基于光谱精确匹配技术的高速器件的制作方法

本发明属于通信以及光电子领域，涉及一种基于光谱精确匹配技术的高速器件及其制造方法，其特别是用于高速激光芯片波长与波分复用元件通带范围的高精度匹配。

背景技术：

随着通信产业对带宽需求的不断增加，应用于通行产业的激光以及光电器件的其带宽要求也随之越来越高。由于现有技术下的有源芯片，其单颗调制速率不足以支持带宽的需求，从而催生用出各种复用技术，比如波分复用技术来解决单颗有源芯片调制速率不足而带宽受限的问题。在波分复用技术中，需要应用多颗不同波长的有源芯片，再用与有源芯片中心波长相同的波分复用元件与有源芯片耦合，分别对不同通道的输出光做调制，实现提高通信带宽的目的。

申请人发现，上述现有技术中存在如下问题：

即便在不受任何温度和电流影响的条件下，每颗有源芯片的中心波长本身参差不齐，再加上有源芯片的波长受温度和电流的影响，各有源芯片的中心波长的差异更大。因此，在高速器件正常工作时，各有源芯片的波长范围都不一样。而波分复用元件的通带范围也参差不齐。这样，在与上述每个波长范围都不一样的有源芯片搭配使用时，波分复用元件的通带不能很好地覆盖有源芯片的波长范围。波长的覆盖范围越低就意味着光能接受调制的范围就越低、光的可调制范围也越低，同时高速器件的光眼图质量越低。光眼图质量是高速器件的核心性能，综上，高速器件的核心性能现阶段普遍不高。

例如，一个器件内需要多个波长芯片同时工作，以4波长为例，设定4个波长所对应的中心波长分别为L1、L2、L3、L4，芯片波长区间分别为L1(a1,b1)、L2(a2,b2)、L3(a3,b3)、L4(a4,b4)。那么最理想的工作状态是同一个高速器件里的4个芯片波长都集中在各自区间的中间、或同时工作在各自左区间或右区间。然而，现阶段高速芯片在批量生产时是无法精确提供每个芯片的波长信息的，测量芯片的波长的工作量巨大，而且高速芯片在测试过程中的损耗率极高。这就导致在安装在同一个器件里每个芯片的波长分布偏左或偏右是随机的。然而，波分复用元件每个通道的波长中心是与芯片中心波长设计近似匹配，实际制作的结果却不是真正匹配，这也进一步导致，多通道管芯和波分复用元件装配在同一个器件里时，每个波长的输出光大小不一，甚至有可能某些波长近似无光输出。

技术实现要素：

申请人考虑到现有技术的上述问题而作出了本发明。本发明所要解决的技术问题是，提供一种基于光谱匹配技术的高速器件。利用有源芯片波长会随温度发生偏移的特性，通过分别独立控制每一个有源芯片的温度来实现有每一个源芯片的波长与波分复用元件的通带范围的精确匹配，提高高速器件的核心性能。

根据本发明的实施例，提供了一种基于光谱精确匹配技术的高速器件，包括有源芯片(4)、独立温控部件(3)、以及波分复用单元(5)，其中，所述独立温控部件(3)与所述有源芯片(4)一一对应，其中，所述高速器件控制所述有源芯片(4)发光，所述有源芯片(4)发出的光通过所述波分复用单元(5)输出，其中，所述独立温控部件(3)用于调节所述有源芯片(4)的温度。

本发明所采用的技术方案，需要包含具备下述核心的功能单元：

1、发光单元。由不同波长的有源芯片组成，用来发出或接收不同波长的光波；

2、波分复用单元。与所述不同波长的有源芯片对应，由一个或一组波分复用元件组成，可以是TFF、AWG、PLC、PBS或其他种类的波分复用元件，用来对所述有源芯片合波或分波；

3、独立温控单元。由一组温控元件组成，用来分别控制所述每个有源芯片的温度。这种温控元件可以是薄膜热电偶或其他类型的温控元件，也可以集成到有源芯片上。不论温控元件的类型是哪种，也不论是否集成在有源芯片上，其发挥功能都是一样的。

本发明所采用的技术方案，可以包含、但并不一定必须包含扩展功能单元：

1、温度传感单元，由一个或一组温度传感元件组成，用来分别探测每个有源芯片及其附近区域的温度；温度传感元件可以是热敏电阻或其他类型的温度传感器，也可以集成到有源芯片上。温度传感元件的类型和是否集成到有源芯片上都用来完成同样的功能；

