CN112558235A - 光发射器及光模块 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光发射器及光模块，在光发射器设有激光芯片、第一金属导线、第二金属导线、管座、固定在所述管座上的基板，基板上设有信号线传输层。将激光芯片通过两根或两根以上的金属导线与其阳极对应的信号线传输层连接，并且只有一个金属导线直接焊接在激光芯片的焊盘上，该金属导线在焊盘所形成的焊点面积大于焊盘面积的二分之一，剩余的金属导线采用上方的金属导线焊接在位于其底部的金属导线上的方式焊接。这样，便可以在无需增加激光芯片焊盘面积的前提下，增加金属导线的数目，与单根金属导线相比，可以增加金属导线的总直径，进而可以减少其光模块工作过程中所产生的电感，有助于提高光模块的高速光电性能。

Description

光发射器及光模块

技术领域

本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光发射器及光模块。

背景技术

光收发一体模块，简称光模块，是光通讯领域设备中的一种标准模块。一个标准光模块通常包括光发射次模块、光接收次模块、微处理器等器件，另外，还有一些光模块中将单独的光发射次模块和光接收次模块一起封装在金属外壳中制成双向光学次模块、又称为光收发次模块。

基于TO(Through-hole)封装技术相对于其它封装技术，具有寄生参数小、工艺成本低等优点，因此，光发射次模块中的光发射器常会采用同轴TO封装方式。具体的，在光发射器中，主要由底座和管帽两部分构成。其中，底座的立柱上贴有陶瓷基板，陶瓷基板的表面镀有信号传输层，激光芯片的背面电极通过焊料贴在一个信号线传输层上、正面电极通过焊接在激光芯片上的金属导线连接至另一个信号线传输层上。由于现有的激光芯片的体积较小，对应的其正面电极中用于焊接金属导线的焊盘的面积也非常小，所以在上述焊盘上只能允许一个球焊点、即只能打一根金属导线。

但是，考虑到对金属球焊点大小的控制，金属导线的通常设置的比较细、即直径较小，进而其引入的寄生电感会比较大，并且，随着光模块通信速率的提高，金属导线所引入的寄生电感也在不断增加，进而其对光模块的高速光电性能的影响也愈加明显。

发明内容

本申请实施例提供了一种光发射器及光模块，以减小光模块工作过程中激光芯片上焊制的金属导线所产生的寄生电感，提高光模块的高速光电性能。

根据本申请实施例的第一方面，提供了一种光发射器，该光发射器包括：

管座，用于承载器件；

基板，由所述管座承载，表面具有由金属材质形成的第一信号线传输层及第二信号线传输层；

激光芯片，底面的阴极设置在所述第一信号线传输层表面以实现电连接，顶面的阳极形成焊盘；

第一金属导线，一端焊接在所述焊盘上，另一端焊接在所述第二信号线传输层表面，所述第一金属导线在所述焊盘所形成的焊点面积大于所述焊盘面积的二分之一；

第二金属导线，一端焊接在所述第一金属导线的一端上，另一端焊接在所述第二信号线传输层表面；

所述阳极通过所述第一金属导线及所述第二金属导线实现与所述第二信号线传输层电连接。

根据本申请实施例的第二方面，提供了一种光模块，该光模块中设有本申请实施例第一方面提供的光发射器。

本申请实施例提供的一种光发射器及光模块，在光发射器中，将激光芯片与其阳极对应的信号线传输层连接时，焊接两根或两根以上的金属导线，并且只有一个金属导线直接焊接在激光芯片的焊盘上，该金属导线在焊盘所形成的焊点面积大于焊盘面积的二分之一，剩余的金属导线采用上方的金属导线焊接在位于其底部的金属导线上的方式焊接，这样多根金属导线在激光芯片的焊盘上只形成有一个焊点。因此，本申请实施提供的光发射器可以在无需增加激光芯片焊盘面积的前提下，增加金属导线的数目，与单根金属导线相比，可以增加金属导线的总直径，进而可以减少其光模块工作过程中所产生的电感，有助于提高光模块的高速光电性能。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，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为光通信终端连接关系示意图；

