DE102010002697A1

DE102010002697A1 - Ein paralleles optisches Transceiver-Modul mit einem Wärmedissipationssystem, das Wärme dissipiert und Komponenten des Moduls vor Partikeln und Handhabungen schützt

Info

Publication number: DE102010002697A1
Application number: DE102010002697A
Authority: DE
Inventors: David San Jose Meadowcroft; Debo Tracy Adebiyi
Original assignee: Avago Technologies Fiber IP Singapore Pte Ltd
Current assignee: Avago Technologies International Sales Pte Ltd
Priority date: 2009-03-10
Filing date: 2010-03-09
Publication date: 2010-09-16
Anticipated expiration: 2030-03-10
Also published as: DE102010002697B4; US8351794B2; US20100232800A1; CN101833149B; CN101833149A; JP2010250293A; JP5545968B2

Abstract

Es wird ein paralleles optisches Transceiver-Modul bereitgestellt, das ein Wärmedissipationssystem hat, das große Wärmemengen dissipiert, während die Laserdioden, ICs und andere Komponenten des Moduls auch vor äußeren Einflüssen wie beispielsweise Staub und mechanischen Handhabungskräften geschützt werden. Das Wärmedissipationssystem ist konfiguriert, um an einer optischen Untereinheit (OSA) des Moduls befestigt zu werden, wobei die optische Untereinheit und das Wärmedissipationssystem zusammenwirken, um zumindest die Laserdioden und den Laserdiodentreiber in solch einer Weise einzukapseln, dass diese Komponenten gegen Staub und andere Partikel und gegen mechanische Handhabungskräfte geschützt sind. Das Wärmedissipationssystem des Moduls ist zum Koppeln mit einem externen Wärmedissipationssystem, z.B. mit einem Wärmedissipationssystem, das durch den Kunden bereitgestellt wird, vorbereitet.

Description

TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft optische Kommunikationssysteme. Insbesondere betrifft die Erfindung auf ein paralleles, optisches Transceiver-Modul mit einem Wärmedissipationssystem, das eine verbesserte Wärmedissipation bietet, während gleichzeitig Komponenten des Moduls vor Partikeln und äußeren Kräften, die durch eine mechanische Handhabung des Moduls bewirkt werden, schützt.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Parallele, optische Transceiver-Module enthalten typischerweise eine Mehrzahl von Laserdioden zur Erzeugung von optischen Datensignalen, Laserdioden-Treiberschaltungen zum Treiben der Laserdioden, einen Controller zum Steuern des Betriebes des Transceiver-Moduls, Empfängerfotodioden zum Empfangen von optischen Datensignalen, Empfängerschaltungen zur Demodulation und Dekodierung der empfangenen optischen Datensignale und Überwachungsfotodioden zur Überwachung des Ausgangsleistungsniveaus der Laserdioden. Parallele, optische Transceiver-Module enthaltend normalerweise auch eine optische Untereinheit, welche optische Elemente aufweist, welche die optischen Datensignale, die durch die Laserdioden erzeugt werden, auf die Enden von optischen Fasern leiten und optische Datensignale, die über die optischen Fasern empfangen werden, auf die Empfängerfotodioden leiten.
Die Laserdioden-Treiberschaltung ist typischerweise in einem integrierten Schaltkreis (IC) untergebracht, welcher elektrische Anschlusspads enthält, die mittels elektrischer Leiter (z. B. Bond-Drähten) an elektrische Kontaktpads der Laserdioden angeschlossen sind. Die Anzahl der Laserdioden, die in einem parallelen, optischen Transceiver-Modul enthalten sind, hängt von dem Design des Moduls ab. Ein typisches paralleles, optisches Transceiver-Modul kann sechs Laserdioden und sechs Empfängerfotodioden zum Bereitstellen von sechs Übertragungskanälen und sechs Empfangskanälen enthalten. Ein typisches, paralleles, optisches Transceiver-Modul, das keine Empfängerfotodioden aufweist (d. h. ein optisches Sendermodul), mag z. B. zwölf Laserdioden zum Bereitstellen von zwölf Senderkanälen enthalten. Die Laserdiodentreiber-ICs, die normalerweise in diesen Typen von parallelen, optischen Transceiver- oder Sende-Modulen verwendet werden, erzeugen große Mengen von Wärme, die dissipiert werden muss, um zu verhindern, dass die Laserdioden von der Wärme negativ beeinflusst werden. Wegen der großen Menge der erzeugten Wärme sind die Aufgaben, die mit dem Design und einer Implementierung eines brauchbaren Wärmedissipationssystems verbunden sind, herausfordernd.
Zusätzlich ist der Laserdiodentreiber-IC in einem typischen, parallelen, optischen Transceiver- oder Sender-Modul in großer Nähe zu den Laserdioden platziert, um zu ermöglichen, dass die Bond-Drähte, welche die Kontaktpads der Laserdioden mit den Kontaktpads des Treiber-IC verbinden, relativ kurz gehalten werden können. Lange Bond-Drähte können zu einer elektromagnetischen Kupplung zwischen benachbarten Bond-Drähten führen, was die Integrität der Signale verschlechtern kann, wodurch die Performance der Module nachteilig beeinflusst wird. Eine Platzierung des Treiber-IC dicht an den Laserdioden und die Nutzung von relativ kurzen Bond-Drähten erschwert ein Design und eine Implementierung einer brauchbaren Wärmesenke-Lösung für das Modul noch mehr.
