专利名称：一种平面集成单纤三向光信号处理芯片器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光电子器件，特别是涉及一种平面集成单纤三向光信号处理芯片器件。
背景技术：
随着人们对网络带宽的要求越来越大(如IPTV、VOIP等等)，光纤到户(FTTH)接入技术作为未来最终的、一劳永逸的解决方案，已经得到广泛的应用和认可，TRIPLAY，即数字、声音和电视图像(VIDEO)在同一光纤上传输已经逐渐成为FTTH发展的亮点和主流。
但FTTH要得到普及，一定要降低成本，而作为接入用户端的关键器件的单纤三向光处理器件(triplexer)，它的成本的降低和高的性能价格比是降低成本的关键一环。光纤到户的应用涉及到三个信号，它们分别是用户向网络输出的数字信号，比如说发送电子邮件和图片等，和用户从网络接收下载的数字信号，比如说接收电子邮件和图片等，和模拟信号用来接收电视节目。这三组信号经电光转换后分别由三个波长不同的光来承载，即1310nm波长的光为用户输出的数字信号，1490nm为用户下载的数字信号，1550nm为用户下载的模拟信号。单纤三向光处理器件实际上是处理这三个不同波长的光信号的中心处里器。
现有常用的单纤三向光处理器件由无源分波/合波虑光片，激光器，探测器和一个经过精密机械加工的金属壳体组装而成，其主要缺点是1、由于器件对无源分波/合波滤光片，激光器，探测器以及器件封装壳体的指标要求很高，比如隔离度，PDL等技术指标要求相当的高，使组装的工艺要求也变得非常高，导致价格比较昂贵。2、无源分波/合波虑光片，激光器，探测器集成在一起以后，由于上行和下行信号会产生串扰，不同波长光之间的光串扰，这些串扰对器件的最终性能也会带来严重的影响。3、激光器和两路探测器要同时和一根光纤进行耦合，器件之间会互相干涉，导致指标和成品率降低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提供一种成本低，制作工艺简单的平面集成单纤三向光信号处理芯片器件。
上述目的可通过以下的技术措施来实现包括用于产生输出波长λ1的外腔激光器、一个用于输出波长λ1光信号改向的Y形光栅辅助耦合器、一个用于分离两个不同输入波长λ2、λ3光波信号的Y形光栅辅助耦合器、数字信号接收器、模拟信号接收器和用于外接网络的输入/输出端口，各组成部件之间由波导连接，外腔激光器产生的光波经输出光波信号光栅辅助耦合器的一个单模臂反射到另一个单模臂输出，两个同向行进不同波长的输入光波信号通过输出光波信号的光栅辅助耦合器，经分离光波信号的光栅辅助耦合器分离输入到相应的接收器。
所述Y形光栅辅助耦合器的两个臂为截面大小不同的单模波导，耦合区为支持两个臂上模式的双模波导，在耦合区写有用于将从一个臂输入的设定波长发射改向到另一个臂输出的倾斜反射光栅。
所述外腔激光器由波导反射光栅和集成在硅基波导片上的增益芯片构成，增益芯片的一端镀有反射率近于100％的高反射膜，另一端镀有反射率近于0％的抗反射膜，波导反射光栅写在靠近镀有抗反射膜的一端的波导里，这样波导反射光栅和增益芯片高反射膜构成了外腔激光器的谐振腔而形成激光。
所述外腔激光器中波导反射光栅的反射带中心波长和增益芯片的增益带中心波长都为1310nm。
所述外腔激光器的光输出口连接功率监测二极管，使外腔激光器恒定输出。
所述光波导为生长在硅晶片上的掺锗二氧化硅(SiO2:Ge)的平面光隧道波导。
