CN107831569A - 一种基于双胶合透镜的传输光器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及激光器封装技术领域，提供了一种基于双胶合透镜的传输光器件。包括双胶合透镜，由第一结构309、胶合面310和第二结构311构成，双胶合透镜被设置在管帽305的顶部，位于激光芯片301的出光光路上，第一结构309包括第一凸透镜面和第一斜面；第二结构311包括第二凸透镜面和第二斜面；第一斜面和第二斜面之间设置有反射膜，并且第一斜面、反射膜和第二斜面三者之间通过光学胶粘剂胶合，形成胶合面310。本发明采用双胶合透镜利用球面对入射光准直，在斜面之间设置反射膜，并再次经过球面汇聚，得到反射光汇聚的准确位置，采用普通小光敏面的光探测器即可实现背光接收，降低了背光探测器带来的成本。
Description
【技术领域】
本发明涉及激光器封装技术领域，特别是涉及一种基于双胶合透镜的传输光器件。
【背景技术】
大数据时代的到来，使得数据中心在近年来以太网交换机市场中所占的比重逐年上升。而信息时代所对数据信息需求的极速膨胀，也给数据中心的带宽带来了极大的挑战。基于面发射型激光器的短距光模块，其作用为实现数据中心机柜间的信号传输，因此，光模块的性能和可靠性决定了整个数据中心的数据传输、运行和处理能力。
图1和图2所示为两种常见短距传输光模块中的光器件光发射次级模块(Transmitter Optical Sub-assembly，简写为：TOSA)的结构示意图，该结构将垂直腔表面发射激光器(Vertical cavity surface emitting Laser，简写为：VCSEL)发射的激光经透镜汇聚到光纤适配器中，并最终实现激光耦合进光纤进行传输的功能。为了对VCSEL芯片的发射前光功率进行监控，激光在透镜聚焦前先经过了一个镀膜玻璃平板。在保证大部分光束透射的情况下，反射一定比例的前光，照射到用于前光监控的光探测器芯片(MonitorPhoto Diode，简写为：MPD)上。
具体来说，如图1所示，VCSEL芯片101贴装于热沉102上，热沉102贴装于MPD芯片103上，MPD芯片103贴装于TO底座104上，四者之间均通过热固胶固定。TO管帽105通过焊接固定于TO底座104上，使得内部处于密封状态。塑料透镜106则通过热固胶107与TO管帽105粘接。光路上来说，激光108从VCSEL芯片101表面出射，经过镀膜玻璃平板109，少部分反射光110反射到MPD芯片103的光敏面上，大部分光经塑料透镜106入射于光纤插针适配孔111中。这种封装形式，经玻璃平板反射的激光呈发散状态，必须使用大光敏面的MPD进行能量接收，且反射光会入射到VCSEL芯片中，影响VCSEL发光。
同样的，如图2所示，VCSEL芯片201和MPD芯片202均贴装于热沉203上，热沉203贴装于TO底座204上，四者之间均通过热固胶固定。TO管帽205通过焊接固定于TO底座204上，使得内部处于密封状态。塑料透镜206则通过热固胶207与TO管帽205粘接。光路上来说，激光208从VCSEL芯片201表面出射，经过镀膜玻璃平板209，少部分反射光210反射到MPD芯片202的光敏面上，大部分光经透镜206入射于光纤插针适配孔211中。这种封装形式虽然避免了反射光直接入射到VCSEL芯片，但仍然需要使用大光敏面的MPD。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是现有技术中必须采用一种具有较大光敏面的MPD，才能完成激光信号的检测，不仅带来了MPD生产成本上的提高；而且也造成MPD体积无法进一步降低，影响了整个封装的布局灵活性和内部结构可扩展性。
本发明进一步要解决的技术问题是提供一种基于双胶合透镜的传输光器件。
本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种基于双胶合透镜的传输光器件，包括激光芯片301、MPD芯片302、热沉303、底座304和管帽305，所述激光芯片301和MPD芯片302均贴装于热沉303上，热沉303贴装于底座304上，管帽305固定于底座304上，光器件还包括双胶合透镜，所述双胶合透镜由第一结构309、胶合面310和第二结构311构成，所述双胶合透镜被设置在管帽305的顶部，位于激光芯片301的出光光路上，具体的：
