一种基于COB耦合工艺的收发一体光组件的制作方法

本发明涉及光纤通信高速光模块技术领域，特别涉及一种基于cob(chiponboard)封装的多模光纤与光芯片多通道耦合且收发一体的耦合光组件，主要可用于100g、400g等高速传输的发射、接收的光电模块中光纤与光发射芯片、光接收芯片间的多通道并行耦合。

背景技术：

光通信技术的迅猛发展，要求数据传输速率和数据传输容量不断增加，传输速率的同时，又要求制作工艺尽量简单、物料成本尽量降低，集成度尽量高。vcsel/pd阵列芯片和cob的封装工艺提供了低成本的高速光模块提供解决方案，多家电芯片公司也推出将vcsel/pddriver、cdr和equalizer集于一体的ldd电芯片，方便cob封装和集成。同时，这种封装方式对器件的环境可靠性带来一定挑战：光纤与有源芯片的90°转折并行耦合、cob贴片金线物理保护、芯片表面的洁净度和环境适应性等，目前行业中已找到了对应的解决方案——用pei材料的多通道耦合lens实行并行转折耦合，并可同时对vcsel和pd芯片表面进行罩盖保护，防止脏污和物理损伤，而lens的内腔也被设计的较大，从而兼容更多类型的芯片和元件，使散热空间更大。

但是在实际应用过程中，由于cob封装为非气密性，水气仍会渗到芯片附近；一方面，vcsel(850nm)典型的发光功率一般大于协议要求光功率，为满足协议需求，需要对发射光功率做一定的衰减(根据激光器的发光功率，1～6db衰减量不等)，对发射和接收一体的lens，目前无法控制材料为发射光路衰减而接收光路不衰减，只能采取在发射端镀膜的方式或在光纤端加装衰减膜的方式进行衰减，调节发光功率，衰减膜又以反射型的衰减膜为主，反射型的衰减膜工艺成熟稳定，吸收型的衰减膜膜层较厚，工艺复杂，膜层应力较大，且在膜层不可能做到特别厚，故而吸收型的衰减膜仍会有一部分的光被反射；而加装衰减膜片会增加工艺成本和材料成本，不如加镀衰减膜方便。

另一方面，cdr芯片区为硅锗工艺，会吸收特定波长(400～1100nm)的光，产生相应的电流噪声，一般常温常压条件下，它的抗噪强度在～-20dbm，在特殊环境(潮气等)下引起cdr阈值下降，使其更加敏感，进而导致引起cdr失锁，模块丢包；且为了电信号能很好传递，ldd芯片与vcsel或pd芯片不能离太远。

再者，在lens底部加涂吸收材料的方法可能会引入新的可靠性风险，cdr和driver区域工作时温度高，导致吸收材料性变脱落、妨碍芯片散热等，在lens结构设计上，避免该风险，既能降低成本，又能简化工艺。

加镀衰减膜的方式在制作成本上比加装膜片的方式低，但会引入cdr芯片失效风险。

如下图1所示，当lens通光面型处加镀反射型衰减膜时，一部分光会被反射到ldd芯片上，由于芯片折射率大，光线入射角度较大(光线在芯片表面和lens底部的反射率和角度关系如图2和图3所示)，故一部分光被芯片吸收和折射损耗后，仍有一部分光被芯片反射到lens底部，然后被芯片发射的光线2-3经过lens底部返回到lddchip的光敏区域——cdr区域，该区域的光敏阈值在-22dbm，当芯片表面处于高温高湿环境时，阈值会下降，导致芯片对杂散光更敏感，最终可能因杂散光的影响导致模块丢包、失效等后果。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种基于cob耦合工艺的收发一体光组件，其可以解决界面反射的杂散光对发射光路、接收光路、cdr芯片的影响。

