CN113258429A - 正压偏置发光单元、同轴半导体激光器和光模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种正压偏置发光单元，包括衬底，其包括顶面及作为地的底面；第一焊盘，其设置于顶面，其与底面电气连接；半导体激光二极管，其阴极焊接于第一焊盘，其阳极金属焊接面用于与正压偏置电路的正极电气连接。它采用正压偏置。本发明还公开一种采用正压偏置、射频带宽宽的同轴半导体激光器和光模块。

Description

正压偏置发光单元、同轴半导体激光器和光模块

技术领域

本发明属于ROF（Radio Over Fiber）技术领域，特别涉及正压偏置发光单元、同轴半导体激光器和光模块。

背景技术

ROF技术在移动通信系统中的应用已经成为了人们关注的焦点，它具备丰富的传输带宽、大容量、低功耗、易于安装与维护等多种优势，可以满足5G移动通信的宽带业务要求。目前中国及世界上很多发达国家都在大力布署5G移动通信网络，虽然在中国，目前商用的频率在6GHz以下，但在美国，5G的频率都用到毫米波频段去了，如果还要兼容2G、3G和4G等网络，这就要求很宽的传输带宽。这样的话，如果用旧的数字光模块的方案来做设计，在成本上没有任何的优势，而且设计复杂。这种情况下，用宽带的模拟光模块来传输就显现出了具大的优势。由于5G工作频率比较高，所承载的信息容量比较大，这样可以实现高速信号链路，可由目前4G移动通信网络的100Mb/s速率提升到5G移动通信网络的1Gb/s以上。

除了民用方面的运用，ROF在军工领域用处也很多，在电子对抗、雷达系统和光纤延时器等领域都有很广泛的应用。

而作为ROF技术的核心部件半导体激光器，就要求具备超宽带的射频传输性能。如何满足超宽带的性能成为了需要解决的技术问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种正压偏置发光单元、同轴半导体激光器和光模块，其采用正压偏置供电，其射频带宽更宽。

本发明用于实现上述目的的技术方案如下：

一种正压偏置发光单元，包括：

衬底，其包括顶面及作为地的底面；

第一焊盘，其设置于顶面，其与底面电气连接；

半导体激光二极管，其阴极焊接于第一焊盘，其阳极金属焊接面用于与正压偏置电路的正极电气连接。

还包括：

第三焊盘，其设置于顶面；

第四焊盘，其设置于顶面；

内匹配电路，其设置于顶面，其包括与阳极金属焊接面电气连接的输出端、与第三焊盘电气连接的射频输入端和与第四焊盘电气连接的供电输入端；

其中，供电输入端通过内匹配电路向阳极金属焊接面提供正压。

所述内匹配电路还包括：

第二焊盘，其设置于顶面；

第四金丝，其设置于顶面，其一端作为所述输出端，其另一端与第二焊盘（31）电气连接；

匹配电阻，其设置于顶面，其一端作为所述射频输入端；

匹配电感，其设置于顶面，其一端作为所述供电输入端；

其中，匹配电阻、匹配电感的另一端分别与第二焊盘电气连接。

所述匹配电阻的阻值范围为30Ω～50Ω。

所述匹配电感的感值范围为2nH～10nH。

所述匹配电阻的另一端通过设置于顶面的第一微带线与第二焊盘电气连接，所述匹配电感的另一端通过设置于顶面的第二微带线与第二焊盘电气连接，所述射频输入端通过设置于顶面的第三微带线与第三焊盘电气连接，所述供电输入端通过设置于顶面的第四微带线与第四焊盘电气连接。

