具有壳体及芯片组件的光电设备、光电模块及装配方法

摘要

本发明公开了一种具有壳体及芯片组件的光电设备、光电模块及装配方法，该芯片组件包括由所述壳体封装的光电芯片以及光耦合元件；其中所述壳体包括底座和用于接收该底座的主封装体，并且所述底座连接在所述主封装体和所述光电芯片之间；其中所述芯片组件的不包括所述光电芯片的至少部分，从所述壳体内部通过所述壳体壁中的孔伸出；其中光纤对接耦合到所述芯片组件的所述通过所述壳体壁中的孔伸出的部分，且所述光耦合元件对接耦合到所述光电芯片；以及其中所述光电芯片同轴地与所述光耦合元件放置。

权利要求

1.一种具有壳体及芯片组件的光电设备，该芯片组件包括整个被包含在所述壳体内的光电芯片以及粘合到所述芯片的光耦合元件；其中所述光耦合元件的至少一部分通过所述壳体的壁中的孔伸出所述壳体；以及其中所述光耦合元件被粘合到光纤的一端，从而使得所述光纤和所述光耦合元件都对接耦合到所述光电芯片；并且从而使得所述光纤光耦合到所述芯片的光波导；

其中所述光电设备还包括：

外部馈电导体，其中所述光纤粘合到所述外部馈电导体，并且该外部馈电导体适于安装到所述壳体的所述壁的校准部件上以及同时被粘合到所述壳体的所述壁上；以及其中所述外部馈电导体适于同时接收所述光耦合元件的从所述壳体伸出的所述部分、和所述光纤的所述端；以及应变消除圈，其安装到所述外部馈电导体上，并且与所述壳体的所述壁邻接，其中所述光纤在所述应变消除圈内经由所述外部馈电导体穿过。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述芯片是铌酸锂调制器。

3.一种光电模块,该光电模块包括权利要求1所述的光电设备和适于控制所述光电设备操作的电子控制电路。

4.一种装配光电设备的方法,该方法包括：

将光电芯片插入到壳体中；

将光耦合元件粘合到光纤的一端；

将所述光耦合元件粘合到整个被包含在所述壳体内的所述光电芯片，从而使得所述光纤和所述光耦合元件都对接耦合到所述光电芯片，从而使得所述光纤光耦合到所述芯片的光波导，并且从而使得所述光耦合元件的至少一部分通过所述壳体的壁中的孔伸出所述壳体；

将外部馈电导体粘合到所述壳体的所述壁，该外部馈电导体适于安装到所述壳体的所述壁的校准部件上，并且适于同时接收所述光耦合元件的从所述壳体伸出的所述部分、和所述光纤的所述端；

将所述光纤粘合到所述外部馈电导体；

将应变消除圈安装到所述外部馈电导体上，从而使得所述应变消除圈与所述壳体的所述壁邻接，其中所述光纤在所述应变消除圈内经由所述外部馈电导体穿过。

说明书

具有壳体及芯片组件的光电设备、光电模块及装配方法

[0001] 本申请为2011年2月7日递交、题为“长度减小的光电设备”的中国专利申请201180008857.2的分案申请。

技术领域

[0002] 本发明涉及包括壳体内的光电芯片的光电设备，且特别地，这样的光电设备用于集成到光电模块中。

背景技术

[0003] 如发射机和接收机的光电设备一般包括壳体(“封装”)内的光电芯片。所述芯片被光耦合到穿过壳体壁的输入和/或输出光纤。在光纤和芯片之间会有干涉块(intervene bulk)光学元件，如镜头、分光器、和光学隔离器。所述芯片可能是一个光电子调制器，如马赫曾德调制器芯片或者光电吸收调制器芯片。可替换地，所述芯片可能是另一种光电芯片，如半导体激光芯片或者光电探测器芯片。

