CN114122907A - 基于重构等效啁啾激光器阵列芯片并行重组的高速大功率光发射模块 - Google Patents
基于重构等效啁啾激光器阵列芯片并行重组的高速大功率光发射模块 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了基于重构等效啁啾激光器阵列芯片并行重组的高速大功率发射模块，包括重构等效啁啾激光器阵列芯片、光学引线键合、平面光波导复用器、AIN载体、半导体制冷器和反馈环路，所述反馈环路包括分束器、光电探测器和恒功率驱动电路。本发明从重构等效啁啾激光器对波长高精度控制的特性出发，利用并行重组的重构等效啁啾激光器阵列产生等波长的激光光束，通过控制平面光波导复用器与光学引线键合的长度保证各通道激光光束的时序相同。同时添加反馈环路与温控电路来保证激光光束的稳定输出，实现高速大功率激光信号的输出。本发明中的器件设计和制造过程都不复杂，成本相较传统大功率激光器模块有所降低，可以实现大规模的制造与使用。
Description
技术领域
本发明属于光纤通信领域，特别涉及了一种高速大功率发射模块。
背景技术
随着信息时代的发展，人们对通信速率的要求越来越高，常规的通信手段不再适应高速率的信息传输，光纤通信逐渐成为了信息产业的发展支柱，对整个信息产业起到了基础性的支撑作用，光纤通信的发展对社会民生、安全等众多领域有着深远的意义。信息在光纤传输的过程中会产生损耗，在过去为了保证信号传输的质量，建设了大量的中继站对信号进行接收、转换和放大，以提高信号电平弥补信号的衰减。但是建造电中继站成本较高且难以维护，处理信息的速率也有限，已经无法适应信息化时代的高速发展。面对这种情况，1985年英国南安普顿大学的一个研究团队通过在石英光纤中掺加铒元素研制出了掺铒光纤放大器(Erbium Doped Fiber Application Amplifier,EDFA)，EDFA具有结构简单、耦合损耗小、不受偏振态影响等优点，一经诞生就得到了快速的发展，取得了许多重大的突破。EDFA的成功研发大大提高了光纤通信的发展水平，成为了光纤通信中应用最广泛的光放大器件。
事实上引入EDFA的关键技术原因是，长距离的光信号需要大功率的光调制信号进行传输。但是对于激光器而言，要想实现更大的激光器输出光功率，只能增加驱动电流。而高速脉冲信号和大电流在电路设计时是一对无法调和的矛盾，这也是目前无法直接做出大功率直接调制激光器的原因。EDFA的引入就是将大功率这一技术指标从激光器中剥离出来，在激光器的设计过程中只需要做出高速小功率光信号即可。该高速小功率光信号进而通过EDFA的放大就可以实现高速大功率光信号的产生。
但是近年来，随着人们对***性能的要求越来越高，EDFA的引入虽然一方面解决了信号的放大问题，但是也带了自发辐射噪声，降低了原始信号的信噪比。同时EDFA的引入对原始***产生的额外功耗和成本也是产业界一直极其希望解决的关键问题。因此如何替代引入EDFA的技术方案，寻求一种新型的高速大功率发射信号技术成为目前的一个研究热点。
发明内容
为了解决上述背景技术提到的技术问题，本发明从激光器源头出发提出了基于重构等效啁啾激光器阵列芯片并行重组的高速大功率发射模块。
为了实现上述技术目的，本发明的技术方案为：
基于重构等效啁啾激光器阵列芯片并行重组的高速大功率发射模块，包括：重构等效啁啾(Reconstruction-Equivalent-Chirp,REC)激光器阵列芯片、光学引线键合(Photonic Wire Bonding,PWB)、平面光波导复用器(Planar Lightwave CircuitSplitter,PLC Splitter)、AIN载体、半导体制冷器和反馈环路，所述反馈环路包括分束器、光电探测器和恒功率驱动电路；其中，
所述重构等效啁啾激光器阵列芯片，用于产生高精度等波长的激光阵列；
