CN112134626A - 一种单独采用温度补偿实现光波长和功率控制的激光装置 - Google Patents

Abstract

一种单独采用温度补偿实现光波长和功率控制的激光装置，属于光纤通信技术领域。包括壳体、偏置电流控制电路以及温度检测控制电路，所述的壳体的内腔中封装有半导体加热制冷器、发光二极管、热敏电阻以及热传导基座，半导体加热制冷器的冷端、发光二极管以及热敏电阻装配在热传导基座上，半导体加热制冷器的冷端以及热敏电阻紧靠发光二极管设置，半导体加热制冷器的热端连接壳体，偏置电流控制电路与发光二极管电连接，温度检测控制电路与热敏电阻及半导体加热制冷器电连接，通过半导体加热制冷器调整发光二极管的当前温度值。优点：壳体内部减少了现有激光器设计方案中的背光检测二极管MPD器件，有利于简化激光器自身设计和外围电路设计。

Description

一种单独采用温度补偿实现光波长和功率控制的激光装置

技术领域

本发明属于光纤通信技术领域，涉及一种单独采用温度补偿实现光波长和功率控制的激光装置，尤其涉及一种通过温度监测及控制来实现输出光信号的波长恒定且功率恒定的同轴型激光器，应用于有线电视网络中的上行回传光链路中。

背景技术

目前广电运营商很多仍采用双向HFC（英文全称：Hybrid Fiber Coaxial，中文名称：混合光纤同轴电缆）网络作为广电双向业务的解决方案，在双向HFC网络中采用了局端CMTS（英文全称：Cable Modem Terminal Systems，中文名称：电缆调制器终端系统）和用户端CM（英文全称：Cable Modem，中文名称：电缆调制器）的组合，其通讯标准DOCSIS（英文全称：Data Over Cable Service Interface Specifications，中文名称：有线电缆数据服务接口规范）采用由美国有线电缆标准组织Cable Labs制定的国际标准。

通常，CMTS系统的下行通道采用广播形式，将所有用户需求的数据业务打包后实时广播发送给所有用户，每个用户端CM通过实时密钥获取到自己所需的数据，这就使得下行通道需要非常大的带宽；上行通道采用的是多点到单点的汇聚形式，CMTS系统内采用TDMA（英文全称：Time Division Multiple Access，中文名称：时分多址）方式，每个CM终端按照系统所分配的时隙来发送自己的上行数据，在任何一个时刻内，每个上行通道频点内都只有一个CM终端在和CMTS局端通讯。

美国有线电缆通讯工程师协会SCTE（英文全称：Society of CableTelecommunications Engineers）提出RFOG（英文全称：Radio Frequency over Glass，中文名称：光纤射频传输）方案，其核心技术就是将光网络节点设备中的光发送机设计为光信号“突发”模式，当光发送机检测到有CM上行信号到达设备时，立即打开激光器发送有用光信号，当检测没有信号输入时，关闭激光器使其不输出光信号。这样当多个光发送机的上行光链路混合汇聚到局端机房时，实际上只有单个光信号在链路中传输，消除了其他无用光信号干扰。

在DOCSIS 3.0以上版本中，每个上行通道最多可以支持4个频点同时通讯，即可能会有4个光发送机同时发出光信号，导致相同或者相近波长的光信号相互间出现OBI（英文全称：Optical Beat Interference，中文名称：光差拍干扰），而且激光器的输出光信号波长和输出光功率都会随温度变化，即使两台光节点设备的光发送机激光器的初始光波长错开一定间隔，在不同温度情况下，也有可能在波长改变后出现相互干扰的情况。

目前部分设备厂商采用CWDM（英文全称：Coarse Wavelength DivisionMultiplex，中文名称：粗波分复用）方案，激光器采用4 PIN封装，内部装配发光二极管LD（英文全称：Laser Diode）和背光检测二极管MPD（英文全称：Monitor Photo Diode），但未设置温度检测/控制的元器件，只能通过背光检测二极管MPD检测后负反馈来控制发光二极管LD的输出光功率，其输出的光信号波长会随随温度变化而变化，变化率大约是每摄氏度0.1nm。上述激光器的光波长间隔为20nm左右，通常情况下相互间不会产生影响，但是因为光波长资源有限，间隔20nm的波长可选数量不多，这就会影响光网络方案的整体设计，而且当由于网络中用户数量增多而需要增加光节点设备来扩容时，很有可能会出现光节点设备的光波长可选数量不够的情况。

