阅读说明：本技术 多通道并行发射光器件及半导体致冷器 (Multi-channel parallel emits optical device and semiconductor cooler ) 是由 胡百泉 李林科 林雪枫 胡定坤 吴天书 杨现文 张健 于 2019-08-20 设计创作，主要内容包括：本发明涉及了一种多通道并行发射光器件及半导体致冷器,半导体致冷器的冷面的面积完全覆盖热面的面积,且热面、冷面呈水平设置时,冷面的边缘与热面的边缘之间具有水平距离,正、负电极固定在冷面的第二表面上。将这种结构的半导体致冷器设置在BOX封装的管壳内,管壳的内壁底面设有用于安装半导体致冷器的凹槽,半导体致冷器的热面固定在凹槽的槽底,半导体致冷器的冷面下端与管壳之间设有绝缘低导热密封圈,使管壳、绝缘低导热密封圈、半导体致冷器的冷面形成一个密闭空间,以达到TEC局部气密的效果,不需要TEC本体进行防水膜,可以保证TEC工作在非气密环境。(The present invention relates to a kind of multi-channel parallel transmitting optical device and semiconductor coolers, the area in hot face is completely covered in the area of the huyashi-chuuka (cold chinese-style noodles) of semiconductor cooler, and hot face, huyashi-chuuka (cold chinese-style noodles) are in when being horizontally disposed with, there is horizontal distance, positive and negative electrode is fixed on the second surface of huyashi-chuuka (cold chinese-style noodles) between the edge of huyashi-chuuka (cold chinese-style noodles) and the edge in hot face.The semiconductor cooler of this structure is arranged in the shell of BOX encapsulation, the inner wall bottom surface of shell is equipped with the groove for installing semiconductor cooler, the hot face of semiconductor cooler is fixed on the slot bottom of groove, the low conduction heat sealable circle that insulate is equipped between the huyashi-chuuka (cold chinese-style noodles) lower end of semiconductor cooler and shell, the huyashi-chuuka (cold chinese-style noodles) of shell, the low conduction heat sealable circle of insulation, semiconductor cooler is set to form a confined space, to achieve the effect that TEC is locally airtight, it does not need TEC ontology and carries out waterproof membrane, it is ensured that TEC works in non-hermetically sealed environment.)

多通道并行发射光器件及半导体致冷器

技术领域

本发明涉及光通信领域的光器件及模块技术领域，尤其涉及一种多通道并行发射光器件及半导体致冷器。

背景技术

用于宽温的发射光器件、长工作距离如(40Km)的EML型发射光器件，DBR型波长敏感型发射光器件等等，都需要TEC(半导体致冷器ThermoElectric Cooler)进行控温，以保证激光器工作波长的稳定性。

市场上早有TEC并且批量商用化，其结构如图1所示，它由热面101、冷面102、热敏元件组103、正负电极104组成，其中正负电极104固定在热面101的上表面，与热敏元件组103位于同一表面，它的优点是不占用冷面的工作空间。它的特点是热面面积大，冷面面积小。

然而，现有市场上所有的批量TEC产品都是默认工作在气密封装的环境中，对于非气密封装的环境，TEC的电极及焊盘受到湿气的侵蚀会出现短路、断路等异常，无法通过光通信行业的恒定湿热的可靠性要求。虽然有些厂家尝试将TEC全表面镀防水膜，然而防水膜效果并不佳，仍未通过可靠性要求，并且防水膜层极薄，是微米量级厚度，极易受到尖锐的物品(如镊子)的破坏从而导致防水膜更快的失效。

发明内容

本发明的目的在于提供一种多通道并行发射光器件及半导体致冷器，将这种结构的半导体致冷器设置在BOX封装的管壳内，结合BOX的金属结构进行两次密封，以达到TEC局部气密的效果，不需要TEC本体进行防水膜，可以保证TEC工作在非气密环境。

本发明是这样实现的：本发明公开了一种半导体致冷器，包括正、负电极、热面、冷面以及固定在热面的第一表面与冷面的第一表面之间的多个热敏元件，所述冷面的面积完全覆盖热面的面积，且热面、冷面呈水平设置时，冷面的边缘与热面的边缘之间具有水平距离，所述正、负电极固定在冷面的第二表面上。

