TWI579611B

TWI579611B - 光電轉換組件

Info

Publication number: TWI579611B
Application number: TW104136084A
Authority: TW
Inventors: 張家齊; 李東安; 游世傑
Original assignee: 峰川光電股份有限公司
Priority date: 2015-11-02
Filing date: 2015-11-02
Publication date: 2017-04-21
Also published as: CN106646773A; CN106646773B; US20170126318A1; EP3163342A1; JP2017090909A; JP6399365B2; TW201716815A; US10069566B2

Description

光電轉換組件

本發明係關於一種光電元件，特別係一種用於光學元件與電子元件之間提供訊號傳輸與轉換之光電轉換組件。

光束或光信號經常被用於電子裝置之間、長距離與相鄰電路板之間傳輸數位資料。根據需要進行資料傳輸的光束可以被調變。光信號也可以用於其它目的，包括位置或運動感測、測量等。

通常，一個典型的多光纖連接器包括一連接器套接組件以支撐連接器外罩之尾端。連接器套接組件可以包括一多光纖套接件安裝在一襯套。一彈簧用於相對於連接器外殼之遠端方向以偏向所述連接器套接組件。多光纖套接件用於作為支撐多個光纖之端部。多光纖套接件具有一末端面在該光纖的拋光端位置。當兩個多光纖連接器互相連接時，該多光纖套接件之末端面相對並以它們各自的彈簧而偏向彼此。與多光纖光學連接器連接時，它們各自的光纖係同軸地對準，使得光纖之端面直接彼此相對。以這種方式，透過光纖之對準端面，光信號可以從一光纖傳送至另一光纖。

用於互連的光纖系統通常利用接合套接組件，以便於操作與光纖之準確定位。光纖於一套接件主體內被固定，每一光纖之端面被定位一般齊平或從套接件主體之端面稍稍突出。然後，光纖之端面或面再拋光至所需的程度。當互補的套接組件被配件時，一套接組件之每一光纖與另一套接組件之一配接光纖同軸地定位。在一些應用中，多個配接的光纖之端面物理地彼此接觸以便有效地於配接的光纖對之間信號傳輸。在這些應用中，各種因素可以降低光纖對之間的光傳輸效率。

因此，光學技術在現代電子裝置之中扮演了一個重要的角色，且許多電子裝置採用光學元件。這種光學元件的例子包括光學或光源，例如發光二極體與雷射、波導、光纖、透鏡和其它光學部件、光檢測器和其它光學感測器、光學敏感半導體和其他。

光纖的使用需要光電轉換模組，以將電信號轉換成光信號，或將光信號轉為電信號。此外，光電轉換模組被連接以固定到光纖之端部，或可以從光纖之端部連接或拆卸。

本發明提供一種光電轉換組件。光電轉換組件，包括一光電轉換模組；一印刷電路板，用以耦接光電轉換模組；電線，用以耦接印刷電路板；一光纖元件，用以傳輸光；一光學套接件，用以接合光電轉換模組與光纖元件；以及一連接頭，電性連接印刷電路板。

此光電轉換模組包括一載板，至少一光學元件配置於載板之上，一光學平台具有一第一配置區用以支撐印刷電路板，一第二配置區用以支撐載板，一第一透鏡陣列配置於載板之下以對準至少一光學元件，一鏡面配置於第一透鏡陣列之下，以及一第二透鏡陣列配置於鏡面之左側。

根據本發明之一觀點，光電轉換模組包括一載板，具有一光波導部分與V-型凹槽，V-型凹槽具有一第一光反射面與一第二光反射面，至少一光學元件，配置於載板之上；一光學平台，具有一第一配置區用以支撐印刷電路板，一第二配置區用以支撐載板；以及一透鏡陣列，配置以對準光波導部分。

根據本發明之另一觀點，光學平台具有一第一凹槽部分，用以第一透鏡陣列形成於其上，一第二凹槽部分，用以第二透鏡陣列形成於其上。第一透鏡陣列與第二透鏡陣列之配置方向相同。第一透鏡陣列、第二透鏡陣列與鏡面係嵌入至光學平台之中。導線係形成於載板之上以耦接至少一光學元件。

