用於光接入網絡的突發模式接收機及其使用和製造方法
2023-09-24 01:52:35 1
用於光接入網絡的突發模式接收機及其使用和製造方法
【專利摘要】本發明涉及一種用於光接入網絡的突發模式光探測器，包括電吸收模塊，用於對光功率低於第一預定水平的對應於低電平的輸入光信號進行吸收；半導體光放大模塊，用於對光功率低於第二預定水平的對應於高電平的輸入光信號進行光功率放大；以及光電轉換模塊，用於對經所述電吸收模塊和所述半導體光放大模塊處理後的光信號轉化為電信號用於輸出；其中所述電吸收模塊與所述半導體光放大模塊中的電流方向相反。本發明還涉及包含上述突發模式光探測器的用於光接入網的接收機，以及包含上述接收機的光線路終端。本發明還涉及在突發模式下進行光探測的方法，以及上述突發模式光探測器的製造方法。
【專利說明】用於光接入網絡的突發模式接收機及其使用和製造方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明主要涉及光通信技術，特別的涉及用於光接入網絡的突發模式接收機及其使用和製造方法。
【背景技術】
[0002]隨著IP傳輸的迅猛發展，對寬帶接入網的帶寬需求也越來越大。在光纖到戶(fiber-to-the-home,簡稱 FTTH)的配置中，下一代無源光網絡(next generat1n passiveoptical network，簡稱NG-P0N2)為終端用戶享受高速的數據傳輸速率提供了頗具前景的解決方案。時分及波長分混合復用光網絡(time and wavelength divis1n multiplexedpassive optical network，簡稱 TWDM-P0N)被選為 NG-P0N2 的主要解決方案。TWDM-P0N 有四對工作波長,每個上行波長的傳輸方式仍採用時分復用(time divis1n multiplexing,簡稱TDM)技術實現,其中用於傳輸的時隙長度由光網絡用戶(optical network user,簡稱0NU)上傳的內容決定的。這些時隙的起止時間點是由光線路終端(optical lineterminal，簡稱0LT)來進行協調的，從而當各ONU通過單根光纖進行傳輸各自的數據包時不會對彼此構成幹擾。
[0003]由於不同的ONU到OLT的距離不同，且不同的ONU的發射功率不同，因此OLT接收到的信號的光功率也就不同。圖1所示為多個0NU102-108經分路器110向0LT120進行上行傳輸的示意圖。由圖可見，0LT120接收到信號的光功率差異很大，這種情況被稱為突發模式。在這種模式下，要獲得較高的傳輸速率，就需要縮短保護時間(guard time)和較短的前導碼(preamble)。也就是說OLT中的接收機必須能夠對輸入光信號的幅度變化作出快速反應，同時具備較短的建立時間(settling time)。因此,傳統的連續傳輸模式的接收機就無法適用於上述突發模式。
【發明內容】
[0004]現有的針對突發模式的接收機大都是在電域進行信號處理，也就是通過電路對由光信號轉化的電信號進行電域處理從而解決上述突發模式所帶來的問題。但這些方案都存在著一定的缺陷，例如設計上的複雜度。另外，電子器件所帶來的速度瓶頸也是一個問題。儘管雪崩光電二極體作為突發模式接收機具備頗高的響應率和靈敏度，但這種二極體只能在2.7Gb/s或以下的數據傳輸速率下工作。可見，單純採用電路來處理突發模式信號是無法滿足高速發展的網絡需求的。
[0005]另外，在輸入光信號的光功率很小的情況下，如果在光域沒有對光信號進行放大和功率均衡處理，那麼就會產生較大的比特誤碼率。現有的電域突發模式接收機的閾值檢測電路的有限充放電時間也會影響突發模式中信號的比特誤碼率。