此外，还有部分设备厂商在上述方案基础上，激光器采用8 PIN封装，内部除了发光二极管LD和背光检测二极管MPD以外，还增加了温度检测/控制的元器件——热敏电阻Rth（英文全称：Thermistor Resistance）和半导体加热制冷器TEC（英文全称：ThermoElectric Cooler），通过温度检测/控制使得激光器内部温度恒定，从而使输出光信号的波长恒定。

鉴于上述已有技术，本申请人作了有益的设计，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单独采用温度补偿实现光波长和功率控制的激光装置，通过温度监测控制来实现输出光信号的波长恒定且功率恒定。

本发明的目的是这样来达到的，一种单独采用温度补偿实现光波长和功率控制的激光装置，包括壳体，其特征在于：还包括偏置电流控制电路以及温度检测控制电路，所述的壳体的内腔中封装有半导体加热制冷器、发光二极管、热敏电阻以及热传导基座，所述的半导体加热制冷器的冷端、发光二极管以及热敏电阻装配在热传导基座上，并且，半导体加热制冷器的冷端以及热敏电阻紧靠发光二极管设置，半导体加热制冷器的热端连接壳体，所述的偏置电流控制电路与发光二极管电连接，为发光二极管提供偏置电流，所述的温度检测控制电路与热敏电阻及半导体加热制冷器电连接，热敏电阻根据发光二极管的温度变化实时改变自身电阻值，所述的温度检测控制电路监测热敏电阻的阻值变化量，通过半导体加热制冷器调整发光二极管的当前温度值。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的壳体在长度方向的一端从内部向外引出所述的发光二极管的引脚LD+、引脚LD-、所述的热敏电阻的引脚Rth+、引脚Rth-以及所述的半导体加热制冷器的引脚TEC+、引脚TEC-，壳体在长度方向的另一端从内部向外引出用于输送发光二极管的光信号的光纤，并在光纤的端头处设置光纤接口。

在本发明的另一个具体的实施例中，所述的发光二极管的引脚LD-构成为射频信号输入端。

在本发明的又一个具体的实施例中，所述的壳体由导热性能良好的材料制成。

本发明由于采用了上述结构，通过温度监测及控制实现输出光信号的波长恒定且功率恒定，与现有技术相比，具有的有益效果是：壳体内部减少了现有激光器设计方案中的背光检测二极管MPD器件，有利于简化激光器自身设计和外围电路设计。

附图说明

图1为本发明的电原理框图。

图2为本发明所述的壳体外形示意图。

图中：1.壳体、11.半导体加热制冷器、12.发光二极管、13.热敏电阻、14.热传导基座；2.偏置电流控制电路；3.温度检测控制电路；4.光纤、41.光纤接口。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式详细描述，但对实施例的描述不是对技术方案的限制，任何依据本发明构思作形式而非实质的变化都应当视为本发明的保护范围。

请参阅图1，本发明涉及一种单独采用温度补偿实现光波长和功率控制的激光装置，包括壳体1、偏置电流控制电路2以及温度检测控制电路3。所述的壳体1的内腔中封装有半导体加热制冷器11、发光二极管12、热敏电阻13以及热传导基座14。所述的半导体加热制冷器11的冷端、发光二极管12以及热敏电阻13装配在热传导基座14上，并且，半导体加热制冷器11的冷端以及热敏电阻13紧靠发光二极管12设置，半导体加热制冷器11的热端连接壳体1。半导体加热制冷器11利用半导体材料的珀尔帖效应制作而成，当其内部有电流通过时，能够实现冷、热两端之间热量的转移。半导体加热制冷器11是加热还是制冷，以及其加热制冷的效果，可以通过外围电路控制其电流的方向和大小来实现调整。所述的热传导基座14由导热特性优异的材料制成，例如铝合金、铜、钢、镀金金属等，用于实现对发光二极管12的温度监测和控制。

所述的偏置电流控制电路2与发光二极管12电连接，为发光二极管12提供偏置电流，使发光二极管12输出额定功率值的光信号。偏置电流控制电路2通过控制偏置电流来控制输出光信号的功率。但发光二极管12的温度会随着自身功耗以及外围电路工作环境发生变化，其输出的激光信号的波长和功率也会随自身温度的变化而发生变化。所述的温度检测控制电路3与热敏电阻13电连接，热敏电阻13由于紧靠发光二极管12，能够根据发光二极管12的温度实时改变自身电阻值。温度检测控制电路3通过实时检测热敏电阻13的阻值变化得到发光二极管12的实时温度值以及发光二极管12调整至额定温度所需的电流值。具体的，温度检测控制电路3将检测得到的热敏电阻13的阻值变化量，输入至MCU等处理器或其他功能单元中进行计算判断，得到发光二极管12的实时温度值，同时按照既定算法计算出将发光二极管12调整至额定温度所需的电流值，包括电流方向和大小。所述的温度检测控制电路3又与半导体加热制冷器11电连接，将上述计算得出的电流值输出至半导体加热制冷器11，由半导体加热制冷器11调整发光二极管12的当前温度值。调整后的发光二极管12继续通过温度检测控制电路3及热敏电阻13实时检测温度的调整效果。

