一种基于调制器的波长可调谐器件封装结构的制作方法

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种基于调制器的波长可调谐器件封装结构。

背景技术：

可调谐激光器的使用范围十分广泛，在不考虑成本、仅考虑性能的情况下，在光通信领域几乎可以替代目前使用的所有光发射器。目前主要的应用场景是在一些高端应用领域，包括各种波分系统，例如，10gdwdm干线网络、100g及400gdwdm相干传输网络、下一代wdm-pon光接入网络、5g移动前传波分网络、基于波分的100g或者10g以太网络等等。随着可调谐激光器芯片价格的下降，可调谐激光器还有望在气体检测、仪器仪表等工业领域得到应用。在更高端的军用检测领域，基于可调谐激光器芯片的相控阵激光雷达也有较好的市场应用前景。

根据测算，在10gdwdm网络中，目前可调谐模块的出货量不断增长，说明在对网络进行维护或者新部署中，可调谐光模块已经成为系统厂商的首选。在相干传输领域，目前100g网络已经步入大规模建设期，部署模块数量超过100万只，均采用可调谐激光器。同时，根据市场及技术发展的预测，随着家庭用户对带宽需求越来越大，下一代光接入网络将采用基于波分方案的wdm-pon系统，以实现传输容量的提升。根据标准，在wdm-pon网络中，最终将使用调谐范围大于32nm，调制速率大于10gb/s的可调谐光模块。因此当wdm-pon技术进入产业化部署阶段时，对可调谐激光器模块的需求是十分巨大的，目前相关运营商及设备商均在积极寻求低成本的可调谐激光器产品。

综上所述，可调谐激光器应用场景广泛，市场容量潜力巨大，发展前景也十分良好，现阶段对可调谐激光器封装进行研发，特别契合未来光通信产业发展，实现巨大的经济效益。然而，目前仅有极少数公司有能力量产提供可调谐10gxfp和sfp+模块，而且，通常是依托于ea集成、eml集成或mzm集成的可调芯片，即，采用可调单片集成的方式，将调制部分集成在激光器芯片本身。受限于上述芯片结构以及封装设计，一方面导致芯片的调制速率较低、带宽不足；另一方面激光器芯片的加工设计难度较大，成品率较低。

鉴于此，克服上述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：

本发明需要解决的技术问题是：

传统的可调谐器件中，通常采用可调单片集成的方式，将调制部分集成在激光器芯片本身，导致芯片的调制速率较低、带宽不足，而且在集成过程中，激光器芯片的加工设计难度较大，成品率较低。

本发明通过如下技术方案达到上述目的：

本发明提供了一种基于调制器的波长可调谐器件封装结构，包括封装在管壳内的可调谐激光器1、反射棱镜组4、标准具6、第一背光探测器7、第二背光探测器8和调制器9，以及管壳外的第一透镜5，且所述可调谐激光器1与所述调制器9混合集成；

其中，所述可调谐激光器1输出的光到达所述反射棱镜组4后，一部分光直接透射后到达所述第二背光探测器8进行监控；一部分光反射后进入所述标准具6进行波长锁定，随后进入所述第一背光探测器7进行监控；还有一部分光反射后进入所述调制器9，并在所述调制器9内部进行环回，最终输出到达所述第一透镜5，并由光纤接收。

优选的，所述反射棱镜组4包括顺次设置的第一反射面401、第二反射面402和第三反射面403，所述第一反射面401垂直于所述第二反射面402，所述第三反射面403平行于所述第二反射面402；

其中，所述可调谐激光器1输出的光到达所述第一反射面401后，一部分光直接透射后被所述第二背光探测器8接收，另一部分光被反射至所述第二反射面402；

反射至所述第二反射面402的光中，一部分被反射至所述标准具6，另一部分直接透射到达所述第三反射面403，并由所述第三反射面403反射至所述调制器9。

优选的，所述可调谐激光器1与反射棱镜组4之间还设置有第二透镜2和隔离器3，所述隔离器3为单级或双级；

其中，所述可调谐激光器1输出的光通过所述第二透镜2进行光斑整形后，进入所述隔离器3来减小反射，透射后到达所述反射棱镜组4。

优选的，所述调制器9与所述第一透镜5之间还设置有光路调整块12，所述光路调整块12封装在管壳内，且所述光路调整块12包括相互平行的第四反射面121和第五反射面122；

