CN105515677B - 一种硅光子集成多波长光收发模块 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硅光子集成多波长光收发模块，涉及光纤通信领域的集成光学结构领域。该收发模块包括光发射单元和光接收单元；光发射单元进行光发射时，激光器发射的激光通过硅基微环滤波器滤波为波长间隔相等的多波长的光波，多波长的光波分别经所述每个硅基微环调制器滤出需要的波长、并对该波长加载调制而成的光信号后，输出至硅基阵列波导光栅；硅基阵列波导光栅将所述每个硅基微环调制器输出的光波合波后，通过硅波导耦合至输出光纤。本发明能够增加发射的光波数量、控制光波的波长间隔，不仅集成度较高，而且成本较低，能够满足用户的要求，适于推广。
Description
技术领域
本发明涉及光纤通信领域的集成光学结构领域，具体涉及一种硅光子集成多波长光收发模块。
背景技术
随着绿色环保的普及，光通信行业已经逐渐向高度集成化、低功耗的方向发展，集成化的小尺寸、低功耗、低成本光通信收发模块是当前市场的热点。在密集波分或频分复用系统中，通常需要在发射机中布置多路激光器及电源，目前，已经产生或提出利用多个光源实现多波长集成的光收发模块的方案。
但是上述光收发模块使用时，存在以下不足：
上述光收发模块的光源数量有限，光收发模块的光源之间的波长间隔难以控制，难以实现等间隔多波长输出，而且光收发模块的集成度较低，难以满足用户的要求。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明解决的技术问题为：增加光收发模块发射的光波数量、控制光波的波长间隔，本发明的集成度较高，成本较低，能够满足用户的要求，适于推广。
为达到以上目的，本发明提供的硅光子集成多波长光收发模块，包括光发射单元和光接收单元，光发射单元的输出端设置有用于与外界相连的输出光纤，光接收单元的输入端设置有用于与外界相连的输入光纤；所述光发射单元包括激光器、硅基微环滤波器、硅基微环调制器阵列和硅基阵列波导光栅，硅基微环调制器阵列中硅基微环调制器的数量至少为2个；激光器通过硅波导与硅基微环滤波器相连，硅基微环滤波器分别通过硅波导与硅基微环调制器阵列中的每个硅基微环调制器相连，所述每个硅基微环调制器均通过硅波导与硅基阵列波导光栅相连，硅基阵列波导光栅通过硅波导与输出光纤相连。
在上述技术方案的基础上，所述光发射单元进行光发射时，激光器发射的激光通过硅基微环滤波器滤波为波长间隔相等的多波长的光波，多波长的光波分别经所述每个硅基微环调制器滤出需要的波长、并对该波长加载调制而成的光信号后，输出至硅基阵列波导光栅；硅基阵列波导光栅将所述每个硅基微环调制器输出的光波合波后，通过硅波导耦合至输出光纤。
在上述技术方案的基础上，所述多波长的光波中的波长间隔为硅基微环滤波器的自由光谱区的多波长光梳。
在上述技术方案的基础上，所述硅基微环滤波器的硅基微环半径R根据多波长的光波需要的波长间隔设定，其计算公式为
上述公式中，c为光速，ng为硅基微环滤波器的波导群折射率，π为圆周率，△f为根据波长间隔得来的频率间隔。
在上述技术方案的基础上，所述硅基微环调制器通过外部的调制信号源实现调制功能，其包括由硅光直波导、具有波长选择功能的硅基微环谐振芯片、p+掺杂和n+掺杂形成的电极，硅基微环谐振芯片的内部掺杂和外部掺杂形成电极结构；该硅基微环调制器实现调制功能时，所述电极结构用于注入载流子；加调制信号时，若为高电平，则直流光直接通过硅光直波导输出；若为低电平，硅光直波导的光被耦合至微环谐振芯片，硅光直波导无输出光；
或者：
所述硅基微环调制器包括硅基微环和硅基马赫-曾德调制器，每1个波长对应1个硅基微环和1个硅基马赫-曾德调制器；该硅基微环调制器实现调制功能时，硅基微环实现滤波功能，硅基马赫-曾德调制器将信号加载至经过波长选择后的光波上。
在上述技术方案的基础上，所述硅基阵列波导光栅包括输入波导、第一罗兰圆、阵列波导、第二罗兰圆和输出波导。
