CN103579899B - 一种激光阵列热沉模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光阵列热沉模块及其制作方法。该热沉模块包括：双对称屏蔽孔、连接屏蔽孔的金属线、微带线、激光器阵列、基底和底端散热模块；其中：激光器阵列和微带线均布置在基底上，并通过连接线对应相连，形成信号通路；双对称屏蔽孔位于两个微带线间，且穿过基底，并使用连接屏蔽孔的金属线将两个屏蔽孔连接形成电气通路；基底背面对应于微带线的位置和双对称屏蔽孔的底端全部接地；散热模块设置在基底下方。本发明提出的上述热沉模块有效的抑制了高频信号在微带线中传播造成的相互串扰问题；在降低信号端对于输出端串扰的同时，降低了信号端之间的串扰；本模块适用于所有类似于此结构的微带线间串扰问题。

Description

一种激光阵列热沉模块

技术领域

本发明涉及高频电光信号转换技术领域，尤其是涉及一种激光阵列热沉模块。

背景技术

半导体激光器阵列的应用已经基本覆盖了整个光电子领域，成为了当今光电子科学的重要技术。而随着实际工程的发展，激光器阵列的输出功率以及电信号频率不断增强。目前市场上，连续波工作半导体激光器阵列热沉的尺寸大多采用25mm×25mm×7mm，并且大多数阵列激光器热沉用于大功率阵列激光器的封装，热沉设计方面并没有考虑高频信号的调制加载。

发明内容

为了解决上述问题，本发明主要目的在于提供一种激光阵列热沉模块，以解决高密度激光器阵列小尺寸热沉模块中结构设计以及微带线间的信号串扰问题。为此，本发明采用热沉微细尺寸的高密度激光器阵列封装以及高频电信号作为设计信号，并使用电气相连的两屏蔽孔结构来抑制微带线间的串扰。

为达到上述目的，本发明提供一种激光阵列热沉模块，其包括：双对称屏蔽孔、连接屏蔽孔的金属线、微带线、激光器阵列、基底和底端散热模块；

其中：激光器阵列和微带线均布置在基底上，并通过连接线对应相连，形成信号通路；双对称屏蔽孔位于两个微带线间，且穿过基底，并使用连接屏蔽孔的金属线将两个屏蔽孔连接形成电气通路；基底背面对应于微带线的位置和双对称屏蔽孔的底端全部接地；散热模块设置在基底下方。

本发明还提供一种激光阵列热沉模块的制作方法，其包括：

步骤1、制作一块基底；

步骤2、在基底上生长一层微带线；

步骤3、在两微带线间两端中心位置处分别打两个小孔，使其贯穿基底，并使小孔位置安排于微带线间的两端；

步骤4、在所打的小孔中填充金属，制成带有金属填充的屏蔽孔；

步骤5、在两微带线间分布两端的两屏蔽孔之间布线，使两屏蔽孔之间电气连接；

步骤6、使屏蔽孔底端以及微带线所对应的基底底端全部接地；

步骤7、在基底上直接生长DFB激光器微阵列，其位置分别对应所述微带线一端；

步骤8、通过金属喷溅或者焊接技术，使所述DFB激光器阵列中的激光器与相应的微带线连接。

本发明提供一种激光阵列热沉模块，设计出热沉微细尺寸的高密度激光器阵列封装结构，大大缩小了目前市场上热沉尺寸，并且使用合适的材料作为基底材料，从而在尺寸设计上便将微带线间串扰降至最低。

本发明提供一种激光阵列热沉模块，结构简单直接，无源型结构设计，便于工艺实现，成本低廉，适合大规模生产，且对于屏蔽孔填充材料无特殊要求，容易选材。

本发明提供一种激光阵列热沉模块，能够有效的降低微带线间的串扰。

本发明提供一种激光阵列热沉模块，其抑制串扰的性能不随温度变化而变化。由于是无源器件，通过金属的高电子迁移率和屏蔽能力而实现的信号隔离，因此在热沉结构上不随温度而变化，这一特性对于上下面温差较大的热沉结构来说很有利。

