CN101666893B - 一种基于蚀刻衍射光栅的单片集成单纤多向收发器 - Google Patents

一种基于蚀刻衍射光栅的单片集成单纤多向收发器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于蚀刻衍射光栅的单片集成单纤多向收发器,主要由蚀刻衍射光栅、输入输出波导、增益波导和两个多模波导探测器组成。通过输入输出波导进入的下行光信号经蚀刻衍射光栅耦合到两个多模波导探测器。蚀刻衍射光栅通过某一级衍射将增益波导前端面发出的一部分光反射回增益波导,与该波导的后反射端面形成一个谐振激光腔,用于产生上行的光信号,蚀刻衍射光栅同时通过另一级次的衍射,将另一部分光反射到输入输出波导,进而耦合到光纤中作为上行光信号传输。本发明真正实现了单片集成,减少了和光纤的耦合次数,减小了尺寸,提高了集成度。适合大批量生产。

Description

一种基于蚀刻衍射光栅的单片集成单纤多向收发器
技术领域
本发明涉及单纤多向收发器,尤其涉及一种用于光纤到户的集成化单纤双向和单纤三向收发器。
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),见图1。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。
还有一种混合集成芯片,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等在他们的文章“Monolithically Integrated Diplexer Chip for PON Applications”Optical FiberCommunication 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9,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。
V.Tolstikhin等人在他们的论文“InP-based Photonic Intergrated CircuitTriplexer for FTTP Applications”,ECOC 2005 Proceedings,Vol.3,pp525-526中阐述了一种单纤三向收发器的背景技术。如图3所示,下行1490/1550nm光信号由输入输出波导2进入,通过一个蚀刻衍射光栅被分别耦合到两根接收波导42和52,经波导传输到后面的探测器41和51进行接收,上行光信号从波导31进入芯片,经该蚀刻衍射光栅衍射耦合到输入输出波导2中。该器件中,上行1310nm光信号发射机,即激光器需要通过倒装芯片(Flip-Chip)等技术置于芯片上,这增加了封装难度,并提高了系统成本。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足,提供一种基于蚀刻光栅的单片集成单纤多向收发器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:一种基于蚀刻衍射光栅的单片集成单纤多向收发器,它制作在一个有芯片外延层的半导体晶圆上,包括蚀刻衍射光栅、输入输出波导、增益波导、第一多模波导探测器和第二多模波导探测器。所述蚀刻衍射光栅将增益波导发出的光通过某一衍射级次反射回增益波导,与该增益波导的后反射端面构成激光器。蚀刻衍射光栅将另一部分能量通过另一衍射级次耦合到输入输出波导,作为上行信号光进入光纤传输。同时,由输入输出波导进入的下行光信号被蚀刻衍射光栅衍射到第一多模波导探测器和第二多模波导探测器进行接收。
进一步地,所述第一多模波导探测器和第二多模波导探测器比输入输出波导宽。
进一步地,所述芯片外延层主要由量子阱层、无源导波层和吸收层从下至上外延组成。
进一步地,所述无源波导层的有效折射率远大于其下的量子阱层。
进一步地,所述的增益波导中的量子阱层产生的光能量转移到上面的无源波导层构成的波导之中,并在其中稳定的传播而不会转移回去。
进一步地,所述输入输出波导兼做一个用于产生上行光信号的电吸收调制器。
进一步地,还包括一无源环形谐振器,所述无源环形谐振器与蚀刻衍射光栅、增益波导的后反射端面和增益波导共同构成激光器。
进一步地,所述增益波导内部带有分布反馈布拉格光栅。
本发明与背景技术相比,具有的有益效果是:本发明真正实现了发射机,波分复用器和探测器的单片集成,减少了和光纤的耦合次数。波分复用器同时兼备发射机激光器的选模功能,从而减小了尺寸,提高了集成度。适合大批量生产。此多向收发的结构不仅适用于双向或三向收发器,还可扩展应用于更复杂的多波长复用的收发器。
