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光收发一体装置

阅读：1036发布：2020-07-07

专利汇可以提供光收发一体装置专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明公开了一种光收发一体装置，包括光信号接口单元、激光器、光检测器或雪崩光电二极管及滤波元件，其中，还包括：硅层；所述滤波元件与所述光信号接口单元附着在所述硅层的不同表面，所述激光器附着在所述滤波元件上，所述光检测器或雪崩光电二极管附着在所述硅层上，位于与所述滤波元件所在的表面不同的表面上；所述光信号接口单元、滤波元件及光检测器或雪崩光电二极管之间通过所述硅层传输光信号。通过硅层实现了光的自由空间处理，相对于空气传输，整个模块的耦合与对准以及封装都可以有一个平台即硅层，如通过在硅层平台上做标记来倒封装PD/APD，还可以很方便在硅层平台上集成电路部分如LD等等，节约了成本。，下面是光收发一体装置专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种光收发一体装置，包括光信号接口单元、激光器、光检测器及滤波元件，其特征在于，还包括：硅层；
所述滤波元件与所述光信号接口单元附着在所述硅层的不同表面，所述激光器附着在所述滤波元件上，所述光检测器附着在所述硅层上，位于与所述滤波元件所在的表面不同的表面上；
所述光信号接口单元、滤波元件及光检测器之间通过所述硅层传输光信号。
2.根据权利要求1所述的光收发一体装置，其特征在于，所述光信号接口单元、光检测器附着在所述硅层的同一侧表面，所述滤波元件附着在与所述光信号接口单元、光检测器相对的侧表面。
3.根据权利要求2所述的光收发一体装置，其特征在于，所述硅层中集成有所述光收发一体装置的电路芯片。
4.根据权利要求2所述的光收发一体装置，其特征在于，所述光信号接口单元、滤波元件及光检测器位于同一水平面内，使得所述硅层中的光信号的传输路径与所述硅层的上下表面平行。
5.根据权利要求2-4任一项所述的光收发一体装置，其特征在于，所述硅层的下表面依次设置有绝缘层和硅衬底。
6.根据权利要求1所述的光收发一体装置，其特征在于，所述光信号接口单元、光检测器附着在所述硅层的同一水平表面，所述滤波元件附着在与所述光信号接口单元、光检测器相对的水平表面。
7.根据权利要求1所述的光收发一体装置，其特征在于，所述硅层的表面设置有凹陷的斜面，所述滤波元件附着在所述斜面上；所述光检测器附着在所述硅层上，位于与所述斜面相对的一个表面，所述光信号接口单元附着在所述硅层上，位于与所述斜面相对的另一个表面。
8.根据权利要求7所述的光收发一体装置，其特征在于，所述光检测器位于所述硅层表面上，位于所述滤波元件的水平或垂直投影处。
9.根据权利要求7或8所述的光收发一体装置，其特征在于，所述光信号接口单元位于所述硅层表面上所述滤波元件的水平或垂直投影处。
10.根据权利要求2-4、6-8任一项所述的光收发一体装置，其特征在于，还包括：反射元件，所述光检测器通过所述反射元件附着在所述硅层的表面。

说明书全文

光收发一体装置

技术领域

[0001] 本发明实施例涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光收发一体装置。背景技术

[0002] “光进铜退”已经成为宽带接入发展趋势，但是由于光接入终端成本相对较高，限制了光接入的发展。

[0003] 光接入终端包括光收发一体装置即光模块，光收发一体装置包括激光器(Laser Diode，LD)、光检测器(Photodiode Detector，PD)/雪崩光电二极管(Avalanche Photodiodes，APD)、模斑转换器(Spot-Size Converter，SSC)、波分复用(Wave Division Multiplexing，WDM)滤波器、激光驱动器(Laser Diode Driver，LDD)、跨阻放大器(Transimpedance amplifier，TIA)、限幅放大器(Limiting Amplifier，LA)和/或APD 偏压、波导等。其中，LD、光检测器或雪崩光电二极管(PD/APD)、SSC、WDM滤波器、波导等为分立光元件，LDD、TIA、LA和/或APD偏压等属于电路部分。

