CN116184583B - 一种自对准光纤的400g硅光封装结构 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自对准光纤的400G硅光封装结构，涉及硅光模块领域。该400G硅光封装结构包括PCB基板、PIC光芯片、光纤阵列单元和DFB激光器，PIC光芯片贴装在PCB基板上，DFB激光器设置于PCB基板上且位于PIC光芯片的外侧；光纤阵列单元包括固定板、发射端光纤和接收端光纤，固定板的下侧面设置有多个V型槽，发射端光纤和接收端光纤分别排布在V型槽中；PIC光芯片集成设有PD光电二极管和背光探测器，PIC光芯片还设有多个V型导槽，发射端光纤、接收端光纤均夹装在V型导槽和V型槽之间；发射端的V型导槽和DFB激光器之间连接有第一光波导，接收端的V型导槽和PD光电二极管之间连接有第二光波导；PCB基板的通孔中安装有导热衬底，DFB激光器贴装在导热衬底的上侧。
Description
技术领域
本发明涉及硅光模块技术领域，特别是涉及一种自对准光纤的400G硅光封装结构。
背景技术
硅光技术是指基于数字芯片的硅基工艺，将光元器件与数字芯片相融合。利用硅材料的CMOS工艺，将激光器、探测器等光子元件以及电子元件集成在一个微芯片上，实现更高集成度和传输速率。
目前，现有硅光封装结构采用硅芯片和PD芯片分开布置在PCB板的设计，如图1所示，硅芯片1a和PD芯片2a通过贴片工艺贴装在PCB板3a上，然后着线打线，再通过耦合工艺将TX光纤4a(发射端光纤)耦合到硅芯片1a，以及RX光纤5a(接收端光纤)耦合到PD芯片2a，要求使用高精度的耦合设备，生产成本高。而且，硅芯片和PD芯片为两个功能独立的芯片，硅光封装时接收端和发射端需分开耦合。另外，由于将激光集成到硅芯片上，芯片本身的导热效果差，贴导热片时容易接触金线，进而导致产品报废。
综上所述，现有硅光封装技术中发射端光纤和接收端光纤需单独耦合，耦合工艺的效率低且成本高，难以在避免金线损伤的情况下保证芯片的散热效果，无法实现芯片更高集成度的目的。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种自对准光纤的400G硅光封装结构，以解决发射端光纤和接收端光纤需单独耦合，耦合工艺的效率低且成本高，难以在避免金线损伤的情况下保证芯片的散热效果，无法实现芯片更高集成度的问题。
本发明的自对准光纤的400G硅光封装结构的技术方案为：
自对准光纤的400G硅光封装结构包括PCB基板、PIC光芯片、光纤阵列单元和DFB激光器，所述PIC光芯片贴装在所述PCB基板上，所述DFB激光器设置于所述PCB基板上且位于所述PIC光芯片的外侧；
所述光纤阵列单元包括固定板、发射端光纤和接收端光纤，所述固定板的下侧面设置有多个V型槽，多个所述V型槽并列间隔布置，所述发射端光纤和所述接收端光纤分别排布在所述V型槽中；
所述PIC光芯片集成设有PD光电二极管和背光探测器，所述PIC光芯片上还设有多个V型导槽，多个所述V型导槽并列间隔设置，所述V型导槽和所述V型槽上下相对布置，所述发射端光纤、所述接收端光纤均夹装在所述V型导槽和所述V型槽之间；
所述发射端光纤所在的V型导槽和所述DFB激光器之间连接有第一光波导，所述背光探测器设置在所述第一光波导上，所述接收端光纤所在的V型导槽和所述PD光电二极管之间连接有第二光波导；
所述PCB基板位于所述PIC光芯片的外侧开设有通孔，所述通孔中安装有导热衬底，所述DFB激光器贴装在所述导热衬底的上侧，所述DFB激光器与所述PCB基板电连接，所述导热衬底的另一侧用于与外壳贴合设置。
