光发射次模块（TOSA）结构及其主动对准方法与流程

光发射次模块(tosa)结构及其主动对准方法
技术领域
1.本发明实施例涉及光通信系统中的光收发模块领域，尤其涉及一种便于有效热管理的光发射次模块(tosa)结构及该光发射次模块(tosa)结构的主动对准方法。


背景技术：

2.在光通信领域，光传输模块的主要功能是将电信号转换为光信号，并将光信号再次转换为一种电信号的模块。
3.在信息时代，云计算、人工智能和5g移动应用程序的迅速普及导致对稳健和超高速通信以及数据中心基础架构的依赖日益增加。光纤通信技术在这种基础设施的快速发展中起着至关重要的作用。为了应对数据速率和互连密度的增长，光收发模块的每通道数据速率从25gbps增加到100gbps，甚至更高。同时，光调制格式从不归零(nrz)迁移到4级脉冲幅度调制(pam
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4)和相干调制，而传输介质从并行传输(psm)过渡到波分复用(wdm)。在如此迅速的技术演变下，具有能够实现超高速调制器和高密度集成光学器件的能力的硅光子集成电路(pic)被证明是光收发模块设计的理想解决方案。
4.硅光子光学收发模块通常需要高功率连续波cw激光二极管ld作为调制光源。可以使用混合集成技术将这种cw激光源制造到硅光子晶圆上。然而，由于老化造成的成品率损失，其会遭受质量问题。
5.另一方法是具有与pic共封装的大功率外部cw激光器，以形成如现有技术图1a所示的完整的光发射次模块(tosa)。特别地，将cw ld组装在ld基板上并直接放置在pic的顶部。一些光学组件精确放置在ld光路前面用于聚焦光束并引导光束通过光栅耦合器(gc)耦合到pic上的波导中。
6.如现有技术图1a所示，此tosa的一个主要缺点是对多个微光学元件、pic上的波导以及激光二极管之间的相对放置精度要求很高。并且，主动对准制程也被用于精确地放置每个光学组件和激光二极管，以实现所需的光学功率从cw激光器经由光栅耦合器耦合到pic上的波导所需的耦合效率。此外，在pic上的多个光学组件上执行主动对准是极富挑战性的制程，导致非常低的制程良率。
7.另一个缺点是在操作期间管理从cw激光二极管产生的热量。为了最大程度地提高传输数据速率，每个pic通常具有多个高速光通道，需要将多个cw激光器共封装在pic的小区域的顶部以提供所需的光学功率，并从这些cw激光器组件中产生大量热量。所有产生的热量只能经由较长的热路径通过激光底板、pic以及pic底板散发到散热器。此外，每个组件之间的结合界面还增加了热阻，导致热量在pic附近积聚，从而导致激光二极管温度升高，由于低效的热转出而导致的激光器输出功率降低，最重要的是，导致激光器寿命变短。
8.因此，为了在允许主动对准制程的同时克服散热问题，需要提供一种tosa结构，该tosa结构为每个信号源到外部散热器提供了直接的热路径，而无需通过硅光子集成电路。本发明涉及一种具有独立的向上散热路径的光发射次模块(tosa)结构以及一种用于沿向上方向散发热量的方法。


技术实现要素：

9.本公开的实施例涉及一种用于通过沿向上方向散发热量来有效散热的光发射次模块(tosa)结构。光发射次模块(tosa)结构包括独立的信号源、激光器组件ldu以及光具座组件。
10.特别地，ldu组件还包括发射多个光信号的激光二极管、保持激光二极管的级联式ldu以及在级联式ldu上位于激光二极管前面的透镜。此外，光具座组件被组装在硅光子集成电路上。并且，光具座组件还包括光学基板和多个无源光学部件。此外，光发射次模块(tosa)结构的独立信号源，即激光二极管以及级联式ldu与硅光子集成电路上的多个无源光学部件独立。
11.根据本发明的实施例，独立信号源可操作地配置为主动对准光路，以用于与硅光子集成电路配置的光学功率耦合。特别地，独立信号源是光源。
12.根据本发明的实施例，独立信号源具有通向外部散热器的直接的热路径，而无需通过硅光子集成电路。
