CN102369676A - 光发射机、光探测器和无源光网络系统 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种光发射机，包括可调激光器、光探测器和耦合在所述可调激光器和光探测器之间的调节模块，其中所述可调激光器的部分输出光作为检测光并提供至所述光探测器，所述光探测器包括：半导体衬底；光电检测PIN结构，其设置在所述半导体衬底；集成法布里-珀罗FP腔，其包括设置在所述半导体衬底两个相对表面的反射面，其中所述集成FP腔利用所述半导体衬底的厚度作为其腔长，且所述半导体衬底的厚度使得所述集成FP腔的透射峰位于预设目标波长。本申请还进一步提供一种光探测器和无源光网络系统。

Description

光发射机、光探测器和无源光网络系统

技术领域

本申请主要涉及光通信技术，特别地，涉及一种具有波长锁定功能的光发射机；本申请还涉及一种可适用于所述光发射机的光探测器(Photonic Detector，PD)和一种可使用所述光发射机的无源光网络系统。

背景技术

随着用户对带宽需求的不断增长，传统的铜线宽带接入系统越来越面临带宽瓶颈。与此同时，带宽容量巨大的光纤通信技术日益成熟且应用成本逐年下降，光纤接入网，比如无源光网络(Passive Optical Network，PON)，逐渐成为下一代宽带接入网的有力竞争者。目前，在众多的光纤接入网解决方案中，基于波分复用(Wavelength Division Multiplexing，WDM)技术的WDM PON系统由于具有较大的带宽容量、类似点对点的通信方式保证信息安全性等优点而备受关注。

为实现光源无色化，WDM PON系统的光发射机通常采用可调激光器，以使得所述WDM PON系统不需要为每个波长通道预存特定波长的激光器，实现即插即用，从而解决仓储问题，大大降低了运维成本和网络部署成本。不过，由于WDM PON系统采用阵列波导光栅(Array Waveguide Grate，AWG)将各个波长通道的光信号复用到同一传输介质(即光纤)进行传输，并且，AWG是波长相关器件，因此，在WDM PON系统中采用可调激光器需要解决波长对准及波长稳定性的问题。当可调激光器工作时，需要将其调谐并锁定到对应的工作波长，如果所述可调激光器的工作波长发生漂移或抖动，其可能会对相邻波长通道产生严重的串扰并增加通道损耗，从而影响所述WDM PON系统的性能。基于以上分析，采用可调激光器的光发射机通常必须引入波长锁定机制，确保所述可调激光器可以精确地调谐到预定工作波长，并在所述预定工作波长稳定的进行工作。

现有技术提出一种在光发射机中设置衍射光栅以实现可调激光器波长锁定的技术方案。其中，所述衍射光栅刻蚀在楔形基板其中一个表面，且所述楔形基板的另一个表面设置为反射面。可调激光器的一部分输出光被提取并入射到所述衍射光栅之后将产生衍射光束，利用所述衍射光束与在所述反射面形成的反射光之间的干涉作用，可以将可调激光器锁定在目标波长。不过，在上述方案中，由于需要精确设计光栅周期、占空比和刻蚀深度，所述衍射光栅的制作难度非常大，因此，所述光发射机的制作和封装成本很高，且制作出来的器件体积较大，无法满足小型化封装的需求。

发明内容

本申请提供一种制作难度较低且可以满足小型化封装需求的光发射机；同时，本申请还提供一种可适用于所述光发射机的光探测器以及一种采用所述光发射机的无源光网络系统。

一种光发射机，其包括可调激光器、光探测器和耦合在所述可调激光器和光探测器之间的调节模块，其中所述可调激光器的部分输出光作为检测光并提供至所述光探测器，所述光探测器包括：半导体衬底；光电检测PIN结构，其设置在所述半导体衬底；集成法布里-珀罗FP腔，其包括设置在所述半导体衬底两个相对表面的反射面，其中所述集成FP腔利用所述半导体衬底的厚度作为其腔长，且所述半导体衬底的厚度使得所述集成FP腔的透射峰位于预设目标波长；其中，所述集成FP腔用于对所述检测光进行周期性滤波，所述光电检测PIN结构用于对经过周期性滤波的检测光转换为相应的电流并输出至所述调节模块；所述调节模块用于根据所述光电检测PIN结构的输出电流调节所述可调激光器以使其输出波长锁定在所述预设目标波长。

一种光探测器，其包括半导体衬底；光电检测PIN结构，其设置在所述半导体衬底，所述光电检测PIN结构包括p型半导体覆盖层、n型半导体覆盖层和位于二者之间的光吸收层；集成法布里-珀罗FP腔，其包括设置在所述半导体衬底两个相对表面的反射面，其中所述集成FP腔利用所述半导体衬底的厚度作为其腔长，且所述半导体衬底的厚度使得所述集成FP腔的透射峰位于预设目标波长。

一种无源光网络系统，其包括光线路终端和多个光网络单元，所述光线路终端通过光分配网络连接到所述多个光网络单元；其中，所述光线路终端和/或光网络单元包括上述光发射机。

本申请提供的技术方案通过在光探测器设置集成FP腔，利用所述集成FP腔的周期性滤波作用，可以实现对所述光发射机的输出光的波长锁定。由于所述集成FP腔可以主要通过半导体制造工艺中成熟的镀膜技术在光探测器芯片生成而实现单片集成，因此与现有技术相比，所述光发射机无需采用结构较为复杂且制作难度较大的衍射光栅，实现起来比较简单，且利用单片集成技术形成的器件体积较小，可以实现小型化封装。并且，在所述光发射机中，所述集成FP腔有效地利用所述光探测器中的半导体衬底的厚度作为其腔长，无需通过重新结晶生成因而可以极大地节省制作时间，从而有效地简化制作工艺并降低制作成本。