根據本發明之一觀點，至少一IC係配置於載板之上以耦接載板上之導線。

根據本發明之另一觀點，印刷電路板係藉由一黏著材料以附著於光學平台之第一配置區之上。載板係藉由一黏著材料以附著於光學平台之第二配置區之上。

載板之大小係小於或等於光學平台之第二配置區之大小。

光電轉換組件更包括一導引梢，用以接合光學套接件與光學平台以及光纖元件。印刷電路板具有導電端以電性連接電線。導線形成於印刷電路板之上。第一配置區位於光學平台之二側。載板具有一穿孔，穿過載板之一上表面至載板之一底部表面。

此些優點及其他優點從以下較佳實施例之敘述及申請專利範圍將使讀者得以清楚了解本發明。

100‧‧‧主動光纜

110‧‧‧光電混合纜線

120‧‧‧第一光電轉換組件

130‧‧‧第二光電轉換組件

200、200a‧‧‧光學平台

200b‧‧‧凹槽結構

201‧‧‧第一配置區(平台)

202‧‧‧第二配置區(平台)

203‧‧‧第三凹槽部分

204、205‧‧‧透鏡陣列

204a‧‧‧第四凹槽部分

206、210d‧‧‧鏡面

207‧‧‧導引梢

210、210a‧‧‧載板

210b‧‧‧光波導部分

210c‧‧‧包覆部分

210e‧‧‧V-型凹槽

211‧‧‧光接收元件

212‧‧‧光源晶片

213、214、221‧‧‧積體電路(ICs)

215、216、217、218‧‧‧導線

220‧‧‧印刷電路板

220a‧‧‧穿孔

222‧‧‧被動元件

224、224a‧‧‧電線焊接墊

225‧‧‧焊線墊

230‧‧‧連接頭

231‧‧‧導電端

240a、240b‧‧‧電線

250‧‧‧光學套接件

260‧‧‧光纖元件

261‧‧‧光纖

如下所述之對本發明的詳細描述與實施例之示意圖，應使本發明更被充分地理解；然而，應可理解此僅限於作為理解本發明應用之參考，而非限制本發明於一特定實施例之中。

第一圖顯示根據本發明之一實施例之具有光電轉換模組之主動光學纜線之一示意圖；第二圖顯示根據本發明之一實施例之光電轉換組件之一示意圖；第三圖顯示根據本發明之一實施例之光電轉換模組之一載板與一光學平台之一示意圖；第四圖顯示根據本發明之一實施例之光電轉換模組之一示意圖；第五圖顯示根據本發明之一實施例之一印刷電路板整合於光電轉換模組之光學平台上之一示意圖；第六圖顯示根據本發明之一實施例之主動光學纜線之光電轉換組件之示意圖；第七圖顯示根據本發明之一實施例之光電轉換模組之一截面圖；第八圖顯示根據本發明之另一實施例之光電轉換模組之一截面圖；第九圖a與第九圖b顯示根據本發明之一載板之一截面圖。

此處本發明將針對發明具體實施例及其觀點加以詳細描述，此類描述為解釋本發明之結構或步驟流程，其係供以說明之用而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之具體實施例與較佳實施例外，本發明亦可廣泛施行於其他不同的實施例中。

第一圖顯示根據本發明之一實施例之一主動光纜(AOC)100之外觀示意圖。主動光纜100包括一光電混合纜線110、一第一光電轉換組件120以及一第二光電轉換組件130，第一光電轉換組件120與第二光電轉換組件130分別連接光電混合纜線110之二端。主動光纜100可以用於單向或雙向訊號傳輸。主動光纜100可以應用於一高速傳輸線，例如USB、HDMI、Lighting或Thunderbolt介面用於纜線消費性產品，或應用於一傳輸線，例如儲存BUS包括光纖通道(FC)、SAS、PCIe或SATA用於光電產品或設備。在一例子中，主動光纜100可以用於數位影音裝置或設備之間的連接。在一實施例中，第一光電轉換組件120係為一光學傳輸器，而第二光電轉換組件130係為一光學接收器，以利於單向傳輸。在另一實施例中，第一光電轉換組件120係為一第一光學收發器，而第二光電轉換組件130係為一第二光學收發器，以利於雙向傳輸。舉例而言，根據不同的應用，光電混合纜線110可以用於一光纖纜線或一混合式纜線。混合式纜線包括光纖與電線。

