專利名稱：具有陶瓷饋通頭部組件的發射器光學子組件中的激光監視和控制的制作方法
技術領域：
本發明總地涉及光電系統和器件。更具體地，本發明的實施例涉及用于光學收發器模塊中的晶體管頭部組件，其中該頭部組件包括為了最優性能而用來監視和調節收發器的激光器件的各種特征。
背景技術：
光纖部件和光電子器件已成為現代連網電路中的重要部件。光纖電路的使用允許在網絡系統中的多個部件之間的有效、精確和快速的數據傳輸。
對于大多數任何系統的設計，在實施光纖系統時常常必須做出工程設計上的權衡。例如，部件的尺寸和模塊性常常必須相對于附加空間的需求而平衡以容納熱耗散和電路監視部件。盡管使部件的尺寸最小是理想的，但是一些配置由于它們的固有特性而預先限制了這個最小化。例如，先前在具有長距離傳輸和/或密集波分復用(DWDM)所需的特性的光纖系統中使用的許多激光器生成了不能由一些較小的封裝尺寸所耗散的熱量。進而，較小的封裝尺寸具有有限的可用于安裝和連接諸如熱敏電阻、監視器光電二極管、熱電冷卻器或阻抗匹配電路的附加部件的空間量。
關于較小的封裝尺寸，在光纖系統中理想的是使用模塊化的部件以便可以在緊湊的區域中并且利用盡可能少的昂貴定制來創建系統。例如，許多光纖系統能夠使用模塊化的收發器模塊。該模塊化的收發器模塊包括輸入接收器光學子組件(ROSA)和輸出發射器光學子組件(TOSA)。ROSA包括用于檢測光信號的光電二極管以及用于將所述光信號轉換為與其它網絡部件兼容的數字信號的感測電路。TOSA包括用于發射光信號的激光器以及用于根據輸入數字數據信號來調節激光器的控制電路。TOSA具有用于將來自TOSA的激光器的光信號聚焦到光纖的光學透鏡。另外，所述收發器模塊包括用于將TOSA和ROSA與光纖網絡中的其它部件光連接的可插入插口。
收發器模塊常常包括電子連接器，用于連接到收發器模塊工作所利用的計算機或通信裝置(“主機系統”)的電部件。收發器以及光纖系統中的其它部件的設計是基于標準的，使得可以連接部件而沒有顯著的定制。
當前正開發的一個具體的可插入標準是10千兆比特小形狀因子可插入(XFP)標準。此標準限定了諸如尺寸、功率消耗、連接器配置等的各種特征。對于功率消耗，XFP標準引用了1.5W、2.5W和3.5W三個功率消耗水平。當設計工作在XFP標準內的器件時，必須注意選擇了什么部件以及怎樣配置它們以不超出額定功率消耗。這些器件受半導體物理的原理所約束而優選地在特定溫度范圍內工作。模塊功率耗散和封裝尺寸和材料唯一地確定針對給定周圍條件的模塊工作溫度，諸如周圍溫度、氣流等。所得到的模塊工作溫度確定了可成功地在封裝內工作的光學和電子部件的類型。一個這樣的封裝公知為晶體管外形頭部(transistor outline header)，換而言之，公知為TO罩殼或TO。
晶體管外形頭部廣泛用于光電子學領域，且可以在多種應用中采用。作為一個實例，晶體管頭部有時用來保護敏感電器件，并用來將這樣的器件電連接到諸如印刷電路板(“PCB”)的部件。
至于它們的構造，晶體管頭部常常由圓柱形的金屬基體構成，許多傳導引線完全地延伸通過且一般垂直于該基體。對于金屬基體，常常將基體的尺寸定為符合特定的TO標準尺寸和引線配置，其實例包括TO-5或TO-46。所述引線密閉地密封在基體中以便為包含于TO封裝中的部件提供機械的和環境的保護，以及將傳導引線與基體的金屬材料電隔離。典型地，傳導引線中的一個是可以直接電連接到基體的地引線。
各種類型的器件安裝在頭部的基體的一側上并連接到引線。通常，帽用來包圍安裝有這樣的器件的基體側，以形成有助于防止對所述器件的污染或損壞的室。帽和頭部的特定特征通常與應用和安裝在頭部的基體上的具體器件有關。舉例來說，在光學器件需要安裝在頭部的應用中，所述帽為至少部分透明以允許由光學器件產生的光信號從TO封裝發射。這些光學TO封裝也公知為窗罩殼(window can)。
盡管晶體管頭部已被證明是有用的，但是典型的配置仍然造成了各種沒有解決的問題。一些這樣的問題具體涉及傳導引線在頭部基體中的物理配置和布置。作為一個實例，各種因素組合而損害精確控制玻璃/金屬饋通(feedthrough)、即傳導引線和頭部基體材料之間的物理接合的電阻抗的能力。一個這樣的因素是對于將采用的傳導引線的直徑，存在相對有限數目的可用選擇。此外，在這些配置中典型采用的密封玻璃的介電值的范圍是相對小的。而且，對于傳導引線的布置，在一些例子中已證明控制引線相對于頭部基體中的通孔的位置是相對困難的。
本領域中的其它問題涉及那些復雜的需要許多隔離的電連接來適當地起作用的電和電子器件。典型地，諸如這樣的器件及其子部件的尺寸和形狀的屬性受到器件中的各種形狀因子、其它尺度要求和空間限制的強烈約束。與這樣的形狀因子、尺度要求和空間限制相一致，典型的頭部的直徑是相對小的，且對應地，可布置于頭部基體中的引線的數目，有時稱為輸入/輸出(“I/O”)密度，也是相對小的。
因此，盡管可以將頭部基體的直徑并因此將I/O密度增加到保證與關聯器件的電連接要求相一致所必要的程度，但是與將在其中采用晶體管頭部的器件相關聯的形狀因子、尺度要求和空間限制即使不完全阻止，也強烈地限制了基體直徑的增加。
與前述相關，許多晶體管頭部的另一個限制性方面涉及頭部上可用的相對有限的物理空間。具體而言，頭部基體上的相對小量的空間強加了對可在其上安裝的部件數目的實際限制。為了克服此限制，期望使用的一些或所有任何附加部件必須改為安裝在印刷電路板上，與包含于晶體管頭部內的激光器或其它器件相距某個距離。然而，這樣的設置不是沒有它們的缺點，因為晶體管頭部中的有源器件，如激光器和集成電路的性能在某種程度上依賴于相關電和電子部件的物理接近。通過將激光器和集成電路與阻抗匹配所需的附加部件之間的距離最小化，這樣的部件之間的固有傳輸線得以最小化。就此而言，以緊密的物理接近來放置部件減小了反射傳輸線損耗。
除了上述之外，當期望將某些功能添加到晶體管頭部時，面臨進一步的挑戰。具體而言，監視和/或修改由TOSA的激光器件產生和發射的光信號的特性是有益的。例如，在光學收發器模塊的工作期間，隨著激光器在TOSA中變熱，由激光器件輸出的光信號可以隨時間改變功率和/或波長。如果在收發器工作期間主動監視這些激光參數，則可以對激光器件進行調節以保證其適當的工作。
對諸如功率和輸出波長的激光器件參數的監視典型地使用一個或多個監視光電二極管(“MPD”)來實現。在激光功率監視的情形下，常常使用單個MPD，而波長監視典型地需要協同工作的兩個MPD。在任一情況下，理想的是將所述一個或多個MPD與激光器件緊密靠近而設置在晶體管頭部組件中，使得由激光器件產生的激光可以由MPD接收。然而，如已經說明的，晶體管頭部組件中的光電子器件的位置需要附加的電互連穿過頭部組件，這在必須遵守規定的尺度形狀因子的公知頭部組件設計中是不可能的。因此，在晶體管頭部組件中使用一個或多個MPD可能受到限制或完全阻止。
按照上述討論，需要克服上述挑戰的用在光學收發器模塊中的晶體管頭部設計。具體而言，需要一種使得相對較大數目的互連能夠建立于頭部內部和位于頭部之外的器件之間的晶體管頭部。這樣的解決方案還應該能夠在晶體管頭部中應用諸如一個或多個監視光電二極管的監視器件以優化其中設置有諸如激光器件的光電子部件的工作。
發明內容
根據本領域中的上述和其它需要，已制作了本發明。簡要地概括，本發明的實施例指向晶體管頭部組件，該組件包括用來增強位于頭部組件中的諸如激光器的多種光電子器件的可靠性和性能的各種特征。具體而言，當前優選的實施例包括頭部組件，該組件能夠使一個或多個諸如監視光電二極管的監視器件組合在其中，以優化激光器的工作。這是在將頭部組件的尺寸保持在預定形狀因子限制內的同時實現的。
在本發明的一個說明性的實施例中，公開了具有延伸通過頭部基體的平臺的晶體管頭部。該平臺包括多個堆疊的層，其中每個層限定了延伸通過頭部基體的多個指定傳導途徑以將布置在頭部以內的平臺部分上的光電子器件與布置在頭部外的其它部件互連。平臺的多層設計不僅允許可用于在頭部中使用的互連的數目的相對增加，還允許將傳導途徑與頭部組件的其它部分電隔離以使它們能從其外部部分通到其內部部分。
