CN1310864A - 受光元件阵列器件及其制作的分光器 - Google Patents

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Abstract

本发明可适用于复回型配置的分光器,可使受光元件阵列芯片的受光部靠近输入光纤配置,且可抑制慧形象差,缩短光学系的长度,以使分光器小型化。该受光元件阵列器件把具有阵列状配置着许多光学元件的受光部的长方形芯片封入备有外引线的长方形外壳内,再把芯片焊盘和外壳焊接接头用焊线相连。在结构上要采用以下三种结构中的一种或它们之间的组合:(1)在芯片受光部周边一条长边的一侧没有设置焊盘,(2)在外壳一条长边的一侧没有设置外引线,(3)在外壳一条长边的一侧没有设置外引线;且使芯片靠近外壳单侧安装。

Description

受光元件阵列器件及用其制作的分光器
技术领域
本发明涉及外壳中搭载有长方形受光元件阵列芯片的受光元件阵列器件，尤其涉及一种从受光元件阵列芯片受光部中心到长方形外壳一条长边边缘间的间距小的受光元件阵列器件，本发明还进一步涉及用这种受光元件阵列器件制作的分光器。
背景技术
在例如波分复用传送式光通信系统中，分光器是一种在接收端把波分复用传送的光按各波波长分光的装置。目前正开发各种结构的分光器，具有代表性的一种是在其分光元件中采用了衍射光栅。
在采用衍射光栅的分光器中，有一种名为“复回型配置”的结构。它含有输入光纤，准直透镜以及衍射光栅等，从输入光纤来的光信号经准直透镜准直后导入衍射光栅，其绕射光经准直透镜再次聚束后就可检出。光检出过程中，要用许多光纤或其光路阵列，以便把绕射光导向光检出器。
作为另一形式的采用衍射光栅的分光器，含有输入光纤、准直透镜、折射镜以及衍射光栅，从输入光纤来的光信号先后经准直透镜准直、折射镜反射后导向衍射光栅，再把绕射光导向光检出器。
在这些分光器的光检出器中，都要使用受光元件阵列器件。它是把受光部阵列状地配置着许多受元元件的芯片封入具有许多外引线的长方形DIP型外壳中，再把芯片的焊盘和位于外部引线内端的焊接接头用焊线连接而成的。外引线是从外壳两侧的长边一侧引出的。现在市售的受光元件阵列器都使用这种DIP型外壳。
在上述使用折射镜的分光器中，经过衍射光栅分波后，其光的光轴相对于折射镜入射光的光轴大体上是垂直的，因而该结构本质上难以小型化。
与此相反，对于前述的“复回型配置”分光器，其透过准直透镜入射到衍射光栅的光轴和绕绕射光透过准直透镜出射的光轴在方向上大体是一致的，因而该结构在本质上适于实现小型化。
然而，对光检出器而言，若使用目前结构的受光元件阵列器件，由于受光部不能靠近输入光纤配置，其准直透镜的慧形象差就会增大，其光学特性也会下降。也就是说，从受光元件阵列芯片受光部到外壳长边边缘的距离增加，就必须使输入光纤和受光部在安装位置上相匹配，但是在受光部和输入芯片间的距离又不能缩短的情况下其外壳的大小就会受限制。因此，必需有一个和输入光纤和受光部间的距离相应的光学系的长度，这成为分光器小型化的一个重大障碍。
发明概述
本发明的目的在于提供一种其受光元件芯片上受光部中心和长方形外壳一条长边的边缘间的距离可以做小的受光元件阵列器件。
本发明的另一目的在于提供一种适用于复回型配置的分光器用的受光阵列器件，其受光部是靠近输入光纤配置的。
本发明的进一步目的在于提供一种复回型配置的小型分光器，即使其光检出器也使用受光元件阵列器件，但其慧形象差受到抑制，光学系长度也已压缩，因而达到了小型化的目的。
