CN102269599A - 光组件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光组件，包括光发射器组件、光接收器组件以及分别与所述光发射器组件与所述光接收器组件连接的电子组件。所述光发射器组件包括光源以及用于驱动所述光源的光源驱动器；所述光接收器组件包括光电检测器以及与所述光电检测器连接的控制模块，所述控制模块至少由一跨阻抗放大器及一限幅放大器集成；所述电子组件包括印刷电路板以及形成于所述印刷电路板上的微控制器，所述微控制器分别与所述光源驱动器及所述控制模块连接。本发明光组件的集成度高，从而满足在光-电，电-光转换的高速传输和大带宽的需求，而且简化PCB的设计以及降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及光通信领域，尤其涉及一种高集成度的光组件及其制造方法。
背景技术
在光通信网络中，通常使用光元件来降低制造成本。例如，光组件往往用于在光纤中发射和接收光信号。一种常见的光组件包括并合在一个封装组件中的多个模元件。例如，如图1所示，一种传统的光组件600包括光发射器组件(transmitter optical subassembly，TOSA)610、光接收器组件(receiver opticalsubassembly，ROSA)以及分别与该TOSA 610、ROSA 620连接的电子组件630。
该电子组件630包括印刷电路板(printed circuit board，PCB)631以及分别安装于该PCB631上的微控制器632、限幅放大器633和激光驱动器634。该微控制器632起主导作用，其分别与限幅放大器633、激光驱动器634及外部的专用集成电路(application specific integrated circuit，ASIC)(图未示)进行通信。典型地，在一个MAXIM的光收发模块产品中，DS 1862IC通常被用作微控制器632，激光驱动器634采用Max 3992IC，而限幅放大器633则采用Max 3991IC。
该TOSA 610一般包括一光源，如激光二极管611用以发射光信号，以及一与激光二极管611相连的监视光电二极管612，用以监视检测激光二极管611发出的光是否符合要求。当一数字信号输入时，激光二极管611由电子组件630上的激光驱动器634驱动。
该ROSA 620一般包括一用于检测光信号的光电二极管621以及一用于将光信号转换成电信号的跨阻抗放大器622。电子组件630上的限幅放大器633与该跨阻抗放大器622连接，用以限制电信号的电流和电压的幅值。
为防止芯片电路被腐蚀和损害，必须对芯片进行封装。因此，封装成为光组件制造的一个重要工艺。而封装技术的质量将会大大影响芯片的性能以及PCB和芯片连接的设计和制造。目前，表面贴装技术(Surface MountingTechnology，SMT)是电子组装行业中最为流行的一种技术和工艺。如本领域技术人员所熟知，SMT一般包括印刷、贴装、固化、回流焊接、清洗、检测及返修等工艺。其中，方形扁平无引脚(Quad Flat No-lead，QFN)封装是SMT的其中一种封装方式。一般地，尽管QFN封装没有引脚引出，但其占有的面积仍然较大。如上述的微控制器DS 1862IC、激光驱动器Max 3992IC和限幅放大器Max 3991IC均通过SMT流程采用QFN封装形式安装在PCB上。
由于多片芯片安装在PCB上，因此该种PCB的制造显得十分复杂。一般地，此种装有多片芯片的PCB的布线设计至少需要6层，甚至8层。因此，在制作过程中需投入更多的时间和更高的成本，这将超出制造商渴望的范围。而且，每片芯片必须独立制造，因此制造的原料随之增加，最终增加制造成本。
此外，随着科技对高速传送和大带宽的要求，传统的光组件逐渐呈现出一些问题。例如，由于限幅放大器安装在PCB上，而跨阻抗放大器则形成在ROSA内，当ROSA的跨阻抗放大器与限幅放大器进行通信时，存在的大量的分布电容将严重影响传输信号。再且，严重的传输损耗亦会伴随发生。