[0004] 所述壳体提供对芯片和其他元件的保护，以使所述芯片和其他元件在更高等级装配成模块、传送或连接到光通信网络期间免受机械损伤。另外，壳体典型地被密封并且提供环境保护以免受环境湿度、化学降解和光的影响。在一些情况下，所述壳体可被严密地密封以提供最高等级的环境保护。US7066658披露了一种排列，其中穿过壳体的光纤可以被直接、严密地密封至通过壳体壁的开口内部。US6712528披露了一种排列，其中进入壳体的光纤被严密地密封到还通过壳体壁上的开口的金属圈，所述金属圈被严密地密封到保护的鼻状物(protective snout)上，所述鼻状物转而围绕开口被严密地密封到壳体的外壁。

[0005] 所述壳体还提供结实的主体，所述芯片和其它元件均可连接至该主体，如大光学元件和热电冷却器(其可能连接在芯片和壳体的内层之间)。特别的，壳体提供结实的固定装置，所述光纤连接至该固定装置。

[0006] 其中这样的元件被频繁地部署的应用是尺寸敏感的，具有要求以减小壳体的“器件封装(footprint)”。当封装的器件被集成到更高等级的光电模块中时这是特别重要的，例如发射机，接收机或者为封装的器件提供有电子控制电路的应答器(transponder)模块。

[0007] 对光电壳体内元件尺寸的减小的注意迄今集中在壳体内大光学元件的尺寸的减小。US7161725和US2007/0091300披露了减小的器件封装大光学元件。然而，壳体内元件的尺寸的减小仅仅能够实现需要容纳它们壳体的器件封装的对应尺寸上的有限的减小。类似地，壳体内其他元件的尺寸的减小仅仅能够提供有限量的额外空间，以方便使用较长的芯片。特别的，大光学元件的尺寸上的这样减小，仅可以实现壳体对应长度上有限的减小，或者光电芯片长度上的有限增加，该光电芯片可以被封装在匹配现有器件封装的壳体内。另外，通过将布置一些元件位置的装置排成直线接入壳体的要求还限制了壳体宽度上可能的减小。

[0008] 两种不同的排列众所周知用于将光纤光耦合到光电芯片的光波导。

[0009] 在第一已知的排列中，被称为“对接耦合(butt-coupled)”，所述光纤通过所述壳体壁并且光纤末端连接到芯片。所述光纤末端会紧靠芯片，利用光学黏胶剂，如光学树脂直接粘合到(bond to)芯片上。可替换地，可以提供被粘合到光纤的末端的光耦合元件，且所述光耦合元件被粘合到芯片，从而光耦合元件和光纤都被对接耦合到芯片。这样的光耦合元件可以是短的同质圆柱体玻璃，且在设备组件的校准期间便于处理光纤末端。US7228014披露了在光纤对接耦合到芯片的光耦合元件的使用。

[0010] 当对接耦合到芯片时，光纤仅仅需要在二维上校准，芯片粘结表面的平面中的正交方向。不利的，壳体内的光纤末端的校准需要最小壳体宽度，以便光纤末端校准设备能够掌握和操纵在壳体内的光纤末端。图1图示了根据第一已知排列的设备，示出了所述设备在所述光电芯片和光纤的平面中的横截面视图。

[0011] 在第二已知的排列种，被称为“空气透镜校准”，光学透镜被粘合到壳体壁的开口中，并且所述芯片和光纤在透镜的对面校准，以便通过透镜使光从一面集中到另一面。在这样排列中，所述芯片可以连接到壳体的底面，其中光纤末端在三维空间中与透镜另一侧上的对应位置排成直线。在芯片和透镜之间需要间隔以用于校正穿过芯片和光纤之间的光的聚焦，且在空气透镜校准排列中，其中透镜处于壳体壁中，在壳体壁内设置间隔，不利的是增加了壳体需要的长度。图2图示了根据该第二已知排列的设备，示出了所述设备在所述光电芯片和光纤的平面中的横截面视图。为清楚起见，外部馈电导体(external feed-through)、应变消除圈(strain relief collar)和保护管(图1中所示)已经在图2中省略。

