CN204556907U - 基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件，包括管壳，管壳内部安装有半导体致冷器载体和过渡块，过渡块上安装有三个光电功能单元，管壳的一侧具有一尾管；一屏蔽罩盖设于三个光电功能单元的上方，屏蔽罩具有多个隔离柱，将三个光电功能单元分别彼此隔离开，屏蔽罩的底部紧密贴合于过渡块上；三个光电功能单元通过多根穿过尾管的光纤耦合至外部光学设备，三个光电功能单元均为半导体光电探测器，光纤包括基本光导纤维和设于基本光导纤维外部的保护套管，保护套管容纳于尾管中，并采用密闭填充胶固定。基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件通过上述结构可有效缩减产品尺寸实现小型化制造，同时能降低成本。

Description

基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件

技术领域

本实用新型涉及一种基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件，属于光通信领域。

背景技术

光通信领域的光电子器件包含光发射器，光探测器、光衰减器等多种不同类型，目前这些类型的器件沿用已久并已大规模的制造。为保证光电子器件长时间的稳定工作，防止外部水汽等环境物质进入到器件内部从而造成其功能元件的损坏，通常每个半导体光学器件的内部功能元件将在低水汽的惰性环境中封焊于管壳及其配套盖板内部。光电子器件通常使用光导纤维进行光学耦合至外部光学设备，光导纤维通过管壳尾管端口实现与外部的连接，并同时需要保证管壳尾管端口处的气密性密封。以下分别简单介绍一下典型的光纤组件以及半导体光电探测器的结构。

  如图1所示，典型的光纤组件100，由125um裸光纤110焊接在后镍管140上制成，其中裸光纤110在后镍管安装区域表面做有一层金属化130（一般是镀镍镀金），利用共晶焊料120（一般是金锡焊料）使裸光纤110与后镍管140焊接在一起。后镍管140的作用是与管壳尾管150用焊料焊接在一起，形成管壳的气密性封装。图2所示的为光纤组件100于管体210中的典型安装固定情况。光纤组件100的金属套管140与管体210的尾管220使用金属焊料230密闭焊接实现密闭装配。

  图3所示的为典型的半导体光电探测器结构，光接收器件300包装外壳，也称管壳，一般由管体302和管盖303两部分组合。管体302可为立方体形状的蝶形、双列直插类型，或圆柱体形状的同轴等多种类型，材料可为可伐、不锈钢、钨铜或者其它金属。管体302上开有一个或者多个通孔，通常制作成金属管状结构，称为尾管301。如图所示，光接收元件305和光放大电路306元件包装在管壳内，并且放置于载台304上。光接收元件305和光放大电路306元件之间为电性连接。光纤组件310穿过尾管301，伸入壳内，至光纤311置于载台304上，以实现与光接收元件305的耦合对准。光接收元件的耦合对准一般通常采用有源对准方式，通过旋转和XYZ三维方向调整光纤311，使光纤311与光接收元件对齐，实现最佳耦合。然后可采用金属支架、玻璃焊料或者环氧树脂307进行光纤311的固定。最后可采用焊料焊接或者环氧树脂填充的方式使金属管312与尾管301内壁进行连接，实现尾管密封，最终使整个包装实现气密性封装。

半导体光电探测器的工作原理如图4所示，信号光从光纤发射，然后通过一定的光学系统将光纤发出的光信号耦合至PD芯片，通常使用单透镜结构或者直接在光纤端面制作透镜的方法来提高耦合效率。PD探测器芯片和前置放大器IC，通过键合的方法与外部实现互联，并且一定要密闭封装。

目前许多传统的光学放大器通常使用了多个诸如图3所示的独立封装的半导体光电探测器(PD)，多个半导体激光器以及多个可调光学衰减器作为源。随着通信行业日新月异的发展，现在许多多级光学放大器对于缩减半导体光学器件的尺寸以进行小型化制造以及成本降低的需求有所提高，传统的使用多个独立封装的器件进行简单的累加式使用已经无法满足现阶段光学放大器的制造需求，改善的空间有限。

因此有必要设计一种基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件，以克服上述问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种可缩减尺寸实现小型化制造，同时能降低成本的基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件。