根据本发明的受光元件阵列器件是把受光部阵列状配置着许多受光元件的芯片封入具有许多外引线以及与它们相连的焊接接头的长方形外壳内后，再把芯片的焊盘和外壳的焊接接头用焊线相连而构成的，其特征在于，它是由下列三种结构中的一种或它们的组合而构成的：
(1)在受光元件阵列芯片一条长边的一侧没有设置焊盘，上述侧向没有焊盘的长边要靠近外壳的一条外侧长边以使芯片能靠近外壳的单侧安装，
(2)在外壳一条长边的一侧没有设置焊接接头，芯片的长边要靠近外壳上没有焊接接头的外侧长边以使芯片能靠近外壳的单侧安装，
(3)在外壳一条长边的一侧没有设置外引线，芯片长边要靠近外壳上没有外引线的长边以使芯片能靠近外壳的单侧安装。因此，具体说来芯片受光部中心和外壳长边边缘的距离以3mm以下为好。
又，根据本发明的分光器，它是把输入光纤，准直透镜，衍射光栅以及受光元件阵列器件作复回型配置且以此为前提而构成的，其特征在于，设从准直透镜的主面位置到受光元件阵列器件受光部间的间距为L(mm)，从芯片受光部中心到输入光纤中心间的间距为W(mm)，则下述关系式成立：W/L≥4/50。如上所述，使用其芯片靠近外壳单侧安装的受光元件阵列器件时，其受光部要靠近输入光纤配置。
附图的简单说明
图1是复回型配置的分光器示意图：
图2A、2B是作分光器部件用的准直透镜的慧形象差说明示意图；
图3是现有受光元件阵列器件的平面图；
图4是图3的受光元件阵列器件的断面图；
图5A、5B是根据本发明的受光元件阵列芯片平面图；
图6A、6B是根据本发明的外壳的焊接接头示意图；
图7A、7B、7C是根据本发明的外壳的外引线安装位置示意图；
图8A、8B、8C是根据本发明的各受光元件阵列器件实施例两斜视图；
图9A、9B、9C是根据本发明的各受光元件阵列器件实施例的斜视图；
图10是一个根据本发明的受光元件阵列器件的实施例的局部剖开的斜视图；
图11是一个外壳断面结构实施例的斜视图；
图12是一个使用固定板连接中继配线的实施例的平面图。
实施发明的最佳形式
首先，用图1说明本发明提出的一种分光器。它的构成要素有：输入光纤10，准直透镜12，衍射光栅14以及光检出器即受光元件阵列器件16，它由三个互相嵌合的筒形部件组成。单芯输入光纤10用光纤固定风挡20上的光纤连结部22固定，而风挡20则是装在安装光纤用的透明筒18的端面上的。准直透镜12固定在中间筒24的端部。衍射光栅14固定在衍射光栅固定风挡28上，而风挡28装在安装衍射光栅的筒26的端面上。在本例中，中间筒24整体地装入光纤安装筒18和衍射光栅安装筒26内，它既可沿光轴移动也可绕光轴旋转起主动调整作用。
经外部输入用光纤10导入筒内且与输入光纤10的开口数相对应而扩散的发散光束到达准直透镜12，变换成平行光束后再入射到衍射光栅14。按与衍射光栅14的光波波长分散特性相应的波长分离出的光束经准直透镜12按每个分波波长变换成聚束光束，再在和准直透镜12的焦点相协调的风挡20上按每个波长聚焦且并列成行，受光元件阵列器件16也是固定在风挡20上的。因此，每个波长的聚焦点就和受光元件阵列器件16上的各受光元件一一对应，于是各波长的光便可依此检出。
可是，绕射光透过的准直透镜对光轴是倾斜的，从而就生成慧形象差。准直透镜的这种慧形象差是和从准直透镜12的主面位置到受光元件阵列器件16的受光部间的长度L、受光元件阵列器件16的受光部中心和输入光纤10的中心之间的长度W相关的。要降低慧形象差必须使W/L的值减小。
