專利名稱：用于具有熱電冷卻器的光電子器件的工作的功率優(yōu)化的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電子模塊的領(lǐng)域，且更具體地，涉及最小化由使用熱電冷卻器(TEC)控制溫度的光電子模塊所消耗的功率的量。
背景技術(shù)：
光纖技術(shù)越來越多地用于傳輸語音和數(shù)據(jù)信號。作為傳輸媒介，光纖提供了超越傳統(tǒng)電通信技術(shù)的一些優(yōu)點(diǎn)。例如，光信號允許極高的傳輸速率和很高的帶寬能力。而且，光信號對電磁干擾有抵抗力，而電磁干擾會干擾電信號并可使電信號降級。光信號還可在較大距離上傳輸，而沒有典型地與銅線上的電信號相關(guān)聯(lián)的信號損失。
盡管光通信提供了一些優(yōu)點(diǎn)，但將光用作傳輸媒介還是提出了一些實(shí)施挑戰(zhàn)。特別而言，當(dāng)由諸如網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)的設(shè)備接收時(shí)，由光信號承載的數(shù)據(jù)必須轉(zhuǎn)換成電的格式。相反地，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸至光網(wǎng)絡(luò)時(shí)，其必須從電信號轉(zhuǎn)換成光信號。光信號的傳輸?shù)湫偷赝ㄟ^在光纖線纜的兩端使用光子器件如收發(fā)器模塊來實(shí)現(xiàn)。每個(gè)收發(fā)器模塊典型地包含能夠?qū)㈦娦盘栟D(zhuǎn)換成光信號的激光發(fā)射器電路，和能夠?qū)⑺邮盏墓庑盘栟D(zhuǎn)換回電信號的光接收器。
這些收發(fā)器模塊經(jīng)由兼容的連接端口來與諸如主計(jì)算機(jī)、交換集線器、網(wǎng)絡(luò)路由器、交換機(jī)盒、計(jì)算機(jī)輸入/輸出(I/O)等的主機(jī)設(shè)備對接。在一些應(yīng)用中，理想的是將收發(fā)器模塊的物理尺寸小型化，以增加與主機(jī)設(shè)備對接的收發(fā)器模塊的數(shù)目。通過增加連接端口的數(shù)目，主機(jī)設(shè)備在給定的物理空間內(nèi)容納較高數(shù)目的網(wǎng)絡(luò)連接。在一些情況中，可能理想的是，收發(fā)器模塊是可熱插拔的，即，允許從主機(jī)設(shè)備插入和拔出收發(fā)器模塊而無需關(guān)斷電源。
為了實(shí)現(xiàn)這些多種目的，且確保不同制造商之間的兼容性，采用的國際和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)限定光收發(fā)器模塊的物理尺寸和形狀。例如，一群光部件制造商開發(fā)了用于稱為小形狀因子可插拔(SFP)收發(fā)器的光收發(fā)器模塊的一組標(biāo)準(zhǔn)。除了電接口的細(xì)節(jié)以外，該標(biāo)準(zhǔn)還限定了用于SFP收發(fā)器模塊的物理尺寸和形狀，以及關(guān)聯(lián)于主機(jī)設(shè)備的對應(yīng)的連接端口或模塊罩(cage)。這些標(biāo)準(zhǔn)確保了不同制造商的產(chǎn)品之間的互操作性。最近，10Gb/s小形狀因子可插拔(XFP)標(biāo)準(zhǔn)與所有與尺寸、汲取電流(current draw)等有關(guān)的對應(yīng)的細(xì)節(jié)一起被采用。
隨著滿足SFP或XFP標(biāo)準(zhǔn)的收發(fā)器封裝的減小、以及數(shù)據(jù)速率的增大，由收發(fā)器生成的熱已成為一個(gè)問題。散熱機(jī)構(gòu)或冷卻機(jī)構(gòu)減輕由這些收發(fā)器內(nèi)的激光器和激光二極管產(chǎn)生的過多的熱。例如，10G比特收發(fā)器通常需要散熱機(jī)構(gòu)在15-30攝氏度(℃)的標(biāo)準(zhǔn)溫度范圍中工作，而用于較低速度光傳輸?shù)氖瞻l(fā)器可以不需要散熱。然而散熱機(jī)構(gòu)的使用增大了組裝收發(fā)器的復(fù)雜性和成本，減少了本來可用于收發(fā)器的光和電功能部件的空間，并增大了使收發(fā)器工作所需的功率的量。
一種類型的散熱或冷卻機(jī)構(gòu)是熱電冷卻器(TEC)。TEC將收發(fā)器或收發(fā)器的特定部件的溫度保持在預(yù)定點(diǎn)。如果該部件變得過熱，電流在TEC中以一個(gè)方向流動以產(chǎn)生冷卻。如果該部件變得過冷，電流以另一方向流動且TEC起到加熱器的作用。不幸地是，TEC在冷卻模式期間比在加熱模式期間需要大得多的功率。隨著模塊溫度的增大，TEC消耗的用于冷卻的功率呈指數(shù)增大。
