CN109633830A - 一种光发射组件及其封装方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供一种光发射组件及其封装方法，其中光发射组件包括激光器、硅光调制器、TO底座和TO透镜帽；激光器和硅光调制器装设在TO底座上，TO透镜帽封装在TO底座上；激光器发出的激光信号通过硅光调制器调制后，通过TO透镜帽的透光部分输出。本发明实施例提供的光发射组件及其封装方法，对激光器和硅光调制器进行TO封装，气密性良好，可靠性强，通用性强，成本低廉，更加适合量产，有助于实现基于硅光调制器的光发射组件的应用推广。

Description

一种光发射组件及其封装方法

技术领域

本发明实施例涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光发射组件及其封装方法。

背景技术

近年来，随着硅基光子学的深入发展，人们基于SOI(Silicon-on-insulator，绝缘体上硅)平台，不仅成功制作了光波导、耦合器和分束器等无源器件，同时也制备出了性能突出的硅光调制器。

调制器是光收发模块中的核心器件，用于在发射端对光载波进行幅度、频率或相位调制。硅光调制器由于具备相应速度快、功耗低、集成度高等优点，近年来得到了十分迅速的发展。目前，硅光调制器主要有端面耦合和垂直光栅耦合两种方式，其中端面耦合是应用正向楔形或反向楔形特殊的设计结构，使得光信号直接与硅波导横截面耦合。

现有的基于硅光调制器的光发射组件，一般是采用光纤与硅光芯片上的波导耦合器直接进行OSA封装，但是这种COB封装方式，具有极强定制性，且需要开发完整非气密元件及封装工艺，限制了基于硅光调制器的光发射组件的量产。

发明内容

本发明实施例提供一种光发射组件及其封装方法，用以解决现有的基于硅光制器的光发射组件封装通用性差的问题。

一方面，本发明实施例提供一种光发射组件，包括激光器、硅光调制器、TO底座和TO透镜帽；

其中，激光器和硅光调制器装设在TO底座上，TO透镜帽封装在TO底座上；

激光器发出的激光信号通过硅光调制器调制后，通过TO透镜帽的透光部分输出。

另一方面，本发明实施例提供一种光发射组件封装方法，包括：

将激光器和硅光调制器安装在TO底座上；

将TO透镜帽封装在TO底座上，使得激光器发出的激光信号通过硅光调制器调制后，能够通过TO透镜帽的透光部分输出。

本发明实施例提供的一种光发射组件及其封装方法，对激光器和硅光调制器进行TO封装，气密性良好，可靠性强，通用性强，成本低廉，更加适合量产，有助于实现基于硅光调制器的光发射组件的应用推广。

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为本发明实施例提供的光发射组件的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的激光器和硅光调制器的耦合结构示意图；

图3为本发明实施例提供的基板俯视图；

图4为本发明又一实施例提供的光发射组件的结构示意图；

图5为本发明再一实施例提供的光发射组件的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的硅光调制器的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的光发射组件封装方法的流程示意图；

附图标记说明：

101-激光器； 102-硅光调制器； 103-TO底座；

104-TO透镜帽； 105-透光部分； 201-底座平台；

202-基板； 203-凸台； 204-透镜；

301-金锡焊料； 302-激光器定位标记； 303-调制器定位标记；

304-电驱动定位标记； 305-透镜定位标记； 401-电驱动芯片；

402-电驱动管脚； 403-第二调制驱动管脚； 404-输入电流监控管脚；

405-输出电流监控管脚； 601-第一调制电极； 602-第二调制电极；

603-入光探测器电极； 604-出光探测器电极； 605-硅波导。

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。

图1为本发明实施例提供的光发射组件的结构示意图，如图1所示，一种光发射组件，包括激光器101、硅光调制器102、TO底座103和TO透镜帽104；其中，激光器101和硅光调制器102装设在TO底座103上，TO透镜帽104封装在TO底座103上；激光器101发出的激光信号通过硅光调制器102调制后，通过TO透镜帽104的透光部分105输出。

