CN102200614A - 光学轴线在封装件内垂直地弯折的光学组件 - Google Patents

光学轴线在封装件内垂直地弯折的光学组件 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种光学轴线在封装件内垂直地弯折的光学组件，该光学组件设置有多层陶瓷封装件，该封装件中容纳LD、安装LD的子底座、使从LD发射的光的光学轴线朝向透镜弯折的光学元件、以及监测经由光学元件透射的光的一部分的监测PD。用粘合剂将这些元件安装在封装件中的金属上。子底座和光学元件中至少一个在前下角部设置有斜切面，以提供空间来容纳形成在面对且紧靠另一表面的表面上的胶瘤。

Description

光学轴线在封装件内垂直地弯折的光学组件
技术领域
本发明涉及发射光学组件，本发明尤其涉及陶瓷封装件的光学组件。
背景技术
美国专利USP 7,476,040B公开了下述光学组件，包括：多层陶瓷封装件，其安装有子底座(sub-mount)；光发射器件，其具有所谓竖直腔面发射激光二极管(VCSEL)类型并安装在子底座上；以及透镜，其布置在子底座上方并且被封装件固定。从VCSEL的表面发射的光经由透镜与也布置在封装件上方的光纤直接耦合。
上述现有技术中公开的那些光学组件有时安装有边发射型半导体激光二极管(下文中用LD表示)。在该光学组件中，需要使从LD发射的光经诸如反射镜和棱镜等光学元件反射，以使光与布置在封装件上方的光纤耦合。在光学轴线在LD和光纤之间发生弯折的组件中，LD和光纤之间的光学耦合效率取决于光学设计，具体而言，LD和透镜之间的距离在很大程度上影响光学耦合效率。
LD和光纤之间的光学耦合效率受多种因素影响，例如，(1)LD和子底座之间的位置精度，(2)子底座和用于反射光的光学元件之间的距离，以及(3)光学元件的光反射表面和透镜之间的距离等。以上列举的第一个因素可以利用器件安装装置执行组装工序来克服。具体而言，器件安装装置可以通过在将LD紧靠在装置的基准平面上之后运送LD，使LD相对于子底座定位，其中，子底座相对于装置进行固定；同时，光学元件的形成精度、组件壳体的精度和透镜的精度仅仅影响透镜和光学元件之间的位置公差。
然而，以上列举的第二因素，即子底座和光学元件之间的位置精度，需要通过在安装有LD的子底座和光学元件之间具有预设距离的状态下相对于该子底座组装该光学元件来实现。该工序需要以下复杂的装置：其设置有图像识别系统以使诸如LD等元件、光学元件和子底座的位置对准。
发明内容
本发明的一方面涉及一种光学组件，所述光学组件包括：半导体光学器件；子底座，其构造成用于安装所述半导体光学器件；光学元件，其构造成包括光反射表面；以及封装件，其将所述子底座和所述光学元件安装在基面上。所述光反射表面可以使所述半导体光学器件的光学轴线朝向与所述基面垂直的方向弯折，所述光学轴线与所述封装件的基面大致平行地延伸。本发明的光学组件的特征在于，所述子底座设置有与所述光学元件相面对且与所述光学元件的侧表面接触的前表面。从而，可以自动地将所述子底座上的半导体光学器件和所述光反射表面之间的距离确定为预设距离。
本发明的另一方面涉及光学组件的组装方法。首先，所述方法可以用真空夹头夹握所述子底座，将所述子底座紧靠在设置有所述真空夹头的装置的基准壁上，并且将所述子底座布置在所述封装件的基面上的预定位置处，这里，所述预定位置相对于所述装置的基准壁来限定。其次，所述方法可以用所述真空夹头夹握所述半导体光学器件，将所述半导体光学器件紧靠在所述基准壁上，并且将所述半导体光学器件布置在所述子底座上的预设位置处。再次，所述方法可以将所述光学元件布置在所述封装件的基面上，以使所述光学元件的侧表面与所述子底座的前表面接触。
在变型例中，本发明的方法可以首先将所述光学元件设置在所述封装件的基面上的所述预定位置处。接着，所述方法可以将所述子底座布置在所述封装件的基面上，以使所述子底座的前表面与所述光学元件的侧表面接触。最后，所述工序可以用所述真空夹头夹握所述半导体光学器件，将所述半导体光学器件紧靠在所述基准壁上，并且将所述半导体光学器件布置在所述子底座上的所述预定位置处。
