CN108390255A - 光学次模块及光模块 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种光学次模块及光模块，光模块包括至少一光学次模块。本发明的光学次模块包括底座本体、管脚、热沉、温度调节器和光发射器。管脚安装在底座本体上，且从底座本体的底面贯穿至顶面。热沉安装在底座本体的顶面上，且该热沉朝向管脚的一侧设有一凹槽。温度调节器位于热沉的凹槽中。该温度调节器的其中一热交换面与凹槽的内壁相贴合，光发射器设置在温度调节器的另一热交换面上，以确保所述光发射器与所述温度调节器之间进行高效的热传递。本发明的光学次模块及光模块能够改善光发射器的散热效果。

Description

光学次模块及光模块
技术领域
本发明涉及光通信领域，特别涉及一种光学次模块及光模块。
背景技术
光模块在光通信中用于光电转换，光模块通常包括一个或一个以上的光学次模块，该光学次模块可以是光发射次模块、光接收次模块或光发射接收次模块。
激光器是光学次模块中的一个重要的光电子器件。DFB(Distributed FeedbackLaser)激光器(即分布式反馈激光器)因其具有良好的单色性(即光谱纯度)而在光通信中被广泛使用。
随着科学技术的发展，光模块的传输速率越来越高。相应的，激光器的传输速率也不断提升。随着国际电信标准5G的成熟和数据中心大数据流量的驱动，25Gbit/s、40Gbit/s、100Gbit/s的DFB激光器获得了较快的发展。25Gbit/s的DFB激光器作为国际电信标准5G和数据中心的重要部件，也逐渐成熟并获得了空前关注。25Gbit/s的DFB激光器的工作温度范围分为商业级-5～75℃，工业级-40～85℃(甚至-40～95℃)，扩展级-5～85℃，-5～95℃等。其中商业级DFB激光器最简单，业界也有很多厂家推出了量产的产品，工业级高速(25Gbit/s及以上)DFB激光器的制作难道大，成品率低，只有个别厂家可以提供样品，且价格是商业级的1.5-2倍。当前25Gbit/s工业级主要有两种方案：1.采用工业级的DFB激光器，无制冷封装，但该类DFB激光器不成熟价格非常贵，还难以买到。2.采用商业级或扩展级DFB激光器利用TEC(Thermo electric cooler,即半导体致冷器)在高低温下把DFB激光器温度控制在商业温度的范围内。
第二种方案由于在经济上的优势，已被butterfly或Mini Tailed封装方案的部分商家采用。但是由于包含TEC制冷器的光学次模块的封装工艺复杂，封装成本高，而限制了其应用的范围。
另一方面，TO(Transistor-Outline，同轴型)封装因其小型化、低成本、封装工艺简单、易于工业化大规模批量制造等优点，在包含光通信在内的众多领域获得了广泛的应用。
目前也有部分厂家尝试采用TO封装来封装制冷器和DFB激光器，如图1所示，其为传统DFB激光器和制冷器TO封装的结构示意图。制冷器104安装在同轴底座102上，热沉103安装在制冷器104上，DFB激光器101安装于热沉103的侧壁上。由于DFB激光器101产生的热量通过热沉103才能传递至制冷器104上，因此，DFB激光器101的散热效果不佳，难以将DFB激光器温度控制在商业温度的范围内。
发明内容
为了解决传统技术中TO封装存在的DFB激光器散热不佳问题，本发明提供了一种光学次模块。
本发明另提供一种光模块，该光模块包括上述光学次模块。
一种光学次模块，包括：
底座本体，包括顶面和底面；
管脚，安装在底座本体上，且从底座本体的底面贯穿至顶面；
热沉，安装在底座本体的顶面上，热沉朝向管脚一侧设有一凹槽；
温度调节器，位于热沉的凹槽中，温度调节器的其中一热交换面与凹槽的内壁相贴合；
光发射器，设置在温度调节器的另一热交换面上，以确保所述光发射器与所述温度调节器之间进行高效的热传递。
一种光模块，包括电路板和设置在电路板上的至少一如上述的光学次模块。
