CN108387980A - 光学次模块及光模块 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种光学次模块及光模块，包括：具有出光口的管壳、设置在所述管壳中的半导体制冷器TEC、设置在所述TEC上方的导热衬底、设置在所述导热衬底上方的激光器芯片、以及设置在所述激光器芯片发光侧的准直透镜；所述TEC用于为所述激光器芯片加热或制冷；所述导热衬底用于垫高所述激光器芯片，以使所述激光器芯片发出的光经过所述准直透镜准直后，从管壳的出光口射出，进而提高了光学次模块的发光效率，同时，可以将TEC产生的热量或冷量快速传递给激光器芯片，以快速改变激光器芯片的温度，缩短激光器芯片的波长切换时间，提高光学次模块的工作效率。

Description

光学次模块及光模块

技术领域

本发明实施例涉及光通信技术，尤其涉及一种光学次模块及光模块。

背景技术

随着人们对通信需求的增长，光纤接入得到了快速发展。以无源光网络(PON：Passive Optical Network)技术为主的光纤接入技术已经以多种形态在全球得到了广泛应用。其中，基于波分复用无源光网络(Wavelength Division Multiplexing PassiveOptical Network，简称WDM-PON)是一种采用波分复用技术的、点对点的无源光网络。即在同一根光纤中，双向采用波长数目大于3个以上，利用波分复用技术实现上行接入，能够以较低的成本提供较大的工作带宽，是光纤接入未来重要的发展方向。

光模块是WDM-PON的关键器件，其主用作用是光电转换，例如将电信号转换成光信号，通过光纤传送。而光信号是由激光器芯片发射的，激光器芯片在不同的温度下可以发出不同波长的光。因此，现有技术通过TEC(Thermoelectric Cooler，半导体制冷器)来对激光器芯片加热或降温，以控制激光器芯片的温度。

在实际应用中，光模块的波长切换时长直接影响光模块的工作效率，因此，如何缩短光模块的波长切换时长，以提高光模块的工作效率显得尤为重要。

发明内容

本发明实施例提供一种光学次模块及光模块，以缩短光模块的波长切换时间长。

第一方面，本发明实施例提供一种光学次模块，包括：具有出光口的管壳、设置在所述管壳中的半导体制冷器TEC、设置在所述TEC上方的导热衬底、设置在所述导热衬底上方的激光器芯片、以及设置在所述激光器芯片发光侧的准直透镜；

所述TEC用于为所述激光器芯片加热或制冷；

所述导热衬底用于垫高所述激光器芯片，以使所述激光器芯片发出的光经过所述准直透镜准直后，从所述管壳的出光口射出。

第二方面，本发明实施例还提供一种光模块，包括壳体和第一方面所述的光学次模块。

本发明实施例提供的光学次模块及光模块，包括具有出光口的管壳、设置在管壳中的半导体制冷器TEC、设置在TEC上方的导热衬底、设置在导热衬底上方的激光器芯片、以及设置在激光器芯片发光侧的准直透镜；其中，TEC用于为激光器芯片加热或制冷；导热衬底用于垫高所述激光器芯片，以使激光器芯片发出的光经过准直透镜准直后，从管壳的出光口射出。即本实施例的光学次模块，使用导热衬底将激光器芯片垫高，使得激光器芯片发出的光尽可能多地射入准直透镜，在准直透镜准直后，从管壳的出光口射出，进而提高了光学次模块的发光效率。同时，本实施例使用的导热衬底具有良好的导热性，可以将TEC产生的热量或冷量快速传递给激光器芯片，以快速改变激光器芯片的温度，缩短激光器芯片的波长切换时间，提高光学次模块的工作效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的光模块实施例一的结构示意图；

