[发明专利]一种单模光纤双向光收发器

说明书

技术领域

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-Directional Optical Sub-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(Complementary Metal Oxide Semiconductor，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(Passive Optical Network，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(Silicon Photonics)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。

发明内容

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。