高速光信号发射器件的壳体组件及高速光信号发射器件
阅读说明：本技术 高速光信号发射器件的壳体组件及高速光信号发射器件 (Shell assembly of high-speed optical signal emitting device and high-speed optical signal emitting device ) 是由 鞠兵 维卡斯·马南 赖人铭 于 2021-09-23 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种高速光信号发射器件的壳体组件及高速光信号发射器件,壳体组件包括壳体、热沉基板、激光器和驱动芯片,热沉基板、激光器和驱动芯片封装于壳体内,激光器和驱动芯片按照壳体的轴线方向相邻放置于热沉基板。本发明将驱动芯片和激光器相邻放置安装于热沉基板,并封装于壳体中,使二者连接线路尽可能的短,避免了驱动芯片和半导体激光器之间长的走线,降低了长的走线带来的寄生电感和寄生电容,提高了光发射器件的使用带宽,使得高速光信号发射器件能容易地工作在25Gb/s及以上速率,更适合应用于高速率光通信设备。同时,本发明采用了没有转折的直线光路设计,减少一部分光转折元件和工序,有效降低了高速光信号发射器件的成本。(The invention relates to a shell assembly of a high-speed optical signal emitting device and the high-speed optical signal emitting device. The driving chip and the laser are adjacently arranged on the heat sink substrate and are packaged in the shell, so that the connecting circuit of the driving chip and the laser is as short as possible, long wiring between the driving chip and the semiconductor laser is avoided, parasitic inductance and parasitic capacitance caused by the long wiring are reduced, the use bandwidth of the light emitting device is improved, the high-speed optical signal emitting device can easily work at the speed of 25Gb/s or above, and the high-speed optical signal emitting device is more suitable for being applied to high-speed optical communication equipment. Meanwhile, the invention adopts the design of a straight light path without turning, reduces a part of light turning elements and working procedures, and effectively reduces the cost of the high-speed optical signal transmitting device.)
技术领域
本发明涉及激光二极管技术领域，特别是一种高速光信号发射器件的壳体组件及高速光信号发射器件。
背景技术
目前用于高速光纤通信的光收发模块中常用的高速光信号发射器件(TOSA)、半导体激光器(LD)的驱动芯片(Driver)均是布置在光收发模块的电路板主板上。驱动芯片(Driver)通过柔性电路板(FPC)连接光发射器件(TOSA)，并驱动光发射器件(TOSA)中的半导体激光器(LD)。驱动芯片(Driver)主要作用是对半导体激光器(LD)的直流偏置电流与高频的调制电流进行耦合，为半导体激光器(LD)提供已调制的驱动电流。同时驱动芯片(Driver)还可对输入信号进行放大，并对直流偏置电流和高频调制电流进行控制，使激光器处于最佳的工作状态。
