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

背景技術：

近年來，隨著智能設備(電腦、手機、智能穿戴設備)的普及，光纖通信網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長，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)展勢在必行。在密集波分或者頻分復用系統(tǒng)中，需要在發(fā)射機或者接收機上布置多路激光器及探測器。目前，已經(jīng)提出利用多個光源實現(xiàn)多波長集成的40gb/s、100gb/s光收發(fā)器件方案。

現(xiàn)有技術中已經(jīng)存在的典型方案有：一、基于波分復用濾波片的自由光空間方案，這種方案多達數(shù)十個光無源器件，組裝工藝非常復雜，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技術的收發(fā)器件，這種方案把收發(fā)器件分開，收發(fā)器件各需要一個陶瓷氣密殼子，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，且基于二氧化硅的平面光波導器件尺寸通常較大，不利于小型化，高集成度。

然而，上述光收發(fā)器件在具體應用時，容易存在以下缺點：上述光收發(fā)器件的光源數(shù)量有限，且發(fā)射機和接收機分開設計，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。

技術實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術中存在的缺陷，本發(fā)明解決的技術問題為：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平面波導器件的合波單元和分波單元集成于同一平面波導上。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，具有很高的實用價值。

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

進一步地，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器、激光器。

進一步地，所述激光器與所述平面光波導芯片通過聚光透鏡耦合或者直接耦合。

進一步地，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置有光電探測器及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器產(chǎn)生光電流信號，所述光電流信號經(jīng)所述跨阻放大器芯片與所述限幅放大器電芯片轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大輸出。

進一步地，所述平面光波導芯片與輸出光纖、輸入光纖間接入環(huán)形器。

進一步地，所述發(fā)射單元及所述接收單元的激光器數(shù)量和光電探測器數(shù)量大于或等于4。

進一步地，所述合波單元、分波單元分別為波導陣列光柵、級聯(lián)馬赫澤德光波濾波器。

進一步地，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，不同所述激光器對應不同的特定光波。

進一步地，所述光電探測器為分立式或陣列式。

進一步地，所述發(fā)射單元和所述光接收單元與所述平面光波導芯片的光波傳輸方式為：通過透鏡聚光或集成模斑轉(zhuǎn)換器或直接與光纖耦合對準。

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

采用了平面光波導基于硅光子技術；平面光波導集合波單元、分波單元于一體，提高了集成度，簡化了封裝工藝；發(fā)射單元激光器個數(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對準耦合；發(fā)射單元主要包括激光器驅(qū)動器電芯片，激光器，背光光電探測器，熱沉等；能夠?qū)崿F(xiàn)光學信號的高速處理；

在本發(fā)明實現(xiàn)的方式中，對接收單元的情況也進行了設置，接收單元的光電探測器數(shù)目≥4，各光電探測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，光電探測器，45°反射鏡，聚光透鏡，熱沉等，接收單元的光電探測器可借助透鏡或者直接與平面光波導對準耦合；

并且對光波導之間的光的耦合傳輸也進行了相應的限定，硅基平面光波導的輸入、輸出端口可借助聚光透鏡實現(xiàn)光在輸入、輸出光纖和平面光波導之間的轉(zhuǎn)換，也可在平面光波導的輸入、輸出端口集成模斑轉(zhuǎn)換功能，實現(xiàn)直接與輸入、輸出光纖的耦合對準，對一體化器件的整體化光學光路的傳輸提出了有效的耦合方案。

附圖說明

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

圖2為本發(fā)明實施例中一種多通道硅基波分復用高速光收發(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。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實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)明各個實施方式中所涉及到的技術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，平面光波導芯片的輸出端與輸出光纖相連，平面光波導芯片的輸入端與輸入光纖相連：發(fā)射功能通過發(fā)射單元、平面光波導的合波單元、隔離器、輸出光纖實現(xiàn)；接收功能通過輸入光纖、平面光波導的分波單元、接收單元實現(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的合波單元進行合波并最終由輸出光纖輸出；每個探測器接收到的光為輸入光波經(jīng)平面光波導分波單元分波后的單路光波。

在上述方案的基礎上，發(fā)射單元還包括激光器驅(qū)動電芯片，每路激光器對應一種波分復用波長，傳輸一路數(shù)字信號。

在上述方案的基礎上，接收單元中的每個光電探測芯片通過一個跨阻放大器與一個限幅放大器連接。

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

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

在上述方案的基礎上，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。

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

在上述方案的基礎上，平面波導的合波單元、平面波導的分波單元可以是采用波導陣列光柵(awg)和級聯(lián)馬赫澤德光波濾波器(mzi)設計制作的器件。

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

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

在上述方案的基礎上，光電探測器可以直接與平面光波導芯片的輸出端耦合對準，或者采用聚光透鏡將平面光波導輸出的光耦合對準至光電探測器上。

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

在上述方案的基礎上，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。

在上述方案的基礎上，可在平面光波導芯片與輸出光纖、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)明實施例中多通道硅光子波分復用的高速收發(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100，分波單元103，合波單元104，平面光波導的輸入端口105，平面光波導的輸出端口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激光器的影響，通常在靠近輸出光纖處會安裝一隔離器，隔離器的作用是阻斷傳輸鏈路中的返回光。

含至少4種光波長的輸入光經(jīng)109單元中的輸入光纖入射，光波通過接收端聚光透鏡107后，被有效匯聚到平面光波導的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器接收。

圖2所示為109單元的另一種形式，可實現(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的三種具體實施例子。左邊的實施例子：102包含1散熱熱沉，2激光器驅(qū)動器電芯片，3背光探測器，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通過激光器驅(qū)動電芯片驅(qū)動激光器工作，激光器4的前向輸出光經(jīng)透鏡5匯聚到平面光波導的合波單元，激光器4的后向輸出光經(jīng)背光探測器接收，用于實時監(jiān)測激光器的輸出光功率大小及工作狀態(tài)。在圖3的基礎上，如圖4所示，通過合理的設計，可以將激光器直接與平面波導對準耦合，避免使用透鏡，既能節(jié)省成本又能簡化工藝。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的對準耦合工藝更易實現(xiàn)，通過合理設計，為了達到最優(yōu)的耦合效率，光波導與激光器的模斑尺寸要匹配，甚至可采用被動對準方式，大大提高制作效率及成品率。

圖6-7所示為接收單元101的三種實施例子。圖6實施例子：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’為光電探測器。經(jīng)過平面光波導分波后的各路光波，由透鏡4’匯聚，經(jīng)45°的反光鏡3’反射到光電探測器接收并產(chǎn)生光電流信號，光電流信號經(jīng)跨阻放大器2’和限幅放大器電芯片1’轉(zhuǎn)換成電壓信號并放大，放大后的電壓信號輸入到外接電路板上作進一步處理。在圖6的基礎上，可將分立的光電探測器用陣列光電探測器替代，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，將光電探測器陣列的接收面直接正對平面光波導的輸出波導，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計。

本領域的技術人員容易理解，以上僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，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、等同替換和改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。