一种光电子器件的精确控温耦合平台装置的制作方法

本发明属于光电子有源器件领域，尤其涉及一种光电子器件的精确控温耦合平台装置。

背景技术：

光通信领域的光电子有源器件包括光发射器，光探测器、光放大器等多种器件。各类光电子器件与外界之间多利用一种具有某种标准规格的透镜光纤来进行光的传导，以实现外界与光电子器件之间光信号与光能量的传递。对于光发射器和光放大器来说，一般采用有源对准方式，是通过检测激光器输出光功率与调整透镜光纤XYZ位置来实现的。透镜光纤由工作人员在相对较小的范围在XYZ方向上移动，直到从激光器芯片检测到的光功率达到最大值然后把透镜光纤固定起来。以上过程通过光电子器件的耦合平台装置来实现，耦合过程中要求达到微米甚至压微米准确度的透镜光纤对准。当前在光电子器件的整个封装工艺过程中，耦合工艺往往是工艺难度以及技术要求最高的，其工艺技术的难点在于高效完成透镜光纤与有源芯片之间相对位置的准确固定。

下面以光发射器件为例来介绍一下常规的光电子器件耦合平台。

常规的光发射器件耦合平台由透镜光纤夹持系统以及光电子器件装载系统两大块组成。

透镜光纤夹持系统分为透镜光纤夹持装置、XYZ三维高精度调节架以及功率探测系统。透镜光纤夹持装置通过机械式夹钳或是真空吸附臂来实现透镜光纤或透镜的良好夹持。透镜光纤夹持装置连接于XYZ三维高精度调节架之上，通过XYZ三维高精度调节架来实现透镜光纤或透镜在耦合工程中的XYZ位置调整。透镜光纤或透镜由光纤连接至功率探测系统，功率探测系统进行输出功率的实时监控，实现有源对准过程中透镜光纤与有源芯片之间最佳耦合位置的确定。

光电子器件装载系统分为器件载台以及器件驱动源系统。器件载台实现耦合器件壳体的良好装载，通过器件驱动源提供有源对准过程中有源芯片的能源提供。

目前现有的光电子器件耦合平台多采用一些散热良好的热层作为器件载台，如钨铜热层。但随着光电子技术的快速发展，光电子器件的性能也在不断提升，光发射器件的额定输出功率相比之前有了很大的增加。例如，多模915nm的单芯泵浦输出功率就从以前的6W左右增大到现在的13W左右，增大了一倍多。由于光电子器件芯片在有源耦合过程中会散发热量，特别是在上瓦级别的大功率光发射器件中尤为明显。在这种情况下，采用传统的简单热层作为光电子器件耦合载台已无法很好的解决有源耦合过程中的器件发热问题。有源耦合过程中光电子器件的发热积累会造成其自身以及载台的受热膨胀，由于透镜光纤夹持装置独立于光电子器件装载系统，此受热膨胀会造成透镜光纤与有源芯片之间的位置偏移且偏移量会随热量积累情况发生改变，而光电子器件的有源耦合过程中要求达到微米甚至压微米准确度的透镜光纤对准，这种热量积累产生的偏移量会严重影响光电子器件有源耦合的精度以及效率。

技术实现要素：

有鉴于此，为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种光电子器件的精确控温耦合平台装置，保证光电子器件的温度控制在设定值，并提高了光电子器件的有源耦合过程中的精度以及效率。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种光电子器件的精确控温耦合平台装置，该精确控温耦合平台装置包括器件耦合载台、透镜光纤夹持系统，以及外围配置的帕尔帖制冷器控制系统、器件驱动源系统、外部冷却系统和功率监控系统，其中，

所述器件耦合载台为待耦合器件提供装载；

所述透镜光纤夹持系统为需耦合的透镜光纤提供夹持；

所述帕尔帖制冷器控制系统通过所述器件耦合载台的温度反馈来实现对帕尔帖制冷器的驱动控制；

所述器件驱动源系统用于满足所述待耦合器件的有源耦合驱动需求；

所述外部冷却系统通过冷却液的循环保证所述器件耦合载台降温；

所述功率监控系统实现有源耦合过程中器件输出功率的实时监控。

进一步，所述器件耦合载台包括连接板、循环冷却底座、帕尔帖制冷器装载框和器件固定底座，所述器件固定底座安装在所述帕尔帖制冷器装载框上，所述帕尔帖制冷器装载框安装在所述循环冷却底座上，所述循环冷却底座安装在所述连接板上，所述待耦合器件安装在所述器件固定底座上。