2、一个或几个半导体制冷器，用来设定有源芯片或波分复用元件的基础温度，该元件并不限定必须包含在内；

3、一个或一组透镜，用于准直或扩散或汇聚有源芯片发出的光。

4、一个或一组探测器，用于监控有源芯片的背光电流。

5、一个或几个连接物，用于将高速器件与外部电路连接起来，可以是某种柔性材料，也可以是金丝或其他的连接物。

6、封装单元。功能是用来托举或容纳有源芯片单元、波分复用单元、温度控制单元和其他非核心单元，并具有一定的信号传递作用。可以是气密性或非气密性封装，也可以是有外壳和无外壳的封装，可以与任何其他功能单元集成。不论封装的形式如何改变，是否与其他功能单元集成，其功能都是一样的。

本发明具有如下优点：

1、分别精确控制每个有源芯片的工作温度；

2、分别精确控制每个有源芯片的工作波长；

3、每一个有源芯片的中心波长，与波分复用元件相应通道的通带波长范围的匹配度高，极大提高高速器件的光束输出质量；

4、可以有选择性的采用具备核心功能单元的技术方案，或采用在核心功能单元基础上增加不同扩展功能的技术方案，灵活度高。

附图说明

图1是根据本发明的实施例的一种基于光谱匹配技术的高速器件及外部相关单元的框架图。

图2是根据本发明的实施例的一种直接温控的基本光谱匹配的高速器件结构示意图。

图3是根据本发明的实施例的一种带有温度反馈、背光监测、基础温度控制、独立温度控制、光路整形等综合功能的光谱匹配的高速器件的结构示意图。

图4是根据本发明的实施例的一种带有温控功能的集成芯片的示意图。

图5是根据本发明的实施例的一种带有温控功能和温度反馈的集成芯片的示意图。

图6是根据本发明的实施例的内置集成芯片的光谱匹配高速器件的示意图。

附图标记如下：

1：外部控制电路 2：高速器件

3：独立温控元件 4：有源芯片

5：波分复用单元 6：光耦合元件

7：垫块 8：器件外壳

9：温度传感元件 10：半导体制冷器

11：准直透镜 12：金丝

13：连接物 14：多功能集成芯片A

15：多功能集成芯片B 16：背光探测器

17：光解复用器 18：光功率监测单元

19：光谱监测单元

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的光谱匹配高速器件的原理和典型构造做详细说明。

本领域的技术人员能够理解，尽管以下的说明涉及到有关本发明的实施例的很多技术细节，但这仅为用来说明本发明的原理的示例、而不意味着任何限制。本发明能够适用于不同于以下例举的技术细节之外的场合，只要它们不背离本发明的原理和精神即可。

另外，为了避免使本说明书的描述限于冗繁，在本说明书中的描述中，可能对可在现有技术资料中获得的部分技术细节进行了省略、简化、变通等处理，这对于本领域的技术人员来说是可以理解的，并且这不会影响本说明书的公开充分性。

图1示出了根据本发明的实施例的一种具有光谱精确匹配技术的高速器件及外围电路的框架图。

如图1所示，构成该实施例的整套系统的主要部分包括高速器件(2)、外部控制电路(1)、外部光功率监测单元(18)、光谱监测单元(19)、光耦合元件(6)。

其中，高速器件(2)包括有源芯片(4)、波分复用元件(5)和独立温控元件(3)。

通过连接物(13)将高速器件(2)与外部控制电路(1)连接，由外部控制电路(1)分别控制及调节加载在一组有源芯片(4)和一组独立温度元件(3)上的电压或电流。使所述一组有源芯片(4)发光，同时，使一组独立温控元件(3)的电流或电压发生变化。当一组独立温控元件(3)的电压或电流变化，它自身的温度会随之发生变化，从而与它对应的一组有源芯片的(4)温度也随之发生变化。综上，外部控制电路(1)即可以使一组有源芯片(4)发光，还可以控制一组有源芯片(4)的温度。

有源芯片(4)的波长会随其本身的温度改变，则可以通过分别调整一组有源芯片(4)自身的温度，来达到分别调整一组有源芯片(4)自身波长的目的。一组独立温控元件(3)恰好具有分别调节一组对应有源芯片(4)温度的作用。所以，通过外部控制电路(1)调整加载在一组独立温控元件(3)上的电流或电压，就可以间接调整一组有源芯片(4)的波长。