[0006]因此，為了克服上述問題，本申請提供了一種基於光域的突發模式接收機及其中的光探測器，以及相應的操作方法和製造方法。
[0007]根據本申請的一個實施例提供了一種用於光接入網絡的突發模式光探測器，包括電吸收模塊，用於對光功率低於第一預定水平的對應於低電平的輸入光信號進行吸收；半導體光放大模塊，用於對光功率低於第二預定水平的對應於高電平的輸入光信號進行光功率放大；以及光電轉換模塊，用於對經所述電吸收模塊和所述半導體光放大模塊處理後的光信號轉化為電信號用於輸出；其中所述電吸收模塊與所述半導體光放大模塊中的外部注入電流方向相反。
[0008]特別的，所述電吸收模塊、所述半導體光放大模塊以及所述光電轉換模塊由形成於半導體襯底之上脊形波導構成；所述脊形波導上具有溝槽從而使所述各模塊在遠離所述半導體襯底的一端彼此分離，而在靠近所述半導體襯底的一端通過有源區彼此相連；並且所述電吸收模塊中的電流沿遠離所述半導體襯底的方向流出所述有源區，所述半導體光放大模塊中的電流沿靠近所述半導體襯底的方向流入所述有源區。
[0009]特別的，所述有源區的形態包括量子阱，量子點或者體材料。
[0010]特別的，所述各模塊以及所述半導體襯底由II1-V族半導體材料構成。
[0011]特別的，所述半導體襯底由磷化銦構成，所述各模塊由銦鎵砷或者銦鎵砷磷構成。
[0012]特別的，所述有源區材料的能帶寬度對應為光通信波段。
[0013]特別的，所述光接入網絡是時分復用光網絡或是時分及波長分混合復用光網絡。
[0014]根據本發明另一實施例提供的一種用於光接入網絡的突發模式接收機，包括光探測器，用於對對應於低電平和高電平的輸入光信號同時進行均衡處理；以及信號處理電路，耦接至所述光探測器，用於對從所述光探測器輸出的電信號進行電學處理從而獲得數據和時鐘信息；其中所述光探測器包括，電吸收模塊，用於對功率低於第一預定水平的對應於低電平的輸入光信號進行吸收；半導體光放大模塊，用於對功率低於第二預定水平的對應於高電平的輸入光信號進行光功率放大；以及光電轉換模塊，用於對經所述電吸收模塊和所述半導體光放大模塊處理後的光信號轉化為電信號用於輸出；其中所述電吸收模塊與所述半導體光放大模塊中的外部注入電流方向相反。
[0015]特別的，所述電吸收模塊、所述半導體光放大模塊以及所述光電轉換模塊由形成於半導體襯底之上脊形波導構成；所述脊形波導上具有溝槽從而使所述各模塊在遠離所述半導體襯底的一端彼此分離，而在靠近所述半導體襯底的一端通過有源區彼此相連。
[0016]特別的，所述半導體襯底由磷化銦構成，所述各模塊由銦鎵砷或者銦鎵砷磷構成。
[0017]根據本發明又一實施例所提供的一種用於光接入網絡的光線路終端，包括一個或多個突發模式接收機；一個或多個發射機；以及波分復用器，與所述一個或多個突發模式接收機以及所述一個或多個發射機耦接；其中，所述突發模式接收機包括光探測器，用於對對應於低電平和高電平的輸入光信號同時進行均衡處理；以及信號處理電路，耦接至所述光探測器，用於對從所述光探測器輸出的電信號進行電學處理從而獲得數據和時鐘信息；其中所述光探測器包括，電吸收模塊，用於對功率低於第一預定水平的對應於低電平的輸入光信號進行吸收；半導體光放大模塊，用於對功率低於第二預定水平的對應於高電平的輸入光信號進行光功率放大；以及光電轉換模塊，用於對經所述電吸收模塊和所述半導體光放大模塊處理後的光信號轉化為電信號用於輸出；其中所述電吸收模塊與所述半導體光放大模塊中的外部注入電流方向相反。
[0018]根據本發明另一實施例所提供的一種用於在光接入網絡中的突發模式下進行光探測的方法，包括:通過光探測器的電吸收模塊對功率低於第一預定水平的對應於低電平的輸入光信號進行吸收；通過所述光探測器半導體光放大模塊對功率低於第二預定水平的對應於高電平的輸入光信號進行光功率放大；通過所述光探測器的光電轉換模塊將經吸收和放大後的光信號轉換為電信號並加以輸出。
