CN209879077U - 一种混合集成的非气密wdm-TOSA封装结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光通信技术领域，具体涉及一种混合集成的非气密wdm‑TOSA封装结构，包括光引擎，所述光引擎包括基板以及顺次固定在基板表面的激光器阵列、透镜阵列、光隔离器、PLC MUX芯片和准直透镜；激光器阵列包括n个激光器，透镜阵列包括n个激光器耦合透镜；PLC MUX芯片的第一端设有n个进光通道，第二端设有一个出光通道；n个激光器输出n个不同波长，经n个激光器耦合透镜和光隔离器后，耦合进入n个进光通道，合波后由出光通道输出，并经准直透镜变成准直光。本结构可将激光器与PLC MUX芯片直接耦合，无需额外的光纤插芯组件，成本低，制作简单，而且光引擎体积小，集成度高，提高了模块往扩展的可能性。

Description

一种混合集成的非气密wdm-TOSA封装结构

【技术领域】

本实用新型涉及光通信技术领域，具体涉及一种混合集成的非气密wdm-TOSA封装结构。

【背景技术】

光模块是光纤通信系统中的重要器件，光纤通信系统以光纤为传输介质，传输的是光信号，而光设备对信息作处理时运行的是电信号，光模块的作用就是实现光电转换，发射端把电信号转换成光信号，接收端把光信号转换成电信号。光模块由激光器、探测器、驱动芯片(Driver)、跨阻放大器(Tia)、限幅放大器(LA)和其他零组件封装而成，基本结构由“光发射组件(TOSA)+驱动电路”和“光接收组件(ROSA)+接收电路”组成。TOSA中的激光器是实现电光转换的核心，ROSA中的探测器是实现光电转换的核心，激光器和探测器需由电芯片来驱动工作，即驱动芯片和跨阻放大器。同时，激光器和探测器均需与光纤对准耦合，以输出、输入光信号，因而需将激光器和探测器以某种工艺分别封装成TOSA和ROSA，实现和光纤的耦合对准。光模块的原理：发射端，一定码率的电信号经驱动芯片处理后驱动激光器发射出相应速率的调制光信号；接收端，探测器接收微弱的光信号转换为电信号，后经跨阻放大器和限幅放大器放大、整形后恢复为原输入的电信号，并输出。

其中，对于传输距离超过2公里的多通道光模块，由于距离增加导致的光纤成本的增加，模块一般都不会采用并行光纤去传输，所以发射器件的各通道的光信号要在模块内部进行波分复用(WDM)合波，通过单光纤去传输。因此，此类光模块用的TOSA均是wdm-TOSA，wdm-TOSA已经广泛应用于40G/100G/400G单模光模块里面。

目前，数据中心光模块主流应用的非气密封装的CWMD4TOSA，采取的合波方案有两种：(1)一种是基于薄膜滤波片的合波：四个CWDM(稀疏波分复用)波长激光器发出的光被准直透镜准直，然后经过多个薄膜滤波片和反射镜组成的系统合波后，耦合到单模光纤之中。(2)另一种是基于TOSA+AWG(Arrayed Waveguide Grating，即阵列波导光栅)的盘纤合波：四个小型非气密CWDM TOSA，通过光纤插芯连接到AWG mux组件，mux组件盘纤到模块内部。

由于滤光片和AWG芯片的成本差异，方案2比方案1具备更低的成本；然而，方案2中激光器无法与AWG直接耦合，需要额外的光纤插芯组件，仍存在一定的成本浪费，制作工艺较复杂。

鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

【实用新型内容】

本实用新型需要解决的技术问题是：

传统的非气密TOSA封装结构中，通过滤光片或AWG芯片来实现合波，虽然采用AWG芯片比滤光片节省成本，但激光器无法与AWG直接耦合，需要额外的光纤插芯组件，仍存在一定的成本浪费，制作工艺较复杂。

本实用新型通过如下技术方案达到上述目的：

本实用新型提供了一种混合集成的非气密wdm-TOSA封装结构，所述封装结构包括光引擎1，所述光引擎1包括基板16以及顺次固定在所述基板16表面的激光器阵列11、透镜阵列12、光隔离器13、PLC MUX芯片14和准直透镜15；

