CN107153237A - 一种多通道硅基波分复用高速光收发一体器件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道硅基波分复用高速光收发一体器件，该一体器件包括与平面光波导芯片耦合的发射单元、接收单元，所述平面光波导芯片上光刻有分波单元、合波单元，所述平面光波导芯片的输入端、输出端分别与输入光纤、输出光纤对应耦合连接。本发明基于硅光子技术，将多通道高速发射单元和多通道高速接收单元集成于一体，可兼容多种传输速率，提高了集成度，简化了封装工艺，能有效降低成本，具有很高的实用价值。

Description

一种多通道硅基波分复用高速光收发一体器件

技术领域

本发明属于光纤通信领域的集成光学结构领域，特别是涉及一种多通道硅基波分复用高速光收发一体器件。

背景技术

近年来，随着智能设备(电脑、手机、智能穿戴设备)的普及，光纤通信网络中的数据量呈现爆发式增长，40Gb/s的光模块已规模部署，100Gb/s光模块也已逐步批量部署,200Gb/s的光器件也处于研发阶段。为迎合市场需求，高速光通信器件往小尺寸，高集成度，低功耗，低成本方向发展势在必行。在密集波分或者频分复用系统中，需要在发射机或者接收机上布置多路激光器及探测器。目前，已经提出利用多个光源实现多波长集成的40Gb/s、100Gb/s光收发器件方案。

现有技术中已经存在的典型方案有：一、基于波分复用滤波片的自由光空间方案，这种方案多达数十个光无源器件，组装工艺非常复杂，成本较高，尺寸较大，集成度较低，难以满足速率更高的器件；二、基于二氧化硅的平面光波导技术的收发器件，这种方案把收发器件分开，收发器件各需要一个陶瓷气密壳子，陶瓷气密壳子通常较为昂贵，因此这种方案存在集成度较低，成本较高的劣势，且基于二氧化硅的平面光波导器件尺寸通常较大，不利于小型化，高集成度。

然而，上述光收发器件在具体应用时，容易存在以下缺点：上述光收发器件的光源数量有限，且发射机和接收机分开设计，尺寸较大，集成度较低，封装难度大，成本高昂，难以满足用户小型化的要求。

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：增加光收发器件的发射、接收光波数量；将发射单元与接收单元通过平面波导器件的合波单元和分波单元集成于同一平面波导上。本发明涉及的器件集成度较高，成本较低，封装较为容易，能满足用户的需求，具有很高的实用价值。

为实现上述目的，按照本发明，提供一种多通道硅基波分复用高速光收发一体器件，其特征在于，该一体器件包括与平面光波导芯片耦合的发射单元、接收单元，所述平面光波导芯片上光刻有分波单元、合波单元，所述平面光波导芯片的输入端、输出端分别与输入光纤、输出光纤对应耦合连接。

进一步地，所述发射单元包括散热热沉，在所述散热热沉之上还依次沉积激光器驱动器电芯片、激光器热沉；所述激光器热沉上依次沉积背光探测器、激光器。

进一步地，所述激光器与所述平面光波导芯片通过聚光透镜耦合或者直接耦合。

进一步地，所述接收单元包括散热热沉，在所述散热热沉之上还依次沉积限幅放大器电芯片、跨阻放大器芯片；所述跨阻放大器芯片上设置有光电探测器及45°反光镜，所述分波单元分波后的各路光波，经透镜汇聚，被所述45°反光镜反射到所述光电探测器产生光电流信号，所述光电流信号经所述跨阻放大器芯片与所述限幅放大器电芯片转换成电压信号并放大输出。

进一步地，所述平面光波导芯片与输出光纤、输入光纤间接入环形器。

进一步地，所述发射单元及所述接收单元的激光器数量和光电探测器数量大于或等于4。

进一步地，所述合波单元、分波单元分别为波导阵列光栅、级联马赫泽德光波滤波器。

进一步地，所述激光器为10G或25G高速分布式反馈激光器或电吸收调制分布式反馈激光器，不同所述激光器对应不同的特定光波。

进一步地，所述光电探测器为分立式或阵列式。

进一步地，所述发射单元和所述光接收单元与所述平面光波导芯片的光波传输方式为：通过透镜聚光或集成模斑转换器或直接与光纤耦合对准。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，有益效果主要体现在如下方面：

采用了平面光波导基于硅光子技术；平面光波导集合波单元、分波单元于一体，提高了集成度，简化了封装工艺；发射单元激光器个数≥4，；发射激光器可以是激光器阵列；发射单元的激光器可借助透镜或者直接与平面光波导对准耦合；发射单元主要包括激光器驱动器电芯片，激光器，背光光电探测器，热沉等；能够实现光学信号的高速处理；

在本发明实现的方式中，对接收单元的情况也进行了设置，接收单元的光电探测器数目≥4，各光电探测器用于接收输入的光波；接收单元主要包括限幅放大器电芯片，跨阻放大器电芯片，光电探测器，45°反射镜，聚光透镜，热沉等，接收单元的光电探测器可借助透镜或者直接与平面光波导对准耦合；

