CN107070556A - 一种双向光纤收发电路及双向光纤收发机 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光纤通信技术领域，提供了一种双向光纤收发电路及双向光纤收发机。在本发明中，包括发光模块、第一光处理模块、驱动模块、调制模块、波分复用模块、第二光处理模块、光电转换模块以及放大模块的双向光纤收发电路，在发射端将电讯号转化为光讯号后通过光纤发送至远端接收设备，在接收端将通过光纤接收的光讯号转换为电信号后输出，使得双向光纤收发电路采用硅光技术在一个光纤上实现高速讯号的转换与传输，其成本低、良率高，进而解决了现有收发机存在良率低、成本高，以及因成本高所导致的影响光纤到户传输速率提升的问题。

Description

一种双向光纤收发电路及双向光纤收发机
技术领域
本发明属于光纤通信技术领域，尤其涉及一种双向光纤收发电路及双向光纤收发机。
背景技术
随着互联网技术的发展，光纤通信已成为现有互联网的主要通信方式，而在光纤通信中，最为核心的是传输光讯号的收发机。其中，收发机的主要工作过程是：在发射端，发射机将电讯号转变为光讯号并提供足够的发射功率后，将信息传递到接收机所处的远端，在接收端，位于远端的接收将接收到的光讯号转变为电讯号，完成将电子信息通过光介质的传输过程。
目前，现有收发机中的光学器件的主要采用III-V族复合半导体制作，而III-V族半导体作为产生和接受近红外光源的首选材料，其具有良好的射频与微波特性，是传输高速光电讯号的自然选择，并且对于长距离干线和城域网络的传输而言，III-V族光电器件有着明显的性能优势。然而，III-V族复合半导体晶圆尺寸小，工艺流程复杂，使得由其造成的光电器件良率低，且成本高，而对于光纤到户而言，高成本的收发机妨碍了其传输速率的提升。
综上所述，现有收发机存在良率低、成本高，以及因成本高所导致的影响光纤到户传输速率提升的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种双向光纤收发电路及双向光纤收发机，旨在解决现有收发机存在良率低、成本高，以及因成本高所导致的影响光纤到户传输速率提升的问题。
本发明是这样实现的，一种双向光纤收发电路，包括发光模块、第一光处理模块、驱动模块、调制模块、波分复用模块、第二光处理模块、光电转换模块以及放大模块；
所述发光模块与所述第一光处理模块连接，所述第一光处理模块与所述调制模块连接，所述调制模块与所述驱动模块以及所述波分复用模块连接，所述波分复用模块与所述第二光处理模块以及所述光电转换模块连接，所述光电转换模块与所述放大模块连接，并且所述第一光处理模块、所述调制模块、所述波分复用模块、所述第二光处理模块以及所述光电转换模块采用硅光子技术集成在同一硅基片上；
在发射端，所述发光模块发射激光波束至所述第一光处理模块，所述第一光处理模块将所述激光波束耦合至所述调制模块；所述驱动模块接收第一电讯号，并对所述第一电讯号进行放大处理后输出至所述调制模块；所述调制模块根据所述激光波束将所述放大后的第一电讯号转变为第一光讯号，并通过波分复用模块耦合至第二光处理模块，第二光处理模块对所述第一光讯号进行匹配处理后通过光纤输出；
在接收端，所述第二光处理模块接收通过所述光纤传输的第二光讯号，并对所述第二光讯号进行匹配处理后，通过所述波分复用模块耦合至所述光电转换模块，所述光电转换模块对所述第二光讯号进行光电转换后输出第二电讯号至所述放大模块，所述放大模块对所述第二电讯号进行放大处理后输出。
本发明的另一目的还在于提供一种双向光纤收发机，所述双向光纤收发机包括上述的双向光纤收发电路。
在本发明中，通过采用包括发光模块、第一光处理模块、驱动模块、调制模块、波分复用模块、第二光处理模块、光电转换模块以及放大模块的双向光纤收发电路，其中，第一光处理模块、调制模块、波分复用模块、第二光处理模块以及光电转换模块采用硅光子技术集成在同一硅基片上，使得在发射端发光模块发射激光波束至第一光处理模块，第一光处理模块将激光波束耦合至调制模块，驱动模块接收第一电讯号，并对第一电讯号进行放大处理后输出至调制模块，调制模块根据激光波束将放大后的第一电讯号转变为第一光讯号，并通过波分复用模块耦合至第二光处理模块，第二光处理模块对第一光讯号进行匹配处理后通过光纤输出；在接收端，第二光处理模块接收通过所述光纤输出的第二光讯号，并对第二光讯号进行匹配处理后，通过波分复用模块耦合至光电转换模块，光电转换模块对第二光讯号进行光电转换后输出第二电讯号至放大模块，放大模块对第二电讯号进行放大处理后，从而实现了采用硅光技术在一个光纤上实现高速讯号的转换与传输，并且成本低、良率高，解决了现有收发机存在良率低、成本高，以及因成本高所导致的影响光纤到户传输速率提升的问题。