本发明的目的是采用下述方案实现的：本发明公开了一种基于cob耦合工艺的收发一体光组件，包括透镜基体和pcb板，所述pcb板上贴装有ldd芯片、vcsel芯片和pd芯片，所述透镜基体固定安装在pcb板上，所述透镜基体的底部设有用于为ldd芯片、vcsel芯片和pd芯片安装让位的凹腔，所述透镜基体上设有发射光路通道和接收光路通道，所述发射光路通道上设有准直透镜、聚焦透镜和反射面，发射光路通道的准直透镜的入射表面镀有衰减膜，所述vcsel芯片发射的光束一部分经衰减膜后通过发射光路通道的准直透镜，被发射光路通道的准直透镜准直为平行光，发射光路通道的反射面用于将经发射光路通道的准直透镜准直后的平行光转折到发射光路通道的聚焦透镜，发射光路通道的聚焦透镜用于将入射光束汇聚至光纤；所述vcsel芯片发射的光束另一部分被衰减膜反射至ldd芯片的driver区域，其中一部分光2-5被ldd芯片的driver区域吸收和折射，另一部分光2-3被ldd芯片的driver区域反射到透镜基体底面设有的入射斜面上，并从该入射斜面入射到透镜基体中，由透镜基体传播并吸收；

所述接收光路通道上设有准直透镜、聚焦透镜和反射面，接收光路通道的准直透镜用于将光纤中的光变为平行光，接收光路通道的反射面用于将经接收光路通道的准直透镜准直后的平行光转折至接收光路通道的聚焦透镜，接收光路通道的聚焦透镜用于将入射光汇聚至pd芯片中，完成光电转换。

被ldd芯片的driver区域反射的光以较小的入射角从透镜基体底面的入射斜面入射到透镜基体中，使绝大部分光都进入透镜基体中。

进一步地，所述透镜基体的底部设有三角柱结构，位于ldd芯片上方，该三角柱结构靠近发射光路通道的准直透镜一侧的斜面为入射斜面，用于供ldd芯片的driver区域反射的光入射到透镜基体内；三角柱结构与透镜基体一体成型。该三角柱的结构可以减小二次反射光在lens底部处的入射角度，将此处的杂散光隔挡、然后折射到lens顶部和外部和被吸收。

进一步地，透镜基体底面设有的入射斜面与pcb板的夹角为α，角度α等于30～45°。角度α的设置根据实际需要可以进行调整，目的是使被ldd芯片的driver区域反射的杂散光以较小的入射角从透镜基体的入射斜面入射到透镜基体中。

进一步地，所述的三角柱结构离vcsellens的距离s根据vcsel与lens的工作距离l1、vcsel的远场发散角θ、以及vcsel厚度h1、lddchip厚度h2等数据共同决定，一般地，对于θ＝35°、h1＝150μm，h2＝200μm，l1＝0.2～0.25mm，时三角柱离vcsellens的距离s＝0.4～0.5mm，高度h＝0.15～0.12mm，角度α＝30～45°。

进一步地，所述透镜基体的底部设有凹槽，位于ldd芯片上方，该凹槽的一侧面设有入射斜面，用于供ldd芯片的driver区域反射的光入射到透镜基体内。

进一步地，所述透镜基体上固定有黑胶，用于吸收被ldd芯片的driver区域反射并入射到透镜基体内的光。

进一步地，所述透镜基体设有散热通气孔，与底部凹腔连通；所述散热通气孔的上端贯穿透镜基体的上端面，所述散热通气孔的下端与透镜基体的底部凹腔连通；所述散热通气孔为上大下小的阶梯孔；所述散热通气孔的上部大径段内固定有黑胶，用于吸收被ldd芯片的driver区域反射并入射到透镜基体内的光；散热通气孔的上部大径段的孔径为下部小径段的孔径的至少2倍。透镜基体与光纤对接的部位为头部，另一端为尾部，透镜基体尾部设计散热通气孔，保持芯片与lens散热通道。所述散热通气孔由两部分组成，第一部分为上面部分，孔直径较大，第二部分为下表面部分，孔直径较小，这样设计可在不增加结构复杂度的情况下，增大散热通气孔的散热功能，并降低外部脏污对lens内腔器件的影响。

