CN107167882A - 具有集成安装的热电冷却器的光电转换器 - Google Patents

具有集成安装的热电冷却器的光电转换器 Download PDF

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达利特·金姆希
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Abstract

本发明描述了一种装置和方法，其提供了用于在光纤系统中冷却光电转换器的改进机制。该装置包括响应于来自TEC驱动器的指令用于从光电转换器移除热的固定到光电转换器的热电冷却器（TEC），以及电连接到TEC驱动器的微控制器，该微控制器用于监测温度并且与TEC驱动器通信以至少部分地基于监测的温度和/或测量的/检测的数据选择性地激活和停用TEC，以实现对于光电转换器（例如VCSEL）更有效的冷却机制。此外，用户能够配置系统以将光电转换器维持在用户定义的温度范围内。这样，可以达到光电转换器的更长寿命和更好性能，并且关于冷却和/或维护的数据中心成本可最小化。

Description

具有集成安装的热电冷却器的光电转换器
技术领域
本发明大体上涉及通过光纤电缆系统传输光信号的光电接口。特别地，描述了使用集成安装热电冷却器为光电转换器提供主动冷却的光电接口组装的装置和方法。
背景技术
随着光信号在光纤网络中传输的技术发展和数据中心越来越先进，垂直腔面发射激光器(VCSEL)被越来越多的应用在光电转换器中用于通过光纤电缆发射光。VCSEL往往需要在高带宽的条件下运行，并且VCSEL的性能时常取决于VCSEL及其周围环境的温度。
发明内容
因此，本发明在此描述的实施方式提供改进的光电接口及其组件，以及组装光电接口的改进方法，为光电转换器(例如，VCSEL)提供主动冷却以促进光电转换器的优化运行并且在光电转换器寿命结束前将其故障最小化。此外，在此描述的该装置和方法的实施方式允许用户配置用于光电转换器运行的温度范围，使得转换器根据用户的需求和偏好保持在所需的温度范围。
因此，在一些实施方式中，提供了一种装置，其包括印刷电路板组件和光电转换器，所述光电转换器支撑在印刷电路板组件上，并且配置为在光信号和相应电信号之间转换，用于通过光纤电缆相应发射或接收光信号。该装置还包括热电冷却器和热电冷却器驱动器，所述热电冷却器固定到光电转换器，并且配置为从光电转换器移除热，所述热电冷却器驱动器支撑在印刷电路板组件上，并且包含配置为激活和停用热电冷却器的驱动电路。该装置还包括微控制器，其配置为监测印刷电路板组件的温度并且与热电冷却器驱动器通信以至少部分地根据监测的温度选择性地激活和停用热电冷却器，从而调节光电转换器的温度
在一些实施方式中，光电转换器包含垂直腔面发射激光器(VCSEL)。另外地或可选地，光电转换器可包含光探测器(PD)。该光电转换器可包含VCSEL和PD，并且热电冷却器可固定到VCSEL平面表面和PD平面表面的至少一个。在某些情况下，热电冷却器可直接通过环氧树脂固定到光电转换器。
微控制器可由用户配置以选择性地激活和停用热电冷却器，以将光电转换器保持在用户定义的温度范围内。在一些实施方式中，该装置可包含热传感器，并且该微控制器可配置为与热传感器通信，以监测印刷电路板组件的温度。
在一些情况下，该装置可进一步包含光电转换器驱动器，其支撑在印刷电路板组件上，并且光电转换器驱动器可包含配置为控制光电转换器运行的驱动电路。该光电转换器驱动器可配置为检测光电转换器的电流。该微控制器可进一步配置为基于光电转换器驱动器检测的电流确定光电转换器的温度，并且该微控制器可配置为至少部分地基于光电转换器的温度选择性地激活和停用热电冷却器。在一些情况下，该热电冷却器驱动器配置为接收检测的穿过热电冷却器的电压降并且将该检测的电压降通信到微控制器，并且微控制器可配置与热电冷却器驱动器通信，以至少部分基于电压降选择性地激活和停用热电冷却器。