所述第四金丝的长度为0.2mm～0.8mm。

一种同轴半导体激光器，包括：

金属晶体管座；

所述正压偏置发光单元，其设置于金属晶体管座内，其衬底的底面通过导电银胶焊接于金属晶体管座的壳体；

第一引脚，其设置于金属晶体管座，其通过第三金丝与第四焊盘电气连接；

第二引脚，其设置于金属晶体管座，其与金属晶体管座的壳体电气连接；

第三引脚，其设置于金属晶体管座，其通过第一金丝与第三焊盘电气连接。

还包括：

探测光电二极管，其设置于金属晶体管座内，其用于探测半导体激光二极管光功率大小，其阳极与金属晶体管座壳体电气连接；

第四引脚，其设置于金属晶体管座，其通过第二金丝与探测光电二极管的阴极电气连接。

一种光模块，包括：

金属安装结构；

印刷电路板，其安装于金属安装结构内；

所述同轴半导体激光器，其固定于金属安装结构；

检测电路，其安装于印刷电路板，其用于对同轴半导体激光器的工作状态进行实时监控并输出所监控到的同轴半导体激光器的工作状态的信号；

射频连接器，其固定于金属安装结构，其通过印刷电路板上的微带线与同轴半导体激光器的第三引脚电气连接；

控制电路，其安装于印刷电路板，其用于将同轴半导体激光器的输出光功率实时控制在设定的范围内；

正压电源电路，其安装于印刷电路板，其用于通过控制电路给同轴半导体激光器的第一引脚提供正偏置电压，其用于给控制电路、检测电路供电。

本发明的有益技术效果是：

本发明在衬底的顶面设置第一焊盘，衬底的底面作为地，第一焊盘与底面电气连接，半导体激光二极管的阴极焊接于第一焊盘，其阳极金属焊接面用于与正压偏置电路的正极电气连接。这结构能采用正压偏置，其颠覆了现有的半导体激光二极管采用负偏置的方法。本发明在采用正压偏置同时把内匹配电路集成在小体积的TO-CAN里面，以减少半导体激光器焊接时引脚分布参数的影响。本发明中的同轴半导体激光器就为了满足超宽带的性能，创新地把正压偏置电路和内匹配电路集成在TO-CAN里面，不仅减少了激光器的体积，而且还更加方便系统的设计，所以将具有非常大的竞争力，这项新技术也一定会得到广泛的应用。本发明能大大拓宽半导体激光器的射频带宽，达到20GHz。

附图说明

图1为现有的半导体激光二极管的物理结构示意图。

图2为图1中半导体激光二极管的负压偏置工作原理图。

图3为本发明中金属晶体管座的内部引脚示意图。

图4为本发明的正压偏置发光单元的结构示意图。

图5为本发明的同轴半导体激光器的内部结构示意图。

图6为本发明的光模块的结构示意图。

图7为本发明的光模块的增益带宽测试结果图。

图8 为现有光模块的增益带宽实测结果图。

具体实施方式

下面给出的实例是对本发明的具体描述，有必要在此指出的是以下实施例只用于对本发明作进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制。

在本发明中涉及“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”、“第三”、“第四”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。

目前市场上的直调宽带同轴半导体激光器，在模拟领域是用负压偏置来使用的，当用这种激光器做成光模块时，由于光模块中的控制电路中都是正压供电，这样对光模块来说，设计就非常的复杂，要提供正压和负压两种电源，导致电路复杂，光模块体积大，不利于集成化设计。

直调宽带同轴半导体激光器为什么要采用负压偏置的原因，还得从半导体激光器的核心即半导体激光二极管的物理结构说起。现有的常见的半导体激光二极管10，它是半导体激光中最重要的核心部件。它的物理结构如图1所示，顶层有阳极金属焊接面11，底层为阴极金属焊接面12，在顶底层之间靠近顶层的位置有一个发光点13。因为这个半导体激光二极管本身的厚度都很薄，为微米级别，所以这种物理结构就导致它只能有一种前文所描述安装方式，不能翻过来安装，否则靠近顶层的位置的发光点13很有可能就会被焊接时溢出的焊料堵住，激光无法发射出来。在这种情况下，目前常用的做法就是用负压给半导体激光二极管的阴极进行偏置，而它的阳极直接接地，如图2中所示，在频率要求不高的情况下，这种做法就会非常的方便和简单。由于高频应用时半导体激光器引脚的电容电感效应的影响，即使在半导体激光器外部做了很好的匹配，实测频率最高也仅有10GHz左右。用矢量网络分析仪测试现有光模块的增益带宽实测结果如图8所示。

图4示例性示出本发明众多实施例中的一种正压偏置发光单元的实施例。该正压偏置发光单元包括衬底30、第一焊盘、半导体激光二极管32。

衬底30为平板结构，其包括顶面及底面，底面作为地，其用作微带电路的载体，它的顶面和底面刻蚀了精心设计的微带电路，中间是绝缘的陶瓷基体。第一焊盘设置于衬底30的顶面，其与底面电气连接。

半导体激光二极管32的阴极焊接于第一焊盘，其阳极金属焊接面33用于与正压偏置电路的正极电气连接。

在一些实施例中，正压偏置发光单元还包括第三焊盘35、第四焊盘36、内匹配电路。

第三焊盘35设置于衬底30的顶面。第四焊盘36设置于衬底30的顶面。

内匹配电路设置于衬底30的顶面，其包括与阳极金属焊接面33电气连接的输出端、与第三焊盘35电气连接的射频输入端和与第四焊盘36电气连接的供电输入端，其中，供电输入端通过内匹配电路向阳极金属焊接面33提供正压。内匹配电路还包括第二焊盘31、第四金丝44、匹配电阻34和匹配电感37。第二焊盘31设置于衬底30的顶面。第四金丝44设置于衬底30的顶面，其一端作为所述输出端，其另一端与第二焊盘31电气连接。匹配电阻34设置于衬底30的顶面，其一端作为所述射频输入端。匹配电感37设置于衬底30的顶面，其一端作为所述供电输入端。匹配电阻34、匹配电感37的另一端分别与第二焊盘31电气连接。

