一种光发射机以及光纤通信系统的制作方法

本发明属光纤通信技术领域，特别涉及一种光发射机以及光纤通信系统。

背景技术：

光纤通信自问世以来，给整个通信领域乃至国民经济、国防事业和人民生活带来了巨大的变革。光纤通信是利用光发射机把电信号转换为光信号进行传输。

光源是光发射机中的重要模块。半导体激光器(ld)或半导体发光二极管(led)作为光源器件，光源在工作时间过长或者温度过高的时候，输出的功率会减小，造成输出的光信号不稳定。随着光通信技术的发展，高速光纤通信系统对半导体发光二极管的要求也越来越高，集成化的发展趋势要求半导体发光二极管与其他光电器件集成。

半导体发光二极管作为光源器件，如何提高发光效率就变得极其重要。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种光发射机以及光纤通信系统。

本发明的实施例提供了一种光发射机，包括：

输入电路，用于对输入的电信号进行扰码和编码操作；

驱动电路，电连接所述输入电路，用于将扰码和编码后的所述电信号进行调制，形成调制信号；

光源模块，电连接所述驱动电路，用于根据所述调制信号驱动所述光源模块并产生光信号；

温度控制电路，电连接所述光源模块，用于稳定所述光源模块的工作温度。

在本发明的一个实施例中，所述输入电路包括：依次电连接的输入接口、均衡放大器、码型变换模块、复用模块、扰码编码模块。

在本发明的一个实施例中，所述输入电路还包括：时钟提取模块；其中，

所述时钟提取模块的输入端电连接所述均衡放大器，输出端分别电连接所述码型变换模块、所述复用模块、所述扰码编码模块。

在本发明的一个实施例中，还包括光监测模块和告警输出电路；其中，

所述光监测模块用于检测所述光源模块输出的光信号，所述告警输出电路电连接所述光监测模块以用于对所述光源模块的工作状态进行检测和报警。

在本发明的一个实施例中，所述光源模块包括发光二极管、引线和透镜；其中，所述引线用于连接所述发光二极管的正负管脚与所述光源模块的输入端；所述透镜设置于所述发光二极管的发光面上以用于会聚且传输所述光信号。在本发明的一个实施例中，所述第一ge层(12)为p型，且掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3。

在本发明的一个实施例中，所述发光二极管为基于台阶结构的led，所述led包括：

单晶si衬底；

第一ge层，设置于所述单晶si衬底表面；

ge基台阶结构，设置于所述第一ge层表面的中心位置处；

正电极，设置于所述第一ge层的上表面并位于台阶结构两侧的位置处；

负电极，设置于所述台阶结构的上表面；

钝化层，设置于所述第一ge层及所述台阶结构的上表面。

在本发明的一个实施例中，所述第一ge层包括ge籽晶层、ge主体层和第二ge层；其中，所述ge主体层设置于所述ge籽晶层上表面，所述第二ge层设置于所述ge主体层上表面。

在本发明的一个实施例中，所述基于台阶结构的led发送的所述光源波长为1550nm。

在本发明的另一个实施例提供了一种光纤通信系统，包括：

传感光信号发送器、光发射机、合波器、环形器、传感光信号接收解析器及光纤；

其中，所述传感光信号发送器电连接至所述合波器以将传感光信号发送至所述合波器，所述光发射机电连至所述合波器以将产生的光信号发送至所述合波器，所述合波器电连接所述环形器以将所述传感光信号及所述光信号进行合波处理后形成合波信号发送至所述环形器，所述环形器电连接至所述光纤以将所述合波信号发送至所述光纤并接收所述光纤中散射返回的所述传感光信号，所述传感光信号接收解析器电连接至所述环形器以接收散射返回的所述传感光信号并解析处理；其中，所述光发射机上述任一实施例所述的发射机。

在本发明的一个实施例中，所述传感光信号发送器包括激光发送器和光驱动器，所述传感光信号接收解析器包括光电转换器和数据采集处理器。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)本发明采用的基于台阶结构的led，具有ge外延层晶体质量高，ge外延层位错密度低的优点，从而进一步提高发光二极管的发光效率；

2)本发明提供的光纤通信系统在同一根光纤中同时实现了通信和传感，节约了光纤资源，大幅降低生产成本；本系统集成度高，可以将通信和传感装置高度集成，降低了系统的复杂程度，便于日常的安装于维护。

附图说明

下面将结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

图1为本发明实施例提供的一种光发射机的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光发射机输入电路的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种光发射机光源模块的结构示意图；

图4为本发明实施例提供的一种用于光发射机光源模块的发光二极管结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种lrc工艺方法示意图；

