CN1169005C - 光学半导体的密封封装和光学半导体模块 - Google Patents
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Abstract
一种配备光传输窗的光学半导体的密封封装，该光传输窗的光传输表面相对于封装底面的垂线至少倾斜6°，所述光传输窗由光传输窗材料构成，并使用钎焊材料连接到封装侧壁上的一个圆柱形部件上，该部件具有一个倾斜表面，相对封装的侧壁至少倾斜6°角，并装配到侧壁的一个通孔中，而窗材料由光传输陶瓷板组成，在其上形成围绕周边的金属喷镀部分，在陶瓷板的中心保留圆的光传输部分；以及使用这种封装的光学半导体模块。这种密封封装和光学半导体模块可以容易地和廉价地制造，具有高的可靠性以及不会有偏振面变形。
Description
技术领域
本发明涉及配备光传输窗的光学半导体的密封封装，以及光学半导体元件在其内部的屏蔽，以及涉及使用这种光学半导体密封封装的光学半导体模块。
背景技术
光学半导体模块的密封封装在光通信中作为非常重要的问题考虑，以便保证高的可靠性。这是因为光学半导体元件的电极在高温和湿度下将会退化，以及因为进入封装内的水分将会凝固和降低光学特性，因而光学半导体元件的使用寿命不能保证超过10年。
同时，对于光学半导体模块，在封装内部的光学半导体元件必须与外部的光纤光学连接。鉴于这一点，光传输窗结构已应用于光学半导体的密封封装，以便光学连接封装内部的光学半导体元件和外部的光纤，而仍保持封装的气密性。
日本待审专利申请书H6-151629公开了使用蓝宝石制造光传输窗。由于蓝宝石优异的光传输性和高强度，它经常用于屏蔽(密封封装)光学半导体模块。此蓝宝石用钻头加工成圆形。
日本待审专利申请书H11-54642提出一种光学半导体模块用的窗结构，它使用实质上规则六边形的硼硅酸盐玻璃、制造光传输窗，硼硅玻璃比蓝宝石价廉和光传输性好，以及它是一种各向同性材料和不会带来双折射。来自热量和其它的应力引起弹性应变，它使偏振面变形，但是已发现，如果应力是均匀地施加至玻璃，如日本待审专利申请书H11-54642所讨论，随后偏振消除率将降低(约-40dB)，这样任何大的问题不会产生。再者，规则的六边形允许使用低成本的切割过程，因而另一个优点就是降低了窗材料的成本。不幸的是，硼硅玻璃的缺点是强度低，当它用于苛刻的条件时，必须小心对待。
偏振面的变形，通常用偏振消除率表示。在横向尼科耳棱镜实验系统中，光发射侧面的偏振器相对于光入射侧面转动90°，最大光强度为Imax和最小光强度为Imin，以及偏振消除率为10×log10(Imin/Imax)。
降低光学半导体模块的成本在现代光通信中具有重要意义。它要求密封封装用窗材料的改进，这种密封封装可作为光学半导体模块的屏蔽用。然而，需要用钻切割加工蓝宝石为圆形，如由以上日本待审专利申请书H6-151629所述，以及由于窗材料的此项加工可能划伤或其它损伤，它降低了合格率和提高了成本。
由于高密度波长多路化工艺和提高速度工艺变得复杂，不可避免的是应保持光的偏振面和获得波长的均匀性。为了达到上述两个目的，最好形成外谐振器结构，例如，光纤光栅，除密封封装外还通过光纤，但这里再次需要保持光的偏振面。如果用强度水平的偏振消除率表示此点，严格的条件Imax至少为Imin的1000倍，(即-30dB)变得必须。因为在日本待审专利申请书H11-54642中获得不够满意的结果，这里提出的结构的使用仍旧受阻于要求极高可靠性的领域，例如，海底电缆。
发明内容
