CN105319649A - 一种基于衍射光栅的波分复用/解复用光收发组件 - Google Patents

一种基于衍射光栅的波分复用/解复用光收发组件 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于衍射光栅的波分复用/解复用光收发组件，包括激光器芯片阵列、光接收探测器阵列、第一快轴准直透镜、第二快轴准直透镜、第一慢轴准直透镜、衍射光栅、慢轴聚焦透镜、第二慢轴准直透镜、光隔离器、耦合输出透镜、耦合输入透镜、耦合输出光纤和耦合输入光纤构成上行的光发射单元和下行的光接收单元，解决了共同使用衍射光栅实现波分复用/解复用功能的技术问题，达成了衍射光栅滤波特性好，光路耦合损耗和波长相关插损较小，独立光学元件尺寸较大，装配工艺相对简单，更适用于制作多通道的光波复用/解复用光收发组件的良好效果。

Description

一种基于衍射光栅的波分复用/解复用光收发组件
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其是指提供一种基于衍射光栅的波分复用/解复用光收发组件。
背景技术
随着网络信息产业的全面普及其带来全球数据量的爆发性增长和大数据产业的兴起，数据中心已经成为光通信产业新的市场机遇，高带宽的光互连逐步取代了电互连，并向着高速大容量的方向发展。多通道光学模块采用多路光发射和接收技术，具有大通信容量、低能耗、小型化等特点大受业界青睐，传输速率和传输容量上都比单通道收发模块优越得多，近几年发展迅速，是实现这一方向的主要方案之一。
高速多通道光学模块目前主要采用将多通道半导体激光器/探测器阵列通过波分复用/解复用(wavelengthdivisionmultiplexing,WDM)技术封装在只有一个光口输入/输出光组件里，从而提高了单端光口的传输速度，常见的封装形式有CFP、CFP2、CFP4及QSFP等。例如采用QSFP28模块封装形式的4x25Gbps单模光收发模块将4个CWDM不同波长的25Gbps的激光器/探测器芯片利用粗波分复用/解复用技术和单根光纤耦合，以实现单根光纤传输100Gbps信号。
目前，业内波分复用/解复用技术多采用的方案有：阵列波导光栅(arrayed,waveguidegrating,AWG)方案、刻蚀光栅方案和介质薄膜滤光片方案等。AWG的优点在于集成度高，可与激光器芯片、探测器芯片同基板制备，应用在4通道以上复用和解复用具有较大优势，但是存在成本高、耦合难度较高及插损大等缺点，不利于满足光收发模块对低功耗的要求。刻蚀光栅方案除了体积比AWG小一半，滤波特性不完善缺陷外，其他优缺点与AWG基本类似。介质薄膜滤光片方案是目前被规模化商用方案，物料成本低、滤波特性好，其缺点是不太适合于通道数较多(4通道以上)的复用/解复用场合：随着复用/解复用光通道数的增加，与之相应的滤光片的种类和个数增加，光组件内光路越来越长，对相关平面光学元件加工公差和装配精度要求逐步增高，光通道之间的光程差别明显扩大，波长相关插损成为不得不解决的问题。同时，受上述的装配精度限制，目前商用的8通道及以上主体方案中，发射组件和接收组件的光路普遍都是独立的，发射组件和接收组件各自使用一套滤光片，明显增加了小尺寸的独立元件个数。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的主要目的在于提供一种基于衍射光栅的波分复用/解复用光收发组件。
