CN209400746U - 应用阵列光电芯片的光系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及光通信传输技术领域，具体涉及一种应用阵列光电芯片的光系统，包括激光器阵列、阵列光电芯片和集成光波导，激光器阵列包括多个激光器；阵列光电芯片上设有多个与激光器一一对应的分光监控单元，每个分光监控单元包括分光槽和光敏区；分光槽贯穿阵列光电芯片的吸收层；吸收层内对应光敏区的区域为光电转换区；集成光波导包括多个与分光监控单元一一对应的光波导单元；每个激光器发射出来的光射入到对应的分光监控单元内，每束光的一部分通过对应的分光监控单元的分光槽穿过芯片进入到对应的光波导单元内，每束光的另一部分进入到对应的光电转换区内进行光电转换；故本光系统无须使用大量的光分路器，减小了系统体积。

Description

应用阵列光电芯片的光系统

技术领域

本实用新型涉及光通信传输技术领域，具体涉及一种应用阵列光电芯片的光系统。

背景技术

现有的光系统为：激光器发射的光信号经光纤传输进入无源光波导(PLC)之前，通常需要使用光分路器分出部分(例如5％)光信号到另外的TO－CAN(Transistor－OutlineCAN，晶体管外观筒状)封装的光接收器件上，进行光功率监控。剩余(例如95％)的光信号通过光纤耦合到光波导，进行传输。

在实际应用中，通常会有几十，甚至几百条这样的光链路，同样就需要有对应几十或者几百个光分路器和TO－CAN光接收器件，这样就造成整个光系统的体积非常庞大，而且成本高，对系统普及造成影响。

实用新型内容

为了实现上述技术问题，本实用新型提供了一种应用阵列光电芯片的光系统，包括激光器阵列、阵列光电芯片和集成光波导，所述激光器阵列包括多个激光器；

所述阵列光电芯片上设有多个与所述激光器一一对应的分光监控单元，每个所述分光监控单元包括分光槽和光敏区；所述分光槽贯穿所述阵列光电芯片的吸收层；所述吸收层内对应所述光敏区的区域为光电转换区；

所述集成光波导包括多个与所述分光监控单元一一对应的光波导单元；

每个所述激光器发射出来的光射入到对应的所述分光监控单元内，每束光的一部分通过对应的所述分光监控单元的分光槽穿过所述芯片进入到对应的所述光波导单元内，每束光的另一部分进入到对应的所述光电转换区内进行光电转换。

本实用新型提供的应用阵列光电芯片的光系统使用了阵列光电芯片，该阵列光电芯片上具有多个分光监控单元，每个分光监控单元包括分光槽和光敏区，芯片的吸收层内对应光敏区的区域为光电转换区。该系统还使用了激光器阵列，激光器阵列包括多个激光器。每个激光器发出的光射入对应一个分光监控单元，每束光的一部分通过对应的分光槽穿过芯片后进入到对应的光波导内进行传输，每束光的另一部分进入对应的光电转换区进行光电转换。故本光系统使用的阵列光电芯片能够对多束入射光分别进行分光和光功率监控，进而本光系统无须使用大量的光分路器，减小了系统体积，也降低了成本。

进一步地，还包括第一光纤阵列，所述第一光纤阵列包括多个与所述激光器一一对应的第一光纤；每个所述第一光纤的两端分别与对应的所述激光器和对应的所述分光监控单元进行光路耦合，每个所述激光器发射出来的光经对应的所述第一光纤传输后射入到对应的所述分光监控单元内。

进一步地，还包括第二光纤阵列，所述第二光纤阵列包括多个与所述分光监控单元一一对应的第二光纤；每个所述第二光纤的两端分别与对应的所述分光监控单元和对应的所述光波导单元进行光路耦合，每束光的一部分穿过所述芯片后经过对应的所述第二光纤传输后射入到对应的所述光波导单元内。

