CN202025981U - 具有电致冷和防激射的反射式半导体光放大器组件 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种具有电致冷和防激射的反射式半导体光放大器组件，其包括有反射式半导体光放大器、同轴型光纤输出结构、柔性电路板以及辐射散热板，其中所述反射式半导体光放大器一端与所述柔性电路板电性连接，另一端连接所述同轴型光纤输出结构，所述反射式半导体光放大器外包覆有辐射散热板，所述反射式半导体光放大器包含有反射式半导体光放大器管芯、能使所述反射式半导体光放大器管芯致冷降温的热电致冷器及能防止所述反射式半导体光放大器产生激射的石英晶体旋光片。本实用新型可以实现保持反射式半导体光放大器温度稳定及防止产生激射的效果。

Description

具有电致冷和防激射的反射式半导体光放大器组件

技术领域

本实用新型有关一种半导体光放大器组件，特别是指一种具有电致冷和防激射的反射式半导体光放大器组件。

背景技术

众所周知，当今构建实用化光接入网的条件已基本成熟，点到点的大容量、高速率TDN-WDM(Time Division Network-Wavelength Division Multiplexing，时分网络-波分复用)混合无源光纤网络(Passive Optical Network，PON)，已成为国内外光通信有识之士的共识。随着光接入网技术的进步，用户对传输速率、容量的需求不断增长，希望光纤连接到大楼(Fiber to The Building，FTTB)、光纤连接到户(Fiber To The Home，FTTH)的愿望已开始逐步付诸实施。在光接入网工程中，波分复用-无源光纤网络(WDM-PON)无疑是光接入网中容量最大、最具成本优势的方案，已逐步受到网络营运商和用户的广泛支持。

WDM-PON为每个用户分配一对专用的波长，分别用于传输上、下行信号，而不像TDM-PON中所有用户共享一个波长。专用波长的好处是，每个用户可以在任何时间向OLT发送自己的数据，而不影响其它用户。由于每个用户都有自己专用的波长，从而可以根据需要制定不同的业务服务项目。这意味着在同一网络设施中同时运行不同速率、不同种类的服务。当需要为用户升级信道速率时，也可分别进行，而不会相互干扰。如使用信道间隔为100GHz的AWG，则未来每个用户的可用带宽竟可达40Gb/s，这似乎是一个天文数字！另外，增加新的用户只需要添加新的波长，对其它用户带宽丝毫没有影响。WDM-PON的这种带宽和用户数量的易升级性，使之非常方便地同时支持商业用户和家庭用户。相对于TDM-PON，WDM-PON在信道带宽、服务透明性及延迟等方面更具有优势，而且由于能提供点到点的连接，使得服务具有灵活选择性，这就极大方便了接入网内用户。

WDM-PON的关键问题，是寻找技术指标能满足网络要求、工程价格用户能承担得起的关键光电子和微电子器件，如半导体光源、光放大器、波分复用/解复用器和高速专用IC等。

可供光接入网WDM-PON选择的半导体光源(包括种子光源)有：波长可调谐LD(Laser Diode，半导体激光器)、集成LD阵列、ASE(AmplifiedSpontaneous Emission，放大的自发辐射器件)、SLD(Superluminescent Diode，超辐射发光二极管)、EDFA(Erbium-doped Optical Fiber Amplifer，掺铒光纤放大器)等。对光接入网来说，波长可调谐LD、集成LD阵列、EDFA，它们结构复杂、价格昂贵，但很多用户承担不起。若采用ASE和SLD(包括某些LED)作光源，成本则可下降，但容易引起AWG(Arrayed Waveguide Grating，阵列波导光栅)损耗、光纤和器件插入引起的损耗，为了弥补该损耗，还需要装接光放大器。现有可供选择的光放大器有EDFA及半导体光放大器(SemiconductorOptical Amplifer，SOA)，其中，SOA包括注入锁模的F-P LD(Fabry-Perot laserdiode，法布里-珀罗激光二极管)、行波型SOA和RSOA(反射式半导体光放大器)。

RSOA与EDFA相比，具有光谱范围宽(-3dB谱宽可达60μm以上)、允许光放大范围大(对1.5μm和1.3μm光波段均可进行放大)、使用方便、体积小、便于集成、价格较便宜等优点；RSOA与行波型光放大器(TW-SOA)比较，具有小信号增益大、饱和光功率和输出光功率高、噪声指数较低等特点。当然，RSOA也存在一些不足，如对温度变化比较敏感、反射光容易引起激射，此外，还存在光功率监控问题。

