CN113219600A - 一种光发射次模块 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种光发射次模块，包括：管壳；第一热沉，所述第一热沉设置于所述管壳内，并与所述管壳的底面接触；半导体制冷器，所述半导体制冷器设置于所述第一热沉上；以及激光器芯片，所述激光器芯片设置于所述半导体制冷器上。本申请实施例提供的一种光发射次模块，将半导体制冷器设置在第一热沉上方，第一热沉设置于与管壳底部接触，相比同类型器件封装结构，加快了器件的散热效率，还提高了半导体制冷器的抗风险能力。

Description

一种光发射次模块

技术领域

本申请属于光电子通信领域，涉及一种光发射次模块。

背景技术

近年来，伴随着云计算、视频应用、互联网游戏、社交网络等应用的兴起，互联网流量呈现以指数的方式倍增，第五代移动通信(5G)研发应运而生。5G的主要特点是：连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠。其中低功耗大连接主要应用于以传感和数据采集为目标场景，如森林防火、环境监测、智能农业、道路交通等。这类终端分布范围广、数量众多，不仅要求网络具备超千亿连接的支持能力，满足100万/连接数密度指标要求，而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。

目前集成EML(Electlro-absorption Modulated Laser，电吸收调制激光器)光发射次模块(Transmitter Optical Subassembly，英文简写：TOSA)的主要应用环境主要是-40℃～85℃，纵然现有技术可以满足在恶劣温度条件下的工作要求，但结构内部存在着功耗大，散热效率低的问题。

发明内容

有鉴于此，本申请实施例提供了一种光发射次模块，以解决现有光发射次模块结构内部散热效率低的问题。

为达到上述目的，本申请的技术方案是这样实现的：

本申请实施例提供了一种光发射次模块，包括：

管壳；

第一热沉，所述第一热沉设置于所述管壳内，并与所述管壳接触；

半导体制冷器，所述半导体制冷器设置于所述第一热沉上；以及

激光器芯片，所述激光器芯片设置于所述半导体制冷器上。

进一步地，所述半导体制冷器的两立柱位于所述管壳长度方向的两侧，所述立柱和所述激光器芯片沿所述壳管壳长度方向错开设置。

进一步地，所述光发射次模块还包括：

热敏电阻，所述热敏电阻设置在所述半导体制冷器上，位于两所述立柱之间或位于所述激光器芯片沿所述管壳长度方向的一侧。

进一步地，所述管壳的射频层的宽度小于两所述立柱之间的距离，所述立柱的高度等于所述管壳的射频层的高度；或，

所述管壳的射频层的宽度等于所述管壳的内部宽度，所述立柱位于所述管壳的射频层的下方。

进一步地，所述光发射次模块还包括：

准直光学组件，所述准直光学组件设置在所述第一热沉上或设置在所述半导体制冷器上，并与所述激光器芯片对应，以使所述激光器芯片的发射光经过所述准直光学组件。

进一步地，所述第一热沉具有第一阶梯面和第二阶梯面，所述第二阶梯面高于所述第一阶梯面，所述半导体制冷器设置在所述第一阶梯面上，所述准直光学组件设置在所述第二阶梯面上。

进一步地，所述光发射次模块还包括：

第二热沉，所述第二热沉设置于所述半导体制冷器上，所述激光器芯片设置于所述第二热沉上。

进一步地，所述光发射次模块还包括：

合波组件；

第三热沉，所述第三热沉设置于所述管壳内并与所述管壳接触，所述合波组件设置在所述第三热沉上；以及

光隔离器，所述激光器芯片的发射光经过所述合波组件输出到所述光隔离器。

进一步地，所述合波组件包括13.5°的滤光片。

进一步地，所述光发射次模块还包括汇聚光学组件和插针组件，所述插针组件连接所述管壳的光窗，发射光经过所述光隔离器输出到所述汇聚光学组件；

所述光隔离器设置在所述第三热沉上，所述汇聚光学组件固定在所述管壳的光窗上；或，所述汇聚光学组件设置在所述管壳的光窗上，所述光隔离器固定在所述管壳的光窗外侧，并位于所述插针组件内。

