CN104426613B - 用于光接入网络的突发模式接收机及其使用和制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光接入网络的突发模式光探测器，包括电吸收模块，用于对光功率低于第一预定水平的对应于低电平的输入光信号进行吸收；半导体光放大模块，用于对光功率低于第二预定水平的对应于高电平的输入光信号进行光功率放大；以及光电转换模块，用于对经所述电吸收模块和所述半导体光放大模块处理后的光信号转化为电信号用于输出；其中所述电吸收模块与所述半导体光放大模块中的电流方向相反。本发明还涉及包含上述突发模式光探测器的用于光接入网的接收机，以及包含上述接收机的光线路终端。本发明还涉及在突发模式下进行光探测的方法，以及上述突发模式光探测器的制造方法。

Description

用于光接入网络的突发模式接收机及其使用和制造方法

技术领域

本发明主要涉及光通信技术，特别的涉及用于光接入网络的突发模式接收机及其使用和制造方法。

背景技术

随着IP传输的迅猛发展，对宽带接入网的带宽需求也越来越大。在光纤到户(fiber-to-the-home，简称FTTH)的配置中，下一代无源光网络(next generation passiveoptical network，简称NG-PON2)为终端用户享受高速的数据传输速率提供了颇具前景的解决方案。时分及波长分混合复用光网络(time and wavelength division multiplexedpassive optical network，简称TWDM-PON)被选为NG-PON2的主要解决方案。TWDM-PON有四对工作波长，每个上行波长的传输方式仍采用时分复用(time division multiplexing，简称TDM)技术实现，其中用于传输的时隙长度由光网络用户(optical network user，简称ONU)上传的内容决定的。这些时隙的起止时间点是由光线路终端(optical lineterminal，简称OLT)来进行协调的，从而当各ONU通过单根光纤进行传输各自的数据包时不会对彼此构成干扰。

由于不同的ONU到OLT的距离不同，且不同的ONU的发射功率不同，因此OLT接收到的信号的光功率也就不同。图1所示为多个ONU102-108经分路器110向OLT120进行上行传输的示意图。由图可见，OLT120接收到信号的光功率差异很大，这种情况被称为突发模式。在这种模式下，要获得较高的传输速率，就需要缩短保护时间(guard time)和较短的前导码(preamble)。也就是说OLT中的接收机必须能够对输入光信号的幅度变化作出快速反应，同时具备较短的建立时间(settling time)。因此，传统的连续传输模式的接收机就 无法适用于上述突发模式。

发明内容

现有的针对突发模式的接收机大都是在电域进行信号处理，也就是通过电路对由光信号转化的电信号进行电域处理从而解决上述突发模式所带来的问题。但这些方案都存在着一定的缺陷，例如设计上的复杂度。另外，电子器件所带来的速度瓶颈也是一个问题。尽管雪崩光电二极管作为突发模式接收机具备颇高的响应率和灵敏度，但这种二极管只能在2.7Gb/s或以下的数据传输速率下工作。可见，单纯采用电路来处理突发模式信号是无法满足高速发展的网络需求的。

另外，在输入光信号的光功率很小的情况下，如果在光域没有对光信号进行放大和功率均衡处理，那么就会产生较大的比特误码率。现有的电域突发模式接收机的阈值检测电路的有限充放电时间也会影响突发模式中信号的比特误码率。

因此，为了克服上述问题，本申请提供了一种基于光域的突发模式接收机及其中的光探测器，以及相应的操作方法和制造方法。

根据本申请的一个实施例提供了一种用于光接入网络的突发模式光探测器，包括电吸收模块，用于对光功率低于第一预定水平的对应于低电平的输入光信号进行吸收；半导体光放大模块，用于对光功率低于第二预定水平的对应于高电平的输入光信号进行光功率放大；以及光电转换模块，用于对经所述电吸收模块和所述半导体光放大模块处理后的光信号转化为电信号用于输出；其中所述电吸收模块与所述半导体光放大模块中的外部注入电流方向相反。

特别的，所述电吸收模块、所述半导体光放大模块以及所述光电转换模块由形成于半导体衬底之上脊形波导构成；所述脊形波导上具有沟槽从而使所述各模块在远离所述半导体衬底的一端彼此分离，而在靠近所述半导体衬底的一端通过有源区彼此相连；并且所述电吸收模块中的电流沿远离所述半导体衬底的方向流出所述有源 区，所述半导体光放大模块中的电流沿靠近所述半导体衬底的方向流入所述有源区。

