CN100555915C - 一种用于光纤到户的单片集成单纤双向收发器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于光纤到户的单片集成单纤双向收发器，它包含激光器，探测器以及具有波长选择性的2×2耦合器。耦合器中从端口1到端口2的波导作为下行通道，而从端口3到端口4的波导被置于激光器谐振腔内。通过耦合器设计，使得从耦合器的端口1进入的1490和1550nm波段的下行光信号被完全地耦合到端口2，再经探测器5吸收，转换成电信号进行处理，而1310nm发射光在激光器谐振腔6内从耦合器的端口3进入，一部分耦合到端口4从而保留在激光器谐振腔内，形成反馈，另一部分耦合到端口1，作为上行光信号进入光纤传输。这样激光器发射的上行光信号也通过耦合器完全从端口1输出，从而使上行下行光信号的额外损耗都降到最低。
Description
技术领域
本发明涉及单纤双向收发器，尤其是涉及一种用于光纤到户的单片集成单纤双向收发器。
背景技术
随着视频点播、网络游戏和IPTV等高带宽业务的出现，用户对接入带宽的需求将进一步增加，现有的以ADSL为主的宽带接入方式已经很难满足用户对高带宽、双向传输能力以及安全性等方面的要求。FTTH(光纤到户)作为光纤接入网发展的一种最终形式，能充分发挥光纤网络的巨大潜力，彻底解决用户接入的带宽问题。
FTTH应用中，主要采用两种技术。一种是点到点光接入技术(P2P技术)，另一种是点到多点的PON技术(无源光网络技术)，如图1所示。其中，PON技术是业界公认的实现FTTH的最佳方案。它能够提供集数据、语音、视频于一体的三重业务功能，实现三网融合。
在OLT(光线路终端)和多个ONU(光网络单元)连接的点到多点模式下，局端设备的共享能使其成本随用户数量的增多而明显降低。而用户端ONU，尤其是其核心器件单纤双向收发器(diplexer)和单纤三向复用器(triplexer)的成本的降低则是光纤到户(FTTH)能否普及推广的关键因素。
单纤三向收发器是将一根光纤里的两个不同波长的输入光信号分别耦合到一个数字信号接收器和一个模拟信号接收器，同时将一个数字信号发射器发射的光信号耦合到同一根光纤，是当前FTTH系统发展中急需的一种基本元器件。通常用户终端接收的数字信号波长在1490nm，模拟信号波长在1550nm，而发射的数字信号的波长在1310nm。在有些系统中不需要使用模拟信号信道，因而只需要单纤双向收发器，即分别在1490nm和1310nm波长收发数字信号。
目前商品化的单纤双向收发器和单纤三向复用器主要采用分立光学元件组装而成，包括滤波器、半导体激光器、探测器、准直器等器件，通常采用TO-CAN封装形式。这种技术的缺点是体积大，元件数目多达数十片，耦合的次数较多，组装对准复杂，需要较多人工，在大批量生产时成本不易进一步降低。另外存在很大的光学和电学干扰，使得器件整体的性能劣化。
另一种背景技术为混合集成芯片，是由半导体激光器、探测器芯片、平面光波导、介质膜滤光片构成。它的优点是体积进一步减小，平面波导光路稳定，耦合次数大量减少，适合于大规模生产。但平面波导耦合封装技术起点高，操作技能强等特点使得波导的耦合成本较高。
在有源材料(如磷化铟)中实现单片集成是一种理想的方法，它是在有源材料中把分光功能的波导(如对1310nm、1490nm和1550nm波长实现衍射分离)和激光器、探测器集成在一起。集成度高，封装成本更低。
