CN114069382A - 一种基于控温直接调制激光器的10g-pon olt光模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于控温直接调制激光器的10G‑PON OLT光模块，属于半导体激光器制冷和光通信技术领域。其采用直接调制激光器（DML）作为10G‑PON 1577nm下行光源，并在不同工作环境温度下，动态调整TEC的温度，有效降低了OLT光模块在全温工作范围的功耗。同时由于有效降低了TEC控温点和外部工作环境温度的相对温差，使得光模块能够在扩展温度甚至工业温度范围内正常工作。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光器制冷和光通信技术领域，具体涉及一种基于控温直接调制激光器的10G-PON OLT光模块。
背景技术
光纤接入网络作为新一代宽带解决方案已经被广泛应用，为用户提供高带宽、全业务的接入平台。而FTTH（Fiber To The Home，光纤到户，将光纤直接接至用户家）更是被称为是最理想的业务透明网络，是接入网发展的最终方式。
在多种方案中，采用点到多点（P2MP）的光纤接入方式PON（Passive OpticalNetwork，无源光纤网络）是最佳选择。PON是一种应用于接入网，局端设备（OLT）与多个用户端设备（ONU/ONT）之间通过无源的光缆、光分/合路器（Splitter）等组成的光分配网（ODN）连接的网络。“无源”的关键是在OLT和ONU之间的ODN是没有任何有源电子设备的光接入网，正因为此“无源”特性，使得PON这种纯介质网络可以避免外部设备的电磁干扰和雷电影响，减少线路和外部设备故障率，提高了系统可靠性，同时减少了维护成本。
图1为现有技术中的低速PON系统的基本架构。局端设备OLT 11和用户端设备12是有源的，两者之间通过光纤及无源Splitter 13连接。上行及下行光信号通过波分复用在同一根光纤里传输，下行波长为1490nm，上行波长为1310nm。
由于近年来网络电视、游戏以及虚拟现实等应用的快速发展，光纤接入网络开始向更高速率升级，10G速率的PON系统开始进入商用。国际标准组织（IEEE, ITU等）将10G速率PON系统（包括10G-EPON, XGPON1，XGSPON等）的下行波长确定在1575-1580nm之间（一般用1577nm来表示），上行波长确定为1270nm。
图2为现有技术中的10G-PON的架构，传统低速PON ONU 12和10G-PON ONU 22在必须在同一个PON系统里共存（Co-existence）。10G-PON OLT 21需要能够同时支持传统低速ONU及10G速率的ONU。这样10G-PON系统通过波分复用同时会有4个波长在一根光纤里传输，包括1577nm，1490nm的下行波长，和1270nm，1310nm的上行波长。传统10G-PON OLT 21系统包含（或插入了）一个或多个传统10G-PON OLT模块25。此传统模块25包括一个电吸收外调制激光器（EML）及一个半导体制冷器（TEC），如图2中201及202所示。
传统10G-PON OLT模块25需要采用电吸收调制激光器（EML）作为下行光源的原因是为了克服光纤色散的影响。而EML激光器本质上必须采取带制冷器的封装方式。
10G-PON系统包括10G-EPON，XGPON1，XGSPON等不同的技术方案，光器件及光模块的设计也有很大不同。近年来，固网运营商开始力推Combo-PON方案，目的是为了更好地实现兼容共存功能，实现10G-PON系统的平滑升级。Combo-PON方案要求OLT光模块中集成4个光器件，包括10G 1577nm TX, 2.5G 1490nm TX, 2.5G或10G 1270nm APD-RX和1.25G1310nm APD-RX。这四个不同波长的器件要通过WDM波分器件合并到一个双向光口上。目前市场上Combo-PON组件实现WDM波分的设计有多种，包括4xTO方案，Gold Box（金盒子），以及基于平面波导（Planar Waveguide）的混合集成方案等等。但无论采用哪种设计，其中10G1577nm TX必须包含一个带有TEC制冷的EML激光器。与10G-EPON相比，Combo-PON组件设计更复杂，使用TEC温控的EML而带来的缺点更为突出。除了成本高之外，功耗过大是亟待解决的问题。
