CN118131416A - 一种光通信器件及光通信系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种光通信器件及光通信系统，包括硅光芯片、多模光纤和光电探测器；所述硅光芯片的输出端与所述多模光纤的一端相对接，所述多模光纤的另一端与所述光电探测器的输入端相对接。由于多模光纤的纤芯区域通常比单模光纤的大，即使硅光芯片的输出端出现偏差，也能够保证其出射的光模场能够位于多模光纤的纤芯区域内，如此便可以保证所有的光能量都能被多模光纤接收，从而提高了两者之间的容差，降低了两者之间的耦合损耗；同时，利用光电探测器来进行光信号的接收和解调，使得多模光纤输出的所有光信号都能够被接收解调，提高了信号的传输效率，解决了现有硅光子通信中硅光芯片和单模光纤对准难度高、耦合损耗大的问题。
Description
技术领域
本发明涉及光电通信技术领域，特别涉及一种光通信器件及光通信系统。
背景技术
随着光学技术的发展，基于光波的频率比无线电波的频率高、波长比无线电波的波长短，因此具有传输频带宽、通信容量大和抗电磁干扰能力强等优点，使得光通信逐步取代电通信成为了主流通信方式。
目前，光通信一般采用硅光子通信技术，即利用激光束和硅光芯片实现通信的技术。现有的硅光子通信器件主要包括调制端硅光芯片、单模光纤和解调端硅光芯片，激光束被耦合进调制端硅光芯片后，经调制端硅光芯片进行调制，之后被耦合进单模光纤进行传输，之后再耦合进解调端硅光芯片中进行解调，从而实现光通信过程。
硅光芯片和单模光纤之间的耦合目前有有源耦合和无源耦合，其中有源耦合是指在耦合过程中需要通光来确认硅光芯片和单模光纤之间的耦合损耗，进而确认最佳的耦合位置；而无源耦合是通过获取硅光芯片耦合端口处的光纤中心点与单模光纤的中心点来确认最佳的耦合位置。
然而，当光纤数量较大时，有源耦合的方式无法提供足够的光源，且通过耦合损耗来精确对准硅光芯片和单模光纤工作量较大、效率较低。而无源耦合需借助硅光芯片耦合端口处的V型槽来固定光纤的位置，但由于加工工艺的限制，V型槽的尺寸和位置会出现偏移，从而导致硅光芯片无法与单模光纤的中心精准对准，使得耦合损耗较大。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光通信器件及光通信系统，以解决现有硅光子通信中硅光芯片和单模光纤对准难度高、耦合损耗大的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光通信器件，包括硅光芯片、多模光纤和光电探测器；所述硅光芯片的输出端与所述多模光纤的一端相对接，所述多模光纤的另一端与所述光电探测器的输入端相对接。
可选的，在所述的光通信器件中，所述硅光芯片的输出端出射的光模为小模斑，且所述硅光芯片的输出端出射的光模场在所述多模光纤的纤芯区域内。
可选的，在所述的光通信器件中，所述硅光芯片包括依次连通的光学输入端口、分光器、多个调制器和光学输出端口；所述光学输入端口用于接收光信号，所述分光器用于将光信号分为多个支路；每一所述调制器对应于一个支路，以对每一支路上的光信号进行调制；所述光学输出端口用于将调制后的光信号输出至所述多模光纤中。
可选的，在所述的光通信器件中，所述硅光芯片的光学输出端口具有多个耦合端口，所述多模光纤的数量为多个，且多个所述多模光纤与所述耦合端口一一对应。
可选的，在所述的光通信器件中，所述光电探测器为面阵光电探测器；所述面阵光电探测器具有多个子光电探测器，且多个所述子光电探测器与所述多模光纤一一对应。
可选的，在所述的光通信器件中，所述硅光芯片的耦合端口处形成有容纳槽，所述容纳槽用于容纳所述多模光纤并限制所述多模光纤相对于所述耦合端口的位置。
