CN113759475A - 内封装型光电模块 - Google Patents
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Abstract
本公开提供一种内封装型光电模块。内封装型多信道光引擎被封装用于光电子模块的四个或更多个子组件。每个子组件组装有至少四个激光芯片，一个或多个驱动器芯片以及一个或多个跨阻放大器(TIA)芯片，这些组件分别倒装安装在硅光子插入器上并且耦接到子模块基板上的光接口块和电接口块。内封装型多信道光引擎还包括第一框架固定件和第二框架固定件，该第一框架固定件保持四个或更多个子组件，该第二框架固定件被配置为将第一框架固定件与四个或更多个子组件保持在一起。内封装型多信道光引擎还包括插入板，该插入板在子模块基板与模块基板之间插入并被压缩在附接到模块基板的底侧的背板构件与被配置作为有多个散热片结构的散热器的顶板构件之间。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术。更具体地，本发明提供一种内封装型光电模块、以及具有该内封装型光电模块的光电系统，该内封装型光电模块组装有多个子模块，每个子模块被配置为包含基于硅光子平台的光电收发器的多信道光引擎。
背景技术
随着科学技术的快速更新，计算机的处理速度和容量也相应增加。使用传统电缆的通信发送或通信接收受限于传统电缆的带宽和传输速度，并且现代生活中需要的海量信息传输导致传统通信传输过载。为了适应这样的需求，光纤传输系统逐渐取代了传统的通信传输系统。光纤通信被选择以用于需要电缆无法提供的更高带宽和更长距离的系统。当前的电子工业正在进行对光传输的研究，即使对于短距离通信，光传输也将成为未来的主流。所述光通信是一种技术，在该技术中，光波用作信号载体并且经由光纤在两个节点之间传输。光通信系统包括光发射器和光接收器。通过光收发器，可将接收到的光信号转换成能够由集成电路(IC)处理的电信号、或者可将处理后的电信号转换成要经由光纤传输的光信号。因此，可实现通信的目的。
在过去的几十年中，通信网络的使用激增。在早期的互联网中，流行的应用程序仅限于电子邮件、公告板、以及大多为信息性且基于文本的网页浏览，并且传递的数据量通常相对较小。如今，互联网和移动应用程序需要大量带宽来传递照片、视频、音乐和其他多媒体文件。例如，像脸书(Facebook)这样的社交网络每天处理超过500TB的数据。在对数据和数据传递的如此高的要求下，需要改进现有的数据通信系统以解决这些需求。
在现有的单模光纤上实现40G比特/秒以及然后100G比特/秒的数据速率的宽带波分复用(WDM)光传输是下一代光纤通信网络的目标。最近，光学组件被集成在硅(Si)基板上，以用于制造与微电子芯片共存的大规模光子集成电路。对于许多应用(例如宽带密集型光波复用(DWDM)或粗波分复用(CWDM)通信以及波长操纵的光检测)，直接封装在硅光子光电系统内的芯片级激光器引起了人们的兴趣。已经展示了整个光子组件(包括主要在绝缘体上硅(SOI)平台上的滤波器、(解)复用器、分离器、调制器和光电检测器，)。因为硅(n＝3.48)及其氧化物SiO2(n＝1.44)都是透明的，并且形成高折射率对比度、高约束波导，所以SOI平台尤其适合于1550nm附近的标准DWDM通信频段或者1310nm附近的CWDM通信频段，这理想地适用于中高集成平面集成电路(PIC)。
随着光通信技术的进步和市场驱动的应用，对增加光通信带宽和减小光收发器的封装面积的需求变得越来越强烈。将所有必要的组件集成到越来越小的模块封装中越来越具有挑战性。对于最先进的光收发器产品，所有关键组件(包括时钟数据恢复(CDR)、调制器驱动器、跨阻放大器(TIA)和具有光无源元件、调制器和光电检测器的可编程逻辑控制器(PLC)光子块)都在以2D方式并排组装在相同的基于SOI的组件基板上。对于开发任何大于400G的数据速率的未来光收发器，此方法至少具有两个缺点。首先，这些组件的并排放置会占用作为可插拔产品的光收发器的大部分电路板面积、或电路板光学产品的主要基板面积，从而很难进一步缩小产品尺寸。其次，在基板上并排放置会产生更长的电传输长度，并且经常需要在电管芯与光子管芯之间进行引线键合，从而引入更多的电损耗，这损坏了非常高的数据速率收发器产品(例如>56Gbaud符号率)的信号完整性。具体地，引线键合会因电感量大而导致阻抗失配，从而使较高频率的信号劣化。因此，对于传输高频(例如，>40GHz)模拟信号的应用，将引线键合用作芯片之间或芯片与电路板之间的电互连是不实际的。引线键合的大电感已成为高速数据传输的瓶颈。
为了缩短电子器件之间(例如，从调制器驱动器/TIA到数字信号处理器DSP)或电子器件(驱动器/TIA)与光子器件(例如CDR和PAM4 ASIC)之间的常规引线键合的互连长度，人们开始在Si光子管芯中使用硅通孔(TSV)和硅中介层工艺取代引线键合并进行互连。随着硅TSV制造工艺的进步，用于制造硅光子部件，并且将有源部件集成到晶圆级组件和老化测试中，在单个模块基板上组装多个光引擎的内封装型光电模块将为各种应用提供巨大的高性能优势和所需的带宽容量，这些应用涉及用于高速数据通信的背板范围(reach)、中范围、短范围或超短范围互连开关。
发明内容
本发明涉及光通信技术。更具体地，本发明提供一种内封装型光电模块，该内封装型光电模块在单个线卡上组装多个子模块，每个子模块被配置为包含基于硅光子平台的光电收发器的多信道光引擎。仅通过示例，本发明公开了一种用于子模块的子组件，该子模块集成了在单个硅光子基板上提供多个CWDM信道的多个激光芯片；一种紧凑的封装，针对单个线卡上的子模块的多个这种子组件，在具有不同互连长度的高速数据通信的各种应用中提供1.6T比特/秒或更高的总数据交换容量，尽管其他应用也是可能的。