一个单片集成单纤双向收发器的背景技术如A.Behfar，M.Green，A.Morrow等在他们的文章“Monolithically Integrated Diplexer Chip for PON Applications”Optical Fiber Communication Conference，vol.2，pp.3，2005中所描述，如图2所示。该器件是在InP衬底上，生长InGaAs的PIN探测器，用于接收1490nm下行光信号。再在探测器上通过金属有机物气相沉积(MOCVD)依次生长出探测器吸收层以及多量子阱激光层。激光器采用传统的法布里-泊罗腔(FP腔)结构，FP腔的前端面制作成45°斜面，使1310nm上行激光经该斜面反射后垂直向上出射，经透镜进入光纤，该透镜同时还可以将下行1490nm光束经扩束投射到器件上，光束可以透过激光层并被下面的吸收层吸收，从而产生电信号。该芯片将水平腔面发射激光器(HCSELTM)，监测二极管(MPD)和高速接收器整合成一个低成本解决方案。但上下行光束需通过准直透镜耦合进出光纤，分立元件的使用降低了集成度，使器件的封装变得复杂，此外，垂直耦合设计决定了该方案难以扩展到单纤三向复用器件。
将上行和下行信号耦合到同一根光纤的一种简单的单纤双向收发器是利用一个1×2或2×2耦合器7，如图3所示。从端口1输入的1490nm或1550nm下行光信号通过耦合器传输到在端口2的接收器5，而在端口3的激光器6发出的1310nm信号经耦合器耦合到在端口1的光纤。它可以用混合集成或单片集成方法来实现。这种方法的缺点是下行信号有较大一部分被耦合到端口3，不仅造成损耗，还可能干扰端口3激光器的信号发射，或增加对其隔离器的要求。同样，上行信号也有较大一部分能量被耦合到端口4，造成损耗。而且两路的损耗相互制约，即下行损耗越小，上行的损耗就越大，因而通常只能以3dB耦合器作为折中选择，两路的理论损耗各为50％。
一种更复杂的解决方案是使用一个波长复用器，如阵列波导光栅、蚀刻衍射光栅或Mach-Zehnder干涉仪等结构来实现高波长选择性的耦合，但这些器件尺寸大、制作复杂、成本高。
发明内容
针对背景技术的不足，本发明的目的在于提供一种用于光纤到户的单片集成单纤双向收发器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
包括激光器，探测器以及具有波长选择性的2×2耦合器，所述2×2耦合器第三端口到第四端口的波导被置于激光器的谐振腔内，从耦合器第一端口进入的下行光信号被耦合到第二端口，经探测器吸收，转换成电信号进行处理，激光器出射光从耦合器的第三端口进入，一部分耦合到第四端口从而保留在谐振腔内形成反馈，另一部分耦合到第一端口，作为上行信号光进入光纤传输。
所述2×2耦合器的第三端口和第四端口在耦合器外通过环行波导连接，从而构成一个环形激光谐振腔。
所述2×2耦合器的第三端口和第四端口的波导末端带有部分反射端面，从而构成法布里-珀罗激光谐振腔。
所述激光器的谐振腔内带有用来选择模式的部分反射刻蚀槽。
所述激光器的谐振腔内带有分布反馈光栅。
所述激光器的谐振腔由不同光学长度的、相互耦合的多个谐振腔组成。
所述2×2耦合器是一个两侧深刻蚀中间浅刻蚀的凹字形2×2耦合器，使下行光信号在耦合长度内从第一端口耦合到第二端口，并使从耦合器第三端口进入的上行光一分为二地耦合到耦合器的第一端口和第四端口。
所述激光谐振腔和2×2耦合器区域的波导层包含一个能发射上行信号光的量子阱结构，同时不吸收波长大于所述上行光信号的下行光信号，而探测器区域的波导内包含一个能吸收下行光信号的吸收层，使得被耦合到耦合器第二端口的下行光信号被所述探测器吸收层吸收。
所述第二端口和探测器之间有一段能吸收上行信号光而不吸收下行光信号的反向激光吸收波导，使得从激光器反向发射的上行信号光被所述反向激光吸收波导吸收，以避免干扰探测器对下行光信号的探测，同时所述反向激光吸收波导可作为监测上行信号光强度的功率监测器。
所述激光器发射的上行光信号的波长在1310nm波段，所述下行光信号包含1490nm和1550nm两个波段，耦合器第二端口带有一个能分开1490nm和1550nm波长信号的分光器，将两个不同波长的下行光信号传送到两个探测器分别接收。
本发明与背景技术相比，具有的有益效果是：
本发明解决了传统的基于1×2或2×2耦合器的单纤双向收发器损耗大、串扰大的问题。单片集成的方案使器件结构紧凑，集成程度高，适合大批量生产，从而降低成本。此多向收发的设计结构不仅适用于双向收发器，还可扩展应用于三向收发器。
