CN1190810A - 具有珀尔帖器件的光电元件模块 - Google Patents

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Abstract

一种光电元件模块包括光电元件、冷却光电元件的珀尔帖单元和封装该光电元件和帖尔帖单元的管壳。光电元件直接或通过一固定部件间接安装在珀尔帖单元的第一表面上。珀尔帖单元的第二表面通过接合结构与管壳的安装面接合,同时使珀尔帖单元能沿管壳的安装面移动。由珀尔帖单元的第二表面和管壳的安装面的热膨胀系数间差别产生的热应力被沿管壳安装面相对于管壳的珀尔帖单元的位置移动释放掉。接合结构产生用于接合的一磁场力或弹性力。

Description

具有珀尔帖器件的光电元件模块
本发明涉及一种光电元件模块，尤其是具有如激光二极管的光电器件和用于冷却该元件的珀尔帖器件的光电元件模块，该光电器件和珀尔帖器件是封装在一个管壳内。
图1示出了用于光通信领域的一个常规激光二极管模块。
如图1所示，此常规激光二极管模块有一激光二极管部件、一透镜固定部件、及一珀尔帖单元106，它们被封装在管壳105内。这两个部件是位于珀尔帖单元106上面。
管壳105是由一平基板105位于其上的珀尔帖单元106、固定在基板105a上并围绕激光二极管和透镜固定部件及珀尔帖单元106的侧壁105b，固定于侧壁105b上的一平盖105c所构成。侧壁105b的底端与基板105a连接。盖105c与侧壁105b的顶端连接。管壳105的内空间为近似长方体的形状。
珀尔帖单元106用于在操作中冷却激光二极101。珀尔帖单元106是由底平板106b、平行于底平板106b的上平板106c、以及在平板106c和106b之间沿着下底板106b和顶板106c规则排列的多对珀尔帖器件106a所组成。这些对珀尔帖器件106a是由底板106b和顶板106c夹持的。
激光二极管部件包括一激光二极管(即、半导体激光器)101、一个散热器102、一个导热载体103，以及一光电二极管104。
激光二极管101通过用于散去工作中由二极管101产生的热的散热器102安装在载体103上。激光二极管101作为用于发射预定设计输出光束的一个光源。
光电二极管104直接固定在激光二极管101的背后的载体103上。光电二极管104用于控制从激光二极管101发出的光束。
载体103用于装载或支撑激光二极管101、散热器102和光电二极管104。载体103通过由焊剂，如铍锡(BiSn)或铟铅银(InPbAg)构成的焊剂层112a，固定于珀尔帖的顶板106c上。
透镜固定部件包括一透镜固定架111、一光学透镜107、一光学隔离器108、一滑动环109和一引出端110。
透镜固定架111为一近似圆筒形，并通过焊剂层112a被固定在激光二极管101前面的珀尔帖单元106的顶板106c上。透镜固定架111的后端与载体103接合。
光学透镜107和光学隔离器108被固定在位于其纵轴上的透镜固定架111内，透镜107位于在激光二极管101附近的固定架111的后端。透镜107用于会聚从激光二极管101发射的输出光束。
隔离器108离开透镜107大致位于固定架111的中部。隔离器108用于防止进入引出端110的输出光束的反射光。
引出端110是一截短光纤构成的。引出端110的内侧端通过滑动环109固定于透镜固定架111的正相对端。滑动环109通过钇-铝-石榴石激光器(YAG)点焊接与固定架111和引出端110固定。引出端110沿着透镜固定架111的纵向轴线和管壳105的基板105a延伸。引出端110的外侧端(未画出)通过管壳105的一窗口105d由管壳105向外伸出。光纤(未示出)根据需要与管壳105外侧的引出端110的外侧端连接。窗口105d是在侧壁105b内构成。引出端110是由如铟(In)构成的焊接材料115固定的。
