CN108107515A - 多通道并行发射器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种发射器件，属于光通信技术领域，具体是涉及一种多通道并行发射器件。包括至少一个封装单元，所述封装单元包括至少两路轴对称设置的激光器芯片，所述激光器芯片通过合波器件耦合成一路并通过隔离器耦合于光纤中。该器件具有尺寸小、性能良好、高可靠性、易耦合、可批量化、易互换性，可应用于CWDM、LWDM波长，可封装于QSFP28、QSFP DD等模块中。

Description

多通道并行发射器件

技术领域

本发明涉及一种发射器件，属于光通信技术领域，具体是涉及一种多通道并行发射器件。

背景技术

现今采用多通道光信号并行收发的QSFP28、PSM4等100Gbps速率以下的光模块多采用4信道方式传输光信号，如4*25G型，其器件级的光路主流有两种方式，一种方式为器件内部集成，即将波分复用组件集成在器件内部，如专利CN201310751180.2，另一种方式为模块内部集成，即采用大尺寸、尾纤型波分复用器将分离器件集成在模块内。这是两种工艺平台，各有优点。但是随着光通信行业的飞速发展，200Gbps和400Gbps的光模块已经越来越多的研究。以200G为例，不论是4*50Gbps还是8*25Gbps都存在待攻克的难题，例如前者难以获得商用并批量的50Gbps芯片，后者因为通道数过多，难以实现器件的小型化集成。对于多波长合波的技术方案通常有以下几种：一、波导型，如AWG以及刻蚀型光栅，二、滤光片型，如Z字型或W型滤光片组合，三、偏振合波，如PBS、反射片及起偏器组合。这几种类型通常的做法是集成在光器件内部，以小插损、小尺寸为要求。但是对于8*25Gbps类型的器件级方案，8波长合波采用以上三种方式都不大适用，比如一、AWG型，8波的AWG芯片本身长度至少10mm，并且波导与激光器芯片需要会聚透镜耦合，会造成器件总体长度过长而不满足器件封装要求；二、滤光片型，以8片滤光片式Z字型滤光片组件为例，因各元件是自由贴装的，贴装的公差会累积到最后几个通道，造成最后通道的工艺公差很敏感，比如第1通道的滤光片元件存在0.1度的角度偏差，那么光路传播到第8通道时，该偏差角被放大12倍，即偏差角变成1.2度，而平行光耦合的角度容差不通过1度，对可靠性要求的角度容差不超过0.2度，同时会造成严重的横向错位，造成第8通道耦合效率极低，为保证最后几通道的容差，只能要求前几通道的光学元件具有很高的贴装精度和可靠性要求。因此这种结构中前端的通道会影响到后端通道的工艺。该滤光片型很难满足耦合要求以及可靠性要求，因此不合适批量制作；三、偏振合波，PBS元件组合尺寸很宽很大，会严重限制器件的宽度和长度。

然而，如果***的插损代价足够，以牺牲耦合效率为代价，在满足器件尺寸的要求下，是可以实现8波长合波，如8通道分路器、4通道分路器和3dB分路器。

本专利的目的是提出以牺牲耦合效率为代价而实现器件封装的可行的方法及结构，以解决8*25Gbps的器件及模块级的封装问题。

发明内容

本发明主要是解决现有技术所存在的上述的技术问题，提供了一种多通道并行发射器件。该器件具有尺寸小、性能良好、高可靠性、易耦合、可批量化、易互换性，可应用于CWDM、LWDM波长及DWDM，可封装于QSFP28、QSFP DD及QSFP56等模块中。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种多通道并行发射器件，包括至少一个封装单元，所述封装单元包括至少两路轴对称设置的激光器芯片，所述激光器芯片通过合波器件耦合成一路并经隔离器耦合于光纤中。

优选的，上述的一种多通道并行发射器件，所述合波器件是耦合透镜，所述激光器芯片相对于对称轴以一定角度入射所述耦合透镜从而实现合波。

优选的，上述的一种多通道并行发射器件，所述封装单元还包括轴对称设置的至少两个背光探测芯片，设置于所述激光器芯片后方。

优选的，上述的一种多通道并行发射器件，所述封装单元设置于TO底座上；所述TO底座有一在水平方向上的延伸区域，所述延伸区域上设置有一突起的过渡块，所述封装单元设置于该过渡块上；所述延伸区域上设置有一TO帽，所述TO帽罩住所述封装单元并且其内气密封。

