的简述如下具有电接头的高速光信号互连装置包括多模光纤、激光组件及检光放大器，电的串行信号经激光驱动器调变激光，产生出对应于串行信号的激光光信号，经由多模光纤传送至检光放大器。检光放大器接收激光光信号后转为电的串行信号，并由前置放大器将串行信号转换为差动信号后输出。进一步来看，激光组件及检光放大器均由外包覆封装其中，外包覆可采类似LED的方式封装，并于顶部形成一个对准于激光组件(或检光放大器)的通道，以置入多模光纤。此外，外包覆中亦具有聚焦曲面介于激光组件(或检光放大器)与多模光纤之间，使激光光信号能准确聚焦于多模光纤(或检光放大器)上。
为让本发明的上述目的、特点和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合所附图进行详细说明如下(4)
图1绘示Fuji Xerox所提出的光电互连架构。
图2绘示依照本发明一较佳实施例所提供的一种光跳线装置方块图。
图3A绘示激光组件被封装于外包覆中的情形。
图3B绘示检光放大器被封装于外包覆中的情形。
图3C绘示多模光纤与激光组件及检光组件连接后的情形。
图4绘示以激光组件及检光组件制成具有光纤双向传输功能的电接头高速光信号互连装置示意图。
图5绘示以激光组件及检光组件制成的光信号排线示意图。
(5)具体实施方式
为解决现阶段高速传输技术的诸多瓶颈，本发明提出了一种光跳线、电接头的光电互连装置，以取代电路板上的传输线(transmission line)。请参照图2，其绘示依照本发明一较佳实施例所提供的一种光跳线装置方块图。激光驱动器210可将差动信号DS转换为串行(serial)信号SS来驱动激光元件215，让激光元件215产生出对应于串行信号SS的激光光信号LS，并将其发射出去。接着，激光光信号LS可沿着多模光纤(multi-mode fiber)MMF传送至检光放大器(PIN-FET)255，检光放大器255接收激光光信号LS后，可将其还原为串行信号SS，然后由前置放大(Post Amplifier)250将串行信号SS转换为差动信号DS后加以输出。其中，激光元件215例如是垂直共振腔面射型激光(Vertical cavity surface emitting Laser，VCSEL)。
请参照图3A，其绘示激光元件215被封装于外包覆30中的情形。为降低装置复杂度，外包覆30可采用类似LED封装的方式予以实现，并于外包覆30的顶部形成一个对准于激光元件215的信道37。信道37的口径与多模光纤MMF的外径(例如125μm)相配合，当多模光纤MMF插入至底，激光元件215所发出的激光光信号LS即能聚焦于多模光纤MMF的端点处。另一方面，电接脚31，33暴露于外包覆30并与激光元件215耦接，用以连接至电路板，使激光驱动器210传来的串行信号SS能馈入激光元件215中，以调变激光光信号LS；其中，电接脚31为信号端，电接脚33为接地端。为使制作成本能有效降低，外包覆30在封装时可允许较低的精密度，主要由聚焦曲面35及多模光纤FB的大口径光核(例如100μm)来补偿精准度的不足。也就是说，可于外包覆30内形成一聚焦曲面35，聚焦曲面35介于激光元件215与信道37之间，使激光光信号LS更容易对准于光纤顶端。为方便以下的说明，激光元件215经封装完毕后称为激光组件LD。
请参照图3B，其绘示检光放大器255被封装于外包覆300中的情形。检光放大器255的封装方式与激光组件LD相同，外包覆300采用类似LED的方式封装，并于外包覆300的顶部形成一个对准于检光放大器255的通道370。信道370的口径与多模光纤MMF的外径相配合，当多模光纤MMF插入至底，由光纤输出的激光光信号LS即能聚焦于检光放大器255。此外，电接脚310，330暴露于外包覆300并与检光放大器255耦接，用以连接至电路板，使检光放大器255输出的串行信号SS能馈入前置放大器250；其中，电接脚310为信号端，电接脚330为接地端。同样的，外包覆300内亦形成有聚焦曲面350，聚焦曲面350介于检光放大器225与信道370之间，使激光光信号LS更容易对准于检光放大器225上。为方便以下的说明，检光放大器255经封装完毕后称为检光组件PD。
请参照图3C，其绘示多模光纤MMF与激光组件LD及检光组件PD连接后的情形。激光元件215及检光放大器255以类似LED方式封装后，即可将多模光纤MMF以胶固定连接作一体成型的封装，由于所连接的距离极短(常小于1m)，且信号传输时无光传输损失及色散(dispersion)问题，对光功率的强度要求不高，同时本发明特别提出以适当加大多模光纤MMF的光核口径的方式，来提升光耦合余裕(Tolerance)，可弥补封装精度的不足，如此可大幅降低占主要成本的封装费。