所述双胶合透镜的第一结构309包括第一凸透镜面和第一斜面；
所述双胶合透镜的第二结构311包括第二凸透镜面和第二斜面；
所述第一斜面和第二斜面之间设置有反射膜，并且第一斜面、反射膜和第二斜面三者之间通过光学胶粘剂胶合，形成胶合面310；
其中，所述MPD芯片302设置热沉303的位置，满足由胶合面310反射的激光，再经由第一凸透镜聚光后聚焦到MPD芯片302的光敏面上。
优选的，所述胶合面310的反射率为20％～70％，其倾斜角度是10°～40°。
优选的，所述第一斜面和第二斜面之间设置有反射膜的方式为双胶合透镜的第一斜面和/或第二斜面上镀反射模，具体的：
第一斜面和第二斜面的倾斜角度相同，均为10°～40°；
在完成第一斜面和第二斜面胶合后，第一凸透镜和第二凸透镜的焦点位于同轴上。
优选的，所述光器件还包括插针适配器306和光纤插针适配孔312，所述插针适配器306与管帽305通过激光焊接的方式固定，所述光纤插针适配孔312与激光芯片301出光面和双胶合透镜的主光轴在同一直线上，且位于双胶合透镜的光束汇聚点。
优选的，在所述激光芯片301为多纵模时，
所述第一结构309选择折射率较小的材料制作，所述第二结构311选择折射率较大的材料制作，使得所述激光芯片301发出的多波长激光，在经过所述第一结构309折射和第二结构311折射后能够汇聚到同一焦点。
优选的，制作所述第一结构309的材料为冕牌玻璃，而制作所述第二结构311的材料为火石玻璃。
优选的，所述激光芯片301为多纵模，包括：680nm～900nm。
优选的，所述传输光器件具体为TO封装。
优选的，所述MPD芯片302的光敏面大小为50um～300um。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
本发明采用双胶合透镜利用球面对入射光准直，斜面镀模反射或者在斜面之间设置反射膜，并再次经过球面汇聚，可根据球面的焦距以及斜面倾斜角度，得到反射光汇聚的准确位置，采用普通小光敏面的光探测器即可实现背光接收，降低了背光探测器带来的成本，同时也降低了热沉的表面积大小，一定程度上可带来封装体积的降低。
在本发明的优选方案中，增加了透镜组合的可能性，在具有多模信号应用中，采用不同材料的玻璃进行组合，可以减小透镜引入的像差，提升光束质量，进而提高耦合光束的环通量。
另一方面，采用光学胶粘剂实现的双胶合透镜，胶合面光能损失仅为0.1％，相比于现有技术中分立式组合的空气与玻璃界面引入的5％～6％的光能损耗，光器件的整体耦合效率显著提升。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例提供的现有技术中一种利用垂直反射膜实现MPD监测的传输光器件结构示意图；
图2是本发明实施例提供的现有技术中一种利用倾斜反射膜实现MPD监测的传输光器件结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于双胶合透镜的传输光器件结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种基于双胶合透镜的传输光器件内部结构示意图；
图5是本发明实施例提供的一种基于双胶合透镜的传输光器件的光模块结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种基于双胶合透镜的多纵模信号传输光路示意图；
图7是本发明实施例提供的一种基于改进的双胶合透镜的多纵模信号传输光路示意图。
【具体实施方式】
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”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而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
在本发明各实施例中，符号“/”表示同时具有两种功能的含义，例如“第二进/出光口”表明该端口既可以进光也可以出光。而对于符号“A和/或B”则表明由该符号连接的前后对象之间的组合包括“A”、“B”、“A和B”三种情况，例如“背向散射光和/或反射光”，则表明其可以表达单独的“背向散射光”，单独的“反射光”，以及“背向散射光和反射光”三种含义中的任意一种。