第二圖顯示根據本發明之一實施例之一光電轉換組件之示意圖。光電轉換組件包括一光電轉換元件/模組、一印刷電路板220以及一光電混合纜線，其中光電轉換元件/模組可以用於單向傳輸或雙向傳輸。光電轉換元件/模組可以應用於一高速傳輸介面，例如USB、HDMI、Lighting或Thunderbolt介面用於纜線消費性產品，或應用於一傳輸介面，例如儲存BUS包括光纖通道(FC)、SAS、PCIe或SATA用於光電產品或設備。在一例子中，光電轉換元件/模組可以作為一光學傳輸器或一光學接收器，以利於單向傳輸。在另一實施例中，光電轉換模組可以作為係為一光學收發器，以利於雙向傳輸。在一實施例中，光電轉換模組包括一光學平台200與一載板(interposer)210。在一實施例中，光電混合纜線為一混合式纜線，包括一光纖元件260與電線240a與240b。光電轉換組件更包括一光學套接件250以用於接合/連接光學平台200與光纖元件260，以及一連接頭(plug)230用以電性連接印刷電路板220。

在一實施例中，光纖元件260為一光學帶狀光纖(ribbon fiber)或束狀光纖(bundle fiber)。光學帶狀光纖260具有光纖261嵌入光學套接件250之接收孔洞之中以利於光學耦合至載板210上之光學元件。光纖261係嵌入光學套接件250以耦接/連接(接合)至光電轉換模組。接收孔洞可以為圓柱形。舉例而言，光纖261係為多膜光纖或單膜光纖。並排之光纖261係為多膜光纖配置於光學帶狀光纖260之中。每一光纖261之結構具有一核心部分(core)形成於其中心，與一包覆部分(cladding)圍繞核心部分；另外可以增加一塗佈層而塗佈於包覆部分之外表面以保護核心部分與包覆部分。核心部分的折射率(n)為1.35~1.70，而包覆部分的折射率為1.35~1.70。光纖261例如為50/125,62.5/125,或80/125漸變折射率多膜光纖。

第三圖顯示根據本發明之一實施例之光電轉換模組之一載板與一光學平台。在一實施例中，光學元件係配置於載板210之上。例如，一光源晶片212與一光接收元件(或光檢測晶片)211配置於載板210之上。在一實施例中，一光二極體、光檢測器晶片或光感測晶片配置於載板210之上。在一實施例中，積體電路(ICs)213與214係配置於載板210之上，例如一驅動積體電路(driver IC)、控制IC或轉阻放大器晶片、或其他主動元件係配置於載板210之上。此外，被動電子元件也可以配置於載板210之上。在一實施例中，積體電路(ICs)、被動電子元件可以配置於印刷電路板220之上。導線(conductive trace)218、217、216與215係形成於載板210之上。導線218、217、216與215可以藉由一相同的製程所形成。在一實施例中，光源晶片212、光接收元件211、ICs 213與214係藉由一覆晶封裝製程而封裝於載板210之上。載板210之上的導線218與217可以電性連接至外部電路(印刷電路板220上之焊線墊225)，例如藉由焊線(wire bonding)連接或直接電性連接。載板210之上的導線216係電性連接至光源晶片212與IC 213，而載板210之上的導線215係電性連接至光接收元件211與IC 214。載板210之材料包括矽、二氧化矽、陶瓷或介電材料，或者載板210本身為一軟性印刷電路板作為一基板。在一實施例中，光學平台200係利用一射出成型製程，例如塑膠射出成型製程，以形成一第一配置區(平台)201、一第二配置區(平台)202、透鏡陣列204與205。第一配置區(平台)201係用以支撐印刷電路板220，而第二配置區(平台)202係用以支撐載板210。在一實施例中，一第一配置區(平台)201位於光學平台的二側，具有一第一凹槽部分；而第二配置區(平台)202係形成而為一U-形或口字型，具有一第二凹槽部分。透鏡陣列204與205係用以聚光、集光或導光。透鏡陣列204與205可以用於提升光學使用之效率與增加光學元件封裝之容許值。

