CN103809254B - 装有热电控制器的发送器光学组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发送器光学组件。该发送器光学组件包括多个LD，每个LD发射具有彼此不同的特定波长的光；TEC，其在底板中包括柱体，通过柱体提供驱动TEC的电路；以及主体部分，其包括由多层陶瓷制成的电插塞。多层陶瓷的最下层陶瓷层中提供了电焊盘以经由柱体向TEC提供电流。柱体和焊盘构造成并排地布置，由此TEC中的柱体被布置在最下层陶瓷层中的两个焊盘之间。

Description

装有热电控制器的发送器光学组件

技术领域

本发明涉及内部安装有热电控制器（下面表示为TEC）的发送

器光学组件。

背景技术

发送器光学组件被用作光学通信系统的光学信号源和/或光纤放大器的泵源。发送器光学组件内部安装有将电信号转换为光信号的半导体激光二极管（下面表示为LD）。由于LD的发射波长密切依赖于LD的工作温度，因此发送器光学组件通常装有TEC，以保持LD温度恒定。美国专利USP6821030、USP7106978和USP8213472，已经披露了这种内部安装有TEC的发送器光学组件。

发明内容

本申请提出了一种改进的布置方式以向安装在发送器光学组件内的TEC供电。

根据一个实施例的发送器光学组件包括多个LD、TEC、以及将LD和TEC封闭在内的主体部分。TEC包括底板，底板上提供有向TEC供电用的柱体。主体部分包括由多层陶瓷制成的电插塞。多层陶瓷提供有焊盘，驱动TEC的电流是通过焊盘供给的。发送器光学组件的特征是多层陶瓷中的焊盘和TEC底板上的柱体并排地布置，使得柱体放置于焊盘之间；并且焊盘通过结合配线与柱体连接在一起。

一个实施例包括最下层陶瓷层和设置在最下层陶瓷层上的第一陶瓷层。焊盘形成在最下层陶瓷层的上表面上。第一陶瓷层的上表面和背面上提供互连部。最下层陶瓷层上的焊盘电性连接至在第一陶瓷层的背面上形成的互连部，并且处于主体部分的外部。TEC的底板被滑到最下层陶瓷层之下；同时，第一陶瓷层仅在两侧边将最下层陶瓷层的上表面暴露出来。从而，将TEC的底板上的柱体置于形成在最下层陶瓷层的被暴露的上表面上的焊盘之间。

附图说明

将参考以下附图描述非限制性和非详尽的实施例：

图1示出了根据实施例的发送器光学组件的外观；

图2示出了图1所示的发送器光学组件的内部；

图3示出了图1和图2所示的发送器光学组件的侧剖图；

图4显示了配有柱体和最低陶瓷层的TEC，最低陶瓷层上的焊盘与柱体并排地布置；

图5是平面图，示出了柱体、焊盘和将焊盘电性连接至柱体的结合配线；

图6放大了多层陶瓷的后部，多层陶瓷的最下层的上表面上设置有焊盘；

图7示出了配有柱体和多层陶瓷的TEC的侧剖图，其中多层陶瓷的最下层的上表面上配有焊盘；

图8示出了根据另一个实施例的发送器光学组件的内部；以及

图9示出了TEC、TEC上的电气元件以及图8中示出的发送器光学组件内实现的多层陶瓷的侧剖图。

具体实施方式

将参照附图描述一些实施例。图1至图3中所示的发送器光学组件包括封装件内的多个LD，并且每个LD发射的光的特定波长彼此不同。这样的发送器光学组件安装在适用于波分复用（WDM）系统的光收发器内。

图1示出了根据实施例的发送器光学组件10的外观。图中所示的发送器光学组件10主要包括主体部分11和耦合部分12。主体部分11呈箱状且配有顶板13以将主体部分的内部密闭地封闭起来。主体部分11的后端设置有电插塞从而与外部电路进行电通信。耦合部分12与主体部分11的位于电插塞14的相反侧的内壁组装到一起。仅为便于解释，下面的描述将假定组件10的前侧与设置耦合部分12的一侧相对应；同时，后侧是形成有电插塞14的一侧。