进一步，所述待耦合器件为蝶形器件，所述待耦合器件的两侧分别安装有第三定位孔和第四定位孔。

进一步，所述器件固定底座上安装有第一定位孔和第二定位孔，所述第三定位孔或所述第四定位孔与所述第一定位孔或所述第二定位孔通过螺丝固定安装。

进一步，所述器件固定底座还包括温度探测孔，所述温度探测孔的深度达到所述器件固定底座的中心。

进一步，所述帕尔帖制冷器装载框的中部设有帕尔帖制冷器限位框，所述帕尔帖制冷器限位框一宽边的两端分别设有第一电极引线孔和第二电极引线孔，所述第一电极引线孔和所述第二电极引线孔与外部驱动设备相连接。

进一步，所述循环冷却底座包括冷却液循环的入口和冷却液循环的出口，所述冷却液循环的入口和冷却液循环的出口对称设置。

进一步，冷却液通过所述冷却液循环的入口或所述冷却液循环的出口进入所述循环冷却底座内部并在所述循环冷却底座内部绕环并由所述冷却液循环的出口或所述冷却液循环的入口排出。

进一步，所述连接板上设有第一装配孔和第二装配孔，所述第一装配孔实现所述器件固定底座、所述帕尔帖制冷器装载框以及所述循环冷却底座的组装；所述第二装配孔实现所述器件耦合载台与工作台的固定。

进一步，所述待耦合器件内安装有有源芯片。

本发明的有益效果为：本发明提供的光电子器件的精确控温耦合平台装置拥有可精确控温的器件载台，通过珀尔帖制冷器控制系统实现器件载台的温度控制，可按工程人员要求设定需控制的温度值，有效的解决了采用传统的简单热层作为光电子器件耦合载台无法解决的有源耦合过程中的器件发热问题。避免了光电子器件随热量积累产生受热膨胀而造成透镜光纤与有源芯片之间的位置偏移。充分保证了光电子器件的有源耦合过程中的良好精度以及效率。

附图说明

图1为本发明一种光电子器件的精确控温耦合平台装置的原理示意图；

图2为本发明器件耦合载台的立体结构示意图；

图3为本发明器件固定底座的结构示意图；

图4为本发明帕尔帖制冷器装载框的结构示意图；

图5为本发明循环冷却底座的结构示意图；

图6为本发明连接板的结构示意图；

图7为本发明器件耦合载台的工作系统示意图；

其中，100、器件耦合载台；200、帕尔帖制冷器控制系统；300、器件驱动源系统；400、外部冷却系统；500、待耦合器件；600、透镜光纤夹持系统；700、功率监控系统；110、器件固定底座；111、第一定位孔；112、第二定位孔；113、第三定位孔；115、温度探测孔；120、帕尔帖制冷器装载框；121、帕尔帖制冷器限位框；1221、第一电极引线孔；1222、第二电极引线孔；130、循环冷却底座；131、冷却液循环的入口；132、冷却液循环的出口；140、连接板；141、第一装配孔；142、第二装配孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图及实施例，对本发明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用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，一种光电子器件的精确控温耦合平台装置，包括器件耦合载台100和透镜光纤夹持系统600，以及外围配置的帕尔帖制冷器控制系统200、器件驱动源系统300、外部冷却系统400以及功率监控系统700，其中，

光电子器件的精确控温耦合平台装置由器件耦合载台100和透镜光纤夹持系统600组合构成。

器件耦合载台100为待耦合器件500提供装载；待耦合器件500加载于器件耦合载台100。

透镜光纤夹持系统600为需耦合的透镜光纤提供夹持；

帕尔帖制冷器控制系统200通过精确控温的器件耦合载台100的温度反馈来实现对帕尔帖制冷器的驱动控制；

器件驱动源系统300用于满足待耦合器件500的有源耦合驱动需求；

外部冷却系统400通过冷却液的循环保证器件耦合载台100降温；

功率监控系统700实现有源耦合过程中器件输出功率的实时监控。

如图2所示，器件耦合载台100包括连接板140、循环冷却底座130、帕尔帖制冷器装载框120和带温度反馈的器件固定底座110，器件固定底座110安装在帕尔帖制冷器装载框120上，用于帕尔帖制冷器装载定位的帕尔帖制冷器装载框120安装在用于冷却液循环的循环冷却底座130上，循环冷却底座130安装在用于载台整体组合固定的连接板140上，待耦合器件500安装在器件固定底座110上。

