CN102882601B - 硅光子集成高速光通信收发模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种硅光子集成高速光通信收发模块，包括光发射部分、光接收部分和硅衬底、光纤，其特征在于：光发射部分、光接收部分均安装在同一硅衬底上，光发射部分的输出端和光接收部分的输入端通过光纤与外部光通信网络实现互连互通。本发明采用硅光子集成技术可以将微电子和光电子结合起来构成硅光子集成高速光通信收发模块，可充分发挥硅基微电子先进成熟的工艺技术、高度集成化、低成本等的优势，具有广泛的市场前景。采用光增益芯片、硅微环谐振芯片、硅反射镜实现的激光发射，具有高密度集成、灵活配置激射波长等优点，可实现紧凑的阵列多波长发射。
Description
技术领域
本发明涉及光子集成、光通信收发模块和光纤通信，特别是应用于高速光通信系统中的关键技术，采用硅光子集成技术实现高速、集成化、低功耗的光通信收发模块。
背景技术
近年来网络流量急速增长，主要来自于云计算、移动互联网视频、数据中心等应用急剧膨胀，这也直接导致了全球光纤通信行业向着高度集成化和低功耗的方向发展，作为光纤通信系统中的关键技术，如何实现集成化的小尺寸、低功耗、低成本光通信收发模块(以下简称“光模块”)成为了当前市场的直接和迫切需求。
借鉴于大规模集成电路的发展路线，目前国外正在开展研究将有源器件(例如激光器、光放大器、探测器和调制器等)和光波导器件(例如分光/耦合器等)集成到一个衬底上，形成光子单片集成或光子混合集成，从而获得单片多功能的器件，实现类似大规模集成电路的优点：低成本、小尺寸、低功耗、灵活扩展和高可靠性等。目前硅光子集成技术被业界认为是最有前景的光子集成技术，采用硅光子集成技术可以将微电子和光电子结合起来，构成硅基光电混合集成芯片和器件，可充分发挥硅基微电子先进成熟的工艺技术、高度集成化、低成本等的优势，具有广泛的市场前景。
硅光子集成工艺与微电子标准CMOS工艺兼容性好，不仅可以大大降低成本，还可集成硅基微电子电路。硅光子集成通常采用Silicon-on-insulator(SOI)材料形成的光波导，其光波导由Si芯层和SiO2包层形成，其间较大的折射率差异对光场有很强的限制作用，从而可实现小到微米量级的波导弯曲半径，从而为小型化和高密度集成化提供了实现的基础。
发明内容
本发明的目的在于针对上述迫切的市场需求，基于先进的硅光子集成技术，提供一种高密度集成、低功耗的硅光子集成高速光通信收发模块，突破了当前市场上的光模块需要先单独将光芯片封装成光器件，再装配到光模块结构件中。采用本发明的技术，可直接将多种功能光芯片与相应需要的外围支持电路芯片集成在硅衬底上，极大减小了当前光模块的尺寸、功耗和成本，易于批量生产，也直接降低了生产成本。
本发明采用的技术方案：
硅光子集成高速光通信收发模块，包括光发射部分、光接收部分和硅衬底、光纤，其特征在于：光发射部分、光接收部分均安装在同一硅衬底上，光发射部分的输出端和光接收部分的输入端通过光纤与外部光通信网络实现互连互通。
所述的光发射部分包括：至少一个激光器、至少一个硅调制芯片、一个光波分复用芯片、至少一个硅光波导Ⅰ、一根光纤Ⅰ，每个激光器的输出端通过一个硅调制芯片和一个硅光波导Ⅰ与光波分复用芯片的输入端相连，光波分复用芯片的输出端通过光纤Ⅰ输出。
所述的光发射部分还包括驱动电路芯片，驱动电路芯片分别与激光器的光增益芯片和硅调制芯片相连。
