CN105301712B - 一种具备功率控制功能的bosa器件 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具备功率控制功能的BOSA器件，包括发射部分、接收部分及发射端功率控制部分；发射部分包括激光器组件；接收部分依次包括用于实现透射光谱带宽的调整的至少两个F‑P腔滤波标准具、用于将接收到的滤波后的光信号转换为电信号的光探测器；发射端功率控制部分包括用于与外部跳线对接实现光信号上传及下载的数据上传及下载接口、用于传输下载的外界光信号及激光器组件出射的发射光信号的双芯光纤、用于调节发射端光信号功率大小的MEMS芯片、用于分离外界光信号与发射端光信号的WDM滤波器。该器件基于MEMS芯片实现发射端功率可调，在TWDM‑PON中应用时，易于形成产业化，且体积较小，成本较低。

Description

一种具备功率控制功能的BOSA器件
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种BOSA（Bi-direction Optical Sub-Assembly，光发射接收组件）器件，特别是涉及一种具备功率控制功能的BOSA器件。
背景技术
随着信息传输带宽的需求一直在以爆炸的速度增长。为满足网络流量的飞速发展，在骨干层网络，40Gbps、100Gbps光网络已经开始商用部署，400Gbps或1Tbps光通信系统也开始研究。在接入网络层面，也必然对网络流量和多业务支持提出了更高要求。目前接入网主要以树形结构的无源光网络PON技术为主，基于时分复用的无源光网络TDM-PON（timedivision multiplexing-Passive optical network）应用较广泛。EPON（EthernetPassive Optical Network）和GPON(Gigabit-Capable passive optical network)技术是当前FTTH网络建设的主要手段。但已经不能适应目前接入网对信息速率的需求。为此下一代PON技术已经被业界所广泛关注。且业界认为 NG-PON的技术演进有3个方面：1 单波长提高速率；2 采用波分复用技术；3 采用正交频分复用技术。
三种技术均可有效解决未来市场的带宽瓶颈问题，但也各有其急需解决的难题，如第一种提高单波长速率必将引起更大的线路色散。第三种正交频分复用技术则对DSP(digital signal processing)技术提出了新的要求。相对而言，第二种采用波分技术更加容易实现，技术壁垒较低，成本相对较低。基于此，FSAN (Full Service Access Networks)峰会最终确定TWDM-PON为下一代PON产品最终解决方案。
但即使作为TWDM-PON，其同样有亟待解决的技术问题，即ONU(Optical networkunit)模块必须具有波长可调的接收功能，及波长可调的发射功能，即ONU内部BOSA器件的双向波长可调。同时由于在不同的应用环境下，存在不同的传输距离如20km，40km，不一样数量级的ONU用户，如64户，128户，256户等，这就需要ONU发射端具有发射功率具有较大幅度的可调范围以避免OLT（Optical Line Terminal，光线路终端）接收端APD（AvalanchePhoto Diode，雪崩光电二极管）光检测器出现过载。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的在于提出一种具备功率控制功能的BOSA器件，该器件是一种基于MEMS（Micro Electro-Mechanical system，微机电系统）芯片实现发射端功率可调，该BOSA器件在TWDM-PON中应用时，易于形成产业化，且体积较小，成本较低。
本发明的技术方案是：
一种具备功率控制功能的BOSA器件，包括，发射部分、接收部分及发射端功率控制部分；
所述发射部分，包括：激光器组件；