在上述技术方案的基础上，所述光发射单元还包括驱动电路芯片，光发射单元的激光器内设置有光增益芯片和硅基调制芯片，光增益芯片、硅基调制芯片均与驱动电路芯片相连。
在上述技术方案的基础上，所述光接收单元包括硅基阵列波导光栅、至少2个光电探测芯片、与光电探测芯片数量相同的变阻放大电芯片、以及与光电探测芯片数量相同的限制放大电芯片；光接收单元的输入光纤通过硅波导与硅基阵列波导光栅相连，硅基阵列波导光栅分别通过硅波导与每个光电探测芯片相连；每个光电探测芯片通过1个变阻放大电芯片与1个限制放大电芯片电连接，1个光电探测芯片、1个变阻放大电芯片、1个变阻放大电芯片与1个波长的光对应。
在上述技术方案的基础上，所述光接收单元进行光接收时，输入光纤接收来自光网络系统的多个波长的入射光，硅基阵列波导光栅对多个波长的光进行分波、并将分波后每个波长的光通过光1个电探测芯片转换为电信号；转换的电信号依次经过1个变阻放大电芯片和1个限制放大电芯片放大后输出。
在上述技术方案的基础上，所述光收发模块还包括硅衬底，所述光发射单元和光接收单元均设置于硅衬底上。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
硅光子集成采用SOI(Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅)材料形成光波导，芯层Si和包层SiO2的较大的折射率差对光场有强的限制作用，实现了小到微米量级的波导弯曲半径，为高度集成提供启示；在此基础上，本发明提出了采用硅光子集成多波长光收发模块。
与现有技术中光源有限、光源之间的波长间隔难以控制的光收发模块相比，本发明通过单个硅基微环滤波器产生固定频率和波长间隔的多波长光波，光波的波长间隔保持相等；与此同时，本发明通过硅基微环调制器阵列将各个波长分别调制，进而实现多波长的调制和发射，不仅发射的光波数量较多，而且集成度较高，成本较低，能够满足用户的要求，适于推广。
附图说明
图1为本发明实施例中硅光子集成多波长光收发模块的结构示意图。
图中：101-激光器，102-硅基微环滤波器，103-硅基微环调制器阵列，104-硅基阵列波导光栅，105-光接收单元，106-输出光纤，107-光发射单元，108-输入光纤，109-硅基阵列波导光栅，110-光电探测芯片，111-变阻放大电芯片，112-限制放大电芯片。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例中的硅光子集成多波长光收发模块，包括硅衬底，硅衬底上设置有光发射单元107和光接收单元105，光发射单元107的输出端设置有用于与外界相连的输出光纤106，光接收单元105的输入端设置有用于与外界相连的输入光纤108。
参见图1所示，光发射单元107包括激光器101、硅基微环滤波器102、硅基微环调制器阵列、硅基阵列波导光栅104和驱动电路芯片；硅基微环调制器阵列中硅基微环调制器103的数量为n个：1031、1032、1033、1034…103n。激光器101内设置有光增益芯片和硅基调制芯片，光增益芯片、硅基调制芯片均与驱动电路芯片相连。
参见图1所示，激光器101通过硅波导与硅基微环滤波器102相连，硅基微环滤波器102分别通过硅波导与硅基微环调制器阵列中的每个硅基微环调制器103相连，所述每个硅基微环调制器103均通过硅波导与硅基阵列波导光栅104相连，硅基阵列波导光栅104通过硅波导与输出光纤106相连。
硅基微环调制器103通过外部的调制信号源实现调制功能，其包括由硅光直波导、具有波长选择功能的硅基微环谐振芯片、p+掺杂和n+掺杂形成的电极，硅基微环谐振芯片的内部掺杂和外部掺杂形成电极结构。硅基阵列波导光栅104包括输入波导、第一罗兰圆、阵列波导、第二罗兰圆和输出波导。
参见图1所示，所述光发射单元107进行光发射时，激光器101发射的激光通过硅波导进入硅基微环滤波器102，硅基微环滤波器102作为上下话路型微环(add-drop型)使用，从drop端输出波长间隔相等的多波长的光波，光波的波长间隔为硅基微环滤波器102的自由光谱区的多波长光梳。