在现代电互连系统中，高速串行链路已经取代了并行数据总线，并且由于CMOS技术的发展，串行链路速度正在迅速提高。根据摩尔定律(Moore’s Law)，互联网带宽几乎每两年翻一番。但是摩尔定律将在未来十年内终结。标准CMOS硅晶体管将缩进停止在3nm左右。并且由于过程缩放而导致的互联网带宽的增加将达到平稳状态。但是互联网和移动应用程序不断需要大量带宽来传输照片、视频、音乐和其他多媒体文件。本公开描述了超越摩尔定律来改善通信带宽的技术和方法。
在实施方式中，本发明提供了一种内封装型多信道光引擎。内封装型多信道光引擎包括光电子模块的四个或更多个子组件。每个子组件组装在形成有盖构件的壳体中，该盖构件在子模块基板的外围边缘区域上覆盖外围侧构件。每个光电子模块包括至少四个激光芯片、一个或多个驱动器芯片、以及一个或多个跨阻放大器(TIA)芯片，这些组件分别倒装安装在硅光子基板上并且耦接到共同安装在对应的子模块基板上的光接口块和电接口块。内封装型多信道光引擎还包括第一框架固定件，该第一框架固定件具有跨中间区域交叉接合的杆以形成四个或更多个窗口结构，该四个或更多个窗口结构被配置为允许四个或更多个子组件分别与顶部上的盖构件的顶面和底部处的对应的子模块基板的底侧装配。此外，内封装型多信道光引擎包括第二框架固定件，该第二框架固定件被配置为将第一框架固定件与四个或更多个子组件保持在一起。内封装型多信道光引擎还包括插入板，该插入板具有顶侧、底侧、以及多个通板导电通孔和内部导电路径，该顶侧具有四个或更多个第一组导电凸块，该底侧具有四个或更多个第二组图案化导电凸块，该通板导电通孔和内部导电路径被配置为将第一组导电凸块与四个或更多个第二组图案化导电凸块连接。每个第一组导电凸块被配置为键合到相应的子模块基板。此外，内封装型多信道光引擎包括模块基板，该模块基板具有顶侧，该顶侧具有四组或更多组导电凸块触点，该导电凸块触点被配置为分别键合到四个或更多个第二组导电凸块。内封装型多信道光引擎还包括附接到模块基板的底侧的背板构件。此外，内封装型多信道光引擎包括顶板构件，该顶板构件被配置为压缩第二框架固定件，该第二框架固定件将具有四个或更多个子组件的第一框架固定件、插入板和模块基板与背板构件竖直地固定在一起。顶板构件被配置为具有多个散热片结构的散热器。
在具体实施方式中，本发明提供了多信道光引擎的子组件。该子组件包括作为底部构件分割的子模块基板、以及具有沿子模块基板的正面上的外围区域布置的四边的外围框架构件。外围框架构件具有穿过至少一侧的开口槽。该子组件还包括硅光子基板，该硅光子基板经由子模块基板的正面上的直通基板通孔凸块触点电键合。该硅光子基板被配置为在其中制造多个Si基波导装置。此外，该子组件包括一个或多个驱动器芯片、一个或多个跨阻放大器芯片以及多个激光芯片，这些组件分别安装在硅光子基板上并且耦接相应的Si基波导装置，以形成发射器单元和接收器单元。该子组件还包括光接口块，该光接口块包含多个平面波导装置，该多个平面波导形成在玻璃或蓝宝石基板上，该玻璃或蓝宝石基板靠近硅光子基板安装在子模块基板的正面上。多个平面波导光学耦接到对应的Si基波导装置和光纤电缆中的光纤，该光纤通过穿过至少一侧的开口槽铺设。该光接口块被配置为将从发射器单元发送的输出发送到输出光纤，并且为接收器单元接收来自输入光纤的输入多波长光信号。此外，该子组件包括电接口块，该电接口块包括多个ASIC芯片，该ASIC芯片安装在子模块基板的正面或其后面上，并且该ASIC芯片被配置为接收数据信号(基于该数据信号产生用于激光芯片的控制信号)、处理从入射的光信号转换成的数字信号以用于电主机。此外，该子组件包括覆盖外围框架构件的顶盖构件，以包围光引擎。
附图说明
图1是根据本发明的实施方式的集成光电子模块的简化框图。
图2是根据本发明的实施方式的集成4个激光器的光电收发器的示例图，该光电收发器设置4个CWDM信道以及4个复制信道。
图3是根据本发明的实施方式的在单个基板上的多个封装硅光子芯片的晶圆级组件的示意性俯视图。
图4是根据本发明的实施方式的四个子模块光引擎的内封装型光电模块的示意性俯视图。
图5是根据本发明的实施方式的用于图4的光电模块的封装的分解图，该光电模块与散热器集成并且与线卡印刷电路板接口。
图6是根据本发明的实施方式的图5的封装中的四个子模块光引擎的子组件的分解图。
图7是根据本发明的实施方式的图6的子组件中的一个子模块光引擎的子组件的分解图。
具体实施方式
本发明涉及光通信技术。更具体地，本发明提供一种内封装型光电模块，该内封装型光电模块在单个线卡上组装多个子模块，每个子模块被配置为包含基于硅光子平台的光电收发器的多信道光引擎。仅通过示例，本发明公开了一种子组件，该子组件用于在单个硅光子基板上集成设置有4个CWDM信道以及4个光复制CWDM信道的4个激光芯片的子模块；一种紧凑型封装，该紧凑型封装用于单个线卡上的子模块的多个这种子组件，该线卡为了在利用不同互连长度通信的各种应用中构建所需的交换容量，提供每子模块0.4T比特/秒或更高的高速数据，尽管其他应用也是可能的。
在一个方面中，本发明提供了基于硅光子平台的集成光电子模块和一个模块基板上的四个或更多个子模块的内封装型光学组件，该模块基板针对PAM背板/光范围具有1.6T比特/秒或更高的光通道速度，以用于数据通信的各种互连范围。随着WDM系统中数据传输容量的增加，近年来对基于硅光子平台的高速，紧凑型光收发器的需求越来越引起人们的关注。例如，紧凑型可插拔光收发器。然而，紧凑型光收发器仍然是独立装置，需要与单独的无源光装置(例如多路复用器(MUX)/解复用器(Demux)和一个或多个齿轮箱(Gearbox)或重定时器芯片(Retimer))耦接，以与电开关装置连接以形成功能性的光引擎，这需要相当大的封装尺寸和高功耗。
