CN106054327A - 一种同轴封装光通信器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种同轴封装光通信器件，包括管座、设置于管座上的分布有微带线的陶瓷基板以及光电芯片；管座沿轴向设置有插孔，陶瓷基板穿设于插孔内并与管座结合为一体，光电芯片安装在陶瓷基板位于管座内侧的微带线上，并通过位于管座外侧的微带线与外部系统进行电连接。通过这种方式，本发明采用同轴封装的结构，大幅减小光通信器件的体积，降低器件成本及与光纤耦合的难度，同时制作过程简单，制作成本较低；利用陶瓷基板及在陶瓷基板上制作的微带线，减少高频信号连接的次数，更好地实现高速高频光信号的调制，可广泛应用于速率高于10G的高速光纤通信系统中。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种同轴封装光通信器件。
背景技术
光纤通信蓬勃发展，100G光通讯系统已在骨干网商用，10G系统正在迈进接入网，16G系统正在光纤通道稳步推进。高速光收发一体模块是完成这些高速光纤系统光电变换的关键部件，而在这些部件中的核心组件是具有标准光接口的光发射组件和光接收组件。光发射组件是将激光器(Laser Device，LD)高精度地安装在具有标准光纤接口的金属套件中，光接收组件是将光探测器(Photodetector，PD)高精度地安装在具有标准光纤接口的金属套件中。
目前，对速率低于10G的光发射组件和光接收组件均采用同轴封装的结构，对于速率高于10G的光发射组件和光接收组件多采用蝶形封装的结构。高速蝶形封装采用金属陶瓷长方形管壳设计，具有很好的高频特性，可以装配半导体制冷器(Thermal ElectricalRefrigerator，TEC)，多用于40G的光发射组件和光接收组件的高端封装，但是高速蝶形封装成本高昂、制造复杂、光纤耦合复杂困难，而且其只有固定模式的光接口，难于制作可插拔式光接口。
发明内容
本发明的目的在于提供一种同轴封装光通信器件，旨在解决高速蝶型封装成本高、制作复杂、光纤耦合复杂及难于制作可插拔式光接口的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种同轴封装光通信器件，包括管座、设置于管座上的分布有微带线的陶瓷基板以及光电芯片；
管座沿轴向设置有插孔，陶瓷基板穿设于插孔内并与管座结合为一体，光电芯片安装于陶瓷基板位于管座内侧的微带线上，并通过位于管座外侧的微带线与外部系统进行电连接。
其中，微带线为共面波导微带线，共面波导微带线包括中心导体带和接地带，中心导体带位于陶瓷基板的主表面的中间区域，接地带位于中心导体带的周边区域且包围中心导体带，光电芯片安装在接地带上；
陶瓷基板的主表面上还分布有低频引线，低频引线分别位于接地带两侧的区域。
其中，光电芯片为激光器芯片，激光器芯片的贴装于接地带远离管座的上方。
其中，激光器芯片为侧面发光型激光器芯片，激光器芯片的正电极通过金丝球焊技术焊接在中心导体带上，激光器芯片的负电极通过共晶焊接技术焊接在接地带上。
其中，管座内侧连接有带光窗的密封管帽，密封管帽上设有聚焦透镜，聚焦透镜与激光器芯片的发光区处于同一光轴。
其中，还包括光探测器芯片，光探测器芯片装载在一陶瓷垫片上，陶瓷垫片焊接或贴装于接地带上，使得光探测芯片的光敏面与管座主表面之间的角度为锐角。
其中，还包括多个管脚，多个管脚从管座外侧穿过管座，并凸出于管座内侧。
其中，还包括光探测器芯片，光探测器芯片装载在一陶瓷垫片上，陶瓷垫片焊接或贴装于管脚凸出管座内侧的表面上，光探测器芯片的正负电极分别电连接对应的管脚。其中，还包括管座散热器及半导体制冷器；
管座散热器设置于管座上，半导体制冷器的制冷面贴装于陶瓷基板的主表面对应的背面，半导体制冷器的散热面贴装于管座散热器的表面。