硅基微环滤波器102的硅基微环传输谱中的谐振峰为周期性出现，相邻谐振峰之间的波长间隔FSR可表示为：
或者表示为：
公式(1)和(2)中△f为根据波长间隔得来的频率间隔，R为硅基微环半径，ng为硅基微环滤波器的波导群折射率，λ为硅基微环谐振波长，λ大小可以通过硅材料的热光效应和电光效应调节，c为光速。从公式(1)可以看出硅基微环滤波器102滤波得到光的波长间隔根据R和ng决定；因此可以根据多波长光源的波长间隔要求来设定R；例如宽度为500nm的单模波导，可用Rsoft软件仿真得到群折射率ng为3.6，如果在本发明中多波长光源的波长间隔选择50GHz，那么由公式(1)可知如果多波长光源的波长间隔选择100GHz，那么可求得R＝133μm。
参见图1所示，硅基微环滤波器102输出的光波分别经过微环调制器阵列中所有的硅基微环调制器103：1031、1032、1033、1034…103n，每个硅基微环调制器103滤出需要的波长(例如硅基微环调制器1031选择滤过波长为λ1的光波，硅基微环调制器1032、1033、1034…103n分别滤出波长为λ2、λ3、λ4…λn的光波)，每个硅基微环调制器103通过外部调制信号源实现调制功能，对滤出的波长加载调制而成的光信号。
硅基微环调制器103实现调制功能时，电极结构用于注入载流子；加调制信号时，若为高电平，则直流光直接通过硅光直波导输出至硅基阵列波导光栅104；若为低电平，硅光直波导的光被耦合至微环谐振芯片，硅光直波导无输出光输出至硅基阵列波导光栅104。
硅基阵列波导光栅104将所有硅基微环调制器103输出的光波合波后，通过硅波导耦合至输出光纤106，以此实现多波长光发射。
光发射单元107的硅基微环调制器103在实际应用时，还可以采取硅基微环和硅基马赫-曾德调制器实现，此时每1个波长对应1个硅基微环和1个硅基马赫-曾德调制器；该硅基微环调制器103实现调制功能时，硅基微环实现滤波功能，硅基马赫-曾德调制器将信号加载至经过波长选择后的光波上。
参见图1所示，光接收单元105包括硅基阵列波导光栅109、n个光电探测芯片110、n个变阻放大电芯片111和n个限制放大电芯片112。输入光纤108通过硅波导与硅基阵列波导光栅109相连，硅基阵列波导光栅109分别通过硅波导与每个光电探测芯片110相连，每个光电探测芯片110通过1个变阻放大电芯片111与1个限制放大电芯片112电连接。1个光电探测芯片110、1个变阻放大电芯片111、1个变阻放大电芯片111与1个波长的光对应。
参见图1所示，光接收单元105进行光接收时，输入光纤108接收来自光网络系统的n个波长的入射光，硅基阵列波导光栅109对n个波长的光进行分波，得到不同波长的光λ1、λ2、λ3、λ4…λn，将每个波长的光通过光1个电探测芯片转换为电信号，转换的电信号依次经过1个变阻放大电芯片111和1个限制放大电芯片112放大后输出。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (7)
1.一种硅光子集成多波长光收发模块，包括光发射单元(107)和光接收单元(105)，光发射单元(107)的输出端设置有用于与外界相连的输出光纤(106)，光接收单元(105)的输入端设置有用于与外界相连的输入光纤(108)；其特征在于：所述光发射单元(107)包括激光器(101)、硅基微环滤波器(102)、硅基微环调制器阵列和硅基阵列波导光栅(104)，硅基微环调制器阵列中硅基微环调制器(103)的数量至少为2个；激光器(101)通过硅波导与硅基微环滤波器(102)相连，硅基微环滤波器(102)分别通过硅波导与硅基微环调制器阵列中的每个硅基微环调制器(103)相连，所述每个硅基微环调制器(103)均通过硅波导与硅基阵列波导光栅(104)相连，硅基阵列波导光栅(104)通过硅波导与输出光纤(106)相连；
