CN102546030B - 利用单波长通信的光收发机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种通过光通信系统发射/接收具有相同波长的光信号的单波长双向光收发机。光收发机包括：发射器，该发射器包括隔离装置并将外部输入信号转换为光发射信号；滤光器，用以反射光发射信号的一部分并发射光发射信号的剩余部分；光纤，用以将滤光器发射的光发射信号传输到对应的光收发机；接收器，用以通过光纤接收来自对应的光收发机的光接收信号；以及机身，用以容纳发射器的一部分、滤光器、光纤的一部分和接收器的一部分。对发射器的中心轴和光纤的中心轴之间形成的入射角度(θ2)进行调整，以允许光发射信号倾斜入射到光纤内，从而在发射器将光发射信号发射到光纤时，减少光纤对没有与光纤耦合的光发射信号的反射。

Description

利用单波长通信的光收发机
技术领域
本发明通常涉及一种单波长双向光收发机，包括具有相同波长的发射器和接收器，更特别的，涉及一种双路单波长光收发机，具有用于阻止或拦截光路的结构，以防止来自发射器的光信号入射到接收器内，从而克服接收器将从发射器输出的信号检测并识别为前向信号，而该输出的信号并非前向信号(从对应的光收发机发射的信号)的问题，也就是光串扰效应的问题。
背景技术
近几年，随着有线/无线通信应用的增长，需要更高容量、更低损耗以及更高速度的通信系统来实现更多数据的快速传输。满足上述条件的光通信系统成为关注的焦点。
光通信根据使用的传输方式可分为全双工类型和双向类型。双向传输类型又可以细分为单波长传输技术和双波长传输技术。
使用单波长传输技术时，需要在通信系统的两端使用相同的光收发机。单波长双向传输意味着数据可同时在相同的传输线上以单波长进行双向传输。
图1是通常的单波长双向传输方法示意图。如图1所示，在单波长双向传输方法中应用两个单波长双向光收发机。单波长双向光收发机包括结合成一体的发射器和接收器。另外，使用单波长需要用50∶50的滤光器(或3dB分光器)来替代波分多路复用滤光器，从而使信号相互分离。就安装和维护成本而言，单波长双向传输方法比其他的传输方法更加经济，因为能够通过相同的光纤传输数据。另外，由于提供方和接收方使用相同的波长以及相同的光收发机，因此，该方法还具有易于安装的优点。
单波长双向光收发机能够以相同波长发射/接收信号，这需要具有50％-发射和50％-反射性能的滤光器或分光器。如上所述，当发射器开启后，光信号的50％被发射，而剩余的50％被反射。在这种情况中，只有被发射的50％的光信号将与光纤耦合，而其余被反射的50％的光信号中的一些信号被反射并入射到接收器内。这被称为“光串扰”效应，其中，前向信号受到来自发射器的一些信号入射到接收器内的影响。光串扰是单波长双向光学组件(bi-directional optical sub-assembly，BOSA)结构中的重要问题。
如上所述，虽然单波长双向光收发机由于易于安装且维护成本低而广泛应用，但是，在现实世界环境中，光串扰可能导致通信业务的信号灵敏度差。
发明内容
本发明用于解决上述描述的相关技术中的问题，本发明的一个方面在于，提供一种单波长双向光收发机，其能够阻止光发射信号产生光串扰的第一路径，该光发射信号从发射器输出，被滤光器反射，又被机身内壁部分后向反射并入射到接收器内。
本发明的另一个方面在于，提供一种单波长双向光收发机，能够阻止光发射信号产生光串扰的第二路径，该光发射信号通过滤光器发射，被光纤反射且不与该光纤耦合，又被滤光器后向反射并入射到接收器内。
