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光收發(fā)一體裝置
閱讀：1036發(fā)布：2020-07-07
專利匯可以提供光收發(fā)一體裝置專利檢索，專利查詢，專利分析的服務(wù)。并且本 發(fā)明 公開了一種光收發(fā)一體裝置，包括光 信號 接口 單元、 激光器 、光檢測器或 雪 崩光電 二極管 及濾波元件，其中，還包括： 硅 層；所述濾波元件與所述 光信號 接口單元附著在所述硅層的不同表面，所述激光器附著在所述濾波元件上，所述光檢測器或雪崩 光電二極管 附著在所述硅層上，位于與所述濾波元件所在的表面不同的表面上；所述光信號接口單元、濾波元件及光檢測器或 雪崩光電二極管 之間通過所述硅層傳輸光信號。通過硅層實現(xiàn)了光的自由空間處理，相對于空氣傳輸，整個模 塊 的耦合與對準以及封裝都可以有一個平臺即硅層，如通過在硅層平臺上做標記來倒封裝PD/APD，還可以很方便在硅層平臺上集成 電路 部分如LD等等，節(jié)約了成本。，下面是光收發(fā)一體裝置專利的具體信息內(nèi)容。
1.一種光收發(fā)一體裝置，包括光信號接口單元、激光器、光檢測器及濾波元件，其特征在于，還包括：硅層；
所述濾波元件與所述光信號接口單元附著在所述硅層的不同表面，所述激光器附著在所述濾波元件上，所述光檢測器附著在所述硅層上，位于與所述濾波元件所在的表面不同的表面上；
所述光信號接口單元、濾波元件及光檢測器之間通過所述硅層傳輸光信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收發(fā)一體裝置，其特征在于，所述光信號接口單元、光檢測器附著在所述硅層的同一側(cè)表面，所述濾波元件附著在與所述光信號接口單元、光檢測器相對的側(cè)表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光收發(fā)一體裝置，其特征在于，所述硅層中集成有所述光收發(fā)一體裝置的電路芯片。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的光收發(fā)一體裝置，其特征在于，所述光信號接口單元、濾波元件及光檢測器位于同一水平面內(nèi)，使得所述硅層中的光信號的傳輸路徑與所述硅層的上下表面平行。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4任一項所述的光收發(fā)一體裝置，其特征在于，所述硅層的下表面依次設(shè)置有絕緣層和硅襯底。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收發(fā)一體裝置，其特征在于，所述光信號接口單元、光檢測器附著在所述硅層的同一水平表面，所述濾波元件附著在與所述光信號接口單元、光檢測器相對的水平表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光收發(fā)一體裝置，其特征在于，所述硅層的表面設(shè)置有凹陷的斜面，所述濾波元件附著在所述斜面上；所述光檢測器附著在所述硅層上，位于與所述斜面相對的一個表面，所述光信號接口單元附著在所述硅層上，位于與所述斜面相對的另一個表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的光收發(fā)一體裝置，其特征在于，所述光檢測器位于所述硅層表面上，位于所述濾波元件的水平或垂直投影處。
9.根據(jù)權(quán)利要求7或8所述的光收發(fā)一體裝置，其特征在于，所述光信號接口單元位于所述硅層表面上所述濾波元件的水平或垂直投影處。
10.根據(jù)權(quán)利要求2-4、6-8任一項所述的光收發(fā)一體裝置，其特征在于，還包括：反射元件，所述光檢測器通過所述反射元件附著在所述硅層的表面。
光收發(fā)一體裝置
技術(shù)領(lǐng)域
[0002] “光進銅退”已經(jīng)成為寬帶接入發(fā)展趨勢，但是由于光接入終端成本相對較高，限制了光接入的發(fā)展。
