CN102129101A - 带耦合透镜的高速蝶形封装管壳及光发射器组件、制造工艺 - Google Patents

带耦合透镜的高速蝶形封装管壳及光发射器组件、制造工艺 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光纤通信技术领域，公开了一种带耦合透镜的高速蝶形封装管壳及光发射器组件，以及该组件的制造工艺。该组件主要包括：蝶形金属陶瓷管壳，尾部有一开口，开口的内侧有一镀金层；半导体制冷器，固定在管壳里面；热沉，固定在半导体制冷器上；过渡块、准直透镜和光学隔离器，都固定在热沉上；热敏电阻、发射器芯片和背光探测器，固定在过渡块上；聚焦透镜，是用金属模具将金属套筒和透镜玻璃压制一体成型的，金属套筒的外侧还有一镀金层，聚焦透镜通过AuSn焊料焊接固定在蝶形金属陶瓷管壳的开口处；焊接工件和陶瓷光纤插针，焊接固定在管壳上。本发明的聚焦透镜直接焊接在管壳上，不需要特殊的光学校准平台，工艺简单，生产成本大大降低。

Description

带耦合透镜的高速蝶形封装管壳及光发射器组件、制造工艺
技术领域
本发明涉及光纤通信技术领域，尤其涉及一种高速蝶形封装管壳及光发射器组件(TOSA)的设计，该光发射器组件主要用于10Gb/s及以上的光纤通信***。
背景技术
光发射器组件是现代光纤通信的核心器件，速率小于10Gb/s的光发射器组件通常采用TO-Can封装，10Gb/s及以上的高速光发射器组件通常采用蝶形封装以提高器件的高频性能。光发射器组件的光学输出都是耦合光发射芯片的输出到单模光纤或单模插针，但由于单模发射器芯片和单模光纤的模相差较大，为了保证光路的稳定性和耦合效率，高速蝶形器件耦合光路的设计一般采用准直、聚焦的双透镜的结构(图1)。现代光通信对可插拔、低功耗的光收发器件的速率提出了越来越高的要求，传统的蝶形封装光发射器件的体积和功耗都不能满足光收发器件要求，高速光发射器件向小型化的蝶形封装TOSA快速发展。由于多源协议的高速小型化TOSA的尺寸很小，不能采用传统的双透镜结构，现有的技术一般是采用以下两种方式：1、采用在低速TOSA封装上使用的单透镜结构(图2)；2、采用在管壳的光窗外焊接聚焦透镜的方式(图3)。方法1由于采用单透镜结构，耦合效率和光路的稳定性明显劣于双透镜结构。方法2由于要在管壳上同时焊接聚焦透镜和光纤插针，工艺实现非常复杂，仪器和生产成本都非常高。这两种方法都采用带玻璃光窗的管壳以实现密封。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种高速蝶形封装管壳及光发射器组件，其通过在管壳上直接焊接透镜来代替光窗，实现准直、聚焦的双透镜的结构，解决了TOSA多源协议对体积限制的问题，实现了高耦合效率和稳定性的光路设计，也能保证管壳的密封性，通过减少热沉上的部件以减小器件的功耗。在小型化的TOSA中通过将隔离器置于准直和聚焦透镜的中间的平行光以提高器件的光学隔离度；通过将隔离器置于温度控制的环境中能保证器件在整个工作温度范围内的隔离度。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的产品技术方案是：一种带耦合透镜的高速蝶形封装管壳及光发射器组件，其主要包括：
蝶形金属陶瓷管壳，尾部有一开口，开口的内侧有一镀金层；
半导体制冷器，焊接固定在蝶形金属陶瓷管壳里面；
热沉，焊接固定在半导体制冷器上；
过渡块，焊接固定在热沉上；
热敏电阻、发射器芯片和背光探测器，都焊接固定在过渡块上；
准直透镜，焊接固定在热沉上；
光学隔离器，固定在热沉上，处于准直透镜和聚焦透镜的中间，从而确保该组件的光学隔离度；
聚焦透镜，是用金属模具将金属套筒和透镜玻璃压制一体成型的，金属套筒的外侧还有一镀金层，聚焦透镜通过AuSn焊料焊接固定在蝶形金属陶瓷管壳的开口处；