现有技术方案中，半导体激光器(LD)和驱动芯片(Driver)分别位于光模块主板和光发射器件(TOSA)内，激光器(LD)和驱动芯片(Driver)之间由柔性电路板(FPC)连接，半导体激光器(LD)和驱动芯片(Driver)间走线很长。随着光通信速率越来越高，长的高频信号走线容易产生寄生电感，寄生电容以及阻抗不匹配等影响高频信号质量的问题，降低驱动芯片和半导体激光器的运行带宽，影响光发射器件的性能。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术存在的半导体激光器(LD)和驱动芯片(Driver)间走线很长，长的高频信号走线容易产生寄生电感，寄生电容以及阻抗不匹配等影响高频信号质量的问题，降低驱动芯片和半导体激光器的运行带宽，影响光发射器件的性能的问题，提供一种高速光信号发射器件的壳体组件及高速光信号发射器件，将驱动芯片(Driver)与半导体激光器(LD)相邻放置，一起封装在光发射器件的壳体中，尽可能地缩短驱动芯片与半导体激光器之间的引线长度，提高高频信号质量。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种高速光信号发射器件的壳体组件，工作在25Gb/s及以上速率，所述壳体组件包括壳体、热沉基板、激光器和驱动芯片，所述热沉基板、所述激光器和所述驱动芯片封装于所述壳体内，所述激光器和所述驱动芯片按照所述壳体的轴线方向相邻放置于所述热沉基板。
本发明所述的高速光信号发射器件的壳体组件，将驱动芯片和激光器相邻放置，驱动芯片和激光器一起安装于热沉基板，并封装于壳体中，使二者连接线路尽可能的短。避免了驱动芯片和半导体激光器之间长的走线，降低了长的走线带来的寄生电感和寄生电容，解决了寄生电感、寄生电容以及阻抗不匹配等带来的影响高频信号质量的问题，提高了光发射器件的使用带宽，使得高速光信号发射器件能容易地工作在25Gb/s及以上速率，更适合应用于高速率光通信设备。同时，本发明将驱动芯片与半导体激光器按壳体轴线方向放置，采用了没有转折的直线光路设计，结构相对简单，减少一部分光转折元件和相应的贴装工序，有效降低了该器件的整体成本。
作为本发明的优选方案，通过打金线的方式连接驱动芯片和半导体激光器，使二者连接线路尽可能的短。
作为本发明的优选方案，所述激光器通过金锡焊焊接或胶粘于所述热沉基板表面的导电图案，所述驱动芯片通过导电胶粘于热沉基板。
作为本发明的优选方案，所述壳体设有用于内外信号传输的贯穿针，所述驱动芯片通过所述贯穿针接收输入的控制信号，并输出驱动信号到所述激光器，根据控制信号驱动所述激光器发光，所述驱动芯片上输出驱动信号的打线焊盘邻近所述激光器设置，使得驱动芯片和半导体激光器之间的连线最短。
作为本发明的优选方案，所述壳体包括集管头和壳盖，所述集管头和所述壳盖组合构成所述壳体内部的密封空间；
所述集管头嵌入多个所述贯穿针，所述集管头内侧设有台阶，所述台阶用于固定所述热沉基板；
所述壳盖嵌入有光学透镜，所述光学透镜与所述激光器同轴设置，采用没有转折的直线光路设计，所述光学透镜用于汇集所述壳盖内的光线，并作为所述光线的向外传输的出口。
作为本发明的优选方案，所述热沉基板还固定连接有加热电阻，所述加热电阻靠近所述激光器设置，所述加热电阻用于给所述激光器加热升温。使得激光器能够在非常低的环境温度下正常工作。
作为本发明的优选方案，所述加热电阻通过所述集管头的PIN针加电流实现加热。
作为本发明的优选方案，所述加热电阻通过所述集管头的PIN针先加控制电压到所述驱动芯片，再由所述驱动芯片加电流实现加热。通过这种方式，可以防止在PIN针上加大的电流，带来的电磁辐射干扰，也防止PIN针电流过大产生热量导致集管头的微小形变。
作为本发明的优选方案，所述壳体为TO-CAN壳体或者BOX壳体。
作为本发明的优选方案，所述热沉基板设有隔离槽，所述隔离槽为条形槽，所述隔离槽用于实现所述驱动芯片和所述激光器的热隔离，降低驱动芯片和激光器之间的热干扰。
作为本发明的优选方案，所述壳体内还设有光电探测器，所述光电探测器安装于驱动芯片用于监测所述激光器的背向发光。