13.根据本发明的实施例，级联式ldu是翻转的(flipped)级联式ldu。特别地，翻转的级联式ldu可操作地配置为用于沿向上方向散发热量。
14.根据本发明的实施例，翻转的级联式ldu安装在u形块上方。
15.根据本发明的实施例，u形块由导热率比级联式ldu低的材料制成。
16.根据本发明的实施例，多个无源光学部件还包括一个或多个隔离器和一个或多个棱镜。
17.根据本发明的实施例，该透镜是耦合透镜。
18.根据本发明的实施例，级联式ldu还包括前表面和在前表面上的前凹部、后表面和在后表面上的后凹部。特别地，前表面配置有多个前金属垫。并且，后凹部配置有多个后金属垫。
19.根据本发明的一个实施例，多个后金属垫通过竖直互连接入电连接而电连接至多个前金属垫。
20.根据本发明的另一实施例，多个后金属垫通过侧壁金属边缘连接电连接至多个前金属垫。
21.根据本发明的实施例，级联式ldu的前凹部配置有光具座，以用于透镜的主动对准。
22.根据本发明的实施例，级联式ldu的后凹部可操作地配置有用于形成引线键合连接的引线键合平台，以使激光二极管通电。
23.根据本发明的实施例，光学基板是透明光学基板。特别地，透明光学基板具有多个突起。而且，多个无源光学部件被组装在透明光学基板上。
24.根据本发明的实施例，光发射次模块(tosa)结构是集成的光发射次模块(tosa)结构。特别地，集成的光发射次模块(tosa)结构包括集成单元。此外，集成单元具有结合在u形块中并放置在翻转的级联式ldu上的激光二极管和耦合透镜。
25.根据本发明的实施例，集成单元通过多个无源光学部件与硅光子集成电路主动对准。
26.本发明的另一实施例涉及一种光发射次模块(tosa)结构的主动对准方法，该主动
对准方法用于通过沿向上方向散发热量来有效地散热。主动对准方法还包括如下步骤：在硅光子集成电路上形成光具座组件，形成ldu组件，将ldu组件和光具座组件与硅光子集成电路进行主动对准，以使耦合到光栅耦合器的效率最大化，监视由硅光子集成电路接收的光输出功率，检测最大功率输出以将ldu组件和光具座组件固定在硅光子集成电路的顶部，以及在后凹部处形成与多个后金属垫的引线键合，以完成激光二极管的电连接。
27.根据本发明的一个实施例，通过施加可热固化的粘合剂，将ldu组件和光具座组件固定在硅光子集成电路的顶部。
28.根据本发明的另一实施例，ldu组件和光具座组件通过可紫外线(uv)固化的粘合剂固定在硅光子集成电路的顶部。
29.根据本发明的实施例，通过将光具座组装在硅光子集成电路上以将光耦合到光波导中并且将多个无源光学部件放置在光具座上来形成光具座组件。特别地，多个无源光学部件包括一个或多个隔离器和一个或多个棱镜。
30.根据本发明的实施例，形成ldu组件的步骤还包括通过管芯贴置将激光二极管贴置在级联式ldu上，将透镜放置在级联式ldu上的激光二极管前面，底面向上地翻转级联式ldu形成翻转的级联式ldu，以及将翻转的级联式ldu的底部朝上地安装在u形块上方。
31.根据本发明的实施例，通过管芯贴置将激光二极管贴置在级联式ldu上的步骤还包括在级联式ldu的前表面上创建多个前金属垫，在级联式ldu的后凹部上创建多个后金属垫，通过竖直互连接入电连接或边缘电连接将多个后金属垫电连接到多个前金属垫。特别地，级联式ldu的前凹部配置有用于主动对准透镜的光具座。此外，ldu的后凹部可操作地配置有用于形成引线键合的引线键合平台，以使激光二极管通电。
32.根据本发明的实施例，独立的向上散热路径通过外部散热器接触方法将热量传导至外部散热器，而不通过硅光子集成电路。
33.通过采用具有独立的向上散热路径的光发射次模块(tosa)结构来实现本发明的前述目的，该向上散热路径用于沿向上方向将热量散发到外部散热器，而无需通过硅光子集成电路。
附图说明
34.为了详细地理解本发明的上述特征的方式，可以通过参考实施例来对以上简要概述的本发明进行更具体的描述，在附图中示出了一些实施例。然而，应注意的是，附图仅示出了本发明的典型实施例，因此不应视为对本发明范围的限制，因为本发明可允许其他等效实施例。
