CN1811505A - 具有集成热电冷却器及光学组件的同轴冷却激光模块 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示一种光－电模块，其适合在一第一侧上与一光纤耦合且在一第二侧上与复数个电导体耦合。所述光电模块包括：一端板，其具有延伸穿过所述端板的复数个引脚，所述复数个引脚中的每一个引脚均延伸穿过所述端板且所述复数个引脚中的每一个引脚均适合啮合所述端板的第一侧上的所述复数个导体的一相应导体；一热电冷却器，所述热电冷却器具有一抵靠所述端板的一第二、相反侧安置的加热板；及复数个有源及无源光学组件，其适合在所述光纤内的一光信号形式与所述复数个导体中至少一个导体内的一电信号形式之间转换，所述复数个有源及无源光学组件均与所述热电冷却器的一冷却板热接触。

Description

具有集成热电冷却器及光学组件的同轴冷却激光模块
技术领域
本发明涉及电-光转换器，更具体说来涉及集成激光组合件或模块，其提供一计算机或具有一电连接器或接口的通信单元与一光纤之间的通信接口，例如在光纤光通信连接中所使用的通信接口。
背景技术
所属技术领域中已习知多种电-光收发器。此种装置通常包括一光学发射器部分(其将电信号转换为一耦合至光纤的调制光束)及一接收器部分(其自光纤接收一光信号并将其转换为电信号)。传统上，光学接收器部分包括一光学组合件以将光自光纤聚焦或引导至光探测器上，而光探测器又连接至一电路板上的放大器/限制器电路。所述光探测器或光电二极管通常封装在一密封封装内以保护其免受恶劣环境条件的影响。
同轴激光模块在光纤远程通信及CATV应用中已得到某些使用。此种模块通常使用晶体管轮廓(TO)封装并在某些市场上提供一种相对低成本的解决方案。然而，对于激光消耗相对大的功率量或激光在一宽广环境温度范围内工作的应用而言，必须对所述激光二极管(LD)及其它光学组件进行冷却以满足极窄频谱及稳定的LD性能的要求。外部、强制空气冷却一直是所选方法。
由于TO端板内空间有限及所看到的TO端板中有源及无源组件的尺寸，已证明对TO封装难以使用内部冷却。在这点上，一种先前的努力涉及使用非常小的定制热-电冷却器(TECs)来冷却转换器模块且仅限于冷却所述有源组件(即所述LD)而不冷却所述无源组件(即透镜及隔离器)。人们已发现，在涉及宽广范围的工作温度的情况下，仅冷却有源组件会导致光学性能不稳定。
为解决现有设计中的这些不足，在本发明所例示的实施例下，下文描述了一种基于优化的热及机械设计的新型同轴冷却激光模块。所提出的此种冷却激光模块使用市场上销售的小型化TEC并将有源及无源光学组件二者集成在温度可控平台上以提供稳定的激光及光学性能。
发明内容
本发明的一目标是提供一种使用集成热电冷却器及其它光学子组合件的改进型光学发射器。
此等及其它目标通过一适合在第一侧上与光纤耦合并在第二侧上与复数个电导体耦合的光-电模块来提供。所述光-电模块包括：一端板，其具有复数个延伸穿过所述端板的引脚，复数个引脚中的每一个引脚延伸穿过所述端板且复数个引脚中的每一个引脚适合在所述端板的一第一侧上啮合复数个导体中的一相应导体；一热-电冷却器，所述热-电冷却器具有一抵靠所述端板的第二、相反侧安置的加热板；及复数个有源及无源光学组件，其适合在所述光纤内的光信号形式与所述复数个导体中至少一个导体内的电信号形式之间进行转换，所述复数个有源及无源光学组件均与热电冷却器的冷却板热接触。
简短且使用替代及通用术语说，本发明提供一种用于将一含有信息的电信号转换成一光信号并将转换后的光信号耦合进一光纤的光学发射器。所述光学发射器包括：一外壳，其包括一用于与外部座(例如一印刷电路板上的插座)耦合的电连接器；及一适合使一光信号与所述外壳中的一外部光纤子组合件耦合的透明窗口。
附图说明
图1是所提出的同轴冷却激光模块的透视图；
图2(a)和图2(b)是TO-罐封装及具有一平面窗口的图1的帽的典型视图；
图3显示图1中的TO端板及其引脚取向；
图4显示可与图1中的模块一起使用的另一TO端板；
图5显示可与图1中的模块一起使用的小型TEC的实例；
图6显示图1的模块中的紧凑型LD-MPD放置；
图7(a)和图7(b)显示图1的光学透镜与隔离器的组合；及
图8(a)和图8(b)显示具有可与图1的模块一起使用的透镜及隔离器组合的另一载体模块。
应注意，上述附图中所显示的尺寸及比例是不精确的且仅用于图解说明及解释。类似地，图中所示组件也用于图解说明及解释之目的。实际组件可有所不同。为简化起见，本文中省略了所述组件之间的结合导线。