作为本发明的优选方案，所述壳体内还设有光电探测器，所述光电探测器安装在所述激光器的侧前方用于监测所述激光器的前向发光。采用前向光功率监测方式，可以避免将光电探测器安装于驱动芯片，有效保护了驱动芯片。另外，前向的光电探测器监测激光器发出的前向光功率，还具有更高的光功率监测准确性。
本发明还公开了一种高速光信号发射器件，包括接头、安装环，柔性电路板，以及任一所述的一种高速光信号发射器件的壳体组件，所述接头用于与外部光纤连接器对接，所述安装环用于所述接头与所述壳体之间的耦合焊接，所述柔性电路板用于连接光收发模块的主板。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明所述的高速光信号发射器件的壳体组件，将驱动芯片和激光器相邻放置，驱动芯片和激光器一起安装于热沉基板，并封装于壳体中，使二者连接线路尽可能的短。避免了驱动芯片和半导体激光器之间长的走线，降低了长的走线带来的寄生电感和寄生电容，解决了寄生电感、寄生电容以及阻抗不匹配等带来的影响高频信号质量的问题，提高了光发射器件的使用带宽，使得高速光信号发射器件能容易地工作在25Gb/s及以上速率，更适合应用于高速率光通信设备。同时，本发明将驱动芯片与半导体激光器按壳体轴线方向放置，采用了没有转折的直线光路设计，结构相对简单，减少一部分光转折元件和相应的贴装工序，有效降低了该器件的整体成本。
2.本发明在热沉基板设计热隔离槽，能实现驱动芯片和激光器的热隔离，降低驱动芯片和激光器之间的热干扰。热沉基板上还可以实现电信号的走线，并使得基板上的高频电信号走线跟驱动器的输入以及管座的管脚实现很好的高频电信号阻抗匹配，从而进一步提高了光发射器件的使用带宽。
3、本发明采用一种前向光功率监测方式，可以避免将光电探测器安装于驱动芯片，有效保护了驱动芯片。另外，前向的光电探测器监测激光器发出的前向光功率，还具有更高的光功率监测准确性。
4、本发明通过设置加热电阻，用于给激光器加热升温，使得在非常低的环境温度下激光器能够正常工作。加热电阻通过集管头的PIN针先加控制电压到驱动芯片，再由驱动芯片加电流实现加热，可让原本最低0度左右工作的激光器能够工作到-40度及以下的低温以支持工业级温度的应用，并防止在的PIN针上加大的电流，带来电磁辐射干扰，也防止PIN针电流过大产生热量导致集管头的微小形变。
附图说明
图1为本发明实施例1中一种高速光信号发射器件的三维结构示意图；
图2为本发明实施例1中一种高速光信号发射器件的使用示意图；
图3为本发明实施例1中一种高速光信号发射器件的壳体组件的结构示意图；
图4为本发明实施例1中集管头组件的结构示意图一；
图5为本发明实施例1中集管头组件的结构示意图二；
图6为本发明实施例1中集管头放置热沉基板、驱动芯片、激光器和光电探测器的壳体组件的内部结构示意图；
图7为本发明实施例1中集管头上放置热沉基板的结构示意图；
图8为本发明实施例1中壳体组件内部和贯穿针的金线连接图；
图9为本发明实施例1中一种高速光信号发射器件光路输出到外部光纤的示意图；
图10为本发明实施例1中柔性电路板与贯穿针连接示意图；
图11为本发明实施例2中集管头放置热沉基板、驱动芯片、激光器、加热电阻和光电探测器的壳体组件内部示意图；
图12为本发明实施例2中壳体组件内部和贯穿针的金线连接图。
图标：1-光发射器件，11-壳体，12-接头，13-安装环，14-柔性电路板，2-光纤连接器，3-光收发模块，31-主板，111-集管头，1111-集管头外壳，1112-PIN针，1113-RF PIN针，1114-不贯穿外壳PIN针，1115-熔融玻璃，112-壳盖，1121-壳盖外壳，1122-光学透镜，1131-热沉基板，11311-导电图案，11312-打线焊盘组，1132-激光器，1133-驱动芯片，1134-加热电阻，1141-光电探测器基板，1142-光电探测器，121-光隔离器。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明作详细的说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本发明提供的光发射器件1，工作在25Gb/s及以上速率，主要包括4个组件，壳体TO-CAN 11、接头Receptacle 12、安装环Z-ring 13和柔性电路板FPC 14，一种光发射器件的外观如图1所示。其中壳体TO-CAN 11用于封装电子元件及光学器件；接头Receptacle 12用于与外部光纤连接器2对接；安装环Z-ring 13用于接头Receptacle 12与壳体TO-CAN 11之间的耦合焊接；柔性电路板FPC 14用于连接光收发模块3的主板31。
