CN112311466A - 一种集成光收发器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体技术领域，本发明公开了一种集成光收发器，其包括集成连接的片上组件、片外组件和温度传感器；该片上组件包括硅基滤波件，该硅基滤波件用于实现不同波长的光的合波或者分波；该温度传感器用于监测该片上组件的温度；该片外组件包括片外滤波器，该片外滤波器与该硅基滤波件连接，该片外滤波器用于接收该温度传感器监测的温度，当该温度小于预设温度时，调整波长偏离的光的波长于原波长的位置，从而本申请提供的集成光收发器具有成本高、尺寸小和性能好的特点。

Description

一种集成光收发器
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，特别涉及一种集成光收发器。
背景技术
随着人们对信息传输、处理速度要求的不断提高和多核计算时代的来临，基于金属的电互连将会由于过热、延迟、电子干扰等缺陷成为发展瓶颈。而采用光互连来取代电互连，可以有效解决这一难题。在光互连的具体实施方案中，硅基光互连以其无可比拟的成本和技术优势成为首选。硅基光互连既能发挥光互连速度快、带宽大、抗干扰、功耗低等优点，又能充分利用微电子标准互补金属氧化物半导体(Complementary Metal OxideSemiconductor，CMOS)工艺成熟、高密度集成、高成品率、成本低廉等优势，其发展必将推动新一代高性能计算机、数据通信系统的发展，有着广阔的市场应用前景。
硅基光互连的核心技术是在硅基SOI(siliconon insulator)硅光波导的工艺基础上实现各种光电功能的器件，如集成光接收器件(receiver)：包括硅光波导(WG，waveguide)、多路复用器(MUX)、多路分解器(DEMUX)、探测器(PD，photodetector)等元器件组成。
现有CWDM(Coarse Wavelength Division Multiplexing，粗波分复用，信道间距20nm)接收器产品的技术方案是基于薄膜或非热敏氧化硅AWG(Arrayed WaveguideGrating)和光探测器(或光探测器阵列)封装在一起(见图1)。这样的方案成本高，尺寸大以及性能差。
发明内容
本发明要解决的是现有技术中光接收器件成本高、尺寸大和性能差的技术问题。
为解决上述技术问题，本申请公开了一种集成光收发器，其包括集成连接的片上组件、片外组件和温度传感器；
该片上组件包括硅基滤波件，该硅基滤波件用于实现不同波长的光的合波或者分波；
该温度传感器用于监测该片上组件的温度；
该片外组件包括片外滤波器，该片外滤波器与该硅基滤波件连接，该片外滤波器用于接收该温度传感器监测的温度，当该温度小于预设温度时，调整波长偏离的光的波长于原波长的位置。
可选地，该硅基滤波件为解复用器；
该片外组件还包括片外第一光模转换器；
该片上组件还包括探测器；
该第一光模转换器的输入端与光纤连接；
该第一光膜转换器的输出端与该片外滤波器的输入端连接；
该片外滤波器的输出端与该硅基滤波件的输入端连接；
该硅基滤波件的输出端与探测器波导连接。
可选地，该温度传感器位于该该硅基滤波件与该探测器之间的区域。
可选地，该滤波件的数量为至少两个；
该探测器的数量为至少两个。
可选地，该硅基滤波件的信道间距大于该片外滤波器的信道间距。
可选地，该硅基滤波件为复用器；
该片上组件还包括激光器和调制器；
该片外组件还包括第二光模转换器；
该激光器的输出端与该调制器的输入端波导连接；
该调制器的输出端与该硅基滤波件的输入端波导连接；
该硅基滤波件的输出端与该片外滤波器的输入端连接；
该片外滤波器的输出端与该第二光模转换器的输入端连接；
该第二光模转换器的输出端与光纤连接。
可选地，该温度传感器位于该激光器与该调制器之间的区域。
可选地，该激光器的数量为至少两个；
该调制器的数量与该激光器的数量相同。
可选地，该温度传感器为片上温度传感器或者片外温度传感器。