进一步地，所述管壳包括：

壳底，所述第一热沉与所述壳底接触；

壳体，所述壳体的上下两端具有开口，所述壳底盖设在所述壳体的下开口端，以封闭所述壳体的下开口端，所述壳体的材质与所述壳底的材质不同；

盖体，盖设在所述壳体的上开口端，以封闭所述壳体的上开口端。

进一步地，所述壳底的材质为钨铜；和/或，所述壳体的材质为可伐合金；和/或，所述第一热沉的材质为钨铜。

本申请实施例提供的一种光发射次模块包括管壳、第一热沉、半导体制冷器、激光器芯片。将半导体制冷器设置在第一热沉上方，第一热沉与管壳接触，相比同类型器件封装结构，加快了器件的散热效率，还提高了半导体制冷器的抗风险能力。

附图说明

图1为本申请一实施例的光发射次模块的结构示意图，其中以剖视图的方式示意性地显示了其内部各部件的结构；

图2为本申请一实施例的光发射次模块的管壳和位于管壳内部各部件的俯视图；

图3为本申请另一实施例的光发射次模块的管壳和位于管壳内部各部件的俯视图；

图4为本申请一实施例的光发射次模块的局部剖视结构示意图，其中示意性地展示了第二热沉的位置关系；

图5为本申请一实施例的光发射次模块的局部剖视结构示意图，其中示意性地展示了第一热沉的结构；

图6为本申请一实施例的光发射次模块的局部剖视结构示意图，其中示意性地展示了半导体制冷器立柱的位置关系；

图7为图6的A向视图，其中示意性地展示了半导体制冷器立柱的位置关系；

图8为本申请另一实施例的光发射次模块的局部剖视结构示意图，其中示意性地展示了半导体制冷器立柱的位置关系；

图9为图8的B向视图，其中示意性地展示了半导体制冷器立柱的位置关系；

图10为本申请一实施例的光发射次模块的局部剖视结构示意图，其中示意性地展示了四件式插针耦合结构；以及

图11为本申请一实施例的光发射次模块的局部剖视结构示意图，其中示意性地展示了两件式插针耦合结构。

图12为本申请一实施例的光发射次模块的局部剖视结构示意图，其中示意性地展示了三件式插针耦合结构。

附图标记：

管壳1；第一热沉2；半导体制冷器3；激光器芯片4；热敏电阻5；准直光学组件6；第二热沉7；合波组件8；第三热沉9；光隔离器10；汇聚光学组件11；插针组件12；软带13；插针组件套筒14；立柱310；射频层110；光窗120；壳底130；壳体140；盖体150；激光二极管层160；第一阶梯面210；第二阶梯面220。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例的附图，对本申请实施例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申请的一部分实施例，而不是全部实施例。基于所描述的本申请的实施例，本领域技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护范围。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者位置关系为基于附图1所示的方位或位置关系。“长度方向”、“宽度方向”为基于附图2所示的方位或位置关系。若无特殊说明，本申请实施例中术语“连接”是指通过倒装焊、导电胶粘结、电路布线、压焊等各种手段实现的电连接或者是机械连接，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

目前，为了满足100G及其以上第五代移动通信长距离光纤传输的要求，光发射次模块应具有更高传输能力，更高散热效率。而现有的光发射次模块性能却很难达到要求，出现此类问题的的主要原因有：金丝过多或者过长，热传导带来的被动热载太大；多种物料用焊料或导电胶粘接在一起，热阻较大，导致散热效率低；半导体制冷器的单位面积制冷效率有限；热敏电阻与半导体制冷器空间结构布局问题。综上所述，一种能满足小尺寸低功耗光发射次模块的应用前景十分广泛。

本申请实施例提供了一种光发射次模块，参见图1和图2所示，包括管壳1、第一热沉2、半导体制冷器(Thermo Electric Cooler，简称TEC)3和激光器芯片4。第一热沉2设置于管壳1内，并与管壳1接触，例如，第一热沉2与管壳1的底面接触。半导体制冷器3位于管壳1内，并设置于第一热沉2上。例如，半导体制冷器3与第一热沉2接触。激光器芯片4位于管壳1内，并设置于半导体制冷器3上。例如，激光器芯片4设置于半导体制冷器上方，激光器芯片4与半导体制冷器3接触；或者，激光器芯片4设置于半导体制冷器上方，激光器芯片4与半导体制冷器3之间还设置有其他元件。