可选的，在所述的光通信器件中，所述调制器和所述光学输出端口之间还设置有波分复用器；所述多模光纤的另一端和所述光电探测器之间还设置有波分解复用器。
为解决上述技术问题，本发明还提供一种光通信系统，包括如上任一项所述的光通信器件。
可选的，在所述的光通信系统中，所述光通信系统还包括激光器，所述激光器用于发射光信号至所述硅光芯片。
可选的，在所述的光通信系统中，所述光通信系统还包括数字信号处理器和/或驱动器和/或传输阻抗放大器；所述数字信号处理器用于生成数字信号以对所述硅光芯片中的光信号进行调制，还用于将所述光电探测器转换得到的电信号进行信号处理；所述驱动器用于驱动所述硅光芯片；所述传输阻抗放大器与所述光电探测器的输出端相对接，以将所述光电探测器输出的信号进行阻抗放大处理。
本发明提供的光通信器件及光通信系统，包括硅光芯片、多模光纤和光电探测器；所述硅光芯片的输出端与所述多模光纤的一端相对接，所述多模光纤的另一端与所述光电探测器的输入端相对接。由于多模光纤的纤芯区域通常比单模光纤的大，即使硅光芯片的输出端出现偏差，也能够保证其出射的光模场能够位于多模光纤的纤芯区域内，如此便可以保证所有的光能量都能被多模光纤接收，从而提高了两者之间的容差，不仅降低了两者之间的耦合损耗，还降低了耦合精度的要求因而降低了成本；同时，当光纤数量较大时，能够通过无源耦合的方式实现两者之间的耦合；此外，利用光电探测器来进行光信号的接收和解调，使得多模光纤输出的所有光信号都能够被接收解调，提高了信号的传输效率；解决了现有硅光子通信中硅光芯片和单模光纤对准难度高、耦合损耗大的问题。
附图说明
图1为本实施例提供的光通信器件的结构示意图；
图2为本实施例提供的光通信器件的详细结构示意图；
图3为本实施例提供的硅光芯片的耦合端口处容纳槽的截面示意图；
图4为本实施例提供的具有波分复用器的光通信器件的详细结构示意图；
图5为本实施例提供的具有激光器的光通信系统的结构示意图；
图6为本实施例提供的第一种光通信系统的结构示意图；
图7为本实施例提供的第二种光通信系统的结构示意图
图8为本实施例提供的第三种光通信系统的结构示意图；
图9为本实施例提供的第四种光通信系统的结构示意图
图10为本实施例提供的第五种光通信系统的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的光通信器件及光通信系统作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。此外，附图所展示的结构往往是实际结构的一部分。特别的，各附图需要展示的侧重点不同，有时会采用不同的比例。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及附图说明中的“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，以便描述本发明的实施例，而不用于描述特定的顺序或先后次序，应该理解这样使用的结构在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本实施例提供一种光通信器件，如图1所示，包括硅光芯片、多模光纤和光电探测器；所述硅光芯片的输出端与所述多模光纤的一端相对接，所述多模光纤的另一端与所述光电探测器的输入端相对接。
本实施例提供的光通信器件，由于多模光纤的纤芯区域通常比单模光纤的大，即使硅光芯片的输出端出现偏差，也能够保证其出射的光模场能够位于多模光纤的纤芯区域内，如此便可以保证所有的光能量都能被多模光纤接收，从而提高了两者之间的容差，不仅降低了两者之间的耦合损耗，还降低了耦合精度的要求因而降低了成本；同时，当光纤数量较大时，能够通过无源耦合的方式实现两者之间的耦合；此外，利用光电探测器来进行光信号的接收和解调，使得多模光纤输出的所有光信号都能够被接收解调，提高了信号的传输效率，解决了现有硅光子通信中硅光芯片和单模光纤对准难度高、耦合损耗大的问题。
