一种单模光纤双向光收发器的制作方法

本发明实施例属于光纤通信技术领域，尤其涉及一种单模光纤双向光收发器。

背景技术：

随着光纤通信技术的不断发展，各种光纤收发器件层出不穷，为光网络信号的传输带来了极大便利。

目前，传统的bosa组件(bi-directionalopticalsub-assembly，双向光收发组件)是集发射和接收于一体的光电转换器件，可实现光信号的双向传输功能，是目前光通信器件中的主要器件。双向光收发组件，通常包括激光器、光电调制器、光电检测器、跨阻放大器(tia)、光耦合器、波分复用/解复用器、滤波器等。其中，激光器、光电调制器、光电检测器、跨阻放大器(tia)普遍采用iii-v族(inp，gaas等)复合半导体工艺制作，与当前的硅半导体cmos(complementarymetaloxidesemiconductor，互补金属氧化物半导体)工艺不兼容，需要与光耦合器、波分复用/解复用器、滤波器等无源光学器件组装在一起构成bosa组件，才能应用于pon(passiveopticalnetwork，无源光纤网络)等光互连应用场景。此外，由于iii-v族复合半导体材料的产量低、制造成本高昂，增加了光收发模组的制造成本、功耗和复杂度，并限制了光收发模组的通道密度和集成度的进一步提升，这些问题阻碍了传统光互连技术在下一代数据中心、光纤入户和5g无线通信中的应用。

硅光子(siliconphotonics)技术，作为一种革命性的硅基光电子技术，解决了传统光互连系统存在的上述问题。基于硅光子技术的硅光芯片采用与传统硅基半导体cmos工艺兼容的制造工艺，实现了集成光路和集成电路的高度集成，基于硅光子技术的bosa组件，具有宽带宽、通道密度高、集成度高、功耗低、制造成本低的优点。

然而，由于硅具有很高的折射率，硅波导的截面尺寸远远小于光纤的截面，不利于在硅基波导与光纤之间实现较高的耦合效率，增加了光通信链路的信号损耗；此外，高对比度的硅基波导容易造成伪反射，其制造过程所引起的波导尺寸的不均匀性，也会引起硅基波导有效折射率的变化，并且环境温度变化也会对硅波导的波长选择性能造成一定的影响。这些硅基波导存在的问题导致硅基被动器件与主动器件之间的光耦合效率仍然难以满足实际商用光互连应用的要求。

技术实现要素：

本发明实施例提供一种单模光纤双向光收发器，其基于氮化硅工艺实现单模光纤双向光收发器所需的波分复用模块，并利用氮化硅波导实现与单模光纤和其他硅基主动器件的光耦合，进而解决了硅基波导用于实现光学耦合所存在的一系列问题。

本发明实施例提供一种单模光纤双向光收发器，其包括光发射模块、光接收模块、模斑变换结构和基于氮化硅工艺制作的波分复用模块；

所述光发射模块与所述波分复用模块的上行光信号发送端连接，所述波分复用模块的下行光信号接收端和光接收模块通过所述模斑变换结构耦合连接，所述波分复用模块的光纤连接端通过单模光纤连接光线路终端，所述光接收模块、所述波分复用模块和所述模斑变换结构通过硅光子技术集成在同一硅基片上，所述光发射模块复合集成在所述硅基片上；

所述光发射模块根据调制信号发出上行光信号至所述波分复用模块，所述波分复用模块通过所述单模光纤将所述上行光信号发送至所述光线路终端；

所述波分复用模块通过所述单模光纤接收所述光线路终端发送的下行光信号，所述光接收模块接收所述下行光信号并对所述下行光信号进行处理后输出。

在一个实施例中，所述模斑变换结构包括氮化硅波导、soi波导、缓冲层和硅衬底层；

所述氮化硅波导和所述soi波导在所述缓冲层的上表面相互耦合连接，所述缓冲层设置在所述硅衬底层的上表面，所述氮化硅波导的主截面和侧截面均为矩形，所述soi波导上靠近所述氮化硅波导的一端的主截面为锥形、侧截面为阶梯形，所述soi波导上远离所述氮化硅波导的一端的主截面和侧截面均为矩形，所述氮化硅波导的直径大于所述soi波导的直径。