进一步的，所述固定板对应光纤端部的一侧设有斜端面，所述斜端面自下至上朝远离光纤端部的方向倾斜设置，所述斜端面相对于竖直面的倾斜角度为5°至15°之间的任意角度。
进一步的，所述斜端面相对于竖直面的倾斜夹角为8°，且所述斜端面设置有研磨表面。
进一步的，所述固定板的下侧有第一台阶面和第二台阶面，所述第一台阶面低于所述第二台阶面平行布置，且多个所述V型槽设置于所述第一台阶面上，所述第二台阶面用于光纤包层压接配合。
进一步的，所述固定板的下侧面还安装有弹性定位件，所述弹性定位件位于所述V型槽远离光纤端部的一侧，所述弹性定位件开设有多个切缝，所述切缝与对应的所述V型槽共线布置，所述切缝用于夹紧发射端光纤或接收端光纤。
进一步的，所述弹性定位件为弹性橡胶条，所述切缝的切割方向平行于所述V型槽的长度方向，且所述切缝的中部开设有顶压盲孔，所述顶压盲孔的轴线方向沿所述切缝的深度方向设置。
进一步的，所述第一光波导沿光发出方向依次设有50％－50％分光器、MZN调制器和5％－95％分光器，且两个所述光波导汇接于一个所述50％－50％分光器上，所述背光探测器设置于所述5％－95％分光器的支路上。
进一步的，所述第一光波导的末端与所述DFB激光器之间还设有聚焦透镜。
进一步的，所述导热衬底为钨铜导热衬底，其包括一体式的底板和中部凸台，所述中部凸台设置于所述底板的上侧中部，所述底板的上表面与所述PCB基板的下表面贴合，所述中部凸台的上表面与所述PCB基板的上表面相平齐。
进一步的，所述PIC光芯片还设有着线焊盘，所述着线焊盘与所述PCB基板电连接，所述PCB基板还贴装有集成电路IC、金手指、电阻和电容。
有益效果：该自对准光纤的400G硅光封装结构采用了PCB基板、PIC光芯片、光纤阵列单元和DFB激光器的设计形式，其中，IC光芯片贴装在PCB基板上，光纤阵列单元的发射端光纤和接收端光纤分别排布在固定板的V型槽中，相应的，PIC光芯片设有多个并列间隔布置的V型导槽，V型槽和V型导槽上下相对分布，发射端光纤、接收端光纤夹装在V型槽和V型导槽之间。
利用固定板上蚀刻的V型槽对光纤起到准确定位作用，确保了光纤阵列沿V型槽的长度方向排布，将固定板与PIC光芯片对合时，即使光纤阵列和V型导槽之间存在位置偏差，可通过槽口对光纤产生导引的作用，可自行调整光纤阵列的安装位置，相比于现有技术中的有源耦合方式，该硅光封装结构采用无源自对准耦合方式，实现了发射端和接收端一体耦合的目的，耦合工艺的效率高且成本更低。
而且，PIC光芯片上还设有第一光波导和第二光波导，第一光波导连接在发射端光纤所在的V型导槽和DFB激光器之间，发出的光信号经第一光波导进入发射端光纤中；第二光波导连接在接收端光纤所在的V型导槽和PD光电二极管之间，收到的光信号经接收端光纤和第二光波导进入PD光电二极管，从而将接收的光信号转化为相应的电信号，实现了硅光芯片的光电信号转换和数据高速传输的功能。
另外，DFB激光器设置于PCB基板上且位于PIC光芯片的外侧，PCB基板1的通孔中安装有导热衬底，DFB激光器贴装在导热衬底的上侧，导热衬底的另一侧与外壳贴合设置，由于导热衬底设计在PCB基板的通孔中，DFB激光器发出的热量经过导热衬底直接传递给外壳，导热效率更高，芯片的散热效果更好，省去了在PIC光芯片或PCB基板上贴导热片，避免金线损伤的情况下保证芯片的散热效果，实现芯片更高集成度的目的。
附图说明
图1为背景技术中现有硅光封装结构的平面示意图；
图2为本发明的自对准光纤的400G硅光封装结构的具体实施例中400G硅光封装结构的平面示意图；