本实用新型是这样实现的：

本实用新型提供一种基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件，包括管壳，所述管壳内部安装有半导体致冷器载体和过渡块，所述过渡块设于所述半导体致冷器载体上，所述过渡块上安装有三个光电功能单元，所述管壳的一侧具有一尾管；一屏蔽罩盖设于所述三个光电功能单元的上方，所述屏蔽罩具有多个隔离柱，将所述三个光电功能单元分别彼此隔离开，所述屏蔽罩的底部紧密贴合于所述过渡块上；所述三个光电功能单元通过多根穿过所述尾管的光纤耦合至外部光学设备，所述三个光电功能单元均为半导体光电探测器，所述光纤包括基本光导纤维和设于所述基本光导纤维外部的保护套管，所述保护套管容纳于所述尾管中，并采用密闭填充胶固定。

进一步地，所述过渡块为氮化铝过渡块或钨铜热沉。

进一步地，所述基本光导纤维包括纤芯、设于纤芯外侧的包层以及设于所述包层外侧的涂覆层，所述保护套管套设于所述涂覆层的外侧。

进一步地，所述光纤为保偏光纤或单模光纤。

进一步地，所述光纤的端部设有透镜。

进一步地，所述尾管包括靠近所述管壳内腔的第一管段和远离所述管壳内腔的第二管段，所述第一管段的内径大于所述基本光导纤维的外径，小于所述光纤的外径；所述第二管段的内径大于所述光纤的外径。

进一步地，所述基本光导纤维穿过所述第一管段，所述保护套管靠近所述基本光导纤维的部分位于所述第二管段内，所述保护套管与所述第二管段之间通过所述填充胶固定连接。

进一步地，其中一个所述半导体光电探测器可替换成半导体激光器。

进一步地，其中一个所述半导体光电探测器可替换成可调光衰减器。

本实用新型具有以下有益效果：

所述过渡块上安装有三个光电功能单元，所述三个光电功能单元均为半导体光电探测器。所述屏蔽罩盖设于所述三个光电功能单元的上方，所述屏蔽罩具有多个隔离柱，将所述三个光电功能单元分别彼此隔离开。所述基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件通过上述结构可有效缩减产品尺寸实现小型化制造，同时能降低成本。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1 是现有技术的典型光纤组件的示意图；

图2 是现有技术的典型光纤组件安装固定结构横截面的示意图；

图3 是现有技术的半导体光电探测器的局部横截面的示意图；

图4 是现有技术的半导体光电探测器的工作原理示意图；

图5是本实用新型实施例的基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件的结构示意图；

图6是本实用新型实施例中光纤组件的示意图，其中，图6a为基本光导纤维的横截面结构示意图，图6b为在基本光导纤维外添加保护套管的横截面结构示意图；

图7是本实用新型实施例中屏蔽罩的外形示意图；

图8是本实用新型实施例中屏蔽罩的安装结构的示意图；

图9是本实用新型实施例中光纤与器件管壳尾管连接密封的示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图5至图9，本实用新型实施例提供一种基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件500，包括管壳560，所述管壳560内部安装有半导体致冷器载体550和过渡块540，所述过渡块540设于所述半导体致冷器载体550上，所述过渡块540上安装有三个光电功能单元510a、510b和510c，所述管壳560的一侧具有一尾管910。一屏蔽罩570盖设于所述三个光电功能单元的上方，所述屏蔽罩570具有多个隔离柱，将所述三个光电功能单元分别彼此隔离开，所述屏蔽罩570的底部紧密贴合于所述过渡块540上；所述三个光电功能单元通过多根穿过所述尾管910的光纤耦合至外部光学设备，所述三个光电功能单元均为半导体光电探测器，所述光纤包括基本光导纤维和设于所述基本光导纤维外部的保护套管534，所述保护套管534容纳于所述尾管910中，并采用密闭填充胶固定。所述基本光导纤维530包括纤芯、设于纤芯外侧的包层以及设于所述包层外侧的涂覆层，所述保护套管534套设于所述涂覆层的外侧。所述光纤为保偏光纤或单模光纤，所述光纤的端部设有透镜。

如图5至图9，所述基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件的具体结构如下描述：所述基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件500可以光学耦合至其它外部设备，诸如，掺饵光纤放大器(EDFA)、拉曼放大器等。其包含管壳560，管壳560内安装有半导体致冷器(Thermoelectric Cooler，TEC)载体550以及过渡块540，所述过渡块540为氮化铝过渡块或钨铜热沉，所述过渡块540上安装有三个光电功能单元510a、510b和510c。所述三个光电功能单元均为半导体光电探测器。其中一个所述半导体光电探测器可替换成半导体激光器。其中一个所述半导体光电探测器还可替换成可调光衰减器。具体的为：三个光电功能单元510a、510b和510c可以是包含半导体光电探测器的任何合适半导体光学器件或器件的相互组合。光电功能单元510a、510b和510c可以为相同类型的器件(例如，三个半导体光电探测器)或者不同类型的器件(例如，一个可调光衰减器、一个半导体光电探测器和一个半导体激光器)。而且，光电功能单元510a、510b和510c可以具有相同、相似或不同的规格和性能。在一个实施例中，光电功能单元510a、510b和510c中部分或全部可以是诸如半导体光电探测器；在另一实例中光电功能单元510a、510b和510c中部分可以是诸如可调光衰减器；亦或是再一实例中光电功能单元510a、510b和510c中部分是半导体激光器，可应用于外部光学设备诸如EDFA或拉曼放大器。