珀尔帖单元106的底板106a通过焊剂层112b被固定在管壳105的固定表面105aa上，该固定表面105aa是在管壳105的基板105a的表面上形成的。焊剂层112b是由如BiSn或InPbAg这样的焊剂构成的。
在工作中由激光二极管发出的输出光束，通过透镜107和隔离器108进入引出端110的内端部。该输出光束通过与引出端110的外端部连接的光纤(未示出)发送出。
激光二极管101在工作中产生的热量通过散热器102和载体103传入珀尔帖单元106。然后，由珀尔帖单元106将该热量有效地传输至管壳105的基板105a，从而冷却工作中的激光二极管101。传输到基板105a的热量自动地通过在其上固定激光二极管的底板(未示出)散出。
当图1所示的常规激光二极管模块用作光纤放大器的激励或驱动源时，从这个模块中须要取出稳定和高的光输出。在这种情况下，激光二极管101的驱动电流需要设为近似500mA那么大。这样一个大驱动电流将使激光二极管101的工作温度升高大约摄氏30℃。
因此为了保证在这样一个升高的温度下激光二极管101正常工作，为了有大的冷却能力，需要珀尔帖单元106有较大尺寸，这就导致了与通常的光学通信所设计的激光二极管模块相比，对于管壳105的底板105a，珀尔帖单元106b的底板有较宽的传热区。
因此，在图1中所示的常规激光二极管组件中有下面的问题。
因为珀尔帖单元106和管壳105之间的宽的热传输区，这种常规的激光二极管模块不能够承受包括如珀尔帖单元106的接通/断开测试在内的破坏性温度变化的环境测试。其结果，从温度变化这个角度看，这种常规模块具有可靠性差的问题。
这个原因在于，由于珀尔帖单元106的底板106b和管壳105的基板105a热膨胀系数之间的不同所产生的热应力，使珀尔帖单元106被破坏或毁坏，从而破坏或降低了珀尔帖单元106的预定的冷却性能。
在日本1987年12月出版的号为62-276892的未审定的专利公报中揭示了对此问题的一种解决方案。在这个解决方案中，通过选择材料，在热膨胀系数方面，珀尔帖单元106的底板106b是与管壳105的基板105a近似的。然而，将产生下面的问题。
具体地说，由于珀尔帖单元106的底板106b和顶板106c通常是由陶瓷，如氮化铝(AlN)和氧化铝(Al2O3)制成的，所以管壳105需要由如称为“柯伐”的铁镍钴(Fe-Ni-Co)合金或包含20％的铜的铜钨合金(即CuW-20合金)构成，以便于使其热膨胀系数与陶瓷接近。然而，这些合金具有近似于0.5卡/厘米.秒.度那么低的热膨胀系数。因此，对于上面所述的在日本未审定专利公报No.62-276892中公开的解决方案来说，是很难达到在驱动电流近似为500毫安时的所要求的制冷性能的。
在1992年5月出版的号为4-63669的日本未审的实用新型公报中，公开了涉及上面所述可靠性差的一种解决方案。在这个解决方案中，管壳105、珀尔帖单元106的底板106b和顶板106c，和载体103的热膨胀系数是相互近似的。然而也将产生与日本未审专利公报中No.62-276892中相同的问题。
本发明的目的是提供一种在冷却性能方面可靠性得以改善的光电元件模块。
本发明另一目的是提供一种热应力阻力改善的光电元件模块。
本发明的再一个目的是提供一种光电元件模块，它在激光二极管以约500mA的大驱动电流工作时有满意的冷却效果。
