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Hintergrund
der Erfindung
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Technisches
Gebiet der Erfindung
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Erfindungsgemäße Ausführungen
betreffen im allgemeinen laserbasierte Sender bzw. Transmitter,
und insbesondere verknüpfte,
mittels Elektroabsorption modulierte Laser (electroabsorption modulated
lasers (EML)) mit integriertem Treiberschaltkreis.
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Beschreibung
verwandten Stands der Technik
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Mittels
Elektroabsorption modulierte Laser (EML), die auf Sendern mit „grobem" Wellenlängen-Multiplexverfahren
(Coarse Wavelength Division Multiplex (CWDM)) basieren, erreichen
Datenraten von mehr als 10 Gb/sec. pro Kanal. Typischerweise umfaßt ein EML
einen monolithisch integrierten Laser mit verteilter Rückkopplung
(distributed feedback, DFB) und kontinuierlicher Welle (continuous
wave) sowie einen Elektroabsorption-Modulator. Ein typisches EML-CWDM-Sendemodul
umfaßt:
- (1) ein EML-Feld (array), wobei jeder EML mit
einer anderen Wellenlänge
arbeitet;
- (2) einen integrierten Multikanal-Treiberschaltkreis, um das
EML-Feld mit einer bestimmten Datenrate anzusteuern;
- (3) einen optischen Multiplexer, um die optischen Ausgaben des
Felds zu kombinieren und
- (4) eine Fokussierungsoptik, um den Ausgang des Multiplexers
mit einer optischen Faser zu verbinden.
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Es
ist wünschenswert,
das EML-CWDM-Sendemodul mit einer maximalen Datenrate vorzusehen,
die so hoch wie möglich
ist. Jedoch beschränken
elektrische Verbindungen zwischen einem integriertem Multikanal-Treiberschaltkreis
und einem EML-Feld die maximal erreichbare Datenrate des EML-CWDM-Sendemoduls.
Die maximale Datenrate liegt oft wegen der durch die elektrischen
Hochgeschwindigkeitssignale hervorgerufene Induktivität unterhalb
einer erstrebenswerten Datenrate. Die Induktivität kann durch Verkürzen der
Verbindungen zwischen dem integrierten Schaltkreis und dem EML-Feld
verringert werden.
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In
einer typischen Anordnung ist das Ausbilden der Verbindungen zwischen
dem integrierten Schaltkreis und dem EML-Feld mit einer ausreichend kurzen
Länge oft
schwierig. Der optische Multiplexer wird nahe einem vorderen Abschnitt
des EML-Feldbereichs (Facet) ange ordnet, an dem Licht aus dem EML-Feld
tritt. Der integrierte Treiberschaltkreis ist typischerweise neben
einem hinteren Bereich (Facet) des EML-Felds angeordnet. In dieser
Anordnung liegt der Hochgeschwindigkeits-Abschnitt des EML-Felds
nahe am vorderen Bereich. Da der Hochgeschwindigkeits-Abschnitt
des EML-Felds nahe am vorderen Bereich liegt, wird angenommen, daß eine Verbindung
ausgehend von dem hinteren Bereich des EML-Feldes bis zu dem integrierten
Treiberschaltkreis eine gewisse Länge aufweist. Eine solche Anordnung
ist für
Anwendungen mit hoher Datenrate nicht wünschenswert.
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Wenn
die Verbindungslänge
verkürzt
ist, ergeben sich Probleme hinsichtlich des Wärmemanagements. Die Datenrate
zwischen einem EML und einem integrierten Treiberschaltkreis kann
maximiert werden, indem das EML-Feld direkt auf den integrierten
Treiber-IC mittels „Flip-Chip
Bonding" angeordnet wird.
Obwohl die Verbindungslänge,
die durch direktes „Flip-Chip-Bonding" des EML-Felds auf
den integrierten Treiberschaltkreis erreicht wird, ausreichend kurz
ist, gestaltet sich das Wärmemanagement
der Kombination schwierig, da die Treiber-IC/EML-Feld-Baugruppe,
die derart mittels Flip-Chip-Bonding befestigt ist, auf die Betriebstemperatur
des EML-Felds herunter gekühlt
werden muß.