并且对光波导之间的光的耦合传输也进行了相应的限定，硅基平面光波导的输入、输出端口可借助聚光透镜实现光在输入、输出光纤和平面光波导之间的转换，也可在平面光波导的输入、输出端口集成模斑转换功能，实现直接与输入、输出光纤的耦合对准，对一体化器件的整体化光学光路的传输提出了有效的耦合方案。

附图说明

图1为本发明实施例中一种多通道硅基波分复用高速光收发一体器件；

图2为本发明实施例中一种多通道硅基波分复用高速光收发一体器件的另外一种光接口形式；

图3为按照本发明实施例一中发射单元的具体器件结构组成示意图；

图4为按照本发明实施例二中发射单元的具体器件结构组成示意图；

图5为按照本发明实施例三中发射单元的具体器件结构组成示意图；

图6为按照本发明实施例一中接收单元的具体器件结构组成示意图；

图7为按照本发明实施例二中接收单元的具体器件结构组成示意图。

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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提出的多通道硅基波分复用高速光收发一体器件，包括发射单元和接收单元，平面光波导芯片的输出端与输出光纤相连，平面光波导芯片的输入端与输入光纤相连：发射功能通过发射单元、平面光波导的合波单元、隔离器、输出光纤实现；接收功能通过输入光纤、平面光波导的分波单元、接收单元实现；发射单元中的多路激光器输出的激光入射到平面光波导的合波单元进行合波并最终由输出光纤输出；每个探测器接收到的光为输入光波经平面光波导分波单元分波后的单路光波。

在上述方案的基础上，发射单元还包括激光器驱动电芯片，每路激光器对应一种波分复用波长，传输一路数字信号。

在上述方案的基础上，接收单元中的每个光电探测芯片通过一个跨阻放大器与一个限幅放大器连接。

在上述方案的基础上，发射单元，接收单元的激光器数目和光电探测器数目≥4。

在上述方案的基础上，发射单元，接收单元所用的激光器和光电探测器可以是阵列激光器和阵列光电探测器。

在上述方案的基础上，激光器可以是10G或者25G高速分布式反馈激光器(DFB)或者电吸收调制分布式反馈激光器(EML-DFB)，亦可以是更高速率。

在上述方案的基础上，光电探测器可以是10G或者25G高速光电探测器，其中包含光电探测器(PIN)和雪崩光电探测器(APD)，亦可以是更高速率。

在上述方案的基础上，平面波导的合波单元、平面波导的分波单元可以是采用波导阵列光栅(AWG)和级联马赫泽德光波滤波器(MZI)设计制作的器件。

在上述方案的基础上，发射单元可以采用分立激光器或者多波长阵列激光器，接收单元可以采用分立光电探测器或者光电探测器阵列。

在上述方案的基础上，激光器可以直接与平面光波导芯片对准耦合，或者采用聚光透镜将激光器发出的激光耦合对准至平面光波导芯片的输入端。

在上述方案的基础上，光电探测器可以直接与平面光波导芯片的输出端耦合对准，或者采用聚光透镜将平面光波导输出的光耦合对准至光电探测器上。

在上述方案的基础上，发射单元经平面光波导合波后的光波可通过透镜聚光到输出光纤，也可在平面光波导的输出端集成模斑转换器，直接与光纤耦合对准，省去聚光透镜；同样，光接收单元可通过聚光透镜将输入光纤的光汇聚到平面光波导的输入端，也可在平面光波导的输入端集成模斑转换器，直接与光纤耦合对准，省去聚光透镜。

在上述方案的基础上，隔离器可以是与输出光纤分立的或者直接粘接在输出光纤端面上。

在上述方案的基础上，可在平面光波导芯片与输出光纤、输入光纤间加入环形器，使器件的光收发都集中在单根光纤中完成，有效提高光纤利用率。

参考图1所示，本发明实施例中多通道硅光子波分复用的高速收发一体光器件，包含光发射单元102，接收单元101，平面光波导100，分波单元103，合波单元104，平面光波导的输入端口105，平面光波导的输出端口106，接收端聚光透镜107，发射端聚光透镜108，109为收发一体光器件用于与外界连接的输入、输出光纤端口，109包含输入光纤，输出光纤和隔离器。

含至少4路激光器的发射单元102将激光有效汇聚到合波单元104，经合波单元合波后，由输出端口106输出，借助发端聚光透镜108，将平面光波导的输出端口106的输出光汇聚到109单元中的输出光纤，为减少传输链路中的返回光对激光器的影响，通常在靠近输出光纤处会安装一隔离器，隔离器的作用是阻断传输链路中的返回光。

含至少4种光波长的输入光经109单元中的输入光纤入射，光波通过接收端聚光透镜107后，被有效汇聚到平面光波导的105输入端，后经分波单元103分波，光波被接收单元中的光电探测器接收。

