CN114256734A - 一种同轴封装超辐射发光二极管及其实现方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光纤传感技术领域，提供了一种同轴封装超辐射发光二极管及其实现方法。所述超辐射发光二极管芯片3和热敏电阻4焊接在过渡热沉5上，过渡热沉5焊接在热沉7上；反射镜6胶粘在热沉7上，并和超辐射发光二极管芯片3匹配对准；所述热沉7焊接在半导体制冷器2上，所述超辐射发光二极管芯片3、热敏电阻4和半导体制冷器2分别与TO管座1底部对应的引脚电连接，实现超辐射发光二极管芯片3温控输出。本发明具有结构紧凑，功耗低、易于集成为光收发一体模块的优点。

Description

一种同轴封装超辐射发光二极管及其实现方法
【技术领域】
本发明涉及光纤传感技术领域，特别是涉及一种同轴封装超辐射发光二极管及其实现方法。
【背景技术】
超辐射发光二极管既具有激光器功率大，耦合效率高的优点，又具有发光管频谱宽的优点，主要应用在光纤陀螺、光纤应力传感、数字化变电站中的电流电压互感器等领域，是影响这些系统精度的最重要因素之一，是系统中不可替代的核心部分。由于超辐射发光二极管的发射波长和功率与管芯工作温度相关，需要对超辐射发光二极管进行精密温度设定和控制，保证在工作过程中管芯温度不会随着环境温度变化而变化。在现有的超辐射发光二极管封装中，能够实现精密温度控制的，同时又带有尾纤耦合输出的基本为蝶形封装，该封装因价格高昂限制了应用场合，并且体积较大难以适应应用越来越广泛的小型化封装要求。
鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
【发明内容】
本发明的目的在于达成现有技术中的对于一种带有尾纤耦合输出的且能够实现精密温度控制的小型化、低成本封装的超辐射发光二极管,是该行业的迫切需求。
本发明实施例采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种同轴封装超辐射发光二极管，包括TO管座1、半导体制冷器2、超辐射发光二极管芯片3、热敏电阻4、过渡热沉5、反射镜6、热沉7、TO管帽8，具体的：
所述超辐射发光二极管芯片3和热敏电阻4焊接在过渡热沉5上，过渡热沉5焊接在热沉7上；
反射镜6胶粘在热沉7上，并和超辐射发光二极管芯片3匹配对准；
所述热沉7焊接在半导体制冷器2上，所述超辐射发光二极管芯片3、热敏电阻4和半导体制冷器2分别与TO管座1底部对应的引脚电连接，实现超辐射发光二极管芯片3温控输出；
所述TO管帽8焊接在所述TO管座1之上。
优选地，所述过渡热沉可以采用双面预覆金锡焊料的AlN热沉，其中正面仅预覆所述超辐射发光二极管芯片3和热敏电阻4的焊接位置，实现单次加热即可同时完成过渡热沉5与热沉7的焊接以及超辐射发光二极管芯片3、热敏电阻4与过渡热沉的5的焊接，避免了分步焊接时过渡热沉5上下表面需使用不同温度梯度焊接的缺点。
优选的，所述半导体制冷器2包括制冷底面21和制冷顶面22，以及设置在制冷底面21和制冷顶面22之间的导热柱阵列23，具体的：
所述制冷底面21固定在所述TO管座1上，制冷顶面22与制冷底面21平行设置，并且，制冷底面21大于制冷顶面22的区域用于设置所述半导体制冷器2的两个电极；
制冷顶面22用于焊接所述热沉7。
优选的，所述TO管帽8顶部中央加工有非球面聚焦透镜81，则所述反射镜6作成直角梯形结构，其中梯形的斜面制作成45°，并且与所述超辐射发光二极管芯片3的出光轴相对，用于将水平射出的超辐射光垂直反射到所述TO管帽8顶部中央的非球面聚焦透镜81。
优选的，所述过渡热沉5制作成凹型，相应凹型过渡热沉5的凹口区域用于容纳所述反射镜6；其中，所述过渡热沉5的外轮廓的尺寸与所述半导体制冷器2的上表面相同。
优选的，所述超辐射发光二极管芯片3和热敏电阻4焊接在过渡热沉5上，具体为：
