CN100428591C - 高速率半导体光发射组件的封装结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明主要涉及光纤通信领域，特别是一种高速率半导体光发射组件的封装结构及方法。结构包括；带有射频连接头的蝶形管壳、半导体致冷器、KOVAR金属热沉、介质热沉基片、光发射器件、热敏电阻、背光检测探测器、用互连金丝连接直流接线电极和管壳引脚，用金丝或金带连接介质热沉基片和介质基片上的共面波导传输线，以及光学耦合组件。方法包括：直流端口在管壳外部采用等间距排列的BTF标准封装形式；高频端口采用射频连接头；光学组件部分采用的是分离式调整；还具有热敏电阻和背光探测器便于监视半导体激光器的工作状态；带有半导体致冷器，用于对光发射芯片的工作温度进行控制。

Description

高速率半导体光发射组件的封装结构及方法

技术领域

本发明主要涉及光纤通信领域，更具体的说是一种用于高速率、长距离传输的光发射组件的封装结构。

背景技术

在光纤通信领域中，半导体激光器及其与其它光电器件的集成器件一直以来都是作为信号源的首选器件。这里我们将半导体激光器及其与其它光电器件的集成器件统称为半导体光发射器件，例如，各种半导体激光器；DFB/DBR激光器与调制器的集成器件；激光器、调制器、放大器、模斑转换器，光波导等多种功能器件的集成器件，但不仅限于这些。

当光电器件芯片制作完毕后，封装是器件能否充分展现其性能，进而实用化的关键。电信号引入和分配，光能量的耦合，模块保护，恒温散热等在一定程度上都依赖于器件封装。所以需要利用合理、高效的封装手段将包括半导体激光器在内的光发射芯片的输出功率最大限度的转换成为光纤中携带信号的有用功率，降低在传输过程中反射、色散等不利因素的影响。目前光发射端采用的主要封装形式有：同轴封装(TO型)、双列支插封装(DIP型)、蝶形封装(BTF型)。但是这些封装很难实现高速率特别是10Gbit/s及更高的传输速率要求。

发明内容

正因为如此，本发明的主要目的就是在于提供一种能够实现高速率、长距离传输的封装结构。本发明的另一目的在于提高功率耦合效率、减少应力对整个系统的影响。

本发明的目的是通过以下手段实现的：一种用于高速率半导体光发射组件的封装方法，其步骤如下：

1)本封装结构的直流端口在管壳外部采用等间距排列的BTF标准封装形式，而在管壳内部则采用密集式布线有利于缩短金丝减少引线距离；

2)本封装结构的高频端口采用射频连接头；例如，SMA连接头、GPO连接头。

3)本封装结构内部高频传输线采用双段结构设计，这既便于耦合过程中的调试安装，同时又可以减少半导体致冷器(TEC)的负载；

4)本封装结构所采用的各段传输线都进行了侧壁和通孔的金属化，用于改善高频接地的效果，提高整个器件的传输速率；

5)本封装结构的光学组件部分采用的是分离式调整、一体化焊接的新结构，分离开调整每个光学组件可以将耦合效率提升到最大，调整后在将它们焊接为一个整体，则可以使它们在系统中的温度趋于一致，减少应力造成的光学组件偏心；

