專利名稱：高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明主要涉及光纖通信領(lǐng)域，更具體的說是一種用于高速率、長距離傳輸?shù)墓獍l(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)。
背景技術(shù)：
在光纖通信領(lǐng)域中，半導(dǎo)體激光器及其與其它光電器件的集成器件一直以來都是作為信號(hào)源的首選器件。這里我們將半導(dǎo)體激光器及其與其它光電器件的集成器件統(tǒng)稱為半導(dǎo)體光發(fā)射器件，例如，各種半導(dǎo)體激光器；DFB/DBR激光器與調(diào)制器的集成器件；激光器、調(diào)制器、放大器、模斑轉(zhuǎn)換器，光波導(dǎo)等多種功能器件的集成器件，但不僅限于這些。
當(dāng)光電器件芯片制作完畢后，封裝是器件能否充分展現(xiàn)其性能，進(jìn)而實(shí)用化的關(guān)鍵。電信號(hào)引入和分配，光能量的耦合，模塊保護(hù)，恒溫散熱等在一定程度上都依賴于器件封裝。所以需要利用合理、高效的封裝手段將包括半導(dǎo)體激光器在內(nèi)的光發(fā)射芯片的輸出功率最大限度的轉(zhuǎn)換成為光纖中攜帶信號(hào)的有用功率，降低在傳輸過程中反射、色散等不利因素的影響。目前光發(fā)射端采用的主要封裝形式有同軸封裝(TO型)、雙列支插封裝(DIP型)、蝶形封裝(BTF型)。但是這些封裝很難實(shí)現(xiàn)高速率特別是10Gbit/s及更高的傳輸速率要求。

發(fā)明內(nèi)容
正因?yàn)槿绱?，本發(fā)明的主要目的就是在于提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)高速率、長距離傳輸?shù)姆庋b結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的另一目的在于提高功率耦合效率、減少應(yīng)力對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的影響。
本發(fā)明的目的是通過以下手段實(shí)現(xiàn)的一種用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝方法，其步驟如下1)本封裝結(jié)構(gòu)的直流端口在管殼外部采用等間距排列的BTF標(biāo)準(zhǔn)封裝形式，而在管殼內(nèi)部則采用密集式布線有利于縮短金絲減少引線距離；2)本封裝結(jié)構(gòu)的高頻端口采用射頻連接頭；例如，SMA連接頭、GPO連接頭。
3)本封裝結(jié)構(gòu)內(nèi)部高頻傳輸線采用雙段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這既便于耦合過程中的調(diào)試安裝，同時(shí)又可以減少半導(dǎo)體致冷器(TEC)的負(fù)載；4)本封裝結(jié)構(gòu)所采用的各段傳輸線都進(jìn)行了側(cè)壁和通孔的金屬化，用于改善高頻接地的效果，提高整個(gè)器件的傳輸速率；5)本封裝結(jié)構(gòu)的光學(xué)組件部分采用的是分離式調(diào)整、一體化焊接的新結(jié)構(gòu)，分離開調(diào)整每個(gè)光學(xué)組件可以將耦合效率提升到最大，調(diào)整后在將它們焊接為一個(gè)整體，則可以使它們?cè)谙到y(tǒng)中的溫度趨于一致，減少應(yīng)力造成的光學(xué)組件偏心；6)本封裝結(jié)構(gòu)還具有熱敏電阻(Rh)和背光探測器(PD)便于監(jiān)視半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)；7)本封裝結(jié)構(gòu)帶有半導(dǎo)體致冷器(TEC)，用于對(duì)光發(fā)射芯片的工作溫度進(jìn)行控制。