[0004] 现有技术中，用于光纤到户(Fiber To The Home，FTTH)的光收发一体装置普遍采用双向光组件(Bi-directional Optical Sub Assembly，BOSA)加印制电路板总成(Printed Circuit Board+Assembly，PCBA)的结构，分立光元件与电路部分各自独立装配。各分立光元件在有光源的情况下对准后，通过一外壳固定，以保证各分立光元件的相对位置保持不变。电路部分则另外装配。

[0005] 在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术至少存在以下的缺点：现有技术中采用的光收发一体装置，由于各分立光元件是相对独立的，要保证分立光元件之间的相对位置满足光信号的发射和接收，因此需要多次有源对准，导致生产工艺复杂，实现成本较高。

发明内容

[0006] 本发明实施例提供一种光收发一体装置，用以解决现有技术中存在的光收发一体装置需要多次有源对准，导致生产工艺复杂，实现成本较高的问题。

[0007] 本发明实施例提供一种光收发一体装置，包括光信号接口单元、激光器、光检测器及滤波元件，其中，还包括：硅层；

[0008] 所述滤波元件与所述光信号接口单元附着在所述硅层的不同表面，所述激光器附着在所述滤波元件上，所述光检测器附着在所述硅层上，位于与所述滤波元件所在的表面不同的表面上；

[0009] 所述光信号接口单元、滤波元件及光检测器之间通过所述硅层传输光信号。 [0010] 本发明实施例提供的光收发一体装置利用硅材料对1100nm以上光波的透明特性，通过将光信号接口单元、激光器、光检测器如雪崩光电二极管（PD/APD）、滤波元件及反射元件等分立元件设置在硅层的不同表面，实现了硅层作为光的自由空间的混合集成，且光在硅层中的传输路为V形光路，减少了光的串扰、损失以及光在硅层中的传输时间，并且相对于空气传输，整个模块的耦合与对准以及封装都可以有一个平台即硅层，如通过在硅层平台上做标记来倒封装PD/APD，避免了多次有源对准，还可以很方便在硅层平台上集成电路部分如LD等等，从而降低了模块耦合、封装材料。

[0011] 附图说明

[0012] 图1A为本发明实施例一提供的光收发一体装置的俯视结构示意图； [0013] 图1B为图1A所示光收发一体装置的立体图；

[0014] 图2为本发明实施例二提供的光收发一体装置的俯视结构示意图； [0015] 图3为本发明实施例三提供的光收发一体装置的结构示意图；

[0016] 图4本发明实施例四提供的光收发一体装置的结构示意图；

[0017] 图5A为本发明实施例五提供的光收发一体装置的侧视图；

[0018] 图5B为图5A所示光收发一体装置中SOI的结构示意图；

[0019] 图6为本发明实施例六提供的光收发一体装置的结构示意图。

具体实施方式

[0020] 为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，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作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。 [0021] 本发明实施例利用硅(Si)材料相对于1100nm以上光波长的透明特性，采用硅层自由空间或者绝缘衬底上的硅(Silicon-On-Insulator，SOI)上层硅自由空间的做法传输光信号。可选地，将光收发一体装置上的其它电路芯片集成于该硅层上，LD和PD采用混合集成，获得V型光路，使得发射部分光路无需经过反射，接收部分光路只经过一次反射，一方面减少了损耗，另一方面最大限度地减小了硅层面积，进而减小光收发一体装置的体积，节约了成本。

[0022] 图1A为本发明实施例一提供的光收发一体装置的俯视结构示意图。如图1A所示，光信号接口单元104、反射元件107附着在硅层101的同一侧表面，滤波元件102如滤波片附着在与该侧表面相对的侧表面，即与光信号接口单元104、反射元件107相对的侧表面。当光纤105从外界接收光信号时，滤波元件102用来对光纤105接收到的光进行反射，当LD
103发射光信号时，并对LD 103发送的光滤波后让LD 103发射的光通过；LD 103作为光源，用来发射光信号；光信号接口单元104用来将LD 103发送过来的光进行聚焦并送入光纤105，同时将从光纤的发出的光以一个角度传输发射到滤波元件 102，经滤波元件102反射后让接收器件PD/APD 106接收；光纤105作为光的传输通道，用来传输光信号；PD/APD
106是冠名二极管，作用是吸收接收的光信号并将其转换成电信号；反射元件107用来反射LD 103发射的信号，避免LD 103发射的信号传输到PD/APD 106，并通过来自滤波元件102反射的信号，使之被PD/APD 106接收。

