DE4343494A1 - HF-Zuführung für einen Laser in einem Lasermodul mit Peltierkühler - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine HF-Zuführung für einen Laser in einem Lasermodul mit Peltierkühler der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher bezeichneten Ausführung. Derartige Lasermodule werden insbesondere in Systemen der optischen Nachrichtentechnik verwendet.

Aus der DE 41 10 378 A1 ist eine Einrichtung mit Halbleiterlaser für Wandlermodule bekannt, bei der auf der Oberseite eines Trägerteiles aus Keramik mehrere Mikrostreifenleitungen angeordnet sind. Diese bilden an einem Ende Anschlüsse für die Zuleitung von Gleichstrom und von Hochfrequenzsignalen. Am anderen Ende sind die Mikrostreifenleitungen elektrisch leitend mit dem Halbleiterlaser verbunden. Das beispielsweise aus Aluminium- oder Bornitrid bestehende Trägerteil hat an der Unterseite eine als Massekontakt dienende Metallschicht, die über durchmetallisierte Bohrungen mit verschiedenen Mikrostreifenleitungen auf der Oberseite elektrisch leitend verbunden ist.

Außerdem ist für Lasermodule die Verwendung von handelsüblichen Gehäusen in sogenannter Butterfly-Ausführung bekannt, bei der die erforderlichen Anschlußstifte nicht den Boden, sondern zwei sich gegenüberstehende Seitenwände des Gehäuses isoliert durchsetzen und zwar mit je einer Reihe von mehreren, in einem vorgegebenen Abstand angeordneten Anschlußstiften. Die elektrischen Verbindungsleitungen innerhalb eines derartigen Gehäuses bestehen üblicherweise aus mehreren gebondeten Golddrahtbrücken, die sich zwischen den Anschlußstiften und einem z. B. mit einem Halbleiterlaser bestückten Trägerplättchen erstrecken. Letzteres ist auf einem Montageblock angeordnet, der seinerseits auf einem handelsüblichen, auf dem Gehäuseboden des Lasermoduls befestigten Peltierkühler fixiert ist.

Lasermodule der geschilderten Ausführung werden kommerziell erfolgreich bei Datenraten bis 2,5 Gb/s eingesetzt. Sollen die Lasermodule jedoch höhere Datenraten übertragen, verursacht die Kapazität des Peltierkühlers in Verbindung mit der Induktivität der als Massebond dienenden Golddrahtbrücken eine störende Parallelresonanz. Da die Kapazität des Peltierkühlers bauartbedingt ist, läßt sich diese nur unwesentlich reduzieren, beispielsweise durch serielles Zuschalten einer weiteren Kapazität im Gehäuseboden, wie M. Goto und andere in "Proceedings of the 42nd Electronic Components and Technology Conference (FCTC), 1992, Seiten 830 bis 837" unter dem Titel "Design and Performance of a 10-Gbit/s Optical Transmitter Module" berichten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Lasermodul mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen die HF-Zuführung so zu verbessern, daß beim Betreiben des Lasermoduls im Bereich von Datenraten mit 10 Gb/s keine störende Parallelresonanz im Übertragungsband auftritt. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Lasermodul mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Ausgestaltungen der HF-Zuführung des Lasermoduls sind den Unteransprüchen und der mit dem Lasermodul erzielbare Vorteil der Beschreibung zu entnehmen.

Die Erfindung wird anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles wie folgt näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt eines Lasermoduls ohne Deckel, in einer Querschnittsansicht;

Fig. 2 den Ausschnitt des Lasermoduls der Fig. 1, in der Draufsicht.

In Fig. 1 und 2 ist das Lasermodul insgesamt mit 1 bezeichnet. Es besteht unter anderem aus einem quaderförmigen Gehäuse 2, einem auf dem Gehäuseboden 3 befestigten Peltierkühler 4 und einem auf dem Peltierkühler angeordneten Montageblock 5. Außerdem aus einem auf dem Montageblock 5 sitzenden Trägerplättchen 6 mit darauf fixiertem Halbleiterlaser 7 und zugehöriger Anschlußschaltung sowie einem eine Anpaßschaltung tragenden Keramiksubstrat 8, das seinerseits auf einem neben dem Peltierkühler 4 angeordneten Sockel 9 befestigt ist.

