CN215340424U - 一种光接收集成组件 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种光接收集成组件。该组件包括依次进行光学对准的多个WG‑PD、一个光波分解复用元件以及一个光接收端口，其中，所述WG‑PD具有相连接的有源区和锥形波导，所述锥形波导的外侧端接区域设置有多个第一SSC，所述光波分解复用元件上具有一个光路输入端口和多个光路输出端口，每个所述光路输出端口的末端都设有第二SSC，各所述第二SSC分别与各所述第一SSC进行匹配。本实用新型中的光接收集成组件通过使用多个WG‑PD作为光接收器，并将其与光波分解复用元件通过光斑大小转换器在模斑尺寸和数值孔径上实现匹配，在距离很近、对准精度高的情况下，可以实现插损很低的耦合，从而更容易实现高速光模块要求的高带宽的操作。
Description
技术领域
本实用新型涉及光通信技术领域，特别涉及一种基于光波导的多路波分解复用光接收集成组件。
背景技术
随着数据中心的高速发展，高速率、小尺寸、低成本成为了光模块行业的迭代趋势；为了光模块的小型化和低成本，普遍期望硅光子平台提供小型、经济高效的光电子集成器件，满足包括低插入损耗，低串扰以及对偏振和温度不敏感等要求。基于二氧化硅的平面光波导回路(PLC)满足这些要求，所以现在的光收发模块的各种方案中，出现越来越多的基于光波导的多路波分复用光组件和多路波分解复用光组件。
在波分解复用光组件中，经过PLC分解后的每一路对应特定波长的光束，都要打到一个特定的光接收器(PD)上，从而将光信号转换成对应的光电流。有一种PD为Waveguidephotodiode(WG-PD)，在这种WG-PD结构中，光信号被限制在窄波导芯中，并且传播方向与外延生长正交。因此，与传统的表面入射PD相比，WG-PD产生的pn结面积小且吸收层薄。而同时，当前商用的基于二氧化硅的PLC的制造工艺可以很容易实现低成本小尺寸的光斑大小转换器(SSC)，在WG-PD的入射光波导路径上，也可以通过半导体工艺实现SSC结构，这两者的SSC可以在模斑尺寸和数值孔径上实现匹配。
实用新型内容
为解决上述问题，本实用新型提供了一种光接收集成组件。
根据本实用新型的一个方面，提供了一种光接收集成组件，包括依次进行光学对准的多个WG-PD、一个光波分解复用元件以及一个光接收端口，其中，所述WG-PD具有相连接的有源区和锥形波导，所述锥形波导的外侧端接区域设置有第一SSC，所述光波分解复用元件上具有一个光路输入端口和多个光路输出端口，每个所述光路输出端口的末端都设有第二 SSC，各所述第二SSC分别与各所述第一SSC进行匹配。
本实用新型中的光接收集成组件通过使用多个WG-PD作为光接收器，并将其与光波分解复用元件通过光斑大小转换器在模斑尺寸和数值孔径上实现匹配，在距离很近、对准精度高的情况下，可以实现插损很低的耦合，从而在抑制量子效率损失的同时，允许较小的电容时间常数和较短的载流子通过时间，因此更容易实现高速光模块要求的高带宽的操作。
在一些实施方式中，所述WG-PD包括一块基板，所述有源区和所述锥形波导均位于所述基板的上方。由此，设置了WG-PD的部分结构，其上各结构均安装在基板上。
在一些实施方式中，所述有源区的两侧均设有一个钝化层。由此，设置钝化层能够降低有源区对其外侧相关结构的相互影响。
在一些实施方式中，每个钝化层的外侧均设置有电极，所述电极与所述有源区相连接，并且通向所述WG-PD的外表面。由此，通过电极能够对 WG-PD施加偏置电压，并传导光电效应产生的电流。
在一些实施方式中，所述基板的上方设置有多个第一标记点。由此，通过第一标记点能够方便对WG-PD上的结构进行识别和定位。
在一些实施方式中，所述光路输出端口的数量为2-16个。由此，设置了光路输出端口的常规数量范围。
在一些实施方式中，各所述第二SSC分别与各所述第一SSC进行模斑尺寸和数值孔径的匹配。由此，设置了第二SSC和第一SSC进行匹配的相关参数。
在一些实施方式中，所述光波分解复用元件上设置有多个第二标记点。由此，通过第一标记点能够方便对光波分解复用元件上的结构进行识别和定位。
在一些实施方式中，所述第一SSC和所述第二SSC的波导传输方向与接触面法线方向满足NDEMUX*sinα＝NWG-PD*sinβ。由此，两者的传输方向的关系满足折射定律，能够使得耦合插损最小，也减小了在光传输方向上的光的反射。
在一些实施方式中，所述WG-PD和所述光波分解复用元件的间隙内配置有折射率匹配的胶水。由此，胶水400的折射率一般在1.4到1.5之间，可以减小在光波分解复用元件和WG-PD的间隙内传播的高斯光束的等效光程，进而可以减小耦合插损。
附图说明
