CN107332624B - 一种可完成线性调制方式的dml器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种DML器件，属于光通信技术领域，具体是涉及一种可完成线性调制方式的DML器件。本发明选用具有线性特性的DML激光器及具有信号校准功能的线性激光器驱动电路，同时通过将激光器驱动电路置于封装管壳外部的新型封装结构，解决了DML光发射器线性度差，发热严重的问题，同时简化了器件封装结构，可以做到更小型化，更低功耗的设计。

Description

一种可完成线性调制方式的DML器件

技术领域

本发明涉及一种DML器件，属于光通信技术领域，具体是涉及一种可完成线性调制方式的DML器件。

背景技术

随着大数据的日益普及，核心网传输带宽需求每年均有大幅度的提升。当前进一步提升带宽的思路主要包括几个方面：提升信号速率，增加传输链路数及采用高阶调制模式。相对于目前广泛采用的NRZ调制模式，在相同波特率条件下，PAM4的传输速度是NRZ的2倍。

然而，由于PAM4调制技术自身的特性，在相同信号摆幅情况下，PAM4对噪声要求会高于NRZ，同时PAM4对于信号线性度的要求也远远高于NRZ，这样对组装光模块的光发射组件(TOSA)提出了更高的要求。

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。

目前广泛使用的DML TOSA组件，往往采用内置激光器驱动电路的方式封装，这种封装结构器件有以下缺点：

1、器件内部结构复杂，工艺难度高，量产较难保证较高良率；

2、由于激光器驱动电路内置，器件内部排布拥挤，难以做到小型化设计；

3、内置激光器驱动电路的发热，会造成器件高温功耗偏高或根本不能控温。

以上这些问题直接限制了PAM4技术在光发射组件的普及应用。

发明内容

本发明主要是解决现有基于PAM4调制模式的DML光发射组件高温工耗偏大的问题，提出了一种可完成线性调制方式的DML光发射组件，解决了DML光发射器发热严重的问题，可以做到更小型化，更低功耗的设计。该组件通过将激光器驱动电路置于封装管壳外部的新型封装结构，器件内部封装结构简单，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，避免了外置激光器驱动芯片造成PAM4调制模式下信号劣化的问题，并且通过串行信号的控制结构减少了信号的引脚。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

一种可完成线性调制方式的DML器件，包括：置于管壳内部的PD阵列，DML激光器及温控模块；还包括设置于管壳外部管脚上的激光器驱动芯片。

优选的，上述的一种可完成线性调制方式的DML器件，每通道的DML激光器配备监控单元PD元件，按激光器贴装间距一一安装于激光器背面出光面。

优选的，上述的一种可完成线性调制方式的DML器件，所述PD阵列包括多个PD光敏面，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。

优选的，上述的一种可完成线性调制方式的DML器件，所述激光器驱动芯片为BGA封装结构，并且通过管壳管脚及金线连接DML激光器。

优选的，上述的一种可完成线性调制方式的DML器件，所述激光器驱动芯片通过SMT工艺贴装与管壳外部管脚上。

优选的，上述的一种可完成线性调制方式的DML器件，所述温控模块包括置于钨铜管壳底部上的独立温控元件；所述独立温控元件上表面设置钨铜热沉，所述钨铜热沉与PD阵列及DML激光器相邻设置；所述PD阵列及DML激光器通过金线与钨铜管壳的管角相连。

因此，本发明具有如下优点：

1、激光器驱动芯片外置，器件内部排布空间会较为宽松并且内部发热量少，器件可以做到更小型化的设计，并且高温环境下TEC仍可工作在较优工况，整个器件功耗会较低。

2、器件内部结构简单，金丝键合数较少，批生产可以保证较高工时工效，降低生产成本；

3、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。

附图说明

图1是DML器件内部主要结构的正视图。

图2是传统的内置激光器驱动芯片的集成DML器件典型结构示意图。

图3、图4、图5是激光器驱动芯片与管芯的金线连接示意图。

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：

本实施例是一款可用于PAM4调制模式的集成200G DML TOSA光器件，主要元件包含线性DML激光器，线性DML激光器驱动芯片，TEC及PD阵列等。外部电路通过PCB板及软带对TOSA器件进行供电，激光器驱动芯片通过管壳管脚、键合金丝等及DML激光器形成链路。

图2显示的为传统的内置激光器驱动芯片的集成DML器件方案典型结构示意图，激光器驱动芯片201位于管壳内部DML激光器芯片202背光面，通过键合金丝连接管壳外部管脚和激光器。其中激光器芯片，激光器芯片驱动电路为器件内部热源。激光器驱动芯片由于自身内阻，工作时会产生大量的热，其中较多热量会经过键合金丝及钨铜热沉203传导至TEC204冷面然后导出到管壳底面205。当外部环境温度高于器件内部温度时，TEC冷面上还会叠加外部信号至LD激光器链路传导过来的热量，为稳定控制激光器芯片工作在预设温度，TEC需要增大其工作电流来提供更大制冷量降温。外部环境与器件内部温差越大，TEC需提供制冷量的越大，相应的工作电流越大，器件功耗越大。当工作电流超出TEC设计的最大工作电流时，就会造成器件内部温度失控，导致器件的失效甚至损坏。