图1示出根据本发明的实施方式的集成光电子模块的简化框图。图1仅是示例，该图不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如所示出的，在实施方式中，集成光电子模块包括：电主机接口，被配置为经由N 25G(NRZ)或50G(PAM4)或100G(PAM4)信道接收电主机数据输入；以及数字处理器，经由具有N至N通道的重定时器芯片处理数据信号。可选地，数字处理器经由齿轮箱N至M通道处理数据信号，其中，N是M的倍数。可选地，在一个或多个芯片中配置电主机接口，该电主机接口包括前向纠错(FEC)信道编码，该前向纠错信道编码用于控制在不可靠或噪声通信信道上的数据传输中的错误。在该实施方式中，集成光电子模块还包括光线路接口，该光线路接口被配置有4个波长CWDM激光器，该4个波长CWDM激光器经调制以将N个电数据转换为N个光通道中的光信号。可选地，具有类似配置的光引擎可以形成有>4个的波长。可选地，可以选择4个或更多个波长以与标称CWDM信道相比具有一半的间距。光信号经由波导或光纤中复用的光线路数据输出来进行传输。可选地，激光芯片、驱动器芯片和跨阻放大器(TIA)芯片集成在硅光子基板上。可选地，硅光子基板经由插入器安装在用于安装包含电主机接口的一个或多个芯片的相同子模块基板上。可选地，硅光子基板是插入器。可选地，用于激光器和调制器控制的模拟控制芯片安装在子模块基板的后面。可选地，TIA芯片或驱动器芯片或微控制器芯片也可以安装在子模块基板的后面。可选地，集成光电子模块被配置为具有外部电源接口以与电源耦接并且经由诸如I2C接口的主机控制接口来接收模块控制信号。
图2是根据本发明的实施方式的集成4个激光器的光电收发器的示例图，该光电收发器提供4个CWDM信道以及4个复制信道。图2仅是示例，该图不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。在实施方式中，光电收发器1000将四个激光芯片110与驱动器芯片150和TIA芯片140集成，该驱动器芯片150和该TIA芯片140倒装在硅光子(SiPho)基板100上，以形成与外部平面光电路(PLC)块200耦接的SiPho芯片。如所示出的，光电收发器1000具体被配置为包括光接收路径和光发送路径的4波长CWDM光收发器。在光接收路径中，该光电收发器1000被配置为接收从一个光输入221解复用的具有四个波长的入射的四个光信号。在光发送路径中，该光电收发器1000被配置为输出复用成一个光输出211的具有四个CWDM信道波长的四个光信号。4至1复用器(Mux)210是形成在玻璃或蓝宝石基板上的PLC波导装置，并且被配置为将四个CWDM信道波长复用成一个波导或光纤中。1至4解复用器(Demux)220是形成在同一玻璃或蓝宝石基板上的另一PLC波导装置，该1至4解复用器220被配置为将入射光信号解复用成四个复用波长，该四个复用波长携带来自网络的高速调制信号。光电收发器1000还包括多个高速光电检测器130，该高速光电检测器130检测具有四个解复用波长的四个光信号中的每一个。在该实施方式中，复用器210和解复用器220两者都集成在PLC块200中。可选地，PLC块200包括形成在单个玻璃或蓝宝石基板中的多个光波导，该多个光波导与硅光子基板100中的相应波导对齐。
参考图2，光电收发器1000包括一组4个CWDM激光器110，该4个CWDM激光器110分别提供波长中心在1270nm、1290nm、1310nm和1330nm的4个CWDM信道光信号。可选地，每个激光装置是DFB激光芯片。可选地，每个激光芯片110被设置成单独制造并倒装安装在硅光子基板100上的单独的激光芯片。可选地，从相应的一个激光芯片输出的每个光信号被对齐到内置在硅光子基板100中的硅波导中。首先，每个光信号通过硅波导被联接到功率分离器120中，并且在两个独立的分支中以从5：95到50：50的分离比分离成两个光信号。可选地，来自功率分离器120的次要分离分支的一个分离光信号用于监视或波长锁定或反馈控制。可选地，来自功率分离器120的一个主要分离分支的一个光信号内馈送到四个调制器160中的一个。可选地，功率分离器是50：50分离器，光信号转换为两个复制光信号，这基本上使信道数加倍。每个复制光信号被馈送到调制器。总体上，图2的光电收发器1000示出分别用于从四个第一分支(01)接收光信号的四个调制器160，而用于四个第二(复制)分支(02)的其他四个调制器未明确示出。当然，除了一个光电收发器(包括4个CWDM信道以及4个复制CWDM信道)以外，在功能设定或光学布局中可以存在许多变化，以处理这些光信号并针对光电模块100的不同应用以不同的方式进行配置。例如，可选地，光电收发器1000设置有一组(>4)个的激光器，该激光器组具有比CWDM信道更小的信道间隔以提供>4个波长。整个系统将不得不在相同的多波长面中操作。
可选地，第一分支01中的任一个中的调制器160是基于线性波导的马赫曾德尔调制方案。每个调制器160包括具有期望的相位延迟的两个波导分支，该两个波导分支被配置为与四个CWDM信道的四个波长1270nm、1290nm、1310nm和1330nm中的相应一个相匹配。可选地，该四个波长可以从1270nm、1280nm、1290nm和1300nm的组或具有较小信道间隔的1300nm、1310nm、1320nm和1330nm的组中选择。提供驱动器模块150以作为倒装安装在同一硅光子基板100上的单独制造的CMOS或SiGe芯片。可选地，还提供冗余或复制驱动器模块150’(图2中未示出)以作为倒装安装在同一硅光子基板100上的芯片，该冗余或复制驱动器模块150’用于驱动复制分离分支中的其他四个调制器(未示出)。驱动器模块150被配置为驱动所有四个调制器160以调制四个CWDM信道中的光信号。可选地，一个8信道驱动程序能够驱动4个信道以及4个复制信道。可选地，驱动器模块150采用PAM-N(N为整数)调制协议或NRZ调制协议来调制光信号。例如，提供调制器160以作为基于硅波导的马赫-曾德尔(Mach-Zehnder)干涉仪，该调制器16被配置为提供PAM4调制，尽管可采用其他格式。在调制之后，四个CWDM信道的光信号被引导到在PLC块200中的4对1多路复用器(Mux)210，该PLC块200通过光纤(未示出)将多路复用的光信号输出到子模块1000的输出端口211。可选地，在PLC块200中形成了另一个4对1复用器(尚未示出)，以用于将光信号的其他4个复制CWDM信道组合成一个多路复用的光信号，该多路复用光信号通过另一根光纤(未示出)被引导向输出端口211。有效地，由驱动器模块150或加上复制驱动器模块150’驱动的4个激光芯片110和4或8个调制器160的组合形成了集成的4信道光发送路径以及另一4信道复制光发送路径(图2中未显示)。
