CN101191875A - 一种基于plc技术的单纤双向器件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于PLC技术的单纤双向器件，包括用PLC技术制造的具有波分复用功能的光学芯片；用来产生光信号的激光器芯片；用来接收光信号的探测器芯片；光纤或光纤插芯；带有光纤出纤孔和电引角的封装外壳；所述光学芯片上的光信号输入/输出光波导端口和光纤耦合相连，激光器芯片和探测器芯片分别与光学芯片上各自对应的光波导端口耦合相连，整个光学组合芯片固定在封装外壳里，光纤从外壳的出纤孔穿出，激光器芯片和探测器芯片的电极分别和封装外壳上的电引脚相连，壳体内和外界为气密性隔离。
Description
技术领域
本发明涉及一种单纤双向器件，具体是指一种基于PLC技术的用于光纤通信领域的单纤双向器件，本发明同时还涉及该单纤双向器件的制作方法。
技术背景
单纤双向器件是用于光纤接入系统的核心光器件，是把激光器和探测器封装在一起，共同通过一根光纤来传输上行信号和下行信号。目前其实现技术方式是采用分立元器件技术，把TO_CAN封装形式的激光器和探测器及WDM膜片封装在一个金属壳中，通过一个光纤耦合输出。这种技术方式目前非常成熟，但由于采用手工方式进行封装操作，封装的可靠性较差，效率较低，而且由于手工操作，在大规模的生产时，不具有成本优势。随着单纤双向光器件进入民用领域，成本的压力越来越大，这种传统的技术方式的弊端就越来越明显。
发明内容
本发明的目的之一是提供了一种基于平面光路技术(PLC)的单纤双向器件，适合于大规模的生产，具有生产效率高、成本低。
本发明的这一目的通过如下技术方案来实现的：一种基于PLC技术的单纤双向器件，包括：一个用PLC技术制造的具有波分复用功能的光学芯片；一个用来产生光信号的激光器芯片；一个用来接收光信号的探测器芯片；一光纤或光纤插芯，用来与光学芯片上的光波导端口进行连接，实现输入或输出光信号；一个带有光纤出纤孔和电引角的封装外壳，用来把光学芯片、激光器芯片、探测器芯片封装在壳体内；
所述光学芯片上的光信号输入/输出光波导端口和光纤耦合相连，激光器芯片和探测器芯片分别与光学芯片上各自对应的光波导端口耦合相连，整个光学组合芯片固定在封装外壳里，光纤从外壳的出纤孔穿出，激光器芯片和探测器芯片的电极分别和封装外壳上的电引脚相连，壳体内和外界为气密性隔离。
本发明单纤双向器件中的主要部件均采用芯片形式，整个使得整个单纤双向器件的体积更小，并且激光器芯片和探测器芯片均与光学芯片之间相耦合，元器件之间的整合性较好。光学芯片和光纤、激光器芯片、探测器芯片耦合封装完成后，把它们一起固定在一个带有光纤出口和电引脚的封装外壳中，然后进行气密封装，光信号的输入输出通过一个光纤或光纤插芯来实现。
所述的单纤双向器件还具有一个用来探测激光器功率的背光探测器芯片，激光器功率检测芯片和激光器芯片之间可以通过光波导相连，并将其一起固定在封装外壳内。
本发明的目的之二是提供了一种上述单纤双向器件的制作方法。
本发明的这一目的通过如下技术方案来实现的：一种基于PLC技术的单纤双向器件的制作方法，包括如下步骤：
1)将光纤与光学芯片耦合相连、光学芯片分别与激光器芯片和探测器芯片耦合相连；
2)将上述相连的光纤、光学芯片、激光器芯片和探测器芯片一起固定安装在一个带有光纤出口和电引脚的封装外壳中，构成单纤双向器件；
3)将整个单纤双向器件进行气密封装；
整个单纤双向器件通过一根光纤来实现不同波长光信号的输入输出，通过封装外壳的电引脚实现电信号的输入和输出。
