具有集成背侧透镜的光二极管阵列以及实施其之多频道收发器模组
阅读说明：本技术 具有集成背侧透镜的光二极管阵列以及实施其之多频道收发器模组 (Photodiode array with integrated backside lens and multichannel transceiver module implementing the same ) 是由 王修哲 马伦特斯·艾尔西 李秦 于 2019-11-27 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种包括多频板上光接收次模组配置的光收发器,且多频板上光接收次模组配置包括设置于相同基板的光学解多工器及光二极管阵列。光学解多工器例如为阵列波导光栅。光二极管阵列可光学对准于光学解多工器的输出端口,并用于侦测频道波长及输出正比电性信号给诸如跨阻抗放大器的放大电路。各个光二极管能包括集成透镜,且集成透镜用于增加光学解多工器及光感测区域之间的校准公差,而使得使用诸如芯片接合的相对较不精准的接合技术时仍能保持标称的光学功率。(The application discloses an optical transceiver including a multi-band board optical receiving sub-module configuration, and the multi-band board optical receiving sub-module configuration includes an optical demultiplexer and a photodiode array disposed on the same substrate. The optical demultiplexer is, for example, an arrayed waveguide grating. The photodiode array may be optically aligned with an output port of the optical demultiplexer and used to detect channel wavelength and output a proportional electrical signal to an amplification circuit, such as a transimpedance amplifier. Each photodiode can include an integrated lens for increasing alignment tolerances between the optical demultiplexer and the light sensing region, while maintaining nominal optical power using relatively imprecise bonding techniques, such as chip bonding.)
技术领域
本发明关于光学通讯，尤其关于具有多个光二极管芯片的光二极管阵列，其中光二极管芯片各具有集成透镜以加大各自的光感区域，进而增加校准(alignment)制程时的公差。
背景技术
光收发器可用来发出及接收光学信号以适用于但不限于网络数据中心(internetdata center)、有线电视宽带(cable TV broadband)及光纤到户(fiber to the home，FTTH)等各种应用。举例来说，相较于以铜制成的线缆来传输，以光收发器来传输可在更长的距离下提供更高的速度。为了以较低的成本在较小的光收发器模组中提供较高的速度例如会面临热管理(thermal management)、介入损失(insertion loss)及良率(manufacturing yield)等挑战。
光收发器模组一般包括用于发射光学信号的一或多个光发射次模组(transmitter optical subassembly，TOSA)以及用于接收光学信号的一或多个光接收次模组(receiver optical subassemblies，ROSAs)。一般而言，光发射次模组包括一或多个激光器以及用于驱动激光器的相关电路，其中激光器用于发出一或多个频道波长的信号。一般来说，光接收次模组包括光学解多工器及一或多个透镜。某些现有的光收发器模组支持高达四个用于传送及接收光学信号的频道。显著的(significant)技术挑战抑制频道多于四个的光收发器模组的设计及制造。