通过下面的描述将使本领域人员对上述目的和其它未特别说明的目的有更清楚的了解。
本发明的光电元件模块包括一光电元件、用于冷却该光电元件的珀尔帖单元、以及封装该光电元件和珀尔帖单元的管壳。
该光电元件是直接地或通过一支撑件非直接地固定安装在珀尔帖单元的第一表面上。
珀尔帖单元的第二表面通过一接合结构与管壳的一固定面接合，同时使珀尔帖单元能够沿管壳的固定安装面移动。
对于本发明的光电元件模块，光电元件是被固定在珀尔帖单元的第一表面上，还有，珀尔帖单元的第二表面是通过接合结构与管壳的固定安装表面接合。因此，运作中光电元件所产生的热通过珀尔帖单元的第一表面有效地传送到珀尔帖单元，从而冷却了光电元件。
传送到珀尔帖单元的热进一步通过珀尔帖单元的第二表面和管壳的固定安装面传送到管壳。传输到管壳的热量然后通过诸如在其上固定光电元件模块的底板等固定元件辐射掉。
如果对此光电元件施加一破坏性温度变化，那么由于珀尔帖单元的第二表面和管壳和固定安装面的热膨胀系数之间的差别，将趋于在珀尔帖单元的第二表面产生热应力。
然而，如上所述这个应力被抑制或消除了，从而防止了珀尔帖单元冷却性能的下降。这是因为珀尔帖单元的第二表面通过接合结构与管壳的固定安装面接合，同时使珀尔帖单元能沿着管壳的固定表面移动，从而使珀尔帖单元能够沿管壳的固定表面相对地变换位置。
这就使得管壳的构成，可以采用在激光二极管的约500mA的大驱动电流情况下，能够表现出满意的冷却效果的高导热性材料。
因此，此模块的冷却性能的可靠性得到提高。这意味着此模块的热应力阻力得到改善。
在本发明的模块的最佳实施方式中，接合结构至少包括位于珀尔帖单元的第二表面和管壳的固定安装面之间的一个磁化的铁磁性部件。珀尔帖单元是通过一磁场力与管壳的固定安装面接合，该磁场力是由至少一个铁磁部件和管壳的相对的磁化部分产生的。
本发明模块的另一最佳实施方式中，接合结构包括第一和第二磁化铁磁部件，第一磁化铁磁部件固定于珀尔帖单元的第二表面。第二磁化铁磁部件被固定于管壳的固定表面。珀尔帖单元是通过由在第一和第二铁磁部件之间产生的一磁场力与管壳的固定安装面接合。
在此实施方式中，第一和第二铁磁部件通过一插入的非磁性部件相互相对。非磁性部件作为缓冲层和/或用于防止第一和第二铁磁部件强吸合。
根据本发明的另一最佳实施方式，该接合结构包括位于管壳内的至少一个弹簧，珀尔帖元件是通过至少由一个弹簧所产生的弹性力与管壳的固定安装面接合。
在本发明的另一个较佳实施方式中，光电元件是设置在光电元件部件内，且接合结构包括至少一个位于管壳内的弹簧。该至少一个弹管被放置在便于对光电元件部件施加一个压力的位置，从而将珀尔帖单元的第二表面与管壳的固定安装面接合。
在此实施方式中，该至少的一个弹簧的一端与管壳固定安装面的相对面固定。
为便于实施本发明，现将结合附图进行描述。
图1是常规激光二极管模块的一剖视图。
图2是本发明第一实施例的激光二极管模块的一剖视图。
图3是放大的，图2中A部分的部分剖视图。
图4是本发明第二实施例的激光二极管模块的剖视图。
下面将结附图描述本发明的最佳实施例。
根据本发明第一实施例的激光二极管模块具有如图2和图3所示的结构。
如图2所示，这个激光二极管模块具有一激光二极管部件、一透镜固定部件、以及一珀尔帖单元6，它们被封装在金属管壳5内。这两个部件是位于珀尔帖单元6上面。
管壳5是由在其上设有珀尔帖单元6的一平基板5a、一固定在基板5a上以围绕激光二极管和透镜固定部件的一侧壁5b、以及固定于则壁5b的平盖5c所构成。侧壁5b的底端与基板5a连接。盖5c与侧壁5b的顶端连接。管壳5的内空间具有近似长方体的一形状。
