CN202563118U - 一种波分复用器件及其在高速光器件中的应用 - Google Patents
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Abstract
本实用新型揭示了一种波分复用器件及其在高速光器件中的应用，所述波分复用器件包括硅衬底，所述硅衬底上包覆有二氧化硅层，所述二氧化硅层上包覆有光栅层，所述光栅层上刻蚀有硅光子表面光栅。光器件是通过在表面光栅的上方设置光芯片，光芯片与器件之间设置透镜，通过光耦合连接所述光接收装置与波分复用器件。具有波分复用器件形成的光器件具有尺寸紧凑、成本低、易于批量生产等优点；同时，批量生产时，无需解离光芯片，通过垂直光耦合直接检测产品的质量，直接降低了生产成本。光栅层根据采用不同的晶圆而由不同的组成，结合光接收器的位置，使得光接收装置与复用器件具有较低的耦合损耗。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种波分复用器件及应用该波分复用器件的高速光器件，属于光传输领域。
背景技术
随着我国加快推进电信网、广播电视网和互联网的三网融合，宽带网络迎来了新一轮的升级高潮。目前光通信技术和光网络的发展正向着集成化、智能化和大容量的方向发展，40G和100G光器件具有功能上和尺寸上的高度集成以及低成本、低功耗和大带宽等优点，可以满足不断增长的数据业务、网络资源等的要求。
市场研究报告表明，在网络通信量持续不断增长的推动下，企业和电信运营商设备上的高速（40G和100G）光纤和以太网端口的应用继续增长，表明电信运营商正在将其下一代网络转向高速网络以便处理迅速增长的通信流量。作为40G和100G光通信系统和光网络中的关键器件，40G和100G TOSA(TOSA，Transmitter Optical Sub-Assembly,光发射器件/组件)和ROSA（ROSA，Receiver Optical Sub-Assembly,光接收器件/组件）。需要满足小尺寸、低功耗、低成本等市场要求。
基于这些迫切需求和巨大的市场需求，如何找到一种低成本解决方案已成为目前光器件供应商的当务之急。目前业界采用的解决方案是利用昂贵的工艺设备去制作40G和100G TOSA和ROSA，其生产成本高昂，并且由于设备昂贵，也直接限制了其生产规模的扩大。
实用新型内容
本实用新型的目的解决上述技术问题，提出一种波分复用器件及应用该波分复用器件的高速光器件。
本实用新型的目的，将通过以下技术方案得以实现：
一种波分复用器件，所述器件包括硅衬底，所述硅衬底上包覆有二氧化硅层，所述二氧化硅层上包覆有光栅层，所述光栅层上刻蚀有硅光子表面光栅。
优选地，所述光栅层为硅芯层，所述硅光子表面光栅刻蚀在硅芯层表面。
优选地，所述光栅层为掺杂二氧化硅芯层及二氧化硅包层，所述二氧化硅包层包设在掺杂二氧化硅芯层上，所述二氧化硅包层上刻蚀有硅光子表面光栅。
优选地，所述高速光器件包括波分复用器件，所述表面光栅的上方设置有光芯片，所述光芯片与波分复用器件为垂直光耦合；所述光器件还包括有一光接收装置，所述光接收装置与波分复用器件通过光耦合连接。
优选地，所述光芯片与器件之间还设置有用于提高耦合效率的透镜。
优选地，所述光芯片可以但不限于半导体激光器或半导体探测器。
优选地，所述光接收装置为光纤或光接收头。
优选地，所述光芯片之间阵列式或分离式排列。