包括用于产生1310nm波长的外腔激光器、一个用于输出1310nm光波信号的Y形光栅辅助耦合器、一个用于分离1490nm和1550nm输入光波信号的Y形光栅辅助耦合器、数字信号接收器、模拟信号接收器和用于连接外接网络的输入/输出端口，外腔激光器的光输出口经对应模式的光波导耦合连接到输出光波信号的Y形光栅辅助耦合器上的一个单模臂，其另一个单模臂经对应模式的光波导耦合连接到输入/输出端口，输出光波信号的光栅辅助耦合器的双模耦合区经光波导连接到分离光波信号的光栅辅助耦合器上的一个单模臂，分离光波信号的光栅辅助耦合器的另一个单模臂和双模耦合区经各自对应模式的光波导与相应的信号接收器连接；外腔激光器产生的1310nm光波经输出光波信号光栅辅助耦合器的一个单模臂反射到另一个单模臂输出，1490nm和1550nm同向行进的输入光波信号通过输出光波信号的光栅辅助耦合器，经分离光波信号的光栅辅助耦合器分离输入到相应的接收器。
所述数字信号接收器的接收口与其耦合连接的光波导之间插接通带滤光器或数字信号接收器的接收口镀设通带滤光膜，以防止信号串扰。
由于本发明所组成的各个部件及器件整体都可以采用半导体电子芯片的现成生产工艺来进行大规模生产，因此具有全自动化，高量产，成本低，成品率高，制作工艺成熟简单，适合大规模生产。
图1为本发明的连接原理示意图；图2为本发明中外腔激光器的原理示意图；图3为用于输出1310nm光波信号的Y形光栅辅助耦合器的原理示意图；图4为用于分离1490nm和1550nm光波信号的Y形光栅辅助耦合器的原理示意图。
具体实施例方式
如图1所示，包括用于产生1310nm波长的外腔激光器、一个用于输出1310nm输出光波信号改向的Y形光栅辅助耦合器1、一个用于分离1490nm和1550nm输入光波信号的Y形光栅辅助耦合器2、数字信号接收器、模拟信号接收器和用于外接网络的输入/输出端口，外腔激光器的光输出口经对应模式的光波导耦合连接到输出光波信号的Y形光栅辅助耦合器上的一个单模臂，其另一个单模臂经对应模式的光波导耦合连接到输入/输出端口，输出光波信号的光栅辅助耦合器的双模耦合区经光波导连接到分离光波信号的光栅辅助耦合器上的一个单模臂，分离光波信号的光栅辅助耦合器的另一个单模臂和双模耦合区经各自对应模式的光波导与相应的信号接收器连接。上述光波导可以是生长在硅晶片上的掺锗二氧化硅(SiO2:Ge)隧道波导，信号接收器中的二极管和增益芯片是以磷化铟(InP)材料为基础。外腔激光器是用来产生131Onm波长传输用户输出信号，该1310nm波长输出信号由输出光波信号光栅辅助耦合器从一个单模臂反射到另一个单模臂输出，经平面光隧道波导传送到输入输出口。分离光波信号的光栅辅助耦合器将下载后同向行进的1490nm的数字信号和1550nm模拟信号分开，分开的1490nm的数字信号和1550nm模拟信号经平面光隧道波导分别送到数字信号接收器和模拟信号接收器。
如图2所示，外腔激光器由波导反射布拉格光栅3、增益芯片和功率监测二极管构成，增益芯片(Gain chip)的增益带的中心波长在13010nm附近，增益芯片可以通过端面对端面(Butt coupling)的方式集成到硅基波导片上，以便使增益芯片发出的光直接耦合到波导中。增益芯片的两端都镀有膜，远离波导的一端为反射率近于已于100％的高反射膜，而面对波导的一端为反射率近于0％的抗反射膜。在靠近增益芯片的镀有抗反射膜的一端的波导中写入了反射中心在1310nm的反射布拉格(Bragg)光栅，光栅的适当的反射率使得光栅波导加上增益芯片构成了波长为1310nm的外腔激光器，在外腔激光器的光输出口连接功率监测二极管，使外腔激光器恒定输出。由于硅基SiO2波导的较低的折射率温度系数，这一激光器的波长具有杰出的温度工作稳定性，使得激光器的波长既使在-40℃～85℃的很宽的器件使用温度范围内也变化很小，给波长的分离等带来方便。