多層平臺進一步使得專門部件能夠被放置在頭部組件中以加強其工作。例如，這樣的部件包括EML激光器件配置和熱電冷卻器。特別地，在一個當前的優選實施例中，多層平臺提供了一個或多個監視光電二極管在頭部組件中的放置以監視激光器件的工作。可以由所述監視光電二極管監視和/或控制的激光器參數包括由激光器發射的光信號的功率和波長。
為監視激光功率，在頭部組件中，單個監視光電二極管(“MPD”)設置在基座上，該基座可操作地附著到多層平臺。MPD緊密靠近諸如分布反饋激光器的激光器而放置，該激光器也位于基座上。來自激光器的光的反向發射由MPD接收，然后MPD確定激光器輸出的功率。然后可以基于MPD的測量對激光器進行調節以優化激光器的工作。
為監視激光波長，兩個MPD(其一起作為波長鎖定器工作)設置緊密靠近激光器的基座上。來自激光器的光的反向發射由兩個MPD接收，其中的一個包括依賴于波長的濾光器。每個MPD根據其接收的激光產生測量信號，濾光的MPD的測量信號的強度根據從激光器接收的光的波長而變化。由相應的MPD產生的兩個測量信號的比率比較得到由激光器產生的光信號的波長。以此方式，可以確定并執行對激光器的光信號輸出的任何所需修改以優化信號質量。
在上述兩個情形(即單或雙MPD)中的任何一個中，需要通過頭部組件的多個電互連以提供MPD的必要的電連接性。根據本發明，按照如這里公開的多層平臺設計，容易提供這些互連，所述設計提供了頭部組件的外部和內部部分之間的多個互連而不損害頭部組件的尺寸限制。這最終導致增強的性能，不僅對于頭部組件和布置在其中的光電子部件，而且對于包含頭部組件的光學子組件和作為整體的光學收發器。可替換地，頭部組件可以用于其它電子封裝配置，如發射器、接收器和轉發器等等。
本發明的這些和其它特征從下面的描述和所附的權利要求中將變得更為明顯，或可以通過如以下所闡明的本發明的實踐而習知。
為了進一步地闡明本發明的上述和其它優點和特征，將通過參考在附圖中圖示的其特定的實施例來進行對本發明的更具體的描述。應當理解，這些圖只描述了本發明的典型的實施例并因此不被認為是對其范圍的限制。將通過使用附圖利用附加的特征和細節來描述和說明本發明，在附圖中圖1A為圖示了頭部組件的一個示例性實施例的器件側的各個方面的透視圖；圖1B為圖示了頭部組件的一個示例性實施例的連接器側的各個方面的透視圖；圖2A為圖示了頭部組件的一個可替換實施例的器件側的各個方面的透視圖；圖2B為圖示了頭部組件的一個可替換實施例的連接器側的各個方面的透視圖；圖3A為圖示了頭部組件的另一個可替換實施例的器件側的各個方面的透視圖；
圖3B為圖示了頭部組件的另一個可替換實施例的連接器側的各個方面的透視圖；圖4為具有根據本發明的另一個實施例配置的頭部組件的發射器光學子組件的透視圖；圖5A為包括如圖4所示的發射器光學子組件的部分的頭部組件的透視圖；圖5B為圖5A的頭部組件的側視圖；圖6A為移除了圓形基體的圖5A的頭部組件的透視圖；圖6B為圖6A的頭部組件的頂視圖；圖7為圖5A的頭部組件的多層平臺的一個層的頂視圖；圖8為圖5A的頭部組件的多層平臺的另一個層的頂視圖；圖9為根據本發明一個實施例的包括發射器光學子組件的部分的頭部組件和對應基座的透視圖；圖10為圖9的頭部組件和基座的側視圖；圖11為圖10的頭部組件的一部分的特寫視圖，示出根據本發明一個實施例的位于基座上的多個光電子部件；圖12為根據本發明另一個實施例的包括發射器光學子組件的部分的頭部組件和對應基座的透視圖；以及圖13為圖12的基座的一部分的特寫視圖，示出了某些光電子部件的各種特征。
具體實施例方式
現在將對圖進行參考，其中類似的結構將被提供類似的參考標示。應當理解附圖是對本發明的當前優選實施例的圖解和示意性表示，且不是對本發明的限制，也不必要按比例繪制。
圖1-13描述了本發明的實施例的各種特征，其總體上指向改進的頭部組件，該頭部組件允許在其中布置的部件的增強的功能性。具體而言，本發明的各種實施例公開了一種多層饋通結構，該結構與用于小形狀因子光學收發器模塊中的頭部組件集成。所述饋通的多層配置實現了可放置于頭部組件中的電子光學部件的數目和類型兩者的顯著擴展。實際上，在當前優選實施例中，一個或多個監視光電二極管位于頭部組件中以監視激光器件的各種參數。監視光電二極管和激光器件兩者都位于部件基座上，該基座又電連接到多層平臺。由于由多層平臺提供的相對高數目的電互連，方便了將一個或多個光電二極管包括在頭部組件中以與激光器件一起工作。這又導致收發器設計中的增強的靈活性以及其改進的控制。
具體而言，可以安裝監視光電二極管以便檢測到發射自激光器的背面的光。通過使用發射自背面的光，監視光電二極管可以監視激光的功率。
相似地，波長鎖定器(在一個實施例中包括多個監視光電二極管)可以使用發射自背面的光來監視激光的波長和/或功率。所述饋通的多層配置提供了足夠的電互連以允許將監視光電二極管或其它器件位于激光器附近。
在一個實施例中，本發明的頭部組件配置為用于遵守XFP標準的光學收發器模塊中。在提交本專利申請的時候，XFP標準為XFP采納修訂版3.1，由10千兆比特小形狀因子可插入(XFP)多源協議(MSA)組發布。此XFP采納修訂版3.1文檔通過引用結合于此。如這里所使用的，術語“XFP標準”和“XFP多源協議”指的是采納修訂版3.1。這些術語還指任何后續草案或最終協議，使得任何這樣的后續草案或最終協議與采納修訂版3.1兼容。
1.頭部組件首先合起來參考圖1A和圖1B，其圖示了以200概括標示的頭部組件的一個當前優選實施例的透視圖。在圖示的實例中，頭部組件200包括基本圓柱形的金屬基體10。基體10包括兩個法蘭90，用于將頭部200可釋放地固定到較高級的光機械組件上的插口(未示出)。基體可由合金42形成，其為鐵鎳合金，以及冷軋鋼、Vacon VCF-25合金、科伐合金或其它適用的材料。基體10還包括如所示垂直延伸通過基體的陶瓷平臺70。該陶瓷平臺密閉地密封到基體以便為包含于TO封裝中的部件提供機械和環境保護。陶瓷材料可以包括但不限于氧化鋁(Al2O3)或氮化鋁(AlN)。
基體10和平臺70之間的密閉密封通過電絕緣的玻璃到金屬密封來建立。可替換地，平臺70可以結合兩個附加的陶瓷外層以電隔離最外的導體。在此第二情形下，金屬釬焊料(braze)或焊料可用來將平臺70密閉地密封到金屬基體。此解決方案克服了玻璃的主要缺點，即它們的低強度、脆性和低熱導率。
平臺70構造成在基體的任一側上容納多個電部件50和100，以及有源器件60。在圖示的實施例中，有源器件60包括半導體激光器，并且部件50和100可包括用來平衡激光器的驅動阻抗與部件阻抗的電阻器、電容器和電感器。如下面所更詳細討論的，阻抗匹配電路還可以通過在平臺70上蝕刻具有各種電容、電感或電阻特性的電軌跡來創建。除了匹配之外，部件還可以具有諸如測量溫度、感測激光器的光功率或波長等的周邊功能。由于將半導體激光器垂直于基體10而精確放置是重要的，因此將平臺70垂直于基體10而精確放置。
在有源器件60包括半導體激光器的情況下，有源器件60相對于基體10的位置的小偏差可引起所發射的激光束的方向的大偏差。平臺和基體之間的精確垂直性可通過在基體材料中結合豎直支座特征來實現，如圖1A所示。在如圖1A所示的實施例中，豎直支座容納了光電二極管30。這樣的特征可以直接用基體機加工、沖壓或金屬注模而成，由此提供用于與平臺配合的穩定和幾何精確的表面。
平臺70進一步包括多個電隔離的傳導途徑110，傳導途徑110延伸貫穿平臺70并因此通過基體10。傳導途徑110提供位于平臺70各處的電器件或部件之間必要的電連接。傳導途徑11O在不包括半導體激光器60的基體的那一側形成連接器，該側在這里也稱為基體的“連接器側”。結合以上所述，注意有源器件60所處的基體的一側在一些實例中可以在這里稱為基體的“器件側”。
由傳導途徑110形成的連接器用來直接(例如通過焊接連接)或者間接通過諸如撓性印刷電路的中間器件將頭部組件200電連接到諸如印刷電路板的第二電子組件。半導體激光器60經由傳導途徑110電連接到電部件50和100。
平臺70還可以包括多個層，其中每個層可以具有傳導層，該傳導層具有各種傳導途徑110。以此方式，可以構造許多傳導途徑110以與布置在平臺70上的各種部件一起使用。通常，這些層彼此電隔離，然而不同層上的各種傳導途徑110可以通過如印刷電路板領域中公知的通路來連接。