再次参考图2，光电收发器子模块1000包括4信道光接收路径。在光接收路径中，PLC块200中的光解复用器(Demux)220经由输入端口221从外部网络接收输入光信号，该输入端口221被配置为在四个CWDM信道波长下运行以传输相应的数据信号。携带四个复用波长的输入光信号被解复用为相应的4个波长中4个单独的光信号，该4个波长分别被引导进形成在硅光子基板100中的四个波导中。高速光电检测器130用于分别检测这四个光信号，并且将该光信号转换为相应的电流信号。在该实施方式中，光电收发器子模块1000的4信道光接收路径还包括跨阻放大器TIA模块140，该跨阻放大器TIA模块14用于独立地处理从各个四个单独的光信号转换而来的电流信号，以经由电主机接口与主机电网系统通信。可选地，TIA模块140单独地形成并且倒装安装在相同的硅光子基板100上。可选地，因为可通过另一解复用器将四个复制的信道光信号从另一输入光解复用出，所以光电收发器子模块1000还包括复制的4信道光接收路径。在复制的4信道光接收路径中，可包含复制的TIA模块140’(图2中未显示)，该复制的TIA模块140’用于独立处理从相应的四个复制的光信号转换而来的四个更多电信号，以便与具有2倍(2x)扩展的带宽的主机电网络系统通信。可选地，TIA模块140也是安装在同一硅光子基板上的倒装芯片。
在另一方面，本公开提供了一种用于基于硅光子平台的集成光电子模块(诸如收发器子模块1000)的制造工艺。在一些实施方式中，该制造工艺包括涉及2.5D硅插入器和220nm绝缘体上硅(SOI)基板的2.5D硅光子基板的晶圆级组件。该工艺包括在硅光子基板100中单片形成多个硅或氮化硅波导，以用于与包括形成在同一硅光子基板100中的功率分离器、SiGe或Ge高速光电检测器、以及基于Si/SiN的马赫-曾德尔干涉仪调制器装置的若干不同硅光子装置连接或对齐。该工艺还包括将硅波导与无源PLC装置耦接，该无源PLC装置诸如形成在玻璃或蓝宝石基板上并且作为PLC块200安装在硅光子基板上的光复用器和光解复用器。该工艺还包括将诸如激光芯片的有源装置倒装安装到硅光子基板作为封装设计，并且使激光芯片直接与硅光子基板中的波导或PLC块中的PLC装置对齐。可选地，上述硅光子组件中的一些本身也是在相同制造工艺中单片形成的硅波导，以用于制备硅光子基板从而集成光电收发器子模块1000。
图3示出根据本发明的实施方式的在单个基板上的多个封装硅光子芯片晶圆级组件的示意性俯视图。图3仅是示例，该图不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。如所示出的，以集成光电收发器子模块作为示例，硅光子基板100是由CMOS兼容工艺加上SOI晶圆10的后CMOS晶圆级组件制造的一个管芯。在示例中，每个管芯100用于通过直接处理SOI晶圆以形成硅光子直通基板通孔(TSV)插入器来形成光电模块。涉及TSV插入器的制造工艺的更多细节可在2018年2月2日提交的美国专利申请号15/887758中找到，并且该申请共同转让给加利福尼亚州圣克拉拉的英菲公司(Inphi Corp.Santa Clara，CA)。出于所有目的，通过引用将上述申请并入本文。利用该硅光子TSV插入器，可以直接安装用于形成光电模块的若干光部件或电部件。参考图3，将晶圆10中的一个管芯100放大，以示出若干电部件和光部件，该管芯包括两个驱动器芯片150、150'、两个TIA芯片140、140'、两个虚拟芯片190以及四个场效应晶体管145(用于向激光芯片110施加偏压)，该两个驱动器芯片150、150'、两个TIA芯片140、140'、两个虚拟芯片190以及四个场效应晶体管145倒装安装到后CMOS晶圆级组件中的管芯的顶侧。具体地，四个激光芯片110也直接倒装安装到管芯上的各个芯片位置，并且与形成在其中的波导光学对齐，作为封装组件，而不需要任何额外的引线键合。
另外参考图3，多个冗余管芯以多对行排列在晶圆基板10上。每个管芯100包括四个CWDM激光芯片110。晶圆基板10还被配置为布置多排闪烁检测垫300，该闪烁检测垫300被设计用于方便地进行晶圆级老化和测试。每个检测垫300包括用于容易地与外部测试电极耦接的电极310，以允许将适当的偏置电流串联地施加到晶圆基板10上的多个激光芯片。关于在管芯上设计芯片位置以安装激光芯片以及对激光芯片执行晶圆级老化和测试的更多细节，可在2020年2月25日提交的美国专利申请号16/800974中找到，该专利申请共同转让给加利福尼亚州圣克拉拉的英菲公司(Inphi Corp.Santa Clara，CA)，并出于所有目的通过引用并入本文。
在又一方面中，本公开提供内封装型光电模块，该内封装型光电模块组装有如上所述的四个光电子模块。图4示出根据本发明的实施方式的四个子模块光引擎的内封装型光电模块的示意性俯视图。图4仅是示例，该图不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。在图4所示的实施方式中，内封装型光电模块3000通过将四个子模块2000A、2000B、2000C和2000D均匀地封装在公共部件基板2001上的四个紧凑区域中而提供。可选地，每个子模块形成在其自己的部件基板上，该部件基板被称为子模块基板。