因此，亟待一种改进的光组件及其制造方法以克服上述缺陷。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种高集成度的光组件，其不但满足在光-电，电-光转换的高速传输和大带宽的需求，而且简化PCB的设计以及降低制造成本。
本发明的另一目的在于提供一种光组件的制造方法，其不但满足在光-电，电-光转换的高速传输和大带宽的需求，而且简化PCB的设计以及降低制造成本。
为了实现上述目的，本发明提供了一种光组件，包括光发射器组件、光接收器组件以及分别与所述光发射器组件与所述光接收器组件连接的电子组件。所述光发射器组件包括光源以及用于驱动所述光源的光源驱动器；所述光接收器组件包括光电检测器以及与所述光电检测器连接的控制模块，所述控制模块至少由一跨阻抗放大器及一限幅放大器集成；所述电子组件包括印刷电路板以及形成于所述印刷电路板上的微控制器，所述微控制器分别与所述光源驱动器及所述控制模块连接。
在一个较佳实施例中，所述光源为激光二极管，所述光源驱动器为激光驱动器。
在另一较佳实施例中，所述光电检测器为光电二极管。
较佳地，所述光发射器组件还包括用于检测所述光源的监视光电二极管。
较佳地，所述控制模块与所述光源驱动器分别以管芯封装形式进行封装。
在一个实施例中，所述光发射器组件与所述光接收器组件在封装后分别具有至少六个引脚。
较佳地，所述光发射器组件与所述光接收器组件的所述引脚分别通过一柔性电线与所述印刷电路板连接。
较佳地，所述光发射器组件与所述光接收器组件的所述引脚分别直接与所述印刷电路板连接。
一种光组件的制作方法，包括以下步骤：
(1)封装一光发射器组件，所述光发射器组件包括光源及用于驱动所述光源的光源驱动器；
(2)至少集成一跨阻抗放大器及一限幅放大器以形成控制模块；
(3)封装一光接收器组件，所述光接收器组件包括光电检测器及和所述光电检测器连接的所述控制模块；
(4)提供一电子组件，所述电子组件包括印刷电路板及形成于所述印刷电路板上的微控制器；以及
(5)分别将所述光发射器组件与所述光接收器组件连接到所述电子组件。
在一个较佳实施例中，所述光源为激光二极管，所述光源驱动器为激光驱动器。
在另一较佳实施例中，所述光电检测器为光电二极管。
较佳地，还包括在所述光发射器组件内形成一监视光电二极管。
较佳地，还包括分别将所述控制模块与所述光源驱动器以管芯封装形式进行封装。
在一较佳实施例中，还包括将所述微控制器以方形扁平无引脚封装形式安装在所述印刷电路板上。
较佳地，所述光发射器组件与所述光接收器组件分别具有至少六个引脚。
较佳地，还包括将所述光发射器组件与所述光接收器组件的所述引脚分别通过一柔性电线与所述印刷电路板连接。
较佳地，还包括将所述光发射器组件与所述光接收器组件的所述引脚分别直接与所述印刷电路板连接。
与现有技术相比，本发明的光组件将跨阻抗放大器和限幅放大器集成为一控制模块，并将其嵌入至ROSA中，同时将激光驱动器集成到TOSA中。该种设计使得光组件具有高集成度以满足了在光-电，电-光转换的高速传输和大带宽的需求。另一方面，由于只有微控制器IC安装在PCB上，因此PCB的布线设计被简化，如，布线的层数可降低到四层，而现有技术则需要至少六层。此外，由于IC的数量被减少，因此制造成本也相应降低。另外，本发明为激光驱动器提供了一个良好的散热的环境，从而有益于提高激光的性能品质。
通过以下的描述并结合附图，本发明将变得更加清晰，这些附图用于解释本发明的实施例。
附图说明
图1为传统的光组件的结构示意图。
图2为本发明的光组件的第一实施例的结构示意图。
图3为本发明的光组件的第二实施例的结构示意图。
图4为本发明的光组件的第三实施例的结构示意图。
图5为本发明的光组件的第四实施例的结构示意图。
图6为本发明的光组件的制造方法的一个实施例的流程图。
具体实施方式