采用上述方式的基于PLC技术的单纤双向器件，采用半导体设备及加工工艺，装配的自动化成度高，减少手工操作，和现有技术相比，产品的重复性好，可靠性高，规模化生产时具有分立元器件无法达到的成本效应。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细说明。
图1是本发明单纤双向器件的原理示意图；
图2是本发明单纤双向器件实施例一的整体结构示意图；
图3是图2的A-A剖面图；
图4是本发明单纤双向器件实施例一的光学芯片的结构图；
图5是本发明单纤双向器件的光学芯片的另一结构图；
图6是本发明单纤双向器件实施例二的整体结构示意图；
图7是图6的B-B剖面图。
具体实施方式
如图1至图4所示的一种基于PLC技术的单纤双向器件，它包括：一个用PLC技术制造的具有波分复用功能的光学芯片4；一个用来产生光信号的激光器芯片2(LD)；一个用来探测光信号的探测器芯片1(PD)；一个用来探测激光器芯片功率的检测芯片3(MPD)和光纤6，该光纤6用来与光学芯片4上的光波导端口进行连接，实现输入或输出光信号；一个带有光纤出纤孔和电引脚的封装外壳5，用来把光学芯片4、激光器芯片2、探测器芯片1封装在壳体内，使得整个单纤双向器件整合成一个整体结构单元，封装外壳5为气密的金属外壳，壳内和外界之间为气密性隔离，该封装外壳5的外表面还覆盖一层镀金层，激光器芯片2、探测器芯片1分别和光学芯片4上对应的光波导端口耦合相连，激光器功率检测芯片3与激光器芯片2耦合相连。其中，在探测器芯片1和激光器芯片2上设置陶瓷基片，激光器芯片2以贴片的方式安装在陶瓷基片上，激光器芯片2和探测器芯片1的电极分别和封装外壳5上的电引脚相连。光学芯片上的光信号输入/输出光波导端口与光纤耦合相连，光纤6与光学芯片4的光波导端口通过胶粘的方式相耦合，穿过封装外壳5的出纤孔伸出壳外，光纤6也可采用光纤插芯，光学芯片4通过光纤6实现光信号的输入或输出。
本实施例中的光学芯片4也可采用图5所示的结构，在光学芯片4上表面的中心线上开有V型槽7，通过该V型槽7和光纤6以粘胶的方式相连，实现光学芯片4和光纤6之间的耦合，光学芯片4的光波导端口的端面也可开有V型槽。
光学芯片采用半导体加工工艺技术，芯片表面制作各种图形和结构，这些图形和结构可以实现光学波分复用(WDM)的功能，把不同波长的光信号分别输出到不同的光波导端口上，光学芯片上实现WDM功能的分光结构可以是光栅、耦合器、马赫-曾德干涉仪(MZI)、或嵌入滤光TFF膜片等多种结构和方式。在隔离度要求很高的应用中，可以在PLC输出波导上再加入附件的膜片来增加隔离度。在光学芯片的表面开的沟槽结构，还可以为U型槽、条形槽等，或者采用坑、十字架等结构；在光学芯片的光波导端口的端面也可以开对应的沟槽结构，比如U型槽、条形槽等，用来实现光学芯片和光纤、激光器芯片、探测器芯片耦合时的对准定位。
本发明单纤双向器件的工作原理和工作过程如下：
单纤双向器件的上行光信号的波长λ1和下行光信号的波长λ2，λ1和λ2的中心波长可以是1310nm、1490nm、1550nm中的任何两个。
下行的光信号通过光纤输入到光学芯片中，光学芯片把下行的光波长λ2输出到探测器端口，探测器芯片把波长为λ2的光信号转换成相应大小的电流输出到外壳的电学引脚上，同时激光器芯片发出波长为λ1的光信号通过光学芯片的激光器端口输入到光学芯片中，光学芯片再把它输出到光纤中进行传输。这样就实现了在一根光纤中同时传输上行和下行的不同波长的信号。
本实施例单纤双向器件的制作方法，其包括如下步骤：
