一种光学封装结构的制作方法

1.本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光学封装结构。


背景技术：

2.光收发模块、光发射组件和光接收组件都是光通信系统中的关键元器件。现有的光模块与光器件的发展方向，基本都要求在相同的尺寸空间内，集成更多通道的光组件。但现有光组件封装结构的设计上，若想要集成更多通道，势必需要大大加大封装结构的体积，无法实现在相同的尺寸空间内集成更多通道的目的。
3.鉴于此，如何克服该现有技术所存在的缺陷，解决上述在相同的尺寸空间内集成更多通道的问题，是本技术领域亟待解决的难题。


技术实现要素：

4.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光学封装结构，实现在光器件体积基本不变的情况下封装更多的光通道。
5.本发明实施例采用如下技术方案：
6.本发明提供了一种光学封装结构，包括输入端口、输出端口以及叠层设置的光电结构，其中：
7.所述输入端口用于接收外部光信号的输入；
8.所述光电结构包括设置在第一层的第一光学部分、第一电学部分、设置在第二层的第二光学部分、第二电学部分以及设置在第一层和第二层之间的折光部件，外部光信号从所述输入端口输入时，一部分光信号经过所述第一光学部分后在所述第一电学部分处完成光电转换，另一部分光信号依次经过所述折光部件、所述第二光学部分后在所述第二电学部分处完成光电转换；
9.所述输出端口用于连接外部提供的直流电源以及输出由所述第一电学部分、所述第二电学部分光电转换后的电压信号。
10.进一步的，所述输入端口包括光口插针以及设置在所述光口插针内的入射准直器，外部光信号经过所述光口插针时，所述入射准直器将外部光信号转换为准直光束。
11.进一步的，所述第一光学部分包括第一分波元件以及第一组汇聚透镜，所述第一电学部分包括第一阵列光电芯片以及第一跨阻放大器阵列，所述第一分波元件的位置与所述入射准直器转换后的准直光束位置相对应，准直光束到达所述第一分波元件时，一部分光信号透射后依次进入所述第一分波元件、所述第一组汇聚透镜后汇聚到所述第一阵列光电芯片的接收面，所述第一阵列光电芯片对接收到的光信号实现光电转换，转换的电信号进入所述第一跨阻放大器阵列，然后以差分电压的方式输出电压信号到所述输出端口。
12.进一步的，所述折光部件包括转折三角棱镜，所述第二光学部分包括第二分波元件以及第二组汇聚透镜，所述第二电学部分包括第二阵列光电芯片以及第二跨阻放大器阵列，准直光束到达所述第一分波元件时，另一部分光信号反射后依次进入所述转折三角棱
镜、所述第二分波元件、所述第二组汇聚透镜后汇聚到所述第二阵列光电芯片的接收面，所述第二阵列光电芯片对接收到的光信号实现光电转换，转换的电信号进入所述第二跨阻放大器阵列，然后以差分电压的方式输出电压信号到所述输出端口。
13.进一步的，所述第一分波元件包括第一入射面，所述第一入射面位置与所述入射准直器转换后的准直光束位置相对应，所述第一入射面与入射的准直光束间存在小于21度的入射角度，且所述第一入射面上镀有分光膜层，所述分光膜层对处于第一组波长范围内的光信号起全透射效果，以使第一组波长范围内的光信号进入所述第一分波元件内，所述分光膜层对处于第二组波长范围内的光信号起全反射效果，以使第二组波长范围内的光信号经过所述转折三角棱镜后进入所述第二分波元件内。
14.进一步的，所述第一分波元件还包括第一滤光片、第二滤光片、第三滤光片、第四滤光片以及第一全反射面，进入所述第一分波元件内的光信号经过所述第一滤光片、第二滤光片、第三滤光片、第四滤光片以及第一全反射面的多次反射与透射后，实现四个波长的分波，所述第一组汇聚透镜包括相对应的四个汇聚透镜，以将四个波长的光信号汇聚到所述第一阵列光电芯片的接收面。
