一种光接收组件及光模块的制作方法

1.本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光接收组件及光模块。


背景技术：

2.随着当今信息社会的不断发展，人们对光传输的容量和带宽的需求呈指数型增长，对大容量光互连的需求迅速增长。众所周知，波分复用(wdm)技术是用于提高光通信容量的有效手段，同时结合光子集成芯片技术，可有效减小器件的尺寸，提高系统的集成度。
3.在光接收组件中，光探测器的选择是影响响应度等性能的关键器件。传统面接收iii
‑
iv族的光探测器，或者gesi pd的响应度、暗电流性能难以满足更高速率下的高频带宽响应度要求，响应度、暗电流性能有比较明显的瓶颈。在高速率光模块中，通常选择具有高速响应的集成波导光探测器，集成波导光探测器具有如下优点：1、在设定波长处探测度高、响应速度快；2、具有的很高的3db带宽；3、具有较低的暗电流和噪声特性；4、易于和电路集成等优点。
4.随着硅光芯片的发展，集成波导光探测器也得以获得商用，通常在硅光芯片中单片集成波分复用/解复用器、调制器和高速光探测器、激光器等重要器件，可有效缩小光模块的体积，提高集成度。基于目前的技术，在光发射端，集成芯片上的波分复用(mux)有比较成熟的商用方案，但是在光接收端，集成芯片上的波分解复用(demux)方案还处于实验阶段，达不到商用水平，因此也限制了高速率的集成波导光探测器的商用。


技术实现要素：

5.本申请的目的在于提供一种光接收组件及光模块，响应速度快、带宽高、耦合损耗低，而且隔离度高、偏振相关损耗低、稳定性好。
6.为了实现上述目的之一，本申请提供了一种光接收组件，包括：
7.光子集成芯片，所述光子集成芯片上设有光探测器阵列、光波导阵列和耦合器阵列，所述耦合器阵列通过所述光波导阵列光连接所述光探测器阵列；
8.波分解复用器，所述波分解复用器包括自由空间设置的薄膜滤波片阵列，所述薄膜滤波片阵列的各滤波片分别对不同通道的光信号进行滤波；
9.耦合单元，所述耦合单元设于所述波分解复用器与所述光子集成芯片之间；
10.所述光接收组件接收的包含多个通道的复合光信号经所述波分解复用器解复用之后输出至所述耦合单元，所述耦合单元将所述波分解复用器输出的多路光信号耦合到所述光子集成芯片的耦合器阵列，所述耦合器阵列将多路光信号耦合到所述光波导阵列内，所述多路光信号经所述光波导阵列的各光波导分别入射到所述光探测器阵列的各光探测器上，由所述光探测器阵列转换成多路电信号输出。
11.作为实施方式的进一步改进，所述耦合器阵列的耦合器为端面耦合器，所述耦合单元包括聚焦透镜阵列或单个聚焦透镜。
12.作为实施方式的进一步改进，所述端面耦合器包括模斑变换器。
13.作为实施方式的进一步改进，所述耦合器阵列的耦合器为光栅耦合器或垂直耦合器，所述耦合单元包括反射式聚焦透镜阵列，或者所述耦合单元包括聚焦透镜阵列和反射棱镜的组合。
14.作为实施方式的进一步改进，所述耦合器阵列的耦合器为偏振不相关耦合器。
15.作为实施方式的进一步改进，所述耦合器阵列的耦合器为偏振相关耦合器，所述光接收组件还包括偏振处理单元；所述偏振处理单元将所述光接收组件接收的光信号转换成与所述偏振相关耦合器的偏振态相同的偏振光。
16.作为实施方式的进一步改进，所述偏振处理单元包括一个偏振分光器，所述偏振分光器位于所述波分解复用器之前的光路中，所述偏振分光器将所述光接收组件接收的信号光分成两路偏振态相互垂直的线偏振光之后再输入到所述波分解复用器内。
17.作为实施方式的进一步改进，所述波分解复用器的数量为两个，所述两路偏振态相互垂直的线偏振光分别入射到两个所述波分解复用器内；
18.或者，所述波分解复用器的数量为一个，所述两路偏振态相互垂直的线偏振光平行入射到所述波分解复用器的同一个输入端口，经所述波分解复用器解复用之后，从所述波分解复用器的各输出端口输出的各通道的光信号均分为两路偏振态相互垂直的线偏振光。
