CN101984565A - 多通道双功能波分复用光电集成模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多通道双功能波分复用光电集成模块，其包括有一个信号光输入端、一个信号光输出端、至少两个用于发射信号光的光发射装置、与光发射装置数目相同的用于检测信号光的光接收装置及位于信号光输入端和信号光输出端与光发射装置和光接收装置之间的用于两个方向传输信号光的自由空间光学元件系统。借由本发明的多通道双功能波分复用光电集成模块，可以实现复用与解复用双重功能，光电集成一体，无光纤相互连接，且其成本低、结构紧凑、占用空间、节省光器件、插入损耗低，能应用于更多的场合。

Description

多通道双功能波分复用光电集成模块

技术领域

本发明有关一种光电集成模块，特别是指一种能实现复用与解复用双重功能的且无光纤连接的多通道双功能波分复用光电集成模块。

背景技术

在光通讯系统的末端，通常使用一种波分复用器，其可将由电信号转换的信号光发送到光纤等光传输路径中，或者该波分复用器从光传输路径中接收信号光。现有技术中，波分复用器是一种分波或合波器件，它能将不同波长的光信号复用至一根光纤上，或将复用在一根光纤中的多个光信号按波长分开。目前，在波分复用(WDM，Wave Division Multiplexing)系统中，常见MUX(Multiplexer，多路复用器)结构示意图如图1所示，光发射装置如激光二极管LD₁、LD₂......LD_N分别发射不同波长的信号光λ₁，λ₂......λ_N，通过光纤经过复用器件(WDM MUX)进入光纤中传输，并由信号光输出端接收，此处WDM作为合波器件。在波分复用系统中，常见DMUX(Demultiplexer，多路解复用器)结构示意图如图2所示，由信号光输入端入射的多种波长的信号光λ₁，λ₂......λ_N在光纤中传输，通过光纤经过解复用器件(WDM DMUX)分离出信号光，各不同波长的信号光由光纤分别进入多个受光元件，如光电二极管(Photodiode，PD)，此处WDM作为分波器件。因此，现有技术中的WDM一次只能实现复用或解复用中的一种功能，而在一些特殊场合，如光放大器等模块中，需要具有分波和合波两种功能的器件，这就需要两个波分复用器，需要许多光纤互相连接，由于每根光纤连接的最小弯曲半径是25mm，如图10所示，光纤包括有光纤包层11及光纤纤芯12，如果光纤弯曲半径小于25mm，在光纤纤芯12中传输的信号光将不满足全反射原理，信号光在光纤中传输时会发生失真，还会损失部分光能量。同时如果弯曲半径小于25mm，光纤容易损伤，会使光信号发生失真和插损变大。除此之外，因为有光纤存在于光学元件系统中，会占用很多空间，无疑增加了成本。由于传统的用于波分复用和解复用的自由空间光学元件系统包括有准直器和光纤头，使用器件多，因此插入损耗大，且不易于集成。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种占用空间小，成本低，插入损耗低，且能将复用和解复用双重功能集成在一个器件上的多通道双功能波分复用光电集成模块。

为达到上述目的，本发明提供一种多通道双功能波分复用光电集成模块，其包括有一个信号光输入端、一个信号光输出端、至少两个用于发射信号光的光发射装置、与光发射装置数目相同的用于检测信号光的光接收装置及位于信号光输入端和信号光输出端与光发射装置和光接收装置之间的用于两个方向传输信号光的无光纤相互连接的自由空间光学元件系统，光发射装置与光接收装置及自由空间光学元件系统集成在一起。

本发明中的无光纤相互连接的自由空间光学元件系统，包括有一组多波长通道及至少两组并列设置的单波长通道，该单波长通道的组数与光发射装置数目相同；多波长通道包括有用于多波长传输的凸透镜，第一组单波长通道依序包括有滤波片、用于单波长传输的凸透镜与反射镜，其中第一组单波长通道的滤波片位于多波长通道的凸透镜与该组单波长通道的凸透镜之间，其中所述第一组单波长通道的反射镜的镜面与水平面呈45°，用于将光反射装置的信号光耦合进所述第一组单波长通道的凸透镜；其余各组单波长通道依序包含有凹面镜、滤波片、用于单波长传输的凸透镜及用于单波长传输的反射镜，其中所述凹面镜位于靠近多波长通道的一端，其中各组单波长通道的反射镜的镜面与水平面呈45°，光发射装置的信号光通过反射镜耦合进所对应的各组单波长通道的凸透镜；由各组单波长通道的凸透镜出射的信号光直接进入所对应的光接收装置。