本发明的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本发明的光学次模块包括底座本体、管脚、热沉、温度调节器和光发射器。管脚安装在底座本体上，且从底座本体的底面贯穿至顶面。热沉安装在底座本体的顶面上，且该热沉朝向底座的一侧设有一凹槽。光发射器设置在温度调节器的另一热交换面上，以确保光发射器与温度调节器之间进行高效的热传递；温度调节器位于热沉的凹槽中，该温度调节器的其中一热交换面与凹槽的内壁相贴合，以实现温度调节器与热沉之间的快速热交换；进一步确保光发射器的温度可以通过热沉调整。
本发明的光模块因采用上述的光学次模块，具有良好的散热效果，藉此，将光发射器温度控制在商业温度的范围内。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性的，并不能限制本发明。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本发明的实施例，并于说明书一起用于解释本发明的原理。
图1为传统DFB激光器和制冷器TO封装的结构示意图。
图2为本发明光学次模块的整体结构示意图。
图3为本发明光学次模块揭开管帽后的内部结构示意图。
图4为本发明的温度调节器、光发射器和热沉安装在底座本体上的结构示意图。
图5为图4的分解图。
图6为热沉安装在底座本体上的结构示意图。
图7为热沉安装在底座本体上的俯视图。
图8为温度调节器和光发射器的结构示意图。
图9为金属线连接管脚和光电子器件的结构示意图。
具体实施方式
为了进一步说明本发明的原理和结构，现结合附图对本发明的优选实施例进行详细说明。
如图2和图3所示，图2为本发明光学次模块的整体结构示意图，图3为本发明光学次模块揭开管帽后的内部结构示意图。光学次模块10包括底座本体11、多个管脚12、热沉13、温度调节器14、光发射器15和管帽16。热沉13直接固定在底座本体11上。管帽16覆盖在底座本体11上，将热沉13、温度调节器14和光发射器15包围在管帽16和底座本体11围成的密闭空间内。管帽16包含透镜和支撑透镜的金属件。光发射器15发出的光垂直于底座本体11的表面，直接通过透镜传出，在穿过透镜之间并不需要改变光的传播方向。透镜设置在管帽16的顶部的开孔161处并密封该开孔161，使得光发射器15发射的光可通过透镜传输到光学次模块10的外部。管帽16的外部可安装一套筒(未图示)，该套管用于供外部光纤跳线的插座***，以使光发射器15发射出的光能够耦合至外部光纤跳线的纤芯中。
底座本体11呈圆柱形，其包括底面111和顶面112。该底座本体11上设有多个供管脚12穿过的管脚孔。管脚12***管脚孔中并从底座本体11的底面111贯穿至顶面112。管脚12***后通过焊锡固定在底座本体11上。为便于管脚12与光发射器15建立电连接，该些管脚12均安装于热沉13的同一侧。
该些管脚12中包括两个用于传输高频信号的管脚121。
如图4至图6所示，图4为本发明的温度调节器、光发射器和热沉安装在底座本体上的结构示意图，图5为图4的分解图，图6为热沉安装在底座本体上的结构示意图。热沉13朝向管脚12的一侧具有一凹槽131，温度调节器14嵌入在凹槽131中，温度调节器14的其中一热交换面与凹槽的内壁131相贴合，光发射器15通过基板151贴合在温度调节器14朝向管脚12的另一热交换面上。
在其它实施例中，光发射器也可直接贴在温度调节器的热交换面上。
由于温度调节器14的一热交换面与热沉13直接接触，使温度调节器14产生的热量通过热沉13迅速发散，另一方面，光发射器15设置在温度调节器14的另一热交换面，保证了光发射器15与温度调节器14之间能够进行高效的热传递。因此，光发射器15与温度调节器14之间具有良好的热传递效果，并且温度调节器14接收的热量或自身产生的热量能够通过热沉13直接散热，进一步加快了光发射器15的散热效果，藉此，将光发射器温度控制在商业温度的范围内。
结合图7所示，图7为热沉安装在底座本体上的俯视图。热沉13可由合金制成，例如，镍基(铁)合金、铜合金等，其主要起散热和承载作用。该热沉13整体呈U形，平躺安装在底座本体11的顶面，且开口朝向管脚12，即所有管脚12均位于热沉13的开口所在的一侧。
热沉13包括热沉基体132和由该热沉基体132向同一侧延伸的两侧臂133，两侧臂133之间间隔预定的距离，使得热沉13整体呈一U形，且两侧臂133的内侧壁1331与热沉基体132的内侧壁1321围成该凹槽131。