下面将参考附图阐述本发明几个不同的最佳实施例，其中不同图中相同的标号代表相同的部件。如上所述，本发明的实质在于将跨阻抗放大器和限幅放大器集成为一控制模块，并将其嵌入至ROSA中，同时将激光驱动器集成到TOSA中。该种设计使得光组件具有高集成度以满足了在光-电，电-光转换的高速传输和大带宽的需求。另一方面，由于只有微控制器IC安装在PCB上，因此PCB的布线设计被简化，如，布线的层数可降低到四层，而现有技术则需要至少六层。此外，由于IC的数量被减少，因此制造成本也相应降低。另外，本发明为激光驱动器提供了一个良好的散热的环境，从而有益于提高激光的性能品质。
图2为本发明的光组件的第一实施例的结构示意图。如图所示，该光组件1包括TOSA 10、ROSA 20以及电子组件30。具体地，该电子组件30分别与TOSA 10和ROSA 20相连。
如图2所示，该电子组件30包括PCB 31以及安装于其上的微控制器32。该电子组件30作为一外部控制器以对ROSA 20和TOSA 10进行控制。除了微控制器32之外，PCB 31上还具有很多电子线路和有源器件(图未示)。
该TOSA 10包括光源驱动器101以及由该光源驱动器101驱动的光源102。该TOSA 10用于进行电-光转换过程，即，电信号通过编码器进入信号处理器，后由驱动器驱动光源从而产生光信号以注入光纤。
在本发明的另一实施例中，请参考图3，光源102为激光二极管112，而光源驱动器101为激光驱动器111。该激光驱动器嵌入至TOSA 10中。
该激光二极管112包括F-P型激光二极管(Fabry-Perot Laser Diode，F-PLD)、分布反馈型激光二极管(Distributed Feedback Laser Diode，DFBLD)以及垂直共振腔面射型激光二极管(Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode，VCSELD)。其中，前两者由晶粒的侧面发光，而后者则由晶粒的表面发光。通常，F-P型激光二极管适用于中距离高速率的传输系统，分布反馈型激光二极管适用于高品质传输如有线电视、长距离传输如长途电信。而垂直共振腔面射型激光二极管价格低、起始电流低、具有稳定的温度响应。本发明的激光二极管可采用上述的激光二极管以适应实际应用中的不同需要。另外，光源2可采用发光二极管(light emitting diode，LED)。
具体地，请参考图4，在本发明的另一实施例中，该TOSA 10还包括监视光电二极管113，其与激光二极管112连接，用以检测和监视从激光二极管112发射出的激光是否符合要求。
较佳地，本发明的激光驱动器111被集成于TOSA 10内，因此，该激光驱动器111以管芯封装(Dice package)的形式封装，从而保证其体积足够小。管芯封装是一种将多个芯片单元集成并封装成一个芯片单元的封装形式，其集成密度远远高于QFN的封装形式。因此，芯片的体积很小，从而满足实际需求。再且，此种设置为激光驱动器111提供了一个良好的散热环境，从而有益于提高激光的性能品质。
在TOSA 10的封装完成后，TOSA 10至少具有6个引脚以保证与PCB 31的通信。在此，其中一种连接方式是，通过一柔性电缆将TOSA 10的6个引脚连接到PCB 31上；另一种连接方式是直接将TOSA 10的6个引脚与PCB 31连接起来。
当外部电信号输入时，激光驱动器111启动并驱动激光二极管112，激光二极管112将电信号转换为光信号，最终光信号输出注入至光纤。由于温度的改变和期间的老化，激光容易出现中心波长漂移活光功率不稳定的现象，因此，为得到稳定的光功率输出和稳定的工作温度，往往可在电路上设置自动控温电路和功率控制电路。
具体地，请参考图2-4，ROSA 20包括光电检测器201和与该光电检测器201连接的控制模块202。ROSA 20的作用在于将微弱的光信号转变为电脉冲信号，并将其放大和还原至原始脉冲信号，该过程称作光-电转换过程。在本发明的一个实施例中，请参考图5，该光电检测器201为光电二极管211。在此，该光电二极管211可为PIN型光电二极管或雪崩光电二极管。该控制模块202用于控制光电二极管211发射的光。具体地，该控制模块至少由跨阻抗放大器203和限幅放大器204集成而成。