优选的，上述的一种多通道并行发射器件，所述封装单元为多个，封装于一个BOX管壳内，通过四通道分路器合波。

优选的，上述的一种多通道并行发射器件，所述隔离器前设置准直器，合波后的光信号通过准直器耦合于光纤中。

优选的，上述的一种多通道并行发射器件，所述封装单元为两个以上，分多层布置封闭于BOX管壳内，不同层间通过准直透镜合波于光纤中。

优选的，上述的一种多通道并行发射器件，BOX管壳的尾端嵌入陶瓷电接口，陶瓷电接口的工作区域分成四个部分，包括：上表面和下表面位于管壳的外部区域，上表面和下表面位于管壳的内部区域，上下表面两个区域的焊盘按焊盘引脚定义依次排列、电路连续且是阻抗匹配的。

优选的，上述的一种多通道并行发射器件，所述合波器件包括准直镜，滤光组件，所述滤光组件包括玻璃支架，所述玻璃支架两侧分别设置滤光片和反射镜；所述反射镜上设置至少一个透射区域；所述激光器芯片发射的光通过准直镜准直后再经滤光片进入玻璃支架，经所述反射镜反射最后汇聚成一路经所述透射区域耦合至隔离器。

优选的，上述的一种多通道并行发射器件，所述激光器芯片为8个，构成8通道，其中四个通道为一组耦合于一个准直器中，两个准直器间通过3dB分路器合波。

因此，本发明具有如下优点：采用TO型封装和BOX封装两种形式，具有尺寸小、性能良好、高可靠性、易耦合、可批量化、易互换性，可应用于CWDM、LWDM波长及DWDM，可封装于QSFP28、QSFP DD及QSFP56等模块中。

附图说明

附图1是小型TO封装型器件示意图；

附图2是小型TO封装型器件光路图；

附图3是TO型器件封装8通道模块示意图1；

附图4是BOX型器件封装8通道模块示意图2；

附图5是小型TO封装组合准直器型器件示意图；

附图6是小型TO封装组合准直器型器件光路图；

附图7是四个准直器型器件合波示意图；

附图8是BOX型准直器器件合波示意图；

附图9是1～4通道贴装在下平面的示意图(俯视图)

附图10是5～8通道贴装在上平面的示意图(俯视图)

附图11是BOX型上下分层结构器件示意图(侧视图)

附图12a是下层组件COC侧视图；

附图12b是下层组件COC俯视图；

附图12c是上层组件COC侧视图；

附图12d是上层组件COC俯视图；

附图13a是BOX-滤光片合波型上下分层结构相同朝向示意图；

附图13b是BOX-滤光片合波型上下分层结构器件示意图；

附图14是1-4通道贴装在下平面的示意图(俯视图)；

附图15是5-8通道贴装在上平面的示意图(俯视图)；

附图16a是下层组件COC侧视图；

附图16b是下层组件COC侧视图；

附图16c是上层组件COC侧视图；

附图16d是上层组件COC俯视图；

附图17是滤光片组件耦合光路示意图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

本专利所述的并行光射器件可应用于CWDM和LWDM或者其他具体需求的8信道波长同时工作的情形，为了便于陈述，下面以用于CWDM的8信道接收光器件为例进行说明，其中工作波长采用但不限制于CWDM的常用8个波长或组合：λ₁、λ₂、λ₃、λ₄、λ₅、λ₆、λ₇和λ₈，如1271nm，1291nm，1311nm、1331nm、1471nm、1491nm、1511nm、1531nm等。

为方便说明，对于附图的说明，存在方位词语，如上、下、前、后、左、右等词汇，是以专利文件附图为依据，视线垂直于纸面的俯视角度观察下，以阅读者的身体方位为参考。

这些实施方式并不限制本专利，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法或功能上的变换均包含在本专利的保护范围内。

本专利提出了三种实施方式：

1.第一种方式，器件采用以TO38型器件为代表的小型TO封装，单个TO封装两个激光器芯片，TO和多模光纤封装成独立的器件，模块共采用4个独立的器件，在模块级采用4通道多模纤分路器将4个独立的器件合波。

2.第二种方式，器件采用BOX封装，器件内封装8个激光器芯片，每两个激光器芯片为一组，共四组，每一组与一个多模光纤或多模准直器耦合，多模光纤或多模准直器连接器件***的4通道多模纤分路器进行合波。

3.第三种方式，器件采用上、下叠层的方式，上叠层和下叠层各封装4路激光器芯片，4路激光器芯片采用4通道Z型滤光片组件进行初级合波，两个初级合波的光信号通过3dB分路器进行二次合波，3dB耦合器封装在模块级。

实施例一、小型TO封装型

发射器件采用小型TO封装的器件，类型不限制于TO38型。单个TO封装两个激光器芯片，TO和多模光纤封装成独立的器件，模块共采用4个独立的器件，在模块级采用4通道多模纤分路器将4个独立的器件合波。

