專利名稱：光發(fā)送/接收模塊及使用其的光發(fā)送/接收設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到一個用于諸如光纖通信的應(yīng)用中的光發(fā)送/接收模塊，并且本發(fā)明也涉及到使用其的光發(fā)送/接收設(shè)備。
背景技術(shù)：
現(xiàn)在人們關(guān)注的焦點(diǎn)是使用光纖，而不再是金屬電纜，進(jìn)行通信，光纖能夠以很高的速度且在低的損耗下傳輸大量的信息。隨著可以低成本獲得且以高速操作的光設(shè)備的普及，現(xiàn)在對具有更高功能的設(shè)備的需求非常強(qiáng)烈。例如，現(xiàn)在人們正努力地發(fā)展一種光通信系統(tǒng)，它通過利用單根光纖的光的雙向傳輸而提供通信。對于這種類型的光模塊，需要一種能夠集成光發(fā)射元件、光電探測元件和波分復(fù)用組件的技術(shù)。
在下面將給出一個典型的光雙向模塊的常規(guī)例子。在過去，一般實(shí)際中已使用一種將光波導(dǎo)和WDM過濾器組合的結(jié)構(gòu)，過濾器用于對接收波長為λ1的信號與發(fā)送波長為λ2的信號進(jìn)行分離。圖5給出了一個WDM(波分復(fù)用)光雙向模塊的典型結(jié)構(gòu)，它使用JP-A-11-68075中所描述的光波導(dǎo)。一個光發(fā)射元件105、一個監(jiān)控器PD104和一個光電探測元件106被安裝在光波導(dǎo)102的一端，該光波導(dǎo)經(jīng)過了高精度的兩維調(diào)節(jié)后在硅襯底103上形成，使得入射和出射光束可與光波導(dǎo)進(jìn)行光耦合。為了光發(fā)射元件和光電探測元件的位置調(diào)節(jié)，采用了被動校準(zhǔn)技術(shù)，其中校準(zhǔn)通過使用一個事先以高精度在硅襯底上提供的校準(zhǔn)標(biāo)志器108實(shí)現(xiàn)。光發(fā)射元件的波長為λ2的輸出光被WDM過濾器107反射，然后通過光波導(dǎo)被引導(dǎo)到光纖。在這種情況下，光纖芯與光波導(dǎo)光耦合在一起。由于通常要執(zhí)行布置程序，所以在硅襯底103上相對光波導(dǎo)的位置非常精確地制作了一個V形凹槽，光纖順著這個V形凹槽被固定住。另一方面，波長為λ1的光信號沿著光纖傳輸通過WDM過濾器107，被光電探測元件接收到。該光電探測元件被這樣設(shè)計(jì)，使得能夠接收和檢測到從芯片側(cè)向進(jìn)入的光。
上述常規(guī)的例子存在下面所述的若干問題。在這個常規(guī)例子中，對于V形凹槽或者在硅襯底上安裝各種元件都需要亞微米級的高精度。這意味著需要昂貴的生產(chǎn)設(shè)備，準(zhǔn)確度的變動或者偏差都將導(dǎo)致產(chǎn)品收得率的惡化。并且為了以高精度提供光波導(dǎo)需要復(fù)雜的處理過程。另外由于帶有光波導(dǎo)的硅襯底尺寸相對較大，所以很難以低成本獲得該硅襯底。還有一點(diǎn)就是光電探測元件和光發(fā)射元件被安裝在同一個封裝中，且這會導(dǎo)致出現(xiàn)較高的光和電串?dāng)_問題。尤其是在高速通信中，由于電串?dāng)_而帶來的性能惡化所造成的影響加重，且光發(fā)射元件必須同光電探測元件分開一定的距離。在這個常規(guī)的實(shí)例中，光波導(dǎo)或者封裝的襯底在尺寸上必須設(shè)計(jì)成更大，且這會造成很難以低成本生產(chǎn)它。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述的問題，本發(fā)明的一個目的就是提供一種光發(fā)送/接收模塊和一種光發(fā)送設(shè)備，該設(shè)備不需要光波導(dǎo)，只產(chǎn)生較低的光和電串?dāng)_，且不需要昂貴的生產(chǎn)設(shè)備和可以以低成本生產(chǎn)。