6)本封装结构还具有热敏电阻(Rh)和背光探测器(PD)便于监视半导体激光器的工作状态；

7)本封装结构带有半导体致冷器(TEC)，用于对光发射芯片的工作温度进行控制。

一种用于高速率半导体光发射组件的封装结构，该封装包括：

一带有射频连接头2的蝶形管壳；

一半导体致冷器8焊结在管壳里面；

一KOVAR(铁镍钴合金)金属热沉9焊结在半导体致冷器8上；

一带有用于将高频信号输入到光发射器件的共面波导传输线、匹配电阻以及直流接线电极的介质热沉基片3；

一光发射器件5和一热敏电阻烧结在介质热沉基片3上；

一连接射频连接头2的带共面波导传输线的介质基片1；

一光学耦合组件；

介质热沉基片3及一背光检测探测器7焊结在KOVAR(铁镍钴合金)金属热沉9上；

用互连金丝连接直流接线电极和管壳引脚，用金丝或金带连接介质热沉基片3和介质基片1上的共面波导传输线。

所述的用于高速率半导体光发射组件的封装结构，光学耦合组件包括：

一KOVAR(铁镍钴合金)金属热沉9；

一中继环10；

一集光透镜固定套筒11；

一聚焦透镜固定套筒12；

一光纤套筒13；

一集光透镜16；

一光隔离器17；

一聚焦透镜18；

一端面呈6°-9°角的斜角单模光纤。

所述的用于高速率半导体光发射组件的封装结构，高速率半导体光发射组件封装结构的管壳一侧为直流管脚，另一侧为射频输入端口，

直流部分采用标准的蝶形(BTF)形式，在管壳外侧采取等距离布线，而在管壳内侧采用密集布线；射频连接头为SMA连接头或GPO连接头。

所述的用于高速率半导体光发射组件的封装结构，高速率半导体光发射组件封装结构射频信号的传输采用两段式分离结构：介质热沉基片3和介质基片1，两段基片材料可以相同也可以不同。

所述的用于高速率半导体光发射组件的封装结构，介质热沉基片3和介质基片1是背面金属化的，并且可带有侧面金属化和导电通孔。

所述的用于高速率半导体光发射组件的封装结构，基片材料是高阻硅片、陶瓷材料氧化铝、陶瓷材料氮化铝或者陶瓷材料氧化铍等，但并不仅限于这些。

所述的用于高速率半导体光发射组件的封装结构，集光透镜、隔离器、和聚焦透镜是分别放置在不同套筒内的，通过套筒实现同轴定位。

所述的用于高速率半导体光发射组件的封装结构，集光透镜、隔离器、和聚焦透镜是采用分离调试定位、一体焊接固定。

为进一步阐述本发明封装结构，以下结合附图对本发明的实施例加以说明。

附图说明

图1是本发明高速率半导体光发射组件封装结构的俯视图。

图2是本发明高速率半导体光发射组件封装结构中光学耦合组件的侧视图。

图3为本发明高速率半导体光发射组件封装结构的立体图。

具体实施方式

图1的本发明封装结构采用两段分离式热沉来实现射频信号从射频连接头到光发射器件的低损耗输入，两段热沉单独操作，最后再通过金丝或金带连接，这样使得封装操作的难度下降，封装成品率提高。1为连接射频连接头的带共面波导传输线(记为CPWI)的介质基片；3为带有用于将高频信号输入到光发射器件的共面波导传输线(记为CPW2)、匹配电阻以及直流接线电极的介质热沉基片；基片材料可以是陶瓷材料如氧化铝、氮化铝、氧化铍，高阻硅片等，但并不仅限于这些；基片背面金属化并且可带有侧面金属化和导电通孔；基片1、3的材料可以相同也可以不同；2为射频连接头如SMA、GPO等；4为激光器及其它功能元、器件直流偏置引入端；5为光发射器件；6为光学耦合组件部分；7为背光检测探测器(PD)；8为致冷器(TEC)。

图2是本发明高速率半导体光发射组件封装结构中光学耦合组件的侧视图，即图1中标记为6的部分：其中9为KOVAR(铁镍钴合金)金属热沉；10为中继环；11为集光透镜固定套筒；12为聚焦透镜固定套筒；13为光纤套筒；14为热沉基片(同图1中标记3)；15为光发射器件(同图1中标记5)；16为集光透镜；17为光隔离器；18为聚焦透镜；19为端面呈6°-9°角的单模光纤，斜角光纤可防止光反射。