进一步地，所述热面、冷面的第一表面分别设有若干用于与各个热敏元件的电极固定的焊盘，各热敏元件的第一电极对应与热面的第一表面的焊盘固定，且电连接，各热敏元件的第二电极对应与冷面的第一表面的焊盘固定，且电连接，通过分别设置在热面、冷面的第一表面上的导体将各个热敏元件串联在正电极与负电极之间；所述正、负电极固定在冷面的第二表面上。

进一步地，所述热面、冷面的第一表面分别设有设定的镀层图案，其中，镀层图案的某些镀层区域作为焊盘，镀层图案的其他镀层区域作为焊盘间的导线。

具体为：在纯陶瓷板上，根据设定的图形或图案进行多次蒸镀(具体是通过掩膜板进行蒸镀)，蒸镀之后就形成了所需要的图形或图案，这个图案的某些部位就是焊盘，其他的位置不作为焊盘，仅作为焊盘间的导线。将热敏元件通过机器安装在焊盘上的焊料上之后进行加热固化。

进一步地，所述冷面上设有两个通孔，所述通孔内设有导电材料，所述正、负电极分别通过两通孔内的导电材料与冷面的第一表面上的输入端焊盘、输出端焊盘电连接，两通孔内的导电材料分别通过设置在冷面的第一表面上的镀层与输入端焊盘、输出端焊盘电连接。

冷面上的两个通孔的孔壁设有镀金层。

进一步地，热面、冷面均为矩形，所述冷面的长度大于热面的长度，所述冷面的宽度大于热面的宽度；且热面、冷面均为陶瓷板；热面与冷面平行设置。

热面与冷面采用陶瓷板的优点有：陶瓷板的导热系数高，导热效果好，同时陶瓷板本体是绝缘的，且陶瓷板上很容易进行镀金，形成焊盘图案。当然，热面与冷面也可以采用其他导热相对好的材料如单晶硅，硅也是绝缘并且可镀金，但是硅比较脆，易崩裂，所以制作难度略大。

本发明公开了一种多通道并行发射光器件，包括管壳，所述管壳的一端固定有电接口，所述管壳的另一端固定有光接口，所述管壳的内壁底面设有用于安装半导体致冷器的凹槽，半导体致冷器的热面固定在凹槽的槽底，半导体致冷器的冷面下端与管壳之间设有绝缘低导热密封圈，使管壳、绝缘低导热密封圈、半导体致冷器的冷面形成一个密闭空间，半导体致冷器的冷面下端的热敏元件、热面位于该密闭空间内，半导体致冷器的冷面的上端面上设有激光器芯片组、准直透镜组及热敏电阻，所述准直透镜组用于将激光器芯片组分别发射的不同工作波长的激光准直成准平行光，所述管壳内位于准直透镜组与光接口之间固定有滤光片组件、光口准直透镜，所述准直透镜组出射的准平行光经滤光片组件后被光口准直透镜会聚到光接口，再通过外接的跳线传输到链路中。

进一步地，所述滤光片组件包括玻璃载体和多个带通滤光片，多个带通滤光片粘接固定在玻璃载体的一侧，玻璃载体的另一侧设有全反射膜区域和通光口区域；所述玻璃载体为平行四边形，使分别透过多个带通滤光片进入玻璃载体内的光信号被玻璃载体复用后，从玻璃载体的通光口区域处出射。

准直透镜组出射的第一路准平行光透过带通滤光片后直接从玻璃载体的通光口区域处透射，准直透镜组出射的其余准平行在玻璃载体内传播时需要通过全反射膜区域的反射，将光反射到下一个通道的带通滤光片上，并依次反射，最后到达玻璃载体的通光口区域处出射。

进一步地，所述激光器芯片组固定在热沉上，所述热沉固定在半导体致冷器的冷面的上端面上；激光器芯片组与热沉通过高导热胶粘接固定，热沉与半导体致冷器的冷面通过高导热胶粘接固定；半导体致冷器的热面与管壳的凹槽槽底通过高导热胶粘接固定。