其中，管座散热器与管座为一体冲压制成。
有益效益：与现有技术相比，本发明通过提供一种同轴封装光通信器件，包括管座、设置于管座上的分布有微带线的陶瓷基板以及光电芯片；管座沿轴向设置有插孔，陶瓷基板穿设于插孔内并与管座结合为一体，光电芯片安装在陶瓷基板位于管座内侧的微带线，并通过位于管座外侧的微带线与外部系统进行电连接。通过这种方式，本发明采用同轴封装的结构，大幅减小光通信器件的体积，降低器件成本及与光纤耦合的难度，同时制作过程简单，制作成本较低；利用陶瓷基板及在陶瓷基板上制作的微带线，减少高频信号连接的次数，更好地实现高速高频光信号的调制，可广泛应用于速率高于10G的高速光纤通信系统中。
附图说明
图1是本发明同轴封装光通信器件第一实施方式的结构示意图；
图2是图1中的管座内侧连接密封管帽的结构示意图；
图3是本发明同轴封装光通信器件第一实施方式中光聚焦的原理示意图；
图4是本发明同轴封装光通信器件第二实施方式的结构示意图；
图5是图4中陶瓷基板、半导体制冷器及管座散热器的截面示意图；
图6是本发明同轴封装光通信器件第三实施方式的结构示意图；
图7是本发明同轴封装光通信器件第三实施方式中LD芯片和M-PD芯片的电路连接示意图；
图8是本发明同轴封装光通信器件第四实施方式的结构示意图。
具体实施方式
为使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明所提供的一种同轴封装光通信器件做进一步详细描述。
如图1所示，本发明同轴封装光电器件第一实施方式，包括管座11、设置于管座11上的分布有微带线14的陶瓷基板13以及光电芯片15。
具体地，本实施方式的管座11类似与传统同轴封装结构(TO-CAN)中的TO-管座，可选TO-46或TO-56等，但是与传统的TO-管座不同的是，本实施方式的管座11没有管脚，而是在管座11上另外沿轴向方向设置有插孔12，在插孔12内放置陶瓷基板13，使陶瓷基板13穿设于插孔12内并与管座11结合为一体。
管座11的材料可选为可伐金属，可伐金属具有良好的导热性和低的热膨胀系数，可以使光通信器件在宽的温度范围内具有良好的工作性能；利用低温玻璃浆料可使可伐金属与陶瓷熔接结合在一起，从而实现管座11与陶瓷基板13的一体结合。
陶瓷基板13在管座11中放置的位置和穿设的角度不受限制，但是为了便于光电芯片15的安装和后续光轴的调节，通常为垂直穿设，也就是使陶瓷基板13垂直于管座11。
陶瓷基板13具有高频特性突出、热导率高、热稳定性好等优点，在陶瓷基板13上制作微带线14，可使光通信器件具有良好的高频性能和散热功能等。陶瓷基板13的材料可选氧化铝或氮化铝，其中氧化铝应用比较广泛，氮化铝多应用于对导热散热有很高要求的航空航天领域；实际应用中根据需要选择合适的材料，对此并不做限定。
在陶瓷基板13上分布有微带线14，微带线14是一种微波传输线，而微波是频率为300MHz～300GHz的电磁波，是一种超高频电磁波，将光信号进行调制生成高速高频的微波光子信号，利用微波光子信号在光纤网络中传输数据，频带宽、抗干扰性强，可实现远距离、高速、数字信号的传输，因此可广泛应用于速率高于10G的高速光纤系统中，为实现高速同轴封装的器件结构提供条件。
微带线14的制作可选利用厚膜工艺或薄膜工艺进行。本实施方式采用薄膜工艺，其制作过程为首先用真空蒸发的方法在抛光了的陶瓷基板13的主表面131上蒸发上一层厚度为20-40nm的铬，再在铬层上蒸发厚度约为1μm的金、铜或银等，然后在表面涂感光胶并贴上所需电路图形照片的底片，置于紫外光下进行曝光，经蚀刻后，留下感光部分的电路图形，即微带线14。