第一组单波长通道的滤波片位于多波长通道的凸透镜的像方焦点上，每组单波长通道的滤波片位于各自对应的该组单波长通道的凸透镜的像方焦点上。

奇数组单波长通道所对应的光发射装置发射信号光进入该组单波长通道的反射镜，信号光经反射镜反射后进入该组单波长通道的凸透镜的上方，奇数组单波长通道的凸透镜的下方出射的信号光直接进入该组单波长通道所对应的光接收装置；偶数组单波长通道所对应的光发射装置发射信号光进入该组单波长通道所对应的反射镜，信号光经反射镜反射后进入该组单波长通道的凸透镜的下方，偶数组单波长通道的凸透镜的上方出射的信号光直接进入该组单波长通道所对应的光接收装置。

本发明光发射装置为激光器、半导体激光二极管和半导体发光二极管，所述光接收装置为光电二极管。

本发明多通道双功能波分复用光电集成模块，其具有复用与解复用双重功能，不使用准直器和光纤头，其中自由空间光学元件系统完全无光纤相互连接，因此其体积更小、结构紧凑、成本低、插入损耗低，能应用于更多的场合。

附图说明

图1为公知WDM系统中多路复用器的结构示意图；

图2为公知WDM系统中解复用器的结构示意图；

图3为本发明多通道双功能波分复用光电集成模块的结构原理图；

图4为本发明中的自由空间光学元件系统实施例的内部结构示意图；

图5为本发明中的自由空间光学元件系统另一实施例的内部结构示意图；

图6为本发明多通道双功能波分复用光电集成模块的立体示意图；

图7为光电集成模块的底板；

图8为本发明中的凹面镜的成像示意图；

图9为本发明中的凹面镜的聚焦示意图；

图10为光纤最小弯曲半径示意图。

具体实施方式

为便于对本发明的结构及达到的效果有进一步的了解，现配合附图并举较佳实施例详细说明如下。

如图4所示，本发明多通道双功能波分复用光电集成模块，其包括有一个信号光输入端1、一个信号光输出端2、至少两个用于发射信号光的光发射装置3、与光发射装置3数目相同的用于检测信号光的光接收装置4及位于信号光输入端1和信号光输出端2与光发射装置3和光接收装置4之间的用于两个方向传输信号光的自由空间光学元件系统10。如图4及图5所示，该自由空间光学元件系统10包括有一组多波长通道及至少两组并列设置的单波长通道，该单波长通道的组数与所述光发射装置数目相同；多波长通道包括有用于多波长传输的凸透镜5，第一组单波长通道依序包括有滤波片7、用于单波长传输的凸透镜6及反射镜9，其中第一组单波长通道的滤波片7位于多波长通道的凸透镜5与该组单波长通道的凸透镜6之间，其中第一组单波长通道的反射镜9的镜面与水平面呈45°，用于将所对应的光发射装置的信号光耦合进第一组单波长通道的凸透镜6；其余各组单波长通道依序包含有凹面镜8(8’)、滤波片7’、用于单波长传输的凸透镜6’、用于单波长传输的反射镜9’，其中凹面镜8(8’)位于靠近多波长通道的一端，其中所有单波长通道的反射镜的镜面与水平面呈45°，光发射装置3发射的信号光通过反射镜耦合进所对应的各组单波长通道的凸透镜；由各组单波长通道的凸透镜出射的信号光直接进入所对应的光接收装置4，因此自由空间光学元件系统10内的各部件之间无光纤连接。

