CN219328922U - 一种光模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光通信领域，公开了一种光模块，包括：PCBA、内部集成有光栅耦合器的硅光芯片、光纤阵列和光器件；硅光芯片设置于PCBA上，光器件设置于PCBA外；光器件与光纤阵列耦合连接，与PCBA电连接；光纤阵列通过光栅耦合器与硅光芯片耦合连接。本实用新型中，硅光芯片采用光栅耦合方式，在无需透镜汇聚光的情况下，就能实现较高的耦合效率，封装耦合工艺简单；硅光芯片可采用COB封装与外置独立光器件分开，能更好的实现光器件散热，降低热量对硅光芯片的影响，提高产品可靠性，也方便光器件的维修更换；硅光芯片在与光纤阵列耦合时，可利用外部加光源方式实现模块的无源耦合，能极大提高生产效率。

Description

一种光模块

技术领域

本实用新型涉及光通信领域，尤其涉及一种光模块。

背景技术

基于砷化镓、磷化铟半导体材料的激光器和探测器，是光纤通信模块的核心器件之一，常见的封装形式有To-can、Box、COB、蝶形封装等。To-can主要应用于低速率的电信市场，如PON接入网、无线前传等领域；Box封装主要优势在于多路并行高速传输场景，如数据中心互联等；蝶形封装应用在大功率、长距离的数据传输网络，如骨干网等；COB封装在大容量的非气密场景中广泛应用，如数据中心内部。Box和蝶形封装涉及高速信号完整性考虑，通常对材料、封装工艺都有极高的要求，导致模块成本过于高昂。另外，各种光学元件均是分离元件，集成度低、体积大等问题。

近年来兴起的硅基光电子技术是最有可能与各种材料适配，采用异质外延工艺实现大规模集成的技术。除了激光器以外，调制器、硅波导、探测器等光学元件均容易集成。但是，现有基于硅光技术实现的光模块中，光器件、硅光芯片等均设置于PCBA上，该方式存在以下缺陷：

(1)由于激光器发热量大，会引起PCBA的热胀冷缩，这个过程中产生的应力容易造成硅光芯片的耦合光路出现偏差，降低耦合效率，导致信号损耗大过大问题，严重影响产品的可靠性；

(2)激光器发热较大且热量集中，若无法很好散热会严重缩短使用寿命，影响产品可靠性；

(3)如若激光器采用COB封装，需要对PCBA上电后才能实现激光器的耦合，板级耦合无法很好散热，造成光功率耦合偏差较大。另外，还需提前给PCBA烧录专用程序，工艺实现复杂。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种光模块，以解决光器件和硅光芯片同时集成于PCBA上存在的信号质量问题、可靠性问题及成本高问题。

为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种光模块，包括：PCBA、内部集成有光栅耦合器的硅光芯片、光纤阵列和光器件；所述硅光芯片设置于所述PCBA上，所述光器件设置于所述PCBA外；所述光器件与所述光纤阵列耦合连接，与所述PCBA电连接；所述光纤阵列通过所述光栅耦合器与所述硅光芯片耦合连接。

可选的，所述光纤阵列包括支撑衬底以及并列设置于所述支撑衬底上的第一光纤、第二光纤和第三光纤；

所述第一光纤耦合连接于所述光器件的光接口与所述光栅耦合器的第一耦合接口之间，以提供发射光输入通道；所述第二光纤的一端与所述光栅耦合器的第二耦合接口耦合连接，以提供发射光信号输出通道；所述第三光纤的一端与所述光栅耦合器的第三耦合接口耦合连接，以提供接收光信号输入通道。

可选的，所述第二光纤的另一端连接一LC接口或者一Mini插芯，所述第三光纤的另一端连接另一LC接口或者另一Mini插芯；

或者，所述第二光纤的另一端和所述第三光纤的另一端分别连接阵列波导光栅AWG，所述AWG的COM口连接SC光接口。

可选的，所述支撑衬底的对应于所述光栅耦合器的一端设置有反射斜面；

所述反射斜面，用于将经光纤传输来的水平入射光反射90°以使其转换为垂直入射光后耦合进入所述光栅耦合器，由所述光栅耦合器将垂直入射光再次反转90°后水平入射至硅光芯片的硅波导中传输；或者，用于在光栅耦合器将硅光芯片的硅波导中水平传输的出射光转换为垂直出射光后，将所述垂直出射光反射90°以使其再次转换为水平出射光后耦合进入光纤。