焊接工件和陶瓷光纤插针，焊接固定在蝶形金属陶瓷管壳上。
作为优选的技术方案，所述蝶形金属陶瓷管壳的金属部分为可阀，高频输入的陶瓷部分为氧化铝，两者通过高温焊接在一起。
作为优选的技术方案，所述热沉采用钨铜或镍材料。
作为优选的技术方案，所述过渡块为氮化铝材料制成的高频薄膜电路，过渡块通过焊料焊接在热沉上。
作为优选的技术方案，所述光学隔离器采用环氧树脂固定在热沉上。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的工艺技术方案是：一种带耦合透镜的高速蝶形封装管壳及光发射器组件的制造工艺，其主要包括以下步骤：
在蝶形金属陶瓷管壳的尾部的开口的内侧镀上一层镀金层；
在金属套筒的外侧镀上一层镀金层；
用金属模具将金属套筒和透镜玻璃压制一体成型为聚焦透镜，以保证金属套筒和透镜玻璃之间的气密性；
将聚焦透镜通过AuSn焊料焊接固定在蝶形金属陶瓷管壳的开口处，以达到包括聚焦透镜在内的蝶形金属陶瓷管壳的密封性；
将半导体制冷器焊接在蝶形金属陶瓷管壳里面，焊接是要保证没有焊接空隙，以保证良好的热传导和器件的长期可靠性；
将热敏电阻、发射器芯片和背光探测器焊接固定在过渡块上，然后将过渡块焊接在热沉上，再通过光学耦合平台将准直透镜和隔离器固定在热沉上；
将焊接好后的热沉组件在高倍显微镜下准确的焊接于焊有半导体制冷器和聚焦透镜的管壳内，焊接过程中要保证光路的准直；
将焊接工件和陶瓷光纤插针激光焊接在蝶形金属陶瓷管壳外以实现光纤耦合，焊接工件用来调整陶瓷光纤插针的位置以实现最大的耦合效率。
本发明采用在管壳上直接焊接透镜来替代传统的平面玻璃密封光窗，从而在实现密封功能的同时，也可以实现透镜的耦合功能，在小型化的高速蝶形TOSA器件中实现了高耦合效率和稳定性的双透镜结构设计；本发明TOSA的隔离器处于准直透镜和聚焦透镜的中间的平行光，由于光学隔离器都是为平行光所设计，从而确保该TOSA器件的光学隔离度；同时通过将隔离器置于温度控制的环境中，从而消除了隔离器的隔离度随温度变化的影响，保证该TOSA器件在工作温度范围内的隔离度。本发明的聚焦透镜通过直接焊接在管壳上，不需要特殊的光学校准平台，工艺简单，生产成本大大降低。
附图说明
图1是传统高速蝶形器件的内部结构。
图2是现有技术的单透镜的高速蝶形TOSA器件结构。
图3是现有技术的双透镜的高速蝶形TOSA器件结构。
图4是本发明的小型化高速蝶形TOSA的结构图。
图5是本发明所用的蝶形金属陶瓷管壳1。
图6是本发明所用的焊接于蝶形金属陶瓷管壳上的透镜。
主要元件说明：1管壳，2半导体制冷器，3热沉，4过渡块，5热敏电阻，6光学隔离器，7焊接工件，8陶瓷光纤插针，9聚焦透镜，10准直透镜，11发射器芯片，12背光探测器，13玻璃光窗，14耦合透镜，15可阀金属管壳，16高频陶瓷电路，17镀金层，18金属套管，19镀金层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
图4为本发明的小型化高速蝶形TOSA器件的结构图。该高速蝶形TOSA器件包括：
蝶形金属陶瓷管壳1，管壳的金属部分为可阀，高频输入的陶瓷部分为氧化铝；
半导体制冷器2，该半导体制冷器焊接在蝶形金属陶瓷管壳1里面；
热沉3，热沉是钨铜或镍材料，该热沉通过焊料焊接在半导体制冷器2上；
过渡块4，过渡块为氮化铝材料制成的高频薄膜电路，过渡块4通过焊料焊接在热沉3上；
热敏电阻5、发射器芯片11和背光探测器12焊接固定在过渡块4上；
准直透镜10通过激光焊接固定在热沉3上；
光学隔离器6，光学隔离器用环氧树脂固定在热沉3上；
聚焦透镜9用AuSn焊料焊接在蝶形金属陶瓷管壳1的开口处；
焊接工件7和陶瓷光纤插针8通过激光焊接在管壳1上。
