CN114221213B - 一种集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件，包括可调谐激光器芯片、电吸收调制器芯片、加热装置、热阻装置、温度传感装置和用于感应环境温度的基底；所述可调谐激光器芯片的材料增益谱范围为GL(T)至GH(T)，其中GL和GH是温度T的单调递增函数；所述可调谐激光器芯片的谐振波长调谐范围为NL(T)至NH(T)，其中NL和NH是温度T的单调递增函数；所述可调谐激光器芯片正常工作时发热量为PN。本发明无需采用额外的制冷设备来进行温度的控制，可以实现非气密性封装，一方面能够减小装置整体的物料成本和体积，另一方面，采用费气密性封装结构能够简化封装的工艺，降低了装置在装配过程中的操作难度。
Description
技术领域
本发明涉及光通信组件技术领域，特别涉及一种集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件。
背景技术
光网络是现代信息社会数据传输的基础。目前，通信数据容量以24％的年复合增长率不断增加，为实现更高速、更灵活的网络通信技术，光网络需要具备越来越多波长可调谐的光芯片，在使用时，可调谐激光器需要配合高速调制的器件来实现高速信号发生的功能。
然而，激光器、电吸收调制器都对温度十分敏感，激光器有源区材料的增益谱、激光器谐振腔波长和电吸收调制器的吸收波长都会随着温度变化而漂移，因此在现有技术中，一般通过使用气密性封装结构，并使用半导体热电制冷器，来实现当环境温度变化时，对芯片进行制冷，使得可调谐激光器芯片和电吸收调制器芯片仍然在额定温度下工作，而如果去除制冷器则无法实现温度的控制，从而可调谐激光器芯片和电吸收调制器芯片都无法正常工作，而且，使用制冷设备使得装置整体的物料成本以及体积都过大，而且气密性封装结构的封装工艺更为复杂，给装置的装配过程增加了操作难度。
发明内容
本发明的目的在于，提供一种集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件。本发明可以实现无制冷的情况下同时实现波长调谐和光信号调制的效果。
本发明的技术方案：一种集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件，包括可调谐激光器芯片、电吸收调制器芯片、加热装置、热阻装置、温度传感装置和用于感应环境温度的基底；
所述可调谐激光器芯片的材料增益谱范围为GL(T)至GH(T)，其中GL和GH是温度T的单调递增函数；所述可调谐激光器芯片的谐振波长调谐范围为NL(T)至NH(T)，其中NL和NH是温度T的单调递增函数；所述可调谐激光器芯片正常工作时发热量为PN；所述电吸收调制器芯片的吸收波长范围为EL(T)至EH(T)，其中EL和EH是温度T的单调递增函数；所述电吸收调制器芯片正常工作时发热量为PE；所述加热装置的最大加热功率为Pmax；所述热阻装置的热阻为Rth；
基底的环境温度的低温为TL，基底的环境温度的高温为TH，所述可调谐激光器芯片通过PL和PH参数实现波长λL至λH范围内的可调谐与光信号调制，其中PL为低温热功耗，PH为高温热功耗，PL和PH都属于[0,Pmax]，使得以下不等式均成立：
(1)GL(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≤λL；
(2)NL(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≤λL；
(3)EL(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≤λL；
(4)GH(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≥λH；
(5)NH(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≥λH；
(6)EH(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≥λH；
(7)GL(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≤λL；
(8)NL(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≤λL；
(9)EL(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≤λL；
(10)GH(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≥λH；
(11)NH(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≥λH；
(12)EH(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≥λH。
前述的集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件中，在实现波长λL至λH的波长可调谐范围的前提下，所述可调谐激光器芯片和电吸收调制器芯片存在特定工作温度范围TR至TS，其中，TR的计算方法为：GH(TR)，NH(TR)，EH(TR)三个值中，其中一个值等于λH，另外两个值都大于等于λH，从而得到TR的值；TS的计算方法为：GL(TS)，NL(TS)，EL(TS)三个值中，其中一个值等于λL，另外两个值都小于等于λL，从而得到TS的值。