进一步地，所述分光槽向所述芯片正面的方向开口，并贯穿所述芯片的顶层。

进一步地，每个所述分光监控单元还包括第一电极，所述第一电极与对应的所述光敏区的一端相连接；每个所述分光监控单元的第一电极通过电极连线电引至所述芯片的边缘。

进一步地，所述芯片的边缘还设有多个与所述分光监控单元的第一电极一一对应的电极焊盘，每个所述分光监控单元的第一电极通过对应的所述电极连线电连接至对应的所述电极焊盘。

进一步地，所述芯片上还设有至少一个第二电极，所述第二电极与所述芯片的衬底或缓冲层相连接。

附图说明

本实用新型上述和/或附加方面的优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本实用新型提供的应用阵列光电芯片的光系统的实施例的示意图；

图2是图1所示的光系统的阵列光电芯片的实施例的主视图；

图3是图2所示的阵列光电芯片的实施例的示意图区域A的放大图；

图4是图2所示的阵列光电芯片沿B－B’的剖视图；

图5是本实用新型提供的阵列光电芯片的另一实施例的剖视图；

图6是本实用新型提供的阵列光电芯片的电极焊盘分布于芯片相对的两个边缘的示意图；

图7是本实用新型提供的阵列光电芯片的电极焊盘分布于芯片相邻的两个边缘的示意图；

图8是本实用新型提供的阵列光电芯片的电极焊盘分布于芯片的一个边缘的示意图；

图9是本实用新型提供的阵列光电芯片的本实施例的后视图；

图10是本实用新型提供的阵列光电芯片的以芯片的正面为入光侧的示意图；

图11是本实用新型提供的第二电极设于芯片的正面，以芯片的背面为入光侧的示意图。

其中图1至图11中附图标记与部件名称之间的对应关系为：

1、激光器阵列，2、阵列光电芯片，3、集成光波导，4、衬底，5、缓冲层，6、吸收层，7、顶层，8、分光槽，9、光敏区，10、第一电极，11、透光增透膜，12、电极连线，13、电极焊盘，14、第二电极，16、钝化膜，17、入光增透膜，18、正面入光增透膜，19、出光增透膜，20、光波导单元，21、第一光纤，22、第二光纤，23、每束光，231、每束光的一部分，232、每束光的另一部分，24、电极安装槽。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本实用新型的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

请参考图1，本实用新型提供一种应用阵列光电芯片的光系统的实施例，包括激光器阵列1、阵列光电芯片2和集成光波导3。

激光器阵列1包括多个激光器，每个激光器用于发射激光。在本实施例中，激光器为激光二极管。

请参考图2至图4，阵列光电芯片2包括衬底4、缓冲层5、吸收层6和顶层7，缓冲层5位于衬底4和吸收层6之间，顶层7位于吸收层6与缓冲层5相背的一侧。具体地，衬底4由掺硫(S)或掺铁(Fe)的磷化铟(InP)材料制成，缓冲层5由磷化铟(InP)材料制成，吸收层6由铟镓砷(InGaAs)材料制成，顶层7由磷化铟(InP)材料制成。

阵列光电芯片2上设有多个与激光器一一对应的分光监控单元，每个分光监控单元包括分光槽8、光敏区9和第一电极10。每个分光监控单元的分光槽8贯穿吸收层6。在本实施例中，分光槽8向芯片正面的方向开口并还贯穿顶层7，且分光槽8的内端位于缓冲层5，由于顶层7和吸收层6比较薄，故开设分光槽8的工艺简单，易于制备生产。

在另一个实施例中，分光槽8也可以向芯片的背面方向开口并还贯穿缓冲层5和顶层7。

在又一个实施例中，分光槽8也可以不向芯片的任一表面方向开口，至贯穿吸收层6即可。

在再一个实施例中，请参考图5，分光槽8贯穿整个芯片变为通孔。多个分光监控单元的分光槽8间隔设置。

在本实施例中，分光槽8的内端设有透光增透膜11，以增加光透过率。

每个分光监控单元的光敏区9设于顶层7并内端连接于吸收层6。具体地，光敏区9沿平行于芯片表面方向的横截面呈环形并围绕分光槽8。吸收层6内对应光敏区9的区域为光电转换区，入射光进入到芯片内是在光电转换区进行光电转换的。