具体地，硅光调制器102由光学结构和电学结构两部分组成：光学结构实现光在波导中传输方向的导引，并将电学结构引入的相位调制转换为光强度调制；电学结构通过改变硅基光波导中载流子分布而改变波导折射率，进而改变波导中传输光的相位、并通过干涉结构或谐振腔结构将相位的变化转化为光强的变化。此处，激光器101用于发出激光信号，硅光调制器102用于将接收激光器101发出的激光信号，并对激光信号进行调制，输出调制后的激光信号。本发明实施例不对激光器101和硅光调制器102的规格、型号等作具体限定。

激光器101和硅光调制器102的结合实现了光强可调的光发射功能，在此基础上，对激光器101和硅光调制器102进行TO封装，本发明实施例中，应用了TO底座103和TO透镜帽104进行封装。其中，TO底座103用于装设激光器101和硅光调制器102，TO透镜帽104封装在TO底座103上，与TO底座103配合实现对激光器101和硅光调制器102的封装。需要说明的是，TO透镜帽104是指顶部设置有透光部分105的TO封装外壳，TO透镜帽104的透光部分105可以是透镜，也可以是玻璃窗或者其他能够实现TO密闭封装的透明材料。经过硅光调制器102调制后的激光信号，通过TO透镜帽104的透光部分105射出经过TO封装的光发射组件。图1中，激光信号用虚线表示。

本发明实施例提供的光发射组件，对激光器101和硅光调制器102进行TO封装，气密性良好，可靠性强，通用性强，成本低廉，更加适合量产，有助于实现基于硅光调制器102的光发射组件的应用推广。

基于上述实施例，还包括电驱动芯片；电驱动芯片装设在TO底座103上，电驱动芯片与硅光调制器102的第一调制电极连接，电驱动芯片用于向第一调制电极传输第一调制驱动电压，以使得硅光调制器102基于第一调制驱动电压对激光信号进行调制。

此处，电驱动芯片用于向硅光调制器102的第一调制电极提供第一调制驱动电压，即电驱动芯片可以看作硅光调制器102的驱动电源。电驱动芯片将第一调制驱动电压传输至硅光调制器102的第一调制电极，通过第一调制驱动电压实现对硅光调制器102上的马赫曾德结构的干涉臂折射率的控制，从而实现激光信号相位的变化，进而改变激光信号的光强。

基于上述实施例，电驱动芯片与激光器101连接，电驱动芯片用于向激光器101提供激光器驱动电压。

具体地，电驱动芯片还能够为激光器101提供激光器驱动电压，即电驱动芯片还可以看作激光器101的驱动电源，向激光器101提供电能，使得激光器101能够发出激光信号。

基于上述实施例，还包括透镜，透镜装设在TO底座103上，且透镜装设在激光器101和硅光调制器102之间的激光信号的光路上。

具体地，将透镜装设在激光器101发射的激光信号传播到硅光调制器102的光路上，使得透镜能够在激光信号射入硅光调制器102之前对激光信号进行聚焦，提高光路耦合效率。

基于上述实施例，图2为本发明实施例提供的激光器和硅光调制器的耦合结构示意图，如图2所示，TO底座包括底座平台201，底座平台201与基板202黏接，基板202上设置有凸台203，激光器101装设在凸台203上，硅光调制器102装设在基板202上；凸台203的高度为激光器101的有源区的高度与硅光调制器102的硅波导中心的高度之差。

此处，底座平台201是垂直于TO底座的平台，用于装设激光器101和硅光调制器102。底座平台201上黏接有基板202，激光器101与硅光调制器102均安装在基板202上。为了实现激光器101与硅光调制器102之间的耦合，使得激光器101射出的激光信号能够无需光导向装置直接射入硅光调制器102的硅波导中，需要确保激光器101的有源区的高度与硅光调制器102的硅波导中心的高度相等。此处，激光器101的有源区高度可以是激光器101的有源区到底座平台201的距离，对应地，硅光调制器102的硅波导中心的高度为硅波导中心到底座平台201的距离，即激光器101有源区高度和硅光调制器102硅波导中心高度是基于同一参照物而言的。

