一种基于滤波补偿的发射光功率稳定的光路结构的制作方法

本发明涉及发射光组件技术领域，特别是涉及一种基于滤波补偿的发射光功率稳定的光路结构。

背景技术：

在光通信链路中，发射光组件的光功率不能有太大波动。因为一旦光通信链路确定后，其链路损耗以及接收端的灵敏度就确定了，当发射光功率变大时，传送到接收端的光功率可能超过接收端的过载光功率引起严重误码甚至损坏探测器；当发射光功率变小时，传送到接收端的光功率可能无法被探测到。因此维持光组件的发射光功率在一个稳定的范围非常重要，比如400gfr4msa要求发射光功率范围为-3.3～+3.5dbm，部分客户要求往往比标准范围更窄。光发射组件的光功率pout由激光器的发射光功率和光路损耗决定。

pout＝pld-ploss

其中pld表示激光器的输出光功率，ploss表示光路损耗，包括耦合损耗、传输损耗等。光组件封装完成后，光路就固定下来，在组件工作温度范围内，光路损耗往往波动不大，而激光器的输出光功率随温度升高急剧下降。因此光发射组件的输出光功率也随温度的升高而急剧下降，目前采取的办法如专利(授权号：cn1960087b)中所述，将激光器分一部分光到背光探测器，当探测器检测到光功率变化时，调整驱动电流，即功率变小时增加驱动电流，功率变大时减小驱动电流，来补偿温度变化引起的功率变动。驱动电流的改变，往往会改变激光器芯片的带宽以及消光比，需要其他硬件参数联合调整。更重要的是，激光器驱动芯片输出电流也是有范围的，某些极限情况下，在驱动器的输出范围内可能无法将光功率限定在目标范围。因为光器件耦合都是在常温下进行的，在常温下输出功率满足要求，在高温下衰减过大，即使电流达到驱动器的输出极限也补偿不回来。

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。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是现有的背光检测调整驱动电流方式来补偿温度变化引起的功率变动，其中，驱动电流的改变，往往会改变激光器芯片的带宽以及消光比，需要其他硬件参数联合调整，不仅带来控制复杂度的提升，而且，会造成调整响应速度的延迟。

本发明实施例采用如下技术方案：

本发明提供了一种基于滤波补偿的发射光功率稳定的光路结构，包括：

激光器芯片与输出端口之间的光路上，设置有损耗随波长变化，按照预设关系实现的补偿元件；

其中，预设关系包括在激光器工作波长范围内，短波长对应滤波损耗，相对于长波长对应滤波损耗要大。

优选的，统计激光器芯片的温度-功率曲线，得到任一温度下的平均输出光功率；统计激光器芯片的温度-波长曲线，得到任一温度下的平均波长；则所述预设关系还包括：

相同温度下的平均波长-平均输出光功率为坐标，绘制得到补偿元件的滤波特性曲线；其中，所述滤波特性曲线与对应激光器芯片的平均波长-平均输出光功率曲线互补。

优选的，所述补偿元件由指定光程的f-p腔构成，其中，在f-p腔中，来回反射一次的光程与激光器高温工作下的半个长波长的偶数倍接近；来回反射一次的光程与激光器低温工作下的半个短波长的奇数倍接近。

优选的，对于指定光程的fp腔，其滤波损耗随着波长的变化，具有周期性波峰和波谷，

所述指定光程，使得激光器的工作波长处于一个相邻的波谷和波峰之间；设置fp腔端面的反射率，使得波峰和波谷的损耗差和激光器高低温功率差相近，从而实现补偿。

优选的，激光器芯片在20℃下的工作波长为1310nm，激光器的波长随温度具有0.1nm/℃的漂移系数；在-5℃～75℃范围内，激光器芯片的输出波长范围为1307.5～1316nm；相同驱动电流下，激光器芯片温度从-5℃升高到70℃，光功率下降3db；则所述f-p腔构成的补偿原件具体为：

光程长度为100um的f-p腔，腔面反射率为10％。

优选的，所述补偿元件由多层介质薄膜构成，其中，光在介质界面发生反射或透射，反射光或透射光之间发生干涉，进而呈现出不同波长具有不同透射损耗的效果；使得激光器温度变化范围内高温所对应波长的透射损耗小于低温所对应波长的透射损耗。

