具有柔性印刷电路板的高速光学模块的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种具有柔性印刷电路板的高速光学模块。设备包括基部基板、光旋转模块和柔性印刷电路板（PCB）。光旋转模块具有安装在基部基板上的底部表面以及耦合到一个或多个光电换能器的顶部表面，并且被配置为引导相应的光电换能器和垂直于顶部表面的一侧上的光学端口之间的光信号。柔性印刷电路板（PCB）包括被附接到光旋转模块的顶部表面并具有安装在其上的光电换能器的第一端部、附接到基部基板的第二端部、以及布置在第一端部和第二端部之间以引导光电换能器和基部基板之间的电信号的导电迹线。
【专利说明】具有柔性印刷电路板的高速光学模块
【技术领域】
[0001]本发明大体上涉及光通信，并且具体地涉及高速光学模块。
【背景技术】
[0002]将光纤与光电换能器例如半导体激光器和光电二极管集成在一起的光学模块被用在例如高数据速率、高带宽通信系统中。这些模块可以使用多种混合的组装技术被制造，当将光纤芯中的光引导至光电换能器时，该组装技术有时需要高精度的对准工艺。
[0003]美国专利7，538，358和8，043, 877，其公开内容通过引用并入本文，描述了封装的电光集成电路和多模光纤连接器，该多模光纤连接器包括集成电路基板、至少一个光信号提供元件、感测来自至少一个光信号提供元件的至少一个光信号的至少一个光信号传感器和至少一个分立的反射光学元件，所述至少一个分立的反射光学元件被安装到集成电路基板上、与至少一个光信号提供元件协作并且操作来引导来自至少一个光信号提供元件的光。
【发明内容】
[0004]本发明的实施方式提供了包括基部基板、光旋转模块和柔性印刷电路板(PCB)的设备。光旋转模块具有被安装在基部基板上的底部表面以及被耦合到一个或多个光电换能器的顶部表面，并且被配置为引导在相应的光电换能器和垂直于顶部表面的一侧上的光学端口之间的光信号。柔性印刷电路板(PCB)包括被附接于光旋转模块的顶部表面并且具有安装在其上的光电换能器的第一端部、被附接于基部基板的第二端部以及被布置在第一端部和第二端部之间以引导光电换能器和基部基板之间的电信号的导电迹线。
[0005]在某些实施方式中，光旋转模块包括通过Si中介层(interposer)制造工艺形成的娃光具座。在某些实施方式中，光旋转模块包括被配置为弓I导相应的光电换能器和光学端口之间的光信号的一个或多个反射镜。在其它实施方式中，一个或多个反射镜是倾斜的。又在其它实施方式中，一个或多个反射镜是弯曲的。在某些实施方式中，一个或多个反射镜包括相应的光栅。在其它实施方式中，设备还可以包括耦合到一个或多个反射镜的相应的透镜。
[0006]在某些实施方式中，柔性PCB的第一端部与光旋转模块的顶部表面对准，并且柔性PCB的第二端部与光旋转模块的底部表面对准。在其它实施方式中，光学端口包括放置在相应的孔中的一条或多条光纤，所述相应的孔形成在垂直于光旋转模块的顶部表面的侧中。
[0007]在其它实施方式中，光电换能器被制造在安装到柔性PCB的第一端部上的换能器管芯中，并且包括与第一端部处的换能器管芯相邻地安装的驱动器管芯以及布置在柔性PCB上用于连接换能器管芯与驱动器管芯的电路迹线。又在其它实施方式中，设备还可以包括附接到光学端口的光学平行连接器。
[0008]根据本发明的实施方式，还提供了包括将光旋转模块的底部表面安装到基部基板上的方法。柔性印刷电路板(PCB)的具有安装在其上的一个或多个光电换能器的第一端部被附接到光旋转模块的顶部表面，以便引导光电换能器和在光旋转模块垂直于顶部表面的一侧上的相应的光学端口之间的光信号。柔性PCB的第二端部被附接到基部PCB。导电迹线被布置在第一端部和第二端部之间，以便引导光电换能器和基部基板之间的电信号。
[0009]从与附图结合在一起的本发明的实施方式的如下详细描述中，本发明将被更充分地理解，在附图中:
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1是示出了根据本发明的实施方式的高速光学模块的横截面图的简图；
[0011]图2是示出了根据本发明的实施方式的高速光学模块的俯视图的简图；以及
[0012]图3是示意性地图示了根据本发明的实施方式的用于制造高速光学模块的方法的流程图。