为了确保光器的有源区的高度与硅光调制器102的硅波导中心的高度相等，本发明实施例在基板202上设置了凸台203，并使得凸台203的高度与激光器101的有源区的高度与硅光调制器102的硅波导中心的高度之差相等，将激光器101装设在凸台203上，即可抬高激光器101，使得激光器101的有源区高度与硅光调制器102的硅波导中心的高度相等。

此外，图2中基板202上还设置有透镜204，且透镜204装设在激光器101和硅光调制器102之间的激光信号的光路上，对激光信号进行聚焦。

本发明实施例提供的光发射组件，通过设计基板202结构，降低了激光器101与硅光调制器102的耦合难度，工艺可行性强，可靠性高，可实现标准化生产。

基于上述实施例，图3为本发明实施例提供的基板俯视图，如图3所示，凸台203上镀有金锡焊料301，金锡焊料301用于固定激光器；凸台203上设置有激光器定位标记302，激光器定位标记302用于指示激光器的安装位置；基板202上还设置有调制器定位标记303，调制器定位标记303用于指示硅光调制器的安装位置。此外，基板202上还设置有电驱动定位标记304和透镜定位标记305，电驱动定位标记304用于指示电驱动芯片的安装位置，透镜定位标记305用于指示透镜的安装位置。

具体地，金锡焊料301镀在基板202的凸台203上，用于贴片固定激光器。基板202上设置的激光器定位标记302、调制器定位标记303、电驱动定位标记304和透镜定位标记305，用于辅助激光器、硅光调制器、电驱动芯片和透镜在基板202上进行安装。基板202作为激光器和硅光调制器的对准承载平台，起到器件固定和光路对准的作用，激光器定位标记302、调制器定位标记303以及透镜定位标记305的应用均是为了实现光路对准。

基于上述实施例，图4为本发明又一实施例提供的光发射组件的结构示意图，如图4所示，TO底座103还包括电驱动管脚402、第二调制驱动管脚403、输入电流监控管脚404与输出电流监控管脚405；其中电驱动管脚402与电驱动芯片401连接，电驱动管脚402用于为电驱动芯片401提供电能；第二调制驱动管脚403与硅光调制器102的第二调制电极连接，第二调制驱动管脚403用于向第二调制电极传输第二调制驱动电压，以使得硅光调制器102基于第二调制驱动电压对激光信号进行调制；输入电流监控管脚404与硅光调制器102的入光探测电极连接，入光探测电极用于监控硅光调制器102的输入光电流；输出电流监控管脚405与硅光调制器102的出光探测电极连接，出光探测电极用于监控硅光调制器102的输出光电流。

具体地，第二调制驱动管脚403用于向硅光调制器102的第二调制电极提供第二调制驱动电压。第二调制驱动管脚403将第二调制驱动电压传输至硅光调制器102的第二调制电极，通过第二调制驱动电压实现对硅光调制器102上的马赫曾德结构的干涉臂折射率的控制，从而实现激光信号相位的变化，进而改变激光信号的光强。

入光探测电极用于监控硅光调制器102的输入光电流，此处输入光电流是指激光器101输出的激光信号耦合到硅光调制器102的光电流。输入电流监控管脚404与入光探测电极连接，可以实现硅光调制器102的输入光电流的实时监控。

出光探测电极用于监控硅光调制器102的输出光电流，此处输出光电流是指硅光调制器102对激光信号进行调制后输出的光电流。输出电流监控管脚405与出光探测电极连接，可以实现硅光调制器102的输出光电流的实时监控。

