CN117293650A - 一种用于高速直调激光器to封装的射频结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于高速直调激光器TO封装的射频结构,其特征在于,包括:带凸台的TO底座、玻璃介质、插针、带有长短地结构GSSG差分共面波导的高频大热沉、带有包围地结构GSSG差分共面波导的高频小热沉、激光器芯片、第一通用热沉、第二通用热沉和金丝;TO底座上设置有穿墙结构,玻璃介质和插针均设置于穿墙结构中,插针通过焊接与长短地结构GSSG差分共面波导的SS信号线相连;高频大热沉放置在TO底座的凸台上;高频小热沉放置在第二通用热沉上,并通过金丝与高频大热沉相连;所述激光器芯片布置在高频小热沉上,并通过金丝与包围地结构GSSG差分共面波导键合,形成信号通路;解决了紧凑型高速半导体激光器光收发组件的信号完整性问题。

Description

一种用于高速直调激光器TO封装的射频结构
技术领域
本发明涉及微波射频技术领域,具体涉及用于高速直调激光器TO封装的射频结构。
背景技术
半导体激光器光收发组件的应用已经基本覆盖了整个光电子领域,成为了当今光电子科学的重要技术。而随着实际工程的发展,光收发组件布局越来越紧凑,再加上传输信号的频率越来越高,光收发组件封装中的信号完整性问题就凸显了出来。目前市场上,TO封装的高速直调激光器光发射组件的传统的射频结构有GSGSG热沉所占空间大,地紧挨管壳引起谐振,低介电常数玻璃焊料成本高等问题,难以兼顾紧凑性、成本和信号完整性。
发明内容
为了解决上述问题,本发明主要目的在于提供一种用于高速直调激光器TO封装的射频结构,以解决紧凑型高速半导体激光器光收发组件的信号完整性问题。
为此,本发明采用介电常数在4.1左右的低成本玻璃焊料Elan Glass Material28用作穿墙结构的介质,使用带有长短地结构GSSG差分共面波导的高频大热沉、带有包围地结构GSSG差分共面波导的高频小热沉导行微波信号来提升信号完整性。
为达到上述目的,本发明提供一种用于高速直调激光器TO封装的射频结构,其包括:带凸台的TO底座、玻璃介质、插针、带有长短地结构GSSG差分共面波导的高频大热沉、带有包围地结构GSSG差分共面波导的高频小热沉、激光器芯片、两个普通热沉和11根金线;
其中:玻璃介质和插针均位于TO底座的穿墙结构中,插针通过焊接和长短地结构GSSG差分共面波导的SS信号线相连;高频大热沉放置在TO底座的凸台上;高频小热沉放置在方形普通热沉上,并通过金丝与高频大热沉相连;激光器芯片布置在高频小热沉上,并通过金丝与包围地结构GSSG差分共面波导键合,形成信号通路。
本发明提供一种用于高速直调激光器TO封装的射频结构,设计出热沉微细尺寸的射频结构,大大缩小了目前市场上热沉尺寸,并且使用合适的材料作为热沉基底材料,从而在尺寸设计上便将信号完整性优化到最佳。
本发明提供一种用于高速直调激光器TO封装的射频结构,设计出穿墙结构的玻璃介质材料为介电常数在4.1左右的低成本玻璃焊料Elan Glass Material 28,能有效地降低该组件的成本。
本发明提供一种用于高速直调激光器TO封装的射频结构,设计出高频大热沉上的GSSG共面波导为长短地结构,即一边的地较长,而另一边的地尽量的短,能远离底座金属而又能留出打一个接地孔的空间,这样将最大程度上的减少共面波导的地与金属底座之间的谐振和其他谐振,减小热沉的插入损耗。相对于传统GSGSG结构可减小热沉尺寸,节约封装空间。
本发明提供一种用于高速直调激光器TO封装的射频结构,设计出高频小热沉上的GSSG共面波导为包围地结构,即两个地G连起来了,包围住了里面的差分信号线SS。该结构可有效减少电磁能量的泄露,提升射频传输性能。相对于传统GSGSG结构可减小热沉尺寸,提升光收发组件的紧凑性。
本发明提供一种用于高速直调激光器TO封装的射频结构,设计出的高频大热沉上的长短地结构GSSG共面波导与高频小热沉上的包围地结构GSSG共面波导的差分信号线(SS)分别以4根金线键合,地(G)以一根金线键合。信号线以4根金丝键合,以相互之间的电容效应补偿传统单金丝的寄生电感,减小的阻抗不连续性,进而提升信号完整性。
与现有技术相比,本发明的有益效果是:
本发明公开了一种用于高速直调激光器TO封装的射频结构,该结构的设计以简单和紧凑为特点,采用无源型结构,因而非常适合工艺实现。与传统设计相比,本结构的制造成本明显降低,而且非常适合大规模生产。
此外,本发明的射频结构对于屏蔽孔填充材料的要求并不特别严格,因此在材料选择上具有更大的灵活性,从而降低了材料成本。