根据本发明的一个方面，通过提供一种通过光通信系统来发射/接收具有相同波长的光信号的单波长双向光收发机，可实现上述及其他目的，该单波长双向光收发机包括：发射器，该发射器包括隔离装置并将外部输入信号转换为光发射信号；滤光器，用以反射光发射信号的一部分并发射光发射信号的剩余部分；光纤，用以将滤光器发射的光发射信号传输到对应的光收发机；接收器，用以通过光纤接收来自对应的光收发机的光接收信号；以及机身，用以容纳发射器的一部分、滤光器、光纤的一部分和接收器的一部分，其中，对发射器的中心轴和光纤的中心轴之间形成的入射角度(θ2)进行调整，以允许光发射信号倾斜入射到光纤内，从而在发射器将光发射信号发射到光纤时，减少光纤对于没有与光纤耦合的光发射信号的反射。
发射器的入射角度(θ2)可以通过纤芯折射率(n1)以及光纤的剖面法线和光纤的中心轴之间形成的角度(θ1)来确定。
当光纤的纤芯折射率(n1)为1.4682时(当波长(λ)＝1550纳米时)，如果光纤的剖面法线和光纤的中心轴之间形成的角度(θ1)为6°，则发射器的入射角度(θ2)可能为2.827°，如果光纤的剖面法线和光纤的中心轴之间形成的角度(θ1)为8°，则发射器的入射角度(θ2)可能为3.7905°。
与光发射信号相耦合的光纤剖面可能是涂有抗反射涂层的，从而为该剖面提供高透射比。
在机身的反射点上可以形成吸收装置，以防止光发射信号在被滤光器反射，又被机身后向反射之后，入射到接收器内。
在机身的反射点上可以形成孔洞，以防止光发射信号在被滤光器反射，又被机身后向反射之后，入射到接收器内。
形成在反射点上的吸收装置可以包括黑色环氧树脂(black epoxy resin)或吸收结构。
滤光器的倾斜角度(θ3)可以通过光纤的剖面法线和光纤的中心轴之间形成的角度(θ1)以及发射器的入射角度(θ2)确定，以便没有与光纤耦合且被滤光器后向反射并入射到接收器内的光发射信号的量可以降到最低，且光接收信号可垂直入射。
如果光纤的剖面法线和光纤的中心轴之间形成的角度(θ1)为6°，则滤光器的倾斜角度(θ3)可以为46.41°，如果光纤的剖面法线和光纤的中心轴之间形成的角度(θ1)为8°，则滤光器的倾斜角度(θ3)可以为45.9°。
光纤剖面的倾斜方向可以与滤光器的倾斜方向一致，从而被光纤反射的光可以被引导到吸收装置，以提供最低限度的反射。
附图说明
本发明的上述及其他方面、特征和其他优点将结合附图，通过下面的详细描述得以充分理解，其中：
图1为通常的单波长双向传输方法示意图；
图2表示使用传统的单波长双向传输方法时光收发机内光串扰的第一路径的示意图；
图3表示使用传统的单波长双向传输方法时光收发机内光串扰的第二路径的示意图；
图4表示根据本发明一个实施例的利用单波长双向光收发机的结构阻止光串扰的第一路径的框图；
图5A表示根据本发明一个实施例的可应用于单波长双向光收发机的机身的吸收结构示意图；
图5B表示根据本发明一个实施例的可应用于单波长双向光收发机的机身的吸收结构的剖视图；
图6表示根据本发明一个实施例的利用单波长双向光收发机的结构阻止光串扰的第二路径的框图；
图7表示根据本发明一个实施例的在单波长双向光收发机内光发射信号和光纤之间的接触表面的详细示意图；
图8表示根据本发明一个实施例的在单波长双向光收发机内根据发射器角度和光纤剖面角度的变化而反射的光信号的详细示意图；
图9表示根据本发明另一实施例的在单波长双向光收发机内滤光器和光纤的详细示意图；
图10A表示根据本发明一个实施例的当单波长双向光收发机的滤光器倾斜角度为47°时反射的光信号的详细示意图；
图10B表示根据本发明另一实施例的当单波长双向光收发机的滤光器倾斜角度为45°时反射的光信号的详细示意图；
图11A表示在传统的单波长双向光收发机内产生光串扰的示意图；
图11B表示根据本发明一个实施例的在单波长双向光收发机内没有出现光串扰时的详细示意图；
图12表示根据本发明一个实施例在单波长双向光收发机内将光纤的倾斜方向配置为与滤光器的倾斜方向相反时反射光信号的传送路径示意图；
图13A表示在通常的BOSA上进行光路跟踪仿真的结果示意图；