每个分光监控单元的第一电极10与对应的光敏区9的外端相连接。具体地，第一电极10设于芯片的正面并沿平行于芯片表面方向的横截面呈环形并围绕分光槽8。通过给相应的分光监控单元的第一电极10加电，从而控制相应的分光监控单元工作，从而给对应的入射光进行光功率监控。

多个分光监控单元共用衬底4、缓冲层5、吸收层6和顶层7，多个分光监控单元的光敏区9间隔设置。各个分光监控单元的光敏区9通过对应一个第一电极10输出光电转换信号。多个分光监控单元的光敏区9间隔设置，即多个分光监控单元的光电转换区间隔设置，以使得每束入射光进入到对应的分光监控单元的光电转换区能够进行单独的光电转换，每个分光监控单元对每束入射光分别进行光功率监控，互不干扰，可分别通过给对应的第一电极10给对应的分光监控单元加电，从而使得相应的分光监控单元工作。具体地，相邻两个分光监控单元的中心间距大于100um且小于5000um。

在本实施例中，第一电极10和光敏区9沿平行于芯片表面方向上的横截面均呈圆环形，分光槽8呈圆形。分光槽8、第一电极10和光敏区9均为同心圆，并且圆心对准误差小于20um。分光槽8的直径为50um～250um，第一电极10的外径为60um～1000um。光敏区9的内径不小于分光槽8的直径。

每个分光监控单元的第一电极10通过电极连线12电引至芯片的边缘，便于与外部电路进行电连接。具体地，芯片的边缘上还设有多个与分光监控单元的第一电极10一一对应的电极焊盘13，每个分光监控单元的第一电极10通过对应的电极连线12电连接至对应的电极焊盘13。多个电极焊盘13均为设于芯片的正面。

多个分光监控单元的第一电极10之间相互绝缘设置，多个电极连线12之间相互绝缘设置，多个电极焊盘13之间相互绝缘设置。具体地，相邻两个电极焊盘13的中心间距大于30um且小于1000um，相邻两个电极连线12的间距大于5um。

在本实施例中，每个电极焊盘13均为圆形。

电极焊盘13用于通过焊线与其他元器件(例如电路板)电连接，从而给芯片加电，电极焊盘13分布于芯片的边缘，打焊线方便。

在本实施例中，多个电极焊盘13分布于芯片的四个边缘，且每个边缘处的电极焊盘13呈单排(平行于芯片边缘的方向为排)分布，便于维修。

在另一个实施例中，请参考图6，多个电极焊盘13分布于芯片位置相对的两个边缘，在电极焊盘13与其他元器件通过焊线的方式连接时，这种结构的连接方便。

在又一个实施例中，请参考图7，多个电极焊盘13分布于芯片相邻的两个边缘。

在再一个实施例中，请参考图8，多个电极焊盘13分布于芯片的一个边缘上。

芯片上还设有至少一个第二电极14，第二电极14与衬底4或缓冲层5相连接。请参考图9，第二电极14与衬底4相连接时，第二电极14设于芯片的背面，且衬底4由导电的N型材料制成，例如掺硫(S)的磷化铟(InP)。第一电极10和第二电极14分设于芯片的两个表面，第一电极10和第二电极14相隔较远，绝缘效果好，不易短路。

当第二电极14与缓冲层5相连接时，第二电极14设于芯片的正面且衬底4由绝缘的N型材料制成，例如掺铁(Fe)的磷化铟(InP)。第一电极10和第二电极14均设于芯片的正面，与其他电路结构相连接时，电连接结构简单方便。请参考图11，当第二电极14设于芯片的正面时，需要在芯片上开设对应的电极安装槽24，电极安装槽24向芯片正面的方向开口并贯穿顶层7和吸收层6，第二电极14设于电极安装槽24的内端。

