专利名称：具有集成放大器及预畸变电路的光学发射器的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学发射器且，更具体来说涉及在具有模拟或数字电输出信号的计算机或通信单元与光纤之间提供通信接口(例如在光纤通信系统中使用的通信接口)的封装组合件或密封模块。
相关技术说明多种光学发射器在所属技术领域中已为人们所习知，这些光学发射器包括一调制器电路，所述调制器电路将来自计算机或通信单元的模拟或数字电信号转换为施加至半导体激光器模块的调制电流，而此半导体激光器模块产生耦合至光纤的调制光学信号或光束。
现有技术模块有时包括一用于使激光器的阻抗(通常约为四欧姆)与所述模块的输入阻抗(在CATV应用中通常为25欧姆)相匹配的阻抗匹配电阻器，及一热-电冷却器(TEC)以在温度上稳定所述激光器及或许所述模块内的其他相关组件。如果阻抗匹配电阻器与所述激光器串联使用，那么必须增加外部激光驱动器的电压摆幅以提供足够的调制电流来驱动所述激光器。此大电压摆幅需要增加激光驱动器的电源电压并增加整个系统的功率消耗。因此，此现有技术发射器相对较大并消耗大量功率，通常大于十瓦特。
现有技术光学发射器中使用的放大器，例如Anadigics ACA2304集成电路，耗散大量热量(约六瓦特)并在印刷电路板上占据大量空间。另一个问题是所述放大器通常距所述激光器二极管数英寸远，因此此种设计需要在所述放大器电路与所述激光器二极管之间使用某种形式的阻抗匹配电路(例如，一变压器)。因此，尽管人们希望减小用于模拟RF应用的光学发射器的尺寸及功率要求，但是由于集成电路具有相对大的尺寸及其相关的功率需求及散热问题，在本发明之前，一直不可能在激光器封装之内构建一放大器集成电路。
背景技术：
发明内容
1.
本发明的一个目的是提供一种使用具有集成信号放大器的直接调制激光器的改良型光学传输系统。
本发明的另一目的是提供一种使用一模块化封装式激光器与放大器子组合件的尺寸紧凑及功率耗散低的改良型光学发射器。
本发明的另一目的是提供一种与不同的光学传输系统及光电组件一起使用的激光发射器，其包括一个或多个放大器增益级及预畸变电路。
本发明的另一目的是提供一种在光学传输系统中使用的光学发射器，所述光学传输系统具有一位于所述激光封装中用于稳定激光器及中间电路温度的TEC冷却器。
本发明的又一目标是提供一种在一具有一密封封装的光学传输系统中使用的光学发射器，其中所述预畸变电路与半导体激光器集成在所述封装中。
2.本发明的特点简短且概括地说，本发明提供一种模块化封装的光学发射器，其包括一模拟信号输入、一激光器及一用于直接调制所述激光器的放大器电路。
在另一方面，本发明提供一种光学发射器模块，其包括一外壳，其具有用于接收通信信号的电输入；一放大器，其被设置于所述外壳中并连接至所述电输入以用于以电子方式放大所述通信信号；及一激光器，其被设置于所述外壳中并连接至所述放大器以产生自所述外壳向外发射的对应于所述通信信号的调制光束。
本发明进一步提供一种封装的激光器，其包括一用于减少由所述激光器的非线性操作产生的二阶或更高阶畸变产物。
图1A是根据其中驱动器及放大器均位于所述激光器模块外部的现有技术的一第一实例性实施例中一光学发射器的高度简化方框图。
图1B是根据其中驱动器及预畸变器电路均位于所述激光器模块外部的现有技术的一第二例示性实施例中一光学发射器的高度简化方框图。
图2是根据其中驱动器及放大器均位于所述激光器模块外部且所述预畸变器及激光器均集成在一单个封装中的本发明一第一例示性实施例中的一光学发射器的高度简化方框图。
图3A是根据其中驱动器位于所述激光器模块外部且所述放大器及预畸变器均集成在所述激光器模块内的本发明一第二例示性实施例中的一光学发射器的高度简化方框图。
图3B是根据其中驱动器位于所述激光器模块外部且所述放大器及预畸变器以不同于图3A中的顺序集成在所述激光器模块内的本发明一第三例示性实施例中的一光学发射器的高度简化方框图。
图4A是根据其中驱动器位于所述激光器模块外部且所述放大器集成在所述激光器模块内一TEC冷却器上方的本发明一第四例示性实施例中的一光学发射器的高度简化方框图。
图4B是根据其中驱动器位于所述激光器模块外部且所述放大器与所述预畸变器集成在所述激光器模块内一TEC冷却器上方的本发明一第四例示性实施例中的一光学发射器的高度简化方框图。
