光模块的制作方法

本发明涉及一种光模块，属于光通信技术领域。

背景技术：

中国移动于2019年9月3日首次公开提出创新的5g前传open-wdm/mwdm方案，5g前传将重用低成本25gcwdmdml推进12波长系统，在现有cwdm6波的基础上，通过tec控温每个波长左右各调偏3.5nm，构成12个波长通道，同时满足5g部署的急迫性和重用cwdm产业链的需求。采用tec偏移实现12个波长，并具有波长非等间距的特点，结合光层调顶实现光模块oam机制，满足5g前传10km主要场景链路预算。但采用tec控温存在如下缺点：12波都需要tec控温，增加了制备光模块的成本；通过tec控温每个cwdm波长偏离3.5nm，相应的温度大约需要调节35℃，在5g前传光模块需要满足工业级温度范围-40℃-85℃下工作的要求，激光器芯片的热沉温度变化接近100℃，在此温度范围内通过tec控温保障波长稳定，对tosa的热管理和功耗是巨大挑战；直接从现有的cwdm6波基础上挑选合格的芯片，通过tec调节温度实现波长调谐，会导致单片wafer的dml激光器波长良率较低，间接提高了激光器芯片的成本。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种通过在激光器芯片内集成有给激光器芯片进行温度补偿的加热单元以实现在工业级温度范围内对激光器的中心波长进行温度调谐，得到满足mwdm波长范围的5g前传光模块。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种光模块，包括壳体、设置在所述壳体内的光接收组件、光发射组件、以及与所述光接收组件和所述光发射组件连接的电路板。所述光发射组件包括激光器芯片，所述激光器芯片内集成有给所述激光器芯片进行温度补偿的加热单元。

进一步地，所述激光器芯片包括磷化铟衬底、有源层、脊波导、p面电极、以及n面电极，所述加热单元位于所述脊波导一侧，所述加热单元与所述脊波导之间的距离为10um～20um。

进一步地，所述加热单元的电阻值由如下公式确定：

r＝ρ*l/s

其中，r为加热单元的电阻值；ρ代表加热单元的电阻率；l为加热单元的长度；s为垂直于电流方向上加热单元的横截面积。

进一步地，所述加热单元为由ti金属形成的热电阻。

进一步地，所述加热单元与所述激光器芯片之间设置有sio2绝缘层。

进一步地，所述激光器芯片为dml激光器芯片。

进一步地，所述光模块还包括设置在所述壳体内部用以给所述壳体内部进行温度补偿的加热模块。

进一步地，所述加热模块为电加热丝。

进一步地，所述光模块还包括用以检测壳体温度的温度传感器和与所述温度传感器、所述加热单元、所述加热模块信号连接的温度控制单元，所述温度控制单元根据所述温度传感器检测到的壳体温度值控制所述加热单元、所述加热模块共同或者单个启动或关闭。

进一步地，用于所述光模块的温度补偿控制方法包括：

所述温度传感器采集当前壳体温度值；

基于所述温度传感器所采集到的壳体温度值，所述温度控制单元判断所述壳体温度值是否低于预设温度阀值；

若低于所述预设温度阀值，则控制所述加热单元、所述加热模块启动；

若介于所述预设温度阀值，则控制所述加热单元启动。

本发明的有益效果在于：由于本发明通过在激光器芯片内集成有给激光器芯片进行温度补偿的加热单元，以实现对激光器芯片的中心波长进行调谐，得到满足mwdm波长范围的光模块，放宽了激光器芯片的波长范围，降低了光模块的功耗水平，提高了激光器芯片的良率。

本发明在光模块壳体内还设置有用以给所述壳体内部进行温度补偿的加热模块，与加热单元组成的两级加热方式，可以实现面向5g前传应用场景，在工业级温度范围内对激光器的中心波长进行调谐，使之满足mwdm的波长范围，从而不再使用昂贵的tec进行温度调谐，节省了5g前传光模块的物料成本。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明一实施例集成了加热单元的dml芯片示意图；

图2为用于光模块的温度补偿控制方法的逻辑图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的机构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。

