申请/专利权人：上海先方半导体有限公司

申请日：2019-07-05

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN110244416B

主分类号：G02B6/42

分类号：G02B6/42;B25J15/06;B25J15/00;B25J9/00;B23P19/00

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2019.10.15#实质审查的生效;2019.09.17#公开

摘要：本发明公开了一种光互连模块的装配装置，包括：光纤抓取器，包括光纤吸盘和与光纤吸盘相连接的手臂，所述光纤吸盘为圆柱曲面弹性板，用于吸附光纤的外壁；以及光纤转动机构，包括圆形齿条以及与圆形齿条配合的齿轮，所述手臂固定在圆形齿条的底部，使得光纤吸盘抓取的光纤的中心与圆形齿条的旋转中心重合。

主权项：1.一种光互连模块的装配装置，包括：光纤抓取器，包括光纤吸盘和与光纤吸盘相连接的手臂，所述光纤吸盘为圆柱曲面弹性板，用于吸附光纤的外壁；以及光纤转动机构，包括圆形齿条以及与圆形齿条配合的齿轮，所述手臂固定在圆形齿条的底部，使得光纤吸盘抓取的光纤的中心与圆形齿条的旋转中心重合。

全文数据：一种光互连模块及其装配装置技术领域本发明涉及光电混合封装技术领域，更具体而言，本发明涉及一种超大容量光互连模块及其装配装置。背景技术随着计算机产业的快速发展，信息处理的速度与容量已成为该领域评估优劣的标准，尤其是传输速度的提高，计算机主机内的芯片得以配合周边设备不断扩充其功能。光耦合是限制光电转换实现高效解决的至关重要的关键技术点。光学耦合和封装是光电集成、光模块成本组成占比较大的部分。在光耦合中，较之单芯耦合技术，多芯器件和MCF之间的对准难度更大大，效率很低，限制集成度。图1示出一根多核光纤与多核器件进行耦合的示意图。如图1所示，多核光纤101通过机器视觉系统103与多核器件102进行对准。机器视觉系统103可采用分割图像或双图像对齐系统对多核光纤101和多核器件102进行对准。成像系统的光学路径如图1中的箭头所示，多核光纤101的图像经由分束器105和透镜104成像在机器视觉系统103上，多核器件102的图像经由分束器105、反射镜106，再进入分束器105、透镜104成像在机器视觉系统103上。通过旋转多核光纤101实现多核光纤101和多核器件102的对准。对于大规模的数据互连而言，如果采用图1所述的方案，则很难实现多根多核光纤系统的耦合。图2示出多根多核光纤系统的耦合的示意图。如图2所示，多个多核器件202以特定的规则排列在基板上。多根多核光纤201固定在光纤固定模块上。当通过旋转光纤固定模块对一根光纤进行对准后，其他根光纤也随之固定，无法再进行旋转对准。发明内容本发明旨在解决大容量光互连传输，通过本发明的实施例公开的装配装置将大阵列多芯垂直腔面发射激光器vcsel和多芯PIN光电二极管PD贴装于其表面，最终可实现超级计算机互连、超大容量服务器机房内机柜和板卡之间的数据交换，便于集成组装。根据本发明的一个实施例，提供一种光互连模块的装配装置，包括：光纤抓取器，包括光纤吸盘和与光纤吸盘相连接的手臂，所述光纤吸盘为圆柱曲面弹性板，用于吸附光纤的外壁；以及光纤转动机构，包括圆形齿条以及与圆形齿条配合的齿轮，所述手臂固定在圆形齿条的底部，使得光纤吸盘抓取的光纤的中心与圆形齿条的旋转中心重合。所述齿轮可以保证光纤装配实现中心对称，而且精确控制光纤转动幅度，实现高精度对准。在本发明的一个实施例中，光纤吸盘是真空式光纤吸盘，光纤吸盘与光纤接触的面上具有一个或多个孔，通过对孔进行抽真空，使光纤吸盘紧密吸附在光纤之上。在本发明的一个实施例中，光纤吸盘是静电式光纤吸盘，金属电极埋入在光纤吸盘内，金属电极通电后产生静电力，使光纤吸盘紧密吸附在光纤之上。在本发明的一个实施例中，手臂通过电磁铁固定在圆形齿条上。在本发明的一个实施例中，光互连模块的装配装置还包括安装在光纤通孔侧面的超声波润滑装置。在本发明的一个实施例中，光纤转动机构上还包括一个或多个第一弹簧锚孔，每个第一弹簧锚孔与O形环压缩支架上的第二弹簧锚孔相对应，一个或多个弹簧安装在第一弹簧锚孔和第二弹簧锚孔之间。