Das vorzugsweise aus Kovar gefertigte Gehäuse 2 hat auf zwei sich gegenüberstehenden Seitenwänden 10 je eine Reihe, die Seitenwände durchsetzende Anschlußstifte 11, 11′, die bei Standardgehäusen üblicherweise in Durchführungen 12 aus Glas eingeschmolzen sind, die aber auch in keramische Durchführungen eingebettet sein können. Bei dem Peltierkühler 4 handelt es sich um ein Bauelement bekannter Bauart, auf dem der als Wärmesenke dienende Montageblock 5 befestigt ist.

Das auf dem Montageblock 5 angeordnete Trägerplättchen 6 besteht vorzugsweise aus Aluminium- oder Bornitrid. Es hat einen rechteckigen Umriß und ist von den Abmessungen her so gestaltet und angeordnet, daß eine Längsseite und dessen zwei Schmalseiten mit der Vorderkante und beiden Seitenkanten von Peltierkühler 4 und Montageblock 5 bündig abschließen. Der auf dem Trägerplättchen 6 mit dessen zuvor erwähnter Längskante ebenfalls bündig abschließend fixierte Halbleiterlaser 7 ist mit der Anschlußschaltung verbunden, die aus drei in Koplanartechnik ausgeführten Leiterbahnen besteht, welche an einer zu den Anschlußstiften 11 des Gehäuses 2 weisenden Schmalseite des Trägerplättchens 6 enden. Von den drei Leiterbahnen dienen die beiden äußeren als Masseleitungen und die zwischen diesen angeordnete Leiterbahn als Signalleitung. Die Breite der Masseleitungen ist dabei so ausgelegt, daß sie jeweils kleiner als das Trägerplättchen 6 dick ist. Hierdurch wird die elektrische Kapazität zwischen Masseleitungen und der aus Befestigungsgründen metallisierten Rückseite des Trägerplättchens 6 gegenüber der Kapazität des Peltierkühlers 4 ebenfalls klein und die beim Betrieb des Lasermoduls 1 vorhandene Feldenergie hauptsächlich in den Schlitzen zwischen der Signalleitung und den Masseleitungen konzentriert. Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß im Leitungszug vor dem Halbleiterlaser 7 ein Widerstand 13 zur Anpassung des Wellenwiderstandes des Halbleiterlasers 7 vorgesehen ist.

Unterhalb der im Gehäuse 2 vorstehenden Anschlußstifte 11 mit der Signalzuführung zum Halbleiterlaser 7 ist der eingangs erwähnte Sockel 9 im Gehäuse 2 befestigt. Der von der Form her blockartige Sockel 9 besteht aus Metall, vorzugsweise Kovar und er ist sowohl an den Gehäuseboden 3 als auch an die Seitenwand 10 des Gehäuses 2 gelötet. Auf der Oberseite des Sockels 9 ist das vorzugsweise aus Aluminiumoxid bestehende Keramiksubstrat 8 mit der Anpaßschaltung durch Löten fixiert. Sockelhöhe und Substratdicke sind dabei so aufeinander abgestimmt, daß zwischen der Anpaßschaltung und den im Gehäuse 2 vorstehenden Enden der Anschlußstifte 11, 11′ kein oder nur ein sehr kleiner Luftspalt vorhanden ist.

