專利名稱:斜面光纖式雙向光學組件的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是有關于一種光學組件，特別是關于一種斜面光纖式光學組件及其封裝。
背景技術：
傳統(tǒng)光通訊系統(tǒng)中，為了達到信號雙向溝通的目的，是利用兩條光纖，以一進一出的方式來傳輸相同(或不同)波長的光波信號。但隨著傳輸距離的增加，用戶數(shù)量及需求的急遽上升，并且考量鋪設光纖網(wǎng)路的成本，因此有人提出分波多工(wave division multiplex)的通訊技術，來實現(xiàn)全雙工(full duplex)的目的；其使用一條光纖來上傳與下載兩種波長的光波信號。例如，于一條光纖中同時傳輸波長為1310nm與接收波長為1550nm的兩種光信號，并于傳輸端與接收端各加裝一片分光濾波片(Wavelength Division Multiplex filter，WDMfilter)，即可將不同波長的光分離開來，以達到雙向傳輸?shù)哪康摹?br> 上述的光通訊架構雖然可降低鋪設光纖網(wǎng)路的成本，然而，由于其需額外增加一對分光濾波片(WDM filter)，使得工藝及組裝變得困難，成本也相對的提高許多。在分光濾波片的工藝上，必須重復鍍上數(shù)十層光學薄膜，并控制每一層厚度達到數(shù)微米等級；在組裝上，分光濾波片的厚度嚴重影響光學路徑與光纖耦合效率，且通常必須采取費時的主動對位(active alignment)方式才能完成組裝。
圖1顯示一種傳統(tǒng)分波多工的光收發(fā)組件的剖面圖，其細節(jié)如國際專利申請公開文本W(wǎng)O03104850″Systems，Methods and Apparatus for Bi-directionalOptical Transceivers″所揭示。此種光學組件通常以套筒式(TO-Can)的技術來封裝發(fā)光組件17及檢光組件18；激光光源與單模光纖16之間是采主動對準(activealignment)方式組裝。亦即，在光耦合過程中，首先需驅(qū)動主動元件(如激光二極管(Laser Diode，LD)與光二極管(Photodiode，PD))，再經(jīng)光耦合機主動對準后進行接合固定；更重要的是，其需要使用分光濾波片11將不同波長的光分離開來。此種光學組件不但結構體積較大，且主動式的對位與套筒式封裝會使得成本較高。
圖2顯示另一種傳統(tǒng)分波多工的光收發(fā)模組的剖面圖，其細節(jié)如美國專利申請案第20010033716號″Structure for Shielding Stray Light in OpticalWaveguide Module″，或IEEE Electronic Components and Technology Conference2003論文″A Bidirectional Single Fiber 1.25Gb/s Optical Transceiver Modulewith SFP Package using PLC″所揭示。此種光學組件借助平面光波電路(planarlightwave circuit，PLC)工藝，使用平面光波導(waveguide)22來作為光傳輸媒介。自激光二極管23所發(fā)出的光波信號，進入平面光波導22后，被分光濾波片26反射而進入單模光纖25傳輸出去；自單模光纖25下載的另一光波信號，進入平面光波導22并通過分光濾波片26后，為檢光二極管28所接收，以完成光信號的雙向傳輸。然而，欲于平面光波導基板21上同時制作平面光波導22與V型溝槽24極為復雜，因而使得此種光學組件難以降低其生產(chǎn)成本。
上述不論是套筒式光學組件(圖1)或者平面光波導式光學組件(圖2)，為達到雙向傳輸目的皆須使用分光濾波片(11、26)，造成體積大、對位組裝復雜、耦光效率低、元件數(shù)目多、制作成本高等諸多缺點，因此亟需要提出一種新的光學組件結構，其可以省略傳統(tǒng)的分光濾波片(WDM filter)、縮減體積、降低制作成本、簡化組裝及提高耦光效率。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的的一在于提供一種可雙向傳輸?shù)男泵婀饫w式光學組件，使用單一光纖而可同時進行光波信號的上傳與下載。