1)将光纤与光学芯片上光信号输入/输出的之间光波导端口的胶粘，将激光器芯片、探测器芯片分别与光学芯片上各自对应的光波导端口耦合相连；激光器芯片与激光器功率检测芯片耦合相连；
上述光纤和光学芯片之间的胶粘方式采用ON-CHIP(片上)的方式，在光学芯片上耦合光纤的位置挖一个V型槽放置光纤，然后用胶把光纤固定在V型槽中，采用该胶粘方式时，光学芯片的结构如图5所示。
上述光学芯片和激光器芯片之间的连接采用耦合的连接方式，具体是采用OFF-CHIP(片外)耦合的连接方式，激光器功率检测芯片和激光器芯片均以贴片的方式安装在同一个陶瓷基片上，通过六维的调整使激光器芯片的发光区域和光学芯片的光波导端口对准，然后固定住陶瓷基片来固定激光器功率检测芯片和激光器芯片，制得的单纤双向器件如图6、图7所示。
上述光学芯片和探测器芯片之间的连接采用耦合的连接方式，具体是采用OFF-CHIP(片外)耦合的连接方式，探测器芯片先贴片到一个陶瓷基片上，通过六维的调整使探测器芯片的感光区域和光学芯片的光波导端口对准，然后固定住陶瓷基片来固定探测器芯片。
2)将上述相连的光纤、光学芯片、激光器芯片和探测器芯片一起固定安装在一个带有光纤出口和电引脚的封装外壳中，构成单纤双向器件；
3)将整个单纤双向器件进行气密封装；气密封装是使用镀金的金属外壳，通过电流焊的方式实现气密，封装外壳的功能有两点，一是把内部的器件和外界气密性隔离，保证器件不受外界环境的影响，第二是保证器件具有一定的抗硬损伤的能力。
整个单纤双向器件通过一根光纤来实现不同波长光信号的输入输出，通过封装外壳的电引脚实现电信号的输入和输出。
另外，在上述实施例中，光纤和光学芯片之间的连接胶粘的连接方式，也可以采用OFF-CHIP(片外)的方式，即把光纤先固定在一个光纤固定座中，然后再把光纤固定座粘接在光学芯片的端口。
光学芯片和激光器芯片之间的耦合方式也可以采用ON-CHIP(片上)耦合的连接方式，预先在光学芯片上挖一个放置激光器芯片的坑，同时制作一些对准的标志，激光器芯片采用倒装焊的方式固定在坑里，并同时通过光学芯片的对准标志来使激光器芯片的发光位置和光学芯片的光波导端口对准。在使用此种方式时，激光器芯片的光功率是通过光学芯片上专门的端口来探测的。
光学芯片和探测器芯片之间的耦合方式也可以采用ON-CHIP(片上)耦合的连接方式，预先在光学芯片上挖一个放置探测器芯片的坑，同时制作一些对准的标志，把粘接好探测器芯片的陶瓷基底一起放置在光学芯片的坑里，同时通过光学芯片上的对准标志使探测器芯片的感光区和光学芯片的光波导端口对准。在一些对信号隔离度要求很高的应用中，可以在探测器芯片和光学芯片的端口间加入一个滤光片来增加隔离度。
封装方式，也可以使用塑封胶把整个耦合连接好的光学芯片灌封起来实现密封，然后再固定在一个非气密的金属盒中。
Claims (14)
1.一种基于PLC技术的单纤双向器件，其特征在于包括：一个用PLC技术制造的具有波分复用功能的光学芯片；一个用来产生光信号的激光器芯片；一个用来接收光信号的探测器芯片；一光纤或光纤插芯，用来与光学芯片上的光波导端口进行连接，实现输入或输出光信号；一个带有光纤出纤孔和电引角的封装外壳，用来把光学芯片、激光器芯片、探测器芯片封装在壳体内；
所述光学芯片上的光信号输入/输出光波导端口和光纤耦合相连，激光器芯片和探测器芯片分别与光学芯片上各自对应的光波导端口耦合相连，整个光学组合芯片固定在封装外壳里，光纤从外壳的出纤孔穿出，激光器芯片和探测器芯片的电极分别和封装外壳上的电引脚相连，壳体内和外界为气密性隔离。
