CN109387909B - 配有激光二极管的光学组件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种光学组件，其设有馈通部，以输送从半导体光学器件输出和/或提供到半导体光学器件的电信号。馈通部具有信号盘和至少两个接地盘，信号盘上输送电信号，至少两个接地盘将信号盘置于其间。馈通部进一步设有腔，腔设置在信号盘以及均在信号盘与接地盘之间的空间的下方。

Description

配有激光二极管的光学组件
技术领域
本申请涉及安装有两个或更多个半导体激光二极管的光学组件。
背景技术
日本专利公开特许公报No.JP-H11-214556A公开了一种馈通部，其配备在安装有用于高频应用的半导体器件的半导体封装件中。这里所公开的馈通部(传输高频信号)设有在电介质基板上的互连部。互连部以其间具有空间的状态彼此平行地布置。这些空间提供填充有空气的各个凹槽。另一日本专利公开特许公报No.JP-H05-037062A公开了一种半导体激光二极管(LD)组件，其具有气密密封的封装件，该封装件将LD封闭在其中。
一种类型的光学组件已应用于高速光学通信领域。这种光学组件必须提供或提取具有高频率的信号而不会使信号的质量劣化。阻抗匹配的条件有利于保持信号质量。然而，传输线和/或信号盘(在其上输送信号并且对阻抗匹配具有主要影响)有时变得难以实现设计阻抗。例如，这样的传输线和/或信号盘构造有伴随接地层的微带线(micro-stripline)。为了确保设计阻抗，传输线和/或信号盘必须具有足够的宽度，而从使光学组件紧凑的观点来看，该足够的宽度是不可接受的。上面列出的专利文献中已公开了一种解决方案，其中组件设有在信号盘与接地盘之间的凹槽。然而，这样的凹槽有时会接收过量的焊料，这会使信号盘与接地盘之间的寄生电容从设计的寄生电容改变，或者偶然地在信号盘到接地盘之间产生短路。
发明内容
本发明的一方面涉及一种光学组件，其包括半导体光学器件、外壳以及馈通部。半导体光学器件将信号在电形式与光形式之间进行转换。外壳将半导体光学器件封闭在其中。馈通部可以由绝缘材料制成，被附接到外壳并且具有互连部、信号盘以及将信号盘置于其间的至少两个接地盘。信号盘与互连部相连。电信号在互连部上在信号盘与半导体光学器件之间进行输送。本发明的光学组件的特征在于，馈通部进一步包括腔，腔位于信号盘的下方以及信号盘与接地盘之间的空间的下方。
附图说明
从下面参考附图对本发明优选实施例的详细描述，可以更好地理解前述及其它目的、方面和优点，其中：
图1是示出根据本发明实施例的光学组件的俯视平面图；
图2示出了沿着图1中指示的线II-II截取的光学组件的侧剖图；
图3是光学组件的透视图，示出光学组件后部；
图4是光学组件的后视平面图；
图5将图4中所示的腔的一部分放大；
图6是没有附接柔性印刷电路(FPC)板的馈通部的侧视图；
图7是FPC板固定到馈通部之前馈通部和FPC板的平面图；
图8是示出将FPC板附接到馈通部的过程的侧视图；
图9是示出现有技术的馈通部布置的透视图；
图10将图9中所示的馈通部中的凹槽的一部分放大；
图11是将图10中所示的凹槽放大的后视图；
图12A和图12B解释了图9中所示的现有技术的馈通部中出现的主题；
图13是示出第一变型例的光学组件的俯视平面图；
图14是将根据第二变型例的馈通部放大的俯视平面图；
图15是示出第三变型例的馈通部的透视图；
图16将配备在图15中所示的第三变型例的馈通部中的腔放大；
以及
图17是图15中所示的第三变型例的馈通部的放大侧视图。
具体实施方式
接下来，将参考附图来描述根据本发明的一些实施例。本发明不限于这些实施例，而是具有所附权利要求内定义的范围并且包括等同范围内完成的所有修改和变更。而且，在对附图进行的说明中，彼此相同或相似的数字或符号将指代彼此相同或相似的元件，而不重复说明。