本发明高速率半导体光发射组件封装结构的具体封装方法如下：

第一、封装的准备-参见图1、2：

1)将集光透镜16和聚焦透镜18利用低熔点玻璃在氮气保护条件下分别焊接到集光透镜固定套筒11和聚焦透镜固定套筒12中；

2)将半导体致冷器8焊接到管壳中的适当位置上；

3)将基片1焊接在RF输入端的焊接平台上；

第二、光学组件的封装-参见图2：

1)将光发射器件15(例如电吸收EA调制器与分布布拉格反射DFB激光器的集成器件)焊接在介质热沉基片3上，再将介质热沉基片3焊接在KOVAR(铁镍钴合金)金属热沉9上；

2)调试中继环10使其中心点与光发射器件的发光点重合，利用YAG(钇铝石榴石)激光将其焊接固定在KOVAR(铁镍钴合金)金属热沉9上；

3)调试已经安装好集光透镜16的集光透镜套筒11到合适的位置即光发射器件出光点正好在透镜的焦点处能够将光发射器件发射出的发散光汇聚成平行光，利用YAG激光将其焊接固定在中继环10上；

4)旋转光隔离器17使其偏振方向与光发射器件输出光的偏振方向相同，利用YAG激光将其固定在集光透镜套筒11中；

5)利用YAG激光将已经安装好聚焦透镜18的聚焦透镜套筒12焊接固定在集光透镜套筒11中；

6)调试单模光纤19使出纤光功率达到最大(一般耦合效率平均值大于42％)，利用YAG激光将其与光纤套筒13和聚焦透镜套筒12焊接固定为一体；

7)将耦合好的光学组件安装到管壳内并焊接到半导体致冷器8上；

第三、其它配件的安装：

1)将热敏电阻Rh和背光探测器PD7焊接到KOVAR(铁镍钴合金)金属热沉9上；

2)将射频连接头2固定在管壳侧壁上，并将射频连接头2的芯子与共面波导传输线CPWI的信号线焊接固定；

3)利用金丝完成电路引线上的连接；

4)利用平行封焊将管壳盖和管壳封装成一体。

综上所述，本发明的高速率半导体光发射组件封装结构具有易于操作，封装成品率高，可靠性好的特点，能充分展现光发射器件的原本性能如频率、功率、光谱线宽等。特别是光学耦合系统组件的设计在提高耦合系统的稳定可靠性的同时，很好的抑制了光的反射。反射光进入光发射器件的有源区将造成对其工作状态形成很大的扰动，使光发射器件性能恶化，如发光谱抖动，谱线展宽，啁啾增大，造成封装组件的色散增大，光纤传输距离缩短。利用本发明的封装结构可以实现10Gbit/s及以上光发射组件的封装。封装后模块与通常标准的双列支插型(DIP式)和蝶形(BTF式)封装具有相同的封装管壳大小，和相似的引脚定义。

本发明所提出的封装结构和封装方式适用于所有高频工作的半导体光发射芯片的封装，例如，激光器；DFB/DBR激光器与调制器的集成器件；激光器、调制器、放大器、模斑转换器，光波导等多种功能器件的集成器件，但不限于这些。任何在本发明所提出的封装结构和封装方式上做微小变动而获得的封装结构，都在本专利保护范围。

图3为本发明高速率半导体光发射组件封装结构的立体图。

Claims (9)

