一种光模块的制作方法

1.本申请实施例涉及光通信技术。更具体地讲，涉及一种光模块。


背景技术：

2.由于光纤通信领域中对通信带宽的要求越来越高，使得全球光通信正处在一个飞速发展时期。而在高速数据通信领域中，为了保障数据能够长距离高速传输，本领域通常采用光模块实现不同波长光的发射和接收。
3.现有的光模块通常指用于光电转换的集成模块，光模块通常为封装结构。将光模块制备成封装结构是为了避免光电器件在非气密环境下由于氧气、水汽的作用下而导致失效问题的出现，其中，光电器件包括：激光器芯片，背光探测器等光电器件。目前对光电器件常见的封装形式是将光电器件封装于管座与管帽形成的包裹腔体内。具体的封装过程为：首先，将光电器件贴装于底座的基板表面，通过金丝键合的方式将光电器件与底座的管脚连接，通过管脚以实现光电器件与外部的电气连接；然后，光电器件封装于管座与管帽形成的包裹腔体内，最终形成一个封装结构的光模块。
4.在实际应用的过程中由于激光器芯片自身的频带曲线可能在某一频率范围存在谐振，使得激光器芯片在相应的频率范围内作业时，出现带宽不足的问题。


技术实现要素：

5.基于上述技术问题，本申请的目的在于提供一种光模块。
6.本申请实施例第一方面示出一种光模块，包括：电路板，具有电路及由所述电路连接的电学元件；管座，用于承载器件；支撑板，由所述管座承载；
7.基板，由所述支撑板支撑，表面具有由金属材料形成的第一金属板及第二金属板；
8.激光器芯片，由所述基板承载，顶面的正极与所述第一金属板表面打线连接；底面的负极设置在所述第二金属板表面以实现电连接；
9.第一激光管脚，贯穿所述管座的上下表面，一端与所述第一金属板电连接，另一端与所述电路板电连接；
10.第二激光管脚，贯穿所述管座的上下表面，一端与所述第二金属板电连接，另一端与所述电路板电连接；
11.接地管脚，未贯穿所述管座的上下表面，一端与所述管座电连接，另一端与所述电路板的接地电路电连接；
12.接地电容，由所述管座承载，负极与所述第二激光管脚电连接，正极与所述管座电连接。
13.本申请实施例示出一种光模块，所述光模块包括：电路板，管座，激光器芯片，接地电容，接地管脚，第二激光管脚，第一激光管脚和基板，基板由所述管座承载，表面具有由金属材料形成的第一金属板及第二金属板。其中，电路板，具有电路及由所述电路连接的电学元件，激光器芯片的负极通过第二金属板与所述第二激光管脚电连接，所述激光器芯片的
激光器芯片、5-背光探测器、6-接地电容、7-热沉、7a-第二封装面、8-发射端管脚、8a-电极管脚、8a1-第一激光管脚、8a2-第一背光管脚、8a3-第二背光管脚、8a4-第二激光管脚、8b-接地管脚、8c-绝缘套、500-柔性电路板、501-第一柔性电路板、502-第二柔性电路板。
具体实施方式
31.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
32.光纤通信的核心环节之一是光电信号的转换。光纤通信使用携带信息的光信号在光纤/光波导中传输，利用光在光纤中的无源传输特性可以实现低成本、低损耗的信息传输。而计算机等信息处理设备采用的是电信号，这就需要在信号传输过程中实现电信号与光信号的相互转换。
33.光模块在光纤通信技术领域中实现上述光电转换功能，光信号与电信号的相互转换是光模块的核心功能。光模块通过电路板上的金手指实现与外部上位机之间的电连接，主要的电连接包括供电、i2c信号、传输数据信号以及接地等，金手指实现的电连接方式已经成为光模块行业的标准方式，以此为基础，电路板是大部分光模块中必备的技术特征。
34.图1为光通信终端连接关系示意图。如图1所示，光通信终端的连接主要包括光网络单元100、光模块200、光纤101及网线103；