所述过渡热沉5制作成三角体，其中，过渡热沉5上设置超辐射发光二极管芯片3的靠边区域被镂空出平面51，过渡热沉5上相邻镂空平面51的斜边上设置有用于嵌入热敏电阻4的槽口52。
优选的，所述反射镜6包括第一反射面61和第二反射面62，其中，所述第一反射面61用于将超辐射发光二极管芯片3水平发射的光水平反射到第二反射面62，所述第二反射62面用于将接收到的源自第一反射面61的反射光再次垂直向上反射给所述TO管帽8。
优选的，用于与所述超辐射发光二极管芯片3两个电极连接的管脚设置在所述所述超辐射发光二极管芯片3光轴所在直线的两侧，并且，所述超辐射发光二极管芯片3两个电极连接的管脚高出所述TO管座1上表面的高度与所述超辐射发光二极管芯片3贴装在所述过渡热沉5后的表面高度一致。
优选的，还包括金属件9和光纤组件10，具体的：
所述金属件9套接在所述TO管帽8之上，所述金属件9内部制作有光纤组件10的安装座；
在同时固定好金属件9和TO管帽8之后，超辐射发光二极管芯片3发出的超辐射光，经由所述TO管帽8聚焦后，照射在所述光纤组件10的纤芯端面上。
第二方面，本发明提供了一种同轴封装超辐射发光二极管实现方法，用于制作如第一方面所述的同轴封装超辐射发光二极管，方法包括：
将所述过渡热沉5焊接在热沉7上，将超辐射发光二极管芯片3和热敏电阻4焊接在过渡热沉5上；
将半导体制冷器2焊接在所述TO管座1底部；
将所述焊接有过渡热沉5、超辐射发光二极管芯片3和热敏电阻4的热沉7焊接在半导体制冷器2上；
将反射镜6粘接在所述焊接热沉7上；
所述超辐射发光二极管芯片3、热敏电阻4和半导体制冷器2分别与TO管座1底部对应的引脚电连接。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：
本发明提供一种体积小、成本低且能满足精密温度控制的同轴封装的超辐射发光二极管，具有结构紧凑，功耗低、易于集成为光收发一体模块的优点，该器件大大缩小了现有技术半导体光器件安装占有的空间体积，使用更为便捷可靠。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明实施例提供的一种同轴封装的超辐射发光二极管的内部结构俯视图；
图2为本发明实施例提供的一种同轴封装的超辐射发光二极管的内部结构轴侧图；
图3为本发明实施例提供的一种同轴封装的超辐射发光二极管的内部结构侧视图；
图4为本发明实施例提供的一种同轴封装的超辐射发光二极管的剖面图；
图5为本发明实施例提供的一种同轴封装的超辐射发光二极管的内部结构俯视图；
图6为本发明实施例提供的一种同轴封装的超辐射发光二极管中过渡热沉的主视图；
图7为本发明实施例提供的一种同轴封装的超辐射发光二极管的内部结构俯视图；
图8为本发明实施例提供的一种同轴封装的超辐射发光二极管中的反射镜结构轴视图；
图9为本发明实施例提供的一种同轴封装的超辐射发光二极管的内部结构俯视图；
图10为本发明实施例提供的一种同轴封装的超辐射发光二极管带FC/UPC连接头的剖面图；
图11为本发明实施例提供的一种同轴封装超辐射发光二极管实现方法流程图。
其中附图标记如下：TO管座1、半导体制冷器2、超辐射发光二极管芯片3、热敏电阻4、过渡热沉5、反射镜6、热沉7、TO管帽8和金属件9和光纤组件10。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1:
为解决传统蝶形封装结构尺寸较大、成本高的技术问题，本发明实施例1提供了一种同轴封装超辐射发光二极管，如图1-图2所示，包括TO管座1、半导体制冷器2、超辐射发光二极管芯片3、热敏电阻4、过渡热沉5、反射镜6、热沉7、TO管帽8，半导体制冷器2选择体积小、效率高的制冷器，确保在全温范围内的稳定工作。具体的：