图2A是使用直径为20mm、焦距为50mm的准直透镜时其慧形象差的模拟结果。其纵轴表示透镜半径，横轴是慧形象差。当用波长为1500～1600nm间的光在慧形象差小于1λ内使用时，其使用直径在14mm内。在目视平面上的光束直径，因存在1/e2的衰减，约为10mm。
图2B是准直透镜12的断面图。如图2B所示，在慧形象差小于1λ、直径为14mm的区域13内，有从输入光纤10至衍射光栅14的去路光束(在目视平面上约10mm直径)15以及从衍射光栅14至受光元件阵列器件16的回路光束(目视平面上约10mm直径)17，两者中心距离在4mm内。也就是说，输入光纤中心和受光部中心的距离应在4mm以内。
再如图2A所示，由于在12mm直径以内的区域，慧形象差在0.5λ以内，因而若输入光纤10的中心和受光元件阵列器件16的受光部中心间的距离W取3mm以内时，其效果更为明显。从而，准直透镜的慧形象差在W/L≤4/50时即可受到抑制。W/L≤3/50时，则更好些。因而，以图1所示的分光器为例，在抑制准直透镜的慧形象差时，当L为50mm时，若W在4mm以下会好些。如W在3mm以下，其抑制慧形象差因效果将更为明显。
为了缩短输入光纤10的中心到受光元件阵列器件16的受光部中心之间的距离，本发明人着眼于受光元件阵列芯片和外壳，采取了缩短从受光元件阵列芯片受光部至外壳长边边缘间距离的办法。
图3是从输入光纤10的中心到受光元件阵列器16的受光部中心的距离W的说明图。设从输入光纤10的中心到光纤连结部边缘的距离为d，从受光元件阵列器件16的受光部中心到外壳50的长边边缘(此时是外引线32的边缘)的距离为D，则，当光纤连结部22紧靠外壳50时W=D+d，但由于光纤连结部和外壳间有设计间隙，故W≥D+d。为保持输入光纤10的耐气候性，从输入光纤中心到光纤连结部边缘的距离d最小也应为1mm，从而从受光元件阵列器件16的受光部中心到外壳边缘的距离D的期望值在3mm以内。
图4是受光元件阵列器件16的断面图。外壳主体30的两侧长边上连接着外引线32，外壳主体30的凹部33上搭接着受光元件阵列芯片38，该芯片38的焊盘35和外壳50的焊接接头36(在外引线内端)用焊线焊接后，再用密封盖34经密封件39把受光元件阵列芯片38封在外壳主体30上。
图中，a是外引线32的外侧面和密封盖34的外侧面间的距离。b是密封盖34的侧壁厚度。c是密封盖34的侧壁内侧面和凹部33的内侧面间的距离。e是从受光元件阵列芯片38的受光部中心至芯片长边边缘的距离。距离D=a+b+c+d+e。考虑到外壳的引线32和密封件39的下沉，a应取0.5～1mm。b在1mm左右，相对于焊线固定接头36而言，c在宽度上约0.5mm左右，d也应为0.5mm左右。包括a,b,c,d在内共需2.5～3.0mm。另外，考虑到受光元件阵列芯片38的焊盘35以及从焊接接头到受光元件间的配线(图中未示)后，e要在0.5mm左右。把这些全部加在一起，从外壳长边边缘到受光部中心间的距离D要在3.0mm以上。
为了实现在受光元件阵列芯片38的受光部中心和外壳长边边缘间的距离D在3mm以内，且慧形象差又得到抑制的分光器中采用的最佳受光元件阵列器件，本发明中，要采用下述三种结构中任意一种或者是把(1)～(3)种组合而成的结构，以使芯片能靠近外壳的一条长边的一侧安装：
(1)在受光元件阵列芯片一条长边的一侧没有设置焊盘；
(2)在外壳一条长边的一侧没有设置焊接接头；
(3)在外壳一条长边的一侧没有设置外引线。