35.光纤的一端连接远端服务器，网线的一端连接本地信息处理设备，本地信息处理设备与远端服务器的连接由光纤与网线的连接完成；而光纤与网线之间的连接由具有光模块的光网络单元完成。
36.光模块200的光口与光纤101连接，与光纤建立双向的光信号连接；光模块200的电口接入光网络单元100中，与光网络单元建立双向的电信号连接；光模块实现光信号与电信号的相互转换，从而实现在光纤与光网络单元之间建立连接；具体地，来自光纤的光信号由光模块转换为电信号后输入至光网络单元100中，来自光网络单元100的电信号由光模块转换为光信号输入至光纤中。光模块200是实现光电信号相互转换的工具，不具有处理数据的功能，在上述光电转换过程中，信息并未发生变化。
37.光网络单元具有光模块接口102，用于接入光模块，与光模块建立双向的电信号连接；光网络单元具有网线接口104，用于接入网线，与网线建立双向的电信号连接；光模块与网线之间通过光网络单元建立连接，具体地，光网络单元将来自光模块的信号传递给网线，将来自网线的信号传递给光模块，光网络单元作为光模块的上位机监控光模块的工作。
38.至此，远端服务器通过光纤、光模块、光网络单元及网线，与本地信息处理设备之间建立双向的信号传递通道。
39.常见的信息处理设备包括路由器、交换机、电子计算机等；光网络单元是光模块的上位机，向光模块提供数据信号，并接收来自光模块的数据信号，常见的光模块上位机还有光线路终端等。
40.图2为光网络单元结构示意图。如图2所示，在光网络单元100中具有第二电路板105，在第二电路板105的表面设置笼子106；在笼子106中设置有电连接器，用于接入金手指
等光模块电口；在笼子106上设置有散热器107，散热器107具有增大散热面积的翅片等凸起结构。
41.光模块200插入光网络单元中，具体为光模块的电口插入笼子106中的电连接器，光模块的光口与光纤101连接。
42.笼子106位于电路板上，将电路板上的电连接器包裹在笼子中；光模块插入笼子中，由笼子固定光模块，光模块产生的热量通过光模块壳体传导给笼子，最终通过笼子上的散热器107进行扩散。
43.图3为本发明实施例提供的一种光模块结构示意图，图4为本发明实施例提供光模块分解结构示意图。如图3、图4所示，本发明实施例提供的光模块200包括上壳体201、下壳体202、解锁手柄203、第一电路板300及光收发器件400；
44.上壳体201与下壳体202形成具有两个开口的包裹腔体，具体可以是在同一方向的两端开口(204、205)，也可以是在不同方向上的两处开口；其中一个开口为电口204，用于插入光网络单元等上位机中，另一个开口为光口205，用于外部光纤接入以连接内部光纤，第一电路板300、光收发器件400等光电器件位于包裹腔体中。
45.上壳体及下壳体一般采用金属材料，利于实现电磁屏蔽以及散热；采用上壳体、下壳体结合的装配方式，便于将电路板等器件安装到壳体中，一般不会将光模块的壳体做成一体结构，这样在装配电路板等器件时，定位部件、散热以及电磁屏蔽结构无法安装，也不利于生产自动化。
46.解锁手柄203位于包裹腔体/下壳体202的外壁，拉动解锁手柄的末端可以在使解锁手柄在外壁表面相对移动；光模块插入上位机时由解锁手柄将光模块固定在上位机的笼子里，通过拉动解锁手柄以解除光模块与上位机的卡合关系，从而可以将光模块从上位机的笼子里抽出。
