CN117673894A - 一种激光器温度控制组件和光模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通信技术领域，提供了一种激光器温度控制组件和光模块，其中所述组件包括激光器管芯、激光器管脚、热敏电阻、温度控制模块和热电制冷器；热敏电阻用于检测激光器管芯的温度；温度控制模块用于根据所述激光器管芯的温度控制热电制冷器，对激光器管芯进行温度控制；热敏电阻和激光器管脚通过连接件进行连接，热电制冷器还作用于连接件，对由激光器管脚所带来的环境温差进行缓冲，抵消环境温度对热敏电阻的影响，使热敏电阻检测激光器管芯温度更精准，使在热电制冷器的温度控制下，激光器的温度保持稳定。本发明使热敏电阻不受环境温度影响，稳定反馈激光器管芯的温度，使在热电制冷器的反馈调节作用下保持激光器管芯的温度稳定性。

Description

一种激光器温度控制组件和光模块

技术领域

本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种激光器温度控制组件和光模块。

背景技术

随着信息产业的全面普及带来全球数据量的爆发性增长，全球数据中心建设如火如荼。各种新兴业务对带宽需求飞速增长，整个通信网络都急需将光传送节点，接入和交换的带宽和容量也随着日益提升。光通讯热插拔多模光模块，是应用于云计算、光纤通道系统和数据中心的的主流小型化光模块。这种模块的设计目的是通过更小的体积和更低的成本，提供更高的接入密度，最终提高用户接入容量。

光模块产品应用在整个通信网络的各个环节，当前基本所有网络传输环节都要使用光模块。带制冷的光模块是一种应用于长距离传输及宽带接入的光模块，制冷控制的稳定性对应光模块的波长稳定性、对光模块的传输距离有着重要的作用。

近年来，光纤接入技术和密集波分复用技术不断发展，为了尽可能地传输更多的信道，要求光源峰值波长的间隔尽可能地小，这就对激光器波长的稳定性提出了更高的要求。对于采用0.8nm信道间隔的波分复用系统，一个0.4nm的波长变化就能把一个信道移到另一个信道上。

在带制冷器的光模块里，不论外界环境温度如何变化，要求其管芯温度在整个工作温度范围内保持恒温保持稳定，这样才能保证光模块功率和波长的温度，才能保证其传输距离不受影响。

目前由于越老越多的需求，要求光模块的工作温度要达到商业级的0-70度，甚至工业级的-40-85度，也对带制冷的光模块的管芯的稳定性提出了更高的要求。

然而，由于光模块所用光器件受环境温度和自身热量的影响，如果不做修正和补偿，光模块无法在整个工作温度范围内保持管芯温度的稳定。

鉴于此，克服该现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

发明内容

本发明实施例要解决的技术问题是热敏电阻受环境温度影响，导致与激光器管芯温度出现偏差，影响激光器管芯温度控制的稳定性，影响激光器发射光波长的稳定性。

本发明实施例采用如下技术方案：

第一方面，一种激光器温度控制组件，包括激光器管芯1、激光器管脚2、热敏电阻3、温度控制模块4和热电制冷器5；

所述热敏电阻3用于检测所述激光器管芯1的温度；

所述温度控制模块4用于根据所述激光器管芯1的温度控制所述热电制冷器5，以对所述激光器管芯1进行温度控制；

所述热敏电阻3和所述激光器管脚2通过连接件6进行连接，所述热电制冷器5还作用于所述连接件6，对由激光器管脚2所带来的环境温差进行缓冲，以抵消环境温度对热敏电阻3的影响，使所述热敏电阻3精准检测激光器管芯1温度，从而使在热电制冷器5的温度控制下，激光器的温度保持稳定。

优选的，所述连接件6是由在基板上刻蚀出金层图形，并将所述金层图形贴装在所述热电制冷器5表面得到的，或所述连接件6为贴装在所述热电制冷器5表面的金属连接块。

优选的，所述热敏电阻3和所述激光器管脚2通过连接件6进行连接，具体包括：

所述热敏电阻3通过金丝打线连接至所述连接件6的一端，所述激光器管脚2通过金丝打线连接至所述连接件6的另一端。

优选的，当环境温度高于所述热敏电阻3的温度时，所述热电制冷器5对所述连接件6进行制冷；

当环境温度低于所述热敏电阻3的温度时，所述热电制冷器5对所述连接件6进行制热。

优选的，所述连接件6、热敏电阻3和激光器管芯1设置在所述热电制冷器5的同一端。

优选的，所述温度控制模块4用于根据所述激光器管芯1的温度控制所述热电制冷器5，具体包括：

当所述激光器管芯1的温度低于预设管芯温度时，所述温度控制模块4为所述热电制冷器5提供直流电流，使所述热电制冷器5产生由原理激光器管芯1所在位置的一端产生向靠近激光器管芯1所在位置的一端的热流向，为所述激光器管芯1制热；