附图说明
通过结合附图详细说明本发明的不同实施例，可以更充分地理解本发明，其中：
图1是根据本发明实施例的光学组件的透视图；
图2是光学组件的透视图，该图部分地包括光学组件的剖面图；
图3放大了光学组件的主要部分；
图4是光学组件的剖面图，示出了安装在光学组件中的元件之间的光学连接关系；
图5是多层陶瓷封装件的放大透视图，其中剖切多层陶瓷封装件的一部分以显示其剖面；
图6是封装件的侧剖图，其中，封装件中装配有LD和子底座；
图7是封装件的侧剖图，其中，封装件中还装配有光学元件；
图8是封装件的侧剖图，其中，封装件中还装配有监测PD；
图9是封装件的侧剖图，其中，封装件中还装配有透镜；
图10是安装有图1所示的光学组件的光学收发器的剖面图；
图11是常规光学组件的侧剖图；
图12示出了从LD的光发射面到透镜的距离与LD和光纤之间的光学耦合效率η之间的关系；
图13放大了子底座、LD和光学元件(在图11中示出)之间的位置关系；以及
图14是子底座具有变型布置方式的光学组件的侧剖图。
具体实施方式
下面，参考附图对一些优选实施例进行说明。在附图的说明中，采用相同的附图标记来表示相同的元件，不再进行重复描述。
图1是根据本发明实施例的光学组件的透视图；图2也是透视图，其被局部剖切以显示组件内部；以及图3放大了图2中所示光学组件的主要部分。如图1至图3所示，本实施例的光学组件1设置有三层陶瓷封装件2，该陶瓷封装件2包括均由具有可加工性的氧化铝制成的下陶瓷层3、中间陶瓷层4和上陶瓷层5。
下陶瓷层3呈矩形并且在底层和顶层上设有金属层6(未在图1至图3中示出)，多个金属插塞7将两个金属层6电连接起来并且设置成贯穿下陶瓷层3。在下陶瓷层3的底表面上设置有多个电极，以实现与外部电路的电连接。
中间陶瓷层4也具有矩形形状并且也在顶表面和底表面上设有金属层8。如图4中所示，中间陶瓷层4也设置有将两个金属层8电连接起来的多个金属插塞9。在中间陶瓷层4的中部形成有开口10。开口10可以与下陶瓷层3的顶表面一起形成空腔11，光学器件安装在该空腔11中。
上陶瓷层5具有矩形环形状，以提供与由中间陶瓷层4和下陶瓷层3形成的上述空腔11连续的空腔。从而，上陶瓷层5提供空腔的侧壁。在上陶瓷层5的顶表面和底表面上形成有金属层，但在上陶瓷层5中没有设置金属插塞。因此，可以使上陶瓷层5的顶表面上的金属层12与上陶瓷层5的底表面上的金属层电绝缘。利用例如钎焊法来在顶表面的金属层12上设置金属环13。
空腔11的底部，即下陶瓷层3的顶表面上安装有大致矩形形状的子底座14，该子底座14由导热率比三个陶瓷层3至5中所用的氧化铝的导热率高的材料制成。子底座通常可以由氮化铝制成。子底座14的顶表面上形成有金属层15，并且在金属层15上安装有LD 16。在本实施例中，LD为所谓的边发射LD，该LD朝向沿中间陶瓷层4的顶表面的方向发射光。
形成在中间陶瓷层4的顶表面上的两个金属层8a用于与LD 16互连以发射具有高频成分的驱动信号，子底座14处于这两个金属层8a之间。如图4中所示，两个金属层8a经由金属插塞9和7与下陶瓷层3底表面上的金属电极电连接。中间陶瓷层4顶表面上的金属层8a可以经由结合引线17与子底座14顶部上的金属层15相连；而子底座14顶部上的金属层15可以经由另一根结合引线18与LD16相连。如图5中所示，中间陶瓷层4顶部上的另一金属层8a经由结合引线19与子底座14顶部上的接地金属层15相连。
空腔11的底部安装有检测从LD 16发射的光的强弱的监测光电二极管20(以下用mPD表示)。mPD 20被置于中间陶瓷层4顶部上的两个金属层8b之间，这两个金属层8b可以连接至mPD 20。结合引线21将金属层8b中的一个与mPD 20的顶部相连，以便从mPD获取光电流，而另一根结合引线22将中间陶瓷层4顶部上的另一个金属层8b与下陶瓷层3顶部上的金属层6，即空腔11的底部相连，以确保mPD 20接地。