[0023] 工作时，发射光从LD 103发射出来后，传输到光信号接口单元104，即光纤105与平台(即硅层101)接口的部分，经过处理后进入光纤105。而接收光从光纤105进入后，首先经过光信号接口单元104处理后进入硅层101的自由空间，经过滤波元件102反射后到达PD/APD 106，使得光在硅层101中的传输光路为V形光路，发射部分光路没有经过反射，接收部分光路只经过一次反射，一方面减少了光收发之间的串扰，另一方面损耗很小，又最大限度的减小了面积，降低了成本。

[0024] 其中，反射元件107如反射膜或其它结构，其目的是挡住来自LD 103的光，减少收发之间的光信号窜扰。

[0025] 以上光路都是通过硅层101作为平台实现的自由空间光路，该光路减少了光信号接收和发送的串扰。

[0026] 如图1B所示，将硅层101放置在光模块PCB 110上后，再加上第一电路芯片108如跨阻放大器或限幅放大器(TIA/LA)、第二电路芯片109如LDD就构成了一个完整的集成光收发一体装置。

[0027] 图2为本发明实施例二提供的光收发一体装置的俯视结构示意图。如图2所示，滤波元件202、LD 203、光信号接口单元204、光纤205、PD/APD 206及反射元件207的功能同实施例一中各光元件的功能。本实施例与实施例一的不同之处在于，除了将各光元件设置在硅层201表面，还将一些电路芯片TIA/LA、LDD同时集成到硅层201平台上，直接构成光收发一体装置主体。通过将电路部分集成到硅层中，使得光收发一体装置的体积减小，进一步提高了光收发一体装置的集成度。

[0028] 图3为本发明实施例三提供的光收发一体装置的结构示意图。如图3所示，光信号接口单元304、反射元件307附着在硅层301的同一水平表面，滤波元件302附着在与该水平表面相对的水平表面，即与光信号接口单元304、反射元件307相对的水平表面。 [0029] 其中，水平表面可为上表面，也可为下表面。

[0030] 本实施例中，光信号接口单元304、反射元件307附着在硅层301的上表面，滤波元件302附着在硅层301的下表面。

[0031] 本实施例与上述两个实施例的光路基本一样，滤波元件302、LD 303、光信号接口单元304、光纤305、PD/APD 306及反射元件307的功能同实施例一中各光元件的功能，不同之处在于光路的方向与整个硅层301的上下表面垂直。接收部分光器件PD/APD 306与发送部分光器件LD 303分别位于硅衬底的上下两面。其中，硅层301上是否集成电路芯片可选。通过将光元件设置在硅层301的上下表面，进一步缩短了光的传输路径，减小了光路部分面积及光损耗，节约了硅材料，提高了光传输效率，且为硅层301的四周表面提供了空闲空间，以便于在硅层301的四周设置需要的远件，满足光收发一体装置的需要。且硅层与激光器、硅层与探测器的接口无需限定采用光栅或者是外置的滤波片实现，增加了灵活度。 [0032] 图4本发明实施例四提供的光收发一体装置的结构示意图。如图4所示，本实施例与上述实施例一和实施例二类似，滤波元件402、LD 403、光信号接口单元404、光纤405、PD/APD 406及反射元件(图4未示出)的功能同实施例一中各光元件的功能，不同之处在于，本发明实施例中光信号的传输路径与硅层401的上下表面平行。其中，硅层401上是否集成电路芯片可选。光信号的传输路径与硅层401的上下表面平行，进一步减少了光损失。 [0033] 图5A为本发明实施例五提供的光收发一体装置的侧视图。图5B为图5A所示光收发一体装置中SOI的结构示意图。本实施例中，滤波元件(图5A及图5B未示出)、LD(图5A及图5B未示出)、光信号接口单元504、光纤505、PD/APD 506及反射元件(图5A及图
5B未示出)的功能同实施例一中各光元件的功能，硅层501上的光元件及电路芯片的布局与图2相同。