优选的，所述多层介质薄膜被设置在激光器的出光面上、被设置在隔离器的表面上、被设置在透镜表面上、被设置在光纤接收端面上中的一种或者多种方式。

优选的，介质薄膜由高低折射率材料交替沉积而成，薄膜层数为数十层到上百层；通过介质薄膜的低通、带通、高通滤波特性，将各个波长处的滤波损耗对应激光器的光功率变化进行控制。

优选的，所述补偿元件由平面光波导芯片构成，其中，平面光波导的光程差是通过不同长度的波导实现的；

通过接收波导的偏移，可以使得激光器的工作波长正好落在光波导芯片滤波曲线的上升侧，与激光器的温度-功率曲线形成互补。

与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：本发明对。

本发明通过巧妙的光路设计，在光路上保证了传输损耗随着温度而变化，从而与激光器的光功率—温度曲线形成互补效应，减少了光组件发射光功率随温度的波动。这种光路结构在原理上保证了光路的稳定性，其效果优于通过电路、软件等的反馈调节机制，可单独使用或与现有控制方法一起使用，进一步提高输出光功率的稳定性。

当温度升高时，虽然激光器输出光功率降低了，但是光路损耗也降低，总体输出光功率保持稳定；同理在低温下激光器输出光功率升高，光路损耗增加，总体输出光功率也保持稳定。

【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基于滤波补偿的发射光功率稳定的光路结构示意图；

图2是本发明实施例提供的另一种基于滤波补偿的发射光功率稳定的光路结构示意图；

图3是本发明实施例提供的通过滤波器稳定输出光功率的原理图；

图4是本发明实施例提供的通过f-p腔作为滤波器稳定输出光功率的光路简图；

图5是本发明实施例提供的f-p腔的滤波曲线示意图；

图6是本发明实施例提供的透镜上集成介质薄膜滤波器的示意图；

图7是本发明实施例提供的介质薄膜滤波器的滤波曲线示意图；

图8是本发明实施例提供的通过平面光波导合波芯片稳定输出光功率的光路简图；

图9是本发明实施例提供的传统方案平面光波导合波芯片中心波长与激光器常温波长对齐的滤波效果图；

图10是本发明实施例提供的本发明平面光波导合波芯片中心波长与激光器高温波长对齐的滤波效果图；

其中

1、激光器芯片；2、光路载体；3、输出端口；4(4’)、透镜；5、介质薄膜；7、平面光波导芯片；8、隔离器；9、f-p腔体。

【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，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。

本发明是在研究了现有激光器其波长随工作温度变化，信号功率随工作温度变化之后，总结出在激光器工作温度上升(相对于初始状态，也可以理解为未工作状态)情况下，其工作波长会随之变长(在本发明各实施例中，对于激光器高温情况下的工作波长也被描述为长波长，而相对低温情况下的工作波长也被描述为短波长，以示区别)，相应的信号光功率会随之下降；而在激光器工作温度下降情况下，其工作波长会随之变短，相应的信号光功率会随之上升。

进一步的，通过相应的研究还发现，在相应技术领域，存在几种结构的滤波特性(即波长与滤波损耗对应关系)，可以取得与上述激光器波长-输出光功率互补的效果，即能够维持激光器在不同工作温度下，对外(在本发明中指实施例中所描述的光路结构以外)呈现的有效光功率相对稳定。

接下来，将通过具体实施例，来逐一展示相应的具体实现方式。

实施例1:

本发明提供了一种基于滤波补偿的发射光功率稳定的光路结构，如图1和图2所示，本发所提出的补偿元件可以是通过与已有光路中的元器件进行整合方式实现，也可以作为独立的元件设置在光路中，所述光路结构包括：

激光器芯片与输出端口之间的光路上，设置有损耗随波长变化，按照预设关系实现的补偿元件；

其中，预设关系包括在激光器工作波长范围内，短波长对应滤波损耗，相对于长波长对应滤波损耗要大。

本发明实施例通过巧妙的光路设计，在光路上保证了传输损耗随着温度而变化，从而与激光器的光功率—温度曲线形成互补效应，减少了光组件发射光功率随温度的波动。这种光路结构在原理上保证了光路的稳定性，其效果优于通过电路、软件等的反馈调节机制，可单独使用或与现有控制方法一起使用，进一步提高输出光功率的稳定性。