Y形光栅辅助耦合器的两个臂为截面大小不同的单模波导，耦合区为支持两个臂上模式的双模波导，在耦合区写有用于将设定波长从一个臂反射改向到另一个臂的的倾斜反射光栅。如图3所示，用于输出1310nm光波信号的Y形光栅辅助耦合器，工作过程如下耦合区的波导支持两个波导模，其中一个模与波导臂4的基本模相似，另外一个与波导臂5的基本模相似，两个波导臂截面大小不同。当由波导臂4所支持的光模式经该臂入射到光栅辅助耦合器上，耦合器中的倾斜光栅6所引入的微扰将前向行进的模逐渐转换为后向行进的模，这一转换具有严格的波长选择性，即只能对一定的波长进行，波长是由光栅的周期来决定。由于是反射光栅，通过控制光栅的长度或折射率的变化这一转换的效率可达100％。在图3中假定波长为1310nm的光以波导臂4的前行模入射到光辅助耦合器上，由于光辅助耦合器的严格波长选择性，波长为1310nm的光被反射回来，同时模式由波导臂4的前行模变为波导臂5的后行模，然后经波导臂5耦合出去。
本发明所涉及的三个波长为1310nm(用于发射数字信号)、1490nm(用于接收数字信号)和1550nm(用于接收模拟信号)。1310nm数字信号的输出，由外腔激光器和光栅辅助耦合器来实现。用于输出1310nm光波信号的Y形光栅辅助耦合器的功能是将波长在1310nm的光由入射臂反射到另一个臂，将1310nm外腔激光器的用户信号发射到出入口，然后经单模光纤进入网络。
由网络来的1490nm光波数字信号和1550nm光波模拟信号经单模光纤入射到输入/输出口上，由于用于输出1310nm光波信号的光栅辅助耦合器的波长选择性，这两个信号均感受不到光栅的干扰，而以不变的模式行进通过1310nm光栅辅助耦合器，1490nm和1550nm信号进入分离光栅辅助耦合器，该分离光栅辅助耦合器中光栅9的选择波长为1490nm。由于光栅的严格波长选择性，1550nm的模拟信号感受不到光栅的干扰而入射到模拟接收器上，而1490nm信号则以类似上述1310nm操作的原理而由光栅辅助耦合器反射到数字接收器上，见图4，波长为λ2、λ3的光以波导臂7的基模入射到光辅助耦合器上，由于光辅助耦合器的严格波长选择性，波长λ2的光(即1490nm)被反射回来，同时模式由波导臂7的基模变为波导臂8的基模，而其它波长(比如1550nm)则不受干扰经过光栅辅助耦合器。1490nm信号的波长范围为1490±10nm，因此光栅辅助器的反射带宽要求为20nm，这一宽度是可以在工艺制造中通过啁啾(chirp)来实现的。
由于光栅辅助耦合器的反射率可达100％，而且由于很大的波长间距，1310nm激光信号到数字和摸拟信号接收器的串音很小。同样由于近于100％的光栅辅助耦合器的反射率和相对弱的数字信号，1550nm模拟信号中1490nm的串音几率很小。对于1490nm的数字信号，尽管它比较弱，对于1310nm和1550nm信号的隔离可通过一附加薄膜滤光器10来实现。采用的薄膜滤光器为通带滤光器(Bandpass filter)，它可以将1490nm±10nm通过带以外的其它波长的光拒绝掉，进而降低1310nm和1550nm信号在1490nm处的串音。通带滤光器可以一个分立的元件组装，插接到数字信号接收器的接收口与其耦合连接的光波导之间；也可通过在数字信号接收器的接收口镀通带滤光膜，来防止信号的串扰。