为了更好地理解与应用本发明提供的一种光发射组件，本发明进行以下示例，且本发明不仅局限于以下示例。

图5为本发明再一实施例提供的光发射组件的结构示意图，如图5所示，光发射组件包括激光器101、硅光调制器102、电驱动芯片401、透镜204、金锡焊料301、基板202、TO底座103、TO透镜帽104、导电胶和紫外胶水等元件物料，各光电元件采用TO形式封装成光发射组件。

图6为本发明实施例提供的硅光调制器的结构示意图，硅光调制器102芯片外观如图6所示。其中，硅光调制器102上有两组电极，分别是第一调制电极601和第二调制电极602。电驱动芯片401与第一调制电极601连接，为硅光调制器102提供第一调制驱动电压，通过第一调制驱动电压变化实现对硅光调制器102上的马赫曾德结构的干涉臂折射率的控制，从而实现激光信号相位的变化，进而改变激光信号的光强。TO底座103上的第二调制驱动管脚403与第二调制电极602连接，用于接入第二调制驱动电压。TO底座103上的输入电流监控管脚404与入光探测器电极603连接，入光探测器电极603用于监控激光器101耦合到硅光调制器102的输入光电流，TO底座103上的输出电流监控管脚405与出光探测器电极604连接，出光探测器电极604用于监控硅光调制器102的输出光电流。硅光调制器102的硅波导605作为硅光调制器102的输入/输出端口，激光器101作为发射组件光源，需持续发光，为连续发光光源。

参考图2、图3，为简化硅光调制器102与激光器101的对准过程，基板202设计有凸台203，凸台203区域镀有金锡焊料301，用于激光器101芯片贴片固定。平板区域设计有对多个辅助准标记，包括激光器定位标记302、硅光调制器102定位标记、电驱动芯片401定位标记和透镜定位标记305，如图3所示，用于辅助硅光调制器102、激光器101、电驱动芯片401贴片封装。基板202作为激光器101与硅光调制器102的对准承载平台、起到元件固定、光路对准的作用。其中激光器101的有源区与硅光调制器102的硅波导605中心的高度差为基板202台阶高度，即凸台203高度。

本示例提供的光发射组件，对激光器101和硅光调制器102进行TO封装，气密性良好，可靠性强，通用性强，成本低廉，更加适合量产，有助于实现基于硅光调制器102的光发射组件的应用推广。

基于上述任一实施例，图7为本发明实施例提供的光发射组件封装方法的流程示意图，如图7所示，一种光发射组件封装方法，包括：

701，将激光器和硅光调制器安装在TO底座上。

具体地，参考图1，激光器101用于发出激光信号，硅光调制器102用于将接收激光器101发出的激光信号，并对激光信号进行调制，输出调制后的激光信号。本发明实施例不对激光器101和硅光调制器102的规格、型号等作具体限定。激光器101和硅光调制器102的结合实现了光强可调的光发射功能，在此基础上，对激光器101和硅光调制器102进行TO封装，首先，将激光器101和硅光调制器102安装在TO底座103上。

702，将TO透镜帽封装在TO底座上，使得激光器发出的激光信号通过硅光调制器调制后，能够通过TO透镜帽的透光部分输出。

具体地，TO透镜帽104封装在TO底座103上，与TO底座103配合实现对激光器101和硅光调制器102的封装。需要说明的是，TO透镜帽104是指顶部设置有透光部分105的TO封装外壳，TO透镜帽104的透光部分105可以是透镜204，也可以是玻璃窗或者其他能够实现TO密闭封装的透明材料。经过硅光调制器102调制后的激光信号，通过TO透镜帽104的透光部分105射出经过TO封装的光发射组件。

本发明实施例提供的方法，对激光器和硅光调制器进行TO封装，气密性良好，可靠性强，通用性强，成本低廉，更加适合量产，有助于实现基于硅光调制器的光发射组件的应用推广。

基于上述任一实施例，702，将TO透镜帽封装在TO底座上，之前还包括：在激光器与硅光调制器之间的激光信号的光路上设置透镜；调整透镜的位置，使得硅光调制器的输出光电流最大。

