CN211123390U - 一种硅光波分复用光引擎 - Google Patents

Abstract

本申请涉及光通信技术领域，提供的一种硅光波分复用光引擎，光信号收发器包括信号调制芯片、光发射子组件、驱动芯片和电信号处理芯片；光发射子组件包括激光发生器、准直透镜和聚焦透镜；激光发生器产生的激光依次经过准直透镜和聚焦透镜后，耦合进入信号调制芯片的第一波导光孔中。驱动芯片连接信号调制芯片；电信号处理芯片连接信号调制芯片。通过设计双透镜结构的光发射子组件，采用内置光源通过双透镜方式直接与信号调制芯片耦合连接，使两者的模斑匹配达到较高的耦合效率，从而在激光发生器的功率相同的情况下，使信号调制芯片获得更高功率的耦合激光，以满足光信号的远距离和多通道传输的功率要求，提高光引擎的光信号耦合效率。

Description

一种硅光波分复用光引擎

技术领域

本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种硅光波分复用光引擎。

背景技术

目前，现代信息网络中，为了适应信息传输容量越来越大的问题，通过提高传输的光信号速率来增大光纤通信网络传输容量。在光信号的传输终端，光收发模块是核心的光电电子设备，其广泛的应用在广域网(WAN)、城域网(MAN)、局域网(LAN)等众多领域中，并且随着技术的发展，需要越来越多类中的光收发模块来满足信息网络的需求，并且随着要求的提高，光收发模块的复杂性也越来越高。

例如，采用EML(Electlro-absorption Modulated Laser,EML)激光芯片作为光信号传输终端的光收发模块，以实现光信号的收发，但是EML激光芯片的集成工艺较高，高难度的封装工艺，不易于批量化生产。

EML激光芯片的原理相当于激光发生器与调制芯片的集合，通过将激光耦合到调制芯片中，调制芯片为偏置敏感器件从光纤耦合到调制芯片的光的偏振态是随机，硅光单模波导的尺寸在亚微米量级，而单模光纤模斑尺寸在10微米量级，两者之间的模式尺寸相差较大耦合效率较低，耦合效率一般在15％到50％之间，针对单通道或者近距离传输的光信号，耦合后激光的功率足够满足需求。但是，随着光通信技术领域的远距离和多通道传输场合的增加，低效率的激光芯片无法满足光信号的功率需求。

