CN114721098A - 光电耦合器件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光电耦合器件，包括管壳基板、光芯片、光学元件和连接支架，连接支架位于管壳基板和光学元件之间。其明热塑性粘固材料受热熔化变形过程中，光学元件的偏移量较小，偏移量可控性更强，继而实现精准耦合。本发明还提供一种光电耦合器件制造方法，能实现精准耦合，同时，相比于传统的光电耦合中采用激光焊接等方式，该方法操作简单，相较于其他光电耦合过程，操作难度更低，操作过程中的参数少且易控制，重复性较好，有利于实现自动化生产，生产效率较高。

Description

光电耦合器件及其制造方法
技术领域
本发明属于高速光通信技术领域，具体涉及一种光电耦合器件及其制造方法。
背景技术
光电耦合器件是高速光通信系统中必不可少的器件，是实现光电(O/E)和电光(E/O)转换的关键器件。这些光电器件广泛应用于现代通信，传感检测，激光雷达等领域。在光电耦合过程中提高耦合效率，是提高光通信系统的性能的必经之路。
光电子器件在光电耦合过程中具有极小的工艺加工窗口(仅几微米)，而在实际操作中常采用激光焊接的方式固定光纤/透镜，由于焊接区域的金属在冷却过程中变形，造成焊接后偏移，极大地影响了耦合效率。因此控制光纤/透镜等光学元件的偏移量成为决定光电器件耦合效率关键。
发明内容
本发明实施例提供一种光电耦合器件及其制造方法，旨在有效控制光学元件的偏移量。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
第一方面，提供一种光电耦合器件，包括：
管壳基板；
光芯片，设于所述管壳基板；
光学元件，对应于所述光芯片设置；
连接支架，位于所述管壳基板和所述光学元件之间，所述连接支架具有朝向所述管壳基板的第一连接侧，以及朝向所述光学元件的第二连接侧；
所述第一连接侧与所述管壳基板焊接固定；
所述光学元件通过热塑性粘固材料与所述所述第二连接侧粘接。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述连接支架包括：
连接体，形成所述第二连接侧；
支撑体，设于所述连接体背离所述第二连接侧的一侧，所述支撑体使所述连接体与所述管壳基板间隔设置，以形成隔热空间。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述支撑体设有多个，多个所述支撑体沿预设路径设置于所述连接体朝向所述管壳基板的一侧，相邻的所述支撑体之间间隔设置。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述第二连接侧设有与所述光学元件适配的相容层。
结合第一方面，在一种可能的实现方式中，所述连接支架为陶瓷构件。
本申请实施例所示的方案，与现有技术相比，在光学元件和管壳基板之间设置连接支架，连接支架一方面与管壳基板焊接，另一方面通过热塑性粘固材料与光学元件粘接，热塑性粘固材料加热后变形程度较小，通过合理设置热塑性粘固材料与光学元件之间的热膨胀系数差异，使两者的热膨胀系数差异较小，热塑性粘固材料受热熔化变形过程中，光学元件的偏移量较小，偏移量可控性更强，继而实现精准耦合；并且，由于设置了连接支架，热塑性粘固材料加热过程中产生的热量不会影响到管壳基板上的其他元件，也不会产生电磁效应影响其他元件，具有良好的隔离性。
第二方面，本发明实施例还提供了一种光电耦合器件制造方法，用于制造上述的光电耦合器件，包括如下步骤：
获取光芯片在管壳基板上的第一位置数据，根据所述第一位置数据确定光学元件在所述管壳基板上的第二位置数据；
获取连接支架的安装点位数据，根据所述第二位置数据和所述安装点位数据获取连接支架在所述管壳基板上的第三位置数据；