图2为本发明提供的光学次模块实施例二的一结构示意图；

图3为本发明提供的光学次模块实施例二的另一种结构示意图；

图4为本发明提供的光学次模块实施例三的结构示意图；

图5为本发明提供的光模块实施例的结构示意图。

附图标记说明：

100：光学次模块；

110：管壳；

111：管壳的出光口；

120：TEC；

130：导热衬底；

140：激光器芯片；

150：准直透镜；

160：支架；

170：凹槽；

180：COC芯片；

190：MPD芯片；

200：光模块；

210：插头；

220：印刷电路板；

230：壳体。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供的光学次模块，为光模块的一部分，该光学次模块通过在管壳中设置TEC，在TEC的上方设置导热衬底，在导热衬底的上方设置激光器芯片，以及在激光器芯片的发光侧设置准直透镜，使得，导热衬底可以垫高激光器芯片，使得激光器芯片发出的光经过准直透镜的准直后，从管壳的出光口射出。同时，导热衬底的热传递性能好，使得TEC产生的热量或冷量快速地传递到激光器芯片，以使激光器芯片在不同的温度下发出不同波长的光，进而缩短了激光器芯片的波长切换时间，提高了安装该光学次模块的光模块的工作效率。

下面以具体地实施例对本发明的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。

图1为本发明提供的光学次模块实施例一的结构示意图，如图1所示，本实施例的光学次模块100包括：具有出光口111的管壳110、设置在管壳110中的半导体制冷器TEC120、设置在TEC120上方的导热衬底130、设置在导热衬底130上方的激光器芯片140、以及设置在激光器芯片140发光侧的准直透镜150。其中，TEC120用于为激光器芯片140加热或制冷；导热衬底130用于垫高激光器芯片140，以使激光器芯片140发出的光经过准直透镜150准直后，从管壳110的出光口111射出。

由于激光器芯片140的发光波长与温度成正比关系，激光器芯片140的发光波长的温度依赖性典型约为0.08nm/℃，因此对激光器芯片140的发光波长的控制可通过控制激光器芯片140的工作温度来实现，具体是控制TEC120对激光器芯片140进行加热或制冷的温度。

具体的，如图1所示，本实施例的光学次模块100包括管壳110、设置在管壳110中的TEC120、导热衬底130、激光器芯片140和准直透镜150。其中，TEC120设置在管壳110中，导热衬底130设置在TEC120的上方，用于垫高激光器芯片140，激光器芯片140设置在导热衬底130的上方，准直透镜150设置在激光器芯片140的光发测，用于对激光器芯片140发出的光进行准直。组装后的光学次模块100，激光器芯片140的出光口、准直透镜150与管壳110的出光口111对准，三者处于同一水平线上。在实际使用时，激光器芯片140发出的光经过准直透镜150准直后从管壳110的出光口111射出，例如射入光纤中，传输出去。

由上述可知，本实施例的光学次模块100，使用导热衬底130将激光器芯片140垫高，使得激光器芯片140发出的光尽可能多地射入准直透镜150，在准直透镜150准直后，从管壳110的出光口111射出，进而提高了光学次模块100的发光效率。

同时，本实施例使用的导热衬底130为导热材料制成，其具有很好的导热特性，可以将TEC120产生的热量或冷量快速传递给激光器芯片140，以快速改变激光器芯片140的温度，这样可以有效减少对激光器芯片140温度控制的时间，进而减少TEC120的通道切换时间，并缩短激光器芯片140的波长切换时间，提高光学次模块100的工作效率。

可选的，本实施例的导热衬底可以是导热性能良好的金属、合金，例如为钨铜。

可选的，本实施例的导热衬底可以是导热性能良好的非金属。

在本实施例的一种可能的实现方式中，TEC120的下表面可以与管壳110的内壁接触，这样可以减少光学次模块100上的器件数量，简化光学次模块100的工艺流程，便于组装和管理。同时，TEC120直接与管壳110接触，TEC120产生的热量可以直接传递给管壳110，通过管壳110传递到外界，进而提高了光学次模块100的散热性能，进一步提高了光学次模块100的工作可靠性。

本实施例中，导热衬底130可以粘接在TEC120上，也可以焊接在TEC120上，其中用于粘接的粘料或者用于焊接的焊料均具有良好的导热特性，以保证TEC120与导热衬底130之间的热量或冷量的传递效率。