微带线14具有一定的厚度、宽度和长度，厚度、宽度和长度的大小根据阻抗匹配的实际情况而定。利用上述方式形成的微带线14及所用陶瓷基板13的面积都大为减小，电路图形更加小型化和集成化。微带线14可选为共面波导微带线，共面波导微带线包括中心导体带141和接地带142，中心导体带141位于陶瓷基板13的主表面131的中间区域，接地带142位于中心导体带141的周边区域且包围中心导体带141，接地带142与中心导体带141之间间隔一定距离，从而使接地带142和中心导体带141电性绝缘。
在陶瓷基板13的主表面131上还分布有低频引线161/162，低频引线161/162分别位于接地带142两侧的区域，低频引线161/162与接地带142间隔一定距离，使两者电性绝缘，低频引线161/162用于器件内部或与外部系统之间的低频信号、或直流信号进行电路连接，能够实现仅利用陶瓷基板13即可实现整个光通信器件的电路连接功能。
分布有微带线14和低频引线161/162的陶瓷基板13穿设于管座11上，管座11将陶瓷基板13分为两部分，一部分位于管座内侧101，另一部分位于管座外侧102，位于管座内侧101的微带线14上安装有光电芯片15，位于管座外侧102的微带线14和/或低频引线161/162与外部系统(图中未示出)进行电连接，外部系统是电缆网络中的一系列装置、系统或电路，用于传输电信号，通过电流传输信息进行通信。
光电芯片15是进行光发射或光接收的芯片，光发射芯片可选为LD芯片，LD芯片通常为侧面发光型LD芯片，光接收芯片可选为PD芯片，PD芯片通常为侧面入光型高速PD芯片；光发射芯片是通过获取外部系统的电信号并进行直接调制，将电信号转换成光信号送入光纤网络中；光接收芯片是将接收到的光纤网络中的光信号转换成电信号，利用外部系统将电信号送入电缆网络中；
将光电芯片15安装于陶瓷基板13的微带线14上，安装位置通常位于微带线14的接地带142远离管座11的上方，安装可以是光电芯片15直接焊接或贴装在接地带142上，或者是通过附加一载体实现安装，将载体焊接或贴装在接地带142上，而将光电芯片15安装在载体上的合适位置；
光电芯片15与微带线14电性连接，实现高频高速光信号的发射或接收；同时由于陶瓷基板13具有较高的热导率，整个器件的热量可通过光电芯片15传递到陶瓷基板13，陶瓷基板13将热量传递至管座11上释放出去，可以实现很好的散热功能。
在将光信号送入光纤网络或者接收来自光纤网络的光信号时，需要对光信号进行聚焦，聚焦后的光信号有利于在光纤中进行反射传播。如图2所示，在管座内侧101连接有带光窗的密封管帽18，密封管帽18与管座11通过高温焊接在一起，将管座内侧101的器件密封起来，防止光泄漏；在密封管帽18上的光窗位置安装聚焦透镜181，聚焦透镜181与密封管帽18密封，聚焦透镜181的光轴与光电芯片15的出光光轴或感光光轴为同轴。
以光电芯片15为LD芯片15为例，如图3所示，LD芯片15的发光区151与聚焦透镜181的光轴为同轴，发光区151发出的激光通过聚焦透镜181发射出去。
本实施方式的光通信器件，光电芯片15周围还可包括一些外围电路，如在微带线14上制作一25Ω的薄膜电阻，或安装一25Ω的电阻，使驱动芯片更好地与光电芯片15匹配；如在陶瓷基板13上相应位置安装热敏电阻、电容或其他电子元器件等，辅助实现自动温度控制、自动功率控制、直流偏置供给的功能，在此不做具体阐述。
这些光通信器件采用同轴封装，大幅减小光通信器件的体积，降低器件成本，同时制作过程简单，制作成本较低，而且同轴封装还可进一步制作可插拔式光接口；利用陶瓷基板13高效散去光通信器件内部大量的热量，稳定光电芯片15的管芯温度；在陶瓷基板13上制作微带线14，能够实现高速高频光信号的调制，可广泛应用于速率高于10G的高速光纤系统中，另外在陶瓷基板13上还分布有低频引线161/162，完善低频及直流电路连接，无需额外增加低频及直流连接接口，可进一步减小光通信器件的体积，降低器件成本。
