CN113376770A - 一种简化的多端口光器件及其封装方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种简化的多端口光器件及其封装方法，应用于光器件领域，针对现有的多端口光器件存在的设计复杂，生产成本居高不下的问题；本发明采用双芯片集成发射端TO与双速率接收端TO，实现四通道光信号传输；从而降低了多端口器件后段封装的端口数，从而极大的简化了生产的工艺和产品的成品。

Description

一种简化的多端口光器件及其封装方法
技术领域
本发明属于光器件领域，特别涉及一种多端口光器件技术。
背景技术
随着宽带接入网的普及和国家对提速降费的要求，10G接入网在OLT侧和ONU侧都需要在升级10G网络的同时兼容目前已经普及的2.5G网络，所以带宽兼容网络成为主流的应用。应运而成生的光器件也需要同时兼容10G和2.5的波长，这样三端口和四端口器件成为了主流产品。但是传统的多端口器件由于每个端口是单波长通道，导致器件的设计复杂，生产成本居高不下，成本已经难以满足终端价格的需求。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明采用双芯片集成发射端TO，降低多端口器件后段封装的端口数，从而极大的简化了生产的工艺和产品的成品。
本发明采用的技术方案为：一种简化的多端口光器件，采用双芯片集成发射端TO与双速率接收端TO，实现四通道光信号传输。
包括：双芯片集成发射端TO 1、聚焦透镜2、45°滤光片3、双速率接收端TO 6、0°滤光片7；双芯片集成发射端TO 1的出射光通过聚焦透镜2延伸焦距达到结构要求的焦点与光纤进行功率耦合，经滤光片3反射的光通过滤光片7后进入双速率接收端TO 6；
所述双速率接收端TO 6为双速率跨阻放大器和半导体探测器芯片封装的接收端TO。
所述双速率接收端TO 6通过双速率跨阻放大器的速率，同时根据光电模块设置的时序来控制两个波长光的光电转化。
还包括：金属本体4，所述将聚焦透镜2、45°滤光片3、0°滤光片7封装于金属本体4中。
所述双芯片集成发射端TO 1包括：内部结构与外部结构，所述内部结构包括：L型金属支架13、MPD14(Multiple Plastic Duct，多孔路塑料输线管)、第一ALN(氮化铝)衬底15、包括两颗激光器芯片的光芯片16、合光系统17、第二ALN衬底18，所述外部结构包括：TO的底座12、平窗管帽11；
MPD 5贴在L型金属支架13的水平支架上；第二ALN衬底18贴在L型金属支架13的竖直支架上；包括两颗激光器芯片的光芯片16贴在第一ALN衬底15上；第一ALN衬底15和光芯片16成为COC再贴片到第二ALN衬底18上；合光系统17跟光芯片16进行耦合后，固定在第二ALN衬底18上；
所述内部结构通过L型金属支架13的水平支架组装到外部结构TO的底座12上，平窗管帽11通过焊接固定到TO的底座12上。
所述合光系统17包括：超平面光学薄膜透镜阵列171、两个偏振分光棱镜172、超平面光学薄膜透镜173；将两颗激光器芯片分别记为光源1与光源2，光源1于光源2发出的发散光经超平面光学薄膜透镜阵列171后变为准直光，光源1的准直光继续沿光轴传波，光源2准直光在经超平面光学薄膜透镜阵列171后，其偏振方向旋转90°，然后经两个偏振分光棱镜172转折后与光源1的准直光光路重合，合好的两束准直光经过超平面光学薄膜透镜173后汇聚于焦点。
本发明还提供一种简化的多端口光器件的封装方法，包括：
将聚焦透镜2、45°滤光片3、0°滤光片7组装到金属本体4中并用353ND胶水固定并固化，光纤接口5通过激光焊机方式与金属本体4固定；得到第一半成品；
将双芯片集成发射端TO 1与第一半成品进行功率耦合并通过激光焊点固定，得到第二半成品；
双速率接收端TO 6与第二半成品进行耦合并用胶水固定。
本发明的有益效果：采用双芯片集成发射端TO与双速率接收端TO，实现四通道光信号传输；从而将传统的四端口管期间简化为两端口光器件；极大的减少了后段封装的难度，降低了物料和工艺的成本，非常有利于大批量的生产制造。
