用于光通信的双工器件及系统
| 专利类型 | 发明公开 | 法律事件 | 公开; 实质审查; 授权; |
| 专利有效性 | 有效专利 | 当前状态 | 授权 |
| 申请号 | CN202110674357.8 | 申请日 | 2021-06-17 |
| 公开(公告)号 | CN113411129A | 公开(公告)日 | 2021-09-17 |
| 申请人 | 桂林电子科技大学; | 申请人类型 | 学校 |
| 发明人 | 邓仕杰; 林凯; 苑立波; | 第一发明人 | 邓仕杰 |
| 权利人 | 桂林电子科技大学 | 权利人类型 | 学校 |
| 当前权利人 | 桂林电子科技大学 | 当前权利人类型 | 学校 |
| 省份 | 当前专利权人所在省份：广西壮族自治区 | 城市 | 当前专利权人所在城市：广西壮族自治区桂林市 |
| 具体地址 | 当前专利权人所在详细地址：广西壮族自治区桂林市桂林金鸡路1号 | 邮编 | 当前专利权人邮编：541004 |
| 主IPC国际分类 | H04B10/25 | 所有IPC国际分类 | H04B10/25 ; H04B10/297 |
| 专利引用数量 | 7 | 专利被引用数量 | 0 |
| 专利权利要求数量 | 11 | 专利文献类型 | A |
| 专利代理机构 | 专利代理人 | ||
| 摘要 | 本 发明 提供的是一种用于光通信的双工器件及系统，由集成光 电子 芯片(1)、 激光器 (2)、模式切换控制 电路 (3)、第一偏置 电压 电路(4)、 跨阻 放大器 (5)、 信号 处理模 块 (6)、光纤(7)、接地 接口 (8)、第一 开关 单元(9)、第二开关单元(10)和第二偏置电压电路(11)组成。本发明将 光信号 放大和光电探测这两种功能集成在同一个器件中，使芯片的功能更丰富、功耗和生产成本更低、空间占用更小，可靠性得到极大改善，并通过外部控制电路控 制芯 片工作在不同的工作模式；其可广泛应用于光纤通信、光纤传感、光电探测等领域。 | ||
| 权利要求 | 1.一种用于光通信的双工器件及系统，由集成光电子芯片(1)、激光器(2)、模式切换控制电路(3)、第一偏置电压电路(4)、跨阻放大器(5)、信号处理模块(6)、光纤(7)、接地接口(8)、第一开关单元(9)、第二开关单元(10)和第二偏置电压电路(11)组成；所述系统中集成光电子芯片(1)封装在集成光电子芯片封装中，将激光器(2)与集成光电子芯片(1)通过光纤进行耦合连接，将集成光电子芯片(1)通过光纤(7)与外部光路进行耦合连接，通过第一偏置电压电路(4)或第二偏置电压电路(11)为集成光电芯片(1)提供用于工作的直流电压，通过接地接口(8)与集成光电子芯片(1)连接进行接地；集成光电子芯片(1)连接相应的第一开关单元(9)、第二开关单元(10)，模式切换控制电路(3)控制开关单元的输出使整个系统工作在A(光电探测)或B(光信号放大)模式，保证集成光电子芯片(1)在A(光电探测)模式下的输入连接偏置电压电路，输出连接相对应的跨阻放大器(5)，跨阻放大器(5)将集成光电子芯片(1)输出的光电流转换为电压信号，信号处理模块(6)对跨阻放大器(5)输出的电压信号进行处理和分析；保证集成光电子芯片(1)在B(光信号放大)模式下的输入连接偏置电压电路，输出连接接地接口(8)，对于输入的光信号进行放大。 |
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| 说明书全文 | 用于光通信的双工器件及系统(一)技术领域 [0001] 本发明设计的是一种用于光通信的双工器件及系统，本发明可广泛应用于光纤通信，光纤传感，光电测量；属于光纤通信技术领域。(二)背景技术 [0002] 近年来，随着电子技术的高速发展，集成电路的集成度越来越高，对于器件的开关速度要求也越来越高，电子的速度也基本发挥到极致，为实现信息系统中信息的采集、存取、处理和应用的高速化、宽带化以及大容量化，光电子器件的地位已经日趋重要。但就目前发展而言，光电子器件的集成度不高是限制其发展的一大难题，通过研究基于光电子集成芯片的双工器件，这将突破分立器件的功能局限，使芯片的功能得到提高、功耗降低、生产成本更低、空间占用更小和可靠性得到极大改善。 [0003] 量子阱结构集成光电子芯片工作原理为：其是由有源区与无源区构成，有源区为增益区，当注入正向电流，并达到一定值时，其N 区自由电子增多并不断进入量子阱中与空穴复合，以光子形式释放能量，该光子在输入光信号的感应下形成受激辐射，使释放出的光子和入射光子同频、同向、同相位、同偏振方向、同模式，并在光子不断前进中继续受感应而产生受激辐射，进而产生更多的新的光子，使输入光信号得到放大；对于宽带隙材料构成的量子阱结构，通过量子阱结构与掺杂的设计，在量子阱内形成特定的子能级，在波导层入射光的作用下，将量子阱集成光电子芯片中的电子从基态激发到激发态；通过外加反向偏置电压使激发态的电子形成电流，便可以得到光电流信号。 [0004] 针对用于光通信的双工器件及系统，莫昂·阿舒什等人于2009 年公开了“包括半导体光放大器和光电二极管的集成光电器件”(中国专利：(CN200610110661.5)，他们通过InPAsGa材料制作了一种用于光信号的光电集成接收器件，将光放大器和光电二极管集成在一个器件中，实现了光电器件的高集成度；李欣等人于2017年公开了“基于异质键合的微型水下可见光通信双工器件及制备方法”(中国专利： (CN201710240402.2)，他们通过以硅衬底氮化物晶片和N型掺杂硅晶片集成薄膜LED蓝光发光器件和光电传感器件，实现同时双工水下可见光通信；Xin Li等人利用InP材料双刻蚀工艺制备了AlInGaAs MQW 二极管通过直波导进行连接，将光发射器与光电二极管进行集成，实现了集成光电器件的多种功能(Li,Xin,et al.,AlInGaAs Multiple Quantum Well‑Integrated Device with Multi‑function Light Emission /Detection and Electro‑Optic Modulation in the Near‑Infrared Range. ACS Omega,2021.612:p.8687‑8692)；K.‑T.Shiu等人通过双波导(ATG) 技术将光放大器与光电二极管进行了单片集成，为进一步的实现复杂的光子集成电路提供了一种强有力的方法(K.‑.Shiu,S.S.Agashe and S.R.Forrest,"A simple monolithically integrated optical receiver consisting of an optical preamplifier and a p‑i‑n photodiode,"in IEEE Photonics Technology Letters,vol.18,no.8,pp.956‑958,April 2006)；上述设计存在以下缺陷和不足：(1)半导体光放大器和光电二极管的集成光电器件中功能实现单一；(2)通过异质键合方式实现的可见光通信的双工器件，制作工艺较为复杂，仅适用于蓝光波段；(3)通过将 AlInGaAs MQW二极管进行单片集成的技术，器件占用面积过大，适用性较差；(4)通过双波导ATG技术将光放大器与光电二极管进行了单片集成，其主要功能应用于光接收机，功能实现较为单一。 [0005] 为了解决上述问题，本发明公开了一种用于光通信的双工器件及系统，可广泛应用于光纤通信、光纤传感、光电测量等领域；此器件和系统利用量子阱结构集成光电子芯片配合外部模式切换控制电路实现器件的两种工作模式A(光电探测)或B(光信号放大)的集成，通过模式切换控制电路对于开关单元的控制，实现了集成光电子芯片灵活方便工作在A(光电探测)或B(光信号放大)模式下，实现了光电子器件的高集成度，使芯片的功能得到了丰富，减少了光信号在分光和耦合过程中的损耗并降低了功耗。(三)发明内容 [0006] 本发明的目的在于提供一种用于光通信的双工器件及系统，可广泛应用于光纤通信、光纤传感、光电测量等领域； [0007] 一种用于光通信的双工器件及系统，由集成光电子芯片(1)、激光器(2)、模式切换控制电路(3)、第一偏置电压电路(4)、跨阻放大器 (5)、信号处理模块(6)、光纤(7)、接地接口(8)、第一开关单元(9)、第二开关单元(10)和第二偏置电压电路(11)组成。 [0008] 本发明实现方式为以下所述:集成光电子芯片(1)封装在集成光电子芯片封装中，光纤(7)一侧与集成光电子芯片(1)耦合，另一侧与外部光路进行连接，激光器(2)一端与模式切换控制电路(3)连接，模式切换控制电路(3)提供激光器(2)工作的工作电压，另一端通过光纤与集成光电子芯片(1)耦合连接；集成光电子芯片(1)上侧为芯片的阴极，下侧为芯片的阳极，上侧通过第二开关单元(10)，集成光电子芯片(1)与第一偏置电压电路(4)或接地接口(9)相连接，下侧通过第一开关单元 (9)，集成光电子芯片(1)与跨阻放大器(5)或第二偏置电压电路(11)相连，跨阻放大器(5)将集成光电子芯片(1)输出的光电流转换为电压信号；信号处理模块(6)对跨阻放大器(5)输出的电压信号进行处理和分析；第一偏置电压电路(4)工作在A模式下，为集成光电子芯片(1)提供用于工作的反向偏置电压；第二偏置电压电路(11)工作在模式B下，为集成光电子芯片中(1)提供用于工作的正向偏置电压；模式切换控制电路(3)控制所有开关单元的输出状态，保证整个系统工作在A(光电探测)和B(光信号放大)模式下。 [0009] 所述系统中光纤(7)的纤芯直径和光纤数量不受限制，光纤的输入端与集成光电子芯片在端面进行端面耦合来实现最佳的耦合效率；与集成光电子芯片封装耦合连接的一端在A(光电探测)模式下工作为输入端，在B(光信号放大)模式下工作为输出端。 [0010] 所述系统中集成光电子芯片(1)为基于标准集成电路制造的芯片，集成光电子芯片(1)结构为量子阱结构，在正向偏压下可将光信号进行放大；反向偏压下可进行光电探测；集成光电子芯片(1)封装在集成光电子芯片封装中，防止外界环境中不利因素(如环境光污染和灰尘等)对集成光电子芯片(1)造成影响。 [0011] 所述系统中模式切换控制电路(3)是基于数字电路、微控制器和现场可编程逻辑门阵列中的任何一种；模式切换控制电路(3)的输出端数量等于第一开关单元(9)和第一开关单元(10)的数量，每个输出端连接和控制一个开关单元；模式切换控制电路(3)用于控制第一开关单元(9)中每个开关单元输出状态，实现集成光电子芯片(1)选择性的连接跨阻放大器(5)或第二偏置电压电路(11)，模式切换控制电路(3)用于控制第二开关单元(10)中每个开关单元输出状态，实现集成光电子芯片(1)选择性的连接第一偏置电压电路(4)或接地接口(8)；系统工作在A(光电探测)模式时，开关单元(9)连接跨阻放大器(5)，开关单元(11) 连接第一偏置电压电路(4)，每个跨阻放大器都连接集成光电子芯片(1)；工作在B(光信号放大)模式时，模式切换控制电路为激光器(2)提供工作电压，并将第一开关单元(9)的输出与第二偏置电压电路(11)置于闭合状态，第二开关单元(10)的输出与接地接口(8)置于闭合状态，为集成光电子芯片(1)提供工作电压。 [0012] 所述系统中偏置电压电路(4)或(11)可以是直流‑直流或者交流‑ 直流电压源，其作用是为集成光电子芯片(1)提供运行所需的直流电压。 [0013] 所述系统中的激光器(2)可为气体激光器、固体激光器、半导体激光器中的任何一种，激光器(2)一端连接模式切换控制电路，另外一端通过光纤连接集成光电子芯片(1)，工作在B(光信号放大)模式时，模式切换控制电路给激光器(2)工作电压，其作用是产生固定波长的光，通过光纤与集成光电子芯片(1)进行连接。 [0015] 图1是一种用于光通信的双工器件及系统示意图，由集成光电子芯片(1)、激光器(2)、模式切换控制电路(3)、第一偏置电压电路(3)、跨阻放大器(5)、信号处理模块(6)、光纤(7)、接地接口(8)、第一开关单元(9)、第二开关单元(10)和第二偏置电压电路(11)组成。 [0016] 图2是集成光电子芯片(1)器件的横截面图，其上侧和下侧为金属层，上侧为器件的阴极(cathode)，下侧为器件的阳极(anode)；波导层(InPGaAs)中为形成的量子阱有源区，量子阱结构为不同组分的 InPGaAs组分构成，中间为一层很薄的半导体膜，未加偏压时，各个区域的势能与中间的半导体层形成了势阱，即称为量子阱，集成光电子芯片(1)是由有源区与无源区构成，有源区为增益区，当向集成光电子芯片(1)中注入正向电流，并达到一定值时，其N区自由电子增多并不断进入量子阱中与空穴复合，以光子形式释放能量，该光子在输入光信号的感应下形成受激辐射，使释放出的光子和入射光子同频、同向、同相位、同偏振方向、同模式，并在光子不断前进中继续受感应而产生受激辐射，进而产生更多的新的光子，使输入光信号得到放大；对于宽带隙材料构成的量子阱结构，通过量子阱结构与掺杂的设计，在量子阱内形成特定的子能级，在波导层入射光的作用下，将量子阱集成光电子芯片中的电子从基态激发到激发态；通过外加反向偏置电压使激发态的电子形成电流，便可以得到光电流信号。 [0017] 图3是用于光通信的双工器件及系统的实施例示意图，其是由集成光电子芯片(1)、四个激光器(2)、模式切换控制电路(3)、第一偏置电压电路(4)、跨阻放大器(5)、信号处理模块(6)、四根外接光纤(7)、接地接口(8)、第一开关单元(9)、第二开关单元(10)和第二偏置电压电路(11)组成；集成光电子芯片(1)为量子阱结构，在正向偏压下工作放大光信号，在反向偏压下工作探测光信号；模式切换控制电路(3)通过控制开关单元的输出状态决定系统工作在A(光电探测)和B(光信号放大)模式；A(光电探测)模式下，模式切换控制电路(3)控制集成光电子芯片(1)上侧开关单元(10)连接第一偏置电压电路(4)，下侧第一开关单元(9)连接跨阻放大器(5)，跨阻放大器(5)将探测到的光电流转换为电压信号，跨阻放大器(5)另一端连接信号处理模块(6)，信号处理模块(6)对于跨阻放大器(5)输出的电压信号进行相应的数据处理和分析；B(光信号放大)模式下，模式切换控制电路(3)控制上侧第二开关单元(10)连接接地接口(8)，控制下侧第一开关单元(9)连接第二偏置电压电路(11)为集成光电子芯片(1)提供工作电压，模式切换控制电路(3)为激光器(2)提供工作电压，激光器产生的激光通过光纤与集成光电子芯片(1)耦合连接，通过集成光电子芯片(1)对光信号进行放大并通过光纤与外部光路进行耦合连接； [0018] 图4是实施例中芯片内部结构图以及与激光器和光纤连接的示意图；它由四根第一光纤(1)，集成光电子芯片(2)，四根第二光纤(3)，激光器(4)组成；激光器(4)通过第二光纤(3)与集成光电子芯片(2)端面耦合相连接；第一光纤(1)一端与集成光电子芯片(2)通过端面耦合的方式进行连接，另外一端连接外部光路。(五)具体实施方式 [0019] 下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。 [0020] 图(3)中给出用于光通信的双工器件及系统的实施例，它是由集成光电子芯片(1)、激光器(2)、模式切换控制电路(3)、第一偏置电压电路(4)、跨阻放大器(5)、信号处理模块(6)、四根外接光纤(7)、接地接口(8)、第一开关单元(9)、第二开关单元(10)和第二偏置电压电路(11) 组成；图(4)给出实施例中芯片内部结构图以及与激光器和光纤连接的示意图；它由四根第一光纤(1)，集成光电子芯片(2)，四根第二光纤(3)，激光器(4)组成；激光器(4)通过第二光纤(3)与集成光电子芯片(1) 端面耦合相连接；第一光纤(1)一端与集成光电子芯片(2)通过端面耦合的方式进行连接，另外一端连接外部光路；图(3)中集成光电子芯片 (1)封装在集成光电子芯片封装中；四个激光器(3)通过光纤与集成光电子芯片(1)进行耦合连接；集成光电子芯片(1)上侧为阴极，下侧为阳极；第二开关单元(10)一侧连接集成光电子芯片(1)阴极并联的金属 pad，确保集成光电子芯片(1)的输入连接第一偏置电压电路(4)或集成光电子芯片(1)的输出连接接地接口(8)；第一开关单元(9)一侧连接集成光电子芯片(1)阳极的金属pad，确保集成光电子芯片(1)的输出连接跨阻放大器(5)或集成光电子芯片(1)的输入连接第二偏置电压电路 (11)；跨阻放大器(5)将集成光电子芯片(1)输出的光电流转换为电压信号，信号处理模块(6)对跨阻放大器(5)输出的电压信号进行处理和分析；模式切换控制电路(3)连接第一开关单元(9)或第二开关单元(10)，控制开关单元的输出状态，从而控制整个系统的工作状态，A(光电探测)状态下，模式切换控制电路(3)控制集成光电子芯片上侧开关单元(10)连接第一偏置电压电路(4)，下侧第一开关单元(9)连接跨阻放大器(5)，跨阻放大器(5)将探测到的光电流转换为电压信号，跨阻放大器 (5)另一端接信号处理模块，信号处理模块(6)对于跨阻放大器(5)输出的电压信号进行解调还原成原始的电信号并进行相应的数据处理和分析；B(光信号放大)状态下，模式切换控制电路(3)控制上侧第二开关单元(10)连接接地接口(8)，控制下侧第二开关单元(9)连接第二偏置电压电路(11)为集成光电子芯片(1)提供工作电压，模式切换控制电路(3)为激光器(2)提供工作电压，激光器产生的激光通过光纤与集成光电子芯片(1)耦合连接，通过集成光电子芯片(1)对光信号进行放大并通过光纤输出并与外部光路进行耦合连接。 |
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