两侧臂133分别具有一朝向管脚12的端面1332。每一端面1332处均贴合一陶瓷板17。每一陶瓷板17上印制有导电线路171。两陶瓷板17相互平行，且两陶瓷板17的导电线路171的图案为镜像对称图案。
导电线路171与其附近的用于传输高频信号的管脚121电连接。导电线路171可以是涂覆在陶瓷板17上的金属带，例如，微带线。该微带线的阻抗可为25欧姆或50欧姆。微带线的表面镀金，其可采用金丝键合工艺与金属丝进行连接。
凹槽131从热沉13的下表面贯穿至热沉13的上表面。凹槽131的槽深与温度调节器14相匹配，确保整个温度调节器14能够嵌入至该凹槽131中。
结合图8所示，图8为温度调节器和光发射器的结构示意图。温度调节器14可以是热电制冷器，即TEC(Thermo-Electric Cooler)制冷器，其包括两个热交换面141、142和位于两热交换面141、142之间的多个间隔排列的半导体143，该些半导体可以包括N型半导体和P型半导体。温度调节器14的底部设有用以接入外部电源的两电极柱144，其中一电极柱144用于连接电源的正极，另一电极柱144用于连接电源的负极。两电极柱144可采用金属丝或导电银胶与对应的管脚12电连接，该对应的管脚12与电源连接。当两电极柱144接上电源时，N型半导体和P型半导体连接成一个回路，N型半导体和P型半导体的其中一个连接点温度变高，另一连接点的温度变低，即使得温度调节器14的两个端面141、142中的其中一个热交换面为热端面，另一个热交换面为冷端面。
可以理解，热端面和冷端面是在使用状态下呈现的，在更改电极通电方向的情况下，热端面也可变为冷端面。
如图8所示，光发射器15通过基板151设置在温度调节器14的朝向管脚12的一热交换面142上。可以理解，在电极正常通电的情况下，该热交换面142是冷端面；当电极通电方向发生变化时，该热交换面142转换为热端面。例如，当光发射器15的光发射器的温度高于最高温度(例如，75℃)时，调整电极的通电方向，热交换面142为冷端面，用于降低光发射器的温度；当光发射器的温度低于最低温度(例如，-5℃)时，调整电极的通电方向，热交换面142为热端面，用于增加光发射器的温度。藉此，通过温度调节器14的温度调节使光发射器的温度维持在工作温度范围内。也就是说，通过温度调节器14调温作用，可将工作温度范围较窄的光发射器应用到对温度范围要求较高的领域。例如，将商业级(工作温度一般在-5～75℃)的光发射器应用到工业(工业上光发射器的工作温度为-40～95℃)上，尽管工业上对光发射器的工作温度要求较高，但通过温度调节器14的调温作用，光发射器的工作温度仍可控制在商业级，满足工业上的使用要求。
温度调节器14的冷端面和热端面之间的距离(即两热交换面142、143之间的距离)大致等于热沉13凹槽131的深度，使得整个温度调节器14能够嵌入在该凹槽131中。
结合图9所示，图9为金属线连接管脚和光电子器件的结构示意图。光发射器15安装基板151上，基板151上还安装有光探测器156等光电子器件。基板151可以是陶瓷板，也可以是塑料膜板。基板151的上侧面与热沉13的顶面134相对齐，基板151靠近陶瓷板17的侧面与陶瓷板17相对齐。
基板151安装在温度调节器14上，且位于温度调节器14电极柱144的上方。基板151的其中一面与温度调节器14的两个热交换面的另一热交换面142相贴合，朝向底座本体11中心轴的另一面用于安装有光发射器15等光电子器件，且该另一面的部分区域镀有导电层，该导电层可以是镀金层。镀有导电层的区域被分为三个用于安装不同的器件的功能区，分别为用于安装光发射器15的第一功能区152、用于安装探测器156的第二功能区153和位于第一功能区152和第二功能区153之间的第三功能区154，第一功能区152、第二功能区153和第三功能区153彼此之间相互绝缘。其中，第一功能区152分为两个子功能区1521、1522，其中一个子功能区1522用于安装光发射器15，且用于与光发射器15的其中一PN极(P极或N极)接触形成电连接，另一个子功能区通过金属丝与光发射器15的另一PN极(N极或P极)接触形成电连接。子功能区1521、1522的表面镀金形成微带线。