可选地，该片外滤波器包括薄膜滤波器。
采用上述技术方案，本申请提供的光接收器件具有如下有益效果：
本申请提供的集成光收发器包括集成连接的片上组件、片外组件和温度传感器，具有集成度高、尺寸小和成本低的优点，其中，该片上组件包括硅基滤波件，该硅基滤波件用于实现不同波长的光的合波或者分波，该温度传感器用于监测该片上组件的温度，该片外滤波器与该硅基滤波件连接，因此，当温度传感器检测的温度小于预设温度时，控制单元会发送信号给片外滤波器，从而片外滤波器可以调整波长偏离的光的波长于原波长的位置，进而使得经过本申请的片外滤波器的光的波长均为偏离很小范围的光波，降低了器件光的传输损耗，提高了器件的性能。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请一种可选地实施方式中集成光收发器的结构示意图；
图2为现有技术中接收器件的结构示意图；
图3为本申请另一种可选地实施方式中集成光收发器的结构示意图；
图4为本申请另一种可选地实施方式中集成光收发器的结构示意图；
图5为本申请的片外滤波器滤波的过程示意图。
以下对附图作补充说明：
1-片上组件；11-硅基滤波件；111-第一滤波件；112-第二滤波件；12-探测器；13-激光器；14-调制器；2-片外组件；21-片外滤波器；22-第一光模转换器；23-第二光模转换器；3-温度传感器；4-LC接头；5-透镜；6-微透镜阵列；7-PLC解复用器；8-APD阵列；9-电路板。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本申请至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
如图1所示，图1为本申请一种可选地实施方式中集成光收发器的结构示意图。本申请提供的集成光收发器包括集成连接的片上组件1、片外组件2和温度传感器3，具有集成度高、尺寸小和成本低的优点，其中，该片上组件1包括硅基滤波件11，该硅基滤波件11用于实现不同波长的光的合波或者分波，该该温度传感器3用于监测该片上组件1的温度，该片外滤波器21与该硅基滤波件11连接，因此，当温度传感器3检测的温度小于预设温度时，控制单元会发送信号给片外滤波器21，从而片外滤波器21可以调整波长偏离的光的波长于原波长的位置，进而使得经过本申请的片外滤波器21的光的波长均为偏离很小范围的光波，降低了器件光的传输损耗，提高了器件的性能。
可知，本申请提供的集成光收发器的片上组件1是基于SOI硅光波导工艺加工成型的，在提高了集成度的同时，还降低了成本；片上组件1中的器件之间通过波导连接，可选地，该波导为硅波导，当然还可以是锗波导。
如图2所示，图2为现有技术中接收器件的结构示意图。该接收器件包括LC接头4、透镜5、微透镜阵列6、PLC(Planar Lightwave Circuit，平面光路)解复用器7、APD(Avalanche Photo Diode，雪崩光电二极管)阵列、放大器TIA和电路板9，且LC接头4、透镜5、PLC解复用器7、微透镜阵6列、APD阵列8、放大器TIA和电路板9依次连接形成光路传输通道，从图2可以看出，该APD阵列8与放大器TIA之间是通过封装的方式连接形成APD-TIA光探测器的，且接收器的PLC解复用器7与APD-TIA光探测之间也是封装方式连接的，从而使得该器件整体尺寸大、封装成本高且性能差。
在一种可选地实施方式中，如图3所示，图3为本申请另一种可选地实施方式中集成光收发器的结构示意图。该硅基滤波件11为解复用器；该片外组件2还包括片外第一光模转换器22；该片上组件1还包括探测器12；该第一光模转换器22的输入端与光纤连接；该第一光膜转换器的输出端与该片外滤波器21的输入端连接；该片外滤波器21的输出端与该硅基滤波件11的输入端连接；该硅基滤波件11的输出端与探测器12波导连接，本实施例中的集成光收发器为光接收器件。