图1是示出根据本发明实施例的光学组件1的俯视平面图；并且图2示出了沿着图1中指示的线II-II截取的光学组件的侧剖图。图1以及示出光学组件1的俯视图的其它附图均省略了盖子以示出光学组件1的内部。光学组件1包括外壳2、光耦合单元20、馈通部30、用于输送高频信号的柔性印刷电路(FPC)板50以及用于输送DC或低频(LF)信号的另一FPC板60。
外壳2具有矩形平面形状，且由两个横向侧部2a和2b、将两个横向侧部2a和2b连接起来的两个纵向侧部以及底部2c限定。两个横向侧部2a和2b以及两个纵向侧部沿着底部3c的相应边缘向上构建。外壳2在内部封闭至少一个半导体激光二极管(LD)3，其中本实施例在外壳2内安装有四个(4个)LD 3。LD 3以各个间隔基本上彼此相等的状态沿横向布置。LD3可以通过经由FPC板50供应的信号进行调制，并产生光信号，每个光信号具有对于该光信号来说特定的且彼此不同的波长。光信号的波长可以是在例如多源协议(MSA)中限定的。从LD 3输出的各个光信号的强度也可以是在MSA中限定的。光电二极管(其对应于相应LD 3布置在外壳2内，但图中未示出)可以感测光信号的强度并经由FPC板60输出电信号。
外壳2内部还安装有热电冷却器(TEC)4、基部5、两个承载件6和7、热敏电阻8、透镜10以及光复用器11。安装在底部2c上的TEC 4可以控制LD 3的温度。具体来说，驱动TEC 4以维持热敏电阻8的电阻恒定，其中热敏电阻8表现出强烈地取决于其温度的电阻。因为LD 3安装在TEC 4上，所以为了保持热敏电阻8的电阻而进行的控制变得等效于维持LD 3的温度，这意味着LD 3可以发射具有限定波长的光信号。基部5(其可以由具有良好导热性的材料(例如，氮化铝(AlN))制成)安装在TEC 4上。LD 3、透镜10以及光复用器11借助承载件6和7安装在TEC 4上。安装有LD 3的承载件6也可以由具有良好导热性的材料(例如，氮化铝(AlN))制成，而另一承载件7(其上安装有透镜10和光复用器11)可以由氮化铝(AlN)和/或氧化铝(Al2O3)制成。因为透镜10和光复用器11基本上不发热，所以承载件7不必由具有良好导热性的材料制成。如上所述的热敏电阻感测LD 3周围的承载件6的温度。承载件6还设有互连部，该互连部通过键合线与LD 3相连，以在互连部上输送经由FPC板50提供的调制信号。
承载件7布置在承载件6与侧壁2a(将被称作前壁)之间。在本说明书中，方向“前”、“向前”、“后向”和/或“后”仅用于说明的目的，而不能限制本发明的范围。承载件7安装有四个透镜10以及唯一的光复用器11。各透镜10(其对应于各LD 3布置)与各LD 3光耦合，以使从LD 3输出的光信号准直或基本上准直。因为LD 3不视作点光源，所以从LD 3输出且通过透镜10的光信号没有变成真正的准直光束，而是显示了相应的束腰。通过透镜10的光信号由布置在透镜10与光耦合单元20之间的光复用器11进行复用。复用四个光信号的光信号进入光耦合单元20，从光复用器11输出到光耦合单元20。
光耦合单元20(其具有圆筒形状)穿透前壁2a并且在光耦合单元20的穿透前壁2a的部分中(即，外壳2内侧的部分中)设有窗口21。窗口21与光复用器11光耦合。也就是说，从光复用器11输出的光信号经由窗口21进入光耦合单元20。光耦合单元20进一步设有在外壳2外侧或在前壁2a外侧的部分，均与窗口光耦合的另一透镜和光纤被保持在该部分中。通过窗口21的光信号可以通过该另一透镜会聚到光纤上。
被附接到另一侧壁2b(将被称作后壁)上的馈通部30使被封闭在外壳2内的部件与在外壳2之外准备的那些部件电连接。安装在底部2c上且把外壳2的后壁2b穿透的馈通部30可以由包含氧化铝(Al2O3)的多层陶瓷制成。馈通部30设有在外壳2内的内侧部分31、在后壁2b外侧的外侧部分35以及从内侧部分31延伸到外侧部分35的接地层45。
