CN102156333A - 光收发一体装置 - Google Patents

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钟德刚
易永江
付生猛
李胜平
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Abstract

本发明公开了一种光收发一体装置，包括：硅衬底、半导体的绝缘层及附着在所述半导体的绝缘层上的硅层；所述半导体的绝缘层设置于所述硅衬底及硅层之间；所述硅层集成有激光驱动器、跨阻放大器、限幅放大器、波导及模斑转换器；所述硅层表面附着有激光器、光检测器或雪崩光电二极管。通过将LDD、TIA、LA等光收发一体装置所需电路集成在SOI衬底上，使得光收发一体装置尺寸减小，并只需对LD、PD/APD等分立光组件进行附着装配，实现光收发一体装置的混合集成，简化了装配工艺，有效降低了光收发一体装置成本。

Description

光收发一体装置
技术领域
本发明实施例涉及光接入终端，尤其涉及一种光收发一体装置。
背景技术
“光进铜退”已经成为宽带接入发展趋势，但是由于光接入终端成本相对较高，限制了光接入的发展。
光接入终端包括光收发模块即光模块，又称为光收发一体装置。光收发一体装置包括激光器(Laser Diode，LD)、光检测器(PhotodiodeDetector，PD)/雪崩光电二极管(Avalanche Photodiodes，APD)、模斑转换器(Spot-Size Converter，SSC)、波分复用(Wave DivisionMultiplexing，WDM)滤波器、激光驱动器(Laser Diode Driver，LDD)、跨阻放大器(Transimpedance amplifier，TIA)、限幅放大器(LimitingAmplifier，LA)和/或APD偏压电路、波导等。其中，LD、光检测器或雪崩光电二极管(PD/APD)、SSC、WDM滤波器、波导等为光组件，LDD、TIA、LA和/或APD偏压等属于电路部分。
当前用于光纤到户(Fiber To The Home，FTTH)的光收发一体装置普遍采用双向光组件(Bi-directional Optical Sub Assembly，BOSA)加印制电路板零件(Printed Circuit Board+Assembly，PCBA)的结构，所述在所述结构中，分立光组件与电路部分各自独立装配。各分立光组件在有光源的情况下对准后，通过一外壳固定，以保证各分立光组件的相对位置保持不变，而电路部分则另外进行装配。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术存在的缺陷在于：目前使用的光收发一体装置中的分立光组件与电路部分各自独立装配，并且该电路部分还需另行装配，导致光收发一体装置的集成度低，且装配结构复杂。
发明内容
本发明实施例提供一种光收发一体装置，用以克服现有技术中光收发一体装置的集成度低，装配结构复杂的缺陷。
本发明实施例提供一种光收发一体装置，包括：硅衬底、半导体的绝缘层及附着在所述半导体的绝缘层上的硅层；
所述半导体的绝缘层设置于所述硅衬底及硅层之间；
所述硅层集成有激光驱动器、跨阻放大器、限幅放大器、波导及模斑转换器；
所述硅层表面附着有激光器、光检测器或雪崩光电二极管。
本发明实施例提供的光收发一体装置，通过将LDD、TIA、LA等光收发一体装置所需电路，以及波导、SSC等光收发一体装置所需光路混合集成在底部为硅衬底的半导体的绝缘层上的硅层即同一个绝缘体上硅(Silicon On Insulator，SOI)衬底上，形成光电集成芯片，提高了光手工一体装置的集成度，使得光收发一体装置尺寸减小，并只需对LD、PD/APD等分立光组件进行附着装配，实现光收发一体装置的混合集成，简化了装配工艺及装配结构，有效降低了光收发一体装置成本。且SOI衬底成本较低，从而进一步降低了光收发一体装置成本。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种光收发一体装置中Si层的集成示意图；
图2为图1所示的光收发一体装置中SOI衬底的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的另一种光收发一体装置中Si层的集成示意图；
图4为图3所示的光收发一体装置中SOI衬底的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的另一种光收发一体装置中Si层的集成示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供的光收发一体装置包括：硅(Si)衬底、半导体的绝缘层及附着在所述半导体的绝缘层上的Si层；其中，半导体的绝缘层可为二氧化硅(SiO2)，也可包括分布式布拉格反射镜(DBR)与SiO2层。Si衬底、半导体的绝缘层及附着在所述半导体的绝缘层上的Si层形成SOI晶圆。