在一个实施例中，所述氮化硅波导上远离所述soi波导的一端还包括氮化硅增厚层，所述氮化硅增厚层的主截面和侧截面均为矩形。

在一个实施例中，所述波分复用模块为光栅耦合器或者一分二的非对称多模干涉分波器。

在一个实施例中，所述非对称多模干涉分波器为基于氮化硅工艺制作的非对称马赫增德尔干涉仪。

在一个实施例中，还包括光隔离模块，所述光隔离模块连接在所述光发射模块和所述波分复用模块的上行光信号发送端之间，所述光隔离模块阻止所述光线路终端发送的下行光信号进入所述光发射模块。

在一个实施例中，所述光接收模块包括光电转换单元、放大单元和稳压单元；

所述光电转换单元连接在所述波分复用模块的下行光信号接收端和所述放大单元之间，所述稳压单元与所述光电转换单元连接；

所述稳压单元向所述光电转换单元输出恒定的工作电压信号，所述光电转换单元根据所述工作电压信号将所述下行光信号转换为电信号，所述放大单元对所述电信号进行放大后输出。

在一个实施例中，所述放大单元包括跨阻放大器和限幅放大器，所述跨阻放大器与所述光电转换单元连接，所述限幅放大器与所述跨阻放大器连接。

在一个实施例中，所述光发射模块包括激光驱动单元和激光发射单元；

所述激光发射单元连接在所述波分复用模块的上行光信号发送端和所述激光驱动单元之间，所述激光驱动单元通过硅光子技术或者3d内插器技术集成在所述硅基片上，所述激光发射模块焊接在所述硅基片上；

所述激光驱动单元根据调制信号发出驱动信号，所述激光发射单元根据所述驱动信号发出所述上行光信号。

在一个实施例中，所述激光发射模块包括电光调制驱动单元、激光发射单元和电光调制单元；

所述电光调制驱动单元和所述激光发射单元均与所述电光调制单元连接，所述电光调制单元与所述波分复用模块的上行光信号发送端连接，所述电光调制驱动单元通过硅光子技术或者3d-内插器技术集成在所述硅基片上，所述电光调制单元通过硅光子技术集成在所述硅基片上，所述激光发射模块焊接在所述硅基片上；

所述激光发射单元发射激光信号，所述电光调制驱动单元根据调制信号发出驱动信号，所述电光调制单元根据所述驱动信号对所述激光信号进行调制，得到所述上行光信号。

本发明实施例通过基于氮化硅工艺制作的波分复用模块，来实现光信号的波分复用和解复用，通过采用模斑变换结构，实现波分复用模块和光接收模块之间的有效耦合，波导尺寸均匀，可有效降低信号损耗、减少伪反射且对环境温度不敏感。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的一个实施例提供的单模光纤双向光收发器的结构示意图；

图2是本发明的一个实施例提供的模斑变换结构的侧截面示意图；

图3是本发明的一个实施例提供的模斑变换结构的主截面示意图；

图4是本发明的另一个实施例提供的单模光纤双向光收发器的结构示意图；

图5是本发明的再一个实施例提供的单模光纤双向光收发器的结构示意图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含一系列步骤或单元的过程、方法或系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

为了解决现有的基于硅光子技术的bosa组件所存在的问题，本发明实施例提供一种单模光纤双向光收发器，其主要应用于pon(passiveopticalnetwork，无源光纤网络)中。pon主要由光网络中心控制站的olt(opticallineterminal，光线路终端)、odn(opticaldistributionnetwork，光分配网)和用户端的onu(ontopticalnetworkunit，光网络单元)组成。本发明实施例所提供的单模光纤双向光收发器即使作为用户端的onu使用。

如图1所示，本发明的一个实施例提供一种单模光纤双向光收发器100，其包括光发射模块10、光接收模块20、模斑变换结构30和基于氮化硅(sin)工艺制作的波分复用模块40。

在具体应用中，光发射模块可以通过光信号的直接调制或间接调制原理来实现。例如，光发射模块可以由激光驱动器和激光器组成，通过光信号的直接调制原理实现，即激光驱动器输出调制信号直接作用于激光器上，实现对激光器发射的激光信号的调制；光发射模块还可以由电光调制驱动器、电光调制器和激光器组成，通过光信号的间接调制原理实现，即激光器输出激光信号后，再由电光调制驱动器驱动电光调制器输出调制信号对激光信号进行调制。