为了减少高频的寄生参数，匹配电阻34的形式可为薄膜芯片电阻。

为了减少高频的寄生参数，匹配电感37可为宽带锥形电感或者磁珠或者平面引线电感。除了平面引线电感外，其它两种都是用导电银胶焊接上去。

在一些实施例中，匹配电阻34的阻值范围为30Ω～50Ω。

在一些实施例中，匹配电感37的感值范围为2nH～10nH。

在一些实施例中，匹配电阻34的另一端通过设置于衬底30的顶面的第一微带线与第二焊盘31电气连接，匹配电感37的另一端通过设置于衬底30的顶面的第二微带线与第二焊盘31电气连接，所述射频输入端通过设置于衬底30的顶面的第三微带线与第三焊盘35电气连接，所述供电输入端通过设置于衬底30的顶面的第四微带线与第四焊盘36电气连接。

在一些实施例中，第四金丝44的长度为0.2mm～0.8mm。

本发明的正压偏置发光单元这种新型的正压偏置电路及内匹配网络设计，射频输入阻抗匹配到50Ω左右，能使工作频率扩展至20GHz以上。

一并参见图3-5，本发明众多实施例中的一种同轴半导体激光器，其包括金属晶体管座20、前文描述的正压偏置发光单元、第一引脚21、第二引脚22、第三引脚23。

金属晶体管座20用于半导体激光器内部与外部电信号的连接，还用作结构上的散热承载体。如图3所示为本实施例中选用的一款TO56的金属晶体管座。

正压偏置发光单元设置于金属晶体管座20内，其衬底30的底面通过导电银胶焊接于金属晶体管座20的壳体。

第一引脚21设置于金属晶体管座20，其通过第三金丝43与第四焊盘36电气连接，其用作半导体激光二极管32的偏置电压输入引脚。

第二引脚22设置于金属晶体管座20，其与金属晶体管座20的壳体电气连接，其用作接地引脚。

第三引脚23设置于金属晶体管座20，其通过第一金丝40与第三焊盘35电气连接，其用作射频信号的输入引脚。

在一些实施例中，本发明的一种同轴半导体激光器还包括探测光电二极管41和第四引脚24。

探测光电二极管41设置于金属晶体管座20内，其用于探测半导体激光二极管32光功率大小，其阳极与金属晶体管座20壳体电气连接。外部控制系统可根据探测光电二极管41反馈的信息对半导体激光二极管32的偏置电流进行调整，保证输出的光功率稳定在设定的范围内。

第四引脚24设置于金属晶体管座20，其通过第二金丝42与探测光电二极管41的阴极电气连接。

一并参见图3-6，本发明的一种光模块，包括控制电路51、正压电源电路52、射频连接器53、印刷电路板54、检测电路55、金属安装结构56。

印刷电路板54安装于金属安装结构56内。印刷电路板54用作电路的连接桥梁，把正压电源电路52、控制电路51、检测电路55等功能部分的电子元器件焊接在它上面，再焊上半导体激光器50和射频连接器53就可以形成一个功能完整的电路板。同轴半导体激光器50固定于金属安装结构56。

检测电路55安装于印刷电路板54，其用于对同轴半导体激光器50的工作状态进行实时监控并输出所监控到的同轴半导体激光器50的工作状态的信号。具体的，检测电路55与第四引脚24电气连接，实时获取探测光电二极管41反馈的信息，从而对同轴半导体激光器50的工作状态进行实时监控。

射频连接器53固定于金属安装结构56，其通过印刷电路板54上的微带线与同轴半导体激光器50的第三引脚23电气连接。射频连接器53负责从光模块外部输入射频信号，然后再通过印刷电路板54上的微带线传输到同轴半导体激光器50的第三引脚23。

控制电路51安装于印刷电路板54，其用于将同轴半导体激光器50的输出光功率实时控制在设定的范围内，这样可以使整个光通信链路的增益保持稳定。

正压电源电路52安装于印刷电路板54，其用于通过控制电路51给同轴半导体激光器50的第一引脚21提供正偏置电压，其用于给控制电路51、检测电路55供电。

具体的，控制电路51串联在正压电源电路52与同轴半导体激光器50之间，控制电路51通过控制正压电源电路52向同轴半导体激光器50输出的电流大小来控制同轴半导体激光器50的输出光功率大小，从而将同轴半导体激光器50的输出光功率实时控制在设定的范围内。

同轴半导体激光器50、控制电路51、正压电源电路52、射频连接器53、印刷电路板54、检测电路55均装配在印刷电路板54，其中，同轴半导体激光器50、射频连接器53还与金属安装结构56固定，然后用螺丝把金属安装结构56封装起来，就成了一个功能完整的光模块。

