CN112835154A - 具有石墨烯涂布的散热件及实施其的光发射器或收发器 - Google Patents

具有石墨烯涂布的散热件及实施其的光发射器或收发器 Download PDF

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Abstract

本发明大致上系针对与光收发器或发射器一起使用的壳体，其包含具有石墨烯涂布的整合的散热件，以在运作过程中增加热逸散的热量；详细而言，本发明一实施例包含一壳体，壳体界定出至少第一及第二侧壁以及设置于第一及第二侧壁之间的一空腔；第一及/或第二侧壁可包含整合的散热件以逸散在壳体的空腔中的光学元件所产生的热，光学元件例如为镭射二极体、镭射二极体驱动器。整合的散热件可包含设置于其上的至少一层的石墨烯以增加热效能，具体上系减少散热件的热阻并促进热量逸散。

Description

具有石墨烯涂布的散热件及实施其的光发射器或收发器
技术领域
本发明系关于光通讯，特别系关于使用基于石墨烯的涂布及与散热件整合的壳体来提升光发射器或收发器的热效能的技术。
背景技术
光收发器可用来发出及接收光学讯号以适用于但不限于网络数据中心(internetdata center)、线缆电视宽频(cable TV broadband)及光纤到府(fiber to the home，FTTH)等各种应用。举例来说，相较于以铜制成的线缆来传输，以光收发器来传输可在更长的距离下提供更高的速度及频宽。为了在空间变得更为受限的光收发器模组中提供较高的发射/接收速度例如会面临热管理(thermal management)、介入损失(insertion loss)、射频驱动讯号质量及良率(manufacturing yield)等挑战。
光收发器的数据中心市场持续成长，且对于不断提高的传输速度的需求亦持续增长。最近的标准已使速度能够达到400Gb/s的光发射器及收发器能够广泛发展。在这种高速系统中的热管理会面临数个难以解决的挑战。
发明内容
根据本发明一态样，揭露一种光学装置，能发射多个频道波长。光学装置包含一壳体、一光学元件、一第一散热件以及至少一层的石墨烯。壳体至少具有一第一侧壁及一第二侧壁。第一侧壁及第二侧壁从电性耦合端延伸至光学耦合端并在电性耦合端及光学耦合端之间界定出一空腔。光学元件设置于壳体中。光学元件热连通于壳体以传送产生的热量。第一散热件设置于壳体的第一侧壁。至少一层的石墨烯设置于第一散热件。该至少一层的石墨烯用于增加光学元件所产生的热量的逸散量。
附图说明
这些及其他的特征与优点将通过阅读以下的详细描述及附图被更透彻地了解。在附图中：
图1为根据本发明实施例的示例性光收发器系统的示意图。
图2为根据本发明一实施例实施图1中的示例性光收发器系统的可插拔的光收发器模组的立体图。
图3为图2中根据本发明一实施例的可插拔的光收发器模组的剖面示意图。
图4为图3中根据本发明一实施例的可插拔的光收发器模组的局部放大图。
【附图标记说明】
100 多频道光收发器模组
101 壳体
102 基板
104 光发射次组件配置
106 光接收次组件配置
108-1 发射连接电路
108-2 接收连接电路
110 发射线路
114 光多工器
115 镭射配置
116-1 光纤插座
116-2 光纤插座
117 经多工的光讯号
119 发射光纤
120 光解多工器
121 接收光纤
122 光二极体阵列
124 跨阻抗放大器
200 光收发器模组
201 壳体
230-1 第一端
230-2 第二端
232-1 第一表面
232-2 第二表面
234 锁合配置
236-1 第一散热件
236-2 第二散热件
238 光学插座
240 横切通道
250 长轴
402 石墨烯
TX_D1～TX_D4 驱动讯号
RX_D1～RX_D4 电讯号
D1～D4 驱动讯号
λ1～λ4 频道波长
具体实施方式
