CN110137789B - 一种直接调制激光器中的热隔离高频信号传输结构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光电子器件领域，公开了一种直接调制激光器中的热隔离高频信号传输结构。包括第一传输电路片、第二传输电路片、电容、激光器芯片、半导体制冷器、恒温区域和非恒温区域，所述第一传输电路片和第二传输电路片分别安装在非恒温区域和恒温区域，所述电容的两个金属电极分别安装在第一传输电路片和第二传输电路片上，所述第二传输电路片的传输线和激光器芯片表面焊盘连接，所述恒温区域和非恒温区域的热量通过半导体制冷器传递。本发明中电容的两个金属电极分别安装在恒温区域和非恒温区域，金属电极之间的介质材料可以是热导率很低的材料，减弱非恒温区域和恒温区域之间的热传导，从而降低半导体制冷器的功耗和电流。

Description

一种直接调制激光器中的热隔离高频信号传输结构

技术领域

本发明涉及光电子器件领域，特别是一种直接调制激光器中的热隔离高频信号传输结构。

背景技术

在光电子领域中，直接调制激光器是把微波信号加载到激光器上，对激光器输出光信号进行调制的一种器件。直调激光器是一种对温度非常敏感的芯片，当其温度偏高或者偏低时，芯片产生的光波波长会发生偏移，对其性能产生很大的影响，因此激光器所在区域温度要求稳定在常温范围。通过激光器下方的半导体制冷器(半导体制冷器在通电时可将一侧的热量传递到另一侧，形成冷端面和热端面)可以实现，此处不做详述。典型的直调激光器芯片加载微波信号的传输结构有以下两种实现方式：(1)在非恒温区域和和恒温区域各有一片传输电路片，两片电路片之间通过金丝级联，将微波信号传输并加载到激光器芯片上。(2)传输电路片直接从非恒温区域搭接到恒温区域，将微波信号传输并加载到激光器芯片上。

在上述两种结构中，非恒温区域的温度总是随着环境温度的改变而改变，其温度总是高于或者低于恒温区域。在高温环境中，非恒温区域中的热量会不断的通过金丝或者电路片表面金层传递到恒温区域的激光器芯片上。在低温环境中，恒温区域中的热量会不断的传递到非恒温区域。这会导致对激光器芯片进行恒温控制的半导体制冷器的电流和功耗增加，才能维持激光器芯片的恒温。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对上述存在的问题，提供了一种直接调制激光器中的热隔离高频信号传输结构。

本发明采用的技术方案如下：一种直接调制激光器中的热隔离高频信号传输结构，包括第一传输电路片、第二传输电路片、电容、激光器芯片、半导体制冷器、恒温区域和非恒温区域，所述第一传输电路片和第二传输电路片分别安装在非恒温区域和恒温区域，所述电容的两个金属电极分别安装在第一传输电路片和第二传输电路片上，所述第二传输电路片的传输线和激光器芯片表面焊盘连接，所述恒温区域和非恒温区域的热量通过半导体制冷器传递。

进一步的，所述第二传输电路片的传输线和激光器芯片表面焊盘之间采用键合的方式连接。

进一步的，所述激光器芯片安装在恒温区域上。

进一步的，所述电容的两个金属电极之间的介质材料采用热导率小于0.5W/m·K的材料。

进一步的，所述电容的两个金属电极之间的介质材料可以采用聚四氟乙烯或者陶瓷或者玻璃，但不局限于上述材料。

进一步的，所述非恒温区域具有第一台阶和第二台阶，所述第一台阶和第二台阶的上表面水平，所述第一台阶的上表面高于第二台阶的上表面，所述第二台阶的上表面安装半导体制冷器，所述半导体制冷器上面设置恒温区域。

进一步，所述第二传输电路片和激光器芯片的水平高度接近或者相同。

与现有技术相比，采用上述技术方案的有益效果为：采用本发明的技术方案，由于高频信号可以通过电容正常传输，因此本发明将电容安装在两个传输电路片之间可以确保高频信号从非恒温区域到激光器芯片的正常传输。

本发明中电容的两个金属电极分别安装在恒温区域和非恒温区域，金属电极之间的介质材料可以是热导率很低的材料(如聚四氟乙烯、陶瓷、玻璃等)，这可以增大非恒温区域和恒温区域之间的传热热阻，减弱非恒温区域和恒温区域之间的热传导，从而降低半导体制冷器的功耗和电流。