当所述激光器管芯1的温度高于预设管芯温度时，所述温度控制模块4为所述热电制冷器5提供直流电流，使所述热电制冷器5产生由靠近激光器管芯1所在位置的一端产生向远离激光器管芯1所在位置的一端的热流向，为所述激光器管芯1制冷。

优选的，所述以抵消环境温度对热敏电阻3的影响，具体包括：

在所述连接件6的作用下，所述热敏电阻3的温度受环境温度影响的波动幅度大于等于-4.5℃，且小于等于4.5℃。

优选的，所述激光器温度控制组件工作的环境温度大于等于-40℃且小于等于85℃。

第二方面，本发明提供了一种光模块，使用第一方面所述的激光器温度控制组件，控制光模块中激光器管芯1的温度，以维持所述光模块发射光波长的稳定。

优选的，所述光模块发射光波长受环境温度影响的波动幅度大于等于-0.02nm且小于等于0.02nm。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：本发明通过设置连接件，并使所述热电制冷器作用于连接件的方式，使在环境温度传导至热敏电阻前进行缓冲调节，使热敏电阻不受环境温度影响，稳定反馈激光器管芯的温度，从而使在热电制冷器的反馈调节作用下保持激光器管芯的温度稳定性，进而确保激光器发射波长的稳定性。

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它的附图。

图1是本发明实施例提供的一种激光器的波长与温度的关系示意图；

图2是本发明实施例提供的现有技术中的一种激光器温度控制组件的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的一种激光器温度控制组件的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的一种激光器温度控制组件的架构示意图；

图5是本发明实施例提供的一种激光器温度控制组件的局部结构示意图；

图6是本发明实施例提供的另一种激光器温度控制组件的结构示意图；

图7是本发明实施例提供的另一种激光器温度控制组件的局部结构示意图；

图8是本发明实施例提供的一种光模块的结构示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1、激光器管芯；2、激光器管脚；3、热敏电阻；4、温度控制模块；5、热电制冷器；6、连接件。

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，下面将结合附图对现有技术中的激光器温度控制组件进行说明。应当理解，此处的描述为现有技术，用于与下述各实施方式对比以使本发明的技术方案和优点更清楚，而不用于限定本发明。

作为半导体器件，激光器的波长λ等性能与温度密切相关。激光器管芯温度和波长关系曲线如图1所示。

从图1中可以看出在正常工作范围内，激光器波长与温度成正比关系，环境温度的变化会对波长造成影响。激光器波长的温度依赖性典型约为0.09nm/℃,因此对波长的控制可通过温度控制来实现，对激光器的管芯温度进行控制是稳定激光器发射波长的最有效、最基本的方法。

特定波长激光器内部一般都集成有热敏电阻和TEC(Thermoelectric Cooler，热电制冷器)。热敏电阻是由温度系数大的导体材料制成的电阻元件，电阻温度系数多为负值，其阻值与温度的关系是非线性的，阻值随着温度的升高而降低。

TEC是一种利用帕耳贴(Peltier)效应进行制冷或加热的半导体器件，在TEC两端加上一个直流电压就会产生一个直流电流，这会使TEC的一端发热，另一端制冷；把TEC两端的电压反向则会导致相反的热流向。TEC可以移去的热量与流过TEC的电流值有关，因此激光器的管芯温度可以通过控制流过TEC两端的电流方向和幅度来控制。特定波长激光器的温控电路实质上就是对激光器内部的TEC进行控制。

现有技术通常基于反馈控制思想，通过激光器管芯温度的反馈来实现对激光器波长的控制。即控制电路利用热敏电阻反馈激光器管芯温度，并将其与给定电压比较，进行相应硬件或算法处理后，输出一定电压给TEC，TEC根据流过电流的方向，对激光器进行制冷或加热，使激光器温度稳定在所要求的值。热敏电阻的温度表征了激光器管芯的温度，热敏电阻的温度稳定程度，也决定了激光器管芯的温度稳定程度。但在现有技术中进行封装时，如图2所示，通常需将热敏电阻用金线直接打线绑定到管体的管脚。激光器管芯和热敏电阻位于制冷器表面，温度稳定，但是管体的管脚是随光模块的环境温度，从而连接管脚和热敏电阻的金线，一端是温度稳定的制冷器上的热敏电阻，另一端是随环境变化的管体管脚。这就导致环境温度会随管脚和金线传导至热敏电阻，造成热敏电阻的温度不稳定，无法精准反馈激光器管芯的温度。

