CN112787211A - 一种集成plc芯片的to封装结构及光组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成PLC芯片的TO封装结构及光组件，该TO封装结构包括TO管座、TO插针、TO管帽、TO透镜、半导体制冷器、热沉、半导体激光器、光电探测器以及PLC芯片；半导体激光器出光口与PLC芯片的输入端口耦合；半导体激光器的大部分出射光通过PLC芯片内的第一传输波导传输至输出端口后，由TO透镜输出；或者，通过PLC芯片内的第一传输波导传输，再通过反射结构反射后由TO透镜输出；半导体激光器的小部分出射光通过PLC芯片内的第二传输波导传输至光电探测器。本发明将PLC芯片集成在TO封装结构内，使TO封装结构具备了直接将半导体激光器发射的光信号进行滤波、色散补偿、消光比提升和分光等功能，大大拓展了TO封装结构的应用场景。
Description
技术领域
本发明主要涉及光通信和光传感技术领域，尤其涉及集成PLC芯片的TO封装结构及光组件；其它任何将PLC(Planar Light circuit，平面光波导)芯片封装到TO(Transistor Outline，三极管封装)结构中的场景，都可以借鉴应用。
背景技术
在光通信和光传感系统中，PLC芯片的封装多采用TO封装结构，参见图1，TO封装结构通常由TO管座01、TO管帽02和内部的元器件组成。TO管座01包括TO插针03，为TO外部与内部建立电信号传输的路径，实现电信号的双向传输。TO管帽02包括TO透镜04，为TO外部与内部建立光信号传输的路径，实现光信号的双向传输。
如果需要对TO封装结构内部的元器件进行温度控制，通常会使用半导体制冷器05，即将半导体制冷器05的热面(下表面)与TO管座接触，将需要温度控制的元器件放在半导体制冷器05的冷面上(上表面)。
图1和图2是常用的两种TO封装结构，图1中光电探测器06、半导体激光器07和45度反射镜08以水平方式贴装在热沉09上，热沉09以水平方式贴装在半导体制冷器05的冷面上。半导体激光器07发射的前向光(向右)，被45度反射镜08反射为垂直方向，通过TO管帽02上的TO透镜04输出。其后向光(向左)被光电探测器06接收，用于监控发射光功率。图2中光电探测器06和半导体激光器07贴装在热沉09表面上，热沉09以垂直方式贴装在半导体制冷器05的冷面上。半导体激光器07发射的前向光(向上)直接通过TO管帽02上的TO透镜04输出。其后向光(向下)被光电探测器06接收，用于监控发射光功率。
在某些应用中，需要使用PLC芯片对发射光信号实现滤波、色散补偿、消光比提升和分光等功能，并且半导体激光器与PLC芯片之间的距离必须非常近才能保证光组件整体的性能。因此，需要将半导体激光器与PLC芯片一起封装到TO内，当前还没有合适的解决方案。
发明内容
为了解决现有TO封装结构中无法将半导体激光器与PLC芯片集成在一起的问题，本发明提供了一种集成PLC芯片的TO封装结构，同时还提供一种使用该TO封装结构的光组件。
本发明的具体技术方案是：
本发明提供了一种集成PLC芯片的TO封装结构，包括TO管座、TO插针、TO管帽、TO透镜、半导体制冷器、热沉、半导体激光器以及光电探测器；
半导体制冷器、热沉、半导体激光器以及光电探测器均位于TO管帽和TO管座构成的腔室内；半导体制冷器的热面与TO管座的上表面接触，热沉贴装在半导体制冷器的冷面上；半导体激光器贴装在热沉上；
其改进之处是：还包括设置在所述腔室内的PLC芯片；