具体的，在本实施例中，硅光芯片为调制端硅光芯片，激光束（光信号）耦合进入硅光芯片，然后经硅光芯片调制后耦合进入多模光纤中，此时，由于多模光纤的纤芯区域比单模光纤的大，因此，只要保证所述硅光芯片的输出端出射的光模场在所述多模光纤的纤芯区域内，便可以使得输出端出射的光总能够被耦合进多模光纤的导模中，虽然会因输出端和多模光纤之间的偏移而影响耦合进入多模光纤的光在不同的模式下耦合效率不同，但输出端出射的光都能够被多模光纤所接收，因此保证了光能量不会被损耗，提高了硅光芯片和多模光纤之间的耦合效率。
此外，在本实施例中，由于采用了多模光纤，因此硅光芯片的输出端出射的光模可以设计成小模斑，而无需和多模光纤的基模场匹配，如此，降低了硅光芯片的调制要求。当然，在实际应用中，也可以直接使用现有常用的调制端硅光芯片作为本实施例提供的光通信器件中的硅光芯片，如此，其出射的光模即为小模斑。
进一步的，在本实施例中，如图2所示，所述硅光芯片包括依次连通的光学输入端口、分光器、多个调制器和光学输出端口；所述光学输入端口用于接收光信号，所述分光器用于将光信号分为多个支路；每一所述调制器对应于一个支路，以对每一支路上的光信号进行调制；所述光学输出端口用于将调制后的光信号输出至所述多模光纤中。
在本实施例中，调制器可以选用PIN MZ调制器、LNOI MZ调制器、微环调制器、Ring-assistant MZ调制器、Ge-Si吸收调制器等。
再进一步的，当多模光纤数量为多个时，在本实施例中，如图2所示，所述硅光芯片的光学输出端口具有多个耦合端口，且多个所述多模光纤与所述耦合端口一一对应；以及，光电探测器也应当为多个，且与多模光纤一一对应。在一具体实施例中，可以选择面阵光电探测器，所述面阵光电探测器具有多个子光电探测器，从而能够使得多个所述子光电探测器与所述多模光纤一一对应。其中，光电探测器的材料可以为Ge、InP，或者其他复合物材料。
由于面阵光电探测器的接受光面积较大，因此不会受到单模的限制，能够接收全部的光能量。
硅光芯片、多模光纤和光电探测器的对接连接方式为本领域技术人员所熟知的。例如，可以通过在硅光芯片的耦合端口处形成有容纳槽，所述容纳槽用于容纳所述多模光纤并限制所述多模光纤相对于所述耦合端口的位置。
容纳槽的截面形状可以为多种，如图3所示，可以为V字形（图3中的（a）部分所示）、倒梯形（图3中的（b）部分所示）、矩形（图3中的（c）部分所示）、圆弧形（图3中的（d）部分所示）等，只要能将多模光纤的位置固定在一定位置处即可。较佳的，为了保证多模光纤在容纳槽内的位置固定，多模光纤高出容纳槽上表面的部分不超过整体的50%。在硅光芯片的制造过程中，可以采用光刻或蚀刻的方式形成容纳槽，其具体实现手段为本领域技术人员所熟知的，本申请对此不再赘述。
当多模光纤置于容纳槽内，能够保证多模光纤与硅光芯片的耦合端口的对准精度。即使因制造工艺限制，使得位于容纳槽内的多模光纤与耦合端口之间存在偏差，也能够因多模光纤的纤芯区域通常比单模光纤的大，从而保证硅光芯片的耦合端口出射的光模场能够位于多模光纤的纤芯区域内，进而可以保证所有的光能量都能被多模光纤接收，从而提高了两者之间的容差，降低了两者之间的耦合损耗。
进一步的，在本实施例中，所述多模光纤的材质为硅、二氧化硅或氟化物。以及，可以根据光通信器件的实际使用场景，选择合适的多模光纤的类别、型号，如，当需要进行低损耗传输、或应用于微波光电工程和高功率工程、或应用与航空航天和医疗系统中时，所述多模光纤可以为无芯光纤；当应用于量子光学研究或高精密光学测量中时，所述多模光纤可以为光子晶体光纤。
较佳的，在实际应用过程中，如图4所示，还可以在所述调制器和所述光学输出端口之间设置有波分复用器；对应地，在所述多模光纤的另一端和所述光电探测器之间设置有波分解复用器。