当光模块工作在高温时，热敏电阻受管脚高温的影响，温度偏高，从而制冷器增加制冷，使得热敏电阻的温度维持不变，但是因制冷增加，激光器管芯的温度偏低，波长变小。

当光模块工作在低温时，热敏电阻受管脚低温的影响，温度偏低，从而制冷器增加制热，使得热敏电阻的温度维持不变，但是因制热增加，激光器管芯的温度偏高，波长变大。

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，此处所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。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

实施例1:

本发明实施例1提供了一种激光器温度控制组件，如图3所示，包括激光器管芯1、激光器管脚2、热敏电阻3、温度控制模块4和热电制冷器5。

所述热敏电阻3用于检测所述激光器管芯1的温度。

所述温度控制模块4用于根据所述激光器管芯1的温度控制所述热电制冷器5，以对所述激光器管芯1进行温度控制。

所述热敏电阻3和所述激光器管脚2通过连接件6进行连接，所述热电制冷器5还作用于所述连接件6，对由激光器管脚2所带来的环境温差进行缓冲，以抵消环境温度对热敏电阻3的影响，使所述热敏电阻3精准检测激光器管芯1温度，从而使在热电制冷器5的温度控制下，激光器的温度保持稳定。

其中，所述连接件6可以是由金属制成的，同时具有良好导电性和导热性的金属连接线，通过将所述金属连接线贴装在热电制冷器5表面，使热电制冷器5对其进行控温。

需要说明的是，激光器管芯1、热敏电阻3和热电制冷器5等器件通常由壳体包裹，激光器管脚2暴露在外部环境中，为了直观表现激光器管脚2与热敏电阻3之间的连接关系，在本实施例的各附图中，以半透明的方式表现壳体的部分结构。

所述环境温差具体为环境温度与热敏电阻3温度之间的差值，所述抵消环境温度对热敏电阻3的影响可以是完全去除环境温度对热敏电阻3的影响，也可以是将环境温度对热敏电阻3的影响控制在激光器管芯1的工作温度的波动允许范围内。

需要说明的是，温度控制模块4的实现为现有技术，其通常表现为控温电路，通过控温电路控制热电制冷器5的工作电流和工作电流的方向，从而控制热电制冷器5对所述激光器管芯1进行温度控制，所述温度控制模块4与热电制冷器5之间的工作架构示意图如图4所示。

所述热电制冷器5根据热敏电阻3进行激光器管芯1控温构成了第一层反馈控温；在第一层反馈控温的基础上，本实施例还通过连接件6将激光器管脚2与热敏电阻3之间的热量传播通过连接件6和热电制冷器5的方式进行缓冲，从而形成了第二层控温，从而使在第二层控温下，热敏电阻3能够不受环境温度影响，精确测量激光器管芯1的温度，使第一层反馈控温更稳定，从而控制激光器发射光波长的稳定性。

本实施例通过设置连接件6，并使所述热电制冷器5作用于连接件6的方式，使在环境温度传导至热敏电阻3前进行缓冲调节，使热敏电阻3不受环境温度影响，稳定反馈激光器管芯1的温度，从而使在热电制冷器5的反馈调节作用下保持激光器管芯1的温度稳定性。

为了使热电制冷器5更好地作用于所述连接件6，进行更好的热交换，本实施例还提供了以下优选的实施例，如图5、图6和图7所示，具体包括：

所述连接件6是由在基板上刻蚀出金层图形，并将所述金层图形贴装在所述热电制冷器5表面得到的，或所述连接件6为贴装在所述热电制冷器5表面的金属连接块。

其中，图5是使用金层图形作为连接件6的激光器温度控制组件的局部结构示意图，是图4中组件的局部放大呈现，为了更清晰地表现激光器管脚2和热敏电阻3通过连接件6连接的具体细节。图6是使用金属连接块作为连接件6的激光器温度控制组件的结构示意图，图7是使用金属连接块作为连接件6的激光器温度控制组件的局部结构示意图。