載板210之大小係小於或等於光學平台200之第二配置區(平台)202之大小。

光電轉換模組具有載板210以及具有雙側透鏡陣列204與205之光學平台200。在一實施例中，透鏡陣列204之配置方向與透鏡陣列205之配置方向相同。光學平台200具有一凹槽部分202用於載板210可以配置/固定於其上，而載板210係配置於凹槽部分202之中。光學平台200具有一第三凹槽部分203，其係位於光學平台200之前側以利於透鏡陣列205形成於其上。在一實施例中，透鏡陣列204、透鏡陣列205與鏡面206係整合/形成於光學平台200 之中。鏡面或反射面206係整合於光學平台200之中。

鏡面或反射面206係被動地用於光源晶片212所發出之光訊號，使其可以非共平面的轉折(光學反射)，且光訊號可以導向至外部的光傳輸介質，例如光纖261。相反地，透過外部的光傳輸介質(光纖261)傳輸之光訊號可以藉由鏡面206而導向該些光訊號，並進一步被光接收元件211所接收。鏡面206可以被製作而直接整合於光學平台200或載板210之中。

載板210可以藉由一黏著材料(例如：環氧樹脂)而附著於光學平台200之第二凹槽部分202之上，如第四圖所示。印刷電路板220可以進一步附著於藉由一黏著材料(例如：環氧樹脂)而附著於光學平台200之第一凹槽部分201之上，如第五圖所示。如第五圖所示，印刷電路板220具有電線焊接墊224、224a以及焊線墊225形成於其上。焊接墊224a係用於電性連接該連接頭230。連接頭230之導電端231可以焊接於印刷電路板220之焊接墊224a之上，如第六圖所示。焊接墊224a也可以直接插入外部連接器(receptacle)，不需透過連接頭230。電線焊接墊224係用於電性連接電線240a與240b。電線240a與240b之導電端可以焊接於印刷電路板220之焊接墊224之上，如第六圖所示。焊線墊225係用於電性連接載板210上之導線217與218，例如藉由一打線製程來電性連接。在一實施例中，印刷電路板220具有至少IC 221或至少一被動元件222配置於其上。

在一實施例中，光學套接件250包括一光纖連接部分與一光學平台連接部分用以分別連接光纖元件260與光學平台200，如第六圖所示。光學套接件250可以作為一外部的光學傳輸介質(光纖)之連接部分。上述接收孔洞係從光纖連接部分之前表面而延伸穿過學平台連接部分之後表面。在一實施例中，光纖連接部分與光學平台連接部分係為一體成型。

光學平台連接部分包括一導引孔形成於其中以用於接收導引梢207。光學平台200也包括導引梢207。如第三圖所示，導引梢207可以接合/嵌入於光學平台連接部分之導引孔之中。於第三圖之中，導引梢207係配置相鄰於光學平台200之透鏡陣列205之側邊。在一實施例中，導引孔係延伸穿過光學平台連接部分，或穿過從光纖連接部分之前表面至光學平台連接部分之後表面。當導引梢207匹配光學平台連接部分之導引孔時，光學平台200之導引梢207對準光學平台連接部分之導引孔，以利於對準與連接光學套接件250之光學平台連接部分以及光電轉換模組之光學平台200。在一實施例中，導引梢207與光學平台200係一體成型。在另一實施例中，導引梢207與光學套接件250係一體成型，而光學平台200具有導引孔以用於接合光學套接件250。在一實施例中，光學平台200係利用一射出成型製程，例如塑膠射出成型製程，以形成一第一配置區(平台)201、一第二配置區(平台)202、透鏡陣列204與205、以及導引梢207。