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Es
ergeben sich widerstrebende Anforderungen hinsichtlich der geringen
durch Verbindungen hervorgerufenen Induktivitäten und dem hohen Wärmewiderstand,
wodurch sich die Hochgeschwindigkeitsverbindung zwischen einem EML-Feld
und einem integrierten Treiberschaltkreis schwierig gestaltet. Es
wird daher eine Verbindung zwischen einem integrierten Treiberschaltkreis
und dem EML-Feld benötigt,
mit der sich geringe durch Verbindung hervorgerufene Induktivitäten, hohe
thermische Widerstände
und einen geringen Raumbedarf erzielen lassen.
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Das
Dokument US-A-4,359,773 offenbart ein Lasermodul, in dem ein Laserfeld
und dessen integrierter Treiberschaltkreis auf der gleichen Seite
eines Siliziumsubstrats befestigt sind.
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Abriß der Erfindung
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Eine
typische Ausführung
gemäß der Erfindung
sieht Verfahren zum Herstellen einer laserbasierten Vorrichtung
vor. Die laserbasierte Vorrichtung umfaßt ein thermisch isolierendes
Substrat. Das thermisch isolierende Substrat hat zwei Seiten. Eine
Seite weist einen elektrischen Leiter auf, der dieser zugeordnet
ist. Die zweite Seite weist einen elektrischen Leiter auf, der dieser
zugeordnet ist. Das Substrat umfaßt einen elektrisch leitenden
Durchgang zwischen den zwei Seiten. Der elektrisch leitende Durchgang
verbindet die elektrischen Leiter elektrisch. Mit den elektrischen
Leitern können
ein integrierter Schaltkreis und eine Laser elektrisch verbunden
sein.
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Eine
weitere typische Ausführung
gemäß der Erfindung
sieht eine laserbasierte Vorrichtung vor. Die laserbasierte Vorrichtung
umfaßt
einen Laser, einen integrierten Schaltkreis, um den Laser anzusteuern,
sowie ein thermisch isolierendes Substrat, das zwischen dem Laser
und dem integrierten Schaltkreis liegt.
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Ferner
sieht die Erfindung Ausführungen
mit anderen Merkmalen und Vorteilen vor, die zu den oben genannten
hinzukommen oder an deren Stelle treten. Viele dieser Merkmale und
Vorteile ergeben sich aus der weiteren Beschreibung mit bezug auf
die folgenden Zeichnungen.
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Kurzbeschreibung
der Zeichnungen
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Die
offenbarte Erfindung ist in bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben,
die wichtige beispielhafte Ausführungen
der Erfindung darstellen, und die hier bezugnehmend in die Beschreibung
aufgenommen werden.
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1 zeigt
eine Querschnittsansicht einer Treiberschaltkreis-/EML-Feld-Gruppe;
und
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2 zeigt
ein Flußdiagramm,
das ein Verfahren zum Herstellen einer laserbasierten Vorrichtung
wiedergibt.
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Detaillierte
Beschreibung der beispielhaften Ausführung gemäß der Erfindung
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In
der folgenden detaillierten Beschreibung der beispielhaften Ausführungen
gemäß der Erfindung
sind zum Zwecke der Erklärung
und in nicht beschränkender
Weise spezifische Details wiedergegeben, um ein vollständiges Verständnis der
typischen Ausführungen
gemäß der Erfindung
zu ermöglichen. Dem
Fachmann ist jedoch ersichtlich, daß die Ausführung gemäß der Erfindung in anderen
Ausführungen
ausgeführt
werden können,
welche von diesen spezifischen Details abweichen. In einigen Fällen wird
die detaillierte Beschreibung bestens bekannter Verfahren, Vorrichtungen
und ähnlichem
weggelassen, um die Beschreibung und die Ausführungen gemäß der Erfindung nicht mit unwichtigen
Details zu belasten. Insbeson dere wird auf Aspekte der EML bezug
genommen, um spezifische Aspekte der typischen Ausführung gemäß der Erfindung
zu beschreiben.
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Ausführungen
gemäß der Erfindung
erlauben eine praktische Vorgehensweise, den integrierten Treiberschaltkreis
und das EML-Feld bzw. EML-Array zu verbinden, wodurch eine ausreichend kurze
Verbindungslänge
sowie eine hochgradige thermische Isolierung und ein geringer Platzbedarf erreicht
wird. Der integrierte Treiberschaltkreis kann mit höheren Temperaturen
als das EML-Feld betrieben werden; daher kann ein TEC-Element verwendet werden,
das geeignet ist, das EML-Feld und nicht den integrierten Treiberschaltkreis
zu kühlen.