19.作为实施方式的进一步改进，所述偏振处理单元还包括偏振旋转器，所述偏振旋转器设于所述偏振分光器与所述波分解复用器之间的其中一路线偏振光的光路中，所述偏振旋转器改变所在光路的线偏振光的偏振方向，使所述线偏振光的偏振方向与另一路线偏振光的偏振方向一致。
20.作为实施方式的进一步改进，所述偏振处理单元包括偏振分光器阵列，所述偏振分光器阵列的各偏振分光器分别位于所述波分解复用器与所述光子集成芯片之间的各通道的光路中，所述偏振分光器阵列将各通道的信号光分别分成两路偏振态相互垂直的线偏振光之后再输入到所述光子集成芯片内。
21.作为实施方式的进一步改进，所述偏振处理单元还包括偏振旋转器阵列，所述偏振旋转器阵列的各偏振旋转器分别设于所述偏振分光器阵列与所述光子集成芯片之间的各通道的两路偏振态相互垂直的线偏振光的其中一路线偏振光的光路中，所述偏振旋转器改变所在光路的线偏振光的偏振方向，使所述线偏振光的偏振方向与另一路线偏振光的偏振方向一致。
22.本申请还提供了一种光模块，包括壳体和电路板，所述电路板封装于所述壳体内，所述光模块还包括上述任一实施例所述的光接收组件；所述光接收组件的所述光子集成芯片与所述电路板电连接。
23.本申请的有益效果：结合了传统自由空间的波分解复用器与光子集成芯片的优势，在提高光接收组件的响应度速度和带宽的同时，有效降低耦合损耗和偏振相关损耗，而且具有隔离度高、稳定性好和成本低等优点。
附图说明
24.图1为本申请实施例1的光接收组件结构示意图；
25.图2为本申请实施例2的光接收组件结构示意图；
26.图3为本申请实施例2中采用的耦合单元的一种结构示意图；
27.图4为本申请实施例2中采用的耦合单元的另一种结构示意图；
28.图5为本申请实施例2中光接收组件的一种变形结构示意图；
29.图6为本申请实施例3的光接收组件的简化结构示意图；
30.图7为本申请实施例4的光接收组件的简化结构示意图；
31.图8为本申请实施例5的光接收组件的简化结构示意图；
32.图9为本申请实施例6的光接收组件的简化结构示意图。
具体实施方式
33.以下将结合附图所示的具体实施方式对本申请进行详细描述。但这些实施方式并不限制本申请，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本申请的保护范围内。
34.在本申请的各个图示中，为了便于图示，结构或部分的某些尺寸会相对于其它结构或部分夸大，因此，仅用于图示本申请的主题的基本结构。
35.另外，本文使用的例如“上”、“上方”、“下”、“下方”等表示空间相对位置的术语是出于便于说明的目的来描述如附图中所示的一个单元或特征相对于另一个单元或特征的关系。空间相对位置的术语可以旨在包括设备在使用或工作中除了图中所示方位以外的不同方位。例如，如果将图中的设备翻转，则被描述为位于其他单元或特征“下方”或“之下”的单元将位于其他单元或特征“上方”。因此，示例性术语“下方”可以囊括上方和下方这两种方位。设备可以以其他方式被定向(旋转90度或其他朝向)，并相应地解释本文使用的与空间相关的描述语。当元件或层被称为在另一部件或层“上”、与另一部件或层“连接”时，其可以直接在该另一部件或层上、连接到该另一部件或层，或者可以存在中间元件或层。
36.实施例1
37.如图1所示，该实施例提供了一种光接收组件100，包括光子集成芯片110、耦合单元130和波分解复用器120。其中，光子集成芯片110上设有光探测器阵列111、光波导阵列112和耦合器阵列113，该耦合器阵列113通过光波导阵列112光连接光探测器阵列111。波分解复用器120包括自由空间设置的薄膜滤波片阵列121，薄膜滤波片阵列121的各薄膜滤波片分别对不同通道的光信号进行滤波。这里，波分解复用器120的薄膜滤波片阵列121依次设于一透光固定块122的一个端面上，该透光固定块122可以是玻璃长方体，或其它透光材料长方体，或者具有两个相互平行平面的几何块。在其它实施例中，薄膜滤波器片阵列也可以采用其它排列方式。耦合单元130位于波分解复用器120和光子集成芯片110之间，用于将波分解复用器120输出的多路光信号分别耦合到光子集成芯片110内的耦合器阵列113的各耦合器内。
