一种集成驱动芯片的前向监控独立控温型高速光器件的制作方法

1.本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种集成驱动芯片的前向监控独立控温型高速光器件。


背景技术：

2.随着50g pon技术不断走向标准化，加上对称接入，和与前代pon技术并存等特性的保障，50g pon距离实现商业部署目标正越来越近。50g pon的商用部署，会需求大量的高性能、低功耗、宽温的高速光模块/光器件。常规光模块的驱动芯片置于光器件外部，信号通过激光器、金线、引脚、fpc、pcb传输到驱动芯片中。然而，随着光通信速率越来越高，将驱动芯片置于光器件外部的方式会有阻抗不连续并且会极大影响高频信号质量，降低光发射器件的运行带宽，影响光发射器件的性能。
3.如图1所示，现有的激光器与驱动芯片分离的传统光器件主要包括底座、控温元件、垫块单元、激光器、监控二极管。其中，光器件不包含驱动芯片，驱动芯片置于光器件的外部。信号通过激光器、金线、引脚、fpc、pcb传输到驱动芯片中。高速传输时，阻抗匹配效果会比较差，产品传输性能会比较差。并且激光器贴片、打线时会有侧向冲击力作用于控温元件。使得控温元件有损坏风险。
4.如图2所示，现有的激光器与驱动芯片集成的传统光器件主要包括底座、控温元件、垫块单元、激光器、驱动芯片、监控二极管。激光器及驱动芯片均置于控温元件上，驱动芯片与激光器/控温元件未做热隔离，所以驱动芯片工作产生的热量都会加载到控温元件上，大大增加了光器件整体的功耗，严重影响光器件的应用；并且激光器和驱动芯片贴片、打线时会有侧向冲击力作用于控温元件，使得控温元件有损坏风险，可靠性较差。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种集成驱动芯片的前向监控独立控温型高速光器件，旨在解决上述的问题。
6.本发明主要通过以下技术方案实现：一种集成驱动芯片的前向监控独立控温型高速光器件，包括底座、控温元件、监控二极管、激光器；所述底座上分别设置有控温元件、驱动芯片，所述控温元件的一侧设置有监控二极管、激光器，所述监控二极管设置在激光器的前光侧；所述激光器与驱动芯片相邻设置，所述驱动芯片与激光器通过传输线连接。
7.为了更好地实现本发明，进一步地，所述控温元件内部的半导体元件放置方向与激光器贴装的冲击方向同轴向设置。
8.为了更好地实现本发明，进一步地，还包括第一垫块、第二垫块，所述底座上分别并列的设置有第一垫块和第二垫块，所述第一垫块、第二垫块的一侧分别设置有控温元件、驱动芯片。所述激光器和驱动芯片不一定同侧，只要满足两者距离尽量相近即可。
9.为了更好地实现本发明，进一步地，所述第一垫块的一侧的上部设置有控温元件，
且第二垫块位于控温元件的下方，所述控温元件和第二垫块的同侧分别设置有激光器和驱动芯片。
10.为了更好地实现本发明，进一步地，所述监控二极管的放置位置与激光器前出光的主光轴的夹角大于或等于激光器的前光1/e2发散角，以获得50~100ua的监控电流。
11.为了更好地实现本发明，进一步地，所述激光器的前光1/e2发散角为20
°
~40
°
。
12.本发明的有益效果如下：（1）本发明集成了激光器与驱动芯片，且激光器与驱动芯片绝对热隔离，通过控温元件与激光器的设置提高了控温元件的加工可靠性，满足了低功耗的要求。本发明通过在激光器前光侧设置监控二极管，实现了对监控二极管的控温，监控二极管典型功耗约为激光器功耗的千分之一，所以本发明几乎不会额外增加控温元件的功耗。本发明通过监控二极管的设置，即监控二极管直接放置在激光器前光侧的边缘光路上，因而实现了不增设棱镜反射镜进行分光或反射光即可获得监控二极管50~100ua以上的监控电流。同时监控二极管放置位置与激光器前出光的主光轴有一个较大的夹角，因而有很好的抗反射效果，同时该较大的放置夹角使得监控二极管不会侵入激光器前光侧的主光路，因而不会影响激光器的耦合。该设置的监控/调节的闭环机制非常稳定准确，具有较好的实用性；（2）本发明相对于传统光器件，集成了驱动芯片。所述激光器和驱动芯片可以用极短的传输线（金线连接），拥有很好的阻抗匹配效果。能够提供更高的运行带宽和更高的产品性能，具有较好的实用性；（3）本发明带独立的控温方式。