CN110531470A - 一种窄波长间隔的单纤双向收发器 - Google Patents

一种窄波长间隔的单纤双向收发器 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种窄波长间隔的单纤双向收发器，包括发射器、隔离器、接收器和光纤适配器，还包括分别与发射器、接收器和光纤适配器相连的组件座，所述隔离器设置在组件座上靠近发射器的一端，所述组件座内设有滤光片组合，所述滤光片组合包括第一滤光片和第二滤光片，所述第一滤光片靠近发射器的A面设有增透膜，B面设有反射膜，所述第二滤光片与第一滤光片相对的一面设有反射膜，其中，所述发射器发出的光经过第一滤光片的A面后进入光纤适配器，光纤适配器发出的光经过第一滤光片的B面反射到第二滤光片上，再经过第二滤光片的反射垂直进入接收器接收端。本发明工艺较为简单，位置精度要求低，易于批量生产，能够达到40nm波长间隔。

Description

一种窄波长间隔的单纤双向收发器
技术领域
本发明涉及一种光电转换器，尤其涉及一种窄波长间隔的单纤双向收发器。
背景技术
单纤双向组件(Bidirectional Optical Subassembly，简写为BOSA，)是集发射和接收于一体的光电转换器件，发射器和接收器采用一根光纤实现数据双向传输的功能，是现代光通信尤其是5G网络中的核心器件，BOSA光模块具有节省50％的光纤资源、上下行等距可有效保证高精度时间同步等优势。
如图1所示，，目前传统的单纤双向BOSA，采用TO-CAN不带电子制冷器TEC制冷的封装形式，由发射器201、接收器202、隔离器203,45度滤光片204、0度滤光片205，LC光纤适配器206组成，该结构使用45度和0度的滤光片为发射器和接收器的分光元件，同时完成一种波长光信号的发射和另一种波长光信号的接收。该设计波长间隔最小是60nm,比如1490nm和1550nm,波长间隔更小将会导致发射的光插损变大，发射和接收波长间隔较小的光不能很好分光，光的串扰会相互影响，导致收发器性能劣化。
由于受到TO-CAN底座高频性能影响，这种封装形式的器件单通道传输速率较难高于25Gbps。目前市场是一般TO-CAN封装发射器无内置TEC(Thermal Electric Cooler，热电冷却器)，这样会导致发射光中心波长漂移，该设计传输距离最多可以做到10km.
所以，这对以上的存在的一些技术难题，限制了单纤双向收发器的波长选择，同时也限制了传输距离。本发明一种窄波长间隔的单纤双向收发器。
发明内容
为解决现有技术中的问题，本发明提供一种窄波长间隔的单纤双向收发器。
本发明包括发射器、隔离器、接收器和光纤适配器，还包括分别与发射器、接收器和光纤适配器相连的组件座，所述隔离器设置在组件座上靠近发射器的一端，所述组件座内设有滤光片组合，所述滤光片组合包括第一滤光片和第二滤光片，所述第一滤光片靠近发射器的A面设有增透膜，靠近光纤适配器的B面设有反射膜，所述第二滤光片与第一滤光片相对的一面设有反射膜，其中，所述发射器发出的光经过第一滤光片的A面后进入光纤适配器，光纤适配器发出的光经过第一滤光片的B面反射到第二滤光片上，再经过第二滤光片的反射垂直进入接收器接收端。
本发明作进一步改进，还包括设置在发射器出光端的焦距延长结构。
本发明作进一步改进，所述隔离器为双极隔离器，所述焦距延长结构包括发射第二透镜，所述发射第二透镜设置在双极隔离器的出光端。
本发明作进一步改进，所述发射器采用带TEC的EML激光器。
本发明作进一步改进，所述发射器包括气密封装的管壳，设置在管壳内的过渡载板、EML激光器、发射第一透镜和TEC，其中，所述EML激光器固定在所述过渡载板上，所述发射第一透镜设置在EML激光器出光端，所述TEC设置在发射第一透镜出光侧。
本发明作进一步改进，还包括过渡环，所述过渡环设置在发射器和组件座之间。
本发明作进一步改进，所述第一滤光片和第二滤光片通过滤光片载体固定在组件座内，所述第一滤光片和第二滤光片的夹角为45度。
本发明作进一步改进，所述发射器入射光与第一滤光片法线的夹角为22度。
本发明作进一步改进，还包括0度滤光片，所述0度滤光片设置在所述接收器接收端的上表面。
本发明作进一步改进，所述接收器采用TO封装，包括TO底座、光电二极管芯片、包含接收透镜的TO管帽，其中，所述接收器通过结构胶固定在组件座的下方，0度滤光片贴装在TO管帽的上表面，设置在第二滤光片下方，所述TO管帽固定在TO底座上，所述光电二极管芯片固定在TO底座下表面。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：使用该滤光片组合的方案，本发明发射器透射插损小于0.3dB，波长间隔最小达到40nm；工艺较为简单，位置精度要求低，易于批量生产；增加使用发射第二透镜，在发射第一透镜的基础上，延长的光路的同时，光功率的耦合效率增加了10％；使用带TEC制冷的EML芯片，匹配APD芯片方案，可实现单纤双向光传输80km；该滤光片组合可以做到发射透射的插损小于0.5dB，反射插损小于0.5dB。