附图说明

图1是本发明中激光阵列热沉模块的整体结构示意图。

图2是本发明中激光阵列热沉模块测试时的端口说明示意图。

图3是本发明中激光阵列热沉模块部分端口的串扰结果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

请参阅图1所示，本发明提供了一种激光阵列热沉模块，其包括：1×9的双对称屏蔽孔1、1×9连接屏蔽孔的金属线2、1×10微带线3、1×10阵列激光器4、一块基底5和一块底端散热模块6。

其中：1×10阵列激光器4和1×10微带线3都布置在基底5上，并通过连接线7相连，形成信号通路；1×9的双对称屏蔽孔1穿过基底5，并使用1×9连接屏蔽孔的金属线2将两个屏蔽孔连接形成电气通路；基底5背面对应于1×10微带线3的位置和1×9的双对称屏蔽孔1底端全部接地8；在基底5下方加入散热模块6最终形成热沉结构模块。信号经过热沉基底5，在微带线3的作用下沿微带线3的方向向前传播，部分信号向两侧偏移，在屏蔽孔1的作用下，偏移信号被屏蔽孔导入接地线中，大部分信号在连接线7的引导下进入激光器阵列内部实现电光转换。

上述方案中，所述的一种激光阵列热沉模块，其中选择合适材料作为基底材料，如Si基底材料、ALN陶瓷基底材料，基底材料的长宽度应该分别大于激光器阵列尺寸；微带线的宽度与热沉厚度相匹配，保证热沉模块的特征阻抗在50Ω左右，例如ALN陶瓷基底材料，则微带线宽度与热沉厚度相等即可；热沉尺寸应该根据1×10激光器的尺寸以及最低串扰原则选取，而微带线宽度也应该根据基底厚度尺寸以及最低串扰原则来选取，如2500um×2100um×140um的热沉尺寸，微带线选择140um，这样保证特征阻抗在50Ω左右的前提下，串扰达到最小的尺寸；在这样的尺寸情况下设计屏蔽孔，在微带线间中心位置设置两个适当直径高度，厚度与基底厚度相同的屏蔽孔，并使小孔位置合理安排于微带线间，最后使屏蔽孔底端以及微带线所对应的基底底端全部接地。这样，利用金属屏蔽孔的高电导率以及较好的屏蔽性能，当高频信号(例如10GHz电信号)在微带线中传播时，便会受到金属孔屏蔽作用而难以穿越微带线之间的间隙，达到屏蔽降低串扰的作用。微带线的生长应该选择合适的工艺，如厚膜金属化法等工艺方法，尽量保证基底材料晶格结构不被破坏。

上述方案，屏蔽孔之间必须用金属线相连接。一种利用金属屏蔽孔的高电导率以及较好的屏蔽性能而起到的屏蔽作用，若没有金属线相连接形成电气通路，在高频振荡电场作用下，两个屏蔽孔相当于电容两极，形成充放电，进而形成感应电场和感应磁场。在没有金属线连接的情况下，屏蔽孔自身形成的干扰信号远远大于被屏蔽的信号，不但无法起到降低串扰作用，反而会增强。当屏蔽孔之间形成电气通路后，两个屏蔽孔如同电容两极被金属连接一样无法聚集电荷而充放电，因此自身形成的干扰信号大大降低到可以忽略的程度，进而屏蔽作用起主导。

