CN115480344A - 基于波分复用的硅光芯片及xgspon光模块 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光通信技术领域，尤其涉及一种基于波分复用的硅光芯片及XGSPON光模块，将原主流技术方案中的BOSA位置替换成具有WDM功能且内置APD的硅光芯片，同时主流方案中封装在BOSA内的LD芯片、TIA芯片以及光纤适配器贴装在硅光芯片周围，降低了人工安装的成本和不确定性；同时，本方案具有高集成度，且芯片体积相比BOSA要小一个数量级。

Description

基于波分复用的硅光芯片及XGSPON光模块
技术领域
本发明属于光通信技术领域，尤其涉及一种基于波分复用的硅光芯片及XGSPON光模块。
背景技术
目前，我国的固定宽带接入网络已经基本实现全光纤化，并且接入速率也在近几年逐渐从百兆提升到千兆，同时，移动宽带也随着5G的全球大规模商用化，逐渐具备千兆接入能力。在这样的市场背景下，国内外的宽带运营商已开始10G/10G+ PON技术的部署（注：PON指Passive Optical Network, 无源光网络），以提供每户1G接入能力为宽带发展目标。
随着XG(S)-PON（注：XG-PON为上下行不对称的10G PON，XGS-PON为上下行对称的10G PON）的产业链已经成熟，目前现有的主流XGSPON光模块方案采用基于TO同轴封装（注：TO指Transistor Outline，一种同轴封装器件，后面数字代表管径）的BOSA光器件（注：BOSA指Bi-Directional Optical Sub-Assembly, 一种单纤双向的光发射接收组件）实现核心的收发功能。
该技术方案的有源部分的发射/接收分别封装成TO46/TO56，实现电-光或光-电的转换功能。发射TO内封装发射LD芯片（注：LD指Laser Diode，激光器）和MPD芯片（注：MPD指Monitor PD，用于监控LD的背光功率），接收TO内封装接收PD芯片（注：PD指PhotonicDiode，光电二极管，用于光电转换，分APD和PIN两种）和TIA芯片（注：TIA指TransimpedanceAmplifier，跨阻放大器，用于将光电流转换成电压并放大输出）。TO封装工序包括：管座装夹、贴装垫块、共晶贴装芯片、打线、封帽等工序，再加上各项测试如气密性检查(粗漏，细漏)、老化试验、LIV测试。
该技术方案的无源部分光路采用基座+滤波片的方案。发射光路依次设置发射TO、隔离器、0°滤光片、光纤适配器输出，接收光路依次设置光纤适配器输入、45°滤光片、接收TO，这样将分立光器件组装起来得到BOSA。BOSA的制造工序包括：发射TO压接、穿透焊、发射耦合、接收耦合等工序，再加上各项测试如LIV测试，TC/TE测试，灵敏度测试等。
该技术方案的驱动控制电路通常封装成SFP+规格，如图1为现有技术方案驱动控制电路的示意框图。BOSA通过打线或柔性电路板与PCB板上电气连接，并配合驱动电路实现光模块的收发功能。发射功能中，外部通过电接口输入数字电信号TD+/-通过电驱动芯片转换成LD的驱动电信号LD+/-，来驱动BOSA的发射光路；接收功能中，BOSA接收光并输出光电信号DIN+/-，通过电驱动芯片转换成数字电信号RD+/-，并通过电接口输出。
由此可见，上述技术方案存在以下不足：1. 工序繁琐，需要经过TO封装、BOSA组装、模块封装，且多道工序需要人工安装，人力成本高且可靠性低；2. 集成度低，占用体积大。
目前，市面上有采用硅光芯片和COB工艺（注：COB, Chip on board, 是指将裸露芯片直接固定在印刷电路板上，然后通过金线引线键合，再用有机胶将芯片和引线封装保护的工艺）进行集成封装，来替代前面主流的BOSA方案的XGSPON，但该存在以下两点困难：
1、常规COB技术多用于CWDM/DWDM波分复用高速光模块，波分复用部分功能实现一般选用AWG(Arrayed waveguide gratings)阵列波导光栅方案，包括一个输入波导、输入星形耦合器、一个输出星形耦合器和数十根输出波导。该方案用于PON类产品的宽波长复用/解复用(1270nm & 1577nm)实现困难，体积偏大；