附图说明
图1是本发明一实施例所提供的双向光纤收发电路的模块结构示意图。
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。
以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：
图1示出了本发明一实施例所提供的双向光纤收发电路的模块结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：
如图1所示，本发明实施例所提供的双向光纤收发电路10包括发光模块100、第一光处理模块101、驱动模块102、调制模块103、波分复用模块104、第二光处理模块105、光电转换模块106以及放大模块107。
其中，发光模块100与第一光处理模块101连接，第一光处理模块101与调制模块103连接，调制模块103与驱动模块102以及波分复用模块104连接，波分复用模块104与第二光处理模块105以及光电转换模块106连接，光电转换模块106与放大模块107连接，并且第一光处理模块101、调制模块103、波分复用模块104、第二光处理模块105以及光电转换模块106采用硅光子技术集成在同一硅基片上。
具体的，在发射端，发光模块100发射激光波束至第一光处理模块101，第一光处理模块101将激光波束耦合至调制模块103；驱动模块102接收第一电讯号，并对第一电讯号进行放大处理后输出至调制模块103；调制模块103根据激光波束将放大后的第一电讯号转变为第一光讯号，并通过波分复用模块104耦合至第二光处理模块105，第二光处理模块105对第一光讯号进行匹配处理后通过光纤输出；
在接收端，第二光处理模块105接收通过光纤传输的第二光讯号，并对第二光讯号进行匹配处理后，通过波分复用模块104耦合至光电转换模块106，光电转换模块106对第二光讯号进行光电转换后输出第二电讯号至放大模块107，放大模块107对第二电讯号进行放大处理后输出。
需要说明的是，在本发明实施例中，驱动模块102对第一电讯号进行放大处理的目的是为了提供足够的信号幅度来驱动调制模块103，以使得调制模块103有效工作。
此外，第一光处理模块101在将激光波束耦合至调制模块103的过程中，首先需要改变发光模块100发出的激光波束的光斑尺寸，例如增大或者减小激光波束的光斑，而调制模块103根据激光波束将放大后的第一电讯号转变为交变的第一光讯号，并经波分复用耦合到与第一光处理模块101反装的第二光处理模块105，且配合第二光处理模块105对波分复用后的光讯号进行再处理，从而使得输出的光讯号与光纤模式匹配，以便于通过光纤将信号传输至远端设备；其中，第一光处理模块101和第二光处理模块105采用硅基波导实现。值得注意的是，与发射时相同，当双向光纤收发电路10接收光讯号时，第二光处理模块105需要将通过光纤传输的光讯号的光斑转变成硅基波导的尺寸，以使得双向光纤收发电路10在进行传输过程中与光纤模式匹配。
进一步地，光电转换模块106根据第二光讯号转换的第二电讯号为电流信号，放大模块107对该电流信号进行放大，并将其转换为电压信号后向外部设备输出，以便于外部设备根据接收到的电压信号进行数据处理。
此外，由于收发机的发射机和接收机是采用不同波长的光源，因此本发明实施例所提供的双向光纤收发电路10采用波分复用的方法将发射机和接收机的激光波束耦合到光纤上，进而使得由本发明实施例所提供的双向光纤收发电路10所制成的收发机可在一根光纤上实现高速讯号的转换与传输，实现了光纤到户的单光纤双向收发。
由于硅光子技术是采用CMOS工艺流程实现光子器件的集成，而CMOS工艺流程的晶圆尺寸大、良率高，因此本发明实施例提供双向光纤收发电路10通过将驱动模块、所述调制模块以及所述光电转换模块采用硅光子技术集成在同一硅基片上，能够在保证大规模低成本应用的同时，可有效实现光纤到户的传输速率从2.5G/s到10G/s的提升；此外，CMOS器件所需的偏置电压低，采用CMOS工艺制程的光子器件可以实现器件的低功耗运作，可有效降低光电传输过程中每比特的功耗。