半导体激光器出光口与PLC芯片的输入端口耦合；
半导体激光器的大部分出射光通过PLC芯片内的第一传输波导传输至输出端口后，由TO透镜输出；或者，半导体激光器的大部分出射光通过PLC芯片内的第一传输波导传输，再通过反射结构反射后由TO透镜输出；
半导体激光器的小部分出射光通过PLC芯片内的第二传输波导传输至光电探测器。
进一步地，上述第一传输波导为一条直线波导，或者是一条折弯90°的波导；第二传输波导是一条折弯90°的波导。
进一步地，上述反射结构为刻蚀在PLC芯片内的第一凹槽，第一凹槽的一个槽壁为45°反射面。
进一步地，上述反射结构为PLC芯片上相对于第一传输波导的传输方向设置的45°斜面。
进一步地，上述反射结构为设置在PLC芯片外部且位于所述腔室内的至少一个45°反射镜。
本发明还提供了一种光组件，包括两个发射端和两个接收端，其中一个发射端采用上述集成PLC芯片的TO封装结构。
本发明还提供了另一种光组件，包括一个发射端和一个接收端，发射端上述集成PLC芯片的TO封装结构。
本发明提供了另一种集成PLC芯片的TO封装结构，包括TO管座、TO插针、TO管帽、TO透镜、半导体制冷器、热沉、半导体激光器以及光电探测器；
半导体制冷器、热沉、半导体激光器以及光电探测器均位于TO管帽和TO管座构成的腔室内；半导体制冷器的热面与TO管座的上表面接触，热沉贴装在半导体制冷器的冷面上；半导体激光器贴装在热沉上；
其改进之处是：还包括设置在所述腔室内的PLC芯片；
半导体激光器出光口与PLC芯片的输入端口耦合；
半导体激光器的大部分出射光通过PLC芯片内的第一传输波导传输至输出端口后，由TO透镜输出；或者，半导体激光器的大部分出射光通过PLC芯片内的第一传输波导传输，再通过反射结构反射后由TO透镜输出；
所述PLC芯片内刻蚀有第二凹槽，第二凹槽的一个槽壁为45°反射面，所述光电探测器设置在第二凹槽开口处；所述半导体激光器的小部分出射光通过PLC芯片内的第二传输波导传输，再通过第二凹槽内设置的45°反射面反射后传输至光电探测器。
进一步地，上述第一传输波导为一条直线波导，或者是一条折弯90°的波导；第二传输波导为一条直线波导。
进一步地，上述反射结构为刻蚀在PLC芯片内的第一凹槽，第一凹槽的一个槽壁为45°反射面。
进一步地，上述反射结构为PLC芯片上相对于第一传输波导的传输方向设置的45°斜面。
进一步地，上述反射结构为设置在PLC芯片外部且位于所述腔室内的至少一个45°反射镜。
本发明还提供了一种光组件，包括两个发射端和两个接收端，其特征在于：其中一个发射端采用上述集成PLC芯片的TO封装结构。
本发明还提供了另一种光组件，包括一个发射端和一个接收端，发射端采用上述集成PLC芯片的TO封装结构。
本发明的有益效果是：
1、本发明将PLC芯片集成在TO封装结构内，并将PLC芯片的输入端口与半导体激光器的出光口直接耦合在一起(没有使用透镜)，使TO封装结构具备了直接将半导体激光器发射的光信号进行滤波、色散补偿、消光比提升和分光等功能，大大拓展了TO封装结构的应用场景，使得该结构具有更加广阔的市场前景。
2、为了使光信号能够顺利的传输出TO封装结构，本发明采用了PLC芯片波导直接传输或在PLC芯片内刻蚀反射凹槽、在PLC芯片上设置与第一传输波导的传输方向呈45°的斜面、在PLC芯片外设置反射镜等多种反射输出的方式，使得该封装结构形式多样，适用性更强。
附图说明
图1为现有水平式TO封装结构的示意图；
图2为现有垂直式TO封装结构的示意图；
图1-图2的附图标记如下：