可选的，所述光器件还包括用于与所述PCBA连接的电接口，所述电接口和所述光接口布置于所述光器件的相邻两侧，所述光接口朝向所述光模块的内部布置。

可选的，所述电接口由光器件侧面通过陶瓷衬底引出，具体为焊盘口或者PIN针接口；所述电接口至少包括两个GND管脚、1个热敏电阻管脚、1个LD+管脚，1个TEC+管脚和1个TEC-管脚。

可选的，所述电接口通过FPC连接于所述PCBA的凸出区域的反面。

可选的，所述光器件无背光监测功能，采用BOX封装方式或者蝶形封装方式；所述硅光芯片具备发射功率监测功能，所述硅光芯片和所述光纤阵列采用板上芯片COB封装方式。

可选的，各COB封装元件表面采用等离子体增强化学气相沉积技术覆盖有纳米薄膜保护材料层。

可选的，所述硅光芯片通过银浆贴片设置于所述PCBA上，或者所述PCBA上设有金属散热件。

与现有技术相比，本实用新型实施例具有以下有益效果：

本实用新型实施例中，硅光芯片采用光栅耦合方式，在无需透镜汇聚光的情况下，就能实现较高的耦合效率，封装耦合工艺简单；硅光芯片可采用COB封装与外置独立光器件分开，能更好的实现光器件散热，降低热量对硅光芯片的影响，极大提高产品可靠性，在光器件产生不良现象时也方便工作人员对光器件的维修更换；硅光芯片在与光纤阵列进行耦合时，可利用外部加光源方式实现模块的无源耦合，且无需提前给PCBA烧录专用程序，简化了实现工艺，能极大提高生产效率。

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性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本实用新型实施例提供的适用于5G前传领域的光模块的立体结构图。

图2为本实用新型实施例提供的适用于5G前传领域的光模块的结构示意图。

图3为本实用新型实施例提供的适用于无源光网络领域的光模块的立体结构图。

图4为本实用新型实施例提供的适用于无源光网络领域的光模块的结构示意图。

图5为本实用新型实施例提供的光纤阵列与硅光芯片的光路耦合方式示意图。

图6为本实用新型实施例提供的光器件的俯视图。

图7为本实用新型实施例提供的光器件的侧视图。

图示说明：

PCBA1、硅光芯片2、光栅耦合器21、光器件3、激光器31、透镜32、隔离器33、光接口34、电接口35、管脚351、热电制冷器36、光纤阵列4、第一光纤41、第二光纤42、第三光纤43、支撑衬底44、反射斜面45。

具体实施方式

为使得本实用新型的实用新型目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，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，下面所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部的实施例。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。

为克服现有技术因光器件和硅光芯片同时集成于PCBA上存在的“影响硅光芯片的耦合效率，导致信号损耗大过大，严重影响产品可靠性”、“激光器无法很好散热，严重缩短其使用寿命，影响产品可靠性”以及“采用有源耦合，实现工艺复杂，成本高的”的缺陷，请参阅图1至图4，本实用新型实施例提供了一种光模块，包括：PCBA1、内部集成有光栅耦合器21的硅光芯片2、光器件3和光纤阵列4；硅光芯片2设置于PCBA1上，光器件3设置于PCBA1外，光器件3与光纤阵列4耦合连接，与PCBA1电连接；光纤阵列4通过光栅耦合器21与硅光芯片2耦合连接。

该光模块中，光器件3采用外置方式，可进行独立封装，一方面，这样有利于快速散热，大大降低光器件3所产生热量对PCBA1上硅光芯片2的不良影响，保证良好的信号质量，提升产品性能；又一方面，在光器件3产生不良现象时，方便工作人员对光器件3的维修更换；再一方面，可实现无源耦合，结构相对简单，实现成本较低，且无需提前给PCBA1烧录专用程序，简化了实现工艺，可有效提高生产效率。