附图说明
图1为现有的四波长通道的多端口光器件结构图；
图2为现有的四波长通道的多端口光器件的光路示意图；
图3为本发明的四波长通道的多端口光器件结构图；
图4为本发明的四波长通道的多端口光器件的光路示意图；
图5为本发明采用的双芯片集成发射端TO结构图；
其中，图5(a)为内部结构图，图5(b)为外部结构图；
图6为本发明的合光系统的光路示意图；
图7为本发明的双速率接收端TO结构图；
附图标记：1为双芯片集成发射端TO，2为聚焦透镜，3为45°滤光片，4为金属本体，5为光纤接口，6为双速率接收端TO，7为0°滤光片，11为平窗管帽，12为TO的底座，13为L型金属支架，14为MPD，15为ALN衬底，16为光芯片，17为合光系统，18为大ALN衬底，171为超平面光学薄膜透镜阵列，172为偏振分光棱镜，173为超平面光学薄膜透镜，61为球透镜管帽，62为APD((Avalanche Photo Diode，APD)探测器芯片，63为双速率跨阻放大器，64为TO底座。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示为现有技术中的四波长通道的多端口光器件结构图，采用了4个单通道的TO can，如图2所示的光路，可知现有技术中的四波长通道的多端口光器件需要6片滤光片采用汇聚光和准直光混合的光路才能够实现4个波长通道的分光功能；不仅体积大而且工艺和生产成本高。
本发明将4个TO Can组成的器件简化为如图3所示的2个TO Can组成的器件，光路采用汇聚光光路，器件内部只使用2片滤光片就可以实现发射端和接收端的分光功能，如图4所示，包括：双芯片集成发射端TO 1，聚焦透镜2，45°滤光片3，金属本体4，光纤接口5，双速率接收端TO 6，0°滤光片7。
双芯片集成发射端TO 1的出射光为固定焦距的汇聚光但焦距偏短需要通过聚焦透镜2来延伸焦距达到结构要求的焦点位置进而与单模光纤5进行功率耦合。双速率接收端TO 6为双速率跨阻放大器和半导体探测器芯片封装的接收端TO，由光纤5输入的两个波长的光可以通过双速率跨阻放大器的速率，同时根据光电模块设置的时序来控制两个波长光的光电转化，从而实现一个TO来接收不同波长和速率的光信号。
本发明的多端口器件封装方法为：
将聚焦透镜2、45°滤光片3、0°滤光片7组装到金属本体4中并用353ND胶水固定并固化，光纤接口5通过激光焊机方式与金属本体4固定；得到第一半成品；
将双芯片集成发射端TO 1与第一半成品进行功率耦合并通过激光焊点固定，得到第二半成品；
双速率接收端TO 6与第二半成品进行耦合并用胶水固定；产品完成。
本发明的双芯片集成发射端TO 1姐否如图5所示，包括：平窗管帽11、TO的底座12、L型金属支架13、MPD 14(Multiple Plastic Duct，多孔路塑料输线管)、第一ALN(氮化铝)衬底15、光芯片16、合光系统17、第二ALN衬底18；MPD 14通过贴片机贴到L型金属支架13上，第二ALN衬底18通过银胶贴在L型金属支架13上，两颗芯片16通过共晶机贴片到第一ALN衬底15上，第一ALN衬底15和光芯片16成为COC再贴片到第二ALN衬底18上，使用合光系统17跟光芯片16进行耦合后UV胶固定在第二ALN衬底18上。这个整体在组装到TO的底座12上，然后各部件通过金丝键合互连，最后平窗管帽11通过封帽机电阻焊到TO的底座12上。
本发明的TO-CAN封装结构中将包括两颗激光器芯片的光芯片16封装在同一TO中，两颗激光器芯片发出的发散光经合光系统17汇聚后，实现从一个端口输出。
本发明合光系统17采用的光路如图6所示，光芯片16包括两颗发散光光源芯片，两个发散光光源发出发散光经过超平面光学薄膜透镜阵列171后变为准直光，其中，光源1准直光继续沿光轴传波，光源2经过超平面薄膜透镜，其偏振方向旋转90°经过偏振分光棱镜172转折后与光源1的准直光光路重合，合光完成，合好的两束准直光经过超平面光学薄膜透镜173后汇聚于焦点。