下面，將描述解決上述問題的辦法。
依照本發(fā)明的一方面，光發(fā)送/接收模塊的特征在于在光纖的中間形成了一個切斷面，使得該切斷面傾斜地橫過光纖的纖芯，在切斷面每側(cè)的兩個光纖纖芯間夾著一個過濾器或者半透明反射鏡，形成了一個傾斜的光照散部分，這里提供了一個第一光系統(tǒng)和一個第二光系統(tǒng)，該第一個光系統(tǒng)有光電探測元件或光發(fā)射元件中的一個，它與傾斜的光照散部分進(jìn)行光耦合，且該第二個光系統(tǒng)有光電探測元件或光發(fā)射元件中的另一個，它與光纖的一端進(jìn)行光耦合。
利用上述的安排方式，使得提供一種不需要光波導(dǎo)而利用簡化光系統(tǒng)的用于波長復(fù)用的光發(fā)送/接收模塊成為可能。
本發(fā)明的一個修正提供了上述的光發(fā)送/接收模塊，在其中連接第一光系統(tǒng)和第二光系統(tǒng)的光纖有足夠的長度，并且被以一定的曲度固定，這樣光纖的特性不會劣化。
通過這種安排，當(dāng)光纖被固定后，由于張力和其他不利的條件所造成的影響就被消除了。并且第一光系統(tǒng)和第二光系統(tǒng)能夠分離開。這使得減少光和電串?dāng)_成為可能。連接第一光系統(tǒng)和第二光系統(tǒng)的光纖的長度也不需要進(jìn)行調(diào)整。
本發(fā)明的另一個修正提供了上述的光發(fā)送/接收模塊，在其中所述的第一光系統(tǒng)、第二光系統(tǒng)和光纖被以接近直線的排列來安裝。
通過這種安排，第一光系統(tǒng)和第二光系統(tǒng)之間光纖的額外部分所占的面積可以縮小。并且這使得集成多個光發(fā)送/接收模塊成為可能，該模塊中包括第一光系統(tǒng)和第二光系統(tǒng)，其中連接第一光系統(tǒng)和第二光系統(tǒng)的光纖被按接近直線的方向布置。
本發(fā)明的另一個修正提供了上述的光發(fā)送/接收模塊，在其中同第一光系統(tǒng)相耦合的元件是光電探測元件，同第二光系統(tǒng)相耦合的是光發(fā)射元件。
利用這種安排，光發(fā)射元件能同第二光系統(tǒng)光纖的一個端面進(jìn)行光耦合，這有助于光耦合效率的改善。另一方面，與從光發(fā)射元件射出的光束的直徑相比較，光電探測元件接收到的光束的直徑較大，有數(shù)十微米。因而即使一個光系統(tǒng)在傾斜光照散部分(像第一光系統(tǒng)那樣)沒有透鏡時(shí)，光電探測元件的光耦合效率也不會降低。
本發(fā)明的另一個修正提供了上述的光發(fā)送/接收模塊，在其中所述的光電探測元件被設(shè)計(jì)成一種背部輸入類型的結(jié)構(gòu)，其中光從與帶有PN電極的電極側(cè)相反的一側(cè)進(jìn)入，并且該光電探測元件通過倒裝片接合法被安裝在一個第一電路襯底上。
通過這種安排，光電探測元件的光系統(tǒng)中不再需要使用透鏡，且這樣結(jié)構(gòu)被簡化。也不再需要接合線，這有助于光接收電路的高頻特性的改善。因?yàn)楣怆娞綔y元件上涂覆了一種密封樹脂類的材料，使其不再受濕度的影響，并且不需要封裝。
本發(fā)明的另一個修正提供了上述的光發(fā)送/接收模塊，其中第一電路襯底上的一地線和一信號線經(jīng)過一個通孔被連到第一電路襯底的下表面的一圖案上，并且通過焊接，陶瓷襯底被安裝在第二電路襯底上。
利用這種安排，不再需要接合線，并且電路襯底的配線能夠提供。這有助于光接收單元高頻特性的改善。
本發(fā)明的另一個修正提供了上述的光發(fā)送/接收模塊，其中所述的與安裝在一個罐封裝內(nèi)的光發(fā)射元件光耦合的第二光系統(tǒng)是一個同軸類型的光系統(tǒng)，并且該罐封裝被安裝在第二電路襯底一部分上的一個凹槽部分內(nèi)。
