具有长方体型TO激光器封装的同轴光发射次模块(TOSA)及包括其的光收发器的制作方法

交叉引用

本申请是2013年2月6日提交的美国专利申请no.13/760,533的部分继续申请，其全文通过引用并入本文。

本发明涉及激光器封装，更具体地涉及用于光收发器的具有长方体型to激光器封装的同轴光发射次模块(tosa)。

背景技术：

光收发器用以发送和接收用于各种应用的光信号，包括但不限于互联网数据中心、有线电视宽带和光纤到户(ftth)应用。举例而言，与铜电缆传输相比，光收发器可以在更远的距离上提供更高的速度和带宽。以较低的成本在较小的光收发器模块中提供更高速度的需求已经带来了例如关于热管理、插入损耗和制造合格率的挑战。

光收发器模块通常包括一个或多个激光二极管封装，用于容纳激光二极管并且用于向激光二极管提供电连接和光耦合。光收发器模块面临的一个挑战是提供热管理，尤其是新型光收发器模块，其设计为在相对较小的外形尺寸内提供更高的数据速率。特别地，由激光二极管和激光器封装中的相关部件产生的热量可能不利地影响激光器波长或甚至可能损坏激光器和/或其它部件。常规的to-can激光器封装不能提供良好的热传导，因为to-can封装的圆形表面不能提供充分的接触以便与其它表面热耦合。

技术实现要素：

根据一个实施例，同轴光发射次模块(tosa)包括长方体型to激光器封装，这种长方体型to激光器封装包括一基部和限定隔室的至少第一侧壁及第二侧壁，第一侧壁及第二侧壁从基部的相对侧延伸出。长方体型to激光器封装具有多个大致平坦的外表面、光耦合端以及与光耦合端相对的电连接端。长方体型to激光器封装由导热材料制成。同轴光发射次模块(tosa)还包括安装在基部上以及第一侧壁和第二侧壁之间的一激光器底座。激光器底座包括靠近电连接端的导电路径用于提供电连接。同轴光发射次模块(tosa)还包括安装在激光器底座上并且电连接到导电路径的激光二极管，以及安装在光耦合端附近用于将激光器光耦合到光纤的光学器件。

根据另一实施例，光收发器模块包括收发器外壳，位于收发器外壳中的多个同轴光发射次模块(tosa)用于发射不同信道波长的光信号，以及位于收发器外壳中的多信道光接收次模块以接收不同信道波长的光信号。每个同轴光发射次模块(tosa)包括一长方体型to激光器封装，长方体型to激光器封装包括一基部和限定隔室的至少第一侧壁及第二侧壁，第一侧壁及第二侧壁从基部的相对侧延伸出。长方体型to激光器封装具有多个大致平坦的外表面、光耦合端以及与光耦合端相对的电连接端。长方体型to激光器封装由导热材料制成。同轴光发射次模块(tosa)还包括安装在基部上以及第一侧壁和第二侧壁之间的一激光器底座。激光器底座包括靠近电连接端的导电路径用于提供电连接。同轴光发射次模块(tosa)还包括安装在激光器底座上并且电连接到导电路径的激光二极管，以及安装在光耦合端附近用于将激光器光耦合到光纤的光学器件。

附图说明

图1a及图1b是根据本发明实施例的多信道光收发器的功能方框图。

图2是包括具有长方体型to激光器封装的同轴光发射次模块(tosa)的光收发器模块的一实施例的透视图。

图3a及3b分别是包括具有长方体型to激光器封装的同轴光发射次模块(tosa)的光收发器模块另一实施例的俯视和仰视透视图。

图4是用于图2、图3a和图3b所示的光收发器模块中的同轴光发射次模块(tosa)的一实施例的透视图。

图5是图4所示的微型同轴光发射次模块(tosa)中使用的长方体型to激光器封装的一实施例的透视图。

图6是用于光收发器模块的具有长方体型to激光器封装的同轴光发射次模块(tosa)的另一实施例的透视图。

图7是图6所示的微型同轴光发射次模块(tosa)中使用的长方体型to激光器封装的另一实施例的透视图。

具体实施方式

根据本发明实施例的包括长方体型to激光器封装的同轴光发射次模块(tosa)可用于在光收发器中以一信道波长发射光学信号。长方体型to激光器封装由导热材料制成，并具有大致平坦的外表面，该大致平坦的外表面可热耦合到收发器外壳上和/或其它长方体型to激光器封装上的大致平坦的外表面。光收发器可包括多个同轴光发射次模块(tosa)，同轴光发射次模块(tosa)具有堆叠在收发器外壳中的长方体型to激光器封装。因此，长方体型to激光器封装可以在光收发器内提供改进的热特性和减小的尺寸。