具体如下，如图1所示，小型TO封装型器件包括两个激光器芯片1011、1012，背光探测器芯片1021、1022，耦合透镜1031、1032，光纤104。激光器芯片1011、1012，背光探测器芯片1021、1022，耦合透镜1031、1032和光纤104相对于对称轴105对称设置。激光器芯片1011、1012，背光探测器芯片1021、1022，耦合透镜1031、1032贴装在过渡块106上，过渡块106设置在TO底座108的延伸区域107上，背光探测器芯片1021、1022贴装在激光器芯片1011、1012的后方，耦合透镜1031、1032贴装在激光器芯片1011、1012的前方。激光器芯片1011、1012倾斜贴装，其中激光器芯片1011前向出光方向向下倾斜靠近对称轴105，激光器芯片1012前向出光方向向上倾斜靠近对称轴105。贴装好的TO封装TO帽109，形成气密封装，TO帽109为平窗型TO帽。光纤104与封装的TO之间采用同轴型管体110连接。同轴型管体110可以是金属型管体，也可以是塑料型管体。光纤104位于同轴型管体110外侧(图中右侧)，通过激光焊接或者胶粘方式固定。在封装的TO与光纤104之间还可设置光隔离器111，对两个通道的反射光信号同时具有隔离功能。由于两个通道相对对称轴105对称分布，为避免光隔离器111的表面反射对激光器芯片的影响，光隔离器111优选磁光型隔离器，内部的晶体呈4～10度(优选8度)角倾斜设置，并且倾斜方向朝上倾斜(相对于俯视方向)，使得晶体的反射光不在主光路平面内传播，避免两通道之间的光干扰。

另外考虑到两个器件芯片封装在小型TO内部，激光器芯片发热量大，可以在过渡块106与底座延伸部分107之间贴装小型制冷器(简称TEC，Thermo Electric Cooler)。

光纤104推荐多模光纤，也可以是单模光纤，其端面优选为UPC面或PC面。为减少端面的回损，可将端面镀增透膜。器件光路图如图2所示。两通道光路相对对称轴105对称分布，激光器芯片1011(1012)发射的前向光经过耦合透镜1031(1032)向下(向上)倾斜会聚到光纤104中，因为光纤104优选多模光纤，每个通道均很容易耦合，以最大耦合效率的方式耦合。

为保证耦合效率并考虑隔离度等其他光学指标，激光器芯片1011(1012)倾斜角度相对较小，以保证经过耦合透镜1031(1032)会聚的光束的传播方向的倾斜角度201位于2～8度之间，角度根据不同的耦合透镜而适当变化。

由于激光器芯片1011(1012)与光纤104之间仅采用一个会聚型透镜1031(1032)，并且不同的通道之间相互独立，不存在光学组件的贴装精度的影响，具有光路简单、空间尺寸小、分布灵活、高耦合容差的特点，其耦合角度容差可以允许+/-5度,远优于滤光片型的平行光结构。

同时单激光器芯片与多模光纤的耦合，在优选非球透镜的情况下，耦合效率可提升到80％以上，即1dB的插损，考虑后端的4通道分路器的6dB损耗，总损耗可以控制在7dB，考虑预留耦合容差1.5dB，可控制在8.5dB。对于8通道的高速激光器芯片，其通常的出光功率为+5～+8dBm，因此该结构可以将光模块的出光功率控制在-2.5～-0.5dBm之间，满足光模块指标。

对于8通道的组合方式，如图3、图4所示。图3所示的封装方式为4个TO型器件通过4通道分路器合波。4个TO型器件3011、3012、3013和3014的光口分别为3021、3022、3023和3024，光口3021、3022、3023、3024与4通道分路器合波303之间通过多模纤熔接在一起，分别作为4通道分路器合波303的单路通道。因为4通道分路器合波的各个通道是均匀拉制的，四个通道的插损值基本相同，约为6dB损耗。

图4所示的封装方式为将8个芯片封装在一个BOX管壳内，通过4通道分路器合波。与图1所示的小型TO型结构类同，将激光器芯片、背光探测器芯片、耦合透镜、隔离器和光纤(可根据需要添加TEC)组装成一组单元，组装方式参照图1，不再详述，每个单元4011、4012、4013、4014的光口分别为4021、4022、4023、4024，四个光口与4通道分路器403的四个多模光纤熔接在一起，分别作为4通道分路器合波403的单路通道。四个单元4011、4012、4013、4014共同封装在BOX管壳404内部。因为4通道分路器403的四个多模光纤需要穿过管壳404，因此通常情况下管壳404制作成非气密封装型，四个多模光纤在管壳404的光窗口穿透，之后在管壳404的光窗口处添加密封保护胶。

实施例二、小型TO封装组合准直器型

器件采用以TO38型器件为代表的小型TO封装，单个TO封装两个激光器芯片，TO和多模准直器封装成独立的器件，模块共采用4个独立的器件，在模块级采用4通道多模纤分路器将4个独立的器件合波。