附图说明
图1是PON网络示意图;
图2是现有的一种单片集成单纤双向收发器芯片结构示意图;
图3是单片集成单纤三向收发器芯片结构示意图;
图4是本发明第一种实施方式结构示意图;
图5是第一种实施方式的一个设计实例示意图;
图6是图5实例中宽度分别为8微米探测器波导4(实线)和4微米的波导5(虚线)对整个下行波段的接收谱线,其中,点划线框内为ITU规定的两个波段范围;
图7是图5实例中由波导发出的上行光耦合回波导的反射谱;
图8是本发明中芯片外延层结构的一个设计实例的示意图;
图9是本发明中用图8的芯片外延层结构实现的1310波段增益波导截面图;
图10是本发明中用图8的芯片外延层结构实现的无源波导截面图;
图11是本发明中用图8的芯片外延层结构实现的增益波导到无源波导过渡区结构的示意图;
图12为本发明中用图8的芯片外延层结构实现的平板区(图4中波导2,3,4,5与蚀刻衍射光栅1之间的区域)截面图和模场分布图,其中,实线为0阶模,虚线为1阶模;
图13是本发明的第二种实施方式示意图;
图14是本发明的第三种实施方式示意图;
图中,蚀刻衍射光栅1、输入输出波导2、增益波导3、第一多模波导探测器4,第二多模波导探测器5、量子阱层7、无源导波层8、吸收层9。
具体实施方式
不失其通用性,本说明书中单纤多向(双向或三向)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,根据国际电信联盟(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。对于下行波长,20nm和10nm带宽表示的是收发器能够分别对波长1480-1500nm的下行光刻可靠的接收,而对于上行波长,100nm带宽则表示上行发射机发射的波长必须落在1260-1360nm范围内。
图4是本发明的单纤多向收发器的一个实施方式。它包括:蚀刻衍射光栅1、输入输出波导2、增益波导3、第一多模波导探测器4和第二多模波导探测器5。通过输入输出波导2进入的1490/1550nm波段的下行光信号经蚀刻衍射光栅1后被分别耦合到第一多模波导探测器4和第二多模波导探测器5。蚀刻衍射光栅1通过某一级衍射将增益波导3前端面发出的一部分光反射回增益波导3,与该益波导3的后反射端面31形成一个激光器,用于产生上行1310nm的光信号,蚀刻衍射光栅1也同时通过另一级次的衍射,将另一部分光反射到输入输出波导2,进而耦合到光纤中作为上行光信号传输。激光器采用直接调制的方式,独立构成上行信号发射机。上行发射机也可以采用外调制的方式,此时,激光器工作在直流输出状态,而输入输出波导2同时兼作上行光源的电吸收调制器,与激光器共同构成上行信号发射机。调制器与激光器所需的不同能带结构可以采用量子阱混合或者多次外延实现。
在本实施方式中,蚀刻衍射光栅1需同时兼备上下行波长解复用和上行信号发射激光器的纵模选择功能。在传统的波导耦合型刻蚀衍射光栅上,色散在工作波段范围内变化较小,无法同时满足下行波长解复用(20nm)以及激光器选模(1-2nm)所需要的带宽要求。因此,可以采用色散系数较大的刻蚀衍射光栅的设计用以满足激光器选模要求,同时下行信号接收区被设计成多模波导,从而保证通带范围内的光信号都能被探测器可靠的接收。
图5给出一个该实施方式的具体设计实例,在该实例中,输入输出波导2、增益波导3、第一多模波导探测器4和第二多模波导探测器5的接收端面的中点21,32,41,51位与同一直线上,并且该直线垂直于中点21与光栅中心点11的连线。光栅共有38个尺面,分布于光栅中心点11的两侧。输入输出波导2、增益波导3、第一多模波导探测器4和第二多模波导探测器5的宽度分别为1微米,1微米,8微米,4微米。中点32、41、51到21的距离分别为25,39和46微米。11到21的距离为350微米。
图6给出了第一多模波导探测器4宽度为8微米(实线)和第二多模波导探测器5的宽度为4微米(虚线)对整个下行波段的接收谱线。从图中可以看出,对于1490波段(左侧的点划线框),1dB带宽约为20nm,对于1550波段(右侧的点划线区域),则大于10nm,满足ITU标准的要求,两波段带间窜扰优于-35dB。
图7给出了由波导3发出的上行光耦合回波导3的反射谱。在这里横坐标为相对于中心波长(1335nm)的偏移。1dB带宽约为1.8nm,这一通带宽度使得该实例的中的激光器性能类似于一个长腔分布布拉格反射镜激光器,这类激光器由于有四波混频等非线性效应存在,可以实现稳定的单纵模工作。中心波长反射率约为70%(-1.53dB)。剩余的30%能量中有15%能量进入波导2作为上行光,剩下15%能量无法利用,损失掉。