附图说明

图1为本申请一种实施例提供的光发射机的示意图。

图2为图1所示的光发射机中的光探测器第一种可选实现方式的剖面结构示意图。

图3为图2所示光探测器的输出电流与波长的关系曲线图。

图4为图1所示的光发射机中的光探测器第二种可选实现方式的剖面结构示意图。

图5为图1所示的光发射机中的光探测器第三种可选实现方式的剖面结构示意图。

图6为图1所示的光发射机中的光探测器第四种可选实现方式的剖面结构示意图。

图7为本申请另一种实施例提供的光发射机的示意图。

图8为图7所示的光发射机中的光探测器一种可选实现方式的剖面结构示意图。

图9为图8所示的光探测器中功率检测区域和光电检测区域的位置关系示意图。

图10为本申请又一种的实施例提供的光发射机的示意图。

图11为本申请提供的光发射机可以适用其中一种无源光网络系统的结构示意图。

具体实施方式

以下结合具体实施例，对本申请提供的光发射机、光探测器及其制造方法进行详细描述。

为解决WDM PON系统光发射机的制作难度大且器件体积大的问题，本申请首先提供了一种光发射机，其可以包括可调激光器、具有波长锁定功能的光探测器(PD)和用于调节所述可调激光器的输出波长的调节模块。所述光探测器的芯片内部除了设置在半导体衬底的光电检测PIN结构以外，还集成有作为周期性滤波结构的集成法布里-珀罗(Fabry-Perot，FP)腔。其中，所述可调激光器的一部分输出光可以被提取出来作为检测光，所述光探测器可以首先利用其内部的集成FP腔对所述检测光进行周期性滤波处理，以滤除所述检测光中与预设目标波长(比如ITU标准规定的工作波长，以下简称为ITU波长)不一致的部分，将所述检测光限制在所述预设目标波长；并且，所述光探测器可利用其内部的光电检测PIN结构所述经过周期性滤波处理的检测光转换为电流，并输出给所述调节模块。所述调节模块可以进一步根据所述光探测器的输出电流调整所述可调激光器的工作波长，以使所述光探测器的输出电流达到预设值(比如，理论最大值)，从而将其输出光的波长锁定在所述预设目标波长。

在具体实施例中，所述集成FP腔可以通过目前成熟的半导体制造工艺集成在光探测器芯片，比如，在设置所述光电检测PIN结构的半导体衬底两面分别设置反射层，使得所述集成FP腔利用所述半导体衬底的厚度作为其腔长。通过所述集成FP腔的周期性滤波作用，本申请提供的光发射机可以实现将所述可调激光器的输出波长锁定在预设目标波长，而无需采用结构较为复杂且制作难度较大的衍射光栅，因此实现起来比较简单且成本较低，而且利用单片集成技术形成的器件体积较小，可以实现小型化封装。

请参阅图1，在本申请提供的一种实施例中，所述光发射机100可以包括光源模块110、分光模块120、光探测器130和调节模块140。其中，所述光源模块110可以包括波长可以调节的可调激光器111。所述分光模块120可以包括具有一个公共端和两个分支端的1:2分光器，所述1:2分光器的公共端通过光纤耦合至所述光源模块110，且其中一个分支端作为所述光发射机100的输出端，另一个分支端耦合至所述光探测器130。所述光探测器130为如上所述具有光电检测PIN结构和集成FP腔的光探测器，所述光探测器130的可选具体结构将在下面结合图2至图6进行详细介绍。所述调节模块140耦合在所述光探测器130和所述可调激光器110之间，其可以根据所述光探测器130提供的反馈信号对所述可调激光器110的波长进行调节，从而将所述可调激光器的输出光的波长锁定在预设目标波长。

请一并参阅图2，在一种可选实施例中，所述具有波长锁定功能的光探测器130可以具有多层结构，其包括第一电极层131、半导体衬底132、反射介质层133、光吸收层134、半导体覆盖层135、欧姆接触层136和第二电极层137。其中，所述第一电极层131可以设置在所述多层结构的底部，所述第二电极层137可以设置在所述多层结构的顶部，二者分别作为所述光探测器130的阳极和阴极。所述半导体衬底132、所述反射介质层133、所述光吸收层134、所述半导体覆盖层135和所述欧姆接触层136可以自下而上依次设置在所述第一电极层131和所述第二电极层137之间。

在一种实施例中，所述第一电极层131和所述第二电极层132可以为金属层，其可以为所述光探测器130施加工作偏压。所述第一电极层131可以在其中间区域具有一开口，所述开口可以作为所述光探测器130的光入射区域，用于使得所述分光模块120提取的检测光可以入射到所述光探测器130内部。在一种具体实施例中，所述光入射区域可以覆盖有具有高反射率的介质膜139，比如所述介质膜139的反射率可以为80％-90％，所述介质膜139可以在所述开口138处将入射光相对应的反射光反射回所述半导体衬底132。另外，所述第一电极层131可以具有高反射率，其可以作为反射镜面使得由所述光入射区域进入所述光探测器130的入射光可以在所述第一电极层131和所述反射介质层133之间发生往返多次反射，从而实现周期性滤波。