发明内容
根据本发明的一实施例，公开有一种光收发器模组。光收发器模组包括基板以及板上光收发次模组配置。基板具有第一端，且第一端延伸至第二端。基板具有至少一第一安装面。板上光接收次模组配置包括光二极管阵列以及光学解多工器。光二极管阵列安装于基板的第一安装面。光学解多工器安装于基板的第一安装面。光学解多工器具有光学输出端口。光学输出端口对准并光学耦接于光二极管阵列。光二极管阵列中的多个光二极管各包括一个集成透镜以增加光学解多工器及光二极管阵列中的各个光二极管的光感测区域之间的校准公差。
附图说明
这些及其他的特征与优点将通过阅读以下的详细描述及附图被更透彻地了解。在附图中：
图1为根据本发明的实施例的多频道光收发器的方块图；
图2为根据本发明的多频道光收发器模组的立体图；
图3为图2中根据本发明一实施例的多频道光收发器模组的侧视图；
图4为图2中根据本发明一实施例的多频道光收发器模组的板上光接收次模组配置的立体图；
图5为图4中根据一实施例的板上光接收次模组配置的侧视图；
图6为图4中根据一实施例的板上光接收次模组配置的另一立体图；
图7A及图7B根据一实施例呈现适用于图4中的板上光接收次模组配置中的示例性光二极管阵列；
图8A至图8C根据一实施例共同呈现适用于图7A及图7B中的光二极管阵列中的具有集成透镜的光二极管。
附图标记说明：
光收发器模组 100
光收发器基板 102
收发器壳体 103
光发射次模组配置 104
发射连接电路 106
光接收次模组配置 108
光纤插座 110
接收连接电路 112
激光二极管装置 114
线路 116、119
阵列波导光栅 118
接收光纤 123
光学解多工器 124
发射光纤 125
光感测器阵列 126
第一跨阻抗放大器 128-1
第二跨阻抗放大器 128-2
连接器垫片 214
驱动电性信号TX_D1至TX_D8
电性信号RX_D1至RX_D8
光收发器模组 200
基板 202
第一端 203
第二端 204
光发射次模组配置 206
光接收次模组配置 208
光纤插座 210
中间波导 211
光二极管装置 223
光学解多工器 224
输入端口 225
光二极管阵列 226
输出端口 227
第一跨阻抗放大器 228-1
第二跨阻抗放大器 228-2
第一安装面 245
第二安装面 246
长轴 250
光路径 255
第一光二极管次基台 256-1
第二光二极管次基台 256-2
光二极管基台 702
安装面 704
接触部 708
位向标志物 710
阴极接触部 712
阳极接触部 714
分隔部 720
集成透镜 802
阴极接触部 804
阳极接触部 806
光学焊接垫部 808
具体实施方式
如上所述，显著的挑战限制了光收发器模组的增加的频道配置超过四个频道。其中一种限制包括具有超过四个用来输出/输入的频道的跨阻抗放大器(transimpedenceamplifier，TIA)芯片的可用性。因此，举例来说，针对以八个频道运作的设计来说，必须包括至少两个四频道的阵列波导光栅(arrayed waveguide gratings，AWG)、至少两个1x4光感测器阵列及两个用于接收及放大光学信号的跨阻抗放大器四频道芯片。阵列波导光栅及跨阻抗放大器等元件的数量增加会使每单位的成本增加，并引入最终会降低良率(yield)且无法轻易解决的(non-trivial)光学校准(optical alignment)问题。以耦接至具有20微米(micron)的光感测区域的光二极管为例，芯片接合(die bonding)能具有±10微米的公差，而解多工器(demultiplexer)仅具有相对较小的±7微米的公差。此差异会使光二极管及解多工器之间的光学校准难以达到一致的状态，进而降低良率。此外，光二极管必须设置在相对较靠近跨阻抗放大器的位置以降低诸如飞时测距(time of flight，ToF)的互连延迟(interconnect latency)。在制造过程中，当相邻的跨阻抗放大器及各自的光二极管之间的间隔为数微米时，这种邻近的设置方式会使诸如焊线(wire bond)等易受损毁的元件有受损的风险。
