一种多通道光电收发集成系统的制作方法

本发明涉及现代数据传输中心的高速光电通信领域，尤其涉及一种多通道光电收发集成系统。

背景技术：

1、随着人工智能、智能计算、云存储等技术等的飞速发展，人类科技对于底层算力需求呈爆发式增长，数据传输量从gb到tb再到pb不断攀升，这也对数据传输速率提出了更高的要求。光电技术是现代算力和通信技术的重要基础，基于光电技术发展出光电传输集成系统，包括光模块、光交换机等，传输速率也从25gbit/s每通道向50gbit/s每通道再到100gbit/s每通道飞速提升，通道集成数量也从单通道向4通道、8通道不断拓展。总的来说，当前光电技术朝着更高通道速率、更密集通道集成数量不断发展。

2、现有的光电传输系统例如光模块等，发射和接收部分是两个完全不同的模块，制备的工艺差别很大，同时受到模块尺寸和功率的限制，无法做到很好的系统集成，导致光电传输系统传输速率受限的弊端。因此，需要进行光电收发系统的设计，避免因收发模块工艺差异带来集成的难度，从而提高传输速率，满足现代通信的数据传输交换需求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于针对现在通信的高速数据传输交换需求以及现有光电收发系统集成难点，提出了一种多通道光电收发集成系统；旨在提升光电集成效率与通信速率，具有易于集成，工艺统一优势，为未来光电收发集成系统提供了新解决途径。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种多通道光电收发集成系统，所述系统包含第一光纤阵列、第二光纤阵列、硅基发射芯片、发射信号放大模块、硅基接收芯片和接收信号放大模块；

3、所述第一光纤阵列通过光封装给硅基发射芯片提供外部光源，并把经过调制后的光信号输出至光纤上；

4、所述第二光纤阵列通过光封装给硅基接收芯片提供已调制的光信号；

5、所述硅基发射芯片与发射信号放大模块进行高速射频电信号连接，发射信号放大模块与外部任意波形发射器信号源连接，发射信号放大模块将任意波形发射器产生的高速电信号放大后调制至硅基发射芯片上；

6、所述硅基接收芯片与接收信号放大模块进行高速射频电信号连接，接收信号放大模块与外部误码仪连接，接收信号放大模块将硅基接收芯片产生的高速电信号放大后输出给误码仪进行信号质量的分析；

7、所述硅基发射芯片和硅基接收芯片的硅光结构相同，且集成在同一晶片上；所述硅基发射芯片引出的射频电极为gs结构，所述硅基接收芯片引出的射频电极为gsg结构。

8、进一步地，所述硅光结构包含两个硅基pn结结构，这两个硅基pn结与掺杂度依次变高的p型和n型半导体连接；所述硅基pn结中，从左到右的材料类型依次为n++、n+、n、p、p+、p++、p++、p+、p、n、n+、n++，且两个硅基pn结是光波导结构，光从两个硅基pn结通过。

9、进一步地，所述硅基pn结结构置于sio2层上面，sio2层置于si层上面，同时在硅基pn结之间结间隙与硅基pn结顶层布置sio2材料。

10、进一步地，电极结构在硅光结构的最顶层，电极材料为铝，与硅基pn结结构的n++、p++分别相连接；所述硅基发射芯片电极gs结构的特征阻抗z1与发射信号放大模块匹配，所述硅基接收芯片电极gsg结构的特征阻抗z2与所述接收信号放大模块匹配。

11、进一步地，所述多通道光电收发集成系统工作在o波段下的lwdm波长范围下，每个通道采用lwdm 的特定通道，通道波长不重叠。

12、进一步地，所述硅基发射芯片包含多个通道，每个通道引出两个光口，每个通道的两个光口采用两个模斑转换器的端面耦合器分别进行光的输入和输出；多个通道组成模斑转换器阵列，且等间距排列，相邻模斑转换器中心间距与第一光纤阵列匹配。

13、进一步地，所述硅基接收芯片包含多个通道，每个通道引出两个光口，每个通道的两个光口采用两个模斑转换器的端面耦合器分别进行光的输入和输出；多个通道组成模斑转换器阵列，且等间距排列，相邻模斑转换器中心间距与第二光纤阵列匹配。

14、进一步地，所述硅基发射芯片通过光纤阵列的光封装，实现外部光源与模斑转换器阵列的光路耦合；所述硅基接收芯片通过光纤阵列的光封装，实现外部光源与模斑转换器阵列的光路耦合。

15、进一步地，所述硅基发射芯片通过打金线的方式与发射信号放大模块进行电连接，发射信号放大模块通过打金线与射频输入转接口连接，射频输入转接口通过射频线缆与任意波形发生器连接。