15.进一步的，所述转折三角棱镜包括三角入射面、三角反射面以及三角出射面，第二组波长范围内的光信号被所述第一入射面反射后从所述三角入射面进入所述转折三角棱镜，然后被所述三角反射面反射后从所述三角出射面射出。
16.进一步的，所述第二分波元件包括第二入射面、反射斜面、第五滤光片、第六滤光片、第七滤光片、第八滤光片以及第二全反射面，其中，所述反射斜面与所述第二入射面成45度设置，从所述三角出射面射出的光信号垂直进入所述第二入射面后在所述反射斜面反射为水平光信号，然后经过所述第五滤光片、第六滤光片、第七滤光片、第八滤光片以及第二全反射面的多次反射与透射后，实现四个波长的分波，所述第二组汇聚透镜包括相对应的四个汇聚透镜，以将四个波长的光信号汇聚到所述第二阵列光电芯片的接收面。
17.进一步的，所述输出端口包括陶瓷组件以及设置在所述陶瓷组件一端的第一软板和第二软板，所述第一阵列光电芯片、第一跨阻放大器阵列、第二阵列光电芯片以及第二跨阻放大器阵列设置在所述陶瓷组件的另一端，且所述第一软板、第一阵列光电芯片以及第一跨阻放大器阵列位于所述陶瓷组件的同一侧，由所述第一跨阻放大器阵列输出的电压信号通过所述第一软板向外输出，所述第二软板、第二阵列光电芯片以及第二跨阻放大器阵列位于所述陶瓷组件的另一侧，由所述第二跨阻放大器阵列输出的电压信号通过所述第二软板向外输出。
18.进一步的，还包括壳体，所述壳体与所述陶瓷组件烧结为一体，所述陶瓷组件上设有第一软板和第二软板的一端位于所述壳体外部，所述陶瓷组件上设有第一阵列光电芯片、第一跨阻放大器阵列、第二阵列光电芯片以及第二跨阻放大器阵列的另一端位于所述壳体内部，所述第一分波元件、第一组汇聚透镜、转折三角棱镜、第二分波元件以及第二组汇聚透镜均设置在所述壳体内部，所述光口插针以及入射准直器设置在所述壳体外部。
19.与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：通过叠层设置的光电结构，使相同空间内可封装的通道增多，实现在光器件体积基本不变的情况下封装更多光通道的目的。
附图说明
20.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。
21.图1为本发明实施例1所述的一种光学封装结构的主视图的剖视图；
22.图2为本发明实施例1所述的第一分波元件结构示意图；
23.图3为本发明实施例1所述的一种光学封装结构的俯视图的剖视图；
24.图4为本发明实施例1所述的转折三角棱镜结构示意图；
25.图5为本发明实施例1所述的第二分波元件结构示意图；
26.图6为本发明实施例1所述的分波组件结构示意图；
27.图7为本发明实施例3所述的光学封装结构的光路结构示意图。
具体实施方式
28.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。
29.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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
30.实施例1
31.本发明的优选实施例1提出一种光学封装结构，包括输入端口、输出端口以及叠层设置的光电结构，本实施例的光电结构为叠层设置，可以在与传统封装结构体积相同的情况下，封装更多的光通道。本实施例的光电结构以上下两层为例进行说明，该光电结构包括设置在第一层的第一光学部分、第一电学部分、设置在第二层的第二光学部分、第二电学部分以及设置在第一层和第二层之间的折光部件，外部光信号从所述输入端口输入时，一部分光信号经过所述第一光学部分后在所述第一电学部分处完成光电转换，另一部分光信号依次经过所述折光部件、所述第二光学部分后在所述第二电学部分处完成光电转换；另外，本实施例的输入端口用于接收外部光信号的输入，输出端口用于连接外部提供的直流电源以及输出由所述第一电学部分、所述第二电学部分光电转换后的电压信号。在本优选实施例中，设置在第一层的第一光学部分和设置在第二层的第二光学部分分别都有四个光通道(每层也可以为更多个光通道，本实施例只是以常见的四通道为例进行说明)，上下两层合起来就有八个光通道，相较于传统只布置一层结构的设置，本实施例可以布置更多的光通道。
