CN111293582A - 一种光信号发射器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了激光二极管领域的一种光信号发射器件，光信号发射器件包括驱动芯片组件、激光器TEC组件和壳体，驱动芯片组件和激光器TEC组件封装于所述壳体中，激光器TEC组件中的激光器热沉基板包括用于安装激光二极管芯片的第一部分和用于安装棱镜的第二部分，第一部分上具有用于安装半导体激光器LD的镀层，激光器热沉基板上还有用于定位所述棱镜的定位结构。本发明的有益效果在于，避免了驱动芯片和半导体激光器之间长的走线，降低了长的走线带来的寄生电感和寄生电容，解决了寄生电感、寄生电容以及阻抗不匹配等带来的影响高频信号质量的问题，提高了光发射器件的使用带宽，使得光信号发射器件更适合应用于高速率光通信设备。
Description
技术领域
本发明涉及激光二极管领域，具体涉及一种光信号发射器件。
背景技术
目前用于高速光纤通信的光收发模块中常用的光信号发射器件（TOSA）、半导体激光器（LD）的驱动芯片（Driver）均是布置在光收发模块的主板上。驱动芯片(Driver)通过柔性电路板（FPC）连接光发射器件(TOSA)，并驱动光发射器件(TOSA)中的半导体激光器(LD)。驱动芯片(Driver)主要作用是对半导体激光器(LD)的直流偏置电流与高频的调制电流进行耦合，为半导体激光器(LD)提供已调制的驱动电流。同时驱动芯片(Driver)还可对输入信号进行放大，并对直流偏置电流和高频调制电流进行控制，使激光器处于最佳的工作状态。
现有技术方案中，半导体激光器(LD)和驱动芯片(Driver)分别位于光模块主板和光发射器件(TOSA)内，激光器(LD)和驱动芯片(Driver)之间有柔性电路板(FPC)连接，半导体激光器(LD)和驱动芯片(Driver)间走线很长。随着光通信速率越来越高，长的高频信号走线容易产生寄生电感，寄生电容以及阻抗不匹配等影响高频信号质量的问题，降低驱动芯片和半导体激光器的运行带宽，影响光发射器件的性能。因此各厂家都在进行着改进，以使得半导体激光器(LD)和驱动芯片(Driver)能封装在一起。
公开号为CN108039643A的发明专利“同轴封装的激光器及具有该激光器的光模块” 提供了一种同轴封装的激光器及具有该激光器的光模块。激光器包括管座、贯穿管座的多根管脚、分别贴装于管座表面的激光管驱动芯片和支架、贴装于支架上的激光二极管、贴装于激光管驱动芯片上并与激光二极管相对的监控光敏二极管；支架具有向激光管驱动芯片延伸的延伸部，延伸部上贴装有导电焊盘；激光二极管和激光管驱动芯片分别通过引线电连接导电焊盘；激光管驱动芯片还与对应的所述管脚电连接。实现了小型化封装设计，且具有更高的带宽和更稳定的传输质量。但是不难看到，激光二极管通过支架垂直于管座上表面，虽然能保证光线沿着光路垂直输出，但是仍然需要借助导电焊盘和转接焊盘实现激光二极管和激光管驱动芯片的连接，增大了信号线的长度，并且采用的支架是异型结构，增加了生产支架的难度和成本。
发明内容
上述结构使得连接器件的引线长，引线仍会带来较多的寄生电感和寄生电容，并且也带来了阻抗不匹配的问题，相应的影响了高频信号质量，本发明的目的在于克服上述不足，基于特殊设计的激光器热沉基板，将驱动芯片(Driver)与半导体激光器(LD)一起封装在光发射器件中，尽可能地缩短引线长度，提供了一种光信号发射器件。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种光信号发射器件，包括驱动芯片组件114、激光器TEC组件113和壳体11，驱动芯片组件114和激光器TEC组件113相邻放置，封装于壳体中，
激光器TEC组件113包括激光器热沉基板1131和半导体激光器LD1132，
激光器热沉基板1131包括用于安装激光二极管芯片的第一部分和用于安装棱镜的第二部分，第一部分上具有用于安装半导体激光器LD1132的镀层，激光器热沉基板1131上还有用于定位棱镜的定位结构。
作为优选方案，用于定位棱镜的定位结构包括第一部分和第二部分构成的台阶。
作为优选方案，壳体11上有用于壳体11内外信号传输的贯穿针，驱动芯片组件114根据贯穿针传输的信号驱动激光器TEC组件113上的激光器LD1132发光。
作为优选方案，壳体11包括集管头111和壳盖112，集管头111和壳盖112组合构成壳体11内部的密封空间；