如图4中所示，光学元件23布置在空腔11中的子底座14和mPD 20之间从而使子底座14的面对光学元件23的前表面14a与光学元件23的侧表面23a接触，光学元件23通常为棱镜或反射镜。光学元件23设置有反射表面23b和发射表面23c。反射表面23b将来自LD 16的光的一部分向上反射，并且使其余部分光透过，而发射表面23c使其余部分光朝向mPD 20透过。反射表面23b以大约45。倾斜直至中间陶瓷层4的顶部，并且具有预定的反射率。
光学元件23和子底座14利用焊接法、导电或绝缘的粘合剂等来组装，而LD 16和mPD 20利用焊接法或导电粘合剂来组装。光学元件23在面对基底14的侧表面23a和光学元件23的底部之间的拐角部可以斜切成斜切面23d，以确保有空间来容纳从光学元件23底部溢出的多余焊料或粘合剂。
可以用焊料或粘合剂将诸如IC、电阻器和电容器等电子元件(图中未示出)安装在中间陶瓷层4的顶表面上。可以用结合引线或例如倒装片技术等其它方法将这些电子元件电连接至中间陶瓷层4上的金属层8。
如此构造的三层陶瓷封装件2可以在顶部固定保持架25来保持光学透镜24。可以用例如具有低熔点的密封玻璃G将透镜24固定至保持架25。可以通过在干燥氮气环境下将保持架25焊接在金属环13上，来对封装件2的由下陶瓷层3、上陶瓷层、中间陶瓷层和保持架25围绕的空腔进行气密密封。
具体而言，保持架25包括：顶板26，其与金属环13焊接在一起，并且覆盖封装件的空腔；以及圆筒部27，其与顶板26相连续。圆筒部27的轴线相对于封装件2的上表面和下表面成直角。透镜24固定至在圆筒部27中向内延伸的内部凸缘27a上。保持架25可以与金属环13组装在一起，以便使透镜24的轴线与LD 16的轴线的未对准最小。
用YAG激光焊接法将保持架25与连接套筒28组装在一起。连接套筒28包括：顶板29，其设置有使光从中通过的开口；以及圆筒部30，其从顶板29朝向保持架25延伸。圆筒部30容纳并且固定至保持架25的圆筒部27。
用YAG激光焊接法将套筒盖31固定在连接套筒28的顶板29上。金属盖31将由诸如氧化锆等陶瓷制成的套筒32紧固。氧化锆套筒32将短管34保持在连接套筒28附近的根部，短管34在中心设置有耦合光纤33。套筒盖31还在与氧化锆套筒32连续的根部处紧固圆筒体35。圆筒体35压配合在套筒盖31和短管34之间。圆筒体35可以将短管34牢靠地保持在套筒盖31的根部。套筒盖31的外周设置有两个凸缘36和位于凸缘36之间的颈缩部。与氧化锆套筒32、短管34和圆筒体35组装在一起的套筒盖31可以与连接套筒28的顶板29在与耦合光纤33的光学轴线垂直的平面内对准，以使从LD 16发射的光耦合到耦合光纤33中；同时，通过使圆筒部30在保持架25的另一圆筒部27上滑动，可以使连接套筒28与保持架25沿光学轴线对准。从而，可以将三个轴线对准。
在光学组件1中，由LD 16发射的光可以经光学元件23的反射表面23b向上反射并且由透镜24聚焦，进而与短管34中的耦合光纤33耦合。如图4中所示，一部分光透射穿过反射表面23b，并与mPD 20耦合。
下面，将说明光学组件1的制造工序。首先，用粘合剂S将子底座14安置在下陶瓷层3的顶部上的金属层6上，接着同样用另一粘合剂S将LD 16安置在子底座14上，此处两个粘合剂S可以是导电树脂或主要包含金(Au)的金属焊料。可以在组装后者LD 16期间，调整LD 16相对于子底座14的位置，从而当安置光学元件23时，LD 16与光学元件23的反射表面23b之间具有预设距离(参见图6)。
由于在上述工序中，将子底座14安装在金属层6上，将LD 16安装在子底座14上，以及同时执行固定子底座14和LD 16的操作，因此可以容易地控制子底座14和LD 16相对于彼此的位置。可以通过同时加热粘合剂S来固定元件。
更具体而言，使由真空夹头夹握的子底座14紧靠设置有真空夹头的装置的基准壁，以设定基准位置，接着将子底座14移动至封装件中的预定位置，其中，将封装件预先设置在装置的适当位置以便夹握子底座。然后，使也由真空夹头夹握的LD 16的不影响光学性能的端面的一部分紧靠在装置的基准壁上，接着将LD 16移动至子底座14上的预设位置。从而，装置不仅可以提高子底座14和LD 16之间的相对位置精度，而且能够提高子底座14相对于陶瓷封装件2的位置精度。