根据所述第三位置数据在所述管壳基板上焊接所述连接支架；
根据所述光学元件的热膨胀系数获所述热塑性粘固材料的第一材料参数；
根据所述第二位置数据和所述第一材料参数在指定区域内通过所述热塑性粘固材料粘接所述光学元件。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，根据所述第二位置数据和所述第一材料参数在指定区域内通过所述热塑性粘固材料粘接所述光学元件具体包括：
根据所述第一材料参数获取激光种类参数；
根据所述第二位置数据在指定区域内布设所述热塑性粘固材料，将所述光学元件放置于所述热塑性粘固材料之上；
根据所述激光种类参数将所述热塑性粘固材料熔化，以粘接所述光学元件。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，所述第一材料参数包括所述热塑性粘固材料的热膨胀系数和杨氏模量。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，根据所述第二位置数据在指定区域内布设所述热塑性粘固材料具体包括：
根据所述第二位置数据在指定区域内布设粉末状热塑性粘固材料。
结合第二方面，在一种可能的实现方式中，根据所述第二位置数据在指定区域内布设所述热塑性粘固材料具体包括：
根据所述第二位置数据在指定区域内放置热塑性粘固材料预制件。
本申请实施例所示的方案，与现有技术相比，连接支架一方面与管壳基板焊接，另一方面通过热塑性粘固材料与光学元件粘接，热塑性粘固材料加热后变形程度较小，通过合理设置热塑性粘固材料与光学元件之间的热膨胀系数差异，使两者的热膨胀系数差异较小，热塑性粘固材料受热熔化变形过程中，光学元件的偏移量较小，偏移量可控性更强，继而实现精准耦合；另外，相比于传统的光电耦合中采用激光焊接等方式，该方法操作简单，相较于其他光电耦合过程，操作难度更低，操作过程中的参数少且易控制，重复性较好，有利于实现自动化生产，生产效率较高。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的光电耦合器件的局部结构主视图；
图2为本发明实施例一提供的光电耦合器件的俯视结构示意图；
图3为本发明实施例二采用的连接支架和热塑性粘固材料的初始状态示意图，其中，热塑性粘固材料为颗粒状材料；
图4为本发明实施例三采用的连接支架的仰视结构示意图。
附图标记说明：
1、管壳基板；
2、光芯片；
3、光学元件；
4、连接支架；410、连接体；420、支撑体；
5、热塑性粘固材料；
6、隔热空间；
7、相容层；
8、焊料。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，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。
请一并参阅图1及图2，现对本发明提供的光电耦合器件进行说明。所述光电耦合器件，包括管壳基板1、光芯片2、光学元件3和连接支架4；光芯片2设于管壳基板1；光学元件3对应于光芯片2设置；连接支架4位于管壳基板1和光学元件3之间，连接支架4具有朝向管壳基板1的第一连接侧，以及朝向光学元件3的第二连接侧。第一连接侧与管壳基板1焊接固定；光学元件3通过热塑性粘固材料5与第二连接侧粘接。
需要说明的是，本实施例中，光学元件3示例性的被示出为准直透镜，但需要理解的是，光学元件3的种类可根据耦合的需求进行选择性的设置，也可以是其他种类的透镜、光纤等，在此不做唯一限定。
本实施例提供的光电耦合器件，与现有技术相比，在光学元件3和管壳基板1之间设置连接支架4，连接支架4一方面与管壳基板1焊接，另一方面通过热塑性粘固材料5与光学元件3粘接，热塑性粘固材料5加热后变形程度较小，通过合理设置热塑性粘固材料5与光学元件3之间的热膨胀系数差异，使两者的热膨胀系数差异较小，热塑性粘固材料5受热熔化变形过程中，光学元件3的偏移量较小，偏移量可控性更强，继而实现精准耦合；并且，由于设置了连接支架4，热塑性粘固材料5加热过程中产生的热量不会影响到管壳基板1上的其他元件，也不会产生电磁效应影响其他元件，具有良好的隔离性。