当第二电极14设于芯片的正面时，要注意第二电极14与每个分光监控单元的第一电极10之间相互绝缘设置，第二电极14与每个电极连线12和每个电极焊盘13之间均相互绝缘设置。

芯片的正面上还设有钝化膜16。当第二电极14设于芯片的背面时，钝化膜16上分别开设有用于设置每个第一电极10的第一电极10通孔、用于设置每个电极连线12的电极连线12通孔和用于设置每个电极焊盘13的电极焊盘13通孔。

当第二电极14设于芯片的正面时，钝化膜16上分别开设有用于设置每个第一电极10的第一电极10通孔、用于设置每个电极连线12的电极连线12通孔、用于设置每个电极焊盘13的电极焊盘13通孔和用于设置每个第二电极14的第二电极14通孔。

在本实施例中，请参考图4，以芯片的背面为入光侧，在芯片的背面上设有入光增透膜17，以增加入光率。入光增透膜17的面积大于分光槽8沿平行于芯片表面方向的横截面积，以使得入射光从入光增透膜17射入芯片后，能够有部分光从分光槽8透射分出。

在另一个实施例中，请参考图10，可以以芯片的正面为入光侧，在芯片的正面上设有正面入光增透膜18，以增加吸光率。并在芯片的背面上设有出光增透膜19，以增加出光率。正面入光增透膜18沿平行于芯片表面的方向上的横截面呈环形并围绕分光槽8，且正面入光增透膜18要与光敏区9有重叠区域，以使得入射光从芯片正面的正面入光增透膜18射入芯片内能够进入到相对应的光电转换区内进行光电转换。

出光增透膜19的面积大于分光槽8沿平行于芯片表面方向的横截面积，以使得入射光从芯片的正面射向芯片，一部分光从分光槽8的内端射入芯片后经过缓冲层5和衬底4后能够从出光增透膜19射出。

集成光波导3包括多个与分光监控单元一一对应的光波导单元20。

本实用新型提供的应用阵列光电芯片的光系统的实施例还包括第一光纤阵列和第二光纤阵列，第一光纤阵列包括多个与激光器一一对应的第一光纤21。每个第一光纤21的两端分别与对应的激光器和对应的分光监控单元进行光路耦合，每个激光器发射出来的光经过对应的第一光纤21传输后射入到对应的分光监控单元。

第二光纤阵列包括多个与分光监控单元一一对应的第二光纤22，每个第二光纤22的两端分别与对应的分光监控单元和对应的光波导单元20进行光路耦合，每束光的一部分穿过芯片后经过对应的第二光纤22传输后射入到对应的光波导单元20内。

本实用新型提供的应用阵列光电芯片的光系统的工作原理为：

通过给第二电极14和相应的分光监控单元的第一电极10加反向偏压，从而使得阵列光电芯片2相应的分光监控单元工作。激光器阵列1的每个激光器发射光到对应的第一光纤21上，每束光23经对应的第一光纤21传输至阵列光电芯片2对应的分光监控单元内，每束光23的一部分231通过对应的分光监控单元的分光槽8穿过芯片进入到对应的第二光纤22内进行传输。原因是这部分光通过分光槽8未经过吸收层6而无损穿过芯片。这部分光经对应的第二光纤22传输至对应的光波导内，进行光信号的传输。每束光23的另一部分232在对应的分光监控单元的光电转换区内进行光电转换，从而产生光生电流，再经过其他一系列的外部电路和装置计算出相应的光功率并进行显示，从而实现对每束入射光光功率的监控。

每束光23的光强一般呈高斯分布，即光强中间强、两侧弱，进而大部分光可通过分光槽8的内端射出，大部分的光可继续进行光信号的传输。小部分的光才会进入到吸收层6进行光电转换，从而进行光功率的监控。