47.请参阅图5，图5为本申请提供的光收发组件与电路板连接关系的立体图。光收发器件400通常包括光接收次模块401和光发射次模块402。通常，光接收次模块401通过接收端管脚与第一电路板300连接；光发射次模块402通过发射端管脚与第一电路板300连接。光接收次模块401在由对应的光纤适配器接收到光信号后，会将光信号转换成电信号，再通过第一电路板300将电信号传输至第二电路板105(也可称之为上位机)，第二电路板105对接收到的电信号一系列的处理。光发射次模块402在接收到电信号后，会将电信号转换成光信号，再由与光发射模块对应的光纤适配器射出，从而实现光电信号的转换。在信号的传输过程中，由于接收端管脚或发射端管脚裸漏在空气中会造成严重的阻抗失配，基于上述问题本申请实施例示出的技术方案光接收次模块401和光发射次模块402可以通过柔性电路板500与第一电路板300连接。
48.图6为一可行性实施例中光收发组件与电路板连接关系的俯视图。在图6示出的实施例中，光接收次模块401通过第一柔性电路板501与所述第一电路板300连接，光发射次模块402通过第二柔性电路板502与所述第一电路板300连接。可见图6示出的实施例中光接收次模块401和光发射次模块402分别通过柔性电路板与第一电路板连接，这种连接方式有效的避免由于较长的管脚裸漏在空气中会造成严重的阻抗失配，造成信号畸变等问题的出现。
49.光发射次模块402设置有激光器芯片，背光探测器等光电器件。为了避上述光电器
件在非气密环境下由于氧气、水汽的作用下而导致失效问题的出现。通常将光发射次模块402制备成封装结构。图7为封装结构的光发射次模块分解示意图可以看出光发射次模块402包括：光纤适配组件4021、调节套管4022、封焊管体4023、管帽4024、底座4025。
50.其中，底座4025的结构可以参阅图8，底座4025包括：管座1，支撑板2，基板3，光电器件以及多个发射端管脚8。所述管座1与所述支撑板2垂直设置。支撑板2的一表面与基板3的一表面固定连接，基板3另一表面用于封装所述光电器件，图8中光电器件基板上封装的光电器件为激光器芯片，在实际的应用过程中，光电器件也可以为光接收芯片。图8中的激光器芯片通过金丝键合的方式与发射端管脚8电连接，通过发射端管脚8以实现激光器芯片与外部的电气连接。
51.将管帽4024与底座4025封的基板3封装成一个用于承载基板3，激光器芯片的密封腔。采用封焊管体4023将所述管帽4024与所述光纤适配组件4021连接。可选择的，可以在封焊管体4023与所述光纤适配组件4021间设置一调节套管4022，所述调节套管4022用于实现光纤适配组件4021位置的调节。
52.在实际应用的过程中由于激光器芯片自身的频带曲线可能在某一频率范围存在谐振，使得激光器芯片在相应的频率范围内作业时，出现带宽不足的问题。
53.基于上述技术问题，本申请实施例提供的底座4025的结构可以参阅图9和图10。底座4025包括：管座1，支撑板2，基板3，激光器芯片4，背光探测器5和接地电容6和多个发射端管脚8。所述管座1与所述支撑板2垂直设置；所述支撑板2具有第一贴合面2a；所述基板3具有相对设置的第二贴合面(图中未标出)和第一封装面3a，所述第二贴合面贴装于所述第一贴合面2a；所述激光器芯片4的负极封装于所述第一封装面3a；所述背光探测器5和所述接地电容6贴装于所述管座1表面上，且所述背光探测器5的光接收面朝向激光器芯片4的后出光面；所述接地电容6与所述激光器芯片4电电连接。
54.所述管座1可以采用钨铜、铜、银合金、金或者陶瓷等或其他导热性能良好的材料制成。所述管座1大致为圆柱形，其具有圆形的承载面1a和与承载面1a相对的底面1b。
55.所述支撑板2可以采用钨铜、铜、银合金、金或者陶瓷等或其他导热性能良好的材料制成。优选地，所述支撑板2采用钨铜制成。支撑板2贯穿所述管座1的承载面1a和底面1b，所述支撑板2与所述管座1可以一体成型，也可以单独设置。所述支撑板2大致为柱体，具体的，可以为四棱柱体或半圆柱体，在实际应用的过程中，凡是可以起到支撑基板3作用的柱体结构均可以作为支撑板2。所述支撑板2设置于所述管座1的中心的一侧，所述支撑板2具有垂于所述承载面1a的第一贴合面2a，所述第一贴合面2a平行于所述管座1的中心轴。