在本方案中，所述的温度检测控制电路3和热敏电阻13以及半导体加热制冷器11构成一反馈回路，实现发光二极管12温度的实时检测、调整和纠偏功能，通过控制发光二极管12的温度的稳定性来获得恒定波长的光信号。在上述偏置电流控制中，通过控制温度变化对发光二极管12的阀值电流和偏置电流发光效率的影响，来实现光信号的输出功率恒定，使得输出光功率值能够恒定在极小的范围内，这样可以替代现有激光器设计方案中的背光检测二极管MPD器件。众所周知，激光器的封装壳体内是一个比较小的腔体，设计空间有限，减少背光检测二极管MPD器件，能够便于优化包括热敏电阻13、半导体加热制冷器11和热传导基座14在内的温度检测及控制器件的设计，使整体封装方案更合理。在本实施例中，偏置电流控制电路2、温度检测控制电路3以及各元器件均为已有产品，涉及到的处理器算法也在现有技术中有诸多应用，因此省略具体描述。

所述的壳体1由导热性能良好的材料制成，优选为金属，如铝合金、铜、钢、镀金金属等，采用同轴封装的形式。壳体1在长度方向的一端从内部向外引出所述的发光二极管12的引脚LD+、引脚LD-、所述的热敏电阻13的引脚Rth+、引脚Rth-以及所述的半导体加热制冷器11的引脚TEC+、引脚TEC-，并且该六个引脚可以在半导体加热制冷器11 、发光二极管12以及热敏电阻13之间复用，例如，发光二极管12的引脚LD+和热敏电阻13的引脚Rth+，在壳体封装技术能够实现的前提下，也可以共用为一个引脚，由此，就减少了壳体1上的输出引脚数量，简化设计。此外，上述各引脚在壳体1上的位置和排列顺序也可根据壳体1的封装情况发生改变。所述的发光二极管12的引脚LD-又构成为射频信号输入端，壳体1在长度方向的另一端从内部向外引出用于输送发光二极管12的光信号的光纤4，并在光纤4的端头处设置光纤接口41。发光二极管12的光信号经由光纤4及光纤接口41输出，供外部设备使用。由此，射频信号被调制成光信号并通过光纤输出，实现激光器的电/光信号转换这一基本功能。

Claims (4)

1.一种单独采用温度补偿实现光波长和功率控制的激光装置，包括壳体(1)，其特征在于：还包括偏置电流控制电路(2)以及温度检测控制电路(3)，所述的壳体(1)的内腔中封装有半导体加热制冷器(11)、发光二极管(12)、热敏电阻(13)以及热传导基座(14)，所述的半导体加热制冷器(11)的冷端、发光二极管(12)以及热敏电阻(13)装配在热传导基座(14)上，并且，半导体加热制冷器(11)的冷端以及热敏电阻(13)紧靠发光二极管(12)设置，半导体加热制冷器(11)的热端连接壳体(1)，所述的偏置电流控制电路(2)与发光二极管(12)电连接，为发光二极管(12)提供偏置电流，所述的温度检测控制电路(3)与热敏电阻(13)及半导体加热制冷器(11)电连接，热敏电阻(13)根据发光二极管(12)的温度变化实时改变自身电阻值，所述的温度检测控制电路(3)监测热敏电阻(13)的阻值变化量，通过半导体加热制冷器(11)调整发光二极管(12)的当前温度值。

2.根据权利要求1所述的一种单独采用温度补偿实现光波长和功率控制的激光装置，其特征在于所述的壳体(1)在长度方向的一端从内部向外引出所述的发光二极管(12)的引脚LD+、引脚LD-、所述的热敏电阻(13)的引脚Rth+、引脚Rth-以及所述的半导体加热制冷器(11)的引脚TEC+、引脚TEC-，壳体(1)在长度方向的另一端从内部向外引出用于输送发光二极管(12)的光信号的光纤(4)，并在光纤(4)的端头处设置光纤接口(41)。

3.根据权利要求2所述的一种单独采用温度补偿实现光波长和功率控制的激光装置，其特征在于所述的发光二极管(12)的引脚LD-构成为射频信号输入端。

4.根据权利要求1所述的一种单独采用温度补偿实现光波长和功率控制的激光装置，其特征在于所述的壳体(1)由导热性能良好的材料制成。

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