在现实部署中,由于光纤资源及具体接入环境复杂性的限制,很多情况下,OLT设备无法全部部署在运营商的中央机房里，而是需要安装在室外机柜里面。这样环境温度会恶劣很多，OLT设备的光模块需要能在扩展温度范围甚至工业温度范围内工作。在这种应用场景下，光模块的功耗成为最突出的问题。
综上所述10G-PON系统（无论是10G-EPON或XGPON1，XGSPON，Combo-PON等）目前大多采用带TEC温控的1577nm电吸收激光器（EML）作为10G下行光源。从技术方案上有如下技术问题：
1、EML激光器本身工艺复杂，成本高昂，而且输出光功率偏低；
2、使用TEC来控制EML激光器工作温度，导致功耗过大。尤其是在高温应用环境下，功耗成为难以解决的问题；
3、目前面向10G-PON市场的EML，其TEC设置温度均在45℃左右，如果光模块需要工作在超高温（外壳80-85℃）时，相对温差过大，大多数情况下，TEC很难将工作温度稳定在45℃；
4、EML的工作波长和EAM调整吸收峰的相对位置要通过TEC的设置温度来控制，无法根据环境情况进行有效调整；
5、光组件整体成本高。
发明内容
为了解决上述问题的至少之一，本发明提出了一种基于控温直接调制激光器的10G-PON OLT光模块，根据外壳温度灵活设置TEC的温度，能够有效降低光模块的功耗。
本发明提出一种基于控温直接调制激光器的10G-PON OLT光模块，光模块包括1577nm直接调制激光器（1577nm DML）、半导体制冷器（TEC）和外壳，1577nm DML和TEC封装在外壳中；1577nm DML作为光模块的下行光源，TEC用于对1577nm DML进行温控，TEC的设置工作点随光模块的外壳的温度的变化而变化，有效减小了全温工作范围内光模块的外壳温度与TEC设置工作点的温度差值，从而降低光模块的功耗。
优选地，高温工作环境下光模块的外壳温度与TEC设置工作点的温度差值不超过25℃。
优选地，光模块还包括温度传感器，温度传感器用于测量光模块的外壳温度。
优选地，1577nm DML采用啁啾控制设计，能够减小色散效应，满足10G-PON下行的传输要求。
本发明还提出了一种10G-PON的架构，其包括10G-PON OLT， 10G-PON OLT包括一个或多个如上的10G-PON OLT光模块。
本发明还提出了一种基于控温直接调制激光器的10G-PON OLT光模块中TEC的分区工作方法，方法包括：
步骤1、将光模块的外壳温度分为至少两个温度区间；
步骤2、在每个温度区间分别设置一个相应的TEC工作点；
步骤3、判断当前外壳温度所属的温度区间，使TEC工作温度恒定在所属的温度区间对应的TEC工作点。
优选地，在步骤3中，基于光模块内部的温度传感器的测算结果，判断当前所述外壳温度所属的温度区间。
本发明还提出了一种基于控温直接调制激光器的10G-PON OLT光模块中TEC的动态调整方法，方法包括：
步骤1、设置一个高温点TH1和一个低温点TL1；
步骤2、当外壳温度低于TL1时，TEC处于加热工作状态，TEC的温度恒定在TL1；当外壳温度高于TH1时，TEC则处于制冷工作状态，TEC的温度恒定在TH1；当外壳温度位于TH1和TL1之间时，TEC则处于关闭或低功耗温度跟随工作状态。
优选地，在步骤2中，基于光模块内部的温度传感器的测算结果，判断外壳温度与所述高温点TH1和低温点TL1的相对关系。
本发明至少具有如下有益技术效果：
（1）减小工作环境温度与TEC设置温度的差值，有效降低光模块的功耗；
（2）采用DML作为10G-PON OLT的光源，降低成本；
（3）利用DML的特性，动态调整TEC的工作状态，以达到在全温范围内有效降低功耗的目的；
（4）充分利用10G-PON工作波长范围，在常温工作情况下，DML可以不需要恒定温度控制（TEC关闭或者温度跟随），这样整体光模块的功耗最低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中的低速PON系统的基本架构示意图；
图2为现有技术中的10G-PON的架构示意图；
图3为本发明的10G-PON的架构示意图；
图4为本发明的10G-PON OLT光模块中TEC的分区工作方式；
图5为本发明的10G-PON OLT光模块中TEC的另一种分区工作方式；
图6为本发明的10G-PON OLT光模块中TEC的动态调整工作方式；