图2是从前上方观察的光学组件的透视图，其中移除了主体部分11的一部分以示出其内部。主体部分11内部安装有TEC21、LD32、驱动器33以及一些光学元件。LD32和驱动器33借助第一承载板30被安装在TEC21上；同时，例如第一透镜36、监测用光电二极管（下面表示为PD）38、光多路复用器39和第二透镜40等光学元件借助第二承载板35被安装在TEC21上。更具体地说，LD32借助LD子座31被安装在第一承载板上；同时，监测用PD38借助分束器37被安装在第二承载板35上。第一承载板30上还安装有配线基板34。两个承载板30和35优选地由具有良好导热率的材料制成，例如氮化铝（AIN）、铜钨合金（CuW）、Si，等等。

每个LD32发射的光的特定波长相互不同。光多路复用器39依赖光的波长对光进行复用，以生成将要经由第二透镜40与单根光纤耦合的单束光束。图中所示的实施例安装了四个LD；并且LD32发射的光的波长遵循LAN-WDM标准，在该标准中，与下一网格（grid）的波长差被限定在5nm左右。如已经解释的，主体部分11呈5mm²至8mm²的箱状。耦合部分12接纳紧固在外部光纤的顶端处的外部插芯，将主体部分11中的LD与外部光纤光学耦合在一起。向外延伸的电插塞14由多层陶瓷制成；图中所示的实施例具有四层陶瓷层15至17以及44。

电插塞14的第一陶瓷层15包括：上表面18，上表面18上形成有电焊盘18b；以及背面20，背面20上可以形成有其他电焊盘，但是并没有在图中明确示出。电插塞14经由例如柔性印刷电路（FPC）板电性连接至外部电路和/或经由与焊盘18b接触的引线端子电性连接至电连接器。

安装在第一承载板30上的驱动器33利用结合配线50电性连接至配线基板34和LD32。配线基板34以微带线（micro-strip line）和/或共面线的布置提供互连部，从而确保了传输阻抗。由于驱动器33或LD32以达到或偶尔超过10Gbps的速度运行；所以传输线与驱动器33和LD32的阻抗匹配是保持信号质量的关键因素之一。配线基板34上的互连部抑制了由于阻抗失配及延长的结合配线所造成的信号质量的下降。

本实施例的发送器光学组件10还提供用于抑制信号衰减的布置方式；即，配线基板34的顶部水平面、形成有与电焊盘18b的互连部的第一陶瓷层18的顶部水平面、以及驱动器33的顶部水平面基本对准；这进一步缩短了结合配线的长度。

在应用至波分多路复用（WDM）系统的发送器光学组件中，LD的操作温度的精确控制是不可避免的，这是因为LD固有地显示出其性能与温度具有大的相关性。例如，发射波长、发射效率等大大地取决于操作温度。本实施例的发送器光学组件10安装了大尺寸的TEC来控制LD32、驱动器33以及光多路复用器39的温度。TEC21被安装在主体部分11的底部11a。

本实施例的第一承载板30和第二承载板35设置在TEC21的处于主体部分11的前部和后部处的顶板22上。虽然LD32在本实施例中被安装在各个LD子座31上，但是LD子座31可以一体地形成为单个主体。第一承载板30或LD子座31安装有温度传感器以检测LD32的温度或驱动器33的温度，以便在预设条件下设置器件32或33的温度。

驱动器33集成有多个LD驱动器，其中每个LD驱动器单独地驱动各自的LD32。驱动器33还可集成有自动电力控制（APC）电路，以便通过将监测用PD38的输出反馈至APC电路来保持LD32的平均输出功率恒定。驱动器33可集成有分别针对各个LD32操作的四个APC电路。LD32经由结合配线50从驱动器33接收驱动信号。