01-TO管座、02-TO管帽、03-TO插针、04-TO透镜、05-半导体制冷器、06-电探测器、07-半导体激光器、08-45度反射镜、09-热沉。
图3为实施例1的结构示意图；
图4为实施例1中PLC芯片内部凹槽与光电探测器之间的位置关系图；
图5为实施例2的结构示意图；
图6为实施例3的结构示意图；
图7为第二凹槽和光电探测器关系示意图。
图8为实施例4的结构示意图；
图9为实施例5的结构示意图；
图10为实施例6的结构示意图；
图11为实施例7的结构示意图；
图12为实施例8的结构示意图；
图13为采用实施例1、2、3、5、6、7所组成的两发两收光组件示意图；
图14为采用实施例1、2、3、5、6、7所组成的一发一收光组件示意图；
图15为采用实施例4所组成的两发两收光组件示意图；
图16为采用实施例4所组成的一发一收光组件示意图；
图17为采用实施例8所组成的两发两收光组件示意图；
图18为采用实施例8所组成的一发一收光组件示意图。
图3-图17的附图标记如下：
1-TO管座、2-TO插针、3-TO管帽、4-TO透镜、5-半导体制冷器、6-热沉、7-半导体激光器、8-PLC芯片、9-光电探测器、10-凹槽、11-第一传输波导、12-第二传输波导、13-第一凹槽、14-第二凹槽、15-透镜、16-平窗玻璃、17-45°斜面、18-竖直基板、19-水平基板、20-第一45°反射镜、21-第二45°反射镜、22-第三45°反射镜、23-直角三角形基座、24-基板、25-反射镜。
具体实施方式
按照半导体激光器发射光的方向，TO封装结构分为两类：
一类是垂直式结构(即就是半导体激光器的出射光与PLC芯片的出射光保持平行)，如图3所示。
另一类是水平式结构(即就是半导体激光器的出射光与PLC芯片的出射光相互垂直)，如图5～图11所示。
实施例1(垂直式结构)
如图3所示，本实施例提供的集成PLC芯片的TO封装结构包括TO管座1、TO插针2、TO管帽3、TO透镜4、半导体制冷器5、热沉6、半导体激光器7、PLC芯片8以及光电探测器9；
TO管帽3的顶部安装TO透镜4，TO插针2安装在TO管座1的底部；
半导体制冷器5、热沉6、半导体激光器7、PLC芯片8以及光电探测器9均位于TO管帽3和TO管座1构成的腔室内；
半导体制冷器5的热面与TO管座1的上表面接触，热沉6贴装在半导体制冷器5的冷面上；
半导体激光器7安装在热沉6上，半导体激光器7与TO透镜4之间安装PLC芯片8；
半导体激光器7出光口与PLC芯片8的输入端口之间采用端面耦合方式(没有透镜)连接，PLC芯片8内刻蚀有凹槽10，凹槽10的一个槽壁为45°反射面；
光电探测器9安装于凹槽10的开口处，如图4所示，其中光电探测器9的数量可以根据需求调整，本实施例中数量为两个；
半导体激光器7的发射光自下而上进入PLC芯片8，PLC芯片8对输入的光信号进行处理，将大部分光信号通过第一传输波导11(直线波导)自下而上的输出，垂直入射到TO管帽3上的TO透镜4，少部分光信号通过第二传输波导12(直线波导)传输，再被45°反射面反射进入光电探测器9，用于监控发射光功率，若第二传输波导12为折弯90°的波导，则少部分光信号可直接通过第二传输波导12传输至光电探测器9。
大部分光信号占输入信号的95％以上，小部分光信号占输入信号的5％以下。
实施例2(第一种水平式结构)
本实施例中TO封装结构中的TO管座1、TO插针2、TO管帽3和半导体制冷器5(TEC)的功能和位置与实施例1相比均没有变化，故不再对它们的功能、位置进行赘述；