在其它实施方式中，提供了组装光电接口的方法，该方法包括将光电转换器安装在印刷电路板组件上并且将热电冷却器固定到光电转换器。该光电转换器可配置为在光信号和相应电信号之间转换，用于通过光纤电缆相应地发射或接收光信号，并且热电冷却器可配置为从光电转换器移除热量。热电冷却器驱动器可安装在印刷电路板组件上，并且该热电冷却器驱动器可连接到热电冷却器。该热电冷却器驱动器可包含配置为激活和停用热电冷却器的驱动电路。该方法可进一步包括将微控制器安装在印刷电路板组件上并且将微控制器连接到热电冷却器驱动器。该微控制器可配置为监控印刷电路板组件的温度并且与热电冷却器驱动器通信，以至少部分地基于监测温度选择性地激活和停用热电冷却器，以便调节光电转换器的温度。
该光电转换器可包含垂直腔面发射激光器(VCSEL)。另外地或可选地，该光电转换器包含光探测器(PD)。在一些情况下，该光电转换器可包含VCSEL和PD，并且该方法可进一步包括将热电冷却器固定到VCSEL平面表面和PD平面表面的至少一个。该热电冷却器通过环氧树脂直接固定到光电转换器。
该微控制器可由用户配置，以选择性地激活和停用热电冷却器，以将光电转换器保持在用户定义的温度范围内。在一些实施方式中，该方法可进一步包括将热传感器安装在印刷电路板组件并且将热传感器连接到微控制器，其中该微控制器配置为与热传感器通信以监测印刷电路板组件的温度。
在一些情况下，光电转换器驱动器可安装到印刷电路板组件，其中，光电转换器驱动器包含配置为控制光电转换器的运行的驱动电路，并且其中光电转换器驱动器配置为检测光电转换器的电流。该微控制器可进一步配置为基于光电转换器驱动器监测的电流确定光电转换器的温度，其中该微控制器配置为至少部分基于光电转换器的温度选择性地激活和停用热电冷却器。该光电冷却器驱动器可配置为接收检测的穿过热电冷却器的电压降并且将该电压降通信到该微控制器，其中该微控制器配置为与该热电冷却器驱动器通信以至少部分地基于该电压降选择性地激活和停用热电冷却器。
附图简要说明
因此，概括的描述了发明内容，现将参考附图，其无需按比例绘制，其中：
图1是根据示例实施方式的光电接口外壳的透视图；
图2是根据示例实施方式的热电冷却器(TEC)的示意图；
图3是根据示例实施方式的光电接口的透视图；
图4是根据示例实施方式在将TEC安装到光电转换器之前图3光电接口的印刷电路板(PCB)组件的仰视图；
图5是根据示例实施方式在将TEC安装到光电转换器之后的图4的PCB组件的仰视图；
图6是根据示例实施方式的安装到图5光电转换器的TEC的底部特写透视图；和
图7是根据示例实施方式的光电接口的部件之间的电连接的示意图。
具体实施方式
本发明现将参考附图更详细地描述，其中示出了本发明一些但非全部的实施方式。事实上，这些发明可以许多不同的形式实现，并且不应被理解为仅限于此处所列举的实施方式；相反，提供这些实施方式以使本发明内容满足适用的法律要求。在本文中，相同的附图标记代表相同的元件。
如上所述，光电转换器，特别是VCSEL，越来越多地成为光纤网络数据中心中光电接口的最关键的部件之一。由于它们通常需要穿过大带宽运行，光电转换器可是非常温度敏感的。一般来说，例如，将包括VCSEL的光电转换器设计成在大约60℃-65℃的最大运行温度下运行，并且在该范围之上的温度持续运行往往导致光电转换器在寿命结束前发生故障。
参考图1，光电接口，其包括光电转换器及其他组件(清楚起见，未示出)，通常是封在外壳10内。可在光电接口的外壳10的一端部12例如通过光学套圈固定器接收外部光缆(未示出)，在外壳10的另一端部14例如通过印刷电路板(PCB)连接端口16建立电连接。在各自的外壳10内的多个光电接口，可依次位于数据中心的开关盒中，通常在“比萨盒”(例如，保持开关的宽、平盒子)的端部。“比萨盒”的配置可在光电接口的外壳内合成热量生成的效果，因为由于一个或多个部件运行产生的热空气可被驱动到光电转换器所在的“比萨盒”的端部。