一種用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)，該封裝包括一帶有射頻連接頭2的蝶形管殼；一半導(dǎo)體致冷器焊8結(jié)在管殼里面；一KOVAR(鐵鎳鈷合金)金屬熱沉9焊結(jié)在半導(dǎo)體致冷器8上；一帶有用于將高頻信號(hào)輸入到光發(fā)射器件的共面波導(dǎo)傳輸線、匹配電阻以及直流接線電極的介質(zhì)熱沉基片3；一光發(fā)射器件5和一熱敏電阻燒結(jié)在介質(zhì)熱沉基片3上；一連接射頻連接頭2的帶共面波導(dǎo)傳輸線的介質(zhì)基片1；一光學(xué)耦合組件；介質(zhì)熱沉基片3及一背光檢測探測器7焊結(jié)在KOVAR(鐵鎳鈷合金)金屬熱沉9上；用互連金絲連接直流接線電極和管殼引腳，用金絲或金帶連接介質(zhì)熱沉基片3和介質(zhì)基片1上的共面波導(dǎo)傳輸線。
所述的用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)，光學(xué)耦合組件包括一KOVAR(鐵鎳鈷合金)金屬熱沉9；一中繼環(huán)10；一集光透鏡固定套筒11；一聚焦透鏡固定套筒12；一光纖套筒13；一集光透鏡16；一光隔離器17；一聚焦透鏡18；一端面呈6°-9°角的斜角單模光纖。
所述的用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)，高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件封裝結(jié)構(gòu)的管殼一側(cè)為直流管腳，另一側(cè)為射頻輸入端口，直流部分采用標(biāo)準(zhǔn)的蝶形(BTF)形式，在管殼外側(cè)采取等距離布線，而在管殼內(nèi)側(cè)采用密集布線；射頻連接頭為SMA連接頭或GPO連接頭。
所述的用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)，高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件封裝結(jié)構(gòu)射頻信號(hào)的傳輸采用兩段式分離結(jié)構(gòu)介質(zhì)熱沉基片3和介質(zhì)基片1，兩段介質(zhì)基片材料可以相同也可以不同。
所述的用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)，介質(zhì)熱沉基片3和介質(zhì)基片1是背面金屬化的，并且可帶有側(cè)面金屬化和導(dǎo)電通孔。
所述的用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)，介質(zhì)基片材料可以是陶瓷材料如氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹，高阻硅片等，但并不僅限于這些。
所述的用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)，集光透鏡、隔離器、和聚焦透鏡是分別放置在不同套筒內(nèi)的，通過套筒實(shí)現(xiàn)同軸定位。
所述的用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)，集光透鏡、隔離器、和聚焦透鏡是采用分離調(diào)試定位、一體焊接固定。
為進(jìn)一步闡述本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例加以說明。


圖1是本發(fā)明高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件封裝結(jié)構(gòu)的俯視圖。
圖2是本發(fā)明高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件封裝結(jié)構(gòu)中光學(xué)耦合組件的側(cè)視圖。
圖3為本發(fā)明高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件封裝結(jié)構(gòu)的立體圖。
具體實(shí)施例方式
圖1的本發(fā)明封裝結(jié)構(gòu)采用兩段分離式熱沉來實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)從射頻連接頭到光發(fā)射器件的低損耗輸入，兩段熱沉單獨(dú)操作，最后再通過金絲或金帶連接，這樣使得封裝操作的難度下降，封裝成品率提高。1為連接射頻連接頭的帶共面波導(dǎo)傳輸線(記為CPWI)的介質(zhì)基片；3為帶有用于將高頻信號(hào)輸入到光發(fā)射器件的共面波導(dǎo)傳輸線(記為CPW2)、匹配電阻以及直流接線電極的介質(zhì)熱沉基片；基片材料可以是陶瓷材料如氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹，高阻硅片等，但并不僅限于這些；基片背面金屬化并且可帶有側(cè)面金屬化和導(dǎo)電通孔；基片1、3的材料可以相同也可以不同；2為射頻連接頭如SMA、GPO等；4為激光器及其它功能元、器件直流偏置引入端；5為光發(fā)射器件；6為光學(xué)耦合組件部分；7為背光檢測探測器(PD)；8為致冷器(TEC)。