35.图1a是示出根据现有技术的光发射次模块(tosa)的图示；
36.图1b是示出根据本发明的实施例的光发射次模块(tosa)结构的截面图的图示；
37.图1c是示出根据本发明的实施例的光发射次模块(tosa)结构的立体图的图示；
38.图2a是示出根据本发明的实施例的级联式ldu的前视立体图的图示；
39.图2b是示出根据本发明的实施例的级联式ldu的后视立体图的图示；
40.图3是示出根据本发明的实施例的ldu组件的立体图的图示；
41.图4a是示出根据本发明的实施例的翻转的级联式ldu的分解图的图示；
42.图4b是示出根据本发明的实施例的u形块的分解图的图示；
43.图4c是示出根据本发明的实施例的独立信号源单元的等距视图的图示；
44.图5是示出根据本发明实施例的ldu组件和光发射次模块(tosa)结构的光学组件的主动对准的图示；
45.图6是示出根据本发明的实施例的光发射次模块(tosa)结构的散热路径的图示；
46.图7是示出根据本发明的实施例的具有u形块的翻转的级联式ldu组件的立体图的图示；
47.图8a是示出根据本发明的实施例的具有前开口的u形块的立体图的图示；
48.图8b是示出根据本发明的实施例的具有带有前开口的u形块的翻转的级联式ldu组件的立体图的图示；
49.图9是示出根据本发明的实施例的光具座的立体图的图示；
50.图10是示出根据本发明的实施例的光发射次模块(tosa)结构的主动对准方法的流程图；
51.图11是示出根据本发明的实施例的用于形成光具座组件的方法的流程图；
52.图12是示出根据本发明的实施例的用于形成ldu组件的方法的流程图；
53.图13是示出根据本发明的实施例的用于创建级联式ldu的方法的流程图；
54.图14是示出根据本发明的实施例的用于形成独立信号源的方法的流程图。
55.元件列表
56.信号源 105
57.ldu组件 300
58.光具座组件 200
59.多个无源光学部件 110
60.硅光子集成电路 115
61.光具座 120
62.光学路径 125
63.级联式ldu 130
64.u形块 135
65.激光二极管 140
66.透镜 145
67.前表面 150
68.前金属垫 155
69.前凹部 158
70.后表面 160
71.后金属垫 165
72.后凹部 168
73.电连接 170
74.引线键合 175
75.翻转的级联式ldu 180
76.外部散热器 185
77.模块上盖 190
78.散热路径 195
79.前开口 805
具体实施方式
80.本发明涉及一种具有独立的向上散热路径的光发射次模块(tosa)结构以及用于沿着向上方向将热量在不通过硅光子集成电路的情况下散发到外部散热器的主动对准。
81.通过参考图1b至图14可以最好地理解本发明的原理及其优点。在以下对本公开的说明性或示例性实施例的详细描述中，足够详细地描述了可以实践本公开的特定实施例，以使本领域技术人员能够实践所公开的实施例。
82.因此，以下详细描述不应被理解为限制性的，并且本公开的范围由所附权利要求及其等同物来限定。说明书中对“一个实施例”、“实施例”或“一个或多个实施例”的引用旨在指示结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本公开的至少一个实施例中。
83.本发明的各个实施例提供了一种具有独立的向上散热路径的光发射次模块(tosa)结构以及将热量在向上的方向上在不通过硅光子集成电路的情况下散发到外部散热器的主动对准。
84.图1b和图1c是根据本发明的一个或多个实施例的分别示出光发射次模块(tosa)结构的截面图和立体图的图示。特别地，光发射次模块(tosa)结构100具有用于沿向上方向散热的独立的向上散热路径。光发射次模块(tosa)结构100包括由主要部件的ldu组件300和u型块135组成的信号源105，以及光具座组件200。