通常，光电接口的驱动电路是光电接口中的主要热源。因此，冷却光电接口的常规技术一般集中在减少驱动电路产生的热量或从驱动电路及其环境移除热，使得热不首先到达光电转换器。传统的冷却策略已包括使用与驱动电路和/或其环境导电接触的的冷却塔。这样的被动冷却技术，在某些情况下，还涉及了配置在光电转换器(例如，VCSEL)附近的热电冷却器(TEC)的使用。在常规情况下，TEC不放置成与光电转换器直接接触，而是靠导热层的应用，其接触TEC冷却表面和光电转换器的表面以将热从光电转换器传导到TEC，然后例如通过冷却塔从TEC散热。这种冷却技术的实施例已在题为“用于光电互连模块的集成光冷却核”的美国专利编号9,016,957中进行描述，其通过引用并入本文。
TEC是固态热泵，其利用珀尔帖效应以提供冷却。图2提供了TEC 20的简化示意图。特别地，电流(例如，来自直流(DC)电源22)通过两导体24a，24b(例如，陶瓷基板)。在两基板24a，24b之间提供p和n型半导体元件26，28，并且元件26，28电串联地和热并联地连接到基板。当电流通过一对或多对元件26、28时，基板24a在不同的半导体元件26，28结合处的温度降低，造成散热。热通过电子转移被携带通过TEC 20，并随着电子从高能量状态返回低能量状态，在元件26，28阵列相对侧的基板24b释放。
根据常规技术，数据中心使用TEC的成本是显著的，这在很大程度上是由于TEC的连续运行，其相应需要恒定电流通过TEC。
因此，在此描述的本发明的实施方式提供了通过直接在光电转换器的表面(例如，在VCSEL表面)安装TEC从而在光电接口中直接冷却光电转换器的机制。此外，本发明的实施方式监测光电转换器和/或其环境的温度并，且当温度升高时选择性地激活和停用TEC以冷却光电转换器，从而降低TEC的运行成本，同时将光电转换器保持在所需的温度范围内，这将在下面进行更详细的描述。
现参考图3，显示了光电接口30，其可被放置在如图1所示的外壳10中。该光电接口30可配置以基于通过图1所示的PCB连接端口16接收的电信号，通过内部光缆34的光纤32发送光信号。同样，光电接口30可配置为通过内部光缆34的光纤32接收光信号并且通过PCB连接端口16发射相应电信号。在这方面，光电转换器40可设置为支撑在印刷电路板(PCB)组件42上，如图4描绘的PCB组件42的仰视图所示。光电转换器40可允许光纤32(图3)和PCB连接端口16(图2)的互连，并且可配置为在光信号和相应电信号之间转换，用于相应地通过光纤电缆32发送或接收光信号。
例如，光电转换器40可包括一个光探测器(PD)和/或VCSEL。该PD可配置为检测光，用于将通过光纤32接收到的光信号转换成电信号，该电信号通过PCB连接端口传输。VCSEL可配置为将通过PCB连接端口16接收的电信号转换成光信号，该光信号通过光纤32传输。该PD和VCSEL可通过各自模具连接连接到PCB组件42。
现参考图5，根据本发明的实施方式，TEC 20可固定到光电转换器40，例如通过环氧树脂直接固定在光电转换器的表面。例如，在该光电转换器包括VCSEL 44和PD 46的实施方式中，该TEC 20可固定到VCSEL平面表面和PD平面表面的至少一个。在图5中，例如，TEC20固定到VCSEL 44和PD 46的平面表面，例如衬垫连接到VCSEL 44和PD 46的热二极管以扩大TEC连接区域并且最大化热传递效率。在图4中，提供用于光电转换器40(例如，VCSEL和PD)的一衬垫，而在图5和6中，描绘的实施方式中提供了二衬垫，分别用于VCSEL 44和PD46。例如，TED 20可配置为TEC的“冷”侧与VCSEL 44和/或PD 46的平面表明相邻或接触，以直接从光电转换器除去热量。图6提供了TEC 20的特写图，其示出了远离光电转换器40的TEC的“热”侧24b。