16、进一步地，所述硅基接收芯片通过打金线的方式与接收信号放大模块进行电连接，接收信号放大模块通过打金线与射频输出转接口连接，射频输出转接口通过射频线缆与误码仪连接。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明提出的一种多通道光电收发集成系统，首先采用了特定设计的硅光结构，基于同一种硅光结构以及不同的外部电极结构，能够用于硅光信号的发射与接收，实现了同一种工艺下的硅光发射和接收芯片设计，具有显著的集成优势。其次，基于该硅光结构设计得到的硅基发射芯片和硅基接收芯片，开展了多通道光电收发集成，获得了多通道光电收发集成系统，并搭建起测试与验证完整链路。区别于目前高速光电收发集成必须通过异质集成或者分离集成的技术途径，本发明所述一种多通道光电收发集成系统提供了新的光电收发集成技术路径，为未来更高速光电传输与更高密度光电集成提供了新的思路。

技术特征：

1.一种多通道光电收发集成系统，其特征在于，所述系统包含第一光纤阵列、第二光纤阵列、硅基发射芯片、发射信号放大模块、硅基接收芯片和接收信号放大模块；

2.根据权利要求1所述的多通道光电收发集成系统，其特征在于，所述硅光结构包含两个硅基pn结结构，这两个硅基pn结与掺杂度依次变高的p型和n型半导体连接；所述硅基pn结中，从左到右的材料类型依次为n++、n+、n、p、p+、p++、p++、p+、p、n、n+、n++，且两个硅基pn结是光波导结构，光从两个硅基pn结通过。

3.根据权利要求2所述的多通道光电收发集成系统，其特征在于，所述硅基pn结结构置于sio2层上面，sio2层置于si层上面，同时在硅基pn结之间结间隙与硅基pn结顶层布置sio2材料。

4.根据权利要求2所述的多通道光电收发集成系统，其特征在于，电极结构在硅光结构的最顶层，电极材料为铝，与硅基pn结结构的n++、p++分别相连接；所述硅基发射芯片电极gs结构的特征阻抗z1与发射信号放大模块匹配，所述硅基接收芯片电极gsg结构的特征阻抗z2与所述接收信号放大模块匹配。

5.根据权利要求1所述的多通道光电收发集成系统，其特征在于，所述多通道光电收发集成系统工作在o波段下的lwdm波长范围下，每个通道采用lwdm 的特定通道，通道波长不重叠。

6.根据权利要求1所述的多通道光电收发集成系统，其特征在于，所述硅基发射芯片包含多个通道，每个通道引出两个光口，每个通道的两个光口采用两个模斑转换器的端面耦合器分别进行光的输入和输出；多个通道组成模斑转换器阵列，且等间距排列，相邻模斑转换器中心间距与第一光纤阵列匹配。

7.根据权利要求1所述的多通道光电收发集成系统，其特征在于，所述硅基接收芯片包含多个通道，每个通道引出两个光口，每个通道的两个光口采用两个模斑转换器的端面耦合器分别进行光的输入和输出；多个通道组成模斑转换器阵列，且等间距排列，相邻模斑转换器中心间距与第二光纤阵列匹配。

8.根据权利要求1所述的多通道光电收发集成系统，其特征在于，所述硅基发射芯片通过光纤阵列的光封装，实现外部光源与模斑转换器阵列的光路耦合；所述硅基接收芯片通过光纤阵列的光封装，实现外部光源与模斑转换器阵列的光路耦合。

9.根据权利要求1所述的多通道光电收发集成系统，其特征在于，所述硅基发射芯片通过打金线的方式与发射信号放大模块进行电连接，发射信号放大模块通过打金线与射频输入转接口连接，射频输入转接口通过射频线缆与任意波形发生器连接。

10.根据权利要求1所述的多通道光电收发集成系统，其特征在于，所述硅基接收芯片通过打金线的方式与接收信号放大模块进行电连接，接收信号放大模块通过打金线与射频输出转接口连接，射频输出转接口通过射频线缆与误码仪连接。

技术总结
本发明公开了一种多通道光电收发集成系统，基于硅基设计的光电传输结构，本发明实现了在同一种结构下光电的相互作用，包括光电调制与光电解调。通过设计光电传输结构的物理尺寸与电磁传输特性，实现了其与不同类型的外部电放大芯片的尺寸匹配与电性能匹配，并构建了多通道的光电收发集成系统，可用于多通道高速光电信号的传输。本发明公开的一种多通道光电收发集成系统具有光电收发一体集成特点，集成程度高，采用同一种工艺即可实现光电的相互转化作用，避免了不同工艺带来的异质集成问题，有利于未来更大规模的光电集成与高速信号传输。

技术研发人员：应小俊,尹坤,陈敬月,李玉苗,刘硕,王玥,陈宏晨,王继厚,刘士圆,许桐恺,吉晨
受保护的技术使用者：之江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15