[0012] 仍然需要光电设备具有减小的尺寸，或者便于具有现有的尺寸的壳体内的较长的光电芯片的使用。特别的，仍然需要光电设备具有减小的壳体长度和/或壳体宽度，或者便于在现有的壳体内使用较长和/或更宽的光电芯片。

发明内容

[0013] 根据本发明的一个方面，提供了一种具有壳体和由所述壳体封装的芯片的光电设备，其中芯片的至少部分通过壳体壁中的孔伸出。

[0014] 根据本发明的另一个方面，提供了一种光电模块，该光电模块包括光电设备和电子控制电路，该光电设备具有壳体和由所述壳体封装的芯片，其中芯片的至少部分通过壳体壁中的孔伸出，该电子控制电路适于控制光电设备操作。

[0015] 根据本发明的又一个方面，提供了一种装配光电设备的方法，该方法包括将光电芯片插入到壳体中，以便所述芯片的至少部分通过壳体壁中的孔伸出。

[0016] 有利地，本发明使封装壳体能够与被耦合到光纤的光电芯片一起使用，其中器件封装小于其他可能的情况。此外，有利地，相比于之前可能的，本发明使更大的光电芯片能够被用在特定的器件封装的封装壳体内。有利地，通过壳体壁中的孔的芯片的伸出有利于设备的方便的装配。有利地，芯片和光纤通过透镜光耦合，可以相对于壳体的外部设置在芯片和透镜之间的间隔，借此进一步减小壳体的长度。

[0017] 光纤可以被对接耦合到芯片。所述芯片组件可以包括光耦合元件，并且光耦合元件可以被对接耦合到芯片通过壳体壁中的孔伸出的部分。外部馈电导体可以被粘合到壳体壁，且所述光纤被粘合到外部馈电导体。可替换地，这些步骤的顺序可以被翻转。

[0018] 光纤可以通过透镜光耦合到芯片。光耦合元件会被粘合到光纤，且光耦合元件可以通过透镜光耦合到芯片。所述透镜可以被粘合在外部馈电导体中，且外部馈电导体可以被粘合到壳体壁。

[0019] 所述光耦合元件可以被对接耦合在所述芯片和所述光纤之间。所述光纤可以被粘合到外部馈电导体，且所述外部馈电导体会被粘合到壳体壁。

[0020] 所述芯片，或者包括所述芯片和所述光耦合元件的芯片组件可以通过壳体另外的壁伸出。

[0021] 所述壳体可以包括底座和主封装体，并且底座可以连接在所述主封装体和所述芯片之间。

[0022] 所述芯片可以是铌酸锂光电调制器芯片。

附图说明

[0023] 为了本发明更好的理解，以及更清楚地展示它如何付诸实施，将仅以举例方式结合附图进行参考，其中：

[0024] 图1示出了第一已知光电设备的横截面视图。

[0025] 图2示出了第二已知光电设备的横截面视图。

[0026] 图3A示出了根据本发明的光电设备的横截面视图。

[0027] 图3B示出了图3A的光电设备的另一个横截面视图。

[0028] 图4示出了根据本发明的光电设备的横截面视图。

[0029] 图5示出了根据本发明的光电设备的横截面视图。

[0030] 图6示出了根据本发明的光电模块的平面视图。

具体实施方式

[0031] 图3A和图3B示出了根据本发明的光电设备300。图3A示出了在光电芯片的平面中的横截面视图中的所述设备300，以及图3B示出了在与芯片的平面垂直且处于壳体侧壁(end wall)的厚度内的平面中的所述设备300的横截面视图。

[0032] 所述设备300包括光电封装壳体302，光电芯片304，树脂305，光耦合元件306，外部馈电导体308，应变消除圈310和保护管312。所述设备设有光纤314。

[0033] 所述封装壳体302与由树脂305粘合到底座302A的所述芯片304合成。所述底座302A转而连接(例如粘合)到适应于接收底座的主封装体302B。特别的，在铌酸锂芯片的情况下，不锈钢底座可以与 主封装一起使用，因为铌酸锂比 更接近于匹配不锈钢的热膨胀系数。