Wie Fig. 2 zeigt, hat das Keramiksubstrat 8 die Form eines rechteckigen Plättchens, das so lang wie der Sockel 9 ist und mit einer Längsseite unmittelbar an die die Anschlußstifte 11, 11′ enthaltende Seitenwand 10 des Gehäuses 2 grenzt. Es ist jedoch breiter als der Sockel 9, wodurch das Keramiksubstrat 8 an der zum Montageblock 5 weisenden Seite übersteht und mit der überstehenden Längsseite bis dicht an die Schmalseite des Trägerplättchens 6 reicht, an welcher die Leiterbahnen der Anschlußschaltung enden. Keramiksubstrat 8 und Trägerplättchen 6 haben somit einen geringen parallelen Abstand zueinander, der mechanische Berührungen zwischen beiden Teilen mit Sicherheit verhindert. Durch die mechanische Entkopplung vom Trägerplättchen 6 mit dem Halbleiterlaser 7 werden somit auch thermische Probleme vermieden.

Auf dem Keramiksubstrat 8 ist die Anpaßschaltung in Dünnschichttechnik ausgebildet. Sie enthält den Übergang von der am Lasermodul 1 ankommenden koaxialen zur im Wellenwiderstand angepaßten koplanaren Leitungsgeometrie der Leiterbahnen des Trägerplättchens 6. Die Anpaßschaltung hat gegen die Seitenwand 10 des Gehäuses 2 Mikrostreifenleitungscharakter und besteht aus zwei äußeren, relativ großen Metallflächen, die als Masseleitungen 14 dienen und an die entsprechenden Anschlußstifte 11 des Gehäuses 2 gelötet sind sowie einer zwischen diesen Metallflächen dem signalführenden Anschlußstift 11′ zugeordneten schmalen Metallfläche, die nur unwesentlich breiter als der Anschlußstift 11′ dick ist. Sie dient als Signalleitung 15 und ist an diesen Anschlußstift 11′ gelötet. Damit das Zinnlot die Anschlußstifte 11, 11′ sauber umfließen kann, reichen die Metallflächen der Masseleitungen 14 außen bis an die Schmalseiten des Keramiksubstrates 8, das neben den entsprechenden Anschlußstiften 11 übersteht.

Auf den innen zum signalführenden Anschlußstift 11′ weisenden Seiten erstrecken sich die Metallflächen soweit, daß ein etwa dem Durchmesser des Anschlußstiftes 11′ entsprechender Abstand zur Metallfläche der Signalleitung 15 vorhanden ist. Im relativ großflächigen Teil der Masseleitungen 14 ist jeweils wenigstens eine durchmetallisierte Bohrung 16 angeordnet, welche die Masseleitungen 14 mit der metallisierten Unterseite des Keramiksubstrates 8 und mit dem Sockel 9 elektrisch verbinden.

Die zuvor definierten Breitenabmessungen der Metallflächen von den Masseleitungen 14 und der Signalleitung 15 erstrecken sich in der Tiefe in etwa so weit wie die Enden der Anschlußstifte 11, 11′ im Gehäuse 2 lang sind, gehen anschließend jeweils in einen Taper über und sind an der freien Längsseite des Keramiksubstrates 8 auf koplanare Leitungsanschlüsse reduziert, die in Breite und Abstand zueinander den koplanaren Leiterbahnen des Trägerplättchens 6 entsprechen und auf dessen freie Leitungsenden ausgerichtet sind. Die Taper von Masseleitungen 14 und Signalleitung 15 sind hier so konfiguriert, daß sie von der an der Seitenwand 10 des Gehäuses 2 ausgehenden Seite bis zu der zur Anschlußschaltung führenden Seite einen über die gesamte Breite des Keramiksubstrats 8 gleichbleibenden Wellenwiderstand haben, welcher den selben Wert wie der Wellenwiderstand der Anschlußschaltung des Trägerplättchens 6 hat. Auf eine niveaugleiche Anordnung von Anpaß- und Anschlußschaltung kommt es hierbei nicht an, jedoch sollten deren Anschlüsse keinen wesentlichen lateralen Versatz haben.

