本發(fā)明屬于光纖通信領(lǐng)域的集成光學(xué)結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，特別是涉及一種多通道硅基波分復(fù)用高速光收發(fā)一體器件。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，隨著智能設(shè)備(電腦、手機(jī)、智能穿戴設(shè)備)的普及，光纖通信網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)，40gb/s的光模塊已規(guī)模部署，100gb/s光模塊也已逐步批量部署,200gb/s的光器件也處于研發(fā)階段。為迎合市場(chǎng)需求，高速光通信器件往小尺寸，高集成度，低功耗，低成本方向發(fā)展勢(shì)在必行。在密集波分或者頻分復(fù)用系統(tǒng)中，需要在發(fā)射機(jī)或者接收機(jī)上布置多路激光器及探測(cè)器。目前，已經(jīng)提出利用多個(gè)光源實(shí)現(xiàn)多波長(zhǎng)集成的40gb/s、100gb/s光收發(fā)器件方案。

現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)存在的典型方案有：一、基于波分復(fù)用濾波片的自由光空間方案，這種方案多達(dá)數(shù)十個(gè)光無(wú)源器件，組裝工藝非常復(fù)雜，成本較高，尺寸較大，集成度較低，難以滿足速率更高的器件；二、基于二氧化硅的平面光波導(dǎo)技術(shù)的收發(fā)器件，這種方案把收發(fā)器件分開(kāi)，收發(fā)器件各需要一個(gè)陶瓷氣密殼子，陶瓷氣密殼子通常較為昂貴，因此這種方案存在集成度較低，成本較高的劣勢(shì)，且基于二氧化硅的平面光波導(dǎo)器件尺寸通常較大，不利于小型化，高集成度。

然而，上述光收發(fā)器件在具體應(yīng)用時(shí)，容易存在以下缺點(diǎn)：上述光收發(fā)器件的光源數(shù)量有限，且發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分開(kāi)設(shè)計(jì)，尺寸較大，集成度較低，封裝難度大，成本高昂，難以滿足用戶小型化的要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題為：增加光收發(fā)器件的發(fā)射、接收光波數(shù)量；將發(fā)射單元與接收單元通過(guò)平面波導(dǎo)器件的合波單元和分波單元集成于同一平面波導(dǎo)上。本發(fā)明涉及的器件集成度較高，成本較低，封裝較為容易，能滿足用戶的需求，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供一種多通道硅基波分復(fù)用高速光收發(fā)一體器件，其特征在于，該一體器件包括與平面光波導(dǎo)芯片耦合的發(fā)射單元、接收單元，所述平面光波導(dǎo)芯片上光刻有分波單元、合波單元，所述平面光波導(dǎo)芯片的輸入端、輸出端分別與輸入光纖、輸出光纖對(duì)應(yīng)耦合連接。

進(jìn)一步地，所述發(fā)射單元包括散熱熱沉，在所述散熱熱沉之上還依次沉積激光器驅(qū)動(dòng)器電芯片、激光器熱沉；所述激光器熱沉上依次沉積背光探測(cè)器、激光器。

進(jìn)一步地，所述激光器與所述平面光波導(dǎo)芯片通過(guò)聚光透鏡耦合或者直接耦合。

進(jìn)一步地，所述接收單元包括散熱熱沉，在所述散熱熱沉之上還依次沉積限幅放大器電芯片、跨阻放大器芯片；所述跨阻放大器芯片上設(shè)置有光電探測(cè)器及45°反光鏡，所述分波單元分波后的各路光波，經(jīng)透鏡匯聚，被所述45°反光鏡反射到所述光電探測(cè)器產(chǎn)生光電流信號(hào)，所述光電流信號(hào)經(jīng)所述跨阻放大器芯片與所述限幅放大器電芯片轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大輸出。