图3为图2中400G硅光封装结构的局部放大图；
图4为图2中400G硅光封装结构的截面示意图；
图5为本发明的自对准光纤的400G硅光封装结构的具体实施例中光纤阵列单元的仰视示意图；
图6为图5中固定板处的局部放大图；
图7为本发明的自对准光纤的400G硅光封装结构的具体实施例中光纤阵列单元和PIC光芯片的主视示意图；
图8为本发明的自对准光纤的400G硅光封装结构的具体实施例中光纤阵列单元和PIC光芯片的俯视示意图；
图9为图8中光纤未对准V型导槽时A－A处的截面示意图；
图10为图8中光纤对准V型导槽时A－A处的截面示意图。
图1中：1a、硅芯片；2a、PD芯片；3a、PCB板；4a、TX光纤；5a、RX光纤；
图2至图10中：1、PCB基板；10、通孔；11、导热衬底；12、集成电路IC；13、金手指；14、电阻；15、电容；
2、PIC光芯片；200、V型导槽；201、第一光波导；202、第二光波导；21、背光探测器；22、PD光电二极管；23、50％－50％分光器；24、MZN调制器；25、5％－95％分光器；26、着线焊盘；
3、光纤阵列单元；30、固定板；300、V型槽；31、发射端光纤；32、接收端光纤；33、斜端面；34、弹性定位件；35、顶压盲孔；
4、DFB激光器；5、聚焦透镜、6－外壳。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本发明的自对准光纤的400G硅光封装结构的具体实施例1，如图2至图10所示，自对准光纤的400G硅光封装结构包括PCB基板1、PIC光芯片2、光纤阵列单元3和DFB激光器4，PIC光芯片2贴装在PCB基板1上，DFB激光器4设置于PCB基板1上且位于PIC光芯片2的外侧；光纤阵列单元3包括固定板30、发射端光纤31和接收端光纤32，固定板30的下侧面设置有多个V型槽300，多个V型槽300并列间隔布置，发射端光纤31和接收端光纤32分别排布在V型槽300中。
PIC光芯片2集成设有背光探测器21和PD光电二极管22，PIC光芯片2上还设有多个V型导槽200，多个V型导槽200并列间隔设置，V型槽300和V型导槽200上下相对布置，发射端光纤31、接收端光纤32均夹装在V型导槽200和V型槽300之间；发射端光纤31所在的V型导槽和DFB激光器4之间连接有第一光波导201，背光探测器21设置在第一光波导201上，接收端光纤32所在的V型导槽和PD光电二极管22之间连接有第二光波导202。
PCB基板1位于PIC光芯片2的外侧开设有通孔10，通孔10中安装有导热衬底11，DFB激光器4贴装在导热衬底11的上侧，DFB激光器4与PCB基板1电连接，导热衬底11的另一侧用于与外壳6贴合设置。
该自对准光纤的400G硅光封装结构采用了PCB基板1、PIC光芯片2、光纤阵列单元3和DFB激光器4的设计形式，其中，IC光芯片2贴装在PCB基板1上，光纤阵列单元3的发射端光纤31和接收端光纤32分别排布在固定板30的V型槽300中，相应的，PIC光芯片2设有多个并列间隔布置的V型导槽200，V型槽300和V型导槽200上下相对分布，发射端光纤31、接收端光纤32夹装在V型槽300和V型导槽200之间。
利用固定板30上蚀刻的V型槽300对光纤起到准确定位作用，确保了光纤阵列沿V型槽300的长度方向排布，将固定板30与PIC光芯片2对合时，即使光纤阵列和V型导槽200之间存在位置偏差(10μm以内的余量)，可通过槽口对光纤产生导引的作用，可自行调整光纤阵列的安装位置，相比于现有技术中的有源耦合方式，该硅光封装结构采用无源自对准耦合方式，实现了发射端和接收端一体耦合的目的，耦合工艺的效率高且成本更低。
