专利名称：可插拔的光收发一体模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光模块，更具体地说，是涉及一种基于激光器阵列和光电探测器 阵列的可插拔的光收发一体模块。
背景技术：
以光纤为光传输载体的光通信技术已经成熟应用在骨干网、城域网、局域网等不 同级别的通信网中。随着下一代计算机、服务器、通信设备等向高频高速发展，受损耗、辐 射、串扰等因素的影响，传统的基于铜线的电互连将很难再继续为框间、板间以及芯片间等 甚短距离的高速信息交换提供支持。光互连由于其大容量、高速率、低时延、低功耗等优点， 将代替铜线为高性能系统提供甚短距离上的物理连接。并行光互连通过多根相互平行的光纤或光波导传输多路信号，可以在高带宽下实 现较远距离的传输。由于电子系统中传输的都是电信号，要用光作为信号载体，并通过光传 输介质实现一定距离上电子系统或子系统之间的信号交换，电_光转换和光_电转换器件 必不可少。垂直腔表面发射激光器(VCSEL)是并行光互连普遍采用的发光器件，其优点包 括阈值电流低；谐振腔小、易于单纵模工作；发射窗口呈圆形对称，光束质量好，易于与光 纤耦合；出光方向垂直于衬底表面，易于制备一维和二维阵列。相应于垂直腔表面发射激光 器(VCSEL)，表面受光的光电二极管是并行光互连普遍采用的光电探测器。与支持长距离通 信的光收发模块不同，甚短距离光收发模块对尺寸、成本更加敏感。具有小型化、低成本、宽 带宽、高可靠性的并行光互连模块是解决短距离超大容量信息的高速处理、交换、存储和传 输等技术瓶颈的关键产品。与仅具有单一光发射或光接收功能的光发射模块和光接收模块不同，光收发一体 模块是将分离的光发射器和光接收器封装为一体，具有同时将接收到的高速电信号转换成 高速光信号和将接收到的高速光信号转换成高速电信号的功能，所以在一个信息传输节点 上一个光收发一体模块可以代替一对光发射模块和光接收模块，同时光收发一体模块在空 间占用尺寸和成本方面都占有优势。为实现框间、板间以及高速芯片之间的并行光互连，并行光互连模块需要与框内 的印刷电路板、板内的印刷电路板以及安装高速芯片的印刷电路板进行电连接。采用焊锡 膏、焊球或金属凸点和表面贴装技术是实现并行光互连模块和印刷电路板之间电连接的方 法之一，但是这种方法使得并行光互连模块在和印刷电路板之间完成电连接后不易更换， 给并行光互连模块的使用和维护带来不便。可插拔的高速电连接器是解决上述问题的有效 手段。综上所述，用于短距离大容量并行光互连的高性能、低成本、可插拔的光收发一体 模块具有强大的市场潜力。
发明内容
(一)要解决的技术问题
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有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种可插拔的光收发一体模块，该模块结 构简单，适于低成本大批量生产，同时体积小，外观简洁，使用方便。( 二 )技术方案为达到上述目的，本发明提供了一种可插拔的光收发一体模块，该可插拔的光收 发一体模块包含散热片1;安装在散热片1上的高速多层有机基板2 ；在高速多层有机基板2中心位置的镂空区域放置的硅基板8 ；安装在高速多层有机基板2背面的微控制器9 ；安装在硅基板8正面的激光器阵列芯片4、光电探测器阵列芯片5、激光驱动器阵 列芯片6和跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片7 ；安装在高速多层有机基板2正面，并覆盖在硅基板8、激光器阵列芯片4、光电探测 器阵列芯片5、激光驱动器阵列芯片6和跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片7上的高速电连 接器10;以及光纤带11和光纤连接器12。上述方案中，所述激光器阵列芯片4和所述光电探测器阵列芯片5通过倒装技术 倒扣安装在硅基板8上，所述激光驱动器阵列芯片6和所述跨阻放大器及限幅放大器阵列 芯片7通过裸芯片贴装技术贴装在硅基板8上。上述方案中，所述硅基板8上制备有微通孔阵列13，所述光纤带11通过该微通孔 阵列13实现其十二根光纤的端面在硅基板8上的精确定位。