如本文所使用的，“长方体型to封装”是指具有由至少三个大致平坦且正交的外表面形成的大致长方体或平行六面体外形的激光器封装结构。为了清楚起见，用语“to”或“晶体管外形”是从传统的圆柱形封装或历史上封装晶体管的“罐”中获得，但是如本文所使用，与这种晶体管封装无关。如本文所使用的，“信道波长”是指与光学信道相关联的波长，并且可包括围绕一中心波长的特定波长带。在一个示例中，信道波长可以由例如itu-t密集波分复用(dwdm)网格的国际电信(itu)标准来定义。这里使用的用语“耦合”是指任何连接、耦合、链路等，而“光耦合”是指将光线从一个元件赋予另一元件的耦合。这种“耦合”设备不一定直接彼此连接，并且可以由可以操纵或修改这种信号的中间部件或设备分隔开。

如本文所使用的，“热耦合”是指两个部件之间的直接或间接连接或接触，导致热量从一个部件传导到另一个部件，“热隔离”是指防止热量从外部环境传导到一独立的部件。举例而言，在隔热的多信道光发射次模块(tosa)中，防止光发射次模块(tosa)外部的热量传导到光发射次模块(tosa)中的一个或多个部件。如本文所使用的，“热屏蔽”是指防止热量通过对流或辐射传递到屏蔽部件的配置。热隔离和热屏蔽不一定需要安排，以防止所有的热量传导或传递。

请参考图1a，表示并描述了根据本发明实施例的光收发器100。在本实施例中，光收发器100使用四个不同的信道波长(λ1、λ2、λ3、λ4)发送和接收四(4)个信道，并且可能够具有每个信道至少大约10gbps的传输速率。在一个示例中，信道波长λ1、λ2、λ3、λ4可分别是1270纳米(nm)、1290纳米(nm)、1080纳米(nm)以及1330纳米(nm)。光收发器100也可能够具有2公里(km)到至少大约10公里(km)的传输距离。光收发器100可例如用于互联网数据中心应用或光纤到户(ftth)应用。

光收发器100的本实施例包括用于在不同信道波长上发送光信号的多个光发射次模块(tosa)120a-d和用于在不同信道波长上接收光信号的多信道光接收次模块(rosa)130。光发射次模块(tosa)120a-d和多信道光接收次模块(rosa)130位于收发器外壳102中。发射连接电路104和接收连接电路108在外壳102中分别提供到光发射次模块(tosa)120a-d和多信道光接收次模块(rosa)130的电连接。发射连接电路104电连接到每个光发射次模块(tosa)120a-d中的电子组件(例如，激光器、监视器光电二极管等)，并且接收连接电路108电连接到电子组件(例如，光电二极管、跨阻抗放大器(tia)等)。发射连接电路104和接收连接电路108至少包括用于提供电连接的导电路径，并且还可包括附加电路。

光纤活动(multi-fiberpushon，mpo)连接器110提供到外壳102内的光发射次模块(tosa)120a-d和多信道光接收次模块(rosa)130的光学连接。光纤活动(mpo)连接器110分别通过发射光纤122和接收光纤132光耦合到光发射次模块(tosa)120a-d和多信道光接收次模块(rosa)130。光纤活动(mpo)连接器110配置为耦合到一匹配的光纤活动(mpo)连接器112，使得光收发器100中的光纤122、132光耦合到外部光纤114。

光发射次模块(tosa)120a-d中的每一个可以是具有同轴配置的同轴光发射次模块(tosa)，其一端电连接到发射连接电路104上的导电路径，并且另一端光耦合到相应的一个光纤122。光发射次模块(tosa)120a-d中的每一个可包括用于产生指定信道波长的激光的激光器和用于将激光耦合到相应的光纤122中的光学器件。因此，光发射次模块(tosa)120a-d中的激光器将通过发射连接电路104接收到的电数据信号(tx_d1到tx_d4)转化为通过发射光纤122发射的经调制的光学信号。举例而言，这些激光器可包括具有衍射光栅的分布反馈(dfb)激光器。光发射次模块(tosa)120a-d中的每一个还可包括监视器光电二极管，用于监视由激光器发射的光线。每个光发射次模块(tosa)120a-d还可包括一个或多个温度控制装置，例如电阻加热器和/或热电冷却器(tec)，用于控制激光器的温度，例如用以控制或稳定激光器波长。

