CN111638577A - 表贴式集成化光模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种表贴式集成化光模块，包括：自对准波分复用器的内部制备具有合束功能的阵列波导，该阵列波导包括多个输入波导和一个输出波导，在每个输入波导处制备固定凹槽，在输出波导处制备固定V型槽，且该自对准波分复用器固定于功能基板上；激光器芯片通过倒装焊固定于凹槽内，且激光器芯片的输出波导与自对准波分复用器中的输入波导一一对应；射频驱动芯片通过倒装焊固定在功能基板上；功能基板上制备有高频传输线；光纤，固定在V型槽中。本发明通过的该表贴式集成化光模块，利用表贴式封装结构，降低了成本；通过采用自对准波分复用器，降低了对高精度耦合设备的依赖，具有体积小、适应性广等特点。

Description

表贴式集成化光模块
技术领域
本发明涉及光电子器件领域，尤其涉及一种表贴式集成化光模块。
背景技术
高速光模块多是采用蝶形管壳，不但成本高昂，而且体积也比较大，对于气密性要求不高的场景，性价比不高。同时，目前光模块的方案往往是采用多个不同波长的分立芯片按照特定间距排列，然后经波分复用器进行合束后通过光纤输出，其中在芯片与波分复用器之间、波分复用器与光纤之间需要高精度的对准，否则会严重降低耦合效率。这种方案对高精度的贴片和耦合设备的依赖性很强，不利于成本的降低。
发明内容
针对以上问题，本发明提供了一种表贴式集成化光模块，以至少部分解决以上技术问题。
本发明提供了一种表贴式集成化光模块，包括功能基板、自对准波分复用器、激光器芯片、射频驱动芯片和光纤，其中：
所述自对准波分复用器的内部制备具有合束功能的阵列波导，所述阵列波导包括多个输入波导和一个输出波导，在每个输入波导处制备固定凹槽，在所述输出波导处制备固定V型槽，且所述自对准波分复用器固定于所述功能基板上；
所述激光器芯片通过倒装焊固定于所述凹槽内，且所述激光器芯片的输出波导与所述自对准波分复用器中的输入波导一一对应；
所述射频驱动芯片通过倒装焊固定在所述功能基板上；
所述功能基板上制备有高频传输线，所述高频传输线连接外部信号与所述射频驱动芯片、以及所述射频驱动芯片与所述激光器芯片，实现信号传输；
所述光纤，固定在所述V型槽中，完成与所述自对准波分复用器的输出波导的对准。
一些实施例中，还包括：盖板，其材料是钨铜或可伐金属，所述盖板通过焊接或胶粘工艺固定在所述功能基板上。
一些实施例中，所述凹槽的长宽大于所述激光器芯片的长宽，且两者间长宽的误差不超过0.5um，以保证水平对准耦合精度；所述凹槽的深度不超过所述激光器芯片本身的厚度，且所述激光器芯片放置于所述凹槽上后的波导高度与对应的自对准波分复用器的所述输入波导的高度误差不超过0.5um，以保证垂直耦合精度；所述激光器芯片放置于所述凹槽上时，所述激光器芯片的波导与所述自对准波分复用器的输入波导间的水平距离不超过0.5um，以保证耦合效率；所述凹槽的底部制备有正金属电极和负金属电极，所述正金属电极和负金属电极通过过孔与连接至自对准波分复用器下表面的高频传输线相连。
一些实施例中，所述自对准波分复用器的输入波导为相对于波导输入垂直端面倾斜8度抛光处理，以降低耦合反射。
一些实施例中，所述V型槽的尺寸与所述光纤的直径匹配，以使所述光纤的纤芯与所述自对准波分复用器的输出波导处于同一中心线。
一些实施例中，所述激光器芯片为共面电极，且所述共面电极与凹槽内的所述正金属电极和负金属电极一一对应，实现信号的传输。
一些实施例中，所述功能基板包括：支撑主体，材料为PCB、氮化铝或氧化铝材料；高频传输线，包括一一对应的上表面传输线和下表面传输线；半过孔，设置于所述支撑主体的边缘，用于实现所述上表面传输线和所述下表面传输线的连接；固定台，设置于所述支撑主体上，并与所述自对准波分复用器的V型槽端相连，用于固定光纤，且所述固定台的高度由所述光纤和所述自对准波分复用器输出波导的耦合高度决定。