附图说明

图1是本发明直接调制激光器中的热隔离高频信号传输结构的轴侧示图。

图2是本发明直接调制激光器中的热隔离高频信号传输结构的侧示图。

图3是本发明传输结构的仿真模型示意图。

图4是典型传统技术中金丝级联的仿真模型示意图。

图5是典型传统技术中电路片搭接的仿真模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述。

因为金丝以及传输电路片表面的金层均是热的良导体，热导率很高，热阻很小。增大这部分热阻，可降低恒温区域和非恒温区域之间的热传导，从而降低恒温区域处半导体制冷器的电流和功耗。

如1和2所示，一种直接调制激光器中的热隔离高频信号传输结构，包括第一传输电路片1、第二传输电路片2、电容、激光器芯片、半导体制冷器、恒温区域和非恒温区域，所述第一传输电路片1和第二传输电路片2分别安装在非恒温区域和恒温区域，所述电容的两个金属电极分别安装在第一传输电路片1和第二传输电路片2上，所述第二传输电路片2的传输线和激光器芯片表面焊盘连接，所述恒温区域和非恒温区域的热量通过半导体制冷器传递。

由于高频信号可以通过电容正常传输，因此本发明将电容安装在两个传输电路片之间可以确保高频信号从非恒温区域到激光器芯片的正常传输。典型的高频信号传输结构通过金丝级联或者电路片搭接来传输信号，这会引起非恒温区域和恒温区域之间的热量传递，引起半导体制冷器功耗的增加。本发明中电容的两个金属电极分别安装在恒温区域和非恒温区域，金属电极之间的介质材料可以是热导率很低的材料(如聚四氟乙烯、陶瓷、玻璃等)，这可以增大非恒温区域和恒温区域之间的传热热阻，减弱非恒温区域和恒温区域之间的热传导，从而降低半导体制冷器的功耗和电流。

本实施例传输电路片采用0.127mm厚的RT/Duroid 5880材料来制作。电容采用100pF片式电容，其尺寸为0.6mmx0.3mmx0.5mm。分别对典型的激光器加载微波信号传输结构及本发明的传输结构进行热传导仿真。仿真模型如图3所示，典型传统结构中的金丝级联、电路片搭接的仿真模型如图4、5所示。

设置环境温度为70℃，激光器芯片的功耗为0.2W，仿真的目标是控制半导体制冷器的电流和功耗，使处于恒温区域的激光器芯片温度达到稳定的25°。仿真结果如下表1所示，对比三种传输结构的仿真结果：采用典型的电路片搭接传输结构，非恒温和恒温区域之间的传导热量达到了0.169W，半导体制冷器的电流达到了0.62A，功耗达到了1.044W。采用典型的金丝级联传输结构，非恒温和恒温区域之间的传导热量达到0.023W，此时半导体制冷器的电流为0.58A，功耗为0.92W。而采用本发明传输结构，非恒温和恒温区域之间的传导热量仅仅为0.005W，远小于激光器芯片功耗，可忽略不计，此时的半导体制冷器的电流为0.52A，功耗仅为0.83W。采用本发明的热隔离高频信号传输结构，相比采用典型的金丝级联的传输结构，半导体制冷器的功耗降低了10％，相比典型的电路片搭接传输结构，半导体制冷器的功耗降低了20.5％。

表1不同传输结构时的仿真结果

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。如果本领域技术人员，在不脱离本发明的精神所做的非实质性改变或改进，都应该属于本发明权利要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种直接调制激光器中的热隔离高频信号传输结构，其特征在于，包括第一传输电路片、第二传输电路片、电容、激光器芯片、半导体制冷器、恒温区域和非恒温区域，所述第一传输电路片和第二传输电路片分别安装在非恒温区域和恒温区域，所述电容的两个金属电极分别安装在第一传输电路片和第二传输电路片上，所述第二传输电路片的传输线和激光器芯片表面焊盘连接，所述恒温区域和非恒温区域的热量通过半导体制冷器传递；所述电容的两个金属电极之间的介质材料采用热导率小于0.5W/m·K的材料；所述激光器芯片安装在恒温区域上；所述半导体制冷器上面设置恒温区域。

2.如权利要求1所述的直接调制激光器中的热隔离高频信号传输结构，其特征在于，所述第二传输电路片的传输线和激光器芯片表面焊盘之间采用键合的方式连接。

3.如权利要求1所述的直接调制激光器中的热隔离高频信号传输结构，所述电容的两个金属电极之间的介质材料采用聚四氟乙烯或者陶瓷或者玻璃。

4.如权利要求3所述的直接调制激光器中的热隔离高频信号传输结构，所述非恒温区域具有第一台阶和第二台阶，所述第一台阶和第二台阶的上表面水平，所述第一台阶的上表面高于第二台阶的上表面，所述第二台阶的上表面安装半导体制冷器。

5.如权利要求4所述的直接调制激光器中的热隔离高频信号传输结构，所述第二传输电路片和激光器芯片的水平高度接近或者相同。

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