圖1示出曲線圖10，該圖是如標(biāo)號12所示的由TEC汲取的電流相對于TEC的熱和冷側(cè)之間的溫度差(TEC的ΔT)之間的關(guān)系的示意性表示。用于TEC的零功率溫度表示為“0”，即在該點(diǎn)TEC的冷和熱側(cè)之間的溫度沒有差異，如標(biāo)號14所示。從曲線圖10上的曲線16可看出，當(dāng)TEC的ΔT變成負(fù)的時(shí)，由TEC汲取的用于加熱的電流的量只稍微地上升。這是因?yàn)門EC開始以加熱模式工作，并且汲取少量的電流。然而，當(dāng)ΔT變成正的時(shí)，由TEC汲取的用于冷卻的電流的量很迅速地上升。這是真實(shí)的，因?yàn)門EC作為加熱器的效率比作為冷卻器高得多。
在收發(fā)器應(yīng)用中，通常TEC(熱側(cè))的基座熱附著至收發(fā)器的殼，且激光器附著至TEC(冷側(cè))的頂部。對于這種通常的設(shè)置，當(dāng)收發(fā)器殼溫度低于期望的激光器設(shè)置溫度時(shí)，TEC處于加熱模式，而相反，當(dāng)收發(fā)器殼溫度高于激光器設(shè)置溫度時(shí)，TEC處于冷卻模式。為了盡可能使TEC高效地工作，理想的是在寬的收發(fā)器殼溫度范圍上使TEC以加熱模式工作。
設(shè)計(jì)成使激光器在從約15℃至約30℃的溫度范圍內(nèi)工作的當(dāng)前的收發(fā)器模塊存在一個(gè)問題。由于典型收發(fā)器模塊的工作環(huán)境，即許多模塊彼此靠近地安置，收發(fā)器的工作殼溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過期望的激光器溫度范圍，這需要控制激光器溫度的TEC以效率較低的冷卻模式運(yùn)轉(zhuǎn)。這出現(xiàn)了一個(gè)問題，因?yàn)榘═EC在內(nèi)的收發(fā)器模塊可利用的功率的總量是有限的，且花費(fèi)大量功率以保持收發(fā)器的激光器冷卻至不大于30℃是不期望的。
一個(gè)相關(guān)的問題是在給定的溫度范圍中收發(fā)器模塊可用的帶寬。在本領(lǐng)域中公知，可通過調(diào)節(jié)溫度來對信道間隔調(diào)諧。例如，對于約100GHz的信道間隔，在信道之間移動需要約10℃的溫度偏移。對于設(shè)計(jì)成在幾個(gè)DWDM信道工作的收發(fā)器，有必要增大TEC的溫度控制范圍，以提供必要的熱調(diào)諧。為了在單個(gè)100GHz信道工作，典型地需要大約10℃的溫度控制范圍。然而，為了在兩個(gè)100GHz信道上工作，需要大約20℃的溫度控制范圍。對于多信道應(yīng)用，優(yōu)化激光器溫度范圍以將TEC功率消耗最小化變得甚至更關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
依照以上所述，理想的是，使熱電冷卻器(TEC)在寬的模塊溫度范圍上以效率較高的冷卻模式工作，以使模塊(TEC)的功率消耗最小化。如果模塊可在擴(kuò)展的溫度范圍上工作以允許在多個(gè)信道對模塊調(diào)諧，也是有益的。這允許較大量的數(shù)據(jù)傳輸并且仍然保持低的總功率消耗。
本發(fā)明描述了一種光電子器件，其在允許TEC在大部分時(shí)間以加熱模式工作的溫度范圍中工作。結(jié)果，用于光電子器件的汲取電流在擴(kuò)展的溫度范圍上保持在限定的最大值之下。在一個(gè)示范性的實(shí)施例中，在保持模塊電流在300mA或低于300mA的同時(shí)，模塊可在從約-10℃至約75℃的溫度范圍中工作。這在一種配置中通過將激光器工作溫度設(shè)置到大約50℃來實(shí)現(xiàn)。通過使激光器在提高的溫度工作，用以保持激光器溫度的TEC在大部分時(shí)間可保持在效率相對較高的加熱模式。
在另一配置中，激光器的工作溫度可被提高，使得TEC只以加熱模式工作。在任一情形中，結(jié)果都是汲取的電流小于現(xiàn)有模塊的高效的光電子模塊，同時(shí)保持激光器的效率。
本發(fā)明的這些和其他的目的和特征將通過下面的描述和所附權(quán)利要求而變得更全面地顯現(xiàn)，或可以由下面所闡明的本發(fā)明的實(shí)踐而習(xí)知。