管壳5是由含有30％铜的铜钨合金(即：CuW-30合金)制成，该铜钨合金具有约为0.69卡/厘米.秒.度的导热性，其高于CuW-20合金。
珀尔帖单元6用于冷却工作中的激光二极管。珀尔帖单元6包括底平板6b、与底平板6b平行的顶平板6c，以及在板6c和6b之间沿底板6b和顶板6c规则排列的多对珀尔帖器件6a。这些对珀尔帖器件6a是由底板6b和顶板6c夹持的。
底板6b和顶板6c是由陶瓷，如氮化铝(AlN)或氧化铝(Al2O3)制成的。珀尔帖器件6a是由合适的半导体材料或金属分别制成的。
激光二极管部件包括一激光二极管1、一金属散热器2、一金属载体3和一光电二极管4。
激光二极管1是通过用于散去工作中激光二极管1产生的热的散热器2固定在载体3上。激光二极管1作为发射预设定输出光束的光源。
光电二极管4是直接地固定载体3上激光二极管1的背后。光电二极管4用于监控由激光二极管1发射出的输出光束。
载体3用于载放或支撑激光二极管1、散热器2和光电二极管4。载体是由CuW-30合金制成的。载体3是通过一焊剂层12固定在珀尔帖单元6的顶板6c上，该焊剂层12是由如BiSn或InPbAg这样的焊剂制成的。
透镜固定部件包括一透镜固定架11、一光学透镜7、一光隔离器8、一滑动环9、和一引出端10。
透镜固定架11为一近似圆筒形，并通过焊剂层12被固定在激光二极管1前面的珀尔帖单元6的顶板6c上。透镜固定架11的后部与载体3接合。
光学透镜7和光学隔离器8被固定在位于其纵轴线上的透镜固定架11内。透镜7位于与激光二极管1邻近的固定架11的后部，透镜7用于会聚从激光二极管1发射的输出光束。
隔离器8与透镜7隔开且大致位于固定架11的中部。隔离器8用于防止进入引出端10的输出光束的反射光。
引出端10是一截短光纤构成的。引出端10的内侧端通过滑动环9固定于透镜固定架11的正相对端。滑动环9通过使用YAG激光器的点焊与透镜固定架11和引出端10固定。引出端10沿着透镜固定架11的纵向轴线和管壳5的基板5a延伸。引出端10的外侧端(未画出)通过管壳5的一窗口5d由管壳向外伸出。光纤(未示出)根据需要与管壳5外侧的引出端10的外侧端连接。窗口5d是在侧壁5b内构成。引出端10由如铟(In)构成的焊接材料15固定。
与前面图1中所示的常规激光二极管模块不同，珀尔帖单元6的底板6b没有被固定于管壳5的基板5a的固定安装面5aa上。珀尔帖单元6的底板6b的底面是通过接合结构与管壳5的固定安装面5aa接合，同时使珀尔帖单元6能够沿管壳5的固定安装面5aa移动。
具体地说，在底板6b的底面上附着一层铁氧体(CoFe2O4或NiFe2O4)膜13a，并在管壳5的基板5a的固定安装面5aa上附着另一层铁氧体(CoFe2O4或NiFe2O4)膜13b。具有很软特性的一层铟膜14被夹在铁氧体膜13a和13b之间。铁氧体膜13a和13b是隔着铟膜14相对的。
铁氧体膜13a和13b均为2微米厚。铟膜14为1微米厚。铁氧体膜13a和13b及铟膜14具有很好的导热性，不会降低珀尔帖单元6和管壳5的基板5的基板5a之间的传热性能。铁氧体膜13a和13b是预先被磁化的，以便在膜13a和13b之间产生牵拉磁场力。
铟膜14作为一垫层以防止对珀尔帖单元6的冲击，该冲击是由向管壳5的基板5a附着珀尔帖单元6所产生的。还有，铟膜14用于防止铁氧体膜13a和13b的强吸合，使铁氧体膜13a和13b将能因热应力而相对地移动。