進(jìn)一步地，所述平面光波導(dǎo)芯片與輸出光纖、輸入光纖間接入環(huán)形器。

進(jìn)一步地，所述發(fā)射單元及所述接收單元的激光器數(shù)量和光電探測(cè)器數(shù)量大于或等于4。

進(jìn)一步地，所述合波單元、分波單元分別為波導(dǎo)陣列光柵、級(jí)聯(lián)馬赫澤德光波濾波器。

進(jìn)一步地，所述激光器為10g或25g高速分布式反饋激光器或電吸收調(diào)制分布式反饋激光器，不同所述激光器對(duì)應(yīng)不同的特定光波。

進(jìn)一步地，所述光電探測(cè)器為分立式或陣列式。

進(jìn)一步地，所述發(fā)射單元和所述光接收單元與所述平面光波導(dǎo)芯片的光波傳輸方式為：通過(guò)透鏡聚光或集成模斑轉(zhuǎn)換器或直接與光纖耦合對(duì)準(zhǔn)。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，有益效果主要體現(xiàn)在如下方面：

采用了平面光波導(dǎo)基于硅光子技術(shù)；平面光波導(dǎo)集合波單元、分波單元于一體，提高了集成度，簡(jiǎn)化了封裝工藝；發(fā)射單元激光器個(gè)數(shù)≥4，；發(fā)射激光器可以是激光器陣列；發(fā)射單元的激光器可借助透鏡或者直接與平面光波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)耦合；發(fā)射單元主要包括激光器驅(qū)動(dòng)器電芯片，激光器，背光光電探測(cè)器，熱沉等；能夠?qū)崿F(xiàn)光學(xué)信號(hào)的高速處理；

在本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的方式中，對(duì)接收單元的情況也進(jìn)行了設(shè)置，接收單元的光電探測(cè)器數(shù)目≥4，各光電探測(cè)器用于接收輸入的光波；接收單元主要包括限幅放大器電芯片，跨阻放大器電芯片，光電探測(cè)器，45°反射鏡，聚光透鏡，熱沉等，接收單元的光電探測(cè)器可借助透鏡或者直接與平面光波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)耦合；

并且對(duì)光波導(dǎo)之間的光的耦合傳輸也進(jìn)行了相應(yīng)的限定，硅基平面光波導(dǎo)的輸入、輸出端口可借助聚光透鏡實(shí)現(xiàn)光在輸入、輸出光纖和平面光波導(dǎo)之間的轉(zhuǎn)換，也可在平面光波導(dǎo)的輸入、輸出端口集成模斑轉(zhuǎn)換功能，實(shí)現(xiàn)直接與輸入、輸出光纖的耦合對(duì)準(zhǔn)，對(duì)一體化器件的整體化光學(xué)光路的傳輸提出了有效的耦合方案。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例中一種多通道硅基波分復(fù)用高速光收發(fā)一體器件；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例中一種多通道硅基波分復(fù)用高速光收發(fā)一體器件的另外一種光接口形式；

圖3為按照本發(fā)明實(shí)施例一中發(fā)射單元的具體器件結(jié)構(gòu)組成示意圖；

圖4為按照本發(fā)明實(shí)施例二中發(fā)射單元的具體器件結(jié)構(gòu)組成示意圖；

圖5為按照本發(fā)明實(shí)施例三中發(fā)射單元的具體器件結(jié)構(gòu)組成示意圖；

圖6為按照本發(fā)明實(shí)施例一中接收單元的具體器件結(jié)構(gòu)組成示意圖；

圖7為按照本發(fā)明實(shí)施例二中接收單元的具體器件結(jié)構(gòu)組成示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明提出的多通道硅基波分復(fù)用高速光收發(fā)一體器件，包括發(fā)射單元和接收單元，平面光波導(dǎo)芯片的輸出端與輸出光纖相連，平面光波導(dǎo)芯片的輸入端與輸入光纖相連：發(fā)射功能通過(guò)發(fā)射單元、平面光波導(dǎo)的合波單元、隔離器、輸出光纖實(shí)現(xiàn)；接收功能通過(guò)輸入光纖、平面光波導(dǎo)的分波單元、接收單元實(shí)現(xiàn)；發(fā)射單元中的多路激光器輸出的激光入射到平面光波導(dǎo)的合波單元進(jìn)行合波并最終由輸出光纖輸出；每個(gè)探測(cè)器接收到的光為輸入光波經(jīng)平面光波導(dǎo)分波單元分波后的單路光波。