在其他实施例中，基板151上镀有导电层的区域也可被分为四个或四个以上的功能区，以用于安装不同的电子器件。
在其他实施例中，当光发射器直接设置在温度调节器的热交换面上时，也可在温度调节器的热交换面形成多个用于安装不同的器件的功能区。
两陶瓷板17分布在基板151的两侧，其中一侧的陶瓷板17上的导电线路171通过短金属丝与其相邻的子功能区1522电连接，另一侧的陶瓷板17上的导电线路171通过短金属丝与其相邻的子功能区1521电连接。由此，用于传输高频信号的管脚121通过连接陶瓷板17上的导电线路171，即可与光发射器15建立电连接管脚121通过陶瓷板17上的导电线路171、短金属丝、子功能区与光发射器15电连接，避免采用长的金属丝直接连接管脚121和光发射器15，藉此，减少高频信号与其邻近的其他元器件发生耦合，提高高频信号的传输质量。
短金属丝可通过金丝键合工艺连接导电线路171和子功能区1521(或1522)。
光发射器15可以是DFB(Distributed Feedback Laser)激光器(即分布式反馈激光器)。该光发射器15具有为P极和N极，P极(或N极)与子功能区1522接触形成电连接，N极(或P极)位于P极(或N极)的另一面，其通过金属丝与另一子功能区1521电连接。当注入p-n结的电流达到阈值电流时，p-n结产生激光。
光发射器15可通过银胶或共晶焊料贴装在子功能区1522中，且靠近基板151的上侧面。光发射器15的中间位置具有一发光条1551，该发光条1551几乎与底座本体11的中心轴重合。
光探测器156可以是背光探测器，其可通过银胶或共晶焊料贴装在第二功能区156上。光探测器156通过导电线与对应的引脚电连接。
光学次模块还包括温度传感器157和加热器(未图示)。该温度传感器157可以是热敏电阻，加热器可以是加热电阻。温度传感器157可通过银胶或共晶焊料贴装在第二功能区153中。加热器可通过银胶或共晶焊料贴装在第三功能区154中，用以弥补温度调节器14加热能力的不足。加热器可以是TaN薄膜电阻、打线电阻、贴片电阻或其他电阻。温度传感器157和加热器均通过导电线与对应的管脚12电连接。
可以理解，第三功能区154也可以不贴装加热电阻，其可以是空焊盘。
可以理解，第二功能区153也可以不贴装温度传感器157。
以下说明光学次模块的各个部件的安装过程。
结合图5所示，热沉13和底座本体11通过模具或机械加工的方式一体成型，热沉13垂直于底座本体11。
两陶瓷板17通过共晶焊或其他方式与热沉13贴合在一起。
陶瓷板17安装完成后，安装温度调节器14，使温度调节器14***至热沉13的凹槽131中，且使温度调节器的其中一热交换面141与热沉13的凹槽131的内壁贴合，温度调节器的另一热交换面142朝向管脚12，并且使温度调节器14的上侧面与热沉13的顶面相对齐。
温度调节器14安装完成后，在温度调节器14的热交换面142上贴装基板151，使基板151的上侧面与热沉13的顶面相对齐，基板151靠近陶瓷板17的侧面与陶瓷板17相对齐。
基板151安装完成后，进行光发射器15、光探测器156和温度传感器157等光电子器件的安装。
因光发射器15的安装位置的准确度直接影响外部光纤跳线的耦合效率，因此必须保证光发射器15安装到位。在安装光发射器15时，以热沉13两侧的侧臂为参照物，调节光发射器15的位置使光发射器15的发光条与底座本体11的中心轴重合，即调节光发射器15在X轴方向的位置；以热沉13的上表面为参照面，调节光发射器15相对于底座本体11顶面的距离，即调节光发射器15在Z轴方向的位置，使光发射器15相对于底座本体11顶面间隔的距离满足外部光纤跳线耦合所要求的距离。
由于热沉13和底座本体11一体成型，热沉13相对于底座本体11的位置确定了，同时热沉13凹槽131的结构设计已将光发射器15在Y轴方向上的位置确定了，即光发射器15与底座本体11中心轴所在平面之间的距离就确定了，因此将光发射器15安装在基板151上时，只需调整其在Z轴方向和X轴方向两个维度的位置，即可确定光发射器15的位置，降低了光发射器15的对位难度，相应的，提高了生产效率，降低了生产成本，产品的批量一致性好。相对于传统技术上光发射器15要进行三个方向的位置调整，降低了光发射器的对位难度。