32.具体的，如图1所示，参考图3，在本优选实施例中，所述输入端口包括但不限于光口插针10以及设置在所述光口插针10内的入射准直器11，外部光信号经过所述光口插针10时，所述入射准直器11将外部光信号转换为准直光束。优选的，所述入射准直器11可以为一个准直透镜，外部光信号可以为多个波长信号的组合体，本优选实施例为方便说明，以外部
光信号为八个波长的光信号为例进行说明，这八个波长的光信号分为长波和短波两组各四个波长。
33.在本优选实施例中，第一光学部分包括第一分波元件30以及第一组汇聚透镜60，所述第一电学部分包括第一阵列光电芯片70以及第一跨阻放大器阵列80，所述第一分波元件30的位置与所述入射准直器11转换后的准直光束位置相对应，准直光束到达所述第一分波元件30时，一部分光信号透射后依次进入所述第一分波元件30、所述第一组汇聚透镜60后汇聚到所述第一阵列光电芯片70的接收面，所述第一阵列光电芯片70对接收到的光信号实现光电转换，转换的电信号进入所述第一跨阻放大器阵列80，然后以差分电压的方式输出电压信号到所述输出端口。上述过程中，准直光束到达所述第一分波元件30时，由于第一分波元件30上入射面的镀膜设置，会将八个波长的准直光束区分开来，分为四个波长的长波和四个波长的短波，其中，根据镀膜的具体设置，会让长波通过而反射短波，或者是让短波通过而反射长波。以让长波通过而反射短波为例，准直光束到达第一分波元件30时，四种长波的光信号就会进入第一分波元件30内，而四种短波的光信号则会被反射。
34.在本优选实施例中，所述折光部件包括转折三角棱镜40，所述第二光学部分包括第二分波元件50以及第二组汇聚透镜110，所述第二电学部分包括第二阵列光电芯片120以及第二跨阻放大器阵列130，准直光束到达所述第一分波元件30时，被反射的光信号依次进入所述转折三角棱镜40、所述第二分波元件50、所述第二组汇聚透镜110后汇聚到所述第二阵列光电芯片120的接收面，所述第二阵列光电芯片120对接收到的光信号实现光电转换，转换的电信号进入所述第二跨阻放大器阵列130，然后以差分电压的方式输出电压信号到所述输出端口。
35.在本优选实施例中，所述输出端口包括但不限于陶瓷组件90以及设置在所述陶瓷组件90一端的第一软板100和第二软板140，所述第一阵列光电芯片70、第一跨阻放大器阵列80、第二阵列光电芯片120以及第二跨阻放大器阵列130设置在所述陶瓷组件90的另一端，且所述第一软板100、第一阵列光电芯片70以及第一跨阻放大器阵列80位于所述陶瓷组件90的同一侧，由所述第一跨阻放大器阵列80输出的电压信号通过所述第一软板100向外输出，所述第二软板140、第二阵列光电芯片120以及第二跨阻放大器阵列130位于所述陶瓷组件90的另一侧，由所述第二跨阻放大器阵列130输出的电压信号通过所述第二软板140向外输出。
36.在本优选实施例中，该光学封装结构还包括壳体20，所述壳体20与所述陶瓷组件90烧结为一体，所述陶瓷组件90上设有第一软板100和第二软板140的一端位于所述壳体20外部，所述陶瓷组件90上设有第一阵列光电芯片70、第一跨阻放大器阵列80、第二阵列光电芯片120以及第二跨阻放大器阵列130的另一端位于所述壳体20内部，所述第一分波元件30、第一组汇聚透镜60、转折三角棱镜40、第二分波元件50以及第二组汇聚透镜110均设置在所述壳体20内部，所述光口插针10以及入射准直器11设置在所述壳体20外部。