结合图6和图7所示，光器件3包括光接口34，还包括光路传输方向依次设置的用于发射激光的激光器31(如CW DFB(大功率连续波长激光器))、用于接收激光器31发出的激光并进行汇聚的透镜32以及用于接收透镜32汇聚的激光并输入硅光芯片2的隔离器33。在应用时，光器件3中的激光器31发出激光，激光通过透镜32汇聚，汇聚后的激光通过隔离器33后经光接口34传输至硅光芯片2。进一步的，激光器31、透镜32和隔离器33的底层设有用于控制激光器31工作于预设恒定温度(如45摄氏度)的热电制冷器36。该热电制冷器36的使用，可以保证光器件3的稳定可靠运行。

硅光芯片2，用于接收光器件3发射的光并进行调制处理以生成发射光信号输出，或者接收光信号。硅光芯片2的光栅耦合器21具有三个耦合接口。光纤阵列4包括支撑衬底44以及并列设置于支撑衬底44上的第一光纤41、第二光纤42和第三光纤43，第一光纤41耦合连接于光器件3的光接口34与光栅耦合器21的第一耦合接口之间，以提供发射光输入通道；第二光纤42的一端与光栅耦合器21的第二耦合接口耦合连接，以提供发射光信号输出通道；第三光纤43的一端与光栅耦合器21的第三耦合接口耦合连接，以提供接收光信号输入通道。

如图5所示，支撑衬底44的对应于光栅耦合器21的一端设置有反射斜面45；反射斜面45，用于将经光纤传输来的水平入射光反射90°以使其转换为垂直入射光后耦合进入光栅耦合器21的耦合端面，或者，将光栅耦合器21传输来的垂直出射光反射90°以使转换为水平出射光后耦合进入光纤。

具体的，光纤阵列与硅光芯片2之间采用无源耦合方式，其光路传输过程如下：在光输入方向，光由光纤阵列4传输至末端的反射斜面45时，该反射斜面45将光反射90°后至垂直入射至光栅耦合器21的耦合端面，由光栅耦合器21将垂直于耦合端面的入射光产生衍射以再次反转90°后入射至硅光芯片2的硅波导中水平传输；光输出方向的光路与光输入方向的光路完全相反，不再赘述。

基于反射斜面45的特殊设计，光纤阵列4与光栅耦合器21的耦合端面之间，形成由水平方向切换至垂直方向的光路传输耦合方式。该设计方式，可支持较大光斑的光垂直入射，降低了对硅光芯片2与光纤阵列4之间的端口尺寸匹配度要求，不需要透镜32汇聚耦合，与传统的采用透镜32调节方式相比，简化了实现工艺。

本实施例中，光器件3不具有光调制功能和背光检测功能，而只需输出未调制的光。这样，对光器件3来讲，可有效节省装配空间和生产成本。示例性的，光器件3具体可选CWDFB。

光器件3还包括于其侧面通过陶瓷衬底引出的用于与PCBA 1连接的电接口35，由于激光器31无需传输高速信号，使得电接口35的位置设计不受到高速信号传输质量的限制，基于此，本实施例优选将电接口35和光接口34布置于光器件3的相邻两侧。这种排布方式可有效减小光器件3所占用的组装空间，利于光模块的小型化。在具体实现时，电接口35可通过FPC旋转90°来与PCBA 1的凸出区域的反面连接。

本实施例中，光器件3采用Mini下套光接口34，并朝向模块内部设计；电接口35具体为焊盘接口或者PIN针接口，至少包括6个管脚351：2个GND管脚、1个热敏电阻管脚、1个LD+管脚，1个TEC+管脚和1个TEC-管脚。

结合图1和图2所示，第二光纤42的另一端连接一LC接口或者一Mini插芯，第三光纤43的另一端连接另一LC接口或者另一Mini插芯，此时该光模块适用于5G前传领域；或者结合图3和图4所示，第二光纤42的另一端和第三光纤43的另一端分别连接AWG(此时，两路可并行的采用Mini下套)，AWG的COM口连接SC光接口，此时该光模块适用于支持25Gbps/50Gbps/100Gbps速率的PON网络领域。

针对外置独立的功率较大的激光器31，可采用BOX封装方式(用于多通道并行封装)或者蝶形封装方式，内部没有探测器和调制器，无背光监测功能，由硅光芯片内部间接实现发射功率监控功能，不需要高带宽的射频材料，能够有效降低封装工艺难度。

