光学模块和光学设备的制作方法

本发明涉及一种光学模块，特别地，本发明涉及一种与光子器件光学耦合的光学模块，并且涉及一种包括该光学模块和该光子器件的光学设备。

背景技术：

美国专利usp8,772,704b已经公开了一种用于光源的光学组件，该光学组件包括半导体激光二极管(ld)和反射镜，该半导体激光二极管(ld)和该反射镜中的每一个被安装在工作台器件的顶表面上，共同形成光学组件。具体地，其中公开的光学组件(该光学组件被放置在面对与其顶表面相反的背面的支撑件上并抵靠支撑件的顶表面)可以通过由形成在工作台器件的一个边缘中的反射镜来反射光束而以大致直角输出ld中产生的光束，这是因为子光学组件在工作台器件上的布置自动确定了刚从ld输出的光束的方向。然而，工作台器件的反射会不可避免地导致光学损失。在本领域中已经迫切需要一种用于在不使用反射的情况下通过设计角度将光学模块与光子器件光学耦合的布置。

技术实现要素：

本发明的一个方面涉及一种光学模块，该光学模块待与光子器件光学耦合。该光学模块包括：半导体光学器件，该半导体光学器件具有前端和后端；和外壳，该外壳将半导体光学器件封装于其中。外壳设置有框架和端子，框架具有底部、底开口、面对底部的顶部和将底部与顶部连接的至少一个侧壁。框架由烧结陶瓷制成。外壳具有与其底部垂直的轴线。所述一个侧壁设置有外表面和内表面，所述外表面平行于轴线延伸，所述内表面与轴线形成基本锐角。本发明的光学模块的特征在于，半导体光学器件被安装在所述一个侧壁的内表面上，且半导体光学器件的前端面对底开口，以与穿过底开口的光学信号光学耦合。

本发明的另一个方面涉及一种光学设备，该光学设备包括光子器件和光学模块。处理光学信号的光子器件设置有顶表面，该顶表面具有其法线。光学模块包括：半导体光学器件，该半导体光学器件具有前端；和外壳，该外壳将半导体光学器件封入其中。外壳设置有框架和端子，框架包括底部、底开口、面对底部的顶部和将底部与顶部连接的至少一个侧壁。框架由烧结陶瓷制成。所述一个侧壁提供外表面和内表面，其中所述外表面平行于光子器件的顶表面的法线延伸，而所述内表面与光子器件的顶表面的法线形成基本锐角。本发明的光学设备的特征在于，半导体光学器件被安装在外壳的所述一个侧壁的内表面上，并且该半导体光学器件的前端面对底开口，以与穿过底开口的光学信号光学耦合。