特别的，所述有源区的形态包括量子阱，量子点或者体材料。

特别的，所述各模块以及所述半导体衬底由III-V族半导体材料构成。

特别的，所述半导体衬底由磷化铟构成，所述各模块由铟镓砷或者铟镓砷磷构成。

特别的，所述有源区材料的能带宽度对应为光通信波段。

特别的，所述光接入网络是时分复用光网络或是时分及波长分混合复用光网络。

根据本发明另一实施例提供的一种用于光接入网络的突发模式接收机，包括光探测器，用于对对应于低电平和高电平的输入光信号同时进行均衡处理；以及信号处理电路，耦接至所述光探测器，用于对从所述光探测器输出的电信号进行电学处理从而获得数据和时钟信息；其中所述光探测器包括，电吸收模块，用于对功率低于第一预定水平的对应于低电平的输入光信号进行吸收；半导体光放大模块，用于对功率低于第二预定水平的对应于高电平的输入光信号进行光功率放大；以及光电转换模块，用于对经所述电吸收模块和所述半导体光放大模块处理后的光信号转化为电信号用于输出；其中所述电吸收模块与所述半导体光放大模块中的外部注入电流方向相反。

特别的，所述电吸收模块、所述半导体光放大模块以及所述光电转换模块由形成于半导体衬底之上脊形波导构成；所述脊形波导上具有沟槽从而使所述各模块在远离所述半导体衬底的一端彼此分离，而在靠近所述半导体衬底的一端通过有源区彼此相连。

特别的，所述半导体衬底由磷化铟构成，所述各模块由铟镓砷或者铟镓砷磷构成。

根据本发明又一实施例所提供的一种用于光接入网络的光线路终端，包括一个或多个突发模式接收机；一个或多个发射机；以 及波分复用器，与所述一个或多个突发模式接收机以及所述一个或多个发射机耦接；其中，所述突发模式接收机包括光探测器，用于对对应于低电平和高电平的输入光信号同时进行均衡处理；以及信号处理电路，耦接至所述光探测器，用于对从所述光探测器输出的电信号进行电学处理从而获得数据和时钟信息；其中所述光探测器包括，电吸收模块，用于对功率低于第一预定水平的对应于低电平的输入光信号进行吸收；半导体光放大模块，用于对功率低于第二预定水平的对应于高电平的输入光信号进行光功率放大；以及光电转换模块，用于对经所述电吸收模块和所述半导体光放大模块处理后的光信号转化为电信号用于输出；其中所述电吸收模块与所述半导体光放大模块中的外部注入电流方向相反。

根据本发明另一实施例所提供的一种用于在光接入网络中的突发模式下进行光探测的方法，包括：通过光探测器的电吸收模块对功率低于第一预定水平的对应于低电平的输入光信号进行吸收；通过所述光探测器半导体光放大模块对功率低于第二预定水平的对应于高电平的输入光信号进行光功率放大；通过所述光探测器的光电转换模块将经吸收和放大后的光信号转换为电信号并加以输出。

特别的，由所述电吸收模块进行吸收和由所述半导体光放大模块进行的放大操作的先后顺序可调。

特别的，所述方法还包括向所述电吸收模块施加与所述半导体光放大模块上电压极性相反的电压，或者向所述电吸收模块施加远小于半导体光放大模块上电压的同向电压。

根据本发明的一个实施例所提供的一种用于光接入网络的突发模式光探测器的制造方法，在半导体衬底上形成脊型波导；其中包括在所述半导体衬底上形成缓冲层；以及在所述缓冲层上形成有源区；对所述脊型波导远离所述半导体衬底的一端进行刻蚀形成沟槽，从而使所述脊型波导形成电吸收模块，半导体光放大模块，以及光电转换模块，所述各模块在远离所述半导体衬底的一端彼此分离，在靠近所述半导体衬底的一端通过所述有源区彼此相连；在所 述半导体衬底远离所述脊型波导的一端形成欧姆接触；以及在所述电吸收模块，所述半导体光放大模块以及所述光电转换模块远离所述半导体衬底的一端形成各自的欧姆接触。

本发明实施例中所提供的光探测器及接收机通过在光域对输入光信号进行处理，大大降低了在突发模式下进行信号处理的复杂度和成本，并且由于电吸收模块和半导体光放大模块的响应时间都很短，因此本发明所提供的接收机可以处理40Gb/s或更高的比特率的突发模式信号。由于本发明所提供的OLT可以对突发模式下的光信号加以均衡处理，因此对ONU在发射功率方面的要求就相应的降低，，从而放宽了对光接入网络输入信号的动态范围，从而降低了ONU乃至光接入网络的整体成本。另外，由于本发明所提供的接收机可以在光域里面同时抑制对应于高电平和对应于低电平的输入光信号的功率抖动，消光比(extinction ratio)也因此得到了显著的提高。