其中，所述调制器9输出的光到达所述光路调整块12后，被所述第四反射面121反射至所述第五反射面122，再被所述第五反射面122反射后通过所述第一透镜5的中心，最终由光纤接收。

优选的，所述反射棱镜组4与所述调制器9之间还设置有第三透镜10，所述调制器9与所述第一透镜5之间还设置有第四透镜11；

所述反射棱镜组4输出的光经过所述第三透镜10汇聚后进入所述调制器9，所述调制器9输出的光经过所述第四透镜11汇聚后进入所述光路调整块。

优选的，所述可调谐激光器1表面设有第一热敏电阻13，用于温度监控和反馈；底部设有第一tec14，用于温度调节；所述第一热敏电阻13、所述第一tec14与参考电阻r、仪表放大器、pid电路和tec驱动器形成温度控制电路；

当所述可调谐激光器1的温度变化时，所述第一热敏电阻的阻值变化，所述第一热敏电阻13和所述参考电阻r组成的桥路发生变化，通过所述仪表放大器形成差分电压，差分电压经过所述pid电路计算后传送至所述tec驱动器，继而驱动所述第一tec14加热或制冷，使所述可调谐激光器1的温度满足要求。

优选的，所述可调谐激光器1表面设有第一热敏电阻13，底部设有第一tec14；所述标准具6表面设有第二热敏电阻15，底部设有第二tec16；所述第一热敏电阻13、所述第一tec14、所述第二热敏电阻15、所述第二tec16与参考电阻r、仪表放大器、pid电路和tec驱动器形成双级tec温度反馈系统；

其中，通过调节所述第一tec14来校正所述可调谐激光器1的波长，使得所述可调谐激光器1的波长与所述标准具6的波长相匹配。

优选的，所述可调谐激光器1的波长可调谐范围为：1529nm-1565nm。

优选的，所述调制器9内集成有分光器17和探测器18，由所述第一透镜5输入的光进入所述调制器9后先到达所述分光器17，经过所述分光器17分成两部分，其中一部分光被所述探测器18接收，另一部分光进入所述调制器9的调制部分。

优选的，所述分光器17和所述探测器18之间还设有放大器19，用于对所述分光器17分出的光进行光信号放大。

本发明的有益效果是：

本发明提供的波长可调谐器件封装结构中，将可调谐激光器芯片与调制器芯片混合集成，与单片集成的结构相比，该结构可基于调制器芯片优良的调制特性，有效提升激光器芯片的调制速率，满足更高的带宽需求；而且混合集成降低了激光器芯片的制作难度，提高芯片成品率。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述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他的附图。

图1为现有的一种单片集成可调谐激光器结构的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种基于调制器的波长可调谐器件封装结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种tec和热敏电阻的设置示意图；

图4为本发明实施例提供的一种单级tec温度反馈系统示意图；

图5为本发明实施例提供的一种双级tec温度反馈系统示意图；

图6为本发明实施例提供的一种可调激光器的测试光谱示意图；

图7为本发明实施例提供的一种集成rosa的可调谐器件封装结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种集成rosa的调制器示意图；

其中，附图标记如下：

可调谐激光器1、第二透镜2、隔离器3、反射棱镜组4、第一透镜5、标准具6、第一背光探测器7、第二背光探测器8、调制器9、第三透镜10、第四透镜11、光路调整块12、第一热敏电阻13、第一tec14、第二热敏电阻15、第二tec16、分光器17、探测器18、放大器19；第一反射面401、第二反射面402、第三反射面403、第四反射面121、第五反射面122、调制臂901、电极902。

【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”、“左”、“右”、“前”、“后”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。

在本发明各实施例中，符号“/”表示同时具有两种功能的含义，而对于符号“a和/或b”则表明由该符号连接的前后对象之间的组合包括“a”、“b”、“a和b”三种情况。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。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。