附图说明

参考附图，通过对本发明优选实施例的以下详细描述，将更好地理解前述和其它目的、方面和优点，在附图中：

图1是示意性地示出根据本发明的实施例的光学设备的截面图；

图2是实施在图1中所示的光学设备内的光学模块的分解图；

图3a至图3f是外壳、特别是该外壳的第一侧壁的截面图，这些截面图沿着图2中所示的iii-iii线截取；

图4a至图4h是外壳、特别是该外壳的第一侧壁的截面图，图4a至图4d的截面图沿着iv1-iv1线截取，并且图4d至图4e的截面图沿着iv2-iv2线截取；

图5a至图5e示出用于根据本发明的实施例的光学模块的外壳；

图6是第一侧壁的外表面中的布置的平面图，其是图5d中所示的布置的变型；

图7a至图7d示出外壳的布置，其是图5a至图5e中所示的外壳的变型；

图8a至图8d示出外壳的布置，其也是图5a至图5d中所示的外壳的变型；

图9a和图9b示意性地示出根据本发明的实施例的光学模块的组装步骤；

图10a和图10b示意性地示出在图9a和图9b中所示的步骤之后的光学模块的组装步骤；并且

图11a和图11b示意性地示出在图10a和图10b中所示的步骤之后的光学模块的组装步骤。

具体实施方式

接下来，将参考附图描述根据本发明的一些实施例。在对附图的描述中，彼此相同或类似的附图标记将指示彼此相同或类似的元件，而不再重复解释。

图1是示意性地示出根据本发明实施例的光学设备的截面图，图2是图1所示光学设备的分解图。

本实施例的光学设备11包括光学模块13和光子器件15，光子器件15提供光波导路15a、光学耦合器15b(诸如光栅耦合器)、光学处理器件15c(诸如光电二极管和/或光学调制器)和电子电路15d(诸如用于放大由光电二极管产生的光电流的放大器和/或用于光学调制器的驱动器)。安装在光子器件15上的光学模块13通过利用粘合剂附接到光子器件而与光子器件15中的光学耦合器15b光学耦合。

光学模块13包括外壳17和半导体光学器件19。半导体光学器件19提供后端19a和前端19b，而外壳17提供光学窗口23，其中半导体光学器件19的前端19b与光学窗口23光学耦合。以下描述定义了方向术语“前”、“向前”、“后”、“向后”等等，但是那些定义仅是为了说明，而不能影响本发明的范围。“后”、“向后”等的意思仅是与“前”、“向前”等相反。外壳17提供框架25和端子27。框架25由烧结陶瓷制成。端子27由金属制成。框架25具有顶部29、底开口31、侧开口33、底部47和第一侧壁至第三侧壁35、37和39。如图2中所示，顶部29面对底部47，第一侧壁35面对侧开口33，并且第二侧壁37面对第三侧壁39。因此，顶部29、第二侧壁37、第三侧壁39和底部47通过从第一侧壁35的相应边缘延伸而界定侧开口33。外壳17的框架25还可以在第一侧壁35中提供通孔25a和25b，端子27从该通孔25a和25b延伸出。

外壳17设置有侧盖21，该侧盖21覆盖侧开口33，而光学窗口23覆盖底开口31。窗口23包括外表面和内表面，该外表面和该内表面中的至少一个设置有防反射膜。框架25、端子27、侧盖21和光学窗口23气密地密封封装有半导体光学器件19的空腔，使得该半导体光学器件19的光学轴线沿着将光学窗口23与顶部29连接的轴线az排列。具体地，半导体光学器件19被安装在第一侧壁35的内表面35b上。

第一侧壁35设置有外表面35a和内表面35b，其中外表面35a精确地沿轴线az竖直延伸，即，当光学模块13被安装在光子器件15上时，外表面35a沿光子器件15的顶表面的法线竖直延伸，而内表面35b与光子器件15的法线形成基本锐角acg。因此，实施例的光学模块13将半导体光学器件19布置在光学窗口23和顶部29之间。内表面35b与外表面35a形成基本角acg，即，第一侧壁35具有从顶部29到底部47逐渐线性变薄的渐变厚度。

下表列出了光学设备11中的元件的细节：

使用子座43将半导体光学器件19直接或间接地安装在内表面35b上。受控于半导体光学器件19的光束、即入射光束或出射光束平行于内表面35b地前进。光学模块13还可以实施透镜41，以通过光学窗口23将半导体光学器件19与光子器件15耦合。本实施例的半导体光学器件19可以是光发射器件或光接收器件，其中，所述光发射器件通常是半导体激光二极管(ld)和/或半导体发光二极管(led)，而所述光接收器件通常是半导体光电二极管(pd)。光学模块13还可提供子座43，以将透镜41和半导体光学器件19安装在其上。光束、具体而言是出射光束在外壳17内平行于内表面35b地从半导体光学器件19前进到光学窗口23，并通过光学窗口23向外射出。出射光束通过光学窗口23进入设置在光子器件15中的光学耦合器15b。

光学模块13还可以在光学窗口23和半导体光学器件19之间提供光学隔离器45。同样地，指向半导体光学器件19的入射光束穿过光学窗口23并且以平行于内表面35b的方式前进，并且与光子器件15的法线形成角acg。来自光子器件15中的光学耦合器15b的入射光束相对于光子器件15的法线倾斜。内表面35b的角agc使得能够通过光学窗口23将入射光束与半导体光学器件19耦合。