85.特别地，信号源是光源。此外，ldu组件300还包括发射多个光信号的激光二极管140、保持激光二极管140的级联式ldu130以及在级联式ldu130上位于激光二极管140前面的透镜145。此外，级联式ldu130以底侧向上地翻转以形成翻转的级联式ldu180，并且翻转的级联式ldu180安装在u形块135上。翻转的级联式ldu180可操作地配置为沿向上方向散发热量，并且u形块135由导热率比级联式ldu130低的材料制成。
86.特别地，光具座组件200还包括组装在硅光子集成电路115上以将光耦合到光波导中的光具座以及组装在光具座120上的多个无源光学部件110。此外，多个无源光学部件110还包括一个或多个隔离器和一个或多个棱镜。此外，通过使用精确的无源对准标记将多个无源光学组件110放置在光具座上，以确保多个无源光学组件110在光具座120上的正确位置。
87.包括激光二极管140的信号源105和ldu组件300上的级联式ldu130独立于硅光子集成电路115上的光具座组件200，以实现高效散热和沿向上方向散热。
88.随后，如图1c所示，信号源105可操作地配置为主动对准光路125，以与硅光子集成电路115进行光功率耦合。特别地，通过点亮激光二极管140并监视由硅光子集成电路115接收的光输出功率，使信号源105与光学路径125主动对准。
89.根据本发明的实施例，信号源105具有通向外部散热器185的散热路径195，而不经过硅光子集成电路115。
90.根据本发明的实施例，ldu组件300中的透镜145是耦合透镜。
91.根据本发明的实施例，光具座120是具有多个突起的透明光学基板。此外，多个无源光学部件110被组装在透明光学基板上，即光具座120上。
92.图2a和图2b是示出根据本发明的一个或多个实施例的级联式ldu的前视立体图和后视立体图的图示。特别地，级联式ldu130还包括前凹部158和后凹部168。特别地，级联式ldu130的前表面150配置有多个前金属垫155。并且，具有后凹部168的后表面160配置有多个后金属垫165。此外，多个后金属垫165通过电连接170连接到多个前金属垫155。此外，电连接170是选自竖直互连接入电连接和侧壁金属边缘连接图2a中未示出的任何一种电连接。
93.特别地，级联式ldu130的前凹部158配置有用于主动对准透镜145的光具座。
94.随后，级联式ldu130的后凹部168可操作地配置有用于形成引线键合的引线键合平台，以为激光二极管140通电。
95.根据本发明的一个实施例，电连接170是竖直互连接入电连接。
96.根据本发明的另一实施例，电连接170是侧壁金属边缘连接。
97.图3是示出根据本发明的实施例的ldu组件的立体图的图示。特别地，ldu组件300包括激光二极管140和透镜145。特别地，通过管芯贴置将激光二极管140贴置在级联式ldu130上，并且引线键合形成电连接170以使激光二极管140通电。此外，电连接170通过从竖直互连接入电连接和金属边缘电连接中选择的任何一个连接连接到后凹部168上的多个后金属垫165。此外，前凹部158提供了用于使透镜145的中心与来自激光二极管140的光主动对准的平台，以实现良好的光功率耦合。随后，在由级联式ldu130的前凹部158提供的平台上，将透镜145用粘合剂或焊料固定在激光二极管140的前面。
98.图4a是示出根据本发明的实施例的翻转的级联式ldu的分解图的图示。将级联式ldu130的底侧向上翻转，以形成翻转的级联式ldu180。特别地，翻转的级联式ldu180可操作地配置成用于沿向上方向散发热量。此外，翻转的级联式ldu安装在u形块135上方以形成信号源105。特别地，信号源是独立的信号源。
99.图4b是示出根据本发明的实施例的u形块的分解图的图示。特别地，u形块135由导热率比级联式ldu130低的材料制成。此外，u形块135的较低的导热率沿向上方向传导热量，以进入翻转的级联式ldu180，并通过散热器接触法传导到外部散热器185。由此，显著降低了硅光子集成电路115的温度。