[0003] 光接入終端包括光收發(fā)一體裝置即光模塊，光收發(fā)一體裝置包括激光器(Laser Diode，LD)、光檢測器(Photodiode Detector，PD)/雪崩光電二極管(Avalanche Photodiodes，APD)、模斑轉(zhuǎn)換器(Spot-Size Converter，SSC)、波分復(fù)用(Wave Division Multiplexing，WDM)濾波器、激光驅(qū)動器(Laser Diode Driver，LDD)、跨阻放大器(Transimpedance amplifier，TIA)、限幅放大器(Limiting Amplifier，LA)和/或APD偏壓、波導(dǎo)等。其中，LD、光檢測器或雪崩光電二極管(PD/APD)、SSC、WDM濾波器、波導(dǎo)等為分立光元件，LDD、TIA、LA和/或APD偏壓等屬于電路部分。
[0004] 現(xiàn)有技術(shù)中，用于光纖到戶(Fiber To The Home，F(xiàn)TTH)的光收發(fā)一體裝置普遍采用雙向光組件(Bi-directional Optical Sub Assembly，BOSA)加印制電路板總成(Printed Circuit Board+Assembly，PCBA)的結(jié)構(gòu)，分立光元件與電路部分各自獨立裝配。各分立光元件在有光源的情況下對準后，通過一外殼固定，以保證各分立光元件的相對位置保持不變。電路部分則另外裝配。
[0005] 在實現(xiàn)本發(fā)明的過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)至少存在以下的缺點：現(xiàn)有技術(shù)中采用的光收發(fā)一體裝置，由于各分立光元件是相對獨立的，要保證分立光元件之間的相對位置滿足光信號的發(fā)射和接收，因此需要多次有源對 準，導(dǎo)致生產(chǎn)工藝復(fù)雜，實現(xiàn)成本較高。
發(fā)明內(nèi)容
[0006] 本發(fā)明實施例提供一種光收發(fā)一體裝置，用以解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的光收發(fā)一體裝置需要多次有源對準，導(dǎo)致生產(chǎn)工藝復(fù)雜，實現(xiàn)成本較高的問題。
[0008] 所述濾波元件與所述光信號接口單元附著在所述硅層的不同表面，所述激光器附著在所述濾波元件上，所述光檢測器附著在所述硅層上，位于與所述濾波元件所在的表面不同的表面上；
[0009] 所述光信號接口單元、濾波元件及光檢測器之間通過所述硅層傳輸光信號。 [0010] 本發(fā)明實施例提供的光收發(fā)一體裝置利用硅材料對1100nm以上光波的透明特性，通過將光信號接口單元、激光器、光檢測器如雪崩光電二極管（PD/APD）、濾波元件及反射元件等分立元件設(shè)置在硅層的不同表面，實現(xiàn)了硅層作為光的自由空間的混合集成，且光在硅層中的傳輸路為V形光路，減少了光的串?dāng)_、損失以及光在硅層中的傳輸時間，并且相對于空氣傳輸，整個模塊的耦合與對準以及封裝都可以有一個平臺即硅層，如通過在硅層平臺上做標記來倒封裝PD/APD，避免了多次有源對準，還可以很方便在硅層平臺上集成電路部分如LD等等，從而降低了模塊耦合、封裝材料。
[0012] 圖1A為本發(fā)明實施例一提供的光收發(fā)一體裝置的俯視結(jié)構(gòu)示意圖； [0013] 圖1B為圖1A所示光收發(fā)一體裝置的立體圖；
[0014] 圖2為本發(fā)明實施例二提供的光收發(fā)一體裝置的俯視結(jié)構(gòu)示意圖； [0015] 圖3為本發(fā)明實施例三提供的光收發(fā)一體裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖4本發(fā)明實施例四提供的光收發(fā)一體裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖5A為本發(fā)明實施例五提供的光收發(fā)一體裝置的側(cè)視圖；
[0018] 圖5B為圖5A所示光收發(fā)一體裝置中SOI的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖6為本發(fā)明實施例六提供的光收發(fā)一體裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