本发明一实施例所示的光模块包括壳体、设置在壳体内的光接收组件和光发射组件、与所述光接收组件和所述光发射组件连接的电路板、以及设置在壳体上且与光接收组件和光发射组件信号连接用以发送或接收电信号的接口单元，其中，光接收组件用以将接收到的光信号转换成电信号输出至接口单元；光发射模块用以将接口单元发送的电信号转换成光信号输出。光模块还包括与接口单元、光接收组件、以及光发射组件信号连接的控制单元和为接口单元、光接收组件、以及光发射组件提供电源并控制各个组件的开启与关闭的供电单元，控制单元用于通过内部通信接口实现对光模块的控制。光模块的结构为现有结构，光模块的制备方法为现有技术，在此不再过多赘述。

光发射组件包括激光器芯片。本实施例中激光器芯片为集成了加热单元热调谐功能的dml(directmodulatedlaser)激光器芯片，具体的，dml激光器芯片为脊型波导结构，dml激光器芯片包括中间的脊波导结构、位于脊波导一侧的加热单元、位于加热单元两端的正电极和负电极、以及位于脊波导另一侧的芯片p面电极，其中芯片的n面电极在芯片的背面。激光器芯片的横截面自下而上包括磷化铟(inp)衬底、缓冲生长层、下限制层、下波导层、有源层(multiquantumwell)、上限制层、上波导层、磷化铟(inp)间隔层和欧姆接触层。dml激光器芯片结构为现有结构，dml激光器芯片的制备方法为现有技术，在此不再过多赘述。

本实施例中，为了得到满足mwdm波长范围且满足工业级温度范围下应用的5g前传光模块，采用了将模块壳体内部的加热模块和激光器芯片上集成的加热单元相结合的二级加热方式，实现了dml激光器芯片波长的大范围温度调谐。激光器芯片上集成的加热单元位于脊波导一侧，由于加热单元距离dml激光器芯片的有源区较近，故温度传递快，导热效率高，因此能够用较小的电功率实现较大的波长调谐范围，降低了光模块的功耗水平。

请参见图1，脊波导1是通过等离子体干法刻蚀和湿法腐蚀相结合的方式得到的半导体倒台结构，其顶上覆盖有(自下而上)ti/pt/au三层金属材料，并和芯片p面电极(pad)11是连通的。芯片p面电极(pad)11和加热单元2形成在钝化层3上，加热单元2与脊波导1之间的距离为10um并且加热单元2与脊波导1之间设置有绝缘层，该绝缘层即为钝化层3材料，给加热单元2通电时，该钝化层3具有将加热单元2和脊波导1之间电绝缘的作用，该钝化层3为sio2钝化层3，在其他实施例中，钝化层也可以使用其他具有同样功能的材料制得。

加热单元2为由ti金属形成的热电阻2，由于ti的电阻率远高于au和pt，因此选用ti作为热电阻2的电阻材料。热电阻2的长度、宽度、厚度由所需要的电阻值来确定，具体的，热电阻的电阻值由如下公式确定：

r＝ρ*l/s

其中，r为加热单元2的电阻值；ρ代表加热单元2的电阻率；l为加热单元2的长度；s为垂直于电流方向的加热单元2的横截面积。

本实施例中，热电阻2为长方体形状，热电阻2的长220um，宽8um，厚度230nm，该热电阻2能够承受的最大电流为100ma，最大功耗约500mw，该热电阻2能对dml激光器加热以使得dml激光器产生的最大波长调谐范围约为5nm。诚然，在其他实施例中，热电阻的形状也可为其他，热电阻也可以由其他金属形成，热电阻的形状和材质在此不做具体限定，可根据实际情况而定。

脊波导1的一侧连接有p面电极(pad)11用于金丝键合，p面电极(pad)11为ti/pt/au(自下而上)三层金属结构。热电阻2两端连接有正电极21和负电极22，正电极和负电极的标号在此不做限定，正电极21和负电极22的材料为ti/pt/au(自下而上)三层金属结构，正电极21和负电极22的面积以方便金丝键合为宜，在其他实施例中，正电极和负电极的材料也可为其他，在此不做具体限定，可根据实际情况而定。