当一组有源芯片(4)的每一个波长都被调整得与波分复用单元(5)的波长一致，就完成了光谱的匹配过程。

高速器件(2)的光从光耦合元件(6)输入到光解复用器(17)，再分为两部分，分别输入到光功率监测单元(18)和光谱监测单元(19)。所述两个监测单元可以将光信息(包括光谱信息和光功率信息)转换为电信息，再反馈回外部控制电路(1)。外部控制电路(1)中会预先写入控制程序和合格判据，帮助实现自动调节。光谱信息用于判断对应温度控元件(3)应该升高还是降低温度，光功率信息用于判断输出光功率是否满足产品的行业标准。当光功率以及光谱的监测值均达到外部控制电路(1)内所写入的合格判据值时就终止调节，此时同一个高速器件(2)里的每个有源芯片(4)的波长就完成了与波分复用单元(5)的光谱的匹配。外部控制电路(1)的程序自动保存终止调节时的参数。

上述自动调节的过程如下：首先向有源芯片(4)提供固定的偏置电流，使有源芯片(4)发光，并通过光谱监测单元(19)监测每个有源芯片(4)的中心波长是否与波分复用元件(5)对应通道的波长中心重叠，以波分复用元件(5)的中心波长为基准，比较有源芯片(4)的中心波长，当光谱监测单元(19)检测到有源芯片(4)的中心波长比基准(波分复用元件(5)对应通道的波长中心)偏大或偏小时，则反馈给外部控制电路(1)，外部控制电路(1)调节独立温控元件(3)，使得与之对应的有源芯片(4)的温度升高或降低，继而间接改变有源芯片(4)的中心波长。当光谱监控单元(19)检测到波长中心与基准重合时，则停止对温度的调节。此段内所述的波分复用单元的参数，可以在本系统内先通过一些手段扫描出来，并自动录入程序。

当有源芯片(4)的中心波长被以温度控制的方式间接调整到合适的值以后，则开始光功率的判定与调整，开始由光功率监控单元(18)监控功率，并由程序判断光功率是否合格(在预定范围内)、如不合格，则自动调节波分复用单元(5)的位置，当经过设定的时间仍无法达到合格判据时，程序将提示错误数据，用于判断应该更换有源芯片(4)还是波分复用元件(3)。在程序中，除了可以设定合格判据，还可以增加多个不同的判据用于判断不同部件的问题，例如，设每个通道输出功率≥0dBm(相对于参考值)，作为合格判据，当判断合格后，程序设定自动调节终止，开始固化器件内的部件；当每个通道输出功率介于-3dBm～0dBm作为有源芯片(4)合格但波分复用器不合格判据，例如，当自动调节5分钟后，有些通道的光功率只能达到这个判据，则程序判定需要更换波分复用单元(5)；任意通道输出功率＜-3dB作为该通道所对应的有源芯片(4)不合格判据，当某些通道的光功率无法高于这个判据，则程序提示更换有源芯片(4)。上述各项判据值仅做举例用，并非真实判据。

图2示出了直接独立温度控制的光谱匹配高速器件的基本结构。

一组独立温控元件(3)、一组有源芯片(4)和波分复用单元(5)都被安装在垫块(7)上，再一同被安装在器件外壳(8)内。一组独立温控元件(3)、有源芯片(4)都通过金丝(12)键合到器件的外壳(8)上。外壳(8)则通过某种连接物(13)，与图1所示的外部电路(1)连接，外部电路就可以控制一组有源芯片(4)发光，并可以调节一组独立温控元件(3)的温度。一组独立温控元件(3)可以调节对应的一组有源芯片(4)的温度，当一组有源芯片(4)的温度一发生变化，一组有源芯片(4)的波长就随之发生变化。当一组有源芯片(4)的每一个的波长都被调整得与波分复用单元(5)的波长一致时，就完成了器件的光谱匹配。

并且，利用透镜(11)对一组有源芯片(4)发出的光进行整形，得到想要的光束形状，使一组有源芯片(4)发出的光经过透镜(11)后的光束质量更好。

再将图1所示的光耦合元件(6)与外壳(8)安装在一起，即完成了这种基本的光谱匹配高速器件。

如图3所示，是一种带有温度反馈、基础温度控制、独立温度控制、光路整形、背光监测等综合功能的光谱匹配的高速器件结构。

一组独立温控元件(3)、一组有源芯片(4)、波分复用单元(5)、温度传感元件(9)都被安装在垫块(7)上，再一同被安装在半导体制冷器(10)上，上述所有元件的整体再一同被安装在器件外壳(8)上。一组独立温控元件(3)、一组有源芯片(4)、一组独立温度传感器都通过金丝(12)键合到器件的外壳(8)上。外壳(8)则通过某种连接物(13)，与图1所示的外部电路(1)连接。