前述的集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件中，所述温度传感装置反馈的温度值为Tt，当Tt小于TR时，所述加热装置的加热功率增加；当Tt大于TS时，所述加热装置的加热功率降低。
前述的集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件中，所述可调谐激光器芯片和电吸收调制器芯片均为单片集成加工制成。
前述的集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件中，所述可调谐激光器芯片和电吸收调制器芯片通过光子引线键合技术或透镜耦合技术进行光互联。
前述的集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件中，所述电吸收调制器芯片上集成有半导体光放大器。
前述的集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件中，所述可调谐激光器芯片由多个基于多波长阵列实现的可调谐激光器组成，多个所述激光器以M×N的矩阵式排列，其中M和N均为正整数，多个所述激光器之间存在固定的波长间隔，多个激光器以并行、串行或矩阵形式排列，其中并行的多个激光器的波导通过合波结构汇合为单一波导。
前述的集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件中，所述热阻装置102的热阻可以进行控制改变，当环境温度降低时，降低热量搬运，热阻升高，当环境温度升高时，增加热量搬运，热阻降低。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过对可调谐激光器芯片、电吸收调制器芯片、加热装置、热阻装置和温度传感装置的相关参数进行特殊设计，并且，根据温度传感装置所反馈的温度值，控制加热装置的加热功率的增加或者减少，进而实现对装置温度的调控，无需采用额外的制冷设备来进行温度的控制，可以实现非气密性封装，一方面能够减小装置整体的物料成本和体积，另一方面，采用费气密性封装结构能够简化封装的工艺，降低了装置在装配过程中的操作难度。
2、本发明通过综合采用可调谐激光器芯片、电吸收调制器芯片、加热装置、热阻装置和温度传感装置，并且对上述装置的相关参数进行特殊设计，从而实现在一个较大环境温度的范围中，例如商业温度范围，在不采用制冷装置的前提下，同时实现波长调谐和光信号调制，进而保证整个光通信系统组件能够在不采用制冷装置的前提下正常工作。
附图说明
图1是本发明中可调谐激光器芯片的材料增益波长范围在不同温度下变化的示意图；
图2是本发明的器件逻辑结构图；
图3是本发明的无制冷可调谐光发射组件的设计方法流程图；
图4是本发明可调谐激光器芯片与电吸收调制器芯片的参数示意图；
图5是本发明中控制加热装置运行的流程图。
附图中的标记为：101-基底；102-热阻装置；103-温度传感装置；104-加热装置；105-可调谐激光器芯片；106-电吸收调制器芯片；107-光路示意。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。
实施例：一种集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件，如附图2所示，包括可调谐激光器芯片105、电吸收调制器芯片106、加热装置104、热阻装置102、温度传感装置103和用于感应环境温度的基底101，所述可调谐激光器芯片106和电吸收调制器芯片106均为单片集成加工制成，所述可调谐激光器芯片105和电吸收调制器芯片106通过光子引线键合技术或透镜耦合技术进行光互联，实现可调谐激光进入电吸收调制器芯片106，所述可调谐激光器芯片105由多个基于多波长阵列实现的可调谐激光器组成，多个所述激光器以M×N的矩阵式排列，其中M和N均为正整数，多个所述激光器之间存在固定的波长间隔，多个激光器以并行、串行或矩阵形式排列，其中并行的多个激光器的波导通过合波结构汇合为单一波导，激光器通过集成光波导进入电吸收调制器芯片106，可调谐激光器芯片105为基于游标效应实现的宽范围波长可调谐技术，该可调谐方案首先实现两段不同间隔的梳状谱，然后通过改变前后两段梳状谱的相对位置，从而实现大范围波长可调谐，所述电吸收调制器芯片106上集成有半导体光放大器，能够实现对光功率的放大，所述可调谐激光器芯片105、电吸收调制器芯片106、加热装置104和温度传感装置103均设置在热阻装置102的表面，所述热阻装置102的另一表面与基底101连接，所述热阻装置102的热阻可以进行控制改变，而且热阻装置102为基于帕尔帖效应的热量搬运装置，其可以等效视为热阻可变装置，当环境温度降低时，降低热量搬运，热阻升高，当环境温度升高时，增加热量搬运，热阻降低，可调谐激光器芯片105的激光经过电吸收调制器芯片106，形成光信号发出，具体的光线光路示意107如附图2所示；
所述可调谐激光器芯片105的材料增益谱范围为GL(T)至GH(T)，其中GL和GH是温度T的单调递增函数；所述可调谐激光器芯片105的谐振波长调谐范围为NL(T)至NH(T)，其中NL和NH是温度T的单调递增函数；所述可调谐激光器芯片105正常工作时发热量为PN；所述电吸收调制器芯片106的吸收波长范围为EL(T)至EH(T)，其中EL和EH是温度T的单调递增函数；所述电吸收调制器芯片106正常工作时发热量为PE；所述加热装置104的最大加热功率为Pmax；所述热阻装置102的热阻为Rth；
如附图1所示，附图1表示出了可调谐激光器芯片105的材料增益波长范围在不同温度下的变化，同理可理解可调谐激光器芯片105的谐振波长调谐范围和电吸收调制器芯片106的吸收波长范围在不同温度下的变化；