38.该实施例中，上述光子集成芯片110内的耦合器阵列113的耦合器为端面耦合器，如模斑变换器等。上述耦合单元130采用的是聚焦透镜阵列或单个聚焦透镜，如凸透镜或平凸透镜等。光接收组件100接收的包含多个通道的复合光信号经波分解复用器120解复用之后输出多路光信号，多路光信号分别经耦合单元130的各聚焦透镜聚焦耦合到光子集成芯片110的耦合器阵列113的各耦合器内，通过耦合器阵列113耦合到光波导阵列112内，再经光波导阵列112的各光波导分别入射到光探测器阵列111的各光探测器上，由光探测器阵列
111转换成多路电信号输出。
39.该光接收组件结合了传统自由空间的波分解复用器与光子集成芯片的优势，利用了集成波导光探测器在设定波长处探测度高、响应速度快、具有的很高的3db带宽、较低的暗电流和噪声特性，以及易于和电路集成等优点，提高光接收组件的响应度速度和带宽的同时。同时采用传统自由空间的薄膜滤波的波分解复用器进行波分解复用，有效降低了耦合损耗和偏振相关损耗，而且具有隔离度高、稳定性好和成本低等优点
40.实施例2
41.如图2和3所示，该实施例的光接收组件200同样包括光子集成芯片210、耦合单元230和波分解复用器220。波分解复用器220包括自由空间设置的薄膜滤波片阵列221，薄膜滤波片阵列221依次设于一透光固定块222的一个端面上，薄膜滤波片阵列221的各薄膜滤波片分别对不同通道的光信号进行滤波。与实施例1不同的是，该实施例中，光子集成芯片210内的耦合器阵列213的各耦合器采用的是光栅耦合器，相应地，耦合单元230采用的是反射式聚焦透镜阵列。该实施例中，光栅耦合器的输入端口位于光子集成芯片210的上表面，所以耦合单元230采用如图3所示的反射式聚焦透镜阵列，包括反射凹面镜阵列231，通过反射凹面镜阵列231的各反射凹面镜将入射光反射聚焦到光栅耦合器的端口上。
42.这里，光栅耦合器采用的是二维光栅，如偏振分集光栅等，具有偏振无关特性，一个光栅耦合器分别通过两路光波导连接到同一个光探测器上。光接收组件200接收的任意偏振态的光信号经波分解复用器220解复用之后输出的各路光信号依然是任意偏振态的光，经耦合单元230耦合到各光栅耦合器之后，光栅耦合器将任意偏振态的光分成两路te模式的光分别经两路光波导传输到光探测器内，经光探测器转换成电信号输出。
43.该实施例中，耦合单元230也可以采用如图4所示的结构，包括聚焦透镜阵列232和反射棱镜233的组合。反射棱镜233具有倾斜反射面233a，常用的为45
°
反射面。波分解复用器输出的各路光信号分别经聚焦透镜阵列的各聚焦透镜聚焦，并经反射棱镜的倾斜反射面反射之后聚焦到耦合器阵列的各耦合器上。
44.如图5所示光接收组件200’，与图2不同的是，耦合器阵列213的各耦合器采用的是垂直耦合器，包括一倾斜反射面213a，将耦合单元230入射到耦合器内的光信号反射到光波导内。该垂直耦合器的输入端口同样位于光子集成芯片210的上表面，该实施例中，耦合单元230采用的是聚焦透镜阵列232和反射棱镜233的组合。垂直耦合器的倾斜反射面213a通常与反射棱镜233的倾斜反射面233a相互平行。在其它实施例中，也可以采用如图3所示的反射式聚焦透镜阵列。具体的，光子集成芯片210包括基板10、波导层20和覆盖层30，光探测器阵列211和光波导阵列212位于波导层20内，垂直耦合器的倾斜反射面213a位于光波导的端口处。耦合单元230聚焦反射到该垂直耦合器的倾斜反射面213a之后，经该倾斜反射面213a反射到光波导内，经光波导传输到光探测器上。这里，基板10可以是硅基板，也可以是绝缘体上硅(soi)结构的硅衬底和二氧化硅埋氧层，在其它实施例中，也可以是其它半导体材料的基板，如铌酸锂基板等。波导层20为硅波导，或绝缘体上硅结构的顶层硅。