100.图4c是示出根据本发明的实施例的独立信号源单元的等距视图的图示。特别地，信号源105是通过在u形块135上沉积翻转的级联式ldu180并将激光二极管140和透镜145并入u形块135内而形成的。此外，信号源105通过多个无源光学组件110与硅光子集成电路115主动对准。
101.图5是示出根据本发明的实施例的ldu组件和光发射次模块(tosa)结构的光学组件的主动对准的图示。特别地，光发射次模块(tosa)结构包括光具座组件200和信号源105的主动对准，以及，信号源105同时对准硅光子集成电路115，以使其耦合到光栅耦合器的效率最大化。在最大功率输出下，通过施加可紫外线uv固化的粘合剂或可热固化的粘合剂将光具座组件200和信号源105固定在硅光子集成电路115的顶部。最后，从后凹部168的后金属垫165到pcb控制板形成引线键合175，从而完成激光二极管140的电连接170。
102.图6是示出根据本发明的实施例的光发射次模块(tosa)结构的散热路径的图示。图6中的箭头示出了沿向上方向的散热路径195。
103.特别地，在激光二极管140处产生热量，受具有比翻转的级联式ldu180更低的导热
率的u形块135阻挡而沿向上方向传导热量，从而进入翻转的级联式ldu180并通过散热器接触件转移到外部散热器185。由此，显著降低了硅光子集成电路115的温度。
104.根据实施例，u形块135与光具座120分离，使得没有热量从级联式ldu180经u形块135传导到光具座120中。因此，防止了由于高温引起的环氧失效。
105.根据本发明的实施例，光发射次模块(tosa)结构配置有至少一个具有独立的散热路径的独立的热信号源。
106.图7是示出根据本发明的实施例的具有u形块的翻转的级联式ldu组件的立体图的图示。在示例性示例中，具有一个前凹部的级联式ldu130在u形块135上翻转。特别地，将容纳用于引线键合的引线的背面移动到u形块135的顶表面上的另一层。从前金属垫155到移动到u形块135的顶表面的金属层形成电连接170。
107.图8a是示出根据本发明的实施例的具有前开口的u形块的立体图的图示。特别地，u形块具有前开口805。
108.图8b是示出根据本发明的实施例的具有u形块的翻转的级联式ldu组件的立体图的图示，该u形块具有前开口。特别地，组装的信号源800包括具有前开口的u形块。
109.根据本发明的另一实施例，组装的信号源包括u形块，该u形块在任一侧上具有开口，并且该开口不限于前开口805。
110.根据本发明的又一实施例，u形块135是具有上开口的u形块。
111.根据本发明的又一实施例，u形块135是具有侧开口的u形块。
112.图9是示出根据本发明的实施例的光具座的立体图的图示。特别地，光具座120不与级联式ldu130分离。如果u形块由具有比级联式ldu130低的导热率的材料制成，则散热路径沿着向上方向。较低的导热率使得u形块135能够沿向上方向传导热量，从而进入级联式ldu130，该级联式ldu直接通过散热器接触方法传导到外部散热器185。
113.根据本发明的一个实施例，光具座120是独立的玻璃具座。
114.根据本发明的另一实施例，光具座120是长玻璃具座。
115.图10是示出根据本发明的实施例的光发射次模块(tosa)结构的主动对准方法的流程图。方法1000从步骤1005开始。在步骤1005处，通过将多个无源光学部件组装在光具座上并将光具座组装在硅光子集成电路上，以将光耦合到光波导中，来形成光具座组件。
116.步骤1005进行到步骤1010。在步骤1010处，形成ldu组件。ldu组件是通过将翻转的ldu组件底部朝上组装在u形块上而形成的。
117.步骤1010进行到步骤1015。在步骤1015处，将ldu组件和光具座组件与硅光子集成电路主动对齐，以实现最大耦合效率。
118.步骤1015进行到步骤1020。在步骤1020处，监视由硅光子集成电路接收的光输出功率。