另一方面，在实作时可将激光趋动器210及前置放大器250直接置于电路板上，如此可去除光接头(Optical Connector)尺寸过大及避免高频电信号在电路板上传送时阻抗不匹配的问题。由于激光组件LD与检光组件PD均为电接脚，故可轻易地与激光趋动器210及前置放大器250焊接，使高速信号传输时不受干扰且不干扰其它高频电路板上的组件。此外，亦可于电路板上形成一略宽于多模光纤的凹槽，用以将多模光纤嵌入于电路板中，保持布线的平整美观。
在实际应用上，上述激光组件LD及检光组件PD亦可视设计需求加以组合，以作为具有光纤双向传输功能的电接头高速光信号互连装置及光信号排线，扩展本发明的适用领域。请参照图4，其绘示以激光组件及检光组件制成的具有光纤双向传输功能的电接头高速光信号互连装置示意图。光收发器TR1由激光组件LD1及检光组件PD1构成，光收发器TR2由检光组件PD2及激光组件LD2构成，激光组件与检光组件间由多模光纤加以连接，使激光光信号可在两者间双向传输。在实际应用上，可将激光组件LD1与检光组件PD1以一体成形的封装制作为光收发器TR1，亦可将激光组件LD2与检光组件PD2以一体成形的封装制作为光收发器TR2，以提高使用时的便利性。请参照图5，其绘示以激光组件及检光组件制成的光信号排线示意图。信号的发射端与接收端分别由数个(图式为3个)激光组件LD1，LD2，LD3及检光组件PD1，PD2，PD3组成，以传输三个高频信号；利用一体成形技术，可将激光组件LD1，LD2，LD3封装在一起，以提高组件整合度，同理，检光组件PD1，PD2，PD3的封装亦然。基于光纤优良的传输特性，光信号排线的信号同步性将十分优秀，故可有效解决电路传输线在传递高频信号时的相位差(Phase Differential)，辐射干扰及衰减等问题。同时多模光纤MMF具有几乎无弯曲损失(bending loss)的优势，光纤长度可以用绕圈的方式任意改变长度，亦非常适用于交换机的背板及各种插板的连结。
本发明上述实施例所揭露的光跳线装置，至少具有以下优点一、激光组件及检光组件的电接脚可依不同的信号频率来更换合用的电接头接口，由于对外连结均为电的接头，因此对电路板的制造者而言使用十分方便。
二、光纤长度的调整十分方便，成本更远低于电的高频传输跳线。
三、可相应多个信道(Channel)数作成排线的方式，与电的排线应用相似，体积小且不易互相干扰，使用弹性大。
四、多模光纤可任意绕圈转向，完全没有高速信号转弯时所引发的相差，辐射干扰及衰减等问题，亦无功率损失之虞。
五、体积极小、易组装，不受电磁干扰，且不需额外接地布线、阻抗匹配及避免串音等措施。
六、量产良率高，可有效降低成本。
综上所述，虽然本发明已以一较佳实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉本技术的人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与替换，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定的为准。
权利要求
1.一种具有电接头的高速光信号互连装置，包括一多模光纤，用以传递一激光光信号；一激光组件，包括一激光元件，用以依据一串行信号产生该激光光信号并予以输出；一第一电接脚，耦接至该激光元件以传输该串行信号；及一第一外包覆，用以封装该激光元件与该第一电接脚，并具有一对准于该激光元件的第一信道，用以配合该多模光纤，其中，该第一电接脚是暴露于该第一外包覆以耦接至外部电路；以及一检光组件，包括一检光放大器，用以将该激光光信号还原为该串行信号并予以输出；一第二电接脚，耦接至该检光放大器以传输该串行信号；及一第二外包覆，用以封装该检光放大器与该第二电接脚，并具有一对准于该检光放大器的第二通道，用以配合该多模光纤，其中，该第二电接脚是暴露于该第二外包覆以耦接至外部电路；其中，该多模光纤的一端耦接至该第一信道，该多模光纤的另一端耦接至该第二通道，藉以使得该激光组件所输出的该激光光信号经由该多模光纤传递至该检光放大器。
2.如权利要求1所述的具有电接头的高速光信号互连装置，其特征在于该激光组件是垂直共振腔面射型激光。
3.如权利要求1所述的具有电接头的高速光信号互连装置，其特征在于该多模光纤是可依封装需求适度加大光纤光核口径。
4.如权利要求3所述的具有电接头的高速光信号互连装置，其特征在于该多模光纤的外径为125μm，该大口径光核为100μm。
5.如权利要求1所述的具有电接头的高速光信号互连装置，其特征在于该第一与第二外包覆是以LED封装方式实现的。
6.如权利要求5所述的具有电接头的高速光信号互连装置，其特征在于该第一外包覆具有一聚焦曲面，该聚焦曲面介于该激光组件与该第一信道间，用以将该激光光信号聚焦于该多模光纤。
7.如权利要求5所述的具有电接头的高速光信号互连装置，其特征在于该第二外包覆具有一聚焦曲面，该聚焦曲面介于该检光放大器与该第二通道间，用以将该激光光信号聚焦于该检光放大器。