可选的，激光器芯片140可以焊接或粘接在导热衬底130上，同样，用于粘接的粘料或者用于焊接的焊料均具有良好的导热特性，以保证导热衬底130与激光器芯片140之间的热量或冷量的传递效率。可选的，激光器芯片140还可以直接集成在导热衬底130上，这样导热衬底130与激光器芯片140直接接触，进一步提高了两者之间的热量或冷量的传递效率。

可选的，本实施例的准直透镜150可以是高度可调的准直透镜，也可以是高度不可调的准直透镜。

可选的，准直透镜150还可以设置在导热衬底130上，例如粘接在导热衬底130的上表面，或者通过其他的方式固定在导热衬底130上。

可选的，准直透镜150可以直接设置在TEC120的上，例如粘接在TEC120的上表面，或者通过其他的方式固定在TEC120的上。

上述管壳110可以由钣金件制成，用于对设置在其中的器件进行保护，该管壳110的形状可以是矩形、圆柱形，或者是部分形状为圆形、部分形状为矩形，可选的，还可以是其他形状，本实施例对管壳110的具体形状不做限制，具体根据实际需要进行设定。

在一种示例中，本实施例的光学次模块100，可以实现TEC120相邻通道制冷切换时间在100ms以内，例如，可以达到51ms以内，非相邻通道间制冷切换时间达到200ms以内。而现有的光学次模块100的相邻通道间制冷切换时间达400ms左右，非相邻通道间制冷切换时间达600ms甚至S级相比，由此可知，本实施例的光学次模块100，大大缩短了TEC120的通道切换时间，缩短激光器芯片140的波长切换时间，提高了光学次模块100的工作效率。

本发明实施例提供的光学次模块，包括具有出光口的管壳、设置在管壳中的半导体制冷器TEC、设置在TEC上方的导热衬底、设置在导热衬底上方的激光器芯片、以及设置在激光器芯片发光侧的准直透镜；其中，TEC用于为激光器芯片加热或制冷；导热衬底用于垫高所述激光器芯片，以使激光器芯片发出的光经过准直透镜准直后，从管壳的出光口射出。即本实施例的光学次模块，使用导热衬底将激光器芯片垫高，使得激光器芯片发出的光尽可能多地射入准直透镜，在准直透镜准直后，从管壳的出光口射出，进而提高了光学次模块的发光效率。同时，本实施例使用的导热衬底具有良好的导热性，可以将TEC产生的热量或冷量快速传递给激光器芯片，以快速改变激光器芯片的温度，进而缩短激光器芯片的波长切换时间，提高光学次模块的工作效率。

图2为本发明提供的光学次模块实施例二的一种结构示意图。在上述实施例的基础上，如图2所示，本实施例的准直透镜150的高度可调，准直透镜150的中心与所述激光器芯片140的出光口位于同一水平线上。

通常准直透镜150为标准件，因此，为了保证激光器芯片140的出光口、准直透镜150和管壳110的出光口111位于同一水平线上，可以将准直透镜150设置成高度可调的，这样可以根据激光器芯片140的位置高低来调节准直透镜150的高度，以使激光器芯片140发出的光尽可能多地入射到准直透镜150上，进而提高了整个光学次模块100的发光效率，

同时提高了准直透镜150的适配范围和适配灵活性，降低了光学次模块100的制造成本。

在一种示例中，本实施例的光学次模块100包括高度可调的支架160，其中，准直透镜150设置在所述支架160上。

具体是，在管壳110中设置一支架160，将准直透镜150设置在该支架160上，通过调节支架160，来调节准直透镜150的高度，或者通过调节准直透镜150在支架160上的位置，以实现调节准直透镜150的高度。

可选的，本实施例的准直透镜150可以粘接在支架160上，此时，支架160上下移动，以带动准直透镜150调节高度。

可选的，准直透镜150可以包括金属边框，支架160为金属支架160，此时，准直透镜150的金属边框可以直接焊接在支架160上，以将准直透镜150固定在支架160上。

