專利名稱：冷卻式激光模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子轉(zhuǎn)換器，且更特定來說涉及在具有電連接器或接口的計算機(jī)或 通信單元與例如在光纖通信鏈路中使用的光纖之間提供通信接口的集成式激光組合件或 模塊。
背景技術(shù)：
此項(xiàng)技術(shù)中已知多種光電子收發(fā)器。此類裝置通常包含光學(xué)傳輸器部分(其將電 信號轉(zhuǎn)換成耦合到光纖的經(jīng)調(diào)制光束)及接收器部分(其接收來自光纖的光學(xué)信號且將其 轉(zhuǎn)換成電信號)。傳統(tǒng)上，光學(xué)接收器區(qū)段包含光學(xué)組合件以將來自光纖的光聚焦或引導(dǎo)到 光電檢測器上，所述光電檢測器又連接到電路板上的放大器/限幅器。所述光電檢測器或 光電二極管通常封裝于經(jīng)氣密密封的封裝中以保護(hù)其免受苛刻環(huán)境條件的影響。同軸激光模塊已用于光纖電信及CATV應(yīng)用中。此類模塊通常使用晶體管外形 (TO)封裝且在一些市場中提供相對低成本的解決方案。然而，對于其中激光器消耗相對大 量的電力或在寬廣的周圍溫度上操作激光器的應(yīng)用中，必須對激光二極管(LD)及其它光 學(xué)組件進(jìn)行冷卻以滿足極窄頻譜及穩(wěn)定LD性能的要求。外部強(qiáng)制空氣冷卻已成為精選方 法。由于TO管座內(nèi)的有限空間及其中存在的有源和無源組件的大小，將內(nèi)部冷卻與 TO封裝一起使用已證明是困難的。在這點(diǎn)上，一種先前努力涉及使用極小的定制熱電冷卻 器(TEC)來冷卻轉(zhuǎn)換器模塊且局限于僅冷卻有源組件(即，LD)而不冷卻無源組件(即，透 鏡及隔離器)。已發(fā)現(xiàn)，在涉及寬廣的操作溫度范圍時，僅冷卻有源組件導(dǎo)致不穩(wěn)定的光學(xué) 性能。第7，118，292號美國專利論述裝納激光二極管、監(jiān)測器光電二極管(MPD)及透 鏡-隔離器組合(其全部安裝成與熱電冷卻器熱接觸)的TO封裝中。透鏡-隔離器組合 的使用使熱負(fù)載升高，且還由于相對大通光孔徑的要求而使成本升高。在第7，118，292號 美國專利中所論述的TO封裝中，經(jīng)由安裝于楔形物上的鏡將光從LD的后小面引導(dǎo)到MPD。 此具有降低安裝于冷板上的組件的輪廓的優(yōu)點(diǎn)，從而改進(jìn)機(jī)械及熱穩(wěn)定性。但所述鏡及所 述楔形物的添加也增加成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種使用集成式熱電冷卻器及其它光學(xué)子組合件的經(jīng)改進(jìn) 光學(xué)傳輸器。此目標(biāo)及其它目標(biāo)由一種光電子裝置提供，所述光電子裝置包含管座，其具有從 中延伸的多個引腳；熱電冷卻裝置，其鄰近于所述管座的一側(cè)而安裝；及光電子組合件，其 安裝于所述熱電冷卻裝置上。所述光電子組合件包括發(fā)光裝置，其可操作以響應(yīng)于由所述 多個引腳中的至少一者接收的電信號而發(fā)射光學(xué)信號；及透鏡組合件，其具有一透鏡且可 操作以接收由所述發(fā)光裝置發(fā)射的光中的至少一些光。帽大致包封所述熱電冷卻裝置及所述光電子組合件。所述帽具有可操作以透射由所述光電子組合件發(fā)射的光的窗口。所述透 鏡是所述透鏡組合件中的唯一光學(xué)組件。