所述半导体的绝缘层设置于所述硅衬底及硅层之间；当半导体的绝缘层包括DBR与SiO2层时，DBR设置于Si层与SiO2层之间。
所述硅层的厚度为1μm～1.5μm，刻蚀集成有LDD、TIA、LA、波导及SSC；所述硅层表面附着有LD、PD/APD。
光收发一体装置还可进一步包括APD偏压电路，APD偏压电路与APD连接，PD/APD与TIA连接，TIA与LA连接，LDD与LD连接，SSC与波导连接。
接收光信号时，光信号经光纤、波导传输到达PD/APD，PD/APD将接收到的信号转换为电流输出到TIA，TIA将电流转换为电压输出到LA进行限幅处理，以稳定输出。发送光信号时，LDD施加信号给LD，LD发出光信号给波导，经过SSC对波导与光纤进行光斑大小匹配后输出到光纤，通过光纤将光信号传输到远端。
本发明实施例通过将LDD、TIA、LA等光收发一体装置所需电路，以及波导、SSC等光收发一体装置所需光路集成在同一SOI衬底上，形成光电集成芯片，使得光收发一体装置尺寸减小，并只需对LD、PD/APD等分立光组件进行附着装配，实现光收发一体装置的混合集成，简化了装配工艺，有效降低了光收发一体装置成本。且SOI衬底成本较低，从而进一步降低了光收发一体装置成本。
图1为本发明实施例提供的一种光收发一体装置中Si层的集成示意图。当SOI衬底中设置有DBR时，光收发一体装置的结构可如图1所示，光收发一体装置中，SOI衬底7上同时集成了LDD、TIA、LA等电路，以及波导1、SSC 2、光栅3等光路，形成SOI光电集成电路(OEIC)。LD 4粘附在SOI衬底7旁或倒装焊接，PD/APD 5倒装粘附在光栅3的上方，光从所述PD/APD 5底部进入PD/APD 5。
其中，LD 4产生的光的波长为1310nm左右；PD/APD 5接收的光的波长为1490nm左右。
PD/APD 5接收从光栅3来的1490nm波长的光采用衬底进光方式，光栅3作为WDM滤波器；光纤6与波导1通过OEIC侧面耦合。
图2为图1所示的光收发一体装置中SOI衬底的结构示意图；SOI衬底7如图2所示，包括Si层71、DBR 72、SiO2层73及Si衬底74。顶层是厚度为1μm～1.5μm的Si层71，Si层71下面是分布式布拉格反射镜，即DBR 72，1～2μm的SiO2层73夹在DBR 72与Si衬底74之间，Si衬底74在最下层。其中，分布式布拉格反射镜采用在Si或SiO2上镀膜形成。DBR 72可降低WDM滤波器的损耗、提高PD/APD与SOI衬底之间的光的耦合效率。
SSC 2有两个，分别集成在Si层71的不同的侧表面，如图1所示，这两个不同的侧表面相对，通过集成在Si层71中的波导1连接。Si层71上集成有SSC 2的一侧表面附着有LD 4，另一侧表面耦合有光纤6。波导1的通路上集成有光栅3，PD/APD 5附着在Si层71的上表面，位于光栅3的上方。
本实施例中，光收发一体装置通过设置在Si层与SiO2层之间的DBR，降低了WDM滤波元件的损耗，提高了PD/APD与SOI衬底之间的光的耦合效率。
当SOI衬底中的半导体的绝缘层为SiO2层时，两个SSC分别集成在Si的邻边；Si层上集成有SSC的一侧表面附着有LD，另一侧表面耦合有光纤，光纤耦合端面独有抗反射膜；Si层上与附着有LD相对的对边侧表面附着有PD/APD；LD、光纤及PD/APD通过集成的波导连接；PD/APD与附着的硅层侧表面之间设置有WDM滤波元件。
图3为本发明实施例提供的另一种光收发一体装置中Si层的集成示意图。如图3所示，光收发一体装置中，LDD、TIA、LA等电路、波导11、波导12、SSC 2等光路同时集成在SOI衬底8上形成OEIC，LD 4粘附在SOI衬底8侧面或者倒装焊接，PD/APD 5粘附在SOI衬底8另一侧面，与LD4相对。
SSC 2有两个，分别集成在硅层81(见图4)的相邻的两侧。在硅层81上集成有SSC 2的一侧表面上附着有LD 4，在硅层81上集成有SSC 2的另一侧表面上耦合有光纤6，光纤6耦合端面镀有抗反射膜10。
与LD 4附着的表面相对的硅层81表面上附着有PD/APD 5，LD 4、光纤6及PD/APD 5通过波导11连接；PD/APD 5与硅层81之间设置有WDM滤波元件即WDM滤波器9。
在OEIC与PD/APD5端面粘附WDM滤波器9，或者WDM滤波器9直接镀膜在SOI衬底8侧面；光纤6与波导11、波导12通过OEIC侧面耦合，并在OEIC与光纤6耦合端面镀抗反射膜10。
其中，波导11连接光纤6与PD/APD 5，用来作为光纤与PD/APD5之间的光通道；波导12连接光纤6与LD 4，用来作为光纤6与LD 4之间的光通道。两个耦合波导在光纤6与OEIC耦合侧采用锥形波导，其中一个为锥形波导，另外一个为反锥形波导；两个耦合波导之间的间距随光传输固定或变化。