本发明大致上系针对与光收发器或发射器一起使用的壳体，其包含具有石墨烯涂布的整合的散热件，以在运作过程中增加逸散的热量。详细而言，本发明一实施例包含一壳体，壳体界定出至少第一及第二侧壁以及设置于第一及第二侧壁之间的一空腔。第一及/或第二侧壁可包含整合的散热件以逸散在壳体的空腔中的光学元件所产生的热，光学元件例如为镭射二极体、镭射二极体驱动器。整合的散热件可包含设置于其上的至少一层的石墨烯以增加热效能，具体上系减少散热件的热阻并促进热量逸散。
根据本发明构成的收发器/发射器壳体能有利于逸散在高速传输系统中的高瓦数镭射装置产生的热量，例如以20瓦(W)或更高瓦数运作的那些装置。能显著地减少如热电致冷器(thermoelectric cooler，TEC)的温度控制装置的负载以确保整体的功耗维持为低于规定的标准，这种标准例如为于2019年7月9日出版的“QSFP-DD MSA QSFP-DD HardwareSpecification for QSFP DOUBLE DENSITY 8X PLUGGABLE TRANSCEIVER Rev 5.0”(以下称为QSFP-DD标准)所要求的14瓦特或更低。
图1呈现根据本发明实施例的多频道光收发器模组100的方块图。多频道光收发器模组100包含壳体101、基板102、光发射次组件配置104、光接收次组件配置106。壳体101可符合各种封装标准，较佳地为符合QSFP-DD标准。如以下所详述，壳体101能包含整合的散热件，散热件具有设置于其上的一或多层石墨烯，以增加从在壳体101中的光学元件传导/辐射来的热的逸散。
多频道光收发器模组100例如能以400Gb/s的速率进行发送及接收。多频道光收发器模组100可实现8道(lane)的53.125Gbps PAM的电性侧。另一方面，在运作如1273～1309纳米的LWDM或1271～1331纳米的CWDM时，光学侧可实现四至八个频道，但其他波长亦属于本发明的范畴。根据所需的应用，多频道光收发器模组100能具有长达10公里甚至更远的传输距离。
基板102包含发射连接电路108-1及接收连接电路108-2。发射连接电路108-1及接收连接电路108-2包含印刷/设置于基板102的第一端的多个引线(lead)，并亦能包含如电力转换器、整流器等的额外电路。基板102的第一端至少部分地从壳体101延伸以使外部电路能电性耦接于发射连接电路108-1及接收连接电路108-2。
基板102更包含发射线路110，发射线路110具有耦接于发射连接电路108-1的第一端及电性耦接于光发射次组件配置104的第二端。光发射次组件配置可包含多个镭射配置115(或光发射次组件)。各个镭射配置115包含被动及/或主动元件，例如镭射二极体、监控光二极体、镭射二极体驱动(laser diode driving，LDD)芯片、光隔离器及/或汇聚透镜。光多工器114包含输入埠及输出埠，输入埠用以从光发射次组件配置104接收频道波长，输出埠用以输出具有各个所接收的频道波长的经多工的光讯号117。经多工的光讯号117通过光纤插座116-1被发射至外部发射光纤。光多工器114包含阵列波导光栅(arrayed waveguidegrating，AWG)，但本发明不限于此。此外，根据所需的构造，光多工器114可不须被包含于壳体101内。
在运作时，发射连接电路108-1例如从外部驱动电路提供驱动讯号TX_D1-TX_D4以驱动光发射次组件配置104。光发射次组件配置104接着例如通过发射线路110接收驱动讯号TX_D1-TX_D4，并调变多个镭射配置115以转换输出四个不同的输出光讯号λ1-λ4。光多工器114接着将输出光讯号结合成经多工的光讯号117。经多工的光讯号117接着通过光纤插座116-1发射至发射光纤119。须注意的是，尽管图1中的实施例呈现4个频道系统，但其他频道态样亦属于本发明的范畴。
接收连接电路108-2包含多个线路以将光接收次组件配置106电性耦接于外部接收线路。多频道光接收次组件配置包含光解多工器120、光二极体阵列122、及跨阻抗放大器124。