第一侧壁35还可以提供通孔25a和25b，端子27延伸穿过该通孔25a和25b。因此根据实施例，第一侧壁35可以提供用于将半导体光学器件19与外部器件电耦合的结构。具体地，第一侧壁35设置有从外表面35a穿透到内表面35b的通孔25a和25b。端子27在内表面35b上设置第一内金属层27a和第二内金属层27b，在外表面35a上设置第一外金属层27c和第二外金属层27d，并且设置填充通孔25a和25b的第一金属插塞27e和第二金属插塞27f，其中图5至图8中示出了金属层27a至27d和金属插塞27e和27f。

外壳17的框架25包括顶部29、第一侧壁35至第三侧壁39和底部47，并且所述框架25可以由单块烧结陶瓷一体联合形成。再次参考图1，除了光学模块13和光子器件15之外，光学设备11还可以包括散热器14，该散热器14被附接到外壳17的顶部29，以发散由外壳17中的半导体光学器件19产生的在第一侧壁35中传导到顶部29的热量。

接下来，将描述外壳17、特别是其第一侧壁35的各种变型。图3a是沿图2中所指示的iii-iii线截取的第一侧壁35的截面图，并且图3b至3f也是沿iii-iii线截取的变型的第一侧壁35的截面图。第一侧壁35包括后部35c、中心部35d和前部35e，后部35c、中心部35d和前部35e以该顺序沿着轴线az从顶部29布置至底部47。当半导体光学器件19是光发射器件，通常是半导体激光二极管(ld)、半导体发光二极管(led)等时，这样的光发射器件被安装在中心部35d中，从而以由第一侧壁35所确定的角acp将光束发射到光子器件15。

具体地，第一侧壁35的厚度从底部47的一侧到顶部29的另一侧单调递增，这可以有效地确保用于安装在中心部35d上的半导体光学器件19的散热路径。当半导体光学器件是光接收器件类型、通常是半导体光电二极管(pd)时，这样的光接收器件可以也被安装在中心部35d上，从而以由内表面35b的斜面所确定的角acp接收来自光子器件15的光束。

第一侧壁35的内表面35b从顶部29的内表面平滑地延伸到底部47的内表面且不形成任何特定的结构；而半导体光学器件19设置有后端19a和前端19b。因此，可以由从顶部29的内表面到半导体光学器件19的后端19a的区域、半导体光学器件19的后端19a到前端19b之间的区域和从半导体光学器件19的前端19b到底部47的内表面的区域来确定相应的部分35c至35e。

参考与图2中所示布置相对应的图3a，前部35e在与中心部35d的界面处具有最大厚度；后部35c在与中心部35d的界面处具有最小厚度；并且中心部35d在其整个部分中具有大于前部35e的最大厚度但小于后部35c的最小厚度的厚度。后部35c在其整个部分中具有优选地大于前部35e的最大厚度的厚度，这意味着后部35c的最小厚度大于前部35e的最大厚度。

图3b示出变型的第一侧壁35的截面图，其中前部35e在较靠近底部47的部分中具有谷部35f，但在与中心部35d的界面处具有最大厚度；而后部在较靠近顶部29的部分具有高台部35g，但在与中心部35d的界面处具有最小厚度。也就是说，半导体光学器件19被安装在中心部35d中的斜面上，而不是在高台部35g和谷部35f上。形成在较靠近底部47的部分中的谷部35f可以足够宽地露出底开口31，这确保了不会限制受控于半导体光学器件19的光束的场直径的布置。

图3c是根据另一个变型的第一侧壁35的截面图，其中前部35e在较靠近底部47的部分中提供反向斜面35h，也就是说，前部35e的厚度在反向斜面35h的根部处变为最小，并且朝向底部47逐渐增大，但是在与中心部35d的界面处变为最大。

图3d也是变型的第一侧壁35的截面图，其中前部35e具有与图3a中所示的布置相同的布置，但是后部35c在与顶部29的界面处设置有深凹槽35i。中心部35d没有凹槽35i，即，凹槽35i仅存在于后部35c中，以便与轴线az相交，并且半导体光学器件19不受凹槽35i的存在的影响。