图2为光网络单元结构示意图；

图3为本申请实施例中提供的一种光模块的结构示意图；

图4为本申请实施例中提供的一种光模块的分解结构示意图；

图5为本申请实施例中提供的一种光收发次模块的结构示意图；

图6为本申请实施例中提供的一种光发射次模块的分解结构示意图；

图7为本申请实施例中提供的一种光发射器的第一结构示意图；

图8为本申请实施例中提供的一种光发射器的第二结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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。

光纤通信的核心环节之一是光电信号的转换。光纤通信使用携带信息的光信号在光纤/光波导中传输，利用光在光纤中的无源传输特性可以实现低成本、低损耗的信息传输。而计算机等信息处理设备采用的是电信号，这就需要在信号传输过程中实现电信号与光信号的相互转换。

光模块在光纤通信技术领域中实现上述光电转换功能，光信号与电信号的相互转换是光模块的核心功能。光模块通过电路板上的金手指实现与外部上位机之间的电连接，主要的电连接包括供电、I2C信号、传输数据信号以及接地等，金手指实现的电连接方式已经成为光模块行业的标准方式，以此为基础，电路板是大部分光模块中必备的技术特征。

图1为光通信终端连接关系示意图。如图1所示，光通信终端的连接主要包括光网络单元100、光模块200、光纤101及网线103；

光纤的一端连接远端服务器，网线的一端连接本地信息处理设备，本地信息处理设备与远端服务器的连接由光纤与网线的连接完成；而光纤与网线之间的连接由具有光模块的光网络单元完成。

光模块200的光口与光纤101连接，与光纤建立双向的光信号连接；光模块200的电口接入光网络单元100中，与光网络单元建立双向的电信号连接；光模块实现光信号与电信号的相互转换，从而实现在光纤与光网络单元之间建立连接；具体地，来自光纤的光信号由光模块转换为电信号后输入至光网络单元100中，来自光网络单元100的电信号由光模块转换为光信号输入至光纤中。光模块200是实现光电信号相互转换的工具，不具有处理数据的功能，在上述光电转换过程中，信息并未发生变化。

光网络单元具有光模块接口102，用于接入光模块，与光模块建立双向的电信号连接；光网络单元具有网线接口104，用于接入网线，与网线建立双向的电信号连接；光模块与网线之间通过光网络单元建立连接，具体地，光网络单元将来自光模块的信号传递给网线，将来自网线的信号传递给光模块，光网络单元作为光模块的上位机监控光模块的工作。

至此，远端服务器通过光纤、光模块、光网络单元及网线，与本地信息处理设备之间建立双向的信号传递通道。

常见的信息处理设备包括路由器、交换机、电子计算机等；光网络单元是光模块的上位机，向光模块提供数据信号，并接收来自光模块的数据信号，常见的光模块上位机还有光线路终端等。

图2为光网络单元结构示意图。如图2所示，在光网络单元100中具有电路板105，在电路板105的表面设置笼子106；在笼子106中设置有电连接器，用于接入金手指等光模块电口；在笼子106上设置有散热器107，散热器107具有增大散热面积的翅片等凸起结构。

光模块200插入光网络单元中，具体为光模块的电口插入笼子106中的电连接器，光模块的光口与光纤101连接。

笼子106位于电路板上，将电路板上的电连接器包裹在笼子中；光模块插入笼子中，由笼子固定光模块，光模块产生的热量通过光模块壳体传导给笼子，最终通过笼子上的散热器107进行扩散。

图3为本申请实施例提供的一种光模块200的结构示意图，图4为本发明实施例提供光模块200的分解结构示意图。如图3和图4所示，本申请实施例提供的光模块200包括光收发次模块205，还包括上壳体201、下壳体202、解锁手柄203和电路板204。

上壳体201与下壳体202形成具有两个开口的包裹腔体，具体可以是在同一方向的两端开口(206、207)，也可以是在不同方向上的两处开口；其中一个开口为电口206，用于插入光网络单元等上位机中，另一个开口为光口207，用于外部光纤接入以连接内部光纤，电路板204等光电器件位于包裹腔体中。