通過這種安排，連接第一光系統(tǒng)和第二光系統(tǒng)的光纖能夠直接放置在第二電路襯底上。不再需要使光纖的長度大于實(shí)際所需的長度，并且這樣可以實(shí)現(xiàn)緊湊的設(shè)計(jì)。第二光系統(tǒng)的罐封裝的引線也能被縮短，且這有助于改善光發(fā)送電路的高頻特性。


圖1是示意性顯示本發(fā)明的一種光發(fā)送/接收模塊的第一實(shí)施方案的布置的透視圖。
圖2是本發(fā)明第一實(shí)施方案中靠近光接收器的部分截面圖。
圖3是使用本發(fā)明第一實(shí)施方案的光傳送設(shè)備的透視圖。
圖4A是本發(fā)明的光發(fā)送/接收模塊的第二實(shí)施方案的平面圖。
圖4B是本發(fā)明的光發(fā)送/接收模塊的第二實(shí)施方案的側(cè)視圖。
圖5是示意性顯示傳統(tǒng)型光發(fā)送/接收模塊中布置的透視圖。
具體實(shí)施例方式
下面將參考附圖給出本發(fā)明實(shí)施方案的描述。
(第一實(shí)施方案)。
圖1是本發(fā)明第一實(shí)施方案中光發(fā)送/接收模塊的透視圖。在作為模塊襯底的控制電路樹脂襯底9上安裝了一個陶瓷襯底，上面配備有一個光電探測元件4和一個前置放大器5。在光電探測元件4上，固定了一個嵌入型光系統(tǒng)，其中包含一個放置在光纖1中間的波長選擇過濾器2。在同光檢測單元中嵌入型光系統(tǒng)稍微分開的位置，一個光發(fā)射元件可選地同光纖的一端耦合在一起，且它被安裝在控制電路樹脂襯底9上。光發(fā)射元件中光軸的調(diào)整過程獨(dú)立于光電探測元件中光軸的調(diào)整過程而進(jìn)行。在本實(shí)施方案中，使用了一個裝在TO罐封裝中以組成光發(fā)射元件模塊8的光發(fā)射元件，它通過主動校準(zhǔn)而與光纖1進(jìn)行光耦合，盡管可能會用到一個使用被動校準(zhǔn)的光系統(tǒng)。
波長為λ1的所有的接收光束通過嵌入型光系統(tǒng)(將在后面介紹)進(jìn)入光電探測元件4。另一方面，波長為λ2的發(fā)送光束穿過嵌入型光系統(tǒng)且沿著同接收光束相反的方向傳送。
過去光接收單元和光發(fā)送單元被集成在同一個封裝內(nèi)，而這難于降低電串?dāng)_。在本實(shí)現(xiàn)方案中，光接收單元通過一個光纖額外部分7連接光發(fā)送單元，并且兩個單元間的距離可以隨意設(shè)置。因而最小化光發(fā)送單元和光接收單元間的電串?dāng)_成為可能。
同樣光發(fā)射元件的發(fā)送光只通過了光纖1的纖芯。從而與傳統(tǒng)的方案相比較，漫射光沒有進(jìn)入光電探測元件，因而最小化了光串?dāng)_。
另外在光發(fā)送單元和光接收單元之間，提供了光纖1的有足夠長度的額外部分。因此不需要控制光纖額外部分7的長度，且不會有張力加在光纖1上。然而，光纖1的彎曲半徑必須控制在一定長度以內(nèi)，以使得不發(fā)生光損耗。
下面將給出光電探測元件的封裝方法和嵌入型光系統(tǒng)的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的描述。圖2是第一個實(shí)現(xiàn)方案中靠近光接收單元的截面圖。一個背部輸入型光電探測元件4通過倒裝片接合而安裝在陶瓷襯底6上。同時(shí)一個前置放大器5也利用倒裝片接合而安裝在同一個陶瓷襯底6上。結(jié)果距光電探測元件的距離可以減小，且這提供了令人滿意的高頻特性。并且為了進(jìn)行倒裝片接合，光電探測元件4和前置放大器5都被涂覆了一層密封樹脂15。這樣防止了潮濕和其他不利條件的影響，且不再需要提供一個封裝去裝入整個光電探測元件。