所述接收部分，依次包括：用于实现透射光谱带宽的调整以满足FSAN规定对TWDM-PON可调接收机工作带宽要求的至少两个F-P腔滤波标准具、用于将接收到的滤波后的光信号转换为电信号的光探测器；
所述发射端功率控制部分，包括：用于与外部跳线对接实现光信号上传及下载的数据上传及下载接口、用于传输通过数据上传及下载接口下载的外界光信号及激光器组件出射的发射光信号的双芯光纤、用于调节从双芯光纤传输过来的发射端光信号功率大小的MEMS芯片、用于分离双芯光纤传输过来的外界光信号与发射端光信号的WDM滤波器。
其中，所述F-P腔滤波标准具，包括第二F-P腔滤波标准具及第一F-P腔滤波标准具，所述第一F-P腔滤波标准具及第二F-P腔滤波标准具均采用空气系标准具，所述空气系标准具前后两个表面的反射率以及相邻空气系标准具表面之间的反射率相同。
其中，所述F-P腔滤波标准具，包括第二F-P腔滤波标准具及第一F-P腔滤波标准具，所述第一F-P腔滤波标准具及第二F-P腔滤波标准具均采用固体系标准具，所述固体系标准具前后两个表面的反射率以及相邻固体系标准具表面之间的反射率相同。
其中，所述F-P腔滤波标准具，包括第二F-P腔滤波标准具及第一F-P腔滤波标准具，所述第一F-P腔滤波标准具及第二F-P腔滤波标准具的FSR相同且均大于或者等于800GHZ。
其中，所述激光器组件，依次包括DFB激光器芯片、用于控制DFB激光器芯片温度以调节其输出波长的第二TEC温控芯片、用于将DFB激光器芯片出射的发散光转换为平行光的第二准直透镜、用于反射平行光以改变传输线路的反射棱镜、用于将反射光功率分为95%和5%两部分的分光棱镜、用于接收5%这部分光以实现对发光功率监控的MPD功率监控器、用于检测DFB激光器芯片温度并反馈给第二TEC温控芯片的热敏电阻、用于器件封装并将相关电路引脚引出的TO底座；所述发射部分，还包括用于将从TO底座出射的95%这部分光准直的准直器。
其中，所述接收部分，还包括热沉、以及用于调节F-P腔滤波标准具工作波长的第一TEC温控芯片，所述F-P腔滤波标准具固定于同一热沉上，所述热沉通过导热材料与第一TEC温控芯片连接；
所述发射端功率控制部分，还包括用于实现光路准直的第一准直透镜，所述WDM滤波器为涂覆在第一准直透镜端面的WDM滤波膜。
其中，还包括用于承载BOSA器件的器件壳体、用于固定准直器的第一固定块以及用于固定双芯光纤的第二固定块，所述第一固定块和第二固定块分别与器件壳体相粘接。
其中，所述激光器组件及光探测器均采用TO封装形式且分别固定于封装盒体的侧壁；
所述F-P腔滤波标准具厚度完全相同，且放置时其光路中心与光探测器的接收孔中心对齐，以达到最佳的耦合效率。
其中，所述WDM滤波膜反射C-band波长信号，透射L-band波长信号；自所述数据上传及下载接口入射的L-band下行光信号从双芯光纤的纤芯1输入到第一准直透镜后被其端面的WDM滤波膜透射；而自所述激光器组件发射的C-band上行光信号从双芯光纤的纤芯2输出，而后经过MEMS芯片调节为所需的功率大小后，进入第一准直透镜并被其端面的WDM滤波膜反射后进入双芯光纤的纤芯1，最终经数据上传及下载接口输出。
其中，还包括用于对MEMS芯片加电的第一加电引脚和第二加电引脚；
所述数据上传及下载接口为陶瓷插芯；
所述双芯光纤为双芯插针；
所述光探测器为APD雪崩光电二极管。
本发明的优点如下：
1、本发明所采用的F-P腔滤波标准具、MEMS芯片、DFB激光器芯片、光探测器等光器件均为小体积器件，易于实现集成封装，满足光接入网对ONU模块体积的严格要求；因为F-P腔滤波标准具、MEMS芯片这些技术平台都已经很成熟，已为多数厂家所掌握，故该光接收机在TWDM-PON中应用时，易于形成产业化，且体积较小，成本较低，更易于被数以亿计的FTTH普通家庭用户所接受；
2 、本发明所采用透射式MEMS芯片用于实现光衰减，进而实现BOSA器件发射光功率的控制功能，避免在不同应用场景下对接收端光探测器出现过载；