进一步地，所述透镜基体的底面设有协助散热斜面；协助散热斜面位于ldd芯片上方且协助散热斜面位于散热通气孔旁，用于将芯片表面的热流导向散热通气孔。

进一步地，透镜基体的上端设有凹槽，该凹槽位于vcsel芯片、pd芯片的上方，凹槽的一侧面为斜面，该斜面设置为反射面，用于将经发射光路通道的准直透镜准直后的平行光转折到发射光路通道的聚焦透镜，以及用于将经接收光路通道的准直透镜准直后的平行光转折至接收光路通道的聚焦透镜；所述凹槽的上端槽口固定有玻璃盖片，用于遮挡凹槽。

进一步地，所述透镜基体上设有透镜定位柱，方便与外接的mpo跳线中光纤精确得对准连接；定位柱与透镜基体为一体成型。透镜基体的定位柱和透镜基体为同一材料，均为pei材料。

进一步地，所述发射光路通道上的准直透镜、聚焦透镜与透镜基体一体成型；接收光路通道上的准直透镜、聚焦透镜与透镜基体一体成型；透镜基体为pei材料；所述透镜基体整个外形呈长方体。透镜基体侧边与上下表面的角度均为90°，方便耦合夹具对lens的夹持。

本发明的有益效果为：由于被ldd芯片的driver区域反射到透镜基体底面的杂散光从透镜基体设有的入射斜面尽量多的入射到透镜基体中，由透镜基体传播、吸收；因此，本专利设置入射斜面可以减小二次反射光在lens底部处的入射角度，将此处的杂散光隔挡，然后折射到lens顶部、外部或被吸收。

所述透镜基体设有散热通气孔，与底部凹腔连通；所述散热通气孔由两部分组成，第一部分为上面部分，孔直径较大，第二部分为下表面部分，孔直径较小，这样设计可在不增加结构复杂度的情况下，增大散热通气孔的散热功能，并降低外部脏污对lens内腔器件的影响。

cdr芯片区域会随着温度和湿度的变化而变得对杂散光更敏感，将影响到模块的稳定性且增加误码率，本发明提供了能有效提高cdr芯片可靠性的cob耦合组件结构，解决界面反射的杂散光对发射光路、接收光路、cdr芯片的影响。

附图说明

图1为改进前的基于cob耦合工艺的收发一体光组件的光路图；

图2为改进前lens底部与空气界面处入射角与反射率关系示意图；

图3为改进前ldd芯片与空气界面处入射角与反射率关系示意图；

图4为本发明的基于cob耦合工艺的收发一体光组件的主要光路图；

图5为图4的局部放大图；

图6为本发明的基于cob耦合工艺的收发一体光组件的一种实施例的结构示意图；

图7为本发明的透镜基体和pcb板组装后底面示意图；

图8为本发明的芯片在pcb板上分布示意图；

图9为本发明的基于cob耦合工艺的收发一体光组件的另一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

参见图4至图8，本实施例提供一种基于cob耦合工艺的多通道耦合光组件，包括透镜基体1，芯片阵列2，ldd芯片3、玻璃盖板4、多模光纤阵列5、pcb板6，透镜基体1和pcb板6组装后底面示意图如图7所示，透镜基底上chiplens1-1分为两组，分别为vcsellens1-101和pdlens1-102，芯片阵列2分为vcsel芯片阵列2-001和pd芯片阵列2-002。芯片在pcb板6上分布示意图如图8所示，ldd芯片3分为三块区域，这三块区域分别为3-1equalizer区域3-2cdr区域和3-3driver区域，芯片阵列2分为vcsel芯片阵列2-001和pd芯片阵列2-002。