此外，傳導途徑110可以成形和放置為使它們具有受控制的電容、電感或電阻效應以建立諸如微帶或帶狀線(cpw等)的波導。例如，已知關于用于制造傳導途徑110的材料和平臺70的各個層的材料的某些特性，可通過適當地配置傳導途徑110來構造無源電器件。以此方式，可以建立具有公知特性的傳輸線以與附著到平臺70的有源器件60一起使用。如上面所提及的，通過將連接到有源器件60的傳輸線的特性與有源器件60的負載阻抗相匹配，可以減小或在許多情形下消除引起傳輸錯誤和較低功率輸出的電反射。
通過從傳導軌跡110在平臺70上構造匹配有源器件60的阻抗的傳輸線，消除了添加附加分立匹配部件的需求，常常導致較好的總體電路性能。實際上，先前由于缺乏足夠的匹配電路，包括晶體管頭部的應用被限制到10Gb/s。隨著使用構造于平臺70上的傳輸線的改進，可以實現高達40Gb/s或更高的應用。
盡管前面的描述已根據激光器討論了有源器件60，但是應當注意傳輸線還可以形成為使用于其它半導體器件的匹配電路得以構造。例如，傳輸線可以用來直接連接到激光器，如在DFB激光器的情況下。可替換地，傳輸線可以用來連接到EA調制器，例如，如在結合DFB激光器和EA調制器的EML的情況下。如這里所討論的，阻抗匹配傳輸線的阻抗值依賴于附著到平臺70的有源器件的負載阻抗。
外部部件盡管仍有用但對于阻抗匹配不是理想的，因為它們常常表示必須由驅動電子部件的電源來驅動的附加負載，如當電阻器用來匹配有源器件60的負載阻抗時。另外，盡管外部部件可以合理地靠近有源器件60而放置，但是在外部部件和有源器件60之間總是存在某個小的距離，起到未匹配的傳輸線的作用。
高級陶瓷材料的使用允許頭部組件200實現封裝內的器件和熱最終傳遞到的外部世界之間的基本上較低的熱阻，所述材料的實例包括氮化鋁和氧化鈹。如在下面的本發明可替換實施例的上下文中更詳細地討論的，諸如熱電冷卻器(“TEC”)，熱管或金屬散熱器的冷卻器件可直接安裝在平臺上，由此在平臺上的溫度敏感器件和位于熱組件外的熱沉之間提供了很短的熱路徑。
如圖1A和1B所進一步示出的，頭部組件200另外包括延伸通過并伸出基體10的兩側的兩個傳導引線40。傳導引線40密閉地密封到基體10以對傳導引線40和基體10之間、包含于TO封裝中的部件提供機械和環境保護。傳導引線40和基體10之間的密閉密封通過例如玻璃或在本領域中公知的其它可比的密閉絕緣材料來建立。傳導引線40還可用來電連接位于基體的相對側上的器件和/或部件。
至少在圖示的實施例中，傳導引線40從不包含半導體激光器60的基體10的一側伸出，使得允許頭部組件200與位于例如印刷電路板上的特定頭部插口的電連接。重要的是，注意傳導途徑110和傳導引線40執行相同的功能并且潛在傳導途徑110的數目遠大于傳導引線40的潛在數目。可替換的實施例可以結合比圖示的實施例中所示出的更多的傳導途徑110。
平臺70進一步包括階梯和凹陷區域，其允許以與陶瓷上的金屬墊齊平的各種厚度來安裝器件。這允許使用具有改進的電性能和特性的最短的電互連，例如線接合。這還通過例如將安裝在平臺上的激光器的有源區與封裝的光軸對準來提供光學上的有益之處。
光電二極管30用來檢測半導體激光器60的信號強度并將此信息轉交回半導體激光器60的控制電路。在圖示的實施例中，光電二極管可直接連接到傳導引線40。可替換地，光電二極管可直接安裝到與激光器相同的平臺上、相對于光發射區域的凹陷位置。此凹陷位置允許光電二極管捕獲由激光器發射的光的一小部分，由此允許光電二極管執行相同的監視功能。
此監視光電二極管的配置允許消除對傳導引線40的需求，并有助于諸如線接合的到平臺70的傳導途徑110的簡化電連接。在一個可替換的實施例中，光電二極管的光采集可以通過如下來增加將諸如鏡面的用于聚焦或重定向光的光學元件放置在基體上，或直接成形和/或涂覆基體金屬以將附加的光聚焦到光電二極管上。
如圖1A所進一步示出的，基體10包括突出部分45，該部分配置為可釋放地將帽(未示出)放置或設置在基體10的一側上。帽可放置于包含半導體激光器60的基體10的一側上，目的是保護半導體激光器60免受潛在的破壞性的粒子。對于圖示的實施例，透明的帽是優選的，以便允許激光逸出帽和基體10之間的區域。
接著參考圖2A和2B，其圖示了以300概括標示的頭部組件的一個可替換實施例的透視圖。此可替換的實施例示出了水平地安裝在與頭部組件300的基體310垂直地交叉的平臺370上的光學接收器360。該光學接收器可以是光電檢測器或任何其它能夠接收光信號的器件。光學接收器360平地安裝在平臺370上且檢測通過背對基體310的一側的光信號。這種類型的光學接收器有時稱為“邊緣檢測”檢測器。參考圖1A和1B更詳細地描述了基體310和平臺370。平臺370包含在基體的任一側、用于操作光學接收器360的電部件350、400。平臺370還包括用于電連接基體310的任一側上的器件或部件的傳導途徑410。此頭部組件的實施例不包含傳導引線且因此經由傳導途徑410進行所有電連接。
接著參考圖3A和3B，其示出了以500概括標示的頭部組件的另一個可替換實施例的透視圖。此可替換的實施例還示出了垂直地安裝在基體510上的光學接收器530。該光學接收器可以是光電檢測器或任何其它能夠接收光信號的器件。這是檢測來自器件頂部的光信號的光學接收器530。參考圖1A和1B更詳細地描述了基體510和平臺570。平臺570包含在基體的任一側、用于操作光學接收器530的電部件550、600。平臺570還包括用于電連接基體510的任一側上的器件或部件的傳導途徑510。此頭部組件的實施例不包含傳導引線且因此經由傳導途徑410進行所有電連接。
在本發明的其它實施例中，光學接收器360或光學接收器530為雪崩光電二極管(APD)。通常，APD表示對光學接收器的良好選擇，因為它們具有良好的噪聲和增益特性。特別地，APD的寬增益帶寬積允許設計的更加多樣性，使得可以減少噪聲并增加傳輸距離。和這里所公開的發射器設計不同，這些接收器常常包括緊鄰接收器pin二極管或APD安裝的有源半導體集成電路，通常以跨阻放大器(TIA)或具有限制放大器的TIA(TIALA)的形式。
2.多層陶瓷饋通結構現在參考圖4，描述了發射器光學子組件(“TOSA”)3000的各個細節。如圖4所示的TOSA 3000配置用于光學收發器模塊(未示出)，該光學收發器模塊能夠產生用于經由諸如光纖線纜的適當波導傳輸的經調制的光信號。如已討論的，這樣的光信號用在例如用于高速數據傳輸的光通信網絡中。
TOSA 3000通常包括多個部件，包括透鏡組件3004、隔離器3006、外殼3008和插口3010。這些部件合作來容納和調節在TOSA 3000中產生的光信號以便經由附著到插口3010的連接器化的光纖線纜(未示出)而發射。下面是這些部件中的若干的簡短描述。
準直透鏡組件3004光耦合到激光二極管3034。準直透鏡組件3004可以是適于聚焦來自激光器3034的光以便光可以在光纖網絡中進一步傳播的任何適用的透鏡組合。在接收器應用中，當使用光電二極管時，準直透鏡組件2104適于將來自光纖網絡的光聚焦到光電二極管上。
隔離器3006適于阻止光后反射到激光二極管3034中。當光從具有第一折射率的介質行進到具有不同的第二折射率的介質中時，通常引起后反射。到激光器中的后反射看上去象與主腔不同的激光器的另一個腔，且使激光的振幅和波長不穩定。已發展了規定可接受的量的后反射的特定標準。例如，SONET規范需要接收器具有不大于-27dB的后反射比率。其它技術可用于接收器以減小光學回程損耗或后反射，包括多種折射率匹配和抗反射技術，如光纖短插針(fiber stub)、角度拋光光纖或短插針、抗反射涂層和玻璃板的組合。
插口3010光耦合到隔離器3006。該插口適于以可插入的方式耦合到其它光纖器件。在本發明的一個實施例中，TOSA 3000遵守XFP形狀因子，且對應地，插口3010還配置為遵守XFP標準插口尺寸以便在XFP系統中實施，插口3010為LC光纖線纜插口。其它常用插口為SC和FC連接器。注意TOSA 3000可遵守諸如GBIC和SFP的其它形狀因子尺寸，而仍然實現這里所描述的功能性。
