CN110531469A - 单纤双向光模块 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单纤双向光模块，所述光模块包括公共端口、第一偏振分束器、发射端器件组、接收端器件组、激光器阵列、光探测器阵列、准直透镜和法拉第旋转片，其中：所述激光器阵列产生出射光信号，所述出射光信号依次通过所述发射端器件组、所述准直透镜、所述法拉第旋转片、所述准直透镜、所述第一偏振分束器到达所述公共端口；从所述公共端口的入射的入射光信号依次通过所述第一偏振分束器、所述准直透镜、所述法拉第旋转片、所述准直透镜、所述接收端器件组到达所述光探测器阵列。本发明提供的单纤双向光模块具有尺寸小、封装简单、成本低、密度高等优点。

Description

单纤双向光模块

技术领域

本发明涉及光纤通信技术中的光收发模块，尤其涉及一种单纤双向光模块。

背景技术

光通信中，光信号的收发都需要光纤进行传输，长距离光纤的铺设是一项浩大的工程。通常，相同的传输距离需要两根不同的光纤分别来收发光信号。尽管进行了大量的复用研究来增大光纤的信道容量以提高光纤资源的利用率，但远远跟不上光通讯发展对光纤资源的巨大需求。

单纤双向光模块只用一根光纤即可实现光信号的收发，节省了一半的光纤资源。传统的单纤双向光模块利用波分复用技术，发送和接收两个方向的光信号需要使用不同的中心波长，增加了模块制作难度，且技术成本高昂。进一步地，人们考虑将光环形器用于单纤双向光模块中，光环形器用于将同一根光纤中正向传输和反向传输的光信号分开，实现同一中心波长或不同中心波长光信号的发射与接收。

现有技术中的单纤双向光模块为了实现单纤双向功能，其发送和接收光路都需要使用较多的光学器件，例如至少包括两个反射镜，这意味着现有的单纤双向光模块存在尺寸大、封装复杂、成本高等问题，此外由于光模块的行业制造标准所规定的光模块外部尺寸要求，在同一空间内容纳较多的光学器件也不利于扩展光模块的带宽，因此现有的光模块还存在带宽低的这一缺陷。

发明内容

为了克服现有技术中的上述缺陷，本发明提供了一种单纤双向光模块，所述光模块包括公共端口、第一偏振分束器、发射端器件组、接收端器件组、激光器阵列、光探测器阵列、准直透镜和法拉第旋转片，其中：

所述激光器阵列产生出射光信号，所述出射光信号依次通过所述发射端器件组、所述准直透镜、所述法拉第旋转片、所述准直透镜、所述第一偏振分束器到达所述公共端口；

从所述公共端口入射的入射光信号依次通过所述第一偏振分束器、所述准直透镜、所述法拉第旋转片、所述准直透镜、所述接收端器件组到达所述光探测器阵列。

根据本发明的一个方面，该光模块中所述激光器阵列、所述公共端口、所述第一偏振分束器、所述发射端器件组、所述接收端器件组和所述光探测器阵列中任意组合设置在集成芯片上。

根据本发明的另一个方面，该光模块中所述法拉第旋转片的出射光学面上设置反射镜，所述反射镜位于所述准直透镜的焦平面上，以形成远心光阑系统。

根据本发明的另一个方面，该光模块中所述反射镜是形成在所述出射光学面上的反射膜。

根据本发明的另一个方面，该光模块中所述集成芯片是硅基集成芯片。

根据本发明的另一个方面，该光模块中所述发射端器件组和所述接收端器件组共用至少一个光学器件。

根据本发明的另一个方面，该光模块中所述出射光信号为多束平行偏振光；所述发射端器件组包括光调制器阵列、波分复用器、第二偏振分束器和第一偏振旋转器；所述多束平行偏振光通过所述光调制器阵列和所述波分复用器，并相应执行光调制处理和波分复用处理以生成合束光信号，所述合束光信号经过所述第二偏振分束器和所述第一偏振旋转器到达所述准直透镜。