进一步地，作为本发明一优选实施方式，驱动模块102与放大模块107集成在硅基片上，具体的，驱动模块102与放大模块107可采用硅光子技术集成在硅基片上，也可以采用与该硅光子技术兼容的复合集成技术集成在该硅基片上，例如3D封装技术。
需要说明的是，在现有技术中，采用III-V族复合半导体制成的收发机中发射机与接收机是两个分立的模组构成的，并通过COB封装方式，集成在一个PCB基板上，如此使得现有的收发机在工作时需要进行模组组装，其组装过程复杂，并且需要组装费用，而本发明实施例所提供的双向光纤收发电路10通过将第一光处理模块101、驱动模块102、调制模块103、波分复用模块104、第二光处理模块105、光电转换模块以及放大模块107集成在同一硅基片上，以此形成一个一体化的收发机芯片，使得由本发明实施例所提供的双向光纤收发电路10所制成的收发机的发射机和接收机是一体合成的芯片，其集成度高、无需组装、消除了发射机与接收机在组装过程中的组装成本，进一步降低了由双向光纤收发电路10所制成的收发机的成本。
进一步地，作为本发明一优选实施方式，发光模块100集成在硅基片上，优选的，发光模块100为焊接在硅基片上的激光器。其中，将发光模块100焊接在硅基片上，可进一步提高本发明实施例所提供的双向光纤收发电路10的集成度，以此进一步的降低收发机在组装过程中的组装成本。当然本领域技术人员可以理解的是，发光模块100也可以是外接的激光器，此处所说的外接指的是无需将发光模块100集成在硅基片上，即无需将发光模块100与双向光纤收发电路10中的其他模块集成在一起。
进一步地，作为本发明一优选实施方式，调制模块103为采用硅光子技术制成的光电调制器，其中，该光电调制器在对光讯号进行调制时采用二进制调制技术。优选的，光电调制器为正向偏置的PIN二极管。
在本发明实施例中，采用硅光子技术制成的光电调制器作为调制模块103，使得调制模块103具有因CMOS工艺流程所带来的各种优点，即本发明实施例所提供的双向光纤收发电路10中的调制模块103具有良率高且成本低的优点。
此外，现有的收发机中的调制器普遍采用反向偏置的PIN二极管来实现，虽然反向偏置的PIN二极管能够提供足够的带宽，便于实现高速的光电转换，当时其在需要提供足够的光电调制度时，需要调制器的臂长有足够的长度，如此将造成了调制器的损耗比较大，例如，目前反向偏置的调制器无论是耗尽型PN结调制器还是其他的调制器，其本征损耗都超过6dB，再加上偏置在正交上的3dB损耗，穿过调制器的光损耗大约9dB。而对于需要高链路预算的应用，如光纤到户的无源光网络而言，其链路预算为25dB，现有的调制器则无法完成需要的链路预算的。本发明实施例所提供的双向光纤收发电路10采用正向偏置的PIN二极管作为调制模块103，使得其在具有足够的带宽用于10Gb/s的光电转换的同时，可将整个调制器的损耗控制为5.4dB；需要说明的是，利用正向偏置的PIN二极管实现调制器的工作原理可参考现有技术，此处不再赘述。
进一步地，作为本发明一优选实施方式，波分复用模块为105光栅耦合器或者一分二的非对称多模干涉分波器。
其中，在本发明实施例中，由于本发明实施例所提供的双向光纤收发电路10实现的是发射机与接收机在单一光纤上的双向传输，因此可采用光栅耦合器或者一分二的非对称多模干涉分波器所特有的波分复用方法将发射机和接收机耦合到同一光纤上，例如，发射机采用1550nm的波长，接收机采用1310nm的波长，在硅波导上，波分复用可以采用光栅耦合器或者1*2非对称分波器(splitter)有效的实现1310nm/1550nm的波分复用。
进一步地，作为本发明一优选实施方式，光电转换模块106为采用硅光子技术制成的光电二极管，例如，光电转换模块106可以是采用锗硅技术制成的雪崩式二极管。
进一步地，作为本发明一优选实施方式，其特征在于，驱动模块102为采用硅光子技术或兼容工艺制成的驱动器，放大模块107为采用硅光子技术或兼容工艺制成的跨阻放大器，其中，该兼容工艺指的是III-V族半导体工艺。