Die Wärmedissipationssysteme, die in existierenden, parallelen, optischen Transceiver- und Sende-Modulen typischerweise verwendet werden, weisen eine Wärmesenke-Struktur auf, die mechanisch und thermisch mit einer unteren Oberfläche eines Leitrahmens des Moduls verbunden ist. Die Laserdioden und der Laserdiodentreiber-IC sind auf einer oberen Oberfläche des Leitrahmens montiert. Die Kupplung der Wärmesenke-Struktur an die untere Oberfläche des Leitrahmens stellt einen thermischen Pfad zur Wärmedissipation dar. Das heißt: von den Laserdioden und dem Treiber-IC hinunter in die obere Oberfläche des Leitrahmens; von der oberen Oberfläche des Leitrahmens durch den Leitrahmen zu der unteren Oberfläche des Leitrahmens; und dann von der unteren Oberfläche des Leitrahmens in die Wärmesenke-Vorrichtung, die daran befestigt ist. Die Wärmesenke-Struktur ist typischerweise eine im Wesentlichen planare Platte aus thermisch leitendem Material, wie Kupfer oder Aluminium. Ein thermisch leitendes Material oder eine Vorrichtung wird verwendet, um die Wärmesenke-Struktur auf der unteren Oberfläche des Leitrahmens zu befestigen. Alternativ zur Nutzung einer im Wesentlichen planaren Wärmesenke-Struktur, die an der unteren Oberfläche des Leitrahmens befestigt ist, mögen ein oder mehrere Wärmesenke-Vorrichtungen mit anderen Stellen des Leitrahmens verbunden sein, wie z. B. an den seitlichen Rändern des Leitrahmens. Im letzteren Fall wird Wärme, die in dem Leitrahmen übertragen wird, zu den seitlichen Rändern des Leitrahmens und in die Wärmesenke-Vorrichtungen übertragen. Bei dieser Art von Aufbau wirkt der Leitrahmen in Teilen als eine Wärmeverteilvorrichtung, um Wärme, die mittels der Laserdioden und dem Laserdiodentreiber-IC erzeugt wird, von diesen Bauelementen abzuleiten, und sie dann via die Wärmesenke-Vorrichtungen, die mit den seitlichen Rändern des Leitrahmens verbunden sind, aus dem Leitrahmen heraus zu leiten.
Eines der Probleme, die mit dem oben beschriebenen Wärmedissipationssystemen verbunden ist, ist, dass sie die Laserdioden und den Laserdiodentreiber-IC nicht von äußeren Einflüssen wie beispielsweise Staub schützen. Tatsächlich mag das Verfahren zur Befestigung des Wärmedissipationssystems an den Leitrahmen dazu führen, dass Staub oder andere Partikel sich auf den Laserdioden ablagern, was deren Performance verschlechtern kann. Darüber hinaus gibt es während des Verfahrens zur Montage der Module auf den Leiterplatten typischerweise einen gewissen Handhabungsaufwand, der dazu führen kann, dass die Laserdioden, der Lasertreiber-IC, Bond-Drähte und andere Komponenten des Moduls beschädigt werden können. Daher wird, obwohl das Wärmedissipationssystem eines Kunden effektiv Wärme abzuleiten vermag, es aber normalerweise die Laserdioden und ICs des Moduls nicht vor Staub oder anderen Partikeln oder mechanischen Handhabungskräften schützen, die diese Komponenten beschädigen können.
Dementsprechend besteht ein Bedarf für ein paralleles, optisches Transceiver-Modul, mit einem Wärmedissipationssystem, welches in der Lage ist, große Mengen von Wärme abzuleiten, und das die Laserdioden und andere Komponenten des Moduls vor Partikeln wie beispielsweise Staub und vor mechanischen Handhabungskräften schützt.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist auf ein Wärmedissipationsverfahren und auf ein paralleles, optisches Transceiver-Modul mit einem Wärmedissipationssystem gerichtet. Das parallele, optische Transceiver-Modul weist eine elektrische Untereinheit (ESA), eine optische Untereinheit (OSA) und ein Wärmedissipationssystem auf. Die ESA weist eine Leiterplatte (circuit board), einen Leitrahmen (leadframe), der an der Leiterplatte befestigt ist, mindestens einen integrierten Schaltkreis (IC), der an einer oberen Oberfläche des Leitrahmens befestigt ist und eine Mehrzahl von aktiven, optischen Vorrichtungen, die auf der oberen Oberseite des Leitrahmens befestigt sind. Die ESA und die OSA haben jeweils eine oder mehrere Ausrichtungs- und Verriegelungskomponenten darauf, zum Ermöglichen, dass die ESA und die OSA miteinander verbunden werden können. Die OSA hat eine Mehrzahl von optischen Elementen zum Richten von optischen Signalen zwischen Enden einer Mehrzahl von optischen Fasern und den aktiven optischen Vorrichtungen auf, die auf der oberen Oberfläche des Leitrahmens befestigt sind. Das Wärmedissipationssystem ist mechanisch mit der OSA gekuppelt. Das Wärmedissipationssystem weist ein Material von hoher thermischer Leitfähigkeit auf und hat zumindest eine Oberfläche, die thermisch mit der oberen Oberfläche des Leitrahmen der ESA gekuppelt ist, wenn die OSA und die ESA mechanisch miteinander gekuppelt sind, um zu ermöglichen, dass Wärme von dem Leitrahmen in das Wärmeableitsystem übertragen wird. Das Wärmeableitsystem ist so konfiguriert, dass es thermisch mit einem Wärmedissipationssystem gekuppelt ist, welches extern zu dem parallelen, optischen Transceiver-Modul ist, um zu ermöglichen, dass Wärme von dem Leitrahmen in das Wärmedissipationssystem des parallelen, optischen Transceiver-Moduls übertragen wird, um in das externe Wärmedissipationssystem übertragen zu werden.
Das Verfahren weist Bereitstellen einer ESA, Bereitstellen einer OSA, Bereitstellen eines Wärmedissipationssystems, mechanisches Kuppeln des Wärmedissipationssystems an die OSA und mechanisches Koppeln der OSA an die ESA auf. Das Wärmedissipationssystem hat mindestens eine Oberfläche, welche thermisch an die obere Oberfläche des Leitrahmens der ESA gekuppelt ist, wenn die OSA und die ESA miteinander gekuppelt sind, um zu ermöglichen, dass Wärme von dem Leitrahmen in das Wärmedissipationssystem übertragen wird. Das Wärmedissipationssystem ist konfiguriert, um thermisch mit einem Wärmedissipationssystem gekuppelt zu sein, das extern zu dem parallelen, optischen Transceiver-Modul ist, um zu ermöglichen, dass Wärme von dem Leitrahmen in das Wärmedissipationssystem des parallelen, optischen Transceiver-Moduls übertragen wird, um in das externe Wärmedissipationssystem übertragen zu werden.