内侧部分31设有下顶表面32以及上顶表面33。下顶表面32设有传输线32c，该传输线32c将从FPC板50提供的调制信号传递到LD 3。沿着外壳2的纵向延伸的每个传输线32c包括信号线32a以及将信号线32a置于其间的至少两个接地线32b。信号线32a和接地线32b沿着外壳2的横向排列。信号线32a与LD 3相连。在本实施例中，彼此并排布置的两个传输线32c构造为一个差分线。也就是说，本实施例设有对应于四个LD 3的四个差分线。信号线32a和接地线32b经由相应的键合线而与设置在承载件6上的互连部相连。内侧部分31中的上顶表面33还包括可用作偏置线和接地线的互连部33a。偏置线经由相应的键合线与热敏电阻8和TEC 4相连。
图3是光学组件的透视图，示出光学组件的后部、特别是其外侧部分35，其中图3省略了FPC板50和60。如图3所示，外侧部分35设有顶表面36和与顶表面36相反的背表面37、两个侧表面38和39、下后表面40以及上后表面41，其中这些表面36至40构造为从外壳2突出的馈通基部。
从后壁2b突出的顶表面36包括至少一个信号盘36a、将信号盘36a置于其间的至少两个接地盘36b以及在信号盘36a与相应的接地盘36b之间的至少两个空间36c。本实施例设有对应于四个差分线的八个信号盘36a以及九个接地盘36b，其中信号盘36a和接地盘36b以空间36c置于其间的状态沿着外壳2的横向交替地排列。信号盘36a延伸到内侧部分31中的下顶表面32上的传输线32c，并且经由键合线以及设置在承载件6上的互连部与LD 3相连。限定接地电位的接地盘36b与接地线32b相连。背表面37设有其它盘37a，包括供电盘和偏置盘，每个偏置盘经由导通孔与设置在内侧部分31中的上顶表面33上的偏置线33a电连接。设置在顶表面36与背表面37之间的接地层45基本上平行于顶表面36和背表面37延伸。接地层45经由导通孔与接地盘36b电连接。侧表面38和39包括顶表面36与接地层45之间的部分。
外侧部分35进一步包括至少一个腔42，其中图3中所示的实施例包括八个腔，每个腔在顶表面36与背表面37之间对应于信号盘36a。每个腔42的横截面为具有沿着外壳2的横向的长边的矩形横截面。
图4是光学组件的后视平面图；图5将图4中所示的腔的一部分放大；而图6是没有附接柔性印刷电路(FPC)板的馈通部的侧视图，其中图6省略了FPC板50。参见图5，每个腔42包括位于将信号盘36a置于其间的空间36c下方的侧部分42a以及与信号盘36a重叠的中央部分42b。换言之，腔42设置在信号盘36a(伴随着将信号盘36a置于其间的空间36c)与接地层45之间以使此处的接地层45露出来。腔42的高度d1是顶表面36与接地层45之间的距离d2的至少一半。在本实施例中，腔42的高度d1为0.1mm至0.3mm，其对应于构成馈通部30的多层陶瓷的一个陶瓷层的厚度，而从顶表面36到接地层45的距离d2为0.2mm至0.6mm，其对应于构成馈通部30的两个或更多个陶瓷层的厚度。
腔42沿着外壳2的横向布置在侧表面38和39之间，如图4和图5所示。设置在腔42之间的是位于接地盘36b下方的壁35a。腔42的宽度和壁35a的宽度取决于信号盘36a的节距、接地盘36b的节距以及盘36a与36b之间的空间36c。具体来说，本实施例将信号盘36a与接地盘36b之间的节距设定为0.3mm至0.6mm，并且将接地盘36b之间的节距设定为0.6mm至1.2mm。另一方面，壁35a的宽度被受限于将接地盘36b与接地层45连接起来的导通孔的直径。在实例中，导通孔的直径设定为0.1mm，壁35a的宽度变成0.2mm至0.4mm。因此，腔42的宽度由接地盘36b的节距与壁35a的宽度之间的差来确定。如图6所示，每个腔42从下后表面40开始沿着外壳2的纵向延伸，但未到达上后表面41的位置。本实施例设有如下尺寸的腔42：当上后表面41与下后表面40相距1mm时，腔42的从下后表面40开始的深度为0.5mm至1.5mm。