56.在本申请实施例中，所述基板3可以为具有良好的导热性能的陶瓷基板3。所述陶瓷基板3的材料可以为氮化铝或者氧化铝等。所述基板3具有相对设置的第二贴合面和第一封装面3a，所述第二贴合面用于与支撑板2的第一贴合面2a相互贴合，所述第一封装面3a用于贴装激光器芯片4。在本申请实施例中基板3与支撑板2贴合设置，一方面支撑板2可以起到支撑所述基板3的作用，另一方面，光电器件做作业过程中产生的热量可以通过基板3传递至支撑板2，以达到增加散热面的作用，保持基板3的温度基本恒定，从而使得封装于基板3的光电器件的温度基本恒定。
57.所述激光器芯片4封装于所述基板3的第一封装面3a。激光器芯片4可以通过焊料或者导电胶固定于所述基板3的第一封装面3a。所述激光器芯片4主要包括半导体激光二极
管，所述半导体激光二极管用于发射激光。
58.所述背光探测器5封装于所述管座1的承载面1a，所述背光探测器5的光接收面与半导体激光二极管的后出光面相互正对。所述背光探测器5可以为侧面照明ingaas/inp探测器，也可以为正面进光ingaas/inp探测器。所述背光探测器5用于感测所述半导体激光二极管发射的激光的功率，从而可以根据所述背光探测器5探测的结果，控制施加于所述半导体激光二极管的电流的大小。
59.在一可行性实施例中，背光探测器5通过热沉7与所述管座1的承载面1a连接。具体的，可以继续参阅图9，光发射次模块402还包括用于支撑所述背光探测器5的热沉7；所述热沉7具有第三贴合面(图中未标出)和第二封装面7a；所述第二封装面7a相对于所述第三贴合面倾斜设置；所述第三贴合面贴装于所述承载面1a，所述背光探测器5负极封装于所述第二封装面7a。一方面，热沉7对贴装于其上的背光探测器5进行散热，以使得所述背光探测器5保持温度恒定。另一方面，热沉7的第二封装面7a相对于所述第三贴合面倾斜设置可以减少反射光对半导体激光二极管的影响。
60.在本实施例中所述管帽4024用于与底座4025配合，用于密封所述管座1的承载面1a以及基板3上安装的光电器件。所述管帽4024的形状与所述管座1的形状相对应。所述管帽4024与所述管座1的承载面1a紧密结合，以密封承载面1a以及基板3上安装的光电器件。所述管帽4024远离所述承载面1a的一端形成有光窗，所述光窗用于透射所述激光器芯片4出射的信号光。所述管帽4024可以是平窗管帽4024，也可以是设有球透镜或非球透镜的管帽4024，根据耦合光路和使用要求的不同选择不同类型的管帽4024。
61.多个发射端管脚8中一管脚为接地管脚8b；其余的为电极管脚8a。所述接地管脚8b设置于所述管座1相对的一表面上(底面1b)，未贯穿管座1；所述电极管脚8a贯穿所述管座1。管座1的材料为金属，管座1与电极管脚8a之间通过玻璃材料绝缘套8c连接，以实现管座1与电极管脚8a之前的电性隔离。同时，管座1与接地管脚8b之间相互导电。
62.所述接地电容6封装于所述管座1的承载面1a，同时，接地电容6与所述激光器芯片电连接。接地电容对激光器芯片的谐波点进行调整，使其谐波点向高频率方向移动，进而达到提高光模块的高频性能的目的。
63.下面结合具体的实施例对各器件的连接关系作以详细的说明，以论证接地电容如何通过对激光器芯片的谐波点进行调整，使其谐波点向高频率方向移动，进而达到提高光模块的高频性能的目的。
