可调节的可无源耦合的多通道光收发组件及气密封装方法

技术领域

本发明涉及光电转换技术领域，特别是涉及一种便于调节的可无源耦合的多通道光收发组件及其气密封装方法。

背景技术

随着光通信技术的发展和市场的激烈竞争，通信设备体积越来越小，接口越来越密，速率越来越快，传统将激光器和探测器分离的模块已经难以适应通信行业的要求，因此光模块也向着高度集成的小型化封装结构发展，其中光组件是光模块的核心。

目前，市面上的高速并行光收发模块的光纤组件和光电芯片采用有源耦合方式对准，即在耦合过程中光电芯片需要外部加偏压或者电流使光电芯片进行工作，将光纤组件尾端分别接入光功率计或者固定光源，所述光电芯片位于光电芯片载体上，将所述光电芯片和光纤组件利用夹具固定于耦合台上，调节耦合台X轴、Y轴、Z轴三方向的粗调及微调旋钮，通过观察与光纤组件相连的光功率计以及与光电芯片所连的电流表实时监控，寻找最佳对准位置。这种有源耦合存在耦合工艺复杂、耦合时间长、耦合效率不高的问题。

授权公告号为CN103246027A的现有技术1公开了可无源耦合的多路并行光组件及封装方法，该多路并行光组件包括壳体1、芯片载体2、多路光电芯片3、光纤组件4。多路光电芯片3固定在芯片载体2侧面A上，侧面A贴有条形定位标识，芯片载体2与A面相邻的侧面B焊有多个电引脚，用于与多路光电芯片3连接。多路光电芯片3一端与定位标识平齐，一端与B面平齐，以此固定多路光电芯片3X,Y方向。其管壳设有安装孔，且位于安装孔内芯片载体2和光纤组件4之间有设有垫片1-1，安装孔1-3安装多路光电芯片3，安装孔1-4安装光纤组件4，垫片上有连通孔1-2。安装孔与光纤组件4间隙连接，保证了其X，Y方向固定。通过设置垫片厚度，固定光纤组件4Z方向，至此多路光电芯片3与光纤组件4X,Y,Z轴三方向均精确定位，实现无源耦合的目的。

但现有技术1仍具有如下缺点：

1、多路光电芯片3固设在芯片载体2的侧面A 2-1上，芯片载体2的侧面B 2-2，即与固设多路光电芯片3的侧面A 2-1相邻的侧面上设有多个电引脚2-3，以便与多路光电芯片3的电气键合点3-1引线键合或焊接，以超声或热压方式实现多路光电芯片3与芯片载体2上的电引脚2-3的电气连接，光电芯片侧向固定，打线工艺需绕大于90度的弧度，工艺复杂，对信号的速率及完整度均有影响，该工艺不适于高速模块应用；

2、用密封胶灌封芯片载体2及光纤组件4与壳体1的安装缝隙，实现光组件的封装，但不能实现气密封装，零部件暴露在空气中会出现氧化腐蚀等情况，寿命不长；因此产品适应极端环境能力不强，可靠性有待提高。

授权公告号为CN101382622A的现有技术2公开了光电器件阵列与光纤阵列的无源耦合方法及其组件制备，通过对基片一面进行深刻蚀形成穿透整个基片的微通孔阵列，然后将光电器件阵列倒扣安装在基片另一面，且光电器件阵列中的每个管芯的有源区与微通孔阵列中对应的每个微通孔中心轴线垂直对准，最后将光纤阵列插入微通孔阵列并固定，实现了光电器件阵列与光纤阵列的无源耦合，提高了定位的精确度，降低了实现工艺的复杂度。但现有技术2仍具有如下缺点：所述光纤组件全部由机械定位，实际生产中各部分加工尺寸误差叠加会大大降低耦合效率，耦合灵活性不强。

发明内容

本发明为解决上述技术问题，提供了定位结构简单，工艺成本低，耦合效率高，产品合格率高，可靠性强且适用于光组件领域的批量生产，实现便于调节的可无源耦合的多通道光收发组件及其气密封装方法，其解决了背景技术中现有技术机械结构固定XYZ方向，实际生产中各部分加工尺寸误差叠加会大大降低耦合效率，耦合灵活性不强，且现有技术结构无法做到气密性封装，使得组件的可靠性差的问题。