為了進(jìn)一步闡明本發(fā)明的上述和其他的優(yōu)點(diǎn)和特征，將參考在附圖中圖示的本發(fā)明的特定實(shí)施例來提供本發(fā)明的更為具體的描述。應(yīng)理解，這些附圖僅描繪了本發(fā)明的典型實(shí)施例，因此不應(yīng)認(rèn)為是對本發(fā)明范圍的限制。將通過使用附圖，利用附加的特性和細(xì)節(jié)描述和解釋本發(fā)明，在附圖中圖1示出了TEC電流相對于TEC的熱和冷側(cè)之間的溫度差異(ΔTTEC)的曲線圖；圖2是光電子收發(fā)器的一個(gè)實(shí)施例的框圖；圖3是示出了用于控制圖2中的光電子收發(fā)器的激光發(fā)射器溫度的電路的框圖；圖4是示出了用于標(biāo)準(zhǔn)的和優(yōu)化的激光器溫度的模塊的汲取電流相對于模塊的殼溫度的曲線圖；圖5是示出了允許波長調(diào)諧的兩個(gè)溫度處的模塊的汲取電流相對于模塊的殼溫度的曲線圖；以及圖6示出了用于使光電子模塊中的功率消耗最小化的一種示范性方法。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的示范性實(shí)施例指向減輕在較高溫度時(shí)為冷卻光電子器件或模塊的部件而汲取過多的TEC電流的問題。這些實(shí)施例允許用于器件或模塊的殼溫度增大，以允許TEC保持在效率較高的加熱模式，而不是進(jìn)入效率較低的冷卻模式。
這比現(xiàn)有的溫度控制系統(tǒng)有利，因?yàn)楝F(xiàn)有的溫度控制系統(tǒng)設(shè)法優(yōu)化光電子器件的部件、如收發(fā)器模塊內(nèi)的激光器在一溫度范圍上的性能。這樣的現(xiàn)有系統(tǒng)試圖設(shè)計(jì)溫度控制系統(tǒng)以將激光器控制到優(yōu)化的溫度。不幸的是，這導(dǎo)致了如此的收發(fā)器系統(tǒng)，其中溫度控制系統(tǒng)功率過高，因而無法用于小形狀因子、可插拔收發(fā)器應(yīng)用、諸如但不限于10吉比特小形狀因子可插拔(XFP)模塊。
本發(fā)明的示范性實(shí)施例的做法正好相反，其確定使由溫度控制系統(tǒng)以及因而模塊整體使用的功率的量最小化的激光器溫度范圍。這導(dǎo)致了在比現(xiàn)有光電子模塊更大的溫度范圍上效率高得多地使用功率。
另外，本發(fā)明的示范性實(shí)施例提供了優(yōu)于典型地工作在從約15℃至約30℃的溫度范圍中的現(xiàn)有光電子模塊的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。例如，隨著越來越多的現(xiàn)有模塊被封裝入配線板(patch panel)，板內(nèi)部的溫度趨向于升高。這需要使現(xiàn)有模塊的TEC工作以降低模塊溫度。由于TEC在冷卻模式效率低得多，保持30℃的最大激光器溫度經(jīng)常需要的電流比在可應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)下模塊整體被允許汲取的電流更大。不論現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)如何，當(dāng)TEC將激光器冷卻至30℃以下的閾值水平時(shí)，現(xiàn)有的光電子模塊趨向于汲取過多的電流。本發(fā)明通過使激光器在提高的溫度工作使得TEC至少在大部分時(shí)間以加熱模式工作而不是以效率較低的冷卻模式工作來克服此問題。這導(dǎo)致了該光電子模塊在比現(xiàn)有光電子模塊大的溫度范圍上所汲取的電流低于限定的閾值。
提供的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于，對于期望的功率消耗或電流負(fù)荷，使光電子模塊在一擴(kuò)展的溫度范圍上工作。這通過對所選擇的信道調(diào)諧激光器溫度而允許單個(gè)模塊在多個(gè)信道上傳輸數(shù)據(jù)?？稍趲讉€(gè)信道上工作的模塊允許制造商減少覆蓋某一信道范圍所需要的部件的數(shù)量，并且減少用于那些布置這些系統(tǒng)的人的目錄。
圖2示出光電子收發(fā)器100的示意性表示。收發(fā)器100最少包括發(fā)射和接收器電路路徑、一個(gè)或多個(gè)功率連接102和一個(gè)或多個(gè)接地連接104。另外，收發(fā)器100包括接收器光學(xué)子組件(ROSA)106，其包括機(jī)械式光纖插座和耦合光學(xué)器件，以及光電二極管和前置放大器電路。ROSA 106又連接至后置放大器集成電路108，其功能是從ROSA 106接收相對小的信號并且放大和限制這些信號以產(chǎn)生均勻幅度的數(shù)字電子輸出，該輸出通過RX+和RX-管腳110連接至外部電路。后置放大器電路108提供被稱作信號檢測或信號損失的數(shù)字輸出信號，其指示了存在或不存在合適強(qiáng)度的光輸入。除了可從罩伸出的連接器以外，收發(fā)器100的所有部件可位于保護(hù)殼或罩112中。