圖1是所提議的同軸冷卻式激光模塊的透視圖。圖2(a)及2(b)是TO包殼封裝及具有平坦窗口的圖1的帽的典型視圖；圖3顯示圖1的TO管座及其引腳定向；圖4顯示形成圖1的模塊的一部分的激光二極管及監(jiān)測器光電二極管的配置；圖5顯示圖4中所圖解說明的激光二極管及監(jiān)測器光電二極管配置的側(cè)視圖；圖6顯示替代激光二極管及監(jiān)測器光電二極管配置的側(cè)視圖；圖7顯示形成圖1的模塊的一部分的光學(xué)透鏡組合件；圖8顯示包含圖4及5的激光二極管及監(jiān)測器光電二極管配置和圖7的透鏡組合 件的光電子組合件；圖9顯示替代光學(xué)透鏡組合件；且圖10顯示包含圖6的激光二極管及監(jiān)測器光電二極管配置和圖8的透鏡組合件 的替代光電子組合件。應(yīng)注意，以上圖中所示的尺寸及比例并不精確且僅出于圖解說明及解釋目的。類 似地，所述圖中所示的組件還出于圖解說明及解釋目的。實(shí)際的組件可變化。為簡單起見， 本文中省略組件之間的線接合。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)在將描述本發(fā)明的細(xì)節(jié)，包含其實(shí)例性方面及實(shí)施例。記住此，圖1顯示具有TO包殼10及光纖尾纖模塊12 (具有近端及遠(yuǎn)端)的同軸 冷卻式激光模塊，所述光纖尾纖模塊用于對準(zhǔn)TO包殼10與光纖之間的光傳輸軸。TO包殼10由如圖2(a)中所示的TO管座子組合件14及如圖2(b)中所示的具有 平坦窗口 18的密封帽16組成。在此實(shí)施例中，平坦窗口 18與激光束的軸具有幾度的傾斜 以減少背反射，但此并非必不可少的。如圖2(a)中所示，TO管座子組合件14包含TO管座20，所述TO管座具有延伸穿 過TO管座20的若干個電導(dǎo)體引腳22。TO管座子組合件14還包含熱電冷卻器(TEC) M及 光電子組合件26，所述光電子組合件支撐包含激光二極管(LD)、監(jiān)測器光電二極管(MPD) 及光學(xué)透鏡組合件的有源和無源光學(xué)組件。TO管座20可由若干種不同材料制成，如冷軋 鋼、柯伐鎳基合金(Kovar)或其它合金。所述管座的直徑應(yīng)大到足以容納選定的TEC 24。 在此實(shí)施例中，TO管座M的直徑為9mm。在此實(shí)施例中，管座引腳22呈直列式布局，如圖3中所示?；蛘撸茏_22可 呈圓形布置。為在高頻率范圍下獲得較好的RF性能，RF引腳300經(jīng)設(shè)計以具有良好的阻 抗匹配。在此實(shí)施例中，RF引腳300為由金屬管及玻璃填充物組成的同軸引腳。通過匹配 所述玻璃填充物的阻抗及介電常數(shù)來確定所述管及引腳的直徑。所述金屬管是銅焊在所述 管座上的。TEC M可以是由熱板、冷板及熱電半導(dǎo)體元件組成的任一市售微型冷卻器。所述熱電半導(dǎo)體元件是成對地放置。TEC M的熱容量應(yīng)經(jīng)選擇使得其具有耗散由LD產(chǎn)生的有 源熱負(fù)載及從周圍環(huán)境泄露到封裝中的無源熱負(fù)載兩者的足夠數(shù)目個熱電偶，同時仍保持 低成本。在此實(shí)施例中，TEC M具有約h4mm的占用面積。如第7，118，292號美國專利(其全部內(nèi)容特此以引用的方式并入本文中)中所論 述，兩個線接合墊位于TEC M的相對端中。可能有線接合墊的其它配置。在此實(shí)施例中， TEC 24軟焊到TO管座20的中心，其中所述熱板鄰近于TO管座20，且所述線接合墊經(jīng)由一 對線接合連接到引腳22。光電子組合件沈具有安裝到TEC M的冷板上的載架400。在此實(shí)施例中，載架 400由柯伐鎳基合金制成，但或者其可由不銹鋼或具有良好熱傳導(dǎo)性的任一其它適合材料 制成。如圖4中所示，在此實(shí)施例中，LD 402安裝于LD子座架404上，所述LD子座架又安 裝于載架400上。LD子座架404由氮化鋁(AlN)制成，但替代地可使用具有良好熱傳導(dǎo)性 的不同材料。在此實(shí)施例中，LD 402為邊緣發(fā)射激光器且垂直地軟焊在所述子座架上。