多通道并行传输光器件及其封装结构的制作方法

1.本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种多通道并行传输光器件的封装结构及包括该封装结构的多通道并行传输光器件。


背景技术：

2.多通道并行传输光器件，通常以自由空间box封装技术实现，其主要原理是通过滤波片等光学元件，实现将不同通道、特定波长的激光器芯片发出的已经加载信号的激光合波，从而实现单根光纤传输不同波长信号，扩展了信道容量。一般多通道并行传输光器件，短距离系统传输采用粗波分复用技术（cwdm），波长间隔为20nm；长距离系统传输采用lan 波分复用技术（lan wdm），波长间隔为4.5nm。
3.采用box自由空间封装形式，是基于自由空间的光路，通道与通道之间采用并行排列的方式，这种方式需要占用大量光模块横向空间；同时这种并排的结构并不能利用光模块纵向空间，浪费了大量光模块纵向方向上的空间；由于空间上的浪费，难以实现更多通道并行传输。另外，采用box封装方案，以最常见的4通道为例，第一通道与第四通道光程差距较大，一般超过2mm，由于激光通过准直透镜后，并不是完全准直的，仍然会有略微发散，所以很难保证光功率均衡；而且box壳体制成工艺复杂，批量制作成本较高。


技术实现要素：

4.本发明涉及一种多通道并行传输光器件的封装结构及包括该封装结构的多通道并行传输光器件，至少可解决现有技术的部分缺陷。
5.本发明涉及一种多通道并行传输光器件的封装结构，包括封装座、多个激光发生单元和封装帽，各所述激光发生单元均安设于所述封装座上并且相对于封装座轴线环形布置；每个激光发生单元配置有一个镜组，以将该激光发生单元发出的激光转换为与封装座轴线平行的激光束；所述封装帽与所述封装座装配为封装外壳，所述封装外壳将各所述镜组封装于内；其中，所述封装外壳内或者所述封装外壳外还配置有汇聚透镜，或者所述封装帽采用汇聚透镜作为光窗，以将各激光束汇聚为输出光束。
6.作为实施方式之一，所述镜组包括：用于将激光发生单元发出的激光转换为与封装座轴线平行的准直光束的前处理单元；用于使所述准直光束偏移至靠近封装座轴线或者与封装座轴线重合的偏移棱镜，该偏移棱镜衔接于所述前处理单元的下游。
7.作为实施方式之一，各所述偏移棱镜沿封装座轴线依次设置，各偏移棱镜在所述封装座上的投影相对于封装座轴线环形布置。
8.作为实施方式之一，所述偏移棱镜安设在一镜架上，各镜架沿封装座轴线堆叠固
定并且所形成的堆叠结构安装在所述封装座上。
9.作为实施方式之一，所述激光发生单元的激光发射方向朝向封装座轴线；所述前处理单元包括：反射镜，其固定在所述封装座上，用于将激光发生单元发出的激光反射为与封装座轴线平行；准直镜，其固定在所述反射镜上，用于将反射镜反射来的发散光耦合成准直光。
10.作为实施方式之一，所述封装座为to底座，所述封装帽为to管帽。
11.作为实施方式之一，所述激光发生单元为激光器芯片，所述激光器芯片以热沉作为载体安装于所述封装座上。
12.作为实施方式之一，各激光发生单元分别配置有电接部，所述电接部包括穿设在所述封装座上并且与对应激光发生单元电连接的pin针组。
13.作为实施方式之一，所述封装外壳上还设有制冷模块。
14.本发明还涉及一种多通道并行传输光器件，包括如上所述的多通道并行传输光器件的封装结构，所述封装外壳还连接有适配器，所述汇聚透镜用于将所述输出光束耦合至所述适配器的光纤传输部中。
15.本发明至少具有如下有益效果：本发明将各激光发生单元相对于封装座轴线环形布置，在完成光路设计的前提下，克服了传统多通道并行传输光器件将“激光器芯片并行排列，既占用横向空间，同时导致纵向空间浪费严重”的问题，能显著地减小器件封装体积，相应地增大通道密度；将各激光发生单元相对于封装座轴线环形布置，使多通道并行传输光器件的封装结构可构成为同轴器件，因而适用于同轴封装，能显著地降低器件物料成本和制作成本，能获得较高的封装可靠性和封装自动化程度。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明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发明的一些实施例，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。
17.图1为本发明实施例提供的多通道并行传输光器件的结构示意图；图2为本发明实施例提供的多通道并行传输光器件的封装结构（省略封装帽和汇聚透镜）的示意图；图3为本发明实施例提供的多通道并行传输光器件的光路示意图；图4为带制冷模块的多通道并行传输光器件的结构示意图。
具体实施方式
18.下面对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
19.实施例一如图1