TOSA 3000進一步包括頭部組件，以3020概括標示，該頭部組件提供用于TOSA 3000的多個功能。首先，頭部組件3020支持其上放置有光電子器件的部件平臺或基座。另外，頭部組件3020包括起到互連作用的多層平臺結構以使得能夠將電信號傳遞到位于基座上的光電子部件以及從中傳遞電信號。(如這里所使用的，術語“電信號”意為包括至少電、靜電和/或電磁信號。)此外，頭部組件3020可以實現冷卻和/或加熱指定的TOSA部件以便優化位于部件平臺上的部件的工作，以及總體的TOSA的工作。
根據本發明的實施例，形成頭部組件的部分并且將在下面更詳細地討論的多層平臺使得能夠在頭部組件中包括基本上加強TOSA的工作的指定光電子部件。事實上，在一個實施例中，將一個或多個光學接收器包括在頭部組件中以監視和優化由TOSA中的激光器產生的光信號，由此改進光學收發器模塊中的TOSA的工作。現在將關注頭部組件和多層平臺的某些方面，接著是對將其與光學接收器結合的討論。
繼續關注圖4，現在參考圖5A和5B，其分別示出了示例性頭部組件3020的部分的透視和側視圖。如在這些圖中所見的，頭部組件3020通常包括若干部件，這些部件包括基體3022、帽3023(圖4)、散熱塊3024和以3030概括標示的多層平臺(“MLP”)。這些部件中的每個的細節，以及它們的相互關系在下面給出。
如圖4、5A和5B所示，頭部組件3020的基體3022包括盤部分3022A和圓周法蘭3022B。盤部分3022A和法蘭3022B可以密閉地彼此結合，或完整地形成為單一件。基體3022與機械地附著到法蘭3022B的帽3023一起形成密閉圍域(hermetic enclosure)3032，其中可以放置頭部組件3020的各種部件，如激光器3034(圖4)。光透射窗典型地包括在帽中以允許由位于密閉的圍域3032中的激光器產生的光信號通過。如已描述的，這些部件在TOSA 3000的工作期間被直接地或間接地典型地使用以產生經調制的光信號，該光信號可從其中放置有TOSA的光學收發器模塊(未示出)發射。如將看出的，基體3022的盤部分3022A優選地由科伐合金制成，科伐合金是一種具有理想熱膨脹系數的金屬材料，其便于MLP 3030密閉地附著到基體。當然，由此形成的基體3022、帽3023和密閉圍域3032的具體尺寸、形狀、配置和組成可以根據指定的應用而變化。例如，如果需要，在一個實施例中，基體3022的盤部分3022A可以由銅鎢合金制成。
示出了MLP 3030延伸通過在基體3022的盤部分3022A中限定的孔。還示出了散熱塊3024延伸通過盤孔，相鄰于MLP 3030。如在圖5B中最好地看到的，正如其名稱所暗示的，MLP 3030包括接合而形成MLP的多個堆疊的平臺層3036。具體地，在圖示的實施例中，MLP 3030包括三個平臺層上絕緣層3040，中間層3050和下層3060。這些層3036以如圖5A和5B所示的堆疊配置來設置且密閉地密封在一起。層3036還位于散熱塊3024的頂部，且在一個實施例中，密閉地附著到散熱塊3024。每個層進一步包括限定在各個層3036的表面上的多個電傳導途徑3062。可以看出，以此方式的傳導途徑的設置使得相對較大數目的輸入/輸出互連能夠與頭部組件3020連接。注意，盡管MLP 3030包括具有傳導途徑的多個堆疊層，但在其它實施例中，可以根據本發明采用單層平臺來方便激光監視和控制。因此，如這里所討論的多層MLP的描述不對本發明構成限制。
由于MLP 3030密閉地延伸通過基體3022，所以有用的是，將延伸到密閉圍域3032(見圖4)中的MLP部分限定為MLP的內部部分3064以及將遠離密閉圍域的外部上的基體而延伸的MLP部分限定為MLP的外部部分3066。這個外部部分/內部部分規則施加和擴展到MLP 3030的每個層3036。根據本發明的原理，且如將在下面討論的，層3036的堆疊設置，與限定在其上的傳導途徑3062的指定配置一起，使得相對較大數目的電互連能夠被引入到頭部組件3020的密閉圍域3032中。在下面進一步可以看出，這又理想地允許密閉圍域3032中的光電子部件的加強的選擇、放置和工作，由此呈現了相對于較不強健地配置的頭部組件的優點。另外，實現了在頭部組件中提供的增加數目的互連而不需要增加TOSA封裝的尺寸。
MLP 3030的每個層3036優選地由絕緣材料形成。在圖示的實施例中，每個層3036由諸如氧化鋁或氮化鋁的共燒陶瓷材料構成。盡管諸如硝酸鋁、氧化鈹或其它絕緣陶瓷和非陶瓷材料的其它材料也可以被可接受地采用。有關MLP 3030的每個層3036的結構和配置的進一步細節結合圖7和8在下面給出。
現在參考圖6A和6B，其描述了從頭部組件3020的基體3022分離的MLP 3030的各種視圖。在這些視圖中，更清晰地示出了MLP 3030的每個層3036和傳導途徑3062的相對尺寸和相應的置位。如圖示的，上絕緣層3040包括跨MLP 3030總寬度的相對短的陶瓷材料板。上絕緣層3040具有稍大于基體3022的盤部分3022A的厚度的寬度“w”。如將在下面更詳細地說明的，此寬度足以使上層3040將位于中間層3050(放置在上層之下)的表面上的傳導途徑3062與基體3022電隔離，基體3022優選地由電傳導金屬形成。雖然如圖所示相對于層3050和3060相對厚，上層3040可以根據對電隔離的需要和頭部組件3020的空間需求而具有多個厚度中的一個。
如上面所提及的，基體3022-尤其盤部分3022A-可以由科伐合金、銅鎢或擁有基本上類似于制成層3036的陶瓷的熱膨脹系數的另一適用材料構成。熱膨脹系數的類似性使得適用的密閉密封能夠形成在基體3022和MLP 3030之間，由此保持了密閉圍域3032的完整性。為了實現盤部分3022A中的孔和MLP 3030之間的粘附，金屬化層，優選的是鎢合金、鈦或具有銅涂層的鈦鎢合金，形成在MLP 3030的外圍的部分附近，如3068所指示的。金屬化層3068使用標準沉積技術沉積在這些表面上并且對于使得基體材料能夠粘附到MLP 3030是必要的。基體3022到MLP 3030的接合可以通過用銅銀釬焊料釬焊或通過其它適用的方法完成以形成它們之間的密閉密封。
在圖6A和6B中可以看出，上絕緣層3040覆在中間層3050的部分上以及位于其上的傳導途徑3062上。如所提及的，此設置使得上絕緣層3040能夠防止基體3022的金屬盤部分3022A直接接觸中間層3050上的傳導途徑3062。因此，此配置使得中間層3050的傳導途徑3062能夠從外部部分3066通到頭部組件3020的內部部分3064而沒有來自基體3022的電的或其它的干擾。上絕緣層3040的厚度足夠大以便提供位于中間層3050的傳導途徑3062和基體3022之間的足夠間距。此間距對防止由一些傳導途徑3062建立的電場的電短路是有益的，該電場包括存在于中間層3050的表面之上的場分量。不過應當理解，還可以應用具有與圖6A和6B所示不同的形狀、組成或配置的上絕緣層，同時仍滿足如這里所描述的功能性。
還從圖6B而明顯的事實是，下層3050被確定尺寸以便相對于內部部分3064上的中間層3050的邊緣更遠地延伸一個小距離。這使得位于下層3060上的傳導途徑能夠容易地連接到位于密閉圍域3032中的諸如基座的部件平臺。關于基座的進一步的細節結合圖9-12在下面給出。
現在關注圖7，圖7描述了關于MLP 3030的中間層3050的各種細節。如所提及的，中間層3050，類似于包括MLP 3030的其它層，由陶瓷材料構成并且在其上設置了多個傳導途徑3062。當前實施例中的傳導途徑3062優選地通過使用圖案技術沉積在各個層表面上，盡管也可以可接受地使用諸如薄膜沉積的其它途徑形成實踐。優選地，每個傳導途徑3062包括由諸如鎢合金的一種或多種高溫傳導金屬制造的跡線(trace)，然后該跡線優選地覆蓋有金鍍層。有利地，使用高溫金屬使得能夠使用共燒技術來產生陶瓷。
這里注意MLP 3030的各個層3036上的傳導途徑3062的類型和放置兩者被優選地精密配置以便優化MLP表面上的空間以及最大化所述途徑和附著到途徑的電光部件的性能。此外，在附圖中示出的傳導途徑根據具體的頭部組件設計而配置。因此，盡管將結合圖7和8在下面描述的傳導途徑設計圖示了一個可能的配置，其它配置也是可能的。
