CN101216582A - 一种基于平面光波导分支结构的小型化单纤双向器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于平面光波导分支结构的小型化单纤双向器件，包括：平面光波导(PLC)光学芯片，波分复用(WDM)光学滤光件，激光器芯片，探测器芯片，光纤或光纤插芯，光探测器芯片(MPD)；上述各个组成部分以片上或片外集成方式固定在相应的位置并封装于一个壳体内；光学芯片为基于平面光波导PLC的分支光波导结构，波分复用(WDM)滤光件为嵌入滤光片、贴接滤光片或直接镀在光学芯片端面的一层光学滤光薄膜。整个单纤双向器件的体积很小，符合小型化发展趋势，并且激光器芯片和光信号探测器芯片均与PLC光学芯片之间相耦合，元器件之间的整合性好。

Description

一种基于平面光波导分支结构的小型化单纤双向器件

技术领域

本发明涉及一种单纤双向器件，尤其涉及一种用于光纤通信的基于平面光波导(PLC)分支结构的小型化单纤双向器件。

技术背景

单纤双向器件是用于光传送网和光接入网的核心光器件之一，是把激光器和探测器封装在一起，共同通过一根光纤来实现信号的双向传输。目前其实现技术方式是采用分立元器件技术，把晶体管外形罐(TO-CAN)封装形式的激光器和探测器及波分复用(WDM)薄膜滤光片封装在一个金属壳中，通过一个光纤耦合输出。这种技术方式目前非常成熟，但封装体积较大，同时由于采用手工方式进行封装操作，封装的可靠性较差，效率较低，而且由于手工操作，在大规模的生产时，不具有成本优势。随着单纤双向光器件进入民用领域，成本的压力越来越大，这种传统的技术方式的弊端就越来越明显。近年来，新兴的PLC技术与传统技术相比具有较大的优势和潜力，并已经在光分路器、DWDM复用/解复用器、ROADM等领域取得重要应用，同样，在单纤双向收发器件领域，PLC技术也被寄予厚望。

发明内容

本发明目的在于提供一种基于平面光波导(PLC)分支结构的小型化单纤双向器件，其结构简单，尺寸小，并且对芯片加工工艺要求低，尤其适合低成本光传输和光接入应用。

本发明的目的可通过以下的技术方案来实现，一种基于平面光波导分支结构的小型化单纤双向器件，包括一个平面光波导(PLC)光学芯片，主要用来传导光信号；  一个波分复用(WDM)光学滤光件，用于分离上行和下行两个波长的光；一个用来产生光信号的激光器芯片；一个用来接收光信号的探测器芯片；一根光纤或光纤插芯，用来与光学芯片上的光波导端口进行连接，实现输入或输出光信号；一个用来监测激光器功率的光探测器芯片(MPD)；上述各个组成部分以片上或片外集成方式固定在相应位置并封装于外壳体内；其特征在于：所述的光学芯片为基于平面光波导(PLC)技术的分支光波导结构，所述的波分复用(WDM)滤光件为嵌入滤光片、贴接滤光片或直接镀在光学芯片端面的一层光学滤光薄膜，分支光波导结构的PLC光学芯片和WDM滤光件结合在一起实现了单纤双向器件内部的导光和分光功能。

本发明所述PLC光学芯片的分支光波导结构是采用半导体加工工艺技术制作的V分支或Y分支光波导结构，它本身不起分光作用。其作用之一是把来自光纤和激光器芯片的光限制在光波导中传导，起着导光作用；作用之二是为WDM滤光件提供反射和透射光路；作用之三是PLC光学芯片本身可以作为平台，即可以先在其表面上挖槽或挖坑，然后将激光器芯片、探测器芯片、WDM滤光件和光纤等部件放置在其表面上。

本发明所述嵌入滤光片的过程是在PLC光学芯片分支结点处放置WDM滤光片的位置挖一条细长的槽，然后将薄的WDM滤光片嵌入槽中。

本发明所述贴接滤光片的过程是把PLC光学芯片的分支结点侧的端面研磨抛光后，在分支结点侧的端面贴上薄的WDM滤光片。

本发明所述直接镀膜的过程是把PLC光学芯片的分支结点侧的端面研磨抛光后用夹具固定并平稳地放入镀膜机中，然后直接对PLC光学芯片的分支结点侧的端面进行镀膜(即淀积/镀制光学薄膜)。由于滤光片厚度太厚会带来大的插入损耗，这就使得嵌入滤光片和贴接滤光片方式都需要使用很薄的薄膜滤光片，然而，由于薄的滤光片基片的应力承受能力有限，其制备难度较大；而采用直接镀膜方式，PLC光学芯片相当于WDM滤光片的基片，这样就避开了薄膜制备中薄基片的应力承受能力限制问题，降低了WDM滤光件制备的难度。

