一種同軸封裝光通信器件的製作方法

2023-04-27 20:01:12

本發明涉及光通信技術領域，尤其涉及一種同軸封裝光通信器件。

背景技術：

光纖通信蓬勃發展，100G光通訊系統已在骨幹網商用，10G系統正在邁進接入網，16G系統正在光纖通道穩步推進。高速光收發一體模塊是完成這些高速光纖系統光電變換的關鍵部件，而在這些部件中的核心組件是具有標準光接口的光發射組件和光接收組件。光發射組件是將雷射器(Laser Device，LD)高精度地安裝在具有標準光纖接口的金屬套件中，光接收組件是將光探測器(Photodetector，PD)高精度地安裝在具有標準光纖接口的金屬套件中。

目前，對速率低於10G的光發射組件和光接收組件均採用同軸封裝的結構，對於速率高於10G的光發射組件和光接收組件多採用蝶形封裝的結構。高速蝶形封裝採用金屬陶瓷長方形管殼設計，具有很好的高頻特性，可以裝配半導體製冷器(Thermal Electrical Refrigerator，TEC)，多用於40G的光發射組件和光接收組件的高端封裝，但是高速蝶形封裝成本高昂、製造複雜、光纖耦合複雜困難，而且其只有固定模式的光接口，難於製作可插拔式光接口。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種同軸封裝光通信器件，旨在解決高速蝶型封裝成本高、製作複雜、光纖耦合複雜及難於製作可插拔式光接口的問題。

為解決上述技術問題，本發明提供一種同軸封裝光通信器件，包括管座、設置於管座上的分布有微帶線的陶瓷基板以及光電晶片；

管座沿軸向設置有插孔，陶瓷基板穿設於插孔內並與管座結合為一體，光電晶片安裝於陶瓷基板位於管座內側的微帶線上，並通過位於管座外側的微帶線與外部系統進行電連接。

其中，微帶線為共面波導微帶線，共面波導微帶線包括中心導體帶和接地帶，中心導體帶位於陶瓷基板的主表面的中間區域，接地帶位於中心導體帶的周邊區域且包圍中心導體帶，光電晶片安裝在接地帶上；

陶瓷基板的主表面上還分布有低頻引線，低頻引線分別位於接地帶兩側的區域。

其中，光電晶片為雷射器晶片，雷射器晶片的貼裝於接地帶遠離管座的上方。

其中，雷射器晶片為側面發光型雷射器晶片，雷射器晶片的正電極通過金絲球焊技術焊接在中心導體帶上，雷射器晶片的負電極通過共晶焊接技術焊接在接地帶上。

其中，管座內側連接有帶光窗的密封管帽，密封管帽上設有聚焦透鏡，聚焦透鏡與雷射器晶片的發光區處於同一光軸。

其中，還包括光探測器晶片，光探測器晶片裝載在一陶瓷墊片上，陶瓷墊片焊接或貼裝於接地帶上，使得光探測晶片的光敏面與管座主表面之間的角度為銳角。

其中，還包括多個管腳，多個管腳從管座外側穿過管座，並凸出於管座內側。

其中，還包括光探測器晶片，光探測器晶片裝載在一陶瓷墊片上，陶瓷墊片焊接或貼裝於管腳凸出管座內側的表面上，光探測器晶片的正負電極分別電連接對應的管腳。其中，還包括管座散熱器及半導體製冷器；

管座散熱器設置於管座上，半導體製冷器的製冷面貼裝於陶瓷基板的主表面對應的背面，半導體製冷器的散熱面貼裝於管座散熱器的表面。

其中，管座散熱器與管座為一體衝壓製成。

有益效益：與現有技術相比，本發明通過提供一種同軸封裝光通信器件，包括管座、設置於管座上的分布有微帶線的陶瓷基板以及光電晶片；管座沿軸向設置有插孔，陶瓷基板穿設於插孔內並與管座結合為一體，光電晶片安裝在陶瓷基板位於管座內側的微帶線，並通過位於管座外側的微帶線與外部系統進行電連接。通過這種方式，本發明採用同軸封裝的結構，大幅減小光通信器件的體積，降低器件成本及與光纖耦合的難度，同時製作過程簡單，製作成本較低；利用陶瓷基板及在陶瓷基板上製作的微帶線，減少高頻信號連接的次數，更好地實現高速高頻光信號的調製，可廣泛應用於速率高於10G的高速光纖通信系統中。