现有技术下，半导体制冷器3直接设置在管壳1上，并与管壳1接触，在激光器芯片4与半导体制冷器3之间设置有热沉。相比现有技术而言，本申请实施例的半导体制冷器3设置在第一热沉2的上面，半导体制冷器3上方放置激光器芯片4和热敏电阻5，而不用放置第一热沉2，能有效减小半导体制冷器3的载荷，半导体制冷器3不易断裂。同时，由于第一热沉2处于半导体制冷器3与管壳1之间，半导体制冷器3未与管壳1直接接触，在管壳1发生较为严重形变时，例如光发射次模块返插针或者从台面掉落时，第一热沉2能起到的缓冲作用。并且，第一热沉2直接与管壳1接触，能加快光发射次模块散热效率。

具体地，管壳1具有传输线结构，传输线结构采用多层高温共烧陶瓷组成，根据实际使用需求，管壳1的传输线陶瓷结构可以是常规结构或异型结构。参见图1所示，管壳1还包括壳底130、壳体140和盖体150。第一热沉2与壳底130接触。壳体140的上下两端具有开口，壳底130盖设在壳体140的下开口端，以封闭壳体140的下开口端。例如，壳底130与壳体140一体成型，壳体140的材质与壳底130的材质不同。盖体150盖设在壳体140的上开口端，以封闭壳体140的上开口端。例如，盖体150与壳体140焊接。

具体地，壳底130的材质可为钨铜；壳体140的材质可为可伐合金；第一热沉2的材质可为钨铜。由于第一热沉2与壳底130接触，第一热沉2的材质与壳底130的材质相同时，例如均为钨铜，极大地提高了第一热沉2的散热效率。

在一实施例中，参见图2所示，半导体制冷器3的两立柱310位于管壳1长度方向的两侧，立柱310和激光器芯片4沿管壳1长度方向错开设置。

现有技术下，半导体制冷器3的两立柱310设置在管壳1的同一侧。相比现有半导体制冷器3的放置方式，本申请实施例的两立柱310不再位于管壳1的同侧，而是将立柱310分开设置在管壳1长度方向的两侧，此种布置方式能增加半导体制冷器3制冷面长度d₁，增大散热面积，提高散热效率。同时，立柱310和激光器芯片4沿着管壳1长度方向错开设置后，此种布置方式增大了激光器芯片4之间的贴装间距d₂，贴装间距的增大能够简化后续各元器件耦合工艺，减小各元器件精度误差。也就是说，在半导体制冷器3的相同宽度下，加长半导体制冷器3的长度，将位于管壳1长度方向一侧的两立柱310，调整为分别布置在管壳1长度方向的两侧，并将立柱310和激光器芯片4沿管壳1长度方向错开设置，使得宽度方向原本由立柱310占用的空间，用于激光器芯片4的贴装，从而加宽了同等数量的激光器芯片4的贴装间距。

在一实施例中，参见图2所示，光发射次模块还包括热敏电阻5，热敏电阻5设置在半导体制冷器3上，位于两立柱310之间。由于立柱310沿管壳1长度方向两侧并与激光器芯片4错开布置，为热敏电阻5提供了合理的放置空间，热敏电阻5可直接放置在半导体制冷器3上，热敏电阻5设置在半导体制冷器3中间区域，放置方式更为合理，热敏电阻5中间位置测温，能够使半导体制冷器3的温度控制更为精确，光发射次模块的输出波长更为准确。

在一实施例中，参见图3所示，热敏电阻5位于激光器芯片4沿管壳1长度方向的一侧。此种布置方式，热敏电阻5可直接放置在半导体制冷器3上，由于热敏电阻5设置侧面，可减少激光器芯片4与管壳1的射频层110的尺寸，具体地，管壳1长度可减少1mm，光发射次模块的射频打线更短，眼图性能更好。

在一实施例中，参见图4所示，光发射次模块还包括第二热沉7，第二热沉7设置于半导体制冷器3上，激光器芯片4设置于第二热沉7上。设置第二热沉7可以用于调整激光器芯片4在半导体制冷器3上的高度，用于高度调节的第二热沉7在保证散热的同时，还可以使激光器芯片4的发射光适配其他元器件。

在一实施例中，参见图4所示，光发射次模块还包括准直光学组件6，准直光学组件6设置在半导体制冷器3上，并与激光器芯片4对应，以使激光器芯片4的发射光经过准直光学组件6。