在上述方案的基礎(chǔ)上，發(fā)射單元還包括激光器驅(qū)動(dòng)電芯片，每路激光器對(duì)應(yīng)一種波分復(fù)用波長(zhǎng)，傳輸一路數(shù)字信號(hào)。

在上述方案的基礎(chǔ)上，接收單元中的每個(gè)光電探測(cè)芯片通過(guò)一個(gè)跨阻放大器與一個(gè)限幅放大器連接。

在上述方案的基礎(chǔ)上，發(fā)射單元，接收單元的激光器數(shù)目和光電探測(cè)器數(shù)目≥4。

在上述方案的基礎(chǔ)上，發(fā)射單元，接收單元所用的激光器和光電探測(cè)器可以是陣列激光器和陣列光電探測(cè)器。

在上述方案的基礎(chǔ)上，激光器可以是10g或者25g高速分布式反饋激光器(dfb)或者電吸收調(diào)制分布式反饋激光器(eml-dfb)，亦可以是更高速率。

在上述方案的基礎(chǔ)上，光電探測(cè)器可以是10g或者25g高速光電探測(cè)器，其中包含光電探測(cè)器(pin)和雪崩光電探測(cè)器(apd)，亦可以是更高速率。

在上述方案的基礎(chǔ)上，平面波導(dǎo)的合波單元、平面波導(dǎo)的分波單元可以是采用波導(dǎo)陣列光柵(awg)和級(jí)聯(lián)馬赫澤德光波濾波器(mzi)設(shè)計(jì)制作的器件。

在上述方案的基礎(chǔ)上，發(fā)射單元可以采用分立激光器或者多波長(zhǎng)陣列激光器，接收單元可以采用分立光電探測(cè)器或者光電探測(cè)器陣列。

在上述方案的基礎(chǔ)上，激光器可以直接與平面光波導(dǎo)芯片對(duì)準(zhǔn)耦合，或者采用聚光透鏡將激光器發(fā)出的激光耦合對(duì)準(zhǔn)至平面光波導(dǎo)芯片的輸入端。

在上述方案的基礎(chǔ)上，光電探測(cè)器可以直接與平面光波導(dǎo)芯片的輸出端耦合對(duì)準(zhǔn)，或者采用聚光透鏡將平面光波導(dǎo)輸出的光耦合對(duì)準(zhǔn)至光電探測(cè)器上。

在上述方案的基礎(chǔ)上，發(fā)射單元經(jīng)平面光波導(dǎo)合波后的光波可通過(guò)透鏡聚光到輸出光纖，也可在平面光波導(dǎo)的輸出端集成模斑轉(zhuǎn)換器，直接與光纖耦合對(duì)準(zhǔn)，省去聚光透鏡；同樣，光接收單元可通過(guò)聚光透鏡將輸入光纖的光匯聚到平面光波導(dǎo)的輸入端，也可在平面光波導(dǎo)的輸入端集成模斑轉(zhuǎn)換器，直接與光纖耦合對(duì)準(zhǔn)，省去聚光透鏡。

在上述方案的基礎(chǔ)上，隔離器可以是與輸出光纖分立的或者直接粘接在輸出光纖端面上。

在上述方案的基礎(chǔ)上，可在平面光波導(dǎo)芯片與輸出光纖、輸入光纖間加入環(huán)形器，使器件的光收發(fā)都集中在單根光纖中完成，有效提高光纖利用率。

參考圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例中多通道硅光子波分復(fù)用的高速收發(fā)一體光器件，包含光發(fā)射單元102，接收單元101，平面光波導(dǎo)100，分波單元103，合波單元104，平面光波導(dǎo)的輸入端口105，平面光波導(dǎo)的輸出端口106，接收端聚光透鏡107，發(fā)射端聚光透鏡108，109為收發(fā)一體光器件用于與外界連接的輸入、輸出光纖端口，109包含輸入光纖，輸出光纖和隔離器。