邊 緣發(fā)射LD 402沿兩個方向發(fā)射激光光，一個方向?yàn)閺那靶∶嫜叵蚯胺较蚯伊硪环较驗(yàn)閺?后小面沿向后方向?；蛘?，在對LD子座架404稍加修改的情況下，表面發(fā)射激光器也適合于此應(yīng)用。在其中使用邊緣發(fā)射激光器的傳統(tǒng)非冷卻式TO激光器封裝中，MPD出于監(jiān)測激光 器性能的目的而安裝于LD正下方以捕捉來自所述LD的后小面的激光光。此配置具有一缺 點(diǎn)，在于其導(dǎo)致到激光二極管中的背反射。如圖5中所示，在此實(shí)施例中，MPD 406安裝于 不位于LD 402正下方的襯底(408)上，使得MPD 406從位于LD 402正下方偏移以減少到 LD 402中的背反射。特定來說，LD 402沿具有中心軸的光路徑發(fā)射激光光。MPD 406垂直 于所述光路徑的中心軸而定位于遠(yuǎn)離所述中心軸的位置處，使得沿所述中心軸傳播的光不 會撞擊到MPD 406上，而是光的遠(yuǎn)離所述中心軸的一部分入射于MPD 406上。圖6顯示其中MPD 606定位于LD 602的后小面正下方但安裝于楔形物610上以 減少到LD 602中的背反射的替代配置。圖7顯示如圖8中所示也安裝于載架400上的透鏡組合件700。透鏡組合件700 由接合到金屬外殼704中的光學(xué)透鏡702組成。光學(xué)透鏡702是透鏡組合件700中的唯一 光學(xué)組件。在此實(shí)施例中，光學(xué)透鏡702為具有0.4的數(shù)值孔徑(NA)的非球面透鏡。可使 用其它NA值，且替代地可使用球透鏡。所述透鏡的表面可具有抗反射(AR)涂層。金屬外 殼704在一個縱向端處包含具有凹口的金屬環(huán)部分706。如圖8中所示，透鏡組合件700安 裝到載架400上，其中帶凹口的環(huán)部分706鄰近載架400。光學(xué)透鏡702可在組裝之前預(yù)先固定到金屬外殼704。或者，光學(xué)透鏡702可滑動 裝配于金屬外殼704內(nèi)以允許在對準(zhǔn)過程期間可調(diào)整光學(xué)透鏡702的位置。光學(xué)透鏡702 可以各種方式接合到金屬外殼704，舉例來說，使用環(huán)氧樹脂或激光焊接。類似地，所述透鏡 組合件可以各種方式接合到載架400，舉例來說，使用環(huán)氧樹脂或激光焊接。可使用主動或被動對準(zhǔn)來完成透鏡組合件700到載架400上的放置。特定來說， 通過使用具有相對低NA的光學(xué)透鏡702，對透鏡放置具有較低敏感度，從而允許使用被動 對準(zhǔn)，且另外，從激光器到透鏡的工作距離較長，從而允許用于組件放置的較多空間。在替代實(shí)施例中，如圖9中所示，透鏡組合件900由接合到金屬外殼904中的光學(xué) 透鏡902組成，所述金屬外殼在一個縱向端處具有無凹口的金屬環(huán)部分906。在此替代實(shí)施例中，如圖10中所示，載架1000具有擠壓的部分且透鏡組合件900安裝于所述擠壓的部分上。通過將所述透鏡組合件安裝于所述載架上，此同軸封裝為冷卻式平臺上的有源組 件(即，LD及MPD)和無源組件(即，光學(xué)透鏡)兩者均提供冷卻，從而確保在寬廣操作溫 度范圍上的穩(wěn)定性能。如上文所論述，所述透鏡組合件中的唯一光學(xué)組件是所述光學(xué)透鏡，使得所述光 學(xué)透鏡是所述LD與帽的窗口之間的光路徑中的唯一光學(xué)組件。所述透鏡組合件不包含光 學(xué)隔離器。在一實(shí)施例中，光學(xué)隔離器安裝于光纖尾纖模塊12的近端處。或者，可使用直 列式光學(xué)隔離器。與傳統(tǒng)蝶式封裝相比，對于大致相同的激光輸出，本文中所描述的同軸封裝消耗 比蝶式封裝少得多的DC電力。通常，上文所描述的模塊僅需要蝶式封裝所消耗的DC的一 半。因此，增加封裝可靠性且還增加熱效率。與美國7，118，292中所論述的同軸封裝相比，所述同軸封裝簡化制造過程且顯著 減少組件及勞動成本。應(yīng)理解，上文所描述的元件或者兩者或兩者以上一起可由滿足設(shè)計要求的在功能 上等效的元件替換。舉例來說，所述光電二極管可由替代光電檢測器替換。權(quán)利要求
