CN102043208B - 冷却式激光模块 - Google Patents

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Abstract

本申请案涉及冷却式激光模块。一种光电子装置包含：管座，其具有从中延伸的多个引脚；热电冷却装置，其邻近于所述管座的一侧而安装；及光电子组合件，其安装于所述热电冷却装置上。所述光电子组合件包含：发光装置，其可操作以响应于由所述多个引脚中的至少一者接收的电信号而发射光学信号；及透镜组合件，其具有一透镜且可操作以接收由所述发光装置发射的光中的至少一些光。帽大致包封所述热电冷却装置及所述光电子组合件。所述帽具有可操作以透射由所述光电子组合件发射的光的窗口。所述透镜是所述透镜组合件中的唯一光学组件。

Description

冷却式激光模块
技术领域
本发明涉及光电子转换器，且更特定来说涉及在具有电连接器或接口的计算机或通信单元与例如在光纤通信链路中使用的光纤之间提供通信接口的集成式激光组合件或模块。
背景技术
此项技术中已知多种光电子收发器。此类装置通常包含光学传输器部分(其将电信号转换成耦合到光纤的经调制光束)及接收器部分(其接收来自光纤的光学信号且将其转换成电信号)。传统上，光学接收器区段包含光学组合件以将来自光纤的光聚焦或引导到光电检测器上，所述光电检测器又连接到电路板上的放大器/限幅器。所述光电检测器或光电二极管通常封装于经气密密封的封装中以保护其免受苛刻环境条件的影响。
同轴激光模块已用于光纤电信及CATV应用中。此类模块通常使用晶体管外形(TO)封装且在一些市场中提供相对低成本的解决方案。然而，对于其中激光器消耗相对大量的电力或在宽广的周围温度上操作激光器的应用中，必须对激光二极管(LD)及其它光学组件进行冷却以满足极窄频谱及稳定LD性能的要求。外部强制空气冷却已成为精选方法。
由于TO管座内的有限空间及其中存在的有源和无源组件的大小，将内部冷却与TO封装一起使用已证明是困难的。在这点上，一种先前努力涉及使用极小的定制热电冷却器(TEC)来冷却转换器模块且局限于仅冷却有源组件(即，LD)而不冷却无源组件(即，透镜及隔离器)。已发现，在涉及宽广的操作温度范围时，仅冷却有源组件导致不稳定的光学性能。
第7,118,292号美国专利论述装纳激光二极管、监测器光电二极管(MPD)及透镜-隔离器组合(其全部安装成与热电冷却器热接触)的TO封装中。透镜-隔离器组合的使用使热负载升高，且还由于相对大通光孔径的要求而使成本升高。在第7,118,292号美国专利中所论述的TO封装中，经由安装于楔形物上的镜将光从LD的后小面引导到MPD。此具有降低安装于冷板上的组件的轮廓的优点，从而改进机械及热稳定性。但所述镜及所述楔形物的添加也增加成本。
发明内容
本发明的目标是提供一种使用集成式热电冷却器及其它光学子组合件的经改进光学传输器。
此目标及其它目标由一种光电子装置提供，所述光电子装置包含：管座，其具有从中延伸的多个引脚；热电冷却装置，其邻近于所述管座的一侧而安装；及光电子组合件，其安装于所述热电冷却装置上。所述光电子组合件包括：发光装置，其可操作以响应于由所述多个引脚中的至少一者接收的电信号而发射光学信号；及透镜组合件，其具有一透镜且可操作以接收由所述发光装置发射的光中的至少一些光。帽大致包封所述热电冷却装置及所述光电子组合件。所述帽具有可操作以透射由所述光电子组合件发射的光的窗口。所述透镜是所述透镜组合件中的唯一光学组件。
附图说明
图1是所提议的同轴冷却式激光模块的透视图。
图2(a)及2(b)是TO包壳封装及具有平坦窗口的图1的帽的典型视图；
图3显示图1的TO管座及其引脚定向；
图4显示形成图1的模块的一部分的激光二极管及监测器光电二极管的配置；
图5显示图4中所图解说明的激光二极管及监测器光电二极管配置的侧视图；
图6显示替代激光二极管及监测器光电二极管配置的侧视图；
图7显示形成图1的模块的一部分的光学透镜组合件；
图8显示包含图4及5的激光二极管及监测器光电二极管配置和图7的透镜组合件的光电子组合件；
图9显示替代光学透镜组合件；且
图10显示包含图6的激光二极管及监测器光电二极管配置和图8的透镜组合件的替代光电子组合件。
应注意，以上图中所示的尺寸及比例并不精确且仅出于图解说明及解释目的。类似地，所述图中所示的组件还出于图解说明及解释目的。实际的组件可变化。为简单起见，本文中省略组件之间的线接合。
具体实施方式
现在将描述本发明的细节，包含其实例性方面及实施例。
记住此，图1显示具有TO包壳10及光纤尾纤模块12(具有近端及远端)的同轴冷却式激光模块，所述光纤尾纤模块用于对准TO包壳10与光纤之间的光传输轴。
TO包壳10由如图2(a)中所示的TO管座子组合件14及如图2(b)中所示的具有平坦窗口18的密封帽16组成。在此实施例中，平坦窗口18与激光束的轴具有几度的倾斜以减少背反射，但此并非必不可少的。
如图2(a)中所示，TO管座子组合件14包含TO管座20，所述TO管座具有延伸穿过TO管座20的若干个电导体引脚22。TO管座子组合件14还包含热电冷却器(TEC)24及光电子组合件26，所述光电子组合件支撑包含激光二极管(LD)、监测器光电二极管(MPD)及光学透镜组合件的有源和无源光学组件。TO管座20可由若干种不同材料制成，如冷轧钢、柯伐镍基合金(Kovar)或其它合金。所述管座的直径应大到足以容纳选定的TEC 24。在此实施例中，TO管座24的直径为9mm。