In den meisten Ausführungen
genügt
eine geeignet ausgestaltete Wärmesenke,
um den integrierten Treiberschaltkreis zu kühlen.
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Ausführungen
gemäß der Erfindung
verwenden die Integration von EML-Feldern und des integrierten Treiberschaltkreises
mittels eines thermisch isolierenden Zwischensubstrats. In einer
typischen Ausführung
ist das thermisch isolierende Zwischensubstrat eine doppelseitige
flexible gedruckte Leiterplatte (printed circuit board, PCB). Die
flexible Leiterplatte kann beispielsweise Kapton®-Band,
ein Äquivalent
hierzu, oder ähnliches
umfassen. Das EML-Feld
und der integrierten Treiberschaltkreis sind bei vielen Konfigurationen
mittels Flip-Chip-Bonding an
gegenüberliegenden
Seiten der flexiblen Leiterplatte angeordnet, entweder direkt gegenseitig
gegenüberliegend
oder seitlich zueinander versetzt (das heißt, der integrierte Treiberschaltkreis
und das EML-Feld sind derart angeordnet, daß sie sich zu beiden Seiten
des Substrats nicht direkt gegenüber liegen).
Das seitliche Versetzen des integrierten Treiberschaltkreises zu
dem EML-Feld kann sowohl die elektrische als auch die thermische
Leistungsfähigkeit
der Anordnung weiter optimieren.
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1 zeigt
eine Treiberschaltkreis/EML-Feld-Anordnung 100 gemäß der Lehre
der Erfindung. Ein thermisch isolierendes Substrat 110, das
in 1 als flexible Leiterplatte dargestellt ist, hat
eine erste Seite 104, auf der eine Verbindungskontaktstelle
(bond pad) 102 vorliegt, sowie eine zweite Seite 108,
auf der ein Löthöcker bzw.
eine erhobene Verbindungskontaktstelle vorgesehen ist. Der Löthöcker 106 kann
mittels eines bekannten Höckerbildungsverfahrens
hergestellt werden, durch das auf der oberen Seite einer Verbindungsstelle
ein leitender Löthöcker erzeugt
wird. Obwohl das thermisch isolierende Substrat 110 nicht
notwendigerweise flexibel sein muß, ist das Substrat 110 in
einer typischen Ausführung
flexibel, um den durch Wärme hervorgerufenen
Spannungen besser standhalten zu können.
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Der
integrierte Treiberschaltkreis 112 ist mit der Verbindungskontaktstelle 102 der
flexiblen Leiterplatte 110 elektrisch verbunden. Zumindest
eine erste mit der Verbindungskontaktstelle 102 elektrisch verbundene
elektrisch leitende Bahn 114 ist auf der ersten Seite 104 vorgesehen
und zumindest eine zweite mit dem Löthöcker 106 elektrisch
verbundenen elektrisch leitenden Bahn 116 ist auf der zweiten Seite 108 der
flexiblen Leiterplatte 110 vorgesehen.
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Ein
elektrisch leitender Durchgang 118 zwischen der Bahn 114 der
ersten Seite 104 und der Bahn der zweiten Seite 108 wird
verwendet, um zwischen dem EML-Feld 120 und dem integrierten
Treiberschaltkreis 112 eine elektrische Hochgeschwindigkeitsverbindung
herzustellen. Jeweilige zu dem integrierten Treiberschaltkreis 112 und
dem EML-Feld benachbart vorgesehene Unterfüllungsschichten 115 und 117 sind
vorgesehen, um eine mechanische Verbindung herzustellen, und um
die Eigenschaften hinsichtlich Spannungen zu verbessern, die durch
Wärme hervorgerufen
werden. Die Verbindungskontaktstelle 102, die Bahnen 114 und 116 und der
Löthöcker 106 bilden
die elektrische Verbindung zwischen dem EML-Feld 120 und
dem integrierten Treiberschaltkreis 112. Es können zahlreiche
Kombinationen von Bahnen, Verbindungsstellen oder Durchgängen verwendet
werden, die sich nach den Ausgestaltungskriterien ergeben.
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Die
flexible Leiterbahn 110 kann als thermischer Isolator dienen.
