CN105518949A - 用于光发射器系统的提高效率的加热激光器封装 - Google Patents

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Abstract

一种加热激光器封装通常包括位于单个激光器封装中的激光二极管、加热电阻器和晶体管。加热电阻器和晶体管形成加热电路，且位于与激光二极管邻接的载体上。晶体管用以控制至加热电阻器的驱动电流，以及晶体管产生的任意额外容量有助于加热激光二极管，由此增加系统的热效率。加热激光器封装可用于温控多信道模块光发射次模块中，光发射次模块可用于多信道光收发器中。光收发器用于波分复用光学系统例如波分复用无源光网络中的光线路终端中。

Description

用于光发射器系统的提高效率的加热激光器封装
技术领域
本揭露关于光发射器，尤其是一种具有提高效率的加热激光器封装，用于提供热控制的多信道光发射次组件(transmitteropticalsubassembly；TOSA)中。
背景技术
光通讯网络一度通常是“点对点”类型的网络，包括通过光纤连接的发射器和接收器。这种网络相对容易构造，但配备许多光纤来连接多个用户。随着与此网络连接的用户数目增加以及光纤数迅速增加，配备和管理许多光纤则变得复杂且昂贵。
通过使用从网络的发送端例如光线路终端(OpticalLineTerminal，OLT)到远达20公里或以上的远程分支点的单个“主干(trunk)”光纤，无源光网络(PassiveOpticalNetwork，PON)解决了这个问题。开发这种无源光网络的一个挑战是有效利用主干光纤的容量，从而在主干光纤上传送最大可能量的信息。使用波分复用(WavelengthDivisionMultiplexing，WDM)在不同波长上将不同的光信号多路复用，光纤通讯网络可增加在单个光纤上载送的信息量。举例来说，波分复用型的无源光网络(WDM-PON)中，单个主干光纤将多信道波长的光信号载送至光分支点，以及载送来自光分支点的多信道波长的光信号。通过引导到个体用户或者来自个体用户的不同波长的信号，分支点提供简单的路由功能。在这种情况下，每个用户被分配在其上发送和/或接收数据的一个或多个信道波长。
为了在多信道波长上发送与接收光信号，波分复用型的无源光网络中的光线路终端包括多信道光发射次模块和多信道光接收次模块(ReceiverOpticalSubassembly，ROSA)。光发射次模块的一个例子包括光耦合于阵列波导光栅(ArrayedWaveguideGrating，AWG)的激光器的阵列，以组合多信道波长的多个光信号。为了提供不同的信道波长，多信道光发射次模块中使用可调谐激光器，以及可调谐激光器发出的波长随着温度的变化而变化。波分复用型无源光网络中，所期望的波长准确度或精度往往取决于信道波长的数量和间距，并且可通过控制温度而在光发射次模块中被控制。举例来说，在100G的密集波分复用(DWDM)系统中，温度需要控制在±0.5℃以内以保持±0.5纳米的波长精度，以及温度范围需要大于4℃以提供期望的激光二极管的波长产量。
这种光线路终端收发器组件的一个挑战是，在相对小的空间中并且利用相对低的功耗对激光器的阵列提供充分温度控制。激光器阵列中控制个体激光二极管的温度的一种方式是针对各个激光二极管的每一个使用单独的温控装置，例如热电致冷器(TEC)和温度监测器(例如，热敏电阻)，以在监测温度的基础上针对每一激光器提供闭环的温度控制。举例来说，为了支持光发射次模块中的16个信道，将需要16个热电致冷器、16个热敏电阻、用于热敏电阻的32个端口，以及用于控制这些元件的每一个的电路。这种闭环系统需要更复杂的电路设计和更高的成本，不适合用于较小外形因数的光线路终端收发器组件内。用于热调谐激光器的加热和温度控制的另一挑战是在光线路终端组件的功率预算内操作。
发明内容
附图说明
通过阅读以下具体实施方式以及结合图式，将更好地理解这些和其它特征和优点，其中：
图1为符合本揭露实施例的包括至少一个多信道光收发器的波分复用无源光网络的功能方块图。
图2为符合本揭露实施例的包括温控多信道光发射次模块的多信道光收发器的分解示意图。
图3为图2所示的多信道光收发器内部的俯视示意图。
图4为温控多信道光发射次模块的一个实施例的端部透视图。
图5为图4所示的温控多信道光发射次模块的侧面透视图。
图6为用于温控多信道光发射次模块中的加热激光器封装的一个实施例的俯视示意图。
图7为符合本揭露实施例的温控多信道光发射次模块的示意图。
图7A为温控多信道光发射次模块中每一激光器的波长随温度变化的图表。
图8为符合本揭露实施例的用于加热激光器封装的局部温度控制电路的方块图。
图9为符合本揭露的另一代表性实施例之操作流程图。
具体实施方式
符合本文所述实施例的加热激光器封装通常包括位于单个激光器封装中的激光二极管、加热电阻器和晶体管。加热电阻器和晶体管形成加热电路，且位于与激光二极管邻接的载体(submount)上。晶体管用以控制至加热电阻器的驱动电流，以及晶体管产生的任意额外容量有助于加热激光二极管，由此增加系统的热效率。
加热激光器封装用于温控多信道光发射次模块，光发射次模块可用于多信道光收发器中。温控多信道光发射次模块通常包括激光器阵列，其光耦合于光复用器以组合不同信道波长的多个光信号。光复用器例如为阵列波导光栅。通过对激光器阵列器建立整体温度，并且单独升高个体激光器的局部温度，激光器被热调谐至信道波长。温控装置例如与激光器阵列耦合的热电致冷器可提供整体温度。个体加热器例如与各个激光器相邻的电阻器和晶体管可提供局部温度。光收发器可用于波分复用型的光学系统中，例如波分复用型无源光网络中的光线路终端中。