圖7示出了包括多個傳導途徑3062或其部分的中間層3050的頂表面3050A。通常，三種類型的傳導途徑3062(或其部分)示出在頂表面3050A上高速傳輸線、通用信號線和地信號線。這些的每個在下面更詳細地描述。
兩個高速傳輸線3070在頂表面3050A上示出。在當前的實施例中，這些線用于將電信號從主機設備(未示出)傳輸到位于頭部組件3020中的基座(見圖9-12)上的電光部件(如調制器或直接調制DFB激光器)。就此而言，這些線被配置用于對這樣的信號的高速傳輸。每個傳輸線3070從中間層頂表面3050A的外部部分3066上的端子端延伸到中間層頂表面的內部部分3064上的端子端。為了清晰起見，MLP 3030的內部和外部部分3064和3066在圖7中標示，由疊加的虛線3072分離，其近似地對應于MLP 3030通過基體3022的通路的中心區域。(線3072還將MLP 3030的外部部分3066與內部部分3064近似地劃分開。)中間層頂表面3050A上的傳輸線3070被配置用于電信號的最優傳輸，在此情形下，該電信號是由諸如圖4中的激光器3034的激光器使用的電數據信號。根據結合本發明的前述實施例所講授的原理，傳輸線3070在幾何上成形為優化它們的傳輸特性并改進線本身和它們所連接的部件之間的阻抗匹配，該部件諸如激光器3034，其在此情形下以25歐姆的阻抗工作。用于阻抗匹配目的的每個傳輸線3070的成形可以參見圖9，其中每個傳輸線3070的寬度在這樣的點附近變窄，在該點所述傳輸線通過MLP3030通過基體3022的通路區域，該區域再次由虛線3072近似地指示。
依賴于期望的應用，高速傳輸線3070可以包括若干類型的傳導跡線之一。在圖示的實施例中，將傳輸線3070配置為中間層頂表面3050A上的微帶跡線。就此而言，將結合圖8在下面討論的適當地平面直接放置在每個傳輸線3070之下，如將要討論的。在另一個實施例中，高速傳輸線3070可以是共平面的跡線，其具有橫向相鄰于同一層表面上的跡線的地平面。除了這些實施例之外，還可以可接受地使用其它類型的高速跡線，包括槽線(slotline)和通用波導結構。
除了高速傳輸線3070之外，圖7還示出了應用于當前實施例的MLP3030中的第二類型的傳導途徑。具體而言，通用信號線3080的部分在圖9的中間層頂表面3050A上示出。通用信號線3080用來提供位于頭部組件3020外的控制電路(諸如在位于光學收發器中的印刷電路板上，TOSA3000布置在該光學收發器中)和位于頭部組件3020中的一個或多個部件之間的交互式控制。可以使用通用信號線3080來互連的頭部組件3020中的部件包括但不限于熱敏電阻、一些激光器(諸如在此申請的前面的小節中所討論的EML激光器)和光學接收器，其包括監視光電二極管和波長鎖定器，這將在下面討論的。
具體而言，三個通用信號線3080在MLP 3030的當前實施例中示出，每個具有以放置在中間層頂表面3050A的外部部分3066的邊緣處的接觸墊3080A的形式的端子端。這些接觸墊3080A被配置以與諸如撓性電路的適當配置的電接口電互連，以便例如與設置在頭部組件3020外的部件電聯系，如布置在收發器印刷電路板上的部件。
每個接觸墊3080A經由限定通過中間層3050的傳導通路(未示出)與位于MLP 3030的下層3060上的每個通用信號線3080的第二部分3080B互連。如這里所使用的，諸如那些剛才提及的傳導通路可以包括例如限定通過MLP 3030的一個或多個層的導電鍍通孔，或其它具有相同功能性的類似結構。如圖8所示的涉及此第二通用信號線部分3080B的細節在下面進一步地給出。
還在中間層頂表面3050A上示出的是每個通用信號線3080的部分3080C。三個通用信號線部分3080C中的每個形成為中間層頂表面3050A上的傳導跡線，并經由限定通過中間層3050的傳導通路(未示出)與位于下層3060上的相應通用信號線部分3080B互連。每個通用信號線部分3080C終結于位于MLP 3030的內部部分3064上的中間層頂表面3050A的邊緣上的接觸墊3080D。然后每個接觸墊3080D可以電連接到頭部組件3020中的部件，如將要說明的。
第三類型的傳導途徑3062的部分也在圖7中示出。具體而言，四個地信號線3090的部分在圖7中的中間層頂表面3050A上示出。一般而言，地信號線3090負責向限定在各個MLP層上的傳導途徑提供必要的地平面，且具體而言，向上面描述的高速傳輸線3070的適當工作提供地平面。如圖7所示，在一個指定的配置中，四個地信號線接觸墊3090A示出在中間層頂表面3050A的外部部分3066上。如此放置，接觸墊3090A可以與例如經由撓性電路提供的適當地信號源電對接以按需要向MLP 3030提供地信號。每個地信號線墊3090A以將在下面描述的方式與位于MLP 3030的下層3060上的兩個地信號線部分中的一個電連接。
現在在描述涉及MLP 3030的下層3060的各種細節時，參考圖8，在當前實施例中，所述下層直接放置在中間層3050之下。如所示的，類似于中間層，下層3060包括傳導途徑3062的若干部分。具體地，下層3060以頂表面3060A為特征，其上限定有傳導途徑部分。三個通用信號線部分3080B被示出限定在下層頂表面3060A上，起始于MLP 3030的外部部分3066并向其內部部分3064延伸。(再次為了清晰起見，MLP 3030的內部部分3064與外部部分3066的近似劃分由虛線3072指示。)位于外部部分3066上的每個通用信號線部分3080B的端子端通過限定通過中間層的傳導通路(未示出)豎直地對準于并電連接到位于中間層頂表面3050A上的相應接觸墊3080A。類似地，向著內部部分3064而設置的每個通用信號線部分3080B的另一端子端豎直地對準于并電連接到位于中間層頂表面3050A上的線3072附近的通用信號線部分3080C的相應向內端子端。此電連接也是經由限定通過中間層的傳導通路(未示出)來實現。
考慮上述內容，則多個完整的通用信號線傳導途徑由通用信號線部分3080A-3080D來限定。事實上，圖7和8描述了限定在MLP 3030中的三個完整的通用信號線3080，其從MLP的外部部分3066延伸到其內部部分3064。由這些通用信號線3080中的每個限定的傳導信號途徑首先從接觸墊3080A延伸通過限定通過中間層3050的傳導通路到達信號線部分3080B的外部部分端子端。傳導途徑繼續沿著每個信號線部分3080B到另一端子端，在該處傳導途徑經由傳導通路通過中間層3050延伸通過而到達其頂表面3050A，以與最接近于每個相應信號線部分3080C的線3072的端子端互連。然后傳導信號途徑終結于接觸墊3080D，接觸墊3080D放置于中間層頂表面3050A的內部部分3064的邊緣上的每個信號線部分3080C的相鄰端子端。
MLP 3030中的通用信號線3080的多層配置通過釋放用于設置附加互連的其上的空間(否則其將被通用信號線部分的較大部分占據)而最大化了中間層頂表面3050A的使用。這導致可放置在MLP 3030上的傳導途徑的數目的增加(即增加的互連密度)，這由增加了將在頭部組件3020中應用的電子和光電子部件的數目或類型。
由每個通用信號線3080限定的傳導信號途徑實現了用于指定電子和/或光電子部件的電聯系，如這里所描述。(對于傳輸線3070和地信號線3090遵循類似的過程，將在下面進一步地解釋。)當電信號提供到中間層3050的外部部分3066上的接觸墊3080A中的一個時(例如使用撓性電路)，其可以使用如剛才所描述的通用信號線的傳導途徑來無阻礙地行進通過MLP 3030而到達頭部組件3020的密閉圍域3032中的內部部分3064(圖4)。從這里，電信號可以前進到布置在密閉圍域3032中的各種指定電子或光電子部件中的任何一個。在一個實施例中，經由通用信號線3080接收電信號的一個或多個電子和/或光電子部件安裝在基座(如圖4中的基座3033)上，該基座至少間接地放置在散熱塊3034上以相鄰于密閉圍域3032中的MLP 3030的內部部分3064。線接合、楔-楔接合、帶(ribbon)接合、基座跡線和/或其它適當的互連可用來將基座上的電子和/或光電子部件與中間層頂表面3050A上的一個或多個通用信號線接觸墊3080D電連接。以此方式，位于頭部組件3020的密閉圍域3032中的部件和頭部組件3020外部的器件之間的電聯系可經由通用信號線3080實現。