陶瓷襯底6通過焊接而被安裝在光接收元件和光發(fā)射元件共同使用的控制電路樹脂襯底9上。陶瓷襯底6上的一圖案經(jīng)過通孔17與背部的一個襯墊進(jìn)行電連接，并且這可以通過與芯片尺寸封裝(CSP)所用工序類似的焊接方法安裝在控制電路樹脂襯底9上。
光纖1被埋入在玻璃襯底3上形成的凹槽10中并且被固定后，可利用一個劃片機(jī)形成一個狹長切口12，使得它可以傾斜地橫過光纖纖芯11。然后一個波長選擇過濾器2被放置并固定住。波長選擇過濾器2僅反射通過光纖傳送的波長為λ1的接收光。玻璃襯底2被調(diào)整到一個合適的位置，使得反射光到達(dá)光電探測元件的光電探測單元16。然后通過使用紫外固化樹脂14，而使它直接固定在光電探測元件4上。應(yīng)該做些調(diào)整以使光電探測元件的光電流達(dá)到最強(qiáng)。由于波長選擇過濾器2和光電探測單元16被安排得相互比較近，所以不使用透鏡就能獲得很高的光耦合效率。通過在光電探測元件4的上表面提供AR涂層，光反射損耗減小了。通過上述的安排，使得只取出波長為λ1的接收光，并且得到一個簡化的嵌入型光系統(tǒng)成為可能，該光系統(tǒng)能被光耦合到光電探測元件。
圖3是一個光發(fā)送/接收設(shè)備的透視圖，該設(shè)備有用于波長復(fù)用的發(fā)送和接收單芯雙向光信號的功能，并且使用了本發(fā)明第一個實(shí)現(xiàn)方案中的光發(fā)送/接收模塊。該光接收單元和一個光發(fā)射元件模塊8被安裝在控制電路樹脂襯底9上，它也作為光發(fā)送設(shè)備的一個主要樹脂襯底，并被容納在光發(fā)送設(shè)備的機(jī)殼19中。在機(jī)殼19的前面板上，安裝了一個有光輸入/輸出端口功能的光纖連接器插座20。圖1所示的光模塊的控制電路功能襯底通常被用作光發(fā)送設(shè)備的主要樹脂襯底，這使得有可能減少所使用的器件的數(shù)目(第二實(shí)施方案)。
圖4A和圖4B展示了本發(fā)明第二實(shí)施方案中的光發(fā)送/接收模塊的布置。圖4A是一個平面圖，圖4B是一個側(cè)視圖。包括光電探測元件、嵌入型光系統(tǒng)和光發(fā)射元件的基本布置與第一種實(shí)施方案相似，下面只給出其不同處的描述。第二實(shí)施方案區(qū)別于第一實(shí)施方案之處是光電探測單元和光發(fā)射單元間的光纖是近似按直線方向延伸的，并且在樹脂襯底上形成了一個開口或者凹槽，在其中安裝光發(fā)射單元。
如果像第一實(shí)現(xiàn)方案那樣提供有足夠長度的光纖額外部分7的話，則光發(fā)送單元和光接收單元間的距離可以隨意設(shè)置，但是容納該光纖額外部分的空間必須設(shè)計(jì)得更大。關(guān)于這方面，在第二實(shí)現(xiàn)方案中光纖額外部分被設(shè)計(jì)成有一定曲度的直線形式。這樣設(shè)計(jì)可以消除由于樹脂襯底和光纖之間的熱膨脹系數(shù)不同所造成且施加在光纖上的張力的影響。同樣不再需要另外的空間來放置該光纖額外部分，且樹脂襯底可以設(shè)計(jì)成拉長的形狀。這方便于設(shè)計(jì)有多個端口的光發(fā)送/接收單元。
當(dāng)一個TO罐封裝22被用作光發(fā)射元件時(shí)，如圖4A和圖4B所示，在樹脂襯底的一部分上形成了一個凹槽或者鉆孔。因而TO罐封裝的引線23的長度能被設(shè)計(jì)得短一點(diǎn)，這樣有助于改善高頻特性。光纖在高度上能被排列在光接收單元和光發(fā)送單元之間。因此可以縮短光纖的長度。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明，光纖的纖芯被切割，使得它傾斜地橫過光纖中間。在這樣切斷后的兩根光纖的纖芯之間夾上了一個過濾器或者半透明反射鏡，且形成了一個傾斜的光照散部分。這里提供了第一光系統(tǒng)和第二光系統(tǒng)。在第一光系統(tǒng)中，光電探測元件或光發(fā)射元件中的一個被光耦合到光照散部分。在第二光系統(tǒng)中，光電探測元件或光發(fā)射元件中的另外一個被光耦合到光纖的一端。這樣用于波長復(fù)用的光發(fā)送/接收模塊不再需要使用昂貴的光波導(dǎo)，而使用簡化的光系統(tǒng)即可提供。