一些实施例中，所述射频驱动芯片中的通道数与所述激光器芯片的芯片数量相对应。
一些实施例中，所述光模块中的自对准波分复用器替换为波分解复用器时，所述激光器芯片替换为探测器芯片。
本发明提供的该表贴式集成化光模块，具有以下有益效果：
(1)通过设计功能基板，实现对激光器芯片阵列、自对准波分复用器、射频驱动芯片和光纤的封装，该表贴式封装结构，避免了传统封装方案中采用蝶形陶瓷管壳的使用，缩小了体积，降低了成本；
(2)通过采用自对准波分复用器，实现了激光器芯片阵列、自对准波分复用器与光纤之间的自对准，降低了对高精度耦合设备的依赖，提高了适应性。
附图说明
为进一步说明本发明的技术内容，以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明，其中：
图1是本发明一实施例提出的表贴式集成化光模块的结构示意图；
图2是本发明一实施例提出的表贴式集成化光模块的分解示意图；
图3是本发明一实施例中自对准波分复用器的结构示意图；
图4是本发明一实施例中自对准波分复用器的输入波导端的局部结构示意图；
图5是本发明一实施例中自对准波分复用器的输出波导端的局部结构示意图；
图6是本发明一实施例中功能基板的上表面的结构示意图；
图7是本发明一实施例中功能基板的下表面的结构示意图；
图8是本发明一实施例提出的表贴式集成化光模块的应用及信号传输示意图。
附图标记说明：
1盖板；2功能基板；3射频驱动芯片；4自对准波分复用器；5激光器芯片；6光纤；7电路板；41波分复用器衬底；42波分复用阵列波导；43V型槽；44凹槽；45输入波导；46射频正；47射频负；48输出波导；21支撑主体；22固定台；23上表面传输线正a；24上表面传输线负a；25上表面传输线正b；26上表面传输线负b；27半过孔正c；28半过孔负c；29下表面传输线正d；210下表面传输线负d。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明一实施例提供了一种实现波分复用的表贴式集成化光模块，请参见图1和图2所示，包括功能基板2、射频驱动芯片3、自对准波分复用器4、激光器芯片5和光纤6，其中：
自对准波分复用器4的内部制备具有合束功能的阵列波导，所述阵列波导包括多个输入波导和一个输出波导，在每个输入波导处制备固定凹槽，在所述输出波导处制备固定V型槽，且该自对准波分复用器4固定于功能基板2上；
激光器芯片5通过倒装焊固定于所述凹槽内，且激光器芯片5的输出波导与自对准波分复用器4中的输入波导一一对应；
射频驱动芯片3通过倒装焊固定在功能基板2上；
功能基板2上制备有高频传输线，该高频传输线连接外部信号与射频驱动芯片3的输入端、以及射频驱动芯片3的输出端与激光器芯片5，完成外部信号在射频驱动芯片3与激光器芯片5之间的传输，同时起到支撑作用；
光纤6，固定在所述V型槽中，完成与自对准波分复用器4的输出波导的对准。
具体地，一些实施例中：
自对准波分复用器4的整体结构可参见图3所示，包括波分复用器衬底41及设置于其上的阵列波导光栅(AWG)。在本实施例中，AWG包括4个输入波导连接一个输入星形耦合器，一个输出波导连接一个输出星形耦合器，以及在输入、输出星形耦合器之间连接一个波分复用阵列波导42。凹槽44对应设置在4个输入波导的每一个波导输入端附近，V型槽43设置在输出波导的波导输出端。自对准波分复用器4可以是二氧化硅或硅材料，通过刻蚀工艺制备得到具有波束选择功能的波分复用阵列波导42，实现多个波长的合束输出。需要说明的是，该输入波导的数目不局限于图3中的4路，但需满足ITU标准；波分复用阵列波导42的制备方式不局限于上述的刻蚀工艺，例如还可以是一个具体的阵列波导结构接入上述结构中。