本发明大致上关于一种包括多频道板上光接收次模组配置的光收发器，其中多频道板上光接收次模组配置能接收四个以上的频道波长。在一实施例中，板上光接收次模组包括设置于相同基板的至少一八频道光学解多工器以及一1x8阵列的光二极管，其中八频道光学解多工器例如为阵列波导光栅。光二极管的阵列可光学对准于光学解多工器的输出端口，并用于侦测频道波长及输出正比电性信号(proportional electrical signal)给诸如跨阻抗放大器的相关放大电路。各个光二极管能包括集成透镜(integrated lens)，集成透镜用于增加解多工器及各个光二极管的光感测区域之间的校准公差，而使得使用诸如芯片接合的相对较不精准的接合技术时仍能保持额定的(nominal)光功率。这可有利地使例如阵列波导光栅及光二极管无论公差的差异而均能耦接到相同的基板。
于此，上下文中用来形容光接收次模组配置的“板上(on-board)”包括直接或间接地将光接收次模组元件耦接到共用(common)基板的方式。光接收次模组配置的元件可耦接至相同的基板上相同或不同的表面。同样地，光发射次模组元件可耦接至基板上相同或不同的表面。在某些情况中，基板可包括多个区块(piece)/区段(segment)，且本发明并不限于使用单一的基板。
于此，“频道波长”指与光学频道相关的波长，且可包括中心波长附近的特定波长带。在一示例中，频道波长可由国际电信(International Telecommunication，ITU)标准定义，例如ITU-T高密度波长分波多工(dense wavelength division multiplexing，DWDM)网格(grid)。本发明同样地可应用于低密度分波多工(coarse wavelength divisionmultiplexing，CWDM)。在特定的一个示例中，频道波长根据区域网络(local areanetwork，LAN)波长分割多工(wavelength division multiplexing，WDM)实施，而区域网络波长分割多工也可称为LWDM。用语「耦合」在此指任何连接、耦接、连结或相似的关系，且“光学地耦合”指光从一个元件传递(impart)到另一个元件的耦合关系。这种“耦合”装置并不需要直接彼此连接，且可由中间元件或能操控或修改这样的信号的装置分隔开。
用语“实质上”在此一般性地使用并指可接受的误差范围内的精准程度，其中可接受的误差范围视为并反映因制造过程中的材料组成、材料缺陷及/或限制/奇异(peculiarity)所产生的次要真实世界变化(minor real-world variation)。这种变化可因此被描述为大致地(largely)，但不需完全地达成所述的特性。为了提供一种非限制性的示例来量化“实质上”，除非另有说明，否则次要变化可造成的误差小于或等于特定描述的数量/特性的±5％。
请参阅相关图式，其中图1绘示根据本发明实施例的光收发器模组100。为了清楚呈现及方便说明且非为了限制，光收发器模组100以高度简化的方式呈现。在本实施例中，光收发器模组100使用八个不同的频道波长(λ1至λ8)发出并接收八个频道的信号，且每频道能具有至少大约25Gbps的传输速度。在一示例中，频道波长λ1、λ2、λ3、λ4、λ5、λ6、λ7、λ8可分别为1273纳米(nm)、1277nm、1282nm、1286nm、1295nm、1300nm、1304nm及1309nm。包括相关于区域网络波长分割多工的其他频道波长也位于本发明的范围内。光收发器模组100也能具有2公里(km)到至少约10公里的传输距离。光收发器模组100例如可用于网络数据中心应用(internet data center applications)或是光纤到户(fiber to the home，FTTH)应用。
在一实施例中，光收发器模组100设置于一收发器壳体103中。依据所需的构型，收发器壳体103能具有一或多个腔体以容纳一或多个光收发器模组，其中腔体例如为罩体(cage)或槽体(slot)。在一实施例中，光收发器模组100构成为一个可插拔式的模组(pluggable module)。
光收发器模组100可包括支持收发器运作的多个元件。光收发器模组100可包括一光收发器基板102、一光发射次模组配置104、发射连接电路106、多频道的一光接收次模组配置108、一光纤插座110以及一接收连接电路112。光发射次模组配置104用于发射不同频道波长的光学信号。光接收次模组配置108用于接收不同频道波长的光学信号。光纤插座110用于接收及校准光接收次模组配置108及诸如套管(ferrule)的纤维连接器。