含至少4路激光器的發(fā)射單元102將激光有效匯聚到合波單元104，經(jīng)合波單元合波后，由輸出端口106輸出，借助發(fā)端聚光透鏡108，將平面光波導(dǎo)的輸出端口106的輸出光匯聚到109單元中的輸出光纖，為減少傳輸鏈路中的返回光對(duì)激光器的影響，通常在靠近輸出光纖處會(huì)安裝一隔離器，隔離器的作用是阻斷傳輸鏈路中的返回光。

含至少4種光波長(zhǎng)的輸入光經(jīng)109單元中的輸入光纖入射，光波通過(guò)接收端聚光透鏡107后，被有效匯聚到平面光波導(dǎo)的105輸入端，后經(jīng)分波單元103分波，光波被接收單元中的光電探測(cè)器接收。

圖2所示為109單元的另一種形式，可實(shí)現(xiàn)發(fā)射光與接收光在單根光纖上傳輸，即為單纖雙向傳輸，這種方式能有效節(jié)約光纖資源。

圖3-5中所示為發(fā)射單元102的三種具體實(shí)施例子。左邊的實(shí)施例子：102包含1散熱熱沉，2激光器驅(qū)動(dòng)器電芯片，3背光探測(cè)器，4激光器，5聚光透鏡，6為激光器熱沉。器件前端電路板上的電信號(hào)通過(guò)激光器驅(qū)動(dòng)電芯片驅(qū)動(dòng)激光器工作，激光器4的前向輸出光經(jīng)透鏡5匯聚到平面光波導(dǎo)的合波單元，激光器4的后向輸出光經(jīng)背光探測(cè)器接收，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)激光器的輸出光功率大小及工作狀態(tài)。在圖3的基礎(chǔ)上，如圖4所示，通過(guò)合理的設(shè)計(jì)，可以將激光器直接與平面波導(dǎo)對(duì)準(zhǔn)耦合，避免使用透鏡，既能節(jié)省成本又能簡(jiǎn)化工藝。又如圖5所示，激光器也可以是陣列激光器，陣列激光器與平面光波導(dǎo)的對(duì)準(zhǔn)耦合工藝更易實(shí)現(xiàn)，通過(guò)合理設(shè)計(jì)，為了達(dá)到最優(yōu)的耦合效率，光波導(dǎo)與激光器的模斑尺寸要匹配，甚至可采用被動(dòng)對(duì)準(zhǔn)方式，大大提高制作效率及成品率。

圖6-7所示為接收單元101的三種實(shí)施例子。圖6實(shí)施例子：1’為限幅放大器電芯片，2’為跨阻放大器芯片，3’為45°反光鏡，4’為聚光透鏡，5’為散熱熱沉，6’為光電探測(cè)器。經(jīng)過(guò)平面光波導(dǎo)分波后的各路光波，由透鏡4’匯聚，經(jīng)45°的反光鏡3’反射到光電探測(cè)器接收并產(chǎn)生光電流信號(hào)，光電流信號(hào)經(jīng)跨阻放大器2’和限幅放大器電芯片1’轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)并放大，放大后的電壓信號(hào)輸入到外接電路板上作進(jìn)一步處理。在圖6的基礎(chǔ)上，可將分立的光電探測(cè)器用陣列光電探測(cè)器替代，且45°反光鏡也采用一體式的，這能有效的降低工藝難度。如圖7所示，將光電探測(cè)器陣列的接收面直接正對(duì)平面光波導(dǎo)的輸出波導(dǎo)，可省去45°反射鏡和聚光透鏡，不僅節(jié)省了成本，還降低了工藝難度。

總之，按照本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的高速光收發(fā)一體器件，具有成本低，集成度高，兼容性好，尤其適用于更高速率器件的封裝設(shè)計(jì)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。