另外，热塑性粘固材料5的粘固效果良好，且具有较高的抗冲击能力，能有效提升连接支架4与光学元件3之间连接的可靠性。
具体实施时，热塑性粘固材料5可选用玻璃浆料，也可以是其他材料，能满足粘接性能的需求即可，在此不做唯一限定。
在一些实施例中，参阅图1至图4，连接支架4包括连接体410和支撑体420；连接体410形成第二连接侧；支撑体420设于连接体410背离第二连接侧的一侧，支撑体420使连接体410与管壳基板1间隔设置，以形成隔热空间6。
物体微单元在发热功率一定时，其中某点温度的增加与导热系数λ成正比，与密度ρ和比热容c成反比，即为λ/ρc。陶瓷的连接支架4(以氧化铝为例)的导热系数为29.3W/(m*K)，密度为3.65g/cm3，比热容为7.5～10.6×102J/(kg*K)，连接支架4中间形成隔热空间6，隔热空间6中充满空气，空气的导热系数为2.67×10-2W/(m*K)，比热容为103J/(kg*K)。这几种材料均为热的不良导体，从而使激光照射产生的热量对周围的光芯片和其他电子器件影响较小，达到热隔离的目的。基于此，连接支架4可以采用陶瓷材质，也可以采用能适应焊接并且具有较低热导率的其他材质，在此不做唯一限定。
本实施例的连接支架4通过连接体410形成面积较大的第二连接侧，保证光学元件3的有效安装；通过支撑体420形成较大的隔热空间，以便具有有效的隔热能力；连接支架4整体结构简单，安装方便，有利于提高生产效率。
作为支撑体420的一种具体设置方式，图中未示出，支撑体420为格栅状结构，其格栅孔不仅形成了隔热空间6，还对空气起到导流作用，增强与空气的换热效率，对热隔离起到正面作用。
作为支撑体420的另一种具体设置方式，参阅图1及图4，支撑体420设有多个，多个支撑体420沿预设路径设置于连接体410朝向管壳基板1的一侧，相邻的支撑体420之间间隔设置。支撑体420之间可形成隔热空间6，对空气起到导流作用，增强与空气的换热效率，对热隔离起到正面作用。
在上述实施例的基础上，支撑体420布设的一种具体实施方式参阅图1，支撑体420为平直板体，相邻的支撑体420之间相互平行。本实施例能以较少的支撑体420起到有效的支撑作用，使得隔热空间6的体积相对较大。
支撑体420布设的另一种具体实施方式参阅图4，支撑体420为L型的折弯板体，支撑体420形成多行，每行具有多个同向分布的支撑体420，相邻行的支撑体420反向分布，多行支撑体420在连接体410的一侧形成曲折的气流通道，该气流通道能对空气的流通起到更有效的导流作用，进一步增强与连接支架4与空气之间的热交换效率，避免连接支架4温度过高。
在一些实施例中，参阅图1，第二连接侧设有与光学元件3适配的相容层7。本实施例通过设置相容层7，增加了连接支架4与光学元件3的相容性，使得光学元件3的固定更加可靠，还可以改善光学元件3的光学性能。
具体实施时，相容层可以是金材质层、镍材质层等金属或非金属的材质层。
在一些实施例中，热塑性粘固材料5为粒径均匀的颗粒状材料，其分布区域和分布形式如图3所示。
或者，热塑性粘固材料5为预制件，其具有能容置光学元件3的定位槽。具体实施时，热塑性粘固材料预制件的初始形态类似于图1中热塑性粘固材料5，具有底盘和两个相对设置的延伸臂，两个延伸臂之间形成定位槽，在熔化过程中，延伸臂发生一定程度的熔化坍缩，最后凝固实现粘接，熔化前后的变形程度较小，光学元件3的偏移可控。