如图5所示，器件包含激光器芯片5011、5012，准直透镜5021、5022，背光探测器芯片5031、5032，尾纤型准直器504，过渡块505，TO底座507，平窗帽508，管壳509，可选择设置隔离器510。激光器芯片5011、5012，准直透镜5021、5022和背光探测器芯片5031、5032贴装在过渡块505上，过渡块505设置在TO底座507的延伸区域506上，背光探测器芯片5031、5032贴装在激光器芯片5011、5012的后方，耦合透镜5021、5022贴装在激光器芯片5011、5012的前方。激光器芯片5011、5012，背光探测器芯片5031、5032，耦合透镜5021、5022和准直器504相对于对称轴511对称设置。激光器芯片5011、5012平行于对称轴511贴装，以确保两通道发射的前光平行于对称轴511。贴装好的TO气密封装TO帽508，TO帽508为平窗型TO帽。准直器504与封装的TO之间采用同轴型管体509连接。同轴型管体509可以是金属型管体，也可以是塑料型管体，可以封焊于TO底座507上，也可以激光焊接于平窗帽508上。准直器504的一部分(优选大于1/2的长度)嵌于同轴型管体509一侧(图中右侧)，通过激光焊接或者胶粘方式固定在同轴型管体509上。在封装的TO与准直器504之间还可设置光隔离器510，对两个通道的反射光信号同时具有隔离功能。由于两个通道相对对称轴511对称分布，为避免光隔离器510的表面反射对激光器芯片的影响，光隔离器510优选磁光型隔离器，内部的晶体呈4～10度(优选8度)角倾斜设置，并且倾斜方向朝下倾斜(相对于俯视方向)，使得晶体的反射光不在主光路平面内传播，避免两通道之间的光干扰。

另外考虑到两个器件芯片封装在小型TO内部，激光器芯片发热量大，可以在过渡块505与底座延伸部分506之间贴装TEC。

准直器504的尾纤5041推荐采用多模光纤，也可以是单模光纤，准直器类型可为C-lens、G-lens、D-lens、非球透镜以及其他类型的准直器。器件光路图如图6所示。两通道光路相对对称轴511对称分布，激光器芯片5011(5012)发的前向光经过耦合透镜5021(5022)平行于对称轴511以准平行光的形式传播到准直器504的准直透镜中，被准直透镜会聚到尾纤5041中。因为尾纤5041优选多模光纤，每个通道均很容易耦合，以最大耦合效率的方式耦合。

为保证耦合效率并考虑隔离度等其他光学指标，激光器芯片5011与5012之间的距离相对较小，以保证到达准直器504前端面的两束光的间距尽可能的小，间距可根据准直透镜5021、5022的尺寸相应的更改，优选的间距为500um或750um。

为确保足够的通光口径以及角度容差，准直器504采用优选G-lens型大口径型号。由于激光器芯片5011(5012)与准直器04之间仅采用一个准直型透镜5021(5022)，不需要进行波长选择，并且不同的通道之间相互独立，不存在光学组件的贴装精度的影响，具有光路简单、空间尺寸小、分布灵活、高耦合容差的特点，其耦合角度容差可以允许+/-1.2度,优于滤光片型的平行光结构。

同时单激光器芯片与多模光纤的耦合，在优选非球透镜的情况下，耦合效率可提升到80％以上，即1dB的插损，考虑后端的4通道分路器的6dB损耗，总损耗可以控制在7dB，考虑预留耦合容差1.5dB，可控制在8.5dB。对于8通道的高速激光器芯片，其通常的出光功率为+5～+8dBm，因此该结构可以将光模块的出光功率控制在-2.5～-0.5dBm之间，满足光模块指标。

对于8通道的组合方式，如图7所示。图7所示的封装方式为4个TO型器件通过4通道分路器合波。每个TO型器件参考图5，此处不再详细描述。4个TO型器件6011、6012、6013和6014的准直器尾纤分别为6021、6022、6023和6024，尾纤6021、6022、6023和6024与4通道分路器合波603之间通过多模纤熔接在一起，分别作为4通道分路器合波603的单路通道。因为4通道分路器合波的各个通道是均匀拉制的，四个通道的插损值基本相同，约为6dB损耗。

实施例三、BOX封装组合准直器型

该类型的特点是一个BOX管壳内封装8个激光器芯片，在器件外部连接4通道分路器进行合波。根据空间分布的不同可细分为两种，一种是8个通道均贴装在一个平面内，另一种是4个通道贴装在下平面，另外4个通道贴装在上平面，实行上下分层的空间分布。