圖2是本發(fā)明高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件封裝結(jié)構(gòu)中光學(xué)耦合組件的側(cè)視圖，即圖1中標(biāo)記為6的部分其中9為KOVAR(鐵鎳鈷合金)金屬熱沉；10為中繼環(huán)；11為集光透鏡固定套筒；12為聚焦透鏡固定套筒；13為光纖套筒；14為熱沉基片(同圖1中標(biāo)記3)；15為光發(fā)射器件(同圖1中標(biāo)記5)；16為集光透鏡；17為光隔離器；18為聚焦透鏡；19為端面呈6°-9°角的單模光纖，斜角光纖可防止光反射。
本發(fā)明高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件封裝結(jié)構(gòu)的具體封裝方法如下第一、封裝的準(zhǔn)備-參見圖1、21)將集光透鏡16和聚焦透鏡18利用低熔點(diǎn)玻璃在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下分別焊接到集光透鏡固定套筒11和聚焦透鏡固定套筒12中；2)將半導(dǎo)體致冷器8焊接到管殼中的適當(dāng)位置上；3)將基片1焊接在RF輸入端的焊接平臺(tái)上；
第二、光學(xué)組件的封裝-參見圖21)將光發(fā)射器件15(例如電吸收EA調(diào)制器與分布布拉格反射DFB激光器的集成器件)焊接在介質(zhì)熱沉基片3上，再將介質(zhì)熱沉基片3焊接在KOVAR(鐵鎳鈷合金)金屬熱沉9上；2)調(diào)試中繼環(huán)10使其中心點(diǎn)與光發(fā)射器件的發(fā)光點(diǎn)重合，利用YAG(釔鋁石榴石)激光將其焊接固定在KOVAR(鐵鎳鈷合金)金屬熱沉9上；3)調(diào)試已經(jīng)安裝好集光透鏡16的集光透鏡套筒11到合適的位置即光發(fā)射器件出光點(diǎn)正好在透鏡的焦點(diǎn)處能夠?qū)⒐獍l(fā)射器件發(fā)射出的發(fā)散光匯聚成平行光，利用YAG激光將其焊接固定在中繼環(huán)10上；4)旋轉(zhuǎn)光隔離器17使其偏振方向與光發(fā)射器件輸出光的偏振方向相同，利用YAG激光將其固定在集光透鏡套筒11中；5)利用YAG激光將已經(jīng)安裝好聚焦透鏡18的聚焦透鏡套筒12焊接固定在集光透鏡套筒11中；6)調(diào)試單模光纖19使出纖光功率達(dá)到最大(一般耦合效率平均值大于42％)，利用YAG激光將其與光纖套筒13和聚焦透鏡套筒12焊接固定為一體；7)將耦合好的光學(xué)組件安裝到管殼內(nèi)并焊接到半導(dǎo)體致冷器8上；第三、其它配件的安裝1)將熱敏電阻Rh和背光探測器PD7焊接到KOVAR(鐵鎳鈷合金)金屬熱沉9上；2)將射頻連接頭2固定在管殼側(cè)壁上，并將射頻連接頭2的芯子與共面波導(dǎo)傳輸線CPWI的信號(hào)線焊接固定；3)利用金絲完成電路引線上的連接；4)利用平行封焊將管殼蓋和管殼封裝成一體。
綜上所述，本發(fā)明的高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件封裝結(jié)構(gòu)具有易于操作，封裝成品率高，可靠性好的特點(diǎn)，能充分展現(xiàn)光發(fā)射器件的原本性能如頻率、功率、光譜線寬等。特別是光學(xué)耦合系統(tǒng)組件的設(shè)計(jì)在提高耦合系統(tǒng)的穩(wěn)定可靠性的同時(shí)，很好的抑制了光的反射。反射光進(jìn)入光發(fā)射器件的有源區(qū)將造成對(duì)其工作狀態(tài)形成很大的擾動(dòng)，使光發(fā)射器件性能惡化，如發(fā)光譜抖動(dòng)，譜線展寬，啁啾增大，造成封裝組件的色散增大，光纖傳輸距離縮短。利用本發(fā)明的封裝結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)10Gbit/s及以上光發(fā)射組件的封裝。封裝后模塊與通常標(biāo)準(zhǔn)的雙列支插型(DIP式)和蝶形(BTF式)封裝具有相同的封裝管殼大小，和相似的引腳定義。