每束光需要分出的光的比例根据具体实际需要确定，比如在本实施例中，一束入射光需要分出的光的比例为5％。在光链路安装时，可以利用检测元件检测通过分光槽8分出去的光的光功率，由于入射光的总的光功率是已知的(光源输出的总光功率已知，或者对总光功率单独进行测定)，从而确定分出去的光的比例是否满足需求。

如果满足需求，便可对光链路上的相关元器件进行固定。

如果不满足需求，可通过调整激光器与芯片的距离，从而调整分出去的光的比例。

入射光分出去的光的比例确定后，便可以利用剩余的光射入到芯片吸收层6内进行光电转换，产生光电流，根据产生的光电流计算出剩余光的光功率，从而对入射光的光功率进行监控。可以认为，安装后的分光比已经确定，进入到芯片内产生光电流的部分光的光功率可以直接表征出光源光功率的变化率，若后续需要入射光的总光功率实时变化值，可以选择根据实施例中的光电流计算出的光功率按分光比例换算得出。

本实用新型提供的应用阵列光电芯片的光系统使用了阵列光电芯片2，该阵列光电芯片2上具有多个分光监控单元，每个分光监控单元包括分光槽8和光敏区9，芯片的吸收层6内对应光敏区9的区域为光电转换区。该系统还使用了激光器阵列1，激光器阵列1包括多个激光器。每个激光器发出的光射入对应一个分光监控单元，每束光的一部分通过对应的分光槽8穿过芯片后进入到对应的光波导内进行传输，每束光的另一部分进入对应的光电转换区进行光电转换。故本光系统使用的阵列光电芯片2能够对多束入射光分别进行分光和光功率监控，进而本光系统无须使用大量的光分路器，减小了系统体积，也降低了成本。

本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“连通”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连通，也可以通过中间媒介间接连通，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。此外，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种应用阵列光电芯片的光系统，其特征在于：包括激光器阵列、阵列光电芯片和集成光波导，所述激光器阵列包括多个激光器；

所述阵列光电芯片上设有多个与所述激光器一一对应的分光监控单元，每个所述分光监控单元包括分光槽和光敏区；所述分光槽贯穿所述阵列光电芯片的吸收层；所述吸收层内对应所述光敏区的区域为光电转换区；

所述集成光波导包括多个与所述分光监控单元一一对应的光波导单元；

每个所述激光器发射出来的光射入到对应的所述分光监控单元内，每束光的一部分通过对应的所述分光监控单元的分光槽穿过所述芯片进入到对应的所述光波导单元内，每束光的另一部分进入到对应的所述光电转换区内进行光电转换。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：还包括第一光纤阵列，所述第一光纤阵列包括多个与所述激光器一一对应的第一光纤；每个所述第一光纤的两端分别与对应的所述激光器和对应的所述分光监控单元进行光路耦合，每个所述激光器发射出来的光经对应的所述第一光纤传输后射入到对应的所述分光监控单元内。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：还包括第二光纤阵列，所述第二光纤阵列包括多个与所述分光监控单元一一对应的第二光纤；每个所述第二光纤的两端分别与对应的所述分光监控单元和对应的所述光波导单元进行光路耦合，每束光的一部分穿过所述芯片后经过对应的所述第二光纤传输后射入到对应的所述光波导单元内。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述分光槽向所述芯片正面的方向开口，并贯穿所述芯片的顶层。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：每个所述分光监控单元还包括第一电极，所述第一电极与对应的所述光敏区的一端相连接；每个所述分光监控单元的第一电极通过电极连线电引至所述芯片的边缘。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述芯片的边缘还设有多个与所述分光监控单元的第一电极一一对应的电极焊盘，每个所述分光监控单元的第一电极通过对应的所述电极连线电连接至对应的所述电极焊盘。

7.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：所述芯片上还设有至少一个第二电极，所述第二电极与所述芯片的衬底或缓冲层相连接。