在一實施例中，多通道光纖連接部分之長度小於10毫米(millimeters)，而多通道光纖連接部分之厚度小於3毫米，且多通道光纖連接部分之寬度小於5毫米。因此，本發明之多通道光纖連接部分之大小比傳統的來得更小。

如第七圖所示，當載板210附著於光學平台200之第二凹槽部分202之上，透鏡陣列204係形成於光學平台200之凹槽部分202之底部表面之下的第四凹槽部分204a之底部表面之上，對準載板210上之光學元件(光源晶片212與光接收元件211。透鏡陣列204係位於載板210之下。透鏡陣列205係形成於光學平台200之第三凹槽部分203之底部表面之上(或之下)。鏡面206係位於透鏡陣列204之下並位於透鏡陣列205之右側邊。透鏡陣列204可以用於使得光源晶片212所發射的發散光成為約略的準直光，並且此發射光由鏡面206反射之後再藉由透鏡陣列205來聚焦。舉例而言，光源晶片212發射光穿過載板210與透鏡陣列204，並藉由鏡面206反射至透鏡陣列205以會聚所發射光，並且傳送至外部傳輸介質(光纖216)，如第七圖所示。在另一方面，由外部裝置所發射的光饋入光纖261，然後通過透鏡陣列205以形成約略的準直光，並且藉由鏡面206之反射而穿過透鏡陣列204以聚光並穿過載板210，結果藉由光接收元件211來接收輸入光，如第七圖所示。

複數個光纖261之後端係固定於光學套接件250之光學平台連接部分之一端。光電轉換模組具有一功能將從外部的電子裝置或設備之一光訊號(經由複數個光纖261)轉換為一電訊號，或經由複數個光纖261而傳送一光訊號至外部的電子裝置或設備。

在一實施例中，ICs例如為一驅動IC、控制IC或轉阻放大器晶片、或其他主動元件係配置於載板之上。驅動IC可以用於驅動光源晶片(例如光電元件)以發光。

在另一實施例之中，光電轉換模組具有載板210a與光學平台200a。載板210a具有一光波導部分210b與一鏡面210d，而光學平台200a具有一單一透鏡陣列205，如第八圖所示。光學平台200a具有一凹槽結構200b以利於載板210a可以配置/固定於其上，且凹槽結構200b係位於光學平台200a之上側。光學平台200a具有另一凹槽結構203位於光學平台200a之前側。光波導部分與鏡面210d係整合於載板210a之中。光波導部分係由一核心部分(core)210b與一包覆部分(clad)210c所形成，其中核心部分210b之折射率大於包覆部分210c之折射率。核心部分210b係由可撓性材料所構成，例如高分子材料(polymer)。包覆部分210c係包覆於核心部分210b之上。光波導部分係用於作為一光學波導。載板210a具有一凹槽結構210e，例如V-型凹槽，其於V-型凹槽210e之一側(內)以及光波導部分之後側具有一光學為反射表面(鏡面)210d，如第八圖所示。鏡面210d位於光源晶片212與光接收元件211。之下以用於反射從光源晶片212或光纖261而來的光訊號。鏡面210d具有一特定角度(例如45度角或其他角度)。載板210a之V-型凹槽210e具有一特定深度(垂直厚度)。載板210a之V-型凹槽210e之第一端構成一反射表面。V-型凹槽210e具有一第一反射表面與一第二反射表面，其中第一反射表面係相對(對面)於第二反射表面。V-型凹槽210e之垂直厚度大於光波導部分之核心部分210b之厚度，而V-型凹槽210e係穿透光波導部分之核心部分210b。V-型凹槽210e可以藉由一壓印製程、一楔型切割製程、一雷射切割製程或蝕刻製程而形成。在另一例子中，V-型凹槽210e可以藉由微影與蝕刻製程而形成。光源晶片212與光接收元件211係封裝於載板210a之上。ICs 213與214可以分別透過導線217與218並藉由焊線或覆晶板封裝法(flip board mounting)而電性連接至外部裝置。