如图2和图3所示，待耦合器件500为蝶形器件，待耦合器件500的两侧分别安装有第三定位孔113和第四定位孔(图中未示)，待耦合器件500内安装有有源芯片。

器件固定底座110上安装有第一定位孔111和第二定位孔112，第三定位孔113或第四定位孔与第一定位孔111或第二定位孔112通过螺丝固定安装。

如图3所示，器件固定底座110还包括温度探测孔115，温度探测孔115的深度达到器件固定底座110的中心。

如图4所示，帕尔帖制冷器装载框120的中部设有帕尔帖制冷器限位框121，帕尔帖制冷器限位框121一宽边的两端分别设有第一电极引线孔1221和第二电极引线孔1222，第一电极引线孔1221和第二电极引线孔1222与外部驱动设备相连接。帕尔帖制冷器装载框120采用优力胶材质，在保证帕尔帖制冷器与载台上下面良好接触的同时确保帕尔帖制冷器内部不会因装载的挤压力而受损。帕尔帖制冷器限位框121提供帕尔帖制冷器的定位。

如图5所示，循环冷却底座130包括冷却液循环的入口131和冷却液循环的出口132，冷却液循环的入口131和冷却液循环的出口132对称设置。冷却液通过冷却液循环的入口131或冷却液循环的出口132进入循环冷却底座130内部并在循环冷却底座130内部绕环并由冷却液循环的出口132或冷却液循环的入口131排出。循环冷却底座130内部的绕环通路保证了循环冷却底座130的充分散热。

如图6所示，连接板140上设有第一装配孔141和第二装配孔142，第一装配孔141通过螺丝实现器件固定底座110、帕尔帖制冷器装载框120以及循环冷却底座130的组装；第二装配孔142实现器件耦合载台100与工作台的固定。

目前现有的光电子器件耦合平台多采用一些散热良好的热层作为器件载台，如钨铜热层。但随着光电子技术的快速发展，光电子器件的性能也在不断提升，光发射器件的额定输出功率相比之前有了很大的增加。例如，多模915nm的单芯泵浦输出功率就从以前的6W左右增大到现在的13W左右，增大了一倍多。由于光电子器件芯片在有源耦合过程中会发散发热量，特别是在上瓦级别的大功率光发射器件中尤为明显。在这种情况下，采用传统的简单热层作为光电子器件耦合载台已无法很好的解决有源耦合过程中的器件发热问题。有源耦合过程中光电子器件的发热积累会造成其自身以及载台的受热膨胀，由于透镜光纤夹持装置独立于光电子器件装载系统，此受热膨胀会造成透镜光纤与有源芯片之间的位置偏移且偏移量会随热量积累情况发生改变，而光电子器件的有源耦合过程中要求达到微米甚至压微米准确度的透镜光纤对准，这种热量积累产生的偏移量会严重影响光电子器件有源耦合的精度以及效率。

实施例1

一种光电子器件的精确控温耦合平台装置的耦合装配工作过程如下：

如图7所示，光电子器件的精确控温耦合平台装置由器件耦合载台100以及透镜光纤夹持系统600组合构成。耦合前已通过装配工艺将有源芯片装载于待耦合器件500内，将待耦合器件500管壳的定位孔与器件固定底座110的定位孔对齐，使用定位螺丝将其装载于器件固定底座110之上。将待耦合器件500的pin脚通过专用数据线连接至器件驱动源系统300，开启器件驱动源系统300为后续有源耦合提供电力驱动供给。

将温度探测头插入器件固定底座110的温度探测孔115内，须保证探头插入至温度探测孔115底部，保证温度探测头位置位于器件固定底座110的中心位置。温度探测头的另一侧输出端连接至帕尔帖制冷器控制系统200，帕尔帖制冷器控制系统200可依据温度探测头的反馈进行帕尔帖制冷器的驱动控制以实现有源耦合过程中温度的精确控制。

器件固定底座110下部为帕尔帖制冷器以及其帕尔帖制冷器装载框120，帕尔帖制冷器的冷面向上即冷面对向器件固定底座110的底部，帕尔帖制冷器的正负极输出引线通过数据线连接至帕尔帖制冷器控制系统200。开启帕尔帖制冷器控制系统200以实现帕尔帖制冷器的温度控制驱动。