[0020] 為使本發(fā)明實施例的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。 [0021] 本發(fā)明實施例利用硅(Si)材料相對于1100nm以上光波長的透明特性，采用硅層自由空間或者絕緣襯底上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)上層硅自由空間的做法傳輸光信號?？蛇x地，將光收發(fā)一體裝置上的其它電路芯片集成于該硅層上，LD和PD采用混合集成，獲得V型光路，使得發(fā)射部分光路無需經(jīng)過反射，接收部分光路只經(jīng)過一次反射，一方面減少了損耗，另一方面最大限度地減小了硅層面積，進而減小光收發(fā)一體裝置的體積，節(jié)約了成本。
[0022] 圖1A為本發(fā)明實施例一提供的光收發(fā)一體裝置的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1A所示，光信號接口單元104、反射元件107附著在硅層101的同一側(cè)表面，濾波元件102如濾波片附著在與該側(cè)表面相對的側(cè)表面，即與光信號接口單元104、反射元件107相對的側(cè)表面。當(dāng)光纖105從外界接收光信號時，濾波元件102用來對光纖105接收到的光進行反射，當(dāng)LD
103發(fā)射光信號時，并對LD 103發(fā)送的光濾波后讓LD 103發(fā)射的光通過；LD 103作為光源，用來發(fā)射光信號；光信號接口單元104用來將LD 103發(fā)送過來的光進行聚焦并送入光纖105，同時將從光纖的發(fā)出的光以一個角度傳輸發(fā)射到濾波元件 102，經(jīng)濾波元件102反射后讓接收器件PD/APD 106接收；光纖105作為光的傳輸通道，用來傳輸光信號；PD/APD
106是冠名二極管，作用是吸收接收的光信號并將其轉(zhuǎn)換成電信號；反射元件107用來反射LD 103發(fā)射的信號，避免LD 103發(fā)射的信號傳輸到PD/APD 106，并通過來自濾波元件102反射的信號，使之被PD/APD 106接收。
103發(fā)射光信號時，并對LD 103發(fā)送的光濾波后讓LD 103發(fā)射的光通過；LD 103作為光源，用來發(fā)射光信號；光信號接口單元104用來將LD 103發(fā)送過來的光進行聚焦并送入光纖105，同時將從光纖的發(fā)出的光以一個角度傳輸發(fā)射到濾波元件 102，經(jīng)濾波元件102反射后讓接收器件PD/APD 106接收；光纖105作為光的傳輸通道，用來傳輸光信號；PD/APD
106是冠名二極管，作用是吸收接收的光信號并將其轉(zhuǎn)換成電信號；反射元件107用來反射LD 103發(fā)射的信號，避免LD 103發(fā)射的信號傳輸到PD/APD 106，并通過來自濾波元件102反射的信號，使之被PD/APD 106接收。
[0023] 工作時，發(fā)射光從LD 103發(fā)射出來后，傳輸?shù)焦庑盘柦涌趩卧?04，即光纖105與平臺(即硅層101)接口的部分，經(jīng)過處理后進入光纖105。而接收光從光纖105進入后，首先經(jīng)過光信號接口單元104處理后進入硅層101的自由空間，經(jīng)過濾波元件102反射后到達PD/APD 106，使得光在硅層101中的傳輸光路為V形光路，發(fā)射部分光路沒有經(jīng)過反射，接收部分光路只經(jīng)過一次反射，一方面減少了光收發(fā)之間的串?dāng)_，另一方面損耗很小，又最大限度的減小了面積，降低了成本。
[0024] 其中，反射元件107如反射膜或其它結(jié)構(gòu)，其目的是擋住來自LD 103的光，減少收發(fā)之間的光信號竄擾。
[0025] 以上光路都是通過硅層101作為平臺實現(xiàn)的自由空間光路，該光路減少了光信號接收和發(fā)送的串?dāng)_。
[0026] 如圖1B所示，將硅層101放置在光模塊PCB 110上后，再加上第一電路芯片108如跨阻放大器或限幅放大器(TIA/LA)、第二電路芯片109如LDD就構(gòu)成了一個完整的集成光收發(fā)一體裝置。