如图4所示，由光电集成模块的信号光输入端1入射波长分别为λ₁、λ₂和λ₃的信号光，进入多波长通道的凸透镜5，经多波长通道的凸透镜5聚焦，信号光入射到第一组单波长通道的滤波片7上，波长为λ₁的信号光透过滤波片7，经第一组单波长通道的凸透镜6接收并传至所对应的光接收装置4；而波长为λ₂和λ₃的信号光则经第一组单波长通道的滤波片7反射后照射在第二组单波长通道的凹面镜8上，再经凹面镜8反射，入射至第二组单波长通道的滤波片7’，波长为λ₂的信号光透过滤波片7’，经第二组单波长通道的凸透镜6’接收并传至所对应的光接收装置4；波长为λ₃的信号光则经第二组单波长通道的滤波片7’反射后入射至第三组单波长通道的凹面镜8’上，经凹面镜8’反射后，进入第三组单波长通道的滤波片7’，波长为λ₃的信号光透过第三组单波长通道的滤波片7’，经第三组单波长通道的凸透镜6’接收并传至所对应的光接收装置4，从而完成解复用功能。三组单波长通道所对应的光发射装置3分别发射波长为λ’₁、λ’₂和λ’₃的信号光，波长为λ’₁的信号光经由第一组单波长通道的反射镜9反射进入第一组单波长通道的凸透镜6，再透过第一组单波长通道的滤波片7到达多波长通道的凸透镜5送至信号光输出端2输出；波长为λ’₂的信号光经由第二组单波长通道的反射镜9’反射进入第二组单波长通道的凸透镜6’并透射，λ’₂透过第二组单波长通道的滤波片7’进入凹面镜8，经由凹面镜8反射到第一组单波长通道的滤波片7的高反面上，再反射入多波长通道的凸透镜5，最后出射至光电集成模块的信号光输出端2；波长为λ’₃的信号光经由第三组单波长通道的反射镜9’反射进入第三组单波长通道的凸透镜6’，透过第三组单波长通道的滤波片7’进入第三组单波长通道的凹面镜8’，经由凹面镜8’反射到第二组单波长通道的滤波片7’的高反面上，再反射入第二组单波长通道的的凹面镜8，经由凹面镜8反射到第一组单波长通道的滤波片7的高反面上，再反射入多波长通道的凸透镜5，最后出射至光电集成模块的信号光输出端2，从而完成复用功能。

再如图5所示，若本发明中具有N组单波长通道，复用/解复用N个波长的信号光，则从上至下排列N个滤波片、(N-1)个凹透镜、(N+1)个凸透镜、N个反射镜，其中N≥2，因此每组单波长通道所对应的光接收装置4与光发射装置3均为N个。由光电集成模块的信号光输入端1入射波长分别为λ₁、λ₂...λ_N的信号光，进入多波长通道的凸透镜5，经多波长通道的凸透镜5聚焦，信号光入射到第一组单波长通道的滤波片7上，波长为λ₁的信号光透过滤波片7，经第一组单波长通道的凸透镜6接收并传至所对应的光接收装置4；而波长为λ₂...λ_N的信号光则经第一组单波长通道的滤波片7反射后照射在第二组单波长通道的凹面镜8上，再经凹面镜8反射，入射至第二组单波长通道的滤波片7’，波长为λ₂的信号光透过滤波片7’，经第二组单波长通道的凸透镜6’接收并传至所对应的光接收装置4，依此类推，波长为λ_N的信号光则经第N-1组单波长通道的滤波片7’反射后入射至第N组单波长通道的凹面镜8’上，经凹面镜8’反射后，进入第N组单波长通道的滤波片7’，波长为λ_N的信号光透过第N组单波长通道的滤波片7’，经第N组单波长通道的凸透镜6’接收并传至所对应的光接收装置4，从而完成解复用功能。N组单波长通道所对应的光发射装置3分别发射波长为λ’₁、λ’₂...λ’_N的信号光，波长为λ’₁的信号光经由第一组单波长通道的反射镜9反射进入第一组单波长通道的凸透镜6，再透过第一组单波长通道的滤波片7到达多波长通道的凸透镜5送至信号光输出端2输出；波长为λ’₂的信号光经由第二组单波长通道的反射镜9’反射进入第二组单波长通道的凸透镜6’并透射，λ’₂透过第二组单波长通道的滤波片7’进入凹面镜8，经由凹面镜8反射到第一组单波长通道的滤波片7的高反面上，再反射入多波长通道的凸透镜5，最后出射至光电集成模块的信号光输出端2；波长为λ’_N的信号光经由第N组单波长通道的反射镜9’反射进入第N组单波长通道的凸透镜6’，透过第N组单波长通道的滤波片7’进入第N组单波长通道的凹面镜8’，经由凹面镜8’反射到第N-1组单波长通道的滤波片7’的高反面上，再反射入第N-1组单波长通道的的凹面镜8’，依此类推，波长为λ’_N的信号光经由第二组单波长通道的凹面镜8反射到第一组单波长通道的滤波片7的高反面上，再反射入多波长通道的凸透镜5，最后出射至光电集成模块的信号光输出端2，从而完成复用功能。

本发明的输入和输出两束光线共用一个滤波片。本发明中的光发射装置3可为激光器、半导体发光二极管或半导体激光二极管，光接收装置4可为光电二极管。

本发明中多波长通道的凸透镜5到第一组单波长通道的滤波片7的距离等于其像方焦点到端面的距离，即第一组单波长通道的滤波片7位于多波长通道的凸透镜5的像方焦点上，且每组单波长通道的滤波片7位于各自对应的该组单波长通道的凸透镜6的像方焦点上。