单电源即正压供电的光模块比传统的正负双电压供电的光模块电路简单，体积也会大大缩小。需要特别说明的是，本发明中单电源即正压供电的光模块，并不是指那种也只用一个单正压供电，但却在模块里面做了正压转负压电路的伪单电源供电的光模块。

本发明使用正压偏置加上内匹配电路的同轴封装半导体激光器来制作的光模块，其有益效果是可以把射频的带宽有效地扩展到20GHz，如图7所示。可见，通过图7、8的对比测试，本发明能大大拓宽半导体激光器的射频带宽。

需要说明的是，上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何适合的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再进行描述。

上面参照实施例对本发明进行了详细描述，是说明性的而不是限制性的，在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种正压偏置发光单元，其特征在于，包括：

衬底（30），其包括顶面及作为地的底面；

第一焊盘，其设置于顶面，其与底面电气连接；

半导体激光二极管（32），其阴极焊接于第一焊盘，其阳极金属焊接面（33）用于与正压偏置电路的正极电气连接。

2.根据权利要求1所述正压偏置发光单元，其特征在于，还包括：

第三焊盘（35），其设置于顶面；

第四焊盘（36），其设置于顶面；

内匹配电路，其设置于顶面，其包括与阳极金属焊接面（33）电气连接的输出端、与第三焊盘（35）电气连接的射频输入端和与第四焊盘（36）电气连接的供电输入端；

其中，供电输入端通过内匹配电路向阳极金属焊接面（33）提供正压。

3.根据权利要求2所述正压偏置发光单元，其特征在于，所述内匹配电路还包括：

第二焊盘（31），其设置于顶面；

第四金丝（44），其设置于顶面，其一端作为所述输出端，其另一端与第二焊盘（31）电气连接；

匹配电阻（34），其设置于顶面，其一端作为所述射频输入端；

匹配电感（37），其设置于顶面，其一端作为所述供电输入端；

其中，匹配电阻（34）、匹配电感（37）的另一端分别与第二焊盘（31）电气连接。

4.根据权利要求3所述正压偏置发光单元，其特征在于，所述匹配电阻（34）的阻值范围为30Ω～50Ω。

5.根据权利要求3所述正压偏置发光单元，其特征在于，所述匹配电感（37）的感值范围为2nH～10nH。

6.根据权利要求3所述正压偏置发光单元，其特征在于，所述匹配电阻（34）的另一端通过设置于顶面的第一微带线与第二焊盘（31）电气连接，所述匹配电感（37）的另一端通过设置于顶面的第二微带线与第二焊盘（31）电气连接，所述射频输入端通过设置于顶面的第三微带线与第三焊盘（35）电气连接，所述供电输入端通过设置于顶面的第四微带线与第四焊盘（36）电气连接。

7.根据权利要求3所述正压偏置发光单元，其特征在于，所述第四金丝（44）的长度为0.2mm～0.8mm。

8.一种同轴半导体激光器，其特征在于，包括：

金属晶体管座（20）；

权利要求2-7任一项所述正压偏置发光单元，其设置于金属晶体管座（20）内，其衬底（30）的底面通过导电银胶焊接于金属晶体管座（20）的壳体；

第一引脚（21），其设置于金属晶体管座（20），其通过第三金丝（43）与第四焊盘（36）电气连接；

第二引脚（22），其设置于金属晶体管座（20），其与金属晶体管座（20）的壳体电气连接；

第三引脚（23），其设置于金属晶体管座（20），其通过第一金丝（40）与第三焊盘（35）电气连接。

9.根据权利要求8所述同轴半导体激光器，其特征在于，还包括：

探测光电二极管（41），其设置于金属晶体管座（20）内，其用于探测半导体激光二极管（32）光功率大小，其阳极与金属晶体管座（20）壳体电气连接；

第四引脚（24），其设置于金属晶体管座（20），其通过第二金丝（42）与探测光电二极管（41）的阴极电气连接。

10.一种光模块，其特征在于，包括：

金属安装结构（56）；

印刷电路板（54），其安装于金属安装结构（56）内；

权利要求9所述同轴半导体激光器（50），其固定于金属安装结构（56）；

检测电路（55），其安装于印刷电路板（54），其用于对同轴半导体激光器（50）的工作状态进行实时监控并输出所监控到的同轴半导体激光器（50）的工作状态的信号；

射频连接器（53），其固定于金属安装结构（56），其通过印刷电路板（54）上的微带线与同轴半导体激光器（50）的第三引脚（23）电气连接；

控制电路（51），其安装于印刷电路板（54），其用于将同轴半导体激光器（50）的输出光功率实时控制在设定的范围内；

正压电源电路（52），其安装于印刷电路板（54），其用于通过控制电路（51）给同轴半导体激光器（50）的第一引脚（21）提供正偏置电压，其用于给控制电路（51）、检测电路（55）供电。

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