上述方案中，所述光纤带11是一维1X12阵列的，其一端连接光纤连接器12，另一 端穿过散热片1和硅基板8与激光器阵列芯片4和光电探测器阵列芯片5进行光耦合，其 第二根到第五根的四根光纤分别与所述激光器阵列芯片4上的四个等间距排列的光发射 点进行光耦合，第八根到第十一根的四根光纤分别与所述光电探测器阵列芯片5上的四个 等间距排列的光接收点进行光耦合，第一根光纤、第六根光纤、第七根光纤和第十二根光纤 闲置。上述方案中，所述高速电连接器10安装在高速多层有机基板2正面，并覆盖硅基 板8和位于硅基板8上的激光器阵列芯片4、光电探测器阵列芯片5、激光驱动器阵列芯片 6、跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片7。上述方案中，所述散热片1，其上有槽孔14和凹槽15，其中槽孔14是通孔，用于穿 光纤带11 ；凹槽15是盲孔，用于容纳安装在高速多层有机基板2背面的微控制器9。上述方案中，所述激光器阵列芯片4是一维1X4阵列的，所述光电探测器阵列芯 片5也是一维1 X4阵列的，激光器阵列芯片4和光电探测器阵列芯片5在所述硅基板8上 是并行排列的，同时激光器阵列芯片4的四个等间距排列的光发射点和光电探测器阵列芯 片5的四个等间距排列的光接收点在同一直线上。上述方案中，所述激光器阵列芯片4和所述光电探测器阵列芯片5与所述硅基板 8之间的电连接是通过倒装凸点实现的；所述激光器阵列芯片4和所述激光驱动器阵列芯 片6之间的电连接是通过金属线键合实现的，所述光电探测器阵列芯片5和所述跨阻放大 器及限幅放大器阵列芯片7之间的电连接是通过金属线键合实现的，所述激光驱动器阵列
5芯片6、跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片7与所述硅基板8之间的电连接是通过金属线键 合实现的，所述激光驱动器阵列芯片6、跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片7、硅基板8与高 速多层有机基板2之间的电连接是通过金属线键合实现的。上述方案中，所述金属线是金丝、铝丝或铜丝，或者是金带、铝带或铜带。上述方案中，该可插拔的光收发一体模块四角上各有一个螺柱3，该螺柱3通过高 速多层有机基板2的四角相应位置上的通孔和散热片1的四角相应位置上的螺孔，将高速 多层有机基板2机械固定在散热片1上。(三)有益效果本发明提供的这种可插拔的光收发一体模块，结构简单，适于低成本大批量生产， 同时体积小，外观简洁，使用方便。
图1是本发明的可插拔的光收发一体模块的内部结构俯视图；图2是散热片的立体图。图3是本发明的可插拔的光收发一体模块的侧剖视图；图4是本发明的可插拔的光收发一体模块的激光器阵列芯片和光电探测器阵列 芯片与光纤带的组装结构图；图中1 散热片；2 高速多层有机基板；3 螺柱；4 激光器阵列芯片；5 光电探 测器阵列芯片；6 激光驱动器阵列芯片；7 跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片；8 硅基 板；9 微控制器；10 高速电连接器；11 光纤带；12 光纤连接器；13 微通孔阵列；14 槽 孔；15:凹槽
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本发明进一步详细说明。如图1、图2和图3所示，本发明提供的这种可插拔的光收发一体模块，包含散热片1 ；安装在散热片1上的高速多层有机基板2 ；在高速多层有机基板2中心位置的镂空区域放置的硅基板8 ；安装在高速多层有机基板2背面的微控制器9 ；安装在硅基板8正面的激光器阵列芯片4、光电探测器阵列芯片5、激光驱动器阵 列芯片6和跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片7 ；安装在高速多层有机基板2正面，并覆盖在硅基板8、激光器阵列芯片4、光电探测 器阵列芯片5、激光驱动器阵列芯片6和跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片7上的高速电连 接器10;以及光纤带11和光纤连接器12。高速电连接器10提供从该可插拔的光收发一体模块到使用本发明的电子设备之 间的电性能接口。