CN113039689B - 激光器芯片上载体装置 - Google Patents

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Abstract

一种半导体激光器载体上芯片(CoC)装置(100；200)，包括：半导体激光器部件(130；230)，其以安装在半导体载体(120；220)上的激光器芯片的形式布置，该半导体激光器部件(130；230)包括电激光器端子(131；231)；驱动器电路(210)，其用于在电驱动器端子(211)上产生交流电驱动信号；以及电信号导体(122，132；212，222，232)，其将驱动器端子(211)电连接至激光器端子(131；231)，其中，电信号导体(122，132；212，222，232)包括：第一印刷迹线(122；222)，该第一印刷迹线(122；222)未被布置在激光器部件(130；230)上，并且该第一印刷迹线(122；222)包括第一迹线伸长部(124；224)和第一迹线下游端子部(125；225)；以及第一引线接合件(141；241)，该第一引线接合件将第一迹线下游端子部(125；225)连接至激光器端子(130；230)，并且其中第一迹线伸长部(124；224)适配于激光器部件(130；230)，使得第一迹线伸长部(124；224)和激光器部件(130；230)的内部电容(233)一起对应于与驱动器电路(210)的输出端子(211)的输出阻抗相差至多20％的阻抗。

Description

激光器芯片上载体装置
本发明涉及半导体激光器载体上芯片(CoC)装置。在这样的装置中，半导体激光器部件芯片被布置在特定载体上，该载体又连接至集成电路板或由集成电路板支承。
特别地，本发明适用于激光器数据通信装置，其中半导体激光器是EML(电吸收调制激光器)、DML(直接调制激光器)或DFB-MZM(使用马赫曾德尔调制器调制的分布式反馈激光器)，并且其中，该半导体激光器部件以芯片的形式布置，芯片又安装在载体上，从而形成CoC设计。即使电信应用是可能的，本发明的主要目的还是在数据通信应用内。
在包括这样的CoC装置的数据通信发送器装置中，驱动器电路(例如，布置在PCB(印刷电路板)模块上的驱动器电路)被布置成在输出驱动器信号端子上提供驱动电信号。然后，该端子经由信号导体(例如，经由上面安装有激光器部件的CoC装置载体材料)连接至半导体激光器部件。载体可以包括一组附加的导体，该组导体将提供的电信号传播至激光器部件。除了信号导线之外，一个或若干个接地导体通常也将用于返回信号。
信号导体通常包括PCB RF迹线导体，例如包括在驱动器电路、PCB模块、载体和激光器芯片本身中的导体。然后，这样的RF迹线导体经由这些子部件之间的引线接合件连接。
期望由激光器部件接收到的电信号尽可能地少地失真。例如，这可以使用相对短长度的导体来实现。特别地，已经证明，由于几何考虑和限制，难以使所述互连引线接合件足够短。迄今为止提出的用于缩短连接器的可能解决方案包括：在载体表面上找到替选激光器部件布置，或者将引线接合件连接至尺寸过大的金属连接点。这样的解决方案驱动了生产成本和装置复杂性两者。
因此，将期望能够实现以尽可能少的失真到达激光器部件的电信号，同时不显著增加制造成本或装置复杂性。
本发明解决了该问题。
因此，本发明涉及一种半导体激光器载体上芯片(CoC)装置，其包括：半导体激光器部件，其以安装在半导体载体上的激光器芯片的形式布置，该半导体激光器部件包括电激光器端子；驱动器电路，其用于在电驱动器端子上产生交流电驱动信号；以及电信号导体，其将驱动器端子电连接至激光器端子，其中，电信号导体包括：第一印刷迹线，该第一印刷迹线未被布置在激光器部件上，并且该第一印刷迹线包括第一迹线伸长部和第一迹线下游端子部；以及第一引线接合件，该第一引线接合件将第一迹线下游端子部连接至激光器端子，并且其中，第一迹线伸长部适配于激光器部件，使得第一迹线伸长部和激光器部件的内部电容一起对应于与驱动器电路的输出端子的输出阻抗相差至多20％的阻抗。