[0034] 如图5A所示，本实施例的光收发一体装置集成基于SOI平台。其中，SOI平台如图5B所示，硅衬底512上有一层绝缘层511如SiO2层，绝缘层511上为硅层501。 [0035] 本实施例在SOI平台的硅层501上实现光的传输，整个光的传输路径与SOI平台的上下表面平行。由于硅层作为光的自由空间，光波在传输过程中会有一定的发散，为了增加可实现性，需要在光纤与硅层、LD与硅层的连接端面处加上光处理元件，即光信号接口单元504、滤波元件，其中光信号接口单元504可为准直器或者透镜，将发散的光变成平行光。透镜可以是外置分立的透镜，也可以镀在光纤505的端面上。本实施例中，由于SOI平台的硅层厚度很小，一般在1μm以下，因此使用的透镜可以采用二维透镜，只要能限制水平方向的光发散即可。本实施例中，硅层501中是否集成电路芯片可选。

[0036] 本实施例通过在SOI平台上层薄硅的实现集成光元件，在减小面积的同时，由于只需要二维透镜，简化了整体设计，且SOI平台有利于避免集成的电芯片之间的互相干扰。 [0037] 图6为本发明实施例六提供的光收发一体装置的结构示意图。如图6所示，滤波元件602、LD 603、光信号接口单元604、光纤605及PD/APD 606的功能同实施例一中各光元件的功能，本实施例与上述实施例的区别在于硅层601的一个表面上开设有凹陷的斜面，滤波元件602附着在该斜面上，与该开设有斜面的表面相邻的表面上附着PD/APD 606，与该开设有斜面的表面相对的表面上附着有光信号接口单元604，且PD/APD 606位于滤波元件602在与该开设有斜面的表面相邻的表面上的投影处，即滤波元件602的水平或垂直投影处，光信号接口单元604位于滤波元件602在与该开设有斜面的表面相对的表面上的投影处，即滤波元件602的水平或垂直投影处，使得发射接收的光均与硅层601的表面垂直，这样，从光纤605进入的信号无需光信号接口单元604进行角度控制处理，便可经滤波元件602反射给PD/APD 606吸收，且比较容易固定。其中，滤波元件602可以是外置滤波片，也可以是刻在斜面的光栅，其作用是反射接收的光，而让LD 603发射出来的光通过。 [0038] LD 603发出来的光经过滤波元件602进入光纤605内，光纤605从光收发一体装置外部接收的光光会经过滤波元件602的反射后到达接收器件PD/APD 606。 [0039] 需要说明的是，当开设有斜面的表面为硅层601的侧表面时，则PD/APD606、光信号接口单元604分别附着在硅层601的另外两个侧表面；当开设有斜面的表面为硅层601的水平表面时，则PD/APD 606附着在硅层601的侧表面，光信号接口单元604附着在与开始有斜面的表面相对的水平表面上。其中，水平表面为硅层601的上表面或下表面。PD/APD
606与硅层之间还可设置反射元件，以满足更高的光信号需求。

[0040] 本实施例中，光收发一体装置通过在硅层的凹陷斜面设置光元件，一方面节约了硅材料，减小了光收发一体装置的体积，降低了成本，另一方面缩短了发出的光信号在硅层中的传输路径，减少了损耗，并且，增加了光路变化的灵活度。

[0041] 上述实施例提供的光收发一体装置利用硅材料对1100nm以上光波的透明特性，通过硅层实现了光的自由空间处理，进一步地，将电芯片集成在同一个硅层上，提高了光收发一体装置的集成度。并且，通过硅层可以和当前最成熟的CMOS工艺兼容，有利于进一步提高集成度，降低成本。进一步地，平台与激光器、平台与探测器的接口可采用光栅也可采用外置的滤波片实现，增加了光收发一体装置的灵活度。进一步地，基于SOI平台的集成方式，在减小面积的同时，由于只需要二维透镜，简化了光收发一体装置的整体设计，且有效屏蔽了集成电芯片之间的互相干扰。进一步地，在硅层表面开设凹陷的斜面，进一步减少了光元件所占用的空间，有利于光收发一体装置的体积进一步缩小。

[0042] 最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

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