上壳体201及下壳体202一般采用金属材料，利于实现电磁屏蔽以及散热；采用上壳体201、下壳体202结合的装配方式，便于将电路板204等器件安装到壳体中，一般不会将光模块的壳体做成一体结构，这样在装配电路板等器件时，定位部件、散热以及电磁屏蔽结构无法安装，也不利于生产自动化。

解锁手柄203位于包裹腔体/下壳体202的外壁，拉动解锁手柄的末端可以在使解锁手柄在外壁表面相对移动；光模块插入上位机时由解锁手柄203将光模块固定在上位机的笼子里，通过拉动解锁手柄203以解除光模块与上位机的卡合关系，从而可以将光模块从上位机的笼子里抽出。

光收发次模块205用于发射和接收激光，进而实现光模块200发射和接收光信号。图5为本申请实施例中提供的一种光收发次模块的结构示意图。如图5所示，该光收发次模块300包括光发射器10、圆方管体20、光接收器40。

如图5所示，圆方管体20用于承载固定光发射器10和光接收器40。在本申请实施例中，圆方管体20一般采用金属材料，利于实现电磁屏蔽以及散热。圆方管体20上设置第一管口和第二管口。通常，第一管口和第二管口分别设置在圆方管体20上相邻的侧壁上。优选的，第一管口设置在圆方管体20长度方向的侧壁上，第二管口设置在圆方管体20宽度方向的侧壁上。

光发射器10镶嵌入第一管口，通过第一管口，光发射器10导热接触圆方管体20；光接收器40镶嵌入第二管口，通过第二管口导热接触圆方管体20。可选的，光发射器10和光接收器40直接压配到圆方管体20中，圆方管体20分别与光发射器10和光接收器40直接或通过导热介质接触。如此圆方管体20可用于光发射器10和光接收器40的散热，保证光发射器10和光接收器40的散热效果。光纤适配器30镶嵌在圆方管体20的另一侧，用于光收发次模块连接光纤。

需要说明的是，本实施例以光发射器10与光接收器40封装在一体为例，在具体实施中，还可以采用独立封装结构。图6为本申请实施例中提供的一种光发射次模块的分解结构示意图。如图6，该光发射次模块由左到右依次包括光发射器(由管座11和管帽12两部分构成)、封装件50、连接件60和光纤适配器30。

本实施例光发射次模块/光收发次模块中的光发射器进行改进。图7为本申请实施例中提供的一种光发射器的第一结构示意图；图8为本申请实施例中提供的一种光发射器的第二结构示意图。如图7和8所示，本实施例中的光发射器10采用同轴TO封装方式，需要说明的是，图中只示出了管座部分的结构，而管帽部分在图中未示出，其具体结构可以参考图6中的管帽。

其中，管座11通常设计为扁圆柱形结构，用于承载光发射器10中的各种器件。管座11上设置若干供管脚116穿过的若干管脚通孔，其中，有一部分管脚插入管脚通孔中并从凸出于管座11的顶面、以和固定在管座11上的器件相连接，然后，管脚116的另一端可以与光模块中的电路板204连接。

管座11上设有半圆柱形的立柱111，其中，该立柱111可以与管座11为一体结构，立柱111可由合金制成，如铜合金、镍合金等，主要起散热和承载作用，如用于承载激光芯片114并辅助其散热。需要说明的是，用于固定激光芯片114的结构并不限于本实施例提供的立柱111，可以设计为其它形状、还可以将其替换为固定在管座上的热沉。

在本申请实施例中，如图8所示，为了便于控制激光芯片114的导通通路和散热，激光芯片114通过基板112贴在立柱111上，其中，基板112与立柱111的固定连接可选用焊料进行焊接固定，基板112可选氮化铝、氧化铝等陶瓷材料制成，当然，也可以选用其它材料。进一步的，基板112上设有金属材质的第一信号线传输层1131和第二信号线传输层1132，第一信号线传输层1131和第二信号线传输层1132之间具有一定的绝缘间隙，第一信号线传输层1131和第二信号线传输层1132分别连接一个管脚，例如，第一信号线传输层1131连接至激光器阴极驱动管脚、第二信号线传输层1132连接至激光器阳极驱动管脚。