所述激光器阵列11包括n个激光器，所述透镜阵列12包括n个激光器耦合透镜，分别对应各激光器设置；所述PLC MUX芯片14的第一端设有n个进光通道，第二端设有一个出光通道145；

其中，n≥2，所述n个激光器输出n个不同的波长，经所述n个激光器耦合透镜和所述光隔离器13后，耦合进入所述PLC MUX芯片14的n个进光通道进行合波，合波后由所述出光通道145输出，并经过所述准直透镜15变成准直光。

优选的，所述封装结构还包括顺次设置在所述光引擎1第一端的斜方棱镜2和光纤准直适配器4；其中，所述准直光经过所述斜方棱镜2进行空间上的平移，然后由所述光纤准直适配器4输出。

优选的，所述封装结构还包括支架3，所述光引擎1和所述斜方棱镜2顺次固定在所述支架3表面，所述支架3第一端用于固定连接所述光纤准直适配器4。

优选的，所述封装结构还包括设置在所述光引擎1第二端的电路板5，且所述电路板5的第一端与所述n个激光器金丝键合。

优选的，所述封装结构还包括设置在所述电路板5表面的探测器阵列6，所述探测器阵列6包括n个背光探测器，分别对应各激光器设置；

其中，所述n个激光器的背光的发散光光斑，分别打在所述n个背光探测器对应的n个光敏面上，用于监控各激光器的发射功率。

优选的，所述激光器包括激光器芯片和热沉载体，所述激光器芯片焊接在所述热沉载体上，且所述激光器芯片的电极与所述热沉载体的焊盘通过金丝键合连接。

优选的，所述激光器芯片为DFB激光器芯片，所述热沉载体的材质为氮化铝，所述热沉载体的焊盘镀金，且氮化铝和金层之间由TiW过渡。

优选的，所述出光通道145的后端设有PD探测器，用于监控所述PLCMUX芯片14的出光功率。

优选的，所述PLC MUX芯片14采用石英基的AWG MUX芯片和CWDM4的波长。

优选的，所述基板16的材质为氮化铝。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供的封装结构中，可将激光器与PLC mux芯片直接在基板上进行耦合，无需额外的光纤插芯组件，成本低，制作简单；而且PLC mux芯片的使用不仅使成本进一步降低，还使光引擎体积较小，整个封装结构没有box的限制，集成度高，提高了模块往更多通道更高速率扩展的可能性。同时，激光器直接与电路板连接，大大降低链路信号的损耗。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种混合集成的非气密wdm-TOSA光引擎的结构图；

图2为本实用新型实施例提供的一种混合集成的非气密wdm-TOSA封装结构图；

图3为本实用新型实施例提供的一种混合集成光引擎的封装流程图；

图4为本实用新型实施例提供的一种混合集成光引擎在光模块上的封装流程图。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

在本实用新型的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本实用新型的限制。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本实用新型。

实施例1

本实用新型实施例提供了一种混合集成的非气密wdm-TOSA封装结构，如图1所示，所述封装结构包括光引擎1，所述光引擎1包括基板16以及顺次(即图中从左到右)固定在所述基板16表面的激光器阵列11、透镜阵列12、光隔离器13、PLC MUX芯片14和准直透镜15。所述激光器阵列11包括n个激光器，所述透镜阵列12包括n个激光器耦合透镜，分别对应设置在各激光器后端(即图中右端)；所述PLC MUX芯片14的第一端(靠近所述光隔离器13的一端，即图中左端)设有n个进光通道，第二端(远离所述光隔离器13的一端，即图中右端)设有一个出光通道145。

其中，n≥2；具体耦合光路如下：所述n个激光器输出n个不同的波长，经所述n个激光器耦合透镜和所述光隔离器13后，耦合进入所述PLCMUX芯片14的n个进光通道进行合波，合波后由所述出光通道145输出，并经过所述准直透镜15变成准直光。

本实用新型实施例提供的上述非气密wdm-TOSA封装结构中，可将激光器与PLCmux芯片直接在基板上进行耦合，无需额外的光纤插芯组件，成本低，制作简单；而且PLCmux芯片的使用不仅使成本进一步降低，还使光引擎体积较小，整个封装结构没有box的限制，集成度高，提高了模块往更多通道更高速率扩展的可能性。