图5A、5B示出组成根据本发明的受光元件阵列器件中芯片的实施例。在图5A中，在阵列状配置着许多受光元件的受光元件阵列芯片42上，在面向图3所示的输入光纤10的长边43一侧没有设置可从受光元件40引出电信号的焊盘44。和阵列方向两端的受光元件相应的焊盘44和受光元件40相同也在阵列方向配置，其他的焊盘44则成列地配置在和长边43相对的长边45一侧。图5B是把焊盘44成列地配置在和输入光纤相反的长边45一侧的例子。
在以上各例中，由于焊盘44都没有设置在靠近输入光纤的长边43一侧，因而由受光元件40的阵列构成的发光部就可以靠近长边43配置。因此，从受光元件阵列芯片42的受光部中心到外壳的靠近输入光纤侧的长边边缘的距离D可在3mm以内，缩短了约0.2～0.3mm。
图6A、6B是当图5A、5B所示的芯片42搭载在外壳50上时外壳50的焊接接头示意图。在图6A、6B中，为了图面简单起见，芯片的受光部省略。
芯片42的焊盘44和外壳50的焊接接头46之间用焊线41连接。受光元件阵列芯片42的电信号由芯片的焊盘44经焊线41、外壳50的焊接接头46后从设置在外壳外围的外引线(图中未示)引出到外面去。
在图6A的这个例子中，没有把位于图5A所示的受光元件阵列芯片42内的外壳50的焊接接头46设置在靠近输入光纤的外壳50的长边47一侧。在该例中，焊接接头46设置在外壳50的短边侧以及和长边47相反的另一个长边49一侧。
同样在图6B中，也没有把位于图5B所示的受光元件阵列芯片42内的外壳50的焊接接头46设置在靠近输入光纤的外壳50的长边47一侧。在该例中，焊接接头46都成列地设置在外壳50的另一个长边49一侧。由于外壳50的焊接接头46没有设置在输入光纤一侧，便可把受光元件阵列芯片42靠近外壳50的长边47一侧安装，从而便可把从受光元件阵列芯片42的受光部中心到外壳的长边47的距离D进一步缩短约0.5mm左右。
在图7A、7B、7C中，图示了外壳50的外引线安装位置的实施例。在图7A中，除了输入光纤10一侧的长边47外，在二条短边51、53和另一条长边49上都设置了外壳50的外引线52。而图7B则是除了长边47外，只在一条短边51和长边49上设置了外引线52。图7c则是只在和输入光纤10相反侧的长边49上设置了外引线52。
如上所述，外壳50的外引线52没有设在长边47一侧，又由于外壳50可靠近输入光纤10的连接部22一侧安装，因而可把距离D缩短约0.5mm左右。保持在3mm以内。从而从受光元件阵列芯片42的受光部54的中心到输入光纤10的中心间的距离W也可予以缩短了。
图8～图10集中地展示了根据本发明的各种受光元件阵列器件的结构简图。为了缩短受光元件阵列芯片受光部中心和外壳一条长边边缘间的距离，再将本发明的特征详述如下，本发明采用以下三种结构中的任一种，也可采用它们的组合，即(1)+(2),(1)+(3),(2)+(3),(1)+(2)+(3)：
(1)在芯片一条长边的一侧没有设置焊盘，
(2)在外壳一条长边的一侧没有设置焊接接头；
(3)在外壳一条长边的一侧没有设置外引线。
由于采用如上结构，才能把芯片的受光部靠近外壳的单侧安装。
图8A是与上述结构(1)对应的实施例。只在芯片60的一条长边侧设焊盘62。外壳50的两条长边侧都设有焊接接头64和外引线66。焊盘62和焊接接头64之间用焊线68连接。另外，在本例中，外壳50的焊接接头64是位于外引线66的内端的。
图8B是与上述结构(2)对应的实施例。芯片61的两条长边侧都设有焊盘62。除了一条长边外，外壳50的三条边上都设有焊接接头64，而且在两条长边上都设有外引线66。在本例中，用右侧成列配置着的焊接接头64都位于右侧外引线66的内端，其余的焊接接头64则用内引线70连接到左侧的外引线66上。另外，对于内引线70，稍后将详加说明。