如图8所示，本实施例中的激光芯片114的阴极和阳极设置在两个相对的面上，其中，其下表面(底面)上设置有阴极、上表面(顶面)上设有阳极，本实施例为了区分两个相对的表面，所以将其描述为上表面和下表面。激光芯片114的下表面、即其阴极贴装在第一信号线传输层1131上，为了便于在激光芯片114的阳极上焊线，其上表面设有焊盘1141，且焊盘1141与激光芯片114的阳极连接。

具体的，本实施例选用两根金属导线，分别为第一金属导线1151和第二金属导线1152，第一金属导线1151和第二金属导线1152可以为黄金制成的金丝导线，当然，也可以为其它金属材质。第一金属导线1151的一端焊接在焊盘1141上、另一端与第二信号线传输层1132连接，其中，第一金属导线1151与焊盘1141相接触的部分称为焊点，且第一金属导线1151在焊盘1141上所形成的焊点面积大于焊盘1141面积的二分之一。同时，第二金属导线1152的一端焊接在第一金属导线1151上，其中，第二金属导线1152优选焊接在靠近第一金属导线1151与焊盘1141所形成的焊点的位置、或是直接焊接在该焊点上；第二金属导线1152的另一端也与第二信号线传输层1132连接。

这样，激光芯片114的阳极便是通过两根金属导线与第二信号线传输层1132相连，并且由于第一金属导线1151直接焊接在焊盘1141上、而第二金属导线1152焊接在第一金属导线1151上，所以两金属导线在激光芯片的焊盘1141上只形成有一个焊点。因此，本申请实施提供的光发射器可以在无需增加激光芯片焊盘面积的前提下，增加金属导线的数目，与单根金属导线相比，可以增加金属导线的总直径。根据电感计算公式，电感L∝1/r,r为导线半径，所以，金属导线总直径增加后，其在光模块工作过程中所产生的寄生电感也会减小，由所造成的电磁干扰也会相应降低，进而有助于提高光模块的高速光电性能。

当然，本实施例只是以焊两根金属导线为例，还可以根据需要设置更多根、如三根、四根，并且在焊线时上方的金属导线焊接在位于其底部的金属导线上。

进一步的，为了增加金属线焊接的牢固度以及减小金属导线与焊盘之间的接触电阻，本实施例中在焊接金属导线时，现将第一金属导线1151的一端通过高温将其熔为一个圆球的金属焊球1153后，然后，通过施加一定的压力，使第一金属导线1151通过金属焊球1153焊接在焊盘1141上。同样的，第二金属导线1152的一端也通过高温将其熔为一个圆球的金属焊球1154，为了便于第二金属导线1152的焊接，通过施加一定的压力，使第二金属导线1152通过金属焊球1154焊接在第一金属导线1151的金属焊球1153上。

为保证焊线的牢固度，本实施例设置第二金属导线1152的金属焊球1154的直径小于或等于第一金属导线1151的金属焊球1153直径，即当焊接多根金属导线时，各导线的焊球的直径从上至下依次减小，本实施例称靠近焊盘的方向为下。

根据电感L∝Ln,Ln为导线长度，可知金属导线越长，其产生的寄生电感越大，所以，各金属导线的长度应遵循越短越好，但是又需要满足可以焊接到第二信号线传输层1132上的条件。基于上述原因，本实施例设置第一金属导线1151和第二金属导线1152的长度差值越小越好，同时又由于第二金属导线1152焊在在第一金属导线1151上，所以两者长度会有差值，因此，本实施例设置两者差值小于第一预设值且大于或等于0，其具体值根据两根导线均可以焊在信号线传输层上的要求设置。