所述超辐射发光二极管芯片3和热敏电阻4焊接在过渡热沉5上，过渡热沉5焊接在热沉7上；所述过渡热沉不仅为所述超辐射发光二极管芯片3和反射镜6的匹配对准提供空间容错，而且，降低了热沉7制作成异形的难度，也使得流水线组装可能性进一步提升，同时所述过渡热沉可以采用双面预覆金锡焊料的AlN热沉，其中正面仅预覆所述超辐射发光二极管芯片3和热敏电阻4的焊接位置，可实现单次加热即可同时完成过渡热沉5与热沉7的焊接以及超辐射发光二极管芯片3、热敏电阻4与过渡热沉的5的焊接，减少了工艺步骤，且避免了分步焊接时过渡热沉5上下表面需使用不同温度梯度焊接的缺点。
反射镜6胶粘在热沉7上，并和超辐射发光二极管芯片3匹配对准；
所述热沉7焊接在半导体制冷器2上，所述超辐射发光二极管芯片3、热敏电阻4和半导体制冷器2分别与TO管座1底部对应的引脚电连接，实现超辐射发光二极管芯片3温控输出；
所述TO管帽8套接在所述TO管座1之上，套接之后的效果图参考图4所呈现的剖视图结构。
本发明实施例提供一种体积小、成本低且能满足精密温度控制的同轴封装的超辐射发光二极管，具有结构紧凑，功耗低、易于集成为光收发一体模块的优点，该器件大大缩小了现有技术半导体光器件安装占有的空间体积，使用更为便捷可靠。
所述TO管壳的引线方向改变，把原来的蝶形封装的引线排列在管壳框体两边改成从管座底部引出，有效的节省了引线占用面积和蝶形封装的定位孔占用面积；所述反射镜6改变了超辐射发光二极管芯片3的出光方向，节省了8针蝶形封装器件中管芯组件热沉上放置光纤支架(一般为Ω型镍支架)的位置。过渡热沉5焊接在热沉7上，过渡热沉上还可以放置防静电芯片，增加器件的防静电等级。
如图3所示，所述半导体制冷器2包括制冷底面21和制冷顶面22，以及设置在制冷底面21和制冷顶面22之间的导热柱阵列23，具体的：
所述制冷底面21固定在所述TO管座1上，制冷顶面22与制冷底面21平行设置，并且，制冷底面21大于制冷顶面22的区域用于设置所述半导体制冷器2的两个电极；
制冷顶面22用于焊接所述热沉7。
如图2和图4所示，所述TO管帽8顶部中央加工有非球面聚焦透镜81，则所述反射镜6作成直角梯形结构，其中梯形的斜面制作成45°，并且与所述超辐射发光二极管芯片3的出光轴相对，用于将水平射出的超辐射光垂直反射到所述TO管帽8顶部中央的非球面聚焦透镜81。这是本发明实施例提供的第一种超辐射发光二极管芯片3和反射镜6的耦合结构，也属于最为简单的一种方式，即如图2所示，相应的超辐射发光二极管芯片3被设置在TO管座1的一条中分面上(在图2中画出来以中分面的效果图，所谓中分面就是依赖响应面划分TO管座1可以将TO管座1的圆面切割成对称的两半)，这样操作之后，只需要保证超辐射发光二极管芯片3照射到反射镜6上的反射点位于TO管座1的另一条中分面上，就能保证垂直反射出的光能够射到所述TO管帽8的中心区域。
如图5所示，所述过渡热沉5制作成凹型，相应凹型过渡热沉5的凹口区域用于容纳所述反射镜6；其中，所述过渡热沉5的外轮廓的尺寸与所述半导体制冷器2的上表面(即制冷顶面22)相同。这种方式，虽然增加了过渡热沉5的加工难度，但是相比较图1所示的矩形状的过渡热沉5，当前优选方案中提出的如图5所示的凹型过渡热沉5可以更好的利用半导体制冷器2的制冷顶面22，提高对超辐射发光二极管芯片3的温控响应效率。
如图6和图7所示，所述超辐射发光二极管芯片3和热敏电阻4焊接在过渡热沉5上，具体为：
所述过渡热沉5制作成三角体，其中，过渡热沉5上设置超辐射发光二极管芯片3的靠边区域被镂空出平面51，过渡热沉5上相邻镂空平面51的斜边上设置有用于嵌入热敏电阻4的槽口52。需要说明的是，现有常规的热敏电阻都是设置在带检测对象(例如激光器)的一旁，这样，不仅会受到TO封装内部空间温度变化影响，而且，也会因为热敏电阻自身局部检测温度均匀性不一致造成其使用寿命的和长久使用精度上的降低，而本发明提出的如图6所示的改进方案，能够保障热敏电阻能够整个嵌入到过渡热沉5内部，从而提供更均匀的温度检测，由于其自身就是设置在超辐射发光二极管芯片3相邻位置，因此，其温度检测准确度不会有所降低，并且，温度检测均匀度能够得到大幅提升，而相应三角体不仅兼顾了坚固性，也兼顾了对半导体制冷器2中制冷顶面22的有效利用。进一步的，在本发明实施例中，针对上述优选方案还提供了一套优选设计参数，具体的所述槽口52与所述镂空出平面51之间间隔过渡热沉5厚度小于等于3mm；和/或，所述槽口52底部比所述镂空出平面51低1+0.5mm。两套参数和/或关系，是说即可以选其一设计，也可以同时包含，而他们都设计都是为了进一步精进对超辐射发光二极管芯片3的温度的检测准确度。