图13B表示根据本发明一个实施例的在单波长双向光收发机内将光纤的倾斜方向配置为与滤光器的倾斜方向相反时，进行光路跟踪仿真的结果示意图；
图13C表示根据本发明一个实施例的在单波长双向光收发机内将光纤的倾斜方向配置为与滤光器的倾斜方向一致时，进行光路跟踪仿真的结果示意图。
具体实施方式
优选实施例将参照附图进行详细描述。
之前描述的通常的单波长双向光收发机的配置和操作将结合附图在下面进行概述。单波长双向光收发机通常包括：发射器10、接收器20、滤光器30、光纤40和机身50。在接收到外部信号之后，发射器10将接收到的外部信号转换为光形式的光发射信号。发射器10可以包括隔离装置(isolator)15。在利用半导体激光(或TO-LD)作为光源的光通信中，隔离装置15用来阻挡一些从半导体激光器光源射出且从光部件或连接器反射回来的光。通常地，发射器10可以是激光二极管(LD)。
接收器20接收从对应的光收发机发射的光发射信号并将其转换为电信号。通常地，接收器20是光电二极管(PD)。滤光器30可以使用50％-发射/50％-反射的滤光器或能以相同波长发射/接收信号的分光器。光纤40与发射的光发射信号耦合并将该信号传输到对应的光收发机。机身50容纳发射器10的一部分、接收器20的一部分、滤光器30和光纤40的一部分。机身50用于保护光收发机的组件并阻碍外部信号。
传统的单波长双向光收发机内的光串扰现象将通过下述三条路径来描述。
图2表示传统的单波长双向光收发机内光串扰的第一路径的示意图。如图2所示，当从发射器10输出的光发射信号穿过滤光器30时，产生光串扰的第一路径。50％-50％滤光器30将从发射器10输出的光发射信号中的50％朝向机身50的内壁1’反射，同时将剩余的50％的光发射信号朝向光纤40发射。此时，朝向机身50的内壁1’反射的光，从内壁后向反射并穿过滤光器30入射到接收器20内。该路线被称为光串扰的第一路径。
图3表示传统的单波长双向光收发机内光串扰的第二路径的示意图。如图3所示，光串扰的第二路径在光发射信号穿过滤光器30后产生。穿过滤光器30的光发射信号朝向光纤40传送且部分地与光纤的剖面2’耦合。此时，光发射信号没有耦合的部分朝向滤光器30反射，并被滤光器30后向反射到接收器20内。该路线被称为光串扰的第二路径。
最后，光串扰的第三路径由光信号的耦合部分产生(图中未示出)。该耦合的部分光信号被对应的光收发机的连接器终端反射，穿过光纤40传输，然后被滤光器30后向反射到接收器20内。
光串扰由上述提到的光路径产生。在这些路径中，通过第一路径和第二路径产生的光串扰是信号噪声的主要来源。因此，为了克服第一和第二光串扰，本发明实施例意图阻止机身50产生的信号反射1’和光纤40产生的信号反射2’。
图4表示根据本发明一个实施例的通过单波长双向光收发机的结构来阻止光串扰的第一路径的框图。如图4所示，本发明的单波长双向光收发机采用下述方法消除第一光串扰：减少被机身50中与滤光器30反射的光发射信号相接触的内壁部分1’所反射的光信号。为了减少反射的光信号，可采取下述方式：在机身50的内壁部分1’内使用吸收装置，如环氧树脂或任何吸收结构，以减少反射的光信号的数量；或者，在内壁部分1’内形成沟槽或孔洞，以改变反射的光信号的路径。
图5A表示可应用于本发明的单波长双向光收发机的机身50的反射点的吸收结构的实例示意图，图5B是该吸收结构的剖视图。如图5A和图5B所示，吸收结构具有内部呈阶梯状且为锥形的剖面，以防止光信号被直接反射。另外，内部阶梯状且为锥形的剖面边缘为圆形，以适于漫反射。通过在机身50的内壁部分1’上附加或应用这样的吸收结构，可以防止机身产生的后向反射。
图6表示通过本发明的单波长双向光收发机的结构来阻止光串扰的第二路径的框图。如图6所示，本发明的单波长双向光收发机采用增加与光纤40相耦合的光信号的方法来消除第二光串扰。增加耦合的光信号相当于减少被光纤40反射的光信号。增加耦合的方法实例可以包括在光纤40的耦合剖面2，上形成抗反射(Anti-Reflective，AR)涂层，以便提供高透射比。另外，用几何方式增加耦合的方法实例可以包括将发射器10的入射角度θ2(参见图7)改变特定的度数。
