CN112235050A - 单光纤双向收发装置及光纤通信系统 - Google Patents

单光纤双向收发装置及光纤通信系统 Download PDF

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Abstract

本公开是关于一种单光纤双向收发装置及光纤通信系统。该单光纤双向收发装置包括光输入端口、光输出端口以及复合光传输端口；光输入端口用于供输入的发射信号输出至复合光传输端口；光输出端口用于输出从复合光传输端口输入的接收信号；复合光传输端口用于与光纤耦合；双向光传输组件，用于传输从复合光传输端口输入的接收信号至光导组件，以及传输从光导组件输出的发射信号至复合光传输端口；光导组件，用于传输从光输入端口输入的发射信号至双向光传输组件，以及传输从双向光传输组件输出的接收信号至光输出端口，从而通过单根光纤便可实现双向光收发功能。

Description

单光纤双向收发装置及光纤通信系统
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种单光纤双向收发装置及光纤通信系统。
背景技术
随着通信技术进步和发展，光纤通信变得越来越普遍，光纤通信系统的应用也变得越来越多。与此同时，数据通信业务量也不断增长，从而导致了在通信系统中普遍应用的光收发模块的需求量迅速增加。其中许多光收发模块的发送和接受需要通过两根光纤进行传输。大量光纤的使用会使整个数据中心的物料成本以及光纤管理成本变得很高。
发明内容
一方面，本公开提供一种单光纤双向收发装置。
本公开提供的一种单光纤双向收发装置，包括：
光输入端口、光输出端口以及复合光传输端口；所述光输入端口，位于第一端面，用于供输入的发射信号输出至所述复合光传输端口；
所述光输出端口，与所述光输入端口并列位于所述第一端面，用于输出从所述复合光传输端口输入的接收信号；
所述复合光传输端口，位于所述第二端面，其中，所述第二端面与所述第一端面相反设置，用于与光纤耦合；
双向光传输组件以及光导组件，均位于所述第一端面与所述第二端面之间，所述双向光传输组件位于所述第二端面与所述光导组件之间，所述光导组件位于所述第一端面与所述双向光传输组件之间，其中：
所述双向光传输组件，用于传输从所述复合光传输端口输入的接收信号至所述光导组件，以及传输从所述光导组件输出的所述发射信号至所述复合光传输端口；
所述光导组件，用于传输从所述光输入端口输入的所述发射信号至所述双向光传输组件，以及传输从所述双向光传输组件输出的所述接收信号至所述光输出端口。
在一些实施例中，所述光输入端口为多个并列设置的光输入端口，所述光输出端口为多个并列设置的光输出端口；
所述光导组件，包括：并列设置有合束波导结构和分束波导结构；
所述合束波导结构，输入端朝向所述多个光输入端口，输出端朝向所述双向光传输组件；用于对所述多个光输入端口入射的多个所述发射信号进行合并，并传输合并后的所述发射信号至所述双向光传输组件；所述分束波导结构，输入端朝向所述双向光传输组件，且输出端朝向多个光输出端口，用于对所述双向光传输组件输出的所述接收信号分为多个与所述多个并列的光输出端口分别对应的分光接收信号，并传输不同的所述分光接收信号至不同的光输出端口。
在一些实施例中，所述光导组件为PLC芯片。
在一些实施例中，所述双向光传输组件内沿所述第一端面至所述第二端面的方向，依次包括：
第一传输组件、第二传输组件和第三传输组件，其中：
所述第一传输组件包括在竖直方向上相粘接的第一偏振分光棱镜和所述第一偏振分光棱镜粘接的光路偏移棱镜，其中：所述第一偏振分光棱镜具有第一端面和第二端面，所述第一端面上具有第一偏振分光膜，所述第二端面上具有第一反射膜，所述光路偏移棱镜具有第三端面和第四端面，所述第四端面上具有第二反射膜，所述第三端面与所述第一端面粘接；
所述第二传输组件包括法拉第旋转片以及粘接在法拉第旋转片表面的第一半波片、第二半波片和第三半波片，其中：所述第一半波片和所述第二半波片均粘接在所述法拉第旋转片的第一表面，所述第一半波片粘接在所述第一表面的上半部分，所述第二半波片粘接在所述第一表面的下半部分；所述第三半波片粘接在所述法拉第旋转片的第二表面的下半部分，与所述第二半波片正对；所述第一表面和所述第二表面为所述法拉第旋转片平行正对的两个面；
所述第三传输组件包括在竖直方向上相粘接的第二偏振分光棱镜和三角棱镜，其中：所述第二偏振分光棱镜具有第五端面和第六端面，所述第五端面上具有第二偏振分光膜，所述第六端面上具有第三反射膜，所述第五端面与所述三角棱镜的斜面相粘接，所述三角棱镜在竖直方向上的垂面与所述第三半波片正对。
在一些实施例中，还包括：
第一准直透镜，位于所述光导组件与所述双向光传输组件之间，用于对所述合束波导结构输出的合并后的所述发射信号进行准直；
第二准直透镜，与所述第一准直透镜并列设置，用于对所述双向光传输组件输出的所述接收信号进行准直；
第三准直透镜，位于所述双向光传输组件与所述光纤之间，用于对传导至所述复合光传输端口上的所述发射信号进行准直，以及用于对所述光纤传输至所述双向光传输组件的所述接收信号进行准直。
在一些实施例中，还包括：
透镜阵列，位于所述多个光输入端口与所述光导组件之间，所述透镜阵列中的透镜与所述多个光输入端口中的各个光输入端口一一对应，用于将所述多个光输入端口输入的发射信号耦合到所述的光导组件的合束波导中。