LD 4产生的光的波长为1310nm；PD/APD 5接收的光的波长为1490nm。
图4为图3所示的光收发一体装置中SOI衬底的结构示意图。本实施例中，SOI衬底8如图4所示，包括：Si层81、SiO2层82及Si衬底83。顶层是厚度为1μm～1.5μm的Si层81，混合集成了上述光路及电路；中间层是SiO2层82，最下层位Si衬底83。
本实施例中，光收发一体装置通过锥形波导与反锥形波导，将光纤分别与PD/APD、LD进行连接，实现了光收发一体装置的一种光路传输方式，实现了光收发一体装置的结构多样性。
或者，光收发一体装置的混合集成结构如图5所示，图5为本发明实施例提供的另一种光收发一体装置中Si层的集成示意图。光收发一体装置中，LDD、TIA、LA等电路、波导13、波导14、SSC 2等光路同时集成在如图4所示的SOI衬底8上，LD 4粘附在SOI衬底8侧面或者倒装焊接，PD/APD 5粘附在SOI衬底8另一侧面，与LD 4相对。
在OEIC与PD/APD 5耦合端面加WDM滤波器9，或者WDM滤波器9直接镀膜在SOI衬底8侧面；光纤6与波导13通过SOI衬底8侧面耦合，并在SOI衬底8与光纤6耦合端面镀抗反射膜。
其中，波导13连接光纤6与PD/APD 5，用来作为光纤6与PD/APD5之间的光通道；波导14连接PD/APD 5与LD 4，用来作为PD/APD 5与LD 4之间的光通道。
本实施例中，光收发一体装置两条波导，将PD/APD分别与光纤、LD进行连接，实现了光收发一体装置的另一种光路传输方式，进一步实现了光收发一体装置的结构多样性。
上述实施例中，LDD、TIA、LA等电路、波导、SSC等光组件，可采用SOI CMOS工艺集成在同一个SOI衬底上，并且电路功能集成在SOI上的光路空余部分，进一步提高了光收发一体装置的集成度，降低了光收发一体装置成本。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种光收发一体装置，其特征在于，包括：硅衬底、半导体的绝缘层及附着在所述半导体的绝缘层上的硅层；
所述半导体的绝缘层设置于所述硅衬底及硅层之间；
所述硅层集成有激光驱动器、跨阻放大器、限幅放大器、波导及模斑转换器；
所述硅层表面附着有激光器、光检测器或雪崩光电二极管。
2.根据权利要求1所述的光收发一体装置，其特征在于，所述半导体的绝缘层包括分布式布拉格反射镜与二氧化硅层，所述分布式布拉格反射镜设置于所述硅层与所述二氧化硅层之间。
3.根据权利要求2所述的光收发一体装置，其特征在于，所述模斑转换器有两个，分别集成在所述硅层的不同的侧表面，所述不同的侧表面相对，通过集成在所述硅层中的波导连接；
所述硅层上集成有所述模斑转换器的一侧表面附着有激光器，另一侧表面耦合有光纤；
所述波导的通路上集成有光栅，所述光检测器或雪崩光电二极管附着在所述硅层的上表面，位于所述光栅的上方。
4.根据权利要求1所述的光收发一体装置，其特征在于，所述半导体的绝缘层为二氧化硅层。
5.根据权利要求4所述的光收发一体装置，其特征在于，所述模斑转换器有两个，分别集成在所述硅层的相邻的两侧；
在所述硅层上集成有所述模斑转换器的一侧表面上附着有激光器，在所述硅层上集成有所述模斑转换器的另一侧表面上耦合有光纤，所述光纤耦合端面镀有抗反射膜；
与所述激光器附着的表面相对的所述硅层表面上附着有光检测器或雪崩光电二极管；
所述激光器、光纤及光检测器或雪崩光电二极管通过所述波导连接；
所述光检测器或雪崩光电二极管与所述硅层之间设置有波分复用滤波元件。
6.根据权利要求5所述的光收发一体装置，其特征在于，所述激光器、光纤及光检测器或雪崩光电二极管通过所述波导连接包括：
所述激光器与所述光纤之间通过一条所述波导连接，所述光纤与所述光检测器或雪崩光电二极管之间通过另一条所述波导连接。
7.根据权利要求6所述的光收发一体装置，其特征在于，连接所述光纤的两个波导，其中一个与所述光纤耦合的一端为锥形，另一个与所述光纤耦合的一端为反锥形。
8.根据权利要求5所述的光收发一体装置，其特征在于，所述激光器、光纤及光检测器或雪崩光电二极管通过所述波导连接包括：
所述光检测器或雪崩光电二极管与所述光纤之间通过一条所述波导连接，所述激光器与所述光检测器或雪崩光电二极管之间通过另一条所述波导连接。
9.根据权利要求1-8任一项所述的光收发一体装置，其特征在于，所述硅层的厚度为1μm～1.5μm。
10.根据权利要求1-8任一项所述的光收发一体装置，其特征在于，所述装置还包括：雪崩光电二极管偏压电路；
所述雪崩光电二极管偏压电路与所述雪崩光电二极管连接，所述光检测器或雪崩光电二极管与所述跨阻放大器连接，所述跨阻放大器与所述限幅放大器连接，所述激光驱动器与所述激光器连接，所述模斑转换器与所述波导相连。
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