本发明考虑到这种情况，以及本发明的目的是提供一种光学半导体的密封封装和一种光学半导体模块，它可简便地和廉价地制造，具有高的可靠性，以及不会引起偏振面的变形。为了达到上述目的，本发明提供一种配备光传输窗的光学半导体的密封封装，该光传输窗的光传输表面相对于封装底面的垂线至少倾斜6°，所述光传输窗由光传输窗材料构成，并使用钎焊材料连接到封装侧壁上的一个圆柱形部件上，该部件具有一个倾斜表面，相对封装的侧壁至少倾斜6°角，并装配到侧壁的一个通孔中，而窗材料由光传输陶瓷板组成，在其上形成围绕周边的金属喷镀部分，在陶瓷板的中心保留圆的光传输部分。本发明还提供用于光学半导体的密封封装，其陶瓷板是由含铝的氧化物(例如氧化铝或尖晶石)烧结体制成。制造光传输尖晶石烧结体的方法在日本专利2620287和2620688中公开。
本发明提供一种光学半导体模块，它具有光学半导体元件位于本发明的上述光学半导体密封封装内部，以及位于此封装外面的光学纤维。
由于光传输陶瓷比蓝宝石易于加工，可以容易地使用钻孔法加工制造盘件，它有助于降低成本。此外，这种材料容易切割成规则的六边形，如同硼硅玻璃一样。当低成本切割实现时，规则的六边形提供了最高的成品率。成品率甚至超过普通的钻孔，因为切割片的尖端比钻头尖端小。粘接薄片板可以用于切割，从而没有切屑分散，以及窗材料可以用较高成品率制造，使成本降低。
使用单轴晶体时，例如蓝宝石，如果光学轴对准晶体的C-轴，则双折射不会产生。如果入射光是线偏振光，C-轴将处于偏振面内，以及不会有双折射产生。为了保证在光通信领域内要求的偏振消除率-30dB，偏振面必须对准C-轴面。较大的偏振消除率是损失和干扰波源。如果窗材料是由光传输陶瓷的烧结体制造，它将处于多晶状态(小晶体的集合)并且是光学各向同性的，以及当光线通过时，偏振面的变形可以消除，与窗材料的取向无关。因此，光学半导体密封封装可以容易地制造，而不需要任何定位，这样就降低了成本。
本发明的光学半导体密封封装可以用于生产光学半导体模块，它的成本低和可靠性高，以及它没有偏振面变形。
附图说明
图1是本发明的光学半导体密封封装的光传输窗的实例的简化透视图。
图2a和2b是本发明中作为窗材料的光传输陶瓷板的顶视图，其中图2a示出六边形窗和图2b示出盘形窗。
具体实施方式
本发明的光学半导体密封封装参见附图予以说明。
图1是本发明的光学半导体密封封装的光传输窗的实例的简化透视图。图2a和2b是作为窗材料的光传输陶瓷板的顶视图，其中图2a示出六边形窗材料和图2b示出圆形窗材料。圆柱形部件3配合和钎焊到密封封装1的封装侧壁2的通孔内，它随后进行镀金或其它类似处理，以制造中间封装产品。5是底板。窗材料4接合到圆柱形部件3上以组成光传输窗。在本发明中，如图2a或2b所示，窗材料4是由光传输陶瓷板组成，它实质上是规则的六边形板或盘，沿其周边形成喷金属部分，在中心保留圆形的光传输部分。如果陶瓷板是由含铝的氧化物(例如氧化铝或尖晶石)的烧结体制成，随后窗材料将是光学各向同性的，以及当光线通过时偏振面的变形可以消除，与窗材料的取向无关，它导致成本的降低。
在各种可获得的光传输陶瓷中，含铝的氧化物(氧化铝或尖晶石)的烧结体具有特别高的强度，提供的窗材料的耐久性优于硼硅玻璃制造的。这些氧化物陶瓷的其它优点是允许喷镀金属(Ti/Pt/Au，等)它是钎焊所需的。
此外，这些氧化物陶瓷提供的光传输百分比(它是窗材料最重要的光学特性)为至少95％，以及最好为至少98％，它通过镜面抛光和实际厚度约0.3mm的抗反射涂层(即MgF)。
借助连接封装内部的光学半导体元件和同一封装外部的光纤而使用上述光学半导体密封封装即可生产出光学半导体模块。
实例1
一种光学半导体密封封装的生产方法是使用银钎焊，使用柯伐合金(Kovar)底板，柯伐合金侧壁和柯伐合金圆管作为光传输窗。对于端子，使用低熔点玻璃密封的销钉，并镀镍或金。为了配合光传输陶瓷(尖晶石烧结体)板进入侧壁，经银钎焊连接一个圆管，该圆管具有一个倾斜表面，相对于侧壁至少倾斜6°角，这样该倾斜表面处于偏振面的5°之内。实际上是，在侧壁上制有圆孔，圆管配合入孔内，以及此管子用碳夹具定位。窗涂覆MgF抗反射涂层。此涂层可以是TiO和SiO多层膜。在光传输陶瓷上的金属喷镀是Ti/Pt/Au，由光传输陶瓷侧面开始。切割用于加工光传输陶瓷(尖晶石烧结体)。在这里金属喷镀强度增加的方法是，沿切割线不使用金属喷镀。光传输陶瓷(尖晶石烧结体)使用AuSn钎焊材料气密连接到外壳上。使用这种窗材料使成本降低一半。