本發(fā)明的另一目的在于提供一種可雙向傳輸?shù)男泵婀饫w式光學組件，其可以省略傳統(tǒng)的分光濾波片(WDM filter)，不但可以大幅縮減光學組件的體積，還可以降低制作成本。
本發(fā)明的又一目的在于提供一種可雙向傳輸?shù)男泵婀饫w式光學組件，其使用微機電工藝(MEMS)或光電集成封裝(OptoElectronics Integrated Package，OEIP)技術，可以簡化組裝及降低制造成本。
根據(jù)上述目的，本發(fā)明揭示一種斜面光纖式雙向光學組件，其使用單一光纖來同時上傳及下載光波信號，其中，光纖的一端具有一斜面。借助此斜面，發(fā)光元件所產(chǎn)生的上傳光波信號折射進入光纖并傳遞出去，而下載光波信號則由光纖內(nèi)反射出來并由檢光元件予以接收檢測。
本發(fā)明還提供一種斜面光纖式雙向光學組件的光電集成封裝(OEIP)結構及方法。首先，于光纖的一端形成一斜面，再將光纖、發(fā)光元件、檢光元件承載固定于基板上。借助此斜面，發(fā)光元件所產(chǎn)生的上傳光波信號折射進入光纖并傳遞出去，而下載光波信號則由光纖內(nèi)反射出來并由檢光元件予以接收檢測。最后，覆蓋封裝體以保護光纖、發(fā)光元件、檢光元件、及基板。
圖1顯示一種傳統(tǒng)分波多工的光收發(fā)組件的剖面圖。
圖2顯示另一種傳統(tǒng)分波多工的光收發(fā)組件的剖面圖。
圖3A的側視圖顯示本發(fā)明實施例的斜面光纖式雙向光學組件的配置。
圖3B的上視圖顯示本發(fā)明實施例的斜面光纖式雙向光學組件的配置。
圖4A的示意圖顯示本發(fā)明的光發(fā)射端運作機制。
圖4B的示意圖顯示本發(fā)明的光接收端運作機制。
圖5A的示意圖顯示本發(fā)明的斜面光纖式雙向光學組件的光發(fā)射端工作原理。
圖5B的示意圖顯示本發(fā)明的斜面光纖式雙向光學組件的光接收端工作原理。
圖6顯示應用本發(fā)明架構的光路徑例子。
圖7A、圖7B及圖7C的立體圖顯示本發(fā)明實施例的斜面光纖式雙向光學組件的光電集成封裝的結構及制作方法。
具體實施方式圖3A的側視圖顯示本發(fā)明實施例的斜面光纖式雙向光學組件的結構，圖3B為圖3A的上視圖。本發(fā)明實施例使用單一光纖30來同時上傳及下載光波信號，以實現(xiàn)全雙工(full duplex)通訊。如圖所示，于光纖30中上傳波長為λ1(例如1310nm)的光波信號及下載波長為λ2(例如1550nm)的光波信號，其中，λ1與λ2可以是不同的，也可以是相同的。本發(fā)明可以適用于各種光纖類型，例如單模光纖、多模光纖、或塑膠光纖。本發(fā)明的特征的一在于光纖30的一端具有特定角度的斜面303，作為上傳光波信號λ1折射或下載光波信號λ2反射之用，其運作機制及工作原理將于后面篇幅及附圖再予詳述。在本實施例中，為便于說明，因此采用45度角，然而此特定角度可視應用場合而作調(diào)整；例如，配合所使用光纖的折射率(refractive index)的不同而調(diào)整此特定角度。
前述的上傳光波信號λ1是由發(fā)光元件31所產(chǎn)生。在本實施例中，是使用一裸芯片型二極管(例如邊射型激光二極管、面射型激光二極管、或發(fā)光二極管)，其從側邊發(fā)射具有特定波長的光波信號λ1，經(jīng)特定角度的斜面303折射后進入光纖30的核心部分(core)。前述的下載光波信號λ2經(jīng)光纖30特定角度的斜面303反射后，由檢光元件32所檢測接收。在本實施例中，是使用一裸芯片型檢光二極管，例如邊收型檢光二極管或面收型檢光二極管；此檢光元件32通常具有數(shù)十微米的光接收面積，然而不限定于此。