透镜基体用胶水固定安装在光模块pcb板上，vcsel芯片阵列和pd芯片阵列被贴装在pcb板的预定位置，所述透镜基体固定安装在pcb板上，所述透镜基体的底部设有用于为ldd芯片、vcsel芯片和pd芯片安装让位的凹腔1-10，所述透镜基体上设有多个发射光路通道分别与vcsel芯片阵列的各个vcsel芯片一一对应，所述透镜基体上设有多个接收光路通道分别与pd芯片阵列的各个pd芯片一一对应，所述透镜基体的发射光路通道的准直透镜的顶点与vcsel芯片之间的距离与接收光路通道的汇聚透镜的顶点与pd芯片之间的距离相等；每个发射光路通道均有准直透镜和聚焦透镜，发射光路通道的准直透镜将vcsel发射的光变为平行光，经过45°全反射面，转折到发射光路通道的聚焦透镜，发射光路通道的聚焦透镜将光束汇聚至多模光纤；每个接收光路通道均有准直透镜和聚焦透镜，接收光路通道的准直透镜将多模光纤中的光变为平行光，经过45°全反射面，转折至聚焦透镜，聚焦透镜将光汇聚至pd芯片中，完成光电转换，透镜基体中一共包含三种光学lens面型，分别为分为vcsellens，pdlens和fiberlens，通常地为了简化lens开模工艺，vcsellens和pdlens被设计为同一种面型，可统称为chiplens。

ldd芯片、vcsel芯片阵列和pd芯片阵列成矩形排布，cob耦合光组件内腔能将芯片阵列全部覆盖，可保护芯片与pcba板之间的金线，lens与pcb板之间用uv胶预固定，然后用黑胶在左右两侧加固。

进一步地，vcsellens表面镀有相应的衰减膜，衰减量根据激光器的发光功率和协议要求功率确定，一般在1～6db。

进一步地，该透镜组件可通过制作专用模具，通过特殊塑料材料或玻璃注塑成型。

进一步地，lens和pcb组装的剖面示意图如图6所示，透镜基底1上包含chiplens1-1、fiberlens1-2、反射面1-3。

本实施例透镜基体内腔底部设计有一个三角柱结构，与lens主体为一体，均为pei材料，通过开模注塑统一成型，该三角柱的结构可以减小二次反射光在lens底部处的入射角度，将此处的杂散光隔挡，然后折射到lens顶部、外部或被吸收。

三角柱结构1-5位于ldd芯片上方，该三角柱结构靠近发射光路通道的准直透镜一侧的斜面为为入射斜面1-4，用于供ldd芯片的driver区域反射的光入射到透镜基体内；三角柱结构与透镜基体一体成型。

进一步地，透镜基体底面设有的入射斜面与pcb板的夹角为α，角度α等于30～45°。

进一步地，所述的三角柱结构离vcsellens的距离s根据vcsel与lens的工作距离l1、vcsel的远场发散角θ、以及vcsel厚度h1、lddchip厚度h2等数据共同决定，一般地，对于θ＝35°、h1＝150μm，h2＝200μm，l1＝0.2～0.25mm，时三角柱离vcsellens的距离s＝0.4～0.5mm，高度h＝0.15～0.12mm，角度α＝30～45°。

进一步地，所述透镜基体上固定有黑胶，用于吸收被ldd芯片的driver区域反射并入射到透镜基体内的光。

进一步地，所述透镜基体设有散热通气孔1-6，与底部凹腔1-10连通；所述散热通气孔的上端贯穿透镜基体的上端面，所述散热通气孔1-6的下端与透镜基体的底部凹腔连通；所述散热通气孔1-6为上大下小的阶梯孔；所述散热通气孔的上部大径段内固定有黑胶，用于吸收被ldd芯片的driver区域反射并入射到透镜基体内的光。透镜基体与光纤对接的部位为头部，另一端为尾部，透镜基体尾部设计散热通气孔，保持芯片与lens散热通道。所述散热通气孔由两部分组成，第一部分为上面部分，孔直径较大，第二部分为下表面部分，孔直径较小，这样设计可在不增加结构复杂度的情况下，增大散热通气孔的散热功能，并降低外部脏污对lens内腔器件的影响。进一步地，为了减少外部脏污对透镜基体1内腔中芯片2和芯片3的影响，散热通气孔的上部大径段的孔径为下部小径段的孔径的至少2倍，可以有效防止黑胶7溢出指定区域。

进一步地，为了ldd芯片的热量更好地散出，所述透镜基体的底面设有协助散热斜面1-9有助于热量导出。协助散热斜面位于ldd芯片上方且协助散热斜面位于散热通气孔旁，用于将芯片表面的热流导向散热通气孔。协助散热斜面为一带角度斜面，该协助散热斜面位于散热通气孔和三角柱结构之间，斜面角度与pcba底面呈4～7°，这样设计可将芯片表面的热流导向散热通气孔。