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图3，本发明实施例提供一种多通道并行传输光器件的封装结构，包括封装座1、多个激光发生单元8和封装帽2，各所述激光发生单元8均安设于所述封装座1上并且相对于封装座轴线环形布置；每个激光发生单元8配置有一个镜组，以将该激光发生单元8发出的激光转换为与封装座轴线平行的激光束；所述封装帽2与所述封装座1装配为封装外壳，所述封装外壳将各所述镜组封装于内；其中，所述封装外壳内或者所述封装外壳外还配置有汇聚透镜3，或者所述封装帽2采用汇聚透镜3作为光窗，以将各激光束汇聚为输出光束。
20.上述激光发生单元8一般可采用激光器芯片；本实施例中，采用dfb（ distributed feedback laser，分布式反馈激光器）芯片或者eml（electlro
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absorption modulated laser，电吸收调制激光器）芯片，或者其他vcsel芯片。
21.在其中一个实施例中，上述激光器芯片以热沉7作为载体安装于所述封装座1上，即在封装座1上设置热沉7，激光器芯片则设于热沉7上。其中，热沉7可以采用aln、al2o3或其他陶瓷材料，也可以采用硅等半导体材料制备。优选地，将激光器芯片焊接到热沉7上（例如采用共晶焊工艺），以制备成一颗coc（chip on carrier），该coc可采用低温焊料焊接至封装座1上。
22.可以理解地，每个激光发生单元8限定了一个激光通道，即激光发生单元8的数量根据多通道并行传输光器件中的设定通道数量确定。
23.在可选的实施例中，直接采用印制电路板构成为上述的封装座1，封装帽2与该印制电路板之间的连接为常规结构，此处不作赘述，二者装配所形成的封装外壳对应为非气密结构；在该方案中，上述激光器芯片可直接集成在该印制电路板上。
24.在更优选的方案中，所述封装座1为to底座1，所述封装帽2为to管帽2，即采用to封装工艺。一般而言，to封装器件多用于单发或单纤双向器件，对于传统的多路并行器件，由于为非同轴器件，to封装工艺并不适用；然而，本实施例中，由于将各激光发生单元8相对于封装座轴线环形布置，使多通道并行传输光器件的封装结构可构成为同轴器件，因而适用于同轴封装。采用to封装工艺实现多通道并行传输光器件，能显著地降低器件物料成本和制作成本，能获得较高的封装可靠性和封装自动化程度。
25.本实施例中，虽然定义了封装座轴线，这是以封装座1为规则形状（例如主体采用圆柱形）为基础的，但若该封装座1为非规则形状，显然本实施例提供的方案也为可行的、完整的方案；封装帽2一般为规则形状，以上述封装座轴线限定的结构显然也可以封装帽轴线为参照线进行限定。
26.由上述汇聚透镜3耦合产生的输出光束显然优选为与上述封装座轴线/封装帽轴线/封装外壳轴线同轴，尤其是在采用to封装工艺的情况下。
27.可以理解地，上述封装帽2上设有光窗，以容许激光通过，除上述述及的“采用汇聚透镜3作为光窗”的方案，其他形式的光窗为本领域常规技术，此处不作赘述。本实施例中，汇聚透镜3位于封装外壳之外，其可固定在封装外壳上，例如固定在封装帽2上，可采用焊接等固定方式；对于汇聚透镜3封装在封装外壳内的方案，相应地对汇聚透镜3进行固定即可，此处不作一一详述。
28.各激光发生单元8相对于封装座轴线环形布置，优选为各激光发生单元8均匀间隔
布置，可提高光功率的均衡性。激光发生单元8的激光发射方向可以平行于封装座轴线，也可平行于封装座平面（以封装座轴线平行于竖向为例，此时该激光发生单元8的激光发射方向平行于水平向）；根据激光发生单元8的激光发射方向不同，可相应地配置镜组，以保证多通道光路的完整性和满足设计要求。其中，各激光发生单元8产生的激光优选为相对于封装座轴线环形分布。
29.作为本实施例的优选方案，所述镜组包括：用于将激光发生单元8发出的激光转换为与封装座轴线平行的准直光束的前处理单元；以及用于使所述准直光束偏移至靠近封装座轴线或者与封装座轴线重合的偏移棱镜12，该偏移棱镜12衔接于所述前处理单元的下游。各偏移棱镜12的出射光均投射至汇聚透镜3，再经汇聚透镜3汇聚耦合形成为输出光束；其中，各偏移棱镜12的出射光与封装座轴线之间可以有一定的间距，也可与封装座轴线重合（但不同轴），当汇聚透镜3与封装座1同轴时，各偏移棱镜12的出射光/汇聚透镜3的多道入射光显然相对于封装座轴线环形分布。
30.当各激光发生单元8所配置的前处理单元相同，各偏移棱镜12的偏移量也相同时，由于各激光发生单元8共面布置，并且都需将光路投射至汇聚透镜3，则各通道光路光程是一致的，因此能易于保证器件光功率均衡。进一步优选地，如图2，各所述偏移棱镜12沿封装座轴线依次设置，各偏移棱镜12在所述封装座1上的投影相对于封装座轴线环形布置；基于该设计，便于各偏移棱镜12的布置，能充分地利用封装结构/多路器件的纵向空间，提高光路布置的紧凑性，相应地减小光器件的体积。在其中一个实施例中，如图2和图3，所述偏移棱镜12安设在一镜架11上，各镜架11沿封装座轴线堆叠固定并且所形成的堆叠结构安装在所述封装座1上；其中，偏移棱镜12与镜架11之间可采用粘接固定方式，上述镜架11可采用金属镜架11，相邻金属镜架11之间可采用激光焊接固定等方式，金属镜架11与封装座1之间也可采用激光焊接等固定方式，此处不作详述；为便于光路传输，上述镜架11可采用环形镜架11。