在下文中，将参照本发明的示例性实施方式和附图来详细描述本发明，在附图中：
图1是示例性第一实施方式的立体图；
图2是示例性第二实施方式的示意图；
图3是现有技术解决方案的示意图；
图4是示出使用图2所示的实施方式进行的模拟的眼图；以及
图5是示出使用图3所示的现有技术实施方式进行的模拟的眼图。
在图1至图3中，对应部分共用最后两位参考数字。
因此，图1示出了根据本发明的第一实施方式的半导体载体上芯片(CoC)装置100的一部分。CoC装置通常是其中诸如半导体激光器部件130的半导体芯片安装在由在基板128上支承的诸如半导体材料的载体材料127制成的半导体载体120上的装置。CoC装置设计是在本领域中是众所周知的，并且在本文中将不进一步详细描述。
因此，半导体CoC装置100包括所述半导体激光器部件130，该半导体激光器部件130以安装在所述半导体载体120上的激光器芯片的形式布置。半导体激光器部件130包括电激光器端子131，其用于经由在所述端子131上传送的电控制信号对激光器130操作的电控制。
除了激光器部件130之外，半导体载体120还可以包括和/或支承其他部件部分，例如去耦电容器170、光电检测器(未示出)、温度控制部件(未示出)等。
转到图2，半导体CoC装置100还包括驱动器电路210，该驱动器电路210具有电驱动器端子211。驱动器电路210的驱动器被布置成在所述电驱动器端子211上产生交流电驱动信号。
此外，并且如图1和图2所示，半导体CoC装置100包括电信号导体212、122、222、132、232，其被布置成将所述驱动器端子211电连接至所述激光器端子131、231。换言之，由驱动器电路210产生的电信号沿所述电信号导体212、122、222、132、232传播到激光器端子131、231，以用于对激光器130的调制控制。
驱动器电路210可以包括同样是常规的附加部件，例如均衡信号处理器。
特别地，所述电信号导体包括第一印刷迹线导体122、222，该第一印刷迹线122、222未被布置在激光器部件130、230上。而是，如图1和图2所示，第一印刷迹线122、222可以更确切地被布置在半导体载体120、220自身上。例如，第一印刷迹线122、222可以被布置成跨与支承所附接的激光器部件130、230的表面相同的表面延伸。
如图2中也示出的，所述电信号导体还可以包括第二印刷迹线212。注意，图1未示出整个装置100，因此在图1中未示出第二印刷迹线。然后，这样的第二印刷迹线212也可以不被布置在激光器部件230上，而是被布置在驱动器电路210上。特别地，第二印刷迹线可以被布置在PCB(印刷电路板)上，在该PCB上还布置有驱动器，从而形成所述驱动器电路210。
相对于从驱动器端子211到激光器端子131、231的电信号传播方向，第二印刷迹线212相对于布置在下游的第一印刷迹线122、222而被布置在上游。
根据本发明，第一印刷迹线122、222包括第一迹线伸长部124、224和第一迹线下游端子部125、225。第一印刷迹线122、222还可以包括第一迹线上游端子部123、223。术语“上游”和“下游”具有与上文相同的含义，并且涉及主电信号传播方向。然后，第一迹线伸长部124、224在第一迹线上游端子部123、223与第一迹线下游端子部125、225之间延伸。
对应于第一印刷迹线122、222，第二印刷迹线212可以包括第二伸长部214，该第二伸长部214从驱动器端子211延伸到第二迹线下游端子部215。
所有印刷迹线122、132、212、222、232(印刷迹线232是激光器部件230中的内部导体)可以是诸如所谓的“微带”的常规印刷RF迹线或任何其他合适的印刷电导体。
进一步根据本发明，所述电信号导体包括第一引线接合件141、241，该第一引线接合件141、241将第一迹线下游端子125、225连接至激光器端子131、231。