图6是本发明多通道双功能波分复用光电集成模块的立体示意图，其中光接收装置4和光发射装置3与自由空间光学元件系统10集成在一起，且整个光电集成模块插接在一底板上，该底板上具供光接收装置4和光发射装置3插接的电极40、30。

本发明的多通道双功能波分复用光电集成模块中的凹面镜具有聚焦光束的作用。当孔径角很小时，光纤在光轴附近很小的区域内，这个区域称为近轴区，近轴区内的光学成为近轴光线，我们可以得到凹面镜的物像位置关系，如图8所示，A、B分别为物的两端，A′、B′为像的两端，C为凹面镜的焦点，凹面镜的位置关系可由下式表示：

$\frac{1}{l^{\′}}-\frac{1}{l}=\frac{2}{R}$

式中l′和l分别为像点和物点距球面顶点O的距离，R为凹面镜的曲率半径。当有一定夹角θ₁的两束光线入射凹面镜时，如图9所示，可认为四个因素决定了经凹面镜反射后的两束光线的夹角θ₂：

1)由A点发出的两入射光线的中心轴线和凹面镜的基准轴的夹角α；

2)两入射光线的夹角θ₁；

3)凹面镜的半径R；

4)两光线交点A到球面顶点O的距离L₁；

当夹角θ₁很小的时候，可以得出

${\mathrm{\θ}}_2=\mathrm{\π}-2\·\arccos \left[L_1\frac{\sqrt{2-2\cos {\mathrm{\θ}}_1}}{2R}\right].$

若要使所有凸透镜的规格一致，可使θ₁＝₂θ，如图9所示，只需选择合适的凹面镜半径R、两光线交点A到凹面镜球面顶点O的距离L₁便可实现。

本发明中的反射镜、凸透镜、滤波片及凹面镜为市售产品，在此不做详述。

本发明多通道双功能波分复用无光纤相互连接的光电集成模块，其成本低、结构紧凑、体积小、所用器件少、插入损耗低，光电集成一体，同时兼备复用和解复用双重功能，能应用于更多的场合。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种多通道双功能波分复用光电集成模块，其特征在于，其包括有一个信号光输入端、一个信号光输出端、至少两个用于发射信号光的光发射装置、与光发射装置数目相同的用于检测信号光的光接收装置及位于信号光输入端和信号光输出端与光发射装置和光接收装置之间的用于两个方向传输信号光的无光纤互连接的自由空间光学元件系统，所述光发射装置与光接收装置及所述自由空间光学元件系统集成在一起。

2.如权利要求1所述的多通道双功能波分复用光电集成模块，其特征在于，所述自由空间光学元件系统包括有一组多波长通道及至少两组并列设置的单波长通道，该单波长通道的组数与所述光发射装置数目相同；所述多波长通道包括有用于多波长传输的凸透镜，第一组单波长通道依序包括有滤波片、用于单波长传输的凸透镜与反射镜，其中第一组单波长通道的滤波片位于所述多波长通道的凸透镜与该组单波长通道的凸透镜之间，其余各组单波长通道依序包含有凹面镜、滤波片、用于单波长传输的凸透镜及用于单波长传输的反射镜，其中所述凹面镜位于靠近所述多波长通道的一端，其中各组单波长通道的反射镜的镜面与水平面呈45°，所述光发射装置发射的信号光通过所述反射镜耦合进所对应的各组单波长通道的凸透镜；由各组单波长通道的凸透镜出射的信号光直接进入所对应的所述光接收装置。

3.如权利要求2所述的多通道双功能波分复用光电集成模块，其特征在于，所述第一组单波长通道的滤波片位于所述多波长通道的凸透镜的像方焦点上，每组单波长通道的滤波片位于各自对应的该组单波长通道的凸透镜的像方焦点上。

4.如权利要求2所述的多通道双功能波分复用光电集成模块，其特征在于，奇数组单波长通道所对应的光发射装置发射信号光进入该组单波长通道的反射镜，信号光经反射镜反射后进入该组单波长通道的凸透镜的上方，奇数组单波长通道的凸透镜的下方出射的信号光直接进入该组单波长通道所对应的光接收装置；偶数组单波长通道所对应的光发射装置发射信号光进入该组单波长通道所对应的反射镜，信号光经反射镜反射后进入该组单波长通道的凸透镜的下方，偶数组单波长通道的凸透镜的上方出射的信号光直接进入该组单波长通道所对应的光接收装置。

5.如权利要求1所述的多通道双功能波分复用光电集成模块，其特征在于，所述光发射装置为激光器、半导体激光二极管和半导体发光二极管，所述光接收装置为光电二极管。

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