光纤连接器12提供从该可插拔的光收发一体模块到外接光纤之间的光 学连接，以实现该可插拔的光收发一体模块与其它装置之间的光信号传输，或者以实现该可插拔的光收发一体模块与另一个光收发一体模块之间的光信号传输。激光器阵列芯片4和激光驱动器阵列芯片6构成该可插拔的光收发一体模块的光 发射部分，该光发射部分将需要输出的电信号转化成输出的光信号，然后该输出的光信号 被耦合到该可插拔的光收发一体模块的光纤带中，并通过光纤连接器输出。光电探测器阵列芯片5与跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片7构成该可插拔的光 收发一体模块的光接收部分，该光接收部分将由光纤连接器输入的光信号转化成输入的电 信号，并通过高速电连接器输入到使用本发明的电子设备上。本发明中的激光器阵列芯片中的激光器是表面发射激光器，例如垂直腔表面发射 激光器(VCSEL)，可以是从上表面发射的激光器，也可以是从底面发射的激光器；光电探测 器阵列芯片中的光电探测器是表面受光的探测器，可以是上表面受光的探测器，也可以是 底面受光的探测器。如图1所示，在本发明的可插拔的光收发一体模块中，硅基板8上安装了四个芯 片，分别为激光器阵列芯片4、光电探测器阵列芯片5、激光驱动器阵列芯片6、跨阻放大器 及限幅放大器阵列芯片7，其中激光器阵列芯片4和光电探测器阵列芯片5是通过倒装技 术倒扣安装在硅基板8上的，激光驱动器阵列芯片6和跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片 7是通过裸芯片贴装技术贴装在硅基板8上的。高速多层有机基板2的中心位置上被镂空 出一个区域，用来放置硅基板8。该镂空的区域的尺寸由硅基板8的尺寸决定，镂空的区域 的长度比硅基板8的长度大50 300微米，镂空的区域的宽度比硅基板8的宽度大50 300微米，以便于将基板8放置到该镂空的区域时的操作易于实现。激光器阵列芯片4和 光电探测器阵列芯片5与硅基板8之间的电连接是通过倒装凸点实现的。激光器阵列芯片 4与激光驱动器阵列芯片6之间的电连接是通过金属线键合实现的，光电探测器阵列芯片5 与跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片7之间的电连接是通过金属线键合实现的，激光驱动 器阵列芯片6、跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片7与硅基板8之间的电连接是通过金属线 键合实现的，激光驱动器阵列芯片6、跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片7、硅基板8与高速 多层有机基板2之间的电连接是通过金属线键合实现的。上述金属线的可以是金丝、铝丝、 铜丝，也可以是金带、铝带、铜带。高速多层有机基板2与散热片1之间通过导热粘结剂粘贴，以实现良好的散热效 果。可插拔的光收发一体模块的四角上各有一个螺柱3，螺柱3通过高速多层有机基板2的 四角相应位置上的通孔和散热片1的四角相应位置上的螺孔，将高速多层有机基板2机械 固定在散热片1上。螺柱3的作用包括增加高速多层有机基板2和散热片1之间的连接 强度，避免可插拔的光收发一体模块在插拔过程中出现高速多层有机基板2与散热片1间 分离脱落从而导致可插拔的光收发一体模块损坏的现象的发生；增加可插拔的光收发一体 模块与使用本发明的电子设备之间的连接强度，提高可插拔的光收发一体模块在使用过程 中的可靠性；为可插拔的光收发一体模块提供散热通路。散热片1的立体结构如图2所示，槽孔14和凹槽15位于散热片1上，其中槽孔14 是一个通孔，凹槽15是一个盲孔。槽孔14用于穿光纤带11，以使得光纤带11接近激光器 阵列芯片4和光电探测器阵列芯片5。凹槽15用于容纳安装在高速多层有机基板2背面的 微控制器9。图3示出可插拔的光收发一体模块的侧剖视结构。光纤带11的一端连接光纤连接器12，另一端穿过散热片1和硅基板8与激光器阵列芯片4和光电探测器阵列芯片5进 行光耦合。上述的光纤带11的另一端穿过散热片1是通过光纤带11的另一端穿过散热片 1上的槽孔14来实现的。上述的光纤带11的另一端穿过硅基板8是通过光纤带11的另一 端穿过硅基板8上的的微通孔阵列13来实现的。