最重要的是,本发明的射频结构在高速光信号传输中具有显著的优势。它有效降低了信号反射和电磁能量泄露的问题,减小了寄生参数对信号完整性的影响。这不仅提高了高速电信号的传输效率,还提升了光收发组件内信号的完整性和稳定性,从而在光通信领域具有广泛的应用前景。
总之,本发明的射频结构不仅能够降低制造成本,还能够显著提升高速光信号传输的质量和可靠性,为光通信技术的进一步发展提供了有力支持。
附图说明
图1是本发明中用于高速直调激光器TO封装的射频结构的整体示意图。
图2是本发明中用于高速直调激光器TO封装的射频结构测试时的端口说明示意图。
图3是本发明中用于高速直调激光器TO封装的射频结构的波导连接结构示意图。
图4是本发明中用于高速直调激光器TO封装的射频结构的插入损耗结果示意图。
图5是本发明中用于高速直调激光器TO封装的射频结构的回波损耗结果示意图。
附图说明:1、TO底座;10、第二通用热沉;11、金丝;2、玻璃介质;3、插针;4、高频大热沉;5、高频小热沉;6、长短地结构GSSG差分共面波导;7、包围地结构GSSG差分共面波导;8、激光器芯片;9、第一通用热沉;12、屏蔽孔;100、信号输入差分端口;200、信号输出差分端口。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解,下面结合具体实施方式,进一步阐述本发明。
在本发明的描述中,需要说明的是,术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中,需要说明的是,除非另有明确的规定和限定,术语“安装”、“设置有”、“连接”等,应做广义理解,例如“连接”,可以是固定连接,也可以是可拆卸连接,或一体地连接;可以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图3所示,本发明提供了一种用于高速直调激光器TO封装的射频结构,其包括:带凸台的TO底座1、玻璃介质2、插针3、带有长短地结构GSSG差分共面波导6的高频大热沉4、带有包围地结构GSSG差分共面波导7的高频小热沉5、激光器芯片8、第一通用热沉9、第二通用热沉10和11根金线11。
其中:玻璃介质2和插针3均位于TO底座1的穿墙结构中,插针3通过焊接和长短地结构GSSG差分共面波导6的SS(信号线)相连;高频大热沉4放置在TO底座1的凸台上;高频小热沉5放置在第二通用热沉10上,并通过金丝11与高频大热沉4相连;激光器芯片8布置在高频小热沉5上,并通过金丝11与包围地结构GSSG差分共面波导6键合,形成信号通路。信号输入差分端口100为信号输入端口,信号输出差分端口200为信号输出端口。
上述方案中,其中选择合适材料作为基底材料,如氮化铝或氧化铝陶瓷基底材料,高频小热沉5基底材料的长宽度应该大于激光器芯片8的尺寸;穿墙结构的同轴孔大小与插针3直径相匹配,保证两个同轴孔的差模特征阻抗为50欧左右;两个GSSG共面波导的线宽、线距和线地距均与热沉厚度相匹配,它们在信号通路上同步的渐变以保证高频大热沉和高频小热沉的差模特征阻抗均为50Ω左右;高频热沉尺寸应该根据TO管帽的大小、底座凸台能突出的极限长度、穿墙结构同轴孔的大小以及激光器出光位置的需要来确定,而两个GSSG共面波导的线宽、线距和线地距也应该根据热沉基底厚度尺寸以及阻抗匹配原则来选取,如2270μm×1580μm×190μm的高频大热沉尺寸,G(160μm)S(570μm)S(570μm)G(160μm)的共面波导初始宽度,随后线宽、线距和线地距在保持差模特征阻抗基本不变的情况下同步渐变,1000μm×1000μm×190μm的高频小热沉尺寸, G(100μm)S(350μm)S(350μm)G(100μm)的共面波导宽度,从而使差模特征阻抗一直保持在50欧左右,保证反射达到最小;以及在这样的尺寸情况下设计接地屏蔽孔,并使小孔位置合理安排于地线上,最后使屏蔽孔12底端以及共面波导所对应的基底底端全部接地。这样,利用金属屏蔽孔的高电导率以及较好的屏蔽性能,当高频信号(例如25GHz电信号)在共面波导中传播时,便会受到金属孔屏蔽作用而难以辐射出去,从而减小高频热沉的插入损耗。共面波导的生长应该选择合适的工艺,如薄膜金属化法等工艺方法,尽量保证热沉基底材料晶格结构不被破坏。