图4中的四个子模块中的每一个基本上是冗余的，并且独立地起到由4个封装激光器驱动的4波长收发器的作用，以为4个CWDM信道和4个复制CWDM信道提供4个光信号，如图2的框图所示。可选地，内封装型光电模块可以集成两个子模块。可选地，内封装型光电模块可以集成6个子模块或更多子模块。参考图4，在示例中，每个4波长收发器包括从图3的晶圆基板10的一个管芯切下的硅光子(SiPho)芯片100。四个CWDM信道由分别来自四个激光芯片110的四个光信号提供，该四个CWDM信道波长分别以1270nm、1290nm、1310nm和1330nm为中心，该四个激光芯片直接倒装在SiPho芯片100上且其p型侧面向SiPho芯片。从每个激光芯片110发射的激光形成在SiPho芯片100中的硅基波导对齐。可选地，硅基波导包括光分离器，以将激光分离成两个分支，以提供4个CWDM信道和4个复制CWDM信道。相应地，在每个SiPho芯片100上，包括了一个驱动器芯片150和一个TIA芯片140用于处理涉及4个CWDM信道的光信号的传输和检测，并且包括了一个复制驱动器芯片150'和一个复制TIA芯片140'用于处理与4个复制CWDM信道相关联的光信号的传输和检测。SiPho芯片100耦接到平面光电路(PLC)块200，两者都被键合到对应的子模块基板2001的顶侧。
可选地，图4中的四个子模块中的每一个(例如，左上部分的2000A)，还包括数字信号处理(DSP)芯片2030以及一个复制DSP芯片2030'和微控制器芯片2040，所有这些都安装在子模块基板2001的与SiPho芯片100和PLC块200同一侧的顶面上。驱动器芯片150和驱动器芯片150’两者都通过电主机接口分别经由数字信号处理(DSP)芯片2030(和2030’)与外部电主机系统接口，以处理从电主机输入的电数据。DSP芯片还被配置为经由主机控制接口与微控制器芯片2040交互，以提供操作SiPho芯片100所需的模块控制和电源。可选地，DSP芯片2030和2030'包括用于通过N至N通道电数据传输将模拟信号转换为数字信号的齿轮箱或重定时器芯片、用于处理数字信号的数字处理器、用于与外部电主机通信的一个或多个接口装置、以及用于驱动四个激光芯片的电流驱动器。可选地，微控制器芯片2040与相应的一个子模块2000A相关联，并且被配置为控制DSP芯片2030、驱动器150、TIA140以及其中的接口的操作。可选地，SiPho芯片中的调制器被配置为基于PAM-N协议(例如，PAM-4协议)，或基于NRZ协议来调制激光信号。可选地，调制器被配置在由硅光子基板中的硅基波导形成的马赫-曾德尔干涉仪中。
与四个子模块子模块2000A(至2000D)中的每一个相关联的PLC块200至少包括：在光发送路径中的第一光多路复用器(参见图2)，以将四个CWDM信道的光信号多路复用成一个光纤中的一个输出光；以及在复制光发送路径中的的第二光多路复用器，以将四个复制的光信号多路复用成另一光纤中的另一个输出光。PLC块200中的每个光多路复用器是形成在玻璃或蓝宝石基板上并且适当地耦接到一个光纤的平面波导。两个光纤都可被封装到耦接在PLC块200之间的一条板载光纤电缆2010A(至2010D)中。对于每个子模块(例如2000A)，一个光收发器将8个总输出光信号传输到外部光网络，该总输出光信号携带4个CWDM信道以及4个复制CWDM信道。在该实施方式中，紧凑型内封装型光电模块3000总共包括四个子模块2000A至2000D，以将总共32个CWDM信道信号传递到外部光网络。
在该实施方式中，与四个子模块中的相同一个模块(例如2000A(至2000D))相关联的PLC块200，还包括内置光接收路径，该内置光接收路径被配置为经由光纤接收从网络入射的光信号。PLC块200包括至少一个第一光解复用器，以将来自一条光纤(携带4个波长)的入射光信号解复用成具有相应四个CWDM信道波长的四个单独的光信号。PLC块200中的每个光解复用器是形成在玻璃或蓝宝石基板上、适当地耦接到一个光纤的平面波导。四个单独的光信号中的每一个从PLC块200中的平面波导耦合到硅光子基板中的波导，并传递到光电检测器模块(请参见图2)。光电检测器块(130，如图2所示)单独地检测每个光信号并将其转换为传递到跨阻放大器(TIA)模块140并由该跨阻放大器(TIA)模块140处理的电流信号，以产生电压信号。电压信号由板载DSP芯片2030进一步处理或数字化并处理，并馈送到外部电主机接收器。如上所述的入射光信号可以经由也封装在板载光纤电缆2010A中的光纤接收。可选地，第二光解复用器包括在PLC块200中，以用于接收和解复用携带4个复制CWDM信道波长的另一入射光信号到复制接收光路径中，以为4个复制CWDM信道提供额外带宽，该4个复制CWDM信道可由光检测器单独地检测并且转换为相应的电信号。电信号可以由复制TIA模块140'处理，并且可以由同一子模块中的DSP芯片2030'数字处理。
在本实施方式中，PLC块200包含两个4至1或两个1至4解复用器，以创建两组四个光路径。对于总共封装四个光电子模块2000A、2000B、2000C、2000D的多通道光引擎3000，该多通道光引擎3000可以检测32个信道中的不同的输入光信号。在每个信道以50G比特/秒的速率携带数据的情况下，每个象限子模块使用4个CWDM激光器以400G比特/秒的速率传递数据。内封装型光电模块3000可以提供1.6T比特/秒的数据交换通信容量。在另一种情况下，使用改进的调制器、驱动器芯片、TIA芯片和DSP芯片，即使每个象限子模块使用相同的4个CWDM激光器，每个信道也可以携带100G比特/秒的速度。结果，内封装型光电模块3000可以将其数据交换通信速度扩展到3.2T比特/秒。