具体地，参考图2，透镜204需要装设在激光器101发射的激光信号传播到硅光调制器102的光路上，使得透镜204能够在激光信号射入硅光调制器102之前对激光信号进行聚焦。在粘接在TO底座103的底座平台201的基板202上设置有透镜定位标记305。首先，参考透镜定位标记305安装透镜204。随后，给激光器101加电，使激光器101正常工作，监控硅光调制器102的输出光电流，调节透镜204位置，使光路耦合效率最大，即输出光电流最大，将透镜204固定在输出光电流最大时的位置。

本发明实施例提供的方法，通过合理设置透镜位置，保证了光路的耦合效率。

基于上述任一实施例，702，将TO透镜帽封装在TO底座上，之前还包括：将电驱动芯片安装在TO底座上，并将电驱动芯片与硅光调制器的第一调制电极，以及激光器连接。

具体地，参考图5和图6，将电驱动芯片401与硅光调制器102的第一调制电极601连接，使得电驱动芯片401能够向硅光调制器102的第一调制电极601提供第一调制驱动电压，即电驱动芯片401可以看作硅光调制器102的驱动电源。电驱动芯片401将第一调制驱动电压传输至硅光调制器102的第一调制电极601，通过第一调制驱动电压实现对硅光调制器102上的马赫曾德结构的干涉臂折射率的控制，从而实现激光信号相位的变化，进而改变激光信号的光强。

此外，将电驱动芯片401与激光器101连接，能够为激光器101提供激光器驱动电压，即电驱动芯片401还可以看作激光器101的驱动电源，向激光器101提供电能，使得激光器101能够发出激光信号。

为了更好地理解与应用本发明提供的一种光发射组件封装方法，本发明进行以下示例，且本发明不仅局限于以下示例。

1)参考图3、图5和图6，基板202的凸台203用于固定激光器101，通过图像系统识别激光器定位标记302，金锡焊料301加热融化将激光器101贴装在标记区域，激光器101背面与凸台203金锡焊料301连接，实现电气连接。

2)通过图像系统，使用导电胶将基板202粘贴在TO底座103的底座平台201上，要求基板202中心线与凸台203中心线重合。

3)通过图像系统识别调制器定位标记303，使用导电胶将硅光调制器102贴装在基板202上；要求硅光调制器102的输入端口与激光器101的有源区对齐，激光器101的有源区中心与调制器硅波导605的对准精度误差小于等于1微米；硅光调制器102输出端口位于基板202中心位置。

4)通过图像系统识别电驱动芯片401定位标记，使用导电胶将电驱动芯片401贴装在基板202上；

5)通过金线键合实现电驱动芯片401与TO底座103的电驱动管脚402的电气连接。通过金线实现电驱动芯片401的激光器101驱动电极与激光器101、电驱动芯片401的调制器驱动电极与硅光调制器102的第一调制电极601的电气连接。硅光调制器102的第二调制电极602与第二调制驱动管脚403，硅光调制器102的入光探测电极与输入电流监控管脚404，硅光调制器102的出光探测电极与输出电流监控管脚405金线键合。

6)透镜204放置在激光器101与硅光调制器102之间，可参考基板202上的透镜定位标记305，确定透镜204的初步位置，再通过有源监控，实现激光器101到透镜204到硅光调制器102的耦合对准。具体操作如下：通过外置仪表给激光器101加电，使激光器101正常工作，利用外置PD监控硅光调制器102的输出光电流。调节透镜204位置，使光路耦合效率最大，即输出光电流最大，利用紫外胶固定耦合透镜204，完成整个光路耦合封装。

7)将TO透镜帽104封装在TO底座103上，完成组件制作。

其中，导电胶为热固化胶，温度为110-150度，低于金锡焊料350度的焊接温度，不会对激光器101的可靠性造成影响，也不会对硅光调制器上的各区域性能产生影响。

光发射组件工作时，通过TO底座103的电驱动管脚402给电驱动芯片401加电工作，再通过电驱动芯片401分别向激光器101提供驱动电压，使其工作发光。同时调制驱动电压加载到硅光调制器102上，改变硅光调制器102的偏置电压，实现调制器工作点的控制，实现信号调制。

