CN111628828A - 一种高灵敏度光接收器件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高灵敏度光接收器件，包括光纤适配器、隔离器、管壳、第一透镜、半导体光放大器、第二透镜、光探测PIN PD芯片和输出电路板，管壳的一端端面上分别设有通孔，光纤适配器设置于管壳上具有通孔的一端，隔离器、第一透镜、半导体光放大器、第二透镜和光探测PIN PD芯片分别封装于管壳内并顺次光路连接，且光探测PIN PD芯片的输出端与输出电路板的一端电连接，输出电路板的另一端与外部电信号接收器件电连接。本发明的高灵敏度光接收器件可实现高灵敏度接收，产品合格率高并且电控简单，成本得到有效降低，同时，集成半导体光放大器和光探测PIN PD芯片，实现了器件的小型化，便于实现小型化的单通道的SFP型封装或多通道的QSFP型封装。
Description
技术领域
本发明涉及光通讯技术领域，尤其涉及一种高灵敏度光接收器件。
背景技术
随着互联网数据业务的爆炸式增长，云计算、高性能计算机、数据中心，自动驾驶等应用的不断涌现，光纤通信对通信带宽的要求越来越高，接入传输距离要求越来越长，从数据中心的几十米到2km，10Km，甚至30-40Km。
现有技术中解决接入侧长距离传输的方法是采用雪崩二极管APD作为信号探测，构建高灵敏度的光接收器件，达到30-40km传输距离要求的接收灵敏度。但是由于雪崩二极管APD属于雪崩放大，对静电比较敏感，很小的静电也会导致芯片被击穿损毁。因此，一方面导致产品的合格率低，产品成本升高；另一方面，APD需要高压供电(典型值30V)，才能产生电子的雪崩效果，达到低信号放大的作用，这样在电路控制方面需要特殊的升压电路控制ADP，导致电控复杂程度加大，相应的成本上升。另外，现有技术中的光接收器件占用空间较大，不能进行模块的小型化。例如目前100G混合方式的 40km传输距离模块只能采用CFP2的封装形式，比主流的100G QSFP28封装体积大近6倍，显著降低了交换机上的光接口密度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种高灵敏度光接收器件。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种高灵敏度光接收器件，包括光纤适配器、隔离器、管壳、第一透镜、半导体光放大器、第二透镜、光探测PIN PD芯片和输出电路板，所述管壳的一端端面上分别设有用于光信号穿过的通孔或光窗，所述光纤适配器设置于所述管壳上具有所述通孔的一端，所述隔离器、第一透镜、半导体光放大器、第二透镜和光探测PIN PD 芯片分别封装于所述管壳内，所述隔离器、第一透镜、半导体光放大器、第二透镜和光探测PIN PD芯片顺次光路连接，且所述隔离器靠近所述通孔或光窗一侧并正对所述通孔或光窗设置，所述输出电路板的一端设置于所述管壳的另一端，且所述光探测PINPD芯片的输出端与所述输出电路板的一端电连接，所述输出电路板的另一端与外部电信号接收器件电连接。
来自于光纤链路的光信号由光纤适配器接入，并经由所述通孔或光窗输出至所述管壳内，经过所述隔离器和第一透镜后进入所述半导体光放大器，再由所述第二透镜耦合至所述光探测PIN PD芯片，完成光电转换后由所述光探测PIN PD芯片通过所述输出电路板对外输出电信号。
本发明的有益效果是：本发明的高灵敏度光接收器件，通过在光探测PIN PD阵列的光路前端集成半导体光放大器，这样来自光网络的光信号经半导体光放大器放大后，再输出到光探测PIN PD阵列，把光信号转换成电信号，实现高灵敏度接收，产品合格率高并且电控简单，成本得到有效降低，同时，由于集成半导体光放大器和光探测PIN PD芯片，实现了器件的小型化，便于实现小型化的单通道的SFP型封装或多通道的QSFP型封装。