其中，在所述激光器阵列11中，每个所述激光器包括激光器芯片和热沉载体，所述激光器芯片焊接(通常为共晶焊)在所述热沉载体上，且所述激光器芯片的电极与所述热沉载体的焊盘通过金丝键合连接。在一个具体的实施例中，所述激光器芯片可选用DFB激光器芯片，所述热沉载体的材质为氮化铝，激光器焊接区域可镀5微米厚度的AuSn焊料；所述热沉载体的焊盘镀金，且氮化铝和金层之间由TiW过渡。

进一步地，所述PLC MUX芯片14可采用石英基的AWG MUX芯片和CWDM4的波长，在所述PLC MUX芯片14的出光通道145的后端(即图中右端)还可设有一个PD探测器，用于监控所述PLC MUX芯片14的出光功率。在固定制作时，所述激光器阵列11、所述透镜阵列12、所述光隔离器13、所述PLC MUX芯片14和所述准直透镜15均可采用胶水粘接的方式固定在所述基板16表面；其中，所述基板16的材质可选用氮化铝。

继续参考图2，除所述光引擎1外，通常一个完整的wdm-TOSA封装结构还包括顺次设置在所述光引擎1第一端(即图中所述准直透镜15右端)的斜方棱镜2、支架3和光纤准直适配器4，以及设置在所述光引擎1第二端(即图中左端)的电路板5和探测器阵列6。其中，所述准直透镜15输出的准直光经过所述斜方棱镜2进行空间上的平移，然后由所述光纤准直适配器4输出。下面结合附图，对各结构进行介绍：

为便于固定所述光引擎1、所述斜方棱镜2和所述光纤准直适配器4，所述支架3可设计为“L”型，以图2为例，包括水平放置的第一平板和垂直于第一平板的第二平板。其中，所述光引擎1和所述斜方棱镜2顺次固定在所述支架3表面，即图中按从左到右的顺序固定在所述第一平板表面，具体可采用胶水粘接的方式固定；所述支架3第一端(即图中第二平板)用于固定连接所述光纤准直适配器4，具体可采用激光焊接的方式固定。

所述电路板5设置在所述光引擎1第二端(即图中左端)，具体为：所述电路板5的第一端(即图中右端)与所述支架3的第二端(即图中左端)固定连接，具体可采用胶水粘接的方式固定；且所述电路板5的第一端(即图中右端)与所述n个激光器金丝键合。

所述探测器阵列6设置在所述电路板5表面，并与所述电路板5金丝键合。所述探测器阵列6包括n个背光探测器，分别对应各激光器设置；其中，所述n个激光器的背光的发散光光斑，分别打在所述n个背光探测器对应的n个光敏面上，用于监控各激光器的发射功率。

在上述实施例中，由于激光器可直接与电路板连接，可大大降低链路信号的损耗，从而保证光模块优良的信号性能。

进一步地，本实用新型实施例还针对所述封装结构提供了一种制作方法，具体分为两大步：第一步是混合集成光引擎1的封装，第二步是光引擎1在光模块上的封装，具体如下：

参考图3，所述光引擎1的封装过程具体包括以下步骤：

步骤1，激光器COC(chip on carrier)的制作与老化筛选：先将所述激光器芯片通过共晶焊的方式焊接在所述热沉载体上；再通过金丝键合工艺，将激光器芯片电极和热沉载体焊盘连接，完成COC的组装；然后将COC进行带电老化，筛选出老化合格的COC。按照上述方法，得到n个波长的激光器COC。

步骤2，胶粘PLC MUX芯片：将所述PLC MUX芯片14通过热固化银胶粘接到氮化铝的基板16上面，烘烤固定。

步骤3，胶粘光隔离器：将所述光隔离器13用胶水粘接到氮化铝基板16制定位置，具体可选用热固化结构胶烘烤固化。

步骤4，耦合各通道，固定对应的透镜和激光器COC：对于每个激光器，可用夹具给激光器加电出光，并用六维微调架调节激光器COC的位置；用另外一台六维微调架调节对应的激光器耦合透镜的位置；将激光器COC和透镜联调，直至耦合到出光功率最大，固定COC和透镜；其中，固定时可先用UV胶做预固定，然后再对COC用导热胶补强，透镜用结构胶水补强。按照上述同样的方法耦合各通道，固定对应的透镜和COC。其中，在耦合通道前，可在所述出光通道145后端放置一个PD3000，用于监控所述PLC MUX芯片14的出光光功率。