Die flexible Leiterbahn 110, welche einen schlechten Wärmeleiter
darstellt, dient als thermischer Isolator zwischen dem EML-Feld 120 und
dem integrierten Treiberschaltkreis 112. Von dem integrierten
Treiberschaltkreis 112 stammende Wärme wird dem EML-Feld 120 vornehmlich
durch die elektrische Verbindung zwischen dem EML-Feld 120 und
dem integrierten Treiberschaltkreis 112 zugeleitet. Der
Wärmewiderstand
der elektrischen Verbindung hängt
von der Länge
und dem Querschnitt zahlreicher Komponenten der elektrischen Verbindung
ab. Die Bahnen 114 und 116 auf der flexiblen Leiterplatte 110 können mit
einem relativ geringen Querschnitt hergestellt werden, wodurch die
von dem integrierten Treiberschaltkreis 112 an das EML-Feld 120 übertragene
Wärmemenge
verringert wird, da die elektrische Verbindung zwischen diesen eine
geringe Auswirkung auf die durch die Verbindung hervorgerufene Induktivität hat.
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Wie
oben bemerkt, wirkt sich die Länge
der elektrischen Verbindung zwischen dem integrierten Treiberschaltkreis 112 und
dem EML-Feld 120 auf die elektrische Leistungsfähigkeit
und die Wärmeübertragung
aus. Die Länge
der elektrischen Verbindung zwischen dem integrier ten Treiberschaltkreis 112 und
dem EML-Feld 120 kann bis zu einer elektrischen Leistungsfähigkeitsgrenze
des EML-Felds 120 ausgedehnt werden, um die Wärmeübertragung
von dem integrierten Treiberschaltkreis 112 an das EML-Feld
so stark wie möglich
zu verringern, ohne die Leistungsfähigkeit des EML-Felds 120 zu
stark zu verschlechtern. Das Einrichten des Querschnitts und der
Länge der
elektrischen Verbindung erlaubt typischerweise, daß die thermische
Isolierung zwischen dem integrierten Treiberschaltkreis 112 und
dem EML-Feld 120 um eine Größenordnung verbessert werden
kann, im Vergleich zu dem Fall, in dem das EML-Feld 120 mittels
Flip-Chip-Bonding direkt auf dem integrierten Treiberschaltkreis 112 vorgesehen ist.
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Eine
Gleichstromverbindung ist auf der zweiten Seite 108 der
flexiblen Leiterplatte 110 vorgesehen, wodurch die Komplexität des Designs
des integrierten Treiberschaltkreises 112 verringert wird,
wobei dies ferner dazu dient, die thermische Isolierung zwischen
dem integrierten Treiberschaltkreis 112 und dem EML-Feld 120 zu
erhöhen.
Die Gleichstromverbindung mit einer Gleichstrom-Leistungsquelle 121, die
beispielsweise mittels des Löthöckers vorgesehen
ist 122, der mit der Bahn 116 und mit einem DFB-Laser
(nicht dargestellt) des EML-Felds 120 verbunden
ist, muß nicht
notwendigerweise durch den integrierten Treiberschaltkreis 112 laufen.
Der Löthöcker 122 kann
wie der Löthöcker 106 mittels
eines bekannten Stoßprozesses
hergestellt werden, mit dem ein Löthöcker auf einer Verbindungsstelle
erzeugt wird. Die elektrisch leitende Bahn 124 ist als elektrische
Verbindung zu der dem Löthöcker 122 auf der
zweiten Seite 108 dargestellt.
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Die 2 ist
ein Flußdiagramm,
welches ein Verfahren zum Herstellen einer laserbasierten Vorrichtung
gemäß der Lehre
der Erfindung darstellt. Das Flußdiagramm 200 beginnt
mit dem Schritt 202, wobei bei diesem Schritt ein thermisch
isolierendes Substrat vorgesehen wird. Das thermisch isolierende Substrat,
das beispielsweise eine flexible, semiflexible oder steife Leiterplatte
sein kann, umfaßt
eine erste Seite. Die erste Seite weist zumindest einen ersten elektrischen
Leiter auf, der der ersten Seite zugeordnet ist. Das thermisch isolierende
Substrat weist ferner eine zweite Seite auf. Die zweite Seite hat
zumindest einen elektrischen Leiter, der der zweiten Seite zugeordnet
ist. Zumindest ein elektrischer Durchgang verläuft zwischen der ersten und
der zweiten Seite. Der elektrisch leitende Durchgang dient zur elektrischen
Verbindung zwischen den elektrischen Leitern, die auf der ersten
und der zweiten Seite vorgesehen sind.