并且依據(jù)本發(fā)明，連接第一光系統(tǒng)和第二光系統(tǒng)的光纖被固定住，同時(shí)光纖被彎曲以防止固定后的張力的影響。這樣光纖被固定后，張力的影響可以被消除掉。另外第一光系統(tǒng)和第二光系統(tǒng)之間可以分開一段距離。這有助于降低光和電串?dāng)_。
另外依據(jù)本發(fā)明，第一光系統(tǒng)、第二光系統(tǒng)和光纖按大致直線的方向排列。這使得減少由第一光系統(tǒng)和第二光系統(tǒng)之間的光纖額外部分所占據(jù)的面積成為可能。也使得系統(tǒng)通過排列多個光發(fā)送/接收模塊而容易地集成，每個模塊都包含第一和第二光系統(tǒng)。
同樣根據(jù)本發(fā)明，與第一光系統(tǒng)相耦合的元件被設(shè)計(jì)成光電探測元件，與第二光系統(tǒng)相耦合的元件被設(shè)計(jì)成光發(fā)射元件。這樣光發(fā)射元件能同第二光系統(tǒng)中光纖的一個端面進(jìn)行光耦合。這有助于增加光耦合效率。
另外依據(jù)本發(fā)明，光電探測元件被設(shè)計(jì)成一個背部輸入型的結(jié)構(gòu)，其中光從與帶有PN電極的電極側(cè)相反的一側(cè)進(jìn)入。光電探測元件通過倒裝片接合法被安裝在第一個電路襯底上。從而，在光電探測元件的光系統(tǒng)中不需要使用任何透鏡，也不需要使用接合線。這有助于光接收單元的高頻特性的改善。
除了上述安排外，第一電路襯底上的一地線和一信號線經(jīng)過一通孔連接到第一電路襯底下表面的一圖案上。另外陶瓷襯底通過焊接被安裝在第二個電路襯底上。從而不需要接合線，并且提供了電路襯底的配線。這有助于光接收單元的高頻特性的改善。
除了上述安排外，同安裝在TO罐封裝中的光發(fā)射元件進(jìn)行光耦合的第二光系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成一個同軸類型的光系統(tǒng)。TO罐封裝被安裝于一個在第二電路襯底的一部分上形成的凹槽部分上。這樣連接第一光系統(tǒng)和第二光系統(tǒng)的光纖能夠直接放置在第二電路襯底上。因而不需要有比實(shí)際所需更長的光纖，并且它可設(shè)計(jì)成緊湊的尺寸。第二光系統(tǒng)中的TO罐封裝的引線長度可被縮短，且這有助于光發(fā)送電路的高頻特性的改善。
權(quán)利要求
1.一種光發(fā)送/接收模塊，包含相互耦合的光纖、光電探測元件和光發(fā)射元件，該模塊的特征在于，在光纖的中間形成了一個切斷面，使得該切斷面傾斜地橫過光纖的纖芯，在該切斷面每側(cè)的兩根光纖的纖芯中夾入一個過濾器或者半透明反射鏡，且形成一個傾斜的光照散部分，這里提供了一個第一光系統(tǒng)和一個第二光系統(tǒng)，該第一個光系統(tǒng)有所述光電探測元件或所述光發(fā)射元件中的一個，它被光耦合到傾斜的光照散部分，且該第二個光系統(tǒng)有該光電探測元件或光發(fā)射元件中的另一個，它被光耦合到該光纖的一端。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光發(fā)送/接收模塊，其中連接第一光系統(tǒng)和第二光系統(tǒng)的光纖以一定的曲度被固定，這樣光纖的特性不會惡化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的光發(fā)送/接收模塊，其中所述的第一光系統(tǒng)、第二光系統(tǒng)和光纖以接近直線的排列被安裝。