在变型例中，首先，可以利用真空夹头夹握光学元件23以将光学元件23设置在封装件2中的预设位置，其中，封装件2预先相对于设置有真空夹头的装置进行定位。在该工序中，首先将光学元件紧靠在装置的基准壁上，然后将光学元件设置在封装件中的预设位置。其次，将子底座14设置成，子底座14的前表面14a与光学元件的侧表面23a接触。最后，用真空夹头夹握LD 16以使LD 16紧靠在装置的基准壁上，接着，真空夹头将LD 16放置在子底座14上的预定位置。因此，可以充分地确定LD 16和光反射表面23b之间的相对位置，或者等同地确定LD 16和透镜24之间的相对位置。
粘合剂S设置于子底座14和金属层6之间，并且还覆盖子底座14的侧部，由此在子底座14的侧部产生所谓的胶瘤。用于LD 16的另一粘合剂也会在LD 16的侧部产生胶瘤。当粘合剂为导电树脂时，能有效地防止粘合剂散布在金属层6上，但粘合剂的多余部分容易在材料的侧部产生胶瘤；而当将焊料用于粘合剂时，粘合剂容易散布在金属层6上，但不会产生胶瘤。
接下来，如图7中所示，用粘合剂S将光学元件23安装在金属层6上，以使与反射表面23b连续的侧表面23a紧靠在子底座14的前表面14a上。由于光学元件23设置有斜切面23d，因此可以使从光学元件23的底部溢出的多余粘合剂S留在由斜切面23d形成的空间内，并且防止该多余粘合剂S被置于表面14a和23a之间。另外，通过将子底座14的前表面14a紧靠在光学元件23的侧表面23a上，可确保LD 16相对于光学元件23的反射表面23b的位置。
如图8中所示，随后，该工序用粘合剂S将mPD 20安装在金属层6上的关于光学元件23与子底座14相对的位置。由于从LD 16发射并从光学元件23穿过的光为漫射光，因此mPD 20的位置对子底座14的位置不敏感或等同地对LD 16的位置不敏感。即使用于光学元件23的粘合剂S在光学元件23的侧部23c产生胶瘤，mPD 20也可以安装在远离光学元件23的位置处。
如图9中所示，在中间陶瓷层4的顶部安装电子元件，并且对这些元件和光学器件进行布线，在使透镜24与LD 16对准时将保持架25固定在金属环13上。
如图10中所示，将如此组装的光学组件1安装在光学收发器37内。光学收发器37的前端设置有带光学插孔39的壳体38。光学插孔39可以引导待与光学组件1连接的光学连接器(在图中未示出)。光学插孔39的后端设置有突出部39a，套筒盖31的外凸缘36之间的颈缩部36a与该突出部39a配合，并且将光学组件1定位在光学收发器37中。
光学收发器37还包括安装有与光学组件1通信的电子电路的电路板41。电路板41在壳体38中布置成使电路板41的基面41a与陶瓷封装件2的底部垂直。挠性印刷电路(下文中用FPC表示)42将光学组件1与电路板41上的电路电连接起来。
图11将光学组件中元件的常规布置方式与本发明中元件的布置方式进行比较。常规光学元件23A在其侧表面23a和底部之间没有设置任何斜切面23d。因此，需要子底座14的表面和光学元件23A的表面之间有容纳多余粘合剂的空间。
LD 16和耦合光纤33之间的耦合效率η由Pf/P0得出，其中P0是从LD 16发射的光强，而Pf是与耦合光纤33耦合的光强，并且Pf很大程度上取决于LD 16的光发射表面和透镜24之间的距离L1。例如，如图12中所示，耦合效率η在某位置具有最大值，并且随着距离增加而减小。因此，需要将光学元件23相对于LD 16精确布置，误差通常在±0.1mm以内。
当不存在收集多余粘合剂的空间时，由于多余粘合剂S会在子底座14的侧部形成胶瘤，因此必须远离子底座14的边缘将光学元件23A放置在金属层6上。在该情况下，必须精确测量光反射表面23b和LD 16的光发射表面之间的距离，以确保LD 16和耦合光纤33之间的光学耦合效率η，这不可避免地使光学元件23的组装工序复杂化，并且需要昂贵的装置。
本发明的光学组件1在光学元件23的侧表面23a和底部之间设置斜切面23d，以收集从光学元件23的底部溢出的粘合剂S，这使得光学元件23能够紧靠在子底座14的前表面14a上，并且取消了测量子底座14和光学元件23之间的距离的工序。可以仅通过将LD