所述光学引线键合，用于重构等效啁啾激光器阵列芯片与平面光波导复用器之间的连接，使用的键合方式为光波导键合，且光波导键合长度可控；
所述平面光波导复用器，用于对进入该器件的激光光束进行合束，生成一个组合激光光束；
所述AIN载体，用做重构等效啁啾激光器阵列芯片和平面光波导复用器的基底，将重构等效啁啾激光器阵列芯片产生的热量及时排出，协同半导体制冷器控制REC激光器阵列芯片温度；
所述半导体制冷器，用于控制重构等效啁啾激光器阵列芯片温度处于恒定范围，避免激光器的性能降低；
所述分束器，用于将平面光波导复用器输出的组合激光光束分成出射光与反馈光；
所述光电探测器，用于将反馈光转换为电信号，并对信号进行增益；
所述恒功率驱动电路，包含温控电路，用于控制重构等效啁啾激光器阵列芯片、半导体制冷器以及反馈环路的工作状态，保证整个模块的正常工作。
进一步地，所述重构等效啁啾激光器阵列芯片能够对波长进行精确控制，重构等效啁啾激光器阵列芯片各通道产生的波长近似相等，各通道的波长误差绝对值小于0.2nm。
进一步地，在制造时确定平面光波导复用器的长度，进行光波导键合时设计光学引线键合长度，保证二者加和恒定，从而控制每一通道激光的相位相同。
进一步地，所述分束器采用1×2耦合器，所分出射光和反馈光的功率比为99：1。
进一步地，所述AIN载体设置于半导体制冷器上方，所述重构等效啁啾激光器阵列芯片、光学引线键合和平面光波导复用器均集成在AIN载体上方。
进一步地，所述重构等效啁啾激光器阵列芯片采用DFB激光器，其波长为1550nm，通过恒功率驱动电路中的温控模块对其输出的光信号进行调控。
进一步地，所述恒功率驱动电路，一方面接收反馈电路的信号，对REC激光器阵列芯片的功率进行调节，保证输出恒定功率的激光光束；另一方面接收重构等效啁啾激光器阵列芯片附近的热敏电阻反馈的信息，通过控制半导体制冷器制冷或者制热的幅度来使得重构等效啁啾激光器阵列芯片正常工作。
进一步地，各器件均设置在同一封装模块中。
采用上述技术方案带来的有益效果：
1、本发明从REC技术出发，利用REC对波长控制精度高的特性，设计出输出波长近似相等的REC激光器阵列，解决了难以控制不同激光器输出波长相等的问题，为后续模块的设计提供了基础；
2、本发明可以对所选用PLC光复用器每一通道的长度进行设计与制造，通过设计不同的PWB键合长度来使得光程相等，保证了各通道进行耦合时拥有相同的相位；
3、本发明在模块设计中添加了反馈环路与温控***，保证了模块的稳定输出，各部分组成器件设计和制作过程均不复杂，易于进行大规模的推广利用。
4、本发明从REC激光器对波长高精度控制的特性出发，利用并行重组的REC激光器阵列产生等波长的激光光束，通过控制PLC光复用器与PWB的长度保证各通道激光光束的时序相同，从激光器自身实现了高速大功率的激光信号输出。
附图说明
图1为本发明模块的主要结构图；
图2为本发明模块中AIN载体与半导体制冷器的结构图；
图3为单个激光器输出的1GHz脉冲信号图；
图4为模块输出的1GHz脉冲信号图。
具体实施方式
以下将结合附图，对本发明的技术方案进行详细说明。
本发明利用PWB光学引线键合技术，利用光波导实现了激光器阵列芯片与PLC光复用器的键合，通过设计使得各通道光程相同，实现了光信号在时间上的同步。本发明在模块中增加了温控***与反馈电路，即恒功率驱动电路，提高了激光器输出的稳定性，保证了器件的正常工作。
本发明在重构等效啁啾激光器阵列芯片的基础上，提出了一种基于重构等效啁啾激光器阵列芯片并行重组的高速大功率发射模块，结构如图1所示，包括REC激光器阵列芯片、PWB、PLC光复用器、AIN载体、半导体制冷器和反馈环路，所述反馈环路包括分束器、光电探测器和恒功率驱动电路。