附图说明

图1所示为多个ONU向OLT进行上行传输的示意图；

图2(a)所示为根据本发明一个实施例所述的一种突发模式光探测器的侧视图；

图2(b)所示为根据本发明一个实施例所述的突发模式光探测器的立体图；

图3为根据本发明一个实施例所述的在突发模式下进行光探测的方法；

图4(a)-(b)为采用根据本发明一个实施例所述的经电吸收模块和半导体光放大模块处理的光信号示意图；

图5所示为根据本发明一个实施例所述的用于光接入网络的突发模式接收机示意图；

图6所示为根据本发明一个实施例所述的用于光接入网络的OLT示意图；以及

图7所示为根据本发明一个实施例所述的突发模式光探测器 的制造方法。

具体实施方式

下面详细讨论本申请的实施例的制造和使用。但是，应当理解的是，本发明提供了许多可以在各种具体背景下实施的可行的创新性概念。所讨论的具体实施例仅是说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。

图2(a)所示为根据本发明一个实施例所述一种用于光接入网络的光探测器200的侧视图。图2(b)所示为根据本发明一个实施例所述的突发模式光探测器200的立体图。根据本发明的一个实施例，光探测器200包括形成于半导体衬底208上的电吸收模块(electroabsorber，简称EA)202和半导体光放大模块(semiconductor optical amplifier，简称SOA)204。根据本发明的一个实施例，光探测器200还包括光电转换模块206，例如P-I-N光电二极管。电吸收模块202、半导体光放大模块204和光电转换模块206由半导体衬底208上的脊型波导形成。

根据本发明的一个实施例，电吸收模块202、半导体光放大模块204和光电转换模块206的底部通过有源区210彼此相连并与半导体衬底208相连。电吸收模块202、半导体光放大模块204和光电转换模块206之间有沟槽使各模块在远离半导体衬底208的一端彼此分离。在电吸收模块202、半导体光放大模块204和光电转换模块206上分别具有欧姆接触212a-212c。在半导体衬底208底部具有欧姆接触212d。

根据本发明的一个实施例，电吸收模块202、半导体光放大模块204和光电转换模块206可以由III-V族半导体材料构成。特别的，半导体衬底208可以由磷化铟构成，电吸收模块202、半导体光放大模块204和光电转换模块206可以由铟镓砷或者铟镓砷磷构成。当然，也可以采用其他的半导体材料形成光探测器200，只要使有源区210的能带宽度对应光通信波段(例如1310纳米或1550纳米)即可。 根据本发明的一个实施例，在能带宽度对应1550纳米的情况下，镓与铟的摩尔含量分配可以是0.47与0.53。

图3所示为根据本发明一个实施例采用光探测器200在突发模式下进行光探测的方法。根据本发明的一个实施例，半导体衬底208可以耦接到地电位，对电吸收模块202和半导体发光模块204施加极性相反的偏压，例如电吸收模块的欧姆接触212a可以被耦接至负电位，而半导体发光模块204的欧姆接触212b可以被耦接至正电位，光电转换模块206的欧姆接触212c可以被耦接至负电位。当然，电吸收模块202的欧姆接触212a也可以被耦接至正电位，使得施加在电吸收模块202上的偏压远低于施加在半导体发光模块204上的偏压。

在步骤302，电吸收模块202接收输入光信号，在光子与电子相互作用过程中，有源区210吸收低于第一预定水平的对应于低电平的输入光信号，产生电子并在偏压的作用下产生流向212a的电流。所述第一预定水平与电吸收模块202所采用的半导体材料的能带宽度，电吸收模块202的结构，以及施加在电吸收模块202上的偏压有关。随着输入信号光功率的增加，高能带中的空位逐渐被电子填充满从而达到饱和，因此光吸收效率也随之降低。因此，电吸收模块202可以有效的减少较低光功率水平也就是对应于低电平(“0”电平)的输入信号中的噪音。

在步骤304，半导体光放大模块204接收输入光信号，在受激辐射作用下，在有源区210的内部发生电子跃迁从而产生光子，并在偏压的作用下产生流向有源区210的电流，从而对输入低于第二预定水平的对应于高电平(“1”电平)的输入光信号进行放大。随着输入光功率的增大，在饱和效应的作用下，半导体光放大模块的增益系数会随之减小，从而实现对对应于高电平的光信号的功率均衡。所述第二预定水平与半导体光放大模块204所采用的半导体材料的能带宽度，半导体光放大模块204的结构，以及施加在半导体光放大模块204的偏压有关。