根据单纤三向收发器所需的功能,其芯片至少应包括三个不同功能的外延层,一是探测器波所用的吸收层,二是1310波段发射机所用的量子阱增益层,三是对三个波段均透明的无源波导层。在不同的区域选择性的刻蚀掉不需要的功能层,保留需要的功能层即可实现不同的功能。图8是图4实施实例中所利用的外延层结构示意图。如图所示,主要由量子阱层7,无源导波层8(包括81,82两层)和吸收层9组成。
图9-11分别给出了量子阱波导(图4中的波导3),无源波导(图4中的波导34和波导2)以及它们之间过渡区的结构(图4中的波导35)示意图。计算表明,通过合理的设计过渡区结构,在波导3中传导的光能量有96%以上可以被耦合到波导34从而进入平板区稳定的传播。
图12给出了平板区(图4中波导2,3,4,5与蚀刻衍射光栅1之间的区域)截面图和模场分布图。平板区存在两个导波层(无源导波层7和量子阱层8),所以存在两个导模(实线为0阶模,虚线为1阶模),但是通过束传播法计算可以验证,由无源波导33或2进入平板区的光能量会耦合到0阶模而非1阶模,因此平板区仍然可以看作是单模的。假设量子阱对1310波段的吸收系数为25800cm-1,则计算出1310波段0阶模的损耗为0.5dB/mm,图5所示的器件其平板区长度小于0.5mm,因此平板区的损耗可以满足器件性能的要求。
图13是本发明的第二种实施方式,与实施方式1不同之处在于,激光器是由蚀刻衍射光栅1,增益波导3的后反射端面31,增益波导3和无源环形谐振器33共同构成的。无源环形谐振器33和蚀刻衍射光栅1一起提供了激光腔的模式选择功能。无源环形谐振器33具有极窄的洛伦兹型滤波谱线,但缺点在于其透射谱是周期性的,一般在激光器增益介质的增益谱范围内会存在多个透射峰,难以实现单模工作。蚀刻衍射光栅1可以滤掉周边的透射峰,只保留中心透射峰,因此无源环形谐振器33与蚀刻衍射光栅1共同工作可以提供高的边模抑制比,极大地改善了激光器的单模性能,特别是在动态动作时的单模性能。
图14是本发明的第三种实施方式,与实施方式1不同之处在于,激光腔的增益波导3上具有分布反馈布拉格光栅(DFB)。分布反馈布拉格光栅可以为激光器提供很强的边模抑制能力,但由于其位于有源区,对温度较为敏感。蚀刻衍射光栅1有助于降低DFB光栅的温度敏感性,使激光器更加可靠地工作。
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 (7)

1.一种基于蚀刻衍射光栅的单片集成单纤多向收发器,其特征在于,它制作在一个有芯片外延层的半导体晶圆上,包括蚀刻衍射光栅(1)、输入输出波导(2)、增益波导(3)、第一多模波导探测器(4)和第二多模波导探测器(5);所述蚀刻衍射光栅(1)将增益波导(3)发出的光通过某一衍射级次反射回增益波导(3),与该增益波导(3)的后反射端面(31)构成激光器;蚀刻衍射光栅(1)将另一部分能量通过另一衍射级次耦合到输入输出波导(2),作为上行信号光进入光纤传输;同时,由输入输出波导(2)进入的下行光信号被蚀刻衍射光栅(1)衍射后,由第一多模波导探测器(4)和第二多模波导探测器(5)进行接收。
2.根据权利要求1所述基于蚀刻衍射光栅的单片集成单纤多向收发器,其特征在于,所述第一多模波导探测器(4)和第二多模波导探测器(5)比输入输出波导(2)宽。
3.根据权利要求1所述基于蚀刻衍射光栅的单片集成单纤多向收发器,其特征在于,所述芯片外延层主要由量子阱层(7)、无源导波层(8)和吸收层(9)从下至上外延组成。
4.根据权利要求1所述基于蚀刻衍射光栅的单片集成单纤多向收发器,其特征在于,所述的增益波导(3)中的量子阱层(7)产生的光能量转移到上面的无源波导层(8)构成的波导之中,并在其中稳定的传播而不会转移回去。
5.根据权利要求1所述基于蚀刻衍射光栅的单片集成单纤多向收发器,其特征在于,所述输入输出波导(2)兼做一个用于产生上行光信号的电吸收调制器。
6.根据权利要求1所述基于蚀刻衍射光栅的单片集成单纤多向收发器,其特征在于,还包括一无源环形谐振器(33),所述无源环形谐振器(33)与蚀刻衍射光栅(1)、增益波导(3)的后反射端面(31)和增益波导(3)共同构成激光器。
7.根据权利要求1所述基于蚀刻衍射光栅的单片集成单纤多向收发器,其特征在于,所述增益波导(3)内部带有分布反馈布拉格光栅。
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