在此实施例中，管座引脚22呈直列式布局，如图3中所示。或者，管座引脚22可呈圆形布置。为在高频率范围下获得较好的RF性能，RF引脚300经设计以具有良好的阻抗匹配。在此实施例中，RF引脚300为由金属管及玻璃填充物组成的同轴引脚。通过匹配所述玻璃填充物的阻抗及介电常数来确定所述管及引脚的直径。所述金属管是铜焊在所述管座上的。
TEC 24可以是由热板、冷板及热电半导体元件组成的任一市售微型冷却器。所述热电半导体元件是成对地放置。TEC 24的热容量应经选择使得其具有耗散由LD产生的有源热负载及从周围环境泄露到封装中的无源热负载两者的足够数目个热电偶，同时仍保持低成本。在此实施例中，TEC 24具有约5x4mm的占用面积。
如第7,118,292号美国专利(其全部内容特此以引用的方式并入本文中)中所论述，两个线接合垫位于TEC 24的相对端中。可能有线接合垫的其它配置。在此实施例中，TEC 24软焊到TO管座20的中心，其中所述热板邻近于TO管座20，且所述线接合垫经由一对线接合连接到引脚22。
光电子组合件26具有安装到TEC 24的冷板上的载架400。在此实施例中，载架400由柯伐镍基合金制成，但或者其可由不锈钢或具有良好热传导性的任一其它适合材料制成。如图4中所示，在此实施例中，LD 402安装于LD子座架404上，所述LD子座架又安装于载架400上。LD子座架404由氮化铝(A1N)制成，但替代地可使用具有良好热传导性的不同材料。在此实施例中，LD 402为边缘发射激光器且垂直地软焊在所述子座架上。边缘发射LD 402沿两个方向发射激光光，一个方向为从前小面沿向前方向且另一方向为从后小面沿向后方向。
或者，在对LD子座架404稍加修改的情况下，表面发射激光器也适合于此应用。
在其中使用边缘发射激光器的传统非冷却式TO激光器封装中，MPD出于监测激光器性能的目的而安装于LD正下方以捕捉来自所述LD的后小面的激光光。此配置具有一缺点，在于其导致到激光二极管中的背反射。如图5中所示，在此实施例中，MPD 406安装于不位于LD 402正下方的衬底(408)上，使得MPD 406从位于LD 402正下方偏移以减少到LD 402中的背反射。特定来说，LD 402沿具有中心轴的光路径发射激光光。MPD 406垂直于所述光路径的中心轴而定位于远离所述中心轴的位置处，使得沿所述中心轴传播的光不会撞击到MPD 406上，而是光的远离所述中心轴的一部分入射于MPD 406上。
图6显示其中MPD 606定位于LD 602的后小面正下方但安装于楔形物610上以减少到LD 602中的背反射的替代配置。
图7显示如图8中所示也安装于载架400上的透镜组合件700。透镜组合件700由接合到金属外壳704中的光学透镜702组成。光学透镜702是透镜组合件700中的唯一光学组件。在此实施例中，光学透镜702为具有0.4的数值孔径(NA)的非球面透镜。可使用其它NA值，且替代地可使用球透镜。所述透镜的表面可具有抗反射(AR)涂层。金属外壳704在一个纵向端处包含具有凹口的金属环部分706。如图8中所示，透镜组合件700安装到载架400上，其中带凹口的环部分706邻近载架400。
光学透镜702可在组装之前预先固定到金属外壳704。或者，光学透镜702可滑动装配于金属外壳704内以允许在对准过程期间可调整光学透镜702的位置。光学透镜702可以各种方式接合到金属外壳704，举例来说，使用环氧树脂或激光焊接。类似地，所述透镜组合件可以各种方式接合到载架400，举例来说，使用环氧树脂或激光焊接。
可使用主动或被动对准来完成透镜组合件700到载架400上的放置。特定来说，通过使用具有相对低NA的光学透镜702，对透镜放置具有较低敏感度，从而允许使用被动对准，且另外，从激光器到透镜的工作距离较长，从而允许用于组件放置的较多空间。
在替代实施例中，如图9中所示，透镜组合件900由接合到金属外壳904中的光学透镜902组成，所述金属外壳在一个纵向端处具有无凹口的金属环部分906。在此替代实施例中，如图10中所示，载架1000具有挤压的部分且透镜组合件900安装于所述挤压的部分上。
通过将所述透镜组合件安装于所述载架上，此同轴封装为冷却式平台上的有源组件(即，LD及MPD)和无源组件(即，光学透镜)两者均提供冷却，从而确保在宽广操作温度范围上的稳定性能。
如上文所论述，所述透镜组合件中的唯一光学组件是所述光学透镜，使得所述光学透镜是所述LD与帽的窗口之间的光路径中的唯一光学组件。所述透镜组合件不包含光学隔离器。在一实施例中，光学隔离器安装于光纤尾纤模块12的近端处。或者，可使用直列式光学隔离器。
与传统蝶式封装相比，对于大致相同的激光输出，本文中所描述的同轴封装消耗比蝶式封装少得多的DC电力。通常，上文所描述的模块仅需要蝶式封装所消耗的DC的一半。因此，增加封装可靠性且还增加热效率。
与美国7,118,292中所论述的同轴封装相比，所述同轴封装简化制造过程且显著减少组件及劳动成本。
应理解，上文所描述的元件或者两者或两者以上一起可由满足设计要求的在功能上等效的元件替换。举例来说，所述光电二极管可由替代光电检测器替换。