本文所使用的“激光器封装”指与其他部件例如载体、监测器光二极管、热屏蔽件和/或光学器件封装的激光二极管。本文所使用的术语“信道波长”指与光信道相关的波长，以及包括中心波长周边的特定波段。一个例子中，信道波长可以由国际电信联盟(InternationalTelecommunicationUnion，ITU)标准例如国际电信联盟远程通信标准化组织的密集波分复用(densewavelengthdivisionmultiplexinggrid；DWDM)网格定义。本文所使用的术语“调谐至信道波长”指调整激光器输出，这样发射的激光包括此信道波长。本文使用的术语“耦合”指任何连接、耦合、链接等，以及“光耦合”指耦合这样从一个元件发出的光线被给予另一元件。这种“耦合”装置并非必须彼此直接连接，以及可通过操纵或修改这种信号的中间部件或装置被分离。本文使用的术语“热耦合”指两个部件之间的直接或间接连接或接触，而导致热量从一个部件被传导到另一部件。本文使用的术语“热隔离”指使得来自外界的热能避免被传导至被隔离的部件的一种配置。举个例子，热隔离的多信道光发射次模块中，避免光发射次模块外部的热量被传导至光发射次模块中的一或多个部件。本文使用的术语“热屏蔽”指避免热量通过对流或辐射被传递至被屏蔽的部件的一种配置。热隔离和热屏蔽并非需要避免传导或传递所有热量的一种配置。
请参照图1，图中表示且描述了符合本揭露实施例之波分复用型无源光网络100，包括一或多个多信道光收发器102a和102b。波分复用型无源光网络100使用波分复用系统提供一种点对多点的光网络架构。依照波分复用型无源光网络100的一个实施例，至少一个光线路终端110经由光纤、波导和/或路径114、115-1至115-n耦合于多个光网络终端(ONTs)或光网络单元(ONUs)112-1至112-n。虽然图示的实施例中，光线路终端110包括两个多信道光收发器102a和102b，但是光线路终端110可包括一或多个多信道光收发器。
光线路终端110可位于波分复用型无源光网络100的中心局(CentralOffice)，以及光网络单元112-1至112-n可位于家庭、商业或其他类型的用户位置或经营场所。分支点113(例如，远程节点)将主干光路径114耦合于分离的光学路径115-1至115-n，以耦合于各个用户位置的光网络单元112-1至112-n。分支点113包括一或多个无源耦合装置，例如光分路器(splitter)或是光复用器/解复用器。在一个例子中，光网络单元112-1至112-n位于距离光线路终端110约20公里或不足20公里的位置。
波分复用型无源光网络100还可包括额外的节点或网络装置，例如以太网无源光网络(EPON)或吉比特无源光网络(GPON)节点或装置，其耦合于分支点113与不同位置或经营场所的光网络单元112-1至112-n之间。波分复用型无源光网络100的一种应用是提供光纤到屋(FiberToTheHome，FTTH)或者光纤入户(FiberToThePremises，FTTP)，能够透过通用平台传递音频、数据和/或视频服务。在这种应用中，中心局可耦合于提供这些音频、数据和/或视频的一或多个源或网络。
在波分复用型无源光网络100当中，不同的光网络单元112-1至112-n可以被分配不同的信道波长以用于发送或接收光信号。一个实施例中，波分复用型无源光网络100利用不同波段传输相对光线路终端110的下行(downstream)和上行(upstream)光信号，以避免同一光纤上的接收信号与背面反射传输信号之间的干扰。举个例子，L波段(例如，约1565至1625纳米)可用于来自光线路终端110的下行传输，以及C波段(约1530至1565纳米)可用于到光线路终端110的上行传输。上行和/或下行信道波长通常符合国际电信联盟网格(ITUgrid)。在一个例子中，上行波长被分配100GHz的国际电信联盟网格，以及下行波长相对100GHz国际电信联盟网格略有偏移。
由此，光网络单元112-1至112-n可在L波段内和C波段内被分配不同的信道波长。位于光网络单元112-1至112-n内的收发器或接收器可用以接收L波段的至少一个信道波长上(例如，λL1、λL2、……λLn)的光信号。位于光网络单元112-1至112-n内的收发器或发射器可在C波段的至少一个信道波长(例如，λC1、λC2、……λCn)上发送光信号。其它波长和波段也属于本文所述的系统和方法的范围内。
分支点113可将来自光线路终端110的下行的波分复用光信号(例如，λL1、λL2、……λLn)解复用，以将单独的信道波长发送到各个光网络单元112-1至112-n。可选地，分支点113可提供下行的WDM光信号到每一光网络单元112-1至112-n，以及每一光网络单元112-1至112-n分离并处理所分配的光信道波长。各个光信号可被加密，以避免在未分配给特定光网络单元的光信道上的窃听。分支点113还将来自光网络单元112-1至112-n的上行光信号组合或复用，作为上行的WDM光信号(例如，λC1、λC2、……λCn)通过主干光路径114传输至光线路终端110。
光网络单元112-1的一个实施例包括激光器116和光检测器118。激光器116例如是激光二极管，用于发送所分配的上行信道波长(λC1)的光信号。光检测器118例如是光电二极管，用于接收所分配的下行信道波长(λL1)的光信号。激光器116可包括可调谐激光器，被调谐为指定的信道波长，更特别地，可被提供为能够如本文所述热调谐激光器的加热激光器封装。本实施例的光网络单元112-1还包括双工器(diplexer)117以及C+L波段滤波器119。双工器117耦合于激光器116和光检测器118。C+L波段滤波器119耦合于双工器117，允许光网络单元112-1接收L波段的信道波长(λL1)以及光网络单元112-1发送C波段的信道波长(λC1)。
光线路终端110可产生不同信道波长(例如，λL1、λL2、……λLn)的多个光信号，并且将这些光信号组合为在主干光纤或路径114上载送的下行WDM光信号。光线路终端的多信道光收发器102a和102b每一个可包括多信道光发射次模块120，用于产生和组合多个信道波长的光信号。光线路终端110还可用于将在主干路径114上载送的上行WDM光信号分离为不同信道波长(例如，λC1、λC2、……λCn)的光信号，以及接收分离的光信号。光线路终端的多信道光收发器102a和102b的每一个由此可包括多信道光接收次模块130，用于分离和接收多个信道波长的光信号。
一个实施例的多信道光发射次模块120包括激光器122的阵列，通过各自的射频(RF)数据信号(TX_D1到TX_Dm)进行调制以产生各自的光信号，其中激光器例如为激光二极管。使用包括外部调制和直接调制的多种调制技术调制激光器122。光复用器(opticalmultiplexer)124例如阵列波导光栅，将各自不同的下行信道波长(例如，λL1、λL2、……λLn)的光信号组合。光发射次模块120可包括温控系统，用于控制激光器122和复用器124的温度，以维持所期望的波长精度或准确度。下文更加详细地描述，基于与激光二极管相关的校准数据和/或响应监测的波长，提高个体激光器122的局部温度超过整体温度，激光器122可被提供为加热激光器封装以及被调谐至信道波长。下文更加详细地描述，激光器可被热隔离和/或热屏蔽以便于温度控制。
一些实施例中，激光器122可以是可调谐激光器，产生各个信道波长的光信号。其他实施例中，激光器122可产生信道波长的波段上的光信号，以及使用滤波和/或多路复用技术以生成分配的信道波长。美国专利申请号13/543,310(美国专利申请公开号2013-0016971)、美国专利申请号13/357,130(美国专利申请公开号2013-0016977)和美国专利申请号13/595,505(美国专利申请公开号______________)更加详细地揭露了包括激光器阵列和阵列波导光栅的光发射器的例子，上述资料皆被并入成为本文的一部分。所示实施例中，光线路终端110进一步包括复用器104，用于将来自多信道收发器102a的多信道光发射次模块120的多路复用光信号与来自另一多信道收发器102b的多信道光发射次模块的多路复用光信号加以多路复用，以生成下行集合的WDM光信号。
一个实施例的多信道光接收次模块130包括解复用器132，用于分离各个上行的信道波长(例如，λC1、λC2、……λCn)。光检测器134例如光二极管的阵列，用于检测各个分离的上行信道波长的光信号，以及提供接收的数据讯号(RX_D1至RX_Dm)。所示实施例中，光线路终端110进一步包括解复用器106，用于将上行的WDM光信号解复用为第一和第二WDM光信号，第一和第二WDM光信号被提供到每一光收发器102a和102b中的各个多信道光接收次模块。光线路终端110还包括双工器(diplexer)108，介于主干路径114和复用器104及解复用器106之间，这样主干路径114载送上行和下行的信道波长。光收发器102a和102b还包括其它部件，例如激光驱动器，跨阻放大器(TransimpedanceAmplifiers，TIA)和控制接口，用于发送和接收光信号。
一个例子中，每个多信道光收发器102a及102b用于发送和接收16个信道，这样波分复用型无源光网络100支持32个下行L波段信道波长和32个上行C波段信道波长。一个例子的波分复用型无源光网络100还可以操作于1.25G波特(baud)的开关键控(on-offkeying)作为调制方案。也可以使用其他的数据速率和调制方案。
如上所述，上行和下行的信道波长可以跨越100GHz国际电信联盟网格上的信道波长的范围。举个例子，每个光收发器102a和102b覆盖光发射次模块的L波段的16个信道波长以及光接收次模块的C波段的16个信道波长，这样光收发器102a和102b一起覆盖32个信道。因此，复用器104可将一个光收发器102a的16个信道和另一光收发器102b的16个信道组合，以及解复用器106可将32个信道的WDM光信号分离成二组16个信道的WDM光信号。为了便于使用复用器104和解复用器106，信道波长的范围可以跳过范围中部的信道(例如，2个信道)。根据波分复用型无源光网络100中使用的多信道光收发器的一个例子，期望的波长精度或准确度为±0.05纳米，以及期望的操作温度介于-5和70℃之间。
请参照图2和图3，图中更加详细地表示且描述了包括温控多信道光发射次模块220的多信道光收发器模块202的一个实施例。如上所述，多个多信道收发器模块可用于波分复用型无源光网络100的光线路终端中以覆盖期望的信道范围。因此，收发器模块202以及收发器模块202内的多信道光发射次模块220可被设计成具有施加空间限制的相对小的形状因数。多信道光收发器模块202通常在一端204提供光输入和输出以及在另一端206提供电输入和输出。收发器模块202包括收发器外壳210、多信道光接收次模块230和双光纤式直接链路适配器(directlinkadapter)250。收发器外壳210容纳被热隔离的多信道光发射次模块220。双光纤式直接链路适配器250直接链接到光发射次模块220与光接收次模块230以提供光输入和输出。
双光纤式直接链路适配器250利用各自的光纤222及232耦合于光发射次模块220及光接收次模块230，以提供适配器250和光发射次模块220及光接收次模块230之间的直接链路。双光纤式直接链路适配器250亦用于接收可插拔的光连接器例如LC连接器(未绘示)，以将光发射次模块220和光接收次模块230分别连接于光纤缆线(未绘示)。当可插拔光连接器插到双光纤式直接链路适配器250内时，适配器250建立光纤缆线中光发射次模块220与光接收次模块230和各光纤之间的光耦合，以载送光信号给收发器或载送来自收发器的信号。
温控多信道光发射次模块220包括激光器阵列(图2和图3中未绘示)，其光耦合于阵列波导光栅225。以下将更加详细描述温控系统控制个体激光器的温度，以提供具有期望精度或准确度的期望波长。一个例子中，在-5与70℃之间的操作范围中，每个激光器的温度被维持±0.5℃以内，以维持大约±0.05纳米的波长精度或准确度以内。通过个别升高每个激光器的局部温度超过整体温度，以及根据与激光二极管相关的校准数据和响应所监测的激光器相关的波长来调整局部温度，温控系统可控制温度。
收发器模块202还包括一或多个印刷电路板208，其耦合于光发射次模块220和/或光接收次模块230。印刷电路板208可包括电路和电子部件，例如激光驱动器、跨阻放大器、控制接口以及温控电路。光发射次模块202耦合于导线224以载送电信号，此电信号包括待被光发射次模块220传送的数据。光接收次模块230耦合于导线234以载送包括由光接收次模块230所接收的数据的电讯号。
顶外壳部212包围光发射次模块220、光接收次模块230、适配器250、光纤222和232以及外壳210内的其他部件。收发器外壳210可具有小于约55毫米的宽度、小于约130毫米的长度以及小于10毫米的高度。更特别地，一个例子的收发器外壳210具有54.6毫米的宽度、110毫米的长度以及9.8毫米的高度。在收发器模块202内，被热隔离的多信道光发射次模块220具有能够配合于收发器外壳210内的宽度、高度和长度。
请参照图4和图5，图中更详细地描述了温控多信道光发射次模块220的实施例。这个实施例的温控多信道光发射次模块220还被热隔离以及热屏蔽以便于温度控制。本文所描述的温控系统和方法还可用于其他实施例的多信道光发射次模块，例如无需热隔离和/或热屏蔽的光发射次模块。
这个实施例的温控多信道光发射次模块220包括与阵列波导光栅225光耦合的激光器226-1至226-n的激光器阵列(图中仅详细绘示激光器226-1)。阵列中的每个激光器226-1至226-n可以是分布式反馈(distributedfeedback，DFB)激光器，其能够响应温度变化来改变激光波长，并且可以被热屏蔽，其内容将于后续详述。举个例子，激光器226-1至226-n可使用低弯曲损耗的光纤(图未示)光耦合于阵列波导光栅225。每个激光器226-1被提供为加热激光器封装，包括并不限于激光器安装结构或载体(sub-mount)上装设的激光二极管芯片。加热激光器封装还包括加热电阻器和相关的晶体管，其中晶体管用于控制到加热电阻器的驱动电流。加热电阻器和晶体管均放置为邻近激光二极管，其内容将于后续详述，这样元件其中之一或者两个元件所产生的热量被传递到激光二极管，用于提高热效率。加热激光器封装进一步包括光学部件和/或光电部件。光学部件例如为透镜，用于将激光光耦合于光纤各自其一内。光电部件例如是监控光电二极管。阵列波导光栅225包括阵列波导光栅芯片，例如用于WDM、粗波分复用(CWDM)或密集波分复用(DWDM)复用或解复用的类型。
在本实施例中，激光器226-1至226-n的阵列承载于激光器阵列托盘240上，以及阵列波导光栅225承载于阵列波导光栅托盘242上。激光器阵列托盘240以及阵列波导光栅托盘242皆热耦合于同一温控装置260，这样温控装置260、激光器阵列托盘240以及阵列波导光栅托盘242在相对小的空间内提供用于光发射次模块的温控系统。温控装置260可以是热电致冷器，例如为珀尔贴(Peltier)装置，用于冷却激光器226-1至226-n的阵列以及阵列波导光栅225。本实施例中，阵列波导光栅托盘242支撑激光器226-1至226-n上方的阵列波导光栅225。通过使用同样的温控装置并且支撑激光器226-1至226-n上方的阵列波导光栅225，可在相对小的空间内利用相对低的功耗保持期望的温度范围。
所示实施例中，阵列波导光栅托盘242包括支撑部244以及侧部246和248，支撑部244用于支撑阵列波导光栅225，侧部246和248夹持激光器226-1至226-n上方的支撑部244。激光器阵列托盘240可为相对平的板件，其设置于侧部246和248之间，这样激光器阵列托盘240以及阵列波导光栅托盘242的侧部246和248单独地热耦合于温控装置260(例如，热耦合于热电致冷器的冷却侧)。激光器阵列托盘240以及阵列波导光栅托盘242的侧部246和248可以各自直接接触温控装置260，或是通过另一热传导材料而热耦合。因为激光器阵列托盘240的较大表面面积热耦合于温控装置260，可更加精确地控制激光器226-1至226-n的温度。虽然所示实施例表示托盘240以及242的特定形状，但是其他形状和配置也可用于支撑激光器226-1至226-n和阵列波导光栅225以及提供热耦合到相同的温控装置260。每一托盘240和242还可形成为一件或多件。其他实施例的多信道光发射次模块还可使用不同的结构以支持激光器和/或阵列波导光栅。
托盘240以及242皆可以由导热材料所制成，导热材质的导热系数大于60瓦/米·度(W/m·K)，更特别地大于80W/m·K。托盘240以及242例如可以由铜或锌制成。举个例子，至少托盘240以及242的一部分还可以被镀金以便于焊接到托盘240以及242。一个例子中，激光器阵列托盘240由氮化铝(AlN)所制成，其导热系数约为170W/m·K。阵列波导光栅托盘242由铜制成并且有镀金，以及导热系数约为300W/m·K。
为了在本实施例中提供热隔离，多信道光发射次模块220还包括热隔离棒270，其用于提供激光器226-1至226-n(和/或其他部件)与外部电路之间的电连接。热隔离棒270热耦合于温控装置260(例如，热电致冷器的冷却测)以防止热量被传导到激光器226-1至226-n。尤其地，热隔离棒270可以直接接触温控装置260或可以接触激光器阵列托盘240。在所示实施例中，热隔离棒270延伸跨越激光器226-1至226-n从光发射次模块220的一侧到达另一侧。在其他实施例中，热隔离棒270可以包括多个区段和/或可以仅仅延伸跨越光发射次模块220的一部分。每一激光器226(和/或其他光电部件)藉由至少一条电线272引线键合(wirebonded)到热隔离棒270上的导电焊盘271。虽然图中表示单个激光器226具有单一电线272，但是可使用多条电线272以引线键合每一激光器(例如，图4所示的激光器226-1至226-n)以分离热隔离棒270上的导电焊盘。虽然图中表示热隔离棒270具有矩形的形状，但是其他的形状和配置皆有可能。
热隔离棒270提供激光器226和外部电路例如印刷电路板208之间的电连接。举例来说，如图所示，热隔离棒270藉由电线274引线键合到位于光发射次模块外壳部分282上的导电焊盘280。例如经由延伸通过外壳部分282的导电线路(traces)或路径284以及经由导电引线224(如图5所示)，导电焊盘280电连接于电路。多条电线274可用于热隔离棒270上的各个导电焊盘271和外壳部分282上的导电焊盘280之间，以提供激光器阵列的每个激光器和电路之间的多个电连接。虽然表示且描述了提供电连接到外部电路的特定配置，但是其他配置也可提供到此电路的电连接。
因为热隔离棒270热耦合于温控装置260，可以控制热隔离棒270的温度(例如，通过冷却或加热)，以防止热量从与外部环境链接的焊盘280传导到激光器226。因此，热隔离棒270将激光器226与光发射次模块220外部环境所产生的外部热量隔离，同时允许激光器226电连接到光发射次模块220外部的电路。热隔离棒270可由导热系数大于60W/m·K的导热材料制成，导热材料例如为氮化铝(AlN)。举个例子，热隔离棒270上的导电线路或路径可包括金以促进可焊性。
图6中更加详细地表示了每一激光器226被提供为加热激光器封装600，加热激光器封装600包括激光器热屏蔽件250且藉由激光器热屏蔽件250而被热屏蔽。激光器热屏蔽件250定义热屏蔽隔间(compartment)252。在本实施例中，激光器热屏蔽件250包括壁体251，从基座(base)253延伸而定义出热屏蔽隔间251。激光器热屏蔽件250例如经由激光托盘240(请参考第4图)热耦合于温控装置260。因此，温控装置260可保持激光器热屏蔽件250的恒温(例如，40℃)，这样热屏蔽件250的壁体251将激光器226热屏蔽于光发射次模块内的热量(例如，光发射次模块中的其他激光器和/或热气流)。虽然图中表示了单一热屏蔽件250对单一激光器226进行热屏蔽，但也可以使用多个热屏蔽件以热屏蔽激光器阵列中的各个激光器226-1至226-n。
激光器阵列的热屏蔽件250可由导热材料制成，导热材料具有大于60W/m·K的导热系数，更特别地具有大于80W/m·K的导热系数，以及例如大约160W/m·K的导热系数。激光器阵列的热屏蔽件440例如由钨铜合金(coppertungsten)制成，以及例如还可被镀金以促进焊接。还可使用其他的导热材料。
如图所示，激光器封装600包括在载体(sub-mount)229上装设的激光二极管芯片227(例如，分布式反馈激光二极管芯片)。热屏蔽隔间252用于接收壁体251之间的载体229。监控光电二极管228也可装设于载体229上，例如监测激光二极管芯片227发出的光线。加热电阻器264邻近激光二极管芯片227，以提供对激光二极管芯片227的温度的单独控制，由此单独控制所发出激光的波长。晶体管(图6中未绘示)还可被放置为接近激光二极管芯片227以及电耦合于加热电阻器264。举个例子，根据温度控制装置260或者任意合适的温度控制处理器提供的温度控制信号，晶体管用以控制到加热电阻器的驱动电流以控制电阻器的热水平。在激光器封装600内以及激光二极管的邻近放置晶体管允许晶体管产生的额外热量被传递到激光二极管227。
举例来说，在运作过程中，温控装置260可以用于建立激光器226-1至226-n的阵列的恒定整体温度，以及加热电阻器264(以及相关的晶体管)可用于将每个激光器226的局部温度个别且独立地提高到超过此整体温度，进而改变波长，其内容将于后续详述。通过防止热屏蔽隔间252外部的热量影响激光二极管芯片227，热屏蔽件250有助于实现每个激光器的独立温度控制。
所示实施例的激光器热屏蔽件250还用于接纳透镜223，例如将发出的激光聚焦至光纤或波导内。如图所示，激光器热屏蔽件250还接纳且支撑透镜，这样激光二极管芯片227与透镜223对准。虽然所示实施例表示了具有特定形状的激光器热屏蔽件250，其他的形状与配置也有可能。举个例子，在其他实施例中，激光热屏蔽件250可以在顶部处被封闭。
请参照图7和图7A，图中更加详细地描述了温控多信道光发射次模块720中用于调谐信道波长的温控系统和方法。温控多信道光发射次模块720通常包括激光器726-1至726-n的阵列以及光复用器725。光复用器725将激光器726-1至726-n在信道波长处所发出的激光组合。激光器726-1至726-n包括可热调谐的分布式反馈激光二极管，其波长偏移约为0.1纳米/℃。光复用器725可包括阵列波导光栅。一个实施例中，光发射次模块720可包括16个激光器726-1至726-n以提供16个信道，但是其他实施例可以包括其他数量的激光器。
为激光器726-1至726-n阵列建立整体温度T1，这样激光器至少其一(例如激光器726-1或L1)在整体温度T1被调谐至信道波长其中之一(例如λ1)。在整体温度T1被调谐的信道波长λ1例如为最接近的ITU信道。在整体温度T1时，其他激光器(例如，激光器726-2至726-n或者L2……Ln)可发出的波长小于其他各个信道波长。因此，其他个体激光器(例如，726-2至726-n或者L2……Ln)的局部温度(例如，T2……Tn)可被升高超过整体温度T1，以将其他激光器细调至其他信道波长(例如，λ1……λn)。一些实施例中，通过改变到激光二极管邻近的加热电阻器的驱动电流，调节这些局部温度(例如，T2……Tn)。从与激光二极管相关的校准查询表中获得驱动电流。一些实施例中，调节这些局部温度(例如，T2……Tn)以响应与这些其他激光器(例如，726-2至726-n)有关的监测波长，这样激光器保持被调谐至信道波长(例如，λ1……λn)。
如图7所示，温控装置760例如热电致冷器热耦合于激光器726-1至726-n的阵列以建立整体温度T1。举例来说，温控装置760冷却激光器726-1至726-n阵列以建立整体温度T1。个体加热器764-1至764-n例如电阻器和晶体管，邻近各自的激光器726-1至726-n，以升高激光器的局部温度超过温控装置760所建立的整体温度。虽然所示实施例表示加热器764-1邻近激光器726-1，但是如果这个激光器726-1由于温控装置760建立的整体温度T1而保持被调谐于信道波长λ1，则不需要这个加热器764-1。
温控多信道光发射次模块720进一步包括温度波长控制系统766，用于控制温控装置760以及加热器764-1至764-n。举个例子，使用硬件、软件和固件(包括校准查询表)的任意组合实施温度波长控制系统766，以及温度波长控制系统766可位于光发射次模块中的电路板(例如，图2所示的电路板208)上。温度波长控制系统766包括用于控制整体温度的整体温度控制768以及用于控制局部温度的局部温度控制769。
例如与从传感器767获得的监测温度响应，整体温度控制768控制温控装置760建立的整体温度，传感器767比如是热敏电阻器。特别地，整体温度控制768从传感器767接收表示监测整体温度的整体温度信号，以及将监测整体温度与目标整体温度比较。然后，整体温度控制768提供控制信号给温控装置760，以升高或降低反馈控制回路中的监测整体。传感器767位于温控装置760上，或是能感测针对激光器726-1至726-n阵列建立的整体温度T1的任意其他位置(例如，图5所示的与热电致冷器耦合的底板上或者激光器阵列托盘240上)。也可使用用于建立整体温度的其他技术。
例如与从波长计790所获得的监测波长响应，局部温度控制769控制每一个加热器764-1至764-n建立的局部温度。波长计790可位于光发射次模块720的外部。解复用器(未绘示)可将光发射次模块720所传送的组合WDM光信号710解复用，以及波长计790监测与各激光器有关的解复用信道的各个波长。然后，局部温度控制769可响应监测波长，提供局部温度控制信号到各加热器(例如，764-1至764-n)，以升高或降低局部温度，这样激光器(例如，726-2至726-n)保持被调谐至各信道波长。
举个例子，加热器764-1至764-n是电阻器时，局部温度控制讯号是被供应到电阻器的电流，可调整电流以调整电阻器提供的热量以及从而调整局部温度。一个实施例中，局部温度控制769接收代表监测波长的监测波长数据，并且比较监测波长与目标信道波长。在其他实施例中，监测波长与目标信道波长的比较可以发生在光发射次模块720的外部，以及局部温度控制769可接收信号，此信号用于指示是否分别升高或降低局部温度。
根据一个例子，首先利用波长计790针对所有信道测试波长，以确定哪一个信道最接近ITU信道。然后，确定整体温度，这样最接近ITU信道的激光器(例如，激光器726-1)在整体温度T1被调谐至那个信道。还为每一电阻器加热器确定电阻器电流以提供局部温度T2……Tn，局部温度T2……Tn将其他激光器(例如，726-2至726-n)调谐至其它信道波长。在这个例子的光发射次模块运行期间，然后热电致冷器被启动以及被设定为确定的整体温度，以及确定的电阻器电流被提供给加热器电阻器以提供局部温度。然后，波长计790监测波长，并且局部温度控制769响应所监测的波长来调整电阻器电流，以保持激光器维持被调谐至各自的信道波长。
请参考图8，图中表示激光二极管227的局部温度的控制系统的实施例。加热激光器封装600被表示为包括晶体管806、加热电阻器808和激光二极管227。晶体管806耦合于供应电压源和加热电阻器808之间，用于控制通过加热电阻器808的驱动电流I。晶体管806为任意适当类型的晶体管，比如举个例子，双极结型晶体管(bipolarjunctiontransistor；BJT)或者金属氧化物半导体场效应晶体管(metaloxidesemiconductorfieldeffecttransistor；MOSFET)。根据被施加到晶体管806的基极(或栅极)的温控信号(例如，电压)，驱动电流在零安培和最大电流Imax之间变化，其中驱动电流越高，导致产生的热量越大。
处理器804或者包括例如局部温度控制769的任意其他合适的电路产生温控电压。处理器804位于印刷电路板208上或者位于任意其他合适的位置，通常在激光器封装600的外部例如位于光线路终端110或者光网络单元112上。一些实施例中，处理器804用于存取查询表802，查询表802存储校准数据，校准数据提供驱动电流(或等同的温控电压)和激光二极管227产生的相关光波长之间的链接或交叉参考。
晶体管806和电阻器808被放置为足够紧邻激光二极管227，这样在部件之间能够实现期望水准的热传递效率。如果晶体管806被放置于激光器封装600外部(例如，热屏蔽件的外部)，晶体管产生的任何热量将主要被浪费以及在系统的整体功率预算上呈现出耗尽。因为晶体管806被放置于加热激光器封装600上(或者相反被结合到加热激光器封装600内)，至少部分地利用晶体管产生的热量作为额外的热源(即，电阻器808产生的热量以外的热源)，以提高系统的功率效率。
一个实例中供应电压为3.3伏特，加热电阻器为20欧姆以及温控电压被设定为2.1伏特，以下的例子针对这个实例说明功率消耗。这个实例中，驱动电流I等于
(温控电压–晶体管偏压)/R＝(2.1–0.7)/20＝70毫安，
电阻器中产生的热量等于I2R＝0.07*0.07*20＝98毫瓦。然而，加热电路消耗的总功率为Vsupply*I＝3.3*0.07＝231毫瓦。这个例子(即，这个温控电压点处)中，加热电路所消耗的总功率的重要因素与晶体管相关，此晶体管为处于从晶体管散热的形式。通过将加热激光器封装600内的晶体管806放置为邻近激光二极管227，此散热的一部分被施加有助于调控激光二极管的局部温度，以调节或保持激光波长。这允许降低加热电路的总体功率消耗，以及缓解系统的功率预算限制。
请参考图9，步骤流程图900表示符合本揭露另一实施例的激光二极管227的局部温度的控制方法。步骤910处，针对加热电阻器确定驱动电流。选择驱动电流以对应加热电阻器产生的局部温度，这样局部温度与期望的信道波长相关。加热电阻器邻近激光器封装中的激光器。步骤920处，晶体管耦合于供应电压和加热电阻器之间，通过施加温控电压到此晶体管而产生驱动电流。此晶体管基于温控电压而调控驱动电流，以及此晶体管还被结合到激光器封装中，以使得除加热电阻器提供的热量外来自晶体管的热量也被传递到激光二极管。
虽然代表性实施例包括多信道光发射次模块(TOSA)，其他类型的光发射器也使用加热激光器封装以及加热激光器封装中激光二极管的局部温度的控制系统和方法。
符合实施例的温控多信道光发射次模块包括光发射次模块外壳、印刷电路板以及与印刷电路板耦合的激光器封装的阵列。印刷电路板包括激光驱动器和温控电路，以及印刷电路板位于光发射次模块外壳中。每一激光器封装包括激光二极管，由激光驱动器提供的功率产生激光。激光与各个光信道相关，以及激光二极管可被热调谐为各个光信道相关的信道波长。激光器封装还包括接近激光二极管的加热电阻器，加热电阻器用于升高激光二极管的局部温度超过光发射次模块的整体温度，以热调谐激光二极管。激光器封装进一步包括晶体管，用于调节通过加热电阻器的驱动电流，此驱动电流基于温控电路提供的温控信号，其中晶体管产生的额外热量至少部分被传递到激光二极管，以进一步升高激光二极管的局部温度。
符合另一实施例的加热激光器封装包括激光二极管，由激光驱动器提供的功率产生激光。激光与各自的光信道相关，以及激光二极管可热调谐到与各自光信道相关的信道波长或者信道波长的波段。加热激光器封装还包括加热电阻器，放置为接近激光二极管以及用以升高激光二极管的局部温度以热调谐激光二极管。加热激光器封装进一步包括晶体管，根据温控信号调节通过加热电阻器的驱动电流。晶体管产生的额外热量至少部分被传递到激光二极管，以进一步升高激光二极管的局部温度。
符合又一实施例的多信道收发器模块包括收发器外壳以及位于收发器外壳中的至少一个温控多信道光发射次模块。光发射次模块发射多信道波长上的波分复用光信号。光发射次模块包括印刷电路板，印刷电路板包括激光驱动器和温控电路。印刷电路板位于收发器外壳中。光发射次模块还包括与印刷电路板耦合的激光器封装的阵列。激光器封装包括激光二极管，用于由激光驱动器所提供的功率产生激光，激光与各个光信道相关以及激光二极管可热调谐到与各个光信道相关的信道波长。激光器封装还包括加热电阻器，放置为接近激光二极管。加热电阻器升高激光二极管的局部温度超过光发射次模块的整体温度，以热调谐激光二极管。激光器封装进一步包括晶体管，调节通过加热电阻器的驱动电流。驱动电流基于温控电路所提供的温控信号。其中晶体管产生的额外热量至少部分被传递到激光二极管以进一步升高激光二极管的局部温度。光发射次模块进一步包括光复用器，光耦合于激光器封装的阵列。光复用器组合各个不同信道波长的激光。多信道收发器模块进一步包括位于收发器外壳中的至少一个多信道光接收次模块(ROSA)。光接收次模块接收多个信道波长上的波分复用光信号。
符合再一实施例的单独调谐激光器阵列中的激光器到多个信道波长的温控方法包括判断加热电阻器的驱动电流，其中驱动电流对应加热电阻器产生的局部温度。局部温度与信道波长其中之一相关，以及加热电阻器邻近激光器封装中的激光器。此方法进一步包括通过施加温控电压到晶体管以产生驱动电流。晶体管耦合于供应电压和加热电阻器之间，以及晶体管基于温控电压调控驱动电流。晶体管被结合到激光器封装中。
虽然本文已经描述了本发明的原理，本领域的普通技术人员应该理解此说明仅为示例说明以及并非限制本发明的范围。除了所示及描述的代表性实施例外，在本发明的范围内可预想到其它的实施例。本领域的普通技术人员其中之一的修改或替代被视为在本发明的范围内，本发明的范围以权利要求书为准。

Claims (22)

1.一种温控多信道模块光发射次模块(TOSA)，包括：
一光发射次模块外壳；
一印刷电路板，包括一激光驱动器和一温控电路，所述印刷电路板位于所述光发射次模块外壳中；以及
激光器封装的阵列，耦合于所述印刷电路板，所述激光器封装的每一个包括：
一激光二极管，由所述激光驱动器提供的功率产生激光，所述激光与各个光信道相关，以及所述激光二极管可热调谐到与所述各个光信道相关的一信道波长；
一加热电阻器，位于接近所述激光二极管，所述加热电阻器升高所述激光二极管的一局部温度超过所述光发射次模块的一整体温度，以热调谐所述激光二极管；以及
一晶体管，调节通过所述加热电阻器的一驱动电流，所述驱动电流基于所述温控电路提供的一温控信号，其中所述晶体管产生的额外热量至少部分被传递到所述激光二极管，以进一步升高所述激光二极管的所述局部温度。
2.如权利要求1所述的温控多信道模块光发射次模块，其特征在于，其中所述温控电路进一步基于与所述激光二极管相关的一校准查询表产生所述温控信号。
3.如权利要求1所述的温控多信道模块光发射次模块，其特征在于，其中所述激光二极管为一分布式反馈(DFB)激光器。