参考图3e，其也为变型的第一侧壁35的截面图，前部35e具有与图3b中所示的布置相同的布置，但是后部35c在较靠近顶部29的区域中提供浅凹槽35j。

参考图3f，其也为变型的第一侧壁35的截面图，前部35e具有与图3c中所示的布置相同的布置，但是后部35c也具有与图3e中所示的布置相同的布置。

因此，如图3b至图3f中的各种变型所示，其上安装有半导体光学器件19的中心部35d可以没有后部35c和前部35e中的结构，即，中心部35d提供从与后部35c的界面到与前部35e的界面的平滑斜面。因而，第一侧壁35的布置可以提供从中心部35d中的半导体光学器件19到顶部29的有效散热路径。

图4a至图4d示出沿图2中所指示的iv1-iv1线截取的第一侧壁35的截面图，而图4e至图4h是沿也在图2中指示出的iv2-iv2线截取的第一侧壁35的截面图，其中iv2-iv2线被设定为相对较靠近底部47。图4a至图4h中所示的布置针对图3a中所示的第一侧壁35；但是该说明能够类似地适用于图3b至图3f中所示的变型的侧壁。

参考图4a和图4e，内表面35b沿轴线ax完全地从第二侧壁37延伸到第三侧壁39且不形成任何抵靠第二侧壁37和第三侧壁39的凹槽。参考图4b和图4f，内表面35b提供设置在两个凹槽g1和g2之间的平台35k。也就是说，平台35k通过凹槽g1与第二侧壁37分开，并且通过另一个凹槽g2与第三侧壁39分开，其中侧壁35在外表面35a与凹槽g1和g2的底部之间具有沿着方向az恒定的厚度，即具有从图4b中所示的顶部29的一侧到图4f中所示的底部47的另一侧恒定的厚度。半导体光学器件19被安装在平台35k上。

参考图4c和图4g，第一侧壁35还提供凹槽g1和g2，凹槽g1和g2将平台35k与侧壁37和39分开。图4c和图4g中所示的布置的特征在于，凹槽g1和g2具有从顶部29的一侧到底部47的另一侧逐渐变浅的深度。也就是说，第一侧壁35在凹槽g1和g2的底部与外表面35a之间具有从图4c中所示的顶部29的一侧到图4g中所示的底部47的另一侧逐渐变厚的厚度。

参考图4d和图4h，第一侧壁35还提供平台35k，两个凹槽g1和g2将平台35k与侧壁37和39分开。图4d和4h中所示的布置的特征在于，平台35k具有从顶部29的一侧到底部47的另一侧恒定的从凹槽g1和g2的底部起测量的高度。也就是说，第一侧壁35在其外表面35a与凹槽g1和g2的底部之间具有从图4d中所示的顶部29的一侧到图4h中所示的底部47的另一侧逐渐变薄的厚度。

因而，即使凹槽g1和g2将平台35k与侧壁37和39分开，如图4b至图4d和图4f至图4h中所示，第一侧壁35可以从顶部29平滑地延续到底部47，这可以确保从安装在平台上的半导体光学器件19到光学模块13的外部的有效散热路径。

图5a至图5e示出外壳17、特别是其第一侧壁35的布置，其中图5a是内表面35b的平面图，图5b和图5c是截面图，图5d是第一侧壁35的外表面35a的平面图，并且图5e是外壳17的前视图。

外壳17的底部47提供底开口31，该底开口31被光学窗口23覆盖，如图5e中所示，可以通过该光学窗口23查看第一侧壁35的内表面35b。更具体地，底部47提供四个框架47a至47d，所述四个框架47a至47d在底部47中界定并支撑底部窗口23，其中第一框架47a沿轴线ax延伸，并且第一侧壁35从该第一框架47a沿轴线ax构建；第二框架47b和第三框架47c沿轴线ay延伸，其中第二侧壁37和第三侧壁39从该第二框架47b和第三框架47c沿轴线az构建；并且第四框架47d沿轴线ax延伸，并且第四框架47d将第二框架47b与第三框架47c连接。