光收发器基板102可由多层印刷电路板所制成，但也可使用其他类型的基板所制成，且均属于本发明的范畴。在一实施例中，基板包括印刷电路板组件。光收发器基板102包括线路(trace)、连接器垫片(connector pads)及其他电路以支持收发器的运作。光收发器基板102可包括光发射次模组连接器垫片214(例如参照图2)，其中光发射次模组连接器垫片214使光发射次模组配置104能安装并电性耦接于光收发器基板102。光收发器基板102可包括线路116，其中线路116将光发射次模组连接器垫片214耦接至发射连接电路106。光收发器基板102可更包括线路119，其中线路119将光接收次模组配置108电性耦接至接收连接电路112。
光发射次模组配置104可用于接收驱动电性信号TX_D1至TX_D8，并通过阵列波导光栅118将电性信号转换成多工光学信号(例如具有频道波长λ1至λ8的信号)。接着，阵列波导光栅118通过具有频道波长λ1至λ8的发射光纤125输出多工光学信号。须注意的是，虽然在此公开的示例及情况(scenario)包括八个频道波长，但本发明并不以此为限，诸如6、12、20及24个频道的方式也属于本发明的范畴。
光发射次模组配置104包括多个激光二极管装置114及支持电路。各个激光二极管装置114能通过光发射次模组连接器垫片214电性耦接至光收发器基板102并用于输出不同的频道波长。光发射次模组配置104的激光二极管装置可包括分布反馈式激光器(distributed feedback lasers，DFB)、垂直外腔表面发光激光器(Vertical External-cavity Surface-emitting laser，VECSEL)或其他合适的激光器装置。
如图1所进一步呈现，多频道的光接收次模组配置108包括一光学解多工器124、一光感测器阵列126(例如光二极管)、第一跨阻抗放大器128-1及第二跨阻抗放大器128-2，其中第一跨阻抗放大器128-1及第二跨阻抗放大器128-2用于放大光学信号并将光学信号转换成电性信号。多频道的光接收次模组配置108可用板上的方式设置于光收发器基板102，而使得各个元件耦接于光收发器基板102并受光收发器基板102支撑。
接着，图1中的板上光接收次模组构型的光学解多工器124可包括阵列波导光栅，其中此阵列波导光栅用于接收光学信号并将光学信号分为八个不同的频道波长。光接收次模组配置108可还包括光感测器阵列126。如以下所详细描述，光感测器阵列126通过具有多个各自安装于共用次基台(common submount)并对准于各输出端口的光感测装置以接收阵列波导光栅118的输出。因此，光感测器阵列可构成一个1x8阵列，但其他具有多于八个或少于八个频道的构型也属于本发明的范畴。可接着将光感测器阵列126电性耦接至第一跨阻抗放大器128-1及第二跨阻抗放大器128-2，而使代表其中四个频道波长的电性信号被提供至第一跨阻抗放大器128-1，且代表其余的四个频道波长的电性信号被提供至第二跨阻抗放大器128-2。
在运作过程中，光学解多工器124从接收光纤123接收光学信号，并接着从其提供依据频道波长分离的信号给光感测器阵列126。接着，光感测器阵列126将所接收到的那些频道波长的信号转换成电性信号，并将电性信号提供给第一跨阻抗放大器128-1及第二跨阻抗放大器128-2。第一跨阻抗放大器128-1及第二跨阻抗放大器128-2接着放大电性信号RX_D1至RX_D8并提供电性信号RX_D1至RX_D8给接收连接电路112，其中电性信号RX_D1至RX_D8对应于所接收的信号的频道波长。接收连接电路112电性连接于光接收次模组配置108中的电子元件(例如跨阻抗放大器)。接收连接电路112能包括导电路径(conductivepath)以提供电性连接，且接收连接电路112也能包括额外的电路。
请参阅图2至图6，其中图2至图6呈现示例性的一光收发器模组200。如附图所示，光收发器模组200包括一基板202。基板202包括一第一端203，其中第一端203沿着一长轴250延伸至一第二端204。基板202更包括至少一第一安装面245，且第一安装面245相对于一第二安装面246。
