CN114924362A - 一种收发双向集成芯片及其在光双向收发组件中的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种收发双向集成芯片及其在光双向收发组件中的应用，属于光通信领域。收发双向集成芯片中的有源波导区包括有源波导层和位于所述有源波导层下方的下引导波导层。收发双向集成芯片还包括吸收区和调相区。本发明采用同一段波导结构实现上行激光信号的产生，上行激光信号的在线背光探测，以及下行激光信号的收光和向探测器的传输。将上行和下行两路光路合并至一路，大大简化了光路结构，降低了成本。
Description
技术领域
本发明涉及光通信领域，具体涉及一种收发双向集成芯片及其在光双向收发组件中的应用。
背景技术
随着云计算、云存储、超高清视频等新兴应用需求的激增，光通信系统逐步向支持更大传输容量、更高传输速率的技术方向演进，此需求对芯片集成设计、器件及模块封装的高度集成化、小型化、低功耗等性能提出了更高的要求。
现有千兆无源光网络10G PON，如XGPON和10G EPON中的光网络单元ONU内的光双向收发组件（BOSA）包含上行发射器件2.5G或10G 1270nm半导体激光器和下行接收器件10G1577nm APD。目前的技术方案主要基于混合集成平面光波导技术、光子集成电路技术的BOX封装方案以及基于TO-CAN结合空间光路控制的分立器件封装方案等。
分立器件技术虽然在集成度和器件体积上不具有优势，但由于芯片制作难度相对低、器件成品率和可靠性高等优点被广泛采用。现有技术中一种常用的架构如图1所示。上行光路先独立封装激射波长为1270nm的激光器1011和背光探测器MPD 1012至TO-CAN 101，经由透镜102和45度滤波片103耦合至光纤104。下行1577nm信号从光纤104输入后，经由45度滤波片103和0度滤波片105入射至接收TO-CAN 106，接收TO-CAN 106中封装有1577nmAPD探测器和TIA电芯片。然而，这种单波长芯片各自独立封装入TO，再通过滤波片、耦合透镜等实现光路分开控制的方式存在体积大、封装过程复杂等缺点。
发明内容
本发明的目的在于提出一种收发双向集成芯片及其在10G PON系统的光双向收发组件中的应用，采用同一段波导结构实现上行1270nm激光器信号的产生、1270nm信号的在线背光探测及下行1577nm信号收光并透过传输至探测器。
本发明提供了一种收发双向集成芯片，收发双向集成芯片能够从前端面发射上行激光信号，并且能够透过从前端面入射的下行激光信号，下行激光信号从后端面输出，上行激光信号的波长为1260-1280nm，下行激光信号的波长范围为1575-1580nm；收发双向集成芯片包括有源波导区，有源波导区包括有源波导层和位于有源波导层下方的下引导波导层，对于下行激光信号，下引导波导层的折射率大于有源波导层的折射率；有源波导层在电激励下从前端面发射上行激光信号，下引导波导层用于扩展下行激光信号的光斑分布，增加下行激光信号从前端面耦合至收发双向集成芯片内的耦合效率。
优选地，有源波导区由下至上包括N型电极、N型衬底、第一缓冲层、下引导波导层、第二缓冲层、量子阱有源波导层、第三缓冲层、光栅层、上包层、脊波导层、欧姆接触层和P型电极。
优选地，收发双向集成芯片还包括吸收区和调相区中的至少一个，吸收区和调相区的半导体结构与有源波导区相同，且位于有源波导区和后端面之间。
优选地，吸收区不包括电极；或者吸收区施加反偏电压，用于在线背光检测。
优选地，前端面镀增透膜，增透膜对上行激光信号和下行激光信号功率反射率小于等于2%；后端面镀膜方式为对上行激光信号镀高反膜，对下行激光信号镀反射率小于等于2%的增透膜。
本发明还提供了一种光双向收发组件，光双向收发组件包括上述收发双向集成芯片；还包括下行信号探测芯片，用于探测从后端面输出的下行激光信号。
优选地，下行信号探测芯片中包括APD探测芯片和TIA电芯片。
优选地，收发双向集成芯片和下行信号探测芯片封装在一个TO-CAN中。
本发明还提供了一种10G PON系统，10G PON系统包括上述光双向收发组件。
本发明的有益效果在于，将上行和下行两路光路合并至一路，大大简化了光路结构，降低了BOSA成本。收发双向集成芯片采用上层有源波导，下层引导波导的双波导结构，既能输出单模上行1270nm信号，又能增加下行1577nm信号耦合至激光器波导的光功率，从而降低了下行1577nm信号透传1270nm波导的功率损失，以保证传输至APD探测器足够的功率灵敏度。