进一步的，结合参见图1-图3，自对准波分复用器4具有输入输出自对准功能。本实施例中，在每个输入波导处都制备有凹槽44，用于固定激光器芯片5；在输出波导端制备有V型槽43，用于固定光纤6。优选地，凹槽44的长宽大于激光器芯片5的长宽，且两者间长宽的误差不超过0.5um，以保证水平对准耦合精度；凹槽44的深度不超过激光器芯片5本身的厚度，且激光器芯片5放置于凹槽44上后的波导高度与对应的自对准波分复用器4的输入波导的高度误差不超过0.5um，以保证较高的垂直耦合精度；凹槽44的位置应紧邻自对准波分复用器4的输入波导，使得激光器芯片5放置于凹槽44上时，激光器芯片5的波导与自对准波分复用器4的输入波导间的水平距离不超过0.5um，以保证较高的耦合效率。
更进一步的，对于上述自对准波分复用器4的波导输入端局部结构，再请参见图4，输入波导45为倾斜8度输入波导，通过对输入波导45进行相对于波导输入垂直端面倾斜8度抛光处理，可降低光在波导端面的反射；凹槽的底部制备有正金属电极和负金属电极，该正、负金属电极通过过孔(射频正46、射频负47)与连接至自对准波分复用器下表面的高频传输线相连；激光器芯片5为共面电极，并通过倒装焊工艺固定在凹槽内，满足激光器芯片5的该共面电极与凹槽44内的正、负金属电极一一对应的关系，以实现激光器芯片5至高频传输线上的信号的传输。对于上述自对准波分复用器4的波导输出端局部结构，请参见图5所示，V型槽连接至输出波导48，V型槽的尺寸与置于其上的光纤的直径相匹配，以使光纤的纤芯与自对准波分复用器的输出波导48处于同一中心线。
功能基板2的整体结构可结合参见图6-图7所示，包括支撑主体21、固定台22、半过孔以及高频传输线。本实施例中，支撑主体21应具备较好的高频信号传输能力和热传导能力，其材料可以是PCB、氮化铝或氧化铝等材料；固定台22设置于支撑主体21上，并与自对准波分复用器4的V型槽端相连，用于固定光纤，且固定台22的高度由光纤6和自对准波分复用器输出波导的耦合高度决定；半过孔设置于支撑主体21的边缘。需要说明的是，半过孔可以集中设置在支撑主体21的一条边上，也可以分散排布在支撑主体21的多个侧面，只需在半过孔分散排布的同时对应调整相关高频传输线即可。
进一步的，高频传输线包括一一对应的上表面传输线和下表面传输线，上、下表面传输线通过半过孔实现互相连接。本实施例中，上表面传输线的排布结构如图6所示，包括：连接外部信号与射频驱动芯片3的上表面传输线正a和上表面传输线负a，连接射频驱动芯片3和自对准波分复用器4的上表面传输线正b和上表面传输线负b；上表面传输线的排布结构如图7所示，包括：下表面传输线正d，与上表面传输线正a互相对应，并通过半过孔正c完成两者间的连接，以及下表面传输线负d，与上表面传输线负a互相对应，并通过半过孔负c完成两者间的连接。在本实施例提供的该高频传输线中，正b、正a、正c和正d形成一路信号传输，负b、负a、负c和负d形成另一路信号传输。提供此类设置，完成本发明表贴式集成化光模块连接至外部信号时的实际应用。
基于上述表贴式集成化光模块结构，再请参见图1和图2，优选的，再具体实施例中，该光模块结构还包括一盖板1，通过焊接或胶粘工艺固定在功能基板2上，该盖板1应具有较好的散热能力，其材料可以是钨铜、可伐等金属。
综合以上实施方式，本发明另一实施例提供了一种上述表贴式集成化光模块的应用方法，该光模块为表贴式结构，在具体应用时通过焊接或机械装置施加压力将功能基板的下表面电极与外部进行接触，最终可实现信号的传递。以下对其具体实现过程做更进一部描述，包括：
首先，将自对准波分复用器通过倒装焊固定在功能基板上，使得凹槽内射频正、射频负分别与功能基板的上表面传输线正b、上表面传输线负b完成电连接；
然后，将射频驱动芯片通过倒装焊固定在功能基板上，使得上表面传输线正a、上表面传输线负a分别通过射频驱动芯片完成与上表面传输线正b、上表面传输线负b的电连接；
其次，将激光器芯片阵列分别通过倒装焊放置于凹槽内，将光纤放置于V型槽内，用紫外胶进行固化；
最后，将盖板固定在功能基板上，完成光模块的封装。
在使用时，如图8所示，可以通过夹具对光模块施加压力，完成功能基板下表面传输线与电路板的电气连接，实现信号在光模块与电路板之间的传输。