本發(fā)明所提出的封裝結(jié)構(gòu)和封裝方式適用于所有高頻工作的半導(dǎo)體光發(fā)射芯片的封裝，例如，激光器；DFB/DBR激光器與調(diào)制器的集成器件；激光器、調(diào)制器、放大器、模斑轉(zhuǎn)換器，光波導(dǎo)等多種功能器件的集成器件，但不限于這些。任何在本發(fā)明所提出的封裝結(jié)構(gòu)和封裝方式上做微小變動(dòng)而獲得的封裝結(jié)構(gòu)，都在本專利保護(hù)范圍。
圖3為本發(fā)明高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件封裝結(jié)構(gòu)的立體圖。
權(quán)利要求
1.一種用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，該封裝包括一帶有射頻連接頭(2)的蝶形管殼；一半導(dǎo)體致冷器焊(8)結(jié)在管殼里面；一KOVAR金屬熱沉(9)焊結(jié)在半導(dǎo)體致冷器(8)上；一帶有用于將高頻信號(hào)輸入到光發(fā)射器件的共面波導(dǎo)傳輸線、匹配電阻以及直流接線電極的介質(zhì)熱沉基片(3)；一光發(fā)射器件(5)和一熱敏電阻燒結(jié)在介質(zhì)熱沉基片(3)上；一連接射頻連接頭(2)的帶共面波導(dǎo)傳輸線的介質(zhì)基片(1)；一光學(xué)耦合組件；介質(zhì)熱沉基片(3)及一背光檢測探測器(7)焊結(jié)在KOVAR金屬熱沉(9)上；用互連金絲連接直流接線電極和管殼引腳，用金絲或金帶連接介質(zhì)熱沉基片(3)和介質(zhì)基片(1)上的共面波導(dǎo)傳輸線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，光學(xué)耦合組件包括一KOVAR金屬熱沉(9)；一中繼環(huán)(10)；一集光透鏡固定套筒(11)；一聚焦透鏡固定套筒(12)；一光纖套筒(13)；一集光透鏡(16)；一光隔離器(17)；一聚焦透鏡(18)；一端面呈6°-9°角的斜角單模光纖。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件封裝結(jié)構(gòu)的管殼一側(cè)為直流管腳，另一側(cè)為射頻輸入端口，直流部分采用標(biāo)準(zhǔn)的蝶形BTF形式，在管殼外側(cè)采取等距離布線，而在管殼內(nèi)側(cè)采用密集布線；射頻連接頭為SMA連接頭或GPO連接頭。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件封裝結(jié)構(gòu)射頻信號(hào)的傳輸采用兩段式分離結(jié)構(gòu)介質(zhì)熱沉基片(3)和介質(zhì)基片(1)，兩段介質(zhì)基片材料可以相同也可以不同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，介質(zhì)熱沉基片(3)和介質(zhì)基片(1)是背面金屬化的，并且可帶有側(cè)面金屬化和導(dǎo)電通孔。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，介質(zhì)基片材料可以是陶瓷材料如氧化鋁、氮化鋁、氧化鈹，高阻硅片。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，集光透鏡、隔離器、和聚焦透鏡是分別放置在不同套筒內(nèi)的，通過套筒實(shí)現(xiàn)同軸定位。
8.根據(jù)權(quán)利要求2所述的用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)，其特征在于，集光透鏡、隔離器、和聚焦透鏡是采用分離調(diào)試定位、一體焊接固定。
