CN115087191A - 高带宽的eml基板 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种高带宽的EML基板，包括PCB板、CUW基板、ALN基板；其中，所述PCB板处理高速数字信号；所述ALN基板具有正反两面，其中，所述ALN基板的正面上设置有处理高速模拟信号的电路；所述ALN基板的背面的一侧在厚度方向上具有台阶状凹陷，该台阶状凹陷中设置EML芯片，该台阶状凹陷的深度大于EML芯片的厚度，使得EML芯片以金锡焊球方式焊接至该台阶状凹陷中时，EML芯片不露出所述ALN基板的背面；ALN基板的背面的非台阶状凹陷部分与CUW基板以有利于热传导的方式贴合在一起；CUW基板与PCB板相连接，使得ALN基板与PCB板相互间不直接接触。本发明可以使EML基板的高速链路的‑3dB带宽由现有的40GHz优化到大于70GHz。

Description

高带宽的EML基板
技术领域
本发明涉及光纤通信中的光电转换器件，属于光通信技术领域，具体涉及一种高带宽的EML(Electroabsorption Modulated Laser，电吸收调制激光器)基板结构。尤其涉及一种-3dB带宽大于70GHz的高带宽的EML基板，适用于下一代单波200G的光模块的高速链路需求。
背景技术
近年来，云计算、数据中心的不断发展对短距离宽带传输的需求越来越大。5G通信的换代及通信架构的改变即将引起大数据爆发，要求数据中心光模块的速率越来越高，光模块单通道速率从10Gb/s发展到今天的100Gb/s和未来的200Gb/s，对光模块高速链路的带宽需求也越来越高。在短距离应用中，虽然直接调制激光器(DML)具有低成本、低功耗的优势，但其调制带宽和传输距离受到张弛振荡频率和频率啁啾的限制。电吸收调制激光器(EML)与DML相比在啁啾效应、消光比、眼图、抖动、传输距离等性能方面具有优势，可以实现更高速率和更远距离的传输。
EML由分布式反馈(DFB)激光器和电吸收(EA)调制器单片集成，DFB激光器部分采用多量子阱有源区提供增益，并利用光栅实现对激射波长的选择，以保证单模工作；EA调制器利用量子阱材料在外加电场下的量子限制Stark效应(QCSE)实现对激光器输出光的强度调制。
但是现有技术中EML基板的技术方案将驱动电路、高频耦合电容、高速bias-T电路置于PCB板上，将EML芯片置通过银胶粘接于ALN(氮化铝)基板上，将ALN基板置于CUW(铜钨)基板上面，CUW基板与PCB通过黑胶粘接。PCB和EML基板通过金线WB1进行连接，ALN基板上EML阻抗匹配电容和电阻通过金线WB2与EML芯片进行连接。在这种技术方案中，PCB上的元部件与ALN基板上的元部件分布分散，PCB板材高速损耗大，PCB板上部分高速走线插损大、影响带宽；并且连接PCB、ALN基板、EML芯片的WB焊盘和WB金线具有等效电感，成为了限制链路进行高速传输的瓶颈，综上导致当前高速链路方案带宽做到40GHz已经很吃力，提升空间有限，无法满足下一代单波200G光模块的-3dB带宽大于70GHz的性能需求。
具体地，当目前100G光模块采用PAM4调制方式时要求其高速链路的-3dB带宽控制在40GHz以内；当单通道的速率提高到100Gb/s，即光模块的单波传输速率达到200G，以满足4通道800G和8通道1.6T的光模块传输需求时，其高速链路的-3dB带宽需求在70GHz左右，目前高速链路连接方案将无法满足这种高带宽需求，需要新技术突破。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高带宽的EML基板，包括PCB板、CUW基板、ALN基板；其中，ALN基板设置于CUW基板上，CUW基板与PCB板相连接，使得ALN基板与PCB板相互间不直接接触；所述PCB板处理高速数字信号；所述ALN基板具有正反两面，其中，所述ALN基板的正面上设置有处理高速模拟信号的电路；所述ALN基板的背面的一侧在厚度方向上具有凹陷，该凹陷中设置EML芯片，该凹陷的深度大于EML芯片的厚度，使得EML芯片以金锡焊球方式焊接至该凹陷中时，所述EML芯片不露出所述ALN基板的背面；所述EML芯片通过金线过孔电连接至所述ALN基板的正面；ALN基板的背面的非台阶状凹陷部分与CUW基板以有利于热传导的方式贴合在一起。
在上述技术方案中，所述ALN基板为氮化铝基板，所述CUW基板为铜钨基板。
在上述技术方案中，所述ALN基板通过银胶粘接于所述CUW基板上；所述CUW基板与所述PCB板通过黑胶连接。
在上述技术方案中，所述ALN基板背面设置所述EML芯片的凹陷为台阶状凹陷；所述EML芯片设置于所述ALN基板背面的台阶状凹陷与所述CUW基板的围合空间内，所述EML芯片与所述围合空间之间的间隙填充有导热银胶。