第二承载板35安装有光学元件，即，第一透镜36、监测用PD38、光多路复用器39以及第二透镜40。第一透镜36以阵列形式的布置方式设置在各个LD32的前方，由此使从各个LD32发出的光束会聚。会聚光束进入安装有监测用PD38的分束器37。分束器37将会聚光束的一部分（主要部分）传输至光多路复用器39；同时将会聚光束的剩余部分反射至监测用PD38。光束的剩余部分是会聚光束的1%-10%。安装在分束器37上的监测用PD38接收会聚光束的这样划分的剩余部分，并产生光电流。该光电流被反馈至APC电路以便保持各个LD32的输出功率恒定。

接下来，将详细描述TEC21周围的布置。TEC21包括顶板22、底板23以及布置在这两个板22和23之间的多个帕尔贴（peltier）元件24。底板23面向主体部分11的底部11a并与该底部11a有物理接触；而顶板22的上表面25上借助承载板30和35安装了光学和电气元件。顶板22向后延伸至刚好处于电插塞14中的第一陶瓷层15的前方。而且，上表面25的水平面被设置在第一陶瓷层15的上表面18和第四陶瓷层44的上表面45之间。

TEC22的底板23的后端滑到第一陶瓷层15和第四陶瓷层44的下方。底板23的未被顶板22覆盖的部分提供了相对于主体部分11的纵向并排布置的柱体26。柱体26在本实施例中具有矩形截面，但是也可应用具有圆形截面的支柱形状。柱体26的顶部电性连接至第四陶瓷层44的上表面45中的电焊盘。

图4是主体部分11内设置的TEC21的透视图；图5是平面图；图6放大了主体部分11的后端以显示TEC21周围的布置。参考图6，在本实施例中，电插塞14包括第一陶瓷层至第四陶瓷层15至17和44，其中第四陶瓷层44是最下层，而第三陶瓷层17是最上层。虽然本实施例提供了四个陶瓷层，但是主体部分11可由五个或更多个陶瓷层形成。

第一陶瓷层15向外及向内延伸以形成阶梯部分，在阶梯部分中布置有外部焊盘18b、内部焊盘以及将它们连接起来的互连部。附图没有明确地图示后两个元件（即，内部焊盘以及互连部）。上表面18的内边缘18c的各个侧边退缩以暴露第四陶瓷层44的上表面45，从而形成最下层44的暴露区域45a和45b。

布置在第一陶瓷层15上的第二陶瓷层16提供了从主体部分11内侧暴露的上表面19。上表面19的前边缘退缩以暴露第一陶瓷层15的上表面18。第二陶瓷层的上表面19还形成有与驱动器33电性连接的互连部。由于上表面19未延伸至主体部分11外部，所以穿透第二陶瓷层16的通孔将上表面19的互连部电性连接至第一陶瓷层15的上表面18上形成的互连部。因此，布置在上表面19上的互连部优选地用于包含更低频率的信号。

布置在第二陶瓷层16上的第三陶瓷层17被构造成壁部，从而在主体部分11中形成腔体。第三陶瓷层17暴露出第二陶瓷层16的上表面19。同时，第四陶瓷层44被布置在第一陶瓷层15的下面，而且设置有从主体部分11内部及其各个侧边暴露的上表面45。

上表面45的暴露区域45a和45b上提供了电焊盘46。由于第四陶瓷层44的上表面45仅仅在主体部分11的各个侧边中暴露出来以形成上表面45的暴露区域45a和45b，所以TEC21的底板23可在上表面45的暴露区域45a和45b之间延伸。也就是说，底板23的后端被设置在上表面45的暴露区域45a和45b之间的切口中。而且，底板23的后部提供了柱体26来向TEC21提供电流。由此，底板23上的柱体26以及上表面45上的电焊盘46并排地布置。通过利用结合配线48将电焊盘46连接至柱体26，来提供驱动TEC21的电流。两个电极26和46的该布置方式适合于以更短的长度绘制多个结合配线48。而且，可以仅仅通过堆叠陶瓷层14和15而不进行陶瓷材料的裁剪、加工等来形成电极的并排布置。