具体地，准直光学组件6直接放置在半导体制冷器3的表面，根据现在的激光器芯片4尺寸和通用的准直光学组件6的尺寸比较，可在激光器芯片4的下面放置第二热沉7调节高度，保证经准直光学组件6之后的平行光能沿着光轴中心出射。

在一实施例中，参见图5所示，光发射次模块还包括准直光学组件6，准直光学组件6设置在第一热沉2上，并与激光器芯片4对应，以使激光器芯片4的发射光经过准直光学组件6。

具体地，第一热沉2具有第一阶梯面210和第二阶梯面220，第二阶梯面220高于第一阶梯面210，半导体制冷器3设置在第一阶梯面210上，准直光学组件6设置在第二阶梯面220上。第一阶梯面210用于调节准直光学组件6的高度以适应激光器芯片4的发射光能通过准直光学组件6。

具体地，多个激光器芯片4间隔设置，多个准直光学组件的分别与对应的激光器芯片4位置适配。可选地，在第一热沉2上面标记十字线，可便于准直光学组件6的安装定位。

在一实施例中，参见图6和图7所示，光发射次模块的管壳1还形成有射频层110。具体地，射频层110形成在壳体140的左侧内壁上。射频层110的宽度小于两立柱310之间的距离，立柱310的高度等于射频层110的高度。与现有的管壳1结构不同，射频层110的宽度比管壳1内部的宽度窄一些，方便放置半导体制冷器3的立柱310，而半导体制冷器3的两立柱310的高度与管壳1中的射频层110平齐，这种放置方式优化了管壳1内部空间，缩短了两立柱310与射频层110之间的金丝引线线径，在有利于金丝键合的同时，还降低了功耗。具体地，射频金丝键合会短将近1mm，将大大提高眼图性能。

在一实施例中，参见图8和图9所示，光发射次模块的管壳1还形成有射频层110，具体地，射频层110形成在壳体140的左侧内壁上。管壳1的射频层110的宽度等于管壳1内部的宽度，两立柱310位于射频层110的下方。通过在管壳1走线的方法连通半导体制冷器3和管壳1，然后在上面放置激光器芯片4和热敏电阻5，这种布置方式可节省器件空间，而且管壳1结构可以利用通用管壳1，使用方便。

在一实施例中，参见图1所示，光发射次模块还包括合波组件8、第三热沉9、以及光隔离器10。第三热沉9设置于管壳1内并与管壳1接触。例如，第三热沉9与管壳1的底部接触，具体地，第三热沉9与壳底130的内底部接触。合波组件8设置在第三热沉9上，激光器芯片4的发射光经过合波组件8输出到光隔离器10。具体地，合波组件8可以选择13.5°的滤光片，能够使管壳1沿长度方向减少2mm。

在一实施例中，光发射次模块采用四件式插针耦合结构，参见图10所示，包括管壳1、光隔离器10、插针组件12以及插针组件套筒14。光隔离器10设置在管壳1的光窗120上，汇聚光学组件11固定在管壳1的光窗120外侧，汇聚光学组件11右侧固定有源耦合插针组件套筒14，插针组件12与插针组件套筒14连接，组成四件式插针耦合结构。

在一实施例中，光发射次模块采用两件式插针耦合结构，参见图1和图11所示，光发射次模块还包括汇聚光学组件11和插针组件12。管壳1内壁具有光窗120。具体地，壳体140右侧内壁具有光窗120，光窗120可采用蓝宝石密封光窗120，可用包括但不限于热阻焊的方式固定到管壳1上，起到密封效果。插针组件12连接管壳1的光窗120，发射光经过光隔离器10输出到汇聚光学组件11，光隔离器10设置在第三热沉9上，汇聚光学组件11固定在管壳1的光窗120上。

本申请实施例将光隔离器10放置在管壳1内部，具体地，设置在第三热沉9上。汇聚光学组件11通过无源方式放置在管壳1的光窗中，之后汇聚光束直接进入插针组件12。这种布置方式能减小器件整体1.35mm长度，汇聚光学组件11的贴装耦合工艺更加简单，而且节省原材料。