在具体应用中，光发射模块和光接收模块中的光学器件均采用硅光子技术集成，电学器件均采用3d内插器技术集成。

在具体应用中，波分复用模块可以为基于氮化硅工艺制作的光栅耦合器或者一分二的非对称多模干涉分波器。

在具体应用中，非对称多模干涉分波器具体可以为基于氮化硅工艺的非对称马赫增德尔干涉仪(mach–zehnderinterferometer)。

本实施例所提供的单模光纤双向光收发器100中各部件之间的连接关系为：

光发射模块10与波分复用模块40的上行光信号发送端连接，波分复用模块40的下行光信号接收端和光接收模块20通过模斑变换结构30耦合连接，波分复用模块40的光纤连接端通过单模光纤201连接光线路终端202，光接收模块20、波分复用模块40和模斑变换结构30通过硅光子技术集成在同一硅基片上，光发射模块10复合集成在硅基片上。

在具体应用中，复合集成具体是指同时包括光电集成技术和硅光子技术的复合集成技术。

在具体应用中，光线路终端具体是指设置在光网络中心控制站的具有光信号发送或接收功能光通信终端设备。

本实施例所提供的单模光纤双向光收发器100的工作原理为：

光发射模块10根据调制信号发出上行光信号至波分复用模块40，波分复用模块40通过单模光纤201将上行光信号发送至光线路终端202；

波分复用模块40通过单模光纤201接收光线路终端202发送的下行光信号，光接收模块20接收下行光信号并对下行光信号进行处理后输出。

在具体应用中，上行光信号和下行光信号的传输波长不同。

在一个实施例中，上行光信号的波长为1270纳米，下行光信号的波长为1577纳米，使得本实施例提供的单模光纤双向光收发器可以有效实现1.3微米和1.5微米波长的光信号的复用和解复用。

本实施例通过基于氮化硅工艺制作的波分复用模块，来实现光信号的波分复用和解复用，通过采用模斑变换结构，实现波分复用模块和光接收模块之间的有效耦合，波导尺寸均匀，可有效降低信号损耗、减少伪反射且对环境温度不敏感。

如图2和3所示，本发明的一个实施例示例性的示出了模斑变换结构30的具体结构示意图。

在具体应用中，模斑变换结构具体可以为模斑变换器(ssc，spotsizeconverter)，该模斑变换器可以采用任意的能够实现氮化硅波导和soi(silicon-on-insulator，即绝缘衬底上的硅)波导之间的有效耦合，减少信号损耗的结构，例如，楔形耦合结构或梯形耦合结构。

如图2和3所示，在本实施例中，模斑变换结构30包括基于氮化硅工艺制作的氮化硅波导31、soi波导32、缓冲层33和硅衬底层34。

在具体应用中，硅衬底层是由硅材料制作的硅基片，缓冲层是由二氧化硅材料制作的绝缘层。

图2示例性的示出了模斑变换结构30的侧截面示意图。如图2所示，本实施例中，氮化硅波导31和soi波导32在缓冲层33的上表面相互耦合连接，缓冲层33设置在硅衬底层34的上表面，氮化硅波导31的侧截面为矩形，soi波导32的侧截面为阶梯形，soi波导32上远离氮化硅波导的一端的侧截面为矩形，氮化硅波导31的直径大于soi波导32的直径。

图3示例性的示出了模斑变换结构30的主截面示意图。如图3所示，本实施例中，氮化硅波导31的主截面为矩形，soi波导32上靠近氮化硅波导31的一端的主截面为锥形，soi波导32上远离氮化硅波导31的一端的主截面为矩形。

在一个实施例中，氮化硅波导上远离soi波导的一端包括氮化硅增厚层。通过设置氮化硅增厚层可以改善氮化硅波导和soi波导之间的耦合效率，进一步降低传输损耗。

如图2和3所示，在本实施例中，氮化硅波导31上远离soi波导32的一端包括氮化硅增厚层311，氮化硅增厚层311的主截面和侧截面均为矩形。

在一个实施例中，soi波导上靠近氮化硅波导一端的最小横截面的直径小于80微米。如图3所示，该最小横截面的直径表示为w1。

在具体应用中，氮化硅波导或soi波导的横截面形状可以为任意形状，例如，矩形、圆形、椭圆形、正多边形等，本实施例中不对二者的横截面形状作特别限定。

本实施例通过提供一种由氮化硅波导和soi波导通过阶梯式锥形耦合方式构成的模斑变换结构，可以提高波分复用模块和光接收模块之间的耦合效率，减少伪反射，降低信号损耗。

如图4所示，在本发明的一个实施例中，光发射模块10包括激光驱动单元11和激光发射单元12，光接收模块20包括光电转换单元21、放大单元22和稳压单元23，波分复用模块40为基于氮化硅工艺的非对称马赫增德尔干涉仪，单模光纤双向光收发器100还包括光隔离模块50。