除了上述光纖30、發(fā)光元件31、及檢光元件32的主要構成元件外，本發(fā)明實施例還包含一監(jiān)光元件33，設置于發(fā)光元件31的旁邊(例如后方)，用以監(jiān)測發(fā)光元件31的輸出光波功率的變化情形。由于一般發(fā)光元件31的輸出功率或者輸出波長會受到老化或者溫濕度的影響，因此通常需要借助監(jiān)光元件33來隨時監(jiān)控其輸出狀態(tài)；一旦發(fā)現(xiàn)其輸出超過預設范圍時，即會反饋控制發(fā)光元件31的偏壓電路36，以控制發(fā)光元件31的偏壓準位，使其輸出功率或波長隨時可以保持于預設范圍內(nèi)。本發(fā)明實施例還包含一光學元件34，設置于發(fā)光元件31與光纖30之間，用以匯聚發(fā)光元件31所發(fā)射的光波信號λ1，提供寬裕的耦光對位容許度，因而提升光纖30的耦合效率。本實施例是使用球透鏡(Ball Lens)，然而其它光學元件(例如微透鏡(Micro-lens)或漸變式折射率透鏡(Graded-Index Lens，GRIN Lens))也可適用。在本實施例中，上述的光纖30、發(fā)光元件31、檢光元件32、監(jiān)光元件33、光學元件34是承載于一基板35上，并分別由其表面的光纖固定槽301、發(fā)光元件固定槽311、檢光元件固定槽、監(jiān)光元件固定槽331、及光學元件固定槽341來固定。此基板35不但提供各個元件的承載功能，也提供了組裝對位的結構設計?；?5的底部更可以加上散熱片40，用以提升發(fā)光元件31的散熱效率。此外，光纖30的另一端通常會連接一連接頭(connector)41(例如業(yè)界一般常見的FC、SC、ST、或LC接頭)，用以和其它的光纖或光學模組相連接。
圖4A及圖4B的示意圖分別顯示本發(fā)明的斜面光纖式雙向光學組件的光發(fā)射端與光接收端的運作機制。如圖4A所示的光發(fā)射端運作機制，借助發(fā)光元件31發(fā)射具有特定波長的光波信號λ1，經(jīng)特定角度302的斜面303，折射進入光纖30的核心部分304；由于核心部分304的折射率大于披覆層(cladding)305的折射率，故光波信號λ1得以在核心部分304借助全反射的方式向外傳遞信號。如圖4B所示的光接收端運作機制，下載的光波信號λ2由光纖的核心部分304，經(jīng)特定角度302的斜面303反射至檢光元件32的感應區(qū)域。
圖5A及圖5B的示意圖分別顯示本發(fā)明的斜面光纖式雙向光學組件的光發(fā)射端與光接收端的工作原理。在發(fā)射端方面，如圖5A所示，光波信號λ1欲在光纖內(nèi)傳遞則必須滿足全反射條件，亦即，第一入射角θi1大于第一臨界角(Critical angle)θc1此外，光波信號λ1由空氣(其折射率Na約為1)，經(jīng)特定角度302的斜面303入射進入光纖核心部分304時，會發(fā)生部份反射、部份折射現(xiàn)象，第二入射角θi2越大，反射比率越大，入射比率越小。在接收端方面，如圖5B所示，光波信號λ2由光纖核心部分304傳輸?shù)教囟ń嵌?02的斜面303時，第三入射角θi3大于第二臨界角θc2時，光波信號λ2發(fā)生全反射，而全部入射至檢光元件。因此，一旦選定光纖(即選定光纖核心折射率Nc與光纖披覆層折射率Nd)后，可借助調(diào)整光纖斜面的角度302并配合調(diào)整第二入射角θi2與檢光元件接收角度，以得到較佳表現(xiàn)。
根據(jù)上述實施例的架構及工作原理，以下提供一例示并配合圖6所示的光路徑來說明本發(fā)明的應用。當光纖披覆層305折射率(Nd)約為1.47且光纖特定角度約為45度的條件下，光纖核心304折射率(Nc)約為1.65以上(其高于一般光纖的核心折射率(Nc約1.5))時，可得到較小的第二入射角θi2，因而上傳的光波信號λ1絕大部分都可以從光纖斜面303進入光纖核心部分304，并于光纖核心部分304以全反射方式傳輸。此外，下載的光波信號λ2亦可幾乎完全進入檢光元件32。因此，使用光纖核心折射率(Nc)較高的光纖，再配合調(diào)整光纖斜面角度302、上傳光波信號入射角度θi2及檢光元件下載光波信號接收角度，可使本發(fā)明的光學組件得到較佳表現(xiàn)。
關于光纖末端特定角度的斜面的制作，其可借助光纖研磨機來制作完成。首先，將一裸光纖端面固定于光纖夾制具，以控制所要研磨成型的特定角度，再利用由粗至細的研磨墊，逐次進行研磨與拋光，以避免因斜面的粗糙而影響光波信號的上傳與下載。除了研磨方式，光纖末端的斜面制作也可以使用其它技術，例如蝕刻或切割。