所述半导体衬底210可以为磷化铟(InP)衬底，其厚度可以是250-525μm，为满足所述预设目标波长与FP腔长的对应关系，所述半导体衬底的厚度优选为400-500μm，比如475μm。所述欧姆接触层136可以为P型重掺杂的砷化镓铟(InGaAs)层，其用于实现所述第二电极层137与所述半导体覆盖层135之间的欧姆接触，以减小二者之间的阻抗。

所述反射介质层133可以具有多层分布式布拉格反射(Distributed BraggReflector，DBR)薄膜，所述DBR薄膜可以具有高反射率，比如其反射率可以为80％-90％，且所述DBR薄膜可以是n型掺杂的铟镓砷磷/磷化铟(InGaAsP/InP)薄膜，即所述反射介质层133可以是n-InGaAsP/InP层。在一种具体实施例中，所述反射介质层133可以包括20层DBR薄膜，其中，所述DBR薄膜的最高折射率为n_H＝3.450，最低折射率为n_L＝1.168。

在所述光探测器130中，所述反射介质层133的多层DBR薄膜、所述作为反射镜面的第一电极层131以及二者之间的半导体衬底132可以形成类似于FP标准具(Fabry-Perot Etalon)的周期性滤波器结构，其相当于在所述光探测器130内部集成一个FP腔。为区别与其他分立器件，以下将所述光探测器130内部的FP腔称为集成FP腔，所述集成FP腔用以对进入所述光探测器130的入射光进行周期性滤波。其中，所述第一电极层131和所述反射介质层133之间的距离作为所述集成FP腔的腔长h，也即是说，在本实施例中，所述集成FP腔利用所述半导体衬底132的厚度作为其腔长h的主要部分。

具体地，所述光探测器130内部的集成FP腔可以通过入射光在所述第一电极层131和所述反射介质层133的多层DBR薄膜之间往返多次反射形成的反射光之间的多光束干涉实现周期性滤波。具体而言，当入射光以入射角θ₀从所述光入射区域进入所述光探测器130内部时，其在所述第一电极层131和所述反射介质层133之间的半导体衬底132将会经过多次反射，由于作为反射镜面的所述第一电极层131和所述反射介质层133的多层DBR薄膜均具有高反射率(80％-90％)，因此反射光将发生多光束干涉。假设相邻两束光相位差为δ＝(4πnhcosθ)/λ，其中，n为所述集成FP腔的折射率，nh为所述集成FP腔的光学腔长，θ为光折射角，λ为波长。由多光束干涉理论可得到反射光在某一点的光强I^(r)满足以下公式：

$I^{\left(r\right)}=\frac{(2-2\cos \mathrm{\δ})R}{1+R^2-2R\cos \mathrm{\δ}}{I}^{\left(i\right)}=\frac{4R{\sin }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2}}{{(1-R)}^2+4R{\sin }^2\frac{\mathrm{\δ}}{2}}{I}^{\left(i\right)},$ 其中R为反射率；

可见，由于多光束干涉，当δ＝(2m+1)π时形成亮条纹，即波长与δ＝(2m+1)π相对应的光波可以产生峰值光功率，其余波长的光波的光功率值逐渐下降，当光波的波长与δ＝2mπ相对应时，由于光波干涉相互抵消而使得光功率降至基本为零。所述光探测器130内部的集成FP腔通过多光束干涉实现对入射光的滤波。由于δ＝(4πnhcosθ)/λ，与所述集成FP腔的腔长h相关，选取合适的FP腔长h，可以使得具有光功率最大值的光波的波长刚好与预设目标波长(即ITU波长)相一致，即是使得所述集成FP腔在预设目标波长处具有透射峰。另一方面，由于m的取值无穷性(m可以取1、2、3......)，所述集成FP腔中产生峰值光功率的光波波长会周期性地出现，由此可见，所述光探测器130可以利用所述集成FP腔实现周期性滤波。

不过，在具体实现中，满足上述条件的FP腔长h通常要达到几百μm，若采用如果分立器件并通过传统工艺通过结晶生长来形成FP腔是很难满足要求的，因为传统工艺结晶生长的速度很慢，一天才可以生长若干μm的厚度，时间成本太高必然导致最终器件的成本大幅上升。本申请实施例提供的技术方案通过图2所示的结构，在所述光探测器130中采用集成FP腔，创造性地利用所述半导体衬底132本身的厚度作为FP腔长，有效避免传统工艺需要在半导体基底结晶生长出ITU波长所需的几百μm所带来的时间成本问题，极大地简化制作工艺并降低制作成本。

并且，通过上述公式还可以发现，所述光探测器130的周期性滤波效果还与为所述集成FP腔提供反射镜面的第一电极层131和反射介质层133的反射率相关，具体而言，反射率越大则所述周期性滤波结构的过渡带越陡，所述集成FP腔的滤波性能便越佳。由于半导体制造工艺的镀膜技术已经非常成熟，因此在本申请实施例可以通过镀膜技术简单且低成本地实现高反射率的第一电极层131和反射介质层133。另外，在实际产品中，还可以通过抛光技术对所述半导体衬底132进行两面抛光以进一步提高所述集成FP腔的反射率，提高滤波性能。