[0019]特別的，由所述電吸收模塊進行吸收和由所述半導體光放大模塊進行的放大操作的先後順序可調。
[0020]特別的，所述方法還包括向所述電吸收模塊施加與所述半導體光放大模塊上電壓極性相反的電壓，或者向所述電吸收模塊施加遠小於半導體光放大模塊上電壓的同向電壓。
[0021]根據本發明的一個實施例所提供的一種用於光接入網絡的突發模式光探測器的製造方法，在半導體襯底上形成脊型波導；其中包括在所述半導體襯底上形成緩衝層；以及在所述緩衝層上形成有源區；對所述脊型波導遠離所述半導體襯底的一端進行刻蝕形成溝槽，從而使所述脊型波導形成電吸收模塊，半導體光放大模塊，以及光電轉換模塊，所述各模塊在遠離所述半導體襯底的一端彼此分離，在靠近所述半導體襯底的一端通過所述有源區彼此相連；在所述半導體襯底遠離所述脊型波導的一端形成歐姆接觸；以及在所述電吸收模塊，所述半導體光放大模塊以及所述光電轉換模塊遠離所述半導體襯底的一端形成各自的歐姆接觸。
[0022]本發明實施例中所提供的光探測器及接收機通過在光域對輸入光信號進行處理，大大降低了在突發模式下進行信號處理的複雜度和成本，並且由於電吸收模塊和半導體光放大模塊的響應時間都很短，因此本發明所提供的接收機可以處理40Gb/s或更高的比特率的突發模式信號。由於本發明所提供的OLT可以對突發模式下的光信號加以均衡處理，因此對ONU在發射功率方面的要求就相應的降低，，從而放寬了對光接入網絡輸入信號的動態範圍，從而降低了 ONU乃至光接入網絡的整體成本。另外，由於本發明所提供的接收機可以在光域裡面同時抑制對應於高電平和對應於低電平的輸入光信號的功率抖動，消光比(extinct1n rat1)也因此得到了顯著的提高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1所示為多個ONU向OLT進行上行傳輸的示意圖；
[0024]圖2 (a)所示為根據本發明一個實施例所述的一種突發模式光探測器的側視圖；
[0025]圖2 (b)所示為根據本發明一個實施例所述的突發模式光探測器的立體圖；
[0026]圖3為根據本發明一個實施例所述的在突發模式下進行光探測的方法；
[0027]圖4(a)_(b)為採用根據本發明一個實施例所述的經電吸收模塊和半導體光放大模塊處理的光信號示意圖；
[0028]圖5所示為根據本發明一個實施例所述的用於光接入網絡的突發模式接收機示意圖；
[0029]圖6所示為根據本發明一個實施例所述的用於光接入網絡的OLT示意圖；以及
[0030]圖7所示為根據本發明一個實施例所述的突發模式光探測器的製造方法。
【具體實施方式】
[0031]下面詳細討論本申請的實施例的製造和使用。但是，應當理解的是，本發明提供了許多可以在各種具體背景下實施的可行的創新性概念。所討論的具體實施例僅是說明製造和使用本發明的具體方式，並不限制本發明的範圍。
[0032]圖2(a)所示為根據本發明一個實施例所述一種用於光接入網絡的光探測器200的側視圖。圖2(b)所示為根據本發明一個實施例所述的突發模式光探測器200的立體圖。根據本發明的一個實施例，光探測器200包括形成於半導體襯底208上的電吸收模塊(electro absorber,簡稱 EA) 202 和半導體光放大模塊(semiconductor opticalamplifier，簡稱S0A)204。根據本發明的一個實施例，光探測器200還包括光電轉換模塊206，例如P-1-N光電二極體。電吸收模塊202、半導體光放大模塊204和光電轉換模塊206由半導體襯底208上的脊型波導形成。