进一步地，透镜基体的上端设有凹槽，该凹槽位于vcsel芯片、pd芯片的上方，凹槽的一侧面为45°斜面，该斜面设置为反射面，用于将经发射光路通道的准直透镜准直后的平行光转折到发射光路通道的聚焦透镜，以及用于将经接收光路通道的准直透镜准直后的平行光转折至接收光路通道的聚焦透镜；为了保护反射面1-3不受脏污影响，所述凹槽的上端槽口固定有玻璃盖片4，用于遮挡凹槽。进一步地，透镜基体的顶部有一小凹平台1-7，用于放置玻璃盖片，进一步地，玻璃盖片4与透镜基体1用胶水固定，该平台上有两个三角凹槽，防止胶水溢到45°斜面上。

进一步地，所述透镜基体上设有透镜定位柱1-8，方便与外接的mpo跳线中光纤精确得对准连接；定位柱与透镜基体为一体成型。透镜基体的定位柱和透镜基体为同一材料，均为pei材料。进一步地，设计lens基体1上有两个一体化定位柱，方便与外接的mpo跳线中光纤5精确得对准连接。

进一步地，所述发射光路通道上的准直透镜、聚焦透镜与透镜基体一体成型；接收光路通道上的准直透镜、聚焦透镜与透镜基体一体成型；透镜基体为pei材料；所述透镜基体整个外形呈长方体。透镜基体侧边与上下表面的角度均为90°，方便耦合夹具对lens的夹持。

进一步地，透镜基体1上可通过制作专用模具，通过特殊塑料材料或玻璃注塑成型。

进一步地，lens基体1与芯片耦合完成后，先用uv胶水与固定，然后在lens基体1上的两侧用黑胶加强固定。

如图6所示，发射光路是这样实现的，vcsel芯片阵列2-001发光光束2-1在加镀衰减膜的vcsellens1-101表面被分成两束光，其中一束光2-11到达反射面1-3，经材料全反射为光束2-12，再经过fiberlens1-2聚焦为光束2-13最终被耦合到光纤5中；相反地，接收光路是这样实现的，光纤5中的光束经过fiberlens1-2变成准直光束，再经过45°反射面全反射到达pdlens1-102被汇聚到pd芯片阵列2-002上。

对cdr芯片3-2区域的保护是这样实现的：vcsel芯片阵列2-001发光光束2-1在加镀衰减膜的vcsellens1-101表面被分成两束光，另一束光2-2被膜层反射，一部分达到ldd芯片3的driver区域3-3，在此区域芯片表面，一部分光2-5被芯片吸收和折射，另一部分光2-3被反射到lens三角柱表面，以较小的入射角(一般为0～10°它没有固定的角度，因为这束光并不是平行光，而是有一定发散角的光束)，入射到透镜基体1中，进入透镜基体后的光2-4经过几毫米的传播，仍有一部分光被吸收(吸收率为每传播2mm，吸收该光束能量的～12％@850nm)，另一部分到达通气孔表面的黑胶7上被吸收，自此杂散光不会被cdr芯片区域3-2吸收而不会产生电流噪声，也不会对发射光路和接收光路产生串扰。

实施例2

如图7至图9，所述透镜基体的底部设有三角形凹槽，位于ldd芯片上方，该三角形凹槽远离发射光路通道的准直透镜一侧的斜面为入射斜面1-4，用于供ldd芯片的driver区域反射的光入射到透镜基体内。本实施例将实施例1的三角柱结构替换成三角形凹槽的结构，本实施例的其他技术特征与实施例1相同。

本发明为基于cob封装工艺的提高cdr芯片可靠性的多通道并行耦合组件，该耦合组件不仅能满足90°转折耦合，还能在保护金线和芯片结构的同时，还能有效降低cdr芯片失效机率，从而提升良率，节省物料成本，易于开模成型、批量生产。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。