较佳地，本发明的跨阻抗放大器203和限幅放大器204由管芯封装形式进行封装。因此，芯片的体积大大缩小，集成密度随之增加。可选地，为适应不同的需要，ROSA 20的其他IC同样可以通过管芯封装形式集成到一个芯片单元里。由于此种特定的集成方式，ROSA 20在封装后其引脚至少为6个，从而确保通信。在此，其中一种连接方式是，通过一柔性电缆将ROSA 20的6个引脚连接到PCB 31上。此种连接方式适用于对传输要求不高的低速传输系统。相反，在高速传输的设计中，ROSA 20的引脚则直接与PCB 31连接。此种设置，由于跨阻抗放大器203和限幅放大器204被集成起来而直接设置在ROSA 20内，因此，降低了传输损耗，而且分布电容的影响亦大大降低，从而满足高速传输和大宽带的需求。
当光信号被输入时，光电二极管211通过自身的光电效应对光信号进行检测，将光信号还原为射频信号，即，此为一个解码过程。其后，跨阻抗放大器203对射频信号进行放大以使其满足后续电路的需要，而限幅放大器204则用于放大和控制电压信号不会过大并得到一个最佳输出。由于噪声、另密度、带宽和响应速度等均是ROSA 20的重要性能参数，因此，该跨阻抗放大器203必须具有低噪音、高灵敏度、合适的带宽、大的动态范围以及良好的温度稳定性，从而保持良好的性能。
可选地，为优化跨阻抗放大器203输出的电压信号，通常在跨阻抗放大器203之后设置一个主放大器(图未示)。有时，也会设置一个均衡器来克服码间串扰从而进行幅值判决。在本发明的构思范围内，该主放大器和均衡器等均可集成在控制模块202内。
与现有技术相比，本发明的光组件1将跨阻抗放大器203和限幅放大器204集成为一控制模块202，并将其嵌入至ROSA 20中，同时将激光驱动器211集成到TOSA中。该种设计使得光组件1具有高集成度以满足了在光-电，电-光转换的高速传输和大带宽的需求。另一方面，由于只有微控制器32IC安装在PCB 31上，因此PCB 31的布线设计被简化，如，布线的层数可降低到四层，而现有技术则需要至少六层。此外，由于IC的数量被减少，因此制造成本也相应降低。另外，本发明为激光驱动器提供了一个良好的散热的环境，从而有益于提高激光的性能品质。
图6为本发明的光组件的制造方法的一个实施例的流程图，如图所示，其包括以下步骤：
步骤501：将具有一光源和一光源驱动器的TOSA封装；
步骤502：至少将一跨阻抗放大器和一限幅放大器集成从而形成控制模块；
步骤503：将具有光电检测器和与所述光电检测器连接的所述控制模块的ROSA封装；
步骤504：提供具有PCB和微控制器的电子组件；
步骤505：将所述TOSA和所述ROSA分别与所述电子组件连接。
具体地，在步骤501中，该方法进一步包括将光源驱动器以管芯封装形式封装。更具体地，本发明的光源为激光二极管，而光源驱动器位激光驱动器。如上所示，该激光二极管可采用任一类型的激光二极管。此外，该光源也可为LED。
较佳地，该方法还包括在TOSA内设置一监视光电二极管，其余激光二极管连接从而检测激光质量。
在步骤502中，本发明的方法还包括将至少包括跨阻抗放大器和限幅放大器的控制模块以管芯封装形式封装。
具体地，该光电检测器为光电二极管，如上所述，具体可为PIN型光电二极管或雪崩光电二极管。该光电二极管发出的光由控制模块控制。由于控制模块集成在ROSA内，因此集成密度增高，从而满足当前的高速传输需求。
在步骤504，本发明的方法还包括将微控制器通过QFN封装形式后安装在PCB上。除了该微控制器外，PCB上还具有很多电子电路和有源器件。在此，由于上述的集成方式，只有微控制器IC安装在PCB上，而其他跨阻抗放大器和限幅放大器等IC均被集成到ROSA内，因此，相较现有技术而言，本发明的PCB上的IC数目被降低，因此，PCB的布线设计被大大简化，从而降低制造成本。
较佳地，当TOSA和ROSA封装完成后，TOSA和ROSA的引脚至少为6个，从而确保通信。在此，其中一种连接方式是，通过一柔性电缆将TOSA和ROSA的6个引脚连接到PCB上。此种连接方式适用于对传输要求不高的低速传输系统。相反，在高速传输的设计中，TOSA和ROSA的引脚则直接与PCB连接。此种设置，由于跨阻抗放大器203和限幅放大器204被集成起来而直接设置在ROSA 20内，因此，降低了传输损耗，而且分布电容的影响亦大大降低，从而满足高速传输和大宽带的需求。