圖7A及圖7B的立體圖顯示本發(fā)明實施例的斜面光纖式雙向光學組件的光電集成封裝(OptoElectronics Integrated Package，OEIP)的結構及制作方法。首先，以微機電系統(tǒng)(Micro-ElectroMechanical Systems，MEMS)工藝方法來制作基板35，于基板35表面上形成光纖固定槽301、發(fā)光元件固定槽311、檢光元件固定槽、監(jiān)光元件固定槽331、光學元件固定槽341等具有預定圖形、深度與輪廓的V形槽或U形槽，且光纖固定槽301的末端具有如同光纖同樣特定角度的斜面?；蛘?，基板35亦可以微射出成型技術(Micro-Injection Molding，MIM)來完成；亦即，母片一旦以微機電工藝方法完成后，以翻模的技術制作出基板模具，再以微射出成型技術制作出基板。在本實施例中，基板35的材質(zhì)可以是一般的半導體材質(zhì)、高分子材質(zhì)、金屬材質(zhì)、或其組合。然后，分別將光纖30、發(fā)光元件31、檢光元件32、監(jiān)光元件33、光學元件34等主、被動元件固著于相對應的溝槽內(nèi)，如圖7A所示。此種封裝結構及方法可以提供簡易組裝與對位的結構設計，以簡化組裝及降低制造成本。接著，將導線架38A接合于基板35表面上。此導線架38A具有雙排獨立金屬接腳，作為與外界傳遞電信號的媒介；導線架與外界接合方式可以是表面黏著法(Surface Mount Technology，SMT)，如圖7A、圖7B所示的導線架38A；也可以是穿孔(Pin-Through-Hole，PTH)方式，如圖7C所示的導線架38B。然后，再以打線接合(Wire Bonding)方式將導線(例如金線)37打接在裸芯片上的焊墊(Bonding Pad)與導線架38之間。最后，借助封膠(Molding)工藝，以封裝體39包覆整個基板35，以達到保護內(nèi)部元件(亦即光纖30、發(fā)光元件31、檢光元件32、監(jiān)光元件33、光學元件34、基板35、導線架38)的作用，如圖7B所示。封裝體39的材料通常為固態(tài)模封材料(Molding Compound)，例如陶瓷材料或塑膠材料。在封膠工藝之前，還可以于發(fā)光元件31與光纖30之間填充反射率匹配(Index Matching)膠材(圖式中未顯示)，更加提升光纖的耦合效率。經(jīng)由本實施例的封裝工藝所完成的光學組件，可以方便的組裝應用于光電整合基板(EOCB)上，以組成各種的光電整合系統(tǒng)。
本發(fā)明所揭示的斜面光纖式雙向光學組件可以同時進行光波信號的上傳及下載，即使光波信號的波長一樣，也不會彼此干擾；因而可以達到利用一條光纖、一個波長，即可達到上傳及下載不同訊息的全雙工通訊目的。借助本發(fā)明實施例，無須使用傳統(tǒng)的分光濾波片(WDM filter)，不但可以大幅縮減光學組件的體積，還可以降低制作成本。另外，光纖借助基板上的固定槽與其它主動式元件直接對準，因而可以采用被動對位(passive alignment)的組裝技術。再者，使用光學元件以提高耦光效率，可大幅提高模組光波輸出效率。此外，使用微機電工藝(MEMS)或光電集成封裝(OEIP)技術，可以簡化組裝及降低制造成本。
以上所述的實施例僅為說明本發(fā)明的技術思想及特點，其目的在使熟悉本技術的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實施，當不能以的限定本發(fā)明的專利范圍，即凡依本發(fā)明所揭示的精神所作的等效變化或修飾，仍應涵蓋在本發(fā)明的專利范圍內(nèi)。
權利要求
1.一種斜面光纖式雙向光學組件，包含一光纖，其一端具有一斜面；一發(fā)光元件，產(chǎn)生上傳光波信號并經(jīng)由該斜面折射進入該光纖；及一檢光元件，接收檢測從該光纖內(nèi)部經(jīng)由該斜面所反射出來的下載光波信號。
2.如權利要求
1所述的斜面光纖式雙向光學組件，其特征在于所述的光纖為單模光纖、多模光纖、或塑膠光纖。
3.如權利要求
1所述的斜面光纖式雙向光學組件，其特征在于還包含一連接頭，連接于光纖的另一端，該連接頭的形式為FC、SC、ST、或LC接頭。
4.如權利要求
1所述的斜面光纖式雙向光學組件，其特征在于還包含一基板，用以承載該光纖、該發(fā)光元件及該檢光元件。
5.如權利要求
4所述的斜面光纖式雙向光學組件，其特征在于所述基板的表面具有復數(shù)個固定槽，分別用以固定該光纖、該發(fā)光元件、及該檢光元件。
6.如權利要求