本实施方式的微带线为共面波导微带线，在其他实施方式中，微带线的制作还可通过在陶瓷基板的主表面的中间区域制作中心导体带，在主表面对应的背面制作金属接地层来实现。
请参阅图4，本发明同轴封装光通信器件第二实施方式，与第一实施方式的不同之处在于，本实施方式的光通信器件还包括管座散热器23和半导体制冷器21。
管座散热器23凸出于管座内侧101设置，管座散热器23为钨铜或镍材料，该管座散热器23可以与管座11一起冲压制成，或者通过焊料焊接在管座11上，管座散热器23的形状可选为立方体或梯形体，朝向制冷面201和散热面202的表面平整。
具体参阅图5，半导体制冷器21设置于管座散热器23和陶瓷基板13之间，半导体制冷器21的制冷面201贴装或焊接于陶瓷基板13的主表面131对应的背面132上，用于吸收陶瓷基板13的热量，半导体制冷器21的散热面202贴装或焊接于管座散热器23的表面，用于将热量传递至管座散热器23，贴装或焊接时要使两个器件之间没有空隙，以实现良好的热传导和器件的长期可靠性。
整个光通信器件产生的热量传递至陶瓷基板13，半导体制冷器21的制冷面201吸收陶瓷基板13的热量，传递至散热面202，散热面202与管座散热器23贴合，热量进一步传递至管座散热器23，经由管座11释放出去，实现散热。
光电芯片15在高频高速状态下工作，会产生大量的热量，在陶瓷基板13无法满足散热的情况下，增设半导体制冷器21，提高器件的整体散热效果，有助于稳定光电芯片15的管芯温度，有利于实现高速光信号传输时的器件可靠性。
请参阅图6，本发明同轴封装光通信器件第三实施方式，光通信器件为光发射器件，光电芯片305为LD芯片305，光发射器件包括管座301、设置于管座301上的分布有微带线304的陶瓷基板303、LD芯片305及PD芯片307，其中PD芯片307是一种背光探测器(MonitorPhotodiode，M-PD)芯片307。
在管座301沿轴向方向设置有插孔302，在插孔302内放置陶瓷基板303使陶瓷基板303垂直穿设于插孔302内，利用低温玻璃浆料将陶瓷基板303与管座301熔接结合为一体；陶瓷基板303上的微带线304为共面波导微带线304，包括中心导体带3041和接地带3042，形成高频微波传输线，在陶瓷基板303上还分布有低频引线3081/3082，形成低频、直流连接线。
LD芯片305为侧面发光型LD芯片，将LD芯片305直接贴装于接地带3042上，贴装位置设置于接地带3042远离管座内侧3011的上方。在接地带3042靠近管座内侧3011的下方安装有M-PD芯片307，M-PD芯片307用于接收LD芯片305发射的激光信号，将激光信号转换成电信号，从而检测LD芯片305输出的激光光强，因此M-PD芯片307的光敏面以能最大化感知LD芯片305发出的激光为宜；
本实施方式中，选取一立方体形状的陶瓷垫片306，首先将M-PD芯片307通过贴装或焊接的方式装载在陶瓷垫片306的一个表面上，将陶瓷垫片306中未放置M-PD芯片307的表面焊接或贴装于接地带3042上，从而使得M-PD芯片307的光敏面与管座301主表面成锐角，通常可选80°-85°，这里所述的管座301主表面是管座301朝向管座内侧3011的上表面。
LD芯片305和M-PD芯片307安装完毕后，需要分别对两者的电极进行电性连接，实现电流通路。由于LD芯片305和M-PD芯片307的核心部分都是由P型和N型半导体构成的PN结管芯，其各自的连接也多是针对PN结的P电极，也称正电极，以及PN结的N电极，也称负电极的连接情况进行表述；