[0034] 所述光耦合元件306被粘合到芯片304以形成芯片组件316。粘结还在光耦合元件306和所述芯片304之间提供光耦合。在光耦合元件306和所述芯片304之间的粘合剂由光学透明树脂(未示出)形成。所述光耦合元件306是硼硅酸盐玻璃，然而其他合适的材料也可以使用。

[0035] 所述壳体302的壁318有孔320，以及所述芯片组件316通过孔从壳体里伸出。特别的，芯片304通过孔320从壳体302里伸出。所述孔320在形状上基本是圆柱形或者局部圆柱形的。

[0036] 所述外部馈电导体308有利地为金属并且适于安装在壳体302的壁318的校准部件(alignment feature)321上。所述馈电导体308通过树脂密封于壳体302。可替换地，所述馈电导体最好焊接到壳体，以提供气密密封(hermetic seal)，或者使用激光焊接固定。所述馈电导体308可以由装配在一起的不同部件组成且装配至壳体。在某些情况下，所述馈电导体308可以由可选的材料(如塑料)制造，特别是如果不需要气密性的情况。

[0037] 所述外部馈电导体308适于接收从壳体302内伸出的部分芯片组件316以及光纤314的尾部。有利的，相比于整个芯片组件包含在壳体内的情况，芯片组件316源于壳体内且进入馈电导体的伸出使更长芯片304(或者芯片组件)或者更短的封装壳体302能够使用。在光电应用中通常非常需要(at a premium)空间，如电信应答器模块，并且具有在光电设备的壳体内封装较长的芯片的能力是非常有利的。

[0038] 所述封装的设备300包括光耦合元件306，该光耦合元件被方便地设置而预粘合到光纤314的末端。通过校准装置处理所述光耦合元件306比处理光纤314末端更容易。使用光学树脂将所述光耦合元件306粘合到芯片304，以便所述光纤被光耦合到芯片的光波导(未示出)。

[0039] 有利地，通过孔320源于封装壳体302的芯片组件316的伸出有利于设备300的方便的装配。特别的，由于芯片组件316的伸出不接触壳体302，在所述光耦合元件306(或者光纤314的末端)的校准和粘合到芯片304期间，所述光耦合元件(或者光纤的末端)能够被壳体
302的外部校准装置处理，通过所述校准装置提供对光纤末端或者耦合元件的控制和操纵的方便的接入。相反，在现有设备的情况下，所述校准装置有必要去处理在所述封装壳体内的光纤的末端或者光耦合元件，对校准装置和壳体的尺寸进行限制，以允许至壳体中的校准装置的接入。

[0040] 在本发明可替换的实施方式中，所述封装设备可以省略光耦合元件的设置。因此，与图3相比，在这样的设备中，所述光纤被直接粘合到所述芯片，且光纤被校准以被光耦合到芯片的光波导。

[0041] 所述光纤314通过所述馈电导体308馈电。所述光纤314用树脂被密封在馈电导体308内。可替换地，有利地，可以使用焊料将所述光纤密封至馈电导体内以提供气密密封。在馈电导体内的光纤的一部分被金属化，金属焊料可以被用来在所述光纤和所述馈电导体之间形成密封。可替换地，玻璃焊料可以被用来在所述光纤和所述馈电导体之间形成密封。

[0042] 应变消除圈310安装在馈电导体上，且与壳体302的壁318有利地邻接。该圈通过摩擦力固定在合适的地方安装至所述馈电导体。可替换地，或者附加的，通过与所述馈电导体的保持部件和/或壳体壁接触，所述圈可以被机械地保持在馈电导体上。应变消除圈是由弹性变形材料，例如天然或者合成橡胶制造的。