如图1所示，传统的可调谐激光器采用eml(或ea、mzm)与dbr激光器单片集成的方式，整个光路结构包括顺次设置的激光器1’、准直透镜2’、隔离器3’、反射棱镜组4’和第一透镜5’，还包括与所述反射棱镜组4’耦合设置的标准具6’、第一背光探测器7’以及第二背光探测器8’，所述反射棱镜组4’包括两个前后设置的反射面(与光路成45°夹角)。光路具体为：所述激光器1’输出的光透过所述激光器1’后，进行快轴和慢轴方向发射角的压缩，再通过单级或者双级的所述隔离器3’后，一部分光被反射棱镜组4’中的前一个反射面45°全反射，进入所述标准具6’进行波长锁定，最后进入所述第一背光探测器7’进行监控；另外一部分光经过前一个反射面的透射后到达后一个反射面，此时其中一部分光又被后一个45°反射面全反射，进入所述第二背光探测器8’中进行监控，另一部分经过后一个反射面透射后，沿着主光轴方向进行传播，最终进入所述第一透镜5’进行汇聚，并通过光纤输出。

在上述传统结构中，eml(或ea、mzm)本身的调制特性较差，带宽较窄，因此集成后很难到达较高的调制速率，导致使用性能不佳；而且，将eml(或ea、mzm)集成到dbr激光器芯片的过程中，为得到满足使用需求的可调谐激光器芯片，对工艺要求较高，使得芯片的集成加工很难，自然也会造成芯片的成品率较低。同时，在采用单片集成时，整个封装器件内只能集成tosa(光发射模块)，实现光发射，而无法集成rosa(光接收模块)，实现光接收，因此也就无法实现收发一体，给光器件的使用带来不便。

鉴于上述考虑，本发明实施例提供了一种基于调制器的波长可调谐器件封装结构，如图2所示，包括封装在管壳内的可调谐激光器1、反射棱镜组4、标准具6、第一背光探测器7、第二背光探测器8和调制器9，以及设置在管壳外的第一透镜5；其中，所述可调谐激光器1与所述调制器9采用混合集成的方式，调制部分通过所述调制器9来进行调谐。具体光路为：

所述可调谐激光器1输出的光到达所述反射棱镜组4后，一部分光直接透射后到达所述第二背光探测器8进行监控；一部分光反射后进入所述标准具6进行波长锁定，随后进入所述第一背光探测器7进行监控；还有一部分光反射后进入所述调制器9，并在所述调制器9内部进行环回，最终输出到达所述第一透镜5，并由光纤接收。

其中，所述可调谐激光器1可采用sgdbr激光器；所述调制器9为完整的硅光调制器，由于硅光调制器本身具有良好的带宽性能，因此其可获得较高的带宽特性，其调制速率可以达到25gb/s，甚至53gb/s，与现有芯片的调制速率相比提高了一倍。

本发明实施例提供的上述波长可调谐器件封装结构中，将可调谐激光器芯片与调制器芯片混合集成在管壳内部，与单片集成的结构相比，该结构可基于调制器芯片优良的调制特性，有效提升激光器芯片的调制速率，满足更高的带宽需求；而且混合集成降低了激光器芯片的制作难度，提高芯片成品率。

继续参考图2，完整的封装结构还包括：设置在所述可调谐激光器1与反射棱镜组4之间的第二透镜2和隔离器3，所述隔离器3为单级或双级；设置在所述反射棱镜组4与所述调制器9输入波导之间的第三透镜10；以及设置在所述调制器9输出波导与所述第一透镜5之间的第四透镜11。同时，为了节省空间布局，一方面通过所述反射棱镜组4实现光路折叠，另一方面还可在所述调制器9与所述第一透镜5之间设置光路调整块12，所述光路调整块12封装在管壳内，使得光路出光方向对准所述第一透镜5的中心。除所述第一透镜5以外，其余各结构均封装在管壳内。