64.图11为一优选实施例示出的底座4025的结构示意图，图11中一些器件的标号可以参阅图9以及图10。图11示出底座4025包括：管座1、支撑板2、基板3、激光器芯片4、背光探测器5、接地电容6、热沉7和5个发射端管脚8，其中一发射端管脚为接地管脚8b，接地管脚用于接地，可以通过电路板上的接地电路接地，电路板上的接地电路可以通过金手指中的接地引脚与上位机接地连接，具体可以由管脚直接与电路板焊接，管脚也可以通过柔性板与电路板连接也可以通过；其余的为电极管脚8a。电极管脚8a分别为第一激光管脚8a1，第一背光管脚8a2，第二背光管脚8a3，第二激光管脚8a4。
65.其中，管座1包括相对设置的承载面1a和底面1b，所述支撑板2垂直设置于所述承载面1a上；支撑板2具有第一贴合面2a、所述第一贴合面2a垂直于所述承载面1a；所述基板3具有相对设置的第二贴合面(图中未示出)和第一封装面3a，所述第二贴合面与所述第一贴
合面2a贴合设置。所述第一封装面3a具有相互隔离设置的第一金属板3a1和第二金属板3a2。
66.其中，所述激光器芯片4的负极通过焊料或者导电胶固定于所述第一金属板3a1的一端，所述第一金属板3a1的另一端与所述第二激光管脚8a4贴合设置。同时所述第二激光管脚8a4通过至少一根金线与所述接地电容6的负极电连接；所述接地电容6的正极通过至少一根金线与所述管座1电连接，由于所述管座1的底面设置有接地管脚8b，且所述管座1与所述接地管脚8b相互通电，因此可以通过管座1实现接地电容6的正极与接地管脚8b的电连接。
67.激光器芯片4的正极通过至少一根金线与第二金属板3a2的一端电连接，所述第二金属板3a2的另一端与所述第一激光管脚8a1贴合设置。在一可行性实施例中，所述第二金属板3a2可以为微带线；所述微带线封装于所述第一封装面3a的表面；所述微带线的一端通过至少一根金线与所述激光器芯片4的正极电连接，所述微带线用于向所述激光器芯片4的电吸收调制器馈入高速调制信号。
68.激光器芯片4后出光面朝向所述背光探测器5的光接收面，所述背光探测器5通过所述热沉7固定于所述承载面1a上。具体的，所述热沉具有第三贴合面(图中未示出)和第二封装面7a；所述第二封装面相对于所述第三贴合面倾斜设置；所述第三贴合面贴装于所述承载面1a上，所述背光探测器5的负极贴装于所述第二封装面7a上，所述第二封装面7a通过至少一根金线与所述第二背光管脚8a3电连接；通过所述第二封装面7a可以实现背光探测器5的负极与所述第二背光管脚8a3的电连接。所述背光探测器5的正极通过至少一根金线与所述第一背光管脚8a2的电连接。
69.通过上述电连接方式可以实现光模块具有较好的高频性能。具体的，当激光器芯片的激励的频率等于激光器芯片的固有频率时，激光器芯片的电磁振荡的振幅也将达到峰值，该峰值也称之为谐振点，在谐振点附近激光器芯片的输出功率迅速衰减。举例说明，采用以固定输入功率的电信号激发激光器芯片，在实验过程中逐渐的改变电信号的频率，并记录激光器芯片的输出功率。然后，基于输入功率p
输出
与输出功率p
输入
的比值计算出功率增益值。最后基于功率增益值的对数(loga
(p输出/p输入)
)与输入的频率的对应关系，构建loga
(p输出/p输入)-频率响应曲线。当p
输出
/p
输入
小于1时，相应的loga
(p输出/p输入)
小于0时，此时，激光器芯片的输出功率处于衰减状态。loga
(p输出/p输入)
对应的值越负，激光器芯片的输出功率处于衰减越严重。图12为一激光器芯片的loga
(p输出/p输入)-频率响应曲线。从图12中可以看出，激光器芯片在aghz处出现谐振点，同时在aghz附近，loga
(p输出/p输入)
对应的值向负值方向移动，对应的p
输出
急剧下降，可知在aghz附近激光器的响应功率(也可称之为输出功率)迅速衰减。通常，激光器芯片的谐振点位于高频段，这就导致激光器芯片对于高频段的激发信号响应较低，因此，限制了光模块的高频性能。