进一步的，为了提高焊接速度，本实施例中，第一金属导线1151的另一端通过压力焊的方式焊接与第二信号线传输层1132上，例如采用金丝键合劈刀将其压在第二信号线传输层1132上，本实施例称，在第一金属导线1151中，其与第二信号线传输层1132相接触的点称为第一焊点1155。同样的，第二金属导线1152的另一端也是通过压力焊的方式焊接与第二信号线传输层1132上，其与第二信号线传输层1132相接触的点称为第二焊点1156。

由于各金属导线在第二信号线传输层1132上的焊点，通常是压在第二信号线传输层1132上所形成的，所以，为了防止后续焊接金属导线时对已焊好的金属导线影响,本实施例设置第一金属导线1151和第二金属导线1152在第二信号线传输层1132上的焊接点相互之间具有一定的间距L。同时，由于两根金属导线间距越大，则对应的金属导线的长度越长，因此，综合尽量减少金属导线产生的电感值以及金丝键合劈刀对焊点间距的要求，本实施例设置相邻金属导线在第二信号线传输层1132上的焊接点之间的间距L为50～150um之间的任一值。

即，若是第二金属导线1152通过金属焊球1154焊接在第一金属导线1151的金属焊球1153上时，第一金属导线1151和第二金属导线1152便形成一定的夹角θ，综合考虑两个信号线传输层之间的间距、激光芯片尺寸及其粘贴位置等因素，本实施例设置第一金属导线1151和第二金属导线1152之间夹角的大于或等于15°且小于180°。

本实施例仅是以在管座上贴一颗激光芯片为例，在具体实施过程中，还可以贴两颗甚至更多颗，实现多光路光信号的发射。

另外，还可以在该光发射器的管座中设置其它的元器件，例如用于探测激光芯片114发光功率的背光探测器117、用于获取立柱111的温度进而实现对激光芯片114的工作温度的进行监测的热敏电阻、以及对激光芯片114进行散热的热电制冷器等。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。需要说明的是，本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。

应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (9)

1.一种光发射器，其特征在于，包括：

管座，用于承载器件；

基板，由所述管座承载，表面具有由金属材质形成的第一信号线传输层及第二信号线传输层；

激光芯片，底面的阴极设置在所述第一信号线传输层表面以实现电连接，顶面的阳极形成焊盘；

第一金属导线，一端焊接在所述焊盘上，另一端焊接在所述第二信号线传输层表面，所述第一金属导线在所述焊盘所形成的焊点面积大于所述焊盘面积的二分之一；

第二金属导线，一端焊接在所述第一金属导线的一端上，另一端焊接在所述第二信号线传输层表面；

所述阳极通过所述第一金属导线及所述第二金属导线实现与所述第二信号线传输层电连接。

2.根据权利要求1所述的光发射器，其特征在于，所述第一金属导线和第二金属导线的长度差值大于或等于0且小于第一预设值。

3.根据权利要求1所述的光发射器，其特征在于，所述第一金属导线在所述第二信号线传输层形成第一焊点，所述第二金属导线在所述第二信号线传输层上形成第二焊点，所述第一焊点和第二焊点之间具有一定的间距。

4.根据权利要求3所述的光发射器，其特征在于，所述第一焊点和第二焊点之间的间距为50～150um之间的任一值。

5.根据权利要求1所述的光发射器，其特征在于，所述第一金属导线的一端熔为金属焊球后焊接在在所述焊盘上，所述第二金属导线的一端熔为金属焊球后焊接在所述第一金属导线的金属焊球上。

6.根据权利要求5所述的光发射器，其特征在于，所述第一金属导线与所述第二金属导线之间的夹角大于或等于15°且小于180°。

7.根据权利要求1所述的光发射器，其特征在于，所述第二金属导线的金属焊球的直径小于或等于所述第一金属导线的金属焊球的直径。

8.根据权利要求1所述的光发射器，其特征在于，所述第一金属导线和第二金属导线为金丝导线。

9.一种光模块，其特征在于，所述光模块包括权利要求1至8任一所述的光发射器。

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