[0027] 圖2為本發(fā)明實施例二提供的光收發(fā)一體裝置的俯視結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，濾波元件202、LD 203、光信號接口單元204、光纖205、PD/APD 206及反射元件207的功能同實施例一中各光元件的功能。本實施例與實施例一的不同之處在于，除了將各光元件設(shè)置在硅層201表面，還將一些電路芯片TIA/LA、LDD同時集成到硅層201平臺上，直接構(gòu)成光收發(fā)一體裝置主體。通過將電路部分集成到硅層中，使得光收發(fā)一體裝置的體積減小，進一步提高了光收發(fā)一體裝置的集成度。
[0028] 圖3為本發(fā)明實施例三提供的光收發(fā)一體裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖3所示，光信號接口單元304、反射元件307附著在硅層301的同一水平表面，濾波元件302附著在與該水平表面相對的水平表面，即與光信號接口單元304、反射元件307相對的水平表面。 [0029] 其中，水平表面可為上表面，也可為下表面。
[0030] 本實施例中，光信號接口單元304、反射元件307附著在硅層301的上表面，濾波元件302附著在硅層301的下表面。
[0031] 本實施例與上述兩個實施例的光路基本一樣，濾波元件302、LD 303、光信號接口單元304、光纖305、PD/APD 306及反射元件307的功能同實施例一中各光元件的功能，不同之處在于光路的方向與整個硅層301的上下表面垂直。接收部分光器件PD/APD 306與發(fā)送部分光器件LD 303分別位于硅襯底的上下兩面。其中，硅層301上是否集成電路芯片可選。通過將光元件設(shè)置在硅層301的上下表面，進一步縮短了光的傳輸路徑，減小了光路部分面積及光損耗，節(jié)約了硅材料，提高了光傳輸效率，且為硅層301的四周表面提供了空閑空間，以便于在硅層301的四周設(shè)置需要的遠件，滿足光收發(fā)一體裝置的需要。且硅層與激光器、硅層與探測器的接口無需限定采用光柵或者是外置的濾波片實現(xiàn)，增加了靈活度。 [0032] 圖4本發(fā)明實施例四提供的光收發(fā)一體裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖4所示，本實施例與上述實施例一和實施例二類似，濾波元件402、LD 403、光信號接口單元404、光纖405、PD/APD 406及反射元件(圖4未示出)的功能同實施例一中各光元件的功能，不同之處在于，本發(fā)明實施例中光信號的傳輸路徑與硅層401的上下表面平行。其中，硅層401上是否集成電路芯片可選。光信號的傳輸路徑與硅層401的上下表面平行，進一步減少了光損失。 [0033] 圖5A為本發(fā)明實施例五提供的光收發(fā)一體裝置的側(cè)視圖。圖5B為圖5A所示光收發(fā)一體裝置中SOI的結(jié)構(gòu)示意圖。本實施例中，濾波元件(圖5A及圖5B未示出)、LD(圖5A及圖5B未示出)、光信號接口單元504、光 纖505、PD/APD 506及反射元件(圖5A及圖
5B未示出)的功能同實施例一中各光元件的功能，硅層501上的光元件及電路芯片的布局與圖2相同。
5B未示出)的功能同實施例一中各光元件的功能，硅層501上的光元件及電路芯片的布局與圖2相同。
[0034] 如圖5A所示，本實施例的光收發(fā)一體裝置集成基于SOI平臺。其中，SOI平臺如圖5B所示，硅襯底512上有一層絕緣層511如SiO2層，絕緣層511上為硅層501。 [0035] 本實施例在SOI平臺的硅層501上實現(xiàn)光的傳輸，整個光的傳輸路徑與SOI平臺的上下表面平行。由于硅層作為光的自由空間，光波在傳輸過程中會有一定的發(fā)散，為了增加可實現(xiàn)性，需要在光纖與硅層、LD與硅層的連接端面處加上光處理元件，即光信號接口單元504、濾波元件，其中光信號接口單元504可為準直器或者透鏡，將發(fā)散的光變成平行光。透鏡可以是外置分立的透鏡，也可以鍍在光纖505的端面上。本實施例中，由于SOI平臺的硅層厚度很小，一般在1μm以下，因此使用的透鏡可以采用二維透鏡，只要能限制水平方向的光發(fā)散即可。本實施例中，硅層501中是否集成電路芯片可選。