這里注意用于上述實例的基座可與MLP 3030一體形成，或可包括單獨的部件。如果將基座配置為單獨的部件，則將頭部組件3020中的一個基座更換為另一個基座是可能的，從而為TOSA封裝添加了模塊性。
圖8還示出了涉及地信號線3090的部分的各種細節。具體地，兩個地信號線部分3090B位于下層頂表面3060A上且通過傳導通路(未示出)或其它適當的互連與位于中間層頂表面3050A上的地信號接觸墊3090A電互連。地信號線部分3090B占據下層頂表面3060A的基本部分且在圖示的實施例中被對準以直接放置在高速傳輸線3070之下。經過如此的設置，當從地信號線接觸墊3090A被供給適當的地信號時(再次，如經由撓性電路)，地信號線部分3090B用作用于高速傳輸線3070的截切(truncated)地平面，由此使得它們適當地工作。再次看到了MLP 3030的多層配置怎樣通過以有效的方式實現地信號的分布、同時仍保留用于其它類型的傳導途徑的MLP 3030中的空間來加強頭部組件的工作。
如結合通用信號線3080已經在上面描述的，這里討論的傳導途徑3062中的每個，即高速傳輸線3070、通用信號線和地信號線3090使得能夠將電信號提供到位于頭部組件3020的密閉圍域3032(圖4)中的-諸如在圖4中示出的基座3033的-表面上的指定電子和/或光電子部件。傳導途徑3062可經由一個或多個互連來電連接到基座上的對應部件。在一個實施例中，例如，位于MLP 3030的內部部分上的每個高速傳輸線3070的端子端可以經由在基座和傳輸線端子端之間延伸的線接合來與諸如放置在圖4中的基座3033上的激光器3034的激光器電連接。而且，通用信號線3080以已經在上面進一步描述的方式連接到指定的部件。最后，除了為傳輸線3070提供地平面之外，地信號線3090還可以按需要與基座部件互連。
要從頭部組件3020外傳送到MLP 3030的電信號經由諸如撓性電路的適用接口來提供。撓性電路圖案化有電互連，該電互連被配置為與位于中間層頂表面3050A的外部部分3066上的各個傳導途徑3062的接觸點中的每個互補接合。撓性電路進而與位于例如與頭部組件3020一起形成光學收發器模塊的部分的印刷電路板上的對應部件電連接。以此方式，則內部頭部組件部件和外部部件之間的電互連以這樣的方式實現，使得通過頭部組件的密閉圍域的互連的數目和類型兩者以基本上有效的方式增加，由此提高頭部組件的性能。涉及可與本發明的多層平臺的實施例一起采用的示例性撓性電路的進一步細節可在提交于2003年4月9日、名為“FlexibleCircuit for Establishing Electrical Connectivity with Optical Subassembly”的美國申請No.10/409,837中找到，其全部內容通過引用結合于此。
應當注意的是，限定于MLP 3030中的傳導途徑的數目和特定配置可以以多種方式改變以適于其它應用。因此，這里描述的實施例僅為本發明原理的示例且不應認為是以任何方式對本發明的限制。關于這里討論的頭部組件和多層平臺的進一步細節可在提交于2003年7月23日、名為“Multi-layer Ceramic Feedthrough Structure in a Transmitter OpticalSubassembly”的美國申請No.10/625,022中找到，其全部內容通過引用結合于此。
最后，應當理解，例如在一個實施例中，可以將傳導跡線配置為使得它們自身形成諸如集成電阻器或電容器的一個或多個部件。
3.激光監視和控制在描述本發明的實施例時，現在將參考圖9-13，這些實施例指向一種頭部組件，其中包括有多個光電子器件以優化也布置在其中的激光器件的性能。本頭部組件包括如在這里先前描述的多層平臺，其使得能夠在這里有利地采用這些激光監視和控制器件，由此不僅改進容納頭部組件的TOSA，而且也改進其中設置有TOSA的光學收發器模塊的總體工作。
首先參考圖9，其示出了頭部組件3020，頭部組件3020的各種特征已結合圖4-8在先前描述。因此，接著的討論將主要集中于頭部組件3020的某些所選擇的方面。注意在本發明的一個實施例中，頭部組件3020包括用于光學收發器模塊的TOSA(未示出)的晶體管頭部。然而，頭部組件3020不只限于此示例性的實施例。
如所示的，頭部組件3020包括基體3022以及MLP 3030，該MLP密閉地延伸通過基體以限定MLP的內部部分3064和MLP的外部部分3066，如先前所述。還示出了基座3033，其包括頂表面3033A和襯底部分3033B。注意基座3033可以按具體應用所需采取各種形狀、層和其它配置。因此，在圖9中示出的基座配置意圖僅為示例性的，且不對本發明構成限制。
基座3033以相對于其它頭部組件部件的指定取向放置在頭部組件3020中。在此實施例中，基座3033坐落在散熱塊3024的頂部且由此被支持，盡管在其它實施例中可以使用可替換的基座支持設置。如已描述的，在光學收發器的工作期間，可采用散熱塊3024去除由位于基座3033上的光電子部件產生的熱。因此，在此實施例中實現的基座3033和散熱塊3024之間的熱聯系對于控制頭部組件3020中的熱積累是有益的。
基座3033放置在散熱塊3024上以便與MLP 3030電聯系。以此方式，MLP 3030的各個傳導途徑3062可以與位于基座3033的頂表面3033A上的對應傳導途徑3092電連接。基座傳導途徑3092又電連接到位于基座頂表面3033A上的一個或多個光電子部件。以此方式，電信號可以從位于頭部組件3020外的部件傳送到布置在基座3033上的光電子部件。
圖9更詳細地描述了放置在基座3033上的兩個光電子部件，如上面提及的。激光器3034位于基座3033的頂表面3033A上且被取向以發射通過TOSA 3000的透鏡組件3023、隔離器3006和插口3010(圖4)的光信號。靠近激光器3034放置的是光學接收器，其用作用于檢測由激光器3034產生的光信號的部分的裝置。根據本發明，在本實施例中，用于檢測激光器的光信號的裝置包括可被采用以在激光器3034的工作期間檢測其功率水平的監視光電二極管(“MPD”)4000，這在下面進一步地說明。將這樣的光電子部件放置在基座3033上的能力源自可依靠MLP 3030引入到頭部組件3020的密閉圍域3032(圖4)中的相對較大數目的電互連(由傳導途徑3062表示)。
圖9中的激光器3034電連接到基座頂表面3033A的兩個傳導途徑3092A中的每個。類似的，MPD 4000與三個傳導途徑3092B中的兩個電連接。在MPD 4000的情形下，MPD的傳導底部部分直接電連接到基座3033上的傳導途徑3092B之一的端子端，而MPD的傳導頂部部分經由線接合3094電連接到傳導途徑3092B中的另一個的端子端，所述線接合在所述端子端和頂部部分之間延伸。
基座頂表面3033A的傳導途徑3092A和3092B的組中的每個與MLP3030的中間層3050上對應的傳導途徑電聯系。具體而言，傳導途徑3092A(用來對激光器3034供電)中的每個與MLP中間層3050的兩個高速傳輸線3070中的一個電連接。類似地，傳導途徑3092B(至少其中的兩個用來對MPD 4000供電)中的每個與MLP中間層3050上對應的通用信號線3080電連接。如圖9所示，線接合3096用來將傳導途徑3092B與對應通用信號線3080的端子接觸墊3080D連接。當然，可以可替換地采用除線接合之外的連接方案，包括楔-楔接合、帶接合、基座跡線等等。還應當理解，基座3033和MLP 3030兩者的傳導途徑的具體設計可以從這里所圖示的設計而改變，同時仍保持本發明的激光監視和控制的功能性。