仍在另一方面，本公开提供如上所述的图4的内封装型光电模块的封装组件。图5、图6和图7以封装结构和针对该封装结构中的子模块和部件的安装固定件的不同层次示出若干分解图。图5是根据本发明的实施方式的用于图4的内封装型光电模块的封装组件5000的分解图，该内封装型光电模块与散热器集成并且与基于印刷电路板的模块线卡板接口。图6示出根据本发明的实施方式的用于在图5中的四个子模块的封装组件内封装四个子模块的子组件3000A。图7示出根据本发明的实施方式的图5和图6中的一个子模块2000A中的所有部件的详细子组件。图5、图6和图7仅是示例，该图不应不适当地限制权利要求的范围。本领域普通技术人员将认识到许多变化、替代和修改。
如图5所示，通过在顶部的顶板构件3020和在底部的背板构件3060之间压缩图4的多信道光引擎3000的子组件3000A来设置封装组件5000。如图6所示，内封装型光电模块3000的子组件3000A包括单个实心框架固定件构件3002，该实心框架固定件构件3002具有两个交叉接合的中间杆，以形成四个紧密封装的窗口结构3008A、3008B、3008C和3008D。四个窗口结构被设计成分别允许安装四个子组件(即2000A、2000B、2000C和2000D)。每个子组件(例如2000A)被设计成将相应的子模块封装在顶部由盖构件2200A封闭的壳体内、并由在底部围绕子模块基板2300A的外围区域用外围侧构件2100A密封。图7示出具有子模块(例如2000A)的每个子组件的封装结构和部件布局。更多细节将在以下段落中描述。
参考图6，实心固定件构件3002包括凹口3005-1和凹口3005-2，该凹口3005-1和凹口3005-2至少部分地在框架固定件构件3002的一个中间杆和一侧面向下开口。每个子组件(例如2000B)的盖构件(例如2200B)包括开口槽2105-B，开口槽2105-B面向上穿过外围侧构件2100B的一侧，以与凹口3005-1对齐。开口槽2105-B提供用于铺设光缆对2010A和2010B的开口空间，该光缆对2010A和2010B分别将光纤封装在子组件2000A和子组件2000B中的光电子模块外部。类似地，另一对光缆2010C和2010D也将光纤封装在子组件2000D和子组件2000C外部，并且该另一对光缆2010C和2010D铺设在与凹口3005-2对齐的开口槽2105-C提供的开放空间中。
参考图5和图6，当子组件3000A组装在封装组件5000中时，四个子组件(例如2000A)的盖构件(例如2200A)的顶面以良好的热接触方式被机械地压在封装组件5000中的顶板构件3020的底面上。在实施方式中，如图5所示，顶板构件3020的顶侧被配置有散热器，该散热器具有竖直延伸的多个散热片结构3021。多个散热片结构的高度被设计成有助于以足够高的效率释放模块热量。可选地，热垫(未示出)可以插入在盖构件的顶面与顶板构件3020的底面之间以增强热导率。散热器被配置为释放子组件3000A中的四个子模块产生的热量，在该四个子模块中，每个子模块包含4个CWDM激光器和多个预封装CMOS芯片(如驱动器芯片150和TIA芯片140以及DSP芯片2030)。机械地，顶板构件3020由具有从顶侧施加的螺纹头的若干弹簧装载压缩销3030按压，以与封装组件5000中的背板构件3060锁定在相应的插口3063。
参考图7，子模块2000A的子组件包括具有顶部的盖构件2200A的壳体，该顶部的盖构件2200A覆盖外围侧构件2100A，该外围侧构件2100A位于围绕子模块基板2300A顶部的外围边界区域，该子模块基板2300A作为子组件2000A的底部构件。可选地，子组件2000A是与在封装子组件3000A的四个窗口结构(例如3008A)中的一个中的象限部分装配。可选地，外围侧构件2100A包括至少一个开口槽2105-A，以铺设至少一个光纤电缆2010A，以用于在子组件中的光电子模块的光输入光纤/光输出光纤。可选地，盖构件2200A的顶面2201A可附接有用于增强子组件2000A的热释放效率的热垫(未示出)。可选地，子模块基板2300A也被构造成允许热有效地通过其自身传导。
在一个实施方式中，如图7所示，封装在子组件2000A中的子模块包括封装在硅光子基板100上的SiPho芯片，硅光子基板100安装在子模块基板2001A的顶侧。SiPho芯片100基本上与使用如图3所示的晶圆级组装工艺在SOI晶圆10上形成的一个管芯相同。参考图7，SiPho芯片100包括驱动器芯片150和复制驱动器芯片150'、TIA芯片140和复制TIA芯片140'、以及四个激光芯片110，所有这些芯片都倒装安装到同一的硅光子基板100的顶部。一些虚拟芯片(未示出)和场效应晶体管装置145也可以安装在同一的硅光子基板100的顶部。SiPho芯片包括发射器单元，该发射器单元被配置为从四个激光芯片产生多信道光信号，该多信道光信号通过由驱动器芯片基于经由电接口块接收的数据驱动的四个调制器装置而被调制。多信道光信号发送到耦接到光接口块的光发送路径以输出复用光信号。
在该实施方式中，同一SiPho芯片也包括接收器单元，该接收器单元被配置为使用一组光电检测器以检测多信道光信号，该多信道光信号在光接收路径中被接收并且在光接口块中从入射的复用光信号中解复用，并且使用TIA芯片以将检测到的多信道光信号转换为电流信号，该电流信号在作为N至N通道的数字化信号被传递给电主机之前，在电接口块中被数字化并处理。在同一硅光子基板100中包括光发送路径和光接收路径。SiPho芯片中的一个驱动器芯片150和一个TIA芯片140涉及处理四个光信号从四个激光芯片到光发送路径的传输、以及检测来自光接收路径的四个入射光信号。另一驱动器芯片150'和另一TIA芯片140'分别涉及处理四个复制光信号从四个激光芯片到光发送路径的传输、以及检测来自光接收路径的四个额外的入射光信号。封装子组件2000A的每个SiPho芯片中的这些TIA/驱动器芯片被配置为在4个CWDM信道的两个复制组中处理光信号的接收和发送，该4个CWDM信道各自的波长中心在1270nm、1290nm、1310nm和1330nm。可选地，电接口块包括数字信号处理(DSP)芯片2030，该数字信号处理(DSP)芯片2030被配置为以每通道25G比特/秒的数据速率处理N至N通道的数字化信号。可选地，电接口块包括数字信号处理(DSP)芯片2030，该数字信号处理(DSP)芯片2030被配置为以每通道50G比特/秒的数据速率处理N至N通道的数字化信号。可选地，电接口块包括数字信号处理(DSP)芯片2030，该数字信号处理(DSP)芯片2030被配置为以每通道50G比特/秒的数据速率处理N至N通道的数字化信号。可选地，电接口块包括复制数字信号处理(DSP)芯片2030’和微控制器芯片2040。