附图说明
图1是10G PON ONU端现有分立TO-CAN的双光路架构示意图；
图2是本发明提出的10G PON ONU端收发双向单光路架构示意图；
图3是本发明提出的收发双向集成芯片的截面图；
图4是本发明提出的各种实施方式的收发双向集成芯片的俯视图；
图5是在不同端面反射率情况下，信号波长与下行信号透传功率的对应关系；
图6中（a）和（b）分别是没有和有下引导波导层时下行1577nm信号前端面光场模斑分布对比；
图7是没有和有下引导波导层时1270nm激光器的PI曲线对比图。
图中：101、TO-CAN；1011、激光器；1012、背光探测器MPD；102、透镜；103、45度滤波片；104、光纤；105、0度滤波片；106、接收TO-CAN；201、TO-CAN；202、透镜；203、光纤；2011、收发芯片；2012、下行信号探测芯片；301、N型电极；302、N型衬底；303、第一缓冲层；304、下引导波导层；305、第二缓冲层；306、量子阱有源波导层；307、第三缓冲层；308、光栅层；309、上包层；310、脊波导层；311、欧姆接触层；312、P型电极；401、前端面；402、有源波导区；403、吸收区；404、调相区；405、后端面。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
现行10G PON OLT通常采用1260-1280nm波长范围内的上行信号和1575-1580nm波长范围内的下行信号。在以下实施方式中，为方便描述，上行和下行信号的波长分别取1270nm和1577nm。然而，本领域技术人员能够理解到，上行1270nm信号代表的是波长在1260-1280nm范围内的上行信号，下行1577nm信号代表的是波长在1575-1580nm范围内的下行信号。
如图2所示，本发明提出了一种基于收发双向单片集成芯片的光网络单元，光网络单元包括TO-CAN 201、透镜202和光纤203，其中TO-CAN 201中封装有收发芯片2011和下行信号探测芯片2012，其构成光双向收发组件。收发芯片2011包括收发双向单片集成芯片，下行信号探测芯片2012中包括1577nm APD探测芯片和TIA电芯片。在一些实施方式中，收发芯片2011中还包括在线背光探测功能。
收发双向单片集成芯片能够发射上行1270nm信号，并能够透过下行1577nm信号，其经由透镜202耦合至光纤203。下行1577nm信号经由透镜202入射并透过收发双向单片集成芯片后被下行信号探测芯片2012接收。
在一个实施方式中，收发双向单片集成芯片采用InP-AlGaInAs-InGaAsP材料体系。参见图3，收发双向单片集成芯片沿生长方向x方向由下到上依次包括N型电极301、N型衬底302、第一缓冲层303、下引导波导层304、第二缓冲层305、量子阱有源波导层306、第三缓冲层307、光栅层308、上包层309、脊波导层310、欧姆接触层311和P型电极312。
值得一提的是，虽然在上述实施方式中，采用脊波导限制芯片的光场和载流子，然而在其他实施方式中，也可以采用掩埋异质结（BH）等方式实现器件的光场限制和载流子限制。此外有源波导层也可采用量子阱以外的任何公知的有源层结构。
在一个实施例中，第一缓冲层303、第二缓冲层305、第三缓冲层307、上包层309和脊波导层310的材料为InP，下引导波导层304的材料为InGaAsP，量子阱有源波导层306的材料为Al（Ga）InAs/AlGaInAs，光栅层308的材料为InGaAsP。对于下行信号，下引导波导层304的折射率大于有源波导层的折射率。
如图4所示，收发双向单片集成芯片包括前端面401和后端面405。其中，前端面401镀增透膜，增透膜对1270nm±20nm波长范围和1577nm±10nm波长范围的功率反射率≤2%；后端面405镀膜方式为对1270nm±20nm波长范围镀高反膜，对1577nm±10nm波长范围镀功率反射率≤2%的增透膜。
