具有殼體及芯片組件的光電設(shè)備、光電模塊及裝配方法與流程
本申請(qǐng)為2011年2月7日遞交、題為“長(zhǎng)度減小的光電設(shè)備”的中國(guó)專利申請(qǐng)201180008857.2的分案申請(qǐng)。
本發(fā)明涉及包括殼體內(nèi)的光電芯片的光電設(shè)備，且特別地，這樣的光電設(shè)備用于集成到光電模塊中。
背景技術(shù)：
如發(fā)射機(jī)和接收機(jī)的光電設(shè)備一般包括殼體(“封裝”)內(nèi)的光電芯片。所述芯片被光耦合到穿過殼體壁的輸入和/或輸出光纖。在光纖和芯片之間會(huì)有干涉塊(intervenebulk)光學(xué)元件，如鏡頭、分光器、和光學(xué)隔離器。所述芯片可能是一個(gè)光電子調(diào)制器，如馬赫曾德調(diào)制器芯片或者光電吸收調(diào)制器芯片?？商鎿Q地，所述芯片可能是另一種光電芯片，如半導(dǎo)體激光芯片或者光電探測(cè)器芯片。
所述殼體提供對(duì)芯片和其他元件的保護(hù)，以使所述芯片和其他元件在更高等級(jí)裝配成模塊、傳送或連接到光通信網(wǎng)絡(luò)期間免受機(jī)械損傷。另外，殼體典型地被密封并且提供環(huán)境保護(hù)以免受環(huán)境濕度、化學(xué)降解和光的影響。在一些情況下，所述殼體可被嚴(yán)密地密封以提供最高等級(jí)的環(huán)境保護(hù)。us7066658披露了一種排列，其中穿過殼體的光纖可以被直接、嚴(yán)密地密封至通過殼體壁的開口內(nèi)部。us6712528披露了一種排列，其中進(jìn)入殼體的光纖被嚴(yán)密地密封到還通過殼體壁上的開口的金屬圈，所述金屬圈被嚴(yán)密地密封到保護(hù)的鼻狀物(protectivesnout)上，所述鼻狀物轉(zhuǎn)而圍繞開口被嚴(yán)密地密封到殼體的外壁。
所述殼體還提供結(jié)實(shí)的主體，所述芯片和其它元件均可連接至該主體，如大光學(xué)元件和熱電冷卻器(其可能連接在芯片和殼體的內(nèi)層之間)。特別的，殼體提供結(jié)實(shí)的固定裝置，所述光纖連接至該固定裝置。
其中這樣的元件被頻繁地部署的應(yīng)用是尺寸敏感的，具有要求以減小殼體的“器件封裝(footprint)”。當(dāng)封裝的器件被集成到更高等級(jí)的光電模塊中時(shí)這是特別重要的，例如發(fā)射機(jī)，接收機(jī)或者為封裝的器件提供有電子控制電路的應(yīng)答器(transponder)模塊。
對(duì)光電殼體內(nèi)元件尺寸的減小的注意迄今集中在殼體內(nèi)大光學(xué)元件的尺寸的減小。us7161725和us2007/0091300披露了減小的器件封裝大光學(xué)元件。然而，殼體內(nèi)元件的尺寸的減小僅僅能夠?qū)崿F(xiàn)需要容納它們殼體的器件封裝的對(duì)應(yīng)尺寸上的有限的減小。類似地，殼體內(nèi)其他元件的尺寸的減小僅僅能夠提供有限量的額外空間，以方便使用較長(zhǎng)的芯片。特別的，大光學(xué)元件的尺寸上的這樣減小，僅可以實(shí)現(xiàn)殼體對(duì)應(yīng)長(zhǎng)度上有限的減小，或者光電芯片長(zhǎng)度上的有限增加，該光電芯片可以被封裝在匹配現(xiàn)有器件封裝的殼體內(nèi)。另外，通過將布置一些元件位置的裝置排成直線接入殼體的要求還限制了殼體寬度上可能的減小。
兩種不同的排列眾所周知用于將光纖光耦合到光電芯片的光波導(dǎo)。
