一种基于AWG芯片的光发射组件及光模块的制作方法

一种基于awg芯片的光发射组件及光模块
技术领域
1.本实用新型属于光电子器件封装领域，更具体地，涉及一种基于awg 芯片的光发射组件及光模块。


背景技术：

2.近年来，光通信技术行业的飞速发展，推动着光器件产业向高速化、小型化和集成化进行演变。传统用于qsfp /qsfp28封装的40g/100g光器件大多采用管壳封装的设计方案，由于其高昂的管壳物料成本和必须采用的激光焊接(即光口与管壳之间需采用激光焊接技术)工艺带来的功率变化，也逐渐无法满足后续高速封装形式对于成本和性能的严格要求，例如 osfp(quad small form
‑
factor pluggable，即四通道小型可插拔)、qsfp
‑
dd (quad small form factor pluggable
‑
double density，即)双密度四通道小型可插拔等封装形式。
3.目前，行业上多采用tff(thin film filter，即薄膜滤光片)结构实现波分复用/解复用，由于各个波段的光程长度的不同，会造成各个波段的光功率/响应度差异性和对耦合余量的把控，不利于实现各通道的一致性。目前绝大部分光发射组件的隔离器都是内置在主体光路中，或者将光隔离器与光纤集成于插针组件，这同样也会增加光路长度，压缩关键元器件的布局空间，增加透镜选型及耦合透镜工序的难度，而且集成的光纤头和光隔离器的插针组件成本较高。除此之外，目前产业上一般将背光芯片放置于激光器的背后，这样只能用于监控激光器的输出功率，但无法监控整体光路变化，也无法监控器件整体的输出光功率，增加了模块端进行功率调节的难度。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种基于 awg芯片的光发射组件及光模块，以解决现有光发射组件成本高、光路长、激光焊接带来光功率变化以及背光芯片无法监控光路变化和整体光功率输出等技术问题。
5.为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种基于awg 芯片的光发射组件，包括背光监控芯片组以及沿光路方向顺次设置的激光器芯片阵列、透镜组、隔离器阵列、awg芯片和光口适配器组件，且所述 awg芯片通过光纤与所述光口适配器组件连接；
6.所述激光器芯片阵列包括n个激光器芯片，所述背光监控芯片组包括n 个光接收器芯片；所述awg芯片包括n个输入端口、1个前光输出端口和 n个背光输出端口，且所述n个输入端口与所述n个激光器芯片对齐，所述 n个背光输出端口与所述n个光接收器芯片对齐，所述前光输出端口与所述光纤耦合连接；其中n≥1。
7.优选地，所述激光器芯片阵列、所述透镜组、所述隔离器阵列和所述 awg芯片均固定在导热衬底上。
8.优选地，所述导热衬底上还设置有密封盖板，用于封盖所述导热衬底、所述背光监控芯片组、所述激光器芯片阵列、所述透镜组、所述隔离器阵列、所述awg芯片以及光纤头；
其中，所述密封盖板的一侧设有凹槽，以便将所述光纤设置在所述凹槽内。
9.优选地，所述隔离器阵列包括磁环、n个隔离器芯和隔离基板；
10.所述磁环设置在所述隔离基板上，所述n个隔离器芯设置在所述磁环内，所述磁环通过光学耦合的方式与所述n个激光器芯片的发光条对齐。
11.优选地，所述光口适配器组件包括金属适配器、金属环、陶瓷套筒和陶瓷插芯；
12.所述光纤装配在所述陶瓷插芯内，所述陶瓷插芯嵌入所述金属环和所述陶瓷套筒中，所述金属环和所述陶瓷套筒装配在所述金属适配器中。
13.优选地，所述陶瓷插芯的一端设有v型槽，以便在所述v型槽中填充固化胶来固定所述光纤。
14.优选地，所述awg芯片的两侧具有8
°±1°
的斜角。
15.优选地，所述透镜组包括n个透镜，与所述n个激光器芯片相对应。
16.按照本实用新型的另一方面，提供了一种基于awg芯片的光模块，包括上述第一方面所述的光发射组件，以及光接收组件和pcba板，所述光发射组件和所述光接收组件均固定在所述pcba板上。
17.优选地，所述pcba板包括pcba电路板、散热载体、器件电接口和金手指；其中，所述光发射组件与所述散热载体通过导热银胶实现固定和导热，所述光发射组件中的激光器芯片阵列与所述器件电接口实现电气连接。
18.总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有如下有益效果：本实用新型提供的光发射组件中，基于独特设计的 awg芯片、背光芯片监控组位置的巧妙摆放和隔离器阵列前移，避免了常规的光口与管壳的焊接，解决了激光焊接偏移引发的光功率变化的问题，隔离器前移有效地缩短了光路长度，减少了盘纤布局的难度，避免了尾纤中的隔离器在光模块中晃动，且大大降低了物料成本；而且，通过巧妙设计的awg芯片，不仅通过空间直接耦合的方式实现光路的低损耗连接，提高耦合效率，并且实现了同时监控整体光功率和光路变化的功能。
附图说明
19.为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
20.图1是本实用新型实施例提供的一种光发射组件的框架结构示意图；
