CN105589140A - 配备有多个信号源的发射器光学模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发射器光学模块，该发射器光学模块内部配备有两个以上的激光二极管(LD)。LD安装在与驱动电路独立的同一子安装台上并且以并联驱动模式由驱动电路驱动。LD的阴极独立地(即，与相邻LD的地线隔离)连接至驱动电路中的地线，但与机壳接地线隔离。

Description

配备有多个信号源的发射器光学模块

技术领域

本发明涉及一种配备有两个以上信号源的发射器光学模块。

背景技术

已知在该领域中存在一种发射器光学模块，该发射器光学模块安装有分别输出具有彼此不同的特定波长的光信号的两个以上半导体激光二极管(LD)。分别从LD输出的光信号被多路复用并从发射器光学模块输出作为波长复用信号。这种发射器光学模块安装有LD和用于将光束耦合至载体上的光学多路复用器的透镜。发射器光学模块还安装有位于其壳体内的有源电子元件和无源电子元件，例如，驱动LD的驱动电路、电容器和/或电感器。当LD被含有高频分量(有时超过10GHz)的信号驱动时，LD及其周围部件的组装需要考虑在高频信号传播期间高频信号质量的劣化。此外，当发射器光学模块安装有两个以上信号通道时，装配中还需要考虑通道之间的信号串扰。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种用于输出波长多路复用光信号的发射器光学模块。本发明的发射器光学模块包括两个以上激光二极管(LD)、多个子安装台、两个以上驱动器以及壳体。LD均具有阴极和阳极。LD通过使驱动电流从相应的阳极流动到阴极来发射光信号。子安装台均设置有至少两个芯片焊垫和至少两个焊盘。芯片焊垫均在自身上独立地安装至少两个LD，而至少两个焊盘用于将驱动电流独立地提供至安装在芯片焊垫上的至少两个LD。芯片焊垫和焊盘在相应的子安装台上彼此独立。驱动器均与LD对应，并且内部具有相应的信号地线。驱动器包括相应的开关晶体管，开关晶体管对提供至LD的阳极的驱动电流进行分流。壳体将LD、子安装台和驱动器包围在内部。壳体设置有与驱动器中的信号地线独立的机壳接地线。本发明的发射器光学模块的特征在于：LD的阴极被独立地引线接合到相应驱动器中的信号地线，而不连接至机壳接地线。

附图说明

参考附图并阅读本发明的优选实施例的以下详细描述将能够更好地理解前述和其他目的、方面和优点，其中：

图1示出了根据本发明实施例的发射器模块的从后侧顶部观察到的外观；

图2示出了实施例的发射器模块的从后侧底部观察到的外观；

图3是图1和图2所示发射器模块的内部的平面图；

图4A示出发射器模块的内部的主要部分，而图4B放大了配备激光二极管(LD)的部分；

图5A示出LD的剖视图，而图5B示出LD的透视图；

图6示出用于驱动LD的并联驱动器的电路图；

图7是用于安装LD的载体的透视图；以及

图8放大了根据本发明变型例的LD周围的部分。

具体实施方式

接下来，将在参考附图的同时对根据本发明的一些实施例进行描述。在附图的描述中，彼此相同或相似的数字或符号指的是彼此相同或相似的元件，而不进行重复说明。

在处理含有达到或有时超过10GHz以上高频分量的电信号的发射器光学模块或接收器光学模块中，带有这种高频信号的互连电路的特性阻抗不可避免地与电路元件的输入和/或输出特性阻抗匹配。在差动传输线的情况下，在金属线的宽度和将金属线安装在其上的基板材料的厚度中，微带线和/或共面线被设计成表现出50Ω或100Ω的特性阻抗。

然而，发射器光学模块和接收器光学模块的壳体内的传输线通过接合线(bondingwire)与壳体的端子和/或配备在壳体内的器件电连接。接合线不可避免地伴随有电感、电容和/或电阻的寄生分量，这使得难以将传输线的特性阻抗匹配为50Ω或特定特性阻抗。例如，即使接合线不是螺旋的，直径为50μm接合线也固有地伴随有约1nH/mm的寄生电感。因此，发射器光学模块或接收器光学模块被优选地设计成去除或最大程度减少互连电路的特性阻抗不匹配的部分。