图5是根据本发明的一例示性实施例具有直接耦合至一激光器的高增益、高线性源极跟随放大器的一光学发射器的简化示意图。
图6是根据本发明的一例示性实施例具有直接耦合至一激光器的高增益、高线性共阴共栅放大器的一光学发射器的简化示意图。
图7是根据本发明的一例示性实施例具有直接耦合至一激光器的高增益、高线性共源极放大器的一光学发射器的简化示意图。
图8是根据本发明的一例示性实施例具有直接耦合至一激光器的高增益、高线性共源极放大器的一光学发射器的简化示意图；及图9是描绘图7中电路的频率响应及输入返回损耗的曲线图。
图10是具有集成放大器的典型激光器模块的载波噪声比(C/N)、复合三次差拍(CTB)及复合二阶畸变(CSO)的曲线图。
具体实施例方式
图1A是根据其中驱动器及放大器均位于所述激光器模块外部的现有技术的一第一例示性实施例中的一光学发射器的高度简化方框图。
图1B是根据其中驱动器及预畸变器电路均位于所述激光器模块外部的现有技术的一第二例示性实施例中一光学发射器的高度简化方框图。
图2是根据其中驱动器及放大器均位于所述激光器模块外部且所述预畸变器及激光器均集成在一单个封装中的本发明一第一例示性实施例中的一光学发射器的高度简化方框图。在本发明的一实施例中，一激光光学发射器包括位于所述激光器模块外部的一个或多个放大器级，及一集成在所述激光器模块内的预畸变电路。
图3A是根据其中驱动器位于所述激光器模块外部且所述放大器及预畸变器均集成在所述激光器模块内的本发明一第二例示性实施例中的一光学发射器的高度简化方框图。在本发明的本实施例中，一激光光学发射器包括位于所述激光器模块内部的一个或多个放大器级，及一也集成在所述激光器模块内的预畸变电路。此种例示性光学发射器可通过消除所述阻抗匹配变压器及其他大组件(例如放大器)而比传统发射器小，从而允许在印刷电路板上实现更高的器件集成密度。此外，由于增益级现被直接定位于邻近所述激光器电路小片，借此不需要与所述激光器二极管串联的阻抗匹配电阻器，因此所述例示性发射器的功率消耗也比传统器件的功率消耗低得多。
图3B是根据其中驱动器位于所述激光器模块外部且所述放大器及预畸变器以不同于图3A中的顺序集成在所述激光器模块内的本发明一第三例示性实施例中的一光学发射器的高度简化方框图。
图4A是根据其中驱动器位于所述激光器模块外部且所述放大器集成在所述激光器模块内一TEC冷却器上方的本发明一第四例示性实施例中的一光学发射器的高度简化方框图。
图4B是根据其中驱动器位于所述激光器模块外部且所述放大器与所述预畸变器集成在所述激光器模块内一TEC冷却器上方的本发明一第四实例性实施例中的一光学发射器的高度简化方框图。
在所图解说明的实施例中，一提供一用于调制所述激光输出的模拟数据信号的模拟数据源12被耦合至一预畸变器22。某些模拟发射器中固有的畸变会阻碍一线性电调制信号以线性方式转变成一光学信号，并且会导致该信号发生畸变。
预畸变器22产生一与所述模拟调制信号结合的畸变信号。如此产生的畸变或预畸变被调整成在量级上与所述非线性激光器18中固有的二阶或二阶以上互调制分量畸变大致相等且符号相反。当所述非线性激光器18被所述组合信号调制时，由畸变器22产生的畸变信号消除所述激光器的固有畸变，而且仅发射模拟源信号的线性部分。
例如，在一个实施例中，所述预畸变器22将所述模拟信号数据分成两个或更多个电路径并在一个或多个所述路径上产生类似于非线性激光器18中固有畸变的预畸变。所产生的预畸变是所述非线性激光器18固有畸变的反演，并且当在应用于非线性器件前与所述输入信号再组合时，可用于消除所述器件固有畸变的影响。
在本实施例中，所述预畸变器信号驱动增益级16，增益级16又驱动所述非线性激光器18。所述增益级可具有多极，且可接收用于控制所述激光器输出的各种不同参数(例如，举例来说，调制幅值及偏压)的一个或多个控制信号。在所描述的例示性实施例中，增益级16及激光器18分开一距离，此距离小于所述电信号的RF传输波长。因此，在该实施例中，所述增益级被直接耦合至所述激光器的输入而不需要一阻抗匹配电阻器来减小RF反射的影响。此外，该实施例中的所述增益级还可彼此直接耦合而不需要介入的阻抗匹配电阻器。
因此与传统的光学发射器相比，所描述的例示性实施例可利用一低功率电源电压并具有减小的功率消耗。所需电压及功率的减小主要归因于在所述预畸变增益级与所述激光器之间没有阻抗匹配电阻器。