对于第一种的8通道贴装在一个平面内，如图8所示。该封装方式为将8个芯片封装在一个BOX管壳内，通过4通道分路器合波。与图1所示的小型TO型结构类同，将激光器芯片、背光探测器芯片、耦合透镜、隔离器和准直器(可根据需要添加TEC)组装成一组单元，各单元的组装方式参照图1，不再详述，四个单元共同封装在一个平面型的底板上。8个通道组成四个单元7011、7012、7013、7014，对应的准直器输出端尾纤分别为7021、7022、7023、7024，四个尾纤与4通道分路器703的四个多模光纤熔接在一起，分别作为4通道分路器合波703的单路通道。四个单元7011、7012、7013、7014共同封装在BOX管壳704内部。因为4通道分路器703的四个多模光纤需要穿过管壳704，因此通常情况下管壳704制作成非气密封装型，四个多模光纤在管壳704的光窗口穿透，之后在管壳704的光窗口处添加密封保护胶。

对于第二种的8通道贴装在上下层的方式如图9～图12d所示。1～4通道贴装在下层，5～8通道贴装在上层，实行上下分层的空间分布。如图11所示，下层结构的光学元件的光轴均位于下基准平面814内或平行于下基准平面814，上层结构的光学元件的光轴均位于上基准平面815内或平行于上基准平面815。由于器件采用上下分层结构，为便于器件的封装，将激光器芯片、背光探测器芯片、耦合透镜共同贴装在一个底板上，形成COC(Chip onCarrier)组件。图9所示为1～4通道贴装在下层结构的示意图，下层结构包括两个准直器8011、8012，下层COC组件802，支架8041、8042，BOX管壳805，也可选择设置隔离器812，其中支架8041和8042的作用是放置上层结构的COC组件803，位于下层COC组件802的两侧，靠近管壳805的两侧壁贴装。支架8041和8042高度相同，也可以制作成一件U型结构支架。图10所示为5～8通道贴装在上层结构的示意图，上层结构包括两个准直器8013、8014，上层COC组件803，BOX管壳805，也可选择设置隔离器812，其中COC组件803放置在支架8041和8042上。

BOX管壳805的尾端嵌入陶瓷电接口806，部分镶嵌在管壳805内部，位于COC组件802的左侧。陶瓷电接口806的工作区域可细分成四个部分，上表面80611、80612和下表面80621、80622，其中上表面80611和下表面80621位于管壳的外部区域，上表面80612和下表面80622位于管壳的内部区域。上表面80611、80612和下表面80621、80622分别对应上层结构和下层结构。上表面80611、80612均朝向陶瓷电接口806的上方。上表面80611、80612上设置有高速信号焊盘及直流信号焊盘，上表面80611和80612这两个区域的所有焊盘都是按焊盘引脚定义依次排列、电路连续的并且是阻抗匹配的，通过高频设计仿真得出并通过实验反复验证。位于管壳内部区域80612上的焊盘与上层COC通过金丝键合进行电信号的互联。

陶瓷电接口下表面略有复杂，下表面区域80621朝向陶瓷电接口806的下方，而区域80622朝向陶瓷电接口806的上方。同样的，下表面区域80621、80622上设置有高速信号焊盘及直流信号焊盘，下表面80621和80622这两个区域的所有焊盘都是按焊盘引脚定义依次排列、电路连续的并且是阻抗匹配的，通过高频设计仿真得出并通过实验反复验证。位于管壳内部区域80622上的焊盘与上层COC通过金丝键合进行电信号的互联。

如图12a、b所示，下层组件COC 802包含激光器芯片8081、8082、8083、8084，背光探测器芯片8091、8092、8093、8094，准直透镜8071、8072、8073、8074，过渡块8111、8112，基板8101，隔离器8121、8122、8123、8124，必要时可添加TEC。由于准直透镜807的厚度大于激光器芯片808的厚度，可以选择在激光器808和背光探测器芯片809下方垫一个小型的过渡块，也可以将过渡块811做成两个台阶形状，预留准直透镜807的高度空间。第1、2通道的激光器芯片8081、8082，背光探测器芯片8091、8092，和准直透镜8071、8072共同贴装在过渡块8111的上方，设计时保证光学元件的光轴同轴并且位于下基准平面815。第3、4通道的激光器芯片8083、8084，背光探测器芯片8093、8094，和准直透镜8073、8074共同贴装在过渡块8112的上方，设计时保证光学元件的光轴同轴并且位于下基准平面815。四个通道均贴装在基本8101上方。四个通道的激光器芯片平齐、准直透镜平齐，以保证四个通道的光程相同。过渡块8111、8112材料可为紫铜、钨铜、陶瓷等高导热材料，优选氮化铝陶瓷。基板8101可制作成L型也可以制作成平板型，材料可为紫铜、钨铜、陶瓷等高导热材料，优选钨铜。