本实用新型的有益效果主要体现在：具有波分复用器件形成的光器件具有尺寸紧凑、成本低、易于批量生产等优点；同时，批量生产时，无需解离光芯片，通过垂直光耦合直接检测产品的质量，直接降低了生产成本。光栅层根据采用不同的晶圆而由不同的组成，结合光接收器的位置，使得光接收装置与复用/解复用器件具有较低的耦合损耗。
附图说明
图1是本实用新型的具有采用绝缘硅晶圆形成的波分复用器件的光器件截面结构示意图。
图2是本实用新型的具有采用平面光波导硅晶圆形成的波分复用/解复用器件的光器件截面结构示意图。
图3是本实用新型硅光子表面光栅工作原理图。
图4是采用绝缘硅的硅光子表面光栅波分复用框图。
图5是采用绝缘硅的硅光子表面光栅波分解复用框图。
图6是采用平面光波导的硅光子表面光栅波分复用框图。
图7是采用平面光波导的硅光子表面光栅波分解复用框图。
图8是本实用新型中具体的以4个10G CWDM DFB激光器为例的方案示意图。
具体实施方式
本实用新型揭示了一种波分复用器件及应用该波分复用器件的高速光器件。所述波分复用器件，包括硅衬底1，所述硅（Si）衬底1上包设有二氧化硅（SiO2）层2，所述二氧化硅层2上包设有光栅层，所述光栅层上刻蚀有硅光子表面光栅(图中未标识)。
结合图1所示，具体的，当采用绝缘硅（SOI）晶圆时，所述光栅层为硅芯层31，所述硅光子表面光栅刻蚀在硅芯层31表面。
结合图2所示，采用平面光波导（PLC）硅晶圆时，所述光栅层为掺杂二氧化硅芯层32及二氧化硅包层33，所述二氧化硅包层33包设在掺杂二氧化硅芯层32上，所述二氧化硅包层33上刻蚀有硅光子表面光栅。
如图1、图2所示，所述高速光器件包括波分复用/解复用器件，所述硅光子表面光栅的上方设置有与其进行光对准耦合的光芯片4和光接收装置。光芯片4的数量可以以阵列式排 布有多个，这些光芯片4可以是但不限于半导体激光器或半导体探测器，包括粗波分复用（CWDM）或密集波分复用（DWDM）光芯片以及其TO（Transistor Outline）封装形式等；所述光接收装置为光纤5或光接收头。
基于应用的不同，结合体图1、图4，采用绝缘硅（SOI）晶圆时，光纤5与硅光子表面光栅采用垂直光耦合的方式实现耦合；结合图2、图5，采用平面光波导（PLC）硅晶圆时，光纤5或光接收头与硅光子表面光栅采用端面光耦合实现耦合。
图3解释了硅光子表面光栅实现垂直光耦合的工作原理。当入射光照到硅光子表面光栅时，出现了光的衍射效应，下面的公式表明了入射光和衍射光之间的关系： 
其中 
为入射波的波矢，n1为入射介质折射率，θ为入射光的入射角，Λ为表面光栅的周期， 
为导波模的传播常数，n2为硅光子表面光栅有效折射率。基于光的互易性原理，其出射光的工作原理类似于上面。
图4、图5分别为采用绝缘硅（SOI）晶圆时的硅光子表面光栅波分复用/解复用框图。图6、图7为采用平面光波导（PLC）硅晶圆时硅光子表面光栅波分复用/解复用框图。
如图4、图6所示，对于波分复用，硅光子表面光栅由一个宽谱光栅构成（基于应用，也可以由多个具有不同周期的光栅组成），对于具有多波长（λ1,λ2,…,λn）的CWDM/DWDM半导体激光器，这个宽谱光栅将涵盖这些波长（λ1,λ2,…,λn）。
当第一半导体激光器41、第二半导体激光器42、第三半导体激光器43等多个波长的半导体激光器的入射光照耀到硅光子表面光栅时，光栅产生的衍射光进入到硅波导，复用后在硅波导中传输，到达另外一个硅光子表面光栅时，可垂直光耦合到光纤5或光接收头中。为了提高光耦合效率，可以在半导体激光器和硅光子表面光栅的光入射处使用透镜44。