当发射器光学模块仅配备有一个LD或仅发射与一个通道对应的一个信号时，在LD周围留有足够的空间来安装电子元件。然而，当发射器光学模块安装有两个以上LD来发射两个以上信号时，仅在各个LD周围留有有限的空间来安装电子部件，这使得难以用最小长度的接合线将各个LD与驱动LD的驱动器连接。本发明实施例提供了一些解决方案，以在不限制各部件的布置的情况下实现与LD的最短互连。

图1示出了根据本发明实施例的发射器光学模块的从后侧顶部观察到的外观，而图2示出了实施例的发射器光学模块的从后侧底部观察到的外观。如图1和图2所示，实施例的发射器光学模块1设置有壳体2和组装在壳体2的一侧的筒状联接部3。壳体2在与组装有联接部3的一侧相反的后部2a中布置有RF端子4和DC端子5。在下面的说明中，用“前方”和/或“向前”表示的方向与组装有联接部3的方向对应，而用“后部”和/或“背部”表示的另一方向是设置有端子4和5的一侧。然而，这些方向仅用于说明的目的，并不影响本发明的范围。

因为配备有如本实施例这样的发射器光学模块的光收发器严格限制其宽度，所以在模块的各侧不存在剩余的空间。例如，一个被称为能够进行全双工光通信且不可避免地同时安装有发射器光学模块和接收器模块的“CFP4”的多源协议(MSA)限定了其宽度约为21.5mm，这在与接收器模块并排布置的发射器光学模块的各侧中几乎没有留有空间。因此，本实施例的发射器光学模块1未在各侧2b布置端子，而仅在壳体2的后部2a引出RF端子4和DC端子5。

图3是图1和图2所示发射器光学模块的内部的平面图；图4A示出发射器光学模块的内部的主要部分；而图4B放大了组装激光二极管(LD)的部分。如图3所示，发射器光学模块1安装有多个光学元件和多个电气元件。数量与将从发射器光学模块1发射的信号对应。光学元件包括：四个LD11；四个光电二极管(PD)14，其分别感测相应LD11的输出功率；四个透镜系统16，其分别包括第一透镜16a和第二透镜16b；以及光学多路复用器15，其多路复用从各个LD11输出的光信号。电气元件包括：四个电感器12；集成电路(IC)23，其集成了用于驱动LD11的四个驱动器；热电冷却器(TEC)17，其控制LD11的温度；热敏电阻18，其感测TEC17的温度等。

在用诸如干燥氮气等惰性气体填充壳体2的内部之后，盖体7通过例如接缝密封剂气密地和牢牢地密封壳体2的内部。在联接部穿过由蓝宝石制成且设置在组装联接部的侧壁中的窗口之后，通过光学多路复用器15多路复用了从各个LD11输出的光信号的输出光束与固定在联接部中的插头中央的耦合光纤光学耦合。

联接部3包括套管盖件19和连接套管20。套管盖件19覆盖接纳固定在外部光纤的端部中的光学插芯的套管。连接套管20可以与套管光学对准，确切而言，穿过插芯插入到套管内的外部光纤与LD11光学对准。在外部光纤与光学多路复用器15通过所谓的三体对准光学对准之后，将套管盖件19和连接套管20焊接在壳体2上，从而获得外部光纤与各个LD11之间的预定耦合效率。壳体2还设置有多层陶瓷22和由例如铜钨(CuW)制成的底部8，RF端子4和DC端子5形成在多层陶瓷22上。TEC17被安装在壳体2的底部8上，以增强从TEC17到壳体2外部的散热功能。