37.如图2所示，参考图1，本优选实施例中的第一分波元件30包括第一入射面301，所述第一入射面301位置与所述入射准直器11转换后的准直光束位置相对应，所述第一入射面301与入射的准直光束间存在小于21度的入射角度，且所述第一入射面301上镀有分光膜层，所述分光膜层对处于第一组波长范围内的光信号起全透射效果，以使第一组波长范围内的光信号进入所述第一分波元件30内，所述分光膜层对处于第二组波长范围内的光信号
起全反射效果，以使第二组波长范围内的光信号经过所述转折三角棱镜40后进入所述第二分波元件50内。上述的第一组波长范围内的光信号也即前面举例中的四种长波的光信号，第二组波长范围内的光信号也即前面举例中的四种短波的光信号，根据需要，全反射与全透射的波长范围可以更换。
38.继续如图2所示，本优选实施例中的第一分波元件30还包括依次贴设在出射面的四个滤光片：第一滤光片302、第二滤光片303、第三滤光片304、第四滤光片305，每个滤光片透射通道目标波长并反射其余波长信号，除此之外，与滤光片相对应的一面设置为第一全反射面306，进入所述第一分波元件30内的光信号经过所述第一滤光片302、第二滤光片303、第三滤光片304、第四滤光片305以及第一全反射面306的多次反射与透射后，实现四个波长的分波，将四种长波的光信号区分开来，分别从四个滤光片处射出。参考图3，所述第一组汇聚透镜60包括相对应的四个汇聚透镜，以将四个波长的光信号汇聚到所述第一阵列光电芯片70的接收面。
39.如图4所示，本优选实施例中的转折三角棱镜40包括三角入射面401、三角反射面402以及三角出射面403，参考图1，第二组波长范围内的光信号被所述第一入射面301反射后从所述三角入射面401进入所述转折三角棱镜40，然后被所述三角反射面402反射后从所述三角出射面403射出。在上述过程中，本实施例还通过对转折三角棱镜40的角度进行调节，使其经过三角反射面402反射后的光线，垂直从三角出射面403射出。另外，三角入射面401与三角出射面403针对第二组波长范围内的光信号的波长镀有增透膜，三角反射面402针对第二组波长范围内的光信号的波长镀有增反膜，以提高性能。
40.如图5所示，本优选实施例中的第二分波元件50包括第二入射面501、反射斜面502、第五滤光片503、第六滤光片504、第七滤光片505、第八滤光片506以及第二全反射面507，其中，所述反射斜面502与所述第二入射面501成45度设置，第二入射面501水平设置，从所述三角出射面403射出的光信号垂直进入所述第二入射面501后在所述反射斜面502反射为水平光信号，然后经过所述第五滤光片503、第六滤光片504、第七滤光片505、第八滤光片506以及第二全反射面507的多次反射与透射后，实现四个波长的分波，将四种短波的光信号区分开来，分别从四个滤光片处射出。所述第二组汇聚透镜110包括相对应的四个汇聚透镜，以将四个波长的光信号汇聚到所述第二阵列光电芯片120的接收面，第二组汇聚透镜110的设置可以参考第一组汇聚透镜60的设置，图中未示出。另外，第二入射面501镀有增透膜，反射斜面502镀有全反膜，以增强性能。
41.如图6所示，本优选实施例中的第一分波元件30、转折三角棱镜40、第二分波元件50组合在一起就是本实施例中完整的分波组件结构，该分波组件具有八路光通道，可以将四种长波、四种短波共八种波长的光信号分隔开来进行传输。需要说明的是，在本发明的扩展方案中，还可以设置更多层的光电结构，相应的，需要将第二分波元件50的反射斜面502镀一层滤光膜以实现一部分透射、一部分反射的功能，然后在添加的一层光电结构与第二层光电结构中设置一个新的折光部件即可，以此类推，设置更多层光电结构时同理。