如附图所进一步呈现且如以下所详细描述，设置于第一安装面245的一光接收次模组配置208邻近于第一端且包括板上或集成的构型。此外，一光发射次模组配置206耦接于基板202的第一端并包括用于输出多个频道波长的信号的多个激光组件及光学连接器。如附图所示，光发射次模组配置206可安装于基板202的边缘。举例来说，基板202可包括印刷电路板组件或其他合适的基板材料。
光接收次模组配置208包括一光纤插座210、一中间波导211、一输入端口225、一光学解多工器224、一光二极管阵列226(在图4及图6中较清楚地呈现)、第一跨阻抗放大器228-1及第二跨阻抗放大器228-2。光接收次模组配置208的各个元件可耦接(如直接地耦接)至基板202的第一安装面245。基板202可因此为了安装而堆迭于各个元件下并支撑各个元件。此可有利地增加于光收发器模组200运作时用于逸散热量的总表面积。此外，相较诸如利用分离且相异的(distinct)光接收次模组壳体的其他方法，光学解多工器224、光二极管阵列226、第一跨阻抗放大器228-1及第二跨阻抗放大器228-2之间相对较小的距离可有利地降低焊线的数量及长度。故，由于在制造过程中可利用较少的焊线来电性连接，因此可增加射频信号传递速度，且增加高达2分贝的功率，并降低元件损坏的可能性。
在一实施例中，光二极管阵列226可包括两个1x4阵列的光二极管。尤其，如图4所更清楚呈现，光二极管阵列226能包括第一1x4阵列光二极管及第二1x4阵列光二极管，其中第一1x4阵列光二极管安装于一第一光二极管次基台256-1，且第二1x4阵列光二极管安装于一第二光二极管次基台256-2。须注意的是，如以下参照图8A至8C进一步描述，在一实施例中，单体式结构的(single-piece)基台可被用来安装光二极管阵列，而例如提供单体式结构的1x8阵列。第一光二极管次基台256-1及第二光二极管次基台256-2可各安装于基板202的第一安装面245。第一光二极管次基台256-1及第二光二极管次基台256-2可因此各热连通于基板202。
光纤插座210可用于通过套管(未绘示)来容纳光纤。如为光纤的中间波导211可通过输入端口225将光纤插座210光学地耦接至光学解多工器224。输入端口225(或称输入耦合部(input coupling section))可相对光学解多工器224倾斜例如约8度，借以降低后反射(back reflection)。光学解多工器224例如可包括阵列波导光栅。光学解多工器224能从光学信号解多工多个频道波长，并包括倾斜面以沿光路径255(如图5所示)导引光，其中光路径255实质上朝基板202平行长轴250延伸。
接着，如图5及图6所更清楚呈现，光学解多工器224的输出端口227可光学地对准于光二极管阵列226，而可使得依据频道波长被分离的信号被发送至光二极管阵列226上。在制造过程中，光学解多工器224例如可通过半导体制程所形成，其中半导体制程例如是产生±0.5微米的公差的光蚀刻制程。各光二极管装置223可例如通过芯片接合或其他合适的方式分别耦接于相对应的多个第一光二极管次基台256-1或第二光二极管次基台256-2。接着，第一光二极管次基台256-1及第二光二极管次基台256-2可例如通过公差约为±10微米的芯片结合耦接至基板202。在第一光二极管次基台256-1及第二光二极管次基台256-2的安装过程中，第一光二极管次基台256-1及第二光二极管次基台256-2可沿X轴及Y轴对准以确保光学的输出端口227分别对准光二极管装置223。
光二极管装置223例如为光二极管且包括约为20微米的光接收区域或光感测区域。在所述区域感测到的光能被转换能电流，且代表此电流的信号可由各个光二极管装置223输出。例如因错位(misalignment)而落于光感测区域外的光会导致从各个光二极管装置223输出的信号劣化或无法使用。
因此，在一实施例中，各个光二极管装置223包括位于一侧的集成透镜。举例来说，图7A及图7B分别呈现光二极管基台702的分解及组装。须注意的是，光二极管基台702以单体式结构呈现。另一方面，光收发器模组200的第一光二极管次基台256-1及第二光二极管次基台256-2呈现为两个分离且相异的基台。可使用如多件式基台或单体式结构的基台的构型且皆属于本发明的范畴。多件式光二极管基台的优点在于包括个别用于1x4阵列的校准微调(fine-tune alignment adjustment)。由于能对所有的相关光二极管装置沿X轴及Y轴同时进行校准作业，诸如图7A及图7B所示的多件式光二极管基台能降低建构时间(buildtime)。在此公开的方式及示例可应用于任一种构型。