进一步地，本发明还提供的一种双向光纤收发机，该双向光纤收发机包括双向光纤收发电路10。需要说明的是，由于本发明实施例所提供的双向光纤收发机的双向光纤收发电路10和图1所示的双向光纤收发电路10相同，因此，本发明实施例所提供的双向光纤收发机中的双向光纤收发电路10的具体工作原理，可参考前述关于图1的详细描述，此处不再赘述。
在本发明中，通过采用包括发光模块、第一光处理模块、驱动模块、调制模块、波分复用模块、第二光处理模块、光电转换模块以及放大模块的双向光纤收发电路，其中，第一光处理模块、调制模块、波分复用模块、第二光处理模块以及光电转换模块采用硅光子技术集成在同一硅基片上，使得在发射端发光模块发射激光波束至第一光处理模块，第一光处理模块将激光波束耦合至调制模块，驱动模块接收第一电讯号，并对第一电讯号进行放大处理后输出至调制模块，调制模块根据激光波束将放大后的第一电讯号转变为第一光讯号，并通过波分复用模块耦合至第二光处理模块，第二光处理模块对第一光讯号进行匹配处理后通过光纤输出；在接收端，第二光处理模块接收通过所述光纤输出的第二光讯号，并对第二光讯号进行匹配处理后，通过波分复用模块耦合至光电转换模块，光电转换模块对第二光讯号进行光电转换后输出第二电讯号至放大模块，放大模块对第二电讯号进行放大处理后，从而实现了采用硅光技术在一个光纤上实现高速讯号的转换与传输，并且成本低、良率高，解决了现有收发机存在良率低、成本高，以及因成本高所导致的影响光纤到户传输速率提升的问题。
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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种双向光纤收发电路，其特征在于，所述双向光纤收发电路包括：
发光模块、第一光处理模块、驱动模块、调制模块、波分复用模块、第二光处理模块、光电转换模块以及放大模块；
所述发光模块与所述第一光处理模块连接，所述第一光处理模块与所述调制模块连接，所述调制模块与所述驱动模块以及所述波分复用模块连接，所述波分复用模块与所述第二光处理模块以及所述光电转换模块连接，所述光电转换模块与所述放大模块连接，并且所述第一光处理模块、所述调制模块、所述波分复用模块、所述第二光处理模块以及所述光电转换模块采用硅光子技术集成在同一硅基片上；
在发射端，所述发光模块发射激光波束至所述第一光处理模块，所述第一光处理模块将所述激光波束耦合至所述调制模块；所述驱动模块接收第一电讯号，并对所述第一电讯号进行放大处理后输出至所述调制模块；所述调制模块根据所述激光波束将所述放大后的第一电讯号转变为第一光讯号，并通过波分复用模块耦合至第二光处理模块，第二光处理模块对所述第一光讯号进行匹配处理后通过光纤输出；
在接收端，所述第二光处理模块接收通过所述光纤传输的第二光讯号，并对所述第二光讯号进行匹配处理后，通过所述波分复用模块耦合至所述光电转换模块，所述光电转换模块对所述第二光讯号进行光电转换后输出第二电讯号至所述放大模块，所述放大模块对所述第二电讯号进行放大处理后输出。
2.根据权利要求1所述的双向光纤收发电路，其特征在于，所述驱动模块和所述放大模块均集成在所述硅基片上。
3.根据权利要求1或2所述的双向光纤收发电路，其特征在于，所述发光模块集成在所述硅基片上。
4.根据权利要求3所述的双向光纤收发电路，其特征在于，所述发光模块为焊接在所述硅基片上的激光器。
5.根据权利要求1所述的双向光纤收发电路，其特征在于，所述调制模块为采用硅光子技术制成的光电调制器。
6.根据权利要求5所述的双向光纤收发电路，其特征在于，所述光电调制器为正向偏置的PIN二极管。
7.根据权利要求1所述的双向光纤收发电路，其特征在于，所述波分复用模块为光栅耦合器或者一分二的非对称多模干涉分波器。
8.根据权利要求1所述的双向光纤收发电路，其特征在于，所述光电转换模块为采用所述硅光子技术的光电二极管。
9.根据权利要求1所述的双向光纤收发电路，其特征在于，所述驱动模块为采用硅光子技术或兼容工艺制成的驱动器，所述放大模块为采用硅光子技术或兼容工艺制成的跨阻放大器。
10.一种双向光纤收发机，其特征在于，所述双向光纤收发机包括如权利要求1至9任一项所述的双向光纤收发电路。
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