根据本发明的另一个方面，该光模块中所述多束平行偏振光为多束P偏振光。

根据本发明的另一个方面，该光模块中所述第一偏振旋转器的光学偏振旋转角度设置为负45度；所述法拉第旋转片的光学偏振旋转角度设置为正22.5度。

根据本发明的另一个方面，该光模块中所述入射光信号为至少一束混合偏振光；所述接收端器件组包括第二偏振分束器、第一偏振旋转器、第二偏振旋转器、第三偏振旋转器、第一波分解复用器、第二波分解复用器、偏振旋转器阵列和偏振分束器阵列；所述第一偏振分束器用于将所述混合偏振光信号分解为偏振方向互相垂直的P偏振光和S偏振光；所述P偏振光依次经过所述准直透镜、所述法拉第旋转片、所述准直透镜、所述第一偏振旋转器、所述第二偏振分束器、所述第三偏振旋转器、所述第一波分解复用器、所述偏振旋转器阵列、所述偏振分束器阵列到达所述光探测器阵列；所述S偏振光依次经过所述准直透镜、所述法拉第旋转片、所述准直透镜、所述第二偏振旋转器、所述第二波分解复用器和所述偏振分束器阵列到达所述光探测器阵列。

根据本发明的另一个方面，该光模块中所述第一偏振旋转器、所述第二偏振旋转器的光学偏振旋转角度设置为负45度；所述第三偏振旋转器和所述偏振旋转器阵列的光学偏振旋转角度设置为90度；所述法拉第旋转片的光学偏振旋转角度设置为正22.5度。

本发明提供的单纤双向光模块利用第一偏振分束器、准直透镜和法拉第旋转片实现同一光纤的光信号接收和发送，光模块中的其余光学器件可以设置在准直透镜和法拉第旋转片的同侧，这种设置方式可以提升单纤双向光模块的集成度，具有尺寸小、封装简单、成本低、密度高等优点。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是根据本发明的单纤双向光模块的一个具体实施方式的结构示意图；

图2是根据本发明的单纤双向光模块的一个优选具体实施方式的结构示意图；

附图中相同或相似的附图标记代表相同或相似的部件。

具体实施方式

为了更好地理解和阐释本发明，下面将结合附图对本发明作进一步的详细描述。本发明并不仅仅局限于这些具体实施方式。相反，对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

需要说明的是，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员应当理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在下文给出的多个具体实施方式中，对于本领域熟知的结构和部件未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。

本发明提供了一种单纤双向光模块，请参考图1，图1是根据本发明的单纤双向光模块的一个具体实施方式的结构示意图，所述光模块包括公共端口11、第一偏振分束器101、发射端器件组120、接收端器件组130、激光器阵列110、光探测器阵列140、准直透镜20和法拉第旋转片30，其中：

所述激光器阵列110产生出射光信号，所述出射光信号依次通过所述发射端器件组120、所述准直透镜20、所述法拉第旋转片30、所述准直透镜20、所述第一偏振分束器101到达所述公共端口11。如图1所示，图1中用字母“A”进行标识的虚线代表了所述出射光信号在所述单纤双向光模块中的出射传输光路。

从所述公共端口11入射的入射光信号依次通过所述第一偏振分束器101、所述准直透镜20、所述法拉第旋转片30、所述准直透镜20、所述接收端器件组130到达所述光探测器阵列140。如图1所示，图1中用字母“B”进行标识的虚线代表了所述入射光信号在所述单纤双向光模块中的入射传输光路。

在所述出射传输光路和入射传输光路中，为了从准直透镜20射出的光信号在经过法拉第旋转片30后，再次通过法拉第旋转片30回到准直透镜20中，考虑在法拉第旋转片30的后方布置合适的反射光学器件。例如在法拉第旋转片30的出射光学面上设置反射镜31，典型地，该反射镜31位于准直透镜20的焦平面上，以形成远心光阑系统。出于降低成本和简化结构考虑，典型地，优选的具体实施方式中考虑将所述反射镜31设计为形成在所述出射光学面上的反射膜。