集管头111用于嵌入多个贯穿针，集管头111还用于在其内侧上表面固定驱动芯片组件（114）和激光器TEC组件113；
壳盖112上嵌入光学透镜1122，光学透镜1122用于汇集壳盖内的光线，并作为光线的向外传输的出口。
作为优选方案，激光器TEC组件113包括半导体制冷器1133，半导体制冷器1133粘贴在集管头111上，激光器热沉基板1131粘贴在半导体制冷器1133上，半导体制冷器1133通过其中两个贯穿针获取外部的制冷控制信号，并根据制冷控制信号为半导体激光器LD1132制冷。
作为优选方案，激光器TEC组件包括热敏电阻1134，热敏电阻1134粘贴在半导体制冷器1133上表面的导电图案11331上，用于监控半导体制冷器1133的温度，热敏电阻1134一端通过壳体11接地，另一端通过其中一个贯穿针将温度信号输出到壳体11外部。
作为优选方案，驱动芯片组件114包括驱动芯片1141和光电探测器PD1142，
驱动芯片1141通过贯穿针接收输入的控制信号，并输出驱动信号到半导体激光器LD1132，用于根据控制信号驱动半导体激光器LD1132发光；
驱动芯片1141上输出驱动信号的打线焊盘邻近半导体激光器LD1132，使得驱动芯片1141和半导体激光器LD1132之间的连线最短。
光电探测器PD1142位于半导体激光器LD1132的次发光侧，用于监测半导体激光器1132的发光功率，并将监测结果通过其中一个贯穿针输出到壳体11外部。
作为优选方案，发射器件还包括棱镜115，棱镜115位于激光器热沉基板1131的第一部分上，用于改变半导体激光器LD1132的光路。
作为优选方案，棱镜115的上表面还粘贴了平凸透镜116，平凸透镜116用于限制光路的发散角。
作为优选方案，光信号发射器件还包括接头12、安装环13和柔性电路板14，
接头12的一端通过安装环13与壳体11连接，接头12的另一端用于与外部光纤连接器2对接；安装环13用于接头12与壳体11之间的耦合焊接； 柔性电路板14一端与贯穿针电连接，柔性电路板的另一端用于连接光收发模块3的主板31。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1.本发明保护了一种光信号发射器件，将驱动芯片组件和激光器TEC组件相邻放置，封装于所述壳体中，通过打金线的方式连接驱动芯片和半导体激光器，使二者连接线路尽可能的短。避免了驱动芯片和半导体激光器之间长的走线，降低了长的走线带来的寄生电感和寄生电容，解决了寄生电感、寄生电容以及阻抗不匹配等带来的影响高频信号质量的问题，提高了光发射器件的使用带宽，使得光信号发射器件更适合应用于高速率光通信设备。
2. 本发明保护的一种光信号发射器件，半导体激光器安装于特殊设计的激光器热沉基板上，使得驱动芯片和激光器TEC组件封装在一起，结构简单，功耗得以降低，节约成本，相应地减少了安装工序。
3. 本发明保护的一种光信号发射器件，半导体激光器安装于特殊设计的激光器热沉基板上，包括用于安装激光二极管芯片的第一部分和用于安装棱镜的第二部分；第一部分上具有用于安装激光二极管芯片的镀层。在基板上还有用于定位所述棱镜的定位结构。由于该安装基板的上述结构，激光二极管芯片和棱镜可以放置在一个基板上，减小了尺寸公差，保证了光路精度。
4、本发明的驱动芯片组件中，驱动芯片上输出驱动信号的打线焊盘设置在临近半导体激光器LD的一侧，使得驱动芯片和半导体激光器LD之间的连线最短，进一步降低了驱动芯片和半导体激光器LD之间连线带来的寄生电感、寄生电容，有利于该光信号发射器件高频信号的传输。
附图说明：
图1为本发明实施例1中一种光信号发射器件的外观图；
图2为本发明实施例1中一种光信号发射器件使用方式图；
图3为本发明实施例1中一种光信号发射器件的TO-CAN组件示意图；
图4为本发明实施例1中TO-Header组件的内部示意图；
图5为本发明实施例1中TO-Header组件的外部示意图；
图6为本发明实施例1中TO-Header组件和TO-Cap组件组装后外部示意图；
图7为本发明实施例1中放置了激光器TEC组件和驱动芯片组件的TO-Header组件内部示意图；
图8为本发明实施例1中激光器TEC组件构成示意图；
图9为本发明实施例1中驱动芯片组件构成示意图；
图10为本发明实施例1中驱动芯片组件、激光器TEC组件和贯穿针的金线连接图；
图11为本发明实施例1中安装棱镜后的驱动芯片组件、激光器TEC组件和贯穿针的金线连接图；
图12为本发明实施例1中在棱镜上安装平凸透镜的驱动芯片组件、激光器TEC组件和贯穿针的金线连接图；