激光器18可以是一激光器二极管、法布里—珀罗激光器(Fabry Perot laser)、或任何其它适合于光学通信的光学发射器。所述光学接收器22通过光学传输媒体20接收由激光器18输出的线性模拟调制发射信号。所述光学接收器22可包括一个或多个光电二极管以用来探测所接收的光学信号并将所接收的光学信号转换为一电信号。
图5是一根据本发明一实例性实施例中的一光学发射器100的示意图。例如，所述光学发射器100可在光纤通信系统中用作光学发射器。在某些实施例中，一DC隔直流电容器102将一预畸变模拟数据信号与放大器105耦合。所图解说明的实施例可进一步包括一分流至大地的阻抗匹配电阻器120。所述阻抗匹配电阻器120为耦合至所述激光器模块的输入的传输线提供所需的终端阻抗，借此使所述激光器模块的输入阻抗与所述传输线的特征阻抗之间能够大致匹配。
所述放大器105是用放大的模拟数据信号调制激光器110的高增益、高线性器件。在一实施例中，所述放大器包括一配置成一源极跟随(DC-耦合共漏极)放大器的单一FET(场效应晶体管)。在所述实施例中，所述晶体管的源极被直接耦合至所述激光器110。所述晶体管被耦合在所述电信号的RF波长的一小部分内并为所述激光器110提供一低输出阻抗驱动信号而不需要一介入的阻抗匹配电阻器。在其它实施例中，可使用所属领域的技术人员所习知的其它晶体管。
所图解说明的光学发射器100进一步包括形成一偏压T型网络的一电容器130及电阻器140，此偏压T型网络将栅极偏压控制信号150耦合至晶体管105的栅极来DC偏压所述晶体管以保证线性运作。所述电阻器130为所述预畸变数据信号提供DC(直流)负荷且所述电容器140提供分流至大地的AC。
在本实施例中，电容器160将晶体管105的漏极AC耦合至大地。所述电容器160可包括两个并联的电容器，其中一个具有相对小的电容量(例如，60至100pf)的电容器集成在所述激光器模块中，且另一个具有较大电容量(例如，0.1uf)的电容器集成在所述激光模块外部。
所述例示性实施例减小了耦合用于晶体管104线性运作的所需电源电压Vcc，因为没有电阻器与所述激光器二极管110串联使用。例如，当由最大电流驱动时，所述激光器两端的最大压降通常约小于2.0V。因此，小于约3.5V的标称电源电压Vcc为晶体管105在所有条件下的有效运作提供足够的漏极-栅极电压。在某些情况下，所述电路的Vcc可能需要在略高的电压下进行优化以获得最优畸变性能。此外，在本实施例中，所述晶体管被紧紧地耦合至所述激光器。与传统设计相比，移除与所述激光器串联的阻抗匹配电阻器还减小了所述晶体管的功率消耗。
所属领域的一般技术人员应了解，可以在不违背其精神及本质特征的前提下以其它具体形式实施本发明。例如，所属领域的技术人员将了解，本发明不限于图5中图解说明的所述源极-跟随放大器。相反，可使用各种高增益、高线性放大器设计来构建所述例示性低功率光学发射器。例如，在图6的简化方框图中，将一共阴共栅放大器300直接耦合至激光器310以提供一低功率高线性发射器。
在此实施例中，一DC隔直流电容器340将一预畸变模拟数据信号与一级联晶体管(例如MOSFET 320)耦合。图解说明的实施例可进一步包括分流至大地的一阻抗匹配电阻器350。所述阻抗匹配电阻器350又为耦合至所述激光器模块的输入的传输线提供所需的终端阻抗，借此使所述激光器模块的输入阻抗与所述传输线的特征阻抗之间能够大致匹配。
在本实施例中，所述共阴共栅晶体管(例如MOSFET 320)的源极通过可用来限制所述器件的增益的负载电阻器360串行耦合至跨导晶体管(例如MOSFET 320)的漏极。在此实施例中，DC隔直流电容器370将取自晶体管320与330之间接点处的放大器输出耦合至激光器310。可通过感应器380对该激光器施加DC偏压。
图7是具有直接耦合至激光器的高增益、高线性共源极放大器的一光学发射器的简化示意图。该解说明利用一共源极放大器的本发明的又一实施例，其中所述激光器400通过一DC隔直流电容器420直接耦合至一FET晶体管410的漏极。在此实施例中，负载电阻器430可耦合在所述电源电压Vcc与所述晶体管410的漏极之间以设定所述器件的增益。
与传统器件相比，本发明在保持相对高的性能的同时明显降低了功率消耗。举例来说，图5中所图解说明的级联放大器可集成在激光器电路小片附近，从而不再需要与所述激光器二极管串联的阻抗匹配电阻器。