附图说明
图1是背景技术中PON网络示意图。
图2是背景技术的一种单片集成收发器芯片结构示意图。
图3是一种简单的单纤双向收发器的的结构图。
图4是本发明第一种实施方式结构示意图。
图5是2×2凹字形耦合器截面图。
图6是束传播方法(束传播法)分析1490nm信号光在凹字形耦合器中的耦合情况图。图6(a)是凹字形耦合器平面示意图，图6(b)是计算机模拟通道光束传输结果。光从上行通道入射，虚线表示上行通道的能量，实线表示下行通道的能量，点划线表示总能量
图7是束传播法分析1550nm信号光在凹字形耦合器中的耦合情况图。其中，图7(a)是凹字形耦合器平面示意图，图7(b)是计算机模拟通道光束传输结果。从上行通道入射，虚线表示上行通道的能量，实线表示下行通道的能量，点划线表示总能量
图8是束传播法分析1310nm信号光在凹字形耦合器中的耦合情况图。图8(a)是凹字形耦合器平面示意图，图8(b)是计算机模拟通道光束传输结果。光从下行通道入射，虚线表示上行通道的能量，实线表示下行通道的能量，点划线表示总能量
图9是凹字形耦合器耦合系数随波长的变化图。
图10是本发明第二种实施方式结构示意图。
图中：1、端口，2、端口，3、端口，4、端口，5、探测器，6、激光器，7、监视器，8、1310nm激光器，9、探测器，10、激光腔，20、耦合器，21、下行通道，22、上行通道，30、探测器，50、光纤，60、反向激光吸收波导。
具体实施方式
不失其通用性，本说明书中单纤双向收发器将以发射1310nm光信号，接收1490/1550nm光信号来描述。为了防止激光器和探测器的中心波长漂移而引起性能恶化等问题，根据ITU标准，所考虑的下行波长1490nm、1550nm和上行波长1310nm的带宽分别为20nm、10nm和100nm。
如图4所示，本发明包括激光器10，探测器30以及具有波长选择性的2×2耦合器20，所述2×2耦合器20第三端口3到第四端口4的波导被置于激光器的谐振腔内，从耦合器第一端口1进入的下行光信号被耦合到第二端口2，经探测器30吸收，转换成电信号进行处理，激光器出射光从耦合器的第三端口3进入，一部分耦合到第四端口4从而保留在谐振腔内形成反馈，另一部分耦合到第一端口1，作为上行信号光进入光纤传输。
所述2×2耦合器的第三端口3和第四端口4在耦合器外通过环行波导连接，从而构成一个环形激光谐振腔。
所述2×2耦合器的第三端口3和第四端口4的波导末端带有部分反射端面，从而构成法布里-珀罗激光谐振腔。
所述激光器的谐振腔内带有用来选择模式的部分反射刻蚀槽。
所述激光器的谐振腔内带有分布反馈光栅。
所述激光器的谐振腔由不同光学长度的、相互耦合的多个谐振腔组成。
所述2×2耦合器是一个两侧深刻蚀中间浅刻蚀的凹字形2×2耦合器，使下行光信号在耦合长度内从第一端口1耦合到第二端口2，并使从耦合器第三端口3进入的上行光一分为二地耦合到耦合器的第一端口1和第四端口4。
所述激光谐振腔和2×2耦合器区域的波导层包含一个能发射上行信号光的量子阱结构，同时不吸收波长大于所述上行光信号的下行光信号，而探测器区域的波导内包含一个能吸收下行光信号的吸收层，使得被耦合到耦合器第二端口2的下行光信号被所述探测器吸收层吸收。
如图10所示，所述第二端口2和探测器30之间有一段能吸收上行信号光而不吸收下行光信号的反向激光吸收波导60，使得从激光器反向发射的上行信号光被所述反向激光吸收波导60吸收，以避免干扰探测器30对下行光信号的探测，同时所述反向激光吸收波导60可作为监测上行信号光强度的功率监测器。
所述激光器发射的上行光信号的波长在1310nm波段，所述下行光信号包含1490nm和1550nm两个波段，耦合器第二端口2带有一个能分开1490nm和1550nm波长信号的分光器，将两个不同波长的下行光信号传送到两个探测器分别接收。