实用新型内容

本申请提供了一种硅光波分复用光引擎，以提高激光的耦合效率，满足光信号的远距离和多通道传输的功率要求。

本申请提供的一种硅光波分复用光引擎，包括光信号收发器，所述光信号收发器贴合在PCBA板上，包括信号调制芯片、光发射子组件、驱动芯片和电信号处理芯片；

所述信号调制芯片用于接收光信号，并转化为电信号，和/或将电信号转化为光信号，并发射；

所述光发射子组件用于为所述信号调制芯片提供电信号转化为光信号所需激光，包括激光发生器、准直透镜和聚焦透镜；

所述准直透镜和所述聚焦透镜依次设置在所述激光发生器和所述信号调制芯片之间；

所述激光发生器产生的激光依次经过所述准直透镜和所述聚焦透镜后，耦合进入所述信号调制芯片的第一波导光孔中；

所述驱动芯片连接所述信号调制芯片，所述驱动芯片用于为所述信号调制芯片提供需要加载到激光中的电信号；

所述电信号处理芯片连接所述信号调制芯片，所述电信号处理芯片用于获取并处理所述信号调制芯片转化后的电信号。

可选的，所述光发射子组件还包括隔离器，所述隔离器设置在所述准直透镜和所述聚焦透镜之间。

可选的，所述激光发生器的激光发射端至所述准直透镜的距离为所述准直透镜的焦距，以便所述激光发生器处于所述准直透镜的焦点上。

可选的，所述聚焦透镜至所述信号调制芯片第一波导光孔的距离为所述聚焦透镜的焦距，以便所述信号调制芯片的第一波导光孔处于所述准直透镜的焦点上。

可选的，还包括光纤接口和分支器；所述光纤接口通过单模光纤线连接所述分支器，所述分支器通过两根单模光纤线连接所述光信号收发器。

可选的，所述光信号收发器还包括双光纤阵列器；所述双光纤阵列器一端连接所述分支器的两根单模光纤线，另一端耦合所述信号调制芯片上的第二波导光孔和第三波导光孔。

可选的，还包括数字信号处理器；所述数字信号处理器贴合在PCBA板上，分别连接所述驱动芯片和所述电信号处理芯片；所述数字信号处理器用于为所述驱动芯片提供数字信号转化的电信号，和/或接收所述电信号处理芯片的电信号，并将电信号转化为数字信号。

可选的，所述光信号收发器还包括放大器；所述放大器为设置在所述电信号处理芯片与所述数字信号处理器之间的跨组放大器。

可选的，还包括控制器，所述控制器贴合在PCBB板上，并分别连接所述光信号收发器和所述数字信号处理器；

所述控制器用于控制所述光信号收发器的光信号收发与处理；和/或控制所述数字信号处理器与外部的数字信号传输。

可选的，所述光信号收发器还包括金属外罩，以保护所述光信号收发器内部器件

由以上技术方案可知，本申请提供的一种硅光波分复用光引擎，包括光信号收发器，所述光信号收发器贴合在PCBA板上，包括信号调制芯片、光发射子组件、驱动芯片和电信号处理芯片；所述光发射子组件用于为所述信号调制芯片提供电信号转化为光信号所需激光，所述光发射子组件包括激光发生器、准直透镜和聚焦透镜；激光发生器产生的激光依次经过所述准直透镜和所述聚焦透镜后，耦合进入所述信号调制芯片的第一波导光孔中。所述驱动芯片连接所述信号调制芯片；所述电信号处理芯片连接所述信号调制芯片。

实际应用过程中，所述信号调制芯片为偏置敏感器件从光纤耦合到所述信号调制芯片的光的偏振态是随机，硅光单模波导的尺寸在亚微米量级，而单模光纤模斑尺寸在微米量级，两者之间的模式尺寸相差较大，导致硅波导和光纤之间的耦合工艺困难，本申请通过设计双透镜结构的所述光发射子组件，采用内置光源通过双透镜方式直接与所述信号调制芯片耦合连接，使两者的模斑匹配达到较高的耦合效率，使激光发生器中生成的激光耦合到信号调制芯片中的耦合效率超过90％，从而在所述激光发生器的功率相同的情况下，使所述信号调制芯片获得更高功率的耦合激光，以满足光信号的远距离和多通道传输的功率要求，提高光引擎的光信号耦合效率。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种硅光波分复用光引擎的整体结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种硅光波分复用光引擎局部结构示意图；

图3为本申请实施例提供的一种硅光波分复用光引擎的光信号收发器结构示意图；

图4为本申请实施例提供的激光通过准直透镜示意图；

图5为本申请实施例提供的激光通过聚焦透镜示意图；

图6为本申请实施例提供的一种硅光波分复用光引擎的PCB板背面结构示意图。

图示说明：

其中，1-光纤接口，2-分支器，3-光信号收发器，31-信号调制芯片，32-光发射子组件，321-激光发生器，322-准直透镜，323-隔离器，324-聚焦透镜，33-驱动芯片，34-电信号处理芯片，35-双光纤阵列器，36-放大器，37-金属外罩，4-数字信号处理器，5-控制器。