可选的，还可以在支架160的不同高度处设置多个用于固定准直透镜150的卡槽，这样准直透镜150可以直接卡设在不同高度的卡槽中，实现准直透镜150的高度调节。

可选的，本实施例还可以通过其他的方式，将准直透镜150固定在支架160上，本实施例对此不做限制。

在本实施例的一种可能的实现方式中，上述支架160可以设置在导热衬底130上，例如粘接在导热衬底130上，或焊接在导热衬底130上。

如图2所示，由于激光器芯片140位于导热衬底130的上表面，而准直透镜150通常为圆形，这样为了使激光器芯片140的出光口与准直透镜150的中心对齐，则准直透镜150的下半部分低于导热衬底130的上表面。此时，为了方便支架160与导热衬底130的固定连接，则在导热衬底130的上表面上设置一凹槽170，将支架160设置在该凹槽170中，进而使得固定在支架160上的准直透镜150的中心与激光器芯片140的出光口对准。

可选的，凹槽170的形状与支架160的形状适配，例如，当支架160的外框为圆弧形时，凹槽170的形状也可以为圆弧形，当支架160的外框为矩形时，对应的凹槽170的形状也可以为矩形。

可选的，当支架160为金属支架160，则可以将支架160直接焊接在凹槽170中，以将支架160固定在凹槽170中。

可选的，还可以通过其他的方式将支架160固定在凹槽170中，例如将支架160粘接在凹槽170中，本实施例对此不作限制。

在本实施例的另一种可能的实现方式中，如图3所示，可以将支架160设置在TEC120上，此时，所述激光器芯片140设置在所述导热衬底130的上表面。

可选的，可以将支架160焊接在TEC120上，以提高支架160与TEC120之间的连接牢固性。

可选的，还可以通过其他的方式将支架160固定在TEC120上，例如将支架160粘接在TEC120上，或者在TEC120上设置卡槽，将支架160卡设在TEC120上，本实施例对此不做限制。

本发明实施例提供的光学次模块，通过将准直透镜设置成高度可调的，使得准直透镜、激光器芯片的出光口和管壳的出光口位于同一水平线上，保证了光学次模块的发光效率。可选的，在导热衬底上设置凹槽，将固定准直透镜的支架固定在凹槽中，实现对支架的可靠固定。可选的，还可以将支架直接焊接在TEC上，减少光学次模块的加工工艺流程。

图4为本发明提供的光学次模块实施例三的结构示意图，在上述实施例的基础上，如图4所示，导热衬底130的上表面集成有片上芯片COC芯片180。

本实施例的COC芯片180中可以集成有激光器芯片140的驱动电路和微处理器，该微处理器用于根据当前TEC120对激光器芯片140的加热温度来确定激光器芯片140的驱动电流，驱动电路向激光器芯片140输出该驱动电流，以使激光器芯片140发射对应波长的光。此时，无需在板上单独设置驱动芯片，简化了光学次模块100的结构，使得光学次模块100更低耗更小巧。可选的，该COC芯片180中还可以集成TEC120的驱动电路，可选的，该COC芯片180中还可以集成其他的控制电路，本实施例对此不做限制，具体根据实际需要确定。

本实施例的COC芯片180可以直接集成在导热衬底130的上表面，即在制作导热衬底130时，直接将COC芯片180集成在导热衬底130中。这样可以防止使用粘结剂将COC粘接在导热衬底130上时，增大TEC120上被加热或制冷物体的质量的问题，进一步缩短了TEC120的通道切换时间，提高了光学次模块100的工作效率。

同时，将COC芯片180直接集成到导热衬底130的上表面，可以减少光学次模块100的尺寸。

在本实施例的一种可能的实现方式中，继续参照图4所示，当COC芯片180集成在导热衬底130的上表面时，可以将激光器芯片140焊接在COC芯片180的上表面，这样使得激光器芯片140通过COC芯片180集成在导热衬底130的上表面。

在实际制作中，由于COC芯片180需要与激光器芯片140进行连接，以控制激光器芯片140的工作状态。因此，首先将激光器芯片140焊接在COC芯片180上，再将焊接有激光器芯片140的COC芯片180集成到导热衬底130上，提高了激光器芯片140与COC芯片180之间的连接可靠性，进而提高了整个光学次模块100的可靠性。