为解决上述技术问题，本发明是按如下方式实现的，便于调节的可无源耦合的多通道光收发组件，其包括壳体，位于壳体内的光电芯片，电路组件和垫块，及尾部位于壳体外的光纤组件，所述光纤组件包括与所述光电芯片对准耦合的多路光纤带和用于固定多路光纤带前端的光纤固定件，以及套设固定多路光纤带后端的光纤金属环，所述光纤固定件下表面设有若干V型槽A，该V型槽A从光纤固定件下表面前端向后端延伸，该V型槽A与所述光纤固定件下方的所述垫块固定多路光纤带；所述电路组件包括采用键合金丝的方式连接于所述垫块的第一台阶上的光电芯片，所述光电芯片用CCD图像传感器的图像识别方式进行定位，该垫块的第二台阶的两侧从前端向后端延伸设置导向槽B，该导向槽B与所述光纤固定件下表面最外侧的两个V型槽A相对连接且其内固定有定位光纤。

优选的，将光纤组件中的光纤金属环与壳体的连通孔通过金属焊料焊接。

优选的，所述壳体顶部还设有盖板，该盖板平行密封连接壳体。

优选的，所述电路组件还包括键合金丝的方式连接在PCB电路板上的用于对光电芯片进行驱动和放大传输信号的驱动器和放大器，该电路组件与光电芯片位于同一水平面。

优选的，所述多路光纤带前端的光纤端面为斜面，其与多路光纤带之间所形成的倾斜角度为42.5°±5°。

优选的，所述第一台阶位于所述温控装置上方，且厚度0.1mm-0.2mm。

本发明另一目的是提供一种便于调节的可无源耦合的多通道光收发组件的气密封装方法，其包括如下步骤：

步骤一、先将驱动器芯片和放大器芯片粘接在PCB电路板上，并采用键合金丝方式实现驱动器芯片、放大器芯片与PCB电路板之间的电器连通，然后将PCB电路板用UV胶固定在壳体内。

步骤二、先在垫块的第一台阶上涂环氧导电银胶，然后通过定位标识将光电芯片放在垫块的第一台阶上，所述光电芯片用CCD图像传感器的图像识别方式进行定位，在150℃环境下烘烤40分钟，环氧导电银胶将光电芯片固定，垫块下方通过环氧导电银胶连接温控装置，将温控装置通过环氧导电银胶固定在壳体中，光电芯片与步骤一的PCB电路板键合金丝连接。

步骤三、用UV胶先将光纤固定件的V型槽A与多路光纤带和定位光纤粘成一体，将带有V型槽的多路光纤带和定位光纤与光纤金属环通过焊料焊接成一体并通过连通孔进入壳体，使得光纤金属环和壳体的连通孔卡接；通过定位光纤在导向槽B上移动使得多路光纤带与步骤二中的光电芯片精确对准，然后用UV胶将光纤固定件与第二台阶进行固定。

步骤四、将光纤金属环与壳体卡接处通过焊料进行焊接，将壳体与盖板进行平行密封并焊接，实现可无源耦合的多通道光收发组件的气密性封装。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、为使光纤组件4中的多路光纤带4-1与光电芯片2精准对位，本发明设置阶梯形的垫块5，该垫块5的第二台阶5-2的两侧从前端向后端延伸设置导向槽B，该导向槽B与所述光纤固定件4-2下表面最外侧的两个V型槽A相对接且其内设有定位光纤4-4，两导向槽B和其对应的V型槽A用于固定定位光纤4-4的Y方向，进而保证了多路光纤带4-1Y方向的固定，通过阶梯形的垫块5第一、第二台阶的间距于z方向固定了多路光纤带4-1与光电芯片2的距离，因此将传统三维方向耦合降低到X方向单方向耦合，由于导向槽B的存在，多路光纤带4-1在X方向可以前后移动，通过CCD图像传感器将多路光纤带4-1与光电芯片2发光面对准，实现无源耦合；进一步的，本方案还可以利用红光辅助定位进一步提高X方向精度，具体实施为将红光笔发射的红光经过准直器垂直射向多路光纤带4-1端面，然后折射在垫块5的第一台阶5-1上形成光斑，微调光电芯片2将发光面与光斑吻合，用环氧导电银胶固定光电芯片2，至此进一步提高的无源耦合精度，在实现光纤组件4与光电芯片2高精度对准的同时，具有可调节性，高效性。

