高速光波导开关芯片封装模块的制作方法

1.本发明涉及光纤数据通信及电信通讯中的光学封装和射频连接集成模块领域，主要涉及一种高速光波导开关芯片封装模块。


背景技术：

2.光开关模块的应用，是光纤通信系统中不可缺少的重要部分。目前，光开关模块一般是指通过光波导芯片或者透镜、光槽等实现光路转换的功能。光开关一般分成机械式和非机械式两类。非机械式的其中一种为光波导开关，主要通过电光效应、磁光效应、声光效应以及热光效应来改变波导折射率或其他性质，让光路发生改变，实现光的开与关。机械式一般通过一些折射透镜或者凹槽等改变光路，从而实现光路的转换和变化。
3.现有的光开关普遍存在以下的一些缺点：多个方向光路光开关封装模块的形式，这种模块一般为机械式，结构复杂，零部件数量多，部分部件精密度要求很高，对加工要求很高，采购成本高，而且组装复杂，生产成本也很高；光波导开关芯片封装模块的形式，其输送光纤与入光口波导之间、输出光纤与出光口波导之间不易对准耦合，对装配要求很高，组装复杂。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：提供一种高速光波导开关芯片封装模块，其结构简洁，便于直接对模块输入输出光信号，连接方便，方便插拔，操作简单可靠，装配要求低，组装简便。
5.本发明通过下述技术方案实现：一种高速光波导开关芯片封装模块，包括：底座，其包括内凹的容纳腔；光波导芯片，其设置于容纳腔内，其包括入光口波导、两根出光口波导、两条接地电极镀层、射频电极镀层；其中，两条接地电极镀层、射频电极镀层设置于光波导芯片的上表面，射频电极镀层位于两条接地电极镀层之间，两条接地电极镀层、射频电极镀层彼此间具有间隙，入光口波导、两根出光口波导位于波导层，波导层位于光波导芯片的上表面、下表面之间；金属化光纤，其第一端通过底座的第一端穿入到容纳腔内与入光口波导耦合，其第一端倒角为锥形，其第二端连接光输入接头；带双头连接器光纤阵列，其包括两根裸光纤，两根裸光纤的第一端通过底座的第二端穿入到容纳腔内，两根裸光纤的第一端彼此之间的间距与两根出光口波导的间距匹配并分别一一对应与两根出光口波导耦合，两根裸光纤为多模光纤，两根裸光纤纤芯的直径大于两根出光口波导纤芯的直径，两根裸光纤的第二端分别连接光输出接头；第一射频连接陶瓷基板，其包括第一镀金层、第二镀金层及位于第一镀金层、第二镀金层之间的第三镀金层，第一镀金层、第二镀金层、第三镀金层彼此间具有间隙，第一镀金层、第二镀金层分别一一对应与两条接地电极镀层的一端电气连接，第三镀金层与射频
电极镀层的一端电气连接；第一sma射频接头，其安装于底座外，其引针与第一射频连接陶瓷基板的第三镀金层电气连接；第二射频连接陶瓷基板，其包括第四镀金层、第五镀金层及位于第四镀金层、第五镀金层之间的第六镀金层，第四镀金层、第五镀金层、第六镀金层彼此间具有间隙，第四镀金层、第五镀金层分别一一对应与两条接地电极镀层的另一端电气连接，第六镀金层与射频电极镀层的另一端电气连接；第二sma射频接头，其安装于底座外，其引针与第二射频连接陶瓷基板的第六镀金层电气连接。
6.还包括：半导体制冷器，其设置于容纳腔内，其包括两根供电引线，光波导芯片置于其上；供电穿心电容，其为两个，其安装于底座外，其分别一一对应与两根供电引线电气连接。
7.还包括：监控穿心电容连接陶瓷基板，其为两块，其设置于容纳腔内，其与光波导芯片连接；监控穿心电容，其为两个，其安装于底座外，其分别一一对应与监控穿心电容连接陶瓷基板电气连接。
8.还包括：第一支撑块，其设置于容纳腔内，金属化光纤的第一端置于其上。
9.所述第一支撑块具有v型槽，金属化光纤的第一端位于v型槽内。
10.还包括：石英玻璃，两根裸光纤的第一端固化于其上；第二支撑块，其设置于容纳腔内，石英玻璃置于其上。
11.所述光输入接头为st类型接头、sc类型接头、lc类型接头或fc类型接头。