【具体实施方式】[0013]概述
[0014]网络通信系统，例如无限带宽网络单元，可以包括基于光电的连接性或切换部件，例如增强的数据速率(EDR)有源光缆、EDR光学模块开关和EDR主机通道适配器(HCA)光学模块。这些光学部件通常包括光具座，光具座经常被认为是最低分级的光学构件，其包括与光电换能器阵列连接的光纤阵列。光电换能器可以包括例如生成光的激光器和探测光的光探测器，所述光被路由在通信系统的单元之间的光纤中。
[0015]光学模块还可以包括将来自一个集成电路芯片的控制信号和处理信号耦合到包括光电换能器的另一个芯片的互连部。例如，光电换能器(OT)管芯上的光电二极管探测调制的光并将光信号转换为调制电流。OT管芯的电端口然后被耦合到包括跨阻抗放大器(TIA)电路的辅助(AUX)管芯，以将调制电流转换为电压。某些常规的光学模块将AUX管芯引线键合到OT管芯。因此，调制带宽被限制为约25GBps，这是由于引线键合的寄生电感劣化在OT输出端(例如光电二极管输出端)的到AUX管芯(例如TIA)的输入端的调制电流信号的信号完整性。
[0016]在本文中被描述的本发明的实施方式提供了具有改进的光学调制带宽的光学模块设备。在某些实施方式中，光旋转模块被安装在基部基板，例如基部印刷电路板(PCB )上。光旋转模块包括在娃基板中形成的娃光具座(SiOB),其被配置为在SiOB的一侧上的多个光学端口和SiOB的顶部表面之间垂直地引导光。光学端口通常包括形成在SiOB的垂直于SiOB的顶部表面的一侧中的光纤阵列。
[0017]光电换能器管芯和辅助管芯紧邻彼此被安装(例如使用倒装芯片安装)在柔性PCB被附接到SiOB的顶部表面的一个端部处。柔性PCB的相反的端部沿光旋转模块被附接到
基部基板。
[0018]光学端口通常被连接到光学平行连接器。柔性PCB上的导电迹线将辅助管芯连接到整个光学模块被安装在其上的基部基板。使光学接口和电接口中的全部都在单一的柔性PCB上简化了组装并且显著减小了在OT管芯和AUX管芯之间的连接中的寄生电容和电感二者，这显著提高了调制带宽。[0019]系统描述
[0020]图1是示出了根据本发明的实施方式的高速光学模块10的横截面图的简图。模块10的俯视图在下面的图2中示出。模块10包括硅光具座(SiOB) 20，硅光具座20的底部表面被附接到基部印刷电路板(PCB)30或任何其它合适的基部基板。柔性PCB40的第一端部被附接到Si0B20的顶部表面，并且相反的第二端部被附接到基部PCB30。
[0021]Si0B20的垂直侧120包括光学端口。对于在此示出的实例来说，光学端口包括多模光纤50，多模光纤50被放置在形成在SiOB中的垂直于侧120并且平行于SiOB的顶部表面的相应的嵌入光纤孔60中。孔60可以例如通过化学蚀刻、反应离子蚀刻、机械钻孔或任何其它合适的工艺形成。
[0022]在用于图1中示出的实施方式的光旋转模块20的制造中，槽70例如通过机械锯、化学蚀刻或任何其它合适的蚀刻工艺被蚀刻到SiOB中，其切割基板材料以及斜面上的光纤边缘。光纤被放置在其中的孔60通常不延伸到SiOB的相反的面，但被配置为终止在槽70被蚀刻的地方，其形成光纤边缘小面的斜面切口。
[0023]微光学反射镜80被放置在槽70中。反射镜80被对准并且被配置为引导被放置在柔性PCB的顶部表面上的光电换能器(OT)管芯90 (例如垂直腔面发射激光器(VCSEL)管芯或光电二极管管芯)和具有被切成斜面的边缘小面的嵌入光纤50之间的光线85。
[0024]光电换能器管芯90通常包括一个或多个砷化镓(GaAs)垂直腔面发射激光器(VCSEL)或光电二极管，其通过倒装片隆起焊盘(bump) 100安装到柔性PCB上。光电换能器管芯90还可以包括在同一管芯上的VCSEL或光电二极管器件的阵列。柔性PCB包括在VCSEL正下方的孔105，其使光能够不受阻碍地在VCSEL和正下方的反射镜80之间通过。然后，反射镜使光垂直地旋转并将光引导到相应的光纤50中。
[0025]在本发明的上下文中，术语“光电换能器”指代用于在光信号和电信号之间转换的VCSEL、光电二极管或任何其它合适的换能器。