本领域的技术人员应注意，上述超平面薄膜透镜是针对不同波长进行镀膜，本发明通过将光源1的波长设计为通过超平面薄膜透镜阵列后不改变偏振方向，光源2波长设计为通过超平面薄膜透镜阵列后改变90°偏振方向。
本发明中的超平面光学薄膜透镜采用在玻璃基板或硅基板上通过光刻镀膜方式实现。
超平面薄膜透镜阵列21和超平面光学薄膜透镜23采用贴片机贴片完成，超平面光学薄膜透镜23和偏振分光棱镜22采用贴片机贴片完成。本发明的光学系统只需要和两个激光芯片做1次有源的功率耦合，即可完成光学系统的运行。
如图7所示，本发明的双速率接收端TO 6包括：球透镜管帽61，APD探测器芯片62，双速率跨阻放大器63，TO底座64。
本发明通过在一个TO中同时封装2颗激光器芯片，并合并为1路输出，解决多端口器件封装难度大的问题，极大的减少了后段封装的难度，降低了物料和工艺的成本，非常有利于大批量的生产制造。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种简化的多端口光器件，其特征在于，采用双芯片集成发射端TO与双速率接收端TO，实现四通道光信号传输。
2.根据权利要求1所述的一种简化的多端口光器件，其特征在于，包括：双芯片集成发射端TO(1)、聚焦透镜(2)、45°滤光片(3)、双速率接收端TO(6)、0°滤光片(7)；双芯片集成发射端TO 1的出射光通过聚焦透镜2延伸焦距达到结构要求的焦点与光纤进行功率耦合，经滤光片3反射的光通过滤光片(7)后进入双速率接收端TO(6)；
所述双速率接收端TO(6)为双速率跨阻放大器和半导体探测器芯片封装的接收端TO。
3.根据权利要求2所述的一种简化的多端口光器件，其特征在于，所述双速率接收端TO(6)通过双速率跨阻放大器的速率，同时根据光电模块设置的时序来控制两个波长光的光电转化。
4.根据权利要求2所述的一种简化的多端口光器件，其特征在于，还包括：金属本体(4)，所述将聚焦透镜(2)、45°滤光片(3)、0°滤光片(7)封装于金属本体(4)中。
5.根据权利要求2所述的一种简化的多端口光器件，其特征在于，所述双芯片集成发射端TO(1)包括：内部结构与外部结构，所述内部结构包括：L型金属支架(13)、MPD(14)、第一ALN衬底(15)、包括两颗激光器芯片的光芯片(16)、合光系统(17)、第二ALN衬底(18)，所述外部结构包括：TO的底座(12)、平窗管帽(11)；
MPD(5)贴在L型金属支架(13)的水平支架上；第二ALN衬底(18)贴在L型金属支架(13)的竖直支架上；包括两颗激光器芯片的光芯片(16)贴在第一ALN衬底(15)上；第一ALN衬底(15)和光芯片(16)成为COC再贴片到第二ALN衬底(18)上；合光系统(17)跟光芯片(16)进行耦合后，固定在第二ALN衬底(18)上；
所述内部结构通过L型金属支架(13)的水平支架组装到外部结构TO的底座(12)上，平窗管帽(11)通过焊接固定到TO的底座(12)上。
6.根据权利要求5所述的一种简化的多端口光器件，其特征在于，所述合光系统(17)包括：超平面光学薄膜透镜阵列(171)、两个偏振分光棱镜(172)、超平面光学薄膜透镜(173)；将两颗激光器芯片分别记为光源1与光源2，光源1于光源2发出的发散光经超平面光学薄膜透镜阵列(171)后变为准直光，光源1的准直光继续沿光轴传波，光源2准直光在经超平面光学薄膜透镜阵列(171)后，其偏振方向旋转90°，然后经两个偏振分光棱镜(172)转折后与光源1的准直光光路重合，合好的两束准直光经过超平面光学薄膜透镜(173)后汇聚于焦点。
7.一种简化的多端口光器件的封装方法，其特征在于，包括：
将聚焦透镜(2)、45°滤光片(3)、0°滤光片(7)组装到金属本体(4)中并用353ND胶水固定并固化，光纤接口(5)通过激光焊机方式与金属本体(4)固定；得到第一半成品；
将双芯片集成发射端TO(1)与第一半成品进行功率耦合并通过激光焊点固定，得到第二半成品；
双速率接收端TO(6)与第二半成品进行耦合并用胶水固定。
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