具体实施方式
现将详细说明本发明，包括其实例性方面及实施例。
鉴于此，图1显示本发明所例示的实施例下的一同轴冷却激光模块10。图1中所示的同轴冷却激光模块10包括一TO-罐及一光纤尾模块12，所述光纤尾模块用于对准TO-罐与光纤之间的光传输轴线。
本文所描述的实施例与TO-罐设计相关联。因此，本文中提供的讨论主要集中在TO-罐及类似封装上。图2中显示的TO-罐封装通常由图2(a)中显示的TO端板子组合件14及图2(b)中显示的具有平面窗口18的封帽16组成。
所述TO端板子组合件14可包括一TO端板20，其具有许多延伸穿过TO端板20的电导体引脚22。所述TO端板子组合件14也可包括一热电冷却器(TEC)24及一支撑有源及无源光学组件(即LD、MPD、光学透镜及隔离器(透镜与隔离器组合))的载体模块26。所述端板20可由诸如冷轧钢、科瓦铁镍钴合金或其它合金等多种不同的材料制成。所述端板的直径应足够大以容纳一所选TEC 24。一实例是直径为9mm的TO端板24。
如图3及图4所示，端板引脚20可以呈一直线布局或另一选择为呈一圆环形布局。为在高频范围内获得更好的RF性能，RF引脚300可被设计成具有良好的阻抗匹配。在所例示的实施例下，如图3及图4所示，使用了一同轴引脚构造。所述同轴引脚由金属管及一玻璃填充物组成。所述管及引脚的直径由玻璃填充物的匹配阻抗和介电常数决定。金属管被铜焊至端板上。
TEC 24可以是包括一加热板、一冷却板及热电半导体元件的市场上销售的任何小型冷却器，如图5所示。热电半导体元件成对放置。TEC的热容量应加以选择以使其有足够数目的热电耦，这些热电耦能够保持低廉的成本且仍足以耗散由LD产生的有源热负荷及从周围环境渗透进所述封装的无源热负荷。一实例是TEC具有约5×4mm的覆盖区。
在TEC 24的两个相对端可设置有两个结合导线垫500、502。也可使用结合导线垫的其它构造。TEC可焊接至TO端板的中心。结合导线垫500、502可通过一对结合导线32连接至引脚22。
载体模块26安装在TEC的冷却板504上并与LD 600、MPD 604、反射镜602及透镜与隔离器的组合(图7及图8)组装在一起。LD 600可安装在由具有良好导热性的材料制成的LD子安装座606上。一实例为氮化铝(AIN)。在LD子安装座上可有多个Au金属化垫(图中未示出)以允许将LD及其它可能组件的引线焊接至一中间连接点并然后焊接至引线22。LD 600可以是边缘发射激光器并可垂直地焊接在所述子安装座上。
另一选择为，对LD子安装座606略做修改，一表面发射激光器也适用于本应用。边缘发射激光器在两个方向上发射激光，一个是从前小面向前方发射激光，而另一个是从后小面向后方发射激光。
在其中使用边缘发射激光器的传统非冷却TO激光器封装中，为了监测激光器的性能，将MPD安装在LD下方以捕捉来自LD后小面的激光。此种构造有一弊端，即其提高了TEC的冷却板上组件的外形轮廓，从而导致不良的机械及热稳定性。在所例示的实施例下，如图6中所示，提供了一种紧凑型LD-MPD构造。
一楔形镜面反射器602用来反射激光并将其引导至安装在LD前面的MPD 604。由此，组件的外形轮廓明显降低。楔形镜面由其反射表面上镀金的金属、陶瓷或硅材料制成。所述表面的质量并非至关重要，因为其仅用于监测目的。楔形的角度根据MPD的高度及位置不同而不同(例如30-60度)。可轻微调整MPD的取向以避免饱和及背反射。
现参照图7及图8，光学透镜与隔离器的组合30的上表面上一突出物与台肩组合702可啮合封帽16的平面窗口(开口)18。另一选择为，平面窗口18可包括安置于封帽16的上表面中的一光学透明材料。
在平面窗口18为透明材料的地方，光学透镜与隔离器的组合30可与所述窗口分隔开一短小距离(例如，小于1mm)。光学透镜与隔离器的组合30的分离允许组合30与封帽16热隔离，而仍允许组合30将光信号透过窗口16发射进光纤。
如图7(a)所示，可通过一光学透镜与一隔离器集成在一外壳中以形成一单一紧凑型组件来制作光学透镜与隔离器的组合30。取决于光学设计及耦合效率，光学透镜700可以是球面透镜或非球面透镜。所述透镜的表面可具有一抗反射(AR)涂层。光学隔离器可将透镜700悬挂在自由空间而仅连接至载体。
另一选择为，支架800可集成在所述组合组件内，如图7(b)所示。外壳由科瓦铁镍钴合金或其它合适金属制成。