[0033]根據本發明的一個實施例，電吸收模塊202、半導體光放大模塊204和光電轉換模塊206的底部通過有源區210彼此相連並與半導體襯底208相連。電吸收模塊202、半導體光放大模塊204和光電轉換模塊206之間有溝槽使各模塊在遠離半導體襯底208的一端彼此分離。在電吸收模塊202、半導體光放大模塊204和光電轉換模塊206上分別具有歐姆接觸212a-212c。在半導體襯底208底部具有歐姆接觸212d。
[0034]根據本發明的一個實施例，電吸收模塊202、半導體光放大模塊204和光電轉換模塊206可以由II1-V族半導體材料構成。特別的，半導體襯底208可以由磷化銦構成，電吸收模塊202、半導體光放大模塊204和光電轉換模塊206可以由銦鎵砷或者銦鎵砷磷構成。當然，也可以採用其他的半導體材料形成光探測器200，只要使有源區210的能帶寬度對應光通信波段(例如1310納米或1550納米)即可。根據本發明的一個實施例，在能帶寬度對應1550納米的情況下，鎵與銦的摩爾含量分配可以是0.47與0.53。
[0035]圖3所示為根據本發明一個實施例採用光探測器200在突發模式下進行光探測的方法。根據本發明的一個實施例，半導體襯底208可以耦接到地電位，對電吸收模塊202和半導體發光模塊204施加極性相反的偏壓，例如電吸收模塊的歐姆接觸212a可以被耦接至負電位，而半導體發光模塊204的歐姆接觸212b可以被耦接至正電位，光電轉換模塊206的歐姆接觸212c可以被耦接至負電位。當然，電吸收模塊202的歐姆接觸212a也可以被率禹接至正電位，使得施加在電吸收模塊202上的偏壓遠低於施加在半導體發光模塊204上的偏壓。
[0036]在步驟302，電吸收模塊202接收輸入光信號，在光子與電子相互作用過程中，有源區210吸收低於第一預定水平的對應於低電平的輸入光信號，產生電子並在偏壓的作用下產生流向212a的電流。所述第一預定水平與電吸收模塊202所採用的半導體材料的能帶寬度，電吸收模塊202的結構，以及施加在電吸收模塊202上的偏壓有關。隨著輸入信號光功率的增加，高能帶中的空位逐漸被電子填充滿從而達到飽和，因此光吸收效率也隨之降低。因此，電吸收模塊202可以有效的減少較低光功率水平也就是對應於低電平(「O」電平)的輸入信號中的噪音。
[0037]在步驟304，半導體光放大模塊204接收輸入光信號，在受激輻射作用下，在有源區210的內部發生電子躍遷從而產生光子，並在偏壓的作用下產生流向有源區210的電流，從而對輸入低於第二預定水平的對應於高電平(「I」電平)的輸入光信號進行放大。隨著輸入光功率的增大，在飽和效應的作用下，半導體光放大模塊的增益係數會隨之減小，從而實現對對應於高電平的光信號的功率均衡。所述第二預定水平與半導體光放大模塊204所採用的半導體材料的能帶寬度，半導體光放大模塊204的結構，以及施加在半導體光放大模塊204的偏壓有關。
[0038]根據本發明的一個實施例，步驟302與步驟304的順序是可以調換的。
[0039]在步驟306，光電轉換模塊206接收經過電吸收模塊202和半導體光放大模塊204處理的光信號，將其轉換為電信號並加以輸出。
[0040]圖4(a)所示為分別經過電吸收模塊202和半導體光放大模塊204處理後的光信號，以及經過電吸收模塊202和半導體光放大模塊204共同作用後的光信號示意圖。圖4(b)所示為在突發模式下採用本發明實施例中的電吸收模塊202和半導體光放大模塊204處理前後的來自多個ONU的光信號的對比。可見，經過處理以後的光信號的功率更加均衡，突發模式的輸入信號基本被調整為連續模式。
