CN1185875A - 直列式光双向链路 - Google Patents

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Abstract

公开的本发明是一个直列式双向光纤链路,它在一个光波波长上发射而在另一个光波波长上接收。这个链路被预期是一个低成本收发机单元,作为许多在主收发机站和大量的终端用户之间这类链路中的一种。例如,此设备可以作为低成本收发机用在FTTH应用中,也可以是许多其他这样的应用。为实现所希望的低成本收发机链路,PIN二极管被制成有一个InxGa1－xAsyP1－y本征层而不是通常的InxGa1－xAs本征层,它被设计成具有与大约1.4微米的波长相对应的带隙。与这个检测器相对齐的是一个发射大约1.55微米光波的光源。

Description

直列式光双向链路
现在公开的发明涉及一个共线双向链路，它利用一个在一个波长上进行检测而对第二个波长透明的PIN检测器。
光纤的较大带宽和低传输损耗与光学设备的高速能力一起导致了通信工业的高数据率传输系统的发展。基于光学原理的发射机和接收机使收发机组件演变为多种形式，它们都能完成在光频上同时发送和接收的双向通信(全双工)，或者顺序地发送和接收(半双工)。
总的来说，基于收发机的系统应用两根光纤来达到这个目的，一根用于从组件的发送机端发送光信号，另一根用于接收机端接收光信号。最近，人们的兴趣集中在利用一根光纤既作发送又作接收光信号的收发机的设计。利用一根光纤达到此目的的组件在此称作双向组件。一般分为两种子类型，在同一个波长上既发送又接受光射线的系统，和利用一个波长在一个方向上发送和另一个波长在相反方向接收的双波长系统。这些分别被称作单波长双向和双波长双向。现在公开的是指后一种。
双波长双向组件的光学设计的常规技术典型地利用一个半导体光源如LED或注入式激光器，一个半导体光检测器如PIN光检测器或APD，一个分光束元件，此外还有滤波器和光学聚焦元件。常规的双波长双向组件，如授予Althaus等人的U.S.专利5127075所公开的那样，该公开内容作为参考在这里被专门地包括进来。分光束元件被用于在空间上分离进来的与出去的光信号，并把从光源出去的发送信号引导到光纤中，而把从光纤中进来的信号引导到检测器中。分光滤波器可以用于阻止光源射线到达检测器和阻止从光纤来的信号到达光源。在某些设计中，滤波器功能被制作在分光束元件中。聚焦元件用来使光源与光纤之间和光纤与检测器之间的耦合达到最大。本公开文件提出一个检测器和光源的直列式配置，它能通过组件中的光检测器的特殊设计来实现。
光检测器的应用已相当广泛，由于光纤到户(fiber to the home，(即FTTH))应用的可能出现，其应用的需求不断增加。其中一个应用就是在收发机方式中，尤其在双向链路中。虽然一些双向链路是以封装在外壳里的相互正交的器件的形式出现的，它们带有波长选择光学设备以实现从LED或激光器发送一个波长和接收另一个波长进入检测器，但这些配置经常是不希望的。对许多应用来说，其缺点是需要对光纤、设备和光学设备的对准，这需要费时费工的劳动，从而带来了高成本。此外，这些设备需要分束和/或滤波器元件以确保信号被正确地从发射机引导过来和引导到检测器设备中去。推动FTTH的发展需要低成本产品。
一个实现更简单从而更低成本产品的途径是制造直列式双向链路。在授给Forrest等人的U.S.专利4577209中，该公开内容作为参考在这里被专门地包括进来，被公开的双向链路是中央部分有孔以插入光学聚焦元件光纤的PIN检测器。LED或其他光源通过PIN检测器上的小孔与光纤进行通信，这样就实现了一个双向链路。在这个文献中被公开的这个链路是基于单独的一个波长，并试图减小在一个方向上行进的光线从系统中的光反射界面被反射所造成的有害影响。这将导致信号干扰和串光。涉及’209文献的U.S.专利4709413(其公开内容作为参考在这里也被专门地包括进来)像’209文献一样试图在单波长双向链路中提供信号或信道分离。
这两个文献都需要一个刻在检测器上的小孔以连接光源，在一个具体实施例中，小孔具有耦合组件，比如是安放在该处的光纤，并有检测器的一个有源区，它被设计成能捕获从光纤出来而入射其上的所有光线。这个文献的系统试图实现一个双向链路，用以提供在发射机和接收机之间良好的隔离。然而，这些文献中公开的系统不是设计来实现用多个波长进行通信的，不能达到在一个多波长系统中实现的隔离度。这些系统需要使光纤对准设备的有源区以使到达检测器有源区的入射光线最多，并且还需要光源到耦合元件或光纤的开放端的对准。重申一下，文献中专利的发明不能达到信号的隔离，而且需要对系统中各种构件进行费时的对准工作。所需要的是一个实现能隔离发送和接收信号的系统，优选地是在一个直列式系统中用一个光波长发送信号，一个光波长接收信号。此外，所需要的是一个不要求大量光学耦合元件的系统，因此不要求光学上的对准或复杂的制造技术。
现在公开的这个发明是一个直列式双向光纤链路，它在一个光波长上发射而在另一个光波长上接收。这个链路被预期是一个低成本收发机单元，作为许多在主收发机站和大量的终端用户之间这样的链路中的一个。例如，设备可以很好地作为低成本收发机用在FTTH应用中，也可以是许多其他这样的应用。为实现想要的低成本收发机链路，PIN二极管被制成有一个InxGa1-xAsyP1-y本征层而不是通常的InxGa1-xAs本征层，它被设计成具有与大约1.4微米的波长相对应的带隙。与这个检测器对齐的是一个在大约1.55微米上发射光的光源。因此，检测器将从光纤中例如在1.3微米上接收光，但对从发送机中发射的光实际上将是透明的。最后，一个集成聚焦元件被用于实现光纤到光源设备的耦合。