多层陶瓷22包括陶瓷层22a和刺穿陶瓷层22a的导通孔。陶瓷层22a在壳体2外部提供与RF端子4和DC端子5电连接的互连电路。确切而言，多层陶瓷22将DC端子5设置在其顶面22b，而将RF端子4设置在背面22c中。RF端子4包括用于携带四个差分信号的四(4)对信号端子，即，总共八(8)个端子。DC端子5包括用于向各个LD11供应偏压的四个端子、用于向TEC17供电的两个端子、引导至热敏电阻18的两个端子、用于向IC23供电的一个端子、用于控制IC23的两个端子以及一些接地端子。因此，与发射器光学模块仅安装有一个LD的布置相比，配备有两个以上通道的发射器光学模块1需要多个端子。安装有两个以上LD的常规发射器光学模块设置有分别用于输出各个PD的输出来控制LD的各个输出功率的DC端子。尽管发射器光学模块包括四个LD11，但本发射器光学模块1未设置有用于从PD14提取所监测的功率的DC端子。相反，将来自PD14的监测结果输入到IC23，IC23将该结果转换成数字形式，并且通过两根控制线输出。

如上所述，发射器光学模块1配备有分别输出相应光信号的四个LD11和用于多路复用光信号的光学多路复用器15，光信号的波长专用于LD11并且彼此不同。下面的说明假定LD11的数量为四(4)；但发射器光学模块1也可以安装两个以上LD11，也就是说，LD11的数量不限于实施例中的数量。

参考图3，放置在壳体2的底部8上的TEC17安装有IC23、四个LD11、四个PD14、光学多路复用器15和热敏电阻18。IC23安装有四个电感器12，IC23与电感器12之间插有间隔件28。各个LD11、各个电感器12、各个PD14和各个透镜系统16相对于将联接部3连接至多层陶瓷22的发射器光学模块1的纵轴线横向并排布置或以阵列形式布置。在本实施例中，热敏电阻18安装在透镜系统16的一侧。然而，发射器光学模块1也可以配备有设置在透镜系统16的相应侧的两个热敏电阻。

将进一步具体描述壳体2中的主要部分，TEC17上安装有载体32，而载体32安装有IC载体30、用于LD11的两个子安装台31和热敏电阻载体36。IC载体30安装有IC23和位于IC23的相应侧的电路基板27。如上所述，IC23安装有间隔件28，间隔件28安装有电感器载体25，而电感器载体25安装有电感器12并设置有四个互连电路25b，每个互连电路25b被相应的切口分为两部分，其中电感器12被放置成桥接分开的互连电路25b。

由氮化铝(AlN)制成的两个子安装台31相对于发射器光学模块1的纵向并排设置在载体32上，并且将IC23夹设在两个子安装台31与多层陶瓷22之间。每个子安装台31也并排安装有两个LD11。两个电路基板27设置在IC23的相应两侧。热敏电阻载体36设置在电路基板27的与多层陶瓷22相反的一侧。

分别从LD11输出的光束穿过相应的透镜系统16与光学多路复用器15光学耦合，透镜系统16均包括第二透镜16b和更靠近LD11的第一透镜16a。这些第一透镜16a和第二透镜16b通过树脂(确切而言为紫外线固化树脂)固定在载体32上。参考图7，为了限制树脂扩散到相邻的用于透镜16a、16b的区域，载体32设置有用于分隔这些区域的凹槽32a。

如图4B所示，子安装台31设置有两个焊盘31a和两个芯片焊垫31b，其中，焊盘31a设置用于接合线，而芯片焊垫31b设置用于将LD11接合在其上。接合线B2从焊盘31a延伸到LD11的顶部，而其它接合线B3、B4从LD11的焊垫111r、111t延伸到IC23。另外，另一接合线B3从芯片焊垫31b的额外区域引线接合(wirebonding)到IC23。LD11的阳极电极被引线接合到子安装台31上的焊盘31a上，并且该焊盘31a通过接合线B1被引线接合到电感器载体25上的互连电路25B。由此描述的焊盘31a和芯片焊垫31b的布置可以提高LD11的DC模式中的可测试性，LD11被芯片接合在芯片焊垫31b上，但子安装台31仅放置在用于DC测试的金属载体上。子安装台31上的芯片焊垫31b与设置在子安装台31背面中的背部金属电连接，该背部金属面向金属载体并且与金属载体电接触。在将接合线B2引线接合之后且在将接合线B1、B3和B4引线接合之前进行焊盘31a与金属载体之间的探测，可以容易地实施LD11的DC测试。