在具体应用中，激光驱动单元具体可以为采用硅光子技术或与硅半导体cmos工艺兼容的兼容工艺制成的激光驱动器，通过输出特定大小或恒定的电流信号来驱动激光器，激光驱动单元通过硅光子技术或者3d内插器(3dinterposer)技术集成在硅基片上。

在具体应用中，激光发射单元具体可以为激光器，例如，半导体激光器、红宝石激光器、氦氖激光器等。

在一个实施例中，激光发射模块为焊接在硅基片上的硅基激光器。该硅基激光器具体可以为分布式反馈激光器(dfb，distributedfeedbacklaser)。

在具体应用中，光电转换单元具体为采用硅光子技术制成的光电二极管，例如，雪崩式光电二极管(apd，avalanchephotodiode)或正向偏置的pin光电二极管。使用雪崩式光电二极管可以补偿由于光纤距离和多路分支所引起的链路损耗。

在具体应用中，稳压单元具体为低压差线性稳压器(ldo，lowdropoutregulator)。

在具体应用中，光隔离模块具体可以为采用硅光子技术制成的光隔离器。

本实施例中各部件之间的连接关系为：

激光发射单元12连接在波分复用模块40的上行光信号发送端和激光驱动单元11之间；

光电转换单元21连接在波分复用模块40的下行光信号接收端和放大单元22之间，稳压单元23与光电转换单元21连接；

光隔离模块50连接在光发射模块10和波分复用模块40的上行光信号发送端之间。

本实施例中各部件的工作原理为：

激光驱动单元11根据调制信号发出驱动信号，激光发射单元12根据驱动信号发出上行光信号；

稳压单元23向光电转换单元21输出恒定的工作电压信号，光电转换单元21根据工作电压信号将下行光信号转换为电信号，放大单元22对电信号进行放大后输出；

光隔离模块50阻止光线路终端202发送的下行光信号进入光发射模块10。

在具体应用中，驱动信号为电流信号。

如图5所示，在本发明的一个实施例中，图4中的光发射模块10可以等效替换为包括电光调制驱动单元14、激光发射单元12和电光调制单元13的结构，放大单元22包括跨阻放大器(tia，trans-impedanceamplifier)221和限幅放大器(la，limitingamplifier)222；其中，电光调制驱动单元14和激光发射单元12均与电光调制单元13连接，电光调制单元13与波分复用模块40的上行光信号发送端连接，跨阻放大器221与光电转换单元21连接，限幅放大器222与跨阻放大器221连接；激光发射单元12发射激光信号，电光调制驱动单元14根据调制信号发出驱动信号，电光调制单元13根据驱动信号对激光信号进行调制，得到上行光信号。

在具体应用中，跨阻放大器和限幅放大器采用硅光子技术或与硅半导体cmos工艺兼容的兼容工艺制成。

在具体应用中，电光调制单元具体可以为采用硅光子技术制成的电光调制器，例如，马赫增德尔调制器(mach-zehndermodulator)或电吸收调制器(eam，electroabsorptionmodulator)，电光调制单元通过硅光子技术集成在硅基片上。

在具体应用中，电光调制驱动单元具体可以为电光调制驱动器，用于发送驱动信号，驱动电光调制单元输出调制信号，电光调制驱动单元通过硅光子技术或者3d-内插器技术集成在硅基片上。

本实施例提供的单模光纤双向光收发器，通过基于氮化硅工艺制作的波分复用模块，来实现光信号的波分复用和解复用，通过采用模斑变换结构，实现波分复用模块和光接收模块之间的有效耦合，波导尺寸均匀，可有效降低信号损耗、减少伪反射且对环境温度不敏感；通过由氮化硅波导和soi波导通过阶梯式锥形耦合方式构成的模斑变换结构，可以提高波分复用模块和光接收模块之间的耦合效率，减少伪反射，降低信号损耗。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。