附图说明
图1为现有技术收发器结构示意图；
图2本发明结构示意图；
图3为滤光片组合一实施例入射角度示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图2所示，本发明本发明包括发射器301、隔离器3031、接收器304和LC光纤适配器305，还包括分别与发射器301、接收器304和LC光纤适配器305相连的组件座303，所述发射器301与组件座303通过过渡环302固定连接。
所述隔离器3031设置在组件座303上靠近发射器301的一端，所述组件座303内设有滤光片组合3034，所述滤光片组合3034包括第一滤光片30341和第二滤光片30342，所述第一滤光片30341靠近发射器301的A面设有增透膜，靠近LC光纤适配器305的B面设有反射膜，所述第二滤光片30342与第一滤光片30341相对的一面设有反射膜，其中，所述发射器301发出的光经过第一滤光片30341的A面后进入光纤适配器，光纤适配器发出的光经过第一滤光片30341的B面反射到第二滤光片30342上，再经过第二滤光片30342的反射垂直进入接收器304接收端。
如图3所示，作为本发明的一个优选实施例，本例两个滤光片的夹角是45度。当光入射到滤光片的入射角增大到一定程度时，滤光片的光学特性会产生两个显著变化，第一，其通带位置即峰值波长会向短波移动，第二，s-偏振光和p偏振光特性产生分离，导致波峰和带宽发生改变。
其中，第一点，λ‘＝λcosθ，其中λ是薄膜透射的中心波长，θ是入射角，从公式可以看出，随着入射角的增加，透射曲线的中心波长不断减小。第二点，光以一定角度入射到滤光片表面时，任何特定方位都可以归纳为两个标准方位的组合，横磁波或称p-横振光，横电波或称s-偏振光，光束斜入射时，不仅滤光片即表面镀膜的有效厚度发生了变化，而且它们的有效折射率也发生了变化，电矢量垂直于入射面的振动分量(s-分量)和平行于入射面的振动分量(p-分量)对与界面的情况不相同，他们的有效折射率也不相同，不可避免的产生偏振分离。
以上两个方面原因，背景技术中45度入射的滤光片波长偏移和偏振分离都较严重，且经验证只能满足发射和接收波长间隔60nm的滤光片方案，对于更窄波长间间隔的产品不能使用，所以，本发明使用的滤光片组合的方案，减小了入射角度，经理论和实际效果验证，都能满足40nm波长间隔的使用。
本例的单纤双向收发器，发射器301有两种不同波长，波长间隔最小可以做到40nm，而非背景技术介绍的最小波长间隔60nm，具体实施中，第一步，将过渡载板3012，TEC3013，激光器芯片3014，发射第一透镜3015等内部组件组装在管壳3011中，其中发射第一透镜3015的固定可以有无源贴装和有源光耦合两种方式，以上完成带制冷的发射器301。
第二步，完成组件座303的组装，包括双极隔离器3031，发射第二透镜3032，滤光片载体3030，滤光片组合3034等通过胶的粘接以及过盈配合等方式粘接在组件座中。
在自动耦合以及激光焊接设备上，完成发射器301，过渡环302，组件座303，以及适配器305的耦合和激光焊接。激光器芯片3014发出的有一定发散角的光，经过发射第一透镜3015，成为汇聚光，但是因为产品长度限制，单个透镜不能实现焦距L2过长，且耦合效率较低，本例增设发射第二透镜3031，发射第一透镜3015发出的光，进入双极隔离器3031后进入发射第二透镜3032，光入射到滤光片组合3034的滤光片30341A面上，该面针对于该发射器波长镀增透膜，光经内部折射后从30341B面发出，最终LC光纤适配器305完成出光。在自动耦合设备会将激光器芯片3014发出的光耦合进入光纤适配器305，并完成激光焊接的固定。此时成为半成品组件(Optical Subassembly，简称OSA)。
本例接收器304采用TO封装，具体地，接收器304是将APD(雪崩式光电二极管)芯片3042以及匹配的功能芯片封装在TO底座3041中，将TO CAP(管帽)3043使用电阻焊固定在TO底座3041上，将0度滤光片3045使用胶黏剂组装在TP CAP上面。
最后一步，将OSA和接收器304进行接收端的耦合，不同于发射器波长的光通过LC光纤适配器305入射到滤光片30341的B面上，该面针对于该入射光的波长镀高反膜，经反射后光入射到第二滤光片30342上，光路在第二滤光片30342反射到接收器304，接收器304通过三维耦合找到最佳位置，使得接收器304接收到的最大的响应电流。最终光接收器使用结构胶3044固定。
该单纤双向收发器是成对使用，两种发射的波长最小间隔可以做到40nm，比如，1270nm和1310nm,1530nm和1570nm,不限制波长的组合。