本示例提供的方法，实现了激光器101和硅光调制器102的TO封装，气密性良好，可靠性强，通用性强，成本低廉，更加适合量产，有助于实现基于硅光调制器102的光发射组件的应用推广。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的实施例的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明的实施例进行了详细的说明，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的实施例各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种光发射组件，其特征在于，包括激光器、硅光调制器、TO底座和TO透镜帽；

其中，所述激光器和所述硅光调制器装设在所述TO底座上，所述TO透镜帽封装在所述TO底座上；

所述激光器发出的激光信号通过所述硅光调制器调制后，通过所述TO透镜帽的透光部分输出。

2.根据权利要求1所述的光发射组件，其特征在于，还包括电驱动芯片；

所述电驱动芯片装设在所述TO底座上，所述电驱动芯片与所述硅光调制器的第一调制电极连接，所述电驱动芯片用于向所述第一调制电极传输第一调制驱动电压，以使得所述硅光调制器基于所述第一调制驱动电压对所述激光信号进行调制。

3.根据权利要求2所述的光发射组件，其特征在于，所述电驱动芯片与所述激光器连接，所述电驱动芯片用于向所述激光器提供激光器驱动电压。

4.根据权利要求1所述的光发射组件，其特征在于，还包括透镜，所述透镜装设在所述TO底座上，且所述透镜装设在所述激光器和所述硅光调制器之间的所述激光信号的光路上。

5.根据权利要求1所述的光发射组件，其特征在于，所述TO底座包括底座平台，所述底座平台与基板黏接，所述基板上设置有凸台，所述激光器装设在所述凸台上，所述硅光调制器装设在所述基板上；所述凸台的高度为所述激光器的有源区的高度与所述硅光调制器的硅波导中心的高度之差。

6.根据权利要求5所述的光发射组件，其特征在于，所述凸台上镀有金锡焊料，所述金锡焊料用于固定所述激光器；所述凸台上设置有激光器定位标记，所述激光器定位标记用于指示所述激光器的安装位置；

所述基板上还设置有调制器定位标记，所述调制器定位标记用于指示所述硅光调制器的安装位置。

7.根据权利要求3所述的光发射组件，其特征在于，所述TO底座还包括电驱动管脚、第二调制驱动管脚、输入电流监控管脚与输出电流监控管脚；

其中所述电驱动管脚与所述电驱动芯片连接，所述电驱动管脚用于为所述电驱动芯片提供电能；

所述第二调制驱动管脚与所述硅光调制器的第二调制电极连接，所述第二调制驱动管脚用于向所述第二调制电极传输第二调制驱动电压，以使得所述硅光调制器基于所述第二调制驱动电压对所述激光信号进行调制；

所述输入电流监控管脚与所述硅光调制器的入光探测电极连接，所述入光探测电极用于监控所述硅光调制器的输入光电流；

所述输出电流监控管脚与所述硅光调制器的出光探测电极连接，所述出光探测电极用于监控所述硅光调制器的输出光电流。

8.基于权利要求1至7中任一权利要求所述的光发射组件的封装方法，其特征在于，包括：

将所述激光器和所述硅光调制器安装在所述TO底座上；

将所述TO透镜帽封装在所述TO底座上，使得所述激光器发出的激光信号通过所述硅光调制器调制后，能够通过所述TO透镜帽的透光部分输出。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述将所述TO透镜帽封装在所述TO底座上，之前还包括：

在所述激光器与所述硅光调制器之间的所述激光信号的光路上设置透镜；

调整所述透镜的位置，使得所述硅光调制器的输出光电流最大。

10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述将所述TO透镜帽封装在所述TO底座上，之前还包括：

将电驱动芯片安装在所述TO底座上，并将所述电驱动芯片分别与所述硅光调制器的第一调制电极，以及所述激光器连接。