权利要求
1.一种平面集成单纤三向光信号处理芯片器件，其特征在于包括用于产生输出波长λ1的外腔激光器、一个用于输出波长λ1光信号改向的Y形光栅辅助耦合器、一个用于分离两个不同输入波长λ2、λ3光波信号的Y形光栅辅助耦合器、数字信号接收器、模拟信号接收器和用于外接网络的输入/输出端口，各组成部件之间由波导连接，外腔激光器产生的光波经输出光波信号光栅辅助耦合器的一个单模臂反射到另一个单模臂输出，两个同向行进不同波长的输入光波信号通过输出光波信号的光栅辅助耦合器，经分离光波信号的光栅辅助耦合器分离输入到相应的接收器。
2.根据权利要求1所述的平面集成单纤三向光信号处理芯片器件，其特征在于所述Y形光栅辅助耦合器的两个臂为截面大小不同的单模波导，耦合区为支持两个臂上模式的双模波导，在耦合区写有用于将从一个臂输入的设定波长发射改向到另一个臂输出的倾斜反射光栅。
3.根据权利要求1所述的平面集成单纤三向光信号处理芯片器件，其特征在于所述外腔激光器由波导反射光栅和集成在硅基波导片上的增益芯片构成，增益芯片的一端镀有反射率近于100％的高反射膜，另一端镀有反射率近于0％的抗反射膜，波导反射光栅写在靠近镀有抗反射膜的一端的波导里。
4.根据权利要求1或3所述的平面集成单纤三向光信号处理芯片器件，其特征在于所述外腔激光器中波导反射光栅的反射带中心波长和增益芯片的增益带中心波长都为1310nm。
5.根据权利要求4所述的平面集成单纤三向光信号处理芯片器件，其特征在于所述外腔激光器的光输出口连接功率监测二极管，使外腔激光器恒定输出。
6.根据权利要求1或2或3所述的平面集成单纤三向光信号处理芯片器件，其特征在于所述波导为生长在硅晶片上的掺锗二氧化硅的平面光隧道波导。
7.根据权利要求1所述的平面集成单纤三向光信号处理芯片器件，其特征在于包括用于产生1310nm波长的外腔激光器、一个用于输出1310nm光波信号的Y形光栅辅助耦合器、一个用于分离1490nm和1550nm输入光波信号的Y形光栅辅助耦合器、数字信号接收器、模拟信号接收器和用于连接外接网络的输入/输出端口，外腔激光器的光输出口经对应模式的光波导耦合连接到输出光波信号的Y形光栅辅助耦合器上的一个单模臂，其另一个单模臂经对应模式的光波导耦合连接到输入/输出端口，输出光波信号的光栅辅助耦合器的双模耦合区经光波导连接到分离光波信号的光栅辅助耦合器上的一个单模臂，分离光波信号的光栅辅助耦合器的另一个单模臂和双模耦合区经各自对应模式的光波导与相应的信号接收器连接；外腔激光器产生的1310nm光波经输出光波信号光栅辅助耦合器的一个单模臂反射到另一个单模臂输出，1490nm和1550nm同向行进的输入光波信号通过输出光波信号的光栅辅助耦合器，经分离光波信号的光栅辅助耦合器分离输入到相应的接收器。
8.根据权利要求1或7所述的平面集成单纤三向光信号处理芯片器件，其特征在于所述数字信号接收器的接收口与其耦合连接的光波导之间插接通带滤光器或数字信号接收器的接收口镀设通带滤光膜。
全文摘要
本发明公开了一种平面集成单纤三向光信号处理芯片器件，包括外腔激光器、用于输出波长λ
文档编号G02B6/42GK1719754SQ200510035770
公开日2006年1月11日 申请日期2005年7月14日 优先权日2005年7月14日
发明者李若林 申请人:四川飞阳科技有限公司