为达成上述目的，本发明应用的技术方案是：一种基于衍射光栅的波分复用/解复用光收发组件，是由激光器芯片阵列、光接收探测器阵列、第一快轴准直透镜、第二快轴准直透镜、第一慢轴准直透镜、衍射光栅、慢轴聚焦透镜、第二慢轴准直透镜、光隔离器、耦合输出透镜、耦合输入透镜、耦合输出光纤和耦合输入光纤构成的上行光发射单元和下行光接收单元，其中：第一快轴准直透镜与激光器芯片阵列对应设置，第二快轴准直透镜与光接收探测器阵列对应设置，激光器芯片阵列与光接收探测器阵列垂直设置并上下错开，耦合输出透镜与耦合输出光纤组成出射光纤准直器，耦合输入透镜与耦合输入光纤组成入射光纤准直器，分别输出发射光信号和接收入射光信号，发射光和入射光上下分布经过第一慢轴准直透镜、衍射光栅、慢轴聚焦透镜和第二慢轴准直透镜。
在本实施例中优选：光发射单元和接收单元公用第一慢轴准直透镜、衍射光栅、慢轴聚焦透镜、第二慢轴准直透镜，第一快轴准直透镜和第二快轴准直透镜用于光束子午面内准直，第一慢轴准直透镜用于光束弧矢面内准直，衍射光栅光路用于波分复用/解复用，慢轴聚焦透镜和第二慢轴准直透镜组成扩束/缩束系统，实现光束变换，光隔离器用于实现输出光反向隔离。
在本实施例中优选：光发射单元依光路设置包括激光器芯片阵列、第一快轴准直透镜、第一慢轴准直透镜、衍射光栅、慢轴聚焦透镜、第二慢轴准直透镜、光隔离器、耦合输出透镜、耦合输出光纤。
在本实施例中优选：光接收单元依光路设置包括耦合输入光纤、耦合输入透镜、第二慢轴准直透镜、慢轴聚焦透镜、衍射光栅、第一慢轴准直透镜、第二快轴准直透镜、光接收探测器阵列。
在本实施例中优选：激光器芯片阵列具有发光单元，其中：激光器芯片阵列是多个分立的不同波长激光器芯片构成阵列或是单片具有不同波长的多个发光单元激光器芯片构成的阵列。
在本实施例中优选：光接收探测器阵列是多个分立的探测器芯片构成的阵列或是单片具有多个探测器单元的探测器芯片构成阵列，其中：探测器芯片阵列与激光器芯片阵列各通道的工作波长相对应。
在本实施例中优选：第一快轴准直透镜和第二快轴准直透镜为柱面准线平面垂直于激光器芯片阵列发光单元慢轴平面的柱面镜；第一慢轴准直透镜、慢轴聚焦透镜和第二慢轴准直透镜为柱面的准线平面平行于激光器芯片阵列发光单元慢轴平面的柱面镜；第一快轴准直透镜和第二快轴准直透镜为芯片阵列共用的一体快轴准直透镜，或是多个分立的快轴准直微透镜组成的阵列。
在本实施例中优选：慢轴聚焦透镜和第二慢轴准直透镜组成激光器芯片阵列发光单元慢轴平面内扩束/缩束系统，并依接收光方向设置为第二慢轴准直透镜的后焦点是慢轴聚焦透镜的前焦点。
在本实施例中优选：第一快轴准直透镜前焦点和第一慢轴准直透镜前焦点以重合光发射的方位设置，激光器芯片阵列各发光单元依次排列在第一慢轴准直透镜和第一快轴准直透镜公共的前焦面上；第一慢轴准直透镜后焦点和第二快轴准直透镜后焦点以重合光接收的方位设置，光接收探测器阵列各探测单元依次排列在第一慢轴准直透镜和第二快轴准直透镜公共的后焦面上。
在本实施例中优选：耦合输出透镜和耦合输入透镜是球面透镜、非球面透镜或渐变折射率透镜。
