CN115390200B - 一种基于窄线宽激光器的高速pam4硅光调制模块 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及到光通信领域，尤其涉及到一种基于窄线宽激光器的高速PAM4硅光调制模块。包括一个窄线宽激光器芯片，设置在电路板上，发出窄线宽激光；一个高速电光调制器芯片，用于接收激光并进行调制处理，生成调制的光信号；一个高速调制驱动芯片，用于将输入电信号进行转换和放大，然后传递给高速电光调制器芯片用来对激光进行调制；一根输出光纤，与高速电光调制器的输出端口相连，用于将调制的光信号输出至光模块外部。本发明的技术方案有益效果在于：提供一种基于窄线宽激光器的高速PAM4硅光调制模块，能够基于成熟工艺设计，缩短开发周期，降低成本。另外使用窄线宽激光器作为光源，可以有效降低色散对信号的影响，提升传输距离和传输速率。

Description

一种基于窄线宽激光器的高速PAM4硅光调制模块
技术领域
本发明涉及到光通信领域，尤其是一种基于窄线宽激光器的高速PAM4硅光调制模块。
背景技术
从21世纪开始，伴随移动互联网的广泛普及、在线高清视频、网络直播以及在线娱乐等互联网生态模式的兴起，使各大电信运营商所建立的骨干网和城域网面临日益严峻的容量承载压力。此外，大数据和云计算时代的来临，使信息交换和存储的媒介逐步由原来的个人终端转变为数据中心。这种转变导致数据中心的规模越来越大，形成超级数据中心，中心内部服务器之间数据传输量也急剧增长。传统的电互连已经无法满足数据中心内部以及数据中心之间大容量、高速的数据交换。高速和低损耗是光通信与身俱来的优势，可以有效地克服电互连的缺陷，已经成为骨干网、城域网、数据中心互联的主要方式。
光模块是用来实现数据的高速传输和信号的光电转换核心器件，以25G光模块为基础的100G高速光网络已经成为主流，400G的光模块和高速光通信网络正在研究和部署当中。传统光模块主要采用高速电路芯片、光学组件、Ⅲ-Ⅴ族半导体芯片等器件封装而成，本质上属于“电互连”，随着晶体管加工尺寸的逐渐缩小，电互连将逐渐面临传输瓶颈，硅光子技术应运而生。硅光子技术是基于硅和硅基衬底材料，利用现有CMOS工艺进行光器件开发和集成的新一代技术。硅光子技术的核心是“以光代电”，即采用激光束代替电子信号传输数据，将光学器件和电子元件集整合至一个独立的微芯片中。相比与其他平台的集成技术，硅基光集成成本低，紧凑性好，与传统的光模块相比，硅光模块具有高集成度，低功耗，与微电子器件兼容性好等优势，是一种可靠的光互联解决方案。
然而，无论是传统InP基光模块还是目前在研的硅光模块使用的都是普通的DFB激光器作为光源，其相噪和线宽特性比较差，使得光信号在长距离传输中容易积累较大的色散，导致脉冲展宽，从而造成信号质量的恶化和误码率的提升。这就严重限制了PAM4光模块的传输速率和传输距离。
发明内容
针对现有技术中的问题，本发明提供了一种基于窄线宽激光器的高速PAM4硅光调制模块。
本发明采用的技术方案为：
一种基于窄线宽激光器的高速PAM4硅光调制模块，包括窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片、高速调制驱动芯片、输出光纤、热沉组和温度控制器组；
窄线宽激光器芯片，用于产生窄线宽激光，并传输至高速电光调制器芯片；
高速电光调制器芯片，用于接收窄线宽激光和电信号，进行调制处理，生成调制的光信号，并将调制的光信号传输至输出光纤；
高速调制驱动芯片，用于将外部输入的电信号进行转换和放大，并将处理后的电信号传输至高速电光调制器芯片；
输出光纤，用于将调制的光信号输出至外部；
热沉组，用于分别给窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片和高速调制驱动芯片提供散热；
温度控制器组，用于分别给窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片和高速调制驱动芯片提供温度控制。
进一步的，所述窄线宽激光器芯片包括增益芯片和无源反馈芯片；
增益芯片，用于根据无源反馈芯片的反馈生成激光产生所需的增益；
无源反馈芯片，用于根据增益芯片提供的增益生成窄线宽激光，输出至高速电光调制器芯片，并为增益芯片提供光反馈。