包括金屬的、塑料的、陶瓷的盒以及其他殼或罩結(jié)構(gòu)的適合的罩是現(xiàn)有技術(shù)中公知的。在一個(gè)實(shí)施例中，保護(hù)殼112如下寬度3cm或更??；長度6.5cm或更?。灰约案叨?.2cm或更小。吉比特接口轉(zhuǎn)換器(GBIC)標(biāo)準(zhǔn)(SFF-8053 GBIC標(biāo)準(zhǔn)5.5版)需要模塊罩的尺度近似于3cm×6.5cm×1.2cm。由此，該實(shí)施例的保護(hù)殼112符合GBIC標(biāo)準(zhǔn)的外形需求。
在另一實(shí)施例中，殼112的物理尺度是寬度0.54英寸或更小；長度2.24英寸或更??；以及高度0.34英寸或更小。小形狀因子可插拔的多源協(xié)議(SFP MSA)要求適應(yīng)的模塊罩的尺度近似于0.54″×2.24″×0.34″。由此，該實(shí)施例中的模塊罩符合SFP標(biāo)準(zhǔn)的外形需求。注意，本發(fā)明不局限于上述形狀因子需求。殼112還可以遵守XFP標(biāo)準(zhǔn)。另外，具有本公開的權(quán)益的本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)理解，本發(fā)明適合于各種現(xiàn)有的或仍然有待確定的形狀因子，其中的一些可比這里示出的小或大。
收發(fā)器100的發(fā)射電路可包括發(fā)射器光學(xué)子組件(TOSA)114和激光器驅(qū)動器集成電路116，從TX+和TX-管腳118獲取信號輸入。TOSA 114包括機(jī)械式光纖插座和耦合光學(xué)器件，以及熱電冷卻器(TEC)和激光二極管或LED。激光驅(qū)動器電路116向激光器提供AC驅(qū)動和DC偏置電流。從收發(fā)器100的I/O管腳(未示出)獲取用于驅(qū)動器的信號輸入。在其他實(shí)施例中，TEC在TOSA 114之外。在另外的其他實(shí)施例中，TEC被集成在激光器晶體管輪廓(TO)封裝內(nèi)或其他激光器封裝內(nèi)。
另外，光電子收發(fā)器100包括熱電冷卻器(TEC)驅(qū)動器120和未示出的附加電路用于控制TOSA 114溫度。下面將結(jié)合圖3更詳細(xì)地描述TEC驅(qū)動器120的一個(gè)實(shí)施例和附加電路。
在圖2中還示出可以包括一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)芯片的微處理器130，其被配置用于控制收發(fā)器100的工作。合適的微處理器包括但不局限于由Microship Technology有限公司制造的PIC16F873A、PIC16F8730和PIC16F8718位CMOS FLASH微控制器。微處理器130被耦合以將控制信號提供到后置放大器108和激光器驅(qū)動器116，且這些部件和ROSA 106和TOSA 114提供返回至微處理器130的反饋信號。例如，微處理器130提供信號(例如，偏置和幅度控制信號)以控制激光器驅(qū)動器電路116(其由此控制光輸出信號的消光比(ER))的DC偏置電流電平和AC調(diào)制電平，而后置放大器電路108提供信號檢測輸出至微處理器130以指示存在或不存在合適強(qiáng)度的光輸入。
偏置電流電平影響收發(fā)器100的光輸出波長。本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識到，偏置電流的增大改變激光器芯片的有源區(qū)的溫度。更具體地，隨著偏置電流增大，激光器芯片的功率耗散也增大。且隨著激光器芯片中耗散功率的增大，具有固定熱阻的激光器芯片的溫度也增大。即使激光器芯片底座的溫度典型地通過TEC 120來控制也是如此。
收發(fā)器100的各個(gè)部件的溫度和/或其他物理?xiàng)l件可通過使用耦合到微處理器130的傳感器獲取。在一些實(shí)施例中，光鏈接的條件還可使用傳感器獲得。
除了這些控制功能外，有時(shí)還與這些控制功能相結(jié)合，還存在許多其他任務(wù)，可通過微處理器130處理。這些任務(wù)包括但不必要局限于以下·安裝功能。這通常涉及在工廠中在零件到零件基礎(chǔ)上做出的所需調(diào)節(jié)，以允許諸如激光二極管閾值電流的部件特性的變化。
·識別。這涉及通用存儲器(例如，EEPROM)內(nèi)的識別碼的存儲。附加的信息，諸如子部件修訂和工廠測試數(shù)據(jù)也可存儲在通用存儲器內(nèi)用于識別。
·眼安全和一般故障檢測。這些功能用以識別異常和潛在的不安全工作參數(shù)，且用以將其報(bào)告至主機(jī)設(shè)備和/或如果合適則執(zhí)行激光器關(guān)機(jī)。傳感器可用以識別這樣的異?；驖撛诘牟话踩ぷ鲄?shù)。