图7是LD芯片305和M-PD芯片307的电路连接示意图，图7中的LD芯片305和M-PD芯片307的电极彼此互不连接，LD芯片305的正电极1通过金丝球焊技术焊接在中心导体带3041上，LD芯片305的负电极2通过共晶焊接技术焊接在接地带3042上。M-PD芯片307的正负电极3/4分别电连接在陶瓷垫片306对应的电极上，电连接可通过贴片或利用金丝球焊技术进行金丝焊接，陶瓷垫片306再和陶瓷基板303上的低频引线161/162连接。
在LD芯片305发射激光信号时，M-PD芯片307的光敏面感知到激光信号，将激光信号转换成电信号如电压信号或电流信号，继而得出LD芯片305的发射激光光强，从而可以根据需要调节LD芯片305的工作性能。
本实施方式的光通信器件，位于管座外侧3012的中心导体带3041、接地带3042及低频引线3081/3082可用于与外部系统(图中未示出)连接，外部系统将电缆网络中的电信号传输至中心导体带3041上，通过LD芯片305将电信号转换成激光信号，再经由中心导体带3041传送至光纤网络中，可实现速率高于10G的高速光信号传输；同时采用同轴封装的结构将LD芯片305和M-PD芯片307均安装于陶瓷基板303上，器件所占体积、面积大大减小，制作过程更加简单，成本更低。
需要说明的是，上述提到的贴装或焊接都是连接工艺，在某些情况下，两者可以互换，或者采用除上述两种方式外的其他连接工艺，以能满足实际需求为准。
请参阅图8，本发明同轴封装光通信器件第四实施方式，光电芯片408为LD芯片408，光发射器件包括管座401、设置于管座401上的分布有微带线407的陶瓷基板406、设置于管座401上的多个管脚402/403/404、LD芯片408及M-PD芯片409。
在管座401沿轴向方向设置有插孔411，在插孔411内放置陶瓷基板406，使陶瓷基板406垂直穿设于插孔411内，利用低温玻璃浆料将陶瓷基板406与管座401熔接结合为一体；陶瓷基板406上的微带线407为共面波导微带线407，包括中心导体带4071和接地带4072，形成高速光波传输线，在陶瓷基板406上还分布有低频引线4121/4122，形成低频、直流连接线。
在接地带4072位于管座内侧4011的上方贴装有LD芯片408，LD芯片408的正电极与中心导体带4071上的对应电极相连接，LD芯片408的负电极与接地带4072上的对应电极连接，位于管座外侧4012的中心导体带4071、接地带4072及低频引线4121/4122用于与外部系统(图中未示出)进行电连接。
设置于管座401上的多个管脚402/403/404从管座外侧4012穿过管座401，并凸出于管座内侧4011，管脚402/403/404可选为柱状金属管脚，在中心导体带4071所在的轴线方向上设一管脚403，在管脚403凸出管座内侧4011的表面上设有陶瓷垫片405，陶瓷垫片405通过焊料焊接在管脚403上，在陶瓷垫片405的表面上贴装M-PD芯片409，使得M-PD芯片409的光敏面与LD芯片408的发光区成80°-85°锐角，M-PD芯片409的正负电极分别通过金丝球焊方式焊接在对应的管脚402/404上，管脚403可接地。
本实施方式中，外部系统通过与位于管座外侧4012的微带线407和/或低频引线4021/4022连接，将电缆网络中的电信号传输至中心导体带4071上，通过LD芯片408将电信号转换成激光信号，再经由中心导体带4071传送至光纤网络中，可实现速率高于10G的光信号传输，在LD芯片408发射激光信号时，M-PD芯片409的光敏面感知到激光信号，将激光信号转换成电信号如电压信号或电流信号等，继而得出LD芯片408的发射激光光强，从而可以根据需要调节LD芯片408的工作性能。
LD芯片408、M-PD芯片409在设置分布有微带线407的陶瓷基板406以及多个管脚402/403/404的管座401上实现高速光信号传输的同轴封装，相比传统的高速光信号传输的蝶型封装来说，器件体积减小，制作工艺简单，可以降低生产成本。