1.一种用于高速率半导体光发射组件的封装结构，其特征在于，该封装包括：

一带有射频连接头(2)的蝶形管壳；

一半导体致冷器(8)焊结在所述管壳里面；

一KOVAR金属热沉(9)焊结在半导体致冷器(8)上；

一带有用于将高频信号输入到光发射器件的共面波导传输线、匹配电阻以及直流接线电极的介质热沉基片(3)；

一光发射器件(5)和一热敏电阻烧结在介质热沉基片(3)上；

一连接射频连接头(2)的带共面波导传输线的介质基片(1)；

一光学耦合组件；

介质热沉基片(3)及一背光检测探测器(7)焊结在KOVAR金属热沉(9)上；

用互连金丝连接直流接线电极和管壳引脚，用金丝或金带连接介质热沉基片(3)和介质基片(1)上的共面波导传输线。

2.根据权利要求1所述的用于高速率半导体光发射组件的封装结构，其特征在于，光学耦合组件包括：

一所述KOVAR金属热沉(9)；

一中继环(10)；

一集光透镜固定套筒(11)；

一聚焦透镜固定套筒(12)；

一光纤套筒(13)；

一集光透镜(16)；

一光隔离器(17)；

一聚焦透镜(18)；

一端面呈6°-9°角的斜角单模光纤。

3.根据权利要求1所述的用于高速率半导体光发射组件的封装结构，其特征在于，高速率半导体光发射组件封装结构的管壳一侧为直流管脚，另一侧为射频输入端口，

直流部分采用标准的蝶形BTF形式，在管壳外侧采取等距离布线，而在管壳内侧采用密集布线；射频连接头为SMA连接头或GPO连接头。

4.根据权利要求1所述的用于高速率半导体光发射组件的封装结构，其特征在于，高速率半导体光发射组件封装结构射频信号的传输采用两段式分离结构：介质热沉基片(3)和介质基片(1)，两段基片材料可以相同也可以不同。

5.根据权利要求1所述的用于高速率半导体光发射组件的封装结构，其特征在于，介质热沉基片(3)和介质基片(1)是背面金属化的，并且带有侧面金属化和导电通孔。

6.根据权利要求4所述的用于高速率半导体光发射组件的封装结构，其特征在于，基片材料是高阻硅片、陶瓷材料氧化铝、陶瓷材料氮化铝或者陶瓷材料氧化铍。

7.根据权利要求2所述的用于高速率半导体光发射组件的封装结构，其特征在于，集光透镜、光隔离器、和聚焦透镜是分别放置在不同套筒内的，通过套筒实现同轴定位。

8.根据权利要求2所述的用于高速率半导体光发射组件的封装结构，其特征在于，集光透镜、光隔离器、和聚焦透镜是采用分离调试定位、一体焊接固定。

9.一种用于高速率半导体光发射组件的封装方法，所述封装方法具体步骤如下：

第一、封装的准备：

1)将集光透镜(16)和聚焦透镜(18)利用低熔点玻璃在氮气保护条件下分别焊接到集光透镜固定套筒(11)和聚焦透镜固定套筒(12)中；

2)将半导体致冷器(8)焊接到管壳中的适当位置上；

3)将介质基片(1)焊接在RF输入端的焊接平台上；

第二、光学组件的封装：

1)将光发射器件(15)焊接在介质热沉基片(3)上，再将介质热沉基片(3)焊接在KOVAR金属热沉(9)上；

2)调试中继环(10)使其中心点与光发射器件的发光点重合，利用YAG激光将其焊接固定在KOVAR金属热沉(9)上；

3)调试已经安装好集光透镜(16)的集光透镜套筒(11)到合适的位置即光发射器件出光点正好在透镜的焦点处能够将光发射器件发射出的发散光汇聚成平行光，利用YAG激光将其焊接固定在中继环(10)上；

4)旋转光隔离器(17)使其偏振方向与光发射器件输出光的偏振方向相同，利用YAG激光将其固定在集光透镜套筒(11)中；

5)利用YAG激光将已经安装好聚焦透镜(18)的聚焦透镜套筒(12)焊接固定在集光透镜套筒(11)中；

6)调试单模光纤(19)使出纤光功率达到最大，利用YAG激光将其与光纤套筒(13)和聚焦透镜套筒(12)焊接固定为一体；

7)将耦合好的光学组件安装到管壳内并焊接到半导体致冷器(8)上；

第三、其它配件的安装：

1)将热敏电阻Rh和背光探测器PD7焊接到KOVAR金属热沉(9)上；

2)将射频连接头(2)固定在管壳侧壁上，并将射频连接头(2)的芯子与共面波导传输线CPWI的信号线焊接固定；

3)利用金丝完成电路引线上的连接；

4)利用平行封焊将管壳盖和管壳封装成一体。

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