70.为了达到提高光模块产品的高频性能的目的，本实施例例示出的光模块在封装的过程中，在激光器芯片的负极接一接地电容。已知激光器芯片谐振点的频率与激光器芯片所处通电回路的总电容成正比，由于本实施例在激光器芯片的负极接一接地电容，其中，接地电容的电容值大于激光器芯片的电容值，因此，提升了激光器芯片所处通电回路的总电容。总电容增加，相应的谐振点的频率也随之增大。
71.下面结合具体的实验数据对采用本申请实施例示出的光模块中激光器芯片的谐
振点的频率增大作以说明。单独的激光器芯片与激光器芯片连接接地电容的loga
(p输出/p输入)-频率响应曲线对比图可以参阅图13。图13中，虚线为激光器芯片的loga
(p输出/p输入)-频率响应曲线，实线为激光器芯片连接接地电容的loga
(p输出/p输入)-频率响应曲线。可以看出，单独的激光器芯片的谐振点为a，连接了接地电容的激光器芯片的谐振点为b；b与a相比较显然频率有所增大。
72.在光模块应用的过程中，loga
(p输出/p输入)
达到-3db时，输出功率衰减为输入功率0.707，此时对应的输入信号的频率称之为截止频率。通常，loga
(p输出/p输入)
小于-3db对应频率的输入信号，由于信号衰减严重，因此不能作为光模块的输入信号。在图13示出的实验结果中，可以看出与单独的激光器芯片相比较，连接了接地电容的激光器芯片的谐振点的频率向高频率方向移动，相应的激光器芯片输出功率衰减过程中对应的截止频率d相当于激光器芯片的截止频率c也向高频率方向移动，因此，光模块的适用频率范围也向高频方向移动，进而达到提高产品的高频性能的目的。
73.下面结合具体的实例，对本申请示出的光模块产品具有较好的高频性能做进一步的说明。具体的，实验结果可以继续参阅图13。图13虚线为现有技术示出的光模块的loga
(p输出/p输入)-频率响应曲线，实线为本申请实施例示出的光模块的loga
(p输出/p输入)-频率响应曲线。可以看出，现有技术示出的光模块的输入信号的频率适应范围为(0～15.5)。本申请实施例示出的光模块的输入信号的频率适应范围为(0～22.1)。可见与现有技术示出的光模块相比较，本申请实施例示出的光模块的高频性能有所提高。
74.为了进一步证明本申请实施例示出的光模块高频性能有所提高，本实施例结合另一测试结果(s11输入反射系数)对本申请实施例示出的光模块的高频性能有所提高做了进一步的说明。通常在输入功率恒定的前提下，s11越小，相应的光模块的输出功率越大。
75.图14为现有技术示出的光模块和本申请实施例示出的光模块的s11-频率响应曲线对比图。图14中虚线为现有技术示出的光模块的s11-频率响应曲线，实线为本申请实施例示出的光模块的s11-频率响应曲线。可以看出，在(15.5～22.1)频率段内，采用本申请实施例示出的光模块的s11系数均小于现有技术示出的光模块的s11，这一实验数据也可以证明，本申请实施例示出的光模块在(15.5～22.1)频率段内的响应性能强于现有技术是的光模块。可见与现有技术示出的光模块相比较，本申请实施例示出的光模块的高频性能有所提高。
76.应当理解，本申请中说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，例如能够根据本申请实施例图示或描述中给出那些以外的顺序实施。
77.此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖但不排他的包含，例如，包含了一系列组件的产品或设备不必限于清楚地列出的那些组件，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些产品或设备固有的其它组件。
78.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术
方案的范围。