附圖說明

圖1是本發明同軸封裝光通信器件第一實施方式的結構示意圖；

圖2是圖1中的管座內側連接密封管帽的結構示意圖；

圖3是本發明同軸封裝光通信器件第一實施方式中光聚焦的原理示意圖；

圖4是本發明同軸封裝光通信器件第二實施方式的結構示意圖；

圖5是圖4中陶瓷基板、半導體製冷器及管座散熱器的截面示意圖；

圖6是本發明同軸封裝光通信器件第三實施方式的結構示意圖；

圖7是本發明同軸封裝光通信器件第三實施方式中LD晶片和M-PD晶片的電路連接示意圖；

圖8是本發明同軸封裝光通信器件第四實施方式的結構示意圖。

具體實施方式

為使本領域的技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合附圖和具體實施方式對本發明所提供的一種同軸封裝光通信器件做進一步詳細描述。

如圖1所示，本發明同軸封裝光電器件第一實施方式，包括管座11、設置於管座11上的分布有微帶線14的陶瓷基板13以及光電晶片15。

具體地，本實施方式的管座11類似與傳統同軸封裝結構(TO-CAN)中的TO-管座，可選TO-46或TO-56等，但是與傳統的TO-管座不同的是，本實施方式的管座11沒有管腳，而是在管座11上另外沿軸向方向設置有插孔12，在插孔12內放置陶瓷基板13，使陶瓷基板13穿設於插孔12內並與管座11結合為一體。

管座11的材料可選為可伐金屬，可伐金屬具有良好的導熱性和低的熱膨脹係數，可以使光通信器件在寬的溫度範圍內具有良好的工作性能；利用低溫玻璃漿料可使可伐金屬與陶瓷熔接結合在一起，從而實現管座11與陶瓷基板13的一體結合。

陶瓷基板13在管座11中放置的位置和穿設的角度不受限制，但是為了便於光電晶片15的安裝和後續光軸的調節，通常為垂直穿設，也就是使陶瓷基板13垂直於管座11。

陶瓷基板13具有高頻特性突出、熱導率高、熱穩定性好等優點，在陶瓷基板13上製作微帶線14，可使光通信器件具有良好的高頻性能和散熱功能等。陶瓷基板13的材料可選氧化鋁或氮化鋁，其中氧化鋁應用比較廣泛，氮化鋁多應用於對導熱散熱有很高要求的航空航天領域；實際應用中根據需要選擇合適的材料，對此並不做限定。

在陶瓷基板13上分布有微帶線14，微帶線14是一種微波傳輸線，而微波是頻率為300MHz～300GHz的電磁波，是一種超高頻電磁波，將光信號進行調製生成高速高頻的微波光子信號，利用微波光子信號在光纖網絡中傳輸數據，頻帶寬、抗幹擾性強，可實現遠距離、高速、數位訊號的傳輸，因此可廣泛應用於速率高於10G的高速光纖系統中，為實現高速同軸封裝的器件結構提供條件。

微帶線14的製作可選利用厚膜工藝或薄膜工藝進行。本實施方式採用薄膜工藝，其製作過程為首先用真空蒸發的方法在拋光了的陶瓷基板13的主表面131上蒸發上一層厚度為20-40nm的鉻，再在鉻層上蒸發厚度約為1μm的金、銅或銀等，然後在表面塗感光膠並貼上所需電路圖形照片的底片，置於紫外光下進行曝光，經蝕刻後，留下感光部分的電路圖形，即微帶線14。

微帶線14具有一定的厚度、寬度和長度，厚度、寬度和長度的大小根據阻抗匹配的實際情況而定。利用上述方式形成的微帶線14及所用陶瓷基板13的面積都大為減小，電路圖形更加小型化和集成化。微帶線14可選為共面波導微帶線，共面波導微帶線包括中心導體帶141和接地帶142，中心導體帶141位於陶瓷基板13的主表面131的中間區域，接地帶142位於中心導體帶141的周邊區域且包圍中心導體帶141，接地帶142與中心導體帶141之間間隔一定距離，從而使接地帶142和中心導體帶141電性絕緣。

在陶瓷基板13的主表面131上還分布有低頻引線161/162，低頻引線161/162分別位於接地帶142兩側的區域，低頻引線161/162與接地帶142間隔一定距離，使兩者電性絕緣，低頻引線161/162用於器件內部或與外部系統之間的低頻信號、或直流信號進行電路連接，能夠實現僅利用陶瓷基板13即可實現整個光通信器件的電路連接功能。