31.以激光发生单元8的激光发射方向平行于封装座平面为例，进一步优选地，激光发生单元8的激光发射方向朝向封装座轴线，以便于光路设计以及进一步提高光路布置紧凑化程度；如图2和图3，所述前处理单元包括反射镜9和准直镜10，反射镜9固定在所述封装座1上，用于将激光发生单元8发出的激光反射为与封装座轴线平行；准直镜10固定在所述反射镜9上，用于将反射镜9反射来的发散光耦合成准直光。其中，反射镜9可采用粘接等方式固定在封装座1上，也可以将该反射镜9的背面镀金后采用共晶焊方式焊接至封装座1上；准直镜10可采用胶水粘结等方式固定在反射镜9上，该准直镜10可以为玻璃透镜、硅透镜或其他材料透镜。采用反射镜9与准直镜10组合对激光进行前处理，反射镜9在完成自身功能的同时，能进一步减小偏移棱镜12的偏移量，从而进一步提高光路布置的紧凑化程度。
32.在另外的实施例中，上述前处理单元也可采用凹面透镜同时完成反射和准直功能。
33.本实施例提供的多通道并行传输光器件的封装结构，将各激光发生单元8相对于封装座轴线环形布置，在完成光路设计的前提下，克服了传统多通道并行传输光器件将“激光器芯片并行排列，既占用横向空间，同时导致纵向空间浪费严重”的问题，能显著地减小器件封装体积，相应地增大通道密度；例如，采用本实施例提供的封装方案，8通道并行传输光器件直径为6.5mm，长度小于19mm，与目前4通道并行box封装器件体积相当，可见，采用本
实施例提供的封装方案，通道密度是现行主流方案的两倍。将各激光发生单元8相对于封装座轴线环形布置，使多通道并行传输光器件的封装结构可构成为同轴器件，因而适用于同轴封装，能显著地降低器件物料成本和制作成本，能获得较高的封装可靠性和封装自动化程度。
34.进一步地，各激光发生单元8分别配置有电接部，以便于与外部电器件连接；在其中一个实施例中，如图2，所述电接部包括穿设在所述封装座1上并且与对应激光发生单元8电连接的pin针组，其中，优选地，pin针4可采用金丝键合的方式与激光发生单元8电连接。对于to封装方案，pin针4穿设处优选为密封处理，在其中一个实施例中，在封装座1上开孔处采用玻璃绝缘子固定pin针4，该玻璃绝缘子为将玻璃熔融后与封装座1烧结固定为一体，既实现了对pin针4的固定，又能保证封装座1开孔处的气密性。
35.进一步优选地，如图4，所述封装外壳上还设有制冷模块，用于对封装结构进行冷却，较好地将芯片产热导出。可选地，该制冷模块包括粘接在封装外壳上的散热块13，例如将该散热块13粘接在封装帽2上；该制冷模块进一步可包括tec（热电制冷器）14，用于控制封装结构的整体温度。另外，当上述封装座1为to底座1时，其可采用高导热金属制作，例如钨铜、冷轧钢等。
36.实施例二如图1
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图4，本发明实施例提供一种多通道并行传输光器件，包括上述实施例一所提供的多通道并行传输光器件的封装结构，所述封装外壳还连接有适配器5，所述汇聚透镜3用于将所述输出光束耦合至所述适配器5的光纤传输部中。
37.适配器5为本领域常规器件，其用于连接外接光纤，其光纤传输部可采用光纤棒等，具体结构此处不作赘述。
38.进一步地，如图1和图4，该多通道并行传输光器件还包括调节环6，用于调节适配器5与汇聚透镜3之间的距离，以使得光功率耦合到最大。适配器5与调节环6的组合为本领域常规结构，此处不作赘述。
39.上述多通道并行传输光器件的组装过程大致如下：（1）将各激光发生单元8固定至封装座1上；例如将各激光器芯片通过共晶焊工艺焊接到热沉7上，再将热沉7焊接在封装座1上；（2）将各反射镜9采用胶水粘接在封装座1上；（3）在完成各准直镜10的耦合调试后，采用胶水将各准直镜10固化粘接在对应的反射镜9上；（4）将偏移棱镜12与镜架11粘接在一起，完成准直镜10与偏移棱镜12之间的光斑耦合后，完成镜架11的固定，例如利用激光器焊工艺，完成镜架11与封装座1之间或相邻镜架11之间的固定；（5）完成封装帽2与封装座1之间的装配，例如采用电阻焊接工艺，将平窗to管帽2焊接在to底座1上；（6）完成封装外壳与汇聚透镜3、调节环6、适配器5之间的耦合调试后，将封装外壳与汇聚透镜3、调节环6、适配器5组装到一起，例如采用激光焊方式固连，即完成上述多通道并行传输光器件的组装。
40.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精
神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。