在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进：
进一步：所述的高灵敏度光接收器件还包括第三透镜，所述第三透镜与所述光纤适配器光路连接并固定为一个整体，并对所述光纤适配器输出的光信号进行准直处理，经过准直处理后的光信号经由所述通孔输出至所述管壳内。
上述进一步方案的有益效果是：通过设置所述第三透镜可以将所述光纤适配器输出的光信号进行准直处理，提高光信号的耦合效率。
进一步：所述第三透镜封装于所述光纤适配器内，并正对所述通孔或光窗设置。
上述进一步方案的有益效果是：通过将所述第三透镜封装于所述光纤适配器内，可以大大缩小整个光接收器件的体积，使得整个光接收器件一体化。
进一步：所述的高灵敏度光接收器件还包括多通道解复用器，所述多通道解复用器封装与所述外壳内，且所述多通道解复用器位于所述半导体光放大器和第二透镜之间，所述多通道解复用器分别与所述半导体光放大器和第二透镜光路连接，并将所述半导体光放大器放大后的光信号分解多路光信号，并通过所述第二透镜聚焦后输出至所述光探测PIN PD芯片。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述多通道解复用器可以在所述光纤适配器输入多波长光信号时将多波长光信号分解为多路光信号，并由所述光探测PIN PD芯片接收，完成光电转换后由所述光探测PIN PD阵列通过所述输出电路板对外输出电信号，实现多通道光信号传输。
进一步：所述的高灵敏度光接收器件还包括第四透镜，所述第四透镜设置于所述半导体光放大器和所述多通道解复用器之间，并将经过所述半导体光放大器放大后的光信号进行准直处理，并输出至所述多通道解复用器。
上述进一步方案的有益效果是：通过所述第四透镜可以对经过所述半导体光放大器放大后的光信号进行二次准直处理，保证所述半导体光放大器和多通道解复用器之间光信号的耦合效率。
进一步：所述多通道解复用器采用一分多波分组件。
上述进一步方案的有益效果是：通过采用一分多波分组件可以将经过放大后的一路光信号分解为多路光信号，实现多路光信号的分离，便于后续对多路光信号进行光电转换以及对外输出。
进一步：所述多通道解复用器采用阵列波导光栅AWG芯片。
上述进一步方案的有益效果是：通过采用阵列波导光栅AWG芯片可以经过放大后的一路光信号分解为多路光信号，并被所述光探测PIN PD阵列上对应的通道接收，实现多路光信号的分离，便于后续对多路光信号进行光电转换以及对外输出。
进一步：所述阵列波导光栅AWG芯片的输出端端面设置为全反射角。
上述进一步方案的有益效果是：通过将所述阵列波导光栅AWG芯片的输出端端面设置为全反射角，这样可以使得所述阵列波导光栅AWG芯片直接与所述光探测PIN PD阵列，省去所述透镜阵列，简化所述管壳内的结构，降低了生产成本。
进一步：所述输出电路板采用柔性电路板。
上述进一步方案的有益效果是：采用柔性电路板可以方便与外部接收器件安装，并且柔性电路板可以根据需要进行弯曲形变，便于与外部接收器件集成，有效减小占用空间，大大缩小体积。
附图说明
图1为本发明一实施例的单通道高灵敏度光接收器件结构示意图；
图2为本发明一实施例的多通道高灵敏度光接收器件结构示意图；
图3为本发明另一实施例的多通道高灵敏度光接收器件的结构示意图；
图4为本发明又一实施例的多通道高灵敏度光接收器件的结构示意图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