步骤5，有源耦合固定准直透镜：给COC加电，然后用两个六维微调架分别调节所述准直透镜15和所述光纤准直适配器4，所述光纤准直适配器4用LC跳纤测出光功率；耦到光功率计读数最大，且光纤准直适配器4和MUX芯片垂直时，用UV胶水预固定所述准直透镜15，再用结构胶水补强。至此，混合集成光引擎1完成组装。

继续参考图4，所述光引擎1在光模块上的封装过程具体包括以下步骤：

步骤6，胶粘支架和电路板：将所述支架3用热固化结构胶水粘接到所述电路板5上，其中，所述支架3可采用合金支架，所述电路板5为Q系列标准光模块电路板。

步骤7，胶粘光引擎和探测器阵列：将混合集成的所述光引擎1用银胶粘接在所述支架3表面，将所述探测器阵列6用银胶粘接在所述电路板5表面，一起烘烤。

步骤8，胶粘斜方棱镜：用结构胶将所述斜方棱镜2粘接到所述支架3的表面。

步骤9，金丝键合：将所述n个激光器COC分别与所述电路板打线连接，将所述探测器阵列6和所述电路板5打线连接。

步骤10，激光焊光纤准直适配器：将所述光纤准直适配器4通过激光焊接工艺，耦合焊接到所述支架3的右端。至此，混合集成的非气密wdm-TOSA封装完成。

实施例2

在上述实施例1的基础上，结合图1和图2，所述PLC MUX芯片14采用CWDM4的波长，即n取4，则在该具体的实施例中，对应的封装结构具体为：所述激光器阵列11包括第一激光器111、第二激光器112、第三激光器113和第四激光器114，用于输出四个不同的波长；相应地，所述透镜阵列12包括第一激光器耦合透镜121、第二激光器耦合透镜122、第三激光器耦合透镜123和第四激光器耦合透镜124；相应地，所述PLC MUX芯片14第一端(即图中左端)设有第一进光通道141、第二进光通道142、第三进光通道143和第四进光通道144；相应地，所述探测器阵列6包括4个背光探测器。

继续参考图2，所述封装结构还包括顺次设置在所述光引擎1右端的斜方棱镜2、支架3和光纤准直适配器4，以及设置在所述光引擎1左端的电路板5和探测器阵列6。

其中，为便于固定所述光引擎1、所述斜方棱镜2和所述光纤准直适配器4，所述支架3可设计为“L”型，包括水平放置的第一平板和垂直于第一平板的第二平板。其中，所述光引擎1和所述斜方棱镜2按从左到右的顺序固定在所述支架3的第一平板表面；所述支架3的第二平板用于固定连接所述光纤准直适配器4。所述电路板5设置在所述光引擎1左端，具体为：所述电路板5的右端与所述支架3的左端固定连接，且所述电路板5的右端与4个激光器金丝键合。所述探测器阵列6设置在所述电路板5表面，并与所述电路板5金丝键合。由于激光器可直接与电路板连接，可大大降低链路信号的损耗，从而保证光模块优良的信号性能。

其中，上述封装结构的光路工作原理如下：

所述第一激光器111发出的高斯发散光，经过所述第一激光器耦合透镜121进行汇聚，汇聚光经过所述光隔离器13后，汇聚到所述PLC MUX芯片14的第一进光通道141；

所述第二激光器112发出的高斯发散光，经过所述第二激光器耦合透镜122进行汇聚，汇聚光经过所述光隔离器13后，汇聚到所述PLC MUX芯片14的第二进光通道142；

所述第三激光器113发出的高斯发散光，经过所述第三激光器耦合透镜123进行汇聚，汇聚光经过所述光隔离器13后，汇聚到所述PLC MUX芯片14的第三进光通道143；