3、 本发明在发射端功率控制部分集成了WDM滤波功能，用于最终实现同一光纤对不同波长的光信号实现上传及下载；
4 、本发明还集成了准直器件及可插拔的陶瓷插芯，分别用于实现BOSA器件光信号的高效耦合及与外部跳线的连接。
附图说明
图1：本发明提供的一种具备功率控制功能的BOSA器件的结构示意图。
图2：本发明提供的TWDM-PON系统结构图。
图3：本发明提供的发射端功率控制部分的部分结构示意图。
图4：本发明提供的激光器组件的内部组成结构示意图。
其中：
4-1-第一加电引脚；4-2-第二加电引脚；5-MEMS芯片；6-数据上传及下载接口；7-热沉；8-第一TEC温控芯片；9-器件壳体；10-双芯光纤；11-第一准直透镜；12-1-第一固定块；12-2-第二固定块；13-准直器；14-1-第一F-P腔滤波标准具；14-2-第二F-P腔滤波标准具；15-光探测器；16-激光器组件；18-DFB激光器芯片；19-第二准直透镜；20-反射棱镜；21-分光棱镜；22-MPD功率监控器；23-热敏电阻；24-TO底座；25-第二TEC温控芯片。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明进行进一步详细说明。
如图1、图4所示，本发明所述的一种具备功率控制功能的BOSA器件，包括，发射部分、接收部分及发射端功率控制部分；
所述发射部分，包括：激光器组件16；
所述接收部分，依次包括：用于实现透射光谱带宽的调整以满足FSAN规定对TWDM-PON可调接收机工作带宽要求的至少两个F-P腔滤波标准具、用于将接收到的滤波后的光信号转换为电信号的光探测器15；
所述发射端功率控制部分，包括：用于与外部跳线对接实现光信号的上传及下载的数据上传及下载接口6、用于传输通过数据上传及下载接口6下载的外界光信号及激光器组件16出射的发射光信号的双芯光纤10、用于调节从双芯光纤10传输过来的发射端光信号功率大小的MEMS芯片5、用于分离双芯光纤10传输过来的外界光信号与发射端光信号的WDM滤波器。
该器件是一种基于MEMS（Micro Electro-Mechanical system，微机电系统）芯片实现发射端功率可调的BOSA器件，该BOSA器件在TWDM-PON中应用时，易于形成产业化，且体积较小，成本较低。
如图1所示，所述接收部分，还包括热沉7、以及用于调节F-P腔滤波标准具工作波长的第一TEC温控芯片8，所述F-P腔滤波标准具固定于同一热沉7上，所述热沉7通过导热材料与第一TEC温控芯片8连接。
所述接收部分采用F-P滤波标准具来实现可调滤波，其中F-P滤波标准具采用多个，即包括两个或两个以上，以实现对F-P腔滤波标准具透射光谱带宽的调整，以满足FSAN规定对TWDM-PON可调接收机工作带宽的要求，各个F-P腔滤波标准具的自由空间光谱宽度FSR一致，固定于其下的第一TEC温控芯片8通过加热F-P腔滤波标准具实现其工作波长可调，并与实际应用中的滤波需求相匹配，TO封装的光探测器15，其可将滤波后的光信号转换为电信号。
作为一种优选的实施例，如图1所示，所述F-P腔滤波标准具，包括第二F-P腔滤波标准具14-2及第一F-P腔滤波标准具14-1，所述第一F-P腔滤波标准具14-1及第二F-P腔滤波标准具14-2均采用空气系标准具，所述空气系标准具前后两个表面的反射率以及相邻空气系标准具表面之间的反射率相同。
作为另一种优选的实施例，如图1所示，所述F-P腔滤波标准具，包括第二F-P腔滤波标准具14-2及第一F-P腔滤波标准具14-1，所述第一F-P腔滤波标准具14-1及第二F-P腔滤波标准具14-2均采用固体系标准具，所述固体系标准具前后两个表面的反射率以及相邻固体系标准具表面之间的反射率相同。
在本发明中，所述F-P腔滤波标准具，包括第二F-P腔滤波标准具14-2及第一F-P腔滤波标准具14-1，所述第一F-P腔滤波标准具14-1及第二F-P腔滤波标准具14-2的FSR相同且均大于或者等于800GHZ。