具体实施方式

参见图1，为本申请实施例提供的一种硅光波分复用光引擎的整体结构示意图。

参见图2，为本申请实施例提供的一种硅光波分复用光引擎局部结构示意图。

参见图3，为本申请实施例提供的一种硅光波分复用光引擎的光信号收发器结构示意图。

为了满足光信号的远距离和多通道传输的功率要求，提高光引擎的光信号耦合效率。如图1、图2和图3所示，本申请实施例提供一种硅光波分复用光引擎，包括光信号收发器3，所述光信号收发器3贴合在PCBA板上，包括信号调制芯片31、光发射子组件32、驱动芯片33和电信号处理芯片34；所述信号调制芯片31用于接收光信号，并转化为电信号，和/或将电信号转化为光信号，并发射；所述光发射子组件32用于为所述信号调制芯片31提供电信号转化为光信号所需激光；所述驱动芯片33连接所述信号调制芯片31，所述驱动芯片33用于为所述信号调制芯片31提供需要加载到激光中的电信号；所述电信号处理芯片34连接所述信号调制芯片31，所述电信号处理芯片34用于获取并所述处理信号调制芯片31转化后的电信号。

在实际应用过程中，所述信号调制芯片31至少包括三个波导光孔，其中，第一波导光孔用于所述接收光发射子组件32输出的激光，第二波导光孔用于接收外界光信号，第三波导光孔用于对外发射光信号，所述驱动芯片33连接所述信号调制芯片31，并将需要发射的电信号传输到所述信号调制芯片31中，电信号在所述信号调制芯片31中被加载到所述光发射子组件32提供的激光中，成为光信号，并通过所述信号调制芯片31的第三波导光孔对外发射。所述信号调制芯片31上还连接有所述电信号处理芯片34，所述信号调制芯片31将第二波导光孔中接收外界光信号转化为电信号，并传输到所述电信号处理芯片34，所述电信号处理芯片34对电信号进行处理，以获取需要加载的信号。

进一步的，所述光发射子组件32包括激光发生器321、准直透镜322、隔离器323和聚焦透镜324；所述准直透镜322和所述聚焦透镜324依次设置在所述激光发生器321和所述信号调制芯片31之间；所述激光发生器321产生的激光依次经过所述准直透镜322和所述聚焦透镜324后，耦合进入所述信号调制芯片31的第一波导光孔中。

在实际应用中，通过在所述激光发生器321与所述信号调制芯片31之间依次设置所述准直透镜322和所述聚焦透镜324，所述激光发生器3211发射的激光为发散光，经过所述准直透镜322将发散光转化为平行光，平行光在经过所述聚焦透镜324聚焦到所述信号调制芯片31的第一波导光孔中，所述准直透镜322和所述聚焦透镜324上均镀有单向膜，以防止反射激光的影响。

其中，所述信号调制芯片31的第一波导光孔中是用于接收激光，以传输聚焦后的激光，先通过所述准直透镜322将来自孔径中(激光发生器321的激光发射端)每一点的激光变成一束平行的准直光柱，例如，采用平凸透镜，将透镜上为平面的一侧朝向所述激光发生器321，作为入射面；将透镜上为凸面的一侧背离所述激光发生器321，作为出射面。然后通过所述聚焦透镜324将准直光柱聚焦到一点，及聚焦为一个微小的光斑，并进入所述信号调制芯片31的第一波导光孔中；例如，采用平凸透镜，将透镜上为凸面的一侧朝向所述准直透镜322，作为入射面；将透镜上为平面的一侧背离所述准直透镜322，作为出射面。

通过双透镜的结构设计，使所述激光发生器321中生成的激光耦合到所述信号调制芯片31的第一波导光孔中的耦合效率超过90％，从而在所述激光发生器321的功率相同的情况下，使所述信号调制芯片31获得更高功率的耦合激光。

需要说明的是，这里的PCBA板，表示一块PCB板(Printed Circuit Board，印制电路板)的A面(或正面)，想对应的还有PCB板的B面(或反面)。

本申请实施例提供的一种硅光波分复用光引擎，包括光信号收发器3，所述光信号收发器3贴合在PCBA板上，包括信号调制芯片31、光发射子组件32、驱动芯片33和电信号处理芯片34；所述光发射子组件32用于为所述信号调制芯片31提供电信号转化为光信号所需激光，所述光发射子组件32包括激光发生器321、准直透镜322和聚焦透镜324；所述激光发生器321产生的激光依次经过所述准直透镜322和所述聚焦透镜324后，耦合进入所述信号调制芯片31的第一波导光孔中。所述驱动芯片33连接所述信号调制芯片31；所述电信号处理芯片34连接所述信号调制芯片31。