由于使用了由光传输陶瓷(尖晶石烧结体)的小晶体集合而成的多晶材料，作为窗材料，以及窗是光学各向同性的，窗的角度与双折射无关，这样偏振消除率为-30dB或更少，与角度无关。因此，在这里不需要高精度的管子对准。这样使成品率提高10％，以及进一步降低了成本。
实例2
PANDA纤维(偏振和衰减降低光纤)连接至实例1的具有窗结构的光学半导体模块，它可使当线偏振保持在高水平时光传播。在此种情况下，光纤放大器需要的一组激发光束被偏振和合成，它使光纤放大器可以更有效地工作。它还有可能简化波导管的结构，它可进一步降低成本。
实例3
调制器模块是用LN陶瓷(LiNbO)制造的，它是使用实例1的封装的各向异性光学材料。调制器模块使用了马赫-齐纳(Mach-Zehnder)元件。由于窗的偏振消除率低，它有可能抑制在LN调制器内部产生的双折射，以获得具有良好的信/噪比的光学信号。
实例4
实例1的窗结构使用于半导体激光器，它抑制连接至窗外部的波导管的光学损失。
实例5
偏振依赖性是半导体光电放大器存在的问题，但是用λ/4(1/4波长)板可以获得直线偏振光，它有可能增强模块的放大特性，这种模块使用配备实例1窗结构的壳体。这样减少了光-光开关元件的插入损失，有可能用于使用半导体放大器的高速工作或波长转换元件，以获得具有良好的信/噪比的光学信号。
实例6
一种抗反射机构，它选择地反射特定的波长，例如纤维光栅，它设置在实例1封装的外部，它导致与壳体内的光学元件谐振。它有可能抑制窗的双折射引起的振动模式的干扰，以获得具有良好的波长选择性的光学半导体模块。此外，光信号损失小和光强度增加。
本发明提供了具有窗结构的光学半导体密封封装，它可以容易地和廉价地制造，它提供高的可靠性，以及不会导致偏振面的损坏。此外，使用具有这种窗的光学半导体密封封装提供了具有高的光学强度以及优良模式稳定性的光学半导体模块。
Claims (6)
1.一种配备光传输窗的光学半导体的密封封装，该光传输窗的光传输表面相对于封装底面(5)的垂线至少倾斜6°，所述光传输窗由光传输窗材料(4)构成，并使用钎焊材料连接到封装侧壁(2)上的一个圆柱形部件(3)上，该部件(3)具有一个倾斜表面，相对封装的侧壁(2)至少倾斜6°角，并装配到侧壁(2)的一个通孔中，而窗材料(4)由光传输陶瓷板组成，在其上形成围绕周边的金属喷镀部分，在陶瓷板的中心保留圆的光传输部分。
2.按照权利要求1的密封封装，其特征在于，陶瓷板是含铝(Al)的氧化物的烧结体。
3.按照权利要求2的密封封装，其特征在于，烧结体的主成分是光传输氧化铝(Al2O3)或光传输尖晶石(MgAl2O4)。
4.按照权利要求1的密封封装，其特征在于，窗中心部分的光传输部分涂覆抗反射涂层，以及传输百分比至少为95％。
5.按照权利要求1的密封封装，其特征在于，窗材料(4)为圆形或基本规则的六边形。
6.一种光学半导体模块，具有光学半导体的密封封装，其光学半导体元件位于内部，以及光纤位于外部，而此密封封装配备光传输窗，其光传输表面相对于封装底面(5)的垂线至少倾斜6°，所述光传输窗由光传输窗材料(4)构成，并使用纤焊材料连接到封装侧壁(2)的圆柱形部件(3)上，该部件(3)具有一个倾斜表面，相对封装的侧壁(2)至少倾斜6°角，并装配到侧壁(2)的一个通孔中，而窗材料(4)由光传输陶瓷板组成，在其上形成围绕周边的金属喷镀部分，在陶瓷板的中心保留圆的光传输部分。
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