2、本发明的垫块5的第一台阶5-1厚度为0.1mm-0.2mm，更易于实现对光电芯片的温度控制。

3、本发明的封装方法可以避免传统封装方法中零部件长时间暴露在空气中出现氧化腐蚀等情况，寿命不长；本发明的封装方法能够显著提升光组件的稳定性，保证其在恶劣环境仍然适用，封装结构会隔绝水气，能够提高使用寿命，使产品在航空，卫星领域等极端环境下仍然长时间工作。

4、本发明所述的多通道光收发组件结构简单，工艺成本低，耦合效率高，可靠性强适用于光模块领域的批量生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明可无源耦合的多通道光收发组件的结构示意图。

图2是图1的D向局部视图；

图3是图2的俯视图；

图4a、图4b是本发明可无源耦合的多通道光收发组件的光电芯片固定俯视图和侧视图；

图5是本发明可无源耦合的多通道光收发组件的光组件结构示意图；

图6是图5的C向视图；

图7是电路组件与光纤组件的封装示意图。

其中，1-壳体，2-光电芯片，3-电路组件，3-1–驱动器芯片，3-2–PCB电路板，3-3–放大器芯片，4-光纤组件，4-1-多路光纤带，4-2-光纤固定件，4-3-光纤金属环，4-4-定位光纤，5-垫块，5-1–第一台阶，5-2第二台阶，6-温控装置，7-盖板，8-连通孔。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合具体实施方式和附图，对本发明做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施方式及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

此外，需要说明的是，在本发明的描述中，需要理解的是，术语“前端”、“内”、“外”、“内侧”、“外侧”、“上”、“下”、“后端”、“下方”、“顶部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，如没有另行声明，上述词语并没有特殊含义，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

实施例1

参照图1-7，本发明优选实施例1提供一种便于调节的可无源耦合的多通道光收发组件，其包括壳体1，位于其内的光电芯片2，电路组件3和垫块5，及尾部位于壳体外的光纤组件4，所述光纤组件4包括与所述光电芯片2对准耦合的多路光纤带4-1和用于固定多路光纤带4-1前端的光纤固定件4-2，以及套设固定多路光纤带4-1后端的光纤金属环4-3，所述光纤固定件4-2下表面设有若干V型槽A，该V型槽A从光纤固定件4-2下表面前端向后端延伸，该V型槽A与所述光纤固定件4-2下方的所述垫块5一起作用固定多路光纤带4-1，保证多路光纤带4-1能稳定的安装在V型槽A内且还可以固定所有光纤带之间的间距不变，保证多路光纤带4-1之间不会跑位；所述电路组件3包括采用键合金丝的方式连接于所述垫块5的第一台阶5-1上的光电芯片2，所述光电芯片用CCD图像传感器的图像识别方式进行定位，用于定位光电芯片2X,Y方向位置，具体的：CCD图像传感器(为中微科创公司的ZWST-ZKCH图像传感器)由电子显示屏和高倍显微镜组成，其中图像识别方式进行定位具体为：用CAD画好定位线，导入电子显示屏，在电子显示屏上观察光电芯片2，并利用高倍显微镜调整到与所画定位线重合，对准定位线，达到定位效果，这种方案更贴合于实际生产，工艺更简单，更高效。同时，为使光纤组件4中的多路光纤带4-1与光电芯片2精准对位，设置阶梯形的垫块5，该垫块5的第二台阶5-2的两侧从前端向后端延伸设置导向槽B，该导向槽B与所述光纤固定件4-2下表面最外侧的两个V型槽A相对连接且其内固定有定位光纤4-4，两导向槽B和其对应的V型槽A用于固定定位光纤4-4的Y方向，进而保证了多路光纤带4-1Y方向的固定，通过阶梯形的垫块5第一、第二台阶的间距于z方向固定了多路光纤带4-1与光电芯片2的距离，因此将传统三维方向耦合降低到X方向单方向耦合，由于导向槽B的存在，多路光纤带4-1在X方向可以前后移动，通过电子显微镜将多路光纤带4-1与光电芯片2发光面对准，实现无源耦合；