[0026]辅助(AUX)管芯95例如通过倒装芯片附接部与OT管芯90相邻地安装在柔性PCB40上。AUX管芯可以利用工艺例如互补金属氧化物半导体(CMOS)、硅锗(SiGe)或任何其它合适的半导体工艺被制造。当光电换能器包括光发射器例如VCSEL时，AUX管芯包括生成用于驱动光发射器的电信号的相应的驱动器。当光电换能器包括光探测器例如光电二极管时，AUX管芯包括用于放大由光探测器生成的电信号的放大器，例如跨阻抗放大器(TIA)。
[0027]Si0B20可以通过任何合适的附接工艺附接到基部基板。相似地，基部PCB30可以通过焊接隆起焊盘110或通过任何其它合适的附接工艺被附接到任何其它基板。柔性PCB40可以包含例如由Matrix公司(圣安娜，加利福尼亚州)生产的Megtron_6PPE共混树脂膜、由Nelco California公司(富勒顿，加利福尼亚州)生产的N4000-13EP膜或任何其它合适的柔性PCB材料。基部PCB可以包含FR4或任何其它合适的PCB材料。
[0028]图2是示出了根据本发明的实施方式的高速光学模块10的俯视图的简图。该俯视图还叠加了嵌入光纤50，为了概念清楚，如图1的横截面图所示。光学模块的典型尺寸在图2中示出，其绝不是对本发明的实施方式的限制。任何其它合适的尺寸可被用于实现支持范围例如从25GHz至50GHz的调制频率的模块。
[0029]本实例中的光学模块包括嵌入在SiOB中的相应的光纤孔60 (在上面的图1中示出)中的十二条光纤50、放置在槽70 (在上面的图1中示出)中的十二个相应的微光学反射镜80,微光学反射镜80引导光纤和光电换能器管芯90之间的光。模块10还可以包括支杆150，支杆150可以被嵌入到SiOB中并用于机械地支撑被安装到基部PCB30的面120上的光学平行连接器(在图2中未示出)。基部PCB的宽度通常是高达10_。
[0030]在某些实施方式中，管芯90可以包括十二个单独的VCSEL管芯或一个包括十二个VCSEL器件的阵列的管芯。在某些实施方式中，光电换能器管芯可以包括光电二极管的阵列。图1和图2中示出的实施方式仅仅是为了概念清楚，并且不当作对本发明的实施方式的限制。
[0031]AUX管芯95被安装为尽可能靠近OT管芯90，例如通过借助倒装芯片附接或以任何其它合适的方式安装两个管芯。AUX管芯95通常具有2.7-3mm乘1.5_3mm的尺寸，如图2所示。导电的电迹线160被布置在柔性PCB40的表面上，其将AUX管芯95连接到OT管芯90。光电换能器管芯的宽度通常是3mm。管芯90的高度加上迹线160的长度通常是
0.4-0.8mm，如图2所示。将管芯90和95安装在如此靠近的距离中使迹线160能够是尽可能短的，通常小于0.5_。这种类型的配置通过最小化电气寄生保持AUX管芯和OT管芯之间的电调制信号的完整性，由此增加光的可实现的调制带宽。
[0032]柔性PCB上的不同的导电迹线被用于驱动被制造在AUX管芯95上的电路。不同的迹线由围绕信号迹线180的粗的接地迹线170形成。十二个不同的迹线对然后路由到AUX管芯中，如图2所示。导电迹线路由在管芯95和90被定位的柔性PCB40的端部和柔性PCB的连接到基部PCB30的相反的端部之间的电信号。
[0033]包括多对不同的传输线的导电迹线的合适的设计将AUX管芯连接到电连接器或任何合适的电接口，这确保了电接口和光电换能器之间的电调制信号的高信号完整性和连续性。
[0034]在图1和图2中示出的实施方式中，光旋转模块可以使用Si中介层制造工艺形成，或通过在上文引用的美国专利7，538，358和8，043，877中所描述的技术形成。在某些实施方式中，反射镜80可以通过蚀刻S1、玻璃或任何合适的光学材料以及通过沉积金或任何其它合适的反射性材料的层来制造，以形成具有期望的形状因数的微光学反射镜。在其它实施方式中，反射镜可以通过任何合适的制造技术形成以使反射镜在光旋转模块内嵌入和自对准，从而引导光纤50和OT管芯90之间的光85。
[0035]在某些实施方式中，放置在槽70中的反射镜80可以包括一个十二个微光学反射镜的阵列。在其它实施方式中，反射镜可以包括平坦的倾斜的反射镜、弯曲的倾斜的反射镜(如图1所示)或透镜和反射镜的组合。又在其它实施方式中，反射镜还可以包括集成到上文所讨论的实施方式中的光栅。弯曲的反射镜、透镜和光栅的实施方式可以用于准直入和出光纤50的光线85，如图1所示。