另一方面，在所述光探测器130中，在所述反射介质层133表面的所述光吸收层134可以为非掺杂铟镓砷(InGaAs)层，比如本征InGaAs层，即i-InGaAs层。所述半导体覆盖层135可以是p型掺杂半导体覆盖层，比如p型掺杂的InP层，即p-InP层。其中，所述p-InP层(即所述半导体覆盖层135)和所述n-InGaAsP/InP层(即所述反射介质层133)与设置在二者之间的所述i-InGaAs层(即所述光吸收层134)可以在所述光探测器130内部构成所述光电检测PIN结构。在具体工作时，通过所述第一电极层131和第二电极层137给所述PIN结构施加反向偏压，所述光电检测PIN结构中的光吸收层134(即i-InGaAs层)可以吸收经过所述集成FP腔进行周期性滤波处理的入射光而产生光生电子，从而在所述第一电极层131和所述第二电极层137之间生成与入射光强度成正比的光生电流，实现将符合预设目标波长的入射光的光功率转化为相对应的电流强度。

为更好地理解本申请上述实施例，以下简单介绍图1所示的光发射机100的工作过程。

当所述发射机100工作时，所述光探测器130的第一电极层131和第二电极层137之间被施加反向偏压，所述可调激光器110的输出光经过所述分光模块120的分光处理之后，一部分输出光被提取出来并作为检测光并传输至所述光探测器130。所述检测光从所述光探测器130的光入射区域进入所述半导体衬底132，并在所述集成FP腔的所述第一电极层131和所述反射介质层133之间多次反射而实现周期性滤波之后，被所述光电检测PIN结构中的光吸收层134所吸收并转换为相对应的光生电流并输出。所述光探测器130的输出电流被进一步反馈至所述调节模块140，所述调节模块140根据所述光探测器130的输出电流调整所述可调激光器110的工作波长，从而实现将其输出光的波长锁定在预设目标波长。

其中，所述集成FP腔通过多光束干涉，使得波长与所述集成FP腔的透射峰相对应的光波可以在所述光电检测PIN结构产生较强的电流。本实施例中，通过选取合适厚度的半导体衬底132，所述集成FP腔的腔长h可以使得其透射峰位于预设目标波长(即ITU波长)，由此，所述光探测器130的输出电流在所述预设目标波长达到峰值，而所述输出电流在偏离所述预设目标波长的波长段显著降低，如图3所示。因此，当所述可调激光器110的输出光的波长与预设目标波长不一致时，所述光探测器130的输出电流很小甚至没有输出电流，而所述可调激光器110的输出光的波长被调整到与预设目标波长相一致(即进入ITU波长的波长锁定范围)时，所述光探测器130将开始有显著的电流输出。

所述光探测器130的输出电流被反馈至所述调节模块140之后，所述调节模块140可以根据所述光探测器130的输出电流调节所述可调激光器110的输出波长，以使所述光探测器130的输出电流达到最大值。当所述光探测器130的输出电流达到最大值时，其意味着所述可调激光器110的输出波长已经被调整至所述预设目标波长，因此，所述调节模块140可以停止调节，此时所述可调激光器110的输出波长便被锁定在所述预设目标波长。

可见，本申请上述实施例提供的光发射机100通过在所述光探测器130设置集成FP腔，利用所述集成FP腔的周期性滤波作用，可以实现对所述光发射机100的输出光的波长锁定。由于所述集成FP腔可以主要通过半导体制造工艺中成熟的镀膜技术在光探测器芯片生成而实现单片集成，因此与现有技术相比，所述光发射机100无需采用结构较为复杂且制作难度较大的衍射光栅，实现起来比较简单，且利用单片集成技术形成的器件体积较小，可以实现小型化封装。并且，在所述光发射机100中，所述集成FP腔有效地利用所述光探测器130中的半导体衬底132的厚度作为其腔长h，无需通过重新结晶生成因而可以极大地节省制作时间，从而有效地简化制作工艺并降低制作成本。

另外，在图2所示的光探测器130中，可替代地，所述具有高反射率的介质膜139也可以设置在所述半导体衬底132和所述第一电极层131之间，并覆盖所述半导体衬底132的整个底面，如图4所示。所述介质膜139可以替代所述第一电极层131作为所述集成FP腔的其中一个反射镜面，使得入射光可以在所述半导体衬底132往返多次反射以实现多光束干涉。由此，所述第一电极层131便可以采用普通金属材料，而无需采用高反射率的金属材料，因此可进一步节省制作成本。在其他替代实施例中，当所述半导体衬底132的底面被抛光层具有高反射率时，所述光探测器130甚至还可以省去所述介质膜139。也即是说，在图2所示的光探测器130中，只需要在所述半导体衬底132的底面形成有反射镜面便可，所述反射镜面可以是由高反射率的电极层131或者高反射率的介质层139提供，也可以通过抛光或者其他方式形成。

请参阅图5，其为图2所示的光探测器130的另一种替代实现方式。图5所示的光探测器230可以在光吸收层234和欧姆接触层236之间设置有第一半导体覆盖层235，并且在在所述介质反射层233和光吸收层234之间设置第二半导体覆盖层253。其中所述第一半导体覆盖层235可以为如图2所示的p型掺杂半导体覆盖层，比如p-InP层；所述第二半导体覆盖层253可以为n型掺杂的半导体覆盖层，比如n-InP层或者n-InGaAsP层。所述第一半导体覆盖层235、所述光吸收层234和所述第二半导体覆盖层253可以构成所述光探测器230内部的光电检测PIN结构。另外，由于所述n型掺杂的第二半导体覆盖层253的存在，在图5所示的光探测器230的结构中，所述介质反射层233的DBR薄膜可以不进行n型掺杂。所述光探测器230利用所述n型掺杂的第二半导体覆盖层253，可以阻止所述光吸收层234产生的光生电子进入到所述介质反射层233的DBR薄膜，有效提高光电探测响应速度，避免受所述DBR薄膜的阻抗影响而使得光电探测响应时间过长。