如图5所示，半导体激光器7贴装在热沉6上，PLC芯片8位于半导体激光器7一侧，且半导体激光器7出光口与PLC芯片8的输入端口之间采用端面耦合方式(没有透镜)连接，半导体激光器7的发射光(图中发射光方向向右)进入PLC芯片8，PLC芯片8对输入的光信号进行处理，将大部分光信号通过第一传输波导11(折弯90°的波导)传输至上方的输出端口输出，垂直入射到TO管帽3上的TO透镜4，少部分光信号通过第二传输波导12(折弯90°的波导)传输进入光电探测器，用于监控发射光功率，若第二传输波导12为直线波导，则需在PLC芯片中刻蚀具有45°反射面的凹槽10，凹槽10的开口处放置光电探测器9，少部分光信号通过第二传输波导12传输后，再经由45°反射面反射至光电探测器9。
实施例3(第二种水平式结构)
本实施例中TO封装结构中的TO管座1、TO插针2、TO管帽3和半导体制冷器5(TEC)的功能和位置与实施例2相比均没有变化，故不再对它们的功能、位置进行赘述；
如图6所示，半导体激光器7贴装在热沉6上，PLC芯片8位于半导体激光器7一侧，且半导体激光器7出光口与PLC芯片8的输入端口之间采用端面耦合方式(没有透镜)连接，如图7所示，PLC芯片8上刻蚀有第一凹槽13和第二凹槽14，第一凹槽13和第二凹槽14中均有一个槽壁为45°反射面；光电探测器9安装于第二凹槽14的开口处；
半导体激光器7的发射光(图中发射光方向向右)进入PLC芯片8，PLC芯片8对输入的光信号进行处理，大部分光信号第一传输波导11(直线波导)传输，再通过第一凹槽13内的45°反射面反射后，垂直入射到TO管帽3上的TO透镜4，少部分光信号通过第二传输波导12(直线波导)传输，再通过第二凹槽14内的45°反射面反射后，进入光电探测器9，用于监控发射光功率，如图7所示。
实施例4(第三种水平式结构)
如图8所示，该实施例的结构与实施例3基本一致，区别在于：TO透镜4采用第一凹槽13的开口处放置透镜15，并结合TO管帽3上安装平窗玻璃16的方式取代。
实施例5(第四种水平式结构)
本实施例中TO封装结构中的TO管座1、TO插针2、TO管帽3和半导体制冷器5(TEC)的功能和位置与实施例2相比均没有变化，故在不再对它们的功能、位置进行赘述；
如图9所示，半导体激光器7贴装在热沉6上，PLC芯片8位于半导体激光器7一侧，且半导体激光器7出光口与PLC芯片8的输入端口之间采用端面耦合方式(没有透镜)连接，PLC芯片8上相对于第一传输波导11的传输方向设置的45°斜面17(即图8中与输入端口相对的端面为45°斜面)；
半导体激光器7的发射光(图中发射光方向向右)进入PLC芯片8，PLC芯片8对输入的光信号进行处理，大部分光信号通过第一传输波导11传输后，再通过PLC芯片8的45°斜面17反射，垂直入射到TO管帽3上的TO透镜4，少部分光信号通过第二传输波导(折弯90°的波导)传输进入光电探测器9，用于监控发射光功率；参见图4，若第二传输波导12为直线波导，则需在PLC芯片8中刻蚀具有45°反射面的凹槽10，凹槽10的开口处放置光电探测器9，少部分光信号通过第二传输波导12传输后，再经由45°反射面反射至光电探测器9。
实施例6(第五种水平式结构)
本实施例中TO封装结构中的TO管座1、TO插针2、TO管帽3和半导体制冷器5(TEC)的功能和位置与实施例2相比均没有变化，故在不再对它们的功能、位置进行赘述；
如图10所示，半导体激光器7和PLC芯片8均安装在热沉9上，PLC芯片8一侧设置半导体激光器7，且半导体激光器7出光口与PLC芯片8的输入端口之间采用端面耦合方式(没有透镜)连接，PLC芯片8另一侧设置有竖直基板18，PLC芯片8的上方依次水平基板19；