而且，PIC光芯片2上还设有第一光波导201和第二光波导202，第一光波导201连接在发射端光纤31所在的V型导槽和DFB激光器4之间，发出的光信号经第一光波导201进入发射端光纤31中；第二光波导202连接在接收端光纤32所在的V型导槽和PD光电二极管22之间，收到的光信号经接收端光纤32和第二光波导202进入PD光电二极管22，从而将接收的光信号转化为相应的电信号，实现了硅光芯片的光电信号转换和数据高速传输的功能。
另外，DFB激光器4设置于PCB基板1上且位于PIC光芯片2的外侧，PCB基板1的通孔10中安装有导热衬底11，DFB激光器4贴装在导热衬底11的上侧，导热衬底11的另一侧与外壳6贴合设置，由于导热衬底11设计在PCB基板1的通孔10中，DFB激光器4发出的热量经过导热衬底11直接传递给外壳6，导热效率更高，芯片的散热效果更好，省去了在PIC光芯片2或PCB基板1上贴导热片，避免金线损伤的情况下保证芯片的散热效果，实现芯片更高集成度的目的。
作为进一步的优选方案，固定板30对应光纤端部的一侧设有斜端面33，斜端面33自下至上朝远离光纤端部的方向倾斜设置，斜端面33相对于竖直面的倾斜角度为5°至15°之间的任意角度。在本实施例中，斜端面33相对于竖直面的倾斜夹角为8°，且斜端面33设置有研磨表面，可起到减少回波损耗的作用。
具体的，固定板30的下侧有第一台阶面和第二台阶面，第一台阶面低于第二台阶面平行布置，且多个V型槽300设置于第一台阶面上，第二台阶面用于光纤包层压接配合。其中，光纤阵列单元3为八通道FAU石英光纤阵列单元，裸光纤的直径为125μm，光纤包层的直径为250μm，V型槽300共设有八个，四个发射端光纤31对应的V型槽和四个接收端光纤32对应的V型槽等距间隔分布，相邻两个V型槽300的中心间距为250μm，V型槽300的槽口宽度小于裸光纤的直径；相应的，V型导槽200也设有八个，相邻两个V型导槽200的中心间距为250μm。
而且，固定板30的下侧面还安装有弹性定位件34，弹性定位件34位于V型槽300远离光纤端部的一侧，弹性定位件34开设有多个切缝，切缝与对应的V型槽300共线布置，切缝用于夹紧发射端光纤31或接收端光纤32。作为进一步的优选方案，弹性定位件34为弹性橡胶条，切缝的切割方向平行于V型槽300的长度方向，且切缝的中部开设有顶压盲孔35，顶压盲孔35的轴线方向沿切缝的深度方向设置，可供压棒伸入顶压盲孔35中，以将发射端光纤31或接收端光纤32压入相应的切缝中，利用切缝的两个侧壁对光纤夹紧定位，保证组装操作时光纤始终处于V型槽300中，提高了光纤无源耦合的精准度。
在本实施例中，第一光波导201沿光发出方向依次设有50％－50％分光器23、MZN调制器24和5％－95％分光器25，且两个光波导汇接于一个50％－50％分光器23上，背光探测器21设置于5％－95％分光器25的支路上。而且，第一光波导201的末端与DFB激光器4之间还设有聚焦透镜5。
另外，导热衬底11为钨铜导热衬底，其包括一体式的底板和中部凸台，中部凸台设置于底板的上侧中部，底板的上表面与PCB基板1的下表面贴合，中部凸台的上表面与PCB基板1的上表面相平齐。并且，PIC光芯片2还设有着线焊盘26，着线焊盘26与PCB基板1电连接，PCB基板1还贴装有集成电路IC12、金手指13、电阻14和电容15。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种自对准光纤的400G硅光封装结构，其特征是，包括PCB基板、PIC光芯片、光纤阵列单元和DFB激光器，所述PIC光芯片贴装在所述PCB基板上，所述DFB激光器设置于所述PCB基板上且位于所述PIC光芯片的外侧；