请参阅图6，其为图2所示的光探测器130的又一种替代实现方式。图6所示的光探测器330可以包括第一半导体覆盖层335、光吸收层334、第二半导体覆盖层336、反射介质层333、半导体衬底332、具有高反射率的介质膜339、欧姆接触层338、第一电极层331和第二电极层337。

其中，所述反射介质层333和所述介质膜339可以分别设置在所述半导体衬底332相对的两个表面，比如，所述介质反射层333可以设置在所述半导体衬底332的上表面，所述介质膜339可以设置在所述半导体衬底332的底面，且所述介质膜339可以提供检测光的入射面，所述检测光可以通过所述介质膜339进入所述光探测器330内部。所述反射介质层333可以包括多层DBR薄膜，且所述反射介质层333、所述介质膜339和二者之间的所述半导体衬底332可以在所述光探测器330内部形成一个集成FP腔，用来对入射光进行周期性滤波，其中所述半导体衬底332的厚度相当于所述集成FP腔的腔长。

所述第一半导体覆盖层335和所述第二半导体覆盖层336可以分别进行p型掺杂和n型掺杂，所述光吸收层334设置于二者之间且不进行掺杂，从而在所述光探测器330内部构成光电检测PIN结构。其中，所述第二半导体覆盖层336覆盖所述反射介质层333，且其表面定义有位于中间位置的光电探测区域(未标示)和位于所述光电探测区域351周围的电极区域(未标示)。所述光吸收层334和所述第二半导体覆盖层335设置在所述第二半导体覆盖层336表面的光电探测区域，所述第一电极层331设置在所述第二半导体覆盖层336表面的电极区域。所述第二电极层337和所述欧姆接触层336设置在所述第二半导体覆盖层335表面，其中第一电极层331和所述第二电极层337分别作为所述光探测器330的阳极和阴极，二者可以为所述光电检测PIN结构提供反向偏压，且所述第二电极层337还可以将所述光吸收层334在光电探测过程中产生的光生电流输出。另外，所述光电探测区域和所述电极区域之间可以设置有绝缘材料，比如二氧化硅(SiO2)，用以实现所述第一电极层331与所述光吸收层335、第一半导体覆盖层334、欧姆接触层338和第二电极层337之间的电隔离。

应当理解，以上仅是介绍图6所示的光探测器330与图2所示的光探测器130在结构上的区别，关于所述光探测器330各个层的其他特征可以参照上述关于光探测器130的描述，另外，在图6所示的光探测器330也可以应用到图1所示的光发射机100，且其工作过程也与图2所示的光探测器130相类似，以下均不再赘述。

当所述光发射机100采用图6所示的光探测器330时，其除了如上述实施例所述具有实现简单、制作成本低且可以实现小型化封装的技术效果以外，相较于图2所示的光探测器130，由于所述第一电极层331邻近于所示第二电极层337，所述光吸收层335在光电探测过程中产生的光生电子在所述光探测器330中的渡越时间可以得到有效降低，从而有利于高速率信号响应，因此更适应于高速率的应用场景。

请参阅图7，其为本申请另一种实施例提供的光发射机700的结构示意图。所述光发射机700包括光源模块710、分光模块720、光探测器730和调节模块740。其中，所述光源模块710可以包括波长可以调节的可调激光器711。所述光探测器730可以集成有用于对入射的检测光进行周期性滤波的集成FP腔760和用于进行光电探测的光电检测PIN结构770，并且与上述实施例相比，所述光探测器730内部还集成有用于进行功率检测的功率检测PIN结构780。所述光探测器730可选的具体结构将在下面结合图8和图9进行详细描述。

所述分光模块720可以包括第一分光器721和第二分光器722，其中所述第一分光器721的公共端通过光纤耦合至所述可调激光器711，且其中一个分支端作为所述光发射机700的输出端，另一个分支端耦合至所述第二分光器722的公共端。所述第二分光器722的两个分支端分别耦合至所述光探测器730的光电探测PIN结构770和功率检测PIN结构780。所述第一分光器721可以从所述可调激光器711的输出光提取一部分作为检测光，所述第二分光器722可进一步对所述检测光进行分光处理并将其中一部分作为功率检测光输入到所述功率检测PIN结构780，所述功率检测PIN结构780可以将所述功率检测光转换为对应的电流，并输出到所述调节模块740作为参考电流I2。所述检测光的另一部分可以如以上实施例所述作为光电检测光，经过所述集成FP腔760的周期性滤波以及所述光电检测PIN结构770的光电检测，被转换成对应的输出电流I1并反馈至所述调节模块740。本实施例中，通过适当的设计，可以使得被提供至所述功率检测PIN结构780的功率检测光的功率恒定，并且对应的可以使所述功率检测PIN结构780输出的参考电流I2的值等于所述光电检测PIN结构770的输出电流I1的理论峰值。

所述调节模块140耦合在所述光探测器730和所述可调激光器711之间，其可以根据所述光探测器130提供的反馈电流I1和参考电流I2对所述可调激光器110的波长进行调节，使所述反馈电流I1等于所述参考电流I2，从而将所述可调激光器711的输出光的波长锁定在预设目标波长，具体原理请参阅上述实施例的描述。