再回到图5，TEC可通过电缆50，52连接到电源22。电缆50可连接到电源22正极，而另一电缆52可连接到电源的负极以允许电流流过TEC 20来产生如上的冷却效果。
现参考图7，TEC 20可电连接到TEC驱动器54。TEC驱动器54可支撑在PCB组件42(如图4-6所示)上并且可包括驱动电路，该驱动电路配置为激活和停用TEC 20。例如，TEC驱动器54可电连接到图5所示的电源22，使得TEC驱动器54能够打开TEC 20的电源以开始冷却光电转换器40，并关闭TEC的电源以停止冷却。
在这方面，可提供微控制器60，其配置为监控PCB组件42的温度并且与TEC驱动器54通信以至少部分地根据监测的温度选择性地激活和停用TEC 20，以便调节光电转换器40的温度。在一些实施方式中，微控制器60可由用户配置(例如，编程)，以选择性地激活和停用TEC20，以将光电转换器40保持在用户定义的温度范围内。一些用户例如可能希望将光电转换器40保持在较低的最佳的运行温度范围，以尽可能延长光电转换器40的寿命。例如，对于VCSEL，用户可配置微控制器60以将VCSEL的温度保持在约55℃-60℃，以达到最佳寿命。然而在其他情况下，用户可能对数据中心实现更低的运营成本更感兴趣，而不是延长光电转换器40的寿命。对于VCSEL，例如，在这种情况下，用户可配置微控制器60以将VCSEL的温度保持在约60℃-70℃。
微控制器60可以各种方式接收关于光电转换器40的温度的反馈，以允许作出TEC20是否应该被激活(以冷却光电转换器40)或停用(一旦光电转换器已冷却到一定程度)的决定。在一些实施方式中，例如，微控制器60可电连接到热传感器62，如图7所示。微控制器60可配置为与热传感器62通信，以监测PCB组件42的温度。在这方面，PCB组件42的温度可指示光电转换器40的温度，因为不可能直接测量光电转换器(例如，PD或VCSEL)的温度。
此外，可提供光电转换器驱动器64(例如，VCSEL驱动器)，其支撑在PCB组件上并且电连接到光电转换器40(例如，VCSEL)。光电转换器驱动器64可包括驱动电路，该驱动电路配置为控制光电转换器40的运行，例如用于根据相应的通过PCB连接端口16(如图1所示)接收的电信号指挥光(光信号)的发射。
在一些实施方式中，光电转换器驱动器64可配置为检测光电转换器40的电流。检测到的电流(例如，检测到穿过VCSEL的电流)可相应通信到微控制器60，并且微控制器可配置为基于光电转换器驱动器64检测的电流确定光电转换器40的相应温度。微控制器60可轮流相应配置为至少部分地基于光电转换器的温度(例如，VCSEL的温度，根据检测到的通过VCSEL电流确定)选择性地激活和停用TEC 20。
在其它实施方式中，TEC驱动器54可配置为接收检测到穿过TEC 20的电压降并且将检测的电压降通信到微控制器60。微控制器60可相应配置为与TEC驱动器54通信，以至少部分地基于电压降选择性地激活和停用TEC 20，该电压降表明从光电转换器40吸收的热的数量。此外，在一些实施方式中，光电转换器驱动器64可配置为测量穿过光电转换器40的电压降。例如，VCSEL驱动器可检测穿过VCSEL的电压降，和/或PD驱动器可检测穿过PD的电压降。微控制器60可相应接收该电压降的读数并且可将该电压降和闭环系统中热传感器62的反馈进行比较。相应地，微控制器62可接收热反馈的二个信号，例如，一信号从热传感器62接收并且一信号从光电转换器驱动器64接收。然后，利用温度补偿电路，微控制器62可关闭环路以确定光电转换器40的实际温度，并且如上所述，确定的光电转换器40的实际温度可用于选择性地激活和停用TEC。而且，在一些实施方式中，微控制器60可向其他系统部件报告电压和温度信息，例如向系统主机。微控制器60、(多个)光电转换器驱动器64、TEC驱动器54和其他部件可进一步连接到电接口连接器，例如四通道小型可插拔(QSFP)连接器，如图7所示。