控温元件可以单独控制激光器的温度，驱动芯片与激光器/控温元件之间为绝对热隔离（空气）。所以控温所产生的功耗非常小，可以满足光器件的低功耗要求；并且激光器控温能满足苛刻的宽温应用环境的要求；（4）所述控温元件采用侧贴在垫块上的方式，使得后续的封装不会有侧向冲击力作用在控温元件上，尤其不会有侧向冲击力作用在控温元件内部的半导体晶粒上。所述控温元件内部的半导体晶粒以及焊料焊点的强度非常低，导致控温元件抗水平冲击非常弱，当遭受水平方向的冲击力时，半导体晶粒的焊料焊点处极易破裂损坏。而本发明可以规避水平冲击控温元件带来的可靠性风险；（5）本发明将监控二极管放置于激光器前向出光的同时，将监控二极管和激光器都放置在控温元件上，本发明监控/调节的闭环机制非常稳定准确。监控二极管典型功耗约为激光器功耗的千分之一，所以本发明几乎不会额外增加控温元件的功耗。本发明解决了现有技术中通过背光来监控/反馈/控制前光不稳定的问题。另外，本发明还解决了监控二极管自身对光源的响应系数随着温度等外界因素的影响而明显变化，影响监控二极管的响应准确性的问题；（6）本发明的监控二极管放置在激光器的前部，并且直接接收激光器前光的出光能量，无需通过棱镜反射镜进行分光或反射光。所述监控二极管不影响激光器前出光的发射耦合，也能获得监控二极管50~100ua以上的监控电流。因为监控二极管和激光器的主光轴有夹角，所以也有很好的抗反射效果，同时取得了良好的综合应用效果，具有较好的实用性。
附图说明
13.图1为激光器与驱动芯片分离的传统光器件封装结构示意图；图2为激光器与驱动芯片集成的传统光器件封装结构示意图；图3为本发明光器件的封装结构示意图；图4为控温元件的水平冲击原理示意图；图5为本发明监控二极管与激光器的安装位置关系示意图。
14.其中，1-底座、2-控温元件、3-激光器、4-驱动芯片、5-监控二极管、6-垫块单元、7-第一垫块、8-第二垫块。
具体实施方式
15.实施例1：一种集成驱动芯片的前向监控独立控温型高速光器件，包括底座1、控温元件2、监控二极管5、激光器3、垫块单元6。如图3所示，所述底座1上分别独立设置有控温元件2、驱动芯片4，所述控温元件2、驱动芯片4分别通过垫块单元6与底座1连接，所述控温元件2的一侧从上至下依次设置有监控二极管5、激光器3，所述监控二极管5位于激光器3的前光处。优选地，所述垫块单元6包括第一垫块7、第二垫块8，所述底座1上分别并列的设置有第一垫块7和第二垫块8，所述第一垫块7、第二垫块8的一侧分别设置有控温元件2、驱动芯片4。
16.本发明集成了驱动芯片4。所述激光器3和驱动芯片4可以用极短的传输线（金线连接），拥有很好的阻抗匹配效果。能够提供更高的运行带宽和更高的产品性能。本发明的控温元件2可以控制激光器3的温度，驱动芯片4与激光器3/控温元件2之间为绝对热隔离（空气）。所以控温所产生的功耗非常小，可以满足光器件的低功耗要求；并且激光器3控温能满足苛刻的宽温应用环境的要求，具有较好的实用性。
17.本发明将监控二极管5放置于激光器3前向出光的同时，将监控二极管5和激光器3都放置在控温元件2上，本发明监控/调节的闭环机制非常稳定准确。监控二极管5典型功耗约为激光器3功耗的千分之一，所以本发明几乎不会额外增加控温元件2的功耗。本发明解决了现有技术中通过背光来监控/反馈/控制前光不稳定的问题。另外，本发明还解决了监控二极管5自身对光源的响应系数随着温度等外界因素的影响而明显变化，影响监控二极管5的响应准确性的问题。
18.优选地，所述控温元件2与激光器3贴装的冲击方向呈垂直关系，所述控温元件2内部的半导体元件放置方向与激光器3贴装的冲击方向同轴向设置。所述控温元件2采用侧贴在垫块上的方式，使得后续的封装不会有侧向冲击力作用在控温元件2上，尤其不会有侧向冲击力作用在控温元件2内部的半导体晶粒上。所述控温元件2内部的半导体晶粒以及焊料焊点的强度非常低，导致控温元件2抗水平冲击非常弱，当遭受水平方向的冲击力时，半导体晶粒的焊料焊点处极易破裂损坏。而本发明可以规避水平冲击控温元件2带来的可靠性风险。
19.优选地，如图5所示，所述监控二极管5的放置位置与激光器3前出光的主光轴的夹角大于或等于激光器3的前光1/e2发散角，以获得50~100ua的监控电流。优选地，所述激光器3的前光1/e2发散角为20