2、在硅基波导与光纤高效耦合的实现方面，由于硅纳米光波导尺寸小，其模斑尺寸仅0.1 μm2量级，与光纤模斑尺寸（数十μm2）相去甚远，因此，硅基波导与光纤高效耦合的核心问题在于如何实现有效的模斑尺寸转化。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于波分复用的硅光芯片及XGSPON光模块，将原主流技术方案中的BOSA位置替换成具有WDM功能且内置APD的硅光芯片，同时主流方案中封装在BOSA内的LD芯片、TIA芯片以及光纤适配器贴装在硅光芯片周围（注：WDM指WavelengthDivision Multiplexing，波分复用器，用于按波长分离出多个光通道，该方案中用于分离发射和接收的光波）。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种基于波分复用的硅光芯片，包括硅基衬底，硅基衬底上设有模斑转换器一、分光器、MPD器件、APD器件、硅基光波分滤波器、倒锥形端面耦合器；
所述模斑转换器一作为光源输入接口，用于匹配输入的模斑；
所述分光器将输入的光信号按比例分光，一部分光信号输送至MPD器件，另一部分光信号输送至硅基光波分滤波器；
所述MPD器件用于监控输入的光信号，将光信号转换为光电流输出；
所述硅基光波分滤波器实现单光路双向功能，一方面接收分光器输出的光信号，并输送给倒锥形端面耦合器，另一方面接收倒锥形端面耦合器输出的光信号，并输送给APD器件；
所述APD器件用于将接收的光信号转换为光电流并输出；
所述倒锥形端面耦合器用于波导与外部光纤的耦合，实现光信号的输出，所述倒锥形端面耦合器的光纤端口设有模斑转换器二。
一种XGSPON光模块，包括电接口一、电驱动芯片、LD芯片、TIA芯片、光纤适配器及权利要求1中所述的硅光芯片；
外部数字电信号通过电接口一输入至电驱动芯片，电驱动芯片将数字电信号转换为驱动电信号，直接驱动调制LD芯片，LD芯片根据驱动电信号，向硅光芯片内输入光信号，硅光芯片通过光纤向光纤适配器输出光信号；
外部光信号通过光纤适配器和光纤输入至硅光芯片，硅光芯片输出光电流至TIA芯片，TIA芯片将光电流转换为放大的电压信号，并输入至电驱动芯片，电驱动芯片将电压信号处理得到数字电信号，并经电接口一输出。
进一步的，所述LD芯片与硅光芯片的光口采用边缘耦合。
本发明的优点在于：
1. 本方案舍弃了BOSA，避开了繁琐的TO封装、BOSA组装工序，直接对芯片进行模块化封装，由于芯片的贴装和耦合完全可由机器完成，降低了人工安装的成本和不确定性；同时，本方案具有高集成度，且芯片体积相比BOSA要小一个数量级；
2. 采用硅基光波分滤波器(WDM-filter)，实现单光路双向功能，以用于PON类产品的宽波长复用/解复用(1270nm & 1577nm)，缩小芯片体积；
3. 采用模斑转换器实现硅基波导与光纤的高效耦合。
附图说明
图1为背景技术中现有技术方案的驱动控制电路示意框图；
图2为实施例中技术方案的驱动控制电路示意框图；
图3为实施例中硅光芯片的内部示意框图。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明作进一步详细描述。
如图2所示，本实施例提出一种基于硅光芯片的XGSPON光模块结构，包括PCB板，PCB板上设有电接口一、电驱动芯片、硅光芯片和光纤适配器。在发射功能中，外部通过电接口一输入数字电信号TD+/-到电驱动芯片，并由电驱动芯片转换成LD的驱动电信号LD+/-，来直接调制驱动LD芯片，LD芯片发射光源至硅光芯片，光源输入硅光芯片的同时，芯片内置集成的MPD监控输入光功率，并转化为光电流输入到电驱动芯片内，硅光芯片通过光纤向光纤适配器输出光信号；在接收功能中，外部光信号通过光纤适配器和光纤输入至硅光芯片，硅光芯片输出光电流至TIA芯片，TIA芯片通过贴片和打线的方式在PCB上封装，TIA芯片将光电流转换为放大的电压信号DIN+/-，并输入至电驱动芯片，电驱动芯片将电压信号处理得到数字电信号RD+/-，并经电接口一输出。
如图3所示，硅光芯片包括硅基衬底，硅基衬底上设有模斑转换器一SSC、分光器、MPD器件、APD器件、硅基光波分滤波器、倒锥形端面耦合器。