所述的激光器由光增益芯片、硅光波导Ⅱ、硅反射镜、硅微环谐振芯片组成，当光增益芯片发出的光进入到硅光波导Ⅱ，一部分光会进入到硅微环谐振芯片形成光滤波器，一部分光通过硅反射镜，通过硅反射镜的光作为种子光反射回到光增益芯片中形成激光振荡，即光增益芯片和硅反射镜形成振荡腔。
所述的硅调制芯片由1X2多模(MM)干涉仪、硅光波导Ⅲ、硅延迟线、两个硅相移芯片、2X1MM干涉仪组成，输入直流光与1X2多模(MM)干涉仪相连，1X2多模(MM)干涉仪二个输出端分别连接硅光波导Ⅲ和硅延迟线，硅光波导Ⅲ和硅延迟线分别通过一硅相移芯片与2X1MM干涉仪相连并输出调制光。
所述的硅相移芯片由硅波导层、二氧化硅层和硅衬底Ⅱ组成，硅衬底Ⅱ上依次为二氧化硅层、硅波导层。
所述的光接收部分包括：至少一个限制放大电芯片、至少一个变阻放大电芯片、至少一个光电探测芯片、一个光解复用芯片、至少一个硅光波导Ⅳ、光纤Ⅱ，光纤Ⅱ与光解复用芯片的输入端相连，光解复用芯片的输出端分别与各硅光波导Ⅳ相连，光解复用芯片分别与各光电探测芯片的输入端相连，每个光电探测芯片的输出端分别依次对应一变阻放大电芯片和一个限制放大电芯片。
所述的光接收部分还包括一光放大器，光放大器连接在光纤Ⅱ与光解复用芯片的输入端之间。
本发明采用硅光子集成技术可以将微电子和光电子结合起来构成硅光子集成高速光通信收发模块，可充分发挥硅基微电子先进成熟的工艺技术、高度集成化、低成本等的优势，具有广泛的市场前景。采用光增益芯片、 硅微环谐振芯片、硅反射镜实现的激光发射，具有高密度集成、灵活配置激射波长等优点，可实现紧凑的阵列多波长发射。
附图说明
图1为本发明的硅光子集成高速光模块的结构框图。
图1－1为本发明的半导体探测器安装结构示意图。
图1－2为本发明的光增益芯片嵌入固结在硅衬底上结构示意图。
图2为本发明采用光增益芯片实现激光发射的仿真结果示意图。
图3为本发明采用MZ干涉仪实现的硅调制芯片结构示意图。
图3－1为硅相移芯片结构示意图。
图4为本发明的采用微环谐振芯片实现的硅调制芯片结构示意图。
图4－1为外部调制信号源结构示意图。
图5为采用硅光子集成实现高速光模块的一个具体实例。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，单片集成或混合集成多个不同功能的芯片在同一硅衬底100上。首先说明光发射部分的原理。图1以光增益芯片110形成的激光器109为例，当光增益芯片发出的光进入到硅光波导111，一部分光会进入到硅微环谐振芯片113形成的光滤波器，这个光滤波器会选择性地将所需波长滤出，一部分光通过硅反射镜112，作为种子光反射回到光增益芯片110中，形成激光振荡，即1光增益芯片10和硅反射镜112形成振荡腔，硅微环谐振芯片113作为光滤波器，实现激光振荡激射。通过改变硅微环谐振芯片113的尺寸大小，可实现不同波长的激光，图1举例展示了通过四组激光器109实现的四个不同入射波长λ1、λ2、λ3、λ4，这四个不同入射波长λ1、λ2、λ3、λ4分别经过一硅调制芯片114调制并加入所需信息，通过四个硅光波导116进入到同一光波分复用芯片115，实现将四个不同波长信号光复用到一个硅光波导内，最后将光信号直接耦合到定位于硅衬底100的V型槽107中的光纤108，作为光发射输出。图1中以四组不同波长信号光为例，如果每组信号光的带宽为10G，从而可实现传输40G信息的目的；如果设计N组不同波长信号光，每组信号光带宽为10G，就能实现NX10G的带宽输出，其中N为不等于零的自然数。另外，作为光增益芯片110和硅调制芯片114的驱动电路芯片117，可采用标准硅CMOS技术得以实现并可和以上光芯片集成在同一硅衬底上。由光增益芯片嵌入固结 在硅衬底上，并直接光耦合到由二氧化硅芯层和二氧化硅包层实现的光波导内，如图1－2所示。