该光发射器件1的使用方式是放置在光收发模块3中，用于光信号的发射，一种光发射器件使用方式如图2所示。接头Receptacle 12一端接外部光纤连接器2，柔性电路板FPC 14一端焊接在主板31上接收输入信号及控制电压。
该光发射器件1的壳体TO-CAN组件结构主体包括集管头TO-Header 111和壳盖TO-Cap 112，集管头TO-Header 111和壳盖TO-Cap 112组合构成所述壳体内部的密封空间，一种光发射器件的壳体组件如图3所示。其中集管头TO-Header 111外壳1111为金属，且表面镀金。集管头TO-Header组件的内部结构如图4所示，集管头TO-Header111带有4根或更多贯穿外壳1111的圆形金属PIN针1112，用于直流电连接，2根贯穿外壳1111的圆形金属PIN针1113用于高频信号输入，以及2根不贯穿外壳1111的圆形金属PIN针1114。PIN针1112和1113镀金，内外两端分别用于内部打金线和外部与柔性电路板FPC 15焊接，实现壳体TO-CAN 11内外电导通。外壳1111和PIN针1112和1113之间有熔融玻璃1115隔离，防止短路。PIN针1114镀金，与外壳1111焊接在一起，作为共用接地引脚。所有PIN针长度可根据具体产品需要设计，集管头TO-Header组件的外部示意如图5所示。壳盖TO-Cap112包含金属外壳1121和光学透镜1122，光学透镜1122镀有增透膜，作为壳盖TO-Cap112的光路出口，用于汇聚光线及密封壳盖TO-Cap112。光学透镜1122和金属外壳1121是通过胶水粘合在一起。壳盖TO-Cap的金属外壳1121和集管头TO-Header 111的外壳1111是通过电阻焊焊接在一起，并要求气密，集管头TO-Header组件和壳盖TO-Cap组件组装后外部示意图如图3所示。
壳体TO-CAN内部的元件构成示意图如图6所示。集管头TO-Header 111内侧设有台阶，用于固定热沉基板上1131。激光器1132和驱动芯片1133相邻放置，安装于热沉基板1131上。光电探测器1142也安装在壳体TO-CAN 11内，用于监测半导体激光器1132的发光功率。
热沉基板1131通过胶水粘贴在集管头TO-Header 111上，如图7所示。热沉基板1131需要比较精确的控制厚度以便于定位激光器1132发光条的位置在壳体TO-CAN的光轴上。热沉基板1131为导热性很好的陶瓷材料，作为优选方案，该陶瓷材料为A1N陶瓷材料，有利于散热。优选的，热沉基板1131上可以制作有热隔离槽11312能实现驱动芯片1133和激光器1132的热隔离，降低驱动芯片1133和激光器1132之间的热干扰。热沉基板1131上还镀有可以实现电信号走线的导电图案11311，导电图案11311可以用于焊接激光器，当激光器的一极(例如N极，也可以是P极)焊接在导电图案上时，可以通过导电图案11311将激光器底部的N电极引出到导电图案11311上。导电图案11311也可以实现比较精确的阻抗设计，使得热沉基板1131上的高频电信号走线跟驱动器的输入以及管座的RF管脚实现很好的高频电信号阻抗匹配，热沉基板1131上的高频电信号走线跟管座的RF管脚保证阻抗匹配。
半导体激光器1132的作用是将电信号转换为光信号发射出去，通过金锡焊焊接或胶粘在热沉基板1131表面的导电图案11311上。激光器P电极通过金线w2连接到驱动芯片1133输出阳极。驱动芯片1133上表面带有打线焊盘组11331，与集管头TO-Header111上相对应的PIN针1112和PIN针1113打线连接，金线w3和w4用于高频信号输入，金线w5，w6，w7用于输入电信号，控制半导体激光器偏置电流、信号调制电流和信号增益。金线w1和w2用于输出驱动信号到半导体激光器1132，驱动芯片1133也是用导电胶粘在热沉基板1131上。