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung, den Zeichnungen und Ansprüchen klar ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 stellt eine perspektivische Ansicht eines parallelen, optischen Transceiver-Moduls entsprechend einem Ausführungsbeispiel dar, welche das an der optischen Untereinheit befestigte Wärmedissipationssystem zeigt, bevor die Kombination des optischen Wärmedissipationssystems und der optischen Untereinheit an dem Abschnitt des Transceiver-Moduls befestigt ist, der die elektrische Untereinheit des Transceiver-Moduls beherbergt.
2 stellt eine perspektivische Ansicht des optischen, parallelen Transceiver-Moduls gemäß 1 dar, welche das Wärmedissipationssystem zeigt, welches an der optischen Untereinheit befestigt ist, sowie die Kombination des Wärmedissipationssystems und der optischen Untereinheit, die an dem Abschnitt des Transceiver-Moduls befestigt ist, welches die elektrische Untereinheit des Transceiver-Moduls beherbergt.
3 stellt eine perspektivische Ansicht des parallelen, optischen Transceiver-Moduls gemäß 2 dar, welche die unteren Oberflächen der Wärmeblöcke des Wärmedissipationssystems gekuppelt an der oberen Oberfläche des Leitrahmens des optischen Transceiver-Moduls zeigt.
4 stellt eine linke Seitenansicht des parallelen, optischen Transceiver-Moduls gemäß den 1 bis 3 dar.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINES ERKLÄRENDEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
Entsprechend der Erfindung wird ein paralleles, optisches Transceiver-Modul geschaffen, welches ein Wärmedissipationssystem hat, das große Wärmemengen dissipiert, während es gleichzeitig Laserdioden, ICs und andere Komponenten des Moduls vor Partikel wie beispielsweise Staub oder vor mechanischen Handhabungskräften schützt. Das Wärmedissipationssystem ist konfiguriert, um an der optischen Untereinheit (OSA) des Moduls so befestigt zu werden, dass, wenn die OSA an der oberen Oberfläche des Leitrahmens des Moduls befestigt ist, die OSA und das Wärmedissipationssystem zusammenwirken, um zumindest die Laserdioden und den Laserdiodentreiber-IC in einer Art und Weise einzukapseln, dass diese Komponenten vor Staub und anderen Partikeln und vor externen mechanischen Kräften geschützt werden. Teile des Wärmedissipationssystems des Moduls werden angeordnet, um mit einem externen Wärmedissipationssystem gekuppelt zu werden, beispielsweise einem Wärmedissipationssystem, das durch den Kunden bereitgestellt wird, und das in Kontakt mit dem Wärmedissipationssystems des Moduls platziert wird. Deshalb steht, wenn das Modul mit der Kundenausrüstung verbunden ist, das Wärmedissipationssystem des Moduls mit dem Kundenwärmedissipationssystem in Austausch, wodurch ermöglicht wird, dass Wärme entlang eines thermischen Pfades fließt, der sich von den Laserdioden und dem Laserdiodentreiber-IC in den Leitrahmen des Moduls, von dem Leitrahmen des Moduls in das Wärmedissipationssystem des Moduls und von dem Wärmedissipationssystem des Moduls in das Wärmedissipationssystem des Kunden erstreckt.
1 stellt eine perspektivische Ansicht eines parallelen, optischen Transceiver-Moduls 1 entsprechend einem Ausführungsbeispiel dar, welches ein Ausführungsbeispiel des Wärmedissipationssystems 10 enthält, das an der OSA 20 des parallelen, optischen Transceiver-Moduls 1 befestigt ist. Das parallele, optische Transceiver-Modul 1 enthält auch eine elektrische Untereinheit (ESA) 30, die konfiguriert ist, um mechanisch an das elektrische Wärmedissipationssystem 10 und die OSA 20 gekuppelt zu sein. Das Wärmedissipationssystem 10 und die OSA 20 sind jeweils konfiguriert, um mechanisch miteinander gekuppelt zu werden. Das Wärmedissipationssystem 10 – entsprechend diesem Ausführungsbeispiel – enthält Wärmeblöcke 10A und 10B, die mechanisch an die Seiten der OSA 20 gekuppelt sind, wie es in 1 dargestellt ist. Der Wärmeblock 10A hat eine obere Oberfläche 10C und eine untere Oberfläche 10D. In ähnlicher Weise hat der Wärmeblock 10B eine obere Oberfläche 10E und eine untere Oberfläche 10F.
Die ESA 30 enthält einen Leitrahmen 40, mit einer oberen Oberfläche 40A, auf welcher eine Mehrzahl von Laserdiodentreiber-ICs 50A bis 50L befestigt ist. Ein Array von Laserdioden 60 ist außerdem auf der oberen Oberfläche des Leitrahmens 40 befestigt. Entsprechend diesem erklärenden Ausführungsbeispiel enthält das Modul 1 zwölf Laserdioden zum Erzeugen von zwölf optischen Datensignalen. Wenn die OSA 20 mit dem daran befestigten Wärmedissipationssystem 10 an die ESA 30 angebracht wird, sind die unteren Oberflächen 10D und 10F der Wärmeblöcke 10A bzw. 10B mit der oberen Oberfläche 40A des Leitrahmens 40 in Kontakt, wie es mit Bezug auf 2 beschrieben werden wird. Die OSA 20 ist konfiguriert, um einen optischen Stecker (nicht dargestellt) zu empfangen, welcher ein Ende eines Zwölffaser-Bandkabels (twelve-fiber ribbon cable, nicht dargestellt) terminiert. Die OSA 20 enthält optische Elemente (nicht dargestellt) zum Richten von Licht, welches von den Laserdioden erzeugt wird, auf die entsprechenden Enden von zwölf entsprechenden optischen Fasern des Bandkabels.