图6为本发明实施例提供的另一种用于光发射机光源模块的发光二极管结构示意图；

图7a-图7l为本发明实施例的一种用于光发射机光源模块的发光二极管的制备工艺示意图；

图8为本发明实施例提供的一种光纤通信系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例一

请参照图1，图1为本发明实施例提供的一种光发射机的结构示意图，该光发射机10包括：

输入电路11，用于对输入的电信号进行扰码和编码操作；

驱动电路12，电连接所述输入电路11，用于将扰码和编码后的所述电信号进行调制，形成调制信号；

光源模块13，电连接所述驱动电路12，用于根据所述调制信号驱动所述光源模块13并产生光信号；

温度控制电路14，电连接所述光源模块13，用于稳定所述光源模块13的工作温度。

其中，如图2所示，图2为本发明实施例提供的一种光发射机输入电路的结构示意图，所述输入电路11包括：依次电连接的输入接口101、均衡放大器102、码型变换模块103、复用模块104、扰码编码模块105。

其中，所述输入电路11还包括：时钟提取模块106；

进一步地，所述时钟提取模块106的输入端电连接所述均衡放大器102，输出端分别电连接所述码型变换模块103、所述复用模块104、所述扰码编码模块105。

其中，输入接口101用来接收电端机(pcm)输入的脉冲信号，这个接口通常称为电接口。

其中，均衡放大器102用来对脉冲信号进行均衡，补偿由电缆传输所产生的衰减和畸变，以便正确译码。

其中，时钟提取模块106用于对码型变换和扰码过程提供时钟信号作为时间参考。

其中，码型变换模块103用于将码流变换为单极性的“0”，“1”非归零码(即nrz码)。因为均衡器输出的是hdb3码，三值双极性码(即+1，0，-1)。而光源只能用有光和无光与“0”和“1”对应，因此需要通过码型变换电路。

其中，复用模块104是指利用大容量传输信道来同时传送多个低容量的用户信息以及开销信息的过程。

其中，扰码编码模块105用于，若信息码流中出现长连“0”或长连“1”的情况，将会给时钟信号的提取带来困难，加入扰码电路，达到“0”码和“1”码等概率出现。在实际的光纤通信系统中，除了需要传输主信号外，还需要实现一些其他的功能，如不间断业务的误码监测、区间通信联络、公务通信、监控等功能，因此需要在扰码以后信号的基础上增加一些信息冗余，即进行线路编码。

其中，驱动电路12，也称作调制电路，经过扰码以后的电信号通过调制电路对光源进行调制，让光源发出的光信号强度随着电信号码流的变化而变化。

其中，所述光发射机还包括光监测模块15和告警输出电路16；

进一步地，所述光监测模块15用于检测所述光源模块13输出的光信号，所述告警输出电路16电连接所述光监测模块15以用于对所述光源模块13的工作状态进行检测和报警。

其中，如图3所示，图3为本发明实施例提供的一种光发射机光源模块的结构示意图，所述光源模块13包括发光二极管111、引线113和透镜112；

其中，所述引线113用于连接所述发光二极管111的正负管脚与所述光源模块13的输入端；所述透镜112设置于所述发光二极管111的发光面上以用于会聚且传输所述光信号。

其中，所述发光二极管111为基于台阶结构的led，所述led包括：

单晶si衬底；

第一ge层，设置于所述单晶si衬底表面；

ge基台阶结构，设置于所述第一ge层表面的中心位置处；

正电极，设置于所述第一ge层的上表面并位于台阶结构两侧的位置处；

负电极，设置于所述台阶结构的上表面；

钝化层，设置于所述第一ge层及所述台阶结构的上表面。

其中，所述第一ge层包括ge籽晶层、ge主体层和第二ge层；其中，所述ge主体层设置于所述ge籽晶层上表面，所述第二ge层设置于所述ge主体层上表面。

其中，所述基于台阶结构的led发送的所述光源波长为1550nm。

实施例二

请参照图4，图4为本发明实施例提供的一种用于光发射机光源模块的发光二极管结构示意图；其中，所述发光二极管为基于台阶结构的led，包括：

单晶si衬底21；

第一ge层22，设置于所述单晶si衬底21表面；

ge基台阶结构23，设置于所述第一ge层22表面的中心位置处；

正电极24，设置于所述第一ge层22的上表面并位于台阶结构23两侧的位置处；

负电极25，设置于所述台阶结构23的上表面；

钝化层26，设置于所述第一ge层22及所述台阶结构23的上表面，以形成所述发光二极管20。

其中，所述第一ge层22包括晶化ge籽晶层、晶化ge主体层和第二ge层；其中，所述ge主体层设置于所述ge籽晶层上表面，所述第二ge层设置于所述ge主体层上表面。