所述第四激光器114发出的高斯发散光，经过所述第四激光器耦合透镜124进行汇聚，汇聚光经过所述光隔离器13后，汇聚到所述PLC MUX芯片14的第四进光通道144；

所述激光器阵列11的四个激光器输出4个不同的波长，耦合进入所述PLC MUX芯片14的四个输入端进行合波，再由所述PLC MUX芯片14的出光通道145输出；所述出光通道145输出的光经过所述准直透镜15变成准直光，准直光经过所述斜方棱镜2进行空间上的平移，最终进入所述光纤准直适配器4。同时，所述激光器阵列11的四个激光器的背光的发散光光斑，打在所述探测器阵列6的4个光敏面上，进而监控各激光器的发射功率。

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、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种混合集成的非气密wdm-TOSA封装结构，其特征在于，所述封装结构包括光引擎(1)，所述光引擎(1)包括基板(16)以及顺次固定在所述基板(16)表面的激光器阵列(11)、透镜阵列(12)、光隔离器(13)、PLC MUX芯片(14)和准直透镜(15)；

所述激光器阵列(11)包括n个激光器，所述透镜阵列(12)包括n个激光器耦合透镜，分别对应各激光器设置；所述PLCMUX芯片(14)的第一端设有n个进光通道，第二端设有一个出光通道(145)；

其中，n≥2，所述n个激光器输出n个不同的波长，经所述n个激光器耦合透镜和所述光隔离器(13)后，耦合进入所述PLCMUX芯片(14)的n个进光通道进行合波，合波后由所述出光通道(145)输出，并经过所述准直透镜(15)变成准直光。

2.根据权利要求1所述的混合集成的非气密wdm-TOSA封装结构，其特征在于，所述封装结构还包括顺次设置在所述光引擎(1)第一端的斜方棱镜(2)和光纤准直适配器(4)；其中，所述准直光经过所述斜方棱镜(2)进行空间上的平移，然后由所述光纤准直适配器(4)输出。

3.根据权利要求2所述的混合集成的非气密wdm-TOSA封装结构，其特征在于，所述封装结构还包括支架(3)，所述光引擎(1)和所述斜方棱镜(2)顺次固定在所述支架(3)表面，所述支架(3)第一端用于固定连接所述光纤准直适配器(4)。

4.根据权利要求1所述的混合集成的非气密wdm-TOSA封装结构，其特征在于，所述封装结构还包括设置在所述光引擎(1)第二端的电路板(5)，且所述电路板(5)的第一端与所述n个激光器金丝键合。

5.根据权利要求4所述的混合集成的非气密wdm-TOSA封装结构，其特征在于，所述封装结构还包括设置在所述电路板(5)表面的探测器阵列(6)，所述探测器阵列(6)包括n个背光探测器，分别对应各激光器设置；

其中，所述n个激光器的背光的发散光光斑，分别打在所述n个背光探测器对应的n个光敏面上，用于监控各激光器的发射功率。

6.根据权利要求1所述的混合集成的非气密wdm-TOSA封装结构，其特征在于，所述激光器包括激光器芯片和热沉载体，所述激光器芯片焊接在所述热沉载体上，且所述激光器芯片的电极与所述热沉载体的焊盘通过金丝键合连接。

7.根据权利要求6所述的混合集成的非气密wdm-TOSA封装结构，其特征在于，所述激光器芯片为DFB激光器芯片，所述热沉载体的材质为氮化铝，所述热沉载体的焊盘镀金，且氮化铝和金层之间由TiW过渡。

8.根据权利要求1-7任一所述的混合集成的非气密wdm-TOSA封装结构，其特征在于，所述出光通道(145)的后端设有PD探测器，用于监控所述PLC MUX芯片(14)的出光功率。

9.根据权利要求1-7任一所述的混合集成的非气密wdm-TOSA封装结构，其特征在于，所述PLCMUX芯片(14)采用石英基的AWGMUX芯片和CWDM4的波长。

10.根据权利要求1-7任一所述的混合集成的非气密wdm-TOSA封装结构，其特征在于，所述基板(16)的材质为氮化铝。