图13为本发明实施例1中一种光信号发射器件内部光路输出示意图；
图14为本发明实施例1中一种光信号发射器件光路输出到外部光纤的示意图；
图15为本发明实施例1中柔性电路板与贯穿针连接示意图。
标记说明：1-光发射器件，11-TO-CAN，12-Receptacle，13- Z-ring，14-FPC，2-光纤连接器，3-光收发模块，31-主板，111- TO-Header ，112- TO-Cap，1111-TO-Header的外壳，1112-（a～h）PIN针，1113-（i～j）PIN针，1114-不贯穿外壳针，1115-熔融玻璃，1121-TO-Cap的金属外壳，1122-光学透镜，113-激光器TEC组件，114-驱动芯片组件，1131-激光器热沉基板，1132-半导体激光器LD，1133-半导体制冷器，1134-热敏电阻，11331-导电图案，1141-驱动芯片，1142-光电探测器PD ，1143-金属支撑块，11411-打线焊盘组，115-棱镜，116-平凸透镜，121-光隔离器。
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
本发明提供的光发射器件（1）主要包括4个组件，TO-CAN11、Receptacle12、Z-ring13和柔性电路板FPC14，一种光发射器件的外观图如图1所示。其中TO-CAN11用于封装电子元件及光学器件；Receptacle12用于与外部光纤连接器2对接；Z-ring13用于Receptacle12与TO-CAN11之间的耦合焊接； FPC14用于连接光收发模块3的主板31。
该光发射器件1的使用方式是放置在光收发模块3中，用于光信号的发射，一种光发射器件使用方式图如图2所示。Receptacle12一端接外部光纤连接器2，FPC14一端焊接在主板31上接收输入信号及控制电压。
该光发射器件1的TO-CAN组件11结构主体包括TO-Header111和TO-Cap112，一种光发射器件的TO-CAN组件示意图如图3所示。其中TO-Header111的外壳1111为金属，且表面镀金。TO-Header组件的内部示意图如图4所示，TO-Header111带有8根贯穿外壳1111的圆形金属PIN针1112，用于直流电连接，编号分别为a-h，2根贯穿外壳1111的圆形金属PIN针1113用于高频信号输入，编号分别是i、j，以及2根不贯穿外壳1111的圆形金属PIN针1114。PIN针1112和1113镀金，内外两端分别用于内部打金线和外部与FPC15焊接，实现TO-CAN11内外电导通。外壳1111和PIN针1112和1113之间有熔融玻璃1115隔离，防止短路。PIN针1114镀金，与外壳1111焊接在一起，作为共用接地引脚。所有PIN针长度可根据具体产品需要设计，TO-Header组件的外部示意图如图5所示。TO-Cap112包含金属外壳1121和光学透镜1122，光学透镜1122镀有增透膜，作为TO-Cap112的光路出口，用于汇聚光线及密封TO-Cap112。光学透镜1122和金属外壳1121是通过胶水粘合在一起。TO-Cap的金属外壳1121和TO-header111的外壳1111是通过电阻焊焊接在一起，并要求气密，TO-Header组件和TO-Cap组件组装后外部示意图如图6所示。
TO-Header111上放置了激光器TEC组件113和驱动芯片组件114，放置了激光器TEC组件和驱动芯片组件的TO-Header组件内部示意图如图7所示。作为优选方案，采用D2815型号的驱动芯片组件可以满足将驱动芯片和激光器TEC组件113封装在同一个TO-CAN中。
激光器TEC组件113包含激光器热沉基板1131，半导体激光器LD1132，TEC（半导体制冷器）1133和热敏电阻1134，激光器TEC组件构成示意图如图8所示。
激光器热沉基板1131为导热性很好的陶瓷材料，作为优选方案，该陶瓷材料为AlN陶瓷材料，有利于散热。激光器热沉基板1131包含上台阶面、下台阶面，上台阶面和下台阶面形成阶梯结构。
在上台阶面上镀有导电图案11311，用于焊接激光器，当激光器的一极（例如N极，也可以是P极）焊接在导电图案上时，可以通过导电图案11311将激光器底部的N电极引出到导电图案11311上。激光器热沉基板1131通过胶水粘贴在TEC1133上。被导电图案11311引出的N电极通过金线w1连接到驱动芯片1141输出阴极。激光器热沉基板1131的下台阶面用于安装棱镜。