在一种可选地实施方式中，该硅基滤波件11的数量为至少两个；该探测器12的数量为至少两个，探测器12的数量与光的波长种类的数量相等，例如，如果从硅基滤波件11传输出3种波长的光波，则探测器12的数量为3个，且一个探测器12接收一种波长的光波。
在一种可选地实施方式中，由图3可知，该片外滤波器21为包括第一输入端、第一输出端和第二输出端；该硅基滤波件11包括第一滤波件111和第二滤波件112；第一光模转换器22与第一输入端波导连接，该片外滤波器21的第一输出端与第一滤波件111连接，该片外滤波器21的第二输出端与第二滤波件112连接，可选地，该第一滤波件111与至少两个探测器12波导连接，该第二滤波件112与至少两个探测器12波导连接，当然，具体连接的探测器12数量与第一滤波件111或者第二滤波件112传输出的波长的类型相关。
在在一种可选地实施方式中，该片外滤波器21为薄膜滤波器，具有低热光系数的优点。
在一种可选地实施方式中，从图3可以看出，该硅基滤波件11包括第一滤波件111和第二滤波件112，探测器12的数量为6个，该实施方式中的光接收器件的工作原理如下，经过第一光模转换器22后的不同波长的光通过片外滤波器21将波长λ1，λ2，λ3…λ6中的第一部分光波λ1,λ3,λ5转到第一滤波件111，进而进入到对应的探测器12接收；其中，λ1进入到第一个探测器12，λ2进入到第二个探测器12，λ3进入到第三个探测器；
第二部分的光波λ2，λ4，λ6转到第二滤波件112，进而进入到对应的探测器12接收，不同波长λ对应的探测器12与上述第一部分的光波对应的方式相同，在此不再赘述。
在一种可选地实施方式中，该探测器12为锗探测器，具有降低能带、提高探测范围的优点。
在一种可选地实施方式中，该温度传感器3位于该该硅基滤波件11与该探测器12之间的区域，从而能够更准确地监测到解复用器附近的温度，当然根据需要，该温度传感器3还可以位于靠近片外滤波器21或者探测器12的区域。
在一种可选地实施方式中，该硅基滤波件11的信道间距大于该片外滤波器21的信道间距优选地，该硅基滤波件11的信道间距为该片外滤波器21的信道间距的两倍，硅基滤波件11的通带为24nm，足够覆盖因解复用器温度变化而造成的波长变化，提高了接收器件的性能稳定性。
在一种可选地实施方式中，图4为本申请另一种可选地实施方式中集成光收发器的结构示意图。该硅基滤波件11为复用器；该片上组件1还包括激光器13和调制器14；该片外组件2还包括第二光模转换器23；该激光器13的输出端与该调制器14的输入端波导连接；该调制器14的输出端与该硅基滤波件11的输入端波导连接；该硅基滤波件11的输出端与该片外滤波器21的输入端连接；该片外滤波器21的输出端与该第二光模转换器23的输入端连接；该第二光模转换器23的输出端与光纤连接，从而形成的器件为光发射器件。
在一种可选地实施方式中，该激光器13的数量为至少两个；该调制器14的数量与该激光器13的数量相同。
在一种可选地实施方式中，从图4可以看出，该光发射器件包括六个激光器13、六个调制器14、第一滤波件111和第二滤波件112，该硅基滤波件11为复用器；该光发射器件的光传输原理如下，每个激光器13会产生一种单一波长的光波，六个激光器13产生六种不同波长的光波，分别为λ1，λ2，λ3，λ4，λ5，λ6；且每个激光器13与一个调制器14对应连接，第一部分的光波λ1，λ3和λ5经过其对应的调制器14复合到第一滤波件111，第二部分的光波λ2，λ4和λ6经过其对应的调制器14复合到第二滤波件112，第一部分的光波和第二部分的光波再经过波导复合到片外滤波器21中，光波可以经过片外滤波器21过滤后再通过第二光模转换器23发射出去，当然根据需要，该激光器13的数量还可以是2个、3个、4个和n个等，n为大于等于5的自然数。
在一种可选地实施方式中，该温度传感器3位于该激光器13与该调制器14之间的区域，从而能够更准确地监测到激光器13附近的温度，当然根据需要，该温度传感器3包括但不限于位于靠近片外滤波器21或者复用器的区域。