110、光纤适配器，120、第三透镜，130、隔离器，140、第一透镜，150、半导体光放大器，160、第四透镜，170、多通道解复用器，175、管壳，180、第二透镜，190、光探测PIN PD芯片，195、输出电路板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种单通道的高灵敏度光接收器件,包括光纤适配器110、隔离器130、管壳175、第一透镜140、半导体光放大器150、第二透镜180、光探测PIN PD芯片190和输出电路板195，所述管壳175的一端端面上分别设有用于光信号穿过的通孔或光窗，所述光纤适配器110设置于所述管壳 175上具有所述通孔的一端，所述隔离器130、第一透镜140、半导体光放大器150、第二透镜180和光探测PIN PD芯片190分别封装于所述管壳175 内，所述隔离器130、第一透镜140、半导体光放大器150、第二透镜180 和光探测PIN PD芯片190顺次光路连接，且所述隔离器130靠近所述通孔或光窗一侧并正对所述通孔或光窗设置，所述输出电路板195的一端设置于所述管壳175的另一端，且所述光探测PIN PD芯片190的输出端与所述输出电路板195的一端电连接，所述输出电路板195的另一端与外部电信号接收器件电连接。
本发明的单通道高灵敏度光接收器件的工作原理为：来自于光纤链路的光信号由光纤适配器110接入，并经由所述通孔或光窗输出至所述管壳 175内，经过所述隔离器130和第一透镜140后进入所述半导体光放大器150，再由所述第二透镜180耦合至所述光探测PIN PD芯片190，完成光电转换后由所述光探测PIN PD芯片190通过所述输出电路板195对外输出电信号。
本发明的单通道高灵敏度光接收器件，通过在光探测PIN PD阵列的光路前端集成半导体光放大器，这样来自光网络的光信号经半导体光放大器放大后，再输出到光探测PINPD阵列，把光信号转换成电信号，由于半导体光放大器160具有10dB以上的宽带光放大作用，因此，可以提高光探测PIN PD芯片190的灵敏度10dB以上，实现高灵敏度接收，产品合格率高并且电控简单，成本得到有效降低，同时，由于集成半导体光放大器和光探测PIN PD芯片，实现了器件的小型化，便于实现小型化的单通道的SFP型封装。
在本发明的一个或多个实施例中，所述高灵敏度光接收器件还包括第三透镜120，所述第三透镜120与所述光纤适配器110光路连接并固定为一个整体，并对所述光纤适配器110输出的光信号进行准直处理，经过准直处理后的光信号经由所述通孔输出至所述管壳175内。通过设置所述第三透镜 120可以将所述光纤适配器输出的光信号进行准直处理，提高光信号的耦合效率。
可选地，所述第三透镜120封装于所述光纤适配器110内，并正对所述通孔或光窗设置。通过将所述第三透镜120封装于所述光纤适配器内，可以大大缩小整个光接收器件的体积，使得整个光接收器件一体化。
本发明的单通道高灵敏度光接收器件可以应用于多种速率的高灵敏度器件，如10Gbps，25Gbps，50Gbps，100Gbps等，而且不受信号调制方式的限制，既可以应用于常规的OOK调制方式，也可以应用于更高速率的PAM4 调制方式。
如图2-4所示，一种多通道的高灵敏度光接收器件，与上述单通道的高灵敏度光接收器件不同的是，需要将单通道的高灵敏度光接收器件中的第二透镜180对应调整为透镜阵列，并且在上述单通道的高灵敏度光接收器件的基础上，还包括多通道解复用器170，所述多通道解复用器170封装与所述外壳175内，且所述多通道解复用器170位于所述半导体光放大器150和透镜阵列之间，所述多通道解复用器170分别与所述半导体光放大器150和透镜阵列光路连接，并将所述半导体光放大器150放大后的光信号分解多路光信号，并通过所述透镜阵列聚焦后输出至所述光探测PIN PD芯片190。通过所述多通道解复用器170可以在所述光纤适配器输入多波长光信号时将多波长光信号分解为多路光信号，并由所述光探测PIN PD芯片190接收，完成光电转换后由所述光探测PIN PD阵列通过所述输出电路板对外输出电信号，实现多通道光信号传输。