°
~40
°
。本发明的监控二极管5放置在激光器3的前部，并且直接接收激光器3前光的出光能量，无需通过棱镜反射镜进行分光或反射光。所述监控二极管5
不影响激光器3前出光的发射耦合，也能获得监控二极管5的50~100ua以上的监控电流。因为监控二极管5和激光器3的主光轴有夹角，所以也有很好的抗反射效果，同时取得了良好的综合应用效果，具有较好的实用性。
20.本发明集成了激光器3与驱动芯片4，且激光器3与驱动芯片4绝对热隔离，通过控温元件2与激光器3的设置提高了控温元件2的加工可靠性，满足了低功耗的要求。本发明通过在激光器3前光侧设置监控二极管5，实现了对监控二极管5的控温，监控二极管5典型功耗约为激光器3功耗的千分之一，所以本发明几乎不会额外增加控温元件2的功耗。本发明通过监控二极管5的设置，实现了不增设棱镜反射镜进行分光或反射光即可获得监控二极管5的50~100ua以上的监控电流，同时有很好的抗反射效果，监控/调节的闭环机制非常稳定准确，具有较好的实用性。
21.实施例2：一种集成驱动芯片的前向监控独立控温型高速光器件，如图3所示，包括底座1、第一垫块7、控温元件2、激光器3、第二垫块8、驱动芯片4、监控二极管5。所述第一垫块7贴于底座1上，控温元件2侧贴于第一垫块7上，激光器3贴于控温元件2上，监控二极管5贴于控温元件2上，监控二极管5位于激光器3的前光侧。所述第二垫块8贴于底座1上，驱动芯片4贴于第二垫块8上。第一垫块7、控温元件2以及激光器3作为一个集成单元，第二垫块8、驱动芯片4作为另一集成单元，两个集成单元之间独立，本发明实现了驱动芯片4与激光器3集成以及可以实现给激光器3、监控二极管5控温。
22.相对于上述的传统光器件，本发明将驱动芯片4集成到光器件中，提高了高速传输性能。并且实现了驱动芯片4与激光器3/控温元件2的绝对热隔离，满足光器件的低功耗要求。控温元件2的应用满足光器件宽温应用的需求。
23.优选地，本发明将控温元件2侧贴于垫块单元6上，后续激光器3贴装的冲击力是垂直于控温元件2的冲击力，控温元件2的完好性不会受到影响，焊料焊点的位置不会受到破坏。
24.如图4所示，控温元件2内部包括从上之下依次设置的陶瓷片/半导体晶粒/陶瓷片，半导体晶粒和陶瓷片之间通过焊料焊接连接。半导体晶粒以及焊料焊点的强度非常低，当遭受水平方向的冲击力时，焊料焊点处极易破裂损坏，因此需避免水平方向的受力。同时控温元件2常规的静态承载元件的方式也会对半导体晶粒产生负荷。传统光器件是水平贴装控温元件2，它们后续的激光器3等贴片所产生的冲击力是水平于控温元件2，会对控温元件2的完好性产生不利影响，焊料焊点位置会受力而损坏。在工厂加工时，常出现此贴装方式造成的控温元件2损坏的情况。本发明一方面改进了控温元件2静态时的受力情况，同时改进了其加工时受到的冲击力的方向，有效降低了可靠性风险。
25.优选地，本发明的驱动芯片4临近激光器3放置，使得激光器3和驱动芯片4之间的金丝键合长度极短，能够获得很好的阻抗匹配。本发明的光器件包含驱动芯片4，可以用在低速以及高速通信。高速通信对阻抗匹配要求非常高，而不包含驱动芯片4的光器件其阻抗匹配效果将非常差。
26.优选地，如图3、图5所示，相对于传统光器件，本发明将监控二极管5放置于激光器3前向出光的同时、也将监控二极管5和激光器3都放置在控温元件2上。
27.激光器3的前方出光叫前光，激光器3的后方出光叫背光。前光和背光的大小之间
有一个相对固定比例关系。前光用来做光通信传输，一般来说背光处放置一个监控二极管5实时监控背光的大小，由于前光和背光之间有相对固定的比例关系，便能推测出前光的变化情况，从而起到了反馈/调节激光器3出光大小的功能。
28.前光和背光大小之间的比例关系，会随着温度等外界因素的影响而明显变化，所以通过背光来监控/反馈/控制前光具有不稳定的特点。另外，监控二极管5自身对光源的响应系数也会随着温度等外界因素的影响而明显变化，所以温度等外界因素会影响监控二极管5的响应准确性。传统光器件将监控二极管5放置于激光器3背光处；且未对监控二极管5做控温，极大影响了监控/调节激光器3的稳定性和准确性。
29.本发明将监控二极管5放置于激光器3的前光并且同时给激光器3/监控二极管5控温。监控/调节的闭环机制非常稳定准确。监控二极管5典型功耗约为激光器3功耗的千分之一，所以本发明几乎不会额外增加控温元件2的功耗。