[0043] 经由适于接收保护管312的末端的孔，所述光纤314在应变消除圈310内穿过。所述馈电导体308被设置有其中接收了保护管312的接收部件。所述接收部件是其中保护管通过摩擦力固定在合适的位置安装至馈电导体的凹槽。可替换地，或者附加的，所述保护管312可以机械地与馈电导体的保持部件接触。所述保护管是由弹性变形材料制造的。

[0044] 所述应变消除圈310和所述保护管312提供对光纤314的保护。特别的，圈310在光纤进入所述馈电导体308的点设有保护，此点特别容易损坏。

[0045] 在可替换的实施方式中，所述芯片304直接粘合到壳体302，而不需要底座。特别的，铌酸锂光电芯片会直接粘合到不锈钢壳体。

[0046] 可选地，将所述芯片直接粘合到所述封装壳体或者底座，所述芯片可以被粘合到温度控制设备(例如热电(帕尔帖)冷却器)，温度控制设备转而被粘合到所述封装壳体或者底座。

[0047] 图4示出了根据本发明的另外的光电设备400。为了方便，实际上等同于在图3中所示的设备的相应部分的光电设备400的元件部分，通过相同的参考数字递增100来标记。因此相对于图3中的芯片304，在图4所示的所述光电芯片通过参考数字404表示，。

[0048] 壳体402的侧壁418具有孔420，所述芯片组件416通过孔从壳体内伸出。特别的，所述芯片组件416的一部分包括经由孔420从壳体402内伸出被光耦合元件406。与图3所示的发明的实施方式相反，所述芯片组件416的一部分包括没有通过孔420伸出的芯片404。

[0049] 图5示出了根据本发明的另外的光电设备500。出于清晰的目的，外部馈电导体，应变消除圈和保护管从图5中略去。为了方便，实际上等同于在图3中所示的设备的相应部分的光电设备500的元件部分，通过相同的参考数字递增200被标记。因此相对于图3中的芯片304，在图5所示的所述光电芯片通过参考数字504表示。

[0050] 壳体502的侧壁518具有孔520，所述芯片组件516通过孔从壳体内伸出。特别的，所述芯片组件516包括芯片504，以及该芯片通过在壳体502的壁518中的所述孔520伸出。

[0051] 所述光耦合元件506被粘合且被光耦合到光纤514。利用透镜522，在空气透镜校准排列中，所述芯片504被耦合到光耦合元件506和光纤514。所述透镜522被粘合到外部馈电导体内。可替换地，利用包括多个镜头和/或其他光学元件的光学系统，在空气透镜校准排列种，所述芯片可以被光耦合到光耦合元件和光纤。

[0052] 在光电设备500的组件中，所述芯片被连接到封装壳体502，并且所述馈电导体(与其完整透镜522)被粘合到壳体壁518。在芯片504的光电操作期间，所述光耦合元件506被“主动地校准”，以便在芯片504和光纤514之间耦合的光学信号被最大化的这样的位置中所述光耦合元件506被粘合到外部馈电导体。例如，芯片504具有包括马赫曾德尔调制器的光波导(未示出)，由激光器传输的光通过芯片504，同时光耦合元件506相对于芯片被校准，并且被粘合到外部馈电导体内。

[0053] 根据本发明的光电设备的所述芯片组件还可以通过封装壳体的第二壁伸出。据此，在芯片相对的两端，光电芯片组件被光耦合到光纤，芯片组件的那些相对的两端可以都伸出壳体的相对的两端的壁。有利地，由于这样的光电芯片，这样排列使壳体的长度能够进一步减小。

[0054] 图6示出了根据本发明的光电模块624。所述光电模块624包括安装在底座626中的光电设备600。所述光电设备600是图3、图4和图5的光电设备300、400和500中的一者。为了操作光电设备600，子系统626设有电子控制电路。特别的，在光电芯片的光波导中，所述电子控制电路提供电子操作信号到光电元件。例如，所述光电芯片是铌酸锂马赫曾德尔调制器，所述电子操作信号控制与光波导相关联的电极的电偏压。