在第一已知的排列中，被稱為“對(duì)接耦合(butt-coupled)”，所述光纖通過所述殼體壁并且光纖末端連接到芯片。所述光纖末端會(huì)緊靠芯片，利用光學(xué)黏膠劑，如光學(xué)樹脂直接粘合到(bondto)芯片上?？商鎿Q地，可以提供被粘合到光纖的末端的光耦合元件，且所述光耦合元件被粘合到芯片，從而光耦合元件和光纖都被對(duì)接耦合到芯片。這樣的光耦合元件可以是短的同質(zhì)圓柱體玻璃，且在設(shè)備組件的校準(zhǔn)期間便于處理光纖末端。us7228014披露了在光纖對(duì)接耦合到芯片的光耦合元件的使用。
當(dāng)對(duì)接耦合到芯片時(shí)，光纖僅僅需要在二維上校準(zhǔn)，芯片粘結(jié)表面的平面中的正交方向。不利的，殼體內(nèi)的光纖末端的校準(zhǔn)需要最小殼體寬度，以便光纖末端校準(zhǔn)設(shè)備能夠掌握和操縱在殼體內(nèi)的光纖末端。圖1圖示了根據(jù)第一已知排列的設(shè)備，示出了所述設(shè)備在所述光電芯片和光纖的平面中的橫截面視圖。
在第二已知的排列種，被稱為“空氣透鏡校準(zhǔn)”，光學(xué)透鏡被粘合到殼體壁的開口中，并且所述芯片和光纖在透鏡的對(duì)面校準(zhǔn)，以便通過透鏡使光從一面集中到另一面。在這樣排列中，所述芯片可以連接到殼體的底面，其中光纖末端在三維空間中與透鏡另一側(cè)上的對(duì)應(yīng)位置排成直線。在芯片和透鏡之間需要間隔以用于校正穿過芯片和光纖之間的光的聚焦，且在空氣透鏡校準(zhǔn)排列中，其中透鏡處于殼體壁中，在殼體壁內(nèi)設(shè)置間隔，不利的是增加了殼體需要的長(zhǎng)度。圖2圖示了根據(jù)該第二已知排列的設(shè)備，示出了所述設(shè)備在所述光電芯片和光纖的平面中的橫截面視圖。為清楚起見，外部饋電導(dǎo)體(externalfeed-through)、應(yīng)變消除圈(strainreliefcollar)和保護(hù)管(圖1中所示)已經(jīng)在圖2中省略。
仍然需要光電設(shè)備具有減小的尺寸，或者便于具有現(xiàn)有的尺寸的殼體內(nèi)的較長(zhǎng)的光電芯片的使用。特別的，仍然需要光電設(shè)備具有減小的殼體長(zhǎng)度和/或殼體寬度，或者便于在現(xiàn)有的殼體內(nèi)使用較長(zhǎng)和/或更寬的光電芯片。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種具有殼體和由所述殼體封裝的芯片的光電設(shè)備，其中芯片的至少部分通過殼體壁中的孔伸出。
根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，提供了一種光電模塊，該光電模塊包括光電設(shè)備和電子控制電路，該光電設(shè)備具有殼體和由所述殼體封裝的芯片，其中芯片的至少部分通過殼體壁中的孔伸出，該電子控制電路適于控制光電設(shè)備操作。
根據(jù)本發(fā)明的又一個(gè)方面，提供了一種裝配光電設(shè)備的方法，該方法包括將光電芯片插入到殼體中，以便所述芯片的至少部分通過殼體壁中的孔伸出。
有利地，本發(fā)明使封裝殼體能夠與被耦合到光纖的光電芯片一起使用，其中器件封裝小于其他可能的情況。此外，有利地，相比于之前可能的，本發(fā)明使更大的光電芯片能夠被用在特定的器件封裝的封裝殼體內(nèi)。有利地，通過殼體壁中的孔的芯片的伸出有利于設(shè)備的方便的裝配。有利地，芯片和光纖通過透鏡光耦合，可以相對(duì)于殼體的外部設(shè)置在芯片和透鏡之間的間隔，借此進(jìn)一步減小殼體的長(zhǎng)度。
光纖可以被對(duì)接耦合到芯片。所述芯片組件可以包括光耦合元件，并且光耦合元件可以被對(duì)接耦合到芯片通過殼體壁中的孔伸出的部分。外部饋電導(dǎo)體可以被粘合到殼體壁，且所述光纖被粘合到外部饋電導(dǎo)體?？商鎿Q地，這些步驟的順序可以被翻轉(zhuǎn)。