12.所述光输出接头为st类型接头、sc类型接头、lc类型接头或fc类型接头。
13.还包括：上盖，其设置于底座将容纳腔盖住。
14.本发明与现有技术相比，具有以下有益技术效果：本发明集成光学封装和射频连接，采用金属化光纤和双头连接器光纤阵列完成光学部分的封装，光输入接头可以使用通用的st类型接头、sc类型接头、lc类型接头或fc类型接头，输入、输出光纤可以选择单模或者多模，兼容不同的应用场合，集成度高，结构简洁，便于直接对模块输入输出光信号，连接方便，方便插拔，操作简单可靠。
15.射频接口和供电接口均使用通用sma射频接头即第一sma射频接头、第二sma射频接头，方便电信号输入，由于射频接头与光波导芯片连接距离很短，传输速率可达3g以上，同时sma射频接头兼有处理信号的功能，提供良好的驻波比，对于信号反射少，对电信号进行有效的传输，连接方便，操作简单可靠。
16.需要时还可以放置tec(半导体制冷器)，用于光波导芯片的温度监控和调节，实现控温功能，保证模块高低温工作性能，使得光开关模块可以应用在不同的环境温度中。使用
供电穿心电容用于tec的供电和监控连接，结构简单，便于供电输入，可以选择带tec或者不带tec，两种情况均可正常工作。
17.模块上盖通过螺钉和底座安装固定，结构稳定，方便拆卸安装和检查，稳定性更好，抗振能力强。
18.光纤与壳体窗口的地方可以金属化处理，与壳体焊接在一起保持密封，盖板与底座通过高压电阻焊接进行密封，整个腔体实现完全密封的状态，提高可靠性和环境适应性。
19.模块底座和上盖材质为sus304不锈钢，表面镀金处理，外型美观，抗腐蚀能力强，可适用于多种使用环境。
附图说明
20.图1为本发明立体结构示意图。
21.图2为本发明主视局部结构示意图。
22.图3为本发明后视结构示意图。
23.图4为本发明主爆炸结构示意图。
24.图5本发明光波导芯片结构示意图。
25.图6本发明第一射频连接陶瓷基板、第一sma射频接头、第二射频连接陶瓷基板、第二sma射频接头之间及其与光波导芯片之间连接结构示意图。
26.图7为本发明输出光功率和与输入电压的关系图。
27.图中附图标记的含义：1、金属化光纤；2、上盖；3、安装螺钉；4、带双头连接器光纤阵列；5、底座；6、监控穿心电容；7、供电穿心电容；8、第一射频连接陶瓷基板；9、光波导芯片；10、监控穿心电容连接陶瓷基板；11、第一sma射频接头；12、第一支撑块；13、半导体制冷器；14、第二支撑块；15、第一打金线；16、接地电极镀层；17、射频电极镀层；18、入光口波导；19、出光口波导；20、第二射频连接陶瓷基板；21、第二sma射频接头；22、第二打金线。
具体实施方式
28.本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了相互排斥的特质和/或步骤以外，均可以以任何方式组合，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换，即，除非特别叙述，每个特征为一系列等效或类似特征中的一个实施例而已。
29.参见图1、图2，本发明众多实施例中的一种高速光波导开关芯片封装模块，包括金属化光纤1、上盖2、安装螺钉3、带双头连接器光纤阵列4、底座5、监控穿心电容6、供电穿心电容7、第一射频连接陶瓷基板8、光波导芯片9、监控穿心电容连接陶瓷基板10、第一sma射频接头11、第一支撑块12、半导体制冷器13、第二支撑块14、第二射频连接陶瓷基板20、第二sma射频接头21。
30.如图1所示，本发明为box封装，框架结构包括底座5和上盖2，底座5包括容纳腔，上盖2设置于底座5将容纳腔盖住。底座5和上盖2使用8个螺钉3固定，结构牢固，方便拆卸安装和返修，同时也有效提高模块的抗振动性能。