半导体激光器LD1132的作用是将电信号转换为光信号发射出去，通过金锡焊焊接在激光器热沉1131表面的导电图案11311上。激光器P电极通过金线w2连接到驱动芯片1141输出阳极。
TEC1133的作用是为半导体激光器LD1132制冷，使半导体激光器LD1132在一个恒定的温度范围内工作，从而保证半导体激光器LD1132的发光稳定性，TEC1133的上表面镀有导电图案11331，TEC正负两级通过金线w3和w4连接到TO-Header111的圆形PIN针1112（g，h）上，TEC1133是通过导热胶水粘贴在TO-Header壳体1111上的。
热敏电阻1134的作用是监控TEC1133温度，并反馈回主板31处理器，处理器通过控制TEC1133的电流来调控TEC1133的制冷温度，热敏电阻1134通过导电胶粘贴到TEC1133表面的导电图案11331上，并把底部电极引出到导电图案11331上去，并通过w6引入共用接地TO-Header金属壳体1111。热敏电阻1134顶部电极通过金线w5连接到TO-Header111的圆形PIN针1112e上。
驱动芯片组件114包含驱动芯片1141，光电探测器PD1142，金属支撑块1143，驱动芯片组件构成示意图如图9所示。
驱动芯片1141上表面带有打线焊盘组11411，与TO-Header111上相对应的PIN针1112和PIN针1113打线连接，金线w7和w8用于高频信号输入，金线w9，w10，w11，w12用于输入电信号，控制半导体激光器偏置电流、信号调制电流和信号增益。金线w1和w2用于输出驱动信号到半导体激光器LD1132，驱动芯片1141用导电胶粘在金属支撑块1143上，将驱动芯片1141底部接地端引入金属支撑块1143。
光电探测器1142用非导电胶粘贴在驱动芯片1141上表面，位于半导体激光器LD1132的次发光侧，用于接收半导体激光器LD1132次发光面射出的激光，监测半导体激光器LD1132的发光功率，反馈给主板31处理器，处理器通过控制驱动芯片1141电压，调节半导体激光器1132的发光功率，保持其输出功率恒定。光电探测器1142电极分别通过w13，w14接到对应的PIN针1112和共用地TO-Header壳体1111上。
金属支撑块1143材质为铜，表面镀金，用导电胶粘贴在TO-Header111上，用于将接地端连接到共用地TO-Header金属外壳1111上，并支撑驱动芯片1141到相应高度，同时，用于输出驱动型号的打线焊盘设置在靠近半导体激光器LD1132的一侧，使驱动芯片1141和半导体激光器LD1132之间连接线（w1，w2）最短。驱动芯片组件、激光器TEC组件和贯穿针的金线连接图如图10所示。所述支撑驱动芯片1141到相应高度可以是，金属支撑块1143支撑驱动芯片到与导体激光器LD1132相同的高度。
在激光器热沉基板1131的下台阶面上粘贴棱镜115，棱镜所在的一侧为半导体激光器LD1132的主发光面侧。由于半导体激光器LD1132焊接在激光器热沉基板1131的台阶面上，半导体激光器LD1132的光沿着平行于下台阶面表面的方向发出，并通过安装在下台阶面上的棱镜115，将光路折射出去，改变了半导体激光器LD1132光路输出的角度，通过调整棱镜角度，半导体激光器LD1132的输出光路角度可调，光路设计图如图13所示。
作为优选方案，棱镜115通光面镀有增透膜，安装棱镜115后的驱动芯片组件114、激光器TEC组件113和贯穿针金线连接图如图11所示。
在棱镜115上表面粘贴平凸透镜116，用于约束光束的发散角。平凸透镜116通光面镀有增透膜，在棱镜上安装平凸透镜的驱动芯片组件、激光器TEC组件和贯穿针金线连接图如图12所示。
通过电阻焊将TO-Cap的金属外壳1121和TO-header111的外壳1111焊接在一起，光学透镜1122对光束再一次聚焦，光束以汇聚的形式输出TO-CAN组件11，一种光发射器件内部光路输出示意图如图13所示。将Receptacle12和TO-CAN11进行光耦合对准后，将Receptacle12与Z-ring13进行激光焊接，将Z-ring13与TO-CAN11再进行激光焊接，光路如图14所示。Receptacle12光路上含有光隔离器121用于阻止光纤光路中的反射光干扰半导体激光器1132。光纤连接器同Receptacle12对接后，可将光束引入光纤中传播。