在一些实施例中，图中未示出，第二连接侧形成有微粒状凸起，能在热塑性粘固材料5熔化后增大热塑性粘固材料5与第二连接侧的接触面积，进一步提升粘接强度。其中，微粒状凸起可为球顶凸起、多边形棱锥状凸起、丫杈状凸起等，其成型方式可通过模具成型、外延生长成型等，在此不再一一列举。
基于同一发明构思，本申请实施例还提供一种光电耦合器件制造方法，用于制造上述的光电耦合器件，包括如下步骤：
获取光芯片2在管壳基板1上的第一位置数据，根据第一位置数据确定光学元件在管壳基板1上的第二位置数据；
获取连接支架4的安装点位数据，根据第二位置数据和安装点位数据获取连接支架4在管壳基板1上的第三位置数据；
根据第三位置数据在管壳基板1上焊接连接支架4；
根据光学元件的热膨胀系数获热塑性粘固材料5的第一材料参数；
根据第二位置数据和第一材料参数在指定区域内通过热塑性粘固材料5粘接光学元件3。
其中，第一位置数据根据管壳基板1的整体结构设计确定。
本实施例提供的光电耦合器件制造方法，与现有技术相比，连接支架4一方面与管壳基板1焊接，另一方面通过热塑性粘固材料5与光学元件3粘接，热塑性粘固材料5加热后变形程度较小，通过合理设置热塑性粘固材料5与光学元件3之间的热膨胀系数差异，使两者的热膨胀系数差异较小，热塑性粘固材料5受热熔化变形过程中，光学元件3的偏移量较小，偏移量可控性更强，继而实现精准耦合；另外，相比于传统的光电耦合中采用激光焊接等方式，该方法操作简单，相较于其他光电耦合过程，操作难度更低，操作过程中的参数少且易控制，重复性较好，有利于实现自动化生产，生产效率较高。
在一些实施例中，根据第一位置数据确定光学元件在管壳基板1上的第二位置数据具体包括：
在预设条件下进行光学元件3的耦合，确定最佳耦合位置数据，最佳耦合位置数据即第二位置数据。
具体实施时，预设条件为有源条件，在有源条件下进行光学元件3的耦合，记录耦合效果最佳的位置数据，即最佳耦合位置数据。
在一些实施例中，根据第二位置数据和第一材料参数在指定区域内通过热塑性粘固材料5粘接光学元件3之前还包括：
对连接支架4的第二连接侧进行清洁，避免粘附的杂质影响热塑性粘固材料5于第二连接侧的附着效果。
在一些实施例中，根据第二位置数据和第一材料参数在指定区域内通过热塑性粘固材料5粘接光学元件3具体包括：
根据第一材料参数获取激光种类参数；
根据第二位置数据在指定区域内布设热塑性粘固材料5，将光学元件3放置于热塑性粘固材料5之上；
根据激光种类参数将热塑性粘固材料5熔化，以粘接光学元件3。
为了使热塑性粘固材料5能快速均匀受热，通过激光照射的方式实现热塑性粘固材料5熔化粘接，激光照射聚焦区域较小，避免影响到光学元件3，同时其加热效率高，热塑性粘固材料5熔化速度快。
其中，激光种类参数参数包括波长、功率、照射时长等参数。
其中，用于加热热塑性粘固材料5的激光可根据热塑性粘固材料5的属性进行选择，通常需使用红外激光(热效应明显)进行操作，尽量采用远离通信波长(1310nm、1550nm)的红外光，避免影响有源耦合过程中的光耦合效率。
具体实施时，将激光探头放置需要粘接的光学元件3上，开启激光光源(采用YAG激光器，功率设置为2000W)照射加热热塑性粘固材料5(照射时间15s)，完成粘固光学元件3的过程。
在上述实施例的基础上，根据第二位置数据在指定区域内布设热塑性粘固材料5具体包括：
根据第一材料参数确定热塑性粘固材料5的状态数据(例如是预制件还是粉末颗粒)；
获取光学元件3的种类数据；
根据种类数据、状态数据和第二位置数据获热塑性粘固材料5的分布区域数据，分布区域数据即反应指定区域；
根据分布区域数据在指定区域内布设热塑性粘固材料5。
本实施例中，光学元件3被示出为准直透镜，指定区域示例性的被示出为位于光学元件3的两端，通过在光学元件3的两端进行粘接而实现光学元件3的固定。