因此，如以上参照图1-7所描述的，提供了一个装置，其包括响应于来自TEC驱动器的指令用于从光电转换器移除热量的固定在光电转换器上的TEC，以及电连接到TEC驱动器的微控制器，该微控制器用于监测温度并且与TEC驱动器通信，以至少部分地基于监测的温度和/或测量的/检测的数据选择性地激活和停用TEC，以实现更有效的用于光电转换器(例如VCSEL)的冷却机制，以达到光电转换器的更长寿命和更好性能。
在一些实施方式中，提供了组装光电接口的方法。根据该方法的实施方式，光电转换器可被安装到PCB组件上，其中光电转换器配置为在光信号和相应电信号之间转换，用于相应地通过光纤电缆发射或接收光信号。TEC可固定到光电转换器，其中TEC配置为从光电转换器移除热，如上所述。此外，TEC驱动器可安装到PCB组件并且连接到TEC。TEC驱动器可包含配置激活或停用TEC的驱动电路。在这方面，微控制器可安装到PCB组件并且连接到TEC驱动器。微控制器可配置为监测PCB组件的温度并且与TEC驱动器通信，以至少部分地基于监测的温度选择性地激活和停用TEC，以便调节光电转换器的温度。
如上所述，在一些实施方式中，光电转换器可包括垂直腔面发射激光器(VCSEL)，在一些实施方式中光电转换器可包含光探测器(PD)。在某些情况下，光电转换器可包含VCSEL和PD，并且该方法可进一步包含将TEC固定在VCSEL平面表面或PD平面表面的至少一个上。例如，该TEC可直接通过环氧树脂固定在光电转换器上。
在一些实施方式中，微控制器可由用户配置，以选择性地激活和停用TEC，以将光电转换器保持在用户定义的温度范围内，如上所述。此外，根据该方法的一些实施方式，热传感器可安装到PCB组件并且连接到微控制器。微控制器可配置为与热传感器通信，以监测PCB组件的温度。
根据该方法的一些实施方式，光电转换器驱动器可安装到PCB组件上。光电转换器驱动器可包括配置为控制光电转换器运行的驱动电路，并且该光电转换器驱动器可配置为检测光电转换器的电流，如上所述。此外，微控制器还可配置为基于光电转换器驱动器检测的电流确定光电转换器的温度，并且微控制器可配置为至少部分地基于光电转换器的温度选择性地激活和停用TEC。在一些实施方式中，TEC驱动器可配置为接收检测的穿过热电冷却器的电压降并且将该电压降通信到微控制器。该微控制器可配置为与TEC驱动器通信，以至少部分地基于电压降选择性地激活和停用TEC。
在此阐明的本发明的许多修改和其他实施方式将使本发明所属领域的技术人员想到存在于上述说明书和相关附图的教导的益处。虽然这些附图只显示了本文所描述的装置和系统的某些部件，但应当理解的是，各种其他部件(例如，通常会安装在PCB组件上的部件)也可以是光电接口和光纤系统的一部分。因此，应当理解的是，本发明不限于所披露的具体实施方式，并且修改和其他实施方式拟包含在附加权利要求的范围内。虽然本文采用特定术语，但它们仅用于一个通用的和描述性的意义，而不是用于限制的目的。

Claims (20)

1.一种装置，包含：
印刷电路板组件；
光电转换器，其支撑在印刷电路板组件上，并且配置为在光信号和相应电信号之间转换，用于相应地通过光纤电缆发射或接收光信号；
热电冷却器，其固定到光电转换器，并且配置为从光电转换器移除热；
热电冷却器驱动器，其支撑在印刷电路板组件上，并且其包含配置为激活和停用热电冷却器的驱动电路；和
微控制器，其配置为监测印刷电路板组件的温度并且与热电冷却器驱动器通信，以至少部分地根据监测的温度选择性地激活和停用热电冷却器，从而调节光电转换器的温度。