另外参考图7，沿着硅光子基板100上的SiPho芯片的一侧布置，PLC块200也安装在子模块基板2300A上。PLC块200包括形成在玻璃或蓝宝石基板上的基于PLC的波导中的一个或多个复用器和一个或多个解复用器，以用于通过在PLC块200与输入光纤/输出光纤之间耦合光信号来引导光波到子组件2000A的光学输出端口以及引导来自子组件2000A的光学输入端口的光波。每个子组件的输入光纤/输出光纤封装在一根光纤电缆2005-1中。
此外，参考图7，沿着硅光子基板100上的SiPho芯片的另一侧布置，一个或多个ASIC芯片，例如，数字信号处理(DSP)芯片2030(2030’)可以倒装安装在同一子模块基板2300A上。每个DSP芯片2030或2030'被配置在电接口块中，以支持一个TIA芯片140和一个驱动器芯片150的功能，从而用于处理或调制涉及4通道CWDM光发送路径/接收路径的光信号/电信号，或者以支持一个复制TIA芯片140'和一个复制驱动器芯片150'的功能，从而用于处理或调制涉及复制4通道CWDM发送路径/接收路径的光/电信号。此外，微控制器芯片2040还在紧邻复制DSP芯片2030'倒装安装到子模块基板2300A上、并且被配置在在电接口块中，以支持DSP芯片或复制DSP芯片的操作以及SiPho芯片的操作。参考图7，DSP芯片2030(2030’)或微控制器芯片2040经由多个导电接合凸块2108安装到子模块基板2300A的正面侧。可选地，子模块基板2300A还提供其底侧以用于安装附加功能芯片，以更有效地利用基板来增强光引擎的性能。例如，用于激光器和调制器的模拟控制的ASIC芯片2050基于直通基板通孔经由多个凸块2109安装在子模块基板2300A的底侧。
参考图5和图6，内封装型光引擎3000的子组件3000A由带插口框架构件3010从该带插口框架构件3010顶侧容纳或布置在带插口框架构件3010中。插入板3040被配置为布置在子组件3000A的四个子模块基板(例如2300A)的底侧与模块基板3050的顶侧之间。可选地，四个子模块基板2300A至2300D(参见图6)可被视为一个共同基板。可选地，模块基板3050被配置为用作包括印刷电路板(PCB)中的到主机的相关电连接电路的线卡。可选地，模块基板3050本身是较大线卡的一部分。与模块基板3050相关联的PCB被配置有集成电路，该集成电路具有线接口，该线接口经由四组导电凸点触点连接至光电子模块的四个子组件、并且被配置为线卡，该线卡具有用于将多信道光引擎连接到数据中心的主机接口并且具有用于接入外部电源的外部电源接口。可选地，插入板3040包括四组图案化的直通基板通孔(TSV)(例如3044A)，该直通基板通孔被设计成用于分别耦接四个光电子模块2000A至2000D的四个子模块基板2300A至2300D的底侧。
可选地，插入板3040是无源插入器，该无源插入器设置有导体填充的直通基板通孔(TSV)凸块的四个象限栅格，该四个象限栅格分别形成在投影到四个子模块基板的插入板的四个象限区域上。例如，TSV凸块3044A的象限栅格被设计成用于在子模块基板2300A与模块基板3050的对应象限区域中的直接键合互连(DBI)触点3052A之间形成电连接。可选地，设置TSV凸块(例如3044A)的每个象限栅格以包围插入板3040的象限空心区域(例如3042A)，以为在子模块基板(例如2300A)后面安装可选ASIC芯片(例如图7中的2050)产生空间。
可选地，插入板3040是有源插入器，该有源插入器包含TSV凸块的四象限栅格，以连接IO和电源，并且为嵌入式电路装置提供有源区域，以使用两个DBI触点之间的缓冲器传递电信号。可选地，插入板3040是2.5D硅插入器。可选地，插入板3040是3D硅插入器。
参考图5，模块基板3050包括多个对齐通孔3051，该对齐通孔3051与插入板3040中的类似对齐通孔3041和带插口框架构件3010中的类似对齐通孔3011对齐。背板构件3060包括对齐销3061，该对齐销3061被配置为穿过这些对齐通孔3051、3041和3011，以便将这些组件构件正确地堆叠。模块基板3050还具有多个通孔3053，该多个通孔3053允许压缩销3030穿过以用背板构件3060锁定封装组件5000中的所有部分。背板构件3060包括多个开放窗口区域(例如3062A)，该多个开放窗口区域被设计成提供空间以便在模块基板3050的后面上安装附加芯片。可选地，这些窗口区域为封装组件5000提供更好的导热性。背板构件3060具有多个螺纹孔3063，该多个螺纹孔3063允许具有螺纹头的相应的压缩销3030锁定在该多个螺纹孔3063中，从而使封装组件5000紧密组装。
Claims (14)
1.一种内封装型光电模块，包括：
光电子模块的四个或更多个子组件，每个子组件组装在形成有盖构件的壳体中，所述盖构件在子模块基板的外围边缘区域上覆盖外围侧构件，每个光电子模块包括至少四个激光芯片、一个或多个驱动器芯片、以及一个或多个跨阻放大器TIA芯片，所述至少四个激光芯片、所述一个或多个驱动器芯片、以及一个或多个所述TIA芯片分开地倒装安装在硅光子插入器上并且耦接到共同安装在对应的所述子模块基板上的光接口块和电接口块；