图8c是与上述结构(3)对应的实施例。芯片61的两条长边侧都设有焊盘62。外壳50的两条长边侧都设有焊接接头64而且外引线66只设在外壳的一条长边上。在图中，左侧的焊接接头64用内引线70(用虚线表示)接到外引线66上。
若按上述(1)～(3)的结构再进行组合，则受光元件阵列芯片受光部中心和外壳长边边缘间的距离D还可予以缩短。
图9A是与上述结构(1)+(2)对应的实施例。焊盘62只成列地设在芯片60的一条长边侧，焊接接头64只成列地设在外壳50的一条长边侧，而外壳的两条长边上都有外引线66。图中，左侧的外引线66用内引线70(用虚线表示)接到焊接接头64上。
图9B是与上述结构(1)+(3)对应的实施例。焊盘62只成列地设在芯片60的一条长边侧，在外壳50的两条长边侧都有焊接接头64而且只在外壳50的一条长边侧有外引线66。在图中，左侧的焊接接头64用内引线70(用虚线表示)连接到外引线66上。
图9C是与上述结构(2)+(3)对应的实施例。焊盘62设在芯片60的两条长边侧，焊接接头64只成列地设在外壳50的一条长边侧，而且只在外壳50的上述长边侧设有外引线66。芯片61的焊盘62和外壳50的焊接接头64之间用焊线68相连。又，在图9A和图9B中，为了图面简单起见，未画出焊线。
图10是与上述结构(1)+(2)+(3)对应的用局部剖开的斜视图示出的一个实施例。芯片60是装在外壳50上的，它的焊盘62设在它的一条长边旁，焊接接头64全设在和上述长边相同的一侧，在这一侧还设有外引线66。焊盘62用焊线68接到外壳50的焊接接头64(位于外引线内端)上，受光元件的电信号从焊盘62引出后可从外引线66取出。
在图8或图9的结构中，同图10一样，外壳侧的焊接接头可设在外引线内端。而且，在图8C，图9A或图9B中，一部分焊接接头64是用内引线70接到外引线66上的。它的结构如图11所示。图中，左侧的焊接接头64经过贯通孔71、内引线72、贯通孔73而连接到右侧的外引线66上。芯片61的焊盘62经焊线68和焊接接头64相连。
在说明以上各实施例的结构时，芯片的焊盘和外壳的焊接接头都是仅仅用焊线相连的，但是当焊线要穿过受光部时，使用中继配线的方法是有效的。这时的连接顺序是：焊盘→焊线→设在外壳上的中继配线→焊线→焊接接头。设在外壳上的中继配线，可以在诸如如印刷电路板之类的外壳上予先设置，也可以在靠近芯片的固定板上制作。
图12就是其中的一例。在外壳50上安装受光元件芯片的同时还在芯片60附近装了一种固定板。所要的那一类型的中继配线82是在固定板80的表面上形成的。芯片的焊盘和中继配线的一端间用焊线连接，中继配线的另一端和焊接接头间也用焊线连接。在本例中，芯片的部分焊盘在连接时使用了固定板80上的中继配线82，但是芯片的所有焊盘在连接时也可都用固定板80上的中继配线。
本发明不仅限于上述实施例，外壳的外引线也可从外壳的里面侧(即下面侧)取出。
工业应用可能性
本发明的受光元件阵列器件可以靠近其他光学部件和光纤来配置，从而为光器件小型化作出贡献。在本发明中，复回型配置的分光器用的是受光元件阵列器件，其从受光元件阵列器件发光部中心到输入光纤中心的距离D和从准直透镜的主面位置到受光元件阵列器件的长度L满足下列关系：W/L≤4/50，就可以抑制慧形象差，不损害光学特性的光学系，使系统实现小型化。

Claims (14)