光电探测器1142用于接收半导体激光器1132射出的激光，监测半导体激光器1132的发光功率，反馈给主板31处理器，处理器通过控制驱动芯片1133电压，调节半导体激光器1132的发光功率，保持其输出功率恒定。光电探测器1142可以用非导电胶粘贴在驱动芯片1133上表面来监测半导体激光器1132的背向发光，优选的，光电探测器1142也可以安装在半导体激光器1132的侧前方来监测前向发光。光电探测器1142电极分别通过w8，w9接到对应的PIN针1112和共用地上。TO-CAN组件内部和贯穿针的金线连接如图8所示。
通过电阻焊将壳盖TO-Cap的金属外壳1121和集管头TO-Header 111的外壳1111焊接在一起。半导体激光器1132的光沿着壳体TO-CAN中轴的方向发出，光学透镜1122对光束进行聚焦，光束以汇聚的形式输出TO-CAN组件11。将接头Receptacle 12和壳体TO-CAN 11进行光耦合对准后，将接头Receptacle 12与安装环Z-ring 13进行激光焊接，将安装环Z-ring 13与壳体TO-CAN 11再进行激光焊接，光路如图9所示。接头Receptacle 12光路上含有光隔离器121用于阻止光纤光路中的反射光干扰半导体激光器1132。光纤连接器同接头Receptacle 12对接后，可将光束引入光纤中传播。由于采用了没有转折的直线光路设计，结构相对简单，同时也减少了一部分光转折元件和相应的贴装工序。
另外，将柔性电路板FPC 14按相应位置，焊接到壳体TO-CAN 11背面的PIN针上，完成光发射器件组装，柔性电路板与贯穿针连接示意图如图10所示。
实施例2
本发明提供的光发射器件1实施例2的壳体TO-CAN的集管头TO-Header 111和壳盖TO-Cap 112与实例1相同，如图3、图4、图5所示。壳体TO-CAN内部的元件构成示意图如图11所示。集管头TO-Header 111上放置了热沉基板1131。激光器1132和驱动芯片1133相邻放置，安装于热沉基板1131上。热沉基板1131上还放置一个加热电阻1134。
热沉基板1131通过胶水粘贴在集管头TO-Header 111上，半导体激光器LD 1132通过金锡焊焊接或胶粘在热沉基板1131表面的导电图案11311上，驱动芯片1133也是用导电胶粘在热沉基板1131上。光电探测器1142安装在半导体激光器1132的侧前方来监测前向发光。
加热电阻1134用胶粘贴在热沉基板1131上靠近激光器1132的位置，用于给激光器1132加热升温使得在非常低的环境温度下激光器1132能够正常工作。加热电阻1134可以通过集管头TO-Header 111上的PIN针加电流实现加热，优选的，加热电阻1134也可以通过集管头TO-Header 111上的PIN针先加控制电压到驱动芯片1133，再由驱动芯片1133加电流实现加热。
TO-CAN组件内部和贯穿针的金线连接如图12所示。半导体激光器LD 1132的P电极通过金线w2连接到驱动芯片1133输出阳极。驱动芯片1133上表面带有打线焊盘组11331，与集管头TO-Header 111上相对应的PIN针1112和PIN针1113打线连接，金线w3和w4用于高频信号输入，金线w6，w7用于输入电信号，控制半导体激光器偏置电流、信号调制电流和信号增益。金线w1和w2用于输出驱动信号到半导体激光器1132，驱动芯片1133也是用导电胶粘在热沉基板1131上。光电探测器1142电极分别通过w8，w9接到对应的PIN针1112和共用地上。加热电阻1134的一端通过w10接到共用地上，另一端通过w11接到驱动芯片1133上表面的一个打线焊盘上，为加热电阻1134提供电流，驱动芯片1133上表面的另一个打线焊盘通过w12接到对应的PIN针1112上，提供驱动芯片1133给加热电阻1134加电流所需的控制电压。
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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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