请一并参阅图8和图9，其中图8为所示光探测器730的剖面结构示意图，所示图9为所述光探测器730中的光电检测PIN结构770和功率检测PIN结构780的平面位置关系示意图。所述光探测器730与图6所示的主要区别在于，所述光探测器730中的第二半导体覆盖层736表面除了定义有光电探测区域751和电极区域752以外，还定义有功率探测区域753，用以在所述光探测器730内部集成所述功率检测PIN结构780。其中，所述光电检测区域751和所述功率检测区域753分别并排地设置在第二半导体覆盖层736表面的中线两侧，所述电极区域752位于所述第二半导体覆盖层736表面的其他区域，即位于所述光电检测区域751和所述功率检测区域753的周围以及二者中间。

其中，所述光电检测PIN结构770与图6所示的光探测器330的光电探测PIN结构的具体结构相类似，具体地，所述光电检测PIN结构770包括第一电极层731、第一半导体覆盖层735、第一光吸收层734、第二半导体覆盖层736、第一欧姆接触层738和第二电极层737。所述第一光吸收层734设置在所述第一半导体覆盖层735和所述第二半导体覆盖层736之间，其中所述第一半导体覆盖层734和第二半导体覆盖层736分别进行p型掺杂和n型掺杂，所述第一光吸收层735不进行掺杂，从而形成所述光电探测PIN结构。所述第二半导体覆盖层736覆盖所述集成FP腔760中的反射介质层733表面，且所述光电探测PIN结构设置在所述第二半导体覆盖层736表面的光电探测区域751，所述第一电极层731设置在所述第二半导体覆盖层736表面的电极区域752。另外，所述第二电极层737和所述第一欧姆接触层738覆盖第一半导体覆盖层735，所述第一电极层731和所述第二电极层737用于为所述光电检测PIN结构770提供反向偏压，且所述第二电极层737还可以将光电探测生成的输出电流I1输出至所述调节模块740。

所述功率检测PIN结构780与所述光电检测PIN结构770的结构相类似。所述功率检测PIN结构780与所述光电检测PIN结构770共享所述n型掺杂的第二半导体覆盖层736，并且，所述功率检测PIN结构780还包括依次设置在所述第二半导体覆盖层736表面功率探测区域753的第二光吸收层783、第三半导体覆盖层785、第二欧姆接触层788和第三电极层787。其中，所述第三半导体覆盖层783与所述第一半导体覆盖层733相类似，其同样进行p型掺杂，比如可以为p-InP层；所述第二光吸收层785与所述第一光吸收层735相类似，其同样可以不进行掺杂，比如可以为i-InGaAs层，从而形成所述功率检测PIN结构780。

另外，所述功率检测PIN结构780还与所述光电检测PIN结构770共享所述第一电极层731，所述第一电极层731可以与所述第三电极层787相互配合，为所述功率检测PIN结构780提供反向偏压。其中，所述第三电极层787在其中间区域具有一个开口，所述开口可以作为功率检测光的入射区域。通过所述开口入射到所述功率检测PIN结构780的功率检测光在所述功率检测PIN结构780中被第二光吸收层785所吸收，相对应地产生与所述功率检测光的光功率相对应的光生电流，并作为所述参考电流I2从所述第三电极层787输出至所述调节模块740。

如上面所述，所述功率检测光的功率恒定且可以使得所述功率检测PIN结构780输出的参考电流I2的值等于所述光电检测PIN结构770的输出电流I1的理论峰值，因此，与上述实施例相比，在本实施例中，利用所述功率检测PIN结构780输出的参考电流I2，所述调节模块740在对所述可调激光器711进行调节以实现输出锁定时，可以直接将所述光电检测PIN结构770的输出电流I1与所述参考电流I2进行比较，判断所述输出电流I1是否等于所述参考电流I2，以确定所述可调激光器的输出光是否已经被调节至预设目标波长，而无需在所述输出电流I1的理论峰值所对应的波长附近反复搜索以判断所述输出电流I1已经达到理论峰值。因此，与图2所示的光发射机100相比，本实施例可以进一步缩短所述光发射机700的波长锁定时间。

请参阅图10，其为本申请又一种实施例提供的光发射机800的结构示意图。本实施例的光发射机800除了可以通过波长锁定实现输出波长稳定以外，还带有功率控制功能，可以稳定输出功率。具体而言，所述光发射机800可以包括光源模块810、分光模块820、光探测器830和调节模块840。其中所述光源模块810可以包括可调激光器811和光放大器812，所述光放大器812可用为半导体光放大器(Semiconductor Optical Amplifier，SOA)，其耦合至所述可调激光器811的输出端，可以对所述可调激光器811的输出光进行放大以调整所述光源模块710的输出功率。所述光探测器830内部通过单片集成技术集成有用于进行周期性滤波的集成FP腔860、用于进行光电探测的光电探测PIN结构870和用于进行功率检测的功率PIN结构880，在具体实施例中，所述光探测器830可以使用图8所示的光探测器730，其具体结构请参阅上述实施例的描述。

所述分光模块820可以包括第一分光器821和第二分光器822，所述第一分光器821的公共端通过光纤耦合至所述光放大器812的输出端，且其中一个分支端作为所述光发射机800的输出端，另一个分支端耦合至所述第二分光器822的公共端。所述第二分光器822的两个分支端分别耦合至所述光探测器830的光电检测PIN结构870和功率检测PIN结构880。与上述实施例相类似，所述第一分光器821可以从所述光源模块810的输出光提取一部分作为检测光，所述第二分光器822可进一步对所述检测光进行分光处理并将其中一部分作为功率检测光输入到所述功率检测PIN结构880，所述功率检测PIN结构880可以根据所述功率检测光生成对应强度的功率检测电流I2，并输出到所述调节模块840。所述检测光的另一部分可以作为光电检测光，经过所述集成FP腔760的周期性滤波以及所述光电检测PIN结构770的光电检测，并生成光电检测电流I1并输出至所述调节模块840。