利用图1中的外部电路(1)可以控制一组有源芯片(4)发光，并可以实时接收温度传感元件(9)反馈的信号，这个反馈信号可以被同步解析为一组有源芯片(4)的温度，这样，图1所示的外部电路(1)就可以通过解析温度传感元件(9)的信号，来准确测量一组有源芯片(4)的温度，并通过一组独立温控元件(3)精确地对应调节一组有源芯片(4)的温度，因此当有源芯片(4)的每一个波长都被调整得与波分复用单元(5)的波长完全一致时，就完成了器件的光谱的精确匹配。再将图1所示的光耦合元件(6)与管壳安装在一起，背光探测器(16)也装入管壳，即完成了这种基本的光谱匹配高速器件。

利用图1中的外部电路(1)可以控制一组有源芯片(4)发光，并可以实时接收温度传感元件(9)反馈的信号，这个反馈信号可以被同步解析为一组有源芯片(4)的温度，这样，图1所示的外部电路(1)就可以通过解析温度传感元件(9)的信号，来控制半导体制冷器(10)工作，使所有的有源芯片(4)均控制在同一个基础温度。再在这个基础温度上，分别精确控制每一个有源芯片(4)的温度。

根据一个实施方式，将有源芯片(4)的基础温度通过半导体制冷器(10)将多个有源芯片的基础环境温度整体设置偏低或偏高，再通过光谱监测单元(19)监测有源芯片(4)与波分复用单元(5)对应的中心波长是否重合，如果不重合，则以波分复用单元(5)的参数为基准，比较有源芯片(4)的中心波长比基准偏小或偏大，从而由光谱监测单元(19)将数据反馈给外部控制电路(1)，外部控制电路(1)控制独立温控单元(3)自动调节有源芯片(4)的温度，间接调整其中心波长。当光谱监测单元监测到有源芯片(4)与波分复用元件(5)的中心波长重叠时，则停止温度调节。此段内所述的波分复用单元的参数，可以在本系统内先通过一些手段扫描出来，并自动录入程序。

增加半导体制冷器(10)的好处是，当有源芯片的基础环境温度整体低时或高时，只需要将有源芯片(4)的温度均调高或低，只不过是调整的幅度不同，这样可以选取单项性能更佳的材料作为独立温控单元(3)的材料。

当有源芯片(4)的中心波长的通过上述温度控制的方式被间接调整到合适的值后，即开始判别并调整光功率。在这个例子中，除了上述温控相关功能升级，还增加了提高耦合效率的重要元件，准直透镜(11)，针对光功率的判别和耦合说明如下：

在器件自动耦合的过程中，如果不能达到合格判据，程序可以判断应该更换有源芯片(4)还是波分复用元件(5)、或是准直透镜(11)。在程序中可以设定多个自动化判据，例如，设每个通道输出功率≥0dBm，作为合格判据，当每个通道的输出功率均达到合格判据时，则停止调节，固化器件内的所有部件；例如，当每个通道输出功率介于-3dBm～0dBm作为准直透镜(11)或波分复用单元(5)不合格判据，程序设定更换一次准直透镜(11)作为第一优先级操作，更换准直透镜(11)后，如果依然无法达到合格判据，则判定更换波分复用元件(5)；当任意通道输出功率＜-3dB作为该通道所对应的有源芯片(4)或准直透镜(11)的不合格判据，此时程序内设定更换准直透镜(11)作为第一优先级操作，如果更换准直透镜(11)后，依然不能达到合格判据，则判断应该更换有源芯片(4)，如果重新自动调节后达到合格判据则固化器件内的所有部件。上述各项判据值仅做举例用，并非真实判据。此例中外部控制电路(1)、光功率监测单元(18)和光谱监测单元(19)的工作方式与上述第一个例子基本一样。

如图4所示，是一种可以进行温度传感的集成芯片A(14)。包含所述有源芯片(4)与温度传感元件(9)。

如图5所示，是一种可以进行温度传感的集成芯片B(15)。包含所述有源芯片(4)、温度传感元件(9)和独立温度控制元件(3)。

如图6所示，是一种内置集成芯片A(14)或集成芯片B(15)的光谱匹配高速器件。

如果使用集成芯片A(14)，则可以由图1的外部电路(1)控制集成芯片A(14)的温度和波长，将集成芯片A(14)的波长与波分复用元件(5)的波长匹配。

如果使用集成芯片B(15)，则可以由图1的外部电路(1)接收并解析集成芯片A(14)的温度，并调节集成芯片A(14)的波长，将集成芯片A(14)的波长与波分复用元件(5)的波长精确匹配。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。