图1为本实用新型一实施方式的一种光接收集成组件的结构示意图；
图2为图1所示的WG-PD的结构示意图；
图3为图1所示WG-PD的俯视图；
图4为图1所示光波分解复用元件的结构示意图；
图5为图1所示WG-PD与光波分解复用元件的耦合对准结构示意图；
图6为图1所示WG-PD与光波分解复用元件的耦合粘接图。
图中：WG-PD100，基板101，有源区102，钝化层103，电极104，锥形波导105，第一SSC106，第一标记点107，光波分解复用元件200，光路输入端口201，光路输出端口202，第二SSC203，第二标记点204，光接收端口300，折射率匹配胶水400。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步详细的说明。
图1示意性地显示了根据本实用新型的一种光接收集成组件的结构。如图1所示，该光接收集成组件主要包括多个WG-PD100、一个光波分解复用元件(DEMUX)200以及一个光接收端口300，其中，各WG-PD100、光波分解复用元件200以及光接收端口300依次进行光学对准。组件接收到的光首先进入光学适配器的光接收端口300，再进入到光波分解复用元件200，不同波长的光波被分解开，进入到各个WG-PD100中。优选地，图中示意出的WG-PD100的数量优选为4个。
图2则显示了图1中的WG-PD的结构，图3则显示了图1中的WG-PD 的俯视结构。如图2-3所示，WG-PD100包括一块基板101，基板101的材质可以是InP，也可以是Si，这取决于WG-PD100是基于III-V族材料还是基于II-IV族材料体系。无论是哪种材料体系，都不影响本实施方式对 WG-PD100的主要结构的描述。
在基板101的上方具有一个有源区102，有源区102是产生光电效应的区域。而在有源区102的两侧均设有一个钝化层103。并且在每个钝化层 103的外侧均设置有电极104，电极104与有源区102相连接，并且通向 WG-PD100的外侧表面，电极104的作用是对WG-PD100施加偏置电压，并传导光电效应产生的电流。其中，在单个WG-PD100上，电极104的数量通常为两到三个，分别用来连接外来施加电压的正极或负极，而在本实施例的图中，示意出的所述电极104的数量为三个。
在基板101的上方还具有锥形波导105作为外界光波进入到有源区102 的通道，为了与外界光波(比如从光波分解复用元件200射出的出射光) 的模斑尺寸和数值孔径相匹配，在锥形波导105的外侧端接区域，还设置有第一SSC106。
通过以上描述，可知WG-PD100的功能原理是：外界光波以较小的耦合插损为代价，先进入到第一SSC106，并通过锥形波导105进入到有源区 102，以产生光电效应，电流则通过电极104传导到外界电路板。注意，此处的方位如上方、两侧、外侧，是基于附图进行的相对的描述，主要是为了阐述WG-PD100的各主要部分的功能，并不是指本专利只限定于上文的这种WG-PD100的结构，凡是以类似方式实现了上述WG-PD100功能的光接收器，都可以作为本专利的实施例的光接收器的替代，成为本专利的光接收集成组件的组成部分。
此外，为了便于电极104和第一SSC106识别和定位，在基板101的上方还设有若干第一标记点107。
图4则显示了图1中的光波分解复用元件的结构，其中图4中(a)是光波分解复用元件的整体结构示意图，图4中(b)是其输出端口处(虚线区域 A)的细节放大示意图。如图4所示，该光波分解复用元件200具有一个光路输入端口201和多个光路输出端口202，其中光路输出端口202的数量一般为2～16个，本实施例图示为4个，不同波长的光从不同的输出端口202 输出，从而实现光波分解复用功能。
光波分解复用元件200使用平面光波导PLC工艺制成，具体原理分为阵列波导光栅AWG或者马特曾达MZ，或者是两种原理的混合使用，都可以实现光波分解复用的功能。
在每个输出端口202的末端都设有第二SSC203，各第二SSC203的作用是与各WG-PD100上的第一SSC106进行模斑尺寸和数值孔径的匹配。
此外，为了便于识别和定位，在光波分解复用元件200上也设有若干第二标记点204。
图5显示了图1中的WG-PD与光波分解复用元件的耦合对准结构，其中图5中(a)是WG-PD与光波分解复用元件的耦合对准细节示意图，图5中 (b)是两者的SSC耦合对准的光路图。如图5所示，为了进一步说明 WG-PD100与光波分解复用元件200的具体的位置关系和耦合结构，对两者的接触区域(虚线区域B)进行放大，可以看出WG-PD100上的第一 SSC106与光波分解复用元件200上的第二SSC203进行了精确的对准。依托于WG-PD100上的第一标记点107和光波分解复用元件200上的第二标记点204，在现在已经成熟的自动化耦合设备的精度范围内，第一SSC106 和第二SSC203能够实现小于1微米级别的精确对准，从而保证了从光波分解复用元件200到WG-PD100的耦合损耗是可以接受的，一般小于2dB。