图2所示为109单元的另一种形式，可实现发射光与接收光在单根光纤上传输，即为单纤双向传输，这种方式能有效节约光纤资源。

图3-5中所示为发射单元102的三种具体实施例子。左边的实施例子：102包含1散热热沉，2激光器驱动器电芯片，3背光探测器，4激光器，5聚光透镜，6为激光器热沉。器件前端电路板上的电信号通过激光器驱动电芯片驱动激光器工作，激光器4的前向输出光经透镜5汇聚到平面光波导的合波单元，激光器4的后向输出光经背光探测器接收，用于实时监测激光器的输出光功率大小及工作状态。在图3的基础上，如图4所示，通过合理的设计，可以将激光器直接与平面波导对准耦合，避免使用透镜，既能节省成本又能简化工艺。又如图5所示，激光器也可以是阵列激光器，阵列激光器与平面光波导的对准耦合工艺更易实现，通过合理设计，为了达到最优的耦合效率，光波导与激光器的模斑尺寸要匹配，甚至可采用被动对准方式，大大提高制作效率及成品率。

图6-7所示为接收单元101的三种实施例子。图6实施例子：1’为限幅放大器电芯片，2’为跨阻放大器芯片，3’为45°反光镜，4’为聚光透镜，5’为散热热沉，6’为光电探测器。经过平面光波导分波后的各路光波，由透镜4’汇聚，经45°的反光镜3’反射到光电探测器接收并产生光电流信号，光电流信号经跨阻放大器2’和限幅放大器电芯片1’转换成电压信号并放大，放大后的电压信号输入到外接电路板上作进一步处理。在图6的基础上，可将分立的光电探测器用阵列光电探测器替代，且45°反光镜也采用一体式的，这能有效的降低工艺难度。如图7所示，将光电探测器阵列的接收面直接正对平面光波导的输出波导，可省去45°反射镜和聚光透镜，不仅节省了成本，还降低了工艺难度。

总之，按照本发明实现的高速光收发一体器件，具有成本低，集成度高，兼容性好，尤其适用于更高速率器件的封装设计。

本领域的技术人员容易理解，以上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)

1.一种多通道硅基波分复用高速光收发一体器件，其特征在于，该一体器件包括与平面光波导芯片耦合的发射单元(102)、接收单元(101)，所述平面光波导芯片上光刻有分波单元(103)、合波单元(104)，所述平面光波导芯片的输入端、输出端分别与输入光纤、输出光纤对应耦合连接。

2.如权利要求1所述的多通道硅基波分复用高速光收发一体器件，其特征在于，所述发射单元(102)包括散热热沉(1)，在所述散热热沉(1)之上还依次沉积激光器驱动器电芯片(2)、激光器热沉(6)；所述激光器热沉(6)上依次沉积背光探测器(3)、激光器(4)。

3.如权利要求2所述的多通道硅基波分复用高速光收发一体器件，其特征在于，所述激光器(4)与所述平面光波导芯片通过聚光透镜(5)耦合或者直接耦合。

4.如权利要求1-3中任意一项所述的多通道硅基波分复用高速光收发一体器件，其特征在于，所述接收单元(101)包括散热热沉，在所述散热热沉之上还依次沉积限幅放大器电芯片(1)、跨阻放大器芯片(2)；所述跨阻放大器芯片上设置有光电探测器(6)及45°反光镜，所述分波单元(103)分波后的各路光波，经透镜(4)汇聚，被所述45°反光镜反射到所述光电探测器(6)产生光电流信号，所述光电流信号经所述跨阻放大器芯片(2)与所述限幅放大器电芯片(1)转换成电压信号并放大输出。

5.如权利要求4所述的多通道硅基波分复用高速光收发一体器件，其特征在于，所述平面光波导芯片与输出光纤、输入光纤间接入环形器。

6.如权利要求5所述的多通道硅基波分复用高速光收发一体器件，其特征在于，所述发射单元(102)及所述接收单元(101)的激光器数量和光电探测器数量大于或等于4。

7.如权利要求6所述的多通道硅基波分复用高速光收发一体器件，其特征在于，所述合波单元(104)、分波单元(103)分别为波导阵列光栅、级联马赫泽德光波滤波器。

8.如权利要求7所述的多通道硅基波分复用高速光收发一体器件，其特征在于，所述激光器为10G或25G高速分布式反馈激光器或电吸收调制分布式反馈激光器，不同所述激光器对应不同的特定光波。

9.如权利要求8所述的多通道硅基波分复用高速光收发一体器件，其特征在于，所述光电探测器(6)为分立式或阵列式。

10.如权利要求9所述的多通道硅基波分复用高速光收发一体器件，其特征在于，所述发射单元和所述光接收单元与所述平面光波导芯片的光波传输方式为：通过透镜聚光或集成模斑转换器或直接与光纤耦合对准。