1．一种受光元件阵列器件，其中把具有阵列状配置着许多受光元件的受光部的芯片封入具有许多外引线和与它们相连的焊接接头的长方形外壳内，再把上述芯片的焊盘和上述外壳的焊接接头相连，其特征在于：在所述芯片的一条长边的一侧没有设置焊盘，所述芯片的上述长边要靠近所述外壳的一条长边，以使所述芯片能靠近所述外壳的单侧安装。
2．一种受光元件阵列器件，其中把具有阵列状配置着许多受光元件的受光部的芯片封入具有许多外引线和与它们相连的焊接接头的长方形外壳内，再把上述芯片的焊盘和上述外壳的焊接接头相连，其特征在于：在所述外壳的一条长边的一侧没有设置焊接接头，所述芯片的一条长边要靠近所述外壳的上述长边，以使所述芯片能靠近所述外壳的单侧安装。
3．一种受光元件阵列器件，其中把具有阵列状配置着许多受光元件的受光部的芯片封入具有许多外引线和与它们相连的焊接接头的长方形外壳，再把上述芯片的焊盘和上述外壳的焊接接头相连，其特征在于：在所述外壳的一条长边的一侧没有设置外引线，所述芯片的一条长边要靠近所述外壳的上述长边，以使所述芯片能靠近所述外壳的单侧安装。
4．如权利要求1所述的受光元件阵列器件，其中：在所述外壳长边的一侧没有设置焊接接头，该外壳是靠近上述芯片所述的一条长边的。
5．如权利要求1所述的受光元件阵列器件，其中：在所述外壳的长边一侧没有引出外引线，该外壳是靠近上述芯片所述的一条长边的。
6．如权利要求2所述的受光元件阵列器件，其中：在所述外壳所述的一条长边一侧没有引出外引线。
7．如权利要求1所述的受光元件阵列器件，其中：在所述外壳的长边一侧没有设置焊接接头和外引线，该外壳也应是靠近上述芯片所述的一条长边的。
8．如权利要求1-7中任一项所述的受光元件阵列器件，其中：所述芯片受光部中心和所述外壳一条长边边缘间的距离在3mm以下。
9．如权利要求1-7中任一项所述的受光元件阵列器件，其中：所述芯片焊盘和所述外壳焊接接头之间的连线是一种焊线。
10．如权利要求1-7中任一项所述的受光元件阵列器件，其中：所述芯片焊盘和所述外壳焊接接头间的连线可以是设在上述外壳内的中继线和焊线。
11．一种分光器，其特征在于包括：输入光纤、可把所述输入光纤发出的发散光束变换成平行光束的准直透镜，可把所述准直透镜发出的平行光束按波长分光的衍射光栅、所述准直透镜把所述衍射光栅分出的光束变换成聚束光束，再把上述聚束后的分离光束作为受光并按光波波长不同而予以检出的受光元件阵列器件；且若设从所述准直透镜主面位置到所述受光元件阵列器件受光部间的距离为L，从所述受光元件阵列器件受光部中心到所述输入光纤中心间的距离为W，则下列关系式成立：W/L≤4/50。
12．如权利要求11所述的分光器，其中：所述的受光元件阵列器件是如权利要求1-7中任一项所述的受光元件阵列器件，其受光部靠近所述输入光纤的固定部配置。
13．一种分光器，其特征在于包括：输入光纤、可把所述输入光纤发出的发散光束变换成平行光束的准直透镜、可把所述准直透镜发出的平行光束按波长分光的衍射光栅、以及在所述准直透镜把所述衍射光栅分出的光束变换成聚束光束后，再把上述聚束后的分离光束作为受光并按光波波长不同而予以检出的受光元件阵列器件；且若设从所述准直透镜主面位置到所述受光元件阵列器件受光部间的距离为L，从所述受光元件阵列器件受光部中心到所述输入光纤中心间的距离为W，则下列关系式成立：W/L≤3/50。
14．如权利要求13所述的分光器，其中：所述的受光元件阵列器件是如权利要求1-7中任一项所述的受光元件阵列器件，其受光部靠近所述输入光纤的固定部配置。
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