进一步地，所述凹槽的面积完全覆盖半导体致冷器的冷面的面积；且冷面的边缘与凹槽的内壁之间具有水平距离。

进一步地，所述绝缘低导热密封圈设置在管壳内壁底面的凹槽内；所述绝缘低导热密封圈的高度高于凹槽的槽深高度。所述凹槽为矩形。

进一步地，所述绝缘低导热密封圈包括密封圈本体，所述本体外部涂满具有低吸水率、低热膨胀系数、低导热系数的密封型胶水，使绝缘低导热密封圈与半导体致冷器的冷面和管壳粘接。因为此处是第一层密封，所用的胶水要具有密封性，密封性要求一方面具有低吸水率，同时要低热膨胀系数，还要求胶体固化后致密度高、绝缘；另外由于胶水连接了冷面和管壳的底面，管壳的底面与热面是相接的，所以要求胶水的导热系数也要低。

绝缘低导热密封圈还有另一种结构，如：半导体致冷器的冷面下端与管壳之间设有胶体，通过胶体将半导体致冷器的冷面与管壳之间密封，形成一个密闭空间，胶体分别与管壳、半导体致冷器的冷面粘接，胶体固化后形成绝缘低导热密封圈。

进一步地，所述管壳内位于滤光片组件与光口准直透镜之间固定有隔离器、转折棱镜，滤光片组件出射的平行光透过隔离器之后被转折棱镜横向转折，之后被光口准直透镜会聚到光接口。

进一步地，所述管壳固定有光接口的端头设有通光口；所述通光口处安装有玻璃光窗；所述管壳包括底壳以及固定在底壳上端的盖板，通过平行封焊方式固定盖板，以确保器件的密封性。

进一步地，管壳固定有电接口的端头设有铣槽，电接口嵌入在管壳的铣槽内，在电接口与管壳接触位置设置绝缘密封材料实现电接口与管壳之间的密封，电接口一部分位于管壳的内部，另一部分位于管壳的外部。对于电接口处的密封材料，只要求密封性即可，不要求导热低。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本专利提出的半导体致冷器将正负电极设置在冷面，所述冷面的面积完全覆盖热面的面积，且热面、冷面呈水平设置时，冷面的边缘与热面的边缘之间具有水平距离，在光器件管壳内部预留TEC装配的凹槽，凹槽五面封闭一面开口，半导体致冷器的冷面下端与管壳之间设有绝缘低导热密封圈，使管壳、绝缘低导热密封圈、半导体致冷器的冷面形成一个密闭空间，将TEC冷面与器件管壳进行第一密封，以达到TEC局部气密的效果，不需要TEC本体进行防水膜，在光器件管壳缺口处进行第二次密封，可以保证TEC工作在非气密环境。

本专利提出的TEC及其密封方案，可采用非气密BOX封装形式，具有性能良好、高可靠性、易耦合、可批量化、易互换性的优点。

附图说明

图1为常规的半导体致冷器的结构示意图；

图2为本发明的半导体致冷器的结构示意图；

图3为本发明的半导体致冷器的冷面的第一表面的镀层示意图；

图4为本发明的半导体致冷器的热面的第一表面的镀层示意图；

图5为本发明的半导体致冷器的冷面的第一表面的焊盘编号示意图；

图6为本发明的半导体致冷器的热面的第一表面的焊盘编号示意图；

图7为本发明的多通道并行发射光器件的结构侧身剖视图；

图8为本发明的多通道并行发射光器件的结构俯视图；

图9为本发明的多通道并行发射光器件的滤光片组件的结构示意图；

图10为本发明的多通道并行发射光器件的光路图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

参见图2至图6，本发明实施例提供了一种半导体致冷器，包括正、负电极204、热面201、冷面202以及固定在热面201的第一表面与冷面202的第一表面之间的多个热敏元件203，所述冷面的面积完全覆盖热面的面积，且热面、冷面呈水平设置时，冷面的边缘与热面的边缘之间具有水平距离L，所述正、负电极固定在冷面的第二表面上。因装配需要，本实施例冷面的边缘与热面的边缘之间的水平距离L约为0.5mm。