当温度升高时，虽然激光器输出光功率降低了，但是光路损耗也降低，总体输出光功率保持稳定；同理在低温下激光器输出光功率升高，光路损耗增加，总体输出光功率也保持稳定。

与现有技术不同的是，本发明实施例的方案，由于采用了补偿元件(也可以理解为一种滤波器件)，因此，初始状态下就对原激光器的光功率具有一定的衰减，因此，也属于克服了惯有思维惯性之后，提出的一种巧妙解决温度补偿的方案。

如图3所示，在具体实现时，为了能够得到准确的补偿元件设计参数，通常需要对所要进行补偿的激光器做预先的测试和数据统计，具体的统计激光器芯片的温度-功率曲线，得到任一温度下的平均输出光功率；统计激光器芯片的温度-波长曲线，得到任一温度下的平均波长；则实施例1中的所述预设关系还包括：

相同温度下的平均波长-平均输出光功率为坐标，绘制得到补偿元件的滤波特性曲线；其中，所述滤波特性曲线与对应激光器芯片的平均波长-平均输出光功率曲线互补。图3中的横坐标直观的给予了温度和波长的对应关系，如“低温”对应“短波”，“高温”对应“长波”，形态上表现，即激光器的温度-功率曲线要与补偿元件的波长-损耗曲线互补，最终表现的光路结构对外的温度-功率曲线便如图3中的实线所示，相对是平稳的。其中，所述补偿元件，是根据所述滤波特性曲线制作得到。

在本发明实施例中，对于所述补偿元件的具体实现方式，至少提供了以下三种，对于本领域技术人员来说，在本发明实施例分别提供了以下三种实现方式后，在此基础上做的简单组合和类似的衍生出的等同实现方案，均属于本发明的保护范围内。三种方式呈现如下：

方式一：

所述补偿元件由指定光程的f-p腔构成，其中，在f-p腔中，当来回反射一次的光程恰好是半波长的偶数倍时，该波长将以较小的损耗通过；当来回反射一次的光程恰好是半波长的奇数倍时，该波长将以较大的损耗通过。因此，在设计时满足，来回反射一次的光程与激光器高温工作下的半个长波长的偶数倍接近；来回反射一次的光程与激光器低温工作下的半个短波长的奇数倍接近。

对于指定光程的fp腔，其滤波损耗随着波长的变化，具有周期性波峰和波谷，在实际实现时，为了达到更好补偿效果，优选的是使得激光器的工作波长处于一个相邻的波谷和波峰之间，则设置fp腔端面的反射率，使得波峰和波谷的损耗差和激光器高低温功率差相近，从而实现补偿。

方式二：

所述补偿元件由多层介质薄膜构成，其中，光在介质界面发生反射或透射，反射光或透射光之间发生干涉，进而呈现出不同波长具有不同透射损耗的效果；使得激光器温度变化范围内高温所对应波长的透射损耗小于低温所对应波长的透射损耗。

其中，所述多层介质薄膜被设置在激光器的出光面上、被设置在隔离器的表面上、被设置在透镜表面上、被设置在光纤接收端面上中的一种或者多种方式。

在具体实现方式中，介质薄膜由高低折射率材料交替沉积而成，薄膜层数为数十层到上百层；通过介质薄膜的低通、带通、高通滤波特性，将各个波长处的滤波损耗对应激光器的光功率变化进行控制。后续将具体通过实施例3展示一种多层介质薄膜实现补偿元件的细节。

方式三：

所述补偿元件由平面光波导芯片构成，其中，平面光波导的光程差是通过不同长度的波导实现的；

通过接收波导的偏移，可以使得激光器的工作波长正好落在光波导芯片滤波曲线的上升侧(随着波长增加，损耗降低的一侧)，与激光器的温度-功率曲线形成互补。其原理是，不同波长的光，经过具有相同光程差的波导阵列，进而发生衍射，在不同接收波导点具有不同的损耗。如果每个阵列波导在到达某个接收波导的光程，是半波长的偶数倍，那么该波长具有最小的滤波损耗(平面光波导芯片的峰值波长)。在常规方案中，平面光波导的峰值波长设置成与激光器室温的工作波长重合，虽然室温耦合时，可以得到较低的耦合损耗，但高温或低温下，无法起到稳定光功率的效果。如果将接波导的位置偏离某波长的衍射极大值点，那么波导芯片的中心波长也会偏离。