[0036] 本實施例通過在SOI平臺上層薄硅的實現(xiàn)集成光元件，在減小面積的同時，由于只需要二維透鏡，簡化了整體設(shè)計，且SOI平臺有利于避免集成的電芯片之間的互相干擾。 [0037] 圖6為本發(fā)明實施例六提供的光收發(fā)一體裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖6所示，濾波元件602、LD 603、光信號接口單元604、光纖605及PD/APD 606的功能同實施例一中各光元件的功能，本實施例與上述實施例的區(qū)別在于硅層601的一個表面上開設(shè)有凹陷的斜面，濾波元件602附著在該斜面上，與該開設(shè)有斜面的表面相鄰的表面上附著PD/APD 606，與該開設(shè)有斜面的表面相對的表面上附著有光信號接口單元604，且PD/APD 606位于濾波元件602在與該開設(shè)有斜面的表面相鄰的表面上的投影處，即濾波元件602的水平或垂直投影處，光信號接口單元604位于濾波元件602在與該開設(shè)有斜面的表面相對的表面上的投影處，即濾波元件602的水平或垂直投影處，使得發(fā)射 接收的光均與硅層601的表面垂直，這樣，從光纖605進入的信號無需光信號接口單元604進行角度控制處理，便可經(jīng)濾波元件602反射給PD/APD 606吸收，且比較容易固定。其中，濾波元件602可以是外置濾波片，也可以是刻在斜面的光柵，其作用是反射接收的光，而讓LD 603發(fā)射出來的光通過。 [0038] LD 603發(fā)出來的光經(jīng)過濾波元件602進入光纖605內(nèi)，光纖605從光收發(fā)一體裝置外部接收的光光會經(jīng)過濾波元件602的反射后到達接收器件PD/APD 606。 [0039] 需要說明的是，當(dāng)開設(shè)有斜面的表面為硅層601的側(cè)表面時，則PD/APD606、光信號接口單元604分別附著在硅層601的另外兩個側(cè)表面；當(dāng)開設(shè)有斜面的表面為硅層601的水平表面時，則PD/APD 606附著在硅層601的側(cè)表面，光信號接口單元604附著在與開始有斜面的表面相對的水平表面上。其中，水平表面為硅層601的上表面或下表面。PD/APD
606與硅層之間還可設(shè)置反射元件，以滿足更高的光信號需求。
606與硅層之間還可設(shè)置反射元件，以滿足更高的光信號需求。
[0040] 本實施例中，光收發(fā)一體裝置通過在硅層的凹陷斜面設(shè)置光元件，一方面節(jié)約了硅材料，減小了光收發(fā)一體裝置的體積，降低了成本，另一方面縮短了發(fā)出的光信號在硅層中的傳輸路徑，減少了損耗，并且，增加了光路變化的靈活度。
[0041] 上述實施例提供的光收發(fā)一體裝置利用硅材料對1100nm以上光波的透明特性，通過硅層實現(xiàn)了光的自由空間處理，進一步地，將電芯片集成在同一個硅層上，提高了光收發(fā)一體裝置的集成度。并且，通過硅層可以和當(dāng)前最成熟的CMOS工藝兼容，有利于進一步提高集成度，降低成本。進一步地，平臺與激光器、平臺與探測器的接口可采用光柵也可采用外置的濾波片實現(xiàn)，增加了光收發(fā)一體裝置的靈活度。進一步地，基于SOI平臺的集成方式，在減小面積的同時，由于只需要二維透鏡，簡化了光收發(fā)一體裝置的整體設(shè)計，且有效屏蔽了集成電芯片之間的互相干擾。進一步地，在硅層表面開設(shè)凹陷的斜面，進一步減少了光元件所占用的空間，有利于光收發(fā)一體裝置的體積 進一步縮小。
[0042] 最后應(yīng)說明的是：以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述實施例對本發(fā)明進行了詳細的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術(shù)方案進行修改，或者對其中部分技術(shù)特征進行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實施例技術(shù)方案的精神和范圍。
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