[发明专利]激光收发器件及其制造方法和提高其温度运作范围的方法

说明书

技术领域

 本发明涉及光纤通信技术，尤其涉及一种小型激光收发器件及其制造方法和提高其温度运作范围的方法。该小型激光收发器件具体为具有温度监控功能并控制封装在发射器光学组件（Transmitter Optical Subassembly，TOSA）中的激光二极管温度的小型可插拔收发器（Small form-factor pluggable transceiver，SFP）及SFP+等的光收发一体化模块。

背景技术

 随着光纤通信技术在骨干网、市域网、局域网、数据中心以及无线网络通信的广泛应用，符合SFP+MSA标准（SFF-8431 Specifications for Enhanced Small Form Factor Pluggable Module SFP+, Revision 4.1, 6th of July 2009）的低成本并相对容易制造的小型可插拔光收发一体化模块（SFP+）已越来越普及。一个紧凑的低成本的TOSA和接收器光学组件（Receiver Optical Subassembly，ROSA）是SFP模块上的主要部分。在发射端，主板上传的数据通过激光驱动器给半导体激光二极管，如FP，DFB或VCSEL等，施加偏置电流并调制，将高速数据信号转换成高速光脉冲信号通过工业标准的LC接头发送到光纤上。在接收端，通过光纤传来的光信号经光子探测器，如光电探测器（PIN）或雪崩光电二极管（APD）转变成高速电信号并经环阻放大器（TIA）放大，传给限幅放大器或线性放大器放大后，通过SFP的标准电接口送给主板进行处理。微控制单元（MCU）用来监控激光驱动器和限幅放大器，检测TOSA的发射功率、ROSA的接收功率、模块的温度等，并通过标准的I²C接口与主板通信。典型的可插拔SFP模块的原理框图如图1所示。

随着收发模块体积的缩小、端口密度的增大，对光收发一体化模块的功耗和温度的要求越来越严。根据MSA的要求，不包括SerDes的SFP+模块的功耗要求小于1.0W在商用温度范围。收发模块的温度通常由MCU内置的传感器检测或直接安装在模块电路板上的温度传感器来检测以提高精度。随着光纤通信在无线网络中的应用的展开，比如在3G网络中用光纤来连接室内基带单元（Building Baseband Unit，BBU）和射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）之间的通信，对既满足低功耗又能在工业温度范围（-40oC至+85oC）稳定工作的SFP+的收发一体化的模块的需求增长很快。

光收发一体化模块的工作温度主要由TOSA和ROSA来决定，这是因为用来制造激光二极管和光子探测器的半导体材料的特性是随温度变化而变化的。在分布式反馈激光器（DFB）中用做光学增益介质的半导体材料的增益曲线和用作波长选择的分布式光栅是很依赖环境工作温度的。而它们随温度变化的表现又各不相同。激光器的DFB模式是由光栅的有效栅距来决定， 增益曲线是由半导体材料的能级间隔的能量来决定的。在温度变化下，1310nm波段或1550nm波段的 InGaAsP/InP 激光二极管的增益峰值位移的温度系数大约是0.4至0.6nm/°C，而取决于折射率变化引起的光栅栅距变化的DFB模式的温度系数大约只有0.1nm/°C。两者之间温度系数的不同将限制DFB激光器的温度工作范围（Mitsuo Fukuda,“Optical semiconductor devices”, A Wiley Interscience Publication, 1999, pp.160.）。

当工作温度超出一定的范围，DFB激光器的边模抑制比（SMSR）将减少，单模工作状态将消失，因此严重影响甚至中断通信。为了增大激光器的工作温度范围，通常采用的方法是把芯片的耦合效率（kL）设计的高一些。但是这又将增加激光器的相对强度噪声（RIN）而不适合用于光纤通信。激光器芯片的制造商通常根据温度的性能指标来筛选芯片或封装好的TO-CAN以满足不同温度范围的激光器。这样不仅影响产率和成本而且影响性能。因此，具有宽工作温度范围比如工业温度范围的激光器芯片或激光发射器组件（TOSA）就非常昂贵且性能也难以保证。