相应地，电信号导体还可以包括第二引线接合件240，该第二引线接合件240将所述第二迹线下游端子215连接至第一印刷迹线122、222，例如第一迹线上游端子123、223。
在附图中，引线接合件141、240、241包括三个不同且分开的平行导体，即两个接地导体(在两侧)和一个信号馈送连接器(中间)。接地导体可以用作信号返回路径。除非另外说明，否则在本文中无论何时使用术语“引线接合件”，都是指信号承载馈送引线接合件(图中的各个中间引线接合导体)。载体120还可以包括接地电极126。
图3示出了现有技术的CoC解决方案，其中激光器部件330被布置在半导体载体320上，该半导体载体320又连接至驱动器电路310。与图1和图2中的包括第一印刷迹线122、222和第二印刷迹线212以及第一引线接合件141、241和第二引线接合件240的电信号导体类似，图3所示的电信号导体包括第一印刷迹线322和第二印刷迹线312以及第一引线接合件341和第二引线接合件340。激光器330具有内部电阻334和内部电容333以及内部导体332。
然而，与图3所示的解决方案相反，端子部123、125、215、223、225相对于伸长部124、214、224被布置为电气上不同的部分。特别地，与所述对应的伸长部124、214、224的对应阻抗相比，这样的端子部123、125、215、223、225的阻抗(特别是在主电信号传播方向上的每传导长度单位的阻抗)是不同的，并且优选地是较小的。例如，每个这样的端子部123、125、215、223、225可以具有与主传导方向垂直的宽度和/或高度，该宽度和/或高度与相邻的伸长部124、214、224的宽度和/或高度相比是不同的，例如是较大的。作为另外的示例，端子部123、125、215、223、225可以被布置成比对应伸长部124、214、224更靠近接地导体，从而导致耦合增加并且因此阻抗减小。例如，在图1中，第一迹线下游端子部125不如第一迹线上游端子部123宽，但是被布置成更靠近接地导体，使得两个相应端子部123、125的阻抗为35欧姆。
特别地，根据本发明，所述第一迹线伸长部124、224适配于激光器部件130、230的性质，使得第一迹线伸长部124、224和激光器部件130、230的内部电容233一起对应于以下阻抗：该阻抗与驱动器电路210的输出阻抗相差至多20％，以及特别地，与驱动器电路210的驱动器端子211的输出阻抗相差至多20％。优选地，这至少对于用于调制激光器130、230的所使用的RF调制波长间隔为真。
在本文中，多个部件“对应于”特定阻抗旨在表示，如果以与装置100、200中相同的顺序将所述部件彼此直接连接，则组合的、互连部件的总阻抗将是所述阻抗。因此，在这个意义上，组合阻抗等同于比较阻抗。
本发明人已经发现，即使对于常规(大)尺寸和长度的引线接合件141、241，第一迹线伸长部124、激光器130、230内部电容233和驱动器电路210端子211输出阻抗的阻抗性质之间的这种特定关系也产生非常低的电信号失真。这又实现了来自激光器130、230的低噪声输出光信号。
当将图4(图4示出了由对图2的发明设置的模拟而产生的眼图)与图5(图5示出了针对图3的现有技术设置的对应眼图)进行比较时，这些优点变得明显。
只要遵守所述关系，许多不同的设计是可能的。例如，驱动器可以按各种配置进行布置，例如安装在载体120、220上(因此不使用单独的驱动器电路210和引线接合件240)。驱动器甚至可以根本不使用载体120、220而直接连接至激光器部件130、230。因此，在后一种情况下，第一电迹线122、222可以经由引线接合件141、241将驱动器端子211连接至激光器端子131、231。
然而，在下文中，将更详细地说明图1和图2中所示的优选示例。
在特别优选的实施方式中，第一迹线下游端子部125、225、第一引线接合件141、241和激光器端子131、231一起对应于与驱动器电路210的所述输出阻抗同样相差至多20％的阻抗，并且特别地对应于端子211。在这种情况下，驱动器可以例如被安装在载体220上，或者被布置为如图1和图2所示的单独的驱动器电路210部件的一部分。