举例而言，光解多工器120包含阵列波导光栅或其他适合的装置。光解多工器120的输入部通过光纤插座116-2光学地耦接于接收光纤121以接收具有多个频道波长的接收光讯号。光解多工器120的输出端将分离的频道波长输出至光二极体阵列122中对应的光侦测器。光二极体阵列122输出与侦测到的波长成比例的电讯号RX_D1～RX_D4。跨阻抗放大器124包含放大并过滤来自光二极体阵列122的讯号的电路。
图2呈现根据本发明的示例性可插拔的光收发器模组200(于此亦可简称为收发器模组)。示例性的光收发器模组200以可插拔形成因子(pluggable form factor)实施图1中的多频道光收发器模组100，具体上为能使传输速率高达400Gbp/s的QSFP-DD形成因子(小型可插拔收发器，quad form-factor pluggable(QSFP)transceiver)，但其他形成因子亦属于本发明的范畴。尽管于此揭露的态样及实施例具体参考一收发器模组，但本发明不限于此。举例而言，根据本发明构成的具有散热件的壳体可被用于其他类型的光学装置，例如光发射器。
示例性的光收发器模组200包含壳体201，壳体201至少包含第一及第二侧壁，第一及第二侧壁沿长轴从壳体201的第一端230-1延伸至壳体201的第二端230-2。如图所示，具有锁合配置234的侧壁邻接于第一及第二侧壁。因此，壳体201可包含可插拔的构造，从而使壳体201能可移除地耦接于架体(图中未示出)中。
壳体201的第一端230-1包含电路以电性耦接于外部发射及接收电路，并且于此亦可称为电性耦合端。壳体201的第二端230-2包含光学插座238以例如容纳套管(ferrule)，进而光学地耦接于发射及接收光纤。第二端230-2亦可称为光学耦合端。
如图进一步所示，第一及第二侧壁分别更包含第一及第二散热件236-1、236-2。第一及第二散热件236-1、236-2彼此相对设置，并各自相邻于第二端230-2。如以下所详述，第一及第二散热件236-1、236-2可在光收发器模组200的运作过程中用以增加逸散的热量。
各个第一及第二散热件236-1、236-2包含所谓“插销(pin)”构造，从而使各个散热件提供以MxN排列的多个凸部。插销式散热件因其允许在多个方向中的混乱的气流(ambiguous airflow)而特别适用于光收发器壳体。举例而言，在收发器架体中及周围的气流倾向于例如依据风扇的位置及气流(例如每分钟立方英尺)、壳体设计、架体密度等而变化。如图所示，插销式散热件提供横切信道240，横切信道240延伸通过散热件并允许所谓“混乱的”气流，从而使循环于光收发器模组200周围的气流能进入横切通道并从多个不同的方向流过横切通道。
如图所示，第一及第二散热件236-1、236-2包含尺寸比(例如高比宽)约为1：1的矩形的凸部。形成各第一及第二散热件236-1、236-2的凸部可从边缘到边缘横跨壳体201的短轴延伸至最大表面积。凸部从第一及第二表面232-1、232-2延伸至预定高度。一个非限制性的示例性预定高度例如包含0.5-2毫米。
需注意的是，诸如鳍片式(fin-type)散热件的其他类型的散热件亦属于本发明的范畴。此外，第一及第二侧壁可不需包含凸部/鳍片，而是可仅为界定出各侧壁且实质上为平坦的表面。
各个第一及第二散热件236-1、236-2可与各侧壁整体地形成为单个单体结构。举例而言，第一及第二散热件236-1、236-2可包含铝或具有高导热性(例如至少205W/m*K)的任何其他材料，以提供低热阻。
请参考图3，呈现根据一实施例的光收发器模组200的剖面示意图。如图所示，第一及第二散热件236-1、236-2分别与这些侧壁整体地形成为单件式结构。此构造亦可称为相对位向(opposing orientation)，从而使各个第一及第二散热件236-1、236-2相对彼此设置。如图所示，绘示为垂直于长轴的至少一轴线相交于第一及第二散热件236-1、236-2。第一及第二散热件236-1、236-2的相对配置使实质上沿X轴及Z轴的热连通增加，以将热从产生热的收发器元件(例如镭射二极体、镭射二极体驱动器等)抽出(draw)及逸散。