实际应用过程中，所述信号调制芯片31为偏置敏感器件从光纤耦合到所述信号调制芯片31的光的偏振态是随机，硅光单模波导的尺寸在亚微米量级，而单模光纤模斑尺寸在10微米量级，两者之间的模式尺寸相差较大，导致硅波导和光纤之间的耦合工艺困难，本申请通过设计双透镜结构的光发射子组件，采用内置光源通过双透镜方式直接与所述信号调制芯片31耦合连接，使两者的模斑匹配达到较高的耦合效率，使所述激光发生器321中生成的激光耦合到所述信号调制芯片31中的耦合效率超过90％，从而在所述激光发生器321的功率相同的情况下，使所述信号调制芯片31获得更高功率的耦合激光，以满足光信号的远距离和多通道传输的功率要求，提高光引擎的光信号耦合效率。

为了保证激光只能从所述准直透镜322到达所述聚焦透镜324，避免反向激光对所述准直透镜322产生影响。如图1所示，在本申请的部分实施例中，所述光发射子组件32还包括隔离器323，所述隔离器323设置在所述准直透镜322和所述聚焦透镜324之间。所述隔离器323能够单向隔离激光，保证激光只能从所述准直透镜322到达所述聚焦透镜324，无法反向传输，避免反向激光对所述准直透镜322产生影响。

参见图4，为本申请实施例提供的激光通过准直透镜示意图。

为了保证更好的准直效果，即，所述激光发生器321生成的激光能够尽可能的转化为准直光，实现较高的耦合效率。如图4所示，在本申请的部分实施例中，所述激光发生器321的激光发射端至所述准直透镜322的距离为所述准直透镜322的焦距，以便所述激光发生器321处于所述准直透镜322的焦点上。由于所述准直透镜322采用的是平凸透镜，其两侧焦距存在微小差别，这里所说的所述激光发生器321处于所述准直透镜322的焦点上，是指所述准直透镜322上靠近所述激光发生器321一面的焦点，此时，能够保证所述激光发生器321产生的激光能够尽可能的转化为准直光，保证最大的耦合效率。

参见图5，为本申请实施例提供的激光通过聚焦透镜示意图。

为了保证准直光柱能够更好的聚焦到所述信号调制芯片31的第一波导光孔中，保证耦合效率，如图5所示，在本申请的部分实施例中，所述聚焦透镜324至所述信号调制芯片31第一波导光孔的距离为所述聚焦透镜324的焦距，以便所述信号调制芯片31的第一波导光孔处于所述准直透镜322的焦点上。

参见图6，为本申请实施例提供的一种硅光波分复用光引擎的PCB板背面结构示意图。

为了实现所述信号调制芯片31接收外部光信号，以及对外发射光信号，如图1和图6所示，在本申请的部分实施例中，所述硅光波分复用光引擎还包括光纤接口1和分支器2；所述光纤接口1通过单模光纤线连接所述分支器2，所述分支器2通过两根单模光纤线连接所述光信号收发器3。

所述光纤接口1用于连接外部光纤，并通过单模光纤连接所述分支器2，可以同时传输不同频率的光信号，以保证接收的光信号与发射的光信号互不干扰，所述分支器2为双向和/分波分支器，用于合并/分离不同频率的光信号，即，保证从所述光信号收发器3发射与接收的信号通过同一根单模光纤连接外部。

进一步的，为了保证所述信号调制芯片31与所述分支器2连接精度，即保证所述分支器2连接的两根单模光纤与所述信号调制芯片31第二波导光孔和第三波导光孔完全耦合，如图2和图3所示，在本申请的部分实施例中，所述光信号收发器3还包括双光纤阵列器35；所述双光纤阵列器35一端连接所述分支器2的两根单模光纤线，另一端耦合所述信号调制芯片31上的第二波导光孔和第三波导光孔。