在一实施例中，光发射次模块采用三件式插针耦合结构，参见图12所示，汇聚光学组件11设置在管壳1的光窗上，光隔离器10固定在管壳1的光窗外侧，并位于插针组件12内。与上述采用两件式插针耦合结构实施例(图11)不同的是，将光隔离器10放置在插针组件12内，这种布置方式管壳1长度能够减小1.1mm长度，同时进一步减少了第三热沉9上的热载，提高了散热能力。

通过上述实施例自由组合，本申请实施例提供的一种光发射次模块结构布局更为合理，降低了器件功耗，且管壳1沿长度方向可减少5.45mm。

本申请所提供的几个产品实施例中所揭露的特征，在不冲突的情况下可以任意组合，得到新的产品实施例。根据本申请实施例的光发射次模块的其他结构和操作对于本领域技术人员而言都是可以理解并且容易实现的，因此不再详细描述。

以上所述，仅为本申请的较佳实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (12)

1.一种光发射次模块，其特征在于，包括：

管壳；

第一热沉，所述第一热沉设置于所述管壳内，并与所述管壳接触；

半导体制冷器，所述半导体制冷器设置于所述第一热沉上；以及

激光器芯片，所述激光器芯片设置于所述半导体制冷器上。

2.根据权利要求1所述的光发射次模块，其特征在于，所述半导体制冷器的两立柱位于所述管壳长度方向的两侧，所述立柱和所述激光器芯片沿所述壳管壳长度方向错开设置。

3.根据权利要求2所述的光发射次模块，其特征在于，所述光发射次模块还包括：

热敏电阻，所述热敏电阻设置在所述半导体制冷器上，位于两所述立柱之间或位于所述激光器芯片沿所述管壳长度方向的一侧。

4.根据权利要求2所述的光发射次模块，其特征在于，所述管壳的射频层的宽度小于两所述立柱之间的距离，所述立柱的高度等于所述管壳的射频层的高度；或，

所述管壳的射频层的宽度等于所述管壳的内部宽度，所述立柱位于所述管壳的射频层的下方。

5.根据权利要求1所述的光发射次模块，其特征在于，所述光发射次模块还包括：

准直光学组件，所述准直光学组件设置在所述第一热沉上或设置在所述半导体制冷器上，并与所述激光器芯片对应，以使所述激光器芯片的发射光经过所述准直光学组件。

6.根据权利要求5所述的光发射次模块，其特征在于，所述第一热沉具有第一阶梯面和第二阶梯面，所述第二阶梯面高于所述第一阶梯面，所述半导体制冷器设置在所述第一阶梯面上，所述准直光学组件设置在所述第二阶梯面上。

7.根据权利要求1所述的光发射次模块，其特征在于，所述光发射次模块还包括：

第二热沉，所述第二热沉设置于所述半导体制冷器上，所述激光器芯片设置于所述第二热沉上。

8.根据权利要求1～7任意一项所述的光发射次模块，其特征在于，所述光发射次模块还包括：

合波组件；

第三热沉，所述第三热沉设置于所述管壳内并与所述管壳接触，所述合波组件设置在所述第三热沉上；以及

光隔离器，所述激光器芯片的发射光经过所述合波组件输出到所述光隔离器。

9.根据权利要求8所述的光发射次模块，其特征在于，所述合波组件包括13.5°的滤光片。

10.根据权利要求8所述的光发射次模块，其特征在于，所述光发射次模块还包括汇聚光学组件和插针组件，所述插针组件连接所述管壳的光窗，发射光经过所述光隔离器输出到所述汇聚光学组件；

所述光隔离器设置在所述第三热沉上，所述汇聚光学组件固定在所述管壳的光窗上；或，所述汇聚光学组件设置在所述管壳的光窗上，所述光隔离器固定在所述管壳的光窗外侧，并位于所述插针组件内。

11.根据权利要求1～7任意一项所述的光发射次模块，其特征在于，所述管壳包括：

壳底，所述第一热沉与所述壳底接触；

壳体，所述壳体的上下两端具有开口，所述壳底盖设在所述壳体的下开口端，以封闭所述壳体的下开口端，所述壳体的材质与所述壳底的材质不同；

盖体，盖设在所述壳体的上开口端，以封闭所述壳体的上开口端。

12.根据权利要求11所述的光发射次模块，其特征在于，所述壳底的材质为钨铜；和/或，所述壳体的材质为可伐合金；和/或，所述第一热沉的材质为钨铜。

Images