分布有微帶線14和低頻引線161/162的陶瓷基板13穿設於管座11上，管座11將陶瓷基板13分為兩部分，一部分位於管座內側101，另一部分位於管座外側102，位於管座內側101的微帶線14上安裝有光電晶片15，位於管座外側102的微帶線14和/或低頻引線161/162與外部系統(圖中未示出)進行電連接，外部系統是電纜網絡中的一系列裝置、系統或電路，用於傳輸電信號，通過電流傳輸信息進行通信。

光電晶片15是進行光發射或光接收的晶片，光發射晶片可選為LD晶片，LD晶片通常為側面發光型LD晶片，光接收晶片可選為PD晶片，PD晶片通常為側面入光型高速PD晶片；光發射晶片是通過獲取外部系統的電信號並進行直接調製，將電信號轉換成光信號送入光纖網絡中；光接收晶片是將接收到的光纖網絡中的光信號轉換成電信號，利用外部系統將電信號送入電纜網絡中；

將光電晶片15安裝於陶瓷基板13的微帶線14上，安裝位置通常位於微帶線14的接地帶142遠離管座11的上方，安裝可以是光電晶片15直接焊接或貼裝在接地帶142上，或者是通過附加一載體實現安裝，將載體焊接或貼裝在接地帶142上，而將光電晶片15安裝在載體上的合適位置；

光電晶片15與微帶線14電性連接，實現高頻高速光信號的發射或接收；同時由於陶瓷基板13具有較高的熱導率，整個器件的熱量可通過光電晶片15傳遞到陶瓷基板13，陶瓷基板13將熱量傳遞至管座11上釋放出去，可以實現很好的散熱功能。

在將光信號送入光纖網絡或者接收來自光纖網絡的光信號時，需要對光信號進行聚焦，聚焦後的光信號有利於在光纖中進行反射傳播。如圖2所示，在管座內側101連接有帶光窗的密封管帽18，密封管帽18與管座11通過高溫焊接在一起，將管座內側101的器件密封起來，防止光洩漏；在密封管帽18上的光窗位置安裝聚焦透鏡181，聚焦透鏡181與密封管帽18密封，聚焦透鏡181的光軸與光電晶片15的出光光軸或感光光軸為同軸。

以光電晶片15為LD晶片15為例，如圖3所示，LD晶片15的發光區151與聚焦透鏡181的光軸為同軸，發光區151發出的雷射通過聚焦透鏡181發射出去。

本實施方式的光通信器件，光電晶片15周圍還可包括一些外圍電路，如在微帶線14上製作一25Ω的薄膜電阻，或安裝一25Ω的電阻，使驅動晶片更好地與光電晶片15匹配；如在陶瓷基板13上相應位置安裝熱敏電阻、電容或其他電子元器件等，輔助實現自動溫度控制、自動功率控制、直流偏置供給的功能，在此不做具體闡述。

這些光通信器件採用同軸封裝，大幅減小光通信器件的體積，降低器件成本，同時製作過程簡單，製作成本較低，而且同軸封裝還可進一步製作可插拔式光接口；利用陶瓷基板13高效散去光通信器件內部大量的熱量，穩定光電晶片15的管芯溫度；在陶瓷基板13上製作微帶線14，能夠實現高速高頻光信號的調製，可廣泛應用於速率高於10G的高速光纖系統中，另外在陶瓷基板13上還分布有低頻引線161/162，完善低頻及直流電路連接，無需額外增加低頻及直流連接接口，可進一步減小光通信器件的體積，降低器件成本。

本實施方式的微帶線為共面波導微帶線，在其他實施方式中，微帶線的製作還可通過在陶瓷基板的主表面的中間區域製作中心導體帶，在主表面對應的背面製作金屬接地層來實現。

請參閱圖4，本發明同軸封裝光通信器件第二實施方式，與第一實施方式的不同之處在於，本實施方式的光通信器件還包括管座散熱器23和半導體製冷器21。

管座散熱器23凸出於管座內側101設置，管座散熱器23為鎢銅或鎳材料，該管座散熱器23可以與管座11一起衝壓製成，或者通過焊料焊接在管座11上，管座散熱器23的形狀可選為立方體或梯形體，朝向製冷面201和散熱面202的表面平整。