42.综上所述，本优选实施例通过叠层设置的光电结构，使相同空间内可封装的通道增多，实现在光器件体积基本不变的情况下封装更多光通道的目的。
43.实施例2
44.基于实施例1提供的一种光学封装结构，本发明实施例2对该光学封装结构的制作
过程进行详细描述。需说明，在开始制作前，为方便上下两组分波组件的装配，壳体20的上下面都是敞开的，这里使用的壳体20是管壳形式。
45.参考图1，首先将壳体20与陶瓷组件90烧结到一起，该陶瓷组件90分上下两个表面，且陶瓷组件90的一部分在壳体20内部，一部分在壳体20外部。通过在陶瓷组件90背面与内部的金属层走线，可以实现内部与外部的电气连接，另外，本实施例还在陶瓷组件90的两端分别设有输入与输出焊盘。
46.装配工序开始后，先将第一阵列光电芯片70与第一跨阻放大器阵列80贴装到陶瓷组件90位于壳体20内部的上表面处，贴装工艺可以采用银浆贴片加烘烤固化工艺或者预制共晶固化的工艺；待芯片固化后，将壳体20翻转过来，采用类似工艺将第二阵列光电芯片120与第二跨阻放大器阵列130贴装并固化到陶瓷组件90的下表面。完成芯片贴片工艺后，利用打线设备打线连接第一阵列光电芯片70、第一跨阻放大器阵列80、第二阵列光电芯片120、第二跨阻放大器阵列130以及陶瓷组件90表面的输入焊盘，实现元件间的电气连通。
47.在本实施例中，第一软板100与第二软板140同样包括输入焊盘与输出焊盘，输入焊盘与输出焊盘通过表面走线连接。将两个软板分别焊接到陶瓷组件90外部的上下表面，陶瓷组件90的输出焊盘与软板的输入焊盘对应，一般通过热压焊或者激光焊的方式实现实现软板焊盘的焊接。
48.在本实施例中，第一分波元件30与第二分波元件50通过无源贴片的方式进行定位；具体的，本实施例的光路耦合过程如下：在壳体20光口的位置放置光口插针10与入射准直器11，光源由光口插针10进入，经入射准直器11准直。本实施例的光源为八个波长合一的光束，八波的准直光束入射到第一分波元件30的第一入射面301，第一入射面301镀对应厚度的滤光膜(也即分光膜层)，该滤光膜透射光源的四个波长，反射另外四个波长。由于滤光面的波长选择功能主要取决于入射角，例如为了满足粗波分复用(cwdm)系统对波长的要求，第一入射面301的入射角必须小于21度，优选的小于16度。随着入射角的增大，长波与短波的相邻波长可能会出现混合。
49.透射的四个波长经过第一滤光片302、第二滤光片303、第三滤光片304、第四滤光片305与第一全反射面306的多次反射与透射后，实现四个波长的分波。分离后的四个准直光波进入对应位置的第一组汇聚透镜60，调整第一组汇聚透镜60的位置与角度，同时调整入射准直器11的位置，观察第一阵列光电芯片70的响应电流到最优值后，固定第一组汇聚透镜60，一般通过紫外胶水进行固化。接着把光口插针10与入射准直器11采用激光焊接工艺固定到壳体20上。
50.反射的四个波长进入转折三角棱镜40的三角入射面401，三角入射面401镀有增透膜，保证透射的效率；然后由三角反射面402反射，三角反射面402镀有全反膜，保证反射的效率；最后由三角出射面403出射，三角出射面403镀有增透膜，保证透射的效率。
51.由转折三角棱镜40出射的光信号垂直进入第二分波元件50的第二入射面501，第二分波元件50的反射斜面502与第二入射面501成45度角设置，反射斜面502将光信号反射到水平方向。第二分波元件50与第一分波元件30类似的把光信号分为四个波长的光信号，此过程中需要调整第二组汇聚透镜110，实现光信号与第二阵列光电芯片120的耦合，然后固定第二组汇聚透镜110。由于在耦合第一组汇聚透镜60的时候，光口插针10以及入射准直器11与壳体20的相对位置已经固定。因此在耦合第二组汇聚透镜110的时候，入射光的位置