在本实施例中，波分复用器可以采用AWG、EDG、Lattice Filer、微环、光栅器件等，波分解复用器可以采用介质薄膜滤波器等。
本实施例还提供一种光通信系统，包括如上所述的光通信器件。具体的，在本实施例中，如图5所示，所述光通信系统还包括激光器，所述激光器用于发射光信号至所述硅光芯片。
此外，在实际应用中，所述光通信系统还包括数字信号处理器和/或驱动器和/或传输阻抗放大器；所述数字信号处理器用于生成数字信号以对所述硅光芯片中的光信号进行调制，还用于将所述光电探测器转换得到的电信号进行信号处理；所述驱动器用于驱动所述硅光芯片；所述传输阻抗放大器与所述光电探测器的输出端相对接，以将所述光电探测器输出的信号进行阻抗放大处理。
在实际应用中，驱动器可以为驱动芯片，传输阻抗放大器可以为抗阻放大芯片，且驱动芯片和抗阻放大芯片可以为单独的芯片，也可以被集成到DSP芯片中，也可以与硅光芯片一同集成为一颗芯片，如此可以提高光通信系统的集成率、减小体积。
以下，提供几种可行的光通信系统的实现方案。需要说明的是，由于在光通信系统中，发射端器件和接收端器件可以互置使用，因此发射端器件和接收端器件的内部结构一致，都可以用作光信号的发射或接收。
【实施例一】
如图6所示，在本实施例提供的光通信系统中，包括如上所述的光通信器件、激光器、传输阻抗放大器和数字信号处理器，该系统为PSM方案。其中，数字信号处理器用于生成电信号，并利用电信号对硅光芯片中调制器中的光信号进行信号调制；当光电探测器接收到光信号后，将光信号转换为电信号，并传输至传输阻抗放大器中；传输阻抗放大器将该电信号放大后输入至数字信号处理器中进行数字信号处理。
【实施例二】
如图7所示，在本实施例提供的光通信系统中，包括如上所述的光通信器件、激光器和数字信号处理器，该系统为PSM+DSP直驱方案。相较于实施例一，该实施例省去了传输阻抗放大器，因此，在光电探测器将光信号转换为电信号后，直接送入数字信号处理器中进行数字信号处理。
【实施例三】
如图8所示，在本实施例提供的光通信系统中，包括如上所述的光通信器件、激光器、驱动器和传输阻抗放大器，该系统为PSM+LPO方案。相较于实施例一，该实施例将数字信号处理器替换为了驱动器，其中，驱动器为Linear-Driver，传输阻抗放大器为Linear TIA，从而能够使光通信系统具有与实施例一所示的光通信系统的同样功能。
【实施例四】
如图9所示，在本实施例提供的光通信系统中，其结构与实施例一相似，但其采用的传输阻抗放大器为Linear TIA，从而使得该系统为PSM+LRO方案。
【实施例五】
如图10所示，在本实施例提供的光通信系统中，包括如上所述的光通信器件、激光器、驱动器和数字信号处理器，该系统为PSM+LTO方案。相较于实施例三，该实施例无需传输阻抗放大器，而是使用了数字信号处理器，其中，驱动器为Linear-Driver，从而能够使光通信系统具有与实施例三所示的光通信系统的同样功能。
当然，在硅光芯片中存在波分复用器，以及光通信器件中存在波分解复用器时，光通信系统的实现方式也可参照上述五个实施例，本申请不再赘述。
本实施例提供的光通信系统，通过激光器提供激光束至硅光芯片，并由硅光芯片在驱动器的驱动下进行调制，调制后的激光束耦合进多模光纤，并由光电探测器接收与解调得到电流信号，之后，由传输阻抗放大器将解调后的电流信号进行放大并转换为电压信号，最后传输至数字信号处理器进行处理。如此，由于多模光纤的纤芯区域通常比单模光纤的大，即使硅光芯片的耦合端口出现偏差，也能够保证其出射的光模场能够位于多模光纤的纤芯区域内，如此便可以保证所有的光能量都能被多模光纤接收，从而提高了两者之间的容差，不仅降低了两者之间的耦合损耗，还降低了耦合精度的要求因而降低了成本；同时，当光纤数量较大时，能够通过无源耦合的方式实现两者之间的耦合；此外，利用光电探测器来进行光信号的接收和解调，使得多模光纤输出的所有光信号都能够被接收解调，提高了信号的传输效率，解决了现有硅光子通信中硅光芯片和单模光纤对准难度高、耦合损耗大的问题。