接下来，将对LD11的结构进行描述。图5A示出LD11的剖视图，而图5B示出LD的透视图。实施例的LD11通过所谓的并联驱动来驱动。

如图5A所示，LD11包括半导体基板111a、下部包层111b、有源层111c、上部包层111d和接触层111e。各层111b至111e以该顺序在半导体基板111a上外延且依次生长，并形成LD11中央的台面。本实施例的半导体基板111a可以n型半导体材料制成。LD11在台面的各侧还设置有嵌入层111m。在台面的相应两侧形成有两个凹槽，以挖出嵌入层111m和下部包层111b的一部分。LD11的整个表面都覆盖有绝缘层111s(其通常被称为保护层)，以机械地和化学地保护台面和外延层，具体而言，保护层111s可以防止湿气侵入这些生长层。保护层111s在台面顶部和凹槽之一的底部均设置有开口，通过顶部开口可以露出接触层111e，而通过底部开口可以露出下部包层111b。欧姆电极111f形成为与露出的接触层111e接触，而另一欧姆电极111h形成为与露出的下部包层111b接触。

互连电路111p从台面顶部的欧姆电极111f引出，而另一互连电路111n从凹槽底部中的另一欧姆电极111g引出。在保护层111s上延伸的互连电路111p、111n与相应的焊垫111r、111t接触。LD11还在半导体基板111a的背面设置有背部金属111g。因此，本实施例的LD11可以在其顶面设置有与阳极111f和阴极111h连接的电极。另外，因为半导体基板111a由n型半导体材料制成，所以LD11的阴极可以从背部金属111g引出。如图5B所示，实施例的LD11设置有用于LD11的阳极和阴极的两个焊垫111r、111t。此外，焊垫111r具有伸长的圆形形状，这使得它易于引线接合两根导线。在边射型LD的常规结构中，阳极电极或阴极电极不可避免地从半导体基板的背面引出，这极大地限制了LD的组装。因为本实施例的LD11在其顶面上设置有阳极电极和阴极电极这二者，所以本实施例的LD的组装可以提高其组装的灵活性。

图6示出用于驱动LD11的并联驱动电路的电路图。并联驱动电路包括开关晶体管SW-Tr，开关晶体管SW-Tr用于切换从LD11与晶体管SW-Tr之间的电流源提供的电流。具体而言，与LD11并联的晶体管SW-Tr串联连接到该电流源(在图6中未示出)，该电流源通过电感器12连接在接合线B5的上游。当晶体管SW-Tr被提供至其栅极的驱动信号导通时，来自电流源的驱动电流的几乎所有部分都在晶体管SW-Tr中流动，使得基本上不向LD11供应电流。另一方面，当晶体管SW-Tr被提供至其栅极的调制信号关闭时，来自电流源的驱动电流的几乎所有部分都在LD11中流动。因此，LD11可以被电调制。

因为用于LD11的驱动信号的频率分量超过10GHz，所以对于LD11的运行而言必须要考虑接合线B1至B5的寄生电感和焊盘31a的寄生电容C31a等。但是可以忽略DC端子24、接合线B5、焊垫25a、互连电路25b等的寄生分量，因为这些元件用于DC信号或仅含有低频分量的信号。也就是说，从IC23输出的驱动信号可能会通过焊盘31a和接合线B1泄漏到电感器载体25；但接合线B2中的寄生电感和电感器12可以有效地将电感器载体25上的互连电路25b与驱动信号隔离开。

来自外部电流源且在电感器12中流动的电流通过接合线B1被提供给子安装台31上的焊盘31a。另外，如图4B所示，芯片焊垫31b的与LD11的背部金属111g连接且通过半导体基板111a与LD11中的LD11的阴极焊垫111t或阴极111h连接的额外区域通过接合线B3被引线接合到IC23的接地电极23a。接合线B4将LD11上的阳极焊垫111r连接至IC23上的焊垫23b。阳极焊垫111r通过接合线B2被引线接合到焊盘31a上。LD11上的阳极焊垫111r具有细长的圆形形状，阳极焊垫111r的几乎一半被设置用于接合线B2，而阳极焊垫111r的剩余部分用于接合线B4。