如图12c、d所示，上层组件COC 803包含激光器芯片8085、8086、8087、8088，背光探测器芯片8095、8096、8097、8098，准直透镜8075、8076、8077、8078，过渡块8113、8114，基板8102，隔离器8125、8126、8127、8128，必要时可添加TEC。由于准直透镜807的厚度大于激光器芯片808的厚度，可以选择在激光器808和背光探测器芯片809下方垫一个小型的过渡块，也可以将过渡块811做成两个台阶形状，预留准直透镜807的高度空间。第5、6通道的激光器芯片8085、8086，背光探测器芯片8095、8096，和准直透镜8075、8076共同贴装在过渡块8113的上方，设计时保证光学元件的光轴同轴并且位于上基准平面814。第7、8通道的激光器芯片8087、8088，背光探测器芯片8097、8098，和准直透镜8077、8078共同贴装在过渡块8114的上方，设计时保证光学元件的光轴同轴并且位于上基准平面814。四个通道均贴装在基本8102上方。四个通道的激光器芯片平齐、准直透镜平齐，以保证四个通道的光程相同。过渡块8113、8114材料可为紫铜、钨铜、陶瓷等高导热材料，优选氮化铝陶瓷。基板8102可制作成L型也可以制作成平板型，材料可为紫铜、钨铜、陶瓷等高导热材料，优选钨铜。基板8102因设置在上层结构，它的宽度和长度均增加。

每两个通道(如第1、2路)与一个准直器801通过平行光的形式耦合。光路传播请参见图6描述，此处不再详述。对于8通道合一的方式，采用4通道的分路器807合波。4通道分路器807的四个通道分别与四个准直器的尾纤熔接在一起。4通道分路器的公共端根据模块的协议不同采用不同的光接口，如LC型。

实施例四、滤光片型初级合波，3dB分路器二次合波

器件采用BOX封装，可制作成气密封装，也可制作成非气密封装。器件内采用上下分层结构，每层结构封装4个通道，每4个通道采用滤光片组件与公用准直器进行合波。合波后的两层结构再采用3dB分路器(即两通道分路路)将两层结构合波。根据空间分布的不同可细分为两种，第一种方式是两层结构的朝向相同，两层通过支架的方式实现空间的叠层，如图13a所示，第二种方式是两层结构的朝向相反，中间采用隔板，将两层结构分别贴装在隔板920上，上、下两层相对于隔板920对称分布。两种结构的光学结构相同，存在机械方面管壳不同以及工艺耦合次序不同。其中第一种方式的机械结构与实例三中的图11类似，其管壳属于常规类型，即只有管壳的底面是封闭、顶面是空缺的，在器件上、下层结构的贴装、打线、耦合等工艺完成后对顶面进行平行封焊。第二种方式，因上下两分层朝向相反，其管壳属于异形，即管壳的底面和顶面都是空缺的，在器件上、下层结构的贴装、打线、耦合等工艺完成后，分别对底面和顶面进行平行封焊。第二种方式的优点是上、下两层基本独立，只要工序中工装制作优良，夹具的应力影响很小的情况下，上、下两层的工序基本无相互影响，可提高工时工效。

如图13a～图17所示。1～4通道贴装在下层，5～8通道贴装在上层，实行上下分层的空间分布。如图13a-b所示，下层结构的光学元件的光轴均位于下基准平面918内或平行于下基准平面918，上层结构的光学元件的光轴均位于上基准平面919内或平行于上基准平面919。由于器件采用上下分层结构，为便于器件的封装，将激光器芯片、背光探测器芯片、耦合透镜共同贴装在一个底板上，形成COC组件。图14所示为1～4通道贴装在下层结构的示意图，下层结构包括准直器9011，下层COC组件902，支架9041、9042，BOX管壳905，也可选择设置隔离器9171，其中支架9041和9042的作用是放置上层结构的COC组件903，位于下层COC组件902的两侧，靠近管壳905的两侧壁贴装。支架9041和9042高度相同，也可以制作成一件U型结构支架。图15所示为5～8通道贴装在上层结构的示意图，上层结构包括准直器9012，上层COC组件903，BOX管壳805，也可选择设置隔离器9172，其中COC组件903放置在支架9041和9042上。