第一框架固定件，具有跨中间区域交叉接合的杆，以形成四个或更多个窗口结构，四个或更多个所述窗口结构被配置为允许所述四个或更多个子组件分别利用顶部上的所述盖构件的顶面和底部处的对应的所述子模块基板的底侧来装配到所述窗口结构中；
第二框架固定件，被配置为将所述第一框架固定件与所述四个或更多个子组件保持在一起；
插入板，所述插入板具有顶侧、底侧、以及多个通板导电通孔和内部导电路径，所述顶侧具有四个或更多个第一组导电凸块，所述底侧具有四个第二组图案化导电凸块，所述通板导电通孔和所述内部导电路径被配置为将所述第一组导电凸块与四个或更多个第二组图案化导电凸块连接；每个第一组导电凸块被配置为键合到相应的所述子模块基板；
模块基板，具有顶侧，所述顶侧具有四组或更多组导电凸块触点，所述四组或更多组导电凸块触点被配置为分别键合到所述四个或更多个第二组导电凸块；
背板构件，附接到所述模块基板的底侧；以及
顶板构件，被配置为压缩所述第二框架固定件，所述第二框架固定件将具有所述四个或更多个子组件的所述第一框架固定件、所述插入板、以及所述模块基板与所述背板构件竖直地保持在一起，所述顶板构件被配置为具有多个散热片结构以形成散热器。
2.根据权利要求1所述的内封装型光电模块，其中，所述光电子模块包括：
发射器单元，包括所述至少四个激光芯片和四个调制器装置，所述至少四个激光芯片和所述四个调制器装置由所述一个或多个驱动器芯片基于经由所述电接口块接收的数据驱动，以产生发送到光发送路径的多信道光信号，所述光发送路径耦接到所述光接口块，从而输出复用光信号；
接收器单元，包括一组光电检测器和一个或多个所述TIA芯片，所述一组光电检测器被配置为检测所述多信道光信号，所述多信道光信号由入射的复用光信号在光接收路径中接收并且在所述光接口块中解复用而得，一个或多个所述TIA芯片被配置为将所检测到的多信道光信号转换为电流信号，所述电流信号在所述电接口块中被数字化并处理，然后作为N至N通道的数字化信号被传递给电主机。
3.根据权利要求2所述的内封装型光电模块，其中，所述至少四个激光芯片包括四个DFB激光二极管芯片，四个所述DFB激光二极管芯片以四个所述DFB激光二极管芯片的p型侧面向所述硅光子插入器的方式倒装安装、并且被配置为分别在以1270nm、1290nm、1310nm和1330nm为中心的四个CWDM信道波长处提供四个激光。
4.根据权利要求2所述的内封装型光电模块，其中，所述发射器单元包括一组四个功率分离器装置，所述四个功率分离器装置被配置为分别将四个激光中的每一个分为两部分，一部分进入所述光发送路径中，并且另一部分进入复制光发送路径中，两个耦合的光信号在耦接到所述光接口块的相应波导中，以将两个经复用的光信号分别输出到两个光纤。
5.根据权利要求4所述的内封装型光电模块，其中，所述光接口块包括平面光电路PLC块，所述PLC块包括一个或多个复用平面波导装置和一个或多个解复用平面波导装置，所述一个或多个复用平面波导装置和所述一个或多个解复用平面波导装置形成在布置于所述子模块基板上的玻璃基板或蓝宝石基板上。
6.根据权利要求5所述的内封装型光电模块，其中，所述PLC块安装为紧邻所述硅光子插入器，以允许所述一个或多个复用平面波导装置分别与在所述硅光子插入器中的与所述光发送路径和所述复制光发送路径相关联的对应的波导对齐、并与关联于每个光发送路径的相应的一个输出光纤耦接，并且允许所述一个或多个解复用平面波导装置与在所述硅光子插入器中的与所述光接收路径相关联的对应的波导对齐、并与相应的一个输入光纤耦接。
7.根据权利要求6所述的内封装型光电模块，其中，所述接收器单元还包括复制TIA芯片和一组复制光电检测器块，所述一组复制光电检测器块被配置为检测来自复制光接收路径的光信号，所述复制光接收路径包括所述硅光子插入器中的波导，所述波导分别与所述PLC块中的所述一个或多个解复用平面波导对齐，所述一个或多个解复用平面波导与另一输入光纤耦接。
8.根据权利要求7所述的内封装型光电模块，其中，所述光接口块包括光纤电缆，所述光纤电缆被配置为将两个输入光纤封装在相应的两个所述光发送路径中、并且将两个输出光纤封装在相应的两个所述光接收路径中。
9.根据权利要求1所述的内封装型光电模块，其中，所述第一框架固定件包括凹口，所述凹口位于每一个窗口结构的一侧，所述凹口开口至所述四个或更多个子组件中的一个的所述盖构件的所述顶面，所述盖构件和所述外围侧构件对应地包括与所述凹口对齐的槽开口，以允许为连接到所述光接口块的光纤电缆留出空间。
10.根据权利要求1所述的内封装型光电模块，其中，所述子模块基板包括多个直通硅通孔，所述多个直通硅通孔填充有导电材料，以允许所述硅光子插入器上的激光芯片、驱动器芯片、TIA芯片、以及安装在所述子模块基板的顶侧上的其他芯片连接到所述插入板上的对应的所述第一组导电凸块。
11.根据权利要求1所述的内封装型光电模块，其中，所述插入板包括四个或更多的窗口开口，所述四个或更多窗口开口允许为安装在相应的四个或更多个子模块基板的底侧上的任何ASIC芯片留出空间。
12.根据权利要求1所述的内封装型光电模块，其中，所述背板构件包括至少两个对齐杆，所述至少两个对齐杆被布置成穿过所述模块基板、所述插入板、以及所述第二框架固定件中的相应孔。
13.根据权利要求1所述的内封装型光电模块，其中，所述模块基板包括印刷电路板，所述印刷电路板被配置有集成电路，所述集成电路具有线接口，所述线接口经由四组或更多组导电凸点触点连接至所述光电子模块的所述四个或更多个子组件，并且所述线接口被配置为线卡，所述线卡具有用于将多信道光引擎连接到数据中心的主机接口并且具有用于接入外部电源的外部电源接口。
14.根据权利要求1所述的内封装型光电模块，其中，所述顶板构件通过至少四个具有螺纹锁的弹簧装载销与所述背板构件一起被压缩，所述背板构件包括四个或更多个开放的窗口，以用于改善所述光电子模块的所述四个或更多个子组件的散热。
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