45.实施例3
46.上述实施例1和2的光接收组件中，耦合器阵列采用的耦合器都是偏振不相关的耦合器，可以接收任意偏振态的光信号。该实施例的光接收组件300中，耦合器阵列313采用的是偏振相关的耦合器，光信号在入射到光子集成芯片310之前，需要进行偏振态处理，其简
化结构如图6所示。该光接收组件300包括光子集成芯片310、耦合单元330和波分解复用器320，还包括偏振处理单元。该实施例中，偏振处理单元包括一个偏振分光器340，该偏振分光器340位于波分解复用器320之前的光路中，用于将光接收组件300接收的信号光分成两路偏振态相互垂直的线偏振光之后再输入到波分解复用器320内。波分解复用器320同样采用传统的自由空间设置的薄膜滤波片技术，包括薄膜滤波片阵列321，薄膜滤波片阵列321的各薄膜滤波片分别对不同通道的光信号进行滤波。该实施例中，偏振分光器340采用的是偏振分光棱镜(pbs，polarization beam splitter)，在其它实施例中，偏振分光器也可以采用双折射晶体等其它偏振分光器件。
47.该实施例中，偏振相关的耦合器包括两个偏振相关的输入端口，如te输入端口和tm输入端口等，同一耦合器的两个偏振相关的输入端口分别通过两路光波导连接到同一光探测器上。当然，在其它实施例中，也可以采用偏振不相关的耦合器来替换该偏振相关耦合器。光接收组件300接收的任意偏振态的光信号经偏振分光器340分成两路偏振态相互垂直的线偏振光，如te波(s光)和tm波(p光)，两路线偏振光入射到波分解复用器320内，波分解复用器320将两路线偏振光分别解复用输出。解复用后的各通道光均包括两路偏振态相互垂直的线偏振光：te波和tm波，同一通道的两路偏振态相互垂直的线偏振光通过耦合单元330分别耦合到同一个耦合器的两个偏振相关的输入端口内，经两路光波导传输到同一光探测器上，经光探测器转换成电信号输出。
48.该实施例中，光接收组件300的光路中只有一个波分解复用器，偏振分光器340输出的两路偏振态相互垂直的线偏振光平行入射到同一波分解复用器320的同一个输入端口，经波分解复用器320解复用之后，从波分解复用器320的各输出端口输出的各通道的光信号均分为两路偏振态相互垂直的线偏振光。即波分解复用器320的输入端口和各输出端口(薄膜滤波片)的孔径较大，可以同时传输同一通道内的两路偏振态相互垂直的线偏振光。在其它实施例中，也可以采用两个波分解复用器，分别用于两路偏振态相互垂直的线偏振光的解复用。即偏振分光器输出的两路偏振态相互垂直的线偏振光分别入射到两个波分解复用器内，分别经对应的波分解复用器解复用之后输出。
49.实施例4
50.如图7所示，与实施例3不同的是，该实施例的光接收组件400在实施例3的基础上增加了一个偏振旋转器450，即偏振处理单元包括一个偏振分光器440和一个偏振旋转器450。该偏振旋转器450设于偏振分光器440与波分解复用器420之间的其中一路线偏振光的光路中，用于改变其所在光路的线偏振光的偏振方向，使该路光信号的线偏振光的偏振方向与另一路线偏振光的偏振方向一致。该实施例中，在偏振分光器440输出的tm波的光路中增加了偏振旋转器450，将该路光信号的偏振方向旋转90
°
，变成te波之后输入到波分解复用器420内，与另一路线偏振的偏振态相同。之后，两路相同偏振态的线偏振光分别经波分解复用器420解复用之后，经耦合单元430分别耦合到光子集成芯片410内的耦合器阵列413内。这里，耦合器阵列413的各耦合均包括两个te输入端口。因为光子集成芯片410内的光波导通常采用te模式进行传输，所以在耦合到光子集成芯片410之前，先将光的偏振态转换成与te模式匹配的状态，再入射到光子集成芯片410内，在光子集成芯片410内就无需再专门设计tm模式到te模式的转换，进一步降低了偏振相关损耗。