根据本发明的一个实施例，步骤302与步骤304的顺序是可以调换的。

在步骤306，光电转换模块206接收经过电吸收模块202和半导体光放大模块204处理的光信号，将其转换为电信号并加以输出。

图4(a)所示为分别经过电吸收模块202和半导体光放大模块204处理后的光信号，以及经过电吸收模块202和半导体光放大模块204共同作用后的光信号示意图。图4(b)所示为在突发模式下采用本发明实施例中的电吸收模块202和半导体光放大模块204处理前后的来自多个ONU的光信号的对比。可见，经过处理以后的光信号的功率更加均衡，突发模式的输入信号基本被调整为连续模式。

图5所示为用于光接入网络的突发模式接收机500的示意图。接收机500包括突发模式光探测器510。光探测器510与图2中所示的光探测器200具有相同的结构和功能，包括电吸收模块516，半导体光放大模块514，以及光电转换模块512。接收机500还包括信号处理电路520，用于对所述光探测器输出的电信号进行电域处理从而获得数据和时钟信息。

图6所示为用于光接入网的突发模式OLT600的示意图。对TWDM-PON型网络来说，有四对不同的上下行波长。针对这四对波长，图6所示的OLT600分别采用四部发射机610a-d和四部接收机600a-d来分别进行处理。其中每一部接收机600a-d都包含图2所示的突发模式光探测器200。发射机610a-d通过复用器612与波分复用器620相耦接，接收机600a-d通过解复用器602与波分复用器620相耦接。采用这样的OLT，在任一波长的上行链路上发生突发状况时，都可以经过相应的接收机的处理从而达到功率上的均衡。

图7所示为根据本发明一个实施例所述的一种用于光接入网络的突发模式光探测器的制造方法。该方法与CMOS工艺兼容，特别的，可以采用MOCVD技术。

在步骤702，在半导体衬底上形成脊型波导。其中包括在所述半导体衬底上形成缓冲层；以及在所述缓冲层上形成有源区。所述 半导体衬底和缓冲层可以由N型磷化铟构成。所述形成有源区的过程可以包括，先形成第一层由铟镓砷磷构成的分离限制异质结构层，再形成由铟镓砷磷构成的垒以及由铟镓砷构成的阱，然后形成第二层由铟镓砷磷构成的分离限制异质结构层。随后再在第二层由铟镓砷磷构成的分离限制异质结构层上形成阻刻层，并淀积P型磷化铟以及顶层的P型砷镓铟。在步骤704，对所述脊型波导远离所述半导体衬底的一端进行刻蚀形成沟槽，从而使所述脊型波导形成电吸收模块，半导体光放大模块，以及光电转换模块，所述各模块在远离所述半导体衬底的一端通过所述沟槽彼此分离，在靠近所述半导体衬底的一端通过所述有源区彼此相连。在步骤706，在所述衬底远离所述脊型波导的一端形成欧姆接触，并在所述电吸收模块，所述半导体光放大模块以及所述光电转换模块远离所述半导体衬底的一端形成各自的欧姆接触。

本领域技术人员很容易就得知，可以在本发明的范围内改变材料和方法。还应该理解的是，除了用于说明实施例的具体语境之外，本发明提供了许多可应用的创新性概念。相应地，所附权利要求旨在将这样的过程、机器、制造、物质合成、装置、方法或者步骤包括在它们的范围内。

Claims (15)

1.一种用于光接入网络的突发模式光探测器，包括：

电吸收模块，用于对光功率低于第一预定水平的对应于低电平的输入光信号进行吸收；

半导体光放大模块，其被施加与所述电吸收模块中的外部注入电流方向相反的外部注入电流，以对光功率低于第二预定水平的对应于高电平的输入光信号进行光功率放大，从而随着输入光信号的光功率增大对所述对应于高电平的输入光信号进行功率均衡；以及

光电转换模块，用于对经所述电吸收模块和所述半导体光放大模块处理后的光信号转化为电信号用于输出。

2.如权利要求1所述的光探测器，其中所述电吸收模块、所述半导体光放大模块以及所述光电转换模块由形成于半导体衬底之上脊形波导构成；所述脊形波导上具有沟槽从而使各模块在远离所述半导体衬底的一端彼此分离，而在靠近所述半导体衬底的一端通过有源区彼此相连；并且所述电吸收模块中的电流沿远离所述半导体衬底的方向流出所述有源区，所述半导体光放大模块中的电流沿靠近所述半导体衬底的方向流入所述有源区。