2.根据权利要求1所述的装置，其中光电转换器包含垂直腔面发射激光器（VCSEL）。
3.根据权利要求1所述的装置，其中光电转换器包含光探测器（PD）。
4.根据权利要求1所述的装置，其中光电转换器包含VCSEL和PD，并且其中热电冷却器固定到VCSEL平面表面和PD平面表面的至少一个上。
5.根据权利要求1所述的装置，其中热电冷却器直接通过环氧树脂固定到光电转换器。
6.根据权利要求1所述的装置，其中微控制器可由用户配置，以选择性地激活和停用热电冷却器，以将光电转换器保持在用户定义的温度范围内。
7.根据权利要求1所述的装置，进一步包含热传感器，其中微控制器配置为与热传感器通信，以监测印刷电路板组件的温度。
8.根据权利要求1所述的装置，进一步包含光电转换器驱动器，其支撑在印刷电路板组件上，其中光电转换器驱动器包含配置为控制光电转换器运行的驱动电路，其中光电转换器驱动器配置为检测光电转换器的电流。
9.根据权利要求8所述的装置，其中微控制器进一步配置为基于光电转换器驱动器检测的电流确定光电转换器的温度，其中微控制器配置为至少部分地基于光电转换器的温度选择性地激活和停用热电冷却器。
10.根据权利要求1所述的装置，其中热电冷却器驱动器配置为接收检测的穿过热电冷却器的电压降并且将该检测的电压降通信到微控制器，其中微控制器配置为与热电冷却器驱动器通信，以至少部分基于电压降选择性地激活和停用热电冷却器。
11.一种组装光电接口的方法，包括：
将光电转换器安装在印刷电路板组件上，其中光电转换器配置为在光信号和相应电信号之间转换，用于相应地通过光纤电缆发射或接收光信号；
将热电冷却器固定到光电转换器，其中热电冷却器配置为从光电转换器中移除热；
将热电冷却器驱动器安装到印刷电路板组件并且将热电冷却器驱动器安装到热电冷却器，其中热电冷却器驱动器包含配置为激活和停用热电冷却器的驱动电路；和
将微控制器安装到印刷电路板组件并且将微控制器连接到热电冷却器驱动器，其中微控制器配置为监控印刷电路板组件的温度并且与热电冷却器驱动器通信，以至少部分地基于监测温度选择性地激活和停用热电冷却器，以便调节光电转换器的温度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中光电转换器包含垂直腔面发射激光器（VCSEL）。
13.根据权利要求11所述的方法，其中光电转换器包含光探测器（PD）。
14.根据权利要求11所述的方法，其中光电转换器包含VCSEL和PD，所述方法进一步包含将热电冷却器固定到VCSEL平面表面和PD平面表面中的至少一个上。
15.根据权利要求11所述的方法，其中热电冷却器通过环氧树脂直接固定到光电转换器。
16.根据权利要求11所述的方法，其中微控制器由用户配置为选择性地激活和停用热电冷却器，以将光电转换器保持在用户定义的温度范围内。
17.根据权利要求11所述的方法，进一步包含将热传感器安装到印刷电路板组件并且将热传感器连接到微控制器，其中微控制器配置为与热传感器通信，以监测印刷电路板组件的温度。
18.根据权利要求11所述的方法，进一步包含将光电转换器驱动器安装到印刷电路板组件，其中光电转换器驱动器包含配置用于控制光电转换器的运行的驱动电路，其中光电转换器驱动器配置为检测光电转换器的电流。
19.根据权利要求18所述的方法，其中微控制器进一步配置为基于光电转换器驱动器检测的电流确定光电转换器的温度，其中微控制器配置为至少部分基于光电转换器的温度选择性地激活和停用热电冷却器。
20.根据权利要求11所述的方法，其中热电冷却器驱动器配置为接收检测的穿过热电冷却器的电压降并且将所述电压降通信到微控制器，其中微控制器配置为与热电冷却器驱动器通信，以至少部分地基于电压降选择性地激活和停用热电冷却器。
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