实施例2：

图4是一种具体的光路结构，激光器1输出依次经过准直透镜4、隔离器8、汇聚透镜4’到接收端口。隔离器8和汇聚透镜4’之间还设置有额外的f-p补偿元件9。f-p补偿元件9的滤波特性可以根据激光器的温度-功率曲线做匹配设计(如图3所示)，首先统计大量激光器芯片的温度-功率曲线，以及激光器低温和高温下的极限波长，得到滤波器应具有的波长-损耗特性，进而配置合适的腔长和反射率得到目标滤波特性，具体内容在实施例1中已经详尽介绍，在此不再赘述。

在一种可选的配置中，例如激光器芯片在20℃下的工作波长为1310nm，激光器的波长随温度具有0.1nm/℃的漂移系数；在-5℃～75℃范围内，激光器芯片的输出波长范围为1307.5～1316nm；相同驱动电流下，激光器芯片温度从-5℃升高到70℃，光功率下降3db；则所述f-p腔构成的补偿原件具体为：光程长度为100um的f-p腔，腔面反射率为10％。计算可知该f-p腔在某个衍射级具有图5所示的滤波特性：滤波曲线的波谷(损耗极大值)约为1307.2nm，波峰(损耗极小值)约为1315.8nm，且波峰与波谷之间的损耗差为3db。显然从1307.2到1315.8nm的范围内，f-p腔的滤波损耗与激光器-5～70℃范围内的温度-功率曲线正好形成互补效应，能对输出光功率起稳定作用。

实施例3：

在实施例2中从f-p补偿元件出发，列举了一具体应用场景下的实现细节外，本发明实施例3则从介质薄膜补偿元件列举一实例进行阐述。在本发明实施例中，所述介质膜补偿元件集成在光路中的任一元件(例如图4中的准直透镜4、隔离器8、汇聚透镜4’等)的通光孔径上。在一种配置中，如图6所示多层介质薄膜沉积在汇聚透镜4’表面。假如透镜的材料为n-sf11，那么可以在透镜表面沉积43层介质薄膜，薄膜具体配置如下表：

其对应的滤波曲线如图7所示，在1307.5nm处的损耗为3.1db，在1310nm处的损耗为2db，在1316处的损耗为0.4db。假如激光器芯片在20℃下的工作波长为1310nm，那么在-5℃～75℃范围内，激光器芯片的输出波长范围为1307.5～1316nm。由于激光器芯片的光功率随温度变化，当温度降低到-5℃时，光功率升高1db，当温度升高到70℃时，光功率降低2db，经过滤波的补偿效应，实际光路在-5℃光功率变化0.1db，而在70℃时，光功率仅变化0.4db，这一变化远小于激光器芯片本身的功率波动。

实施例4：

本发明实施例则是以补偿元件是平面光波导合波芯片实现时，给予具体应用实例的呈现。如图8所示，为多通道光发射组件。四路不同波长的激光器芯片1发射光经过各自透镜4汇聚到平面光波导合波芯片7输入端。平光波导芯片7不仅承担合波功能，还可以根据每一路激光器的温度-功率曲线优化滤波曲线，使得激光器输出光功率随温度变化曲线和滤波曲线具有互补效应，从而得到更稳定的输出光功率。图9是常规方案，合波芯片的中心波长与常温激光器波长对齐，然而高温下不仅激光器的输出光功率有衰减，滤波损耗也会变大，两者叠加使得高温下光功率明显恶化。通过调整公共端光波导芯片的位置，使合波芯片的滤波曲线整体向长波长方向移动，得到本发明中图10的效果。在常温或者低温下，激光器的波长处于各通道滤波曲线峰值的左侧，最高工作温度时，激光器的波长正好与滤波曲线的峰值对齐，即使高温下激光器芯片的发光功率降低了，但是滤波损耗却减小，即合波芯片的滤波损耗曲线就与激光器的温度功率曲线形成互补，极大地稳定了输出光功率。

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。