在上述技术方案中，所述PCB板上设置有ODSP电路，ODSP电路包括光DSP芯片。
在上述技术方案中，所述ALN基板的正面设置的处理高速模拟信号的电路包括高频耦合电容、阻抗匹配电阻、耦合电容、驱动电路、偏置T电路。
在上述技术方案中，所述ODSP电路通过连接线将电信号连接至所述ALN基板正面，连接驱动电路的发送数据引脚TD+和TD-，驱动电路的输出通过高频耦合电容连接至过孔，高频耦合电容的两端分别通过偏置T电路接连至电源正压VCC和负压VEE。
在上述技术方案中，所述ALN基板的正面的高频驱动信号、电源地GND、激光器偏置信号分别通过过孔引至ALN基板的背面，并通过对应焊球连接至所述EML芯片。
在上述技术方案中，连接至VCC的偏置T电路包括将电阻和低频电感相并联后与高频磁珠串联。
在上述技术方案中，连接至VEE的偏置T电路包括将电阻和低频电感相并联后与高频磁珠串联。
本发明取得了以下技术效果：
1、本发明将现有技术中导致带宽限制的金线连接EML芯片的工艺替换为高速焊球，消除了金线连接导致的导线电感效应的影响，增大基板带宽；
2、本发明将现有技术中布设在PCB板上的处理高频模拟信号的高速器件迁移到ALN基板上，使各个高速器件之间的距离缩短，减小插损；
3、本发明将现有技术中的PCB板上的高速走线替换为ALN基板上的高速走线，由于ALN基板上的高速走线的插损远远小于PCB板上的走线，从而进一步提高高速带宽。
附图说明
图1为本发明的高带宽的EML基板结构的俯视图；
图2为本发明的高带宽的EML基板结构的侧视图。
图中标记：10-PCB板，20-CUW基板，30-ALN基板，40-bias-T电路，50-EML芯片，11-ODSP电路，12-连接线，31-高频耦合电容，32-阻抗匹配电阻，33-耦合电容，34-驱动电路，35-过孔，41-电阻，42-低频电容，43-高频磁珠，44-电阻，45-低频电容，46-高频磁珠，51-焊球，52-电源GND焊球，53-激光器偏置信号焊球，54-银胶。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。
为了使光模块的EML基板的高速链路的-3dB带宽由当前的40GHz优化到大于70GHz，使光模块的单波传输速率可以达到200G，以满足4通道800G和8通道1.6T的光模块传输需求，本发明提供了一种高带宽的EML基板，如图1-2所示，其包括PCB板10、CUW基板20、ALN基板30，其中ALN基板30通过银胶粘接于CUW基板20上面，CUW基板20与PCB板10通过黑胶连接，使得ALN基板30与PCB板10相互间不直接接触。
ALN基板30具有正反两面，其中，ALN基板30的正面上设置有高频耦合电容31、阻抗匹配电阻32、耦合电容33、驱动电路34、bias-T电路40，ALN基板30的背面的一侧在厚度方向上具有台阶状凹陷，EML芯片50设置该台阶状凹陷中，该台阶状凹陷的深度大于EML芯片50的厚度，使得EML芯片50以金锡焊球方式焊接至该台阶状凹陷中时，EML芯片50不露出ALN基板30的背面，优选地，EML芯片50的顶部与ALN基板30的背面之间间隔一定距离；ALN基板30的背面的非台阶状凹陷部分与CUW基板20以有利于热传导的方式贴合在一起。优选地，根据图1所示，从俯视方向来看，CUW基板20的面积大于ALN基板30的面积；即，在ALN基板30贴合至CUW基板20之后，从俯视方向上看，CUW基板20从ALN基板30的四周方向上均有一定的延伸突出部；根据图2所示，EML芯片50设置于ALN基板30背面的台阶状凹陷与CUW基板20的围合空间内，优选地，EML芯片50与CUW基板20之间采用导热银胶54进行填充。
PCB板10上设置有ODSP电路11，ODSP电路11为光DSP电路，包括光DSP芯片。ODSP电路11通过连接线12将电信号连接至ALN基板30正面，连接线12连接的电信号至少包括TD+信号、TD-信号、GND和激光器偏置(Laser Bias)信号，优选地连接驱动电路34的发送数据引脚TD+和TD-的信号线两侧分别还对应设置有信号地线GND或电源地线GND，驱动电路34的输出通过高频耦合电容31连接至过孔35，高频耦合电容31的两端分别通过bias-T电路40(即偏置T电路)接连至电源正压VCC和负压VEE，连接至VCC的bias-T电路40包括将电阻41和低频电感42相并联后与高频磁珠43串联，连接至VEE的bias-T电路40包括将电阻44和低频电感45相并联后与高频磁珠46串联。过孔35还通过电阻32和耦合电容33连接至电源地GND从而将ALN基板30正面的电源地GND引至ALN基板30背面的EML芯片50，过孔35还将ALN基板30背面的EML芯片50与ALN基板30正面的高频耦合电容32进行电信号连接；可选择的通过三个过孔35分别将高频驱动信号、电源地GND、激光器偏置(Laser Bias)信号分别从ALN基板30的正面引至ALN基板30背面，并分别通过焊球51、电源GND焊球52、激光器偏置信号焊球53连接至EML芯片50。