本发明另一实施例提供了一种实现波分解复用的表贴式集成化光模块，基于上述实现波分复用的表贴式集成化光模块，将其中的自对准波分复用器替换为波分解复用器，将激光器芯片替换为探测器芯片，可实现同样的技术优势。
结合上述两个实施例，将实现波分复用的表贴式集成化光模块的光纤和实现波分解复用的表贴式集成化光模块的光纤连接，前者实现多种不同波长的光载波信号耦合至同一根光纤，后者实现各种波长的光载波分离，回复原信号，两者结合即得到一个完整的实现波分/解复用的简化的光模块。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种表贴式集成化光模块，其特征在于，包括功能基板、自对准波分复用器、激光器芯片、射频驱动芯片和光纤，其中：
所述自对准波分复用器的内部制备具有合束功能的阵列波导，所述阵列波导包括多个输入波导和一个输出波导，在每个输入波导处制备固定凹槽，在所述输出波导处制备固定V型槽，且所述自对准波分复用器固定于所述功能基板上；
所述激光器芯片通过倒装焊固定于所述凹槽内，且所述激光器芯片的输出波导与所述自对准波分复用器中的输入波导一一对应；
所述射频驱动芯片通过倒装焊固定在所述功能基板上；
所述功能基板上制备有高频传输线，所述高频传输线连接外部信号与所述射频驱动芯片、以及所述射频驱动芯片与所述激光器芯片，实现信号传输；
所述光纤，固定在所述V型槽中，完成与所述自对准波分复用器的输出波导的对准。
2.根据权利要求1所述的表贴式集成化光模块，其特征在于：
所述凹槽的长宽大于所述激光器芯片的长宽，且两者间长宽的误差不超过0.5um，以保证水平对准耦合精度；
所述凹槽的深度不超过所述激光器芯片本身的厚度，且所述激光器芯片放置于所述凹槽上后的波导高度与对应的自对准波分复用器的所述输入波导的高度误差不超过0.5um，以保证垂直耦合精度；
所述激光器芯片放置于所述凹槽上时，所述激光器芯片的波导与所述自对准波分复用器的输入波导间的水平距离不超过0.5um，以保证耦合效率。
3.根据权利要求1所述的表贴式集成化光模块，其特征在于，所述凹槽的底部制备有正金属电极和负金属电极，所述正金属电极和负金属电极通过过孔与连接至自对准波分复用器下表面的高频传输线相连。
4.根据权利要求1所述的表贴式集成化光模块，其特征在于，所述自对准波分复用器的输入波导为相对于波导输入垂直端面倾斜8度抛光处理，以降低耦合反射。
5.根据权利要求1所述的表贴式集成化光模块，其特征在于，所述V型槽的尺寸与所述光纤的直径匹配，以使所述光纤的纤芯与所述自对准波分复用器的输出波导处于同一中心线。
6.根据权利要求1所述的表贴式集成化光模块，其特征在于，所述激光器芯片为共面电极，且所述共面电极与凹槽内的所述正金属电极和负金属电极一一对应，实现信号的传输。
7.根据权利要求1所述的表贴式集成化光模块，其特征在于，所述功能基板包括：
支撑主体，材料为PCB、氮化铝或氧化铝材料；
高频传输线，包括一一对应的上表面传输线和下表面传输线；
半过孔，设置于所述支撑主体的边缘，用于实现所述上表面传输线和所述下表面传输线的连接；
固定台，设置于所述支撑主体上，并与所述自对准波分复用器的V型槽端相连，用于固定光纤，且所述固定台的高度由所述光纤和所述自对准波分复用器输出波导的耦合高度决定。
8.根据权利要求1所述的表贴式集成化光模块，其特征在于，所述射频驱动芯片中的通道数与所述激光器芯片的芯片数量相对应。
9.根据权利要求1所述的表贴式集成化光模块，其特征在于，还包括：
盖板，其材料是钨铜或可伐金属，所述盖板通过焊接或胶粘工艺固定在所述功能基板上。
10.根据权利要求1至9中任一所述的表贴式集成化光模块，其特征在于，所述光模块中的自对准波分复用器替换为波分解复用器时，所述激光器芯片替换为探测器芯片。
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