需说明的是，Z轴方向是指底座本体11的底面指向底座本体11的顶面所在的方向，X轴方向是指由热沉13的其中一侧臂133指向另一侧臂133的方向(即图5中由左指向右的方向)，Y轴方向是指由热沉13指向底座本体11中心轴的方向。
本发明的温度调节器14直接嵌入到热沉13的凹槽131中，并不需要大幅度调整温度调节器14相对于热沉13的位置，降低了温度调节器14的安装难度，并且定位精度高。
因此，本发明的光学次模块安装方式简单，对设备和工装的要求低，并且批量一致性好，有利于提高良率，提高封装效率，降低成本，适合规模化批量生产。
此外，本发明的光学次模块的方案适用于高传输速率的光发射器，例如，25Gbit/s的光发射器，甚至是高达50Gbit/s的光发射器。
上述金属线、导电线可为金丝。
本发明还提供一种光模块，该光模块包括电路板和设置在电路板上的至少一上述的光学次模块。该电路板可以是PCB板。
以上仅为本发明的较佳可行实施例，并非限制本发明的保护范围，凡运用本发明说明书及附图内容所作出的等效结构变化，均包含在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种光学次模块，其特征在于，包括：
底座本体，包括顶面和底面；
管脚，安装在所述底座本体上，且从所述底座本体的底面贯穿至顶面；
热沉，安装在所述底座本体的顶面上，所述热沉朝向所述管脚一侧设有一凹槽；
温度调节器，位于所述热沉的凹槽中，所述温度调节器的其中一热交换面与所述凹槽的内壁相贴合；
光发射器，设置在所述温度调节器的另一热交换面上，以确保所述光发射器与所述温度调节器之间进行高效的热传递。
2.根据权利要求1所述的光学次模块，其特征在于，所述温度调节器靠近底座本体的底部设有两电极柱，所述两电极柱与管脚电连接，用以接入外部电源。
3.根据权利要求1所述的光学次模块，其特征在于，所述热沉包括热沉基体和由所述热沉基体向同一侧延伸的两侧臂，所述热沉基体和所述两侧臂形成所述凹槽；
所述光学次模块还包括陶瓷板，所述陶瓷板贴合在所述热沉的侧臂的端面上，所述陶瓷板朝向所述管脚的一面设置有导电线路；
所述管脚中包括两个用于传输高频信号的管脚，所述导电线路连接所述用于传输高频信号的管脚和所述光发射器。
4.根据权利要求3所述的光学次模块，其特征在于，所述光发射器设置在基板上，所述基板贴合在所述温度调节器的另一热交换面上，所述基板朝向所述底座本体中心轴的另一面的部分区域镀有导电层，镀有导电层的区域分为多个相互绝缘的功能区，用于安装不同的器件；
所述温度调节器安装在其中一个功能区中，用于安装所述温度调节器的功能区分为两个子功能区，其中一个子功能区用于安装所述光发射器，且用于与所述光发射器的其中一PN极接触形成电连接，另一个子功能区通过金属丝与所述光发射器的另一PN极接触形成电连接；
所述陶瓷板的导电线路通过金属丝分别与邻近的子功能区电连接。
5.根据权利要求4所述的光学次模块，其特征在于，所述光学次模块还包括温度传感器和加热器，所述温度传感器、所述加热器和所述温度调节器分别安装在不同的功能区中。
6.根据权利要求4所述的光学次模块，其特征在于，所述基板的上侧面与所述热沉的顶面相对齐，所述基板靠近所述陶瓷板的侧面与所述陶瓷板相对齐。
7.根据权利要求3所述的光学次模块，其特征在于，所述热沉的两侧臂上均设置有所述陶瓷板，所述热沉的两侧臂上的陶瓷板的导电线路的图案为镜像对称图案。
8.根据权利要求1所述的光学次模块，其特征在于，所述热沉和所述底座本体一体成型。
9.根据权利要求1所述的光学次模块，其特征在于，
所述光学次模块还包括管帽，所述管帽覆盖在所述底座本体上，将所述热沉、所述温度调节器和所述光发射器包围在所述管帽和所述底座本体围成的密闭空间内；
所述管帽包含透镜和支撑透镜的金属件，所述光发射器发射的光可通过透镜传输到所述光学次模块的外部；
所述温度调节器包括多个半导体，所述多个半导体包括N型半导体和P型半导体。
10.一种光模块，其特征在于，包括电路板和设置在所述电路板上的至少一如权利要求1至9任一项所述的光学次模块。
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