本具体实施方中仅使用一个反射镜31即可实现光信号的单纤双向传输，使得光模块中的其余光学器件可以布置在准直透镜和法拉第旋转片的同侧，其优点是简化了单纤双向光模块的内部结构，有助于提升单纤双向光模块的内部空间的利用率。

为了进一步地提升光模块的集成度，优选的实施例中可以考虑使发射端器件组120和接收端器件组130共用至少一个光学器件，例如两者共用相同的偏振分束器、偏振旋转器等，这能有效减小光模块的尺寸和降低其制造成本。

随着加工技术的发展，尤其是硅光技术的出现，优选地考虑利用硅光技术将图1示出的光模块中的多个光学器件进行集成。优选地，所述公共端口11、所述第一偏振分束器101、所述发射端器件组120、所述接收端器件组130和所述光探测器阵列140中任意组合设置在集成芯片10上。甚至将激光器阵列110、准直透镜20、法拉第旋转片30和反射镜31也设置在所述集成芯片10上。其中，所述集成芯片10是硅基集成芯片。上述安排可以使光模块内部的光学器件的集成度更高，相比传统的人工光学制造工艺，使用硅光技术可以进一步显著地降低光模块的制造成本、能耗和尺寸。

另外，集成芯片10与准直透镜20需要进行光路耦合。为了使耦合更加简单方便，集成芯片10上与准直透镜20相耦合的光口可以设置在同一个平面，甚至是同一条直线上。集成芯片10上与准直透镜20相耦合的光口设置为4个，并呈中心对称设置。这样出光和入光共用至少部分接口，从而节省成本和降低耦合难度。

激光器阵列110中至少包括一个半导体激光器芯片，用于产生光信号。本领域技术人员可以理解，为了增加单纤双向光模块的带宽，可以考虑在单纤双向光模块中布置合适的光学器件以实现波分复用。相应地，激光器阵列110中包括多个半导体激光器芯片，用于产生不同波长的光信号。

请参考图2，图2是根据本发明的单纤双向光模块的一个优选具体实施方式的结构示意图，具体而言，图2示出的单纤双向光模块是采用了波分复用的高带宽光模块，其基本结构与图1示出的光模块的结构一致，并针对波分复用进行了专门设计。需要特别说明的是，图2中代表光信号的虚线分别具有不同的标记，用来示出各种不同类型的光信号在光模块中的光路。其中，对应标记数字“1”的虚线指的是波导中的混合偏振光，对应标记数字“2”的虚线指的是波导中的P偏振光，对应标记数字“3”的虚线指的是波导中的S偏振光，对应标记数字“4”的虚线指的是自由空间中的混合偏振光。

结合图1和图2进行参考，激光器阵列110由多个(n个)激光器构成，例如包括如图2所示的激光器111、激光器112至激光器11n，在该实施方式中，激光器阵列110产生的出射光信号是多束平行偏振光，典型地，所述多束平行偏振光是多束P偏振光。对应地，为了处理该多束平行偏振光，发射端器件组120至少包括光调制器阵列、波分复用器102、第二偏振分束器103和第一偏振旋转器104，其中，光调制器阵列由至少n个光调制器构成，例如图2所示的光调制器121、光调制器122至光调制器12n。所述多束平行偏振光依次通过所述光调制器阵列和所述波分复用器102，并依次执行光调制处理和波分复用处理以生成合束光信号。所述合束光信号依次经过所述第二偏振分束器103和所述第一偏振旋转器104从集成芯片10出射到达所述准直透镜20，并最终依次经过所述准直透镜20、所述法拉第旋转片30、所述准直透镜20、所述第一偏振分束器101到达所述公共端口11。本领域技术人员可以理解，为了使所述多束平行偏振光能正常到达公共端口11，应该为第一偏振旋转器104和法拉第旋转片30选择合适的光学偏振旋转角度。典型地，在本具体实施方中，考虑将第一偏振旋转器104的光学偏振旋转角度设置为负45度，并将法拉第旋转片30的光学偏振旋转角度设置为正22.5度。基于所选择的上述参数，结合图1和图2进行参考，激光器阵列110产生的多束P偏振光耦合进入光调制器阵列121至12n进行高速光调制，经过调制后的多束P偏振光进入波分复用器102进行合束产生合束光，该合束光经过第二偏振分束器103进入第一偏振旋转器104实现-45度偏振旋转，随后经过准直透镜20后准直，进入法拉第旋转片30发生+22.5度偏振旋转，到达反射镜31后被反射以重新经过法拉第旋转片30并发生+22.5度偏振旋转，成P偏振光经过准直透镜20到达第一偏振分束器101，最后由公共端口11出射。