为了缓解加热单元对dml激光器波长调谐能力的不足，光模块还包括设置在壳体内部用以给壳体内部进行温度补偿的加热模块，在环境温度较低时，加热单元和加热模块二者同时工作满足dml激光器中心波长在宽温度范围内的波长调谐。本实施例中，加热模块为电加热丝，在其他实施例中，加热模块也可以为其他可以辅助加热的元件。当外界环境温度为-40℃的极端条件下，此时光模块内壳温度为-30℃，通过开启电加热丝，可以将光模块的内壳温度提升至10℃。

本实施例中，可以灵活设计加热单元和加热模块的功率，来确保基于单片晶圆(wafer)产出的dml激光器在基于某一设计中心波长，且在正负偏差1.5nm的情况下，通过加热单元和加热模块的热调谐可以满足5g前传对mwdm波长范围的要求。对于业界普通的25gdml激光器而言，通常采用电子束写光栅工艺得到的整片晶圆的芯片波长分布也恰好在3nm左右，因此在dml激光器的芯片设计阶段，通过优化有源区结构、组分和光栅周期等参数来准确定标某一激射中心波长，可以极大的提到激光器的波长良率。相对于传统tec控温方案，省去了tec，降低光模块物料成本，同时降低光模块的功耗水平，具体的，5g前传光模块的物料成本可以降低约20％，最大功耗降低10％。

光模块还包括用以检测壳体温度的温度传感器和与温度传感器、加热单元、加热模块信号连接的温度控制单元；温度控制单元根据温度传感器检测到的壳体温度值控制加热单元、加热模块共同启动或者关闭，或者控制加热单元、加热模块单个启动或关闭。

用于光模块的温度补偿控制方法包括：

温度传感器采集当前壳体温度值；

基于温度传感器所采集到的壳体温度值，温度控制单元判断壳体温度值是否低于预设温度阀值；

若低于预设温度阀值，则控制加热单元、加热模块启动；

若介于预设温度阀值，则控制加热单元启动，加热模块关闭。

诚然，当壳体温度值高于预设温度阀值，则控制加热单元、加热模块关闭。

具体的，先假设光模块的壳体内部温度比壳体外部温度高出10℃，温度传感器可以采集壳体内部温度值，也可以采集壳体外部温度值，本实施例中，以温度传感器采集壳体内部温度值为例进行说明，请参见图2，预设温度阀值为壳体内部的温度在-5℃-45℃范围，当光模块的壳体内部温度高于45℃时，加热单元和加热模块关闭，此时激光器的波长只由光模块内的温度和激光器的驱动电流决定，波长调谐范围设计值为5nm；

当光模块的壳体内部温度介于-5℃-45℃之间时，加热单元开启，加热模块关闭，此时通过调节加热单元的电流，对激光器的波长进行调谐，加热单元对激光器的波长调谐范围设计值为5nm；

当光模块的壳体内部温度低于-5℃时，加热单元和加热模块均同时开启对激光器的波长进行调谐，加热模块的波长调谐范围设计值为4nm。

在此需要说明的是，温度控制单元包括至少一个逻辑控制电路，通过至少一个逻辑控制电路实现对壳体内温度值与预设温度阀值之间的判定，并控制加热单元、加热模块启动共同或者单个启动或关闭。

综上，由于本发明通过在激光器芯片内集成有给激光器芯片进行温度补偿的加热单元，以实现对激光器芯片的中心波长进行调谐，得到满足mwdm波长范围的光模块，放宽了激光器芯片的波长范围，降低了光模块的功耗水平，提高了激光器芯片的良率。

本发明在光模块壳体内还设置有用以给所述壳体内部进行温度补偿的加热模块，与加热单元组成的两级加热方式，可以实现面向5g前传应用场景，在工业级温度范围内对激光器的中心波长进行调谐，使之满足mwdm的波长范围，从而不再使用昂贵的tec进行温度调谐，节省了5g前传光模块的物料成本。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。