·接收器輸入光功率測量。此功能用以測量輸入光功率并且在存儲器中可存儲此測量的報(bào)告。
·激光二極管驅(qū)動電流。此功能用以設(shè)置激光二極管的輸出光功率電平。
·激光二極管溫度監(jiān)視和控制。在一個(gè)實(shí)施例中，溫度控制器(例如，熱電冷卻器(TEC))設(shè)置在TOSA 114的內(nèi)部或附近，用于控制其中的激光發(fā)射器的溫度。在此實(shí)施例中，微處理器130負(fù)責(zé)將控制信號提供至溫度控制器，以將TOSA 114的溫度保持在由圖4中示出的曲線圖所限定的殼溫度范圍內(nèi)。
繼續(xù)參考圖2，收發(fā)器100可具有串行接口132，用于與主機(jī)設(shè)備通信。此處所述的主機(jī)設(shè)備指的是收發(fā)器附著至其上的鏈接卡和/或收發(fā)器為其提供光連接的主系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。主機(jī)系統(tǒng)可以是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)附著的存儲(NAS)設(shè)備、存儲區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(SAN)設(shè)備、光電子路由器以及其他類型的主機(jī)系統(tǒng)和設(shè)備。
在一些實(shí)施例中，光電子收發(fā)器100包括可執(zhí)行上述列出的一些功能的集成電路控制器。例如，集成電路控制器執(zhí)行識別和眼安全和一般故障檢測的任務(wù)，而微處理器提供到溫度控制器的控制信號，并且還可執(zhí)行其他任務(wù)。
另外，光電子收發(fā)器還可包括在GBIC標(biāo)準(zhǔn)(SFF-8053)中描述的TX禁止134和TX故障136管腳。在GBIC標(biāo)準(zhǔn)中，TX禁止管腳134允許發(fā)射器被主機(jī)設(shè)備關(guān)閉，而TX故障管腳136是向主機(jī)設(shè)備指示在激光器或相關(guān)聯(lián)的激光器驅(qū)動器電路中存在某個(gè)故障條件的指示器。還可有關(guān)聯(lián)于微處理器130的信號損失(LOS)管腳138。LOS管腳138允許微處理器130例如當(dāng)載波信號丟失時(shí)關(guān)閉TOSA 114中的激光器。
圖3示出了收發(fā)器100的溫度控制電路140的一部分。溫度控制電路140耦合到TOSA 114。在一些實(shí)施例中，TOSA 114包括激光器組件142(例如，激光晶體管輪廓封裝)，其又包括激光發(fā)射器(例如，邊緣發(fā)射激光二極管或垂直腔表面發(fā)射二極管)，在當(dāng)被施加激光偏置電流Ilaser bias時(shí)其被激活。在圖3中還示出了耦合到激光器組件142的激光器溫度傳感器144和熱電冷卻器(TEC)146。在其他的一些實(shí)施例中，激光器溫度傳感器144和/或TEC 146被集成在激光器組件142內(nèi)。在另外的其他實(shí)施例中，激光器溫度傳感器144和/或TEC 146在TOSA 114之外。
在一些實(shí)施例中，激光器溫度傳感器144是熱敏電阻。還可以使用適于測量激光二極管溫度的任何其他器件。這種器件的實(shí)例可包括但不局限于以下實(shí)例，硅IC溫度傳感器、熱電偶、電阻性溫度探測器(RTD)、以及本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他這種器件。激光器溫度傳感器144產(chǎn)生作為激光二極管的溫度的函數(shù)而變化的信號(VTL)。如上所述，且如本領(lǐng)域技術(shù)人員所公知的，激光二極管產(chǎn)生的光信號的波長作為激光二極管的溫度的函數(shù)而變化。因而，在其他實(shí)施例中，測量光信號波長的傳感器可被激光器溫度傳感器144直接代替。在另外的其他實(shí)施例中，使用對作為激光二極管的溫度的函數(shù)而變化的激光二極管的工作條件進(jìn)行測量的器件，代替激光器溫度傳感器144。