另外，本发明所述的探测器芯片可以是普通型的，也可以是波导型的；本发明所述的光功率探测器芯片可以直接置于激光器芯片背后进行后向检测，也可以置于激光器芯片前面并通过光波导相连进行前向检测。

本发明所述的片上集成(ON-CHIP)方式是先在PLC光学芯片上挖槽或挖坑并制作一些对准标志，然后用对准机器借助于对准标志将各组成部件直接放置在PLC光学芯片上；本发明所述的片外集成(OFF-CHIP)方式是将光纤、激光器、探测器和WDM薄膜滤光片等固定于PLC芯片侧的相应位置。片上方式集成度更高，而片外方式初期投入成本较低，在实际应用中，可根据具体情况，选择片外和片上集成方式中的一种，或灵活选择两种方式的结合。

本发明与现有其他技术方案相比，具有以下的有益效果：

一、本发明所述的PLC光学芯片本身不起分光作用，其尺寸可以更小，制作更容易，更简单，其他主要部件也均采用芯片形式，使得整个单纤双向器件的体积很小，符合小型化发展趋势，并且激光器芯片和光信号探测器芯片均与PLC光学芯片之间相耦合，元器件之间的整合性好，这样，只要将PLC光学芯片、WDM滤光件、光纤或光纤插芯、激光器芯片、光信号探测器芯片耦合封装完成后，把它们一起固定在一个带有光纤出口和电引脚的封装外壳中，然后进行气密封装，光信号的输入输出就可以通过一个光纤或光纤插芯来实现；

二、本发明首次提出在PLC光学芯片端面镀膜作为WDM滤光件，与基于PLC的技术制作的其他WDM滤光件(如光栅、耦合器、马赫-曾德干涉仪)相比，它可采用当今成熟的镀膜标准工艺来实现，其制作简单，隔离度和损耗等性能指标也都可以做得很好，能够容易地满足各种不同的光纤收发应用要求。

附图说明

图1是本发明实施例1采用嵌入滤光片、片上集成方式的单纤双向器件的PLC光学芯片示意图；

图2是本发明实施例1采用嵌入滤光片、片上集成方式的单纤双向器件的整体结构示意图。

图3是本发明实施例2采用直接镀膜、片外集成方式的单纤双向器件的PLC光学芯片示意图；

图4是本发明实施例2采用直接镀膜、片外集成方式的单纤双向器件的整体结构示意图。

具体实施方式

实施例一：

如图1、2所示，本发明实施例采用嵌入滤光片方式，所有组成部件均采用片上集成方式固定在PLC光学芯片11上。PLC光学芯片11是采用半导体加工工艺技术制作的Y分支结构；在PLC光学芯片11的Y分支结点上放置WDM滤光片12的位置挖了一条细长的槽14，WDM滤光片12被嵌入其中；在PLC光学芯片11上耦合光纤的端口位置挖了一个V型槽22，该槽的加工精度很高，因此，只需要把光纤21平稳地放入并固定于其中，就可实现光纤21与PLC光学芯片11的光纤端口对准；在PLC光学芯片11上放置激光器芯片31、光信号探测器芯片41和光功率监测探测器(MPD)芯片51的位置各挖了一个的坑32、42和52，同时在坑里面制作了若干对准的标志33、43和53，激光器芯片31和光信号探测器芯片41是通过相应的对准标志32、42来使激光器芯片31的发光位置、光信号探测器芯片41的光敏位置和PLC光学芯片11相应的光波导端口对准，激光器芯片31等可以采用倒装焊的方式固定在坑里。另外，光功率监测探测器51是通过光波导相连后被固定在激光器芯片41前面。

本实施例采用片上集成方式，其优点是集成度高，封装的效率和可靠性也比较高，在大规模生产中会体现出较大优势。其难点是嵌入的滤光片厚度要求很薄，应小于二、三十微米，这种超薄的滤光片的制备难度较大。

实施例二：

如图3、4所示，本发明实施例采用直接镀膜方式，所有部件均采用片外集成方式固定在基板1上PLC光学芯片11侧。PLC光学芯片11是采用半导体加工工艺技术制作的V分支结构；把PLC光学芯片11的分支结点侧的端面研磨抛光后，用夹具固定并平稳地放入镀膜机中，然后直接对PLC光学芯片11的分支结点侧的端面淀积了一层WDM滤光薄膜12，用于分离分上、下路光信号。光纤21用于传输上、下路光信号，光纤21通过固定座22被固定于PLC光学芯片11侧边的光纤端口位置；激光器芯片31用于发送上行光信号，光信号探测器芯片41用于接收下行光信号，它们也是通过固定座32和42分别被固定于PLC光学芯片11侧面相应的波导接口，另外，光功率探测器芯片51(MPD)被放置在激光器芯片31背后。