2.根据权利要求1所述的一种基于PLC技术的单纤双向器件，其特征在于：所述的单纤双向器件还具有一个用来探测激光器功率的背光探测器芯片，激光器功率检测芯片和激光器芯片之间可以通过光波导相连，并将其一起固定在封装外壳内。
3.根据权利要求1所述的一种基于PLC技术的单纤双向器件，其特征在于：所述的光学芯片的分光结构为光栅结构、耦合器结构、MZI结构或嵌入TFF膜片结构。
4.根据权利要求1或3所述的一种基于PLC技术的单纤双向器件，其特征在于：所述的光学芯片的表面开有至少一个用于耦合连接对准定位的沟槽结构，其光波导端口的端面也设有对应的沟槽结构。
5.根据权利要求4所述的一种基于PLC技术的单纤双向器件，其特征在于：所述沟槽结构为V型槽、U型槽、条形槽、坑或十字架。
6.根据权利要求1或3所述的一种基于PLC技术的单纤双向器件，其特征在于：所述的光学芯片和光纤之间通过胶粘的方式相耦合。
7.一种如权利要求1所述的基于PLC技术的单纤双向器件的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：
a)将光纤与光学芯片上光信号输入/输出的之间光波导端口的胶粘，将激光器芯片、探测器芯片分别与光学芯片上各自对应的光波导端口耦合相连；
b)将上述相连的光纤、光学芯片、激光器芯片和探测器芯片一起固定安装在一个带有光纤出口和电引脚的封装外壳中，构成单纤双向器件；
c)将整个单纤双向器件进行气密封装；
整个单纤双向器件通过一根光纤来实现不同波长光信号的输入输出，通过封装外壳的电引脚实现电信号的输入和输出。
8.根据权利要求7所述的单纤双向器件的制作方法，其特征在于：所述的光纤和光学芯片之间的胶粘方式采用片外的方式，把光纤先固定在一个光纤固定座中，然后再把光纤固定座粘接在光学芯片的端口。
9.根据权利要求7所述的单纤双向器件的制作方法，其特征在于：所述的光纤和光学芯片之间的胶粘方式采用片上的方式，在光学芯片上耦合光纤的位置挖一个V型槽放置光纤，然后用胶把光纤固定在V型槽中。
10.根据权利要求7所述的单纤双向器件的制作方法，其特征在于：所述的光学芯片和激光器芯片之间的耦合方式采用片外耦合的连接方式，先把激光器芯片贴片到一个陶瓷基片上，通过六维的调整使激光器芯片的发光区域和光学芯片的光波导端口对准，然后固定住陶瓷基片来固定激光器芯片。
11.根据权利要求7所述的单纤双向器件的制作方法，其特征在于：所述的光学芯片和激光器芯片之间的耦合方式采用片上耦合的连接方式，预先在光学芯片上挖一个放置激光器芯片的坑，同时制作对准的标志，激光器芯片采用倒装焊的方式固定在坑里，并同时通过光学芯片的对准标志来使激光器芯片的发光位置和光学芯片的光波导端口对准。
12.根据权利要求7所述的单纤双向器件的制作方法，其特征在于：所述的光学芯片和探测器芯片之间的耦合方式采用片外耦合的连接方式，探测器芯片先贴片到一个陶瓷基片上，通过六维的调整使探测器芯片的感光区域和光学芯片的光波导端口对准，然后固定住陶瓷基片来固定探测器芯片。
13.根据权利要求7所述的单纤双向器件的制作方法，其特征在于：所述的光学芯片和探测器芯片之间的耦合方式采用片上耦合的连接方式，预先在光学芯片上挖一个放置探测器芯片的坑，同时制作一些对准的标志，把粘接好探测器芯片的陶瓷基底一起放置在光学芯片的坑里，同时通过光学芯片上的对准标志使探测器芯片的感光区和光学芯片的光波导端口对准。
14.根据权利要求7所述的单纤双向器件的制作方法，其特征在于：所述的气密封装是使用胶把整个耦合连接好的光学芯片灌封起来实现密封，然后再固定在一个非气密的金属盒中。
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