本发明与现有技术相比，其有益的效果是：光波复用/解复用的衍射光栅滤波特性好，耦合损耗和波长相关插损较小，独立光学元件尺寸较大，装配工艺相对简单，更适用于制作多通道(4通道及以上)的光波复用/解复用光收发组件。该组件收发一体，可以有效的减少器件管壳的使用及模块的体积，有助于模块的集成化，降低了成本。发射组件和接收组件公用一个滤波光元件和大部分光学透镜，在多通道复用/解复用场合下小尺寸的独立元件个数明显减少。
附图说明
图1是本发明实施例的平面结构示意图。
图2是本发明实施例的另一视角平面结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明作进一步详细说明。所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明的技术方案，而不应当理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。
本发明提供一种基于衍射光栅的波分复用/解复用光收发组件，为上行光发射单元和下行的光接收单元使用共同的波分复用/解复用光路结构。将多路不同波长的发光单元的光束分别依次经过快慢轴准直、衍射衍射光栅合束和准直光束压缩单元汇聚到同一个光输出端口；并将输入端口接收的含有不同波长的光束依次经过准直扩束、衍射光栅分束单元分解为空间上不同出射角多路平行光束，并由慢快轴聚焦透镜将各路平行光束聚焦于光接收探测器阵列各探测单元上。
在本发明实施例中，基于衍射光栅的波分复用/解复用光收发组件，可应用于CWDM或LAN-WDM的多信道波长同时工作的情形，常用的信道数有4、8、16或其他任意数量，不同的信道数其波分复用/解复用光收发组件的结构基本是一致的，不同之处在于随着光信道数的增减，与之相应的激光器芯片阵列发光单元和光接收探测器阵列探测单元个数增加、第一快轴准直透镜沿激光器芯片阵列排布方向的外形尺寸和第二快轴准直透镜沿光接收探测器阵列排布方向的外形尺寸增长或激光器第一微透镜阵列微透镜单元和第二微透镜阵列微透镜单元个数对应增减。
请参阅图1，为本发明提供的一种基于衍射光栅的波分复用/解复用光收发组件实施例的平面结构示意图，图2是从衍射光栅处等效展开光路的结构示意图。在图中，包括激光器芯片阵列1、光接收探测器阵列2、第一快轴准直透镜3、第二快轴准直透镜4、第一慢轴准直透镜5、衍射光栅6、慢轴聚焦透镜7、第二慢轴准直透镜8、光隔离器9、耦合输出透镜10、耦合输入透镜11、耦合输出光纤12和耦合输入光纤13。
光发射单元依光路设置包括激光器芯片阵列1、第一快轴准直透镜3、第一慢轴准直透镜5、衍射光栅6、慢轴聚焦透镜7、第二慢轴准直透镜8、光隔离器9、耦合输出透镜10、耦合输出光纤11。
光接收单元依光路设置包括耦合输入光纤13、耦合输入透镜11、第二慢轴准直透镜8、慢轴聚焦透镜7、衍射光栅6、第一慢轴准直透镜5、第二快轴准直透镜4、光接收探测器阵列2。
激光器芯片阵列1、第一快轴准直透镜3、光隔离器9、耦合输出透镜10和耦合输出光纤12处于同一个平面Ⅰ上；光接收探测器阵列2、第二快轴准直透镜4、耦合输入透镜11和耦合输入光纤13处于同一平面Ⅱ上。平面Ⅰ和平面Ⅱ分别处于系统光路的中心平面两侧，且相互平行(平行于图1中XOZ平面)。衍射光栅6刻线方向垂直于平面Ⅰ和平面Ⅱ。第一快轴准直透镜3和第二快轴准直透镜4为柱面的准线平面垂直于平面Ⅰ和平面Ⅱ(平行于图2中YOZ平面)的柱面镜。第一慢轴准直透镜5、慢轴聚焦透镜7和第二慢轴准直透镜8为柱面的准线平面平行于平面Ⅰ和平面Ⅱ(平行于图1中XOZ平面)的柱面镜。