与角度可以通过转折三角棱镜40来进行调整。
52.在完成壳体20内部所有电学与光学部件的设置与固定后，最后对壳体20敞开的上下面封焊上盖板，以完成器件的封装。
53.综上所述，本实施例制作的光学封装结构具有两层光电结构，具备八路光通道，相比现有技术，本实施例可以使相同空间内可封装的通道增多，实现在光器件体积基本不变的情况下封装更多光通道的目的。
54.实施例3
55.本实施例3还提供有一种光学封装结构，该封装结构的基本思路与实施例1、实施例2的光学封装结构相似，不同的是，本实施例3的光学封装结构的光路与实施例1、实施例2的光路相反。
56.具体的，如图7所示，本实施例3的光学封装结构包括叠层设置的光路结构，所述光路结构包括设置在第一层的第一光路结构、设置在第二层的第二光路结构以及设置在第一层与第二层之间的光转折件230，所述第一光路结构包括第一组激光器210、第一组转折透镜211以及第一合波元件212，所述第二光路结构包括第二组激光器220、第二组转折透镜221以及第二合波元件222；所述第一组激光器210发出的光经过所述第一组转折透镜211后在所述第一合波元件212内完成合波并从所述第一合波元件212的出光口射出；所述第二组激光器220发出的光经过所述第二组转折透镜221后在所述第二合波元件222内完成合波，然后经过所述光转折件230的折射后被所述第一合波元件212的出光口反射，最后与所述第一组激光器210发出的光路重合并射出。
57.在本实施例中，第一组激光器210、第二组激光器220均包含多个且并列设置，第一组激光器210的位置设置与实施例1中第一阵列光电芯片70的位置设置一致，第二组激光器220的位置设置与实施例1中第二阵列光电芯片120的位置设置一致。不同的是，实施例1的第一阵列光电芯片70、第二阵列光电芯片120是用来接收光信号的，而本实施例的第一组激光器210、第二组激光器220是用来发射光信号的。
58.在本实施例中，第一组转折透镜211的位置设置与实施例1中第一组汇聚透镜60的位置设置一致、第二组转折透镜221的位置设置与实施例1中第二组汇聚透镜110的位置设置一致。参考图7，本实施例的第一组转折透镜211、第二组转折透镜221的截面均为梯形，其中，第一组激光器210发射的光从第一组转折透镜211的底端射入，在第一组转折透镜211内部斜面上反射成水平光束再从右端射出，射向第一合波元件212；第二组激光器220发射的光从第二组转折透镜221的上端射入，在第二组转折透镜221内部斜面上反射成水平光束再从右端射出，射向第二合波元件222。
59.在本实施例中，第一合波元件212的位置设置与实施例1中第一分波元件30的位置设置一致，但光的入射面和出射面相反；第二合波元件222的位置设置与实施例1中第二分波元件50的位置设置一致，但光的入射面和出射面相反。
60.在本实施例中，光转折件230的位置设置与实施例1中转折三角棱镜40的位置设置一致。需说明的是，第二合波元件222的右端面设置为倾斜状，以使入射到第二合波元件222内的光束反射后从其上方的出射口射出，射向光转折件230，而光束进入光转折件230后，在其内部反射后射向第一合波元件212的出射口，还需说明的是，第一合波元件212的出射口镀膜对第一组激光器210发射的波长范围内的光束起增透作用，对第二组激光器220发射的
波长范围内的光束起反射作用。
61.本实施例通过上述叠层的光路设置，可以在相同空间内封装更多的光路通道，实现在光器件体积基本不变的情况下封装更多光通道的目的。
62.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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。