图8是根据本发明的另一实例性实施例具有直接耦合至一激光器的高增益、高线性共源极放大器的一光学发射器的简化示意图；图9是一描绘图7中电路的频率响应及输入返回损耗的曲线图。特别地，图9以图解方式图解说明所述共阴共栅放大器随频率变化的被测量频率响应(S21)及输入返回损耗(S11)。图解说明的共阴共栅放大器在300kHz至1GHz内提供相对平坦的性能。
类似地，图10以图解方式图解说明随频率而变化的载波噪声比(C/N)、复合三次差拍(CTB)及复合二阶畸变(CSO)。图解说明的放大器满足或超过用于发射器增益级的典型性能标准，即53dB载波噪声比、65dB CTB及65dB CSO。因此，图解说明的光学发射器的畸变性能通常受到所述预畸变电路的性能及所述激光器器件固有的非线性的限制。
权利要求
1.一种光学发射器模块，其包括一外壳，其包括一用于接收一通信信号的电输入；一放大器，其被设置于所述外壳中并连接至所述电输入以用于以电子方式放大所述通信信号；及一激光器，其被设置于所述外壳中并连接至所述放大器以产生一自所述外壳向外发射的对应于所述通信信号的调制光束。
2.如权利要求1所述的发射器，其中所述激光器由所述电通信信号进行调幅。
3.如权利要求1所述的发射器，其中所述外壳是密封的。
4.如权利要求1所述的发射器，其中所述放大器包括一配置为一共集电极放大器的双极晶体管。
5.如权利要求1所述的发射器，其中所述放大器包括一配置为一共漏极放大器的FET。
6.如权利要求1所述的发射器，其中所述通信信号是一模拟射频信号。
7.如权利要求7所述的发射器，其进一步包括一连接至所述放大器并设置于所述外壳中的预畸变电路。
8.一种光学发射器模块，其包括一外壳，其包括一用于接收一通信信号的电输入；一预畸变电路，其被设置于所述外壳中并连接至所述电输入以用于以电子方式修改所述通信信号；及一激光器，其被设置于所述外壳中并连接至所述电路以产生一自所述外壳向外发射的对应于所述通信信号的调制光束。
9.如权利要求8所述的发射器，其中所述外壳是密封的。
10.如权利要求8所述的发射器，其中所述通信信号是一模拟射频信号。
11.一种光学发射器，其包括一驱动电路，其用于接收一输入信息信号并用于产生一调制电流输出；及一封装的激光器模块，其包括一连接至所述驱动电路的中间电路、及一连接至所述中间电路以用于产生一代表所述输入信息信号的调制光束的半导体激光器、及一用于控制所述中间电路及所述激光器的环境温度的温度控制元件。
12.如权利要求11所述的发射器，其中所述封装的模块是密封的。
13.如权利要求11所述的发射器，其中所述中间电路是一预畸变电路。
14.如权利要求11所述的光学发射器，其中所述放大器包括一源极跟随放大器且其中所述激光器耦合至一放大器晶体管的一源极。
15.如权利要求11所述的光学发射器，其中所述放大器包括一共阴共栅放大器且其中所述激光器被耦合在一共阴共栅晶体管与一跨导晶体管之间。
16.如权利要求11所述的光学发射器，其中所述放大器包括一共源极放大器且其中所述激光器耦合至一放大器晶体管的漏极。
17.如权利要求11所述的光学发射器，其进一步包括一耦合至所述放大器与所述预畸变模拟输入信号之间的所述第一电极的DC隔直流电容器。
18.如权利要求11所述的光学发射器，其进一步包括一耦合在所述激光器二极管与一激光器偏压控制信号之间的感应器，其中所述感应器提供一至所述激光器二极管的DC电流路径。
19.如权利要求11所述的光学发射器，其进一步包括一耦合在所述放大器的所述第一电极与大地之间的阻抗匹配电阻器。
20.如权利要求11所述的光学发射器，其进一步包括一耦合至所述放大器的所述第一电极的预畸变电路，其中所述预畸变电路产生一在量级上与所述激光器二极管所产生的固有畸变大致相等且符号相反的预畸变信号。
全文摘要
本发明揭示了一种光学发射器，其包括一外壳，其包含一设置于所述外壳中以接收一信息信号的电输入；一放大器，其用于以电子方式放大所述输入信号；及一激光器，其连接至所述放大器的输出以产生一自所述外壳向外发射的对应于所述信息信号的调制光束。
文档编号H04B10/04GK1946009SQ20061000737
公开日2007年4月11日 申请日期2006年2月13日 优先权日2005年2月16日
发明者约翰·扬内利, 艾伯特·卢 申请人:昂科公司