高速电连接器10通过表面贴装技术安装 在高速多层有机基板2正面上，高速电连接器10覆盖硅基板8和位于硅基板8上的激光器 阵列芯片4、光电探测器阵列芯片5、激光驱动器阵列芯片6、跨阻放大器及限幅放大器阵列 芯片7，对硅基板8和位于硅基板8上的激光器阵列芯片4、光电探测器阵列芯片5、激光驱 动器阵列芯片6、跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片7起到了保护作用，同时使得可插拔的 光收发一体模块整体外观简洁。激光器阵列芯片4是一维1 X4阵列的，也就是说激光器阵列芯片4上有四个等间 距排列的光发射点，光电探测器阵列芯片5也是一维1X4阵列的，也就是说光电探测器阵 列芯片5上有四个等间距排列的光接收点。上述激光器阵列芯片4上的四个等间距排列的 光发射点之间的间距与上述光电探测器阵列芯片5上的四个等间距排列的光接收点之间 的间距可以相等也可以不等。光纤带11是一维1X12阵列的，其一端连接光纤连接器12，另一端穿过散热片1 和硅基板8与激光器阵列芯片4和光电探测器阵列芯片5进行光耦合，其第二根到第五根 的四根光纤分别与所述激光器阵列芯片4上的四个等间距排列的光发射点进行光耦合，第 八根到第十一根的四根光纤分别与所述光电探测器阵列芯片5上的四个等间距排列的光 接收点进行光耦合，第一根光纤、第六根光纤、第七根光纤和第十二根光纤闲置。光纤带11是一维1X12阵列的，也就是说光纤带11由排列成一排的十二根光纤 组成。参见图4，如果将构成光纤带11的十二根光纤从一边到另一边(参见图4中从左到 右)依次记为第一根光纤、第二根光纤、第三根光纤、……、直至第十二根光纤，则第一根光 纤和第十二根光纤分别位于光纤带11的两边的位置，而第六根光纤和第七根光纤位于光 纤带11的中间位置。光纤带11的第二根到第五根的四根光纤分别与激光器阵列芯片4上 的四个等间距排列的光发射点进行光耦合，第八根到第十一根的四根光纤分别与光电探测 器阵列芯片5上的四个等间距排列的光接收点进行光耦合，第一根光纤、第六根光纤、第七 根光纤和第十二根光纤闲置，且以上光纤带的安排不是唯一的，可根据实际情况作其他合 理的安排。第二根到第五根的四根光纤之间的间距等于激光器阵列芯片4上的四个等间距 排列的光发射点之间的间距，第八根到第十一根的四根光纤之间的间距等于光电探测器阵 列芯片5上的四个等间距排列的光接收点的间距。通过倒装技术倒扣安装在硅基板8上的 激光器阵列芯片4和光电探测器阵列芯片5是并行排列的，同时激光器阵列芯片4的四个 等间距排列的光发射点和光电探测器阵列芯片5的四个等间距排列的光接收点在同一直 线上。硅基板8上制备有微通孔阵列13。光纤带11通过硅基板8上的微通孔阵列13实 现上述其十二根光纤的端面在硅基板8上的精确定位，从而实现高效率的光耦合。以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
权利要求
一种可插拔的光收发一体模块，其特征在于，该可插拔的光收发一体模块包含散热片(1)；安装在散热片(1)上的高速多层有机基板(2)；在高速多层有机基板(2)中心位置的镂空区域放置的硅基板(8)；安装在高速多层有机基板(2)背面的微控制器(9)；安装在硅基板(8)正面的激光器阵列芯片(4)、光电探测器阵列芯片(5)、激光驱动器阵列芯片(6)和跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片(7)；安装在高速多层有机基板(2)正面，并覆盖在硅基板(8)、激光器阵列芯片(4)、光电探测器阵列芯片(5)、激光驱动器阵列芯片(6)和跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片(7)上的高速电连接器(10)；以及光纤带(11)和光纤连接器(12)。
2.根据权利要求1所述的可插拔的光收发一体模块，其特征在于，所述激光器阵列芯 片(4)和所述光电探测器阵列芯片(5)通过倒装技术倒扣安装在硅基板(8)上，所述激光 驱动器阵列芯片(6)和所述跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片(7)通过裸芯片贴装技术贴 装在硅基板(8)上。