2 stellt eine perspektivische Ansicht des parallelen, optischen Transceiver-Moduls 1 dar, die das an der OSA 20 befestigte Wärmeableitsystem 10 und die Kombination des Wärmedissipationssystems 10 und der OSA 20, die an der ESA 30 befestigt ist, zeigt. In 2 sind die unteren Oberflächen 10D und 10F der Wärmeblöcke 10A bzw. 10B in Kontakt mit der oberen Oberfläche 40A des Leitrahmens 40 gezeigt. Typischerweise wird beispielsweise ein thermisch leitfähiges Verbindungsmaterial, wie ein thermisch leitfähiges Epoxy verwendet, um die unteren Oberflächen 10D und 10F der Wärmeblöcke 10A bzw. 10B an den oberen Oberflächen 40A des Leitrahmens 40 zu befestigen. Aus 2 kann entnommen werden, dass die Kombination des Wärmedissipationssystems 10 und der OSA 20 die elektrischen Schaltung 40A einkapselt, welche auf der oberen Oberfläche 40A des Leitrahmens 40 angebracht ist. Diese Einkapselung der elektrischen Schaltung (z. B. der Laserdioden und des Laserdiodentreiber-IC), die auf dem Leitrahmen 40 befestigt ist, schützten die elektrische Schaltung vor Staub oder anderen Partikeln und vor Kräften, die von einer mechanischen Handhabung des Transceiver-Moduls 1 herrühren. Die Einkapselung mag eine halbhermetische Dichtung sein oder es mag eine Dichtung mit kleinen Öffnungen (z. B. 1 bis 200 μm groß) darin sein, die aber trotzdem effektiv beim Blockieren von Staub oder anderen Partikeln und bei einem Verhindern des Auftretens einer Feuchtigkeitskondensation innerhalb der Dichtung ist.
3 stellt eine perspektivische Ansicht des parallelen, optischen Transceiver-Moduls 1 dar, die die unteren Oberflächen 10B und 10F der Wärmeblöcke 10A bzw. 10B zeigt, die auf der oberen Oberfläche 40A des Leitrahmens 40 befestigt sind, wobei allerdings die oberen Abschnitte der Wärmeblöcke 10A und 10B und die OSA 20 (1 und 2) entfernt wurden, damit die elektrische Schaltung, die auf die obere Oberfläche 40A des Leitrahmens 40 befestigt ist, besser sichtbar sind. Gemäß dem erklärenden Ausführungsbeispiel hat das parallele, optische Transceiver-Modul nur Senderfunktionalitäten und enthält keine Empfängerfunktionalitäten. Das Modul 1 enthält zwölf Laserdiodentreiber-ICs 50A–50L und zwölf Laserdioden 60A–60L, um zwölf Sendekanäle bereitzustellen. Die Laserdiodentreiber-ICs 50A–50L haben Treiberpads (nicht dargestellt), die elektrisch mittels Bond-Drähte 52 mit Kontaktpads (nicht dargestellt) der Laserdioden 60A–60L gekuppelt sind, um den Laserdioden 60A–60L elektrische Signale wie die Laserdioden-Biss- und -modulationstromsignale zuzuführen. Die Laserdioden 60A–60L sind typischerweise „Vertical-Cavity-Surface-Emitting-Laser-Dioden” (VCSELs) und mögen als ein Array in einem einzigen IC 60 integriert sein. Das parallele, optische Transceiver-Modul 1 enthält auch eine Leiterplatte 70, welche normalerweise ein „Ball-Grid-Array” (BGA), ein „Land-Grid-Array” (LGA) oder ähnliches ist. Die untere Oberfläche 40B des Leitrahmens 40 ist an der oberen Oberfläche 70A der Leiterplatte 70 befestigt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung im Bezug auf die Konfiguration der ESA 30 nicht beschränkt ist. Obwohl das in den 1–3 dargestellte Modul 1 nur Sendefunktionalitäten enthält, könnte es auch Empfängerfunktionalitäten enthalten. Der Begriff „Transceiver-Modul”, wie er hier benutzt wird, soll eines der folgenden beschreiben: (1) ein Modul, das konfiguriert ist, um Signale zu senden und zu empfangen, (2) ein Modul, das konfiguriert ist, um Signale zu senden aber keine Signale zu empfangen, und (3) ein Modul, das konfiguriert ist, um Signale zu empfangen aber nicht zu senden. Das Transceiver-Modul, wie es hier mit Bezug auf das erklärende Ausführungsbeispiel beschrieben ist, ist konfiguriert, um Signale zu senden aber nicht zu empfangen. Deshalb mag man sich das Transceiver-Modul entsprechend diesem erklärenden Ausführungsbeispiels auch als einen Sender (Transmitter oder Tx-Modul) vorstellen, weil es keine Empfängerfähigkeit oder -funktionalität aufweist. Es sei allerdings darauf hingewiesen, dass das Transceiver-Modul der Erfindung andererseits konfiguriert sein mag, um Signale zu empfangen und nicht zu senden. In diesem Fall mag man es sich als Empfängermodul (Receiver oder Rx-Modul) vorstellen. Das Transceiver-Modul der Erfindung mag auch konfiguriert sein, um Signale zu senden und zu empfangen. Der Begriff „aktive optische Vorrichtung” wie er hier genutzt wird, soll eine Licht-emittierende Vorrichtung wie beispielsweise eine Laserdiode und eine Licht abtastende Vorrichtung wie beispielsweise eine Fotodiode bezeichnen.
Eine der Gründe zum Ausrüsten des optischen Transceiver-Moduls 1 mit einem Wärmedissipationssystem 10, das an der oberen Oberfläche 40A des Leitrahmens 40 befestigbar ist, besteht darin, dass das Modul 1 eine so große Wärmemenge produziert, das ein Befestigen eines Wärmedissipationssystems an die untere Oberfläche des Leitrahmens, wie es typischerweise bei bekannten optischen Transceiver-Modulen der Fall ist, keine effektive Wärmedissipationslösung bereitstellen würde. Das Modul 1 mag beispielsweise 8 mm auf 8 mm in der Breite und Länge und ungefähr 3,5 mm in der Höhe sein. Weil so viele Laserdioden und Laserdiodentreiber-Schaltkreise in diesem kleinen Bereich sind, ist die Wärmemenge, die abgeleitet werden muss, sehr groß. Auch weil die Leiterplatte 70 des Moduls typischerweise ein BGA, ein LGA oder ähnliches ist, ist es unmöglich oder untauglich, das Wärmedissipationssystem an der unteren Oberfläche des Leitrahmens 40 anzubringen.