需要说明的是，由于COC芯片180质量较小，将激光器芯片140焊接在COC芯片180上，再集成到导热衬底130上，不会影响导热衬底130对激光器芯片140的加热或制冷效率。

继续参照图4所示，为了提高对激光器芯片140的发光精度，本实施例的光学次模块100还包括MPD(Back monitor diode，背光二极管)芯片。

具体的，如图4所示，将MPD芯片190设置在激光器芯片140的背光侧，用于对激光器芯片140的背光进行检测，并生成检测电信号，发送给COC芯片180，以使COC芯片180根据MPD芯片190发送的检测电信号来控制激光器芯片140的驱动电流，进而实现对激光器芯片140的控制。

可选的，本实施例还可以将MPD芯片190直接粘接在导热衬底130的上表面上，方便MPD芯片190与COC芯片180进行连接。

可选的，如图4所示，本实施例还可以将MPD芯片190设置在COC芯片180上，例如粘接在COC芯片180上，或者集成在COC芯片180上。

可选的，本实施例的MPD芯片190还可以直接集成在TEC120的上表面，具体是，在制作TEC120时，直接将MPD芯片190集成在TEC120上，这样可以避免MPD芯片190消耗TEC120传递给激光器芯片140的热量或冷量，进而缩短了TEC120的通道切换时间，减小了激光器芯片140的波长切换时长。

需要说明的是，上述对MPD芯片190进行固定的各方法中，均需要保证MPD芯片190设置在激光器芯片140的背光侧，且可以准确全面检测到激光器芯片140的背光。

本发明实施例提供的光模块，通过在导热衬底上表面设置COC芯片，这样可以将激光器芯片的驱动电路和微处理器等控制电路集成在该COC芯片中，减少光学次模块的器件数量，简化了光学次模块的结构，使得光学次模块更低耗更小巧。进一步的，在激光器芯片的背光侧设置MPD芯片，实现MPD芯片对激光器芯片的背光进行检测，提高光学次模块的工作精确度。

图5为本发明提供的光模块实施例的结构示意图，如图5所示，本实施例的光模块200包括如图1至图4任一所示的光学次模块100。同时，本实施例的光模块200还包括插头210、印刷电路板220、壳体230等。

可选的，当本实施例的光模块200为收发一体的光模块时，该光模块200还包括光接收器件，例如接收器、放大器和耦合器等(图中未示出)。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光学次模块，其特征在于，包括：具有出光口的管壳、设置在所述管壳中的半导体制冷器TEC、设置在所述TEC上方的导热衬底、设置在所述导热衬底上方的激光器芯片、以及设置在所述激光器芯片发光侧的准直透镜；

所述TEC用于为所述激光器芯片加热或制冷；

所述导热衬底用于垫高所述激光器芯片，以使所述激光器芯片发出的光经过所述准直透镜准直后，从所述管壳的出光口射出。

2.根据权利要求1所述的光学次模块，其特征在于，所述准直透镜的高度可调，所述准直透镜的中心与所述激光器芯片的出光口位于同一水平线上。

3.根据权利要求2所述的光学次模块，其特征在于，还包括支架，所述准直透镜设置在所述支架上。

4.根据权利要求3所述的光学次模块，其特征在于，所述导热衬底上设置有凹槽，所述支架设置在所述凹槽中，所述激光器芯片设置在所述导热衬底的上表面。

5.根据权利要求3所述的光学次模块，其特征在于，所述支架设置在所述TEC的上表面，所述激光器芯片设置在所述导热衬底的上表面。

6.根据权利要求1所述的光学次模块，其特征在于，还包括设置在所述激光器芯片背光侧的背光二极管芯片。

7.根据权利要求6所述的光学次模块，其特征在于，所述导热衬底的上表面集成有片上芯片。

8.根据权利要求7所述的光学次模块，其特征在于，所述激光器芯片和/或所述背光二极管芯片集成在所述片上芯片的上表面。

9.根据权利要求1所述的光学次模块，其特征在于，所述导热衬底为钨铜。

10.一种光模块，其特征在于，包括壳体和权利要求1-9任一项所述的光学次模块。