进一步地，所述热面、冷面的第一表面分别设有若干用于与各个热敏元件的电极固定的焊盘，各热敏元件的第一电极对应与热面的第一表面的焊盘固定，且电连接，各热敏元件的第二电极对应与冷面的第一表面的焊盘固定，且电连接，通过分别设置在热面、冷面的第一表面上的导体将各个热敏元件串联在正电极与负电极之间；所述正、负电极固定在冷面的第二表面上。

进一步地，所述热面、冷面的第一表面分别设有设定的镀层图案，其中，镀层图案的某些镀层区域作为焊盘302，镀层图案的其他镀层区域作为焊盘间的导线303。

参见图5和图6，关于TEC的工作线路，TEC的工作电流从焊盘1(对应标号205)输入，依次从焊盘2-3-4....(按编号依次传)直到焊盘56输出。因为热面(图6)显示的是俯视图，在组装时需要将图6反扣过来与冷面(图5)装配，所以热面(图6)的编号是从底部最后一行开始的。冷面和热面的两个相邻编号的焊盘之间放置热敏元件203。从结构上讲，焊盘1-56是串行的。

进一步地，所述冷面上设有两个通孔，所述通孔内设有导电材料，所述正、负电极分别通过两通孔内的导电材料与冷面的第一表面上的输入端焊盘、输出端焊盘电连接，两通孔内的导电材料分别通过设置在冷面的第一表面上的镀层与输入端焊盘、输出端焊盘电连接。优选地，所述冷面上的两个通孔的孔壁设有镀金层。

进一步地，热面、冷面均为矩形，所述冷面的长度大于热面的长度，所述冷面的宽度大于热面的宽度；且热面、冷面均为陶瓷板；热面与冷面平行设置。

其制程如下：

1)冷面、热面陶瓷板采用机加工成型；

2)冷面陶瓷板上表面，预先打通孔301，之后将通孔填充导电材料，或者在孔壁制作成3维镀金层再填充；

3)按设定的图形或图案如图3、图5所示的图层进行掩膜蒸镀形成所需镀层图案，这个图案的某些部位就是焊盘，比如图5中，整个图案都是蒸镀形成的，但只是写数字的那些正方形区域是焊盘，其他的位置不作为焊盘，仅作为焊盘间的导线；

镀层图案完全覆盖住过孔301的面积，并且在过孔处形成镀层过渡区域205；

因此正负电极204与冷面202的上表面图层通过过孔301导通；

在TEC冷面的下表面，可根据需要镀金层，也可以无镀层；

4)TEC热面陶瓷板的下表面按如图4、图6所示的图层进行掩膜蒸镀形成所需镀层图案；这个图案的某些部位就是焊盘，比如图6中，整个图案都是蒸镀形成的，但只是写数字的那些正方形区域是焊盘，其他的位置不作为焊盘，仅作为焊盘间的导线。

5)在热面和冷面的焊盘上预制导电焊料如在焊盘上点导电胶。焊料选择280℃左右的高温焊料；

6)粘接热敏元件组；

7)通过工夹预固定；

8)高温烘烤；

9)在TEC冷面焊接正负电极。

实施例二

参见图2至图10，本发明实施例提供了一种多通道并行发射光器件，包括管壳501，所述管壳501的一端固定有电接口511，电接口511一部分位于管壳501的内部，另一部分位于管壳501的外部。所述管壳501的另一端固定有光接口510，所述管壳501的内壁底面设有用于安装半导体致冷器505的凹槽512，半导体致冷器的热面101固定在凹槽的槽底，半导体致冷器的冷面202下端与管壳501之间设有绝缘低导热密封圈514，使管壳501、绝缘低导热密封圈514、半导体致冷器的冷面202形成一个密闭空间，半导体致冷器的冷面下端的热敏元件、热面位于该密闭空间内，半导体致冷器的冷面102的上端面上设有激光器芯片组502、准直透镜组503及热敏电阻602，所述准直透镜组503用于将激光器芯片组502分别发射的不同工作波长的激光准直成准平行光，所述管壳501内位于准直透镜组与光接口510之间固定有滤光片组件5、光口准直透镜509，所述准直透镜组503出射的准平行光经滤光片组件5后被光口准直透镜509会聚到光接口510，再通过外接的跳线传输到链路中。