本实施方式的LD芯片408贴装在接地带4072上，但是在一些低速激光信号传输的场合，也可将LD芯片408连接在对应的管脚402/403/404上，使得本实施方式的同轴封装结构同时具有高速激光信号传输和低速激光信号传输的功能，具有很强的实用性。
同时，本实施方式的外部系统与位于管座外侧4012的微带线407和/或低频引线4021/4022连接，也就是说陶瓷基板406穿设于插孔411内，凸出在管座外侧4012，但是在其他实施方式中，陶瓷基板穿设与插孔内，可只保留管座内侧的部分，外部系统可与位于管座外侧的多个管脚进行电连接，实现将电缆网络中的电信号传输至微带线上的功能，从而省略位于管座外侧的陶瓷基板部分，进一步简化光通信器件的同轴封装。
需要说明的是，在以上所述的第三实施方式和第四实施方式中，M-PD芯片也可去除，将LD芯片更换成侧面入光型高速PD芯片，利用侧面入光型高速PD芯片实现高速光接收器件的同轴封装。
以上所述仅为本发明的实施方式，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。
Claims (10)
1.一种同轴封装光通信器件，其特征在于，包括管座、设置于所述管座上的分布有微带线的陶瓷基板以及光电芯片；
所述管座沿轴向设置有插孔，所述陶瓷基板穿设于所述插孔内并与所述管座结合为一体，所述光电芯片安装在所述陶瓷基板位于所述管座内侧的微带线上，并通过位于所述管座外侧的微带线与外部系统进行电连接。
2.根据权利要求1所述的同轴封装光通信器件，其特征在于，
所述微带线为共面波导微带线，所述共面波导微带线包括中心导体带和接地带，所述中心导体带位于所述陶瓷基板的主表面的中间区域，所述接地带位于所述中心导体带的周边区域且包围所述中心导体带，所述光电芯片安装于所述接地带上；
所述陶瓷基板的主表面上还分布有低频引线，所述低频引线分别位于所述接地带两侧的区域。
3.根据权利要求2所述的同轴封装光通信器件，其特征在于，
所述光电芯片为激光器芯片，所述激光器芯片贴装于所述接地带远离所述管座的上方。
4.根据权利要求3所述的同轴封装光通信器件，其特征在于，
所述激光器芯片为侧面发光型激光器芯片，所述激光器芯片的正电极通过金丝球焊技术焊接在所述中心导体带上，所述激光器芯片的负电极通过共晶焊接技术焊接在所述接地带上。
5.根据权利要求3所述的同轴封装光通信器件，其特征在于，
所述管座内侧连接有带光窗的密封管帽，所述密封管帽上设有聚焦透镜，所述聚焦透镜与所述激光器芯片的发光区处于同一光轴。
6.根据权利要求3所述的同轴封装光通信器件，其特征在于，还包括光探测器芯片，所述光探测器芯片装载在一陶瓷垫片上，所述陶瓷垫片焊接或贴装于所述接地带上，使得所述光探测芯片的光敏面与所述管座主表面之间的角度为锐角。
7.根据权利要求1所述的同轴封装光通信器件，其特征在于，还包括多个管脚，所述多个管脚从所述管座外侧穿过所述管座，并凸出于所述管座内侧。
8.根据权利要求7所述的同轴封装光通信器件，其特征在于，还包括光探测器芯片，所述光探测器芯片装载在一陶瓷垫片上，所述陶瓷垫片焊接或贴装于所述管脚凸出所述管座内侧的表面上，所述光探测器芯片的正负电极分别电连接对应的所述管脚。
9.根据权利要求1所述的同轴封装光通信器件，其特征在于，还包括管座散热器及半导体制冷器；
所述管座散热器设置于所述管座上，所述半导体制冷器的制冷面贴装于所述陶瓷基板的主表面对应的背面，所述半导体制冷器的散热面贴装于所述管座散热器的表面。
10.根据权利要求9所述的同轴封装光通信器件，其特征在于，
所述管座散热器与所述管座为一体冲压制成。
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