接着，且根据一实施例，至少一部分的第一及/或第二散热件236-1、236-2包含设置于其上的一或多层的石墨烯。举例而言，该至少一层的石墨烯可包含50-100％的石墨烯(重量％)，较佳地包含99-100％的石墨烯。
举例而言，图4呈现尺寸放大的第一散热件236-1的局部放大图。至少一层的石墨烯402，较佳地为二或更多层的石墨烯，设置于其上。至少一层的石墨烯402可均匀地设置或以实质上均匀的方式设置于第一散热件236-1以确保恒定的层体厚度。可设置或生成(grown)至少一层的石墨烯402。至少一层的石墨烯402的沉积可为选择性的(例如通过屏蔽)或以包覆方式(blanket manner)进行。
在一实施例中，至少一层的石墨烯402也可设置于界定出第一及/或第二侧壁的表面，其中第一及/或第二侧壁相邻于第一及第二散热件236-1、236-2(图中未示出)。因此，第一及/或第二侧壁也能包含石墨烯涂布以增加热连通及逸散的热量。如上所述，第一及第二侧壁可不须包含凸部/凸起物以提供散热件，也可仅包含实质上为平坦的表面。在此情况下，相较于没有石墨烯涂布的侧壁，在界定出第一及/或第二侧壁(包含相邻于第一及第二侧壁的任何其他侧壁)的表面上的一或多个石墨烯层的选择性及/或包覆性的沉积可显著地提高逸散的热量。
如图4进一步所示，至少一层的石墨烯402例如可基于形成相关散热件的凸部的轮廓而包含沿X、Y及Z轴延伸的部分。因此，图4中的实施例提供经石墨烯涂布的横切通道240(请参考图2)。石墨烯特别适用于以水平方式转移热量，从而使热量沿材料层的轮廓传导，例如相对于以垂直远离于材料的方式。至少一层的石墨烯402有利地利用此热行为抽出并逸散通过层体从侧壁接收的热量，重要的是，至少一层的石墨烯402利用形成相关散热件的凸部的几何形状来提供相对大的表面积。此外，至少一层的石墨烯402包含沿各个X、Y及Z轴延伸的部分。至少一层的石墨烯402因此沿多个水平及垂直面占据并延伸，以使从光收发器模组200的热连通最大化。
在运作时，在壳体201内的光学元件所产生的热量(例如通过传导)传送至侧壁。在一般情况下，第一及第二散热件236-1、236-2接着提供急速冷却区域，其中急速冷却区域基于散热件的轮廓(例如形状、材料组成、尺寸)及/或石墨烯涂布相对于壳体空腔具有至少为摄氏10度的温度差。诸如在机架中的混乱的气流的气流能沿各种方向通过经石墨烯涂布的横切通道240(请见上述图2)并进一步增加逸散的热量。
因此，本发明已证实基于石墨烯具有相对高的导热性及辐射率，涂布石墨烯的横切通道会增加热效能。石墨烯涂布亦能应用于诸如包含相对空间受限的壳体的小形成因子(small form-factor)的情形中。此涂布可在不实质上改变壳体的轮廓/宽度的情况下应用于例如散热件及/或侧壁的表面。
根据本发明例一态样揭露一种光学装置，能发射多个频道波长。光学装置包含壳体、光学元件、第一散热件及至少一层的石墨烯。壳体至少具有第一侧壁及第二侧壁，第一侧壁及第二侧壁从电性耦合端延伸至光学耦合端并在电性耦合端及光学耦合端之间界定出一空腔。光学元件设置于壳体中，光学元件热连通于壳体以传送产生的热量。第一散热件设置于壳体的第一侧壁。至少一层的石墨烯设置于第一散热件，至少一层的石墨烯用于增加光学元件所产生的热量的逸散量。
根据本发明例一态样揭露一种光收发器，能发射多个频道波长。光收发器包含壳体、多频道光发射次组件、第一散热件、至少一层的石墨烯及多频道光接收次组件。壳体至少具有第一及第二侧壁，第一及第二侧壁从电性耦合端延伸至光学耦合端并在电性耦合端与光学耦合端之间界定出一空腔。多频道光发射次组件设置于壳体的空腔中，多频道光发射次组件热连通于壳体以逸散所产生的热量。第一散热件设置于壳体的第一侧壁。至少一层的石墨烯设置于第一散热件，至少一层的石墨烯增加多频道光发射次组件产生的热量的逸散量。多频道光接收次组件设置于壳体的空腔中。