所述第一F-P腔滤波标准具14-1与第二F-P腔滤波标准具14-2的自由光谱宽度FSR(Free Spectrum Range)一致，两个F-P腔滤波标准具固定于同一热沉7上，热沉7通过导热材料与第一TEC温控芯片8焊接，具体到TWDM-PON系统的应用中，光信号进入F-P腔滤波标准具，第二TEC温控芯片25调节两个F-P腔滤波标准具的工作波长达成一致，并且调节F-P腔滤波标准具工作波长至TWDM-PON下行信号的波长从而实现滤波。
如图4所示，所述激光器组件16，依次包括DFB激光器芯片18、用于控制DFB激光器芯片18温度以调节其输出波长的第二TEC温控芯片25、用于将DFB激光器芯片18出射的发散光转换为平行光的第二准直透镜19、用于反射平行光以改变传输线路的反射棱镜20、用于将反射光功率分为95%和5%两部分的分光棱镜21、用于接收5%这部分光以实现对发光功率监控的MPD功率监控器22、用于检测DFB激光器芯片18温度并反馈给第二TEC温控芯片25的热敏电阻23、用于器件封装并将相关电路引脚引出的TO底座24；所述发射部分，还包括如图1所示的，用于将从TO底座24出射的95%这部分光准直的准直器13。
所述DFB激光器芯片18作为发光单元，在实际应用中采用直调或外部调制方式形成调制信号，所述第二TEC温控芯片25位于DFB激光器芯片18的下方，用于实现DFB激光器芯片18温度的调节，进而实现DFB激光器芯片18发光波长的调节，并采用焊接于封装盒体的第二准直透镜19将DFB激光器芯片18发射光转换为平行光束以提高耦合效率；所述MPD功率监控器22用于接收5%这部分光以实现对DFB激光器芯片18发光功率监控；所述热敏电阻23用于实现温度监控以对第二TEC温控芯片25进行反馈调节；所述发射部分的封装壳体为TO结构或BOX结构，在本实施例中，采用TO封装结构。整个封装壳体用于实现DFB激光器芯片18及第二TEC温控芯片25的气密性封装，以保证其长期工作的可靠性。
具体地，如图1所示，所述发射端功率控制部分，还包括用于实现光路准直的第一准直透镜11，所述WDM滤波器为涂覆在第一准直透镜11端面的WDM滤波膜。
发射端功率控制部分，其集成功率控制、发射端与接收端光信号的分离、光路准直、外部跳线可插拔等功能。其中，采用MEMS芯片5实现发射端光功率可调，采用镀在第一准直透镜11端面的WDM滤波膜实现发射端与接收端光信号的分离，采用第一准直透镜11实现光路准直，并可通过数据上传及下载接口6实现与外部跳线的可插拔。
如图1所示，还包括用于承载BOSA器件的器件壳体9、以及用于固定准直器13的第一固定块12-1及用于固定双芯光纤10的第二固定块12-2，所述第一固定块12-1和第二固定块12-2分别与器件壳体9相粘接。
在本发明中，如图1所示，所述激光器组件16及光探测器15均采用TO封装形式且分别固定于封装盒体的侧壁；所述F-P腔滤波标准具厚度完全相同，且放置时其光路中心与光探测器15的接收孔中心对齐，以达到最佳的耦合效率。
优选地，在本实施例中，所述数据上传及下载接口6为陶瓷插芯，当然了，也可以选择其他的，譬如SC插针等等。
优选地，在本实施例中，所述双芯光纤10为双芯插针。
优选地，在本实施例中，所述光探测器15为APD雪崩光电二极管。
下面以数据上传及下载接口6为陶瓷插芯，双芯光纤10为双芯插针为例对所述BOSA器件的工作过程进行简要说明。
如图1、图3所示，所述WDM滤波膜反射C-band波长信号，而透射L-band波长信号；自所述陶瓷插芯入射的L-band下行光信号从双芯插针的纤芯1输入到第一准直透镜11后被其端面的WDM滤波膜透射；而自所述激光器组件16发射的C-band上行光信号从双芯插针的纤芯2输出，而后经过MEMS芯片5调节为所需的功率大小后，进入第一准直透镜11并被其端面的WDM滤波膜反射后进入双芯插针的纤芯1，最终经陶瓷插芯输出。
如图1所示，还包括用于对MEMS芯片5加电的第一加电引脚4-1和第二加电引脚4-2。