图7为本发明的10G-PON OLT光模块中TEC的动态调整工作方式中TEC温度随外壳温度的变化关系。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图3所示，本发明提供了一种基于控温直接调制激光器的10G-PON的架构，其包括10G-PON OLT 31,该10G-PON OLT 31包括一个或多个10G-PON OLT光模块35，10G-PONOLT光模块35包括1577nm直接调制激光器（DML）301、半导体制冷器（TEC）302和外壳，1577nmDML和TEC封装在所述外壳中。采用1577nm DML作为10G-PON OLT光模块的光源，TEC用于对1577nm DML进行动态温控。
现有技术中采用的电吸收调制激光器有很多缺点，如价格高，光功率低，而且功耗大。尤其是在高温工作环境下，并非10G-PON系统（包括10G-EPON，XGPON1，XGSPON，Combo-PON等）的理想选择。且目前传统EML方案中，TEC只有一个工作点，一般设置在45℃。在低温工作情况下，激光器自身工作时发热，TEC加热效率较高；但在高温工作情况下，TEC制冷效率低，导致功耗较大。例如对于工业温度的光模块，高温工作时，外壳温度可以高达85℃，这时制冷温差为40℃。此时一方面功耗会变得很大，另一方面，TEC的制冷能力也很难达到要求。
而本发明采用DML激光器作为10G-PON 1577nm下行光源，并基于DML激光器的特点，可以灵活改变制冷器的设置温度，有效降低光模块的功耗。
10G-PON OLT光模块的外壳温度由于自身发热会比工作环境温度略高，而且光模块本身无法直接感知环境温度，因而行业标准中一般用光模块的外壳温度作为衡量标准。商业温度的光模块是指外壳温度范围0-70℃，工业温度光模块则要求外壳温度范围是-40-85℃。
本发明提供的10G-PON OLT光模块需要在高温工作时，即外壳温度大于70℃，只需要简单提高TEC设置温度，就能达到降低功耗的目的。例如外壳温度为70℃时，TEC可以设置工作点在45℃；如果在外壳工作温度大于70℃，TEC工作点可以相应提高。在一个实施例中，外壳温度为85℃时，TEC设置在60℃，以保证外壳温度与TEC设置工作点的差值在一定范围内，达到降低光模块整体功耗的目的。优选地，差值不大于25℃。
需要注意的是，要保证输出光波长处于标准要求的范围内，即1575-1580nm。一般DML的波长随温度的漂移系数约为0.1nm/℃。这样在选择激光器波长时要确保由于TEC温度变化而引起的波长漂移满足标准要求。如果TEC温度设置范围确定在40-60℃之间随外壳温度动态调整，这样激光器的波长选择要满足以下条件：40℃波长>1575nm，同时60℃波长<1580nm。
相对于TEC设置在45℃的普通工作情况，改变TEC温度（提高或减低），只需要对DML偏置及调制电流进行相关修正就可以保证光功率、消光比等性能。
光模块能够通过其内部的温度传感器对外壳温度进行测算，并与当前TEC的温度及工作状态（加热或制冷）相比较，通过算法合理设置下一步TEC的温度，以达到全温工作范围降低功耗的目的。
优选地，DML激光器采用特殊啁啾控制设计，能够减小色散效应，满足10G-PON下行的传输要求。
在一个实施方式中，10G-PON OLT光模块中TEC以图4所示的分区工作方式工作。
传统方式中TEC温度要在全温范围内锁定在一个温度点，这样在高温工作时，TEC需要大温差制冷，同样在低温工作时，TEC需要大温差加热。这样不利于光模块功耗的降低。
如图4所示，基于DML激光器的特点，本实施方式中采用设置两个或更多工作点的方法控制TEC的温度。首先，将光模块的外壳温度分为两个区间，以某个特定外壳温度Tc为分区温度点，低于Tc属于低温工作区，高于或等于Tc则是高温工作区。然后，在低温工作区和高温工作区分别设置不同的TEC低温工作点TL和TEC高温工作点TH。当外壳温度低于Tc时，TEC通过加热或制冷，使其工作温度恒定在TL，当外壳温度高于或等于Tc时，TEC通过加热或制冷，使其工作温度恒定在TH。这样极大地减小了光模块外壳和TEC设置温度之间的最大温差值，从而有效地降低了整体功耗。
值得注意的是，尽管在该实施方式中，光模块工作温度分成低温和高温两个区域，低温工作区和高温工作区中各自有一个TEC工作点，然而也可以把工作温度区域划分成多个温度区域，每个区域有一个相应的TEC工作点。作为一个实施例，如图5所示，把光模块工作温度分为低温，常温，和高温区，这样就会有三个TEC工作点。可以进一步缩小TEC控稳点和外壳的温差。