仍然參考圖3，激光器驅(qū)動器電路116提供AC驅(qū)動功率和DC偏置電流Ilaser bias到激光器組件142，以激活激光發(fā)射器和設(shè)置激光器組件的AC調(diào)制。微處理器130通過偏置控制信號和幅度控制信號控制激光器驅(qū)動器電路116的該方面。激光器驅(qū)動器電路116還傳送與Ilaser bias成比例的電壓V(Ilaser bias)，使得微處理器130可以間接監(jiān)視可由于諸如溫度的工作條件而變化的Ilaser bias的實(shí)際值。在一些實(shí)施例中，微處理器130監(jiān)視來自背光二極管(也稱作監(jiān)視光電二極管)的信號，代替監(jiān)視(或還監(jiān)視)電壓V(Ilaser bias)。在一些實(shí)施例中，微處理器130使用所監(jiān)視的信號來確定對DC偏置電流Ilaser bias的調(diào)整。
還可任選地通過環(huán)境溫度傳感器150將附加輸入提供至微處理器130，環(huán)境溫度傳感器150測量TOSA 114周圍的環(huán)境溫度，并且產(chǎn)生用于微處理器130的作為環(huán)境溫度的函數(shù)而變化的信號(VTA)。雖然激光器溫度傳感器144優(yōu)選地放置在激光發(fā)射器附近，但因?yàn)榧す馄鳒囟葌鞲衅?44物理上與激光發(fā)射器分離，所以從激光器溫度傳感器144讀取的溫度不同于激光發(fā)射器的實(shí)際溫度。結(jié)果，從激光器溫度傳感器144讀取的溫度及其信號VTL作為外界溫度的函數(shù)而變化。通過接收環(huán)境溫度信號VTA，微處理器130能夠補(bǔ)償環(huán)境溫度對從激光器溫度傳感器讀取的溫度的影響。
除了V(Ilaser bias)、VTL和VTA信號，微處理器130還通過串行接口電路132(圖2)接收來自主機(jī)設(shè)備的輸入。在一些實(shí)施例中，微處理器130使用從主機(jī)器件、激光器驅(qū)動器電路116和環(huán)境溫度傳感器150收集的信息生成模擬的TEC命令信號以設(shè)置激光器組件142中的激光發(fā)射器的溫度。特別地，微處理器130基于下列輸入來自激光器驅(qū)動器電路116的V(Ilaser bias)，來自激光器溫度傳感器的VTL，來自環(huán)境溫度傳感器150的VTA，以及在光電子收發(fā)器100的校準(zhǔn)期間預(yù)先存儲在微處理器130內(nèi)的被校準(zhǔn)的值來生成TEC命令信號。
TEC命令信號被提供至TEC驅(qū)動器電路120。TEC驅(qū)動器電路120配置成根據(jù)TEC命令信號生成輸出信號VTEC以驅(qū)動TEC 146。如以上所提到的，發(fā)送至TEC 146的命令信號基于將殼112(圖2)和/或激光器組件142的工作溫度設(shè)置在特定邊界內(nèi)，使得通過收發(fā)器100汲取的電流保持在最大水平以下。另外，選擇命令信號使得TEC 146總是、基本上總是或在大部分時(shí)間以加熱模式工作。
圖4示出了在不同激光器設(shè)置溫度下，基于收發(fā)器的殼溫度的、由收發(fā)器100汲取的電流的曲線圖表示。曲線圖200顯示了總模塊電流202與模塊殼溫度204的關(guān)系。該模塊可以是密集波分多路復(fù)用(DWDM)吉比特接口轉(zhuǎn)換器(GBIC)，其是使用分布式反饋(DFB)激光器作為發(fā)射器部件的光電子收發(fā)器。在本發(fā)明的一個(gè)示范性實(shí)施例中，該模塊可以是10Gb/s標(biāo)準(zhǔn)形狀因子可插拔(XFP)模塊。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，還可使用其他類型的模塊。在本發(fā)明的示范性實(shí)施例中，可使用設(shè)計(jì)在給定溫度、或在給定的溫度范圍上工作的、并且使用TEC或其他溫度保持器件以幫助保持該溫度的任何模塊。
在圖4中，第一曲線206顯示當(dāng)殼溫度設(shè)置在約30℃的第一點(diǎn)208時(shí)總的模塊電流，該溫度對于現(xiàn)有的模塊是典型的。此溫度點(diǎn)過去由于許多原因而被選擇用于DWDM應(yīng)用。首先，DWDM發(fā)射器被原始設(shè)計(jì)成以約15℃至約30℃的室溫在室內(nèi)工作。其次，模塊中使用的DFB激光器還被設(shè)計(jì)成在約25℃效率最高和最可靠。
不幸的是，隨著給定面板中的光學(xué)端口的密度增大以便減小系統(tǒng)的尺寸，面板內(nèi)部的溫度升高。由于TEC是非常高效的加熱器，但卻是效率低得多的冷卻器，隨著面板中溫度上升，模塊的總功率消耗呈指數(shù)上升。這在曲線206中可容易地看出。如標(biāo)號220所示，在約65℃的最大殼溫度，總電流超過400mA，如圖4中的參考點(diǎn)214所示。