关于电接口，与实例三中类似。对于图13a，BOX管壳905的尾端嵌入陶瓷电接口906，部分镶嵌在管壳905内部，位于COC组件902的左侧。陶瓷电接口906的工作区域可细分成四个部分，上表面90611、90612和下表面90621、90622，其中上表面90611和下表面90621位于管壳的外部区域，上表面90612和下表面90622位于管壳的内部区域。上表面90611、90612和下表面90621、90622分别对应上层结构和下层结构。上表面90611、90612均朝向陶瓷电接口906的上方。上表面90611、90612上设置有高速信号焊盘及直流信号焊盘，上表面90611和90612这两个区域的所有焊盘都是按焊盘引脚定义依次排列、电路连续的并且是阻抗匹配的，通过高频设计仿真得出并通过实验反复验证。位于管壳内部区域90612上的焊盘与上层COC通过金丝键合进行电信号的互联。陶瓷电接口下表面区域90621朝向陶瓷电接口906的下方，而区域90622朝向陶瓷电接口906的上方。同样的，下表面区域90621、90622上设置有高速信号焊盘及直流信号焊盘，下表面90621和90622这两个区域的所有焊盘都是按焊盘引脚定义依次排列、电路连续的并且是阻抗匹配的，通过高频设计仿真得出并通过实验反复验证。位于管壳内部区域90622上的焊盘与上层COC通过金丝键合进行电信号的互联。

对于图13b，下表面90621和90623均朝向陶瓷电接口906的下方，其他设置与图13a相同。因图13b中上下两层结构相对隔板920对称分布，电接口906的结构相对简单。

如图16a、b所示，下层组件COC 902包含激光器芯片9081、9082、9083、9084，背光探测器芯片9091、9092、9093、9094，准直透镜9071、9072、9073、9074，过渡块9161，基板9151，必要时可添加TEC。由于准直透镜907的厚度大于激光器芯片908的厚度，可以选择在激光器908和背光探测器芯片909下方垫一个小型的过渡块，也可以将过渡块9161做成两个台阶形状，预留准直透镜907的高度空间。第1、2、3、4通道的激光器芯片9081、9082、9083、9084，背光探测器芯片9091、9092、9093、9094，和准直透镜9071、9072、9073、9074共同贴装在过渡9161的上方，设计时保证光学元件的光轴同轴并且位于下基准平面918。四个通道的激光器芯片平齐、准直透镜平齐。

滤光片组件包含四个通道滤光片9101、9102、9103、9104，玻璃支架9111，反射膜或反射片9121和透射膜9131。四个通道滤光片9101、9102、9103、9104均为带通滤光片，只对本通道波段的光透射，对其他波段的光反射，贴装在玻璃支架9111的左侧，靠近准直透镜908。反射膜或反射片9121为全反射膜或全反射片，制作或贴装在玻璃支架的右侧，靠近准直器901，透射膜9131为四个通道的公共区域，为增透膜，作为滤光片组件的光窗。玻璃支架9111可以是实心结构也可以是空心结构。整个滤光片组件的设置需要保证四通道具有良好的一致性。

过渡块9161材料可为紫铜、钨铜、陶瓷等高导热材料，优选氮化铝陶瓷。基板9151可制作成L型也可以制作成平板型，材料可为紫铜、钨铜、陶瓷等高导热材料，优选钨铜。

如图16c、d所示，上层组件COC 903包含激光器芯片9085、9086、9087、9088，背光探测器芯片9095、9096、9097、9098，准直透镜9075、9076、9077、9078，过渡块9162，基板9152，必要时可添加TEC。由于准直透镜907的厚度大于激光器芯片908的厚度，可以选择在激光器908和背光探测器芯片909下方垫一个小型的过渡块，也可以将过渡块9162做成两个台阶形状，预留准直透镜907的高度空间。第5、6、7、8通道的激光器芯片9085、9086、9087、9088，背光探测器芯片9095、9096、9097、9098，和准直透镜9075、9076、9077、9078共同贴装在过渡块9162的上方，设计时保证光学元件的光轴同轴并且位于上基准平面919。四个通道的激光器芯片平齐、准直透镜平齐。

滤光片组件包含四个通道滤光片9105、9106、9107、9108，玻璃支架9112，反射膜或反射片9122和透射膜9132。四个通道滤光片9105、9106、9107、9108均为带通滤光片，只对本通道波段的光透射，对其他波段的光反射，贴装在玻璃支架9112的左侧，靠近准直透镜908。反射膜或反射片9122为全反射膜或全反射片，制作或贴装在玻璃支架的右侧，靠近准直器901，透射膜9132为四个通道的公共区域，为增透膜，作为滤光片组件的光窗。玻璃支架9112可以是实心结构也可以是空心结构。整个滤光片组件的设置需要保证四通道具有良好的一致性。

过渡块9162材料可为紫铜、钨铜、陶瓷等高导热材料，优选氮化铝陶瓷。基板9152可制作成L型也可以制作成平板型，材料可为紫铜、钨铜、陶瓷等高导热材料，优选钨铜。对于图13a中的基板9152因设置在上层结构，它的宽度和长度均增加。