Ein anderer Grund zum Ausrüsten des optischen Transceiver-Moduls 1 mit einem Wärmedissipationssystem 10, das mit der oberen Oberfläche 40A des Leitrahmens 40 kuppelt ist, besteht darin, die vorher genannten Ziele eines Schutzes der Laserdiodentreiber-Schaltungen 50A–50L und der Laserdioden 60A–60L vor Partikeln wie Staub und vor mechanischen Handhabungskräften zu schützen. Staubpartikel in der Luft können sich auf den Laserdioden 60A–60L ablagern, was deren Performance verringert. Mechanische Kräfte, die auf diese Komponenten während einer Handhabung ausgeübt werden, können diese Komponenten beschädigen, was deren Performance ebenfalls negativ beeinflusst. Die Kombination von Wärmedissipationssystem 10 und OSA 20 stellt, wenn sie an die ESA 30 befestigt ist, einen Schutz gegen diese Umweltfaktoren bereit.
4 stellt eine linke Seitenansicht des parallelen, optischen Transceiver-Moduls – wie in den 1–3 dargestellt – dar. Die rechte Seitenansicht (nicht dargestellt) des Moduls 10 ist identisch zur linken Seitenansicht, wie sie in 4 dargestellt ist. Jeder der Wärmeblöcke 10A und 10B hat eine längliche, darin ausgeformte Öffnung 10G. Um die Wärmeblöcke 10A und 10B an die OSA 20 (1 und 2) zu befestigen, wird ein Formwerkzeug und -verfahren (molding tool and process) genutzt. Das Formwerkzeug hat darin einen ersten Hohlraum, der geformt ist, um die OSA auszubilden, und zweite und dritte Hohlräume auf gegenüberliegenden Seiten des ersten Hohlraumes, die geformt sind, um die Wärmeblöcke 10A und 10B aufzunehmen. Die Wärmeblöcke 10A und 10B sind in den zweiten und dritten Hohlräumen platziert, und dann wird das Formwerkzeug geschlossen. Dann wird geschmolzener Kunststoff in das Formwerkzeug hinein gespritzt, um den ersten Hohlraum zu füllen, der die Form der OSA 20 hat. Der geschmolzene Kunststoff füllt den ersten Hohlraum und fließt in die Öffnungen 10G, die in den Wärmeblöcken 10A und 10B ausgebildet sind. Nachdem der Kunststoff in das Formwerkzeug hinein gespritzt wurde, kühlt der Kunststoff schnell ab, was dazu führt, dass er sich zusammenzieht und aushärtet. Wenn der Kunststoff sich zusammenzieht und aushärtet, haftet er an den Oberflächen der Öffnungen 10G, die in den Blöcken 10A und 10B ausgeformt sind, wodurch diese fest an dem geschmolzenen Kunststoff der OSA 20 befestigt werden. Das Bezugszeichen 21 wird in 4 benutzt, um die Anteile des flüssigen Kunststoffs zu bezeichnen, die in die Öffnungen 10G hinein fließen. Natürlich könnten andere Mechanismen benutzt werden, um die Wärmeblöcke 10A und 10B der OSA 20 wie Epoxid oder mechanische Verriegelungsmerkmale genutzt werden.
Die OSA 20 (1 und 2) und die ESA 30 haben darauf Ausrichtungs- und Verriegelungsmerkmale (nicht dargestellt), welche die OSA 20 und die ESA 30 aufeinander ausrichten und gegeneinander verriegeln, wenn sie miteinander gekuppelt werden. In diesem Kupplungsstatus sind die unteren Oberflächen 10D (4) und 10F (1) und die Wärmeblöcke 10A (4) bzw. 10B (1) in Kontakt mit der oberen Oberfläche 40A des Leitrahmens 40 (4). Eine Vielfalt von Konfigurationen von geeigneten Ausrichtungs- und Verriegelungsmerkmalen können für ein gegenseitiges mechanisches Ausrichten und Verriegeln der OSA 20 und der ESA 30 entworfen werden, wie ein Fachmann es leicht versteht. Deshalb wird im Interesse einer knappen Darstellung auf eine detaillierte Diskussion der Ausrichtungs- und Verriegelungsmerkmale verzichtet.
Es wird jetzt der primäre thermische Pfad einer Wärmedissipation unter Zuhilfenahme der 2–4 beschrieben. Der thermische Pfad für Wärme, welche von den Laserdiodentreiber-ICs 50A–50L (2 und 3) und dem Laserdiodenarray 60 (3) erzeugt wird, verläuft wie folgt: von den Laserdiodentreiber-ICs 50A–50L und von dem Laserdiodenarray 60 hinunter in den Leitrahmen 40; von der oberen Oberfläche 40A des Leitrahmens 40 nach oben in die untere Oberflächen 10B und 10F der Wärmeblöcke 10A bzw. 10B; von den unteren Oberflächen 10D und 10F der Wärmeblöcke 10A und 10B zu den oberen Oberflächen 10C und 10E der Wärmeblöcke 10A bzw. 10B; und dann von den oberen Oberflächen 10C und 10E der Wärmeblöcke 10A bzw. 10B in ein Kundenwärmedissipationssystem (nicht dargestellt).