电焊盘46通过穿透第一陶瓷层15的通孔连接至在电插塞14中制备的焊盘18b。当电焊盘46被连接至第一陶瓷层15的背面中所形成的另一焊盘（附图中未示出）时，电焊盘46被直接连接至这些焊盘，而不经过任何通孔。如图所示，利用柱体26连接两个电焊盘46的结合配线48以相对较短的长度横向地延伸过主体部分11。

图7示出了TEC21的侧剖图，示出了TEC21、第一陶瓷层15、第四陶瓷层44、以及结合配线48的位置关系。如图7所示，结合配线48的顶部水平面低于TEC21的上表面25。由此，第四陶瓷层44的上表面45和柱体26的顶部被设置在低于TEC21的上表面25的水平面中。由此，即使当第一承载板30从TEC21的上表面25的边缘向后突出时，第一承载板30也不干扰结合配线48。

如图3所示，配线基板34也从第一承载板30的边缘向后突出，从而使配线基板34的后边缘设置成更靠近第一陶瓷层15的前边缘。这一布置方式实现了第一陶瓷层15的上表面18上的互连部经由更短的结合配线与配线基板上的互连部进行连接。由于光学地确定了测得的LD32相对于主体部分的前壁的位置，而且驱动器33具有有限的平面尺寸，所以驱动器33的后边缘有时候远离第一陶瓷层15的前边缘，这很可能导致驱动器33和第一陶瓷层15之间的结合配线延长。具有可选长度的配线基板34可补偿这种延长的结合配线。缩短的结合配线可抑制高频下的信号质量的劣化。

在另一情况下，当第一陶瓷层15的上表面18上的电极之间的间距远远不同于驱动器33上形成的焊盘之间的间距时，配线基板34被提供给器件以转换间距。驱动器33是硅晶圆上的集成电路（IC），并且具有最小的裸片面积用于在其中构建必要的电路。由此，驱动器33上的焊盘之间的间距被设计为最多100μm至200μm。另一方面，电焊盘14中布置的电极通常具有最小200μm至400μm的间距。而且，当光学组件具有以超过10Gbps操作的多个通道并且驱动器33内的焊盘的间距不同于电极的间距时，最外的互连部上承载的信号与最内的互连部上承载的信号之间的时滞变大。通过将配线基板34上的互连部绘制成使得内部互连部的长度基本等于外部互连部的长度，而使配线基板34足够地补偿上述时滞。

TEC21、柱体26和第四陶瓷层44的电焊盘46的布置方式使得电插塞14仅仅形成在主体部分11的后端。因此，可以容易地获取具有窄小宽度的发送器光学组件。即使组件安装了多个光源以实现40Gbps和/或100Gbps的总传输速度，这样的组件也可安装在新提出的具有LC类型光学连接器的收发器类型的CFP2、CFP4等内。

图8和图9示出了另一实施例，其中图8和图9所示的发送器光学组件去除了第一承载板30上布置的将第一陶瓷层15上的互连部电性连接至驱动器33A的配线基板34。当驱动器33A内形成的焊盘具有与第一陶瓷层18上的电极18b的间距基本相等但相对较宽的间距时，由于驱动器33内部集成有补充电路并且裸片面积由此不可避免地变大，所以发送器组件10可移除配线基板34。图9所示的实施例将驱动器33A的后端设置成靠近第一陶瓷层15的前边缘。图8和图9所示的布置方式去除了将配线基板34上布置的互连部连接至驱动器33A的结合配线50，这就抑制了由于结合配线的存在而造成的劣化。

在前面详述的说明中，已经参考具体示例实施例描述了本发明的发送器光学组件。但是，显然，可以在不偏离本发明的更宽的精神和范围的情况下做出各种修改和变型。由此，说明书和附图被看作是示例性的而不是限制性的。

Claims (14)