三个所述光电功能单元510a、510b和510c通过多根穿过管壳尾管的光纤530a、530b-1、530b-2以及530c光学地耦合至外部光学设备。上述光纤包括基本光导纤维530和设于所述基本光导纤维530外部的保护套管534。图6a所示为业界通常使用的石英基材基本光导纤维530的横截面结构示意图，包括纤芯531，包层532，涂覆层533。其中纤芯531与包层532为石英材质，包层532的标准外径通常为125微米；涂覆层533的材质为Acrylate(丙烯酸酷)，标准外径通常为250微米。涂覆层533对纤细而脆弱的石英纤芯531与包层532起到主要的保护作用，使该基本光导纤维530在弯曲、扭转、轴向拉扯等情况下不易发生断裂或者损伤。在光电子器件的生产与使用当中，由于需要频繁地对光导纤维进行各种各样的操作，并且产品会处于各种有风险的使用环境之中，因此为抵御外界可能对涂覆层533造成的损伤，而影响到对内部石英纤维的保护，以及提高光导纤维自身各种机械强度性能的考虑，在涂覆层533之外通常再添加一保护套管534，如图6b所示。保护套管534的一种常用外径规格为0. 9毫米。根据其添加方式，保护套管534可分为紧套和松套两种类型。紧套光导纤维为在前述基本光导纤维530的基础上，二次涂覆形成该保护套管534，其材质可为Hytrel(聚酷树脂)、PVC(聚氯乙烯)、Nylon(聚酞胺纤维)、Polyimide(聚酞亚胺)等各种聚合物。松套光导纤维如本实例中提及的530a、530b-1、530b-2以及530c则是单独制作出一保护套管534，然后再用机械的方式将其添加到基本光导纤维530上，因此松套光导纤维的保护套管534，其内径要比基本光导纤维530的涂覆层533的外径稍大。松套保护套管 534的材质可为PTEF ( 四氟乙烯共聚物)等材料。

所述光纤530a、530b-1、530b-2以及530c的组成和/或类型可以相同或不同。例如，其中一个或多个光纤可以是保偏光纤(PM fiber)或普通的单模光纤（SM fiber）。在另一实例中，一根或多根光纤530a、530b-1、530b-2以及530c还可以包括布拉格光栅(Brag grating)。每根光纤在端面通常通过端部的研磨或削切加工形成透镜。

光纤530a、530b-1、530b-2以及530c延伸进入管壳560，而光纤530a、530b-1、530b-2以及530c的接近端面透镜位置部分，固定地连接至各个固定点520a、520b-1、520b-2以及520c。在每根光纤中可以存在曲率，以允许端面处的应力释放。光纤530a、530b-1、530b-2以及530c的端面相对于半导体光电功能单元510a、510b和510c的输出/输入设置在纵向和旋转位置上以实现其与光电功能单元的耦合对准。光电功能单元的耦合对准一般通常采用有源对准方式，通过检测激光器输出光功率与调整光纤横向、纵向以及进退方向的位置来实现。光纤是由工作人员在相对较小的范围在横向、纵向以及进退方向上移动，直到实现光电功能单元以及光纤之间的最优光耦合。当检测到最优光耦合的最大信号后，将低熔点玻璃、焊料和/或环氧树脂520a、520b-1、520b-2以及520c注入到过渡块540安装有光电功能单元位置的旁边区域。

为有效避免各光电功能单元工作时的相互串扰问题，本实用新型提及的半导体光学器件在光电功能单元与光纤间的耦合区域装有带多个隔离柱的屏蔽罩570，图7为屏蔽罩570的外形示意图，其整体呈梳装。如图8所示，在本实施例中屏蔽罩570安装于过渡块540之上，其底部与过渡块540紧密贴合，通过板装的隔离柱将各光电功能单元与光纤间的耦合区域分隔开，即将所有光电功能单元分别彼此隔离开，可有效的避免各光电功能单元间的相互干扰。