Die Wärmeblöcke 10A und 10B des Wärmedissipationssystems 10 mögen aus jedem thermisch leitfähigen Material wie beispielsweise Kupfer hergestellt sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Wärmeblöcke durch einen konventionellen Rohlingstanzprozess (blank stamping process) ausgebildet. Die Blöcke 10A und 10B werden dann mit Nickel beschichtet, wodurch eine Oxidation des Kupfers verhindert wird und wodurch verhindert wird, dass Kupferatome in die Laserdioden 60A–60L migrieren. Andere Materialien wie beispielsweise Aluminiumnitride mögen auch für die Wärmeblöcke 10A und 10B verwendet werden. Ein Vorteil einer Nutzung von Kupfer für die Wärmeblöcke 10A und 10B besteht darin, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient (coefficient of thermal expansion = CTE) von Kupfer ungefähr den gleichen CTE wie das Kunststoffmaterial hat, welches normalerweise für die OSA 20 genutzt wird.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung hinsichtlich der Form der Wärmeblöcke 10A und 10B oder hinsichtlich der Art, wie diese Wärmeblöcke 10A und 10B an der OSA 20 befestigt sind, beschränkt ist. Beispielsweise mögen anstelle des Benutzens der länglichen Öffnungen 10G und des Kunststoffes 21 zur mechanischen Kupplung der Blöcke 10A und 10B an die OSA 20, wie es oben mit Bezug auf 4 beschreiben ist, die Blöcke 10A und 10B Ausschnittsbereiche an ihren Enden ausgeformt haben, die angepasst sind, um mit komplementären Merkmalen auf den Seiten der OSA 20 zusammenzukommen, wenn die Blöcke 10A und 10B mit den Seiten der OSA 20 gekuppelt werden. Die Blöcke 10A und 10B und die OSA 20 mögen in einer Anzahl von unterschiedlichen Arten entworfen werden, um zu ermöglichen, dass die Blöcke 10A und 10B an der OSA 20 in geeigneter Weise befestigt werden, wie der Fachmann es versteht. Obwohl die Wärmeblöcke 10A und 10B mit bestimmten Formen dargestellt sind, ist die Erfindung nicht auf irgendwelche bestimmte Formen der Wärmeblöcke beschränkt. Eine Vielfalt von unterschiedlichen Designs und Konfigurationen mögen für die Wärmeblöcke genutzt werden. Das Design und Konfiguration, das gewählt wird, sollte allerdings so eines sein, dass es die Wärmeblöcke und die OSA in so einer Weise miteinander verbindet, dass die unteren Oberflächen der Wärmeblöcke in gutem Kontakt mit den Leitrahmen des Transceiver-Moduls stehen, wenn die OSA an der ESA des Transceiver-Moduls befestigt ist. Die oberen Oberflächen der Wärmeblöcke sollten so liegen, dass sie leicht an Kundenwärmedissipationssysteme gekuppelt werden können.
Zusätzlich zu den vorangegangen dargestellten Vorteile, des Schützens der Laserdiodentreiber-ICs 50A–50L und der Laserdioden 60A–60L vor Partikeln und mechanischen Handhabungskräften, des Wärmedissipationssystems 10, wie es mit Bezug auf die 1 bis 4 dargestellt wurde, bietet das Wärmedissipationssystem weitere Vorteile. Ein weiterer Vorteil des Wärmedissipationssystems besteht darin, dass es Kunden mit zusätzlicher Flexibilität in der Implementierung einer geeigneten Wärme-Interface-Lösung zur Ankupplung von kundenspezifischen Wärmedissipationssystemen (nicht dargestellt) an das Wärmedissipationssystem 10 des Transceiver-Moduls 1 ausstattet. In heutigen Entwürfen, die der Anmelder der vorliegenden Anmeldung bereitstellt, bei denen das kundenspezifische Wärmedissipationssystem direkt mit dem Leitrahmen des parallelen, optischen Transceiver-Moduls verbunden werden musste, war der Kunde hinsichtlich der Art der thermischen Interface-Lösung, die für diesen Zweck benutzt werden mag, begrenzt. Beispielsweise kann eine wiederbearbeitbare (re-workable) Interface-Lösung (d. h. eine die ein Zusammenfügen und ein Trennen erfordern mag), welche Indium enthält, Partikel erzeugen (d. h. Indiumschuppen), welche die Leistung der Laserdioden negativ beeinflussen könnten. Weil das Kundenwärmedissipationssystem an das Wärmedissipationssystem 10 des Moduls 1 anstatt direkt an den Leitrahmen 40 ankuppelt, wird entsprechend der Erfindung eine Wiederbearbeitung (z. B. Zusammenfügen und/oder Trennen) des thermischen Interfaces die Laserdiodentreiber-ICs 50A–50L oder die Laserdioden 60A–60L nicht beeinflussen, weil sie mittels der Kombination aus dem Wärmeblöcken 10A und 10B und der OSA 20 geschützt sind. Dieses Merkmal der Erfindung bietet dem Kunden eine größere Flexibilität im Design und der Implementierung des Kundenwärmedissipationssystems und der Interface-Lösung. Über diese Vorteile hinaus, bietet das Wärmedissipationssystem 10 des Moduls 1 Konvektionskühloberflächen für das Modul 1, welche die Wärmedissipation weiter verbessern. Wiederrum mit Bezug auf 4 bieten die seitlichen Oberflächen 10H der Wärmeblöcke 10A und 10B zusätzliche Kühloberflächenbereiche für eine Konvektionskühlung in den Fällen, in denen das Modul 1 in Konvektionskühlungsumgebungen genutzt wird.
Obwohl das parallele, optische Transceiver-Modul 1 als ein Tx-Modul mit zwölf Sendekanälen beschrieben wurde, ist beabsichtigt, den gleichen Aufbau für die OSA 20 und die Wärmeblöcke 10A und 10B zu nutzen, wenn das Modul 1 als ein Rx-Modul mit zwölf Empfängerkanälen konfiguriert ist. In dem letzten Fall würde die ESA 30 den Leitrahmen 30, zwölf Empfängerfotodioden (nicht dargestellt) und einen oder mehrere Empfänger-ICs, die auf dem Leitrahmen 30 befestigt sind, enthalten. Die OSA 20 würde im Wesentlichen die gleiche, wie sie in den 1, 2 und 4 dargestellt und oben beschrieben ist, sein mit der Ausnahme, dass die optischen Elemente (nicht dargestellt) der OSA 20 so konfiguriert sind, um Licht von zwölf Empfänger-Optikfasern (nicht dargestellt) eines Zwölf-Band-Fasernkabels zu empfangen, so dass empfangenes Licht auf entsprechende der zwölf Empfängerfotodioden (nicht dargestellt) gerichtet wird. Wie jedoch oben erwähnt, ist das parallele optische Transceiver-Modul gemäß der Erfindung hinsichtlich der Anzahl der Sende- und/oder Empfängerkanäle, die in dem Transceiver-Modul bereitgestellt sind, nicht beschränkt.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Erfindung mit Bezug auf erklärende Ausführungsbeispiele zum Zwecke der Beschreibung der Prinzipien und Konzepte der Erfindung beschrieben wurde. Die Erfindung ist nicht auf diese Ausführungsbeispiele beschränkt. Ein Fachmann wird angesichts der vorliegenden Beschreibung verstehen, dass viele Modifikationen hinsichtlich der beschriebenen Ausführungsbeispiele gemacht werden mögen, während weiterhin ein paralleles, optisches Transceiver-Modul bereitgestellt wird, welches die Ziele der Erfindung verwirklicht. Alle solche Modifikationen bewegen sich im Rahmen der Erfindung.