在另外的特别优选的实施方式中，第二迹线下游端子部215、第二引线接合件240和第一迹线上游端子部123、223一起对应于与驱动器端子211的所述输出阻抗同样相差至多20％的阻抗。在这种情况下，如图1和图2所示，驱动器电路210可以被布置为单独的部件。
在这两个特别优选的实施方式中，阻抗“对应于”一阻抗具有与以上相同的含义。
因此，在一个实施方式中，部件的以下三种组合全部与驱动器端子211的输出阻抗对应：
·第一迹线伸长部124、224和激光器部件130的内部电容233；
·第一迹线下游端子部125、225、第一引线接合件141、241和激光器端子131、231；以及
·第二迹线下游端子部215、第二引线接合件240和第一迹线上游端子部123、223。
在所有这三种替选方案(关于对应阻抗)中，相应阻抗可以与驱动器端子211的所述输出阻抗相接近地对应为相差达10％，或者甚至基本上完全(在制造公差内)与驱动器端子211的输出阻抗对应。
此外，在所有三个替选方案中，所涉及的各个部件在主电信号传播方向上具有小于AC电信号波长的总长度。
优选地，引线接合件141、240、241自身各自具有与驱动器端子211的输出阻抗相差至多20％或者甚至与驱动器端子211的输出阻抗基本上相同(在制造公差内)的阻抗。特别地，每个引线接合件141、240、241可以具有50欧姆±20％的阻抗和具有0.2nH±20％的电感。然而，在一些应用中，可以允许具有较大的阻抗的甚至更长的引线接合件，同时仍然实现当前的优点。
如图2所示，第二迹线伸长部214可以直接连接至驱动器端子211。
关于驱动器端子211的输出阻抗，这可以在30欧姆至70欧姆之间，或者甚至在40欧姆至60欧姆之间。特别地，这些阻抗与激光应用相关，在激光应用中，激光器部件130、230发射常规1310nm的波长带中的激光。
有利地，激光器部件130可以是EML(电吸收调制激光器)激光器部件、DML(直接调制激光器)激光器部件或DFB-MZM(使用马赫曾德尔调制器调制的分布式反馈激光器)激光器部件。虽然当前描述的原理在DML和DFB-MZM配置中也提供优点，但是EML应用是最优选的。有利地，装置100、200可以被布置成用于数据通信应用，用于至多相隔多达20km——优选地，在0.2km与10km的光纤之间——的距离的节点之间的数字光通信。
驱动器电路210的驱动器可以被布置成经由以上描述的电驱动信号来实现以至少50Gbps的调制频率对由激光器部件130、230发射的激光的调制。特别地，调制可以是PAM(脉冲幅度调制)调制，例如PAM4调制。例如，图1和2所示的示例使用112Gbps处的PAM4调制。
当被视为隔离部件时，第一迹线下游端子部125、225的阻抗可以有利地低于驱动器端子211的输出阻抗。此外，当被视为隔离部件时，第一迹线上游端子部123、223的阻抗可以有利地低于驱动器端子211的输出阻抗。此外，当被视为隔离部件时，第二迹线下游端子部114、215的阻抗可以有利地低于驱动器端子211的输出阻抗。当被视为各自单独的部件时，关于第一迹线上游端子部123、223、第一迹线上游端子部123、223和第二迹线下游端子部115、215中的两个或全部三个的任意组合，对应也可以为真。
类似地，第一迹线伸长部124、224的阻抗可以高于驱动器端子211的输出阻抗，而第二迹线伸长部214可以与驱动器端子211的输出阻抗基本相同(在制造公差内)，或者与所述输出阻抗相差至少最多20％。
所述端子123、125、215、223、225以及甚至131、231中的每个单独的端子或甚至几个或甚至全部端子可以形成为所讨论的相应印刷迹线导体122、132、212、222、232的相应局部加宽部。
图2还指定部件长度(以μm为单位)和信号传播延迟(以ps为单位)的优选值。图2中提供的值通常可以相对于相应给定值变化约±20％，并且仍然实现本文中所描述的优点。因此，优选地，以下是优选的：