激光器芯片阵列与光接收探测器阵列关于光路中心平面上下垂直设置。
激光器芯片阵列1具有发光单元，其中该激光器芯片阵列是多个分立的不同波长激光器芯片构成阵列或是单片具有不同波长的多个发光单元激光器芯片构成的阵列，各通道的波长可以是满足IEEE规范的不同的CWDM或LWDM波长，也可以是其他任意波长。
光接收探测器阵列2是多个分立的探测器芯片构成的阵列或是单片具有多个探测器单元的探测器芯片构成阵列，其中该探测器芯片阵列与所述激光器芯片阵列1的各通道的工作波长相对应。
慢轴聚焦透镜7和第二慢轴准直透镜8和组成了慢轴方向(弧矢面内)扩束/缩束系统，依接收光的方向，第二慢轴准直透镜8的后焦点是慢轴聚焦透镜7的前焦点。
耦合输出透镜10和耦合输入透镜11可以是C-Lens(球面透镜)或G-Lens(渐变折射率透镜)，也可以是其它任何球面和非球面透镜。
依光发射的方向，第一快轴准直透镜3的前焦点和第一慢轴准直透镜5的前焦点重合，激光器芯片阵列1各发光单元依波长大小依次排列在第一慢轴准直透镜5和第一快轴准直透镜3的公共前焦面上。
依光接收的方向，第一慢轴准直透镜5的后焦点和第二快轴准直透镜4后焦点重合，光接收探测器阵列2各探测单元依波长大小依次排列在第一慢轴准直透镜5和第二快轴准直透镜4的公共后焦面上。
在图1和2中，假定衍射光栅为透射式光栅，光栅前后的光学系统中心轴相互垂直，则弧矢平面内(XOZ平面)内，激光器芯片阵列1第i个发光单元波导中心和光接收探测器阵列2第i个探测单元中心位置与光学系统中心轴的间距hi为：
其中λi为第i个发光单元的中心波长(i＝1,2……n-1,n，n为光通道的个数)，d为衍射光栅6的光栅常数，φ为依接收光的方向，入射的平行光束与光栅法线的夹角，f1为第一慢轴准直透镜5的有效焦距。
值得说明的是，这里激光器芯片阵列1第i个发光单元和光接收探测器阵列2第i个探测单元的位置描述是说明性，是该实例中一个举例应用，本发明实例并不限于此。
光发射单元的波分复用的具体过程描述为：激光器芯片阵列1发出n个不同波长光依次经过第一快轴准直透镜3和第一慢轴准直透镜5分别进行子午面(快轴)和弧矢面(慢轴)准直，投射至衍射光栅6上，不同波长准直光束经衍射光栅衍射合束，再经慢轴聚焦透镜7和第二慢轴准直透镜8和实现慢轴方向(弧矢面内)缩束，进入光学隔离器9后，最后通过耦合输出透镜10耦合进耦合输出光纤12。
光接收单元的解复用的具体过程描述为：输入光信号含有多种不同波长的信号光，首先通过耦合输入光纤13和耦合输入透镜11组成的准直器准直，平行光束再经过第二慢轴准直透镜8和慢轴聚焦透镜7实现慢轴方向(弧矢面内)扩束。扩束平行光束经过衍射光栅6分光成依次排列不同衍射角θi的单通道光信号，经过衍射光栅6后的不同波长的通道光信号依次经过第一慢轴准直透镜5和第二快轴准直透镜4，将不同波长的光在第一慢轴准直透镜5和第二快轴准直透镜4的公共后焦面上沿光栅刻线方向分别进行弧矢面(慢轴)和子午面(快轴)聚焦，分布在不同位置，即聚焦到光接收探测器阵列2的不同探测单元。

Claims (10)