本实施例中帕尔帖制冷器的下装载面即热面与循环冷却底座130贴合，通过循环冷却底座130来实现帕尔帖制冷器工作过程中的充分散热。外部冷却系统400通过两根管路实现其与循环冷却底座130中冷却液出入口的分别连接。开启外部冷却系统后冷却液通过循环冷却底座130冷却液入口进入其内部，在其内部管路绕环并由出口排出。排出的冷却液因吸收帕尔帖制冷器热面发出的热量而升温，升温后的冷却液由外部管路送回外部冷却系统400进行降温。完成降温后的冷却液再次进入循环冷却底座130工作进行冷却工作，整个过程冷却液会持续通过循环冷却底座130的内部以保证帕尔帖制冷器热面的良好降温。

在本实施例中，透镜光纤夹持系统600由XYZ三维调节架与光纤夹持杆构成，将透镜光纤的透镜端夹持加载于光纤夹持杆上，将透镜光纤输出端连接至功率监控系统700，开启功率监控系统700以实时监控有源耦合过程中器件(有源芯片)的输出功率。

至此，待耦合器件以及透镜光纤均完成加载且相关驱动设备以及精确控温平台均已开启，下一步将进行两者的有源耦合。

设定帕尔帖制冷器控制系统200的耦合温度控制值以及器件驱动源系统300的驱动电流值，本实施例中将帕尔帖制冷器控制系统200的温度控制值设定为25摄氏度，将器件驱动源系统300的电流值设定为阈值电流值的1.5倍。

通过XYZ三维调节架将透镜光纤移动至器件内有源芯片的前端面，调整透镜光纤与有源芯片的相对位置，同时通过功率监控系统700监控透镜光纤输出端功率。用过XYZ三维调节架调整透镜光纤位置直至通过功率监控系统700检测到透镜光纤的最大输出端功率位置。透镜光纤夹持系统不局限于通过配备XYZ三维调节架以实现系统的移动，可使用六维调节架等提供移动的设施。

在此有源耦合的过程中需要不断调整透镜光纤的位置以找出其与芯片的最大输出端功率匹配，此过程持续时间通常需要好几十秒乃至几分钟。在这种情况下，采用传统的简单热层作为光电子器件耦合载台已无法很好的解决有源耦合过程中的器件发热问题。有源耦合过程中光电子器件的发热积累会造成其自身以及载台的受热膨胀，由于透镜光纤夹持装置独立于光电子器件装载系统，此受热膨胀会造成透镜光纤与有源芯片之间的位置偏移且偏移量会随热量积累情况发生改变，而光电子器件的有源耦合过程中要求达到微米甚至压微米准确度的透镜光纤对准，这种热量积累产生的偏移量会严重影响光电子器件有源耦合的精度以及效率。

本发明提供的光电子器件精确控温耦合平台装置拥有可精确控温的器件载台，通过帕尔帖制冷器控制系统200实现器件载台的温度控制，本实施例中将帕尔帖制冷器控制系统200的温度控制值设定为25摄氏度，在整个有源耦合过程中的充分保证了光电子器件的温度控制在设定值，避免了光电子器件随热量积累产生受热膨胀而造成透镜光纤与有源芯片之间的位置偏移从而保证了光电子器件的有源耦合过程中的良好精度以及效率。

待透镜光纤与芯片的最佳耦合位置(透镜光纤的最大输出端功率位置)确定后,进行透镜光纤的固定(固定方式可以为激光焊接、玻璃焊料或是UV胶等)完成透镜光纤与芯片的有源耦合。

透镜光纤夹持系统600与光电子器件装载系统在耦合过程中的相对移动，可以通过单独移动透镜光纤夹持系统或是光电子器件装载系统来实现，亦可以通过两者的同时移动来实现。

本发明提及的精确控温耦合平台装置中的透镜光纤夹持系统600以及光电子器件装载系统不局限于以上实例所列出具体形式，只要能实现同样功能亦应在此专利保护范围内。

透镜光纤夹持系统600以及光电子器件装载系统可通过诸如电动平台类的外部控制设备并配套软件实现自动化的有源耦合装配以提升有源耦合效率。

透镜光纤夹持系统600光纤夹持系统可以为单纯的透镜夹持系统或其它提供芯片光路接收的设施。

本发明提及的精确控温耦合平台装置不局限于使用帕尔帖制冷器进行精确控温，其它可用来实现精确控温的设施亦在本发明的保护范围内。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。