由此可知，PCB板10及其上的电子器件主要用于高速数字信号的处理，ALN基板30为氮化铝基板，CUW基板20为铜钨基板。ALN基板30上的电子器件主要用于高速模拟信号的处理和光电转换，ALN基板30本身还起到热沉的作用，CUW基板20主要起到支撑散热的作用。
本发明通过上述技术方案，将处理高频模拟信号部分的元器件(例如高频耦合电容31、阻抗匹配电阻32、耦合电容33、驱动电路34、bias-T电路40、EML芯片50)布置于ALN基板30上，各个高频元器件通过ALN基板30上的高速走线连接。ALN基板30相对于CUW基板20形成为倒扣的台阶形状，高速走线从ALN基板30正面通过一个或多个金线穿孔35连接至ALN基板30背面台阶凹陷处形成金锡焊球51、电源GND焊球52、激光器偏置信号焊球53。EML芯片50倒焊接在台阶下面，EML芯片50工作所需的高速射频链路、电源GND、激光器偏置信号通过金锡焊球51、电源GND焊球52、激光器偏置信号焊球53与ALN基板30连接。由此本发明具有如下技术效果：
1、将现有技术中导致带宽限制的金线连接(WB)EML芯片的工艺替换为高速焊球，消除了金线连接导致的导线电感效应的影响，增大基板带宽；
2、将现有技术中布设在PCB板上的处理高频模拟信号的高速器件迁移到ALN基板上，使各个高速器件之间的距离缩短，减小插损；
3、将现有技术中的PCB板上的高速走线替换为ALN基板上的高速走线，由于ALN基板上的高速走线的插损远远小于PCB板上的走线，从而进一步提高高速带宽。
由此，本发明可以使EML基板的高速链路的-3dB带宽由现有的40GHz优化到大于70GHz，使光模块的单波传输速率可以达到200G，以满足4通道800G和8通道1.6T的光模块传输需求。
本领域技术人员应理解，在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高带宽的EML基板，包括PCB板、CUW基板、ALN基板；其中，ALN基板设置于CUW基板上，CUW基板与PCB板相连接，使得ALN基板与PCB板相互间不直接接触；其特征在于：
所述PCB板处理高速数字信号；
所述ALN基板具有正反两面，其中，所述ALN基板的正面上设置有处理高速模拟信号的电路；所述ALN基板的背面的一侧在厚度方向上具有凹陷，该凹陷中设置EML芯片，该凹陷的深度大于EML芯片的厚度，使得EML芯片以金锡焊球方式焊接至该凹陷中时，所述EML芯片不露出所述ALN基板的背面；所述EML芯片通过金线过孔电连接至所述ALN基板的正面；ALN基板的背面的非台阶状凹陷部分与CUW基板以有利于热传导的方式贴合在一起。
2.如权利要求1所述的高带宽的EML基板，其特征在于：所述ALN基板为氮化铝基板，所述CUW基板为铜钨基板。
3.如权利要求2所述的高带宽的EML基板，其特征在于：所述ALN基板通过银胶粘接于所述CUW基板上；所述CUW基板与所述PCB板通过黑胶连接。
4.如权利要求3所述的高带宽的EML基板，其特征在于：所述ALN基板背面设置所述EML芯片的凹陷为台阶状凹陷；所述EML芯片设置于所述ALN基板背面的台阶状凹陷与所述CUW基板的围合空间内，所述EML芯片与所述围合空间之间的间隙填充有导热银胶。
5.如权利要求1所述的高带宽的EML基板，其特征在于：所述PCB板上设置有ODSP电路，ODSP电路包括光DSP芯片。
6.如权利要求5所述的高带宽的EML基板，其特征在于：所述ALN基板的正面设置的处理高速模拟信号的电路包括高频耦合电容、阻抗匹配电阻、耦合电容、驱动电路、偏置T电路。
7.如权利要求6所述的高带宽的EML基板，其特征在于：所述ODSP电路通过连接线将电信号连接至所述ALN基板正面，连接驱动电路的发送数据引脚TD+和TD-，驱动电路的输出通过高频耦合电容连接至过孔，高频耦合电容的两端分别通过偏置T电路接连至电源正压VCC和负压VEE。
8.如权利要求7所述的高带宽的EML基板，其特征在于：所述ALN基板的正面的高频驱动信号、电源地GND、激光器偏置信号分别通过过孔引至ALN基板的背面，并通过对应焊球连接至所述EML芯片。
9.如权利要求8所述的高带宽的EML基板，其特征在于：连接至VCC的偏置T电路包括将电阻和低频电感相并联后与高频磁珠串联。
10.如权利要求8所述的高带宽的EML基板，其特征在于：连接至VEE的偏置T电路包括将电阻和低频电感相并联后与高频磁珠串联。
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