9.一種用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝方法，其步驟如下1)直流端口在管殼外部采用等間距排列的BTF標(biāo)準(zhǔn)封裝形式，而在管殼內(nèi)部則采用密集式布線；2)高頻端口采用射頻連接頭；3)內(nèi)部高頻傳輸線采用雙段結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，這既便于耦合過程中的調(diào)試安裝，同時(shí)又可以減少半導(dǎo)體致冷器的負(fù)載；4)所采用的各段傳輸線都進(jìn)行了側(cè)壁和通孔的金屬化；5)光學(xué)組件部分采用的是分離式調(diào)整、一體化焊接的新結(jié)構(gòu)，分離開調(diào)整每個(gè)光學(xué)組件可以將耦合效率提升到最大，調(diào)整后在將它們焊接為一個(gè)整體，則可以使它們?cè)谙到y(tǒng)中的溫度趨于一致，減少應(yīng)力造成的光學(xué)組件偏心；6)還具有熱敏電阻和背光探測器便于監(jiān)視半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)；7)帶有半導(dǎo)體致冷器，用于對(duì)光發(fā)射芯片的工作溫度進(jìn)行控制。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的用于高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝方法，具體封裝步驟如下第一、封裝的準(zhǔn)備1)將集光透鏡(16)和聚焦透鏡(18)利用低熔點(diǎn)玻璃在氮?dú)獗Ｗo(hù)條件下分別焊接到集光透鏡固定套筒(11)和聚焦透鏡固定套筒(12)中；2)將半導(dǎo)體致冷器(8)焊接到管殼中的適當(dāng)位置上；3)將基片(1)焊接在RF輸入端的焊接平臺(tái)上；第二、光學(xué)組件的封裝1)將光發(fā)射器件(15)焊接在介質(zhì)熱沉基片(3)上，再將介質(zhì)熱沉基片(3)焊接在KOVAR金屬熱沉(9)上；2)調(diào)試中繼環(huán)(10)使其中心點(diǎn)與光發(fā)射器件的發(fā)光點(diǎn)重合，利用YAG激光將其焊接固定在KOVAR金屬熱沉(9)上；3)調(diào)試已經(jīng)安裝好集光透鏡(16)的集光透鏡套筒(11)到合適的位置即光發(fā)射器件出光點(diǎn)正好在透鏡的焦點(diǎn)處能夠?qū)⒐獍l(fā)射器件發(fā)射出的發(fā)散光匯聚成平行光，利用YAG激光將其焊接固定在中繼環(huán)(10)上；4)旋轉(zhuǎn)光隔離器(17)使其偏振方向與光發(fā)射器件輸出光的偏振方向相同，利用YAG激光將其固定在集光透鏡套筒(11)中；5)利用YAG激光將已經(jīng)安裝好聚焦透鏡(18)的聚焦透鏡套筒(12)焊接固定在集光透鏡套筒(11)中；6)調(diào)試單模光纖(19)使出纖光功率達(dá)到最大，利用YAG激光將其與光纖套筒13和聚焦透鏡套筒(12)焊接固定為一體；7)將耦合好的光學(xué)組件安裝到管殼內(nèi)并焊接到半導(dǎo)體致冷器(8)上；第三、其它配件的安裝1)將熱敏電阻Rh和背光探測器PD7焊接到KOVAR金屬熱沉(9)上；2)將射頻連接頭(2)固定在管殼側(cè)壁上，并將射頻連接頭(2)的芯子與共面波導(dǎo)傳輸線CPWI的信號(hào)線焊接固定；3)利用金絲完成電路引線上的連接；4)利用平行封焊將管殼蓋和管殼封裝成一體。
全文摘要
本發(fā)明主要涉及光纖通信領(lǐng)域，特別是一種高速率半導(dǎo)體光發(fā)射組件的封裝結(jié)構(gòu)及方法。結(jié)構(gòu)包括；帶有射頻連接頭的蝶形管殼、半導(dǎo)體致冷器、KOVAR金屬熱沉、介質(zhì)熱沉基片、光發(fā)射器件、熱敏電阻、背光檢測探測器、用互連金絲連接直流接線電極和管殼引腳，用金絲或金帶連接介質(zhì)熱沉基片和介質(zhì)基片上的共面波導(dǎo)傳輸線，以及光學(xué)耦合組件。方法包括直流端口在管殼外部采用等間距排列的BTF標(biāo)準(zhǔn)封裝形式；高頻端口采用射頻連接頭；光學(xué)組件部分采用的是分離式調(diào)整；還具有熱敏電阻和背光探測器便于監(jiān)視半導(dǎo)體激光器的工作狀態(tài)；帶有半導(dǎo)體致冷器，用于對(duì)光發(fā)射芯片的工作溫度進(jìn)行控制。
文檔編號(hào)H01S5/022GK101017956SQ200610003069
公開日2007年8月15日 申請(qǐng)日期2006年2月8日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月8日
發(fā)明者吳德馨, 楊成樾, 李寶霞 申請(qǐng)人:中國科學(xué)院微電子研究所