同时为了更好的耦合效果，第一SSC106和第二SSC203的波导传输方向与接触面法线方向都有一定的角度，其中角度的设计满足折射定律，即 NDEMUX*sinα＝NWG-PD100*sinβ，从而使得耦合插损最小，而这种角度设计也减小了在光传输方向上的光的反射。其中，NDEMUX为光波分解复用元件200 的第一SSC106的等效折射率，NWG-PD100为WG-PD100上的第二SSC203的等效折射率，α为光波分解复用元件200上的第一SSC106波导传输方向与接触面法线方向的角度，β为WG-PD100上的第二SSC203波导传输方向与接触面法线方向的角度。
图6显示了图1中的WG-PD与光波分解复用元件的耦合粘接结构。如图6所示，为了进一步说明WG-PD100与光波分解复用元件200的具体的位置关系和耦合结构，从另一视角，即箭头C的角度来看两者粘接固定的方式，可以看出在光波分解复用元件200和WG-PD100的间隙内(一般在 5um左右)配置有折射率匹配的胶水400。胶水400的作用一是用来固定光波分解复用元件200和WG-PD100的相对位置，二是进一步减小耦合插损。而胶水400的折射率一般在1.4到1.5之间，大于空气的折射率(为1)，可以减小在光波分解复用元件200和WG-PD100的间隙内传播的高斯光束的等效光程，进而可以减小耦合插损。
此外，为了进一步减小耦合界面产生的光反射，分别在光波分解复用元件200和WG-PD100上的SSC的端面上都镀有抗反射(AR)膜，注意 AR膜的设计要与胶水400相匹配。
以上所述的仅是本实用新型的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。
Claims (10)
1.一种光接收集成组件，其特征在于：包括依次进行光学对准的多个WG-PD(100)、一个光波分解复用元件(200)以及一个光接收端口(300)，其中，所述WG-PD(100)具有相连接的有源区(102)和锥形波导(105)，所述锥形波导(105)的外侧端接区域设置有第一SSC(106)，所述光波分解复用元件(200)上具有一个光路输入端口(201)和多个光路输出端口(202)，每个所述光路输出端口(202)的末端都设有第二SSC(203)，各所述第二SSC(203)分别与各所述第一SSC(106)进行匹配。
2.根据权利要求1所述的一种光接收集成组件，其特征在于：所述WG-PD(100)包括一块基板(101)，所述有源区(102)和所述锥形波导(105)均位于所述基板(101)的上方。
3.根据权利要求1所述的一种光接收集成组件，其特征在于：所述有源区(102)的两侧均设有一个钝化层(103)。
4.根据权利要求1所述的一种光接收集成组件，其特征在于：每个钝化层(103)的外侧均设置有电极(104)，所述电极(104)与所述有源区(102)相连接，并且通向所述WG-PD(100)的外表面。
5.根据权利要求2所述的一种光接收集成组件，其特征在于：所述基板(101)的上方设置有多个第一标记点(107)。
6.根据权利要求1所述的一种光接收集成组件，其特征在于：所述光路输出端口(202)的数量为2-16个。
7.根据权利要求1所述的一种光接收集成组件，其特征在于：各所述第二SSC(203)分别与各所述第一SSC(106)进行模斑尺寸和数值孔径的匹配。
8.根据权利要求1所述的一种光接收集成组件，其特征在于：所述光波分解复用元件(200)上设置有多个第二标记点(204)。
9.根据权利要求1所述的一种光接收集成组件，其特征在于：所述第一SSC(106)和所述第二SSC(203)的波导传输方向与接触面法线方向满足NDEMUX*sinα＝NWG-PD100*sinβ。
10.根据权利要求1所述的一种光接收集成组件，其特征在于：所述WG-PD(100)和所述光波分解复用元件(200)的间隙内配置有折射率匹配的胶水(400)。
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| CN202120537468.XU CN215340424U (zh) | 2021-03-15 | 2021-03-15 | 一种光接收集成组件 |
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