为获得良好的光学性能，透镜及隔离器的组合30可由TEC的冷却板来冷却。因此，其可连同LD及MPD一起安装在载体模块26上。如果组合组件上没有支架，则可能需要一结合环802，如图8(a)所示。所述结合环由诸如科瓦铁镍钴合金或不锈钢等金属制成。然而，如果支架集成在所述组合组件内，则组合组件可直接安装在载体上，如图8(b)所示。
所述载体可有两种构造，一种是凸出型，而另一种是平面型，如图8(a)及图8(b)所示。所述载体可由科瓦铁镍钴合金或不锈钢制成。可使用两种方法将所述组合组件结合至所述载体上，一种是激光焊接，而另一种是环氧树脂粘合。根据制作工艺及耦合效率的要求，应使用有源或无源对准来完成透镜-隔离器组件的放置。
与目前所报告的TO封装相比，此同轴封装在冷却平台上为有源组件及无源组件而非仅冷却有源组件提供冷却。所述同轴封装在一宽广运作温度范围上保证了稳定的激光器性能。
所述同轴封装可包括一市场上销售的TO端板及TEC，因此其在主要组件的选择上更为经济、灵活。
与传统的蝶形封装相比，本文中所说明的同轴封装比蝶形封装消耗更少的DC功率而实现几乎相同的激光输出。通常，上文描述的模块仅需要蝶形封装所消耗DC功率的1/2。因此，不仅提高了封装可靠性而且也提高了热效率。
所述同轴封装简化了制作工艺并明显降低了组件及劳动成本。材料成本明显地降低了1/3至1/2。
应了解，上述元件的每一个，或两个或两个以上元件一起可在不同于上述种类的其它种类结构中得到有效的应用。

Claims (10)

1、一种光-电模块，其适合在一第一侧上与一光纤耦合且在一第二侧上与复数个电导体耦合，所述光电模块包括：
一端板，其具有延伸穿过所述端板的复数个引脚，所述复数个引脚中的每一个引脚均延伸穿过所述端板且所述复数个引脚中的每一个引脚均适合啮合所述端板的一第一侧上的所述复数个导体的一相应导体；
一热电冷却器，所述热电冷却器具有一抵靠所述端板的一第二、相反侧安置的加热板；及
复数个有源及无源光学组件，其适合在所述光纤内的一光信号形式与所述复数个导体中至少一个导体内的一电信号形式之间转换，所述复数个有源及无源光学组件均与所述热电冷却器的一冷却板热接触。
2、如权利要求1所述的光-电模块，其进一步包括一密封帽，所述密封帽包含一与所述端板啮合的窗并实质上包围所述热电冷却器及复数个有源及无源组件。
3、如权利要求1所述的光-电模块，其进一步包括一对结合导线，其中所述对结合导线中的每一个结合导线连接所述热电冷却器的一结合导线垫及所述复数个引脚中一对引脚中的一相应引脚。
4、如权利要求1所述的光-电模块，其进一步包括一安置于所述热电冷却器的所述冷却板与所述复数个有源及无源光学组件之间的载体模块。
5、如权利要求4所述的光-电模块，其中所述激光二极管进一步包括一自一前表面及后表面发射光的表面发射激光器，其中所述来自所述前表面的光穿过所述窗耦合进所述光纤。
6、如权利要求1所述的光-电模块，其中所述复数个有源及无源光学组件包括一半导体激光器及一监测光电二极管。
7、如权利要求6所述的光-电模块，其中所述复数个有源及无源光学组件进一步包括一楔形镜面，其将来自所述表面发射激光器的后表面的光耦合进所述监测光电二极管。
8、如权利要求1所述的光-电模块，其进一步包括一安置于所述载体模块上且由所述热电冷却器冷却的光学透镜及隔离器，及一将所述光学透镜与隔离器的组合附着于所述载体模块的结合环。
9、一种光学发射器，其用于转换含有信息的电信号并将其与一光纤耦合，其包括：
一外壳，其包括一用于安装且与一外部电信息系统器件耦合且用于接收含有信息的电通信信号的电连接器；
一窗口，其适合与一外部光纤耦合以用来发送一光通信信号；
至少一个电-光子组合件，其包括复数个位于所述外壳中的用于在一含有信息的电信号与一对应于所述电信号的调制光信号之间进行转换的有源及无源组件；及
一热电冷却器，其耦合在所述外壳与电-光子组合件之间以冷却所述子组合件的所述有源及无源组件。
10、如权利要求9所述的光学发射器，其中所述外壳进一步包括：一端板，其具有延伸穿过所述端板的复数个引脚，所述复数个引脚中的每一个引脚均延伸穿过所述端板且所述复数个引脚中的每一个引脚适合啮合所述端板的一第一侧上的所述外部连接器的一相应导体；及一密封帽，其啮合所述端板且实质上包围所述热电冷却器及复数个有源及无源组件。
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