31.一并参见图2、5，光波导芯片9设置于底座5的容纳腔内，其包括入光口波导18、两根出光口波导19、两条接地电极镀层16、射频电极镀层17；两条接地电极镀层16、射频电极
镀层17设置于光波导芯片9的上表面，射频电极镀层17位于两条接地电极镀层16之间，两条接地电极镀层16、射频电极镀层17彼此间具有间隙，入光口波导18、两根出光口波导19位于波导层，波导层位于光波导芯片8的上表面、下表面之间，即入光口波导18、两根出光口波导19与两条接地电极镀层16、射频电极镀层17不在同面内，光信号在波导层中传输。
32.金属化光纤1用于光信号的输入，金属化光纤1的第一端通过底座5的第一端通孔穿入到容纳腔内，比如，金属化光纤1的第一端通过底座5的第一端的通孔穿入到容纳腔内，金属化光纤1的第一端倒角为锥形能够有效防止光反射，使得金属化光纤1的第一端更容易对准耦合光波导芯片9的入光口波导18，能够降低装配要求，组装简便。第一支撑块12设置于容纳腔内。金属化光纤1的第一端在壳体内部通过对准耦合光波导芯片9的入光口波导18以获得最大的输入光功率，金属化光纤1的第一端置于第一支撑块12上，待光功率稳定后使用第一支撑块12点胶固定固化金属化光纤1位置。金属化光纤1的第二端连接光输入接头，光输入接头可以根据需要使用通用的st类型接头、sc类型接头、lc类型接头或fc类型接头，光纤可以选择单模或者多模，兼容不同的应用场合。第一支撑块12上表面加工v型槽，金属化光纤1的第一端位于v型槽内，能让金属化光纤1更容易固定在第一支撑块12上，且容易使胶水渗透流动到v型槽上，以达到更好固定金属化光纤1的效果。
33.带双头连接器光纤阵列4包括两根裸光纤，两根裸光纤的第一端通过底座5的第二端穿入到容纳腔内，比如，两根裸光纤的第一端通过底座5的第二端的缺口穿入到容纳腔内。两根裸光纤的第一端彼此之间的间距与光波导芯片9的两根出光口波导19的间距匹配并分别一一对应与两根出光口波导19耦合，两根裸光纤的第二端分别连接光输出接头。两根裸光纤为多模光纤，两根裸光纤纤芯的直径大于两根出光口波导纤芯的直径，能够使两根裸光纤的第一端更容易对准耦合出光口波导19，能够降低装配要求，组装简便。比如，两根裸光纤纤芯的直径可以为62.5μm。两根裸光纤的第一端固化于石英玻璃上，第二支撑块14设置于容纳腔内，石英玻璃置于第二支撑块14上。带双头连接器光纤阵列4从底座5第二端的缺口放入底座5内部，移动石英玻璃让两根裸光纤的第一端靠近光波导芯片9的两根出光口波导19，让两根裸光纤获得最大的光功率，待光功率稳定后使用第二支撑块14点胶固定固化带双头连接器光纤阵列4位置。带双头连接器光纤阵列4的光输出接头可以根据需要使用通用的st类型接头、sc类型接头、lc类型接头或fc类型接头，两根裸光纤可以选择单模或者多模，兼容不同的应用场合。
34.如图2所示，光波导芯片9的入光口波导18与金属化光纤1的第一端对齐，光波导芯片9的两根出光口波导19和带双头连接器光纤阵列4的两根裸光纤第一端对齐。
35.如图6所示所示，第一射频连接陶瓷基板8包括第一镀金层、第二镀金层及位于第一镀金层、第二镀金层之间的第三镀金层，第一镀金层、第二镀金层、第三镀金层彼此间具有间隙，第一镀金层、第二镀金层分别一一对应与两条接地电极镀层16的一端电气连接，第三镀金层与射频电极镀层17的一端电气连接；第一sma射频接头11安装于底座外，其引针与第一射频连接陶瓷基板8的第三镀金层电气连接；第二射频连接陶瓷基板20包括第四镀金层、第五镀金层及位于第四镀金层、第五镀金层之间的第六镀金层，第四镀金层、第五镀金层、第六镀金层彼此间具有间隙，第四镀金层、第五镀金层分别一一对应与两条接地电极镀层16的另一端电气连接，第六镀金层与射频电极镀层17的另一端电气连接；第二sma射频接头21安装于底座外，其引针与第二射频连接陶瓷基板的第六镀金层电气连接。比如，第一