本发明的一个目的是要有一个能提供在发送和接收信号之间的高隔离度的直列式双向光链路。
本发明的一个特征是具有一个光检测器，它在一个波长即接收波长上进行检测，而对另一个波长即发送波长则是透明的。
本发明的进一步的特征是具有一个PIN光检测器，它有一个本征层，被制造成具有能吸收接收波长而对发送波长透明的能量带隙。
本发明的进一步的特征是具有一个与光检测器集成在一起的光学耦合元件，它把光从发送光源耦合进入光纤。
本发明的一个优点是有一个可以不用分束或滤波功能而实现信号隔离的双向链路。
图1是常规PIN光检测器的能带图。
图2是典型PIN光检测器的剖面视图。
图3是本发明的系统的剖面视图。
图4是本发明的PIN光检测器的剖面视图。
图5是本发明的制作步骤的剖面视图。
图6a是常规PIN检测器的对于入射波长的相对响应曲线图
图6b是本发明的波长选择PIN检测器的对于入射波长的相对响应曲线图。
转向图3，我们看本链路设计简图。波长选择检测器301上配置一个集成透镜302。从光源发射的光信号通过透镜302被耦合到光纤304。这里描述了基本的发送功能。如上所简述的而且后面还将有更详细的描述，检测器301对从光源发射的光是透明的。例如，这个光的波长为1.55微米。在作为接收机的方式中，检测器301将检测小于一个阈值的波长的光。此外，检测器301有一个检测区，它远大于从光纤302发射的入射光线的面积。因此，这个光实质上都被检测器吸收，处在接收波长上的光不会入射到光源上，因为这会对光源产生不利影响。正如能被期望的那样，本双向链路的设计能使从发送光源303来的光以最小的串光经过检测器301而被发送。另一方面，在检测器上从光纤中接收的光被检测器吸收，不会照射到光源303上。上面描述了基本的装置和功能，其他配置也是可能的。优选地，光源是一个边缘发射的激光器或LED，然而，面发射设备如垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)也可以在配置中使用。在这种情况下，VCSEL可以就设在检测器上。检测器301是一个PIN检测器，它具有n+-InP衬底、本征InxGa1-xAsyP1-y层和InP层，在该层中有选择地扩散了例如锌这样的受主作用剂以形成P+层。制造的细节将在后面说明。正如所示，透镜302优选地与检测器集成在一起并使之凹进去，可以利用如已转让给本受让者的授予Watson等人的U.S.专利4797179中所描述的技术来制造。其公开内容作为参考在这里被专门地包括进来。在检测器上制造一个全息聚焦元件也是可行的。为此，检测器衬底的较低层上被沉积一层非晶态SiO2。然后一层光刻胶被旋转涂覆成能实现全息图(hologram)中想要的光栅的形式。制造全息图的较好的技术是已转让给本发明的受让人的U.S.专利申请08/198028等中所描述的。这个申请的公开内容作为参考在这里也被专门地包括进来，虽然上面提到的这个申请描述的是在硅片上的制造技术，但这个技术也可以被用在本发明的衬底上。因此全息图可以被用作从激光器/LED到光纤304的光学耦合而不用折射透镜。
在图4中，所示为波长选择检测器的剖面简图，它可以按下述方式被制造。与晶格相匹配的外延层结构可以用象MOCVD、VPE、LPE或MBE的常规技术生长，该结构包括：n掺杂InP缓冲层401(0.3-3微米厚)，不掺杂InxGal1-xAsyP1-y本征层(1.5-3.0微米厚)402；和不掺杂InP或InxGa1-xAsyP1-y顶层(0.5--1.0微米厚)403。在使用InxGa1-xAsyP1-y顶层403的情况下，带隙被调整到大于1.0eV。本征层402的带隙被调整到具有与1.4微米的标称波长对应的0.89eV的标称值。在外延层生长步骤之后，熟练人员所知的常规PIN晶片制造技术被用来完成器件的结构。典型的制造顺序如图5所示。
转过来看图4，我们看到在其上制作有透镜407的器件。正如所述，利用上面提到在授予Watson等人的专利中公开的技术来使透镜生长。在这个技术中一个凹集成透镜被制造在LED的衬底一侧，如其中所述。然而，这个同样的技术可以被用于制造本PIN检测器的衬底一侧的同一凹透镜结构407，如图4所示。然后一个防反射涂层用常规技术被沉积，正如所示。
图6a是标准PIN检测器作为入射光波长函数的响应曲线的图示，波长可选择的PIN检测器的典型响应曲线如图6b所示。如图中所示，标准PIN检测器将既在1.3微米上也在1.55微米上检测光，这是因为在这些波长上的光量子足够把光检测器的光敏本征层中的电子从价带激发到导带上。因此，这样的一种检测器不适于在如本发明的直列式双波长链路使用。然而，本发明的波长可选择的PIN检测器在1.3微米是光敏的而在1.55微米是透明的，如图6b所示。这应归因于比起常规检测器的InxGa1-xAs的0.75eV的带隙有更大带隙的InxGa1-xAsyP1-y本征层。波长为1.3微米的光量子具有激发价带电子到导带所需要的能量，而1.55微米波长光的光量子则没有。因此，1.55微米光不被吸收，这个检测器对这个光是透明的。因此具有这些特征的检测器可以担当上述双向链路中的功能。
虽然这个发明参考了带有PIN光检测器的双向链路的特定实施例而被展示和描述在此，这个PIN光检测器有一个四元素材料的本征层，这种材料对1.55微米光透明而对1.3微米的光是光敏的，但是很明显，普通的技术人员将能理解其改动和变化而并不离开本发明的基本主题和精神。