硅基光波分滤波器WDM-filter，使用硅基波导光栅设计，将处于谐振波长的光的能量耦合到反向的模式，使其在向前传输中出现带阻区，从透射端来看它是一个带阻滤波器，而从反射端来看则是一个带通滤波器。利用切趾多模波导光栅(MWG)结构的作用原理，通过切趾多模波导将输入的TE0模式转换为TE1模式，而布拉格光栅中心波长附近的TE1模式被反射并转换为TE0模式下载下来。使用多个切趾多模波导光栅结构的级联就可以实现多通道波分复用。
模斑转换器SSC利用水平锥形过渡结构代替垂直方向的过渡结构实现无源波导的芯层厚度减小，该方案不需要复杂的光刻流程和困难的刻蚀工艺，利用BPM方法仿真优化模斑转换结构后，我们得到，设计的结构具有较大的工艺容差。逆锥形波导耦合器结构包括两部分。其一是高度不变、宽度逐渐变小的硅芯区；其二是位于硅芯区之上的横截面尺寸约3μm×3 μm的聚合物或SiN光波导，两者融合构成了双芯区混合锥形波导。利用这种渐变结构，可将硅纳米光波导模场逐渐转化为聚合物或SiN光波导模式，从而实现光场模斑的扩大化，进而提高与光纤的耦合效率。锥形波导耦合器的特点是：耦合效率高，适用于宽波段及双偏振工作，同时该结构只使用接触式曝光制作，工艺简单且容差高。
模斑转换器一作为光源输入接口，设计与LD芯片的模斑和发散角互相匹配，并基于高精度COB工艺，将LD芯片、硅光芯片贴装到PCB板子上，LD芯片与硅光芯片光口采用边缘耦合，高精度(亚微米)保证耦合效率。
分光器将输入的光信号按比例分光，一部分光信号输送至MPD器件，另一部分光信号输送至硅基光波分滤波器。其中， MPD器件用于监控输入的光信号，将光信号转换为光电流，并由电接口二输出至电驱动芯片。硅基光波分滤波器实现单光路双向功能，一方面接收分光器输出的光信号，并输送给倒锥形端面耦合器，另一方面接收倒锥形端面耦合器输出的光信号，并输送给APD器件。APD器件用于将接收的光信号转换为光电流，并由电接口四输出。
倒锥形端面耦合器用于波导与外部光纤的耦合，实现光信号的输出，但倒锥形耦合器尖端的MFD（光纤模场直径）约2-3um，还是无法较好地与9um单模光纤匹配，故本实施例在所述倒锥形端面耦合器的光纤端口设有模斑转换器二，并与光纤端面采用边缘耦合，实现硅基波导与光纤的高效耦合，光纤另一端与光纤适配器连接。
上述实施例仅用于解释说明本发明的构思，而非对本发明权利保护的限定，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应落入本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种基于波分复用的硅光芯片，包括硅基衬底，其特征在于：硅基衬底上设有模斑转换器一、分光器、MPD器件、APD器件、硅基光波分滤波器、倒锥形端面耦合器；
所述模斑转换器一作为光源输入接口，用于匹配输入的模斑；
所述分光器将输入的光信号按比例分光，一部分光信号输送至MPD器件，另一部分光信号输送至硅基光波分滤波器；
所述MPD器件用于监控输入的光信号，将光信号转换为光电流输出；
所述硅基光波分滤波器实现单光路双向功能，一方面接收分光器输出的光信号，并输送给倒锥形端面耦合器，另一方面接收倒锥形端面耦合器输出的光信号，并输送给APD器件；
所述APD器件用于将接收的光信号转换为光电流并输出；
所述倒锥形端面耦合器用于波导与外部光纤的耦合，实现光信号的输出，所述倒锥形端面耦合器的光纤端口设有模斑转换器二。
2.一种XGSPON光模块，其特征在于：包括电接口一、电驱动芯片、LD芯片、TIA芯片、光纤适配器及权利要求1中所述的硅光芯片；
外部数字电信号通过电接口一输入至电驱动芯片，电驱动芯片将数字电信号转换为驱动电信号，直接驱动调制LD芯片，LD芯片根据驱动电信号，向硅光芯片内输入光信号，硅光芯片通过光纤向光纤适配器输出光信号；
外部光信号通过光纤适配器和光纤输入至硅光芯片，硅光芯片输出光电流至TIA芯片，TIA芯片将光电流转换为放大的电压信号，并输入至电驱动芯片，电驱动芯片将电压信号处理得到数字电信号，并经电接口一输出。
3.如权利要求2所述的一种XGSPON光模块，其特征在于：所述LD芯片与硅光芯片的光口采用边缘耦合。
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