如图4所示是本发明的单纤双向收发器的一个实施方式。该单纤双向收发器主要一个环形激光器10，2×2耦合器20及探测器30三部分组成。下行的1490/1550nm波段的光信号由光纤50入射，并从耦合器的端口1进入，然后通过耦合器中的下行通道21被基本完全地耦合到端口2，再经探测器吸收，转换成电信号进行处理。耦合器端口3到端口4的上行通道22被放置在1310nm激光器的谐振腔内。1310nm发射光在谐振腔内从耦合器端口3进入，一部分耦合到端口4从而保留在谐振腔内，形成反馈，另一部分耦合到端口1，作为上行1310nm信号光进入光纤传输。通过采用对波长具备一定敏感性的耦合器设计，可以实现将下行光几乎100％地从端口1耦合到下行光的输出端口2，再经过波导传输被探测器吸收，同时激光谐振器的部分光能量耦合到端口1再到光纤50作为发射光信号输出，剩余的能量或其中的大部分则被反馈回激光谐振器，从而使上行光和下行光的额外损耗都降到最低。
耦合器区域和激光器区域的波导芯层采用发射1310nm波长的多量子阱结构，对于1490/1550nm波段是透明的。在探测器区域的波导需要对1490nm/1550nm波长吸收，一种方案是使信号光经上层波导通过倏逝波耦合到探测器，也可利用刻蚀后再生长或选择性外延等集成技术来实现。
上述2×2耦合器可以采用方向耦合器的形式，也可以采用多模干涉耦合器的形式。但传统的方向耦合器对制作误差、波长都很敏感，容差较小。当采用深刻蚀波导以减小环形腔弯曲半径时，只有当相邻两波导间隔非常小(＜0.1um)时才能出现明显耦合，因此制作十分困难。传统多模干涉耦合器具有工艺制作简单等优点，但需要较长的耦合长度(～1000um)才能实现上述单纤双向收发器所需要的耦合效果，且对波长敏感，无法同时使1490nm和1550nm的波长100％耦合通过，不适用于单纤三向收发器。
为在较短长度内实现单纤双向收发器所需要的耦合效果，我们在两侧深刻蚀的多模干涉耦合器中间刻一个具有一定深度的槽，形成一个类似方向耦合器的凹字形耦合器。如图5所示是凹字形耦合器截面图，其两侧为深刻蚀而两波导之间为浅刻蚀。耦合器的波导芯层是发射1310nm波长的多量子阱结构，对波长为1490/1550nm的光透明。上覆盖层中刻有凹槽。作为一个具体设计例子，在InP衬底之上的多量子阱(MQW)由十个3.5nm厚的InGaAsP量子阱和九个10nm厚的InGaAsP阻挡层交替组成，外加InGaAsP限制层和InP覆盖层。等效芯层折射率为3.39，厚度为0.135um，上包层(覆盖层)厚度为1um。经优化得到的具体尺寸如下：耦合长度110um，左波导宽1.6um，右波导宽2.2um，中间槽隔宽0.8um，深0.7um。如图6、图7、图8所示是显示了凹字形耦合器在1490nm、1550nm和1310nm三个波长的束传输法(BPM)模拟结果，对1490nm波长的耦合比为95。5％，对1550nm波长的耦合比为94.5％，对1310nm波长的耦合比为42％，因而满足了1490/1550nm信号光基本100％耦合通过、1310nm发射光基本一分为二的设计要求。它在1490nm和1550nm波段基本相同的特性使得该单纤双向收发器可以通过增加一个滤波器结构扩展为单纤三向收发器。另外，计算表明该凹字形耦合器的耦合长度仅为实现同样功能的多模干涉耦合器长度的0.15倍，且具有更大的容差。因此上述凹字形耦合器综合了方向耦合器耦合长度小和多模干涉器耦合器工艺简单、容差大的的优点。
如图9所示是显示了凹字形耦合器耦合系数随波长的变化。在1490nm和1550nm工作波段内耦合系数都在90％以上，且变化小于0.1dB，而在1310nm波段，在一般激光器发射波长温漂范围内(20nm)，耦合比变化并不显著，完全可以满足要求。
图4所示的实施方式中采用了环形激光谐振腔。由于激光在环形腔内存在顺时针和逆时针传播的两个模式，只有其中一个方向的模式(图4中的顺时针模式)的光才能经耦合器输出作为上行信号光进入光纤，而另一方向的模式将被部分耦合到1490/1550nm信号光的耦合输出端口2，干扰探测器的信号接收。因此需在环形谐振腔内或腔外通过光学干涉结构引入适当控制，抑制不需要的反向模式的激发。