[0041]圖5所示為用於光接入網絡的突發模式接收機500的示意圖。接收機500包括突發模式光探測器510。光探測器510與圖2中所示的光探測器200具有相同的結構和功能，包括電吸收模塊516，半導體光放大模塊514，以及光電轉換模塊512。接收機500還包括信號處理電路520，用於對所述光探測器輸出的電信號進行電域處理從而獲得數據和時鐘信肩、O
[0042]圖6所示為用於光接入網的突發模式0LT600的示意圖。對TWDM-PON型網絡來說，有四對不同的上下行波長。針對這四對波長，圖6所示的0LT600分別採用四部發射機610a_d和四部接收機600a_d來分別進行處理。其中每一部接收機600a_d都包含圖2所示的突發模式光探測器200。發射機610a-d通過復用器612與波分復用器620相耦接，接收機600a-d通過解復用器602與波分復用器620相稱接。米用這樣的0LT,在任一波長的上行鏈路上發生突發狀況時，都可以經過相應的接收機的處理從而達到功率上的均衡。
[0043]圖7所示為根據本發明一個實施例所述的一種用於光接入網絡的突發模式光探測器的製造方法。該方法與CMOS工藝兼容，特別的，可以採用MOCVD技術。
[0044]在步驟702，在半導體襯底上形成脊型波導。其中包括在所述半導體襯底上形成緩衝層；以及在所述緩衝層上形成有源區。所述半導體襯底和緩衝層可以由N型磷化銦構成。所述形成有源區的過程可以包括，先形成第一層由銦鎵砷磷構成的分離限制異質結構層，再形成由銦鎵砷磷構成的壘以及由銦鎵砷構成的阱，然後形成第二層由銦鎵砷磷構成的分離限制異質結構層。隨後再在第二層由銦鎵砷磷構成的分離限制異質結構層上形成阻刻層，並澱積P型磷化銦以及頂層的P型砷鎵銦。在步驟704，對所述脊型波導遠離所述半導體襯底的一端進行刻蝕形成溝槽，從而使所述脊型波導形成電吸收模塊，半導體光放大模塊，以及光電轉換模塊，所述各模塊在遠離所述半導體襯底的一端通過所述溝槽彼此分離，在靠近所述半導體襯底的一端通過所述有源區彼此相連。在步驟706，在所述襯底遠離所述脊型波導的一端形成歐姆接觸，並在所述電吸收模塊，所述半導體光放大模塊以及所述光電轉換模塊遠離所述半導體襯底的一端形成各自的歐姆接觸。
[0045]本領域技術人員很容易就得知，可以在本發明的範圍內改變材料和方法。還應該理解的是，除了用於說明實施例的具體語境之外，本發明提供了許多可應用的創新性概念。相應地，所附權利要求旨在將這樣的過程、機器、製造、物質合成、裝置、方法或者步驟包括在它們的範圍內。
【權利要求】
1.一種用於光接入網絡的突發模式光探測器，包括: 電吸收模塊，用於對光功率低於第一預定水平的對應於低電平的輸入光信號進行吸收； 半導體光放大模塊，用於對光功率低於第二預定水平的對應於高電平的輸入光信號進行光功率放大；以及 光電轉換模塊，用於對經所述電吸收模塊和所述半導體光放大模塊處理後的光信號轉化為電信號用於輸出； 其中所述電吸收模塊與所述半導體光放大模塊中的外部注入電流方向相反。
2.如權利要求1所述的光探測器，其中所述電吸收模塊、所述半導體光放大模塊以及所述光電轉換模塊由形成於半導體襯底之上脊形波導構成；所述脊形波導上具有溝槽從而使所述各模塊在遠離所述半導體襯底的一端彼此分離，而在靠近所述半導體襯底的一端通過有源區彼此相連；並且所述電吸收模塊中的電流沿遠離所述半導體襯底的方向流出所述有源區，所述半導體光放大模塊中的電流沿靠近所述半導體襯底的方向流入所述有源區。
3.如權利要求2所述的光探測器，其中所述有源區的形態包括量子阱，量子點或者體材料。
4.如權利要求1-3中任一所述的光探測器，其中所述各模塊以及所述半導體襯底由II1-V族半導體材料構成。
5.如權利要求4所述的光探測器，其中所述半導體襯底由磷化銦構成，所述各模塊由銦鎵砷或者銦鎵砷磷構成。
6.如權利要求5所述的光探測器，其中所述有源區材料的能帶寬度對應為光通信波段。