附图9为管壳的尾管部分示意图，尾管910包括靠近所述管壳560内腔的第一管段和远离管壳内腔的第二管段，第一管段的内径大于基本光导纤维530的外径，而小于光纤530a的外径；第二管段的内径大于光纤530a的外径；所述基本光导纤维530部分穿过第一管段，所述保护套管534靠近基本光导纤维530的部分位于第二管段内。本实用新型通过使用密闭填充胶920完成保护套管534、尾管910以及基本光导纤维530相互之间的固定并形成管壳910的气密性封装。首先完成基本光导纤维530位于第一管段内的部分与尾管910之间通过填充胶固定连接；其次进行基本光导纤维530位于第二管段内的部分以及保护套管534与尾管910之间通过填充胶固定连接；最后对光导纤维外包覆的保护套管534的端部与尾管910端部之间通过填充胶固定连接。本实用新型中提及的光纤530b-1、530b-2以及530c与尾管910间的连接密封方式方法与530a一致。

特别地，本实用新型所提出的管壳的尾管910可为圆形、矩形或者其它横截面形状的管状结构。本实用新型所提出的尾管安装固定结构可以包括一根光导纤维通过一个尾管的安装固定情形，也可包括多根光导纤维通过一个尾管的安装固定情形，亦或是多根光导纤维通过多个尾管的安装固定情形，具体实施方式一致。

综上所述，本实用新型提出的基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件，在光电功能单元与光纤间的耦合区域装有带隔离柱的屏蔽罩，可有效的避免各光电功能单元间的相互干扰。本实用新型提出的基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件的尾管处，通过胶填充实现光纤与尾管处的固定以及气密性封装。解决了现有技术中采用光纤金属化以及其技术焊料气密焊接带来的高成本问题，同时克服了现有焊接技术中工艺温度高、热应力影响大的主要技术缺陷，适应了技术发展的需要，具有突出实质性特点和显著的进步。本实用新型提出的基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件由诸如多个半导体光电探测器，或其与可调光衰减器以及半导体激光器的其中之一或几种组合形成，可有效解决目前使用多个独立封装的泵浦器件作为源造成的半导体光学器件尺寸缩减的技术瓶颈，并可降低成本降低。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件，其特征在于，包括管壳，所述管壳内部安装有半导体致冷器载体和过渡块，所述过渡块设于所述半导体致冷器载体上，所述过渡块上安装有三个光电功能单元，所述管壳的一侧具有一尾管；

一屏蔽罩盖设于所述三个光电功能单元的上方，所述屏蔽罩具有多个隔离柱，将所述三个光电功能单元分别彼此隔离开，所述屏蔽罩的底部紧密贴合于所述过渡块上；

所述三个光电功能单元通过多根穿过所述尾管的光纤耦合至外部光学设备，所述三个光电功能单元均为半导体光电探测器，所述光纤包括基本光导纤维和设于所述基本光导纤维外部的保护套管，所述保护套管容纳于所述尾管中，并采用密闭填充胶固定。

2.如权利要求1所述的基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件，其特征在于：所述过渡块为氮化铝过渡块或钨铜热沉。

3.如权利要求1或2所述的基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件，其特征在于：所述基本光导纤维包括纤芯、设于纤芯外侧的包层以及设于所述包层外侧的涂覆层，所述保护套管套设于所述涂覆层的外侧。

4.如权利要求1所述的基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件，其特征在于：所述光纤为保偏光纤或单模光纤。

5.如权利要求1或4所述的基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件，其特征在于：所述光纤的端部设有透镜。

6.如权利要求1所述的基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件，其特征在于：所述尾管包括靠近所述管壳内腔的第一管段和远离所述管壳内腔的第二管段，所述第一管段的内径大于所述基本光导纤维的外径，小于所述光纤的外径；所述第二管段的内径大于所述光纤的外径。

7.如权利要求6所述的基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件，其特征在于：所述基本光导纤维穿过所述第一管段，所述保护套管靠近所述基本光导纤维的部分位于所述第二管段内，所述保护套管与所述第二管段之间通过所述填充胶固定连接。

8.如权利要求1所述的基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件，其特征在于：其中一个所述半导体光电探测器可替换成半导体激光器。

9.如权利要求1或8所述的基于半导体光电探测器集成的半导体光学器件，其特征在于：其中一个所述半导体光电探测器可替换成可调光衰减器。