光模塊之TEC溫度控制
從圖中可以看出在正常工作范圍內,激光器波長與溫度成正比關系,環境溫度的變化會對波長造成影響。激光器波長的溫度依賴性典型約為0.08nm/℃,因此對波長的控制可通過溫度控制來實現,對激光器的管芯溫度進行控制是穩定激光器發射波長的最有效、最基本的方法。
現在光模塊已經進入400G時代,光模塊的成本也越來越高。降低成本一直是行業永不變的訴求。光模塊的作用是進行光電和電光轉換,發送端把電信號轉換成光信號,通過光纖傳送后,接收端再把光信號轉換成電信號。
那么光模塊內部都包括哪些關鍵器件呢?下面是一個光模塊工作的框圖。
圖的左邊是一個應用光模塊的設備,如交換機。設備單板信號輸入光模塊,光模塊將電信號轉換為光信號發送出去。接收是發送的逆過程。
光模塊的主要器件包括:
CDR(Clock and Data Recovery):時鐘數據恢復芯片的作用是在輸入信號中提取時鐘信號,并找出時鐘信號和數據之間的相位關系,簡單說就是恢復時鐘。同時CDR還可以補償信號在走線、連接器上的損失。
LDD(LaserDiode Driver):將CDR的輸出信號,轉換成對應的調制信號,驅動激光器發光。不同類型的激光器需要選擇不同類型的LDD芯片。在短距的多模光模塊中(例如100G SR4),一般來說CDR和LDD是集成在同一個芯片上的。
TOSA:實現電/光轉換,主要包括激光器、MPD、TEC、隔離器、Mux、耦合透鏡等器件,有TO-CAN、Gold-BOX、COC、COB等封裝形式。對應用在數據中心的光模塊,為了節省成本,TEC、MPD、隔離器都不是必備項。Mux也僅在需要波分復用的光模塊中。此外,有些光模塊的LDD也封裝在TOSA中。
ROSA:實現光/電轉換,主要包括PD/APD、DeMux、耦合組件等,封裝類型一般和TOSA相同。PD用于短距、中距的光模塊,APD主要應用于長距光模塊。
TIA(Transimpedance amplifier):配合探測器使用。探測器將光信號轉換為電流信號,TIA將電流信號處理成一定幅值的電壓信號,我們可以將它簡單的理解為一個大電阻。
LA(Limiting Amplifier):TIA輸出幅值會隨著接收光功率的變化而改變,LA的作用就是將變化的輸出幅值處理成等幅的電信號,給CDR和判決電路提供穩定的電壓信號。高速模塊中,LA通常和TIA或CDR集成在一起。
MCU:負責底層軟件的運行、光模塊相關的DDM功能監控及一些特定的功能。DDM監控主要實現對溫度、Vcc電壓、Bias電流、Rx power、Tx power 5個模擬量的信號進行實時監測,通過這些參數判斷光模塊的工作狀況,便于光通信鏈路的維護。
而要實現光模塊的穩定工作,核心問題就是保持TOSA部分的激光二級管的正常工作狀態,這其中保持適當的溫度是實現二極管正常工作的關鍵因素。因此,我們必須對激光二級管進行溫度控制。因為,在如此高的頻率,激光二級管的波長稍有偏移,就可能導致信息傳輸出現誤傳、漏傳等問題。此時,微型半導體制冷TEC是最適合應用作為控制溫度的器件,其外形尺寸一般從零點幾到2至3mm,厚度可以做到1mm以內,制冷能力從幾百毫瓦到幾瓦,供電電壓也可以根據客戶要求來匹配。
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