上述方案,高频大热沉上的共面波导必须使用长短地结构,即一边的地较长,而另一边的地尽量的短。尽管较短的地对信号线的屏蔽作用减弱,但是如果不能远离底座金属,其与底座之间的寄生电容效应就会增强,从而更可能与插针头形成的寄生电感产生谐振,形成类似天线的作用,向外辐射电磁波,导致信号完整性恶化。通过仿真表明,长短地结构的共面波导的短地尽量的短而又能留出打一个接地孔的空间,这样将最大程度上的减少共面波导的地与金属底座之间的谐振和其他谐振,减小热沉的插入损耗。
如图4所示,射频传输性能可做到3dB带宽优于46GHz,0-25GHz平坦。如图5所示,回波损耗可做到0-20GHz优于20dB。因此适用于5G CPRI、XGPON OLT Tx 和其他可调谐激光器应用的单通道DWDM。
以上所述的仅是本发明的实施例,方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。对于本领域技术人员而言,显然本发明不限于上述示范性实施例的细节,而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下,能够以其他的具体形式实现本发明。因此,无论从哪一点来看,均应将实施例看作是示范性的,而且是非限制性的,本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定,因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

Claims (9)

1.一种用于高速直调激光器TO封装的射频结构,其特征在于,包括:
带凸台的TO底座(1)、玻璃介质(2)、插针(3)、带有长短地结构GSSG差分共面波导(6)的高频大热沉(4)、带有包围地结构GSSG差分共面波导(7)的高频小热沉(5)、激光器芯片(8)、第一通用热沉(9)、第二通用热沉(10)、金丝(11)和屏蔽孔(12);
所述TO底座(1)上设置有穿墙结构,所述玻璃介质(2)和插针(3)均设置于穿墙结构中,所述插针(3)通过焊接与长短地结构GSSG差分共面波导(6)的SS信号线相连;所述高频大热沉(4)放置在TO底座(1)的凸台上;所述高频小热沉(5)放置在第二通用热沉(10)上,并通过金丝(11)与高频大热沉(4)相连;所述激光器芯片(8)布置在高频小热沉(5)上,并通过金丝(11)与包围地结构GSSG差分共面波导(7)键合,形成信号通路;
其信号经过玻璃介质(2)、高频大热沉(4)和空气,在穿墙结构、长短地结构GSSG差分共面波导(6)和金丝的导行作用下沿传输线的方向传播,部分信号向两侧偏移,在屏蔽孔(12)的作用下,偏移信号被接地屏蔽孔导入地,大部分信号在传输线的引导下进入激光器芯片内部实现电光转换,传输线包括玻璃介质(2)、插针(3)、带有长短地结构GSSG差分共面波导(6)、带有包围地结构GSSG差分共面波导(7)和金丝(11)。
2.根据权利要求1所述的用于高速直调激光器TO封装的射频结构,其特征在于,所述玻璃介质(2)为介电常数为4.1的玻璃焊料Elan Glass Material 28。
3.根据权利要求2所述的用于高速直调激光器TO封装的射频结构,其特征在于,所述穿墙结构的同轴孔大小与插针(3)直径相匹配,保证两个同轴孔的差模特征阻抗为50Ω左右。
4.根据权利要求3所述的用于高速直调激光器TO封装的射频结构,其特征在于,所述高频大热沉(4)、高频小热沉(5)、第一通用热沉(9)和第二通用热沉(10)的材料为AlN陶瓷基底材料。
5.根据权利要求4所述的集成化气体传感芯片,其特征在于,所述长短地结构GSSG差分共面波导(6)的线宽、线距和线地距均与厚度相匹配,它们在信号通路上同步的渐变以保证高频大热沉和高频小热沉的差模特征阻抗均为50Ω左右。
6.根据权利要求5所述的用于高速直调激光器TO封装的射频结构,其特征在于,所述长短地结构GSSG差分共面波导(6)的生长采用薄膜金属化法工艺,以保证基底材料晶格结构不被破坏。
7.根据权利要求6所述的用于高速直调激光器TO封装的射频结构,其特征在于,所述长短地结构GSSG差分共面波导(6)一边的地长大于另一边的地长。
8.根据权利要求3所述的用于高速直调激光器TO封装的射频结构,其特征在于,所述包围地结构GSSG差分共面波导(7)为两个地G相连,包围住里面的差分信号线SS。
9.根据权利要求3所述的用于高速直调激光器TO封装的射频结构,其特征在于,所述长短地结构GSSG差分共面波导(6)与包围地结构GSSG差分共面波导(7)的差分信号线SS分别以4根金线键合,地G以一根金线键合。
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