在一些实施方式中，如图4中（a）所示，收发双向单片集成芯片从左至右包括前端面401、有源波导区402和后端面405。在电激励下，量子阱有源波导层306中的粒子数反转，光栅层308提供光反馈，产生的单模1270nm信号向左从前端面401输出，产生上行信号。向右传输的1270nm信号由后端面405的高反膜反射而几乎不从后端面405输出。
在一些实施方式中，如图4中（b）所示，收发双向单片集成芯片从左至右包括前端面401、有源波导区402、吸收区403和后端面405。可选地，吸收区403不包括电极。可选地，有源波导区402和吸收区403具有独立的P侧电极，两者的N侧电极共用，其中吸收区403加反偏电压。
在电激励下，量子阱有源波导层306中的粒子数反转，光栅层308提供光反馈，产生的单模1270nm信号向左从前端面401输出，产生上行信号。向右传输的1270nm信号经过吸收区403后将几乎被全部吸收。当在吸收区403施加反偏电压时，产生的光生载流子被该区域设置的反偏电压电极收集，从而实现在线背光探测功能。如仍有残留光场，将由后端面405的高反膜反射而几乎不从后端面405输出。
在一些实施方式中，如图4中（c）所示，收发双向单片集成芯片从左至右包括前端面401、有源波导区402、调相区404和后端面405。有源波导区402和调相区404具有独立的P侧电极，两者的N侧电极共用。
在电激励下，量子阱有源波导层306中的粒子数反转，光栅层308提供光反馈，产生的单模1270nm信号向左从前端面401输出，产生上行信号。向右传输的1270nm信号经调相区404吸收后，最后将由后端面405的高反膜反射而几乎不从后端面405输出。
在一些实施方式中，如图4中（d）所示，收发双向单片集成芯片从左至右包括前端面401、有源波导区402、吸收区403、调相区404和后端面405。其中，吸收区403和调相区404的位置可调换，即在一些实施方式中，收发双向单片集成芯片从左至右包括前端面401、有源波导区402、调相区404、吸收区403和后端面405。
可选地，有源波导区402和调相区404具有独立的P侧电极，两者的N侧电极可共用。可选地，有源波导区402、吸收区403和调相区404具有独立的P侧电极，三者的N侧电极共用，其中，吸收区403加反偏电压。
当吸收区403更靠近前端面401时，在电激励下，量子阱有源波导层306中的粒子数反转，光栅层308提供光反馈，产生的单模1270nm信号向左从前端面401输出，产生上行信号。向右传输的1270nm信号经过吸收区403后将几乎被全部吸收。当在吸收区403施加反偏电压时，产生的光生载流子被该区域设置的反偏电压电极收集，从而实现在线背光探测功能。如仍有残留光场，其再经过调相区404被继续吸收，最后将由后端面405的高反膜反射而几乎不从后端面405输出。
当调相区404更靠近前端面401时，在电激励下，量子阱有源波导层306中的粒子数反转，光栅层308提供光反馈，产生的单模1270nm信号向左从前端面401输出，产生上行信号。向右传输的1270nm信号经过调相区后被部分吸收。残留的光场再经过吸收区403，最后将由后端面405的高反膜反射而几乎不从后端面405输出。当在吸收区403施加反偏电压时，产生的光生载流子被该区域设置的反偏电压电极收集，从而实现在线背光探测功能。
经透镜202入射的下行1577nm信号透过前端面401耦合至有源波导区402内，由于1577nm信号的带隙能量远小于1270nm有源波导区402、吸收区403和调相区404的带隙能量，因此有源波导区402、吸收区403和调相区404对于1577nm信号几乎透明，也即1577nm信号在收发双向单片集成芯片内传播时几乎无光功率损耗。
有源波导区402对下行1577nm信号的等效光程影响会随着多个因素变化，例如下行信号的波长变化（波长变化范围通常为1575nm至1580nm），有源波导区402的电流注入，由解理导致的有源波导区402的长度变化等。当前端面401和后端面405的增透膜对下行信号反射率极低时，这些光程误差导致的相位误差几乎不会对下行信号产生影响。当端面镀膜不均匀导致反射率增加时，下行信号的透传功率会由于法布里珀罗腔的效应产生波动。图5展现了在不同端面反射率情况下，波长与透传功率的对应关系。在上述收发双向单片集成芯片中，可以通过向调相区404注入电流以改变下行信号的传播相位，从而使得透传功率达到最大值。然而，如果两端面的增透膜对1577nm的功率反射率足够低，调相区404可省略。