本发明还公开了一种激光阵列热沉模块的制作方法，其具体实现步骤包括：

步骤1、制作一块基底；

步骤2、在基底上先生长一层金属层，再用刻蚀方法刻蚀出十条均匀分布的条状微带线；

步骤3、在两微带线间两端中心位置处分别打两个小孔，使其贯穿基底，并使小孔位置合理安排于微带线间；

步骤4、在所打的小孔中填充金属，制成带有金属填充的屏蔽孔；

步骤5、在两微带线间分布两端的两屏蔽孔之间布线，使两屏蔽孔之间电气连接；

步骤6、使屏蔽孔底端以及微带线所对应的基底底端全部接地；

步骤7、在基底上直接生长DFB激光器微阵列，其位置分别对应1×10微带线信号输入端，并确保DFB激光器物理间隔大于等于10um；

步骤8、通过金属喷溅或者焊接技术，使所述DFB激光器阵列中的激光器与相应的微带线连接；

步骤9、制作散热模块，该散热模块采用三层结构设计，第一层即为基底层，中间层为硼硅酸盐玻璃夹层，下层采用多管硅层或ALN陶瓷层。

例如，我们采用2500um×2100um×140um的ALN陶瓷材料作为基底，在ALN陶瓷基底上通过厚膜金属化法生长一层宽度为140um的微带线，通过激光打孔，在微带线间中心位置打通两个直径为80um的小孔，并使小孔位置与微带线顶端位置并齐，在小孔中，通过Ti包裹Cu粉等方法填充铜，制成带有金属填充的圆柱型屏蔽孔，在两屏蔽孔之间布线，使两屏蔽孔之间电气连接，使屏蔽孔底端以及微带线所对应的ALN基底底端全部接地，这样我们制成了一块热沉模块。选择一个中心频率为10GHz，从5GHz到15GHz宽度的高频信号源作为输入电信号进行测试。在10GHz处，热沉上距离信号输入端1500um处的串扰为-31dB，在0um处的信号串扰为-22dB，在此热沉尺寸结构上又降低了4dB的信号串扰值。在5GHz处串扰信号为-40dB左右，而对于更高频率15GHz处的信号串扰值也在-25dB以下，符合应用要求。同样结构，与使用Si材料作为基底做对比，串扰值也降低了1dB。

图2和图3为本发明中激光阵列热沉模块测试时的端口说明示意图和本发明中激光阵列热沉模块端口P14、P15、P24、P25之间相互串扰结果示意图。如图2和3所示，P2、P21、P22......P29分别为信号输入端口；P1、P11、P12......P19分别为信号输出端口。标记端口主要为了区分某一端口对其他端口的串扰影响。由于1×10激光阵列中，最中间的P14、P15、P24、P25四个端口，受到的串扰影响最多，降低噪声的能力也是最弱，因此由这四个端口所得出的最差结果作为测试结果来代表所有端口的降噪能力结果。图中：P1、P2对应为P14、P15，P3、P4对应为P25、P24。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光阵列热沉模块，其包括：双对称屏蔽孔、连接屏蔽孔的金属线、微带线、激光器阵列、基底和底端散热模块；

其中：激光器阵列和微带线均布置在基底上，并通过连接线对应相连，形成信号通路；双对称屏蔽孔为位于两个微带线间分布两端的两个屏蔽孔，且所述两个屏蔽孔穿过基底，并使用连接屏蔽孔的金属线将所述两个屏蔽孔连接形成电气通路；基底背面对应于微带线的位置和双对称屏蔽孔的底端全部接地；散热模块设置在基底下方。

2.如权利要求1所述的激光阵列热沉模块，其中信号经过热沉基底，在微带线的作用下沿微带线的方向向前传播，部分信号向两侧偏移，在屏蔽孔的作用下，偏移信号被屏蔽孔导入接地线中，大部分信号在连接线的引导下进入激光器阵列内部实现电光转换。

3.如权利要求1所述的激光阵列热沉模块，其中基底材料为Si基底材料或AlN陶瓷基底材料。

4.如权利要求1所述的激光阵列热沉模块，其中基底材料的长度和宽度分别大于激光器阵列尺寸。

5.如权利要求1所述的激光阵列热沉模块，其中微带线的宽度与热沉厚度相匹配，热沉模块的特征阻抗为50Ω。

6.如权利要求1所述的激光阵列热沉模块，其中微带线的生长采用厚膜金属化法工艺，以保证基底材料晶格结构不被破坏。

7.如权利要求1或2所述的激光阵列热沉模块，其中屏蔽孔顶端截面中心处于两微带线中间，且其位置与微带线顶端位置并齐。

8.一种激光阵列热沉模块的制作方法，其包括：

步骤1、制作一块基底；

步骤2、在基底上生长一层微带线；

步骤3、在两微带线间两端中心位置处分别打两个小孔，使其贯穿基底，并使小孔位置安排于微带线间的两端；

步骤4、在所打的小孔中填充金属，制成带有金属填充的屏蔽孔；

步骤5、在两微带线间分布两端的两屏蔽孔之间布线，使两屏蔽孔之间电气连接；

步骤6、使屏蔽孔底端以及微带线所对应的基底底端全部接地；

步骤7、在基底上直接生长DFB激光器微阵列，其位置分别对应所述微带线一端；

步骤8、通过金属喷溅或者焊接技术，使所述DFB激光器阵列中的激光器与相应的微带线连接。