尽管如图6的电路图所示LD11的阴极通过接合线B3接地，但接地连接是在IC23内进行的。具体而言，LD11的阴极焊垫111t被引线接合到IC23的接地焊垫23a。IC23将输出焊垫23b放置在两个接地焊垫23a之间，IC23的另一接地焊垫23a被引线接合到芯片焊垫31b的额外区域，该额外区域通过背部金属111g和半导体基板111a与LD11的阴极电连接。也就是说，LD11的背部金属111g在IC23中接地并且与LD11的阴极111h连接。然而，因为子安装台31由绝缘材料制成，确切而言由氮化铝(AlN)制成，所以芯片焊垫31b与用于机壳接地线的壳体2电隔离。如上所述，子安装台31顶部上的芯片焊垫31b通过在子安装台31侧面中延伸的互连电路与设置在子安装台31背面中的背部金属电连接。另外，即使子安装台31的背部金属与设置在载体32中的金属焊垫连接，载体32上的焊垫也能够与壳体2电隔离，因为载体32由绝缘材料制成，在本实施例中由AlN制成。也就是说，LD11的阴极111h与壳体2的机壳接地线电隔离。此外，如上所述，在LD11与IC23之间，与IC23中的地线连接的两根接合线B3将接合线B4放置在这两根接合线B3之间，这模拟了微带线，从而抑制在接合线B4上传播的信号的质量的劣化。

在图6所示的并联驱动电路中，通过电感器12提供的电流在晶体管SW-Tr与LD11之间被分流。该电流作为脉动流在接合线B3中流动，这会引起电磁干扰(EMI)噪声。因此，要考虑到安装在LD隔壁的另一LD11可能会受到EMI噪声的影响，这通常称为通道之间的串扰。在本发明的发射器光学模块1中，LD11的阴极111h在IC23中接地，并且作为接地焊垫的芯片焊垫31b独立于相邻的芯片焊垫31b。即使子安装台31上安装有两个LD11，芯片焊垫31b也独立于相应的LD11，并且子安装台31的背部金属也独立于各自的LD11。此外，设置在载体32上的金属焊垫被划分成用于子安装台31的各个背部金属。因此，LD11在IC23中独立地接地。芯片焊垫31b(即，独立接地焊垫)的这种布置可以有效地抑制相邻信号通道之间的串扰。

当用于相应LD的芯片焊垫31b在子安装台31中具有相同的图案时，即，彼此不进行区分时，在一个LD11中引起的接地噪声会对子安装台31上的其他LD11的运行造成影响。当LD11的阴极周围的互连电路形成为足够短时，可以基本上忽略接地噪声。然而，实际上，到阴极的互连电路具有相当大的长度，因此必然应当考虑LD11之间的串扰。具体而言，LD11由含有超过10GHz的高频分量的相应信号驱动，可能不能避免穿过地线的串扰。

因此，本实施例的发射器光学模块1、用于LD11的信号地线在相应LD周围被物理隔离，并且连接至IC23来驱动LD11。信号地线的这种布置可以有效地抑制信号通道之间的串扰。

图7是用于安装LD的载体32的透视图。载体32设置有用于在上面安装子安装台31的四个图案32d。一侧的两个图案32d安装子安装台31，而另一侧的其他两个图案32d安装另一子安装台31。子安装台31的面向载体32的背面设置有与图案32d对应的两个背部金属。子安装台31通过焊接固定在载体32上。然而，过量的焊料有时会渗出，从而从金属图案32d延伸到相邻图案。因此，载体32在两个图案32d之间设置有凹槽32c，以防止过剩的焊料渗出到相邻图案并隔离图案。另外，载体32在安装透镜16a、16b的区域之间设置有其它凹槽32a。这些凹槽32a还可以吸收过剩的树脂。