对于光接收部分，来自光网络系统的入射光通过位于硅衬底100的V型槽107中的光纤108进入到本发明的光模块，基于不同应用，可以通过一个光放大器106将入射光放大或无需使用106，再进入到光解复用芯片104中，入射光信号解复用后输出不同的波长到不同硅光波导105，图1中以四组不同入射波长λ1、λ2、λ3、λ4为例，每个入射波长进入到一光电探测芯片103中转为电信号输出，然后分别经过一变阻放大电芯片(TIA)102和一限制放大电芯片(LA)101整形放大后作为接收电信号输出。考虑到不同光电探测器103类型，以面接收光电探测器为例，说明了接收部分的材料结构图：由二氧化硅芯层和二氧化硅包层实现的光波导将入射信号光导入到光模块中，然后经过一个45度金属反射镜将入射光反射到面接收半导体探测器中，如图1－1所示。同样，与发射部分类似，如果设计N组不同波长入射信号光，每组信号光带宽为10G，采用这一方案，同样能够支持NX10G的带宽输入，其中N为不等于零的自然数。
图2通过光学仿真进一步说明图1中采用光增益芯片实现激光芯片109的工作原理：图2中200表示图1中实现的激光芯片109，由光增益芯片201、硅光波导202、硅微环谐振芯片203以及硅反射镜204组成，通过改变硅微环谐振芯片203的尺寸，采用本发明这一模块可以实现四组不同粗波分复用(CWDM)波长的激射波长输出，包括1271nm、1291nm、1311nm和1331nm四组波长和相应光谱。在目前40G和100G以太网光网络系统客户端中，要求采用四组CWDM波长光复用形成40G和100G的信号光，因此，本发明这一模块可应用到40G和100G的光网络系统中。
图3和图4举例说明了实现图1中硅调制芯片114的两种结构，实际情况中并不仅限于这两种结构实现硅调制芯片114，这里只是举例说明而已。图3说明了采用马涉曾德(MZ)干涉仪实现的硅调制芯片的结构，所述的硅调制芯片由1X2多模(MM)干涉仪300、硅光波导301、硅延迟线304、两个硅相移芯片302、2X1MM干涉仪303组成，输入直流光与1X2多模(MM)干涉仪300相连，1X2多模(MM)干涉仪300二个输出端分别连接硅光波导301和硅延迟线304，硅光波导301和硅延迟线304分别通过一硅相移芯片302与2X1MM干涉仪303相连并输出调制光。进一步，硅相移芯片302结构包括了硅波导层308、二氧化硅层307以及硅衬底306，如图3-1所示。输入直流光经过1X2多模(MM)干涉仪300后分成两束同相位、等功率的光束并沿两个分支传播，在经过调制区时，由于载流子注入 改变了调制器一个臂的光学常数，使该波导上的光束相位发生改变，在2X1MM干涉仪303处两光束干涉，发生振幅的叠加或相消，这样，通过调制光传输的两臂折射率差以调节相对相位，可以形成相干或相消最终达到光调制的效果，实现输出调制光。
图4中采用了微环谐振芯片实现硅调制芯片400的结构，由硅光直波导401、具有波长选择功能的硅微环谐振芯片403、p+掺杂404(内部)和n+掺杂402(外部)形成的电极组成，可通过外部调制信号源405实现调制功能，其具体的材料结构如图4－1所示。微环谐振芯片403的内部404和外部402形成了电极结构，用于注入载流子：当加调制信号时,“1”电平会导致硅光直波导401的一端输入直流光直接通过401,从另一端输出；“0”电平时，401中的光被耦合进403中,401输出端将无光输出，这样形成了输出调制光。如406所示，该方法采用了高折射率差结构，不仅可以保证小尺寸,并且可以实现开关速度的提高，即高调制速度。