由于不同的原因，汲取如此大的電流是不理想的。首先，對于圖4中所示的DWDM GBIC，最大模塊電流已被標(biāo)準(zhǔn)化至300mA以下。此最大模塊電流包括使激光器和模塊中的其他電子裝置工作所必要的所有功率，以及由TEC使用以將激光器或其他光電子器件保持在指定溫度的電流。其次，隨著需要越來越大的電流以便向面板中的眾多模塊供電，需要越來越大的電源。這些較大的電源還產(chǎn)生了更多的熱量，這些熱量必須以某種方式耗散。
第二曲線210示出了根據(jù)本發(fā)明的收發(fā)器的一個(gè)示范性實(shí)施例。激光器組件142(圖3)以優(yōu)化的溫度工作，以便在擴(kuò)展的殼溫度范圍上將模塊電流最小化。對于第二曲線210，優(yōu)化的溫度是約50℃，如數(shù)據(jù)點(diǎn)212所示。該模塊在約0℃至約75℃的溫度范圍內(nèi)很好地保持在約300mA的電流值以下。在此寬的溫度范圍上平衡汲取電流，使得在模塊溫度范圍的低端(約0℃)汲取的電流近似地等于在模塊溫度范圍的高端(75℃)汲取的電流，這是本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。
另外，上述技術(shù)既可用于針對環(huán)境溫度范圍平衡模塊的汲取電流，也可用于針對激光器溫度范圍平衡模塊的汲取電流。限定激光器溫度的可使用范圍，允許在此范圍內(nèi)對激光的波長進(jìn)行熱調(diào)諧。如果激光器溫度范圍足夠?qū)挘@將允許激光器在多個(gè)信道工作，如由ITU所限定的。例如，如在圖5中所表示的，如果所需的殼溫度范圍是-5℃至65℃，激光器可在40℃與50℃之間工作，如由線230和232所分別表示的，同時(shí)將模塊電流保持在300mA的最大值以下。對于此實(shí)例，10℃是最大可允許調(diào)諧范圍。如果多信道工作需要更大的調(diào)諧范圍，則重復(fù)此操作以在例如20℃的范圍的擴(kuò)展范圍上將電流消耗最小化。
圖6示出了總體上用標(biāo)號240指示的、用于保持用于光電子模塊的所需功率消耗水平的一種示范性的方法。方法240只示出了一種示范性的方法。本發(fā)明不局限于示出的方法，而可包括較少的步驟、額外的步驟或步驟的交替組合。
方法240包括限定最大和最小殼溫度的第一步驟，如由框242所表示的。最大和最小殼溫度提供了諸如但不局限于激光器的光電子器件可在其上工作的邊界。接著，限定了最大模塊電流，如由框244所表示的。可通過諸如但不局限于XFP標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置組織來設(shè)置最大模塊電流，其中XFP標(biāo)準(zhǔn)將最大模塊電流限制在400mA。然而，高于或低于400mA的其他限制都是可以的。
示范性的方法240中的最后步驟是設(shè)置激光器工作溫度，如由框246所表示的。設(shè)置此激光器工作溫度，使得諸如圖4和5中曲線所示的功率曲線保持在所限定的邊界內(nèi)。在方法240的一個(gè)示范性實(shí)施例中，最大和最小殼溫度被分別設(shè)置在80℃和0℃，最大模塊電流設(shè)置為400mA，且激光器工作溫度設(shè)置為50℃。本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識到，其他的范圍、電流和工作溫度也是可以的。
本發(fā)明的示范性實(shí)施例提供了優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)的若干優(yōu)點(diǎn)?，F(xiàn)有技術(shù)器件典型地在從約15℃至約30℃的溫度范圍中工作。隨著系統(tǒng)中封裝入越來越多的模塊，面板內(nèi)部的溫度趨向于升高。由于密集封裝系統(tǒng)內(nèi)的自加熱，這需要TEC在較低的環(huán)境溫度就開始工作。由于TEC在冷卻模式效率低得多，在上面討論的可應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)下，在面板中保持低于30℃所需要的功率大于模塊整體被允許汲取的功率。
如所述的，該技術(shù)可用于在被限定的激光器工作溫度范圍上將功率消耗最小化。這允許單個(gè)模塊在多個(gè)信道上傳輸數(shù)據(jù)。這大大地提高了模塊的數(shù)據(jù)傳輸效率。
可以其他特定形式實(shí)施本發(fā)明而不背離其精神或基本特性。無論從哪方面看，都應(yīng)認(rèn)為描述的實(shí)施例僅是說明性而不是限制性的。因而，通過所附權(quán)利要求而不是通過上述描述指示本發(fā)明的范圍。落入權(quán)利要求的等價(jià)設(shè)置的含義和范圍內(nèi)的所有改變都包括在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種光電子器件，包括殼；激光器組件，設(shè)置在所述殼內(nèi)；以及溫度控制器件，與所述激光器組件通信，所述溫度控制器件以冷卻模式或加熱模式工作，當(dāng)所述溫度控制器件優(yōu)化為在約50℃工作時(shí)，所述器件以所述加熱模式工作比以所述冷卻模式工作更頻繁。