优选地，所述晶化ge籽晶层的厚度为40～50nm；所述晶化ge主体层的厚度为150～250nm；所述第二ge层的厚度为400-450nm。

其中，所述晶化ge籽晶层和所述晶化ge主体层是经过lrc(激光再晶化)工艺晶化处理后形成的。

所述晶化处理包括：

步骤1、将包括所述单晶si衬底21、所述晶化ge籽晶层和所述晶化ge主体层的整个衬底材料加热至700℃；

步骤2、利用lrc工艺晶化所述整个衬底材料，其中，激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kw/cm²，激光移动速度为25mm/s；

步骤3、自然冷却所述整个衬底材料。

请进一步参见图5，图5为本发明实施例提供的一种lrc工艺方法示意图，lrc工艺即激光再晶化(laserre-crystallization，简称lrc)工艺是一种热致相变结晶的方法，通过激光热处理，使si衬底上ge外延层熔化再结晶，横向释放ge外延层的位错缺陷，不仅可获得高质量的ge外延层，同时，由于lrc工艺可精确控制晶化区域，一方面避免了常规工艺中si衬底与ge外延层之间的ge/si互扩问题，另一方面ge/si之间材料界面特性好。

其中，所述第一ge层22为p型，且掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3。

其中，所述ge基台阶结构23包括gesn层和第三ge层；其中，所述第三ge层设置于所述gesn层上表面。

优选地，所述gesn层的厚度为150～200nm。

优选地，所述第三ge层为n型，且厚度为40～60nm、掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。

优选地，所述正电极24和所述负电极25为cr或者au材料，且其厚度为150～200nm。

本发明通过连续激光辅助晶化ge/si虚衬底，可有效降低ge/si虚衬底的位错密度和表面粗糙度，可显著提高后续gesn外延层的质量，进而可显著提高发光器件的性能。

本发明的光发射机采用基于台阶结构的led作为发光二极管，可以显著提高光源的发光效率，并且可以代替激光二极管，降低光发射机的成本。

实施例三

请参见图6，图6为本发明实施例提供的另一种发光二极管的结构示意图。该发光二极管40包括单晶si衬底41、p型晶化ge层42、无掺杂的gesn层43、n型ge层44和金属电极45。

其中p型晶化ge层42包括：晶化ge籽晶层401、晶化ge主体层402和第一ge层403。

本发明实施例，利用lrc工艺具有解决现有工艺条件下ge外延层质量低的问题。同时，由于lrc工艺可精确控制晶化区域，可有效降低ge虚衬底的位错密度、表面粗糙度、界面缺陷，提升ge虚衬底的质量从而得到更高质量的gesn外延层，进而可显著提高发光器件的发光效率，提高光发射机的发光性能。

实施例四

请继续参照图7a-图7l，图7a-图7l为本发明实施例的一种用于光发射机光源模块的发光二极管的制备工艺示意图，该制备方法包括如下步骤：

s101、选取单晶si衬底001，如图5a所示；

s102、在275℃～325℃温度下，利用cvd工艺在单晶si衬底001上生长40～50nm的ge籽晶层002，如图5b所示；

优选地，ge籽晶层002的厚度为50nm；

s103、在500℃～600℃温度下，利用cvd工艺在ge籽晶层002表面生长150～250nm的ge主体层003，如图5c所示；

优选地，ge主体层003的厚度为200nm；

s104、利用cvd工艺在ge主体层003表面上淀积100～150nmsio2层004，如图5d所示；

优选地，sio2层004的厚度为120nm；

s105、将包括单晶si衬底001、ge籽晶层002、ge主体层003及sio2层004的整个衬底材料加热至700℃，连续采用lrc工艺晶化整个衬底材料，其中激光波长为808nm，激光光斑尺寸10mm×1mm，激光功率为1.5kw/cm²，激光移动速度为25mm/s，自然冷却整个衬底材料；

s106、利用干法刻蚀工艺刻蚀sio2层004，形成激光晶化后的ge层005，其中，ge层005代表激光晶化后的ge籽晶层002和ge主体层003的统称，如图5e所示；

s107、在温度300-400℃下，利用cvd工艺在lrc工艺晶化后的ge层005上生长400-450nm厚的ge层006，如图5f所示；

优选地，ge层006的厚度为450nm；

s108、利用离子注入工艺对ge层006和lrc工艺晶化后的ge层005进行掺杂，掺杂浓度为5×10¹⁸cm^-3，形成p型晶化ge层007(为了便于图示观看，将晶化后的ge层005以及晶化后生长的ge层006合称为p型晶化ge层007)，之后进行退火，如图5g所示；

s109、在h2氛围中将温度降到350℃以下，sncl4和geh4分别作为sn和ge源，掺sn组分达到8％。生长150～200nm厚的无掺杂的gesn层008，如图5h所示；