多信道光接收次模块(rosa)130包括一光电检测器阵列134，光电检测器阵列134例如包括光电二极管，光电二极管光耦合到由接收光纤132的端部形成的光纤阵列133。多信道光接收次模块(rosa)130还包括电连接到光电检测器阵列134的多信道跨阻抗放大器136。光电检测器阵列134和跨阻抗放大器136检测从光纤阵列133接收的光信号并将其转换为通过接收连接电路108输出的电数据信号(rx_d1至rx_d4)。

光收发器100的本实施例不包括光多路复用器或解复用器。光信号可以在光收发器100的外部多路复用和解复用。

请参考图1b，另一实施例的光收发器100'包括与光多路复用器111和光解复用器113在一起的上述相同的光引擎(例如，光发射次模块(tosa)120a-d和光接收次模块(rosa)130)。光多路复用器111和光解复用器113可都包括阵列波导光栅(awg)。光多路复用器111光耦合到发射光纤122，并且光解复用器113光耦合到接收光纤132。光多路复用器111多路复用在发射光纤122上发送的光信号，以在输出光纤115上提供多路复用光信号。光解复用器113解复用在输入光纤117上接收的多路复用光信号，以在接收光纤132上提供接收的光信号。输出光纤115和输入光纤117分别耦合到输出光纤连接器116和输入光连接器118。

光收发器100'的本实施例包括4个信道，并且可配置用于稀疏波分复用(cwdm)，但是其它数量的信道也是可能的。光收发器100'的这个实施例还能够具有每个信道至少大约10千兆比特每秒(gbps)的传输速率和2公里(km)到至少大约10公里(km)的传输距离，并且可用于互联网数据中心应用或光纤到户(ftth)应用。

请参考图2，更详细地描述并表示出具有光纤活动(mpo)连接器210的光收发器模块200的一实施例。光收发器模块200可设计成具有相对较小的空间的相对较小的形状因子。光收发器模块200包括收发器外壳202，在外壳202的一个区域中堆叠在一起的四个同轴光发射次模块(tosa)220和位于外壳202的另一区域中的多信道光接收次模块(rosa)230。同轴光发射次模块(tosa)220电连接到位于外壳202的一端的发送柔性印刷电路(fpc)204，并且通过传输光纤222光耦合到位于外壳202的另一端的光纤活动(mpo)连接器210。多信道光接收次模块(rosa)230电连接到位于外壳202的一端的接收柔性印刷电路(fpc)208，并且通过接收光纤232光耦合到位于外壳202的另一端的光纤活动(mpo)连接器210。

每个同轴光发射次模块(tosa)220包括长方体型to激光器封装250，长方体型to激光器封装250包括激光器底座226、底座226上的二极管激光器227以及透镜223。激光器底座226将二极管激光器227例如使用引线键合电连接到相应的发送柔性印刷电路(fpc)204。透镜223将激光器227光耦合到相应的发射光纤222。长方体型to激光器封装250具有大致长方体或平行六面体的外形以提供散热和/或热屏蔽，如将在下面更详细所述。每个同轴光发射次模块(tosa)220具有同轴配置，以使得光发射次模块(tosa)220的一端形成电连接，并且光发射次模块(tosa)220的另一端形成光耦合。

多信道光接收次模块(rosa)230包括光耦合到光电探测器阵列234的光纤阵列233和电连接到光电探测器阵列234的跨阻抗放大器(tia)236。光纤阵列233中的光纤232的端面可以成角度(例如45°)，使得光线从成角度的面反射以与光电检测器阵列234中的相应光电二极管耦合。跨阻抗放大器(tia)236例如使用引线键合电连接到接收柔性印刷电路(fpc)208。