如图5所示，FPC板50设有顶表面51、与顶表面51相反的背表面52以及通过各个导通孔54相连的信号盘53a和接地盘53b，每个导通孔54从顶表面51穿透到背表面52并填充有金属。信号盘53a和接地盘53b沿着外壳2的横向交替地排列。顶表面51上的信号盘53a利用导通孔54与背表面52中的信号盘53a相连。类似地，顶表面51中的接地盘53b利用导通孔54与背表面52中的接地盘53b相连。信号盘53a和接地盘53b利用焊料70固定到馈通部30的外侧部分35的顶表面36的信号盘36a和接地盘36b。在FPC板50和60上可以输送调制信号和偏置信号，其中前者调制信号经由信号盘35a和接地盘35b、下顶表面32上的差分线、键合线被提供到LD 3，并且最终被提供到设置在承载件6上的接口。
图7是FPC板50固定到馈通部30之前馈通部和FPC板50的平面图；而图8是示出将FPC板50和60附接到馈通部30的过程的侧视图。在图7中，FPC板50示出为背表面朝上。FPC板50中的信号盘53a和接地盘53b对应于馈通部30的顶表面36中的信号盘36a和接地盘36b布置。在将FPC板50焊接到馈通部30的顶表面36上时，FPC板50的背表面52面向顶表面36，此时利用伴有助焊剂的焊料70将顶表面36中的信号盘36a和接地盘36b附接到FPC板50中的信号盘53a和接地盘53b。而且，类似于FPC板50的过程，使用焊料和助焊剂将另一FPC板60中的盘61附接到馈通部30的背表面37中的盘37a。盘61和盘37a包括偏置盘和接地盘。如此附接到馈通部30的顶表面36上的FPC板50可以将调制信号供应到LD 3，而附接到馈通部30的背表面37上的FPC板60可以将偏置电流供应到LD 3和TEC 4并且从热敏电阻8和光电二极管中提取信号。
接下来，将通过与具有现有技术的馈通部布置的光学组件100进行比较来描述光学组件1的优点。图9是示出具有现有技术的馈通部130布置的光学组件100的透视图。类似于本实施例的光学组件1，光学组件100设有外壳2、光耦合单元20和馈通部130。现有技术的馈通部130的形状与本实施例的馈通部30的形状的区别之处在于，现有技术的馈通部130设有构成腔42的多个凹槽142。如图9所示，每个凹槽142形成在顶表面36中并且沿着外壳2的横向排列。
图10将图9中所示的馈通部中的凹槽的一部分放大；而图11是将图10中所示的凹槽放大的后视图。每个凹槽142通过朝向接地层45对顶表面36进行挖掘而形成并布置在信号盘36a与接地盘36b之间。因为信号盘36a设有由于凹槽142而相对于接地盘36b形成的间隙并且这些间隙填充有空气(空气的固有属性为介电常数小于陶瓷的介电常数)，所以信号盘36a的相对于接地盘36b形成的寄生电容可能会减小。
图12A和图12B解释了图9中所示的现有技术的馈通部中出现的主题。图12A示出了过量焊料70A和70B(其用于将FPC板50附接到顶表面36)落入紧邻信号盘36a布置的凹槽142内的状态。过量焊料70A等效地缩短了从信号盘36a到接地盘45的物理长度，这很可能增加信号盘36a的寄生电容；而，落入凹槽142内的过量焊料70B在信号盘36a与接地盘36b之间产生短路。
图12B示出了凹槽142填充有伴随焊料70的助焊剂71的状态。因为助焊剂71的介电常数大于1(即，空气的介电常数)，所以信号盘36a与接地盘36b之间的寄生电容很可能增加。比设计值更大的寄生电容会扰乱信号盘36a周围的阻抗条件，并且很可能会使提供到LD3的调制信号的信号质量劣化。