3.根据权利要求1所述的可插拔的光收发一体模块，其特征在于，所述硅基板(8)上制 备有微通孔阵列(13)，所述光纤带(11)通过该微通孔阵列(13)实现其十二根光纤的端面 在硅基板(8)上的精确定位。
4.根据权利要求1所述的可插拔的光收发一体模块，其特征在于，所述光纤带(11)是 一维1X12阵列的，其一端连接光纤连接器(12)，另一端穿过散热片(1)和硅基板(8)与激 光器阵列芯片(4)和光电探测器阵列芯片(5)进行光耦合，其第二根到第五根的四根光纤 分别与所述激光器阵列芯片(4)上的四个等间距排列的光发射点进行光耦合，第八根到第 十一根的四根光纤分别与所述光电探测器阵列芯片(5)上的四个等间距排列的光接收点 进行光耦合，第一根光纤、第六根光纤、第七根光纤和第十二根光纤闲置。
5.根据权利要求1所述的可插拔的光收发一体模块，其特征在于，所述高速电连接器 (10)安装在高速多层有机基板(2)正面，并覆盖硅基板(8)和位于硅基板(8)上的激光器 阵列芯片(4)、光电探测器阵列芯片(5)、激光驱动器阵列芯片(6)、跨阻放大器及限幅放大 器阵列芯片(7)。
6.根据权利要求1所述的可插拔的光收发一体模块，其特征在于，所述散热片(1)，其 上有槽孔(14)和凹槽(15)，其中槽孔(14)是通孔，用于穿光纤带(11)；凹槽(15)是盲孔， 用于容纳安装在高速多层有机基板(2)背面的微控制器(9)。
7.根据权利要求1所述的可插拔的光收发一体模块，其特征在于，所述激光器阵列芯 片⑷是一维1X4阵列的，所述光电探测器阵列芯片(5)也是一维1X4阵列的，激光器阵 列芯片(4)和光电探测器阵列芯片(5)在所述硅基板(8)上是并行排列的，同时激光器阵 列芯片⑷的四个等间距排列的光发射点和光电探测器阵列芯片(5)的四个等间距排列的 光接收点在同一直线上。
8.根据权利要求1所述的可插拔的光收发一体模块，其特征在于，所述激光器阵列芯 片⑷和所述光电探测器阵列芯片(5)与所述硅基板⑶之间的电连接是通过倒装凸点 实现的；所述激光器阵列芯片(4)和所述激光驱动器阵列芯片(6)之间的电连接是通过金属线键合实现的，所述光电探测器阵列芯片(5)和所述跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片 (7)之间的电连接是通过金属线键合实现的，所述激光驱动器阵列芯片(6)、跨阻放大器及 限幅放大器阵列芯片(7)与所述硅基板(8)之间的电连接是通过金属线键合实现的，所述 激光驱动器阵列芯片(4)、跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片(7)、硅基板(8)与高速多层 有机基板(2)之间的电连接是通过金属线键合实现的。
9.根据权利要求8所述的可插拔的光收发一体模块，其特征在于，所述金属线是金丝、 铝丝或铜丝，或者是金带、铝带或铜带。
10.根据权利要求1所述的可插拔的光收发一体模块，其特征在于，该可插拔的光收发 一体模块四角上各有一个螺柱(3)，该螺柱(3)通过高速多层有机基板(2)的四角相应位置 上的通孔和散热片(1)的四角相应位置上的螺孔，将高速多层有机基板(2)机械固定在散 热片⑴上。
全文摘要
本发明公开了一种可插拔的光收发一体模块，包含散热片(1)；安装在散热片(1)上的高速多层有机基板(2)；在高速多层有机基板(2)中心位置的镂空区域放置的硅基板(8)；安装在高速多层有机基板(2)背面的微控制器(9)；安装在硅基板(8)正面的激光器阵列芯片(4)、光电探测器阵列芯片(5)、激光驱动器阵列芯片(6)和跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片(7)；安装在高速多层有机基板(2)正面，并覆盖在硅基板(8)、激光器阵列芯片(4)、光电探测器阵列芯片(5)、激光驱动器阵列芯片(6)和跨阻放大器及限幅放大器阵列芯片(7)上的高速电连接器(10)；以及光纤带(11)和光纤连接器(12)。该模块结构简单，适于低成本大批量生产，同时体积小，外观简洁，使用方便。
文档编号G02B6/42GK101923193SQ200910087340
公开日2010年12月22日 申请日期2009年6月17日 优先权日2009年6月17日
发明者万里兮, 李宝霞 申请人:中国科学院微电子研究所