所述光发射单元(107)进行光发射时，激光器(101)发射的激光通过硅基微环滤波器(102)滤波为波长间隔相等的多波长的光波，多波长的光波分别经所述每个硅基微环调制器(103)滤出需要的波长、并对该波长加载调制而成的光信号后，输出至硅基阵列波导光栅(104)；硅基阵列波导光栅(104)将所述每个硅基微环调制器(103)输出的光波合波后，通过硅波导耦合至输出光纤(106)；
所述多波长的光波中的波长间隔为硅基微环滤波器(102)的自由光谱区的多波长光梳；
所述硅基微环滤波器(102)输出的光波分别经过微环调制器阵列中所有的硅基微环调制器(103)：1031、1032、1033、1034…103n，每个硅基微环调制器(103)滤出需要的波长，每个硅基微环调制器(103)通过外部调制信号源实现调制功能，对滤出的波长加载调制而成的光信号；
所述硅基微环调制器(103)通过外部的调制信号源实现调制功能，其包括由硅光直波导、具有波长选择功能的硅基微环谐振芯片、p+掺杂和n+掺杂形成的电极，硅基微环谐振芯片的内部掺杂和外部掺杂形成电极结构；该硅基微环调制器(103)实现调制功能时，所述电极结构用于注入载流子；加调制信号时，若为高电平，则直流光直接通过硅光直波导输出至硅基阵列波导光栅(104)；若为低电平，硅光直波导的光被耦合至微环谐振芯片，硅光直波导无输出光输出至硅基阵列波导光栅(104)；
或者：
所述硅基微环调制器(103)包括硅基微环和硅基马赫-曾德调制器，每1个波长对应1个硅基微环和1个硅基马赫-曾德调制器；该硅基微环调制器(103)实现调制功能时，硅基微环实现滤波功能，硅基马赫-曾德调制器将信号加载至经过波长选择后的光波上。
2.如权利要求1所述的硅光子集成多波长光收发模块，其特征在于：所述硅基微环滤波器(102)的硅基微环半径R根据多波长的光波需要的波长间隔设定，其计算公式为
上述公式中，c为光速，ng为硅基微环滤波器(102)的波导群折射率，π为圆周率，△f为根据波长间隔得来的频率间隔。
3.如权利要求1所述的硅光子集成多波长光收发模块，其特征在于：所述硅基阵列波导光栅(104)包括输入波导、第一罗兰圆、阵列波导、第二罗兰圆和输出波导。
4.如权利要求1所述的硅光子集成多波长光收发模块，其特征在于：所述光发射单元(107)还包括驱动电路芯片，光发射单元(107)的激光器(101)内设置有光增益芯片和硅基调制芯片，光增益芯片、硅基调制芯片均与驱动电路芯片相连。
5.如权利要求1至4任一项所述的硅光子集成多波长光收发模块，其特征在于：所述光接收单元(105)包括硅基阵列波导光栅(109)、至少2个光电探测芯片(110)、与光电探测芯片(110)数量相同的变阻放大电芯片(111)、以及与光电探测芯片(110)数量相同的限制放大电芯片(112)；光接收单元(105)的输入光纤(108)通过硅波导与硅基阵列波导光栅(109)相连，硅基阵列波导光栅(109)分别通过硅波导与每个光电探测芯片(110)相连；每个光电探测芯片(110)通过1个变阻放大电芯片(111)与1个限制放大电芯片(112)电连接，1个光电探测芯片(110)、1个变阻放大电芯片(111)、1个变阻放大电芯片(111)与1个波长的光对应。
6.如权利要求1至4任一项所述的硅光子集成多波长光收发模块，其特征在于：所述光接收单元(105)进行光接收时，输入光纤(108)接收来自光网络系统的多个波长的入射光，硅基阵列波导光栅(109)对多个波长的光进行分波、并将分波后每个波长的光通过光1个电探测芯片转换为电信号；转换的电信号依次经过1个变阻放大电芯片(111)和1个限制放大电芯片(112)放大后输出。
7.如权利要求1至4任一项所述的硅光子集成多波长光收发模块，其特征在于：所述光收发模块还包括硅衬底，所述光发射单元(107)和光接收单元(105)均设置于硅衬底上。
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| CN105515677A (zh) | 2016-04-20 |
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