Claims

Paralleles optisches Transceiver-Modul aufweisend: eine elektrische Untereinheit (ESA) aufweisend eine Leiterplatte, einen Leitrahmen, der an der Leiterplatte befestigt ist, zumindest einen integrierten Schaltkreis (IC), der auf einer oberen Oberfläche des Leitrahmens befestigt ist, und eine Mehrzahl von aktiven, optischen Vorrichtungen, die auf der oberen Oberfläche des Leitrahmens befestigt sind, wobei die elektrische Untereinheit eine oder mehrere Ausrichtungs- und Verriegelungsmerkmale darauf hat; eine optische Untereinheit (OSA), die eine Mehrzahl von optischen Elementen für das Leiten von optischen Signalen zwischen Enden einer Mehrzahl von optischen Fasern und den aktiven, optischen Vorrichtungen, die auf der oberen Oberfläche des Leitrahmens befestigt sind, hat, wobei die optische Untereinheit eine oder mehrere Ausrichtungs- und Verriegelungsmerkmale hat, die konfiguriert sind, um auf Ausrichtungs- und Verriegelungsmerkmale der elektrischen Untereinheit ausgerichtet zu sein und mit ihnen verriegelt zu sein, um zu ermöglichen, dass die elektrische Untereinheit und die optische Untereinheit mechanisch miteinander gekuppelt sind; und ein Wärmedissipationssystem, das mechanisch mit der optische Untereinheit gekuppelt ist, wobei das Wärmedissipationssystem ein Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit aufweist, wobei das Wärmedissipationssystem zumindest eine Oberfläche hat, die thermisch mit der oberen Oberfläche des Leitrahmens der elektrische Untereinheit gekuppelt ist, wenn die optische Untereinheit und die elektrische Untereinheit mechanisch miteinander gekuppelt sind, um zu ermöglichen, dass Wärme vom Leitrahmen in das Wärmedissipationssystem übertragen wird, und wobei das Wärmedissipationssystem konfiguriert ist, um thermisch mit einem Wärmedissipationssystems gekuppelt zu sein, dass extern zu dem parallelen, optischen Transceiver-Modul ist, um zu ermöglichen, dass Wärme, die von dem Leitrahmen in das Wärmedissipationssystem des parallelen optischen Transceiver-Moduls übertragen wird, in das externe Wärmedissipationssystem übertragen wird.
Paralleles optisches Transceiver-Modul gemäß Anspruch 1, wobei das mechanische Zusammenkuppeln der elektrische Untereinheit und der optische Untereinheit und das mechanische Zusammenkuppeln des Wärmedissipationssystems und der optischen Untereinheit eine Einkapselung für die Mehrzahl der aktiven, optischen Vorrichtungen und dem zumindest einen IC darstellt, die die Mehrzahl der aktiven, optischen Vorrichtungen und den zumindest einen IC gegen Partikel und mechanische Handhabungskräfte schützt.
Paralleles optisches Transceiver-Modul gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Mehrzahl der aktiven, optische Vorrichtungen einer Mehrzahl von Laserdioden entspricht, und wobei der zumindest eine IC eine Mehrzahl von Laserdiodentreiber-ICs für das Treiben von entsprechenden der Laserdioden enthält, oder wobei die Mehrzahl der aktiven, optischen Vorrichtungen einer Mehrzahl von Photodioden entspricht, und wobei der zumindest eine IC einen Empfänger enthält.
Paralleles optisches Transceiver-Modul gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Mehrzahl der aktiven, optische Vorrichtungen einer Mehrzahl von Laserdioden und eine Mehrzahl von Fotodioden enthält, und wobei der zumindest eine IC zumindest einen Laserdiodentreiber-IC zum Treiben der Laserdioden und zumindest einen Empfänger-IC zum Empfangen und Verarbeiten von elektrischen Signalen, die von den Fotodioden erzeugt werden, enthält.
Paralleles optisches Transceiver-Modul gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Wärmedissipationssystem des parallelen optischen Transceiver-Moduls zumindest einen ersten und einen zweiten Wärmeblock enthält, wobei der erste und zweite Wärmeblock mechanisch jeweils mit einer ersten bzw. einer zweiten Seiten des optischen Untereinheit gekuppelt sind, wobei der erste und der zweite Wärmeblock untere Oberflächen hat, die thermisch mit der oberen Oberfläche des Leitrahmens der elektrische Untereinheit verbunden sind, wenn die elektrische Untereinheit und die optische Untereinheit mechanisch miteinander gekuppelt sind.
Paralleles optisches Transceiver-Modul gemäß Anspruch 5, wobei die unteren Oberflächen des ersten und des zweiten Wärmeblockes mittels thermisch leitfähigen Epoxid thermisch mit der oberen Oberfläche des Leitrahmens der elektrischen Untereinheit gekuppelt sind.
Paralleles optisches Transceiver-Modul gemäß Anspruch 6, wobei die erste und die zweite Seite der optischen Untereinheit, mit denen der erste und der zweite Wärmeblock gekuppelt sind, einander gegenüber liegen, sodass sich der erste und zweite Wärmeblock gegenüber liegen, wenn sie mit der optischen Untereinheit gekuppelt sind; und/oder wobei der erste und der zweite Wärmeblock Kupfer aufweisen; und/oder wobei der erste und der zweite Wärmeblock Aluminium aufweist.
Paralleles optisches Transceiver-Modul gemäß Anspruch 6, wobei der erste und der zweite Wärmeblock mechanisch mit der optischen Untereinheit mittels Kunststoffanteilen gekuppelt sind, die während eines Formprozesses genutzt werden, um ein Gehäuse der optischen Untereinheit auszubilden.