光纖可以通過透鏡光耦合到芯片。光耦合元件會(huì)被粘合到光纖，且光耦合元件可以通過透鏡光耦合到芯片。所述透鏡可以被粘合在外部饋電導(dǎo)體中，且外部饋電導(dǎo)體可以被粘合到殼體壁。
所述光耦合元件可以被對(duì)接耦合在所述芯片和所述光纖之間。所述光纖可以被粘合到外部饋電導(dǎo)體，且所述外部饋電導(dǎo)體會(huì)被粘合到殼體壁。
所述芯片，或者包括所述芯片和所述光耦合元件的芯片組件可以通過殼體另外的壁伸出。
所述殼體可以包括底座和主封裝體，并且底座可以連接在所述主封裝體和所述芯片之間。
所述芯片可以是鈮酸鋰光電調(diào)制器芯片。
附圖說(shuō)明
為了本發(fā)明更好的理解，以及更清楚地展示它如何付諸實(shí)施，將僅以舉例方式結(jié)合附圖進(jìn)行參考，其中：
圖1示出了第一已知光電設(shè)備的橫截面視圖。
圖2示出了第二已知光電設(shè)備的橫截面視圖。
圖3a示出了根據(jù)本發(fā)明的光電設(shè)備的橫截面視圖。
圖3b示出了圖3a的光電設(shè)備的另一個(gè)橫截面視圖。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的光電設(shè)備的橫截面視圖。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的光電設(shè)備的橫截面視圖。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的光電模塊的平面視圖。
具體實(shí)施方式
圖3a和圖3b示出了根據(jù)本發(fā)明的光電設(shè)備300。圖3a示出了在光電芯片的平面中的橫截面視圖中的所述設(shè)備300，以及圖3b示出了在與芯片的平面垂直且處于殼體側(cè)壁(endwall)的厚度內(nèi)的平面中的所述設(shè)備300的橫截面視圖。
所述設(shè)備300包括光電封裝殼體302，光電芯片304，樹脂305，光耦合元件306，外部饋電導(dǎo)體308，應(yīng)變消除圈310和保護(hù)管312。所述設(shè)備設(shè)有光纖314。
所述封裝殼體302與由樹脂305粘合到底座302a的所述芯片304合成。所述底座302a轉(zhuǎn)而連接(例如粘合)到適應(yīng)于接收底座的主封裝體302b。特別的，在鈮酸鋰芯片的情況下，不銹鋼底座可以與
所述光耦合元件306被粘合到芯片304以形成芯片組件316。粘結(jié)還在光耦合元件306和所述芯片304之間提供光耦合。在光耦合元件306和所述芯片304之間的粘合劑由光學(xué)透明樹脂(未示出)形成。所述光耦合元件306是硼硅酸鹽玻璃，然而其他合適的材料也可以使用。
所述殼體302的壁318有孔320，以及所述芯片組件316通過孔從殼體里伸出。特別的，芯片304通過孔320從殼體302里伸出。所述孔320在形狀上基本是圓柱形或者局部圓柱形的。
所述外部饋電導(dǎo)體308有利地為金屬并且適于安裝在殼體302的壁318的校準(zhǔn)部件(alignmentfeature)321上。所述饋電導(dǎo)體308通過樹脂密封于殼體302?？商鎿Q地，所述饋電導(dǎo)體最好焊接到殼體，以提供氣密密封(hermeticseal)，或者使用激光焊接固定。所述饋電導(dǎo)體308可以由裝配在一起的不同部件組成且裝配至殼體。在某些情況下，所述饋電導(dǎo)體308可以由可選的材料(如塑料)制造，特別是如果不需要?dú)饷苄缘那闆r。
所述外部饋電導(dǎo)體308適于接收從殼體302內(nèi)伸出的部分芯片組件316以及光纖314的尾部。有利的，相比于整個(gè)芯片組件包含在殼體內(nèi)的情況，芯片組件316源于殼體內(nèi)且進(jìn)入饋電導(dǎo)體的伸出使更長(zhǎng)芯片304(或者芯片組件)或者更短的封裝殼體302能夠使用。在光電應(yīng)用中通常非常需要(atapremium)空間，如電信應(yīng)答器模塊，并且具有在光電設(shè)備的殼體內(nèi)封裝較長(zhǎng)的芯片的能力是非常有利的。