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In
Schritt 204 wird ein integrierter Schaltkreis mit (einem)
elektrischen Leiter(n) verbunden, der (die) mit der ersten Seite
verbunden ist (sind). Mit dem Schritt 206 wird zumindest
ein Laser mit dem (den) elektrischen Leiter(n) verbunden, der (die)
der ersten Seite zugeordnet sind. Mit Schritt 208 wird
der Querschnitt und die Länge
des einen oder der mehreren elektrischen Leiter(n) eingerichtet.
Im Schritt 210 wird eine elektrische Energiequelle mit
dem (den) Laser(n) mittels eines weiteren elektrischen Leiters verbunden,
welcher der zweiten Seite zugeordnet ist. Obwohl die in dem Flußdiagramm 200 dargestellten
Schritte in einer bestimmten Reihenfolge angeordnet sind, müssen die
Schritte nicht notwendigerweise in der genannten Reihenfolge ausgeführt werden.
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Die
momentan zur Verfügung
stehende Technik der flexiblen Leiterplatten erlaubt ein Layout der
elektrisch leitenden Bahnen auf beiden Seiten eines thermisch isolierenden
Substrats mit einer Dicke von weniger als 50 Mikrometern. Ferner
sind beschichtete oder gefüllte
Durchgänge
mit Durchmessern von weniger als 50 Mikrometern erreichbar. Elektrische
Hochgeschwindigkeitsverbindungen gemäß den Ausführungen der Erfindung können praktischerweise
in einer Herstellungsumgebung umgesetzt werden. Mit geeignet vorgesehenen
Werkzeugen und Befestigungen können
kommerziell erhältliche
Flip-Chip-Verbinder (flip-chip-Bonders) verwendet werden.
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Das
oben genannt stellt die Art und Weise dar, in der ein beispielhaftes
laserbasiertes Sendemodul gemäß den Prinzipien
der erfindungsgemäßen Ausführungen
hergestellt werden kann. Ausführungen
gemäß der Erfindung
erlauben es, daß laserbasierte
Sendemodule elektrische Verbindungen zwischen einem integrierten
Treiberschaltkreis und einem Laserfeld umfassen, ohne die Induktivitäten unnötigerweise
zu vergrößern, welche
durch Verbindungen verursacht werden, die andernfalls die mit laserbasierten
Sendern erreichbare Datenrate verschlechtern würden. Ferner ermöglichen
es Ausführungen
gemäß der Erfindung,
daß der
integrierte Treiberschaltkreis und das Laserfeld wirksam thermisch
voneinander isoliert sind, so daß der integrierte Treiberschaltkreis
nicht unnötigerweise
auf eine Betriebstemperatur herabgekühlt werden muß, die für das Laserfeld
geeignet ist.
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Ferner
ermöglichen
es Ausführungen
gemäß der Erfindung,
daß elektrische
Verbindungen mit Teilen des Laserfelds mit Energie versorgt werden,
ohne daß diese
durch den integrierten Treiberschaltkreis hindurch verlaufen müssen, wodurch
die Komplexität des
Designs des integrierten Treiberschaltkreises verringert wird. Ferner
können
die Länge
und der Querschnitt der elektrischen Verbindungen zwischen dem integrierten
Treiberschaltkreis und dem Laserfeld derart eingerichtet werden,
daß ein
optimaler Kompromiß zwischen
der thermischen Isolation zwischen dem integrierten Treiberschaltkreis
und dem Laserfeld und der durch die elektrische Verbindung hervorgerufenen
Induktivität
erreicht werden kann.
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Für den Fachmann
ist ersichtlich, daß die
in dieser Patentanmeldung beschriebenen innovativen Konzepte über einen
breiten Bereich von Anwendungen modifiziert und abgeändert werden
können.
Der Umfang des geschützten
Gegenstands sollte dementsprechend nicht auf eine der spezifischen
hier dargelegten beispielhaften Erläuterungen beschränkt sein,
sondern bestimmt sich statt dessen durch die folgenden Ansprüche.