光纤阵列是利用V形槽基片，把一束光纤或一条光纤带按照规定间隔安装在基片上，所构成的阵列。所述分支器2通过两根光纤连接所述双光纤阵列器35的一端，所述双光纤阵列器35的另一端耦合所述信号调制芯片31上的第二波导光孔和第三波导光孔，保证光信号的稳定传输。

为了接收或者发射信号，即，为光信号提供需要加载的信号，以及获取光信号中载有的信号，如图1和图2所示，在本申请的部分实施例中，所述硅光波分复用光引擎还包括数字信号处理器4；所述数字信号处理器4贴合在PCBA板上，分别连接所述驱动芯片33和所述电信号处理芯片34；所述数字信号处理器4用于为所述驱动芯片33提供数字信号转化的电信号，和/或接收所述电信号处理芯片34的电信号，并将电信号转化为数字信号。所述数字信号处理器4采用DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理)芯片，能够实现电信号到数字信号的转化，以及实现数字信号到电信号的转化，在实际应用过程中，将需要加载的数字信号转化为电信号，并传输到所述驱动芯片33中；以及从所述电信号处理芯片34中获取电信号，并转化为数字信号。

进一步的，为了保证所述数字信号处理器4能够从所述电信号处理芯片34中获取信号量更大的电信号。如图3所示，在本申请的部分实施例中，所述光信号收发器3还包括放大器36；所述放大器36为设置在所述电信号处理芯片34与所述数字信号处理器4之间的跨组放大器。跨阻放大器(operational transconductance amplifier,OTA)可以将输入差分电压转换为输出电流，从而便于电信号的传递。

为了控制信号的接收与发射，如图6所示，在本申请的部分实施例中，所述硅光波分复用光引擎包括控制器5，所述控制器5贴合在PCBB板上，并分别连接所述光信号收发器3和所述数字信号处理器4；所述控制器5用于控制所述光信号收发器3的光信号收发与处理；和/或控制所述数字信号处理器4与外部的数字信号传输。所述控制器5为储存有控制程序的单片机(Microcontroller Unit，MCU，控制单元)，光信号的接收、发射，以及与外部数字信号的传输、信号处理的控制均由所述控制器5进行控制。

为了避免灰尘、异物进入所述光信号收发器3，且避免杂讯的干扰以及保护所述光信号收发器3，如图1和图3所示，在本申请的部分实施例中，所述光信号收发器3还包括金属外罩37，以保护所述光信号收发器3内部器件。

由以上技术方案可知，本申请实施例提供的一种硅光波分复用光引擎，包括光信号收发器3，所述光信号收发器3贴合在PCBA板上，包括信号调制芯片31、光发射子组件32、驱动芯片33和电信号处理芯片34；所述光发射子组件32用于为所述信号调制芯片31提供电信号转化为光信号所需激光，所述光发射子组件32包括激光发生器321、准直透镜322和聚焦透镜324；所述激光发生器321产生的激光依次经过所述准直透镜322和所述聚焦透镜324后，耦合进入所述信号调制芯片31的第一波导光孔中。所述驱动芯片33连接所述信号调制芯片31；所述电信号处理芯片34连接所述信号调制芯片31。

实际应用过程中，所述信号调制芯片31为偏置敏感器件从光纤耦合到所述信号调制芯片31的光的偏振态是随机，硅光单模波导的尺寸在亚微米量级，而单模光纤模斑尺寸在10微米量级，两者之间的模式尺寸相差较大，导致硅波导和光纤之间的耦合工艺困难，本申请通过设计双透镜结构的光发射子组件，采用内置光源通过双透镜方式直接与所述信号调制芯片31耦合连接，使两者的模斑匹配达到较高的耦合效率，使所述激光发生器321中生成的激光耦合到所述信号调制芯片31中的耦合效率超过90％，从而在所述激光发生器321的功率相同的情况下，使所述信号调制芯片31获得更高功率的耦合激光，以满足光信号的远距离和多通道传输的功率要求，提高光引擎的光信号耦合效率。