Claims (11)

1.一个双向光链路，包括一个用来发射光的光源，一个用来检测光的光检测器，用来把光从上述光源传送到上述光检测器的光纤，上述光检测器、光源、和光纤基本上按直线排列，其特征在于：
上述光源在第一个波长上发光而上述光检测器在第二个波长上接收光。
2.如权利要求1中所述的双向光链路，其进一步的特征在于，上述链路具有用来将光从上述光源光耦合到上述光纤的设备。
3.如前面任一个权利要求中所述的双向光链路，其进一步的特征在于，在上述光检测器上形成一个折射透镜，用来将光从上述光源耦合到上述光纤。
4.一个双向光链路，包括用来发射光的光源，一个基本上与上述光源成直线排列的、用来检测光的光检测器，用于在上述光检测器和上述光源之间进行光通信的光纤，其特征在于：
上述光源在第一个波长上发光，上述光检测器在第二个波长上检测光，而上述光检测器对从上述光源发出的上述第一个波长的光实质上是透明的。
5.如权利要求4中所述的双向光链路，其进一步的特征在于：
一个整体成形的折射透镜被沉积在上述光检测器上，用来将来自上述光源的光聚焦到上述光纤中。
6.如前面任一个权利要求中所述的双向光链路，其特征在于其中所说的第一个波长是1.55微米，所说的第二个波长是1.3微米。
7.如前面任一个权利要求中所述的双向光学链路，其特征在于其中一个全息光学元件被形成在上述光检测器上，用来耦合从上述光源来的光。
8.如前面任一个权利要求中所述的双向光链路，其特征在于其中所说的光源是一个半导体激光器。
9.如前面任一个权利要求中所述的双向光链路，其特征在于其中所说的光检测器是一个P-I-N光检测器。
10.如前面任一个权利要求中所述的双向光链路，其特征在于其中所说的光检测器是一个P-I-N二极管，该二极管具有四元素半导体材料的本征层，它被设计用来形成与大约1.4微米的波长对应的带隙。
11.如前面任一个权利要求中所述的双向光链路，其特征在于其中所说的光源是一个垂直空腔表面发射激光器(VCSEL)。
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