虽然本发明的原理已于此描述，但是可以理解的是，本领域普通技术人员可理解这些叙述仅为示例性的而不用于限定本发明的范围。除了于此描述及呈现的示例性实施例之外，其他的实施例也位于本发明的范围内。本领域普通技术人员当可进行一些修改及替换，且这些修改及替换也位于本发明的保护范围内。

Claims (16)

1.一种光学装置，能发射多个频道波长，其特征在于，该光学装置包含：
一壳体，至少具有一第一侧壁及一第二侧壁，该第一侧壁及该第二侧壁从一电性耦合端延伸至一光学耦合端并在该电性耦合端及该光学耦合端之间界定出一空腔；
一光学元件，设置于该壳体中，该光学元件热连通于该壳体以传送产生的热量；
一第一散热件，设置于该壳体的该第一侧壁；以及
至少一层的石墨烯，设置于该第一散热件，该至少一层的石墨烯用于增加该光学元件所产生的热量的逸散量。
2.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该第一散热件包含多个凸部，该多个凸部从界定出该第一侧壁的一表面延伸。
3.如权利要求2所述的光学装置，其特征在于，该至少一层的石墨烯设置于该多个凸部。
4.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该第一散热件包含多个横切通道以使气流能从多个方向进入该第一散热件。
5.如权利要求4所述的光学装置，其特征在于，该第一散热件为界定出该第一侧壁且实质上为平坦的表面。
6.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该至少一层的石墨烯设置于界定出该第一侧壁且为实质上平坦的表面。
7.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该第一散热件邻设于该壳体的该光学耦合端。
8.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，更包含：
一第二散热件，设置于该第二侧壁；以及
至少一第二层的石墨烯，设置于该第二散热件及/或该第二侧壁的实质上为平坦的表面。
9.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该第一散热件与该第一侧壁整体形成为单件式结构。
10.如权利要求1所述的光学装置，其特征在于，该光学装置被实施为能以每秒400十亿位元传送并接收的小型可插拔收发器。
11.一种光收发器，能发射多个频道波长，其特征在于，该光收发器包含：
一壳体，至少具有一第一侧壁及一第二侧壁，该第一侧壁及该第二侧壁从一电性耦合端延伸至一光学耦合端并在该电性耦合端与该光学耦合端之间界定出一空腔；
一多频道光发射次组件，设置于该壳体的该空腔中，该多频道光发射次组件热连通于该壳体以逸散所产生的热量；
一第一散热件，设置于该壳体的该第一侧壁；
至少一层的石墨烯，设置于该第一散热件，该至少一层的石墨烯用于增加该多频道光发射次组件所产生的热量的逸散量；以及
一多频道光接收次组件，设置于该壳体的该空腔中。
12.如权利要求11所述的光收发器，其特征在于，该第一散热件包含一插销式散热件，从而使多个凸部从界定出该第一侧壁的一表面延伸。
13.如权利要求12所述的光收发器，其特征在于，该至少一层的石墨烯设置于该多个凸部。
14.如权利要求11所述的光收发器，其特征在于，该第一散热件包含多个横切通道以使气流能从多个方向进入，该多个横切通道的其中一者实质上横向于该壳体的一长轴延伸且该多个横切信道的其中另一者实质上平行于该壳体的该长轴。
15.如权利要求11所述的光收发器，其特征在于，该第一散热件为界定出该第一侧壁且实质上平坦的表面。
16.如权利要求11所述的光收发器，其特征在于，该至少一层的石墨烯设置于界定出该第一侧壁且实质上平坦的表面。
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