根据本发明的另一个实施例，提供一种光互连模块，包括：插孔板；设置在插孔板上的多层电路板；焊接在电路板上的一个或多个芯片；可插拔光纤模组板，光纤带通过顶盖连接到可插拔可插拔光纤模组板，所述可插拔光纤模组板通过连接器固定在芯片上方，实现光纤与芯片的耦合，其中所述顶盖上方设置有光纤抓取器，包括光纤吸盘和与光纤吸盘相连接的手臂，所述光纤吸盘为圆柱曲面弹性板，用于吸附光纤的外壁；以及光纤转动机构，包括圆形齿条以及与圆形齿条配合的齿轮，所述手臂固定在圆形齿条的底部，使得光纤吸盘抓取的光纤的中心与圆形齿条的旋转中心重合。在本发明的另一个实施例中，光纤转动机构上还包括一个或多个第一弹簧锚孔，每个第一弹簧锚孔与O形环压缩支架上的第二弹簧锚孔相对应，一个或多个弹簧安装在第一弹簧锚孔和第二弹簧锚孔之间，所述O形环压缩支架固定在顶盖上。在本发明的另一个实施例中，所述光纤吸盘是真空式光纤吸盘，光纤吸盘与光纤接触的面上具有一个或多个孔，通过对孔进行抽真空，使光纤吸盘紧密吸附在光纤之上。在本发明的另一个实施例中，所述光纤吸盘是静电式光纤吸盘，金属电极埋入在光纤吸盘内，金属电极通电后产生静电力，使光纤吸盘紧密吸附在光纤之上。本发明的方案可以实现多核器件和光纤的高效对准耦合，适用于超高集成度的光互方案，通过该耦合组装方案，可以实现256Tbps发射和256Tbps接收模块，用于超级计算模块之间短距离超大容量数据交换。附图说明为了进一步阐明本发明的各实施例的以上和其它优点和特征，将参考附图来呈现本发明的各实施例的更具体的描述。可以理解，这些附图只描绘本发明的典型实施例，因此将不被认为是对其范围的限制。在附图中，为了清楚明了，相同或相应的部件将用相同或类似的标记表示。图1示出一根多核光纤与多核器件进行耦合的示意图。图2示出多根多核光纤系统的耦合的示意图。图3示出根据本发明的一个实施例的6核光器件示意图。图4示出根据本发明的一个实施例的光纤耦合方案的侧视图。图5示出根据本发明的一个实施例的光纤耦合装置的俯视图。图6示出根据本发明的一个实施例的光纤吸盘511的局部透视图。图7示出根据本发明的一个实施例的静电式光纤吸盘的俯视图和透视图。图8示出根据本发明的一个实施例的光纤耦合装置800的全局俯视图。图9示出根据本发明的一个实施例的超大容量光互连模块900的截面示意图。图10示出根据本发明的一个实施例的超大容量光互连模块的系统架构图。具体实施方式在以下的描述中，参考各实施例对本发明进行描述。然而，本领域的技术人员将认识到可在没有一个或多个特定细节的情况下或者与其它替换和或附加方法、材料或组件一起实施各实施例。在其它情形中，未示出或未详细描述公知的结构、材料或操作以免使本发明的各实施例的诸方面晦涩。类似地，为了解释的目的，阐述了特定数量、材料和配置，以便提供对本发明的实施例的全面理解。然而，本发明可在没有特定细节的情况下实施。此外，应理解附图中示出的各实施例是说明性表示且不一定按比例绘制。在本说明书中，对“一个实施例”或“该实施例”的引用意味着结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在本发明的至少一个实施例中。在本说明书各处中出现的短语“在一个实施例中”并不一定全部指代同一实施例。在本发明的实施例中，以6核器件和光纤系统为例，对本发明的耦合组装装置进行说明。然而，本领域的技术人员应该理解，本发明的耦合组装制造适用于任何数量的多核光纤和多核器件。图3示出根据本发明的一个实施例的6核光器件示意图。下面结合图3介绍6核光器件的特征尺寸。如图3所示，6核光器件601均匀排布在以核心602为中心第一圆圈603内。第一圆圈603的直径约为125微米。光器件601的直径约为26微米。核心602的直径约为9微米。外接焊球604分布在第二圆圈605和第三圆圈606之间。外接焊球604的直径约为50微米。第二圆圈605的直径约为250微米，第三圆圈606的直径约为350至450微米之间。本领域的技术人员应该理解，图3仅仅是以示意的方式示出多核光器件的尺寸和排布方式。本发明的保护范围不限于此，本发明的多核光器件的尺寸和排布方式可根据实际的需要进行任意修改和设置。在光纤耦合的过程中，首先在校准站中将带有多个光纤通孔的光纤模组板与光器件基板进行对准，然后将光纤插入光纤通孔。图4示出根据本发明的一个实施例的光纤耦合方案的侧视图。如图4所示，光纤模组板401含有光纤通孔，将光纤插入光纤通孔，可通过超声波润滑装置402去除静电，便于光纤插入和转动。