硅光芯片2、光纤阵列等可采用COB(Chips on Board，板上芯片)封装方式，先用紫外胶预固定，再采用黑胶加固，就能实现硅光芯片2的耦合封装。针对非气密的COB封装器件，可进一步采用PECVD(等离子体增强化学气相沉积)技术，增设纳米薄膜保护材料层，支持抗硫化、防盐雾、防水等功能保护，在不影响高速信号性能的前提下，避免可能产生盐雾、硫化等情况的恶劣环境所带来的不良影响，提高该器件应用在电信网络中的可靠性。

此外，硅光芯片2具体可通过银浆贴片设置于PCBA1上，或者PCBA1上设有金属散热件，用于对硅光芯片2进行散热，保证硅光芯片2的性能稳定。

综上，本实用新型实施中，一方面，由于硅光芯片2采用光栅耦合方式，在无需透镜32汇聚光的情况下，就能实现较高的耦合效率，封装耦合工艺简单；另一方面，硅光芯片2采用COB封装与外置独立光源器件分开，能更好的实现光器件3的散热，降低热量对硅光芯片2的影响，极大提高产品可靠性；再一方面，硅光芯片2的芯片内部设计环回波导，在与光纤阵列4进行耦合时，可利用外部加光源方式实现模块的无源耦合，能极大提高生产效率。

以上所述，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光模块，其特征在于，包括：PCBA、内部集成有光栅耦合器的硅光芯片、光纤阵列和光器件；所述硅光芯片设置于所述PCBA上，所述光器件设置于所述PCBA外；所述光器件与所述光纤阵列耦合连接，与所述PCBA电连接；所述光纤阵列通过所述光栅耦合器与所述硅光芯片耦合连接。

2.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述光纤阵列包括支撑衬底以及并列设置于所述支撑衬底上的第一光纤、第二光纤和第三光纤；

所述第一光纤耦合连接于所述光器件的光接口与所述光栅耦合器的第一耦合接口之间，以提供发射光输入通道；所述第二光纤的一端与所述光栅耦合器的第二耦合接口耦合连接，以提供发射光信号输出通道；所述第三光纤的一端与所述光栅耦合器的第三耦合接口耦合连接，以提供接收光信号输入通道。

3.根据权利要求2所述的光模块，其特征在于，所述第二光纤的另一端连接一LC接口或者一Mini插芯，所述第三光纤的另一端连接另一LC接口或者另一Mini插芯；

或者，所述第二光纤的另一端和所述第三光纤的另一端分别连接阵列波导光栅AWG，所述AWG的COM口连接SC光接口。

4.根据权利要求2所述的光模块，其特征在于，所述支撑衬底的对应于所述光栅耦合器的一端设置有反射斜面；

所述反射斜面，用于将经光纤传输来的水平入射光反射90°以使其转换为垂直入射光后耦合进入所述光栅耦合器，由所述光栅耦合器将垂直入射光再次反转90°后水平入射至硅光芯片的硅波导中传输；或者，用于在光栅耦合器将硅光芯片的硅波导中水平传输的出射光转换为垂直出射光后，将所述垂直出射光反射90°以使其再次转换为水平出射光后耦合进入光纤。

5.根据权利要求2所述的光模块，其特征在于，所述光器件还包括用于与所述PCBA连接的电接口，所述电接口和所述光接口布置于所述光器件的相邻两侧，所述光接口朝向所述光模块的内部布置。

6.根据权利要求5所述的光模块，其特征在于，所述电接口由光器件侧面通过陶瓷衬底引出，具体为焊盘口或者PIN针接口；所述电接口至少包括两个GND管脚、1个热敏电阻管脚、1个LD+管脚，1个TEC+管脚和1个TEC-管脚。

7.根据权利要求5所述的光模块，其特征在于，所述电接口通过FPC连接于所述PCBA的凸出区域的反面。

8.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述光器件无背光监测功能，采用BOX封装方式或者蝶形封装方式；所述硅光芯片具备发射功率监测功能，所述硅光芯片和所述光纤阵列采用板上芯片COB封装方式。

9.根据权利要求8所述的光模块，其特征在于，各COB封装元件表面采用等离子体增强化学气相沉积技术覆盖有纳米薄膜保护材料层。

10.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述硅光芯片通过银浆贴片设置于所述PCBA上，或者所述PCBA上设有金属散热件。

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