需要说明的是，本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可，此外，各个实施例之间不同的部分也可互相组合使用，本发明对此不作限定。
本实施例提供的光通信器件及光通信系统，包括硅光芯片、多模光纤和光电探测器；所述硅光芯片的输出端与所述多模光纤的一端相对接，所述多模光纤的另一端与所述光电探测器的输入端相对接。由于多模光纤的纤芯区域通常比单模光纤的大，即使硅光芯片的输出端出现偏差，也能够保证其出射的光模场能够位于多模光纤的纤芯区域内，如此便可以保证所有的光能量都能被多模光纤接收，从而提高了两者之间的容差，不仅降低了两者之间的耦合损耗，还降低了耦合精度的要求因而降低了成本；同时，当光纤数量较大时，能够通过无源耦合的方式实现两者之间的耦合；此外，利用光电探测器来进行光信号的接收和解调，使得多模光纤输出的所有光信号都能够被接收解调，提高了信号的传输效率，解决了现有硅光子通信中硅光芯片和单模光纤对准难度高、耦合损耗大的问题。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护范围。
Claims (10)
1.一种光通信器件，其特征在于，包括硅光芯片、多模光纤和光电探测器；所述硅光芯片的输出端与所述多模光纤的一端相对接，所述多模光纤的另一端与所述光电探测器的输入端相对接。
2.根据权利要求1所述的光通信器件，其特征在于，所述硅光芯片的输出端出射的光模为小模斑，且所述硅光芯片的输出端出射的光模场在所述多模光纤的纤芯区域内。
3.根据权利要求1所述的光通信器件，其特征在于，所述硅光芯片包括依次连通的光学输入端口、分光器、多个调制器和光学输出端口；所述光学输入端口用于接收光信号，所述分光器用于将光信号分为多个支路；每一所述调制器对应于一个支路，以对每一支路上的光信号进行调制；所述光学输出端口用于将调制后的光信号输出至所述多模光纤中。
4.根据权利要求3所述的光通信器件，其特征在于，所述硅光芯片的光学输出端口具有多个耦合端口，所述多模光纤的数量为多个，且多个所述多模光纤与所述耦合端口一一对应。
5.根据权利要求4所述的光通信器件，其特征在于，所述光电探测器为面阵光电探测器；所述面阵光电探测器具有多个子光电探测器，且多个所述子光电探测器与所述多模光纤一一对应。
6.根据权利要求4所述的光通信器件，其特征在于，所述硅光芯片的耦合端口处形成有容纳槽，所述容纳槽用于容纳所述多模光纤并限制所述多模光纤相对于所述耦合端口的位置。
7.根据权利要求3所述的光通信器件，其特征在于，所述调制器和所述光学输出端口之间还设置有波分复用器；所述多模光纤的另一端和所述光电探测器之间还设置有波分解复用器。
8.一种光通信系统，其特征在于，包括如权利要求1~7任一项所述的光通信器件。
9.根据权利要求8所述的光通信系统，其特征在于，所述光通信系统还包括激光器，所述激光器用于发射光信号至所述硅光芯片。
10.根据权利要求8所述的光通信系统，其特征在于，所述光通信系统还包括数字信号处理器和/或驱动器和/或传输阻抗放大器；所述数字信号处理器用于生成数字信号以对所述硅光芯片中的光信号进行调制，还用于将所述光电探测器转换得到的电信号进行信号处理；所述驱动器用于驱动所述硅光芯片；所述传输阻抗放大器与所述光电探测器的输出端相对接，以将所述光电探测器输出的信号进行阻抗放大处理。
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