图7表示在本发明的单波长双向光收发机内光发射信号和光纤40之间的接触表面的详细示意图。如图7所示，光纤40常用的剖面被切割为倾斜角度为6°至8°的倾斜截面，以减少菲涅耳反射。这里，假定光纤40的剖面的法线和光纤40的中心轴之间形成的角度为剖面角(section angle)θ1，发射器10的倾斜角度θ2由斯涅耳定律(n1sinθ1＝n2sinθ2)确定。就是说，发射器10的入射角度θ2由纤芯折射率n1和光纤40的剖面角θ1确定。相应的，假定光纤40的纤芯折射率n1为1.4682(当波长λ＝1550纳米时)，如果光纤40的剖面角θ1为6°，则发射器10的入射角度θ2为2.827°，如果光纤40的剖面角θ1为8°，则发射器10的入射角度θ2为3.7905°。
图8表示在本发明的单波长双向光收发机内，根据发射器10的入射角度θ2和光纤40的剖面角θ1的变化而反射的光信号的详细示意图。发射器10相当于位于图7所示设备左侧的设备，接收器20相当于位于图7所示设备下方的设备。从图8可以看出，当发射器角度θ2调整时，无论光纤40的剖面角为6°还是8°，被反射并入射到接收器20内的光信号的数量都显著减少。另外，在本实施例中，可以看出，当使用剖面角θ1为8°的光纤40，且发射器10的入射角度θ2改变特定度数以增加耦合时，被反射并入射到接收器20内的光信号的数量最少。
图9表示根据本发明另一实施例的在单波长双向光收发机内滤光器30和光纤40之间关系的详细示意图。从图9中可以看出，滤光器30的倾斜角度θ3基于滤光器30和光纤40的中心轴的法线之间形成的角度确定。在本实施例中，滤光器30的倾斜角度θ3通常在42°至45°的范围之内，以便从发射器10输出的光可被接收器20没有损耗地接收。
如上所述，光纤40的剖面角θ1可以为6°或8°。如果光纤40的剖面角θ1为6°，则发射器10的入射角度θ2变成2.82°。此时，根据公式90-2(θ3)+2.82，得知滤光器30的倾斜角度θ3变成46.41°。根据公式90-θ3可知，为了将滤光器30的倾斜角度θ3设置为46.41°，则滤光器支架(filter holder)的角度变为43.59°。就是说，当滤光器支架的角度变为43.59°，即滤光器30的倾斜角度θ3变成46.41°时，光以直角入射到接收器20内且损耗最低。另外，如果光纤40的剖面角θ1为8°，当滤光器30的倾斜角度θ3为45.9°时，损耗可能最低，也就是说，滤光器支架的角度为43.1°。
图10A表示当本发明的单波长双向光收发机的滤光器30的倾斜角度θ3为47°，即滤光器支架角度为43°时，反射的光信号的详细示意图，图10B表示当本发明的单波长双向光收发机的滤光器30的倾斜角度θ3为45°，即滤光器支架角度为45°时，反射的光信号的详细示意图。通过比较图10A与图10B可以看出，与滤光器30的倾斜角度θ3为45°时相比，当滤光器30的倾斜角度θ3为47°时光串扰进一步降低。光串扰降低程度增加的原因在于，当滤光器30的倾斜角度θ3为47°时，由于被滤光器30反射的光信号扩散，导致将要入射到滤光器30内的光信号的输出变弱。
图11A表示在传统的单波长双向光收发机内产生光串扰的示意图，图11B表示在本发明的单波长双向光收发机内没有发生光串扰的详细示意图。如图11A和图11B所示，在本发明的单波长双向光收发机内没有发生光串扰，但是在传统的单波长双向光收发机内产生了光串扰。
图12表示在本发明的单波长双向光收发机内当光纤40的倾斜方向配置为与滤光器30的倾斜方向相反时反射的光信号的路径示意图。从图12中可以看出，由于光信号的入射角度等于其相对于光纤40剖面的法线的反射角度，因此，入射后被反射的光朝向吸收装置传输，而不是朝向发射器10。