第一准直透镜11端面的WDM滤波膜，其膜系要求视具体应用而定，如图2所示的TWDM-PON应用中，ONU端上行发射信号位于C-band而下行接收信号位于L-band，故该膜系作用为反射C-band波长信号，而透射L-band波长信号，这样如图3所示，自陶瓷插芯入射的下行的L-band光信号从双芯插针的纤芯1输入到第一准直透镜11后从其端面的膜系透射而后进入第二F-P腔滤波标准具14-2及第一F-P腔滤波标准具14-1，滤波后入射到TO封装的光探测器15，并转换为电信号输出，同时，TO封装的激光器组件16发射C-band上行光信号，其内部结构如图4所示，自DFB激光器芯片18发出的发散光，经第二准直透镜19准直后，经反射棱镜20反射后，入射至分光棱镜21，分光棱镜21将入射光光功率分为95%和5%两部分，其中，95%的部分向上反射自TO帽出光口输出，5%透射至MPD功率监控器22用于发光功率的监控，热敏电阻23贴装于DFB激光器芯片18旁用于温度检测，而第二TEC温控芯片25，位于整个发射光路下方，用于调节DFB激光器芯片18的温度进而调节其发射光波长，以适应实际应用，TO底座24用于器件封装，并将相关电路引脚引出。
前述光功率为95%的部分光自TO出光后与准直器13耦合并输出，准直器13尾纤连接至图2中双芯插针的纤芯2，这样自TO封装的激光器组件16发出的C-band上行光信号，自纤芯2入射到第一准直透镜11，并被其表面的WDM滤波膜反射到纤芯1，而后从陶瓷插芯输出。MEMS芯片5固定于第一准直透镜11与双芯插针之间，并通过MEMS芯片5调节其对图3中插芯2的遮挡面积，以实现对TO封装的激光器组件16发射的C-band上行光信号光强衰减量的控制，即实现功率管理。
以在TWDM-PON中的应用为例，本发明实现其功能的具体过程如图4：在TWDM-PON的应用中，自OLT输入的下行业务信号由8个波长的业务信号组成，其波长分别为1596.34nm、1597.19nm、1598.04nm、1598.89nm、1599.75nm、1600.60nm、1601.46nm、1602.31nm。该OLT下行业务信号经ODN分为64个光强相等的信号，然后分别入射至64个可调接收ONU模块。而后光信号自陶瓷插芯输入，经图3中双芯插针的纤芯1输入后经第一准直透镜11变为准直光，而后经第二F-P腔滤波标准具14-2、第一F-P腔滤波标准具14-1滤波后被TO封装的光探测器接收并转换为电信号，进行后续处理。反之可调接收ONU模块的上行信号同样为8个波长，分别为：1532.68nm，1533.47nm，1534.25nm，1535.04nm，1535.82nm，1536.61nm，1537.40nm，1538.19nm，其波长调节通过改变DFB激光器芯片18工作温度的方式实现，而温度的改变由集成于TO封装的激光器组件16中的第二TEC温控芯片25实现，调节为所需波长的发射光信号自TO封装的激光器组件16出射后，与准直器13耦合，并进入双芯插针后从纤芯2输出，而后经过MEMS芯片5调节为所需的功率强度后，进入第一准直透镜11，经第一准直透镜11表面的WDM滤波膜反射后，回到第一准直透镜11，再入射至纤芯1，最终经陶瓷插芯输出，而后经链路传送至OLT端，鉴于TWDM-PON已确认为下一代PON产品主流解决方案，及其在FTTH领域的巨大市场，必将推动该BOSA器件的产业化。
以上所述实施例及应用场景仅为本发明的较佳实施例及应用场景而已，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、等同替换和改进及其在其他领域及场景的应用，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具备功率控制功能的BOSA器件，包括，发射部分、接收部分，所述发射部分，包括：激光器组件；其特征在于，还包括：发射端功率控制部分；
所述接收部分，依次包括：用于实现透射光谱带宽的调整以满足FSAN规定对TWDM-PON可调接收机工作带宽要求的至少两个F-P腔滤波标准具、用于将接收到的滤波后的光信号转换为电信号的光探测器；