可选地，在本发明的一个或多个实施例中，所述的高灵敏度光接收器件还包括第四透镜160，如图2-4所示，所述第四透镜160设置于所述半导体光放大器150和所述多通道解复用器170之间，并将经过所述半导体光放大器150放大后的光信号进行二次准直处理，并输出至所述多通道解复用器 170。通过所述第四透镜160可以对经过所述半导体光放大器150放大后的光信号进行二次准直处理，保证所述半导体光放大器150和多通道解复用器170之间光信号的耦合效率。
本发明的多通道高灵敏度光接收器件的工作原理为：来自于光纤链路的多波长光信号由光纤适配器110接入，通过所述第三透镜120对所述光纤适配器110输出的光信号进行准直处理，经过准直处理后的光信号经由所述通孔输出至所述管壳175内，,经过所述隔离器130和第一透镜140后进入所述半导体光放大器150，再经过所述多通道解复用器170分解为多路光信号后由所述透镜阵列一一对应耦合至所述光探测PIN PD阵列190，完成光电转换后由所述光探测PIN PD阵列190通过所述输出电路板195对外输出电信号。
本发明的多通道高灵敏度光接收器件，通过在光探测PIN PD阵列190 的光路前端集成半导体光放大器150，这样来自光网络的光信号经半导体光放大器150放大后，再输出到光探测PIN PD阵列190，把光信号转换成电信号，实现高灵敏度接收，产品合格率高并且电控简单，成本得到有效降低，同时，由于集成半导体光放大器和光探测PIN PD芯片，实现了器件的小型化，便于实现多通道的小型化的QSFP型封装。
在本发明的一个或多个实施例中，所述多通道解复用器170采用一分多波分组件(也叫一分N波分组件)。通过采用一分多波分组件可以将经过放大后的一路光信号分解为多路光信号，实现多路光信号的分离，便于后续对多路光信号进行光电转换以及对外输出。
如图2所示，以四通道为例，采用一分四波分组件时，来自光纤链路一根光纤中的四波长光信号通过光纤适配器110接入，经第三透镜120进行准直处理，成为准直光束，通过隔离器130后，被第一透镜140聚焦耦合进入半导体光放大器150放大，被放大的光波信号被第四透镜160重新准直处理后进入一分四波分组件，分解为四路光信号，并由四路透镜阵列耦合到对应的四路光探测PIN PD阵列190，光探测PIN PD阵列190形成的四路电信号通过输出电路板195输出，从而完成一根光纤中的四路光波长信号的放大、分离和光电转换、电信号输出等过程。
在本发明的一个或多个实施例中，所述多通道解复用器170采用阵列波导光栅AWG芯片如图3所示。通过采用阵列波导光栅AWG芯片可以经过放大后的一路光信号分解为多路光信号，并被所述光探测PIN PD阵列上对应的通道接收，实现多路光信号的分离，便于后续对多路光信号进行光电转换以及对外输出。
如图3所示，以四通道为例，采用阵列波导光栅AWG芯片时，来自光纤链路一个光纤中的四波长光信号通过光纤适配器110接入，经第三透镜120 进行准直处理后成为准直光束，通过隔离器130后，被第一透镜140聚焦耦合进入半导体光放大器150放大，被放大的光波信号被第四透镜160重新准直处理后耦合进入一分四阵列波导光栅AWG芯片，分解为四路光信号，并由四路透镜阵列耦合到对应的四路光探测PIN PD阵列190，形成四路电信号并通过输出电路板195输出，从而完成一个光纤中的四路光波长信号的放大、分离和光电转换、电信号输出等过程。
可选地，在本发明的一个或多个实施例中，所述阵列波导光栅AWG芯片的输出端端面设置为大于芯层波导全反射角(全反射角的计算公式为arcsin (1/n)，其中n为阵列波导光栅AWG芯片的折射率，如n为～1.6)，典型如45°。通过将所述阵列波导光栅AWG芯片的输出端端面设置为全反射，这样可以使得所述阵列波导光栅AWG芯片输出的光线发生约90°转折，直接与面接收的光探测PIN PD阵列耦合，省去所述透镜阵列，如图4所示，简化所述管壳内的结构，降低了生产成本。