以发射1530nm和接收1570nm波长组合为例，1530nm的激光器芯片3014，针对于1530nm的隔离器3031，匹配1530nm的滤光片组合3034，30341A面对1530nm波长镀增透膜，使得发射器的光能最大程度的通过滤光片进入到LD适配器，其中插损可以做到小于0.3dB；波长是1570nm的光进入LC光纤适配器305后，经滤光片30341的B面反射到滤光片30342，经滤光片30342发射后，依次进入0度滤光片3045的带有接收透镜的TO CAP3044的透镜汇聚，汇聚到APD芯片3042上。其中，30341B面和30342上面针对1570nm波长镀高反膜使得1570nm入射的光能够最大程度的进入到APD3042光敏面，同时，本例滤光片组合3034和0度滤光片3045也要针对两种波长的串扰镀膜，提高隔离度。
同样的，发射1570nm和接收1530nm波长，也会有不同的隔离器波长，和滤光片镀膜设计，最终实现电转光，光转电，一根光纤实现数据双向传输的功能。
本例传输距离从10km到80Km都可以使用，可以选择不同的发射器，包括EML((Electro-absorption modulated laser，电吸收调制激光器))和DML(直接调光器激光器)、带TEC、不带TEC，本例的接收器可以选择PD(光电二极管)和APD。本例传输80km,需要用带TEC的EML激光器芯片，接收器使用APD。
本例具有以下突出的优势：
1.本发明滤光片组合使用胶黏剂固定，工艺较为简单，位置精度要求低，易于批量生产，单纤双向减少系统中了光纤的数量，简化了系统结构，尤其适用于光纤资源有限和密集波分复用技术的应用场景；
2.增加使用发射第二透镜，在发射第一透镜的基础上，延长的光路的同时，光功率的耦合效率增加了10％；
3.使用该滤光片组合的方案，本发明发射器透射插损小于0.3dB；
4.使用带TEC制冷的EML芯片，匹配APD芯片方案，可实现单纤双向光传输80km；
5.PAM4技术可将25G或10G的光电器件传输速率翻倍，实现高速光信号的传输，提高光纤通信能力，本发明方案可以用于PAM4调制；
6.该滤光片组合可以做到发射透射的插损小于0.5dB，反射插损小于0.5dB。
以上所述之具体实施方式为本发明的较佳实施方式，并非以此限定本发明的具体实施范围，本发明的范围包括并不限于本具体实施方式，凡依照本发明所作的等效变化均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种窄波长间隔的单纤双向收发器，包括发射器、隔离器、接收器和光纤适配器，其特征在于：还包括分别与发射器、接收器和光纤适配器相连的组件座，所述隔离器设置在组件座上靠近发射器的一端，所述组件座内设有滤光片组合，所述滤光片组合包括第一滤光片和第二滤光片，所述第一滤光片靠近发射器的A面设有增透膜，靠近光纤适配器的B面设有反射膜，所述第二滤光片与第一滤光片相对的一面设有反射膜，其中，所述发射器发出的光经过第一滤光片的A面后进入光纤适配器，光纤适配器发出的光经过第一滤光片的B面反射到第二滤光片上，再经过第二滤光片的反射垂直进入接收器接收端。
2.根据权利要求1所述的窄波长间隔的单纤双向收发器，其特征在于：还包括设置在发射器出光端的焦距延长结构。
3.根据权利要求2所述的窄波长间隔的单纤双向收发器，其特征在于：所述隔离器为双极隔离器，所述焦距延长结构包括发射第二透镜，所述发射第二透镜设置在双极隔离器的出光端。
4.根据权利要求3所述的窄波长间隔的单纤双向收发器，其特征在于：所述发射器采用带TEC的EML激光器。
5.根据权利要求4所述的窄波长间隔的单纤双向收发器，其特征在于：所述发射器包括气密封装的管壳，设置在管壳内的过渡载板、EML激光器、发射第一透镜和TEC，其中，所述EML激光器固定在所述过渡载板上，所述发射第一透镜设置在EML激光器出光端，所述TEC设置在发射第一透镜出光侧。
6.根据权利要求1-5任一项所述的窄波长间隔的单纤双向收发器，其特征在于：还包括过渡环，所述过渡环设置在发射器和组件座之间。
7.根据权利要求1-5任一项所述的窄波长间隔的单纤双向收发器，其特征在于：所述第一滤光片和第二滤光片通过滤光片载体固定在组件座内，所述第一滤光片和第二滤光片的夹角为45度。
8.根据权利要求7所述的窄波长间隔的单纤双向收发器，其特征在于：所述发射器入射光与第一滤光片法线的夹角为22度。
9.根据权利要求1-5任一项所述的窄波长间隔的单纤双向收发器，其特征在于：还包括0度滤光片，所述0度滤光片设置在所述接收器接收端的上表面。
10.根据权利要求9所述的窄波长间隔的单纤双向收发器，其特征在于：所述接收器采用TO封装，包括TO底座、光电二极管芯片、包含接收透镜的TO管帽，其中，所述接收器通过结构胶固定在组件座的下方，0度滤光片贴装在TO管帽的上表面，设置在第二滤光片下方，所述TO管帽固定在TO底座上，所述光电二极管芯片固定在TO底座下表面。
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