同样，从公共端口11入射至单纤双向光模块内的入射光信号是经过波分复用处理后的至少一束混合偏振光，第一偏振分束器101用于将所述混合偏振光信号分解为偏振方向互相垂直的P偏振光和S偏振光。相应地，所述接收端器件组130至少包括第二偏振分束器103、第一偏振旋转器104、第二偏振旋转器135、第三偏振旋转器105、第一波分解复用器131、第二波分解复用器132、偏振旋转器阵列133和偏振分束器阵列134。所述P偏振光至少依次经过所述准直透镜20、所述法拉第旋转片30、所述准直透镜20、所述第一偏振旋转器104、所述第二偏振分束器103、所述第三偏振旋转器105、所述第一波分解复用器131、所述偏振旋转器阵列133、所述偏振分束器阵列134到达所述光探测器阵列140；所述S偏振光至少依次经过所述准直透镜20、所述法拉第旋转片30、所述准直透镜20、所述第二偏振旋转器135、所述第二波分解复用器132和所述偏振分束器阵列134到达所述光探测器阵列140。具体地，偏振旋转器阵列133由多个偏振旋转器构成，偏振分束器阵列134由多个偏振分束器构成，光探测器阵列140由多个光探测器构成。所述P偏振光和所述S偏振光从第一偏振分束器101出射后，会在法拉第旋转片30和接收器件组130中进行多次偏振旋转，以保证其能正常到达光探测器阵列140。本领域技术人员可以理解，应该为第一偏振旋转器104、第二偏振旋转器135、第三偏振旋转器105、偏振旋转器阵列133和法拉第旋转片30选择合适的光学偏振旋转角度，典型地，在本具体实施方中，考虑将第一偏振旋转器104、第二偏振旋转器135的光学偏振旋转角度设置为负45度，第三偏振旋转器105和偏振旋转器阵列133的光学偏振旋转角度设置为90度，并将法拉第旋转片30的光学偏振旋转角度设置为正22.5度。基于所选择的上述参数，结合图1和图2进行参考，从第一偏振分束器101出射的所述P偏振光进入准直透镜20后准直，随后进入法拉第旋转片30发生+22.5度偏振旋转，到达反射镜31后被反射以重新经过法拉第旋转片30并发生+22.5度偏振旋转，经过准直透镜20到达第一偏振旋转器104实现+45度偏振旋转成S偏振光S1，该S偏振光S1经过第二偏振分束器103至第三偏振旋转器105进行90度偏振旋转形成P偏振光P1，所述P偏振光P1经过第一波分解复用器131进行波长解复用处理生成多束不同波长的P偏振光P1'，该多束不同波长的P偏振光随后进入偏振旋转器阵列133进行90度偏振旋转形成多束不同波长的S偏振光S2，最终进入偏振分束器阵列134。继续结合图1和图2进行参考，从第一偏振分束器101出射的所述S偏振光进入准直透镜20后准直，随后进入法拉第旋转片30发生+22.5度偏振旋转，到达反射镜31后被反射以重新经过法拉第旋转片30并发生+22.5度偏振旋转，经过准直透镜20到达第二偏振旋转器135实现+45度偏振旋转形成P偏振光P2，所述P偏振光P2经过第二波分解复用器132进行波长解复用处理生成多束不同波长的P偏振光P2'，最终该多束不同波长的P偏振光P2'进入偏振分束器阵列134。偏振分束器阵列134用于分别将所述多束不同波长的P偏振光P2'和所述多束不同波长的S偏振光S2进行合波处理，处理得到的多束混合偏振光分别进入光探测器阵列140中进行光电转换探测。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化均涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他部件、单元或步骤，单数不排除复数。