本申请提供的实施例之间的相似部分相互参见即可，以上提供的具体实施方式只是本申请总的构思下的几个示例，并不构成本申请保护范围的限定。对于本领域的技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下依据本申请方案所扩展出的任何其他实施方式都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种硅光波分复用光引擎，其特征在于，包括光信号收发器(3)，所述光信号收发器(3)贴合在PCBA板上，包括信号调制芯片(31)、光发射子组件(32)、驱动芯片(33)和电信号处理芯片(34)；

所述信号调制芯片(31)用于接收光信号，并转化为电信号，和/或将电信号转化为光信号，并发射；

所述光发射子组件(32)用于为所述信号调制芯片(31)提供电信号转化为光信号所需激光，包括激光发生器(321)、准直透镜(322)和聚焦透镜(324)；

所述准直透镜(322)和所述聚焦透镜(324)依次设置在所述激光发生器(321)和所述信号调制芯片(31)之间；

所述激光发生器(321)产生的激光依次经过所述准直透镜(322)和所述聚焦透镜(324)后，耦合进入所述信号调制芯片(31)的第一波导光孔中；

所述驱动芯片(33)连接所述信号调制芯片(31)，所述驱动芯片(33)用于为所述信号调制芯片(31)提供需要加载到激光中的电信号；

所述电信号处理芯片(34)连接所述信号调制芯片(31)，所述电信号处理芯片(34)用于获取并处理所述信号调制芯片(31)转化后的电信号。

2.根据权利要求1所述的一种硅光波分复用光引擎，其特征在于，所述光发射子组件(32)还包括隔离器(323)，所述隔离器(323)设置在所述准直透镜(322)和所述聚焦透镜(324)之间。

3.根据权利要求1所述的一种硅光波分复用光引擎，其特征在于，所述激光发生器(321)的激光发射端至所述准直透镜(322)的距离为准直透镜(322)的焦距，以便所述激光发生器(321)处于所述准直透镜(322)的焦点上。

4.根据权利要求1所述的一种硅光波分复用光引擎，其特征在于，所述聚焦透镜(324)至所述信号调制芯片(31)第一波导光孔的距离为所述聚焦透镜(324)的焦距，以便所述信号调制芯片(31)的第一波导光孔处于所述准直透镜(322)的焦点上。

5.根据权利要求1所述的一种硅光波分复用光引擎，其特征在于，还包括光纤接口(1)和分支器(2)；

所述光纤接口(1)通过单模光纤线连接所述分支器(2)，所述分支器(2)通过两根单模光纤线连接所述光信号收发器(3)。

6.根据权利要求5所述的一种硅光波分复用光引擎，其特征在于，所述光信号收发器(3)还包括双光纤阵列器(35)；

所述双光纤阵列器(35)一端连接所述分支器(2)的两根单模光纤线，另一端耦合所述信号调制芯片(31)上的第二波导光孔和第三波导光孔。

7.根据权利要求1所述的一种硅光波分复用光引擎，其特征在于，还包括数字信号处理器(4)；

所述数字信号处理器(4)贴合在PCBA板上，分别连接所述驱动芯片(33)和所述电信号处理芯片(34)；所述数字信号处理器(4)用于为所述驱动芯片(33)提供数字信号转化的电信号，和/或接收所述电信号处理芯片(34)的电信号，并将电信号转化为数字信号。

8.根据权利要求7所述的一种硅光波分复用光引擎，其特征在于，所述光信号收发器(3)还包括放大器(36)；

所述放大器(36)为设置在所述电信号处理芯片(34)与所述数字信号处理器(4)之间的跨组放大器。

9.根据权利要求7所述的一种硅光波分复用光引擎，其特征在于，还包括控制器(5)，控制器(5)贴合在PCBB板上，并分别连接所述光信号收发器(3)和所述数字信号处理器(4)；

所述控制器(5)用于控制所述光信号收发器(3)的光信号收发与处理；和/或控制所述数字信号处理器(4)与外部的数字信号传输。

10.根据权利要求1所述的一种硅光波分复用光引擎，其特征在于，所述光信号收发器(3)还包括金属外罩(37)，以保护所述光信号收发器(3)内部器件。

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