此外，下面所描述的本发明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。
实施例1:
本发明实施例1提供了一种基于双胶合透镜的传输光器件，如图3所示，包括激光芯片301、MPD芯片302、热沉303、底座304和管帽305，所述激光芯片301和MPD芯片302均贴装于热沉303上，热沉303贴装于底座304上，管帽305固定于底座304上，其特征在于，光器件还包括双胶合透镜，所述双胶合透镜由第一结构309、胶合面310和第二结构311构成，所述双胶合透镜被设置在管帽305的顶部，位于激光芯片301的出光光路上，具体的：
所述双胶合透镜的第一结构309包括第一凸透镜面和第一斜面；
所述双胶合透镜的第二结构311包括第二凸透镜面和第二斜面；
所述第一斜面和第二斜面之间设置有反射膜，并且第一斜面、反射膜和第二斜面三者之间通过光学胶粘剂胶合，形成胶合面310；
其中，所述MPD芯片302设置热沉303的位置，满足由胶合面310反射的激光，再经由第一凸透镜聚光后聚焦到MPD芯片302的光敏面上。
本发明实施例采用双胶合透镜利用球面对入射光准直，斜面镀模反射或者在斜面之间设置反射膜，并再次经过球面汇聚，可根据球面的焦距以及斜面倾斜角度，得到反射光汇聚的准确位置，采用普通小光敏面的光探测器即可实现背光接收，降低了背光探测器带来的成本，同时也降低了热沉的表面积大小，一定程度上可带来封装体积的降低。
传统光器件(例如图1和图2所示的光器件结构)可用OPTOTECH的PD-2065，其光敏面大小为1.44mmX1.44mm，外形尺寸为1.63mmX1.63mm；本专利光器件可用OPTOTECH的PD-1016，其光敏面半径为0.184mm，外形尺寸为0.44mmX0.44mm。因此，光探测器所占面积可由2.66平方毫米减小到0.19平方毫米，面积减小了14倍。
另一方面，在本发明实施例中，可以采用光学胶粘剂实现的双胶合透镜，胶合面光能损失仅为0.1％，相比于现有技术中分立式组合的空气与玻璃界面引入的5％～6％的光能损耗，光器件的整体耦合效率显著提升。
在本发明实施例中，所述激光芯片301通常为VCSEL芯片(例如图3所示布局结构)，但是，在可选的实现方案中也可以采用水平激光器，在激光芯片301具体为水平激光器时，热沉303需要制作成L型，其中MPD芯片202设置在L型热沉的底部，而水平激光器则设置于L型热沉的侧壁上，从而实现与图3类似的光路结构。
在本发明实施例中，所述胶合面310的反射率可以设置在区间20％～70％，其倾斜角度θ可以设置在区间10°～40°。具体的反射率的参数值选择是根据激光芯片301能够产生的光功率、线路所需的光功率大小、MPD芯片302的灵敏度中的一项或者多项确定的；而倾斜角度的参数值选择是根据热沉303的底面积大小、MPD芯片302的大小所约束的，因为，需要所设置的胶合面310的倾斜角度能够保证反射的光信号能够经过双胶合透镜的第一结构309的汇聚后，正好投射到MPD芯片302的感光面上。
本发明实施例通过设置有反射面的双胶合透镜，提高了反射光投射到MPD芯片表面的集中度，从而可以进一步降低胶合面310的反射率。相比较现有技术，能够在减少激光信号反射率的情况下，保证正常光路上激光强度的提高。
在本发明实施例中，给予了所述第一斜面和第二斜面之间设置有反射膜的方式为双胶合透镜的第一斜面和/或第二斜面上镀反射模时的，双胶合透镜的结构实现，如图4所示，具体的：
第一斜面和第二斜面的倾斜角度θ相同，均为10°～40°，并且，在完成第一斜面和第二斜面胶合后，第一凸透镜和第二凸透镜的焦点位于同轴上。
如图5所示，结合本发明实施例，还存在一种扩展实现方案，所述光器件还包括插针适配器306和光纤插针适配孔312，所述插针适配器306与管帽305通过激光焊接的方式固定，所述光纤插针适配孔312与激光芯片301出光面和双胶合透镜的主光轴在同一直线上，且位于双胶合透镜的光束汇聚点。