众所周知，RSOA比同等条件下的激光器所加的驱动电流要大。光通信用的半导体激光器所加工作电流一般为40-80mA，而RSOA所加工作电流一般为80-300mA，甚至可能达到500mA。这么大的电流，将引起半导体芯片发热，此外，外部环境温度也可能达到40℃以上。如果RSOA长期处于高温下工作，芯片性能将不断劣化，光信号幅度将逐渐下降。因此，控制RSOA的芯片温度，并尽快发散热量，是一个很重要的问题。

RSOA还可能存在激射问题。RSOA与激光器的主要区别是没有光学谐振腔。RSOA在相同电流下光功率密度较小，光谱宽度较宽。但RSOA作为光放大器或注入光调制光源时，与光纤端面可能构成谐振腔，当有反射光存在时，就可能产生激射。这也是要克服的一个重要问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型的主要目的在于提供一种能解决温度稳定性和激射问题的具有电致冷和防激射的反射式半导体光放大器组件。

为达到上述目的，本实用新型提供一种具有电致冷和防激射的反射式半导体光放大器组件，其包括有反射式半导体光放大器、同轴型光纤输出结构、柔性电路板以及辐射散热板，其中所述反射式半导体光放大器一端与所述柔性电路板电性连接，另一端连接所述同轴型光纤输出结构，所述反射式半导体光放大器外包覆辐射散热板，所述反射式半导体光放大器包含有反射式半导体光放大器管芯、能使所述反射式半导体光放大器管芯致冷降温的热电致冷器及能防止所述反射式半导体光放大器产生激射的石英晶体旋光片。

在所述热电致冷器的制冷面上面焊接有带印制电路板的氮化铝热沉，在所述氮化铝热沉上面的一端组装有背光探测器，该背光探测器的中心应与通过所述反射式半导体光放大器管芯的光束对准。

所述氮化铝热沉上组装有过渡热沉，并在该过渡热沉上分别组装热敏电组和所述反射式半导体光放大器管芯，在所述氮化铝热沉的上表面印制有所述反射式半导体光放大器管芯、背光探测器和热敏电阻所需的电路。

所述反射式半导体光放大器内部在靠近所述背光探测器一侧设有多个管脚引出线，而在相对于所述管脚引出线的所述反射式半导体光放大器的另一侧放置有所述石英晶体旋光片，且所述石英晶体旋光片设于所述反射式半导体光放大器管芯的出光前端。

所述柔性电路板具有与管脚引出线数量相同的多个钮扣式引脚，该钮扣式引脚与所述管脚引出线一一相连。

所述辐射散热板为弯曲状凹凸面。

所述石英晶体旋光片是一种由单片石英晶体构成的光学元件，并在所述石英晶体旋光片表面镀有增透膜。

所述同轴型光纤输出结构能将光线汇聚到耦合光纤的凸透镜，该凸透镜位于所述石英晶体旋光片的出光端。

本实用新型由于采用了热电致冷器、石英晶体旋光片、带印制电路板的氮化铝热沉、弯曲状辐射散热板、凸透镜、外接柔性电路板，并具有实现光控、温控的背光探测器与热敏电阻，因而具有以下特点：

a)由于采用了热电致冷器和辐射散热板，并采用热敏电阻，温度稳定性好；

b)由于采用了石英晶体旋光片，并在其表面镀以增透膜，有效地防止了可能产生的激射现象；

c)由于采用了背光探测器，通过外电路实行光控，从而可实现输出光功率稳定；

d)采用了凸透镜和耦合光纤，有效地提高了反射式半导体光放大器组件的光纤耦合效率、光信号增益和出射光功率；

e)通过设计使用弯曲状辐射散热片、柔性电路板，并使光电组件结构优化，使光电组件体积减小到极限。

附图说明

图1为本实用新型具有电致冷和防激射的反射式半导体光放大器组件的内部结构示意图；

图2为本实用新型中的反射式半导体光放大器组件内部结构示意图；

图3为本实用新型中的柔性电路板的结构示意图；

图4为本实用新型中的同轴型光纤输出结构的结构示意图。

具体实施方式

为便于对本实用新型的结构和效果有进一步的了解，现举较佳实施例，并配合附图详细说明如下。

如图1所示，本实用新型具有电致冷和防激射的反射式半导体光放大器组件包括有反射式半导体光放大器1、同轴型光纤输出结构2、柔性电路板3以及辐射散热板4，其中反射式半导体光放大器1一端与柔性电路板3电性连接，另一端连接同轴型光纤输出结构2，反射式半导体光放大器1外包覆有辐射散热板4。