因此，珀尔帖单元6(和位于其上的激光光二极管和透镜固定部件)在由底面铁氧体膜13b和铟膜14之间牵拉磁场力所产生的一摩擦力，以及由顶面铁氧体膜13a和铟膜14之间牵拉磁场力所产生的摩擦力的作用下，被固定在一特定位置。如果在管壳5的基板5a和珀尔帖单元6的底板6b之间产生过量的热应力，那么珀尔帖单元6能够沿着管壳5的固定安装面5aa被移动。
磁场力被选择设定为一特定的值。例如，磁场力被确定为致使珀尔帖单元6的固定或接合长度能够承受频率为20至2000赫芝和20g加速度的振动和500g的冲击，这里g是重力加速度常数。
在工作中由激光定二极管1发射的输出光束通过透镜7和隔离器8从引出线10的内侧端进入，输出光束是通过与引出端10的外侧端连接的光纤(未画出)传输的。
激光二极管1工作中产生的热通过散热器2和载体3传播到珀尔帖单元6。然后，由珀尔帖单元6有效地将热量传送到管壳5的基板5a，从而冷却工作状态的激光二极管1。传送到基板5a的热通过激光二极管模块所固定于其上的板(未画出)，在空气中自动地散去。
按照图2和图3所示的第一实施例的激光二极管模块，激光二极管1是通过载体3固定安装在珀尔帖单元6的顶板6c上。还有，珀尔帖单元6的底板6b是通过由铁氧体膜13a和13b和铟膜14形成的接合结构，与管壳5的基板5a的固定安装面5aa接合。
因此，工作期间激光二极管1产生的热量经过载体3有效地传送到珀尔帖单元6，从而冷却了激光二极管1。
传送到珀尔帖单元6的热量进一步被传送到管壳5的基板5a，然后传送到固定安装激光二极管模块的板(未画出)上，从而在大气中辐射热量。
如果对第一实施例的激光二极管模块施加破坏性温度变化，那么由于底板6b和管壳5的基板5a的热膨胀系数的差别，则趋向于在珀尔帖单元6的底板6b产生热应力。然而，如上所述这样的应力得到抑制或消除。原因如下：
因为珀尔帖单元6是通过接合结构与管壳5的固定安装面5aa接合，同时使珀尔帖单元6能沿管壳5的固定安装面5aa移动，所以由热应力导致在机械应力，由于珀尔帖单元6相对位置的变化，被释放掉。因此防止了珀尔帖单元6的破损或毁坏。
这就使管壳5的构成可以采用CuW-30合金，该CuW-30合金具有足以满足在激光二极管1约500毫安的大驱动电流情况下的冷却性能的高导热性。因此，本模块在冷却性能方面可靠性提高。换句话说，本模块的热应力阻力得到改善。
此外，在第一实施例中，珀尔帖单元6的顶板6c的热膨胀系数与载体3不相近，且这两个部件6c和3通过焊剂层12相互固定。此外，载体3的传热区与珀尔帖单元相比是较窄的。因此，即使在激光二极管1工作在近似于500毫安的大驱动电流时，也不会产生任何问题。
第二实施例
图4示出了本发明第二实施例的激光二极管模块。这个实施例除了铁氧体膜13a和13b及铟膜14被去掉，并且在管壳5的内空间另设置压缩弹簧16之外，与第一实施例是相同的结构。
因此，为了简化说明，将相同的标号附加至图4中的相同或相对应部分或元件上，并省略有关相同结构的解释。
如图4所示，由于去掉了在第一实施例中的铁氧体膜13a和13b及铟膜14，所以珀尔帖单元6的底板6b直接与管壳5的底板5a的固定安装面5aa接触。类似于第一实施例，底板6a没有被固定于基板5a上。
此外，在管壳5的盖5c和光电二极管4之间放置一组压缩弹簧16，并在盖5c和透镜固定架11之间放置另一组弹簧16。弹簧16的顶端与盖5c固定。弹簧16的底端与光电二极管4和透镜固定架11的相应上表面接触。这些弹簧16向光电二极管4和透镜固定架11施加朝向管壳5的底板5a的弹性压力。