21.图2是本实用新型实施例提供的一种光发射组件的正视结构示意图；
22.图3是本实用新型实施例提供的一种光发射组件的俯视结构示意图；
23.图4是本实用新型实施例提供的一种光发射组件带有密封盖板时的正视结构示意图；
24.图5是本实用新型实施例提供的一种awg芯片的俯视结构示意图；
25.图6是本实用新型实施例提供的一种awg芯片的正视结构示意图；
26.图7是本实用新型实施例提供的一种光口适配器组件的剖面示意图；
27.图8是本实用新型实施例提供的一种贴片式隔离器阵列的结构示意图。
28.在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
29.激光器芯片阵列01、导热衬垫02、透镜组03、awg芯片04、光口适配器组件05、隔离器阵列06、密封盖板07；输入端口04
‑
1、阵列波导区 04
‑
2、前光输出端口04
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3、背光输出端口04
‑
4；纤芯05
‑
1、金属环05
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2、金属适配器05
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3、陶瓷插芯05
‑
4、陶瓷套筒05
‑
5；磁环06
‑
1、隔离器芯06
‑
2、隔离基板06
‑
3、对齐标记06
‑
4、偏振方向标识06
‑
5。
具体实施方式
30.为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型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仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
31.在本实用新型的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”、“左”、“右”、“前”、“后”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实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本实用新型的限制。
32.此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本实用新型。
33.实施例1
34.为解决现有光发射组件成本高、光路长、激光焊接带来光功率变化以及背光芯片无法监控光路变化和整体光功率输出等技术问题，本实用新型实施例提供了一种基于awg(arrayed waveguide grating，即阵列波导光栅) 芯片的光发射组件，参考图1
‑
图4，包括沿光路方向顺次设置的激光器芯片阵列01、透镜组03、隔离器阵列06、awg芯片04和光口适配器组件05，所述awg芯片04的输出端通过光纤与所述光口适配器组件05连接，还包括背光监控芯片组、导热衬垫02和密封盖板07。
35.所述激光器芯片阵列01、所述透镜组03、所述隔离器阵列06、所述 awg芯片04和所述背光监控芯片组均可通过导电银胶固定在所述导热衬底02上，如图2所示；其中，所述导热衬底02的材质为氮化铝或者钨铜合金，并且在所述透镜组03的位置设置有导胶槽。所述密封盖板07固定设置在所述导热衬底02上，用于封盖所述导热衬底02、所述背光监控芯片组、所述激光器芯片阵列01、所述透镜组03、所述隔离器阵列06、所述 awg芯片04以及光纤头；其中，所述密封盖板07的一侧(即图中右侧) 设有凹槽，以便将所述光纤设置在所述凹槽内，如图4所示。
36.结合图2和图3，所述激光器芯片阵列01包括用于发射指定波长光信号的n个激光器芯片以及用于放置所述n个激光器芯片的基板；所述透镜组03包括n个透镜，与所述n个激光器芯片相对应，所述透镜的材质可以为玻璃或硅；所述背光监控芯片组包括用于接收指定波长范围光信号的n 个光接收器芯片以及用于放置所述n个光接收器芯片的基板；其中n≥1。
37.结合图5，所述awg芯片04包括n个输入端口04
‑
1、阵列波导区(也可称为自由传输区)04
‑
2、1个前光输出端口04
‑
3和n个背光输出端口04
‑
4。其中，所述n个输入端口04
‑
1与所述激光器芯片阵列01的n个激光器芯片对齐，所述n个背光输出端口04
‑
4与所述背光监控芯片组的n个光接收器芯片对齐，所述前光输出端口04
‑
3与所述光纤耦合连接，具体可采用光
路胶水固定。也就是说，输入端口的数量与背光输出端口的数量相同，且都与激光器芯片的数量一致。其中，所述awg芯片的两侧可加工成具有8
°±1°
的斜角，以便后续耦合，优选加工成8
°
的斜角，如图6所示。另外，所述awg芯片04与所述隔离器阵列06之间设有导胶槽。
38.继续参考图7，所述光口适配器组件05包括金属适配器05
‑
3、金属环 05
‑
2、陶瓷套筒05
‑
5和陶瓷插芯05
‑
4；所述光纤的纤芯05
‑
1装配在所述陶瓷插芯05
‑