图5示出根据本发明的一个实施例的光纤耦合装置的俯视图。如图5所示，光纤耦合装置包括光纤抓取器510和光纤转动机构520。光纤抓取器510包括光纤吸盘511和与光纤吸盘相连接的手臂512。光纤吸盘511通过真空或静电的方式吸附光纤501的外壁。在图5所示的实施例中，光纤吸盘511为真空式光纤吸盘。图6示出根据本发明的一个实施例的光纤吸盘511的局部透视图。光纤吸盘511为部分圆柱曲面弹性板。光纤吸盘511与光纤外部表面基本一致，换言之，光纤吸盘511的曲面半径与圆柱半径基本相同。光纤吸盘511与光纤501接触的面上具有一个或多个孔512，通过对孔512进行抽真空，光纤吸盘511紧密吸附在光纤之上。图7示出根据本发明的一个实施例的静电式光纤吸盘的俯视图和透视图。如图7所示，静电式光纤吸盘701为部分圆柱曲面弹性板。光纤吸盘701与光纤外部表面基本一致，换言之，光纤吸盘701的曲面半径与圆柱半径基本相同。弹性板的内部埋入金属电极702，电极通电后将产生静电力，使光纤吸盘701紧密吸附在光纤之上。在图5至图7所示的实施例中，光纤吸盘可选择可加工的聚酰亚胺来制造，例如，薄的Vespel或Kapton膜。返回图5，光纤转动机构520包括圆形齿条521以及与圆形齿条521配合的齿轮522。齿轮522可以保证光纤装配实现中心对称，而且精确控制光纤转动幅度，实现高精度对准。手臂512固定在圆形齿条521的底部，使得光纤吸盘抓取的光纤的中心与圆形齿条521的旋转中心重合。例如，手臂512可通过电磁铁固定在圆形齿条521上，圆形齿条的材料521的材料则选用软铁氧体材料。圆形齿条521外部固定有CW压电，通过CW压电，控制光纤转动机构520的旋转。图8示出根据本发明的一个实施例的光纤耦合装置800的全局俯视图。如图8所示，光纤耦合装置800的轴801为圆形齿条521的旋转中心。光纤耦合装置800包括四根O形环压缩支架802至805以及中间的光纤转动机构。每根O形环压缩支架具有弹簧锚孔807至810。弹簧锚孔807与光纤转动机构上的锚孔811对应，弹簧锚孔808与光纤转动机构806上的锚孔812对应，弹簧锚孔809与光纤转动机构806上的锚孔813对应，弹簧锚孔810与光纤转动机构806上的锚孔814对应。带引线的弹簧815的两端分别固定在弹簧锚孔807和811上，带引线的弹簧816的两端分别固定在弹簧锚孔808和812上，带引线的弹簧817的两端分别固定在弹簧锚孔809和813上，带引线的弹簧818的两端分别固定在弹簧锚孔810和814上。光纤转动机构806上还包括CCW锁和旋转止动点，用于确保光纤转动机构的稳定性，转轴不会不受限制的大幅度转动。光纤耦合装置800放置在超大容量光互连模块的盖板820上，盖板820上分布有多个输入输出波导孔821。盖板的四周设置有O形环822。图9示出根据本发明的一个实施例的超大容量光互连模块900的截面示意图。超大容量光互连模块900包括插孔板901、设置在插孔板901上的多层电路板。处理器、存储器等芯片焊接在电路板上。多层电路板的表面和内部具有一层或多层电气互连的金属传输线，满足光器件和电芯片或者其余电学匹配电路的电气互连。多层电路板中的一层或多层金属导线通过导电金属通孔实现正反面电学互连。处理器、存储器等光芯片和或电芯片焊接在电路板的金属焊盘上。光芯片和或电芯片可通过芯片倒装焊工艺或引线键合工艺焊接在电路板的金属焊盘上。光纤带902通过顶盖904连接到可插拔光纤模组板903，可插拔光纤模组板903带有精准定位的光学通孔，可以满足单多核的面发射和面接收光器件和单多核光纤或者光栅等无源光耦合，可插拔光纤模组板903通过连接器固定在芯片上方，实现光纤与芯片的耦合。超大容量光互连模块900内还设置有接触冷却板905。接触冷却板905内设置有流体通道。图10示出根据本发明的一个实施例的超大容量光互连模块的系统架构图。如图10所示，超大容量光互连模块的系统包括处理器1010、设置在处理器周围的多个存储器1020、存储器周围的光学输入输出接口1030。尽管上文描述了本发明的各实施例，但是，应该理解，它们只是作为示例来呈现的，而不作为限制。对于相关领域的技术人员显而易见的是，可以对其做出各种组合、变型和改变而不背离本发明的精神和范围。因此，此处所公开的本发明的宽度和范围不应被上述所公开的示例性实施例所限制，而应当仅根据所附权利要求书及其等同替换来定义。