与上述实施例不同，所述功率检测模块880输出的功率检测电流I2并不是作为参考电流，其电流强度值并不恒定地等于所述光电检测PIN结构870输出的光电检测电流I1的理论峰值，本实施例中，所述功率检测电流I2是作为所述调节模块840对所述光放大器812的放大系数的依据，即所述调节模块840可以根据所述功率检测电流I2，对所述光放大器812进行调节，以使所述光源模块810的输出光的光功率稳定在预设值。另外，与图2所示的实施例相类似，所述调节模块870还可以根据所述光电检测电流I1对所述可调激光器811的输出波长进行调节，当所述可调激光器811的输出波长被调节至可以使得所述光电检测电流I1的电流强度达到最大值时，所述可调激光器811的输出波长已经被调整至所述预设目标波长。由此可见，通过本实施例提供的光发射机800，所述光源模块810的输出光的波长可以被锁定在所述预设目标波长，且所述输出光的光功率可以稳定在预设值。

基于上述实施例，本申请还进一步提供一种无源光网络系统。所述无源光网络系统900可以是如图11所示的波分复用无源光网络(WDM PON)系统。

所述无源光网络系统900包括位于局端(Central Office，CO)的光线路终端(Optical Line Terminal，OLT)910和位于用户侧的多个光网络单元(OpticalNetwork Unit，ONU)920，其中所述光线路终端910通过光分配网络(OpticalDistribution Network，ODN)930连接到所述多个光网络单元920。所述光分配网络930可以包括主干光纤931、波分复用/解复用器932和多个分支光纤933，其中所述主干光纤931连接到所述光线路终端910，并通过所述波分复用/解复用器932连接到所述多个分支光纤933，所述多个分支光纤933分别连接到所述光网络单元920。其中，所述波分复用/解复用器932可以为设置在远端节点(Remote Node，RN)阵列波导光栅(Array Waveguide Grating，AWG)，即远端AWG(RN-AWG)。

所述光线路终端910包括有多个局端光收发模块911，所述多个局端光收发模块911通过位于局端的另一个波分复用/解复用器912，比如局端AWG(CO-AWG)耦合到所述主干光纤931。每个光网络单元920分别包括一个用户端光收发模块921，所述用户端光收发模块921与所述局端光收发模块911之间一一对应，且每一对局端光收发模块911和用户端光收发模块921分别采用不同的通信波长(λ1、λ2、...λn)进行类似点对点的通信。

所述局端光收发模块911和所述用户端光收发模块912分别具有光发射机950，用于向对端的光收发模块发射下行光或上行光。在具体实施例中，所述光发射机950可以采用如上述各个实施例提供的任一个具有波长锁定功能的光发射机100、700、800，其具体结构以及工作过程请参阅上述实施例的具体描述。

另外，应当理解，可替代地，本申请实施例提供的无源光网络系统也可以是基于波分复用技术和时分复用(Time Division Multiplexing，TDM)技术的混合无源光网络(Hybird PON，HPON)系统，或者，其他需要对局端光收发模块或者用户端光收发模块中的光发射机进行波长锁定的PON系统。具体的PON系统结构可以参考相关标准的定义，本申请对于所述PON系统的改进主要在于使用了上述实施例所述的光发射机，以降低所述PON系统的整体成本，并通过所述光发射机的小型化封装实现PON设备的小型化。

以上所述，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (22)

1.一种光发射机，其特征在于，包括可调激光器、光探测器和耦合在所述可调激光器和光探测器之间的调节模块，其中所述可调激光器的部分输出光作为检测光并提供至所述光探测器，所述光探测器包括：

半导体衬底；

光电检测PIN结构，其设置在所述半导体衬底；

集成法布里-珀罗FP腔，其包括设置在所述半导体衬底两个相对表面的反射面，其中所述集成FP腔利用所述半导体衬底的厚度作为其腔长，且所述半导体衬底的厚度使得所述集成FP腔的透射峰位于预设目标波长；

其中，所述集成FP腔用于对所述检测光进行周期性滤波，所述光电检测PIN结构用于对经过周期性滤波的检测光转换为相应的电流并输出至所述调节模块；所述调节模块用于根据所述光电检测PIN结构的输出电流调节所述可调激光器以使其输出波长锁定在所述预设目标波长。

2.如权利要求1所述的光发射机，其特征在于，所述集成FP腔包括具有多层分布式布拉格反射DBR薄膜的反射介质层，所述反射介质层设置在所述半导体衬底表面，用于为所述集成FP腔提供其中一个反射面。

3.如权利要求2所述的光发射机，其特征在于，所述光探测器还包括设置在所述半导体衬底底面的电极层和/或介质膜，其中所述电极层和/或介质膜用于为所述集成FP腔提供另一个反射面。

4.如权利要求2所述的光发射机，其特征在于，所述光电检测PIN结构包括p型半导体覆盖层、n型半导体覆盖层以及位于二者之间的光吸收层，其中，所述集成FP腔的反射介质层被进行n型掺杂，所述光电检测PIN结构采用所述n型掺杂的反射介质层作为其n型半导体覆盖层。