可以由顶部29、第二侧壁37、第三侧壁39和底部47(具体的是底部47的第四框架47d)来限定侧开口33。侧盖21被固定到顶部29、第二侧壁37、第三侧壁39以及底部47的第四框架47d的相应的边缘。

参考图5a至图5d，外壳17提供端子27，端子27包括第一内金属层27a和第二内金属层27b、第一外金属层27c和第二外金属层27d以及第一金属插塞27e和第二金属插塞27f。此外，除了端子27之外，外壳17还提供衬垫26，其中第一内金属层27a和第二内金属层27b以及衬垫26被形成在第一侧壁35的内表面35b上，而第一外金属层27c和第二外金属层27d被设置在第一侧壁35的外表面35a上。第一金属插塞27e和第二金属插塞27f填充通孔25a和25b，其中第一金属插塞27e将第一内金属层27a与第一外金属层27c电连接，而第二金属插塞27f将第二内金属层27b与第二外金属层27d连接。

图6是第一侧壁35的外表面35a的平面图。第一外金属层27c和第二外金属层27d的布置不限于图5d中所示的布置，并且可以具有图6中所示的另一个布置。

图7a至图7d示出另一个外壳17的布置，其是图5a至图5d中所示的外壳的变型，其中图7a是内表面35b的平面图，图7b和图7c各自是沿图7a中所指示的viib-viib线和viic-viic线截取的外壳17的截面图，并且图7d是外壳17的底视图。参考图7d，外壳17提供底部47，该底部47包括底开口31，该底开口31由三个框架47a至47c形成，外壳17不提供第四框架47d。也就是说，图7a至图7d中所示的外壳17的特征在于，省略了底部47中的第四框架47d，使得底开口31延续到侧开口33。外壳17、端子27(端子27包括内金属层和外金属层27a至27d、金属插塞27e和27f)以及通孔25a和25b的其它布置与上述实施例的布置大致相同。

图8a至图8d示出外壳17，其是图5a至5d中所示外壳的又一变型，其中图8a是内表面35b的平面图，图8b和图8c是第一侧壁35的截面图，并且图8d是外壳17的底视图。图8a至图8d中所示的外壳17的特征在于，完全省略了底部47，使得底开口31由第一侧壁35至第三侧壁37的边缘形成，并且平滑地延续到侧开口33。外壳17的其它布置与图5a至图5d中所示的布置大致相同，例如，内金属层和外金属层27a至27d、插塞27e和27f以及通孔25a和5b的布置与上述实施例的布置大致相同。

下表总结了根据本实施例的外壳17的尺寸：

图9a至图11b示出了根据本发明的光学模块13的组装步骤，其中图9a、图10a和图11a是内表面35b的平面图，并且图9b、图10b和图11b是沿图9a、图10a和图11a中各自指示出的ixb-ixb线、xb-xb线和xib-xib线截取的第一侧壁35的截面图。

如图9a和图9b中所示，该过程首先制备外壳17、半导体光学器件13和子座43，然后通过将半导体光学器件19安装在子座43上而形成子组件51。从侧开口33将子组件51安装到外壳17内，将子组件51安装在衬垫26上。之后，该过程利用联接线53a和53b进行从子组件51上的半导体光学器件19到内表面35b上的内金属层27a和27b的线联接。

之后，如图10a和图10b所示，通过侧开口33安装透镜41和光学隔离器45，并且将透镜41和光学隔离器45放置在半导体光学器件19和底开口31之间的相应的位置上。光学隔离器45自动与半导体光学器件19对准。

之后，如图11和图11b中所示，通过利用粘合剂将侧盖21附接到第一侧壁35至第三侧壁39、顶部29和底部47的相应的端部来将外壳17中的由第一侧壁35至第三侧壁37、顶部29和具有覆盖底窗口31的光学窗口23的底部47形成的空腔封闭。

虽然为了说明的目的已经在本文中描述了根据本发明的特定实施例以及其一些变型，但对于本领域技术人员来说，其它的变型和修改将变得显而易见。因此，所附权利要求旨在包括落入本发明的真实精神和范围内的所有这些变型和修改。