应当理解，虽然本说明书按照具体实施方式加以描述，但并非每个具体实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

本发明提供的单纤双向光模块利用第一偏振分束器、准直透镜和法拉第旋转片实现同一光纤的光信号接收和发送，光模块中的其余光学器件可以设置在准直透镜和法拉第旋转片的同侧，这种设置方式可以提升单纤双向光模块的集成度，具有尺寸小、封装简单、成本低、密度高等优点。

以上所披露的仅为本发明的一些较佳实施例，不能以此来限定本发明之权利范围，依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (11)

1.一种单纤双向光模块，所述光模块包括公共端口、第一偏振分束器、发射端器件组、接收端器件组、激光器阵列、光探测器阵列、准直透镜和法拉第旋转片，其中：

所述激光器阵列产生出射光信号，所述出射光信号依次通过所述发射端器件组、所述准直透镜、所述法拉第旋转片、所述准直透镜、所述第一偏振分束器到达所述公共端口；

从所述公共端口入射的入射光信号依次通过所述第一偏振分束器、所述准直透镜、所述法拉第旋转片、所述准直透镜、所述接收端器件组到达所述光探测器阵列。

2.根据权利要求1所述的光模块，其中：

所述激光器阵列、所述公共端口、所述第一偏振分束器、所述发射端器件组、所述接收端器件组和所述光探测器阵列中任意组合设置在集成芯片上。

3.根据权利要求1或2所述的光模块，其中：

所述法拉第旋转片的出射光学面上设置反射镜，所述反射镜位于所述准直透镜的焦平面上，以形成远心光阑系统。

4.根据权利要求3所述的光模块，其中：

所述反射镜是形成在所述出射光学面上的反射膜。

5.根据权利要求2所述的光模块，其中：

所述集成芯片是硅基集成芯片。

6.根据权利要求1或2所述的光模块，其中：

所述发射端器件组和所述接收端器件组共用至少一个光学器件。

7.根据权利要求1所述的光模块，其中：

所述出射光信号为多束平行偏振光；

所述发射端器件组包括光调制器阵列、波分复用器、第二偏振分束器和第一偏振旋转器；

所述多束平行偏振光通过所述光调制器阵列和所述波分复用器，并相应执行光调制处理和波分复用处理以生成合束光信号，所述合束光信号经过所述第二偏振分束器和所述第一偏振旋转器到达所述准直透镜。

8.根据权利要求7所述的光模块，其中：

所述多束平行偏振光为多束P偏振光。

9.根据权利要求7所述的光模块，其中：

所述第一偏振旋转器的光学偏振旋转角度设置为负45度；

所述法拉第旋转片的光学偏振旋转角度设置为正22.5度。

10.根据权利要求1所述的光模块，其中：

所述入射光信号为至少一束混合偏振光；

所述接收端器件组包括第二偏振分束器、第一偏振旋转器、第二偏振旋转器、第三偏振旋转器、第一波分解复用器、第二波分解复用器、偏振旋转器阵列和偏振分束器阵列；

所述第一偏振分束器用于将所述混合偏振光信号分解为偏振方向互相垂直的P偏振光和S偏振光；

所述P偏振光依次经过所述准直透镜、所述法拉第旋转片、所述准直透镜、所述第一偏振旋转器、所述第二偏振分束器、所述第三偏振旋转器、所述第一波分解复用器、所述偏振旋转器阵列、所述偏振分束器阵列到达所述光探测器阵列；

所述S偏振光依次经过所述准直透镜、所述法拉第旋转片、所述准直透镜、所述第二偏振旋转器、所述第二波分解复用器和所述偏振分束器阵列到达所述光探测器阵列。

11.根据权利要求10所述的光模块，其中：

所述第一偏振旋转器、所述第二偏振旋转器的光学偏振旋转角度设置为负45度；

所述第三偏振旋转器和所述偏振旋转器阵列的光学偏振旋转角度设置为90度；

所述法拉第旋转片的光学偏振旋转角度设置为正22.5度。