另一方面，本实施例的馈通部30设有在馈通部30的顶表面36与背表面37之间的腔42，以抑制信号盘36a中的传输特性的劣化。每个腔42设有位于信号盘36a下方(即，在信号盘36a与接地层45之间)的中央部分，并且腔42被空气(如上所述，空气的介电常数基本上为1，小于陶瓷层的介电常数)填充。因此，本实施例的馈通部30可以减小属于顶表面36上的信号盘36a的寄生电容。此外，腔42设置在顶表面36与背表面37之间，即，腔42没有暴露于顶表面36，这使得随着将FPC板50固定到馈通部30的顶表面36不会有过量焊料和助焊剂进入腔42。因此，本实施例的馈通部30可以维持设计的寄生电容。
腔42的高度d1可以是信号盘35a与接地层45之间的距离d2的一半以上。该布置可以可靠地减小属于信号盘36a的寄生电容。
第一变型例
图13是示出第一变型例的光学组件1A的俯视平面图。变型的光学组件1A有一个区别于光学组件1的特征，即，变型的光学组件1A在外壳2内安装有仅一个LD 3。变型的光学组件1A移除了光学组件1中的FPC板60，FPC板60输送偏置信号并提取均具有低频(LF)成分的信号；而是说，光学组件1A设有变型的FPC板50A。FPC板50A包括信号盘(准确的说，两个信号盘53a)、接地盘53b以及其它盘61(准确的说，用于LF信号的四个盘61)。两个信号盘53a被接地盘53b包围，而用于LF信号的四个盘之间包围信号盘53a和接地盘53b。信号盘53a可以经由信号盘36a、信号线32a、承载件6上的互连部以及键合线将调制信号输送到LD 3。两个信号盘36a构造成差分线。类似于本实施例的馈通部30，用于附接FPC板50A的馈通部30A设有腔42，腔42位于信号盘36a下方以及信号盘与接地盘36b之间的两个空间36c的下方的区域中。
第二变型例
图14是将根据第二变型例的馈通部30B放大的俯视平面图。馈通部30B区别于原始实施例的馈通部30的特征在于，腔42B设有渐缩侧壁42c。也就是说，腔42B的宽度随着朝向外壳2的后壁2b前进而缩窄。因为陶瓷层可以随着接近外壳2的后壁2b而增大留下的部分，所以馈通部30B可以确保靠近后壁2b的外侧部分35中的刚度。
第三变型例
图15是示出第三变型例的馈通部30C的透视图；图16将配备在图15中所示的第三变型例的馈通部30C中的腔42C放大；而图17是图15中所示的第三变型例的馈通部30C的放大侧视图。第三变型例的馈通部30C区别于原始馈通部30的特征在于腔42C的布置。也就是说，馈通部30C设有如下一个或多个腔42C：其从下后表面40到上后表面41沿着外壳2的纵向排列，并且在腔42C之间设置有壁。本变型例的腔42C从侧表面38穿透到另一侧表面39。腔42C之间的每个壁的宽度为0.2mm至0.4mm，这使得能够设置将接地盘36b连接到接地层45的导通孔。与信号盘36a和接地盘36b相交地延伸的壁可以用作顶表面36的支撑柱。在将FPC板50压靠在顶表面36上的同时利用焊料70将FPC板50的信号盘53a及接地盘53b固定到顶表面36中的信号盘36a和接地盘36b时，壁可以防止馈通部30C断裂。
虽然本文已经出于说明的目的描述了本发明的特定实施例，但是许多修改和变更对于本领域技术人员而言将变得显而易见。例如，如此描述的腔42至42C具有矩形横截面，但是腔的横截面可以具有其它形状。而且，尽管上述馈通部的实施例设有两个或更多个腔，但是馈通部可以仅具有一个腔。还有，上述光学组件具有如下布置：LD以差分模式来驱动，也就是说，为一个LD提供两个信号盘；但是，光学组件中的LD可以由仅一个信号盘所供应的单相信号来驱动。因此，所附权利要求旨在包含落入本发明的真实精神和范围内的所有这些修改和变更。