所述发射端功率控制部分，包括：用于与外部跳线对接实现光信号上传及下载的数据上传及下载接口、用于传输通过数据上传及下载接口下载的外界光信号及激光器组件出射的发射光信号的双芯光纤、用于调节从双芯光纤传输过来的发射端光信号功率大小的MEMS芯片、用于分离双芯光纤传输过来的外界光信号与发射端光信号的WDM滤波器。
2.根据权利要求1所述的一种具备功率控制功能的BOSA器件，其特征在于，所述F-P腔滤波标准具，包括第二F-P腔滤波标准具及第一F-P腔滤波标准具，所述第一F-P腔滤波标准具及第二F-P腔滤波标准具均采用空气系标准具，所述空气系标准具前后两个表面的反射率以及相邻空气系标准具表面之间的反射率相同。
3.根据权利要求1所述的一种具备功率控制功能的BOSA器件，其特征在于，所述F-P腔滤波标准具，包括第二F-P腔滤波标准具及第一F-P腔滤波标准具，所述第一F-P腔滤波标准具及第二F-P腔滤波标准具均采用固体系标准具，所述固体系标准具前后两个表面的反射率以及相邻固体系标准具表面之间的反射率相同。
4.根据权利要求1所述的一种具备功率控制功能的BOSA器件，其特征在于，所述F-P腔滤波标准具，包括第二F-P腔滤波标准具及第一F-P腔滤波标准具，所述第一F-P腔滤波标准具及第二F-P腔滤波标准具的FSR相同且均大于或者等于800GHZ。
5.根据权利要求1所述的一种具备功率控制功能的BOSA器件，其特征在于，所述激光器组件，依次包括DFB激光器芯片、用于控制DFB激光器芯片温度以调节其输出波长的第二TEC温控芯片、用于将DFB激光器芯片出射的发散光转换为平行光的第二准直透镜、用于反射平行光以改变传输线路的反射棱镜、用于将反射光功率分为95％和5％两部分的分光棱镜、用于接收5％这部分光以实现对发光功率监控的MPD功率监控器、用于检测DFB激光器芯片温度并反馈给第二TEC温控芯片的热敏电阻、用于器件封装并将相关电路引脚引出的TO底座；所述发射部分，还包括用于将从TO底座出射的95％这部分光准直的准直器。
6.根据权利要求1所述的一种具备功率控制功能的BOSA器件，其特征在于，所述接收部分，还包括热沉、以及用于调节F-P腔滤波标准具工作波长的第一TEC温控芯片，所述F-P腔滤波标准具固定于同一热沉上，所述热沉通过导热材料与第一TEC温控芯片连接；所述发射端功率控制部分，还包括用于实现光路准直的第一准直透镜，所述WDM滤波器为涂覆在第一准直透镜端面的WDM滤波膜。
7.根据权利要求5所述的一种具备功率控制功能的BOSA器件，其特征在于，还包括用于承载BOSA器件的器件壳体、用于固定准直器的第一固定块以及用于固定双芯光纤的第二固定块，所述第一固定块和第二固定块分别与器件壳体相粘接。
8.根据权利要求1所述的一种具备功率控制功能的BOSA器件，其特征在于，所述激光器组件及光探测器均采用TO封装形式且分别固定于封装盒体的侧壁；
所述F-P腔滤波标准具厚度完全相同，且放置时其光路中心与光探测器的接收孔中心对齐，以达到最佳的耦合效率。
9.根据权利要求6所述的一种具备功率控制功能的BOSA器件，其特征在于，所述WDM滤波膜反射C-band波长信号，透射L-band波长信号；自所述数据上传及下载接口入射的L-band下行光信号从双芯光纤的纤芯1输入到第一准直透镜后被其端面的WDM滤波膜透射；而自所述激光器组件发射的C-band上行光信号从双芯光纤的纤芯2输出，而后经过MEMS芯片调节为所需的功率大小后，进入第一准直透镜并被其端面的WDM滤波膜反射后进入双芯光纤的纤芯1，最终经数据上传及下载接口输出。
10.根据权利要求1所述的一种具备功率控制功能的BOSA器件，其特征在于，还包括用于对MEMS芯片加电的第一加电引脚和第二加电引脚；
所述数据上传及下载接口为陶瓷插芯；
所述双芯光纤为双芯插针；
所述光探测器为APD雪崩光电二极管。
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