如图7和图8所示，所述反射镜6包括第一反射面61和第二反射面62，其中，所述第一反射面61用于将超辐射发光二极管芯片3水平发射的光水平反射到第二反射面62，所述第二反射62面用于将接收到的源自第一反射面61的反射光再次垂直向上反射给所述TO管帽8。这是为了支撑如图6改良版的过渡热沉5的光路实现的反射镜6的结构设计。
如图7和图9所示，用于与所述超辐射发光二极管芯片3两个电极连接的管脚设置在所述所述超辐射发光二极管芯片3光轴所在直线的两侧，并且，所述超辐射发光二极管芯片3两个电极连接的管脚高出所述TO管座1上表面的高度与所述超辐射发光二极管芯片3贴装在所述过渡热沉5后的表面高度一致。如此设计，能够进一步弥补引入半导体制冷器2后，相应超辐射发光二极管芯片3的设置位置高度的提升所带来的金丝焊线的长度增加，导致的阻抗、容抗与感抗的增大，利于超辐射发光二极管芯片更快速的响应驱动电流，更快达到稳态。
如图4所示，还包括金属件9和光纤组件10，具体的：
所述金属件9套接在所述TO管帽8之上，所述金属件9内部制作有光纤组件10的安装座；
在同时固定好金属件9和TO管帽8之后，超辐射发光二极管芯片3发出的超辐射光，经由所述TO管帽8聚焦后，照射在所述光纤组件10的纤芯端面上。
所述光纤组件10为透镜型光纤，第一端成锲型，且锲型表面镀有增透膜，制作好透镜光纤经过金属化后焊接上一根镀金金属套管，就组成金属化光纤组件，另一端可以加装FC/UPC或FC/APC连接头，如图10所示，便于测试。
采用本发明实施例封装结构后，除去尾纤占用的位置以外，壳体安装需要的空间约为标准8针蝶形封装器件的1/3，使用更为便捷可靠，成本也大大降低。
实施例2：
一种同轴封装超辐射发光二极管实现方法，用于制作如实施例1所述的同轴封装超辐射发光二极管，如图11所示，方法包括：
在步骤201中，先将所述过渡热沉5放置在热沉7上，再将超辐射发光二极管芯片3和热敏电阻4放置在过渡热沉5相应预置焊料的位置上，加热使超辐射发光二极管芯片3、热敏电阻4、过渡热沉5和热沉7焊接在一起。
在步骤202中，将半导体制冷器2焊接在所述TO管座1底部。
在步骤203中，将所述焊接有过渡热沉5、超辐射发光二极管芯片3和热敏电阻4的热沉7焊接在半导体制冷器2上。
在步骤204中，将反射镜6粘接在所述焊接热沉7上。
在步骤205中，所述超辐射发光二极管芯片3、热敏电阻4和半导体制冷器2分别与TO管座1底部对应的引脚电连接。
本发明实施例提供一种体积小、成本低且能满足精密温度控制的同轴封装的超辐射发光二极管，具有结构紧凑，功耗低、易于集成为光收发一体模块的优点，该器件大大缩小了现有技术半导体光器件安装占有的空间体积，使用更为便捷可靠。
由于本发明实施例是基于实施例1共同发明构思下的方法实现实施例，因此，在实施例1中涉及到各种扩展方案同样适用于本发明实施例，在此不做一一赘述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种同轴封装超辐射发光二极管，其特征在于，包括TO管座(1)、半导体制冷器(2)、超辐射发光二极管芯片(3)、热敏电阻(4)、过渡热沉(5)、反射镜(6)、热沉(7)、TO管帽(8)，具体的：
所述超辐射发光二极管芯片(3)和热敏电阻(4)焊接在过渡热沉(5)上，过渡热沉(5)焊接在热沉(7)上；
反射镜(6)胶粘在热沉(7)上，并和超辐射发光二极管芯片(3)匹配对准；
所述热沉(7)焊接在半导体制冷器(2)上，所述超辐射发光二极管芯片(3)、热敏电阻(4)和半导体制冷器(2)分别与TO管座(1)底部对应的引脚电连接，实现超辐射发光二极管芯片(3)温控输出；