本高速蝶形TOSA器件的实施例中，蝶形金属陶瓷管壳1将可阀金属管壳15和高频陶瓷电路16通过高温焊接在一起。可阀材料具有良好的导热性和低的热膨胀系数，可以保证TOSA器件在宽的温度范围内工作时的性能；同时高频陶瓷电路输入可以保证器件良好的高频性能。在该管壳1的尾部开有一个圆孔，圆孔的内侧镀金形成镀金层17，如图5所示。聚焦透镜9通过金属模具压制成型，保证了金属套筒18和玻璃中的气密性，在聚焦透镜9的金属套筒18的外侧镀金形成镀金层19(如图6所示)，通过AuSn焊料和管壳1焊接在一起，以达到包括聚焦透镜9的管壳的密封性。然后半导体制冷器2烧焊在蝶形金属陶瓷管壳1里面，焊接是要保证没有焊接空隙，以保证良好的热传导和器件的长期可靠性。热沉3及其上的部件在管壳外焊接完成，具体是首先将热敏电阻5、发射器芯片11、和背光探测器12焊接在过渡块4上，然后将过渡块焊接在热沉3上，再通过光学耦合平台固定准直透镜10和隔离器6。焊接好后的热沉组件在高倍显微镜下准确的焊接于焊有半导体制冷器和聚焦透镜的管壳内，焊接过程中要保证光路的准直。最后通过激光焊接将焊接工件7和陶瓷光纤插针8焊接在管壳外以实现光纤耦合，焊接工件7用来调整陶瓷光纤插针8的位置以实现最大的耦合效率。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (6)

1.一种带耦合透镜的高速蝶形封装管壳及光发射器组件，其特征在于，其主要包括：
蝶形金属陶瓷管壳，尾部有一开口，开口的内侧有一镀金层；
半导体制冷器，焊接固定在蝶形金属陶瓷管壳里面；
热沉，焊接固定在半导体制冷器上；
过渡块，焊接固定在热沉上；
热敏电阻、发射器芯片和背光探测器，都焊接固定在过渡块上；
准直透镜，焊接固定在热沉上；
光学隔离器，固定在热沉上，处于准直透镜和聚焦透镜的中间，从而确保该组件的光学隔离度；
聚焦透镜，是用金属模具将金属套筒和透镜玻璃压制一体成型的，金属套筒的外侧还有一镀金层，聚焦透镜通过AuSn焊料焊接固定在蝶形金属陶瓷管壳的开口处；
焊接工件和陶瓷光纤插针，焊接固定在蝶形金属陶瓷管壳上。
2.如权利要求1所述的带耦合透镜的高速蝶形封装管壳及光发射器组件，其特征在于，所述蝶形金属陶瓷管壳的金属部分为可阀，高频输入的陶瓷部分为氧化铝，两者通过高温焊接在一起。
3.如权利要求1所述的带耦合透镜的高速蝶形封装管壳及光发射器组件，其特征在于，所述热沉采用钨铜或镍材料。
4.如权利要求1所述的带耦合透镜的高速蝶形封装管壳及光发射器组件，其特征在于，所述过渡块为氮化铝材料制成的高频薄膜电路，过渡块通过焊料焊接在热沉上。
5.如权利要求1所述的带耦合透镜的高速蝶形封装管壳及光发射器组件，其特征在于，所述光学隔离器采用环氧树脂固定在热沉上。
6.一种带耦合透镜的高速蝶形封装管壳及光发射器组件的制造工艺，其主要包括以下步骤：
在蝶形金属陶瓷管壳的尾部的开口的内侧镀上一层镀金层；
在金属套筒的外侧镀上一层镀金层；
用金属模具将金属套筒和透镜玻璃压制一体成型为聚焦透镜，以保证金属套筒和透镜玻璃之间的气密性；
将聚焦透镜通过AuSn焊料焊接固定在蝶形金属陶瓷管壳的开口处，以达到包括聚焦透镜在内的蝶形金属陶瓷管壳的密封性；
将半导体制冷器焊接在蝶形金属陶瓷管壳里面，焊接是要保证没有焊接空隙，以保证良好的热传导和器件的长期可靠性；
将热敏电阻、发射器芯片和背光探测器焊接固定在过渡块上，然后将过渡块焊接在热沉上，再通过光学耦合平台将准直透镜和隔离器固定在热沉上；
将焊接好后的热沉组件在高倍显微镜下准确的焊接于焊有半导体制冷器和聚焦透镜的管壳内，焊接过程中要保证光路的准直；
将焊接工件和陶瓷光纤插针激光焊接在蝶形金属陶瓷管壳外以实现光纤耦合，焊接工件用来调整陶瓷光纤插针的位置以实现最大的耦合效率。
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