如图1与图2所示，反射式半导体光放大器1包含有反射式半导体光放大器管芯10(RSOA管芯)、能使RSOA管芯10致冷降温的热电致冷器11及能防止反射式半导体光放大器1产生激射的石英晶体旋光片12。RSOA管芯10为对入射光信号可进行直接放大的半导体放大器，通过MOCVD(Metal-organicChemical Vapor DePosition，金属有机化合物化学气相淀积)和其它半导体工艺制作而成。其内部结构主要由具有量子阱结构的光有源层、光波导层、光电限制层和电接触层构成，其两个端镜面不形成谐振腔。对RSOA管芯10而言，一个端面的反射率大于99.99％，而另一个端面的反射率小于5×10^-3。通过直接施加工作电流，可方便地实现光放大。由于没有光学谐振腔，其光发射谱宽度可达60nm以上，但光功率密度很小，短面发射光的发散角比较大。为了达到所需的光增益和光功率，通常施加80mA以上的电流，甚至可能达到500mA。反射式半导体光放大器1一般比相同光发射功率下的激光器的工作电流大2-8倍，在大的工作电流下，RSOA管芯10将发热，而且RSOA管芯10是温度敏感材料，外界环境温度升高也将导致RSOA管芯10发热。如果RSOA管芯10较长时间处于高温(如60℃以上)，则RSOA管芯10光电性能将劣化。要使RSOA管芯10长期稳定工作，通常使用半导体热电致冷器11(ThermoelectricCooler，TEC)。本实用新型中热电致冷器11变温范围可达68℃，最大功率可达1.7瓦，最大电流可达2.3安，在热电致冷器11的制冷面上面，焊接有一块带印制电路的氮化铝热沉13，在该氮化铝热沉13的上表面印制有RSOA管芯10、背光探测器14和热敏电阻15所需的电路。在氮化铝热沉13上面的一端，按规定位置组装有背光探测器14，该背光探测器14的中心应与通过RSOA管芯10的光束对准。在氮化铝热沉13的上面再组装一块过渡热沉16，并在该过渡热沉16上分别组装RSOA管芯10和热敏电组15。所述反射式半导体光放大器1内部在靠近背光探测器14一侧设有管脚引出线17，而在相对于管脚引出线17的反射式半导体光放大器1的另一侧放置有石英晶体旋光片12，且石英晶体旋光片12设于RSOA管芯10的出光前端。

在反射式半导体光放大器1外面，焊接(或铆接)有辐射散热板4，该辐射散热板4为弯曲状凹凸面，以便增大散热效果。

通过本实用新型的热电致冷器11、弯曲状凹凸面的辐射散热板4以及高热导率的氮化铝热沉13与过渡热沉16，RSOA管芯10产生的热量可以有效地散发出去。

反射式半导体光放大器1没有谐振腔，但光纤端面如果存在一定反射率，它和RSOA管芯10端面就可能构成外谐振腔。从光纤端面的光，反射回RSOA管芯10的有源层中，就可能引起激射。为此，在反射式半导体光放大器1内部设置了一块石英晶体旋光片12，石英晶体旋光片12是一种由单片式单轴石英晶体构成的光学元件，石英晶体旋光片12表面镀以增透膜。这种单轴石英晶体在单偏振光入射时会产生旋光效应，即光偏振面会发生旋转，其旋转的角度与传播方向的薄片厚度有关。如果使从RSOA管芯10发出的单偏振光进入石英晶体旋光片12后旋转45°角，使从石英晶体旋光片12另一端面的反射光再旋转45°角，则反射光和起始入射光偏振面相交成90°。根据光学原理，这种起始入射光和反射光是不会相互作用的，这就避免了反射光引起的激射问题。在RSOA管芯10前端安装石英晶体旋光片12后，所测光谱就消除了激射峰，从而防止回光引起的激射现象。

反射式半导体光放大器1的发射光功率会随着温度、电流和老化程度而变化，为使输出光功率稳定，本实用新型利用反射式半导体光放大器1中安装的背光探测器14和热敏电阻15，达到光控和温控的目的。