Paralleles optisches Transceiver-Modul gemäß Anspruch 8, wobei der erste und der zweite Wärmeblock eine erste bzw. eine zweite Öffnung haben, die darin ausgebildet sind, und wobei die Kunststoffanteile, die die Wärmeblöcke mit der optischen Untereinheit mechanisch kuppeln, Anteile von Kunststoff sind, die während des Formprozesses in die erste und die zweite Öffnung hineinfließen und danach aushärten, wenn der Kunststoff abkühlt.
Verfahren zum Wärmedissipieren in einem parallelen optischen Transceiver-Modul, wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer elektrische Untereinheit (ESA) aufweisend eine Leiterplatte, einen Leitrahmen, der an der Leiterplatte befestigt ist, zumindest einen integrierten Schaltkreis (IC), der an einer oberen Oberfläche des Leitrahmens befestigt ist, und eine Mehrzahl von aktiven, optischen Vorrichtungen, die an der oberen Oberfläche des Leitrahmens befestigt sind; Bereitstellen einer optische Untereinheit (OSA), die eine Mehrzahl von optischen Elementen zum Leiten von optischen Signalen zwischen Enden einer Mehrzahl von optischen Fasern und den aktiven, optischen Vorrichtungen, die an der oberen Oberfläche des Leitrahmens befestigt sind, aufweist; Bereitstellen eines Wärmedissipationssystems, das ein thermisch leitfähiges Material aufweist, wobei das Wärmedissipationssystem konfiguriert ist, um mechanisch mit der optische Untereinheit gekuppelt zu werden; mechanisches Kuppeln des Wärmedissipationssystems mit der optischen Untereinheit; und mechanisches Kuppeln der optischen Untereinheit an die elektrische Untereinheit, wobei das Wärmedissipationssystem zumindest eine Oberfläche hat, die thermisch mit der oberen Oberfläche des Leitrahmens des elektrischen Untereinheit gekuppelt ist, wenn die optische Untereinheit und die elektrische Untereinheit zusammengekuppelt sind, um zu ermöglichen, dass Wärme von dem Leitrahmen in das Wärmedissipationssystem übertragen wird, und wobei das Wärmedissipationssystem konfiguriert ist, um thermisch mit einem Wärmedissipationssystem gekuppelt zu sein, das extern zu dem parallelen optischen Transceiver-Modul ist, um zu ermöglichen, dass Wärme, die von dem Leitrahmen in das Wärmedissipationssystem des parallelen optischen Transceiver-Moduls übertragen wird, in das externe Wärmedissipationssystem übertragen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 10, weiterhin aufweisend: thermisches Kuppeln des Wärmedissipationssystems des parallelen, optischen Transceiver-Moduls mit einem externen Wärmedissipationssystem, um zu ermöglichen, Wärme von dem Wärmedissipationssystem des parallelen optischen Transceiver-Moduls in das externe Wärmedissipationssystem zu übertragen.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei das mechanische Zusammenkuppeln des elektrischen Untersystems und des optischen Untersystems und das mechanische Zusammenkuppeln des Wärmedissipationssystems und des optischen Untersystems eine Einkapselung für die Mehrzahl der aktiven, optischen Vorrichtungen und dem zumindest einen IC bereitstellt, die die Mehrzahl der aktiven, optischen Vorrichtungen und den zumindest einen IC gegen Partikel und mechanische Handhabungskräfte schützt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Mehrzahl der aktiven, optische Vorrichtungen einer Mehrzahl von Laserdioden entspricht, und wobei der zumindest eine IC eine Mehrzahl von Laserdiodentreiber-ICs zum Treiben von entsprechenden Laserdioden beinhaltet; oder wobei die Mehrzahl der aktiven, optischen Vorrichtungen einer Mehrzahl von Photodioden entspricht, und wobei der zumindest eine IC einen Empfänger enthält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Mehrzahl der aktiven, optischen Vorrichtungen eine Mehrzahl von Laserdioden und eine Mehrzahl von Fotodioden enthält, und wobei der zumindest eine IC zumindest einen Laserdiodentreiber-IC zum Treiben der Laserdioden und zumindest einen Empfänger-IC zum Empfangen und Verarbeiten von elektrischen Signalen, die von den Fotodioden erzeugt werden, enthält.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei das Wärmedissipationssystem des parallelen optischen Transceiver-Moduls zumindest einen ersten und einen zweiten Wärmeblock aufweist, wobei der erste und der zweite Wärmeblock mechanisch mit einer ersten bzw. einer zweiten Seite der optischen Untereinheit gekuppelt sind, wobei der erste und der zweite Wärmeblock untere Oberflächen haben, die thermisch mit der oberen Oberfläche des Leitrahmens der elektrische Untereinheit gekuppelt sind, wenn die elektrische Untereinheit und die optische Untereinheit mechanisch miteinander gekuppelt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei die unteren Oberflächen des ersten und des zweiten Wärmeblockes thermisch mit der oberen Oberfläche des Leitrahmens der elektrischen Untereinheit mittels thermisch leitfähigen Epoxid gekuppelt sind; und/oder wobei die erste und die zweite Seite der optischen Untereinheit, an die der ersten und der zweiten Wärmeblock gekuppelt sind, einander gegenüber liegen, sodass der erste und zweite Wärmeblock sich einander gegenüber liegen, wenn sie an die optische Untereinheit gekuppelt sind.
Verfahren gemäß Anspruch 15 oder 16, wobei der erste und der zweite Wärmeblock Kupfer aufweisen; und/oder wobei der erste und der zweite Wärmeblock Aluminium aufweisen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der erste und der zweite Wärmeblock mittels Anteilen von Kunststoff mechanisch mit der optischen Untereinheit gekuppelt sind, der während eines Formprozesses genutzt wird, um ein Gehäuse der optischen Untereinheit auszubilden.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei der erste und der zweite Wärmeblock eine erste bzw. eine zweite Öffnung haben, die darin ausgebildet sind, und wobei die Kunststoffanteile, die die Wärmeblöcke mit der optischen Untereinheit mechanisch kuppeln, Kunststoffanteile sind, die während des Formprozesses in die erste und die zweite Öffnung hineinfließen und danach aushärten, wenn der Kunststoff abkühlt.