1.一種光電子裝置，其包括管座，其具有從中延伸的多個引腳；熱電冷卻裝置，其鄰近于所述管座的一側(cè)而安裝；光電子組合件，其安裝于所述熱電冷卻裝置上，所述光電子組合件包括發(fā)光裝置，其可操作以響應(yīng)于由所述多個引腳中的至少一者接收的電信號而發(fā)射光學(xué) 信號，及透鏡組合件，其可操作以接收由所述發(fā)光裝置發(fā)射的光中的至少一些光，所述透鏡組 合件具有一透鏡；及帽，其大致包封所述熱電冷卻裝置及所述光電子組合件，所述帽具有可操作以透射 由所述光電子組合件發(fā)射的光的窗口，其中所述透鏡是所述透鏡組合件中的唯一光學(xué)組件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子裝置，其中所述窗口與光路徑成傾斜角度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子裝置，其中所述多個引腳包括具有通過電介質(zhì)材料分 離的中心引腳及金屬套管的同軸引腳。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光電子裝置，其中所述電介質(zhì)材料為玻璃。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子裝置，其中所述透鏡組合件包括透鏡外殼，所述透鏡安裝于其中；及支撐環(huán)，其支撐所述透鏡外殼。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光電子裝置，其中所述支撐環(huán)具有若干個凹口且安裝于平坦 載架上。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的光電子裝置，其中所述支撐環(huán)具有若干個凹口且安裝于擠壓 的載架上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光電子裝置，其進(jìn)一步包括具有近端及遠(yuǎn)端的光纖尾纖，所 述近端耦合到所述帽使得透射穿過所述帽的所述窗口的光被引導(dǎo)到光纖中。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光電子裝置，其中光學(xué)隔離器安裝于所述光纖尾纖的所述近 端處。
全文摘要
本發(fā)明涉及冷卻式激光模塊。一種光電子裝置包含管座，其具有從中延伸的多個引腳；熱電冷卻裝置，其鄰近于所述管座的一側(cè)而安裝；及光電子組合件，其安裝于所述熱電冷卻裝置上。所述光電子組合件包含發(fā)光裝置，其可操作以響應(yīng)于由所述多個引腳中的至少一者接收的電信號而發(fā)射光學(xué)信號；及透鏡組合件，其具有一透鏡且可操作以接收由所述發(fā)光裝置發(fā)射的光中的至少一些光。帽大致包封所述熱電冷卻裝置及所述光電子組合件。所述帽具有可操作以透射由所述光電子組合件發(fā)射的光的窗口。所述透鏡是所述透鏡組合件中的唯一光學(xué)組件。
文檔編號G02B6/42GK102043208SQ20101029071
公開日2011年5月4日 申請日期2010年9月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年10月9日
發(fā)明者苗榮升 申請人:昂科公司