1所述的斜面光纖式雙向光學組件，其特征在于所述的發(fā)光元件為邊射型激光二極管、面射型激光二極管、或發(fā)光二極管。
7.如權利要求
1所述的斜面光纖式雙向光學組件，其特征在于還包含一光學元件，設于該發(fā)光元件與該光纖之間，用以提升該光纖的耦合效率。
8.如權利要求
7所述的斜面光纖式雙向光學組件，其特征在于所述的光學元件為球透鏡、微透鏡、或漸變式折射率透鏡。
9.如權利要求
1所述的斜面光纖式雙向光學組件，其特征在于還包含一監(jiān)光元件，設于該發(fā)光元件旁，用以監(jiān)測該發(fā)光元件的輸出光波功率。
10.如權利要求
9所述的斜面光纖式雙向光學組件，其特征在于還包含一偏壓電路，受控于該監(jiān)光元件，用以控制該發(fā)光元件的偏壓準位。
11.如權利要求
1所述的斜面光纖式雙向光學組件，其特征在于所述的檢光元件為邊收型檢光二極管或面收型檢光二極管。
12.如權利要求
1所述的斜面光纖式雙向光學組件，其特征在于所述光纖的斜面與該光纖的周邊具有一大約45度的角度。
13.如權利要求
4所述的斜面光纖式雙向光學組件，其特征在于還包含一封裝體，覆蓋以保護該光纖、該發(fā)光元件、該檢光元件、及該基板。
14.如權利要求
1所述的斜面光纖式雙向光學組件，其特征在于還包含反射率匹配膠材，填充于該發(fā)光元件與該光纖之間，以提升該光纖的耦合效率。
15.如權利要求
1所述的斜面光纖式雙向光學組件，其特征在于還包含一導線架，作為與外界傳遞電信號的媒介。
16.如權利要求
15所述的斜面光纖式雙向光學組件，其特征在于還包含接合導線，打接于該發(fā)光元件、該檢光元件與該導線架之間。
17.一種斜面光纖式雙向光學組件的封裝方法，包含提供一基板；于一光纖的一端形成一斜面，并固設該光纖于該基板上；固設一發(fā)光元件于該基板上，用以產(chǎn)生上傳光波信號并經(jīng)由該斜面折射進入該光纖；固設一檢光元件于該基板上，用以接收檢測從該光纖內(nèi)部經(jīng)由該斜面所反射出來的下載光波信號；及覆蓋一封裝體，以保護該光纖、該發(fā)光元件、該檢光元件、及該基板。
18.如權利要求
17所述斜面光纖式雙向光學組件的封裝方法，其特征在于還包含于該基板的表面形成復數(shù)個固定槽，用以分別固定該光纖、該發(fā)光元件、及該檢光元件。
19.如權利要求
17所述斜面光纖式雙向光學組件的封裝方法，其特征在于還包含固設一光學元件，于該發(fā)光元件與該光纖之間，用以提升該光纖的耦合效率。
20.如權利要求
17所述斜面光纖式雙向光學組件的封裝方法，其特征在于還包含固設一監(jiān)光元件，于該發(fā)光元件旁，用以監(jiān)測該發(fā)光元件的輸出光波功率。
21.如權利要求
20所述斜面光纖式雙向光學組件的封裝方法，其特征在于還包含固設一偏壓電路，其受控于該監(jiān)光元件，用以控制該發(fā)光元件的偏壓準位。
22.如權利要求
17所述斜面光纖式雙向光學組件的封裝方法，其特征在于所述光纖的斜面是經(jīng)由研磨、蝕刻或切割的方式，使得該斜面與該光纖的周邊具有一大約45度的角度。
23.如權利要求
17所述斜面光纖式雙向光學組件的封裝方法，其特征在于還包含填充一反射率匹配膠材，于該發(fā)光元件與該光纖之間，以提升該光纖的耦合效率。
24.如權利要求
17所述斜面光纖式雙向光學組件的封裝方法，其特征在于還包含固設一導線架，作為與外界傳遞電信號的媒介。
25.如權利要求
24所述斜面光纖式雙向光學組件的封裝方法，其特征在于還包含將接合導線打接于該發(fā)光元件、該檢光元件與該導線架之間。
專利摘要
本發(fā)明提供一種斜面光纖式雙向光學組件，其使用單一光纖來上傳及下載光波信號，其中，光纖的一端具有一斜面。借助此斜面，發(fā)光元件所產(chǎn)生的上傳光波信號折射進入光纖并傳遞出去，而下載光波信號則由光纖內(nèi)反射出來并由檢光元件予以接收檢測。
文檔編號H04B10/24GK1996072SQ200610051500
公開日2007年7月11日 申請日期2006年1月5日
發(fā)明者柯志祥, 蔡明郎, 盧慧娟, 張金生 申請人:財團法人工業(yè)技術研究院導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan