CN106998230A - 内置信号校准电路的双速率dml器件、模块及信号校准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双速率DML器件、模块及校准方法，属于光通信技术领域，具体涉及一种内置信号校准电路的双速率DML器件、模块及校准方法。本发明在器件内部加入了信号校准电路，通过新型的分光结构实现PD前置，利用分时序多路串行信号的控制结构将监控信号反馈至电驱动器以调整驱动电流，减少了背光监控之间的串扰问题，实现了25Gbps和28Gbps双调制频率下高质量信号的输出。

Description

内置信号校准电路的双速率DML器件、模块及信号校准方法
技术领域
本发明涉及一种双速率DML器件、模块及校准方法，属于光通信技术领域，具体涉及一种内置信号校准电路的双速率DML器件、模块及校准方法。
背景技术
随着全球带宽需求的不断提高，数据中心、安防监控等光通信行业应用领域的不断扩展，骨干网、接入网的大规模建设，光模块行业迎来了全新的市场机遇。特别是近年来，伴随着云计算、视频应用、互联网游戏、社交网络等应用的兴起，互联网流量呈现以指数的方式倍增，面向“100G平台”的路由器正逐步取代原有10G地位，成为新的核心网。这成为100G传输技术发展的重要驱动力。相比于传统的10G传输设备，100G传输技术不仅具有更高的集成度，还可以有效地利用光纤的传输特性，节省空间资源和光缆资源。
目前应用于光通信领域的激光器调制方式主要有两种：直接调制激光器方式(directlymodulatedsemiconductorlaser，简称DML)和电吸收调制激光器方式(electro-absorptionmodulatedlaser，简称EML)。直接调制激光器方式是比较常见的一种激光器调制方法。利用直接调制方式制作的器件及模块有久远的应用历史和广泛的运用范围，这种特性决定了不论是光芯片还是电芯片都具有更完整地供应及质量体系、稳定的可获取性和稳定的质量输出，决定了直接调试激光器的低成本、高性价比。
但是，由于DML激光器的调制信号是直接施加在激光器芯片上，变化的输入电流会导致激光器芯片的输出特性劣化，变化的频率越高，则劣化越明显，在40G以及40G之前的时代，这种劣化并不影响信号的传输及提取，然而进入100G的时代，这种劣化对信号传输及提取的影响不容忽视。
发明内容
本发明主要是解决现有技术所存在的高速传输模式下DML信号劣化问题，提出了一种内置信号校准电路的双速率DML器件、模块。该结构在器件内部加入了信号校准电路，通过新型的分光结构实现PD前置，减少了背光监控之间的串扰问题，并通过高集成多级放大、均衡芯片参数配置、调整芯片到激光器管芯之间键合长度和角度共同在器件内部实现信号校准功能，实现了25Gbps和28Gbps双调制频率下高质量信号的输出；并且通过串行信号的控制结构减少了信号的引脚。
为了解决上述问题，根据本发明的一个方面，提供了一种内置信号校准电路的双速率DML器件，包括：
信号校准电路组件，内置于所述DML器件中，用于校准劣化信号，并且通过金线直连激光器芯片。
可选的，上述的一种内置信号校准电路的双速率DML器件，包括：
准直透镜，用于将激光器芯片的光源转换为平行光；
分光结构，用于将部分平行光反射并汇聚至PD光敏面上；
PD阵列，包括多个所述PD光敏面，并且各个PD光敏面分别与串口控制结构的数据输入端口相连，所述串口控制结构和用于驱动激光器芯片的信号校准组件相连。
可选的，上述的一种内置信号校准电路的双速率DML器件，所述分光结构产生透射与反射的面位于其对脚线所形成的斜面上，所述PD阵列位于所述斜面上方。
可选的，上述的一种内置信号校准电路的双速率DML器件，所述信号校准组件与芯片之间的金线键合长度为0.1mm至2mm，弯曲角度为45°至135°。
可选的，上述的一种内置信号校准电路的双速率DML器件，所述分光结构还用于将部分平行光透射并汇聚至光纤中。
可选的，上述的一种内置信号校准电路的双速率DML器件，还包括与独立温控元件TEC相连的热沉，所述激光器芯片、准直透镜、PD阵列依次布置于所述热沉上，并且所述准直透镜与热沉之间设置玻璃垫片。
为了解决上述问题，根据本发明的又一个方面，提供了一种内置信号校准电路的双速率DML模块，包括上述任一所述的DML器件。
为了解决上述问题，根据本发明的再一个方面，提供了一种内置信号校准电路的双速率DML器件信号校准方法，包括：
分光处理步骤，将激光器芯片的光源转换为平行光，并利用分光结构将部分平行光反射并汇聚至其PD光敏面分别与串口控制结构数据输入端口相连的PD阵列中；
反馈控制步骤，利用串口控制结构从所述PD阵列中导出信号并输送到内置于DML器件中的通过金线与激光器芯片直接连接的信号校准电路组件以调整光强度。
可选的，上述的一种内置信号校准电路的双速率DML器件信号校准方法，所述反馈控制步骤中，利用加载于串口控制结构上的时钟端口上的时钟信号和电源端口上的电压将PD阵列的信号全部输出。
可选的，上述的一种内置信号校准电路的双速率DML器件信号校准方法，所述反馈控制步骤中，分时序读取PD阵列的信号。
因此，本发明具有如下优点：
1、通过高集成多级放大、均衡芯片参数配置、调整芯片到激光器管芯之间键合长度和角度共同在器件内部实现信号校准功能。
2.采用前置方式放置PD，为激光器芯片的背面放置信号校准电路留下了宝贵的空间，并且当有多个平行光时，不同的背光监控之间将不会再有串扰；
3、采用串口控制方式读取PD反馈电流，能够通过时分复用的方式按顺序读取不同芯片的数值，只需要引出电源、数据和时钟这几个基本的引脚即可，减少了器件的输出引脚；
4、在信号校准电路与TEC之间添加过渡块，可以提高器件的散热性能，降低器件的功耗。
附图说明
图1是信号校准电路置于DML模块内部不同位置的结构框图。
图2是DML器件内部主要结构的正视图。
图3是DML器件内部主要结构的俯视图。
图4是DML器件内部与监控单元和分光结构有关的部分放大光路的俯视图。
图5是DML器件内部与监控单元和分光结构有关的部分放大光路的正视图。
图6是传统多通道监控PD单元以及其引脚连接示意图。
图7是带有多通道监控PD单元与串行控制电路的连接示意图。
图8、图9、图10是信号校准电路与芯片的金线连接示意图。
图中，1.管壳，2.陶瓷基板，3.管盖，4.信号校准组件，5.过渡块，6.激光器芯片，7.准直透镜，8.玻璃垫片，9.热沉，10.独立温控元件，11.PD阵列，12.分光结构，13.汇聚透镜，14.数据输出端口，15.时钟端口，16.电源端口，17.串口控制结构，18.数据输入端口，19.第一金线，20.第二金线，21.第三金线。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。
实施例：
本实施例中，将信号校准组件内置于在器件中，并加入了信号校准功能，用高度集成的多级放大芯片和均衡的驱动器完成校准劣化的信号。
图1是信号校准电路置于不同位置的结构框图。芯片6是位于器件内部的，如果信号校准组件内置于器件内部，那么能有效的缩减信号校准组件4与芯片6的间距，有利于提高高频信号的阻抗匹配度，并最终提高25Gbps和28Gbps两种速率条件下输出信号质量。
本发明器件内元件的位置如图2-3所示。独立温控元件10置于钨铜管壳1底部，上表面放置钨铜热沉9，在钨铜热沉9上面从左向右依次放置芯片6，透镜组件7，PD阵列11以及后续一些元件，形成光路。信号校准组件4置于芯片6的前端。信号校准组件4内置之后，直接减小了信号校准组件4到激光器芯片6之间的距离，而且通过控制金线的长度和弯曲度，能减小器件的寄生电容和寄生电感，增加阻抗的适配度，有效提升信号质量。
此外，为了提高器件整体的散热性能，解决信号校准组件的功耗问题，如图2所示，在信号校准组件4下面添加大小合适的过渡块5，一方面将信号校准组件4的地与管壳的地隔离开，另一方面加快器件的散热。
图4是器件内部有监控单元PD和分光结构有关的部分放大光路的俯视示意图，先利用外部电源供电使激光器芯片6正常发光，通过准直透镜7之后形成平行光，之后在经过新型的部分透射、部分反射的分光结构12，发生反射的部分平行光汇聚到PD光敏面上；发生透射的部分平行光，经后透镜直接汇聚到光纤中去。相比于将PD放置在激光器芯片后端的放置方式，该方式不仅不再受它与激光器管芯远近距离的影响，而且为器件内部加入信号校准组件提供了足够的空间。
此外，图4中虚线框内的C、D、E三个位置表示与垂直基准线成夹角的PD位置示意图，光口13中的C、D、E与前面PD的位置一一对应，从图中可以看出，当分光结构与垂直基准线的夹角为零时，器件出光的光路向光口13中D位置,当分光结构沿着顺时针旋转增大时，器件出光的光路向光口13中C位置移动，当分光结构沿着逆时针旋转增大时，器件出光的光路向光口13中E位置移动。这说明分光结构的角度对出光的光路影响甚大。一般角度选为8°。
此外，在器件中添加分光结构时，光路的媒介物体由空气变为其他材料(如玻璃)，折射率发生了变化，那么在光路传输上会产生偏移量(Offset量)，使得光路的出光位置也会出现在C位置或者E位置；
图5是器件内部有监控单元PD有关的部分放大光路的侧视示意图，图中PD所采用的是背面开窗的方法，光敏面是在PD的上方。此外可以看到，分光结构产生透射与反射的面位于物体的对脚线所形成的面上，当分光结构的厚度发生变化后，产生透射与反射的面也会随之变化，那么透射与发射的光线也会发生偏移，也会从出光口的D位置移动到C位置和E位置。
图4和图5说明，将PD监控单元前置并与分光结构相结合的方式，不仅能实现监控激光器电流强度的功能，而且能够根据需求，改变分光结构的参数(厚度，折射率或者角度等)，实现出光位置的调节。
图6是传统的加载监控电路示意图，每一路监控电路都需要在管壳陶瓷基板2上有对应的引脚定义，当监控的电路通道数目较少时(小于等于3)，这种方法比较好，而当监控通道数目较多(大于3)时，N个通道的监控芯片就需要增加N个管壳引脚，这会增加器件工艺难度，而且管脚的增加会占用器件内部空间。
图7是带有多通道监控PD单元与串行控制电路的连接示意图，虚框内，实线部分是平行光线，虚线部分是监控PD单元与外部串口控制结构17接的导线。当器件中包含有多路监控单元时(大于3)，为了实时监控PD单元中的每一路激光器电流强度，在进行激光器电流强度的监控前，通过导线将PD阵列单元一一对应到串口控制结构17的数据输入端口18，再通过给串口控制结构17上的时钟端口15和电源端口16加载时钟信号和电压，最终将PD记录的激光器电流一次性全部输出，如有需求，可从中选取对应数据输入端口18的PD阵列号。相比于图6结构中记录激光器电流的方法，这种结构不仅因为串口控制结构的成熟而容易实现，而且这种结构能够减小器件的引脚个数，为器件内部其他元件节省了空间。
本实施中所采用的前置方式有别于将激光器强度监控放置在紧邻激光器背面的传统方式。激光器管芯不论是前向还是背向都是发散光，现有技术是将背光监控放在离激光器管芯背面非常近的位置，监控的感光区才能在激光器的发光范围内，本实施例中，采用图3-5中的前置放置方式，将监控结构放置在了平行光处，监控的感光区不论距离激光器芯片远或近都在感光的有效范围内，不仅可以根据需要将该结构调整到任意方便的位置，而且当有多个平行光时，不同的背光监控之间将不会再有串扰。
并且，本实施例所采用的前置方式也有别于将前置结构放置在波导的出口，波导是固定介质，受精度的限制，良率极低。而将多个PD放置在多束平行光之间，平行光又可以通过该结构任意搬移偏移量，当需要位移量增大时，只需增大该结构的角度或厚度或减小折射率即可，当需要位移量减小时，只需反之配置；同时，该结构在空气中，不受类似波导一类的介质的加工精度限制，真正实现“自由空间”。
图8至图10是器件内部信号校准组件4与芯片6之间的金线连接示意图，图8中第一金线19的长度和弯曲度都合适，信号质量很好，图9中第二金线20的长度合适、弯曲度不合适，信号质量很差，图10中第三金线21的弯曲度合适，但是长度较不合适，信号质量很差。所以合理控制金线的长度和弯曲度可以提高信号质量。
推荐器件信号校准组件4与芯片6之间的金线键合长度合理的控制范围为0.1mm到2mm，弯曲角度控制范围在45°至135°之间。
作为监控单元的PD元件，是用来监控激光器芯片的工作状态的(主要是功率大小)。一般来说，激光器芯片要正常工作产生良好的激光，必须保证它的各种参数处于允许的范围之内，如温度，电流大小等等。光过强过弱都会影响数据的准确度，而激光器芯片的光强在恒流的情况下会随温度的上升而降低，也会随使用时间的增加而逐渐降低，所以要用PD反馈的信号来自动调整光的强度，达到需要的一个恒定值。
采用了上述结构后，本实施例的可以通过高集成多级放大、激光器芯片的参数配置、激光器芯片到激光器管芯之间键合长度与角度来共同完成信号校准功能。
其中，集成在信号校准组件4中的多级放大电路参数配置如下：
将多级放大电路的电压配置在3.2-3.8V之间，当信号的上升下降时间不足时，在该范围内提高电压；
将偏置电流配置在20-45mA之间，当消光比数值偏小时，则将偏执电流调低，当消光比数值偏大时，则将偏置电流调高；
将调制电流配置在30-50mA之间，当眼图余量偏低时，则将调制电流加大；反之，将电流减小；
将交叉点配置在40-60之间，当上升时间不足时，将交叉点调低，当下降时间不足时，将交叉点调高。
将均衡调值配置在2-40之间，当眼图右侧出现噪声时则配置A型均衡模式，当眼图右侧出现噪声时，则配置B型均衡模式，当噪声偏小时则配置均衡值偏小，当噪声偏大时，则配置均衡值偏大；
因为上述参数互为影响，某一个或几个参数调整好某方面的信号质量时，其他方面的信号质量可能变差。通过上述校准方法，可以解决信号质量劣化的大部分问题。
除了校准劣化的信号，金丝键合的长度和弯曲度可以有效限制信号劣化的程度，当金丝键合的参数配置合适时，信号是不会过于劣化，那么上述对放大电路的配置起到了有益的作用。
金丝键合金丝的参数配置如下：长度控制在0.1mm到2mm，弯曲角度控制在45°和135°之间。通过上述参数的设置和组合，最终能达到25Gbps和28Gbps的双调制频率下高质量输出信号。
本实施例应用于100G器件中能够显著提高信号的输出质量，但是，需要强调的是，本实施中的方案并不限于100G器件中，对于非100G高速器件及模块也同样适用。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
尽管本文较多地使用了1.管壳，2.陶瓷基板，3.管盖，4.信号校准组件，5.过渡块，6.激光器芯片，7.准直透镜，8.玻璃垫片，9.热沉，10.独立温控元件，11.PD阵列，12.分光结构，13.汇聚透镜，14.数据输出端口，15.时钟端口，16.电源端口，17.串口控制结构，18.数据输入端口，19.第一金线，20.第二金线，21.第三金线等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质；把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。

Claims (10)

1.一种内置信号校准电路的双速率DML器件，其特征在于，包括：
信号校准电路组件(4)，内置于所述DML器件中，用于校准劣化信号，并且通过金线直连激光器芯片(6)。
2.根据权利要求1所述一种内置信号校准电路的双速率DML器件，其特征在于，包括：
准直透镜(7)，用于将激光器芯片(6)的光源转换为平行光；
分光结构(12)，用于将部分平行光反射并汇聚至PD光敏面上；
PD阵列(11)，包括多个所述PD光敏面，并且各个PD光敏面分别与串口控制结构(17)的数据输入端口(18)相连，所述串口控制结构(17)和用于驱动激光器芯片(6)的信号校准组件(4)相连。
3.根据权利要求1所述的一种内置信号校准电路的双速率DML器件，其特征在于，所述分光结构(12)产生透射与反射的面位于其对脚线所形成的斜面上，所述PD阵列(11)位于所述斜面上方。
4.根据权利要求1所述的一种内置信号校准电路的双速率DML器件，其特征在于，所述信号校准组件(4)与芯片(6)之间的金线键合长度为0.1mm至2mm，弯曲角度为45°至135°。
5.根据权利要求1所述的一种内置信号校准电路的双速率DML器件，其特征在于，所述分光结构(12)还用于将部分平行光透射并汇聚至光纤中。
6.根据权利要求1所述的一种内置信号校准电路的双速率DML器件，其特征在于，还包括与独立温控元件TEC相连的热沉(9)，所述激光器芯片(6)、准直透镜(7)、PD阵列(11)依次布置于所述热沉(9)上，并且所述准直透镜(7)与热沉(9)之间设置玻璃垫片(8)。
7.一种内置信号校准电路的双速率DML模块，其特征在于，包括上述任一权利要求所述的DML器件。
8.一种内置信号校准电路的双速率DML器件信号校准方法，其特征在于，包括：
分光处理步骤，将激光器芯片(6)的光源转换为平行光，并利用分光结构(12)将部分平行光反射并汇聚至其PD光敏面分别与串口控制结构(17)数据输入端口(18)相连的PD阵列(11)中；
反馈控制步骤，利用串口控制结构(17)从所述PD阵列(11)中导出信号并输送到内置于DML器件中的通过金线与激光器芯片(6)直接连接的信号校准电路组件(4)以调整光强度。
9.根据权利要求8所述的一种内置信号校准电路的双速率DML器件信号校准方法，其特征在于，所述反馈控制步骤中，利用加载于串口控制结构(17)上的时钟端口(15)上的时钟信号和电源端口(16)上的电压将PD阵列(11)的信号全部输出。
10.根据权利要求8所述的一种内置信号校准电路的双速率DML器件信号校准方法，其特征在于，所述反馈控制步骤中，分时序读取PD阵列(11)的信号。
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