所述金层图形和所述金属连接块的大小、形状、厚度以及热敏电阻3和激光器管脚2与金层图形或金属连接块的连接位置均是由本领域技术人员根据激光器所需工作的环境以及激光器发射光的波长需求分析得出的。其制定标准在于使激光器在相应环境温度下，在连接件6和热电制冷器5的作用下，环境温度传导至热敏电阻3时，能够将其控制在激光器工作温度的波动允许范围内。

在进行所述组件的制作阶段，可直接通过刻蚀金层图形的方式来完成；而当在通过现有技术将组件制作完毕后，若仍希望通过连接件6和热电制冷器5进行温度稳定，则可通过贴装金属连接块的方式实现，以避免组件完全重制，或组件丢弃所造成的物料成本和人工成本的浪费。

本实施例通过使用金层图形或金属连接块作为连接件6，使热电制冷器5和连接件6之间的接触面积增大，以达到更好的温度稳定效果。

结合上述实施例，还提供了以下具体的连接方式，即所述热敏电阻3和所述激光器管脚2通过连接件6进行连接，具体包括：

所述热敏电阻3通过金丝打线连接至所述连接件6的一端，所述激光器管脚2通过金丝打线连接至所述连接件6的另一端。

使充分利用所述连接件6与热电制冷器5之间的热交换，确保与热敏电阻3连接的一端温度与热敏电阻3自身温度相近。

作为一种优选的实现方式，在确保热电制冷器5的温控流程不改动的情况下，对所述连接件6、热敏电阻3和激光器的设置位置进行限定，具体包括：

所述连接件6、热敏电阻3和激光器管芯1设置在所述热电制冷器5的同一端。

需要说明的是，本实施例中所表述的热电制冷器5的一端或热电制冷器5的另一端均是针对理论中的热电制冷器5模型所描述的，其两端的方向与热电制冷器5产生热流向的方向一致。在实际应用情况中，由于热电制冷器5器件的规格不同，存在将热电制冷器5的两个对立面作为热流向方向的器件，其实现原理与理论中的热电制冷器5模型实现原理一致，其两个对立面可视作为其两端，在使用此器件时，如各附图中所示，所述连接件6、热敏电阻3和激光器管芯1设置在所述热电制冷器5的同一面，其同样包含在本发明的保护范围内。

本实施例通过使热敏电阻3和激光器管芯1置于热电制冷器5的同一端，使两者的温度同步，从而通过热敏电阻3反馈激光器管芯1的温度，形成激光器管芯1的反馈控温。同时通过将所述连接件6和热敏电阻3置于热电制冷器5的同一端，使无需对热电制冷器5的电流进行额外控制，而只需通过激光器管芯1的反馈调节控温将连接件6的温度向热敏电阻3所在一端的温度缓冲过渡，使热敏电阻3所连接的连接件6的一端温度与自身温度持平，从而通过温度缓冲过渡抵消环境温度对热敏电阻3的影响。

当环境温度高于所述热敏电阻3的温度时，所述热电制冷器5对所述连接件6进行制冷。

当环境温度低于所述热敏电阻3的温度时，所述热电制冷器5对所述连接件6进行制热。

本实施例还提供了所述温度控制模块4控制激光器管芯1温度的一种具体的实现方式，即所述温度控制模块4用于根据所述激光器管芯1的温度控制所述热电制冷器5，具体包括：

当所述激光器管芯1的温度低于预设管芯温度时，所述温度控制模块4为所述热电制冷器5提供直流电流，使所述热电制冷器5产生由原理激光器管芯1所在位置的一端产生向靠近激光器管芯1所在位置的一端的热流向，为所述激光器管芯1制热。

当所述激光器管芯1的温度高于预设管芯温度时，所述温度控制模块4为所述热电制冷器5提供直流电流，使所述热电制冷器5产生由靠近激光器管芯1所在位置的一端产生向远离激光器管芯1所在位置的一端的热流向，为所述激光器管芯1制冷。

其中，所述预设管芯温度由本领域技术人员根据激光器的工作波长需求分析得出。

所述激光器温度控制组件工作的环境温度大于等于-40℃且小于等于85℃。

所述以抵消环境温度对热敏电阻3的影响，具体包括：

在所述连接件6的作用下，所述热敏电阻3的温度受环境温度影响的波动幅度大于等于-4.5℃，且小于等于4.5℃。

以激光器波长的温度依赖典型为0.09nm/℃为例，在所述热敏电阻3的温度受环境温度的波动幅度大于等于-4.5℃，且小于等于4.5℃时，所对应激光器波长的波动幅度范围为-0.02nm～0.02nm，适用于各类接入系统和密集波分复用系统。