在一些实施例中，第一材料参数包括热塑性粘固材料5的热膨胀系数和杨氏模量。在实施时，热塑性粘固材料5的热膨胀系数需要尽可能的低，需要与光学元件3的热膨胀系数接近，而杨氏模量需要较高，从而保证粘接质量和较高的可靠性。以光学元件3(裸光纤、透镜等)由石英(二氧化硅)构成为例，其热膨胀系数α在0～300℃范围内为3.8～5.7×10-7/℃，热塑性粘固材料5的热膨胀系数以4.2～6.9×10-6K-1为宜，优选4×10-7/℃，杨氏模量以7.25GPa为宜。
在一些实施例中，根据第二位置数据在指定区域内布设热塑性粘固材料5具体包括：
根据第二位置数据在指定区域内布设粉末状热塑性粘固材料。
具体实施时，在该指定区域的周边可设置围挡凸起，以便将粉末状的热塑性粘固材料5有效的限制在该指定区域内，避免向四周流散。需要理解的是，该围挡凸起的高度以不影响光学元件3的放置好激光加热为宜。
在一些实施例中，根据第二位置数据在指定区域内布设热塑性粘固材料5具体包括：
根据第二位置数据在指定区域内放置热塑性粘固材料预制件。
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)

1.一种光电耦合器件，其特征在于，包括：
管壳基板；
光芯片，设于所述管壳基板；
光学元件，对应于所述光芯片设置；
连接支架，位于所述管壳基板和所述光学元件之间，所述连接支架具有朝向所述管壳基板的第一连接侧，以及朝向所述光学元件的第二连接侧；
所述第一连接侧与所述管壳基板焊接固定；
所述光学元件通过热塑性粘固材料与所述所述第二连接侧粘接。
2.如权利要求1所述的光电耦合器件，其特征在于，所述连接支架包括：
连接体，形成所述第二连接侧；
支撑体，设于所述连接体背离所述第二连接侧的一侧，所述支撑体使所述连接体与所述管壳基板间隔设置，以形成隔热空间。
3.如权利要求2所述的光电耦合器件，其特征在于，所述支撑体设有多个，多个所述支撑体沿预设路径设置于所述连接体朝向所述管壳基板的一侧，相邻的所述支撑体之间间隔设置。
4.如权利要求1所述的光电耦合器件，其特征在于，所述第二连接侧设有与所述光学元件适配的相容层。
5.如权利要求1所述的光电耦合器件，其特征在于，所述连接支架为陶瓷构件。
6.一种光电耦合器件制造方法，用于制造如权利要求1-5中任意一项所述的光电耦合器件，其特征在于，包括如下步骤：
获取光芯片在管壳基板上的第一位置数据，根据所述第一位置数据确定光学元件在所述管壳基板上的第二位置数据；
获取连接支架的安装点位数据，根据所述第二位置数据和所述安装点位数据获取连接支架在所述管壳基板上的第三位置数据；
根据所述第三位置数据在所述管壳基板上焊接所述连接支架；
根据所述光学元件的热膨胀系数获所述热塑性粘固材料的第一材料参数；
根据所述第二位置数据和所述第一材料参数在指定区域内通过所述热塑性粘固材料粘接所述光学元件。
7.如权利要求6所述的光电耦合器件制造方法，其特征在于，根据所述第二位置数据和所述第一材料参数在指定区域内通过所述热塑性粘固材料粘接所述光学元件具体包括：
根据所述第一材料参数获取激光种类参数；
根据所述第二位置数据在指定区域内布设所述热塑性粘固材料，将所述光学元件放置于所述热塑性粘固材料之上；
根据所述激光种类参数将所述热塑性粘固材料熔化，以粘接所述光学元件。
8.如权利要求7所述的光电耦合器件制造方法，其特征在于，所述第一材料参数包括所述热塑性粘固材料的热膨胀系数和杨氏模量。
9.如权利要求7所述的光电耦合器件制造方法，其特征在于，根据所述第二位置数据在指定区域内布设所述热塑性粘固材料具体包括：
根据所述第二位置数据在指定区域内布设粉末状热塑性粘固材料。
10.如权利要求7所述的光电耦合器件制造方法，其特征在于，根据所述第二位置数据在指定区域内布设所述热塑性粘固材料具体包括：
根据所述第二位置数据在指定区域内放置热塑性粘固材料预制件。
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