本发明的发射器件采用BOX型封装的器件，采用非气密型封装。管壳501采用BOX管壳。

进一步地，所述凹槽的面积完全覆盖半导体致冷器的冷面的面积；且冷面的边缘与凹槽的内壁之间具有水平距离。

进一步地，所述激光器芯片组502固定在热沉504上，所述热沉504固定在半导体致冷器的冷面102的上端面上；激光器芯片组502与热沉504通过高导热胶粘接固化，热沉504与半导体致冷器506的冷面202通过高导热胶粘接固化；半导体致冷器的热面201与管壳501的凹槽槽底通过高导热胶513粘接固化。

进一步地，所述绝缘低导热密封圈514设置在管壳501内壁底面的凹槽512内；所述绝缘低导热密封圈514的高度高于凹槽512的槽深高度。所述凹槽为矩形。

BOX管壳501靠近电接口511的方向，预留TEC装配槽512，装配槽512是五面封闭上方开口的结构，TEC 505的热面201与管壳501通过高导热胶513粘接并固化。进一步地，所述绝缘低导热密封圈514包括密封圈本体，所述本体外部涂满具有低吸水率、低热膨胀系数、低导热系数的密封型胶水，使绝缘低导热密封圈与半导体致冷器的冷面和管壳粘接，采用胶水将绝缘低导热密封圈与半导体致冷器的冷面和管壳粘接，密封性好。因为此处是第一层密封，所用的胶水要具有密封性，密封性要求一方面具有低吸水率，同时要低热膨胀系数，还要求胶体固化后致密度高、绝缘；另外由于胶水连接了冷面和管壳的底面，管壳的底面与热面是相接的，所以要求胶水的导热系数也要低。

绝缘低导热密封圈还有另一种结构，如：半导体致冷器的冷面下端与管壳之间设有胶体，通过胶体将半导体致冷器的冷面与管壳之间密封，形成一个密闭空间，胶体分别与管壳、半导体致冷器的冷面粘接，胶体固化后形成绝缘低导热密封圈。

绝缘低导热密封材料514采用导热系数小于0.3W/(m*K)的材料，优选纳米材料的绝缘绝热复合材料，导热系数为0.06-0.15W/(m*K)，也可采用环氧型密封胶圈。为减少管壳501的热量影响TEC的冷面202的致冷效果，管壳501与TEC的冷面202至少预留0.3mm的空间。在TEC冷面202上方设置热沉504、激光器芯片组502、准直透镜组503及热敏电阻602。为方便金丝键合，TEC电极601与热敏电阻602分别位于器件的两侧。激光器芯片组502设置在热沉504的上方，通过高导热胶固化，热沉504设置在TEC 506的冷面202上方，通过高导热胶固化。

如图7所示，所有的光学部件的中心均位于同一个平面515内，平面515与管壳501的底面平行。本实施例的激光器芯片组包括四个不同工作波长的激光器芯片502，四个激光器芯片等间距分布。各激光器芯片502的左侧对应垂直放置一个非球面型的准直透镜503，激光器芯片502放置在准直透镜503的焦点上，因此激光器芯片502发射的光信号通过准直透镜503的准直后，以准平行光的形式传播。滤光片组件506设置在TEC的左侧，与TEC无接触。滤光片组件506在准直透镜503的左侧，并且各个准直透镜503对应一个带通滤光片5062-5065。如图8所示，各信道的带通滤光片5062-5065、准直透镜503、激光器芯片502同轴分布。准直透镜组503的四个透镜为相同的透镜，各透镜独立耦合、独立粘贴。在滤光片组件506的通光口左侧放置隔离器508，隔离器508左侧放置棱镜507，并且滤光片组件506的通光口702、隔离器508及棱镜507同轴分布。棱镜507的出射通光口左侧为光口准直透镜509，光口准直透镜509可镶嵌在管壳501内部，也可通过金属零件焊接在管壳同502的左端面，也可与光接口510组合成插针准直器。光接口510位于光口准直透镜509的左侧，优选采用LC型光接口。棱镜507的出射通光口、光口准直透镜509和光接口510同轴分布。管壳501的右侧尾部留有铣槽，电接口511嵌入在管壳501的铣槽内，在电接口511与管壳501接触位置填满绝缘密封材料516，作为光器件的密封。绝缘密封材料516所用的焊料不限：环氧树脂胶、玻璃胶、硅胶、锡料、钎料(如金锡合金)等等，固化的方式根据焊料不同而不同，如热固化、锡焊、钎焊等，具有机械强度高、热稳定性好及气密性好的优点。绝缘密封材料516优选热膨胀系数与管壳501材质热膨胀系数匹配的材料，管壳501材质优选可伐材料。组装后的电接口511一部分位于管壳501的内部，另一部分位于管壳501的外部。在管壳501的正上方通过平行封焊方式固定盖板(图中未画出)，以确保器件的密封性。在管壳501的左侧通光口处，通过钎焊工艺密封有玻璃光窗，玻璃光窗优选热膨胀系数与管壳501材质热膨胀系数匹配的材料。