实施例2:

本发明在提供了实施例1所描述的一种激光器温度控制组件后，本发明实施例还将进一步提供一种光模块，为的是对实施例1中所述激光器温度控制组件的应用层面进行相关阐释，需要说明的是，实施例1中的装置结构在本实施例2中均适用，在本实施例中将不再对其结构进行赘述。

本实施例所提供的一种光模块如图8所示，使用实施例1所述的激光器温度控制组件，控制光模块中激光器管芯1的温度，以维持所述光模块发射光波长的稳定。

在环境温度大于等于-40℃且小于等于85℃的条件下，所述光模块发射光波长受环境温度影响的波动幅度大于等于-0.02nm且小于等于0.02nm。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种激光器温度控制组件，其特征在于，包括激光器管芯(1)、激光器管脚(2)、热敏电阻(3)、温度控制模块(4)和热电制冷器(5)；

所述热敏电阻(3)用于检测所述激光器管芯(1)的温度；

所述温度控制模块(4)用于根据所述激光器管芯(1)的温度控制所述热电制冷器(5)，以对所述激光器管芯(1)进行温度控制；

所述热敏电阻(3)和所述激光器管脚(2)通过连接件(6)进行连接，所述热电制冷器(5)还作用于所述连接件(6)，对由激光器管脚(2)所带来的环境温差进行缓冲，以抵消环境温度对热敏电阻(3)的影响，使所述热敏电阻(3)精准检测激光器管芯(1)温度，从而使在热电制冷器(5)的温度控制下，激光器的温度保持稳定。

2.根据权利要求1所述的激光器温度控制组件，其特征在于，所述连接件(6)是由在基板上刻蚀出金层图形，并将所述金层图形贴装在所述热电制冷器(5)表面得到的，或所述连接件(6)为贴装在所述热电制冷器(5)表面的金属连接块。

3.根据权利要求1所述的激光器温度控制组件，其特征在于，所述热敏电阻(3)和所述激光器管脚(2)通过连接件(6)进行连接，具体包括：

所述热敏电阻(3)通过金丝打线连接至所述连接件(6)的一端，所述激光器管脚(2)通过金丝打线连接至所述连接件(6)的另一端。

4.根据权利要求1所述的激光器温度控制组件，其特征在于，所述连接件(6)、热敏电阻(3)和激光器管芯(1)设置在所述热电制冷器(5)的同一端。

5.根据权利要求1所述的激光器温度控制组件，其特征在于，当环境温度高于所述热敏电阻(3)的温度时，所述热电制冷器(5)对所述连接件(6)进行制冷；

当环境温度低于所述热敏电阻(3)的温度时，所述热电制冷器(5)对所述连接件(6)进行制热。

6.根据权利要求1所述的激光器温度控制组件，其特征在于，所述温度控制模块(4)用于根据所述激光器管芯(1)的温度控制所述热电制冷器(5)，具体包括：

当所述激光器管芯(1)的温度低于预设管芯温度时，所述温度控制模块(4)为所述热电制冷器(5)提供直流电流，使所述热电制冷器(5)产生由原理激光器管芯(1)所在位置的一端产生向靠近激光器管芯(1)所在位置的一端的热流向，为所述激光器管芯(1)制热；

当所述激光器管芯(1)的温度高于预设管芯温度时，所述温度控制模块(4)为所述热电制冷器(5)提供直流电流，使所述热电制冷器(5)产生由靠近激光器管芯(1)所在位置的一端产生向远离激光器管芯(1)所在位置的一端的热流向，为所述激光器管芯(1)制冷。

7.根据权利要求1-6任一所述的激光器温度控制组件，其特征在于，所述以抵消环境温度对热敏电阻(3)的影响，具体包括：

在所述连接件(6)的作用下，所述热敏电阻(3)的温度受环境温度影响的波动幅度大于等于-4.5℃，且小于等于4.5℃。

8.根据权利要求1-6任一所述的激光器温度控制组件，其特征在于，所述激光器温度控制组件工作的环境温度大于等于-40℃且小于等于85℃。

9.一种光模块，其特征在于，使用权利要求1-8任一所述的激光器温度控制组件，控制光模块中激光器管芯(1)的温度，以维持所述光模块发射光波长的稳定。

10.根据权利要求9所述的光模块，其特征在于，所述光模块发射光波长受环境温度影响的波动幅度大于等于-0.02nm且小于等于0.02nm。