16相对地定位在子底座14的顶表面上并且将子底座14紧靠在光学元件23上，来确定LD 16和光学元件23之间的合适距离。
尽管已经参考附图并结合本发明优选实施例全面地说明了本发明，但应当理解到，对于本领域的技术人员而言许多变型和修改是显而易见的。例如，上述实施例在光学元件23的侧表面23a和底部之间设置斜切面23d。然而，可以在子底座14A的前表面14a和底部之间设置斜切面14d。在该情况下，如图14中所示，斜切面14d可以提供空间来容纳形成在子底座14的前侧面14a或光学元件23的侧表面23a上的胶瘤，并且光学元件23可以布置成使侧表面23a紧靠子底座14的前表面14a的情况下来布置。此外，子底座14和光学元件23都可以在紧靠另一表面的表面上设置斜切面23d和14d。可以理解到，除非变型和修改超出本发明范围，否则，它们包含于由所附权利要求书所限定的本发明范围内。

Claims (9)

1.一种光学组件，包括：
半导体光学器件，其具有光学轴线；
子底座，所述半导体光学器件安装在所述子底座上，所述子底座具有前表面；
光学元件，其包括光反射表面和与所述子底座的前表面相面对的侧表面；以及
封装件，其包括安装所述子底座和所述光学元件的表面，其中，所述半导体光学器件的光学轴线与所述封装件的所述表面大致平行，并且所述光学元件的光反射表面使所述光学轴线朝向与所述封装件的所述表面大致垂直的方向弯折，
其中，所述子底座的前表面与所述光学元件的侧表面接触。
2.根据权利要求1所述的光学组件，其中，
所述子底座在所述前表面和与所述封装件的所述表面接触的底表面之间具有斜切面。
3.根据权利要求2所述的光学组件，其中，
所述斜切面提供空间来容纳从所述子底座的底表面和所述封装件的所述表面之间的分界部溢出的多余粘合剂。
4.根据权利要求1所述的光学组件，其中，
所述光学元件在所述侧表面和与所述封装件的所述表面接触的底表面之间具有斜切面。
5.根据权利要求4所述的光学组件，其中，
所述斜切面提供空间来容纳从所述光学元件的底表面和所述封装件的所述表面之间的分界部溢出的多余粘合剂。
6.根据权利要求1所述的光学组件，其中，
所述光发射表面与所述封装件的所述表面形成大约45°的角度。
7.根据权利要求1所述的光学组件，还包括设置在所述光学元件上方的透镜，其中，
所述透镜使被所述光学元件的所述光反射表面反射的光透过。
8.一种光学组件的组装方法，所述光学组件包括：半导体光学器件，其具有光学轴线；子底座，所述半导体光学器件安装在所述子底座上，所述子底座具有前表面；光学元件，其包括光反射表面和与所述子底座的前表面相面对的侧表面；以及封装件，其提供安装所述子底座和所述光学元件的表面，所述组装方法包括以下步骤：
用真空夹头夹握所述子底座；
将所述子底座紧靠在设置有所述真空夹头的装置的基准壁上，并且将所述子底座布置在所述封装件的所述表面上的预定位置处，其中，所述预定位置相对于所述装置的基准壁来限定；
用所述真空夹头夹握所述半导体光学器件；
将所述半导体光学器件紧靠在所述基准壁上，并且将所述半导体光学器件布置在所述子底座上的预设位置处；以及
将所述光学元件布置在所述封装件的所述表面上，以使所述侧表面与所述子底座的前表面接触。
9.一种光学组件的组装方法，所述光学组件包括：半导体光学器件，其具有光学轴线；子底座，所述半导体光学器件安装在所述子底座上，所述子底座包括前表面；光学元件，其包括光反射表面和与所述子底座的前表面相面对的侧表面；以及封装件，其提供安装所述子底座和所述光学元件的表面，所述组装方法包括以下步骤：
将所述光学元件布置在所述封装件的所述表面上的预定位置处；
将所述子底座安装在所述封装件的所述表面上，以使所述子底座的前表面与所述光学元件的侧表面接触；
用真空夹头夹握所述半导体光学器件；
将所述半导体光学器件紧靠在设置有所述真空夹头的装置的基准壁上，其中所述封装件与所述基准壁对准；以及
将所述半导体光学器件布置在所述子底座上的预定位置处。
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