激光器芯片组502采用共晶焊料固化，具有高的剪切强度、导热良好，同时共晶焊料具有良好的防水汽特性。激光器芯片组502表面采用保护性钝化膜，可有效防护外界环境的影响。

如图9所示，对于滤光片组件506，由玻璃载体5061和带通滤光片阵列5062-5065装配而成，玻璃载体5061在左侧有两部分区域，一部分为全反膜区域701，一部分为透射的通光口区域702。带通滤光片阵列5062-5065粘接固定在玻璃载体5061的右侧，等间距设置。玻璃载体5061倾斜放置，玻璃载体5061优选实体型玻璃板。滤光片组件506对激光器502发射的光信号起到波分复用的作用。带通滤光片5062-5065的作用是对特定的窄谱宽内的光信号透过，而对其他光信号反射，如1304nm带通滤光片，对1304±1.1nm的光透射，而对此通带外的光反射，因此1295nm、1300nm和1309nm光波能够被滤光片反射。玻璃载体6061的两个工作面的研磨角度与带通滤光片5062-5065的反射角度相同，因此滤光片组件506整体呈现平行四边形结构。

器件的光学传输方式如图10所示。激光器芯片502为四个不同工作波长的激光器芯片，工作波长分别是λ₁，λ₂，λ₃，λ₄。激光器芯片发射的前向光为近高斯光束，之后通过准直透镜503准直成准平行光，之后透过带通滤光片5062-5065进入滤光片组件506内，之后被滤光片组件506复用。光信号主要以准平行光的形式传播。平行光的优点是传播距离长，并且在有效传播距离内对其进行会聚时，会聚光的耦合效率比较一致，可以保证器件四个通道的功率的均匀。因为滤光片组件整体是平行四边形的平板结构，四路光信号透过滤光片组件后，仍能够沿原有的角度传播。对于第一路准平行光λ₁透过带通滤光片5062后直接从玻璃载体5061的光口处透射，其余准平行光λ₂、λ₃及λ₄在玻璃载体5061内传播时需要通过全反射区域701的反射，将光反射到下一个通道的带通滤光片上，并依次反射，最后到达玻璃载体506的输出光口702处出射。出射的平行光透过隔离器，之后被棱镜507横向转折，之后被光口准直透镜509会聚到光接口510，之后再通过外接的跳线传输到链路中。

本专利所述的并行光射和接收器件可应用于CWDM和LWDM、DBR或者其他具体需求的多信道波长同时工作并且对波长敏感的情形，为了便于陈述，以用于LWDM的4通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LWDM的常用4个波长或组合：λ₁、λ₂、λ₃、λ₄，如1295nm，1300nm，1304nm、1309nm等。

本专利公开了一种新型的TEC，及其在光器件中的双层密封结构，以及波分复用功能的并行发射的结构，具有性能优良、低成本、可靠性高等优点，属于光通信领域的光器件及模块技术领域。可应用于CWDM、LWDM波长以及DBR型激光器，可封装于SFP+、QSFP28、QSFPDD、OSFP等模块中。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。