在另一个实施方式中，10G-PON OLT光模块中TEC以图6所示的动态调整方式工作。
如图6所示，首先设置一个高温点TH1和一个低温点TL1；当外壳温度低于TL1时，TEC处于加热工作状态，当外壳温度高于TH1时，TEC则处于制冷工作状态，当外壳温度位于TH1和TL1之间时，TEC则处于关闭或低功耗温度跟随工作状态。这样能够保证激光器的工作温度在TL1和TH1之间。此外，同时还要注意保证激光器的波长满足系统要求（1575-1580nm）。
采用这种控温方式可以有效降低光模块的整体功耗。TEC的温度随光模块外壳温度的变化关系如图7所示。当外壳温度低于TL1时，TEC处于加热控温工作状态，TEC的温度恒定在TL1；当外壳温度高于TH1时，TEC处于制冷控温工作状态，TEC的温度恒定在TH1。这样使得TEC温度和外壳温度的相对温差减小，极大降低了TEC的功耗。而当光模块工作在中间温度区时，TEC处于关闭或者温度跟随状态（TEC的温度随着外界环境温度渐变），基本没有功耗，在大多数应用场合，光模块均工作在温度渐变区内，这将极大降低运营商的能耗及运维成本。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
Claims (9)
1.一种基于控温直接调制激光器的10G-PON OLT光模块，其特征在于，所述光模块包括1577nm直接调制激光器、半导体制冷器和外壳，所述1577nm DML和所述TEC封装在所述外壳中；所述1577nm DML作为所述光模块的下行光源，所述TEC用于对所述1577nm DML进行温控，所述TEC的设置工作点随所述光模块的所述外壳的温度的变化而变化，有效减小了全温工作范围内所述光模块的外壳温度与所述TEC设置工作点的温度差值，从而降低所述光模块的功耗。
2.根据权利要求1所述的一种基于控温直接调制激光器的10G-PON OLT光模块，其特征在于，高温工作环境下所述光模块的外壳温度与所述TEC设置工作点的温度差值不超过25℃。
3.根据权利要求1所述的一种基于控温直接调制激光器的10G-PON OLT光模块，其特征在于，所述光模块还包括温度传感器，所述温度传感器用于测量所述光模块的外壳温度。
4.根据权利要求1所述的一种基于控温直接调制激光器的10G-PON OLT光模块，其特征在于，所述1577nm DML采用啁啾控制设计，能够减小色散效应，满足10G-PON下行的传输要求。
5.一种10G-PON的架构，其包括10G-PON OLT，其特征在于，所述10G-PON OLT包括一个或多个如权利要求1-4任一所述的10G-PON OLT光模块。
6.一种权利要求1-4所述的10G-PON OLT光模块中的TEC的分区工作方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、将所述光模块的外壳温度分为至少两个温度区间；
步骤2、在每个所述温度区间分别设置一个相应的TEC工作点；
步骤3、判断当前所述外壳温度所属的温度区间，使所述TEC工作温度恒定在所述所属的温度区间对应的TEC工作点。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，在所述步骤3中，基于光模块内部的温度传感器的测算结果，判断当前所述外壳温度所属的温度区间。
8.一种权利要求1-4所述的10G-PON OLT光模块中的TEC的动态调整方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤1、设置一个高温点TH1和一个低温点TL1；
步骤2、当所述外壳温度低于所述TL1时，所述TEC处于加热工作状态，所述TEC的温度恒定在TL1；当所述外壳温度高于TH1时，所述TEC则处于制冷工作状态，所述TEC的温度恒定在所述TH1；当所述外壳温度位于所述TH1和TL1之间时，所述TEC则处于关闭或低功耗温度跟随工作状态。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述步骤2中，基于光模块内部的温度传感器的测算结果，判断外壳温度与所述高温点TH1和低温点TL1的相对关系。
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