4内，所述陶瓷插芯05
‑
4嵌入所述金属环05
‑
2和所述陶瓷套筒 05
‑
5中，所述金属环05
‑
2和所述陶瓷套筒05
‑
5装配在所述金属适配器中。其中，所述金属适配器05
‑
3与所述金属环05
‑
2可采取过盈配合或者胶水粘接固化的方式实现装配；所述陶瓷插芯05
‑
4的一端(即图中左端)设有v 型槽，以便在所述v型槽中填充固化胶来固定所述纤芯05
‑
1。
39.其中，所述陶瓷插芯05
‑
4可以为单模插芯，也可以使多模插芯；所述光纤可以是单模光纤也可以是多模光纤，具体型号需要可根据光器件的使用需求进行配置。另外，所述光纤为带有保护层的光纤，并且其长度可以根据光器件的实际需求灵活设计。
40.继续参考图8，所述隔离器阵列06为贴片式隔离器阵列，隔离类型为磁隔离，包括磁环06
‑
1、n个隔离器芯06
‑
2和隔离基板06
‑
3。所述n个隔离器芯06
‑
2设置在所述磁环06
‑
1内，所述磁环06
‑
1设置在所述隔离基板 06
‑
3上，所述隔离基板06
‑
3的材质可采用氮化铝。其中，所述磁环06
‑
1上设有n个开口，分别与所述n个隔离器芯06
‑
2对齐；所述磁环06
‑
1通过光学耦合的方式使其n个开口与所述n个激光器芯片的发光条对齐，进而使所述n个隔离器芯06
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2与所述n个激光器芯片对齐。进一步地，所述磁环 06
‑
1上还设有对齐标记06
‑
4和偏振方向标识06
‑
5，如图8，所述对齐标记 06
‑
4的设置便于所述磁环06
‑
1与所述n个激光器芯片的发光条对齐，所述偏振方向标识06
‑
5的设置便于识别偏振方向。
41.进一步结合图3，在一个具体的实施例中，所述激光器芯片阵列01包括四个用于发射不同波长光信号的激光器芯片，且为等间距排布；实际上，各激光器芯片可以等间距排布或者非等间距排布，具体实现形式根据光路的特点进行间距的适当调节，在此不做具体限定。相应地，所述背光监控芯片组包括四个用于接收不同波长光信号的光接收器芯片，且为等间距排布。所述awg芯片04的波导输入端包括四个输入端口04
‑
1，分别对应所述激光器芯片阵列01的四个激光器芯片，且间距与激光器芯片保持一致；所述awg芯片04的背光波导输出端包括四个背光输出端口04
‑
4，分别对应背光监控芯片组的四个光接收器芯片，且间距与光接收器芯片保持一致。
42.具体地，所述激光器芯片阵列01中的各激光器芯片的芯片类型包括但不限于dfb芯片、fb芯片、vcsel芯片、eml芯片；波长类型包括但不限于850nm、1310nm、1550nm。其中，所述激光器芯片阵列01中的各激光器芯片的发光条与所述awg芯片04的各输入端口04
‑
1通过高精度贴片机进行对准，所述背光监控芯片组中的各光接收器芯片发光条与所述awg 芯片04的各背光输出端口04
‑
4通过高精度贴片机进行对准。
43.综上所述，本实用新型实施例提供的光发射组件具有以下有益效果：
44.激光器芯片阵列、透镜组、隔离器阵列、awg芯片和光口适配器组件顺次连接设置，通过光纤连接awg芯片的输出端与光口适配器组件，规避了常用的激光焊接技术，解决了焊接后光功率偏移的问题；
45.将隔离器阵列前置于透镜与awg芯片之间，有效缩短光路长度，减少盘纤难度，避免了尾纤中的隔离器在光模块中晃动，且成本远低于集成光纤头和光隔离器的插针组件，
解决了成本高、光路长、耦合难度大的问题；
46.通过巧妙设计的awg芯片，不仅通过空间直接耦合的方式实现光路的低损耗连接，极大地降低了模块调测的难度，提高耦合效率，并且通过优化背光监控芯片组位置的摆放，实现了同时监控整体光功率和光路变化的功能，同时降低了物料成本。
47.实施例2
48.在上述实施例1提供的光发射组件的基础上，本实用新型实施例进一步提供了一种基于awg芯片的光模块，包括上述实施例1中所述的光发射组件，以及光接收组件和pcba(printed circuit board assembly，即印刷电路板组件)板；其中，所述光发射组件和所述光接收组件均固定在所述pcba 板上。
49.具体地，所述pcba板包括pcba电路板、散热载体、器件电接口和金手指；其中，所述光发射组件与所述pcba板中的散热载体通过导热银胶实现固定和导热，所述光发射组件中的激光器芯片阵列与所述pcba板中的器件电接口通过金丝的方式实现电气连接。关于所述光发射组件的具体结构介绍可参考上述实施例1，在此不做赘述。
50.本实用新型实施例提供的上述光模块，光发射组件中基于独特设计的 awg芯片、背光芯片监控组位置的巧妙摆放和隔离器阵列前移，避免了常规的光口与管壳的焊接，解决了激光焊接偏移引发的光功率变化的问题，隔离器前移有效地缩短了光路长度，减少了盘纤布局的难度，避免了尾纤中的隔离器在光模块中晃动，且大大降低了物料成本；而且，通过巧妙设计的awg芯片，不仅通过空间直接耦合的方式实现光路的低损耗连接，提高耦合效率，并且实现了同时监控整体光功率和光路变化的功能。
51.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。