所述封裝的設(shè)備300包括光耦合元件306，該光耦合元件被方便地設(shè)置而預(yù)粘合到光纖314的末端。通過校準(zhǔn)裝置處理所述光耦合元件306比處理光纖314末端更容易。使用光學(xué)樹脂將所述光耦合元件306粘合到芯片304，以便所述光纖被光耦合到芯片的光波導(dǎo)(未示出)。
有利地，通過孔320源于封裝殼體302的芯片組件316的伸出有利于設(shè)備300的方便的裝配。特別的，由于芯片組件316的伸出不接觸殼體302，在所述光耦合元件306(或者光纖314的末端)的校準(zhǔn)和粘合到芯片304期間，所述光耦合元件(或者光纖的末端)能夠被殼體302的外部校準(zhǔn)裝置處理，通過所述校準(zhǔn)裝置提供對(duì)光纖末端或者耦合元件的控制和操縱的方便的接入。相反，在現(xiàn)有設(shè)備的情況下，所述校準(zhǔn)裝置有必要去處理在所述封裝殼體內(nèi)的光纖的末端或者光耦合元件，對(duì)校準(zhǔn)裝置和殼體的尺寸進(jìn)行限制，以允許至殼體中的校準(zhǔn)裝置的接入。
在本發(fā)明可替換的實(shí)施方式中，所述封裝設(shè)備可以省略光耦合元件的設(shè)置。因此，與圖3相比，在這樣的設(shè)備中，所述光纖被直接粘合到所述芯片，且光纖被校準(zhǔn)以被光耦合到芯片的光波導(dǎo)。
所述光纖314通過所述饋電導(dǎo)體308饋電。所述光纖314用樹脂被密封在饋電導(dǎo)體308內(nèi)?？商鎿Q地，有利地，可以使用焊料將所述光纖密封至饋電導(dǎo)體內(nèi)以提供氣密密封。在饋電導(dǎo)體內(nèi)的光纖的一部分被金屬化，金屬焊料可以被用來(lái)在所述光纖和所述饋電導(dǎo)體之間形成密封?？商鎿Q地，玻璃焊料可以被用來(lái)在所述光纖和所述饋電導(dǎo)體之間形成密封。
應(yīng)變消除圈310安裝在饋電導(dǎo)體上，且與殼體302的壁318有利地鄰接。該圈通過摩擦力固定在合適的地方安裝至所述饋電導(dǎo)體。可替換地，或者附加的，通過與所述饋電導(dǎo)體的保持部件和/或殼體壁接觸，所述圈可以被機(jī)械地保持在饋電導(dǎo)體上。應(yīng)變消除圈是由彈性變形材料，例如天然或者合成橡膠制造的。
經(jīng)由適于接收保護(hù)管312的末端的孔，所述光纖314在應(yīng)變消除圈310內(nèi)穿過。所述饋電導(dǎo)體308被設(shè)置有其中接收了保護(hù)管312的接收部件。所述接收部件是其中保護(hù)管通過摩擦力固定在合適的位置安裝至饋電導(dǎo)體的凹槽?？商鎿Q地，或者附加的，所述保護(hù)管312可以機(jī)械地與饋電導(dǎo)體的保持部件接觸。所述保護(hù)管是由彈性變形材料制造的。
所述應(yīng)變消除圈310和所述保護(hù)管312提供對(duì)光纖314的保護(hù)。特別的，圈310在光纖進(jìn)入所述饋電導(dǎo)體308的點(diǎn)設(shè)有保護(hù)，此點(diǎn)特別容易損壞。
在可替換的實(shí)施方式中，所述芯片304直接粘合到殼體302，而不需要底座。特別的，鈮酸鋰光電芯片會(huì)直接粘合到不銹鋼殼體。
可選地，將所述芯片直接粘合到所述封裝殼體或者底座，所述芯片可以被粘合到溫度控制設(shè)備(例如熱電(帕爾帖)冷卻器)，溫度控制設(shè)備轉(zhuǎn)而被粘合到所述封裝殼體或者底座。
圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的另外的光電設(shè)備400。為了方便，實(shí)際上等同于在圖3中所示的設(shè)備的相應(yīng)部分的光電設(shè)備400的元件部分，通過相同的參考數(shù)字遞增100來(lái)標(biāo)記。因此相對(duì)于圖3中的芯片304，在圖4所示的所述光電芯片通過參考數(shù)字404表示，。
殼體402的側(cè)壁418具有孔420，所述芯片組件416通過孔從殼體內(nèi)伸出。特別的，所述芯片組件416的一部分包括經(jīng)由孔420從殼體402內(nèi)伸出被光耦合元件406。與圖3所示的發(fā)明的實(shí)施方式相反，所述芯片組件416的一部分包括沒有通過孔420伸出的芯片404。
圖5示出了根據(jù)本發(fā)明的另外的光電設(shè)備500。出于清晰的目的，外部饋電導(dǎo)體，應(yīng)變消除圈和保護(hù)管從圖5中略去。為了方便，實(shí)際上等同于在圖3中所示的設(shè)備的相應(yīng)部分的光電設(shè)備500的元件部分，通過相同的參考數(shù)字遞增200被標(biāo)記。因此相對(duì)于圖3中的芯片304，在圖5所示的所述光電芯片通過參考數(shù)字504表示。
殼體502的側(cè)壁518具有孔520，所述芯片組件516通過孔從殼體內(nèi)伸出。特別的，所述芯片組件516包括芯片504，以及該芯片通過在殼體502的壁518中的所述孔520伸出。
所述光耦合元件506被粘合且被光耦合到光纖514。利用透鏡522，在空氣透鏡校準(zhǔn)排列中，所述芯片504被耦合到光耦合元件506和光纖514。所述透鏡522被粘合到外部饋電導(dǎo)體內(nèi)?？商鎿Q地，利用包括多個(gè)鏡頭和/或其他光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)，在空氣透鏡校準(zhǔn)排列種，所述芯片可以被光耦合到光耦合元件和光纖。
在光電設(shè)備500的組件中，所述芯片被連接到封裝殼體502，并且所述饋電導(dǎo)體(與其完整透鏡522)被粘合到殼體壁518。在芯片504的光電操作期間，所述光耦合元件506被“主動(dòng)地校準(zhǔn)”，以便在芯片504和光纖514之間耦合的光學(xué)信號(hào)被最大化的這樣的位置中所述光耦合元件506被粘合到外部饋電導(dǎo)體。例如，芯片504具有包括馬赫曾德爾調(diào)制器的光波導(dǎo)(未示出)，由激光器傳輸?shù)墓馔ㄟ^芯片504，同時(shí)光耦合元件506相對(duì)于芯片被校準(zhǔn)，并且被粘合到外部饋電導(dǎo)體內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的光電設(shè)備的所述芯片組件還可以通過封裝殼體的第二壁伸出。據(jù)此，在芯片相對(duì)的兩端，光電芯片組件被光耦合到光纖，芯片組件的那些相對(duì)的兩端可以都伸出殼體的相對(duì)的兩端的壁。有利地，由于這樣的光電芯片，這樣排列使殼體的長(zhǎng)度能夠進(jìn)一步減小。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明的光電模塊624。所述光電模塊624包括安裝在底座626中的光電設(shè)備600。所述光電設(shè)備600是圖3、圖4和圖5的光電設(shè)備300、400和500中的一者。為了操作光電設(shè)備600，子系統(tǒng)626設(shè)有電子控制電路。特別的，在光電芯片的光波導(dǎo)中，所述電子控制電路提供電子操作信號(hào)到光電元件。例如，所述光電芯片是鈮酸鋰馬赫曾德爾調(diào)制器，所述電子操作信號(hào)控制與光波導(dǎo)相關(guān)聯(lián)的電極的電偏壓。
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