本实施例采用直接镀膜方式，可避开薄膜制备中薄基片的应力承受能力限制问题，使得薄膜滤光件制备的成品率提高，薄膜滤光件制备的难度和成本可得到降低。但由于它采用片外集成方式，集成度相对较低。

对以上述实施例组装好的光学组合芯片中的探测器加上跨阻放大器(TIA)，再放入一个气密的金属外壳内并打线密封就完成了封装。另外，在PLC光学芯片11的表面开的沟槽14或挖坑结构，还可以为U型槽、条形槽或十字架等；在PLC光学芯片11的光波导端口的端面也可以开各种沟槽结构作为对准标志，用来实现PLC光学芯片11和光纤21、激光器芯片31、光信号探测器芯片41耦合时的对准定位。

以上各实施例中单纤双向器件的工作原理和工作过程如下：

单纤双向器件的上行光信号的波长为λ₁和下行光信号的波长为λ₂，λ₁和λ₂的中心波长可以是1310nm、1490nm、1550nm中的任意两个。下行的波长为λ₂的光信号通过光纤21输入到PLC光学芯片11中，通过WDM滤光片或WDM滤光薄膜12的分光作用被输出到光信号探测器芯片41端口，光信号探测器芯片41把下行光信号转换成相应大小的电流信号，同时激光器芯片31发出波长为λ₁的上行光信号通过PLC光学芯片11的激光器端口输入到PLC光学芯片11中，通过WDM滤光片或WDM滤光薄膜12的分光作用它被输出到光纤21中进行传输。这样就实现了在一根光纤中同时传输上行和下行的不同波长的信号。

本发明的实施方式不限于此，根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，还可以做出其它多种形式的修改、替换或变更。

Claims (8)

1.一种基于平面光波导分支结构的小型化单纤双向器件，包括：

一个平面光波导(PLC)光学芯片，主要用来传导光信号；

一个波分复用(WDM)光学滤光件，用于分离上行和下行两个波长的光；

一个用来产生光信号的激光器芯片；

一个用来接收光信号的探测器芯片；

一根光纤或光纤插芯，用来与光学芯片上的光波导端口进行连接，实现输入或输出光信号；

一个用来监测激光器功率的光探测器芯片(MPD)；

上述各个组成部分以片上或片外集成方式固定在相应的位置并封装于一个壳体内；

其特征在于：所述的光学芯片为基于平面光波导PLC的分支光波导结构，所述的波分复用(WDM)滤光件为嵌入滤光片、贴接滤光片或直接镀在光学芯片端面的一层光学滤光薄膜。

2.根据权利要求1所述的基于平面光波导分支结构的小型化单纤双向器件，其特征在于：所述分支光波导结构是采用半导体加工工艺技术制作的V分支或Y分支光波导结构。

3.根据权利要求1或2所述的基于平面光波导分支结构的小型化单纤双向器件，其特征在于：所述平面光波导光学芯片分支光波导结构中的分支结点处开设一条细长槽，所述嵌入滤光片固定置于所述的细长槽中。

4.根据权利要求1或2所述的基于平面光波导分支结构的小型化单纤双向器件，其特征在于：所述平面光波导光学芯片分支光波导结构中的分支结点侧的端面为研磨抛光端面，所述贴接滤光片固定贴接于所述的抛光端面上。

5.根据权利要求1或2所述的基于平面光波导分支结构的小型化单纤双向器件，其特征在于：所述平面光波导光学芯片分支光波导结构中的分支结点侧的端面为研磨抛光端面，所述的光学滤光薄膜镀制于所述的抛光端面上。

6.根据权利要求1所述的基于平面光波导分支结构的小型化单纤双向器件，其特征在于：所述的光功率探测器芯片为普通型或波导型；所述的光功率探测器芯片直接置于激光器芯片背后或置于激光器芯片前面并通过光波导相连。

7.根据权利要求1所述的基于平面光波导分支结构的小型化单纤双向器件，其特征在于：所述的片上集成方式是在光学芯片上挖槽或挖坑并设置对准标志，依据对准标志将各组成部件直接放置在平面光波导光学芯片上。

8.根据权利要求1所述的基于平面光波导分支结构的小型化单纤双向器件，其特征在于：所述的片外集成方式是将各组成部件固定于平面光波导光学芯片上侧端面的相应位置。

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