具體參閱圖5，半導體製冷器21設置於管座散熱器23和陶瓷基板13之間，半導體製冷器21的製冷面201貼裝或焊接於陶瓷基板13的主表面131對應的背面132上，用於吸收陶瓷基板13的熱量，半導體製冷器21的散熱面202貼裝或焊接於管座散熱器23的表面，用於將熱量傳遞至管座散熱器23，貼裝或焊接時要使兩個器件之間沒有空隙，以實現良好的熱傳導和器件的長期可靠性。

整個光通信器件產生的熱量傳遞至陶瓷基板13，半導體製冷器21的製冷面201吸收陶瓷基板13的熱量，傳遞至散熱面202，散熱面202與管座散熱器23貼合，熱量進一步傳遞至管座散熱器23，經由管座11釋放出去，實現散熱。

光電晶片15在高頻高速狀態下工作，會產生大量的熱量，在陶瓷基板13無法滿足散熱的情況下，增設半導體製冷器21，提高器件的整體散熱效果，有助於穩定光電晶片15的管芯溫度，有利於實現高速光信號傳輸時的器件可靠性。

請參閱圖6，本發明同軸封裝光通信器件第三實施方式，光通信器件為光發射器件，光電晶片305為LD晶片305，光發射器件包括管座301、設置於管座301上的分布有微帶線304的陶瓷基板303、LD晶片305及PD晶片307，其中PD晶片307是一種背光探測器(Monitor Photodiode，M-PD)晶片307。

在管座301沿軸向方向設置有插孔302，在插孔302內放置陶瓷基板303使陶瓷基板303垂直穿設於插孔302內，利用低溫玻璃漿料將陶瓷基板303與管座301熔接結合為一體；陶瓷基板303上的微帶線304為共面波導微帶線304，包括中心導體帶3041和接地帶3042，形成高頻微波傳輸線，在陶瓷基板303上還分布有低頻引線3081/3082，形成低頻、直流連接線。

LD晶片305為側面發光型LD晶片，將LD晶片305直接貼裝於接地帶3042上，貼裝位置設置於接地帶3042遠離管座內側3011的上方。在接地帶3042靠近管座內側3011的下方安裝有M-PD晶片307，M-PD晶片307用於接收LD晶片305發射的雷射信號，將雷射信號轉換成電信號，從而檢測LD晶片305輸出的雷射光強，因此M-PD晶片307的光敏面以能最大化感知LD晶片305發出的雷射為宜；

本實施方式中，選取一立方體形狀的陶瓷墊片306，首先將M-PD晶片307通過貼裝或焊接的方式裝載在陶瓷墊片306的一個表面上，將陶瓷墊片306中未放置M-PD晶片307的表面焊接或貼裝於接地帶3042上，從而使得M-PD晶片307的光敏面與管座301主表面成銳角，通常可選80°-85°，這裡所述的管座301主表面是管座301朝向管座內側3011的上表面。

LD晶片305和M-PD晶片307安裝完畢後，需要分別對兩者的電極進行電性連接，實現電流通路。由於LD晶片305和M-PD晶片307的核心部分都是由P型和N型半導體構成的PN結管芯，其各自的連接也多是針對PN結的P電極，也稱正電極，以及PN結的N電極，也稱負電極的連接情況進行表述；

圖7是LD晶片305和M-PD晶片307的電路連接示意圖，圖7中的LD晶片305和M-PD晶片307的電極彼此互不連接，LD晶片305的正電極1通過金絲球焊技術焊接在中心導體帶3041上，LD晶片305的負電極2通過共晶焊接技術焊接在接地帶3042上。M-PD晶片307的正負電極3/4分別電連接在陶瓷墊片306對應的電極上，電連接可通過貼片或利用金絲球焊技術進行金絲焊接，陶瓷墊片306再和陶瓷基板303上的低頻引線161/162連接。

在LD晶片305發射雷射信號時，M-PD晶片307的光敏面感知到雷射信號，將雷射信號轉換成電信號如電壓信號或電流信號，繼而得出LD晶片305的發射雷射光強，從而可以根據需要調節LD晶片305的工作性能。

本實施方式的光通信器件，位於管座外側3012的中心導體帶3041、接地帶3042及低頻引線3081/3082可用於與外部系統(圖中未示出)連接，外部系統將電纜網絡中的電信號傳輸至中心導體帶3041上，通過LD晶片305將電信號轉換成雷射信號，再經由中心導體帶3041傳送至光纖網絡中，可實現速率高於10G的高速光信號傳輸；同時採用同軸封裝的結構將LD晶片305和M-PD晶片307均安裝於陶瓷基板303上，器件所佔體積、面積大大減小，製作過程更加簡單，成本更低。