为了解决内置激光器芯片发热造成器件功耗偏大的问题，本发明将激光器驱动芯片置于管壳外部，并通过散热片与模块外壳形成良好散热通道，激光器驱动芯片大部分热量会通过散热片传导至模块外壳，组件内部仅有LD激光器发热及外部环境通过管壳传导至器件内部的热量，TEC负载小，可始终工作在较小电流的工况，保证整个器件的稳定工作及较低功耗。

具体结构如图1所示，独立温控元件105置于钨铜管壳106底部，上表面放置钨铜热沉104，在钨铜热沉9上面从左向右依次放置PD阵列102，DML激光器103。激光器驱动芯片101置于管壳外部管脚107上。通过高频仿真分析，优化设计外部信号至LD激光器传输链路，尽量减小链路的寄生电容及寄生电感，增加阻抗适配度；同时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金丝长度和角度共同在器件内部实现信号校准功能，改善输出光信号质量，优化器件高频性能。DML激光器103可以为单通道单波或多通道多波的形式。

线性DML激光器驱动芯片，置于管壳外部管脚上，与外部管脚通过SMT(表面贴装技术)形成电连接，用于给DML激光器提供所需的电信号及对输入激光器的电信号进行校准和补偿，在PAM4信号生成的过程中，通过调整芯片参数配置控制PAM4信号各电平的幅度，补偿激光器非线性特性对输出信号的影响。其通过管壳内部走线及键合金丝与LD激光器形成链路，根据器件设计，驱动芯片可采用集成或非集成的形式。

传统的内置激光器驱动芯片的集成DML器件方案中，激光器驱动芯片与散热钨铜间使用导电胶粘接固定，同时为在器件内部形成电链路，激光器驱动芯片与管壳及管芯间需键合大量金丝，器件通道数越多，键合的金丝数量及所需工时越多，同时由于金丝虚焊或脱落造成器件失效的风险越大。本发明选用成熟的SMT贴装工艺，使用SnAgCu焊膏将激光器驱动芯片贴装在陶瓷管壳外部管脚上，同时选用合适的回流温度曲线，设置回流温度约为220℃，并使用X-Ray检测筛选驱动芯片焊球情况，方便批量生产工艺的同时，更利于提高产品的可靠性。

本实施例中，PD(背光监控光电二极管)阵列包括多个所述PD光敏面，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补偿电路相连。

本实施例中激光器芯片采用传输速率为25Gbs，波长分别为1295nm、1300nm、1305nm、1310nm的LAN-WDM DML激光器，激光器驱动芯片为4通道集成芯片。

同时本实施例为避免外置激光器驱动芯片造成高速信号的劣化，满足PAM4调制模式对输出信号质量的要求，需要控制激光器驱动芯片至激光器管芯之间键合金丝的长度和角度。图3至图4是器件激光器驱动芯片101与管芯102之间的金线连接示意图，图3中第一金线108的长度和弯曲度都合适，信号质量很好，图4中第二金线109的长度合适、弯曲度不合适，信号质量很差，图5中第三金线110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。

推荐激光器驱动芯片101与管芯102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。

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，集成在激光器驱动芯片101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PAM4调制模式下高质量输出信号。

此外，由于外部控制电路需要实时监控及调整光发射组件出光强度，以稳定激光器出光功率，对应的每通道激光器需要配备相应的监控单元PD元件，按激光器贴装间距一一安装于激光器背面出光面，用来监控激光器的背光功率，由于LD激光器背光与前光具有稳定的线性关系，通过反馈背光功率可以实时监控激光器前光输出功率的变化。每一通道PD与管壳管脚通过金丝键合的方式形成电连接，与外部控制电路形成闭环控制，通过控制激光器驱动电路调节输入激光器的电流，稳定激光器前光出光功率。

本实施例应用于基于PAM4调制模式的集成200G器件中能够输出满足协议要求的光信号，同时器件具有结构简单，功耗低的优点。但是，需要强调的是，本实施中的方案并不限于200G器件中，对于非200G高速器件也同样适用。

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。

Claims (4)

1.一种可完成线性调制方式的DML器件，包括：置于管壳内部的PD阵列(102)，DML激光器(103)及温控模块；其特征在于，还包括设置于管壳外部管脚上的激光器驱动芯片(101)；所述PD阵列(102)包括多个PD光敏面，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；所述温控模块包括置于钨铜管壳(106)底部上的独立温控元件(105)；所述独立温控元件(105)上表面设置钨铜热沉(104)，所述钨铜热沉(104)与PD阵列(102)及DML激光器(103)相邻设置；所述PD阵列(102)及DML激光器(103)通过金线与钨铜管壳(106)的管角相连。

2.根据权利要求1所述的一种可完成线性调制方式的DML器件，其特征在于，每通道的DML激光器(103)配备监控单元PD元件，按激光器贴装间距一一安装于激光器背面出光面。

3.根据权利要求1所述的一种可完成线性调制方式的DML器件，其特征在于，所述激光器驱动芯片(101)为BGA封装结构，并且通过管壳管脚及金线连接DML激光器(103)。

4.根据权利要求1所述的一种可完成线性调制方式的DML器件，其特征在于，所述激光器驱动芯片(101)通过SMT工艺贴装于管壳外部管脚上。