优选地，gesn层008的厚度为200nm；

s110、继之前相同温度下，继续淀积ge层。p掺杂浓度为1×10¹⁹cm^-3。用n2作为运载气体可以提高生长速率，1％的ph3作为p掺杂源。生长40～60nm厚的n型ge层结构009，如图5i所示；

优选地，ge层结构009厚度为50nm；

s112、室温下，使用hcl:h2o2:h2o＝1:1:20的化学溶剂，以稳定速率100nm/min进行台面刻蚀，刻蚀的深度控制在500nm，使p型晶化ge层007露出做金属接触，如图5j所示；

s111、采用等离子体增强化学气相淀积技术，淀积150～200nm厚的sio2钝化层010，隔离台面与外界电接触，用刻蚀工艺选择性刻蚀掉指定区域的sio2形成接触孔，如图5k所示；

优选地，sio2钝化层010的厚度为150nm；

s112、利用电子束蒸发工艺，淀积150～200nm厚的cr或au层011，利用刻蚀工艺刻选择性蚀掉指定区域的金属cr或au，采用化学机械抛光(cmp)进行平坦化处理，如图5l所示；

优选地，cr或au层011的厚度为150nm。

实施例五

请继续参照图8，图8为本发明实施例提供的一种光纤通信系统结构示意图；其中光纤通信系统结构包括：

光发射机51、合波器52、环形器53、光纤54、传感光信号发送器55、传感光信号接收解析器56。

传感光信号发送器55将传感光信号发送至合波器52，光发射机51将产生的光信号发送至合波器52，合波器52将所述传感光信号及所述光信号进行合波处理后发送至环形器53和光纤54。传感光信号在光纤54中向后散射，后向散射传感光信号经过环形器53的返回端口输入传感光信号接收解析器56，传感光信号接收解析器56接收散射返回的所述传感光信号并解析处理。

其中，传感光信号发送器55包括激光发送器和光驱动器。

其中，传感光信号接收解析器56包括光电转换器和数据采集处理器。

其中，光发射机51用于将电信号转换成光信号，在光线中传输信息；光发射机51转换的光信号波长为1550nm；光发射机51采用上述实施例提供的光发射机。

其中，合波器52采用波分复用合波器，将传感光信号和光发射机51产生的光信号进行合波，发送到环形器53；

其中，环形器53采用光纤54环形器53，用于将合波发送到光纤54中进行传输，并且接收光纤54中返回的后向散射的传感光信号，传输至传感光信号接收解析器56；

其中，激光发送器用于产生初始传感光信号，为波长1064nm、功率0-40mw的连续光信号；

其中，光驱动器，用于电光调制并进行驱动，将激光发送器产生的连续光信号调制成所需要的脉冲光信号；

其中，光电转换器，首先接收向后散射传感光信号，采用光纤54和透反式滤波片组合，将后向散射传感光信号中的瑞利散射光、斯托克斯散射光、反斯托克斯散射光等分离出来；其次，采用高灵敏度apd雪崩二极管来探测后向散射传感光信号，将后向散射传感光信号转换电信号；

其中，数据采集处理器采用高速数据采集芯片和高速fpga处理芯片，对转换的电信号进行分析和处理；

其中，分析结果可以保存并展示；

光发射机51将待发送信息的电信号转换成光信号，注入到光纤54中进行传输。光发射机51输出的光信号经过合波器52和环形器53后注入到光纤54中进行传输。传感光信号发送器55发送一定功率的连续光信号，通过调制驱动后经过合波器52的一个输入端口输入，被合波器52合波后经过环形器53的输入端口输入到光纤54中。光纤54中同时传输两个不同波长的光信号。传感光信号在光纤54中会产生后向散射光，后向散射传感光信号经过环形器53的返回端口输入到传感光信号接收解析器56，对后向散射光进行分光、滤波、光电转换、以及解析处理。根据不同的测量参数提取出瑞利、布里渊、拉曼等不同的后向散射光谱，利用光电探测原理转成电信号，采用高速数据采集芯片和高速fpga处理芯片，对转换的电信号进行分析和处理，得出相应的光纤传感数据。分析的结果数据可以在计算机中进行数据的显示和存储。

本发明的实施例在同一根光纤中同时实现了通信和传感，节约了光纤资源，大幅降低生产成本；本系统集成度高，可以将通信和传感装置高度集成，降低了系统的复杂程度，便于日常的安装于维护。

综上，本文中应用了具体个例对本发明一种光发射机以及光纤通信系统的结构及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制，本发明的保护范围应以所附的权利要求为准。