其中，所述反射棱镜组4包括顺次设置的第一反射面401、第二反射面402和第三反射面403，所述第一反射面401垂直于所述第二反射面402，所述第三反射面403平行于所述第二反射面402；所述光路调整块12包括相互平行的第四反射面121和第五反射面122。在本发明实施例中，各反射面均与图中光路水平入射方向成45°角。所述调制器9可采用双臂mzm结构，主要包括调制臂901、电极902、输入波导和输出波导。结合图2，在整个封装结构中，光路折叠后，具体的光路如图中虚线箭头所示：

所述可调谐激光器1输出的光通过所述准直透镜2进行光斑整形后，进入所述隔离器3来减小反射，透射的光到达所述反射棱镜组4的所述第一反射面401后分成两部分；一部分光直接透射后被所述第二背光探测器8接收，另一部分光被所述第一反射面401反射至所述第二反射面402；反射至所述第二反射面402的光也分成两部分，一部分被反射至所述标准具6，然后进入所述第一背光探测器7进行监控，另一部分直接透射到达所述第三反射面403，并被所述第三反射面403反射至所述第三透镜10，继而进入所述调制器9。光在所述调制器9内部进行环回，最终由所述调制器9的ssc结构输出，输出的光经过所述第四透镜11后到达所述光路调整块12，被所述第四反射面121反射至所述第五反射面122，再被所述第五反射面122反射后对准所述第一透镜5的中心输出，最终由光纤接收。

上述封装结构中，通过所述反射棱镜组4在光路上实现折叠设计，可将所述可调谐激光器1和所述调制器9封装在一个全密闭的金属管壳内，并放于管壳内的同一端，减小空间，满足小型化封装。同时，为实现整个模块的小型化封装，节省空间布局，需尽量将所述第一透镜5设置在管壳外部的中间位置，而按照当前布局所述调制器9输出的光难以对准所述第一透镜5的中心；本发明实施例通过在管壳内部设置所述光路调整块12，可对所述调制器9输出的光进行调整，使光路方向对准所述第一透镜5的中心，从而优化了结构布局，实现小型化封装。

进一步地，激光器在工作过程中往往会发生温度变化，进而影响波长；为保证波长的稳定性，实现波长校正和锁定，可参考图3左图，在所述可调谐激光器1表面设有第一热敏电阻13，用于监控并反馈激光器的温度；所述可调谐激光器1底部设有第一tec(制冷器)14，用于调节激光器的温度。所述第一热敏电阻13、所述第一tec14、参考电阻r、仪表放大器、pid电路和tec驱动器共同形成单级tec温度反馈系统，如图4所示。其中，所述pid电路进行相应的pid计算，可通过微控制器的编程实现，具体计算方法为现有技术，在此不做赘述。

结合图4，当所述可调谐激光器1的温度变化(波长亦发生变化)时，所述第一热敏电阻13的阻值变化，则所述第一热敏电阻13和所述参考电阻r组成的桥路会发生变化，并通过所述仪表放大器形成差分电压，差分电压经过所述pid电路计算后，传送至所述tec驱动器，由所述tec驱动器输出一定的电压给所述第一tec14，继而驱动所述第一tec14加热或制冷，使所述可调谐激光器1的温度满足要求。

上述波长锁定方法是目前一种比较通用的方法，即只针对激光器设置tec和热敏电阻。在本发明实施例中，为了在高低常三温情况下都能尽快精确地锁定激光器波长，减少测试和校准的工作量，采用两个tec进行控制。具体如图3所示，所述可调谐激光器1表面设有第一热敏电阻13，底部设有第一tec14；所述标准具6表面设有第二热敏电阻15，用于监控标准具6的温度；所述标准具6底部设有第二tec16，用于调节标准具6的温度。如图5所示，所述第一热敏电阻13、所述第一tec14、所述第二热敏电阻15、所述第二tec16、参考电阻r、仪表放大器、pid电路和tec驱动器共同形成双级tec温度反馈系统。其中，所述tec驱动器分别与所述第一tec14和所述第二tec16连接，所述仪表放大器分别与所述参考电阻r、所述第一热敏电阻13和第二热敏电阻15连接。