在上述收发双向单片集成芯片中，量子阱有源波导层306下方设有下引导波导层304。图6为没有和有下引导波导层304时，下行1577nm信号在图3所示的波导横截面xy平面内的二维光场分布。没有下引导波导层304时，下行1577nm信号都是在量子阱有源波导层306内传输，当有下引导波导层304时，量子阱有源波导层306内的部分下行1577nm信号被导引至下引导波导层304中传输，因此，下引导波导层304有效地扩展了光斑分布。与没有下引导波导的耦合情况相比，1577nm信号耦合至收发双向单片集成芯片的耦合效率从65%增加到了80%，进而提高了下行信号穿过收发双向单片集成芯片入射至1577nm APD探测器后的探测灵敏度。
图7分析了下引导波导层304对有源波导区402出光阈值和出光功率的影响。可以看出，阈值增加了约2mA，出光斜效率从0.412 mW/mA略下降至0.39 mW/mA。因此，下引导波导层304对有源波导区402发光性能的影响较小，其出光斜效率或功率部分的损失可通过略增加注入电流进行补偿。
以上结合具体实施例描述了本发明的技术原理。这些描述只是为了解释本发明的原理，而不能以任何方式解释为对本发明保护范围的限制。基于此处的解释，本领域的技术人员不需要付出创造性的劳动即可联想到本发明的其它具体实施方式，这些方式都将落入本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种收发双向集成芯片，其特征在于，所述收发双向集成芯片能够从前端面发射上行激光信号，并且能够透过从所述前端面入射的下行激光信号，所述下行激光信号从后端面输出，所述上行激光信号的波长为1260-1280nm，所述下行激光信号的波长范围为1575-1580nm；所述收发双向集成芯片包括有源波导区，所述有源波导区包括有源波导层和位于所述有源波导层下方的下引导波导层，对于所述下行激光信号，所述下引导波导层的折射率大于有源波导层的折射率；所述有源波导层在电激励下从所述前端面发射所述上行激光信号，所述下引导波导层用于扩展所述下行激光信号的光斑分布，增加所述下行激光信号从所述前端面耦合至所述收发双向集成芯片内的耦合效率。
2.根据权利要求1所述的收发双向集成芯片，其特征在于，所述有源波导区由下至上包括N型电极、N型衬底、第一缓冲层、下引导波导层、第二缓冲层、量子阱有源波导层、第三缓冲层、光栅层、上包层、脊波导层、欧姆接触层和P型电极。
3.根据权利要求1-2任一所述的收发双向集成芯片，其特征在于，所述收发双向集成芯片还包括吸收区和调相区中的至少一个，所述吸收区和调相区的半导体结构与所述有源波导区相同，且位于所述有源波导区和所述后端面之间。
4.根据权利要求3所述的收发双向集成芯片，其特征在于，所述吸收区不包括电极；或者所述吸收区施加反偏电压，用于在线背光检测。
5.根据权利要求1-2任一所述的收发双向集成芯片，其特征在于，所述前端面镀增透膜，所述增透膜对上行激光信号和下行激光信号功率反射率小于等于2%；所述后端面镀膜方式为对上行激光信号镀高反膜，对下行激光信号镀反射率小于等于2%的增透膜。
6.一种光双向收发组件，包括权利要求1-5任一所述的收发双向集成芯片,其特征在于，还包括下行信号探测芯片，用于探测从后端面输出的下行激光信号。
7.根据权利要求6所述的光双向收发组件，其特征在于，所述下行信号探测芯片中包括APD探测芯片和TIA电芯片。
8.根据权利要求6-7任一所述的光双向收发组件，其特征在于，所述收发双向集成芯片和下行信号探测芯片封装在一个TO-CAN中。
9.一种10G PON系统，其特征在于，包括权利要求6-8任一所述的光双向收发组件。
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Cited By (1)
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| CN117420479A (zh) * | 2023-12-19 | 2024-01-19 | 成都光创联科技有限公司 | 共阴光器件背光探测器负偏置电流测试电路 |
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2022
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