另外，将FPC14按相应位置，焊接到TO-CAN11背面的PIN针上，完成光发射器件组装，柔性电路板与贯穿针连接示意图如图15所示。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种光信号发射器件，包括驱动芯片组件（114）、激光器TEC组件（113）和壳体（11），所述驱动芯片组件（114）和所述激光器TEC组件（113）相邻放置，封装于所述壳体中，其特征在于，
所述激光器TEC组件（113）包括激光器热沉基板（1131）和半导体激光器LD（1132），
所述激光器热沉基板（1131）包括用于安装激光二极管芯片的第一部分和用于安装棱镜的第二部分，第一部分上具有用于安装半导体激光器LD（1132）的镀层，所述激光器热沉基板（1131）上还有用于定位所述棱镜的定位结构。
2.如权利要求1所述的一种光信号发射器件，其特征在于，用于定位所述棱镜的定位结构包括所述第一部分和所述第二部分构成的台阶。
3.如权利要求1所述的一种光信号发射器件，其特征在于，所述壳体（11）上有用于所述壳体（11）内外信号传输的贯穿针，所述驱动芯片组件（114）根据所述贯穿针传输的信号驱动所述激光器TEC组件（113）上的激光器LD（1132）发光。
4.如权利要求3所述的一种光信号发射器件，其特征在于，所述壳体（11）包括集管头（111）和壳盖（112），所述集管头（111）和所述壳盖（112）组合构成所述壳体（11）内部的密封空间；
所述集管头（111）用于嵌入多个所述贯穿针，所述集管头（111）还用于在其内侧上表面固定所述驱动芯片组件（114）和所述激光器TEC组件（113）；
所述壳盖（112）上嵌入光学透镜（1122），所述光学透镜（1122）用于汇集壳盖内的光线，并作为所述光线的向外传输的出口。
5.如权利要求4所述的一种光信号发射器件，其特征在于，所述激光器TEC组件（113）包括半导体制冷器（1133），所述半导体制冷器（1133）粘贴在所述集管头（111）上，所述激光器热沉基板（1131）粘贴在所述半导体制冷器（1133）上，所述半导体制冷器（1133）通过其中两个所述贯穿针获取外部的制冷控制信号，并根据所述制冷控制信号为所述半导体激光器LD（1132）制冷。
6.如权利要求5所述的一种光信号发射器件，其特征在于，所述激光器TEC组件包括热敏电阻（1134），所述热敏电阻（1134）粘贴在所述半导体制冷器（1133）上表面的导电图案（11331）上，用于监控所述半导体制冷器（1133）的温度，所述热敏电阻（1134）一端通过所述壳体（11）接地，另一端通过其中一个所述贯穿针将温度信号输出到所述壳体（11）外部。
7.如权利要求1-6任一所述的一种光信号发射器件，其特征在于，所述驱动芯片组件（114）包括驱动芯片（1141）和光电探测器PD（1142），
所述驱动芯片（1141）通过所述贯穿针接收输入的控制信号，并输出驱动信号到所述半导体激光器LD（1132），用于根据所述控制信号驱动所述半导体激光器LD（1132）发光；
所述驱动芯片（1141）上输出驱动信号的打线焊盘邻近所述半导体激光器LD（1132），使得驱动芯片（1141）和半导体激光器LD（1132）之间的连线最短；
所述光电探测器PD（1142）位于所述半导体激光器LD（1132）的次发光侧，用于监测所述半导体激光器（1132）的发光功率，并将监测结果通过其中一个所述贯穿针输出到所述壳体（11）外部。
8.如权利要求7所述的一种光信号发射器件，其特征在于，所述发射器件还包括棱镜（115），所述棱镜（115）位于所述激光器热沉基板（1131）的第一部分上，用于改变所述半导体激光器LD（1132）的光路。
9.如权利要求8所述的一种光信号发射器件，其特征在于，所述棱镜（115）的上表面还粘贴了平凸透镜（116），所述平凸透镜（116）用于限制光路的发散角。
10.如权利要求9所述的一种光信号发射器件，其特征在于，所述光信号发射器件还包括接头（12）、安装环（13）和柔性电路板（14），
所述接头（12）的一端通过所述安装环（13）与所述壳体（11）连接，所述接头（12）的另一端用于与外部光纤连接器（2）对接；所述安装环（13）用于所述接头（12）与所述壳体（11）之间耦合焊接；所述柔性电路板（14）一端与所述贯穿针电连接，所述柔性电路板的另一端用于连接光收发模块（3）的主板（31）。
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