51.实施例5
52.如图8所示，该实施例的光接收组件500包括光子集成芯片510、耦合单元530和波分解复用器520，还包括偏振处理单元。该实施例中，偏振处理单元包括偏振分光器阵列540。与实施例3不同的是，该实施例中，将偏振分光器阵列540的各偏振分光器分别设在波分解复用器520与光子集成芯片510之间的各通道的光路上，用于将各通道的信号光分别分成两路偏振态相互垂直的线偏振光之后再输入到光子集成芯片510内。
53.该实施例中，偏振分光器阵列540位于波分解复用器520与耦合单元530之间。偏振相关的耦合器包括两个偏振相关的输入端口，如te输入端口和tm输入端口等，同一耦合器的两个偏振相关的输入端口分别通过两路光波导连接到同一光探测器上。光接收组件500接收的任意偏振态的光信号经波分解复用器520解复用之后输出多路任意偏振态的光信号，各路任意偏振态的光信号分别经偏振分光器阵列540的各偏振分光器分成两路偏振态相互垂直的线偏振光，如te波(s光)和tm波(p光)。同一通道的两路偏振态相互垂直的线偏振光通过耦合单元530分别耦合到同一个耦合器的两个偏振相关的输入端口内，经两路光波导传输到同一光探测器上，经光探测器转换成电信号输出。
54.实施例6
55.如图9所示，该实施例的光接收组件在实施例5的基础上增加了偏振旋转器阵列650，即偏振处理单元包括偏振分光器阵列640和偏振旋转器阵列650。该偏振旋转器阵列650的各偏振旋转器分别设于偏振分光器阵列640与光子集成芯片610之间的各通道的两路偏振态相互垂直的线偏振光的其中一路线偏振光的光路中，用于改变其所在光路的线偏振光的偏振方向，使该路光信号的线偏振光的偏振方向与另一路线偏振光的偏振方向一致。该实施例中，在各偏振分光器输出的tm波的光路中增加了偏振旋转器，将tm波的光信号的偏振方向旋转90
°
，变成te波之后再经耦合单元630分别耦合到光子集成芯片610内的耦合器阵列613内。这里，耦合器阵列613的各耦合均包括两个te输入端口。
56.光接收组件600接收的任意偏振态的光信号经波分解复用器620解复用之后输出多路任意偏振态的光信号，各路任意偏振态的光信号分别经偏振分光器阵列640的各偏振分光器分成两路偏振态相互垂直的线偏振光，如te波(s光)和tm波(p光)。其中，各通道的tm波分别经偏振旋转器阵列650的各偏振旋转器旋转偏振方向之后转换成te波，与原先的te波一起再经耦合单元630分别耦合到光子集成芯片610内的耦合器阵列613内。
57.在光子集成芯片内的光波导通常采用te模式进行传输，所以在耦合到光子集成芯片之前，先将光的偏振态转换成于te模式匹配的状态，再入射到光子集成芯片内，在光子集成芯片内就无需再专门设计tm模式到te模式的转换，进一步降低了偏振相关损耗。
58.实施例7
59.该实施例提供了一种光模块，包括壳体、电路板和光接收组件，电路板和光接收组件封装于壳体内。其中，光接收组件采用的上述实施例1
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6中的任一实施例的光接收组件，光接收组件的光子集成芯片与电路板电连接。光模块接收的光信号经光接收组件的波分解复用器解复用之后耦合到光子集成芯片内，经光子集成芯片的光探测器转换为电信号之后传输到电路板上，经过电路板处理之后由光模块的电接口输出。
60.上述各实施例的图示均以四通道的波分解复用器为例进行解释说明，在其它实施例中，也可以用于其它数量的通道的光信号的波分解复用，如八通道等。
61.上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本申请的可行性实施方式的具体说
明，它们并非用以限制本申请的保护范围，凡未脱离本申请技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本申请的保护范围之内。