进一步的，所述高速电光调制器芯片包括一个分束器、两个移相器以及一个合束器；
分束器，用于将输入的窄线宽激光等比分成两路，将两路光信号分别对应输出至两个移相器；
两个移相器，分别用于根据高速电光调制器芯片的电信号改变输入光信号的相位，将改变相位的光信号输出至合束器；
合束器，用于将两个移相器输出的光信号进行合束，生成调制的光信号。
进一步的，所述高速调制驱动芯片包括差分驱动电路和数据时钟恢复电路；
差分驱动电路，用于将外部输入的电信号转换为差分信号，输出至数据时钟恢复电路；
数据时钟恢复电路，用于将输入的差分信号转换成时钟序列，输出至高速电光调制器芯片。
进一步的，所述热沉组包含三个热沉，分别独立给窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片和高速调制驱动芯片提供散热。
进一步的，所述温度控制器组包含三个温度控制器，分别独立给窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片和高速调制驱动芯片提供温度控制。
进一步的，所述热沉组的三个热沉分别对应设置在窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片和高速调制驱动芯片的下面。
进一步的，所述温度控制器组的三个温度控制器分别对应设置在热沉组的三个热沉下面。
进一步的，还包括封装管壳，用于罩住窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片、高速调制驱动芯片、输出光纤、热沉组和温度控制器组。
本发明的技术方案有益效果在于：
本发明提供一种基于窄线宽激光器的高速PAM4硅光调制模块，通过将窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片、高速调制驱动芯片和输出光纤通过微组装工艺集成起来，利用窄线宽激光优良的相噪和线宽特性，可以极大地减小长距离光纤引起的色散，从而提高光模块的传输距离和传输速率。
附图说明
图1为本发明实施例中，一种基于窄线宽激光器的高速PAM4硅光调制模块的内部分布图。
图2为本发明实施例中，所述窄线宽激光器示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的一种基于窄线宽激光器的高速PAM4硅光调制模块，包括外壳、窄线宽激光器芯片20、高速电光调制器芯片30、高速调制驱动芯片40、输出光纤50、热沉组60和温度控制器组70。
窄线宽激光器芯片20，用于产生窄线宽激光，并传输至高速电光调制器芯片30；
高速电光调制器芯片30，用于接收窄线宽激光和电信号，进行调制处理，生成调制的光信号，并将调制的光信号传输至输出光纤50；
高速调制驱动芯片40，用于将外部输入的电信号进行转换和放大，并将处理后的电信号传输至高速电光调制器芯片30；
输出光纤50，用于将调制的光信号输出至外部；
热沉组60，用于分别给窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片和高速调制驱动芯片提供散热；
温度控制器组70，用于分别给窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片和高速调制驱动芯片提供温度控制。
其中，热沉组60包含三个热沉，分别为601、602和603。
其中，温度控制器组70包含三个温度控制器，分别为701、702和703。
其中，窄线宽激光器芯片20、高速电光调制器芯片30、高速调制驱动芯片40、输出光纤50、热沉组60和温度控制器组70之间的信号传输以及位置分布可以如下所述，如图1所示：
窄线宽激光器芯片20设置在热沉601上，增加散热；
高速电光调制器芯片30设置在热沉602上，增加散热；
高速调制驱动芯片40设置在热沉603上，增加散热；
热沉601设置在温度控制器701上，用于控制窄线宽激光器芯片的工作温度；
热沉602设置在温度控制器702上，用于控制高速电光调制器芯片的工作温度；
热沉603设置在温度控制器703上，用于控制高速调制器驱动芯片的工作温度；
外壳10可以是气密封装，气密封装可以提高模块的可靠性。
窄线宽激光器20采用外腔反馈方式实现，包括增益芯片201和无源反馈芯片202，如图2所示。