图8放大了根据本发明变型例的LD11周围的部分。图8所示的实例设置有将LD11上的阴极焊垫111t连接至IC23上的接地焊垫23a的重复接合线B3和将芯片焊垫31b的额外区域连接至IC23上的接地焊垫23a的其他接合线B3。重复接合线B3可以降低其阻抗，以使接地电位和LD11的运行稳定。另外，可以进一步有效地降低同一子安装台31上的LD11之间的串扰。

出于说明和描述的目的提供了本发明的具体实施例的前述描述。实施例并非旨在将本发明限制于所公开的确切形式，显然，根据上述教导许多修改和变化是可能的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明及其实际应用，从而使本领域技术人员能够根据所设想的具体用途最好地利用本发明的各种实施例和各种修改。目的在于通过所附权利要求书及其等同内容限定本发明的范围。

Claims (7)

1.一种用于输出波长多路复用光信号的发射器光学模块，包括：

两个以上的激光二极管，其均具有阴极和阳极，并且通过使驱动电流从所述阳极流动到所述阴极来发射光信号；

多个子安装台，其均设置有用于在上面独立地安装至少两个激光二极管的至少两个芯片焊垫和用于将驱动电流独立地提供至所述至少两个激光二极管的至少两个焊盘，所述芯片焊垫和所述焊盘在所述子安装台上是独立的；

两个以上的驱动器，其均与所述激光二极管对应，并且内部具有相应的信号地线，所述驱动器包括相应的开关晶体管，所述开关晶体管对提供至所述激光二极管的所述阳极的驱动电流进行分流；以及

壳体，其将所述激光二极管、所述子安装台和所述驱动器包围在内部，所述壳体设置有机壳接地线，

其中，所述激光二极管的所述阴极被独立地引线接合到相应驱动器中的信号地线，而不连接至所述机壳接地线。

2.根据权利要求1所述的发射器光学模块，

其中，每个所述激光二极管具有顶面和背面，所述顶面上设置有所述阳极和所述阴极，所述背面设置有背部金属，所述背部金属面向并且接触所述子安装台上的与所述激光二极管对应但不与所述激光二极管内的所述阳极和所述阴极连接的所述芯片焊垫，并且

各个所述芯片焊垫独立地引线接合到与安装在所述芯片焊垫上的所述激光二极管对应的各个信号地线。

3.根据权利要求2所述的发射器光学模块，

其中，所述激光二极管的每个所述阴极通过两根以上的接合线引线接合到与所述激光二极管对应的所述驱动器中的信号地线。

4.根据权利要求1所述的发射器光学模块，

其中，每个所述芯片焊垫通过两根以上的接合线引线接合到与所述激光二极管对应的所述驱动器中的信号地线。

5.根据权利要求2所述的发射器光学模块，

其中，所述激光二极管的每个所述阳极通过接合线引线接合到与所述激光二极管对应的每个所述驱动器，并且

将所述激光二极管的所述阳极连接至与所述激光二极管对应的所述驱动器的接合线设置在如下两根接合线之间：将所述激光二极管的所述阴极连接至与所述激光二极管对应的所述驱动器中的信号地线的接合线以及将所述子安装台上的所述芯片焊垫连接至与所述激光二极管对应的所述驱动器中的信号地线的另一接合线。

6.根据权利要求1所述的发射器光学模块，

还包括电感器，驱动电流通过所述电感器被提供至相应的激光二极管，

其中，所述驱动器被集成在同一半导体器件中，并且

所述电感器安装在所述半导体器件上，使得所述电感器与所述半导体器件之间放置有间隔件，并且通过在所述电感器与所述子安装台上的焊盘之间延伸的接合线和将所述焊盘连接至所述激光二极管的所述阳极的其他接合线，每个所述电感器与所述激光二极管的相应阳极连接。

7.根据权利要求6所述的发射器光学模块，

其中，所述激光二极管中的至少一个激光二极管包括具有伸长的圆形形状的所述阳极，所述伸长的圆形形状具有用于延伸至所述驱动器的接合线的区域和用于延伸至所述子安装台上的所述焊盘的另一接合线的剩余区域。