在一种可选地实施方式中，该硅基滤波件11的信道间距大于该片外滤波器21的信道间距，优选地，该硅基滤波件11的信道间距为该片外滤波器21的信道间距的两倍，硅基滤波件11的通带为24nm，足够覆盖因激光器13温度变化而造成的波长变化，提高了接收器件的性能稳定性。
在一种可选地实施方式中，该集成收发器件包括上述光接收器件和光发射器件，第二光模转换器23与第一光模转换器22光纤连接，从而实现光波的传输。
在一种可选地实施方式中，该温度传感器3为片上温度传感器或者片外温度传感器，优选地，该温度传感器3为片上温度传感器3，具有提高了器件集成度和温度检测准确度的优点。
在一种可选地实施方式中，如图5所示，图5为本申请的片外滤波器21滤波的过程示意图。从图5(a)可以看出，当温度T＝T0时，波长λ的位置为原波长位置；从图5(b)可知，当没有片外滤波器21的情况下，且当温度T<T0，波长λ会偏离；从图5(c)可知，当使用本申请集成光收发器的情况下，当温度T<T0时，由于温度传感器3可以实时检测整个芯片的温度，从而当温度小于预设温度时，通过片外滤波器21可将偏离的波长λ调整到原波长位置。
以上所述仅为本申请可选实施例，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成光收发器，其特征在于，包括：集成连接的片上组件(1)、片外组件(2)和温度传感器(3)；
所述片上组件(1)包括硅基滤波件(11)，所述硅基滤波件(11)用于实现不同波长的光的合波或者分波；
所述温度传感器(3)用于监测所述片上组件(1)的温度；
所述片外组件(2)包括片外滤波器(21)，所述片外滤波器(21)与所述硅基滤波件(11)连接，所述片外滤波器(21)用于接收所述温度传感器(3)监测的温度，当所述温度小于预设温度时，调整波长偏离的光的波长于原波长的位置。
2.根据权利要求1所述的集成光收发器，其特征在于，所述硅基滤波件(11)为解复用器；
所述片外组件(2)还包括片外第一光模转换器(22)；
所述片上组件(1)还包括探测器(12)；
所述第一光模转换器(22)的输入端与光纤连接；
所述第一光膜转换器(22)的输出端与所述片外滤波器(21)的输入端连接；
所述片外滤波器(21)的输出端与所述硅基滤波件(11)的输入端连接；
所述硅基滤波件(11)的输出端与探测器(12)波导连接。
3.根据权利要求2所述的集成光收发器，其特征在于，所述温度传感器(3)位于所述所述硅基滤波件(11)与所述探测器(12)之间的区域。
4.根据权利要求2所述的集成光收发器，其特征在于，所述滤波件(11)的数量为至少两个；
所述探测器(12)的数量为至少两个。
5.根据权利要求2所述的集成光收发器，其特征在于，所述硅基滤波件(11)的信道间距大于所述片外滤波器(21)的信道间距。
6.根据权利要求1所述的集成光收发器，其特征在于，所述硅基滤波件(11)为复用器；
所述片上组件(1)还包括激光器(13)和调制器(14)；
所述片外组件(2)还包括第二光模转换器(23)；
所述激光器(13)的输出端与所述调制器(14)的输入端波导连接；
所述调制器(14)的输出端与所述硅基滤波件(11)的输入端波导连接；
所述硅基滤波件(11)的输出端与所述片外滤波器(21)的输入端连接；
所述片外滤波器(21)的输出端与所述第二光模转换器(23)的输入端连接；
所述第二光模转换器(23)的输出端与光纤连接。
7.根据权利要求6所述的集成光收发器，其特征在于，所述温度传感器(3)位于所述激光器(13)与所述调制器(14)之间的区域。
8.根据权利要求6所述的集成光收发器，其特征在于，所述激光器(13)的数量为至少两个；
所述调制器(14)的数量与所述激光器(13)的数量相同。
9.根据权利要求1所述的集成光收发器，其特征在于，所述温度传感器(3)为片上温度传感器或者片外温度传感器。
10.根据权利要求1所述的集成光收发器，其特征在于，所述片外滤波器(21)包括薄膜滤波器。
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