3.如权利要求2所述的光探测器，其中所述有源区的形态包括量子阱，量子点或者体材料。

4.如权利要求1-3中任一所述的光探测器，其中各模块以及所述半导体衬底由III-V族半导体材料构成。

5.如权利要求4所述的光探测器，其中所述半导体衬底由磷化铟构成，所述各模块由铟镓砷或者铟镓砷磷构成。

6.如权利要求5所述的光探测器，其中所述有源区的能带宽度对应光通信波段。

7.如权利要求5所述的光探测器，其中所述光接入网络是时分复用光网络或是时分及波长分混合复用光网络。

8.一种用于光接入网络的突发模式接收机，包括

光探测器，用于对对应于低电平和高电平的输入光信号同时进行均衡处理；以及

信号处理电路，耦接至所述光探测器，用于对从所述光探测器输出的电信号进行电学处理从而获得数据和时钟信息；

其中所述光探测器包括，

电吸收模块，用于对功率低于第一预定水平的对应于低电平的输入光信号进行吸收；

半导体光放大模块，其被施加与所述电吸收模块中的外部注入电流方向相反的外部注入电流，以对功率低于第二预定水平的对应于高电平的输入光信号进行光功率放大，从而随着输入光信号的光功率增大对所述对应于高电平的输入光信号进行功率均衡；以及

光电转换模块，用于对经所述电吸收模块和所述半导体光放大模块处理后的光信号转化为电信号用于输出。

9.如权利要求8所述的接收机，其中所述电吸收模块、所述半导体光放大模块以及所述光电转换模块由形成于半导体衬底之上脊形波导构成；所述脊形波导上具有沟槽从而使各模块在远离所述半导体衬底的一端彼此分离，而在靠近所述半导体衬底的一端通过有源区彼此相连。

10.如权利要求9所述的接收机，其中所述半导体衬底由磷化铟构成，所述各模块由铟镓砷或者铟镓砷磷构成。

11.一种用于光接入网络的光线路终端，包括

一个或多个突发模式接收机；

一个或多个发射机；以及

波分复用器，与所述一个或多个突发模式接收机以及所述一个或多个发射机耦接；

其中，所述突发模式接收机包括

光探测器，用于对对应于低电平和高电平的输入光信号同时进行均衡处理；以及

信号处理电路，耦接至所述光探测器，用于对从所述光探测器输出的电信号进行电学处理从而获得数据和时钟信息；

其中所述光探测器包括，

电吸收模块，用于对功率低于第一预定水平的对应于低电平的输入光信号进行吸收；

半导体光放大模块，其被施加与所述电吸收模块中的外部注入电流方向相反的外部注入电流，以对功率低于第二预定水平的对应于高电平的输入光信号进行光功率放大，从而随着输入光信号的光功率增大对所述对应于高电平的输入光信号进行功率均衡；以及

光电转换模块，用于对经所述电吸收模块和所述半导体光放大模块处理后的光信号转化为电信号用于输出。

12.一种用于在光接入网络中的突发模式下进行光探测的方法，包括：

通过光探测器的电吸收模块对功率低于第一预定水平的对应于低电平的输入光信号进行吸收；

通过向所述光探测器的半导体光放大模块施加与所述电吸收模块中的外部注入电流方向相反的外部注入电流来对功率低于第二预定水平的对应于高电平的输入光信号进行光功率放大，从而随着输入光信号的光功率增大对所述对应于高电平的输入光信号进行功率均衡；以及

通过所述光探测器的光电转换模块将经吸收和放大后的光信号转换为电信号并加以输出。

13.如权利要求12所述的方法，其中由所述电吸收模块进行吸收和由所述半导体光放大模块进行的放大操作的先后顺序可调。

14.如权利要求12所述的方法，还包括向所述电吸收模块施加与所述半导体光放大模块上电压极性相反的电压，或者向所述电吸收模块施加远小于半导体光放大模块上电压的同向电压。

15.一种用于光接入网络的突发模式光探测器的制造方法，包括：

在半导体衬底上形成脊型波导；

其中包括

在所述半导体衬底上形成缓冲层；以及

在所述缓冲层上形成有源区；

对所述脊型波导远离所述半导体衬底的一端进行刻蚀形成沟槽，从而使所述脊型波导形成电吸收模块、半导体光放大模块、以及光电转换模块，各模块在远离所述半导体衬底的一端通过所述沟槽彼此分离，在靠近所述半导体衬底的一端通过所述有源区彼此相连；以及

在所述半导体衬底远离所述脊型波导的一侧形成欧姆接触，并在所述电吸收模块、所述半导体光放大模块以及所述光电转换模块远离所述半导体衬底的一端形成各自的欧姆接触。