5.如权利要求2所述的光发射机，其特征在于，所述光电检测PIN结构包括p型半导体覆盖层、n型半导体覆盖层以及位于二者之间的光吸收层，所述n型半导体覆盖层、所述光吸收层和所述p型半导体覆盖层依次设置在所述集成FP腔的反射介质层表面，其中所述反射介质层不进行掺杂。

6.如权利要求5所述的光发射机，其特征在于，所述n型半导体覆盖层的表面定义有光电检测区域和电极区域，其中所述电极区域设置有第一电极，所述光吸收层、所述p型半导体覆盖层和第二电极层设置在所述光电检测区域，其中所述第一电极层和第二电极层用于为所述光电检测PIN结构提供偏置电压。

7.如权利要求6所述的光发射机，其特征在于，所述光探测器还包括设置在所述半导体衬底的功率检测PIN结构，其中所述功率检测PIN结构还包括另一个p型半导体覆盖层和另一个光吸收层，并与所述光电检测PIN结构共享所述n型半导体覆盖层，所述功率检测PIN结构用于将所述可调激光器输出的另一部分输出光进行功率检测以生成对应的功率检测电流。

8.如权利要求7所述的光发射机，其特征在于，所述n型半导体覆盖层的表面还定义有功率检测区域，所述功率检测区域和所述光电检测区域分别并排地设置在所述n型半导体覆盖层中线的两侧，所述功率检测PIN结构的p型半导体覆盖层和光吸收层设置在所述功率检测区域。

9.如权利要求8所述的光发射机，其特征在于，所述功率检测区域还设置有第三电极层，所述第一电极层和第三电极层用于为所述功率检测PIN结构提供偏置电压，其中所述第三电极层具有一开口，所述开口作为功率检测光的光入射区域。

10.如权利要求7所述的光发射机，其特征在于，所述功率检测电流作为参考电流输出至所述调节模块，其中所述参考电流被设计为等于所述光电检测PIN结构的输出电流的理论峰值；当所述调节模块通过调节所述可调激光器的输出波长使得所述光电检测PIN结构的输出电流与所述参考电流相同时，所述可调激光器的输出波长被调节至所述预设目标波长。

11.如权利要求7所述的光发射机，其特征在于，还包括光放大器，其耦合至所述可调激光器的输出端，且所述调节模块还用于根据所述光探测器提供的功率检测电流对所述光放大器进行调整，以使所述光发射机的输出光功率稳定在预设值。

12.一种光探测器，其特征在于，包括：

半导体衬底；

光电检测PIN结构，其设置在所述半导体衬底，所述光电检测PIN结构包括p型半导体覆盖层、n型半导体覆盖层和位于二者之间的光吸收层；

集成法布里-珀罗FP腔，其包括设置在所述半导体衬底两个相对表面的反射面，其中所述集成FP腔利用所述半导体衬底的厚度作为其腔长，且所述半导体衬底的厚度使得所述集成FP腔的透射峰位于预设目标波长。

13.如权利要求12所述的光探测器，其特征在于，所述集成FP腔包括具有多层分布式布拉格反射DBR薄膜的反射介质层，所述反射介质层设置在所述半导体衬底表面，用于为所述集成FP腔提供其中一个反射面。

14.如权利要求13所述的光探测器，其特征在于，所述光探测器还包括设置在所述半导体衬底底面的电极层和/或介质膜，其中所述电极层和/或介质膜用于为所述集成FP腔提供另一个反射面。

15.如权利要求13所述的光探测器，其特征在于，所述集成FP腔的反射介质层被进行n型掺杂，所述光电检测PIN结构采用所述n型掺杂的反射介质层作为其n型半导体覆盖层。

16.如权利要求13所述的光探测器，其特征在于，所述n型半导体覆盖层、所述光吸收层和所述p型半导体覆盖层依次设置在所述集成FP腔的反射介质层表面。

17.如权利要求16所述的光探测器，其特征在于，所述n型半导体覆盖层的表面定义有光电检测区域和电极区域，其中所述电极区域设置有第一电极，所述光吸收层、所述p型半导体覆盖层和第二电极层设置在所述光电检测区域，其中所述第一电极层和第二电极层用于为所述光电检测PIN结构提供偏置电压。

18.如权利要求17所述的光探测器，其特征在于，所述光探测器还包括设置在所述半导体衬底的功率检测PIN结构，其中所述功率检测PIN结构还包括另一个p型半导体覆盖层和另一个光吸收层，并与所述光电检测PIN结构共享所述n型半导体覆盖层，所述功率检测PIN结构用于将所述可调激光器输出的另一部分输出光进行功率检测以生成对应的功率检测电流。

19.如权利要求18所述的光探测器，其特征在于，所述n型半导体覆盖层的表面还定义有功率检测区域，所述功率检测区域和所述光电检测区域分别并排地设置在所述n型半导体覆盖层中线的两侧，所述功率检测PIN结构的p型半导体覆盖层和光吸收层设置在所述功率检测区域。

20.如权利要求19所述的光探测器，其特征在于，所述功率检测区域还设置有第三电极层，所述第一电极层和第三电极层用于为所述功率检测PIN结构提供偏置电压，其中所述第三电极层具有一开口，所述开口作为功率检测光的光入射区域。

21.如权利要求7所述的光探测器，其特征在于，所述功率检测电流等于所述光电检测PIN结构的输出电流的理论峰值。

22.一种无源光网络系统，其特征在于，包括：光线路终端和多个光网络单元，所述光线路终端通过光分配网络连接到所述多个光网络单元；其中，所述光线路终端和/或光网络单元包括如权利要求1至11中任一项所述的光发射机。

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