所述TO管帽(8)焊接在所述TO管座(1)之上。
2.根据权利要求1所述的同轴封装超辐射发光二极管，其特征在于，所述半导体制冷器(2)包括制冷底面(21)和制冷顶面(22)，以及设置在制冷底面(21)和制冷顶面(22)之间的导热柱阵列(23)，具体的：
所述制冷底面(21)固定在所述TO管座(1)上，制冷顶面(22)与制冷底面(21)平行设置，并且，制冷底面(21大于制冷顶面(22)的区域用于设置所述半导体制冷器(2)的两个电极；
制冷顶面(22)用于焊接所述热沉(7)。
3.根据权利要求1所述的同轴封装超辐射发光二极管，其特征在于，所述TO管帽(8)顶部中央加工有非球面聚焦透镜(81)，则所述反射镜(6)作成直角梯形结构，其中梯形的斜面制作成45°，并且与所述超辐射发光二极管芯片(3)的出光轴相对，用于将水平射出的超辐射光垂直反射到所述TO管帽(8)顶部中央的非球面聚焦透镜(81)。
4.根据权利要求1所述的同轴封装超辐射发光二极管，其特征在于，所述过渡热沉(5)制作成凹型，相应凹型过渡热沉(5)的凹口区域用于容纳所述反射镜(6)；其中，所述过渡热沉(5)的外轮廓的尺寸与所述半导体制冷器(2)的上表面相同。
5.根据权利要求1所述的同轴封装超辐射发光二极管，其特征在于，所述超辐射发光二极管芯片(3)和热敏电阻(4)焊接在过渡热沉(5)上，具体为：
所述过渡热沉(5)制作成三角体，其中，过渡热沉(5)上设置超辐射发光二极管芯片(3)的靠边区域被镂空出平面(51)，过渡热沉(5)上相邻镂空平面(51)的斜边上设置有用于嵌入热敏电阻(4)的槽口(52)。
6.根据权利要求5所述的同轴封装超辐射发光二极管，其特征在于，所述槽口(52)与所述镂空出平面(51)之间间隔过渡热沉(5)厚度小于等于3mm；和/或，所述槽口(52)底部比所述镂空出平面(51)低1+0.5mm。
7.根据权利要求5所述的同轴封装超辐射发光二极管，其特征在于，所述反射镜(6)包括第一反射面(61)和第二反射面(62)，其中，所述第一反射面(61)用于将超辐射发光二极管芯片(3)水平发射的光水平反射到第二反射面(62)，所述第二反射(62)面用于将接收到的源自第一反射面(61)的反射光再次垂直向上反射给所述TO管帽(8)。
8.根据权利要求1-6任一所述的同轴封装超辐射发光二极管，其特征在于，用于与所述超辐射发光二极管芯片(3)两个电极连接的管脚设置在所述所述超辐射发光二极管芯片(3)光轴所在直线的两侧，并且，所述超辐射发光二极管芯片(3)两个电极连接的管脚高出所述TO管座(1)上表面的高度与所述超辐射发光二极管芯片(3)贴装在所述过渡热沉(5)后的表面高度一致。
9.根据权利要求1-6任一所述的同轴封装超辐射发光二极管，其特征在于，还包括金属件(9)和光纤组件(10)，具体的：
所述金属件(9)套接在所述TO管帽(8)之上，所述金属件(9)内部制作有光纤组件(10)的安装座；
在同时固定好金属件(9)和TO管帽(8)之后，超辐射发光二极管芯片(3)发出的超辐射光，经由所述TO管帽(8)聚焦后，照射在所述光纤组件(10)的纤芯端面上。
10.一种同轴封装超辐射发光二极管实现方法，其特征在于，用于制作如权利要求1-9任一所述的同轴封装超辐射发光二极管，方法包括：
将所述过渡热沉(5)焊接在热沉(7)上，将超辐射发光二极管芯片(3)和热敏电阻(4)焊接在过渡热沉(5)上；
将半导体制冷器(2)焊接在所述TO管座(1)底部；
将所述焊接有过渡热沉(5)、超辐射发光二极管芯片(3)和热敏电阻(4)的热沉(7)焊接在半导体制冷器(2)上；
将反射镜(6)粘接在所述焊接热沉(7)上；
所述超辐射发光二极管芯片(3)、热敏电阻(4)和半导体制冷器(2)分别与TO管座(1)底部对应的引脚电连接。
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