所述REC激光器阵列芯片，用于产生高精度等波长的激光阵列。为了实现大功率的信号输出，需要对信道进行并行重组。在重组过程中所面临的首要问题是如何对激光器阵列波长进行精准的控制，对于半导体激光器阵列，0.8nm的波长变化所需的光栅周期变化约为0.1nm，仅为一个原子的直径，这种精度的光栅需要极端精准的制造。目前采用的解决思路是利用电子束实现高精度的曝光，通过优化制造参数实现直接精密制造，但是这样会导致成品率的降低以及功耗的增加，进而导致了制造成本的提高。REC技术通过对均匀光栅的取样模板进行设计，可以灵活地等效实现复杂的结构。且该技术不需要昂贵的设备，仅需全息曝光和普通微米级光刻就可以实现，易于推广使用。由于全息曝光的光栅具有长程有序的内禀特性，使得REC技术能够对波长进行高精度的控制，理论上波长精度比传统电子束刻写可以高两个数量级。因此在设计时使用REC激光器阵列芯片来产生高精度的等波长激光阵列。
所述PWB，用于激光器阵列芯片与PLC光复用器之间的连接，所使用的键合方式为光波导键合，所使用的光波导键合长度可控。
所述PLC光复用器，用于对进入该器件的激光光束进行合束，生成一个组合激光光束。
PWB光学引线键合技术可以实现激光器阵列芯片与PLC光复用器的有效耦合，很大程度的简化了光学***组装的复杂程度。相较于传统的需要高精度对准设备的光学组装技术，PWB技术实现十分简单，而且可以方便地控制键合的形状、长度和轨迹。PLC光复用器对激光器阵列芯片输出的光束进行整形变换，最后通过单模光纤输出合成光束。在制造PLC光复用器时，设计其长度为Δy，在利用三维光刻技术将光学引线键合到芯片和PLC光复用器之间时，设计其键和长度为Δx，最终得到的信号S(t)可以表示为
其中，
表示单通道经过直调之后的信号，x(ti)表示随ti变化的一个相位变量，ti表示光走过各通道所需要的时间，i＝1.2....10，t表示激光光束经过除PWB、PLC光复用器之外所需要的时间，L表示光程，c表示光速。想要实现激光光束的合成输出，需满足各通道的ti和
相同。可以通过芯片控制各通道初始相位
相同，这样只需保证各通道Δxi+Δyi为常数m，即可实现多通道激光的合成输出，此时信号S(t)可以表示为
由上式可见通过控制各通道PWB和PLC光复用器的制造长度Δxi+Δyi相同即可实现各通道的光同步，从而实现大功率的激光输出。
所述AIN载体，用做激光器阵列芯片和PLC光复用器的基底，将激光器阵列芯片产生的热量及时排出，协同半导体制冷器控制激光器阵列芯片温度。
所述半导体制冷器，用于控制芯片温度处于恒定范围，避免激光器的性能降低。
所述AIN载体和半导体制冷器的位置如图2所示，激光器阵列芯片附近的热敏电阻将采集到的信息反馈到外部的恒功率驱动电路，该恒功率驱动电路包含温控模块。恒功率驱动电路中的温控模块根据热敏电阻反馈的信息控制半导体制冷器的制冷与制热，最大程度地保证激光器阵列的正常工作。
所述分束器，用于将组合光束分成99％的出射光与1％的反馈光。
所述光电探测器，用于将反馈光信号转换为电信号，并对信号进行增益。
所述恒功率驱动电路，用于控制激光器阵列芯片、半导体制冷器以及反馈环路的工作状态，保证整个模块的正常工作。
合成光束经过分束器后分成99％的出射光和1％的反馈光，当1％的反馈光经过光电探测器转换为电信号被恒功率驱动电路接收时，如果探测到功率值低于额定值，则增大激光器阵列芯片的输入电流直到功率值增加到额定值；如果探测到功率值超过额定值，则降低激光器阵列芯片的输入电流直到功率值降低到额定值。恒功率驱动电路一方面控制反馈环路，另一方面控制整个光发射模块的输入电流，保证光发射模块输出稳定的激光光束。
在本实施例中，优选地，所述REC激光器阵列芯片使用DFB激光器，输出1550nm的光信号。
在本实施例中，优选地，所述激光器阵列芯片、PWB、PLC光复用器均集成在AIN载体上方。所述半导体制冷器位于AIN基底下方，与恒功率驱动电路相连。激光器阵列芯片附近有热敏电阻，恒功率驱动电路中的温控模块根据热敏电阻阻值大小来控制半导体制冷器制冷或制热的幅度。