增益芯片201，用于根据无源反馈芯片的反馈生成激光产生所需的增益；
无源反馈芯片202，用于根据增益芯片201提供的增益生成窄线宽激光，输出至高速电光调制器芯片30，并为增益芯片201提供光反馈。
高速电光调制器芯片30可以采用马赫增德尔结构的调制器或者微环调制器，材料可以选择体铌酸锂、薄膜铌酸锂、III-V族或者硅基等材料。
所述高速电光调制器芯片30包括一个分束器、两个移相器以及一个合束器；
分束器，用于将输入的窄线宽激光等比分成两路，将两路光信号分别对应输出至两个移相器；
两个移相器，分别用于根据高速电光调制器芯片的电信号改变输入光信号的相位，将改变相位的光信号输出至合束器；
合束器，用于将两个移相器输出的光信号进行合束，生成调制的光信号。
所述高速调制驱动芯片40包括差分驱动电路和数据时钟恢复电路；
差分驱动电路，用于将外部输入的电信号转换为差分信号，输出至数据时钟恢复电路；
数据时钟恢复电路，用于将输入的差分信号转换成时钟序列，输出至高速电光调制器芯片。
输出光纤50与高速电光调制器芯片30连接，连接方式可以是直接耦合或者透镜耦合。

Claims (4)

1.一种基于窄线宽激光器的高速PAM4硅光调制模块，其特征在于，包括窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片、高速调制驱动芯片、输出光纤、热沉组和温度控制器组；
窄线宽激光器芯片，用于产生窄线宽激光，并传输至高速电光调制器芯片；
高速电光调制器芯片，用于接收窄线宽激光和电信号，进行调制处理，生成调制的光信号，并将调制的光信号传输至输出光纤；
高速调制驱动芯片，用于将外部输入的电信号进行转换和放大，并将处理后的电信号传输至高速电光调制器芯片；
输出光纤，用于将调制的光信号输出至外部；
热沉组，用于分别给窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片和高速调制驱动芯片提供散热；
温度控制器组，用于分别给窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片和高速调制驱动芯片提供温度控制；
其中，所述窄线宽激光器芯片包括增益芯片和无源反馈芯片；
增益芯片，用于根据无源反馈芯片的反馈生成激光产生所需的增益；
无源反馈芯片，用于根据增益芯片提供的增益生成窄线宽激光，输出至高速电光调制器芯片，并为增益芯片提供光反馈；
其中，所述高速电光调制器芯片包括一个分束器、两个移相器以及一个合束器；
分束器，用于将输入的窄线宽激光等比分成两路，将两路光信号分别对应输出至两个移相器；
两个移相器，分别用于根据高速电光调制器芯片的电信号改变输入光信号的相位，将改变相位的光信号输出至合束器；
合束器，用于将两个移相器输出的光信号进行合束，生成调制的光信号；
其中，所述高速调制驱动芯片包括差分驱动电路和数据时钟恢复电路；
差分驱动电路，用于将外部输入的电信号转换为差分信号，输出至数据时钟恢复电路；
数据时钟恢复电路，用于将输入的差分信号转换成时钟序列，输出至高速电光调制器芯片；
其中，所述热沉组包含三个热沉，分别独立给窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片和高速调制驱动芯片提供散热；
其中，所述温度控制器组包含三个温度控制器，分别独立给窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片和高速调制驱动芯片提供温度控制。
2.根据权利要求1所述的一种基于窄线宽激光器的高速PAM4硅光调制模块，其特征在于，所述热沉组的三个热沉分别对应设置在窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片和高速调制驱动芯片的下面。
3.根据权利要求2所述的一种基于窄线宽激光器的高速PAM4硅光调制模块，其特征在于，所述温度控制器组的三个温度控制器分别对应设置在热沉组的三个热沉下面。
4.根据权利要求1所述的一种基于窄线宽激光器的高速PAM4硅光调制模块，其特征在于，还包括封装管壳，用于罩住窄线宽激光器芯片、高速电光调制器芯片、高速调制驱动芯片、输出光纤、热沉组和温度控制器组。
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