竖直基板18上安装第一45°反射镜20和第二45°反射镜21，水平基板19上安装第三45°反射镜22；
半导体激光器7的发射光(图中发射光方向向右)进入PLC芯片8，PLC芯片8对输入的光信号进行处理，大部分光信号通过第一传输波导11(直线波导)传输出PLC芯片8，输出光依次被第一45°反射镜20、第二45°反射镜21以及第三45°反射镜22反射后，垂直入射到TO管帽3上的TO透镜4，少部分光信号通过第二传输波导(折弯90°的波导)传输进入光电探测器，用于监控发射光功率，参见图4，若第二传输波导12为直线波导，则需在PLC芯片8中刻蚀具有45°反射面的凹槽10，凹槽10的开口处放置光电探测器9，少部分光信号通过第二传输波导12传输后，再经由45°反射面反射至光电探测器9。
实施例7(第六种水平式结构)
本实施例中TO封装结构中的TO管座1、TO插针2、TO管帽3和半导体制冷器5(TEC)的功能和位置与实施例2相比均没有变化，故在不再对它们的功能、位置进行赘述。
如图11所示，本实施例中半导体制冷器5上安装一个直角三角形基座23；直角三角形基座23的一个直角边与半导体制冷器5的冷面贴合；
热沉6和PLC芯片8均安装直角三角形基座23的斜边上，半导体激光器7安装在热沉6上并位于PLC芯片8一侧，半导体激光器7出光口与PLC芯片8的输入端口之间采用端面耦合方式(没有透镜)连接，PLC芯片8另一侧安装一个基板24，基板24上安装反射镜25；
半导体激光器7的发射光进入PLC芯片8，PLC芯片8对输入的光信号进行处理，大部分光信号经第一传输波导11(直线波导)传输出PLC芯片8，输出光被反射镜25反射后，垂直入射到TO管帽3上的TO透镜4，少部分光信号通过第二传输波导(折弯90°的波导)传输进入光电探测器9，用于监控发射光功率，参见图4，若第二传输波导12为直线波导，则需在PLC芯片8中刻蚀具有45°反射面的凹槽10，凹槽10的开口处放置光电探测器9，少部分光信号通过第二传输波导12传输后，再经由45°反射面反射至光电探测器9。
实施例8(第七种水平式结构)
如图12所示，实施例的结构与实施例7基本一致，区别在于：取消了直角三角形基座23；将热沉6、PLC芯片8以及基板24均安装在半导体制冷器5上；TO管帽3上的TO透镜4被平面玻璃16代替。
其中，实施例1、2、3、5、6、7由于TO封装结构自身带有TO透镜4，其做成的光组件如图13和14所示，图13为两发两收的光组件，图14为一发一收的光组件。实施例4中由于采用透镜+平窗玻璃的结构，其做成的光组件如图15和16所示，图15为两发两收的光组件，图16为一发一收的光组件。
实施例8中的TO封装结构由于没有透镜，仅仅以平窗玻璃16出光，而且输出光的光轴不在TO封装结构的中心，因此需要在其外部首先使用反射镜将输出光的光轴整形到TO封装的中心同心，然后再通过外部的透镜将此TO封装结构与其它TO封装成组件，其做成的光组件如图17和18所示，图17为两发两收的光组件，图18为一发一收的光组件。
Claims (14)
1.一种集成PLC芯片的TO封装结构，包括TO管座、TO插针、TO管帽、TO透镜、半导体制冷器、热沉、半导体激光器以及光电探测器；
半导体制冷器、热沉、半导体激光器以及光电探测器均位于TO管帽和TO管座构成的腔室内；半导体制冷器的热面与TO管座的上表面接触，热沉贴装在半导体制冷器的冷面上；半导体激光器贴装在热沉上；