2.權(quán)利要求1所述的光電子器件，其中所述激光器組件包括密集波分多路復(fù)用吉比特接口轉(zhuǎn)換器(DWDM GBIC)收發(fā)器模塊。
3.權(quán)利要求2所述的光電子器件，其中所述密集波分多路復(fù)用吉比特接口轉(zhuǎn)換器是XFP模塊。
4.權(quán)利要求1所述的光電子器件，其中所述殼溫度保持在約45℃至約80℃的范圍內(nèi)。
5.權(quán)利要求1所述的光電子器件，其中當(dāng)所述殼溫度是約85℃時(shí)，所述模塊汲取的電流小于約400mA。
6.權(quán)利要求1所述的光電子器件，其中當(dāng)所述殼溫度在約0℃至約75℃的范圍內(nèi)時(shí)，最大電流小于300mA。
7.一種光電子器件，包括殼，適于安裝至通信面板；激光器組件，設(shè)置在所述殼內(nèi)，并且能夠從所述通信面板汲取電流；以及溫度控制器件，與所述激光器組件通信；所述溫度控制器件控制所述殼的溫度，以便當(dāng)所述溫度大于約65℃且小于約85℃時(shí)，從所述通信面板汲取的電流小于約400mA。
8.權(quán)利要求7所述的光電子器件，其中所述激光器組件包括密集波分多路復(fù)用吉比特接口轉(zhuǎn)換器(DWDM GBIC)收發(fā)器模塊。
9.權(quán)利要求8所述的光電子器件，其中所述密集波分多路復(fù)用吉比特接口轉(zhuǎn)換器是XFP模塊。
10.權(quán)利要求7所述的光電子器件，其中所述殼溫度保持在約45℃至約80℃的范圍內(nèi)。
11.權(quán)利要求7所述的光電子器件，其中當(dāng)所述殼溫度是約85℃時(shí)，所述模塊汲取的電流小于約400mA。
12.權(quán)利要求7所述的光電子器件，其中當(dāng)所述殼溫度在約0℃至約75℃的范圍內(nèi)時(shí)，最大電流不超過300mA。
13.一種用于在激光器的工作溫度的范圍上平衡由所述激光器汲取的電流的方法，所述方法包括以下步驟在工作激光器溫度范圍上確定激光器的最大汲取電流；以及基于所述工作激光器溫度范圍確定所述激光器的優(yōu)化的溫度；選擇所述優(yōu)化的溫度使得當(dāng)所述工作激光器溫度增大至所述溫度范圍的最大溫度時(shí)，所述激光器汲取的電流小于所述最大電流，并且當(dāng)所述激光器工作溫度減小至用于所述工作激光器溫度范圍的最小溫度時(shí)，所述激光器汲取的電流小于所述最大電流。
14.權(quán)利要求13所述的方法，其中所述激光器工作溫度保持在約-5℃至約80℃的范圍中。
15.權(quán)利要求13所述的方法，其中當(dāng)所述激光器工作溫度是約85℃時(shí)，所述模塊汲取的電流小于約400mA。
16.權(quán)利要求13所述的方法，其中當(dāng)所述激光器工作溫度在約-5℃至約75℃的范圍中時(shí)，最大汲取電流小于300mA。
17.權(quán)利要求13所述的方法，其中所述溫度范圍從約-5℃至約75℃。
18.權(quán)利要求17所述的方法，其中所述優(yōu)化的溫度是約50℃。
19.權(quán)利要求13所述的方法，其中所述激光器是收發(fā)器模塊的一部分。
20.權(quán)利要求19所述的方法，其中所述收發(fā)器模塊是XFP模塊。
21.權(quán)利要求19所述的方法，其中所述收發(fā)器模塊是密集波分多路復(fù)用吉比特接口轉(zhuǎn)換器(DWDM GBIC)。
22.權(quán)利要求21所述的方法，其中所述密集波分多路復(fù)用吉比特接口轉(zhuǎn)換器是XFP模塊。
全文摘要
公開了一種使由光電子模塊所使用的功率的量最小化的系統(tǒng)和方法。該系統(tǒng)使用熱電冷卻器(TEC)以將該模塊的殼溫度保持在約50℃。這允許該TEC以效率高得多的加熱模式工作，由此使用來保持該模塊溫度的電流的量最小化。該方法包括確定用于光電子模塊的溫度范圍和工作溫度的步驟，使得不超過最大電流水平。在一個(gè)示范性實(shí)施例中，具有從約－5℃至約75℃的溫度范圍的約50℃的工作溫度允許的最大電流為約300mA。
文檔編號G02B6/36GK1922522SQ200580005363
公開日2007年2月28日 申請日期2005年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2004年2月21日
發(fā)明者詹姆斯·斯特沃特 申請人:菲尼薩公司