权利要求：1.一种光互连模块的装配装置，包括：光纤抓取器，包括光纤吸盘和与光纤吸盘相连接的手臂，所述光纤吸盘为圆柱曲面弹性板，用于吸附光纤的外壁；以及光纤转动机构，包括圆形齿条以及与圆形齿条配合的齿轮，所述手臂固定在圆形齿条的底部，使得光纤吸盘抓取的光纤的中心与圆形齿条的旋转中心重合。2.如权利要求1所述的光互连模块的装配装置，其特征在于，所述光纤吸盘是真空式光纤吸盘，光纤吸盘与光纤接触的面上具有一个或多个孔，通过对孔进行抽真空，使光纤吸盘紧密吸附在光纤之上。3.如权利要求1所述的光互连模块的装配装置，其特征在于，所述光纤吸盘是静电式光纤吸盘，金属电极埋入在光纤吸盘内，金属电极通电后产生静电力，使光纤吸盘紧密吸附在光纤之上。4.如权利要求1所述的光互连模块的装配装置，其特征在于，所述手臂通过电磁铁固定在圆形齿条上。5.如权利要求1所述的光互连模块的装配装置，其特征在于，还包括安装在光纤通孔侧面的超声波润滑装置。6.如权利要求1所述的光互连模块的装配装置，其特征在于，光纤转动机构上还包括一个或多个第一弹簧锚孔，每个第一弹簧锚孔与O形环压缩支架上的第二弹簧锚孔相对应，一个或多个弹簧安装在第一弹簧锚孔和第二弹簧锚孔之间。7.一种光互连模块，包括：插孔板；设置在插孔板上的多层电路板；焊接在电路板上的一个或多个芯片；可插拔光纤模组板，光纤带通过顶盖连接到可插拔可插拔光纤模组板，所述可插拔光纤模组板通过连接器固定在芯片上方，实现光纤与芯片的耦合，其中所述顶盖上方设置有光纤抓取器，包括光纤吸盘和与光纤吸盘相连接的手臂，所述光纤吸盘为圆柱曲面弹性板，用于吸附光纤的外壁；以及光纤转动机构，包括圆形齿条以及与圆形齿条配合的齿轮，所述手臂固定在圆形齿条的底部，使得光纤吸盘抓取的光纤的中心与圆形齿条的旋转中心重合。8.如权利要求7所述的光互连模块，其特征在于，光纤转动机构上还包括一个或多个第一弹簧锚孔，每个第一弹簧锚孔与O形环压缩支架上的第二弹簧锚孔相对应，一个或多个弹簧安装在第一弹簧锚孔和第二弹簧锚孔之间，所述O形环压缩支架固定在顶盖上。9.如权利要求7所述的光互连模块7，其特征在于，所述光纤吸盘是真空式光纤吸盘，光纤吸盘与光纤接触的面上具有一个或多个孔，通过对孔进行抽真空，使光纤吸盘紧密吸附在光纤之上。10.如权利要求7所述的光互连模块，其特征在于，所述光纤吸盘是静电式光纤吸盘，金属电极埋入在光纤吸盘内，金属电极通电后产生静电力，使光纤吸盘紧密吸附在光纤之上。

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