現在參考圖10，其圖示了頭部組件3020中的激光器3034和MPD 4000的相對位置。可以看出，激光器3034和MPD 4000兩者都放置在基座3033的端子端附近，對應于MLP 3030的內部部分3064。經過如此的放置，激光器3034可經由TOSA 3000沒有阻礙地發射其光信號以便最終經由光纖線纜(未示出)傳輸。可以看出，MPD 4000還最優地放置在激光器之后以便能夠監視其光信號。然而，注意MPD 4000和激光器3034可以以相對于這里所明確闡述的可替換的位置關系來放置，同時仍遵照本發明的目的。
現在參考圖11，其為頭部組件3020的一部分的特寫視圖，其中為了清晰而去除了線接合。具體而言，圖11描述了關于激光器3034和MPD4000兩者的各種細節以及存在于它們之間的工作關系。這里所描述的激光器3034為邊緣發射激光器件，如分布反饋(“DFB”)激光器。這樣的激光器特征在于它們發射其相干光信號的方式。如圖11所示，激光器3034從激光器的前邊緣或面發射主光信號4002A，而從激光器的背面發射副光信號4002B。
如所提及的，MPD 4000相對于激光器3034放置以便能夠接收由激光器發射的光信號的部分。具體而言，MPD 4000放置在激光器3034之后以便能夠在激光器工作期間接收副光信號4002B的背面發射。如圖11所示，主和副光信號4002A和4002B兩者都沿著輕微發散的光路從激光器3034發射。因而，MPD 4000足夠靠近激光器3034的背面地置位以使得來自副光信號4002B的足夠量的光入射在MPD上。因此，盡管光信號4002A的前面發射最終透射通過TOSA 3000中的各種結構(見圖4)，副光信號4002B的背面發射仍由MPD 4000占主導地吸收。
應當理解，盡管DFB激光器在圖11中的基座3033上示出，還可以根據本發明應用其它類型的激光器件。如已經提及的，例如，還可結合這里所討論的MPD采用諸如EML的激光器件。類似地，MPD 4000僅為光學接收器的一個實例，該光學接收器用作用于檢測可應用于基座3033上的激光器的光信號的裝置，由此使得能夠監視激光器性能。事實上，這里還可以應用包括變化的結構的光學接收器和/或基于與這里所描述的工作原理不同的工作原理的光學接收器。
圖11對于描述MPD 4000的工作是有用的。在TOSA 3000的工作期間，激光器3034從激光器的前面發射以主光信號4002A形式的光以及從激光器的背面發射以副光信號4002B形式的光。圖示的實施例中的MPD4000包括有角度的表面4004且被放置為使得包括副光信號4002B的光入射在該有角度的表面上。然后光被有角度的表面4004折射并導向MPD4000的有源區域4006。結果，可確定激光器3034的功率且可將指示功率水平的信號經由上述的傳導途徑轉交給位于頭部組件3020外的部件。這使得如果需要則能夠連續地監視和改變激光器性能，以優化激光器性能。
現在參考圖12和13，其描述了本發明的另一個實施例。這些圖描述了本發明的另外的方面，其使得能夠在TOSA工作期間對由激光器發射的光信號進行波長監視和控制。結合當前的實施例討論的許多特征再次類似于在前面的實施例中公開的特征。對應地，這里只詳細討論當前的實施例的所選的特征。圖12描述了具有延伸通過基體5022的多層平臺(“MLP”)5030的頭部組件5020。MLP 5030包括多個陶瓷層，多個傳導途徑5062位于這些陶瓷層上。熱電冷卻器(“TEC”)5024也延伸通過基體5022并支持與MLP 5030的上中間層5050相鄰的基座5033。TEC 5024被配置為去除來自頭部組件5020中的熱，具體地，由位于基座5033上的光電子部件產生的熱。然而，注意當前的實施例可利用另一形式的冷卻器件或根本不用冷卻器件來實踐。
基座5033被配置為在頂表面5033A上支持多個部件，這些部件包括激光器5034和用作用于檢測由激光器產生的光信號的部分的裝置的光學接收器。在當前的實施例中，用于檢測光信號的裝置包括波長鎖定器(“WL”)6000，其被設計為在其中設置了頭部組件5020的TOSA(未示出)的工作期間穩定由激光器5034輸出的光信號的波長。就此而言，WL6000包括彼此協力工作的兩個MPD以穩定激光器的光信號，這將在下面進一步地看到。
激光器5034和WL 6000兩者都以類似于結合圖9-11在上面討論的將激光器3034和MPD 4000附著到基座3033的方式電附著到基座5033。在WL 6000的情形下，三個電連接建立在WL和基座5033之間。具體而言，WL 6000的兩個MPD的底部傳導部分都直接連接到傳導途徑5092B的三個端子接觸墊中的一個，而每個MPD的頂部傳導部分經由線接合5094連接到兩個剩余端子接觸墊中的一個。當然，也可以采用WL 6000和基座5033之間的其它連接方案。基座5033的傳導途徑5092B中的每個又使用線接合5096等與位于MLP 5030的上中間層5050上的四個通用信號線4080中的一個電連接。經過如此的連接，WL 6000可被供電且可接收和發送數據信號于位于頭部組件5020外的部件，但經由MLP 5030連接到這些部件。應當理解，通過使每個MPD共用一個用于公共信號的引線，三個連接而不是四個電連接可來用來將WL 6000電連接到基座5033。
現在參考圖13，其描述了涉及WL 6000相對于激光器5034的位置和工作的進一步細節。與前面的實施例相同，WL 6000近似地位于基座5033上的激光器5034之后。激光器5033再次為邊緣發射激光器，如DFB激光器，盡管可以可替換地使用其它激光器類型。與前述一樣，激光器5034產生前和后面光信號發射，其導致來自前面以便于透射通過TOSA的主光信號5002A，以及來自激光器的后面的副光信號5002B。
WL 6000由雙MPD 6002和6004組成，其并排地安裝為單個的單元。每個MPD 6002和6004被放置為接收由激光器的背面發射所產生的副光信號的部分。具體而言，每個MPD 6002和6004被取向為使得副光信號5002B入射在相應MPD的有角度的面6006和6008上。在當前的實施例中，MPD 6002和6004中的一個，在此情形下為MPD 6002，進一步包括依賴于波長的濾光器，其具有根據入射到其上的光的波長而變化的透射性。經過如此的配置，WL 6000能夠監視由激光器5034產生的光信號的波長并且在激光器漂移的情形下方便其調節，在激光器漂移時光信號的波長隨著時間從其理想值變化。這如下面所述而實現。
在TOSA(未示出)的工作期間，激光器5034從用于自TOSA發射的前激光面產生主光信號5002A，并且從背面產生副光信號5002B。來自背激光面的副光信號5002B的部分分別經由有角度面6006和6008由兩個MPD 6002和6004接收。一旦由不濾光的MPD 6004接收，副光信號5002B的相應部分由MPD導向有源區，在這里測量光信號的強度。濾光的MPD6002也接收副光信號5002B的部分，其在被導向到MPD的有源區之前首先通過其中的濾光器。濾光器所透射且允許撞擊MPD 6002的有源區的光量依賴于副光信號5002B的波長。因此，由濾光的MPD 6002測量的光強度將根據副光信號5002B的波長而與不濾光的MPD 6004測量的光強度不同，副光信號5002B在波長上與主光信號5002A相同。將由不濾光的MPD6004測量的與由濾光的MPD 6002測量的副光信號部分5002B的強度相比較，將因此產生可用來確定從激光器5034發射的主光信號5022A的任何波長偏移和/或當前波長。確定此波長的必要的計算可以通過MPD 6002和6004自身來執行，或通過經由MLP 5030與MPD電聯系的位于頭部組件外的部件來執行。
一旦知道主光信號5002A的波長或檢測到波長的偏移，就可以容易地確定是否需要改變工作參數以優化主光信號5002A。例如，通常優選地將主光信號5002A保持于恒定的波長以確保其最優的質量，尤其在某些應用中，諸如當其中設置有TOSA的光學收發器模塊用于密集波分復用(“DWDM”)工作時。DWDM典型地需要波長隨時間恒定的光信號。