在任何情况中，图7A及图7B中的光二极管基台702包括安装面704。安装面包括多个设置于其上的线路以用于将光二极管装置223电性耦接至光二极管基台702。安装面还包括多个接触部(contact)708以稳固且电性地将各光二极管装置223耦接至各组接触部708，其中接触部708也可称为终端(terminal)。各组接触部包括两个阴极接触部712及设置于两个阴极接触部712之间的一阳极接触部714。接触部的其他构型也属于本发明的范畴。光二极管基台702可还包括一分隔部720。分隔部720可具有预定的宽度以确保光二极管装置的各个1x4阵列以一距离分离而使各个1x4阵列对准光学解多工器224的输出端口227。光二极管基台702可还包括用于校准的方位标志物(orientation mark)710。
图8A至图8C单独呈现光二极管装置223的示例。如图8A所示，光二极管装置223的第一侧包括多个阴极接触部804、一阳极接触部806及多个光学焊接垫部(optional solderpad)808。光二极管装置223中相对第一侧的第二侧包括一集成透镜802。因此，光二极管装置223可以单体式结构的形式形成，且集成透镜802齐平或实质上齐平于界定出光二极管装置223的顶面。集成透镜覆盖光二极管装置223中至少一部分的光感测区域，并能凭借集成透镜本身的相对相关的光感测区域的位置而将公差增加至50％或更高。举例来说，对于具有20微米的光感测区域的光二极管来说，光二极管芯片接合能具有±10微米的公差，而诸如阵列波导光栅的解多工器能具有±7微米的校准公差。在不设有根据本发明的集成透镜的情况下，解多工器及光二极管之间的光学校准可能难以用芯片结合达到一致。因此，在光二极管具有20微米的光感测区域的情况下，设有集成透镜的光二极管使解多工器及光二极管之间的校准公差例如增加至约±20微米。这有利地使解多工器即使在相关的公差有较大差异的情况下，仍能用于在此公开的光接收次模组配置。
光二极管装置223可接着耦接至相应的光二极管基台，其中相应的光二极管基台例如为光二极管基台702且光二极管装置223背对光二极管基台的一侧具有集成透镜802。这种将集成透镜布置于光二极管装置223的配置可精准地被称为背侧透镜(backsidelens)。
根据本发明的一实施例，公开有一种光收发器模组。光收发器模组包括一基板以及一板上光收发次模组配置。基板具有一第一端，且第一端延伸至一第二端。基板具有至少一第一安装面。板上光接收次模组配置包括一光二极管阵列以及一光学解多工器。光二极管阵列安装于基板的第一安装面。光学解多工器安装于基板的第一安装面。光学解多工器具有一光学输出端口。光学输出端口对准并光学耦接于光二极管阵列。光二极管阵列中的多个光二极管各包括一个集成透镜以增加光学解多工器及光二极管阵列中的各个光二极管的一光感测区域之间的一校准公差。
根据本发明另一实施例，公开有一种光收发器。光收发器包括一壳体、一光收发器模组以及一光发射次模组配置。壳体界定出用于容纳一光收发器模组的一腔体。光收发器模组至少部分地设置于壳体的腔体中，且包括一基板以及一板上光收发次模组配置。基板具有一第一端，且第一端延伸至一第二端。基板具有至少一第一安装面。板上光接收次模组配置包括一光二极管阵列以及一阵列波导光栅。阵列波导光栅安装于基板的第一安装面。阵列波导光栅具有一光学输出端口，且光学输出端口对准并光学耦接于光二极管阵列。光二极管阵列中的多个光二极管各包括一个集成透镜以增加阵列波导光栅及光二极管阵列中的各个光二极管的一光感测区域之间的一校准公差。光发射次模组配置安装于基板。
根据本发明在另一实施例，公开有一种用于使用于一光次模组中的光二极管装置。光二极管装置包括一基座、多个电性连接部、一光感测区域以及一集成透镜。基座至少具有彼此相对的一第一侧及一第二侧。多个电性连接部设置于第一侧。集成透镜邻近于第二侧并位于光感测区域之上，借以增加一光学解多工器及光二极管装置的光感测区域之间的一校准公差。
虽然本发明的原理已在此描述，但是可以理解的是，本领域技术人员可理解这些叙述仅为示例性的而不用于限定本发明的范围。除了在此描述及呈现的示例性实施例之外，其他的实施例也位于本发明的范围内。本领域技术人员当可进行一些修改及替换，且这些修改及替换也位于本发明的范围内并仅以下述的权利要求为限。