本申请基于并要求2017年8月10日提交的日本专利申请No.2017-155545的优先权，该申请的全部内容通过引用并入本文。

Claims (17)

1.一种光学组件，包括：
半导体光学器件，其将信号在电形式与光形式之间进行转换；
外壳，其将所述半导体光学器件封闭起来；以及
馈通部，其由绝缘材料制成并且附接到所述外壳，所述馈通部具有互连部、与所述互连部相连的信号盘以及将所述信号盘置于其间的至少两个接地盘，电信号经由所述互连部在所述信号盘与所述半导体光学器件之间进行输送，
其中，所述馈通部进一步包括腔，所述腔位于所述信号盘以及所述信号盘与所述接地盘之间的空间的下方，
所述外壳具有矩形平面形状且具有纵向侧和横向侧，所述纵向侧由均沿着所述横向侧延伸的前壁和后壁限定，并且
所述馈通部被固定到所述外壳的所述后壁，并且所述馈通部的沿着所述横向侧的宽度实质上等于所述外壳的沿着所述横向侧的长度，并且
所述腔和所述信号盘均沿所述外壳的纵向侧延伸。
2.根据权利要求1所述的光学组件，
其中，所述馈通部进一步设有设置在所述腔下方的接地层，所述腔使所述接地层露出来。
3.根据权利要求2所述的光学组件，
其中，所述腔的高度是所述接地层与所述信号盘之间的距离的至少一半。
4.根据权利要求2所述的光学组件，
其中，所述馈通部进一步包括将所述腔置于其间并且位于所述接地层下方的壁，所述壁各具有将所述接地盘与所述接地层电连接的导通孔。
5.根据权利要求1所述的光学组件，
进一步包括柔性印刷电路板，
其中，所述柔性印刷电路板包括信号盘和至少两个接地盘，所述柔性印刷电路板中的所述信号盘被固定到所述馈通部中的所述信号盘，所述柔性印刷电路板中的所述接地盘被固定到所述馈通部中的所述接地盘。
6.根据权利要求2所述的光学组件，
进一步包括柔性印刷电路板，
其中，所述柔性印刷电路板包括信号盘和至少两个接地盘，所述柔性印刷电路板中的所述信号盘被固定到所述馈通部中的所述信号盘，所述柔性印刷电路板中的所述接地盘被固定到所述馈通部中的所述接地盘。
7.根据权利要求3所述的光学组件，
进一步包括柔性印刷电路板，
其中，所述柔性印刷电路板包括信号盘和至少两个接地盘，所述柔性印刷电路板中的所述信号盘被固定到所述馈通部中的所述信号盘，所述柔性印刷电路板中的所述接地盘被固定到所述馈通部中的所述接地盘。
8.根据权利要求4所述的光学组件，
进一步包括柔性印刷电路板，
其中，所述柔性印刷电路板包括信号盘和至少两个接地盘，所述柔性印刷电路板中的所述信号盘被固定到所述馈通部中的所述信号盘，所述柔性印刷电路板中的所述接地盘被固定到所述馈通部中的所述接地盘。
9.根据权利要求1所述的光学组件，
其中，所述馈通部具有多个陶瓷层。
10.根据权利要求2所述的光学组件，
其中，所述馈通部具有多个陶瓷层。
11.根据权利要求3所述的光学组件，
其中，所述馈通部具有多个陶瓷层。
12.根据权利要求4所述的光学组件，
其中，所述馈通部具有多个陶瓷层。
13.根据权利要求5所述的光学组件，
其中，所述馈通部具有多个陶瓷层。
14.根据权利要求6所述的光学组件，
其中，所述馈通部具有多个陶瓷层。
15.根据权利要求7所述的光学组件，
其中，所述馈通部具有多个陶瓷层。
16.根据权利要求8所述的光学组件，
其中，所述馈通部具有多个陶瓷层。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的光学组件，
其中，所述馈通部具有沿着所述外壳的所述纵向侧延伸并限定所述馈通部的所述宽度的侧面，并且
所述腔从所述馈通部的所述侧面中的一个侧面沿着所述外壳的所述横向侧延伸到所述馈通部的所述侧面中的另一侧面。
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