上、下分层处的光隔离器9171、9172可以设置在器件内部、也可以镶嵌在管壳905光口处，也可以设置在管壳外部。对于气密封装的器件，准直器9011、9012设置在管壳905光口外侧，对于非气密封装的器件，准直器9011、9012可镶嵌在管壳905光口处。

对于光路，以下层结构为例，激光器芯片9081发射发散光锥，光的偏振为准线偏振光，发散光锥之后通过准直透镜9071准直，在滤光片组件中以准平行光的形式传播，首先透过滤光片9101的中心附近，再在玻璃支架内传播，再到达反射膜或反射片9121而被反射，因滤光片结构设置，可以保证反射后的光束到达第二通道的滤光片9102的中心附近，因滤光片9102对第一通道的波段反射，光束被重新反射到玻璃支架内，之后再次到达反射膜或反射片9121而被反射，之后到达第三通道的滤光片9103的中心附近，被滤光片9103反射到璃支架内，之后再次到达反射膜或反射片9121而被反射，之后到达第四通道的滤光片9104的中心附近，被滤光片9104反射到璃支架内，之后到达透射区域9131，之后透过隔离器9171到达准直器9011，耦合到准直器的尾纤中。第二、三、四路的光路与第一路基本相同，只是反射次数不同。

该结构由于采用了上下分层结构，其光路实际相当于两个独立的四通道结构，因此该结构只需要考虑四通道的耦合容差以及可靠性容差。

同时单激光器芯片与多模准直器光纤的耦合，在优选非球准直透镜的情况下，耦合效率可提升到80％以上，即1dB的插损，考虑后端的3dB分路器的3dB损耗，总损耗可以控制在4dB，考虑预留耦合容差1.5dB，可控制在5.5dB。对于8通道的高速激光器芯片，其通常的出光功率为+5～+8dBm，因此该结构可以将光模块的出光功率控制在-0.5～+2.5dBm之间，满足光模块指标，并且具有较大的余量。

对于8通道合一的方式，采用3dB分路器907合波。3dB分路器907的两个通道分别与两个准直器9011、9012的尾纤熔接在一起。3dB分路器的公共端根据模块的协议不同采用不同的光接口，如LC型。本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种多通道并行发射器件，其特征在于，包括至少一个封装单元，所述封装单元包括至少两路轴对称设置的激光器芯片，所述激光器芯片通过合波器件耦合成一路并经隔离器耦合于光纤中。

2.根据权利要求1所述的一种多通道并行发射器件，其特征在于，所述合波器件是耦合透镜，所述激光器芯片相对于对称轴以一定角度入射所述耦合透镜从而实现合波。

3.根据权利要求1所述的一种多通道并行发射器件，其特征在于，所述封装单元还包括轴对称设置的至少两个背光探测芯片，设置于所述激光器芯片后方。

4.根据权利要求1所述的一种多通道并行发射器件，其特征在于，所述封装单元设置于TO底座上；所述TO底座有一在水平方向上的延伸区域，所述延伸区域上设置有一突起的过渡块，所述封装单元设置于该过渡块上；所述延伸区域上设置有一TO帽，所述TO帽罩住所述封装单元并且其内气密封。

5.根据权利要求1所述的一种多通道并行发射器件，其特征在于，所述封装单元为多个，封装于一个BOX管壳内，通过四通道分路器合波。

6.根据权利要求1所述的一种多通道并行发射器件，其特征在于，所述隔离器前设置准直器，合波后的光信号通过准直器耦合于光纤中。

7.根据权利要求5所述的一种多通道并行发射器件，其特征在于，所述封装单元为两个以上，分多层布置封闭于BOX管壳内，不同层间通过准直透镜合波于光纤中。

8.根据权利要求6所述的一种多通道并行发射器件，其特征在于，BOX管壳的尾端嵌入陶瓷电接口，陶瓷电接口的工作区域分成四个部分，包括：上表面和下表面位于管壳的外部区域，上表面和下表面位于管壳的内部区域，上下表面两个区域的焊盘按焊盘引脚定义依次排列、电路连续且是阻抗匹配的。

9.根据权利要求1所述的一种多通道并行发射器件，其特征在于，所述合波器件包括准直镜，滤光组件，所述滤光组件包括玻璃支架，所述玻璃支架两侧分别设置滤光片和反射镜；所述反射镜上设置至少一个透射区域；所述激光器芯片发射的光通过准直镜准直后再经滤光片进入玻璃支架，经所述反射镜反射最后汇聚成一路经所述透射区域耦合至隔离器。

10.根据权利要求1所述的一种多通道并行发射器件，其特征在于，所述激光器芯片为8个，构成8通道，其中四个通道为一组耦合于一个准直器中，两个准直器间通过3dB分路器合波。