·优选地，第二伸长部214的长度在8mm与24mm之间。第二伸长部214可以具有50欧姆±20％的阻抗。
·优选地，第二迹线下游端子部215的传播延迟为1.4ps±20％，并且优选地，第二迹线下游端子部215在主电信号传播方向上具有242μm±20％的长度，其中典型介电常数(eps)等于3.6。第二迹线下游端子部215可以具有32欧姆±20％的阻抗。
·优选地，第一迹线上游端子部123、223的传播延迟为2.9ps±20％，并且优选地，第一迹线上游端子部123、223在主电信号传播方向上具有338μm±20％的长度。第一迹线上游端子部123、223可以具有35欧姆±20％的阻抗。
·优选地，第一伸长部124、224的传播延迟为8.7ps±20％，并且优选地，第一伸长部124、224在主电信号传播方向上具有1095μm±20％的长度。第一伸长部124、224可以具有68欧姆±20％的阻抗。
·优选地，第一迹线下游端子部125、225的传播延迟为2.9ps±20％，并且优选地，第一迹线下游端子部125、225在主信号传播方向上具有332μm±20％的长度。第一迹线下游端子部125、225可以具有35欧姆±20％的阻抗。
此外，在图2中，示出了激光器端子131、231具有38fF的电容，同样为±20％。类似地，激光器部件130、230可以具有50欧姆±20％的内部阻抗以及180fF±20％的内部电容233。
以上，已经描述了优选实施方式。然而，对于本领域技术人员明显的是，可以在不脱离本发明的基本构思的情况下对所公开的实施方式进行许多修改。
例如，上述示例都使用50欧姆驱动器电路210输出阻抗作为用于确定所讨论的其他阻抗的起始点。然而，在使用不同驱动器电路210阻抗的情况下，其他阻抗也将以基本线性的方式相应地偏移。换言之，在一般情况下，相对于驱动器电路210输出阻抗的相对阻抗是重要的。该输出阻抗又可以被移位以匹配激光器部件130、230的各种内部电容233。
通常，相对于图1所示的实施方式已经描述的所有内容同样适用于图2所示的实施方式，并且相对于图2所示的实施方式已经描述的所有内容也同样适用于图1所示的实施方式。
因此，本发明不限于所描述的实施方式，而是可以在所附权利要求的范围内变化。

Claims (15)

1.一种半导体激光器载体上芯片(CoC)装置(100；200)，包括：
半导体激光器部件(130；230)，其以安装在半导体载体(120；220)上的激光器芯片的形式布置，所述半导体激光器部件(130；230)包括电激光器端子(131；231)；
驱动器电路(210)，其用于在电驱动器端子(211)上产生交流电驱动信号，所述电驱动器端子具有输出阻抗；以及
电信号导体(122，132；212，222，232)，其将所述电驱动器端子(211)电连接至所述电激光器端子(131，231)，
其中，所述电信号导体(122，132；212，222，232)包括：
第一印刷迹线(122；222)，所述第一印刷迹线(122；222)未被布置在所述激光器部件(130；230)上，并且所述第一印刷迹线(122；222)包括第一迹线伸长部(124；224)和第一迹线下游端子部(125；225)；以及
第一引线接合件(141；241)，其将所述第一迹线下游端子部(125；225)连接至所述电激光器端子(131；231)，并且