在本實施例之中，載板210a具有導波功能用以導光。載板210a包括一光波導部分，例如高分子材料，嵌入於載板210a之中。在一實施例之中，載板210a係為一可撓性基板。

光波導部分之核心部分210b對準至透鏡陣列205以用於光通信，如第八圖所示。此結構可以透過光波導部分以接收與傳送光訊號。光源晶片212所產生的光可以反射於光波導部分之一側邊的光學微反射面210d。光波導部分之核心部分210b可以允許光路經穿過其中，以利於光源晶片212所產生的光或來自於外部元件所產生的光穿過其中。光源晶片212可以發射可見光或非可見光。光源晶片212例如為一雷射光源、紅外光源或發光二極體(LED)。紅外光係存在於紅外光頻帶中，其可以藉由雷射或發光二極體所發射。

舉例而言，光源晶片212與光檢測晶片211係位於(配置於)靠近微反射表面210d。因此，光源晶片212所發射之光訊號係經由V-型凹槽210e之微反射表面210d而反射，接著穿過光波導部分之核心部分210b。

光波導部分之材料與厚度可以依照實際的應用所需而選擇。舉例而言，光波導部分之材料包括高分子材料、介電質材料，例如聚亞醯胺。

載板210a可以藉由一黏著材料(例如環氧樹脂)以附著於光學平台200a之凹槽部分200b之上，如第七圖與第八圖所示。ICs 213與214係電性連接至外部裝置或設備，並經由載板210a之導線217與218以溝通訊號。當載板210a附著於光學平台200a之上，V-型凹槽210e面對凹槽部分200b之中的光學平台200a之上表面。

光學平台結合具有可撓性波導(光波導部分)之載板以用於光通信。此結構可以透過可撓性波導以接收與傳送光訊號。光源晶片所產生的光可以反射於可撓性波導之一側邊的光學微反射面。

如上所述，可撓性基板之可撓性波導(光波導部分)包括一上層包覆部分、一核心部分與一下層包覆部分。上層包覆部分、核心部分與下層包覆部分之材料並不特別的限定，其可能為例如丙烯酸樹脂(acrylic resin)、環氧樹脂(epoxy resin)或聚醯亞胺樹脂(polyimide resin)..等。

光學微反射面係設置於光路徑之上而延伸於光源晶片(光電轉換陣列元件)212與核心部分之間以90度偏折光路徑。

載板210可以允許光路徑穿越其中，以利於光源晶片212所發射光可以穿過其中，或者外部元件所發射光可以穿過其中，如第九圖a所示。在另一實施例中，載板210具有一穿孔220a從載板210之上表面穿透至載板210之下表面以允許光路徑穿透其中，以利於光源晶片212所發射光可以穿過其中，或者外部元件所發射光可以穿過其中，如第九圖b所示。導電凸塊(例如：焊接凸塊、金屬凸塊或金凸塊)219可以形成於導線215、216、217與218之上以用於耦接至光源晶片212、光接收元件211、ICs 213與214。光源晶片212可以發射可見光或非可見光。光源晶片212例如為一雷射光源、紅外光源或發光二極體(LED)。紅外光係存在於紅外光頻帶中，其可以藉由雷射或發光二極體所發射。

載板之上的導線可以藉由焊線或覆晶板而電性連接至ICs或電路板以溝通訊號。

除描述於此之外，可藉由敘述於本發明中之實施例及實施方式所達成之不同改良方式，皆應涵蓋於本發明之範疇中。因此，揭露於此之圖式及範例皆用以說明而非用以限制本發明，本發明之保護範疇僅應以列於其後之申請專利範圍為主。

200‧‧‧光學平台

210‧‧‧載板