8.一种具有光纤双向传输功能的电接头高速光信号互连装置，包括一第一多模光纤，用以传输一第一激光光信号；一第二多模光纤，用以传输一第二激光光信号；一第一激光组件，用以输出该第一激光光信号，该第一激光组件包括一第一激光元件，用以依据一第一串行信号产生该第一激光光信号并予以输出；一第一电接脚，耦接至该第一激光元件以传输该第一串行信号；及一第一外包覆，用以封装该第一激光元件与该第一电接脚，并具有一对准于该第一激光元件的第一信道，用以配合该第一多模光纤，其中该第一电接脚是暴露于该第一外包覆以耦接至外部电路；一第二激光组件，用以输出该第二激光光信号，该第二激光组件包括一第二激光元件，用以依据一第二串行信号产生该第二激光光信号并予以输出；一第二电接脚，耦接至该第二激光元件以传输该第一串行信号；及一第二外包覆，用以封装该第二激光元件与该第二电接脚，并具有一对准于该第二激光元件的第二信道，用以配合该第二多模光纤，其中该第二电接脚是暴露于该第二外包覆以耦接至外部电路；一第一检光组件，用以接收该第二激光光信号，该第一检光组件包括一第一检光放大器，用以将该第二激光光信号还原为该第二串行信号并予以输出；一第三电接脚，耦接至该第一检光放大器以传输该第二串行信号；及一第三外包覆，用以封装该第一检光放大器与该第三电接脚，并具有一对准于该第一检光放大器的第三通道，用以配合该第二多模光纤，其中该第三电接脚是暴露于该第三外包覆以耦接至外部电路；以及一第二检光组件，用以接收该第一激光光信号，该第二检光组件包括一第二检光放大器，用以将该第一激光光信号还原为该第一串行信号并予以输出；一第四电接脚，耦接至该第二检光放大器以传输该第一串行信号；及一第四外包覆，用以封装该第二检光放大器与该第四电接脚，并具有一对准于该第二检光放大器的第四通道，用以配合该第一多模光纤，其中该第四电接脚是暴露于该第四外包覆以耦接至外部电路；其中，该第一多模光纤的一端耦接至该第一通道，该第一多模光纤的另一端耦接至该第四通道，该第二多模光纤的一端耦接至该第二通道，该第二多模光纤的另一端耦接至该第三信道，该第一激光组件与该第一检光组件是以该第一外包覆与该第三外包覆二者以一体成形的方式互相结合。
9.如权利要求8所述的具有光纤双向传输功能的电接头高速光信号互连装置，其特征在于还包括该第二激光组件与该第二检光组件是以该第二外包覆与该第四外包覆二者以一体成形的方式互相结合。
10.一种具有电接头的高速光信号互连装置的电路板，包括一多模光纤，用以传递一激光光信号；一激光驱动器，配置于该电路板上，用以依据一差动信号输出一串行信号；一激光组件，耦接至该激光驱动器，该激光组件包括一激光元件，用以依据该串行信号产生该激光光信号并予以输出；一第一电接脚，耦接该激光元件与该激光驱动器，以传输该串行信号；及一第一外包覆，用以封装该激光元件与该第一电接脚，并具有一第一聚焦曲面及一对准于该激光元件的第一信道，该第一信道用以耦接至该多模光纤的一端，该第一聚焦曲面介于该激光元件与该第一信道间，用以将该激光光信号聚焦于该多模光纤，其中该第一电接脚是暴露于该第一外包覆以耦接至外部电路；一检光组件，包括一检光放大器，用以将该激光光信号还原为该串行信号并输出的；一第二电接脚，其一端是耦接至该检光放大器以传输该串行信号；及一第二外包覆，用以封装该检光放大器与该第二电接脚，并具有一第二聚焦曲面及一对准于该检光放大器的第二信道，该第二信道用以耦接至该多模光纤的另一端，该第二聚焦曲面介于该检光放大器与该第二通道间，用以将该激光光信号聚焦于该检光放大器，其中该第二电接脚是暴露于该第二外包覆以耦接至外部电路；以及一前置放大器，配置于该电路板上并耦接至该检光组件的该第二电接脚的另一端，用以将该串行信号还原为该差动信号并予以放大。
11.如权利要求10所述的电路板，其特征在于该电路板上还具有一凹槽，用以嵌入该多模光纤。
12.如权利要求11所述的电路板，其特征在于该激光组件是垂直共振腔面射型激光，且该多模光纤具有一大口径光核。
全文摘要
一种具有电接头的高速光信号互连装置，包括多模光纤、激光组件及检光放大器，电的串行信号经激光驱动器调变激光，产生出对应于串行信号的激光光信号，经由多模光纤传送至检光放大器。检光放大器接收激光光信号后转为电的串行信号，并由前置放大器将串行信号转换为差动信号后输出。进一步来看，激光组件及检光放大器均由外包覆封装其中，外包覆可采用类似LED的方式封装，并于顶部形成一个对准于激光组件(或检光放大器)的通道，以置入多模光纤。此外，外包覆中亦具有聚焦曲面介于激光组件(或检光放大器)与多模光纤之间，使激光光信号能准确聚焦于多模光纤(或检光放大器)上。
文档编号G02B6/26GK1591062SQ0315517
公开日2005年3月9日 申请日期2003年8月25日 优先权日2003年8月25日
发明者陈志诚 申请人:和心光通科技股份有限公司