CN110542958B - 用于数据通信的耐高温光电转换模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于数据通信的耐高温光电转换模块,包括陶瓷壳体、光连接器、第一耐高温多模光纤、第二耐高温多模光纤、光源载体、量子点激光器芯片、光敏探测器芯片、探测器载体、发光驱动集成电路芯片和输出处理集成电路芯片,所述光源载体、探测器载体、发光驱动集成电路芯片和输出处理集成电路芯片均通过共晶焊工艺烧结在陶瓷壳体内,所述量子点激光器芯片通过共晶焊工艺烧结在光源载体上,所述光敏探测器芯片通过共晶焊工艺烧结在探测器载体上。本发明改善了光功率和响应光电流参数,通过将输入驱动控制电路和输出电路制作成单片集成电路,解决了分立元器件体积大,可靠性差的问题;外形尺寸小,方便安装和使用,抗干扰能力强。

Description

用于数据通信的耐高温光电转换模块
技术领域
本发明涉及光纤通信领域,特别涉及一种用于数据通信的耐高温光电转换模块。
背景技术
在数据传输通信领域中,基于光纤的数据通信是较为常见的一种通信方法,随着军用航空航天技术的飞速发展,特别是一些复杂的电磁环境、高低温环境下对光通信技术的环境适应性、可靠性要求越来越高。
现有光纤通信技术中,尤其是光电一体化模块通信技术中,虽有特种光纤可以耐高温,但受限于发光器件温度特性和接收处理电路的温漂特性,产品工作温度范围仅为-40℃~85℃,且非密封,可靠性不高,部分可工作于100℃的SLD激光器还需调制制冷,电路结构复杂且体积较大,用无法应用于环境温度要求高(-55℃~130℃)的环境。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供了一种外形尺寸小、抗干扰能力强的用于数据通信的耐高温光电转换模块。
本发明的技术方案如下:
用于数据通信的耐高温光电转换模块,包括陶瓷壳体、光连接器、第一耐高温多模光纤、第二耐高温多模光纤、光源载体、量子点激光器芯片、光敏探测器芯片、探测器载体、发光驱动集成电路芯片和输出处理集成电路芯片,所述光源载体、探测器载体、发光驱动集成电路芯片和输出处理集成电路芯片均通过共晶焊工艺烧结在陶瓷壳体内,所述陶瓷壳体的外壁上设有多个管脚;
所述量子点激光器芯片通过共晶焊工艺烧结在光源载体上,所述第一耐高温多模光纤的一端与量子点激光器芯片发光面耦合对准连接,另一端穿出陶瓷壳体并与光连接器连接;所述光敏探测器芯片通过共晶焊工艺烧结在探测器载体上,所述第二耐高温多模光纤的一端与光敏探测器芯片光敏面耦合对准连接,另一端穿出陶瓷壳体并与光连接器连接;
所述发光驱动集成电路芯片分别与量子点激光器芯片的输入端口以及陶瓷壳体的管脚电连接,所述输出处理集成电路芯片分别与探测器载体的输出端口以及陶瓷壳体的管脚电连接。
进一步的,所述第一耐高温多模光纤的穿设处通过焊接固化连接在陶瓷壳体上,所述第二耐高温多模光纤的穿设处通过焊接固化连接在陶瓷壳体上。
进一步的,所述光连接器采用J599耐高温连接器;所述第一耐高温多模光纤的穿出端和第二耐高温多模光纤的穿出端分别与光连接器内部的两个陶瓷芯连接,两个所述耐高温多模光纤与对应端陶瓷芯的连接处均采用耐高温胶灌封处理。
进一步的,所述陶瓷壳体采用可密封陶瓷金属化壳体。
进一步的,所述第一耐高温多模光纤一端的端面进行金属化处理,且与量子点激光器芯片发光面耦合对准并焊接;所述第二耐高温多模光纤一端的端面进行金属化处理,且与光敏探测器芯片光敏面耦合对准并焊接。
进一步的,所述量子点激光器芯片采用1.3μm砷化镓半导体量子点激光器;所述光敏探测器芯片采用高响应度低漏电流铟镓砷光敏探测器芯片。
进一步的,所述发光驱动集成电路芯片集成有驱动电路、控制电路和温度补偿电路,从而在高温下自动调节量子点激光器芯片输出的光功率。
进一步的,所述输出处理集成电路芯片为采用硅基双极性工艺制作的数字电路输出芯片,内部集成有整形电路、滤波电路、比较电路、放大电路和推拉门输出电路。
有益效果:
1、采用砷化镓半导体量子点激光器芯片和高响应度低漏电流铟镓砷光敏探测器芯片,改善了光功率和响应光电流参数,使得工作温度可以达到130℃;
2、将输入驱动控制电路和输出电路分别制作成单片集成电路,发光驱动集成电路芯片创新地集成控制电路、驱动电路及温度补偿电路,解决了分立元器件体积大,可靠性差的问题,输出处理集成电路芯片可根据电路应用环境调整传输速率和输出形式,不需要外加放大整形滤波电路;