在本发明的一个或多个实施例中，所述输出电路板195采用柔性电路板。采用柔性电路板可以方便与外部接收器件安装，并且柔性电路板可以根据需要进行弯曲形变，便于与外部接收器件集成，有效减小占用空间，大大缩小体积。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种高灵敏度光接收器件,其特征在于：包括光纤适配器(110)、隔离器(130)、管壳(175)、第一透镜(140)、半导体光放大器(150)、第二透镜(180)、光探测PIN PD芯片(190)和输出电路板(195)，所述管壳(175)的一端端面上分别设有用于光信号穿过的通孔，所述光纤适配器(110)设置于所述管壳(175)上具有所述通孔或光窗的一端，所述隔离器(130)、第一透镜(140)、半导体光放大器(150)、第二透镜(180)和光探测PIN PD芯片(190)分别封装于所述管壳(175)内，所述隔离器(130)、第一透镜(140)、半导体光放大器(150)、第二透镜(180)和光探测PIN PD芯片(190)顺次光路连接，且所述隔离器(130)靠近所述通孔或光窗一侧并正对所述通孔或光窗设置，所述输出电路板(195)的一端设置于所述管壳(175)的另一端，且所述光探测PIN PD芯片(190)的输出端与所述输出电路板(195)的一端电连接，所述输出电路板(195)的另一端与外部电信号接收器件电连接；
来自于光纤链路的光信号由光纤适配器(110)接入，并经由所述通孔或光窗输出至所述管壳(175)内，经过所述隔离器(130)和第一透镜(140)后进入所述半导体光放大器(150)，再由所述第二透镜(180)耦合至所述光探测PIN PD芯片(190)，完成光电转换后由所述光探测PIN PD芯片(190)通过所述输出电路板(195)对外输出电信号。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度光接收器件,其特征在于：还包括第三透镜(120)，所述第三透镜(120)与所述光纤适配器(110)光路连接并固定为一个整体，并对所述光纤适配器(110)输出的光信号进行准直处理，经过准直处理后的光信号经由所述通孔输出至所述管壳(175)内。
3.根据权利要求2所述的高灵敏度光接收器件,其特征在于：所述第三透镜(120)封装于所述光纤适配器(110)内，并正对所述通孔或光窗设置。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度光接收器件,其特征在于：还包括多通道解复用器(170)，所述多通道解复用器(170)封装与所述外壳(175)内，且所述多通道解复用器(170)位于所述半导体光放大器(150)和第二透镜(180)之间，所述多通道解复用器(170)分别与所述半导体光放大器(150)和第二透镜(180)光路连接，并将所述半导体光放大器(150)放大后的光信号分解多路光信号，并通过所述第二透镜(180)聚焦后输出至所述光探测PINPD芯片(190)。
5.根据权利要求4所述的高灵敏度光接收器件,其特征在于：还包括第四透镜(160)，所述第四透镜(160)设置于所述半导体光放大器(150)和所述多通道解复用器(170)之间，并将经过所述半导体光放大器(150)放大后的光信号进行准直处理，并输出至所述多通道解复用器(170)。
6.根据权利要求4所述的高灵敏度光接收器件,其特征在于：所述多通道解复用器(170)采用一分多波分组件。
7.根据权利要求4所述的高灵敏度光接收器件,其特征在于：所述多通道解复用器(170)采用阵列波导光栅AWG芯片。
8.根据权利要求7所述的高灵敏度光接收器件,其特征在于：所述阵列波导光栅AWG芯片的输出端端面设置为全反射角。
9.根据权利要求1-8任一项所述的高灵敏度光接收器件,其特征在于：所述输出电路板(195)采用柔性电路板。
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