例如，对于基于InP材料体系的C波段可调谐激光器芯片105和电吸收调制器芯片106，可调谐激光器芯片105的增益波长随温度变化可以近似为线性变化，线性变化的系数为0.6nm/℃，在45℃时，增益波长范围为1520nm至1580nm，在70℃时，增益波长范围为1535nm至1595nm；可调谐激光器芯片105的谐振腔波长随温度变化也可以近似为线性变化，线性变化的系数为0.1nm/℃，在45℃时，谐振腔调谐波长范围为1530nm至1570nm，在70℃时，增益波长范围为1532.5nm至1572.5nm；电吸收调制器芯片106的吸收波长随温度变化也可以近似为线性变化，线性变化的系数为0.4nm/℃，在45℃时，吸收波长范围为1535nm至1560nm，在70℃时，吸收波长范围为1545nm至1570nm。
如附图3所示，确定基底101的环境温度在低温TL至高温TH之间，所需实现的工作波长范围为λL至λH，可调谐激光器芯片105正常工作时发热量PN，电吸收调制器芯片106正常工作时发热量PE，所述可调谐激光器芯片105通过PL和PH参数实现波长λL至λH范围内的可调谐与光信号调制，其中PL为低温热功耗，PH为高温热功耗，PL和PH都属于[0,Pmax]，使得以下不等式均成立：
(1)GL(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≤λL；
(2)NL(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≤λL；
(3)EL(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≤λL；
(4)GH(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≥λH；
(5)NH(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≥λH；
(6)EH(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≥λH；
(7)GL(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≤λL；
(8)NL(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≤λL；
(9)EL(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≤λL；
(10)GH(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≥λH；
(11)NH(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≥λH；
(12)EH(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≥λH。
例如，一般商业环境温度范围TL＝0℃至TH＝70℃，所需实现的工作波长范围为λL＝1545nm至λH＝1555nm范围，可调谐激光器芯片105正常工作时发热量PN＝80mW，电吸收调制器芯片106正常工作时发热量PE＝20mW。
此时，设计热阻Rth为0.1℃/mW，当PL为400mW，PH为0mW，TL+(PL+PN+PE)×Rth则等于50℃，TH+(PH+PN+PE)×Rth则等于80℃，从而上述12个不等式可以简化为6个，分别为：
(1)GL(50℃)≤GL(80℃)≤1545nm；
(2)NL(50℃)≤NL(80℃)≤1545nm；
(3)EL(50℃)≤EL(80℃)≤1545nm；
(4)GH(80℃)≥GH(50℃)≥1555nm；
(5)NH(80℃)≥NH(50℃)≥1555nm；
(6)NH(80℃)≥NH(50℃)≥1555nm。
通过结合相关材料波长随温度变化的关系，可以设计可调谐激光器芯片105在50℃下的材料增益谱范围为1510nm至1570nm(在80℃时则变为1525nm至1585nm)，设计可调谐激光器芯片105在50℃下的谐振腔波长范围为1520nm至1560nm(在80℃时则变为1523nm至1563nm)，设计电吸收调制器芯片106在50℃下的吸收波长范围为1531nm至1556nm(在80℃时则变为1543nm至1568nm)。如附图4所示，附图4表示了该实施例中可调谐激光器芯片的材料增益范围和谐振波长范围，电吸收调制器芯片的吸收波长范围与工作波长调谐范围的关系。
因此，通过上述设计，并设计加热装置104的最大加热功率Pmax大于400mW，存在一组PL＝400mW，PH＝0mW，使得所述12个不等式同时成立。从而，就可以实现在商业环境温度下，波长1545nm至1555nm范围的无制冷可调谐，并同时实现光信号调制。
进一步地，在实现波长λL至λH的波长可调谐范围的前提下，所述可调谐激光器芯片105和电吸收调制器芯片106存在特定工作温度范围TR至TS，其中，TR的计算方法为：GH(TR)，NH(TR)，EH(TR)三个值中，其中一个值等于λH，另外两个值都大于等于λH，从而得到TR的值；TS的计算方法为：GL(TS)，NL(TS)，EL(TS)三个值中，其中一个值等于λL，另外两个值都小于等于λL，从而得到TS的值。例如，延续上个例子的参数，可以得到TR和TS分别为47.5℃和85℃。
如附图5所示，根据计算得到的TR的值和TS的值，并且所述温度传感装置103反馈的温度值为Tt，当Tt小于TR时，所述加热装置104的加热功率增加；当Tt大于TS时，所述加热装置104的加热功率降低，从而在不需要读取环境温度的情况下，可以实现所述电吸收调制器芯片106的无制冷可调谐光发射组件正常工作。