如图5、图7所示，对于波分解复用，硅光子表面光栅由n组不同光栅周期或对应不同波长（λ1,λ2,…,λn）的光栅所组成，当从光纤入射的多波长光（λ1,λ2,…,λn）通过硅波导到达这些光栅时，对应于不同光栅周期，这些不同波长的光将垂直耦合到位于上面的由第一半导体探测器45、第二半导体探测器46和第三半导体探测器47组成的半导体探测器阵列，当然也可采用分离式，分离式是相对阵列式而言。
由于作为光波导的掺杂二氧化硅芯层32，其出射光的模场可以与光纤直接匹配，所以，采用PLC硅晶圆时，与光纤5或光接收头的耦合可采用端面光耦合，如图6、图7所示。在 这里，我们采用由多个周期的光栅所组成的表面光栅来说明，当然了，这个表面光栅也可以由一个宽谱光栅构成。类似于上面的说明，来自于CWDM/DWDM半导体激光器的多波长入射光可以通过这个表面光栅耦合到掺杂二氧化硅芯层32所构成的光波导中，并在其中传输，到达端面后可直接耦合到光纤5中。
为更好的理解本实用新型，现以4个10G CWDM DFB激光器（TO）为例，进一步阐述实现40G TOSA的方案。如图8所示，4个10G CWDM DFB激光器52分别具有1271nm、1291nm、1311nm和1331nm四个波长，每个激光器具有球透镜可以将激光器52的光聚焦到硅光子表面光栅上，提高了耦合效率。复用/解复用器件中采用绝缘硅（SOI）晶圆，这个硅光子表面光栅具有73nm的带宽，可以涵盖全部这4个波长的光，并且也涵盖了激光器工作环境温度变化时（例如-5～75℃）所引起的波长变化。硅光子表面光栅产生的衍射效应将这4个波长的光耦合到硅波导中。另外，这四个TO可以倾斜一个角度去进一步提高耦合效率。在硅波导中的4个波长的光到达位于光接收头51下方的表面光栅时，发生的衍射效应实现了将4个波长的光垂直耦合到光接收头51，从而实现了40G的光输出。同样，为了提高耦合效率，光接收头可以相对于其下方的表面光栅倾斜一个角度。
本实用新型尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种波分复用器件，其特征在于：所述器件包括硅衬底，所述硅衬底上包覆有二氧化硅层，所述二氧化硅层上包覆有光栅层，所述光栅层上刻蚀有硅光子表面光栅。
2.根据权利要求1所述的一种波分复用器件，其特征在于：所述光栅层为硅芯层，所述硅光子表面光栅刻蚀在硅芯层表面。
3.根据权利要求2所述的一种波分复用器件，其特征在于：所述光栅层为掺杂二氧化硅芯层及二氧化硅包层，所述二氧化硅包层包设在掺杂二氧化硅芯层上，所述二氧化硅包层上刻蚀有硅光子表面光栅。
4.一种如权利要求1所述的波分复用器件在高速光器件中的应用，其特征在于：所述波分复用器件应用于高速光器件中，所述硅光子表面光栅的上方设置有光芯片，所述光芯片与波分复用器件为垂直光耦合；所述光器件还包括有一光接收装置，所述光接收装置与波分复用器件通过光耦合连接。
5.根据权利要求4所述的一种波分复用器件在高速光器件中的应用，其特征在于：所述光芯片与器件之间还设置有用于提高耦合效率的透镜。
6.根据权利要求5所述的一种波分复用器件在高速光器件中的应用，其特征在于：所述光芯片可以但不限于半导体激光器或半导体探测器。
7.根据权利要求6所述的一种波分复用器件在高速光器件中的应用，其特征在于：所述光接收装置为光纤或光接收头。
8.根据权利要求7所述的一种波分复用器件在高速光器件中的应用，其特征在于：所述光芯片之间阵列式或分离式排列。
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