请参考参照图3a及图3b，更详细地表示出包括光多路复用器和光解复用器的光收发器模块200'的另一实施例。光收发器模块200'包括同轴光发射次模块(tosa)220、多信道光接收次模块(rosa)230以及柔性印刷电路(fpc)204、208，如上所述。光收发器模块200'的本实施例还包括一阵列波导光栅(awg)外壳部分202a，阵列波导光栅(awg)外壳部分202a包括多路复用的阵列波导光栅(awg)211以及解复用的阵列波导光栅(awg)213。阵列波导光栅(awg)外壳部分202a可耦合到收发器外壳202及/或从收发器外壳202延伸出。多路复用的阵列波导光栅(awg)211通过发射光纤222光耦合到同轴光发射次模块(tosa)220，并且解复用的阵列波导光栅(awg)213通过接收光纤232光耦合到光接收次模块(rosa)230。多路复用的阵列波导光栅(awg)211和解复用的阵列波导光栅(awg)213分别通过输出光纤215和输入光纤217，分别光耦合到输出光连接器216和输入光连接器218。

光收发器模块200、200'的这些实施例都包括具有长方体型to封装的同轴光发射次模块(tosa)220，如将在下面更详细所述。具有长方体型to封装的同轴光发射次模块(tosa)220也可用于其它类型的光收发器，例如光线路终端(olt)中使用的多信道收发器，如美国专利申请公开号2014/0161459，其全部内容通过引用并入本文。具有长方体型to封装的同轴光发射次模块(tosa)220也可用于没有光接收次模块(rosa)的光发射器中。

如在图4和图5中更详细所示，每个同轴光发射次模块(tosa)220包括一长方体型to激光器封装250，长方体型to激光器封装250包括激光器底座226、二极管激光器227以及透镜223和/或其它光学器件。长方体型to激光器封装250包括与光耦合端254相对的电连接端252。激光器底座226靠近电连接端252安装，使得电引线或导线(未示出)可以电连接到底座上的导电路径229并从电连接端252延伸出。光耦合插座221从光耦合端254延伸出，用于将激光器227光耦合到光纤222。导电路径229(以及电引线)、激光器227、透镜223、光耦合插座221和光纤222通常沿着一纵向轴线2同轴地对准或定位，由此提供同轴光发射次模块(tosa)220的同轴配置。

监视器光电二极管228也可以安装在底座226上，例如用以监视从二极管激光器227发射出的光線。在其它实施例中，一个或多个温度控制装置可设置在长方体型to激光器封装250之内或之上。温度控制装置可包括位于二极管激光器227附近的加热器，例如电阻加热器，以提供二极管激光器227的温度的独立控制，从而提供所发射激光的波长的独立控制。长方体型to激光器封装250通过防止来自封装250外部的热量影响激光器227，而有利于每个激光器227的这种独立的温度控制。另外或替代地，温度控制装置可包括在长方体型to激光器封装250之内的一微型热电冷却器(tec)，用以提供激光器227的单独且独立的温度控制。通过与长方体型to激光器封装250的外表面热耦合，热电冷却器(tec)也可以在长方体型to激光器封装250的外部使用。

长方体型to激光器封装250包括与电连接端252和光耦合端254大致正交的至少一个大致平坦的外表面，用于接触另一个大致平坦的表面以促进热传递。在所示的实施例中，顶面、底面和侧面256a-d大致是平的，这允许多个长方体型to激光器封装250堆叠在收发器外壳中，例如，如图2、图3a和图3b所示。在这个实施例中，底面256b为传热提供了最大的表面积。

在所示的实施例中，长方体型to激光器封装250包括从基部253延伸出的第一和第二侧壁251，第一和第二侧壁251用以限定隔室255(参见图5)。激光器底座226位于侧壁251之间的隔室255中。因此，激光二极管227被侧壁251热屏蔽。长方体型to激光器封装250的本实施例还包括端壁257，端壁257在光耦合端254从基部253延伸出。端壁257限定了允许激光穿过以耦合到光纤222中的孔径258。光学器件，例如一光隔离器，也可以位于孔径258内。

长方体型to激光器封装250可形成为一件或连接在一起的多件(例如，连接到基部253的壁251、257)。尽管所示的实施例表示出具有特定形状的长方体型to激光器封装250，但是其它形状和构造也是可能的。举例而言，在其它实施例中，长方体型to激光器封装250可以在顶部(例如，与基部253相对的一侧)封闭。

长方体型to激光器封装250可以由导热系数大于60瓦每米每开(w/(m·k))且更具体地大于80w/(m·k)并且例如，大约160w/(m·k)的导热材料制成。长方体型to激光器封装250可例如由铜钨制成，并且也可例如镀金以便于焊接。在一些实施例中，长方体型to激光器封装250可以由例如以商标kovar出售类型的镍-钴铁合金制成。也可以使用其它导热材料。