本发明以单个激光器和单个探测器为例，提供了一个硅光子集成实现光模块的具体方案，如图5所示。类似的方案也可应用于可采用激光器和探测器阵列，实现更高速的光模块，如图5所示。图5中的标识了整个方案，包括一个光增益芯片507、一个微环谐振芯片509、一个硅反射镜508、一个硅调制芯片(511、512、513)、一个硅探测器504、一个光增益芯片驱动电芯片507以及接收电芯片501，全部集成在同一个硅衬底上。对于集成化的光模块发射部分(506、508、509)实现的激光发射输出到硅光波导510内，进入到硅调制芯片获得光信号调制。为了实现与光纤更高的光耦合效率，从硅调制芯片输出的调制光通过一个光模式变化芯片514，把其输出光模场能够与光纤515匹配上，实现更高的光耦合效率。对于接收部分，输入信号光从光纤505进入到光电探测芯片504后，输出的电信号经过电波导502进入到接收电芯片501后，最终形成电调制信号输出。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明专利的保护范围之内。
Claims (1)
1.硅光子集成高速光通信收发模块，包括光发射部分、光接收部分和硅衬底、光纤，其特征在于：光发射部分、光接收部分均安装在同一硅衬底上，光发射部分的输出端和光接收部分的输入端通过光纤与外部光通信网络实现互连互通；
所述的光发射部分包括：至少一个激光器、至少一个硅调制芯片、一个光波分复用芯片、至少一个硅光波导Ⅰ、一根光纤Ⅰ，每个激光器的输出端通过一个硅调制芯片和一个硅光波导Ⅰ与光波分复用芯片的输入端相连，光波分复用芯片的输出端通过光纤Ⅰ输出；所述的激光器由光增益芯片、硅光波导Ⅱ、硅反射镜、硅微环谐振芯片组成，当光增益芯片发出的光进入到硅光波导Ⅱ，一部分光会进入到硅微环谐振芯片形成光滤波器，一部分光通过硅反射镜，通过硅反射镜的光作为种子光反射回到光增益芯片中形成激光振荡，即光增益芯片和硅反射镜形成振荡腔。
2.根据权利要求1所述的硅光子集成高速光通信收发模块，其特征在于：还包括驱动电路芯片，驱动电路芯片分别与激光器的光增益芯片和硅调制芯片相连。
3.根据权利要求1或2所述的硅光子集成高速光通信收发模块，其特征在于：所述的硅调制芯片由1X2多模（MM）干涉仪、硅光波导Ⅲ、硅延迟线、两个硅相移芯片、2X1MM干涉仪组成，输入直流光与1X2多模（MM）干涉仪相连，1X2多模（MM）干涉仪二个输出端分别连接硅光波导Ⅲ和硅延迟线，硅光波导Ⅲ和硅延迟线分别通过一硅相移芯片与2X1MM干涉仪相连并输出调制光。
4.根据权利要求3所述的硅光子集成高速光通信收发模块，其特征在于：所述的硅相移芯片由硅波导层、二氧化硅层和硅衬底Ⅱ组成，硅衬底Ⅱ上依次为二氧化硅层、硅波导层。
5.根据权利要求1所述的硅光子集成高速光通信收发模块，其特征在于：所述的光接收部分包括：至少一个限制放大电芯片、至少一个变阻放大电芯片、至少一个光电探测芯片、一个光解复用芯片、至少一个硅光波导Ⅳ、光纤Ⅱ，光纤Ⅱ与光解复用芯片的输入端相连，光解复用芯片的输出端分别与各硅光波导Ⅳ相连，光解复用芯片分别与各光电探测芯片的输入端相连，每个光电探测芯片的输出端分别依次对应一变阻放大电芯片和一个限制放大电芯片。
6.根据权利要求5所述的硅光子集成高速光通信收发模块，其特征在于：所述的光接收部分还包括一光放大器，光放大器连接在光纤Ⅱ与光解复用芯片的输入端之间。
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