所述光纤阵列单元包括固定板、发射端光纤和接收端光纤，所述固定板的下侧面设置有多个V型槽，多个所述V型槽并列间隔布置，所述发射端光纤和所述接收端光纤分别排布在所述V型槽中；
所述PIC光芯片集成设有PD光电二极管和背光探测器，所述PIC光芯片上还设有多个V型导槽，多个所述V型导槽并列间隔设置，所述V型导槽和所述V型槽上下相对布置，所述发射端光纤、所述接收端光纤均夹装在所述V型导槽和所述V型槽之间；
所述发射端光纤所在的V型导槽和所述DFB激光器之间连接有第一光波导，所述背光探测器设置在所述第一光波导上，所述接收端光纤所在的V型导槽和所述PD光电二极管之间连接有第二光波导；
所述PCB基板位于所述PIC光芯片的外侧开设有通孔，所述通孔中安装有导热衬底，所述DFB激光器贴装在所述导热衬底的上侧，所述DFB激光器与所述PCB基板电连接，所述导热衬底的另一侧用于与外壳贴合设置；
所述固定板的下侧面还安装有弹性定位件，所述弹性定位件位于所述V型槽远离光纤端部的一侧，所述弹性定位件开设有多个切缝，所述切缝与对应的所述V型槽共线布置，所述切缝用于夹紧发射端光纤或接收端光纤；
所述弹性定位件为弹性橡胶条，所述切缝的切割方向平行于所述V型槽的长度方向，且所述切缝的中部开设有顶压盲孔，所述顶压盲孔的轴线方向沿所述切缝的深度方向设置，以通过所述切缝的两个侧壁对光纤夹紧定位，保证组装操作时光纤始终处于所述V型槽中，提高光纤无源耦合的精准度。
2.根据权利要求1所述的自对准光纤的400G硅光封装结构，其特征是，所述固定板对应光纤端部的一侧设有斜端面，所述斜端面自下至上朝远离光纤端部的方向倾斜设置，所述斜端面相对于竖直面的倾斜角度为5°至15°之间的任意角度。
3.根据权利要求2所述的自对准光纤的400G硅光封装结构，其特征是，所述斜端面相对于竖直面的倾斜夹角为8°，且所述斜端面设置有研磨表面。
4.根据权利要求1所述的自对准光纤的400G硅光封装结构，其特征是，所述固定板的下侧有第一台阶面和第二台阶面，所述第一台阶面低于所述第二台阶面平行布置，且多个所述V型槽设置于所述第一台阶面上，所述第二台阶面用于光纤包层压接配合。
5.根据权利要求1所述的自对准光纤的400G硅光封装结构，其特征是，所述第一光波导沿光发出方向依次设有50％－50％分光器、MZN调制器和5％－95％分光器，且两个所述光波导汇接于一个所述50％－50％分光器上，所述背光探测器设置于所述5％－95％分光器的支路上。
6.根据权利要求1所述的自对准光纤的400G硅光封装结构，其特征是，所述第一光波导的末端与所述DFB激光器之间还设有聚焦透镜。
7.根据权利要求1所述的自对准光纤的400G硅光封装结构，其特征是，所述导热衬底为钨铜导热衬底，其包括一体式的底板和中部凸台，所述中部凸台设置于所述底板的上侧中部，所述底板的上表面与所述PCB基板的下表面贴合，所述中部凸台的上表面与所述PCB基板的上表面相平齐。
8.根据权利要求1所述的自对准光纤的400G硅光封装结构，其特征是，所述PIC光芯片还设有着线焊盘，所述着线焊盘与所述PCB基板电连接，所述PCB基板还贴装有集成电路IC、金手指、电阻和电容。
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