4.根據(jù)權(quán)利要求2的光發(fā)送/接收模塊，其中與第一光系統(tǒng)相耦合的元件是光電探測元件，而與第二光系統(tǒng)相耦合的是光發(fā)射元件。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的光發(fā)送/接收模塊，其中所述的光電探測元件被設(shè)計(jì)成一種背部輸入型結(jié)構(gòu)，其中光從與帶有PN電極的電極側(cè)相反的一側(cè)進(jìn)入，并且所述的光電探測元件通過倒裝片接合法被安裝在第一電路襯底上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的光發(fā)送/接收模塊，其中第一電路襯底上的一地線和一信號線經(jīng)過一個通孔被連接到該第一電路襯底下表面的一圖案上，并且陶瓷襯底通過焊接被安裝在第二電路襯底上。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的光發(fā)送/接收模塊，其中與安裝在一個罐封裝中的光發(fā)射元件光耦合的所述第二光系統(tǒng)被設(shè)計(jì)成一個同軸型光系統(tǒng)，并且該罐封裝被安裝于一個在該第二電路襯底的一部分上形成的凹槽部分中。
8.一種光發(fā)送/接收設(shè)備，其特征在于該設(shè)備配備一個光發(fā)送/接收模塊，它具有相互耦合的光纖、光電探測元件和光發(fā)射元件，該模塊被設(shè)計(jì)成在該光纖中間形成一個切斷面，使得該切斷面傾斜地橫過光纖的纖芯，在切斷面每側(cè)的兩根光纖的纖芯間夾入一個過濾器或者半透明反射鏡，且形成一個傾斜的光照散部分，這里提供了一個第一光系統(tǒng)和一個第二光系統(tǒng)，該第一個光系統(tǒng)有所述光電探測元件或所述光發(fā)射元件中的一個，它被光耦合到傾斜的光照散部分，而該第二個光系統(tǒng)有該光電探測元件或光發(fā)射元件中的另一個，它被光耦合到該光纖的一端。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種用于波長復(fù)用的單芯雙向光發(fā)送/接收模塊，該模塊不需要以高精度制造的光波導(dǎo)，且該模塊有極好的高頻特性及很低的光和電串?dāng)_，并且可以低成本得到。在玻璃襯底3中埋入的光纖1的中間，提供了一個光照散部分，它具有一個波長選擇過濾器2，相對光纖傾斜地放置。光照散部分被直接固定在一個背部輸入型的光電探測元件4上，該元件通過倒裝片接合法被安裝在一個陶瓷襯底6上，且只有特定波長的光信號能被接收到。光電探測單元和光發(fā)射單元之間的光纖額外部分7有足夠的長度，且該光纖的一端同光發(fā)射元件進(jìn)行光耦合。簡化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)并且不需要光波導(dǎo)，使得本發(fā)明的光發(fā)送/接收模塊給出很低的光和電串?dāng)_以及提供了極好的高頻特性。
文檔編號H04B10/14GK1420650SQ0215220
公開日2003年5月28日 申請日期2002年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2001年11月19日
發(fā)明者東鄉(xiāng)仁麿, 淺野弘明, 內(nèi)山博夫, 小林正樹, 根岸英彥, 伊藤正彌, 桑原雅弘 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社