进一步的，本方案还可以利用红光辅助定位进一步提高X方向精度，具体实施为将红光笔发射的红光经过准直器垂直射向多路光纤带4-1端面，然后折射在垫块5的第一台阶5-1上形成光斑，微调光电芯片2将发光面与光斑吻合，用环氧导电银胶固定光电芯片2，至此进一步提高的无源耦合精度，在实现光纤组件4与光电芯片2高精度对准的同时，具有可调节性，高效性。

优选的，所述电路组件3还包括键合金丝的方式连接在PCB电路板3-2上的用于对光电芯片2进行驱动和放大传输信号的驱动器3-1和放大器3-3，该电路组件3与光电芯片2位于同一水平面，极易于通过键合金丝方式将其连通。

优选的，所述垫块5下方设有温控装置6，该温控装置为半导体制冷器，简称TEC，能够实现对光电芯片2的恒温控制，TEC的工作要搭配热敏电阻，对环境温度进行感应，当给TEC一个电流后，TEC一个表面的热就会被吸收转移到另一个表面上，当电流方向改变时，热量传递方向就会变化，实现对温控目标升温降温控制；市面光组件模块工作温度常规为0-70℃，少数达到0-85℃，不满足军工、航空以及卫星等特殊领域的温度要求，本技术方案的光电芯片2在恒温控制下可以使模块至少可以在-40-100℃工作，满足上述特殊领域的需求。

优选的，所述第一台阶5-1位于所述温控装置6上方，且厚度0.1mm-0.2mm，该厚度有利于TEC热量传递，该垫块5厚度较厚度为1mm的电路组件3薄，更易于实现对光电芯片2的温度控制。

优选的，为提高光路耦合效率，所述多路光纤带4-1前端的光纤端面为斜面，其与多路光纤带4-1之间所形成的倾斜角度为42.5°±5°为宜，目的是为了改变光路从垂直到水平，让光进入光纤中，而对比文件1中，发光面与光纤在一个平面，光纤是6-10度，类似于光纤通信中的斜八度，目的是为了减小反射；故跟传统透镜耦合相比，更适用于无源耦合，便于集成，减少空间，降低成本，电磁干扰小；且该光纤端面采用镀全反射膜处理，镀全反射膜是为了提高耦合效率。

优选的，为提高光路耦合效率，所述多路光纤带4-1靠近所述光电芯片2的柱面区域镀有增透膜。

优选的，将光纤组件4中的光纤金属环4-3与壳体1的连通孔8通过金属焊料焊接，实现气密性封装。

优选的，所述壳体1顶部还设有盖板7，该盖板7平行密封连接壳体1，实现方便调节的可无源耦合的多通道光收发组件的气密性封装。

本实施例还提供一种便于调节的可无源耦合的多通道光收发组件的气密封装方法，包括如下步骤：

步骤一、先将驱动器芯片3-1和放大器芯片3-3粘接在PCB电路板3-2上，并采用键合金方式丝实现驱动器芯片3-1、放大器芯片3-3与PCB电路板3-2之间的电器连通，然后将PCB电路板3-2用UV胶固定在壳体1内，驱动器芯片3-1和放大器芯片3-3对光电芯片2进行传输信号放大及提供稳定电流、差分信号处理。