119.步骤1020进行到步骤1025。在步骤1025处，检测最大光输出功率，以将ldu组件和光具座组件固定在硅光子集成电路的顶部。特别地，通过施加可热固化的粘合剂，将ldu组件和光具座组件固定在硅光子集成电路的顶部。
120.步骤1025进行到步骤1030。在步骤1030处，在后凹部处形成与多个后金属垫的引线键合，以完成激光二极管的电连接。
121.图11是示出根据本发明的实施例的光具座组件的形成方法的流程图。该方法还包
括步骤1105和步骤1110。在步骤1105处，将光具座组装在硅光子集成电路上，以将光耦合到光波导中。并且在步骤1110处，使用对准标记将多个无源光学组件放置在光具座上。此外，多个光学部件选自多个隔离器和多个棱镜。
122.图12是示出根据本发明的实施例的用于形成ldu组件的信号源的方法的流程图。方法1200在步骤1205开始。在步骤1205处，通过管芯贴置将激光二极管沉积在级联式ldu上。
123.步骤1205进行到步骤1210。在步骤1210处，将透镜主动地组装在级联式ldu上的激光二极管的前面，以实现良好的光功率耦合。
124.步骤1210进行到步骤1215。在步骤1215处，级联式ldu底侧朝上地翻转，以形成翻转的级联式ldu。特别地，翻转的级联式ldu可操作地配置为用于沿向上方向散热。
125.步骤1215进行到步骤1220。在步骤1220处，将翻转的级联式ldu安装在u形块上。特别地，u形块由具有比级联式ldu低的导热率的材料制成。此外，u形块的较低的导热率沿向上方向传导热量，以进入翻转的级联式ldu，并通过散热器接触方法传导到外部散热器。从而，显著降低了硅光子集成电路的温度。
126.图13是示出根据本发明的实施例的用于形成级联式ldu的方法的流程图。方法1300在步骤1305开始。在步骤1305处，在级联式ldu的前侧上创建前凹部。特别地，前表面配置有多个前金属垫。此外，级联式ldu的前凹部配置有用于主动对准透镜的光具座。
127.步骤1305进行到步骤1310。在步骤1310处，在级联式ldu的后侧上形成后凹部。特别地，后表面凹部配置有多个前后垫。此外，级联式ldu的后凹部可操作地配置有用于形成引线键合的引线键合平台，引线键合以给激光二极管加电。
128.步骤1310进行到步骤1315。在步骤1315处，前表面与后表面电连接。特别地，多个后金属垫通过从竖直互连接入电连接和侧壁金属边缘连接中选择的任何一种电连接电连接到多个前金属垫。
129.图14是示出根据本发明的实施例的用于形成集成信号源的方法的流程图。方法1400开始于步骤1405，并且进行到步骤1410。在步骤1405处，将激光二极管和透镜结合在级联式ldu组件上。在步骤1410处，将翻转的级联式ldu沉积在u形块上。特别地，集成单元通过多个无源光学部件主动对准硅光子集成电路。
130.因此，本公开的实施例公开了具有用于沿向上方向散发热量的独立的向上散热路径的光发射次模块(tosa)结构以及用于高效热管理的光发射次模块(tosa)结构的主动对准方法。
131.根据本发明的一个实施例，光发射次模块(tosa)结构包括独立的玻璃具座、具有上部开口的u形块以及集成信号单元。
132.根据本发明的另一实施例，光发射次模块(tosa)结构包括独立的玻璃具座、具有侧开口的u形块以及集成信号单元。
133.根据本发明的又一实施例，光发射次模块(tosa)结构包括长玻璃具座、具有上部开口的u形块以及集成信号单元。
134.根据本发明的又一实施例，光发射次模块(tosa)结构包括长玻璃具座、具有侧开口的u形块以及集成信号单元。
135.根据本发明的又一实施例，独立的向上散热路径通过外部散热器接触方法将热量
传导到外部散热器，而不通过硅光子集成电路。
136.应该注意的是，已经参考特定实施例描述了本发明，并且本发明不限于在本文描述的实施例。如果需要或必要，可以将其他组件集成到ldu组件和光学组件中。本发明也不限于用于u形块的材料，本发明也不限于用于制造tosa的方法。本领域技术人员将理解，可以对本文描述的实施例做出其他变化和修改，并且所有这些修改或变化都在本发明的范围内。