7.如權利要求5所述的接收機，其中所述光接入網絡是時分復用光網絡或是時分及波長分混合復用光網絡。
8.一種用於光接入網絡的突發模式接收機，包括 光探測器，用於對對應於低電平和高電平的輸入光信號同時進行均衡處理；以及信號處理電路，耦接至所述光探測器，用於對從所述光探測器輸出的電信號進行電學處理從而獲得數據和時鐘信息； 其中所述光探測器包括， 電吸收模塊，用於對功率低於第一預定水平的對應於低電平的輸入光信號進行吸收；半導體光放大模塊，用於對功率低於第二預定水平的對應於高電平的輸入光信號進行光功率放大；以及 光電轉換模塊，用於對經所述電吸收模塊和所述半導體光放大模塊處理後的光信號轉化為電信號用於輸出； 其中所述電吸收模塊與所述半導體光放大模塊中的外部注入電流方向相反。
9.如權利要求8所述的接收機，其中所述電吸收模塊、所述半導體光放大模塊以及所述光電轉換模塊由形成於半導體襯底之上脊形波導構成；所述脊形波導上具有溝槽從而使所述各模塊在遠離所述半導體襯底的一端彼此分離，而在靠近所述半導體襯底的一端通過有源區彼此相連。
10.如權利要求9所述的接收機，其中所述半導體襯底由磷化銦構成，所述各模塊由銦鎵砷或者銦鎵砷磷構成。
11.一種用於光接入網絡的光線路終端，包括 一個或多個突發模式接收機； 一個或多個發射機；以及 波分復用器，與所述一個或多個突發模式接收機以及所述一個或多個發射機耦接； 其中，所述突發模式接收機包括 光探測器，用於對對應於低電平和高電平的輸入光信號同時進行均衡處理；以及信號處理電路，耦接至所述光探測器，用於對從所述光探測器輸出的電信號進行電學處理從而獲得數據和時鐘信息； 其中所述光探測器包括， 電吸收模塊，用於對功率低於第一預定水平的對應於低電平的輸入光信號進行吸收；半導體光放大模塊，用於對功率低於第二預定水平的對應於高電平的輸入光信號進行光功率放大；以及 光電轉換模塊，用於對經所述電吸收模塊和所述半導體光放大模塊處理後的光信號轉化為電信號用於輸出； 其中所述電吸收模塊與所述半導體光放大模塊中的外部注入電流方向相反。
12.一種用於在光接入網絡中的突發模式下進行光探測的方法，包括: 通過光探測器的電吸收模塊對功率低於第一預定水平的對應於低電平的輸入光信號進行吸收； 通過所述光探測器半導體光放大模塊對功率低於第二預定水平的對應於高電平的輸入光信號進行光功率放大；以及 通過所述光探測器的光電轉換模塊將經吸收和放大後的光信號轉換為電信號並加以輸出。
13.如權利要求12所述的方法，其中由所述電吸收模塊進行吸收和由所述半導體光放大模塊進行的放大操作的先後順序可調。
14.如權利要求12所述的方法，還包括向所述電吸收模塊施加與所述半導體光放大模塊上電壓極性相反的電壓，或者向所述電吸收模塊施加遠小於半導體光放大模塊上電壓的同向電壓。
15.一種用於光接入網絡的突發模式光探測器的製造方法，包括: 在半導體襯底上形成脊型波導； 其中包括 在所述半導體襯底上形成緩衝層；以及 在所述緩衝層上形成有源區； 對所述脊型波導遠離所述半導體襯底的一端進行刻蝕形成溝槽，從而使所述脊型波導形成電吸收模塊，半導體光放大模塊，以及光電轉換模塊，所述各模塊在遠離所述半導體襯底的一端通過所述溝槽彼此分離，在靠近所述半導體襯底的一端通過所述有源區彼此相連；以及 在所述半導體襯底遠離所述脊型波導的一側形成歐姆接觸，並在所述電吸收模塊，所述半導體光放大模塊以及所述光電轉換模塊遠離所述半導體襯底的一端形成各自的歐姆接觸。
【文檔編號】H04B10/60GK104426613SQ201310363201
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2013年8月19日 優先權日:2013年8月19日
【發明者】黃喜, 肖司淼, 昌慶江 申請人:上海貝爾股份有限公司