图13A表示在通常的BOSA上的光路跟踪仿真的结果示意图，图13B表示在本发明的单波长双向光收发机内将光纤40的倾斜方向配置为与滤光器30的倾斜方向相反时的光路跟踪仿真的结果示意图；图13C表示在本发明的单波长双向光收发机内将光纤40的倾斜方向配置为与滤光器30的倾斜方向一致时的光路跟踪仿真的结果示意图。从仿真结果可以看出，当光纤40的倾斜方向与滤光器30的倾斜方向一致时，如果反射路径朝向吸收装置移动，则内部反射可以被减少。
根据优选实施例，单波长双向光收发机能够阻止光发射信号产生光串扰的第一路径，该光发射信号从发射器输出，被滤光器反射，又被机身内壁部分后向反射并入射到接收器内。
进一步的，根据优选实施例，单波长双向光收发机能够阻止光发射信号产生光串扰的第二路径，该光发射信号通过滤光器发射，由光纤反射且不与该光纤耦合，又被滤光器后向反射并入射到接收器内。
应当理解，描述的实施例和附图用于解释目的，本发明通过下述权利要求来限定。而且，根据所附的权利要求，在不背离本发明的范围和精神的前提下，本领域技术人员所作的不同的修改、附加和替换都是允许的，而且均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种通过光通信系统来发射/接收具有相同波长的光信号的单波长双向光收发机，包括：
发射器，该发射器包括隔离装置并将外部输入信号转换为光发射信号；
滤光器，用以反射光发射信号的一部分并发射光发射信号的剩余部分；
光纤，用以将滤光器发射的光发射信号传输到对应的光收发机；
接收器，用以通过光纤接收来自对应的光收发机的光接收信号；和
机身，用以容纳发射器的一部分、滤光器、光纤的一部分和接收器的一部分，
其中，对发射器的中心轴和光纤的中心轴之间形成的入射角度θ2进行调整，以允许光发射信号倾斜入射到光纤内，从而在发射器将光发射信号发射到光纤时，减少光纤对于没有与光纤耦合的光发射信号的反射；
其中，在机身的反射点上形成吸收装置，以防止光发射信号在被滤光器反射，又被机身后向反射之后，入射到接收器内；
其中，吸收装置具有内部呈阶梯状且为锥形的剖面，以防止光信号被直接反射；以及
内部呈阶梯状且为锥形的剖面的边缘为圆形，以适于漫反射。
2.根据权利要求1所述的单波长双向光收发机，其中，发射器的入射角度θ2由纤芯折射率n1以及光纤的剖面法线和光纤的中心轴之间形成的角度θ1确定。
3.根据权利要求2所述的单波长双向光收发机，其中，当光纤的纤芯折射率n1为1.4682、波长λ＝1550纳米时，如果光纤的剖面法线和光纤的中心轴之间形成的角度θ1为6°，则发射器的入射角度θ2为2.827°，如果光纤的剖面法线和光纤的中心轴之间形成的角度θ1为8°，则发射器的入射角度θ2为3.7905°。
4.根据权利要求1所述的单波长双向光收发机，其中，光纤的剖面是涂有抗反射涂层的，从而为与光发射信号耦合的剖面提供高透射比。
5.根据权利要求1所述的单波长双向光收发机，其中，滤光器的倾斜角度θ3由光纤的剖面法线和光纤的中心轴之间形成的角度θ1以及发射器的入射角度θ2确定，以便没有与光纤耦合而被滤光器后向反射并入射到接收器内的光发射信号的量可以降到最低，且光接收信号可垂直入射。
6.根据权利要求5所述的单波长双向光收发机，其中，如果光纤的剖面法线和光纤的中心轴之间形成的角度θ1为6°，则滤光器的倾斜角度θ3为46.41°，如果光纤的剖面法线和光纤的中心轴之间形成的角度θ1为8°，则滤光器的倾斜角度θ3为45.9°。
7.根据权利要求1所述的单波长双向光收发机，其中，光纤剖面的倾斜方向与滤光器的倾斜方向一致，从而被光纤反射的光可被引导到吸收装置，以提供最低限度的反射。
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