30.优选地，如图5所示，激光器3出光有发散角，发光呈倒锥形，1/e2的发散角代表了激光器3的87%的能量。本发明的监控二极管5放置在激光器3的前部，并且直接接收激光器3前光的出光能量无需通过棱镜反射镜进行分光或反射光。本发明的监控二极管5贴片放置角度和激光器3前出光的主光轴夹角为一个特定角度，此夹角大于等于激光器3的1/e2发散角，即不影响激光器3前出光的发射耦合，也能获得监控二极管5的50~100ua的监控电流。因为和激光器3的主光轴有夹角，所以也有很好的抗反射效果。取得了良好的综合应用效果。dfb激光器3的1/e2的发散角为20~40度。
31.优选地，激光器3及驱动芯片4有配套电路，此发明中未赘述。激光器3还有配套的透镜隔离器光纤适配器等形成一个完整功能的光器件，此发明中未赘述。
32.本发明集成了激光器3与驱动芯片4，且激光器3与驱动芯片4绝对热隔离，通过控温元件2与激光器3的设置提高了控温元件2的加工可靠性，满足了低功耗的要求。本发明通过在激光器3前光侧设置监控二极管5，实现了对监控二极管5的控温，监控二极管5典型功耗约为激光器3功耗的千分之一，所以本发明几乎不会额外增加控温元件2的功耗。本发明通过监控二极管5的设置，实现了不增设棱镜反射镜进行分光或反射光即可获得监控二极管5的50~100ua以上的监控电流，同时有很好的抗反射效果，监控/调节的闭环机制非常稳定准确，具有较好的实用性。
33.以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种集成驱动芯片的前向监控独立控温型高速光器件，其特征在于，包括底座（1）、控温元件（2）、监控二极管（5）、激光器（3）；所述底座（1）上分别设置有控温元件（2）、驱动芯片（4），所述控温元件（2）的一侧设置有监控二极管（5）、激光器（3），所述监控二极管（5）设置在激光器（3）的前光侧；所述激光器（3）与驱动芯片（4）相邻设置，所述驱动芯片（4）与激光器（3）通过传输线连接。2.根据权利要求1所述的一种集成驱动芯片的前向监控独立控温型高速光器件，其特征在于，所述控温元件（2）内部的半导体元件放置方向与激光器（3）贴装的冲击方向同轴向设置。3.根据权利要求1所述的一种集成驱动芯片的前向监控独立控温型高速光器件，其特征在于，还包括第一垫块（7）、第二垫块（8），所述底座（1）上分别并列的设置有第一垫块（7）和第二垫块（8），所述第一垫块（7）、第二垫块（8）的一侧分别设置有控温元件（2）、驱动芯片（4）。4.根据权利要求3所述的一种集成驱动芯片的前向监控独立控温型高速光器件，其特征在于，所述第一垫块（7）的一侧的上部设置有控温元件（2），且第二垫块（8）位于控温元件（2）的下方，所述控温元件（2）和第二垫块（8）的同侧分别设置有激光器（3）和驱动芯片（4）。5.根据权利要求1-4任一项所述的一种集成驱动芯片的前向监控独立控温型高速光器件，其特征在于，所述监控二极管（5）的放置位置与激光器（3）前出光的主光轴的夹角大于或等于激光器（3）的前光1/e2发散角，以获得50~100ua的监控电流。6.根据权利要求5所述的一种集成驱动芯片的前向监控独立控温型高速光器件，其特征在于，所述激光器（3）的前光1/e2发散角为20
°
~40
°
。

技术总结
本发明公开了一种集成驱动芯片的前向监控独立控温型高速光器件，包括底座、控温元件、监控二极管、激光器；所述底座上分别设置有控温元件、驱动芯片，所述控温元件的一侧设置有监控二极管、激光器，所述监控二极管设置在激光器的前光侧；所述激光器与驱动芯片相邻设置，所述驱动芯片与激光器通过传输线连接。本发明集成了激光器与驱动芯片，且激光器与驱动芯片绝对热隔离，通过控温元件与激光器的设置提高了控温元件的加工可靠性，满足了低功耗的要求；本发明通过监控二极管的设置，实现了精准获取监控电流，同时有很好的抗反射效果，监控/调节的闭环机制非常稳定准确，具有较好的实用性。实用性。实用性。


技术研发人员：王洁 维卡斯
受保护的技术使用者：成都英思嘉半导体技术有限公司
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/8/1