sma射频接头11的引针和第一射频连接陶瓷基板8的第三镀金层用锡膏连接固定，然后第一射频连接陶瓷基板8的第三镀金层通过第一打金线15与光波导芯片9上的射频电极镀层17连接，第一射频连接陶瓷基板8的第一镀金层、第二镀金层分别通过第二打金线22与光波导芯片9的两条接地电极镀层16一一对应连接，从而实现第一sma射频接头11和光波导芯片9的电气连接；第二射频连接陶瓷基板20、第二sma射频接头21之间以及其与光波导芯片9的电气连接和第一sma射频接头11第一射频连接陶瓷基板8的相同为简便起见，这里不再累述。第一sma射频接头11、第二sma射频接头21分别实现射频电路的输入和输出，而且第一sma射频接头11、第二sma射频接头21与光波导芯片9的连接距离很短，传输速率可达3g以上。利用直流电源对第一sma射频接头11、第二sma射频接头21输入直流电压，也相当于对光波导芯片9的电极施加直流电压，可实现调节通过光波导芯片9的两个输出光口即第一出光口、第二出光口的光功率大小和比例，从而实现光开关分光和调光功能。具体实施如下：图7中， a为第一出光口的输出光功率与射频接头输入电压之间的关系直线，b为第二出光口的输出光功率与射频接头输入电压之间的关系直线；如图7示意图所示，对其中一个射频接头比如第一sma射频接头11或第二sma射频接头21输入0到40v的正电压，其中一个第一出光口的光功率大于另一个第二出光口的光功率，且两个出光口光功率同时呈线性变化；继续对这个射频接头输入0到-40v的负电压，第二出光口的光功率开始大于第一出光口的光功率，两个输出光口的光功率继续呈线性变化；故可以通过调节输入到射频接头的直流电压来调节两个出光口的光功率大小的比例。
36.在一个实施案例中，也可以对射频接头输入各种函数或任意波形（如正弦交流）类型的电压，让出光口光功率的响应遵循电信号变化而变化。
37.如图4所示，半导体制冷器13 (thermo electric cooler，tec)放置于底座5的容纳腔内，支撑光波导芯片9置于半导体制冷器13上，用于支撑光波导芯片9，同时tec用于光波导芯片9的温度监控和调节，需要时让光波导芯片9保持在一个相对稳定的温度工作，使得光开关模块应用在不同的环境温度中时稳定工作，保证模块高低温工作性能。半导体制冷器13带有两根供电引线，供电心电容7为两个，电心电容7安装于底座5外。使用焊锡将半导体制冷器13的两根供电引线分别一一对应与两个供电心电容7电气连接，通过供电穿心电容7对tec进行供电。如图2所示，监控穿心电容连接陶瓷基板10为两块，其均放置在底座5的容纳腔内，其与光波导芯片9连接，其分别一一对应与两个监控穿心电容6通过焊锡连接，其中，两个监控穿心电容6安装于底座5外。通过监控穿心电容6对光波导芯片9的温度进行监控，需要时反馈信号到半导体制冷器13上，对光波导芯片9进行控温；需要说明，本发明可以选择带tec或者不带tec，两种情况下本发明均可正常工作，根据实际产品需求选择此功能。
38.金属化光纤1与底座5的第一端的通孔、带双头连接器光纤阵列4与底座5第二端的缺口交接处采用防水胶填封，防止灰尘脏污和水汽进入，为达到更高级别的密封，也可以直接采用焊料焊接进行密封。上盖2和底座5直接采用螺丝固定，为达到更高级别的密封，也可以直接采用高压电阻焊接的方式，将上盖2和底座5连接在一起。监控穿心电容6、供电穿心电容7防水胶固定，为达到更高级别的密封，也可以直接采用焊接的方式；第一sma射频接头11、第二sma射频接头21可以采用机械固定的方式，为达到更高级别的密封，也可以直接采用焊接的方式。
39.本发明体积小，在一个模块中集成了光学封装和射频连接，通过光波导芯片9和金属化光纤1、带双头连接器光纤阵列4实现对光信号的打开或关闭，集成化高，功能多样，连接操作接头通用，兼容多种使用场合和环境。
40.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围。