[0036]图1和2中示出的模块10的机械和几何配置是仅仅为了概念的清楚被示出的示例性配置。在可选择的实施方式中，任何其它合适的配置可被使用。
[0037]图3是示意性地图示了根据本发明的实施方式的用于制造高速光学模块10的方法的流程图。在制造步骤200处，柔性PCB40被制造为具有PCB孔105和导电迹线170和180。在对准步骤210处，光电换能器管芯90 (例如VCSEL或光电二极管阵列管芯)的光学接口与柔性PCB孔105对准，并且管芯90被附接到柔性PCB40。在附接步骤220处，辅助管芯95被附接到柔性PCB40。如果与包括VCSEL器件的OT管芯配对，则AUX管芯可以包括驱动器电路，或相反地，如果与包括光电二极管的OT管芯配对，则AUX管芯可以包括跨阻抗放大器。
[0038]在附接步骤230处，柔性PCB的一个端部被附接到光旋转模块(例如Si0B20)的顶部面，同时PCB孔105与反射镜80对准。在附接步骤240处，柔性PCB40的相反的端部处的导电迹线170和180被附接到基部PCB30。电迹线170和180然后可被附接到基部PCB30上的任何电连接器或其它部件。相似地，任何合适的光学平行连接器可以被安装在面120上，如先前所描述的。
[0039]图3的方法中的步骤的顺序以实例的方式被选择。在可选择的实施方式中，模块100可以使用步骤的任何其它合适的顺序被制造。
[0040]因此将意识到，上文所描述的实施方式以实例的方式被引用，并且本发明不限于已经在上文具体地示出和描述的内容。相反，本发明的范围包括在上文所描述的各种特征的组合和子组合二者，以及本领域技术人员在阅读前述描述时将想到的并且在现有技术中未公开的其变化和修改。本专利申请中通过引用并入的文件将被认为是本申请的一体的部分，只是在任何术语在这些并入的文件中以与在本说明书中明确或隐含地做出的定义冲突的方式被定义这方面来说，仅本说明书中的定义应当被考虑。
【权利要求】
1.一种高速光学模块，包括: 基部基板； 光旋转模块，所述光旋转模块具有安装在所述基部基板上的底部表面以及耦合到一个或多个光电换能器的顶部表面，并且所述光旋转模块被配置为引导相应的光电换能器和垂直于所述顶部表面的一侧上的光学端口之间的光信号；以及 柔性印刷电路板(PCB)，其包括被附接到所述光旋转模块的所述顶部表面并具有安装在其上的所述光电换能器的第一端部、附接到所述基部基板的第二端部、以及布置在所述第一端部和所述第二端部之间以引导所述光电换能器和所述基部基板之间的电信号的导电迹线。
2.根据权利要求1所述的高速光学模块，其中所述光旋转模块包括通过Si中介层制造工艺形成的娃光具座。
3.根据权利要求1所述的高速光学模块，其中所述光旋转模块包括被配置为引导所述相应的光电换能器和所述光学端口之间的所述光信号的一个或多个反射镜。
4.根据权利要求3所述的高速光学模块，其中所述一个或多个反射镜是倾斜的。
5.根据权利要求3所述的高速光学模块，其中所述一个或多个反射镜是弯曲的。
6.根据权利要求3所述的高速光学模块，且包括耦合到所述一个或多个反射镜的相应的透镜。
7.根据权利要求3所述的高速光学模块，其中所述一个或多个反射镜包括相应的光栅。
8.根据权利要求1所述的高速光学模块，其中所述柔性PCB的所述第一端部与所述光旋转模块的所述顶部表面对准，并且其中所述柔性PCB的所述第二端部与所述光旋转模块的所述底部表面对准。
9.根据权利要求1所述的高速光学模块，其中所述光学端口包括被放置在形成在与所述光旋转模块的所述顶部表面垂直的所述侧中的相应的孔中的一条或多条光纤。
10.根据权利要求1所述的高速光学模块，其中所述光电换能器被制造在安装到所述柔性PCB的所述第一端部上的换能器管芯中，并且所述光电换能器包括与所述第一端部处的所述换能器管芯相邻地安装的驱动器管芯以及被布置在所述柔性PCB上用于连接所述换能器管芯与所述驱动器管芯的电路迹线。
11.根据权利要求1所述的高速光学模块，还包括附接到所述光学端口的光学平行连接器。
【文档编号】G02B6/42GK203385897SQ201320137037
【公开日】2014年1月8日 申请日期:2013年3月25日 优先权日:2012年5月28日
【发明者】什姆埃尔·莱维 申请人:梅兰诺克斯科技有限公司