3、将光纤、光连接器固定制作在光通信模块上,外形尺寸小,方便安装和使用,抗干扰能力强,环境适应性好,在严酷环境下仍可正常进行光纤数据通信。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为陶瓷壳体的内部结构示意图;
图3为图2的俯视图;
图4为图2的左视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
在本发明的描述中,除非另有规定和限定,需要说明的是,术语“连接”应做广义理解,例如,可以是机械连接或电连接,也可以是两个元件内部的连通,可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,对于本领域的普通技术人员而言,可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
如图1、图2、图3和图4所示,本发明包括陶瓷壳体1、光连接器2、第一耐高温多模光纤31、第二耐高温多模光纤32、光源载体4、量子点激光器芯片5、光敏探测器芯片6、探测器载体7、发光驱动集成电路芯片8和输出处理集成电路芯片9,所述陶瓷壳体1采用可密封陶瓷金属化壳体,该陶瓷壳体1内部设有空腔,所述光源载体4、探测器载体7、发光驱动集成电路芯片8和输出处理集成电路芯片9均通过共晶焊工艺烧结在陶瓷壳体1内部的空腔中,所述陶瓷壳体1的外壁上设有八个管脚。
所述量子点激光器芯片5通过共晶焊工艺烧结在光源载体4上,从而通过光源载体4散热,所述第一耐高温多模光纤31一端的端面进行金属化处理,且与量子点激光器芯片5发光面耦合对准并焊接固化,另一端穿出陶瓷壳体1并与光连接器2连接,所述第一耐高温多模光纤31的穿设处通过焊接固化连接在陶瓷壳体1上;所述光敏探测器芯片6通过共晶焊工艺烧结在探测器载体7上,所述第二耐高温多模光纤32一端的端面进行金属化处理,且与光敏探测器芯片6光敏面耦合对准并焊接固化,另一端穿出陶瓷壳体1并与光连接器2连接,所述第二耐高温多模光纤32的穿设处通过焊接固化连接在陶瓷壳体1上。
所述光连接器2采用J599耐高温连接器,所述第一耐高温多模光纤31的穿出端和第二耐高温多模光纤32的穿出端分别与光连接器2内部的两个陶瓷芯连接,两个所述耐高温多模光纤与对应端陶瓷芯的连接处均采用耐高温胶灌封处理。
所述量子点激光器芯片5采用特种1.3μm半导体砷化镓量子点激光器芯片,工作波长为1200nm~1400nm,该激光器芯片对注入载流子具有三维量子限制结构,温度特性和光化学稳定性好,通过对量子点的生长温度以及量子点的叠层生长进行控制,可以使量子点激光器芯片5工作于130℃高温环境中;基于量子点激光器芯片5中激光器的工作特性,为满足光功率耦合要求,所述第一耐高温多模光纤31和第二耐高温多模光纤32均采用内径62.5μm的特种耐高温多模光纤。
所述光敏探测器芯片6为低暗电流高响应度探测器,采用铟镓砷光敏探测器芯片,其响应波长与量子点激光器芯片5的工作波长相匹配,通过优化MOCVD外延工艺技术以及器件材料及结构,包括改变探测器吸收层耗尽区的背景浓度等,可以使得探测器在高温下的暗电流及响应度参数均满足数据通信要求。
所述发光驱动集成电路芯片8采用单片集成电路,基于CMOS工艺集成有驱动电路、控制电路和温度补偿电路,从而在高温下自动调节量子点激光器芯片5输出的光功率。
所述输出处理集成电路芯片9为采用硅基双极性工艺制作的数字电路输出芯片,内部集成有整形电路、滤波电路、比较电路、放大电路和推拉门输出电路,输出端能够兼容TTL电路、LSTTL电路和CMOS电路。
量子点激光器芯片5输入端口的正端连接发光驱动集成电路芯片8的输出正端,量子点激光器芯片5输入端口的负端连接发光驱动集成电路芯片8的输出负端;光敏探测器芯片6输出端口的正端连接输出处理集成电路芯片9的输入负端,光敏探测器芯片6输出端口的负端连接输出处理集成电路芯片9的输入正端;发光驱动集成电路芯片8的电源端、地端和两个输入信号端,以及输出处理集成电路芯片9的电源端、地端和两个输出信号端通过金丝键合分别与陶瓷壳体1的八个管脚一一对应连接。
如图1至图4所示,本发明的工作原理如下:
外部电信号通过陶瓷壳体1的对应管脚输入到发光驱动集成电路芯片8,使发光驱动集成电路芯片8产生相应的驱动信号并送给量子点激光器芯片5,驱动量子点激光器芯片5发出红外光,该红外光通过第一耐高温多模光纤31送到光连接器2的发射端发送出去;同时,光连接器2的接收端接收外部光纤送来的红外光信号,并通过第二耐高温多模光纤32传输给光敏探测器芯片6,光敏探测器芯片6将接收的红外光信号转换为光电流,并送给输出处理集成电路芯片9,输出处理集成电路芯片9对光电流进行比较、放大、整形和滤波后输出与接收的光信号相对应的电信号,并送到陶瓷壳体1的对应管脚输出。
另外,发光驱动集成电路芯片8内部集成了温度补偿电路,在量子点激光器芯片5工作时,温度补偿电路中的温度传感器会实时检测环境温度变化,并根据环境温度数值对发光驱动集成电路芯片8输出的驱动电流进行调整,从而保证光电转换模块在高温环境中工作的可靠性。
本发明未描述部分与现有技术一致,在此不做赘述。
以上仅为本发明的实施方式,并非因此限制本发明的专利范围,凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构,直接或间接运用在其他相关的技术领域,均同理在本发明的专利保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于数据通信的耐高温光电转换模块,其特征在于:所述耐高温光电转换模块能够在130℃的高温环境中正常工作,所述耐高温光电转换模块包括陶瓷壳体(1)、光连接器(2)、第一耐高温多模光纤(31)、第二耐高温多模光纤(32)、光源载体(4)、量子点激光器芯片(5)、光敏探测器芯片(6)、探测器载体(7)、发光驱动集成电路芯片(8)和输出处理集成电路芯片(9),所述光源载体(4)、探测器载体(7)、发光驱动集成电路芯片(8)和输出处理集成电路芯片(9)均通过共晶焊工艺烧结在陶瓷壳体(1)内,所述陶瓷壳体(1)的外壁上设有多个管脚;
所述光连接器(2)采用J599耐高温连接器;所述第一耐高温多模光纤(31)的穿出端和第二耐高温多模光纤(32)的穿出端分别与光连接器(2)内部的两个陶瓷芯连接,两个所述耐高温多模光纤与对应端陶瓷芯的连接处均采用耐高温胶灌封处理;
所述量子点激光器芯片(5)通过共晶焊工艺烧结在光源载体(4)上,所述第一耐高温多模光纤(31)的一端与量子点激光器芯片(5)发光面耦合对准连接,另一端穿出陶瓷壳体(1)并与光连接器(2)连接;所述光敏探测器芯片(6)通过共晶焊工艺烧结在探测器载体(7)上,所述第二耐高温多模光纤(32)的一端与光敏探测器芯片(6)光敏面耦合对准连接,另一端穿出陶瓷壳体(1)并与光连接器(2)连接;
所述发光驱动集成电路芯片(8)集成有驱动电路、控制电路和温度补偿电路,从而在高温下自动调节量子点激光器芯片(5)输出的光功率;
所述输出处理集成电路芯片(9)为采用硅基双极性工艺制作的数字电路输出芯片,内部集成有整形电路、滤波电路、比较电路、放大电路和推拉门输出电路;
所述发光驱动集成电路芯片(8)分别与量子点激光器芯片(5)的输入端口以及陶瓷壳体(1)的管脚电连接,所述输出处理集成电路芯片(9)分别与探测器载体(7)的输出端口以及陶瓷壳体(1)的管脚电连接。
2.根据权利要求1所述的用于数据通信的耐高温光电转换模块,其特征在于:所述第一耐高温多模光纤(31)的穿设处通过焊接固化连接在陶瓷壳体(1)上,所述第二耐高温多模光纤(32)的穿设处通过焊接固化连接在陶瓷壳体(1)上。
3.根据权利要求1所述的用于数据通信的耐高温光电转换模块,其特征在于:所述陶瓷壳体(1)采用可密封陶瓷金属化壳体。
4.根据权利要求1所述的用于数据通信的耐高温光电转换模块,其特征在于:所述第一耐高温多模光纤(31)一端的端面进行金属化处理,且与量子点激光器芯片(5)发光面耦合对准并焊接;所述第二耐高温多模光纤(32)一端的端面进行金属化处理,且与光敏探测器芯片(6)光敏面耦合对准并焊接。
5.根据权利要求1所述的用于数据通信的耐高温光电转换模块,其特征在于:所述量子点激光器芯片(5)采用1.3μm砷化镓半导体量子点激光器;所述光敏探测器芯片(6)采用高响应度低漏电流铟镓砷光敏探测器芯片。
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