长方体型to激光器封装250的平坦表面有利地提供封装250与其它封装或收发器外壳之间的增加的表面面积接触。与传统的圆柱形to型封装相比，这种增加的表面面积接触改善了热传递或热传导，因此即使在较小的封装设计中也有利于散热。在常规的圆柱形to罐封装中，在封装端部的平坦表面不能够有效地用于热传递，因为它会干扰在圆柱形to罐封装的这些端部形成的电连接和光耦合。长方体型to封装250在同轴配置的末端提供电连接和光耦合，同时还提供用于热耦合和以紧凑布置堆叠的平坦表面。

如图5所示，长方体型to激光器封装250可具有相对较小的尺寸。在一些实施例中，基部253的长轴可小于3.5毫米(mm)(在所示的实例中为3.4毫米(mm))。在一些实施例中，壁251的长轴和壁的外表面之间的间距可小于2.5毫米(mm)(在所示的实例中为2.1毫米(mm))。因此，长方体型to激光器封装250可提供大约2平方毫米的头部，其明显小于常规圆柱形to罐封装的5.6毫米的头部。尽管壁251显示为具有相同的尺寸，但这不是对本发明的限制。

请参照图6和图7，表示并描述了长方体型to激光器封装250'的另一个实施例。在本实施例中，长方体型to激光器封装250'包括靠近光耦合端254的附加侧壁259，而不是端壁257。透镜223安装在附加侧壁259之间。在本实施例中，每一侧的侧壁251、259分隔开一空间。在其它实施例中，长方体型to激光器封装可包括在基部253的每一侧上的单个壁，并且沿着基部253的至少一部分或沿着基部253的整个侧面延伸。在另一个实施例中，长方体类型to激光器封装可包括位于底座253的每一侧上的单个壁，和具有允许激光穿过的孔的端壁。用于长方体型to激光器封装的各种其它配置在本发明的范围内。

因此，根据本文描述的实施例，长方体型to激光器封装用在同轴光发射次模块(tosa)中，用以提供改进的热特性和减小的尺寸。多个长方体型to激光器封装可以在具有改善散热的多信道光收发器中的相对较小的空间内堆叠在一起。

根据一个实施例，同轴光发射次模块(tosa)包括长方体型to激光器封装，这种长方体型to激光器封装包括一基部和限定隔室的至少第一侧壁及第二侧壁，第一侧壁及第二侧壁从基部的相对侧延伸出。长方体型to激光器封装具有多个大致平坦的外表面、光耦合端以及与光耦合端相对的电连接端。长方体型to激光器封装由导热材料制成。同轴光发射次模块(tosa)还包括安装在基部上以及第一侧壁和第二侧壁之间的一激光器底座。激光器底座包括靠近电连接端的导电路径用于提供电连接。同轴光发射次模块(tosa)还包括安装在激光器底座上并且电连接到导电路径的激光二极管，以及安装在光耦合端附近用于将激光器光耦合到光纤的光学器件。

根据另一实施例，光收发器模块包括收发器外壳，位于收发器外壳中的多个同轴光发射次模块(tosa)用于发射不同信道波长的光信号，以及位于收发器外壳中的多信道光接收次模块以接收不同信道波长的光信号。每个同轴光发射次模块(tosa)包括一长方体型to激光器封装，长方体型to激光器封装包括一基部和限定隔室的至少第一侧壁及第二侧壁，第一侧壁及第二侧壁从基部的相对侧延伸出。长方体型to激光器封装具有多个大致平坦的外表面、光耦合端以及与光耦合端相对的电连接端。长方体型to激光器封装由导热材料制成。同轴光发射次模块(tosa)还包括安装在基部上以及第一侧壁和第二侧壁之间的一激光器底座。激光器底座包括靠近电连接端的导电路径用于提供电连接。同轴光发射次模块(tosa)还包括安装在激光器底座上并且电连接到导电路径的激光二极管，以及安装在光耦合端附近用于将激光器光耦合到光纤的光学器件。

虽然本发明的原理描述如上，但是本领域技术人员应当理解的是本说明仅通过示例的方式进行而不作为对本发明范围的限制。除了这里表示及描述的示例实施例之外，其它实施例也属于本发明的范围内。在以下的权利要求所限定的本发明的范围内，本领域的技术人员可进行不同的修改和替换。