Claims (8)
1.一种集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件，包括可调谐激光器芯片(105)、电吸收调制器芯片(106)、加热装置(104)、热阻装置(102)、温度传感装置(103)和用于感应环境温度的基底(101)，其特征在于：
所述可调谐激光器芯片(105)的材料增益谱范围为GL(T)至GH(T)，其中GL和GH是温度T的单调递增函数；所述可调谐激光器芯片(105)的谐振波长调谐范围为NL(T)至NH(T)，其中NL和NH是温度T的单调递增函数；所述可调谐激光器芯片(105)正常工作时发热量为PN；所述电吸收调制器芯片(106)的吸收波长范围为EL(T)至EH(T)，其中EL和EH是温度T的单调递增函数；所述电吸收调制器芯片(106)正常工作时发热量为PE；所述加热装置(104)的最大加热功率为Pmax；所述热阻装置(102)的热阻为Rth；
基底(101)的环境温度的低温为TL，基底(101)的环境温度的高温为TH，所述可调谐激光器芯片(105)通过PL和PH参数实现波长λL至λH范围内的可调谐与光信号调制，其中PL为低温热功耗，PH为高温热功耗，PL和PH都属于[0,Pmax]，且使得以下不等式均成立：
(1)GL(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≤λL；
(2)NL(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≤λL；
(3)EL(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≤λL；
(4)GH(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≥λH；
(5)NH(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≥λH；
(6)EH(TL+(PL+PN+PE)×Rth)≥λH；
(7)GL(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≤λL；
(8)NL(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≤λL；
(9)EL(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≤λL；
(10)GH(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≥λH；
(11)NH(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≥λH；
(12)EH(TH+(PH+PN+PE)×Rth)≥λH。
2.根据权利要求1所述的一种集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件，其特征在于：在实现波长λL至λH的波长可调谐范围的前提下，所述可调谐激光器芯片(105)和电吸收调制器芯片(106)存在特定工作温度范围TR至TS，其中，TR的计算方法为：GH(TR)，NH(TR)，EH(TR)三个值中，其中一个值等于λH，另外两个值都大于等于λH，从而得到TR的值；TS的计算方法为：GL(TS)，NL(TS)，EL(TS)三个值中，其中一个值等于λL，另外两个值都小于等于λL，从而得到TS的值。
3.根据权利要求2所述的一种集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件，其特征在于：所述温度传感装置(103)反馈的温度值为Tt，当Tt小于TR时，所述加热装置(104)的加热功率增加；当Tt大于TS时，所述加热装置(104)的加热功率降低。
4.根据权利要求1所述的一种集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件，其特征在于：所述可调谐激光器芯片(105)和电吸收调制器芯片(106)均为单片集成加工制成。
5.根据权利要求1所述的一种集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件，其特征在于：所述可调谐激光器芯片(105)和电吸收调制器芯片(106)通过光子引线键合技术或透镜耦合技术进行光互联。
6.根据权利要求1所述的一种集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件，其特征在于：所述电吸收调制器芯片(106)上集成有半导体光放大器。
7.根据权利要求1所述的一种集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件，其特征在于：所述可调谐激光器芯片(105)由多个基于多波长阵列实现的可调谐激光器组成，多个所述激光器以M×N的矩阵式排列，其中M和N均为正整数，多个所述激光器之间存在固定的波长间隔，多个激光器以并行、串行或矩阵形式排列，其中并行的多个激光器的波导通过合波结构汇合为单一波导。
8.根据权利要求1所述的一种集成电吸收调制器的无制冷可调谐光发射组件，其特征在于：所述热阻装置(102)的热阻可以进行控制改变，当环境温度降低时，降低热量搬运，热阻升高，当环境温度升高时，增加热量搬运，热阻降低。
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