需要說明的是，上述提到的貼裝或焊接都是連接工藝，在某些情況下，兩者可以互換，或者採用除上述兩種方式外的其他連接工藝，以能滿足實際需求為準。

請參閱圖8，本發明同軸封裝光通信器件第四實施方式，光電晶片408為LD晶片408，光發射器件包括管座401、設置於管座401上的分布有微帶線407的陶瓷基板406、設置於管座401上的多個管腳402/403/404、LD晶片408及M-PD晶片409。

在管座401沿軸向方向設置有插孔411，在插孔411內放置陶瓷基板406，使陶瓷基板406垂直穿設於插孔411內，利用低溫玻璃漿料將陶瓷基板406與管座401熔接結合為一體；陶瓷基板406上的微帶線407為共面波導微帶線407，包括中心導體帶4071和接地帶4072，形成高速光波傳輸線，在陶瓷基板406上還分布有低頻引線4121/4122，形成低頻、直流連接線。

在接地帶4072位於管座內側4011的上方貼裝有LD晶片408，LD晶片408的正電極與中心導體帶4071上的對應電極相連接，LD晶片408的負電極與接地帶4072上的對應電極連接，位於管座外側4012的中心導體帶4071、接地帶4072及低頻引線4121/4122用於與外部系統(圖中未示出)進行電連接。

設置於管座401上的多個管腳402/403/404從管座外側4012穿過管座401，並凸出於管座內側4011，管腳402/403/404可選為柱狀金屬管腳，在中心導體帶4071所在的軸線方向上設一管腳403，在管腳403凸出管座內側4011的表面上設有陶瓷墊片405，陶瓷墊片405通過焊料焊接在管腳403上，在陶瓷墊片405的表面上貼裝M-PD晶片409，使得M-PD晶片409的光敏面與LD晶片408的發光區成80°-85°銳角，M-PD晶片409的正負電極分別通過金絲球焊方式焊接在對應的管腳402/404上，管腳403可接地。

本實施方式中，外部系統通過與位於管座外側4012的微帶線407和/或低頻引線4021/4022連接，將電纜網絡中的電信號傳輸至中心導體帶4071上，通過LD晶片408將電信號轉換成雷射信號，再經由中心導體帶4071傳送至光纖網絡中，可實現速率高於10G的光信號傳輸，在LD晶片408發射雷射信號時，M-PD晶片409的光敏面感知到雷射信號，將雷射信號轉換成電信號如電壓信號或電流信號等，繼而得出LD晶片408的發射雷射光強，從而可以根據需要調節LD晶片408的工作性能。

LD晶片408、M-PD晶片409在設置分布有微帶線407的陶瓷基板406以及多個管腳402/403/404的管座401上實現高速光信號傳輸的同軸封裝，相比傳統的高速光信號傳輸的蝶型封裝來說，器件體積減小，製作工藝簡單，可以降低生產成本。

本實施方式的LD晶片408貼裝在接地帶4072上，但是在一些低速雷射信號傳輸的場合，也可將LD晶片408連接在對應的管腳402/403/404上，使得本實施方式的同軸封裝結構同時具有高速雷射信號傳輸和低速雷射信號傳輸的功能，具有很強的實用性。

同時，本實施方式的外部系統與位於管座外側4012的微帶線407和/或低頻引線4021/4022連接，也就是說陶瓷基板406穿設於插孔411內，凸出在管座外側4012，但是在其他實施方式中，陶瓷基板穿設與插孔內，可只保留管座內側的部分，外部系統可與位於管座外側的多個管腳進行電連接，實現將電纜網絡中的電信號傳輸至微帶線上的功能，從而省略位於管座外側的陶瓷基板部分，進一步簡化光通信器件的同軸封裝。

需要說明的是，在以上所述的第三實施方式和第四實施方式中，M-PD晶片也可去除，將LD晶片更換成側面入光型高速PD晶片，利用側面入光型高速PD晶片實現高速光接收器件的同軸封裝。

以上所述僅為本發明的實施方式，並非因此限制本發明的專利範圍，凡是利用本發明說明書及附圖內容所作的等效結構或等效流程變換，或直接或間接運用在其他相關的技術領域，均同理包括在本發明的專利保護範圍。