图3展示的是单路激光器输出的1GHz脉冲光信号，从图中可以看出输出信号中，代表信号“1”的光信号功率为50mw，代表信号“0”的光信号功率为0mw，且“1”和“0”之间的切换存在上升沿和下降沿。图4展示的是合成之后输出的频率为1GHz，光功率为500mw的激光光束。通过比较可以看出，合成之后的激光光束在不增加上升沿和下降沿的情况下实现了高速大功率的激光输出。
综上所述，从REC激光器对波长高精度控制的特性出发，利用并行重组的REC激光器阵列产生等波长的激光光束，通过控制PLC光复用器与PWB的长度保证各通道激光光束的时序相同，最终可以高质量的从激光器自身实现高速大功率的激光信号输出，即给出了基于重构等效啁啾激光器阵列芯片并行重组的高速大功率光发射模块的设计方案。
实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.基于重构等效啁啾激光器阵列芯片并行重组的高速大功率发射模块，其特征在于，包括：重构等效啁啾激光器阵列芯片、光学引线键合、平面光波导复用器、AIN载体、半导体制冷器和反馈环路，所述反馈环路包括分束器、光电探测器和恒功率驱动电路；其中，
所述重构等效啁啾激光器阵列芯片，用于产生高精度等波长的激光阵列；
所述光学引线键合，用于重构等效啁啾激光器阵列芯片与平面光波导复用器之间的连接，使用的键合方式为光波导键合，且光波导键合长度可控；
所述平面光波导复用器，用于对进入该器件的激光光束进行合束，生成一个组合激光光束；
所述AIN载体，用作重构等效啁啾激光器阵列芯片和平面光波导复用器的基底，将重构等效啁啾激光器阵列芯片产生的热量及时排出，协同半导体制冷器控制重构等效啁啾激光器阵列芯片温度；
所述半导体制冷器，用于控制重构等效啁啾激光器阵列芯片温度处于恒定范围，避免激光器的性能降低；
所述分束器，用于将平面光波导复用器输出的组合激光光束分成出射光与反馈光；
所述光电探测器，用于将反馈光转换为电信号，并对信号进行增益；
所述恒功率驱动电路，包含温控电路，用于控制重构等效啁啾激光器阵列芯片、半导体制冷器以及反馈环路的工作状态，保证整个模块的正常工作。
2.根据权利要求1所述基于重构等效啁啾激光器阵列芯片并行重组的高速大功率发射模块，其特征在于，所述重构等效啁啾激光器阵列芯片能够对波长进行精确控制，重构等效啁啾激光器阵列芯片各通道产生的波长近似相等，各通道的波长误差绝对值小于0.2nm。
3.根据权利要求1所述基于重构等效啁啾激光器阵列芯片并行重组的高速大功率发射模块，其特征在于，在制造时根据各信道平面光波导复用器的长度，进行光波导键合时设计光学引线键合长度，保证各信道中二者加和恒定，从而控制每一通道激光的信号时序相同。
4.根据权利要求1所述基于重构等效啁啾激光器阵列芯片并行重组的高速大功率发射模块，其特征在于，所述分束器采用1×2耦合器，所分出射光和反馈光的功率比为99：1。
5.根据权利要求1所述基于重构等效啁啾激光器阵列芯片并行重组的高速大功率发射模块，其特征在于，所述AIN载体设置于半导体制冷器上方，所述重构等效啁啾激光器阵列芯片、光学引线键合和平面光波导复用器均集成在AIN载体上方。
6.根据权利要求1所述基于重构等效啁啾激光器阵列芯片并行重组的高速大功率发射模块，其特征在于，所述重构等效啁啾激光器阵列芯片采用DFB激光器，其波长为1550nm，通过恒功率驱动电路对其输出的光信号进行调控。
7.根据权利要求1所述基于重构等效啁啾激光器阵列芯片并行重组的高速大功率发射模块，其特征在于，所述恒功率驱动电路，一方面接收反馈电路的信号，对重构等效啁啾激光器阵列芯片的功率进行调节，保证输出恒定功率的激光光束；另一方面接收重构等效啁啾激光器阵列芯片附近的热敏电阻反馈的信息，通过控制半导体制冷器制冷或者制热的幅度来使得重构等效啁啾激光器阵列芯片正常工作。
8.根据权利要求1所述基于重构等效啁啾激光器阵列芯片并行重组的高速大功率发射模块，其特征在于，各器件均设置在同一封装模块中。
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