如果由于WL 6000的工作而確定需要修改激光器5034的波長，則這樣的修改可以多個方式進行。在當前的實施例中，可采用TEC 5024將熱從頭部組件5020去除或將熱引導到頭部組件5020。如所知的，激光器件由于產生光信號而產生熱。此熱可以隨時間改變由激光產生的光的波長。在圖示的實施例中熱耦合到基座5033的TEC 5024，可以通過吸收已從激光器傳遞到基座的熱量來輔助。然后，由位于頭部組件5020中的TEC 5024的部分吸收的此熱由TEC從頭部組件中傳遞到位于頭部組件外的TEC的外部部分，然后該熱可以在該外部部分耗散。以此方式冷卻基座進而冷卻了激光器5034，由此使得其波長能夠返回到正常值。如所提及的，在可替換的實施例中，如果期望加熱激光器5034，可以采用TEC 5024將熱加給基座5033。關于類似配置的頭部組件中的TEC結構和工作的進一步細節可在提交于2002年8月29日、名為“Header Assembly Having IntegratedCooling Device”的美國申請No.10/231,395中找到，其全部內容通過引用結合于此。
根據本發明，上述的波長鎖定器對于隨時間跟蹤主光信號以確定波長漂移或對于在TOSA工作期間穩定光信號是尤其有用的。另外，因為在至少以上的實施例中波長鎖定器(或MPD)位于同一基座上，所以使得在激光器和波長鎖定器(或MPD)結合到頭部組件的密閉部分中之前測試它們的能力成為可能。與現有的方法相比，這方便了較容易的測試和/或這些部件的替換。最終，這可以提供TOSA制造中的基本的成本節省，尤其在低產量生產運行中，其中故障器件可能相對普遍。
除了上面所公開的TEC及其工作以外，也可以結合上面所公開的波長鎖定器來實踐用于將熱去除或添加于頭部組件部件的其它裝置。因此上面的實例不應意圖如此限制本發明。最后，如果期望用于冗余或任務劃分的目的，則多個MPD或波長鎖定器可以分立地放置在基座上。
總而言之，本發明在TOSA的頭部組件中采用了諸如監視光電二極管和波長鎖定器的激光監視和控制部件以控制激光器件的各種參數。此功能性通過多層平臺而得到促進，該多層平臺形成頭部組件的部分并且提供足夠數目的互連，以使得布置在頭部組件中的激光監視和控制部件能夠電連接到控制以及位于頭部組件之外的其它部件。
本發明可以以其它特定的形式來實施而不背離其精神或本質特征。所描述的實施例應當在所有方面認為是僅為說明性的，而非限定性的。因此，本發明的范圍由所附的權利要求而不是前面的描述來指示。在權利要求的等價物的意義和范圍內的所有變化將被包括在它們的范圍內。
權利要求
1.一種頭部組件，包括基體部分；多層平臺(“MLP”)，其延伸通過所述基體部分以限定內部和外部MLP部分；激光器件，設置為可操作地連接到所述內部MLP部分，所述激光器件能夠產生相干的光信號；以及裝置，用于檢測由所述激光器件產生的所述光信號的部分，所述用于檢測的裝置可操作地連接到所述內部MLP部分。
2.如權利要求1所述的頭部組件，其中所述用于檢測的裝置檢測所述激光器件的功率水平。
3.如權利要求1所述的頭部組件，其中所述用于檢測的裝置監視所述光信號的所述部分以檢測由所述激光器件產生的所述光信號的波長變化。
4.如權利要求1所述的頭部組件，其中所述激光器件和所述用于檢測的裝置位于部件平臺的表面上，所述部件平臺可操作地連接到所述內部MLP部分。
5.如權利要求1所述的頭部組件，其中所述用于檢測的裝置包括監視光電二極管。
6.如權利要求1所述的頭部組件，其中所述用于檢測的裝置包括波長鎖定器。
7.如權利要求1所述的頭部組件，其中所述MLP包括與所述激光器件和所述用于檢測的裝置電連接的多個電傳導途徑。
8.如權利要求1所述的頭部組件，其中所述基體部分進一步包括基體；以及帽，其附著到所述基體以限定一密閉圍域，其中所述內部MLP部分位于所述密閉圍域中。
9.一種光學收發器模塊，包括殼，其包含接收器光學子組件(“ROSA”)和發射器光學子組件(“TOSA”)，所述TOSA包括頭部組件，包括密閉圍域；多層平臺(“MLP”)，其部分地延伸到所述密閉圍域中以限定包含在所述密閉圍域中的內部部分以及外部部分，所述MLP包括由陶瓷材料構成的多個堆疊層，其中至少一個傳導途徑限定在所述堆疊的層中的至少一個上，所述至少一個傳導途徑從所述MLP的內部部分延伸到外部部分；基座，其可操作地附著到所述MLP的部分并位于所述密閉圍域中，所述基座具有其上設置有激光器件的表面，所述激光器件能夠產生光信號；以及至少一個檢測器，其設置在所述基座的所述表面上以接收由所述激光器件產生的所述光信號的部分。
10.如權利要求9所述的光學收發器模塊，其中所述密閉圍域包括基體；以及帽，其與所述基體協作來限定所述密閉圍域。
11.如權利要求10所述的光學收發器模塊，其中所述MLP密閉地延伸通過所述基體。
12.如權利要求9所述的光學收發器模塊，其中所述至少一個檢測器是監視光電二極管。
13.如權利要求9所述的光學收發器模塊，其中所述至少一個檢測器是包括第一和第二監視光電二極管的波長鎖定器。
14.如權利要求13所述的光學收發器模塊，其中所述第一監視光電二極管包括依賴于波長的濾光器。
15.如權利要求9所述的光學收發器模塊，其中所述MLP的所述至少一個傳導途徑包括兩個傳導途徑，其與位于所述基座上的傳導途徑協作以與所述激光器件和所述至少一個檢測器電連接。
16.如權利要求15所述的光學收發器模塊，其中所述至少一個檢測器通過線接合電連接到所述基座的所述傳導途徑之一。
17.一種用于光學收發器模塊中的頭部組件，包括密閉圍域，其由金屬基體和機械附著到所述基體的帽形成；多層平臺(“MLP”)，其密閉地延伸通過所述基體以限定由所述密閉圍域包圍的內部部分以及位于所述密閉圍域外的外部部分，所述MLP包括上絕緣層；中間層，其具有頂和底表面，所述中間層在其頂表面上具有多個傳導特征；下層，其具有頂和底表面，所述下層在其頂表面上具有多個傳導特征；以及基座，位于所述密閉圍域內，包括激光器件，位于所述基座的安裝表面上，所述激光器件電連接到所述MLP的所述傳導特征中的至少一個；以及至少一個監視光電二極管，位于所述基座的所述安裝表面上，所述至少一個監視光電二極管電連接到所述MLP的所述傳導特征中的至少一個并且放置成截取由所述激光器件發射的光信號的至少一部分。
18.如權利要求17所述的頭部組件，其中所述MLP的所述中間層的所述傳導特征包括至少一個傳導傳輸線，其從所述MLP的所述外部部分延伸到所述內部部分；至少一個傳導地信號線接觸墊，其位于所述外部部分上；至少一個傳導中間層通用信號線接觸墊，其位于所述外部部分上；以及至少一個傳導中間層通用信號線部分，所述至少一個通用信號線部分終結于所述內部部分上的接觸墊。
19.如權利要求18所述的頭部組件，其中所述激光器件電連接到所述MLP的所述中間層的兩個傳輸線。
20.如權利要求19所述的頭部組件，其中所述至少一個監視光電二極管電連接到所述MLP的兩個中間層通用信號線部分。
21.如權利要求20所述的頭部組件，其中所述MLP的所述下層的所述傳導特征包括至少一個傳導地信號線部分，其通過至少一個傳導通路電連接到所述至少一個地信號線接觸墊，所述至少一個地信號線部分與所述中間層上的所述至少一個傳輸線對準；以及至少一個下層通用信號線部分，其通過傳導通路電連接到所述至少一個中間層通用信號線部分，所述至少一個下層通用信號線部分還通過傳導通路電連接到所述至少一個中間層通用信號線接觸墊。
22.如權利要求21所述的頭部組件，其中所述基座靠近所述密閉圍域內的所述MLP的所述內部部分而設置。
全文摘要
一種改進的用于發射器光學子組件(TOSA 3000)的頭部組件(3020)中的激光器(3034)的監視和控制系統。包括一個或多個監視光電二極管(MPD 4000)的所述系統與所述激光器一起放置在部件基座(3033)上。所述基座又與形成所述頭部組件的部分的多層平臺(MLP 3030)配合。所述MLP密閉地延伸通過所述頭部組件以提供用于所述激光器、一個或多個MPD和其它基座部件的多個電互連。
文檔編號H01S5/024GK1846466SQ200480025301
公開日2006年10月11日 申請日期2004年8月25日 優先權日2003年9月4日
發明者斯特凡諾·施亞菲諾, 喬治·賈雷塔, 帕特里克·烏諾爾德, 米納·法爾 申請人:菲尼薩公司