步骤二、先在垫块5的第一台阶5-1上涂环氧导电银胶，然后将光电芯片2放在垫块5的第一台阶5-1上，所述光电芯片2用CCD图像传感器的图像识别方式进行定位，用于定位光电芯片2X,Y方向位置，具体的：CCD图像传感器由电子显示屏和高倍显微镜组成，首先用CAD画好定位线，导入电子显示屏，利用高倍显微镜将光电芯片2通过图像识别方式对准定位线，达到定位效果，这种方案更贴合于实际生产，工艺更简单，更高效；在150℃环境下烘烤40分钟，环氧导电银胶将光电芯片2固定，垫块5下方通过环氧导电银胶连接温控装置6，将温控装置6通过环氧导电银胶固定在壳体1中，光电芯片2与步骤一的PCB电路板3-2键合金丝连接。

步骤三、用UV胶先将光纤固定件4-2的V型槽A与多路光纤带4-1和定位光纤4-4粘成一体，将带有V型槽的多路光纤带4-1和定位光纤4-4与光纤金属环4-3通过焊料焊接成一体并通过连通孔8进入壳体1，使得光纤金属环4-3和壳体1的连通孔8卡接；通过定位光纤4-4在导向槽B上移动使得多路光纤带4-1与步骤二中的光电芯片2精确对准，然后用UV胶将光纤固定件4-2与第二台阶5-2进行固定。

步骤四、先将光纤金属环4-3与壳体1的连通孔8通过金属焊料焊接，目的是为了实现气密性封装，再将壳体1与盖板7进行平行密封并焊接，进一步实现可无源耦合的多通道光收发组件的气密性封装。

实施例2

本发明优选实施例2提供一种便于调节的可无源耦合的多通道光收发组件，与实施例1实施方式差别在于：光纤组件4定位方法采用在垫块5的第二台阶5-2上刻上若干V型槽C，该V型槽C与光纤固定件4-2下表面相对位置的V型槽A来代替定位光纤4-4对多路光纤带4-1的定位，同样可以达到定位多路光纤带4-1Y方向的作用；在垫块5的第一台阶5-1上设有定位标识用于固定光电芯片2。其他原理同实施例1。

本实施例还提供一种便于调节的可无源耦合的多通道光收发组件的气密封装方法，包括如下步骤：

步骤一、先将驱动器3-1和放大器3-3键合金丝连接在PCB电路板3-2上，然后将PCB电路板3-2固定在壳体1内，驱动器3-1和放大器3-3对光电芯片2进行驱动和放大传输信号先将驱动器芯片3-1和放大器芯片3-3粘接在PCB电路板3-2上，并采用键合金方式丝实现驱动器芯片3-1、放大器芯片3-3与PCB电路板3-2之间的电器连通，然后将PCB电路板3-2用UV胶固定在壳体1内，驱动器芯片3-1和放大器芯片3-3对光电芯片2进行传输信号放大及提供稳定电流、差分信号处理。

步骤二、先在垫块5的第一台阶5-1上涂环氧导电银胶，然后通过第一台阶5-1上的凹槽将光电芯片2放在垫块5的第一台阶5-1上，所述光电芯片2用CCD图像传感器的图像识别方式进行定位，在150℃环境下烘烤40分钟，环氧导电银胶将光电芯片2固定，垫块5下方通过环氧导电银胶连接温控装置6，将温控装置6通过环氧导电银胶固定在壳体1中，光电芯片2与步骤一的PCB电路板3-2键合金丝连接。

步骤三、用UV胶先将光纤固定件4-2的V型槽A与多路光纤带4-1和定位光纤4-4粘成一体，将带有V型槽的多路光纤带4-1和定位光纤4-4与光纤金属环4-3通过焊料焊接成一体并通过连通孔8进入壳体1，使得光纤金属环4-3和壳体1的连通孔8卡接；通过定位光纤4-4在导向槽B上移动使得多路光纤带4-1与步骤二中的光电芯片2精确对准，然后用UV胶将光纤固定件4-2与第二台阶5-2的V型槽C进行固定。

步骤四、先将光纤金属环4-3与壳体1的连通孔8通过金属焊料焊接，目的是为了实现气密性封装，再将壳体1与盖板7进行平行密封并焊接，实现可无源耦合的多通道光收发组件的气密性封装。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，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。