其特征在于：还包括设置在所述腔室内的PLC芯片；
半导体激光器出光口与PLC芯片的输入端口耦合；
半导体激光器的大部分出射光通过PLC芯片内的第一传输波导传输至输出端口后，由TO透镜输出；或者，半导体激光器的大部分出射光通过PLC芯片内的第一传输波导传输，再通过反射结构反射后由TO透镜输出；
半导体激光器的小部分出射光通过PLC芯片内的第二传输波导传输至光电探测器。
2.根据权利要求1所述的集成PLC芯片的TO封装结构，其特征在于：所述第一传输波导为一条直线波导，或者是一条折弯90°的波导；
第二传输波导是一条折弯90°的波导。
3.根据权利要求1所述的集成PLC芯片的TO封装结构，其特征在于：所述反射结构为刻蚀在PLC芯片内的第一凹槽，第一凹槽的一个槽壁为45°反射面。
4.根据权利要求1所述的集成PLC芯片的TO封装结构，其特征在于：所述反射结构为PLC芯片上相对于第一传输波导的传输方向设置的45°斜面。
5.根据权利要求1所述的集成PLC芯片的TO封装结构，其特征在于：所述反射结构为设置在PLC芯片外部且位于所述腔室内的至少一个45°反射镜。
6.一种光组件，包括两个发射端和两个接收端，其特征在于：其中一个发射端为权利要求1-5任一项所述的集成PLC芯片的TO封装结构。
7.一种光组件，包括一个发射端和一个接收端，其特征在于：发射端为权利要求1-5任一项所述的集成PLC芯片的TO封装结构。
8.一种集成PLC芯片的TO封装结构，包括TO管座、TO插针、TO管帽、TO透镜、半导体制冷器、热沉、半导体激光器以及光电探测器；
半导体制冷器、热沉、半导体激光器以及光电探测器均位于TO管帽和TO管座构成的腔室内；半导体制冷器的热面与TO管座的上表面接触，热沉贴装在半导体制冷器的冷面上；半导体激光器贴装在热沉上；
其特征在于：还包括设置在所述腔室内的PLC芯片；
半导体激光器出光口与PLC芯片的输入端口耦合；
半导体激光器的大部分出射光通过PLC芯片内的第一传输波导传输至输出端口后，由TO透镜输出；或者，半导体激光器的大部分出射光通过PLC芯片内的第一传输波导传输，再通过反射结构反射后由TO透镜输出；
所述PLC芯片内刻蚀有第二凹槽，第二凹槽的一个槽壁为45°反射面，所述光电探测器设置在第二凹槽开口处；所述半导体激光器的小部分出射光通过PLC芯片内的第二传输波导传输，再通过第二凹槽内设置的45°反射面反射后传输至光电探测器。
9.根据权利要求8所述的集成PLC芯片的TO封装结构，其特征在于：述第一传输波导为一条直线波导，或者是一条折弯90°的波导；
第二传输波导为一条直线波导。
10.根据权利要求8所述的集成PLC芯片的TO封装结构，其特征在于：所述反射结构为刻蚀在PLC芯片内的第一凹槽，第一凹槽的一个槽壁为45°反射面。
11.根据权利要求8所述的集成PLC芯片的TO封装结构，其特征在于：所述反射结构为PLC芯片上相对于第一传输波导的传输方向设置的45°斜面。
12.根据权利要求8所述的集成PLC芯片的TO封装结构，其特征在于：所述反射结构为设置在PLC芯片外部且位于所述腔室内的至少一个45°反射镜。
13.一种光组件，包括两个发射端和两个接收端，其特征在于：其中一个发射端为权利要求8-12任一项所述的集成PLC芯片的TO封装结构。
14.一种光组件，包括一个发射端和一个接收端，其特征在于：发射端为权利要求8-12任一项所述的集成PLC芯片的TO封装结构。
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