Die Leitungsenden der Anschlußschaltung sind jeweils durch eine aus einem relativ kurzen, gebondeten Golddraht bestehende Drahtbrücke 17 mit den koplanaren Leitungsanschlüssen der Anpaßschaltung verbunden und liegen somit im selben Abstand parallel nebeneinander wie die koplanaren Leitungen der Anschlußschaltung. Weil hierbei die koplanare Geometrie der Leitungen erhalten bleibt, wird durch den Leitungscharakter der Bondführung eine geringe scheinbare Massebondinduktivität erreicht. Werden zudem die koplanaren Leiterbahnen der Anschlußschaltung auf dem Trägerplättchen 6 so ausgelegt, daß w/d konstant und d/h klein ist und wird außerdem die Dicke des Trägerplättchens 6 groß gewählt, so wird eine gute kapazitive Entkopplung zum Peltierkühler 4 erreicht und die scheinbare Kapazität erheblich reduziert. Die so reduzierte Kapazität und die zuvor beschriebene Reduzierung der Induktivität führen entweder zu einer Aufhebung oder zu einer gewünschten Erhöhung der Parallelresonanz, die so hoch ist, daß sie außerhalb des Übertragungsbandes von 10 Gb/s liegt.

Claims (5)

1. HF-Zuführung für einen Halbleiterlaser in einem Lasermodul mit Peltierkühler, die innerhalb eines Gehäuses die Enden von im Gehäuse isoliert befestigten Anschlußstiften und den Halbleiterlaser elektrisch miteinander verbindet, wobei der Halbleiterlaser auf einem Trägerplättchen, das Trägerplättchen auf einem Montageblock und der Montageblock auf dem Peltierkühler sitzt, der seinerseits auf dem Gehäuseboden des Lasermoduls fixiert ist, gekennzeichnet durch eine auf dem Trägerplättchen (6) in Koplanartechnik ausgeführte Anschlußschaltung mit Leiterbahnen, die mit dem Halbleiterlaser (7) verbunden sind und durch eine mit den Anschlußstiften (11, 11′) des Gehäuses (2) verbundene, auf einem Keramiksubstrat (8) in Dünnschichttechnik hergestellte Anpaßschaltung, bei der zwei Masseleitungen (14) mit einer dazwischen angeordneten Signalleitung (15) in je einem Taper auf eine, den Enden der Anschlußschaltung entsprechende koplanare Leitungsgeometrie übergehen, sowie durch mehrere, die Anpaßschaltung und die Anschlußschaltung verbindende Drahtbrücken (17) in paralleler Anordnung.

2. HF-Zuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Masseleitungen auf dem Trägerplättchen (6) kleiner als das Substrat dick ist, so daß die elektrische Kapazität zwischen Masseleitungen und Trägerplättchenrückseite gegenüber der Kapazität des Peltierkühlers (4) ebenfalls klein und Feldenergie beim Betrieb des Lasermoduls (1) hauptsächlich in den Schlitzen zwischen Signalleitung und Masseleitungen konzentriert ist.

3. HF-Zuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Keramiksubstrat (8) einen rechteckigen Umriß hat und so auf einem im Gehäuse (2) befestigten Sockel (9) fixiert ist, daß eine Längsseite an eine Seitenwand (10) des Gehäuses (2) grenzt und die Leitungen (14, 15) unmittelbar unter den Enden der ihnen zugeordneten Anschlußstifte (11, 11′) liegen, während die andere Längsseite des Keramiksubstrats (8), an welcher die Taper in koplanaren Leitungsanschlüssen enden, einen geringen Abstand zum Trägerplättchen (6) mit der Anschlußschaltung hat.

4. HF-Zuführung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Taper von Masseleitungen (14) und Signalleitungen (15) so konfiguriert sind, daß sie von der an der Seitenwand (10) des Gehäuses (2) ausgehenden Seite bis zu der zur Anschlußschaltung führenden Seite einen über die gesamte Breite des Keramiksubstrates (8) gleichbleibenden Wellenwiderstand haben.

5. HF-Zuführung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sockel (9) aus Kovar und das Keramiksubstrat (8) aus Aluminiumoxid bestehen.