1.一种发送器光学组件，包括：

半导体激光二极管，其用于发射具有特定波长的光；

热电控制器，其用于控制所述半导体激光二极管的温度，所述热电控制器包括底板和布置在所述底板上的柱体；以及

主体部分，其构造为在内部密封地封闭所述半导体激光二极管和所述热电控制器，所述主体部分包括由多层陶瓷制成的电插塞，所述多层陶瓷包括最下层陶瓷层，所述最下层陶瓷层的上表面上提供电焊盘，所述电焊盘经由所述柱体向所述热电控制器提供电流，

其中，所述热电控制器的底板上的所述柱体的水平面比所述最下层陶瓷层的上表面的水平面低，并且

所述柱体和所述焊盘构造成并排地布置并经由结合配线电性连接在一起。

2.根据权利要求1所述的发送器光学组件，

其中，所述热电控制器的底板被滑到所述多层陶瓷的最下层陶瓷层之下。

3.根据权利要求1所述的发送器光学组件，

其中，所述多层陶瓷还包括位于其最下层陶瓷层上的第一陶瓷层，以及

所述第一陶瓷层提供了将所述主体部分的内部与所述主体部分的外部进行电性连接的互连部，所述第一陶瓷层的互连部提供了位于所述主体部分之外的端部中的电焊盘。

4.根据权利要求3所述的发送器光学组件，

其中，所述第一陶瓷层的上表面和背面提供了互连部，所述最下层陶瓷层的上表面上的焊盘电性连接至所述第一陶瓷层的背面中的互连部。

5.根据权利要求1所述的发送器光学组件，

其中，所述结合配线的顶部水平面比所述热电控制器的顶部水平面低。

6.根据权利要求1所述的发送器光学组件，还包括：

包括所述半导体激光二极管和其他半导体激光二极管在内的多个半导体激光二极管、驱动器和光多路复用器，所述多个半导体激光二极管各自均发射具有彼此不同的特定波长的光，所述驱动器电驱动所述多个半导体激光二极管，所述光多路复用器对所述多个半导体激光二极管发射的光进行多路复用；

其中，所述多个半导体激光二极管、所述驱动器和所述光多路复用器被安装在所述热电控制器上。

7.根据权利要求6所述的发送器光学组件，

其中，所述多个半导体激光二极管和所述驱动器借助第一承载板安装在所述热电控制器上，而且所述光多路复用器借助第二承载板安装在所述热电控制器上。

8.根据权利要求7所述的发送器光学组件，还包括：

安装在所述第一承载板上的配线基板，所述配线基板提供了电性连接至所述驱动器的互连部。

9.根据权利要求8所述的发送器光学组件，

其中，所述配线基板从所述第一承载板的边缘开始延伸。

10.根据权利要求7所述的发送器光学组件，

其中，所述第一承载板从所述热电控制器的顶板的边缘开始延伸。

11.根据权利要求6所述的发送器光学组件，

其中，所述多层陶瓷包括最下层陶瓷层以及位于所述最下层陶瓷层上的第一陶瓷层，所述电焊盘被布置在所述最下层陶瓷层的上表面上，而且

所述第一陶瓷层提供了将所述主体部分的内部与所述主体部分的外部进行电性连接的互连部，所述第一陶瓷层的互连部提供了位于所述主体部分之外的端部中的电焊盘。

12.根据权利要求11所述的发送器光学组件，

其中，所述第一陶瓷层仅仅在两侧边暴露出所述最下层陶瓷层的上表面，从而形成所述最下层陶瓷层的上表面的暴露区域，以及

所述热电控制器的底板上的柱体被布置在所述最下层陶瓷层的上表面的被所述第一陶瓷层暴露的暴露区域之间。

13.根据权利要求6所述的发送器光学组件，

其中，所述结合配线的顶部水平面比所述热电控制器的顶部水平面低。

14.根据权利要求1所述的发送器光学组件，还包括：

在所述主体部分的一侧组装起来的耦合部分，所述主体部分的组装有所述耦合部分的一侧与形成有所述电插塞的一侧相反，

其中，所述主体部分的两侧边不提供将组装有所述耦合部分的一侧与形成有所述电插塞的一侧连接起来的电结构。