珀尔帖单元6(和位于其上的激光二极管和透镜固定部件)被由弹簧16的弹性压力产生的摩擦力保持在一特定位置，如果在管壳5的基板5a和珀尔帖单元6的底板6b之间产生一过量热应力，那么珀尔帖单元6是能够沿着管壳5的固定安装面5aa移动的。
弹性压力被选择设定为一特定值。例如，弹性压力确定为致使珀尔帖单元6的固定或接合长度能够承受频率为20-2000赫芝和20g的加速度和500g的冲击的振动，这里g是重力加速度常数。
如前面所述，在第二实施例中，珀尔帖单元6是通过弹簧16的弹性压力与管壳5的基板5a接合的。此外，其上固定有这两个部件的珀尔帖单元6是被保持在一特定位置。因此，不对与第一实施例相同的优点进行说明。
尽管在前面的第一和第二实施例中采用激光二极管作为光电电元件，但是不用说，任何其它的光电元件，如在工作中需冷却的光发射二极管或者类似元件都可以采用。
此外，很显然，可使用如在工作中需冷却的晶体管或类似的光电元件。
在描述了本发明的最佳形式的同时，应意识到对于本领域熟练人员所作的一些显而易见的改动并没有脱离本发明的范围。因此，本发明的范围仅是由后面的权利要求所确定的。

Claims (7)

1、一种光电元件模块，它包括：
一个光电元件；
一个用于冷却所述光电元件的珀尔帖单元；以及
一个封装所述光电元件和所述珀尔帖单元的管壳；
其特征在于：所述光电元件是直接地或通过一支撑部件非直接地固定安装在所述珀尔帖单元的第一表面上；
其中所述珀尔帖单元的第二表面是通过一接合结构与所述管壳的固定安装面接合，同时使所述珀尔帖单元能沿所述管壳的所述固定安装面移动。
其中由所述珀尔帖单元的所述第二表面和所述管壳的所述固定安装面的热膨胀系数间差别产生的热应力，通过所述珀尔帖单元沿所述管壳的所述固定安装面相对于所述管壳的位置移动被释放。
2、根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述接合结构包括至少位于所述珀尔帖器件的所述第二表面和所述管壳的所述固定安装面之间的一个部件；
且其中所述珀尔帖单元是通过由所述的至少一个铁氧体部件和所述管壳的相对的磁化部分产生的磁场力与所述管壳的所述固定表面接合。
3、根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述接合结构包括第一和第二铁氧体部件；
其中所述第一磁化铁氧体部件是与所述珀尔帖单元的所述第二表面固定；
所述第二磁化铁氧体部件是与所述第二管壳的所述固定安装面固定；
所述的珀尔帖单元是通过在所述第一和第二铁氧体部件之间产生的磁场力与所述管壳的所述固定安装面接合。
4、根据权利要求3所述的模块，其特征在于，所述第一和第二铁氧体部件是间隔一非磁性部件相互相对的。
5、根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述接合结构包括至少一个位于所述管壳内的弹簧；
其中所述的珀尔帖器件是通过由所述至少一个弹簧所产生的弹性力与所述管壳的所述固定安装面接合。
6、根据权利要求1所述的模块，其特征在于，所述光电元件是设置在一光电元件部件内，且所述接合结构包括至少一个位于所述管壳内的弹簧；
其中所述的至少一个弹簧被定位于以便向所述光电元件部件施加一压力，从而使所述管壳的所述固定安装面与所述珀尔帖单元的所述第二表面接合。
7、根据权利要求6所述的模块，其特征在于，所述的至少一个弹簧的一端被固定于与所述管壳的所述固定安装面相对的所述管壳的面上。
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