如图10所示是本发明的另一个实施方式，其中激光谐振腔采用了Fabry-Perot(FP)谐振腔。这种情况下发射器发出的1310nm的光在耦合器的端口1和端口2都有输出。为避免端口2的1310nm光输出干扰1490/1550nm下行光探测器的信号接收，在端口2后加反向激光吸收波导60，用于吸收1310nm激光。同时还在该吸收波导上加反向电压，使其成为1310nm激光器的功率监视器。
上述环形腔和FP腔通常为多模激发。为实现单模激光器，可采用两个或两个以上不同长度的耦合腔结构，也可在环形腔和FP腔中制作多个部分反射的刻蚀槽以实现单模选择。图10实施方式中的FP激光器也可由一个侧向耦合的DFB激光器来取代。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种用于光纤到户的单片集成单纤双向收发器，其特征在于：包括激光器(10)，探测器(30)以及具有波长选择性的2×2耦合器(20)，所述2×2耦合器(20)第三端口(3)到第四端口(4)的波导被置于激光器的谐振腔内，从耦合器第一端口(1)进入的下行光信号被耦合到第二端口(2)，经探测器(30)吸收，转换成电信号进行处理，激光器出射光从耦合器的第三端口(3)进入，一部分耦合到第四端口(4)从而保留在谐振腔内形成反馈，另一部分耦合到第一端口(1)，作为上行信号光进入光纤传输。
2.根据权利要求1所述的一种用于光纤到户的单片集成单纤双向收发器，其特征在于：所述2×2耦合器的第三端口(3)和第四端口(4)在耦合器外通过环行波导连接，从而构成一个环形激光谐振腔。
3.根据权利要求1所述的一种用于光纤到户的单片集成单纤双向收发器，其特征在于：所述2×2耦合器的第三端口(3)和第四端口(4)的波导末端带有部分反射端面，从而构成法布里-珀罗激光谐振腔。
4、根据权利要求1所述的一种用于光纤到户的单片集成单纤双向收发器，其特征在于：所述激光器的谐振腔内带有用米选择模式的部分反射刻蚀槽。
5、根据权利要求1所述的一种用于光纤到户的单片集成单纤双向收发器，其特征在于所述激光器的谐振腔内带有分布反馈光栅。
6、根据权利要求1所述的一种用于光纤到户的单片集成单纤双向收发器，其特征在于：所述激光器的谐振腔由不同光学长度的、相互耦合的多个谐振腔组成。
7.根据权利要求1所述的一种用于光纤到户的单片集成单纤双向收发器，其特征在于：所述2×2耦合器是一个两侧深刻蚀中间浅刻蚀的凹字形2×2耦合器，使下行光信号在耦合长度内从第一端口(1)耦合到第二端口(2)，并使从耦合器第三端口(3)进入的上行光一分为二地耦合到耦合器的第一端口(1)和第四端口(4)。
8.根据权利要求1所述的一种用于光纤到户的单片集成单纤双向收发器，其特征在于：所述激光谐振腔和2x2耦合器区域的波导层包含一个能发射上行信号光的量子阱结构，同时不吸收波长大于所述上行光信号的下行光信号，而探测器区域的波导内包含一个能吸收下行光信号的吸收层，使得被耦合到耦合器第二端口(2)的下行光信号被所述探测器吸收层吸收。
9.根据权利要求1所述的一种用于光纤到户的单片集成单纤双向收发器，其特征在于：所述第二端口(2)和探测器(30)之间有一段能吸收上行信号光而不吸收下行光信号的反向激光吸收波导(60)，使得从激光器反向发射的上行信号光被所述反向激光吸收波导(60)吸收，以避免干扰探测器(30)对下行光信号的探测，同时所述反向激光吸收波导(60)可作为监测上行信号光强度的功率监测器。
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Granted publication date: 20091028 Termination date: 20150624 |
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