通常情况下，与所述可调谐激光器1相比，所述标准具6对温度变化更不敏感，则所述标准具6的波长更为稳定和准确，可以作为参照标准。因此，在通过双级tec温度反馈系统来进行实际调节时，可通过所述第一tec14来调节所述可调谐激光器1的温度，进而校正所述可调谐激光器1的波长，使得所述可调谐激光器1的波长与所述标准具6的波长相匹配。当所述标准具6的波长发生波动时，也可通过所述第二热敏电阻15来监控所述标准具6的温度，并通过调节所述第二tec16控制所述标准具6的波长稳定。

结合图5，当所述可调谐激光器1和/或所述标准具6的温度变化时，对应热敏电阻的阻值变化，则对应热敏电阻和所述参考电阻r组成的桥路会发生变化，并通过所述仪表放大器形成差分电压，差分电压经过所述pid电路计算后，将电压传送至所述tec驱动器，由所述tec驱动器输出一定的电压给所述第一tec14，继而驱动所述第一tec14加热或制冷，使所述可调谐激光器1的温度满足要求，从而使波长锁定。

同时，结合图2，管壳内部设置有两个背光探测器。经过所述标准具6后接收的信号携带有波长信息，则所述标准具6之后的所述第一背光探测器7用于产生标准电流ietalon；而所述第二背光探测器8用于产生参考电流ireference，则电流比ietalon/ireference的变化可表示波长的变化。此处可将电流值ietalon和ireference转换成电压，使用两个电压信号比来产生一个误差信号，用来驱动激光器的温度控制器，即图4或图5中的tec驱动器。如果激光器的波长向短波漂移，则通过控制所述第一tec14加热激光器芯片来补偿波长；反之，如果波长向长波漂移，则通过控制所述第一tec14致冷来补偿波长。

在本发明实施例中，所述可调谐激光器1的波长可调谐范围涵盖c-band96个通道，范围为：1529nm-1565nm，相邻通道间隔为50ghz，如图6所示。

进一步地，在传统的单片集成方法中，封装器件内只能集成tosa，如图1所示，而无法集成rosa。本发明实施例将激光器芯片和调制器芯片分开后，可基于调制器芯片集成rosa，实现光收发一体。具体可参考图7和图8：所述调制器9内设置分光器17和探测器18，光由所述第一透镜5进入所述调制器9之后，经过所述分光器17分成两部分，其中一部分光被所述探测器18接收，从而实现rosa功能；另一部分光进入调制部分(即所述调制臂901)。其中，所述分光器17和所述探测器18之间还可设有放大器19，用于对所述分光器17分出的光进行光信号放大。具体光路如下：

光信号由所述第一透镜5输入至所述光路调整块12，先被所述第五反射面122反射至所述第四反射面121，再被所述第四反射面121反射至所述第四透镜11，然后进入所述调制器9的输入波导；光经过输入波导后被所述述分光器17分成两部分，其中一部分经过所述放大器19实现放大后，进入所述探测器18，实现光接收。其中，对于所述调制器9，光发射过程中的输出波导就是光接收过程中的输入波导。

综上所述，本发明实施例提供的波长可调谐器件封装结构具有以下优势：

将可调谐激光器芯片与调制器芯片混合集成在管壳内部，可基于调制器芯片优良的调制特性，有效提升激光器芯片的调制速率，满足更高的带宽需求；而且降低激光器芯片的制作难度，提高芯片成品率；

在光路上采用折叠设计，通过反射棱镜组和光路调整块，可将可调谐激光器和调制器9封装管壳内的同一端，各结构布局紧凑，减小空间，满足小型化封装；

针对激光器和标准具分别设置tec，形成双级tec温度反馈系统，在高低常三温情况下都能精确地锁定激光器波长，保证激光器工作状态的稳定，减少测试和校准的工作量，提高波长锁定精度；

通过将激光器芯片与调制器芯片混合集成，不仅可集成tosa，实现光发射，还可在调制器内集成rosa，实现光接收，从而实现该结构的光收发一体设置。

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。