Claims (9)

1.一种光电子装置，其包括：
管座，其具有从中延伸的多个引脚；
热电冷却装置，其邻近于所述管座的一侧而安装；
光电子组合件，其安装于所述热电冷却装置上，所述光电子组合件包括：
发光装置，其可操作以响应于由所述多个引脚中的至少一者接收的电信号而沿具有中心轴的光路径发射光学信号，
监测器光电二极管，其垂直于所述光路径的中心轴而定位于远离所述中心轴的位置处，及
透镜组合件，其可操作以接收由所述发光装置发射的光中的至少一些光，所述透镜组合件具有一透镜；
及帽，其大致包封所述热电冷却装置及所述光电子组合件，所述帽具有可操作以透射由所述光电子组合件发射的光的窗口，
其中所述透镜是所述透镜组合件中的唯一光学组件，并且是所述发光装置和所述窗口之间的光路径中的唯一光学元件。
2.根据权利要求1所述的光电子装置，其中所述窗口与所述光路径成倾斜角度。
3.根据权利要求1所述的光电子装置，其中所述多个引脚包括具有通过电介质材料分离的中心引脚及金属套管的同轴引脚。
4.根据权利要求3所述的光电子装置，其中所述电介质材料为玻璃。
5.根据权利要求1所述的光电子装置，其中所述透镜组合件包括：
透镜外壳，所述透镜安装于其中；及
金属环，其支撑所述透镜外壳。
6.根据权利要求5所述的光电子装置，其中所述金属环具有若干个凹口且安装于平坦载架上。
7.根据权利要求5所述的光电子装置，其中所述金属环具有若干个凹口且安装于挤压的载架上。
8.根据权利要求1所述的光电子装置，其进一步包括具有近端及远端的光纤尾纤，所述近端耦合到所述帽使得透射穿过所述帽的所述窗口的光被引导到光纤中。
9.根据权利要求8所述的光电子装置，其中光学隔离器安装于所述光纤尾纤的所述近端处。
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