在本发明实施例中，当用于传输的激光为多纵模时，不同波长入射到透镜中其折射率也不同，因此经过透镜汇聚耦合后，光束产生色散等像差，导致光束质量变差，影响信号传输质量。如图6所示，入射光307经双胶合透镜第一结构309，由于入射光307为多波长激光，经透镜产生不同程度的折射而色散，入射光307分散为多个不同波长的光束313，若该双胶合透镜的第一结构309和第二结构311均为同种材质，光束在经过胶合面310时继续沿直线传播，没有发生折射。最终，具有不同发散角的多波长光束汇聚于接受面312，可以看到，不同波长的光束的焦点并不在同一点上，因此在焦平面的附近，其接受到的激光相较于单波长来说，其光斑直径更大，能量分布也相对发散。反映到信号传输上来说，光束的环通量变小，将对信号传输产生不利影响。因此，为了克服上述存在的问题，结合本发明实施例还提供了一种优选的实现方案，其中，在所述激光芯片301为多纵模时，如图7所示：
所述第一结构309选择折射率较小的材料制作，所述第二结构311选择折射率较大的材料制作，使得所述激光芯片301发出的多波长激光，在经过所述第一结构309折射和第二结构311折射后能够汇聚到同一焦点。例如：制作所述第一结构309的材料为冕牌玻璃，而制作所述第二结构311的材料为火石玻璃；此时，所述激光芯片(301)为多纵模，包括：680nm～900nm。
在本发明的优选方案中，增加了透镜组合的可能性，在具有多模信号应用中，采用不同材料的玻璃进行组合，可以减小透镜引入的像差，提升光束质量，进而提高耦合光束的环通量。
本发明实施例所提出的传输光器件，具体可以为TO封装。
在本发明实施例中，所述MPD芯片302的光敏面大小为50um～300um。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于双胶合透镜的传输光器件，包括激光芯片(301)、MPD芯片(302)、热沉(303)、底座(304)和管帽(305)，所述激光芯片(301)和MPD芯片(302)均贴装于热沉(303)上，热沉(303)贴装于底座(304)上，管帽(305)固定于底座(304)上，其特征在于，光器件还包括双胶合透镜，所述双胶合透镜由第一结构(309)、胶合面(310)和第二结构(311)构成，所述双胶合透镜被设置在管帽(305)的顶部，位于激光芯片(301)的出光光路上，具体的：
所述双胶合透镜的第一结构(309)包括第一凸透镜面和第一斜面；
所述双胶合透镜的第二结构(311)包括第二凸透镜面和第二斜面；
所述第一斜面和第二斜面之间设置有反射膜，并且第一斜面、反射膜和第二斜面三者之间通过光学胶粘剂胶合，形成胶合面(310)；
其中，所述MPD芯片(302)设置热沉(303)的位置，满足由胶合面(310)反射的激光，再经由第一凸透镜聚光后聚焦到MPD芯片(302)的光敏面上。
2.根据权利要求1所述的基于双胶合透镜的传输光器件，其特征在于，所述胶合面(310)的反射率为20％～70％，其倾斜角度是10°～40°。
3.根据权利要求2所述的基于双胶合透镜的传输光器件，其特征在于，所述第一斜面和第二斜面之间设置有反射膜的方式为双胶合透镜的第一斜面和/或第二斜面上镀反射模，具体的：
第一斜面和第二斜面的倾斜角度相同，均为10°～40°；
在完成第一斜面和第二斜面胶合后，第一凸透镜和第二凸透镜的焦点位于同轴上。
4.根据权利要求1所述的基于双胶合透镜的传输光器件，其特征在于，所述光器件还包括插针适配器(306)和光纤插针适配孔(312)，所述插针适配器(306)与管帽(305)通过激光焊接的方式固定，所述光纤插针适配孔(312)与激光芯片(301)出光面和双胶合透镜的主光轴在同一直线上，且位于双胶合透镜的光束汇聚点。
5.根据权利要求1-4任一所述的基于双胶合透镜的传输光器件，其特征在于，在所述激光芯片(301)为多纵模时，
所述第一结构(309)选择折射率较小的材料制作，所述第二结构(311)选择折射率较大的材料制作，使得所述激光芯片(301)发出的多波长激光，在经过所述第一结构(309)折射和第二结构(311)折射后能够汇聚到同一焦点。
6.根据权利要求5所述的基于双胶合透镜的传输光器件，其特征在于，制作所述第一结构(309)的材料为冕牌玻璃，而制作所述第二结构(311)的材料为火石玻璃。
7.根据权利要求6所述的基于双胶合透镜的传输光器件，其特征在于，所述激光芯片(301)为多纵模，包括：680nm～900nm。
8.根据权利要求1所述的基于双胶合透镜的传输光器件，其特征在于，所述传输光器件具体为TO封装。
9.根据权利要求1所述的基于双胶合透镜的传输光器件，其特征在于，所述MPD芯片(302)的光敏面大小为50um～300um。
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