与现有技术相比，本发明的光组件1将跨阻抗放大器203和限幅放大器204集成为一控制模块202，并将其嵌入至ROSA 20中，同时将激光驱动器211集成到TOSA中。该种设计使得光组件1具有高集成度以满足了在光-电，电-光转换的高速传输和大带宽的需求。另一方面，由于只有微控制器32IC安装在PCB 31上，因此PCB 31的布线设计被简化，如，布线的层数可降低到四层，而现有技术则需要至少六层。此外，由于IC的数量被减少，因此制造成本也相应降低。另外，本发明为激光驱动器提供了一个良好的散热的环境，从而有益于提高激光的性能品质。
以上所揭露的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (17)
1.一种光组件，包括光发射器组件、光接收器组件以及分别与所述光发射器组件与所述光接收器组件连接的电子组件，其特征在于：所述光发射器组件包括光源以及用于驱动所述光源的光源驱动器；所述光接收器组件包括光电检测器以及与所述光电检测器连接的控制模块，所述控制模块至少由一跨阻抗放大器及一限幅放大器集成；所述电子组件包括印刷电路板以及形成于所述印刷电路板上的微控制器，所述微控制器分别与所述光源驱动器及所述控制模块连接。
2.如权利要求1所述的光组件，其特征在于：所述光源为激光二极管，所述光源驱动器为激光驱动器。
3.如权利要求1所述的光组件，其特征在于：所述光电检测器为光电二极管。
4.如权利要求1所述的光组件，其特征在于：所述光发射器组件还包括用于检测所述光源的监视光电二极管。
5.如权利要求1所述的光组件，其特征在于：所述控制模块与所述光源驱动器分别以管芯封装形式进行封装。
6.如权利要求1所述的光组件，其特征在于：所述光发射器组件与所述光接收器组件在封装后分别具有至少六个引脚。
7.如权利要求6所述的光组件，其特征在于：所述光发射器组件与所述光接收器组件的所述引脚分别通过一柔性电线与所述印刷电路板连接。
8.如权利要求6所述的光组件，其特征在于：所述光发射器组件与所述光接收器组件的所述引脚分别直接与所述印刷电路板连接。
9.一种光组件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)封装一光发射器组件，所述光发射器组件包括光源及用于驱动所述光源的光源驱动器；
(2)至少集成一跨阻抗放大器及一限幅放大器以形成控制模块；
(3)封装一光接收器组件，所述光接收器组件包括光电检测器及和所述光电检测器连接的所述控制模块；
(4)提供一电子组件，所述电子组件包括印刷电路板及形成于所述印刷电路板上的微控制器；以及
(5)分别将所述光发射器组件与所述光接收器组件连接到所述电子组件。
10.如权利要求9所述的光组件的制造方法，其特征在于：所述光源为激光二极管，所述光源驱动器为激光驱动器。
11.如权利要求9所述的光组件的制造方法，其特征在于：所述光电检测器为光电二极管。
12.如权利要求9所述的光组件的制造方法，其特征在于：还包括在所述光发射器组件内形成一监视光电二极管。
13.如权利要求9所述的光组件的制造方法，其特征在于：还包括分别将所述控制模块与所述光源驱动器以管芯封装形式进行封装。
14.如权利要求9所述的光组件的制造方法，其特征在于：还包括将所述微控制器以方形扁平无引脚封装形式安装在所述印刷电路板上。
15.如权利要求9所述的光组件的制造方法，其特征在于：所述光发射器组件与所述光接收器组件在封装后分别具有至少六个引脚。
16.如权利要求15所述的光组件的制造方法，其特征在于：还包括将所述光发射器组件与所述光接收器组件的所述引脚分别通过一柔性电线与所述印刷电路板连接。
17.如权利要求15所述的光组件的制造方法，其特征在于：还包括将所述光发射器组件与所述光接收器组件的所述引脚分别直接与所述印刷电路板连接。
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20111207 |