其中，所述第一迹线伸长部(124；224)适配于所述激光器部件(130；230)，使得所述第一迹线伸长部(124；224)和所述激光器部件(130；230)的内部电容(233)一起对应于与所述驱动器电路(210)的所述电驱动器端子(211)的所述输出阻抗相差至多20％的输入阻抗。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器载体上芯片装置(100；200)，其中，所述第一迹线下游端子部(125；225)、所述第一引线接合件(141；241)和所述电激光器端子(131；231)一起对应于与所述驱动器电路(210)的所述电驱动器端子(211)的所述输出阻抗同样相差至多20％的第一阻抗。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器载体上芯片装置(100；200)，其中，所述第一印刷迹线(122；222)被布置在所述半导体载体(120；220)上。
4.根据前述权利要求中任一项所述的半导体激光器载体上芯片装置(100；200)，其中，所述第一印刷迹线(122；222)还包括：
上游第一迹线上游端子部(123；223)，
其中，所述电信号导体(122，132；212，222，232)还包括：
第二印刷迹线(212)，所述第二印刷迹线(212)也未被布置在所述激光器部件(130；230)上，并且所述第二印刷迹线(212)包括第二迹线伸长部(214)和第二迹线下游端子部(215)；以及
第二引线接合件(240)，其将所述第二迹线下游端子部(215)连接至所述第一迹线上游端子部(123；223)，并且
其中，所述第二迹线下游端子部(215)、所述第二引线接合件(240)和所述第一迹线上游端子部(123；223)一起对应于与所述驱动器电路(210)的所述电驱动器端子(211)的所述输出阻抗同样相差至多20％的第二阻抗。
5.根据权利要求4所述的半导体激光器载体上芯片装置(100)，其中，所述第二印刷迹线(212)被布置在PCB(印刷电路板)上，在所述PCB上还布置有驱动器。
6.根据权利要求4或5所述的半导体激光器载体上芯片装置(100；200)，其中，所述第二迹线伸长部(214)直接连接至所述电驱动器端子(211)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的半导体激光器载体上芯片装置(100；200)，其中，所述驱动器电路(210)的所述电驱动器端子(211)的输出阻抗为50欧姆+/-20％。
8.根据前述权利要求中任一项所述的半导体激光器载体上芯片装置(100；200)，其中，所述端子部(123，125；215，223，225)中的每个端子部的相应阻抗低于所述驱动器电路(210)的所述电驱动器端子(211)。
9.根据前述权利要求中任一项所述的半导体激光器载体上芯片装置(100；200)，其中，所述第一迹线伸长部(124；224)的第一阻抗高于所述驱动器电路(210)的所述电驱动器端子(211)的输出阻抗。
10.根据前述权利要求中任一项所述的半导体激光器载体上芯片装置(100；200)，其中，所述端子部(123，125；215，223，225)中的每个端子部中的每一个形成为相应印刷迹线导体(122；212，222)的局部加宽部。
11.根据前述权利要求中任一项所述的半导体激光器载体上芯片装置(100；200)，其中，所述激光器部件(130；230)被布置成发射1310nm的激光。
12.根据前述权利要求中任一项所述的半导体激光器载体上芯片装置(100；200)，其中，所述激光器部件(130；230)是EML(电吸收调制激光器)激光器部件、DML(直接调制激光器)激光器部件或DFB-MZM(使用马赫曾德尔调制器调制的分布式反馈激光器)激光器部件。
13.根据前述权利要求中任一项所述的半导体激光器载体上芯片装置(100；200)，其中，所述驱动器被布置成经由所述驱动信号来实现以至少50Gbps的调制频率对由所述激光器部件(130；230)发射的激光的调制。
14.根据权利要求12所述的半导体激光器载体上芯片装置(100；200)，其中，所述调制是PAM(脉冲幅度调制)调制。
15.根据权利要求14所述的半导体激光器载体上芯片装置(100；200)，其中，所述调制是PAM4调制。
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