1.一种基于衍射光栅的波分复用/解复用光收发组件，是由激光器芯片阵列、光接收探测器阵列、第一快轴准直透镜、第二快轴准直透镜、第一慢轴准直透镜、衍射光栅、慢轴聚焦透镜、第二慢轴准直透镜、光隔离器、耦合输出透镜、耦合输入透镜、耦合输出光纤和耦合输入光纤构成的上行光发射单元和下行光接收单元，其特征在于：第一快轴准直透镜与激光器芯片阵列对应设置，第二快轴准直透镜与光接收探测器阵列对应设置，激光器芯片阵列与光接收探测器阵列垂直设置并上下错开，耦合输出透镜与耦合输出光纤组成出射光纤准直器，耦合输入透镜与耦合输入光纤组成入射光纤准直器，分别输出发射光信号和接收入射光信号，发射光和入射光上下分布经过第一慢轴准直透镜、衍射光栅、慢轴聚焦透镜和第二慢轴准直透镜。
2.如权利要求1所述的光收发组件，其特征在于：光发射单元和接收单元公用第一慢轴准直透镜、衍射光栅、慢轴聚焦透镜、第二慢轴准直透镜，第一快轴准直透镜和第二快轴准直透镜用于光束子午面内准直，第一慢轴准直透镜用于光束弧矢面内准直，衍射光栅光路用于波分复用/解复用，慢轴聚焦透镜和第二慢轴准直透镜组成扩束/缩束系统，实现光束变换，光隔离器用于实现输出光反向隔离。
3.如权利要求2所述的光收发组件，其特征在于：光发射单元依光路设置包括激光器芯片阵列、第一快轴准直透镜、第一慢轴准直透镜、衍射光栅、慢轴聚焦透镜、第二慢轴准直透镜、光隔离器、耦合输出透镜、耦合输出光纤。
4.如权利要求3所述的光收发组件，其特征在于：光接收单元依光路设置包括耦合输入光纤、耦合输入透镜、第二慢轴准直透镜、慢轴聚焦透镜、衍射光栅、第一慢轴准直透镜、第二快轴准直透镜、光接收探测器阵列。
5.如权利要求4所述的光收发组件，其特征在于：激光器芯片阵列具有发光单元，其中：激光器芯片阵列是多个分立的不同波长激光器芯片构成阵列或是单片具有不同波长的多个发光单元激光器芯片构成的阵列。
6.如权利要求5所述的光收发组件，其特征在于：光接收探测器阵列是多个分立的探测器芯片构成的阵列或是单片具有多个探测器单元的探测器芯片构成阵列，其中：探测器芯片阵列与激光器芯片阵列各通道的工作波长相对应。
7.如权利要求6所述的光收发组件，其特征在于：第一快轴准直透镜和第二快轴准直透镜为柱面准线平面垂直于激光器芯片阵列发光单元慢轴平面的柱面镜；第一慢轴准直透镜、慢轴聚焦透镜和第二慢轴准直透镜为柱面的准线平面平行于激光器芯片阵列发光单元慢轴平面的柱面镜；第一快轴准直透镜和第二快轴准直透镜为芯片阵列共用的一体快轴准直透镜，或是多个分立的快轴准直微透镜组成的阵列。
8.如权利要求7所述的光收发组件，其特征在于：慢轴聚焦透镜和第二慢轴准直透镜组成激光器芯片阵列发光单元慢轴平面内扩束/缩束系统，并依接收光方向设置为第二慢轴准直透镜的后焦点是慢轴聚焦透镜的前焦点。
9.如权利要求8所述的光收发组件，其特征在于：第一快轴准直透镜前焦点和第一慢轴准直透镜前焦点以重合光发射的方位设置，激光器芯片阵列各发光单元依次排列在第一慢轴准直透镜和第一快轴准直透镜公共的前焦面上；第一慢轴准直透镜后焦点和第二快轴准直透镜后焦点以重合光接收的方位设置，光接收探测器阵列各探测单元依次排列在第一慢轴准直透镜和第二快轴准直透镜公共的后焦面上。
10.如权利要求9所述的光收发组件，其特征在于：耦合输出透镜和耦合输入透镜是球面透镜、非球面透镜或渐变折射率透镜。
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