如图3所示，柔性电路板3具有多个钮扣式引脚30，本实用新型中具有八个钮扣式引脚30，其与图2中反射式半导体光放大器1内部的八个管脚引出线17一一相连；而柔性电路板3的钮扣式引脚30与反射式半导体光放大器1的管脚引出线17之间可插拔，可以减小本实用新型的体积，使用方便。

本实用新型的反射式半导体光放大器组件本质上是一种发光管，发散角比较大，要把发散角较大的光耦合进小通光面积的耦合光纤20，需要提高耦合效率。为此，在同轴型光纤输出结构1前端，即石英晶体旋光片12出光端设置了凸透镜21(如图1与图4所示)，使发散光通过凸透镜21后，汇聚到耦合光纤20中，这样就可提高耦合效率。

本实用新型由于采用了热电致冷器、石英晶体旋光片、带印制电路板的氮化铝热沉、弯曲状辐射散热板、凸透镜、外接柔性电路板，并具有实现光控、温控的背光探测器与热敏电阻，因而具有以下特点：

a)由于采用了热电致冷器和辐射散热板，并采用热敏电阻，温度稳定性好；

b)由于采用了石英晶体旋光片，并在其表面镀以增透膜，有效地防止了可能产生的激射现象；

c)由于采用了背光探测器，通过外电路实行光控，从而可实现输出光功率稳定；

d)采用了凸透镜和耦合光纤，有效地提高了反射式半导体光放大器组件的光纤耦合效率、光信号增益和出射光功率；

e)通过设计使用弯曲状辐射散热片、柔性电路板，并使光电组件结构优化，使光电组件体积减小到极限。

以上所述，仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。

Claims (8)

1.一种具有电致冷和防激射的反射式半导体光放大器组件，其特征在于，其包括有反射式半导体光放大器、同轴型光纤输出结构、柔性电路板以及辐射散热板，其中所述反射式半导体光放大器一端与所述柔性电路板电性连接，另一端连接所述同轴型光纤输出结构，所述反射式半导体光放大器外包覆所述辐射散热板，所述反射式半导体光放大器包含有反射式半导体光放大器管芯、能使所述反射式半导体光放大器管芯致冷降温的热电致冷器及能防止所述反射式半导体光放大器产生激射的石英晶体旋光片。

2.如权利要求1所述的具有电致冷和防激射的反射式半导体光放大器组件，其特征在于，在所述热电致冷器的制冷面上面焊接有带印制电路板的氮化铝热沉，在所述氮化铝热沉上面的一端组装有背光探测器，该背光探测器的中心应与通过所述反射式半导体光放大器管芯的光束对准。

3.如权利要求2所述的具有电致冷和防激射的反射式半导体光放大器组件，其特征在于，所述氮化铝热沉上组装有过渡热沉，并在该过渡热沉上分别组装热敏电组和所述反射式半导体光放大器管芯，在所述氮化铝热沉的上表面印制有所述反射式半导体光放大器管芯、背光探测器和热敏电阻所需的电路。

4.如权利要求3所述的具有电致冷和防激射的反射式半导体光放大器组件，其特征在于，所述反射式半导体光放大器内部在靠近所述背光探测器一侧设有多个管脚引出线，而在相对于所述管脚引出线的所述反射式半导体光放大器的另一侧放置有所述石英晶体旋光片，且所述石英晶体旋光片设于所述反射式半导体光放大器管芯的出光前端。

5.如权利要求4所述的具有电致冷和防激射的反射式半导体光放大器组件，其特征在于，所述柔性电路板具有与管脚引出线数量相同的多个钮扣式引脚，该钮扣式引脚与所述管脚引出线一一相连。

6.如权利要求1所述的具有电致冷和防激射的反射式半导体光放大器组件，其特征在于，所述辐射散热板为弯曲状凹凸面。

7.如权利要求1所述的具有电致冷和防激射的反射式半导体光放大器组件，其特征在于，所述石英晶体旋光片是一种由单片石英晶体构成的光学元件，并在所述石英晶体旋光片表面镀有增透膜。

8.如权利要求1所述的具有电致冷和防激射的反射式半导体光放大器组件，其特征在于，所述同轴型光纤输出结构能将光线汇聚到耦合光纤的凸透镜，该凸透镜位于所述石英晶体旋光片的出光端。

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