4.如权利要求1所述的温控多信道模块光发射次模块，其特征在于，其中所述信道波长包括国际电信联盟(ITU)信道波长。
5.如权利要求1所述的温控多信道模块光发射次模块，其特征在于，进一步包括一温控装置，位于所述光发射次模块外壳中且热耦合于所述激光器封装的阵列，用于建立所述激光器封装的阵列的所述整体温度，这样所述激光器封装的阵列中至少一个激光二极管在所述整体温度被调谐到所述信道波长至少其一。
6.如权利要求5所述的温控多信道模块光发射次模块，其特征在于，所述温控装置为一热电致冷器。
7.如权利要求5所述的温控多信道模块光发射次模块，其特征在于，进一步包括：
多个激光器热屏蔽件，用于热屏蔽所述激光器封装的阵列，所述激光器热屏蔽件热耦合于所述温控装置且定义多个热屏蔽隔间，其中所述热屏蔽隔间的每一个接收且热屏蔽所述激光器封装各自其一，同时允许发射的激光穿出所述热屏蔽隔间，以及其中所述加热电阻器和所述晶体管位于所述热屏蔽隔间各自其一中。
8.如权利要求5所述的温控多信道模块光发射次模块，其特征在于，其中所述整体温度处调谐的所述信道波长其中之一为所述信道波长中最小的。
9.如权利要求1所述的温控多信道模块光发射次模块，其特征在于，进一步包括位于所述光发射次模块外部的一波长监测器，所述波长监测器产生监测波长数据，以及其中所述温控电路进一步接收所述监测波长数据以及根据所述监测波长数据调节所述温控信号。
10.一种加热激光器封装，包括：
一激光二极管，由一激光驱动器提供的功率产生激光，所述激光与各个光信道相关，以及所述激光二极管可热调谐到与所述各个光信道相关的一信道波长或信道波长之波段；
一加热电阻器，位于接近所述激光二极管，所述加热电阻器升高所述激光二极管的一局部温度，以热调谐所述激光二极管；以及
一晶体管，调节通过所述加热电阻器的一驱动电流，所述驱动电流基于一温控信号，其中所述晶体管产生的额外热量至少部分被传递到所述激光二极管，以进一步升高所述激光二极管的所述局部温度。
11.如权利要求10所述的加热激光器封装，其特征在于，进一步包括一载体，其中所述激光二极管、所述加热电阻器和所述晶体管被装设于所述载体上。
12.如权利要求11所述的加热激光器封装，其特征在于，进一步包括一激光器阵列热屏蔽件，定义一热屏蔽隔间，以及其中具有所述激光二极管、所述加热电阻器和所述晶体管的所述载体位于所述热屏蔽隔间内。
13.一种多信道光收发器模块，包括：
一收发器外壳；
至少一个温控多信道光发射次模块，位于所述收发器外壳中，所述光发射次模块发射多信道波长上的一波分复用光信号，所述光发射次模块包括：
一印刷电路板，包括一激光驱动器和一温控电路，所述印刷电路板位于所述光发射次模块外壳中；以及
激光器封装的阵列，耦合于所述印刷电路板，所述激光器封装的每一个包括：
一激光二极管，由所述激光驱动器提供的功率产生激光，所述激光与各个光信道相关，以及所述激光二极管可热调谐到与所述各个光信道相关的一信道波长；
一加热电阻器，位于接近所述激光二极管，所述加热电阻器升高所述激光二极管的一局部温度超过所述光发射次模块的一整体温度，以热调谐所述激光二极管；以及
一晶体管，调节通过所述加热电阻器的一驱动电流，所述驱动电流基于所述温控电路提供的一温控信号，其中所述晶体管产生的额外热量至少部分被传递到所述激光二极管，以进一步升高所述激光二极管的所述局部温度；以及
一光复用器，光耦合于所述激光器封装的阵列，所述光复用器组合各个不同信道波长的所述激光；以及
至少一个多信道光接收次模块(ROSA)，位于所述收发器外壳中，所述光接收次模块接收多个信道波长上的一波分复用光信号。
14.如权利要求13所述的温控多信道光收发器模块，其特征在于，其中基于与所述激光二极管相关的一校准查询表，所述温控电路进一步产生所述温控信号。
15.如权利要求13所述的温控多信道光收发器模块，其特征在于，进一步包括一温控装置，位于所述收发器外壳中以及热耦合于所述激光器封装的阵列用于建立所述激光器封装的阵列的所述整体温度，这样所述激光器封装的阵列中的至少一个激光二极管在所述整体温度被调谐到所述信道波长至少其一。
16.如权利要求13所述的温控多信道光收发器模块，其特征在于，其中所述温控装置为一热电致冷器。
17.一种用于单独调谐一激光器阵列中的激光器到多个信道波长的温控方法，所述方法包括：
针对一加热电阻器确定一驱动电流，其中所述驱动电流对应所述加热电阻器产生的一局部温度，所述局部温度与所述信道波长其中之一相关，以及其中所述加热电阻器邻近一激光器封装中的所述激光器；
通过施加一温控电压至一晶体管产生所述驱动电流，其中所述晶体管耦合于一供应电压和所述加热电阻器之间，以及所述晶体管基于所述温控电压调控所述驱动电流，以及其中所述晶体管被结合到所述激光器封装中。
18.如权利要求17所述的温控方法，其中从与所述激光器相关的一校准查询表得到所述加热电阻器驱动电流。
19.如权利要求17所述的温控方法，其中从与所述激光器相关的一校准查询表得到所述温控电压。
20.如权利要求17所述的温控方法，进一步包括：
针对所述激光器阵列建立一整体温度，这样所述激光器阵列中的至少一个激光器在所述整体温度被调谐到所述信道波长其中之一；以及
针对所述激光器阵列中的其他激光器单独升高所述局部温度超过所述整体温度，这样所述其他激光器分别被调谐到所述其他信道波长，所述加热电阻器身高所述局部温度。
21.如权利要求17所述的温控方法，进一步包括：
监测与所述激光器的每一个所相关的所述波长；以及
响应监测波长以调节所述其他激光器的所述局部温度，以维持所述其他激光器被调谐到所述其他信道波长。
22.如权利要求17所述的温控方法，其中所述信道波长包括国际电信联盟信道波长。
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