在一些实施例中，所述光导组件中所述分束波导结构的信号传输末端开设有与所述多个光输出端口一一对应的多个信号反射斜面，所述分束波导结构输出的多个所述分光接收信号通过所述信号反射斜面反射至所述光输出端口。
在一些实施例中，所述双向光传输组件内部具有环形光路；
所述环形光路包括在所述环形光路上位置不同的第一端点和第二端点，所述第一端点位于所述第一偏振分光棱镜的第一端面，所述第二端点位于所述第二偏振分光棱镜的第五端面，其中：从所述第一端点到所述第二端点形成包含有第一光路和第二光路的输出光路，所述输出光路用于输出在所述第一端点以第一入射方向输入的发射信号；
从所述第二端点到所述第一端点形成包含有第三光路和第四光路的输入光路，所述输入光路用于输入在所述第一端点以第一出射方向输出的接收信号；所述第一入射方向和所述第一出射方向不同；所述第一光路和所述第三光路的传输方向相反，所述第二光路和所述第四光路的传输方向相反。
在一些实施例中，所述第一光路和所述第三光路上均包括：
所述第一偏振分光棱镜、所述光路偏移棱镜、所述第一半波片、所述法拉第旋转片以及所述第二偏振分光棱镜；
所述第二光路和所述第四光路上均包括：
所述第一偏振分光棱镜、所述第二半波片、所述法拉第旋转片、所述第三半波片、所述三角棱角以及所述第二偏振分光棱镜。
在一些实施例中，所述第三半波片的偏振偏转角度大小为所述法拉第旋转片的偏振偏转角度大小的两倍。
本公开的实施例提供的技术方案可以包括以下有益效果：
本公开实施例的单光纤双向收发装置内部集成了光输入端口、光输出端口、复合光传输端口、用于传输从复合光传输端口输入的接收信号至光导组件和传输从光导组件输出的发射信号至复合光传输端口的双向光传输组件以及用于传输从光输入端口输入的发射信号至双向光传输组件和传输从双向光传输组件输出的接收信号至光输出端口的光导组件。同时光导组件可采用同时具有合波和分波功能的集成芯片。集成芯片中用于合波的输出端波导和用于分波的输入波导之间可以近距离设计，使得芯片整体尺寸较小，进而可缩小双向光传输组件的结构尺寸，从而在单光纤双向收发装置实现单根光纤双向光收发功能的同时，使整个装置集成化、紧凑化。
附图说明
图1为根据一示例性实施例示出的单光纤双向收发装置的结构示意图。
图2为根据一示例性实施例示出的单光纤双向收发装置的剖面示意图。
图3为根据一示例性实施例示出的双向光传输组件的结构示意图一。
图4为根据一示例性实施例示出的双向光传输组件的结构示意图二。
图5为根据一示例性实施例示出的单光纤双向收发装置的TOSA部分光路工作原理示意图。
图6为根据一示例性实施例示出的单光纤双向收发装置的ROSA部分光路工作原理示意图。
图7为根据一示例性实施例示出的单光纤双向收发装置中分束波导结构信号传输末端局部放大图。
具体实施方式
为使本发明实施例的技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
本公开提供一种单光纤双向收发装置。图1为根据一示例性实施例示出的单光纤双向收发装置的结构示意图。如图1所示，上述单光纤双向收发装置包括：
光输入端口、光输出端口以及复合光传输端口；所述光输入端口，位于第一端面，用于供输入的发射信号输出至所述复合光传输端口；
所述光输出端口，与所述光输入端口并列位于所述第一端面，用于输出从所述复合光传输端口输入的接收信号；
所述复合光传输端口，位于所述第二端面，其中，所述第二端面与所述第一端面相反设置，用于与光纤耦合；
双向光传输组件以及光导组件，均位于所述第一端面与所述第二端面之间，所述双向光传输组件位于所述第二端面与所述光导组件之间，所述光导组件位于所述第一端面与所述双向光传输组件之间，其中：
所述双向光传输组件，用于传输从所述复合光传输端口输入的接收信号至所述光导组件，以及传输从所述光导组件输出的所述发射信号至所述复合光传输端口；
所述光导组件，用于传输从所述光输入端口输入的所述发射信号至所述双向光传输组件，以及传输从所述双向光传输组件输出的所述接收信号至所述光输出端口。
在本示例性实施例中，内部集成了光输入端口、光输出端口、复合光传输端口、用于传输从复合光传输端口输入的接收信号至光导组件和传输从光导组件输出的发射信号至复合光传输端口的双向光传输组件以及用于传输从光输入端口输入的发射信号至双向光传输组件和传输从双向光传输组件输出的接收信号至光输出端口的光导组件。同时光导组件可采用同时具有合波和分波功能的集成芯片。集成芯片中用于合波的输出端波导和用于分波的输入波导之间可以近距离设计，使得芯片整体尺寸较小，进而可缩小双向光传输组件的结构尺寸，从而在单光纤双向收发装置实现单根光纤双向光收发功能的同时，使整个装置集成化、紧凑化。在一些实施例中，图2为根据一示例性实施例示出的单光纤双向收发装置的剖面示意图。如图2所示，单光纤双向收发装置中的所述光输入端口为多个并列设置的光输入端口，所述光输出端口为多个并列设置的光输出端口；
光导组件5，包括：并列设置有合束波导结构和分束波导结构；
所述合束波导结构，输入端朝向所述多个光输入端口，输出端朝向所述双向光传输组件3；用于对所述多个光输入端口入射的多个所述发射信号进行合并，并传输合并后的所述发射信号至所述双向光传输组件3；所述分束波导结构，输入端朝向所述双向光传输组件3，且输出端朝向多个光输出端口，用于对所述双向光传输组件3输出的所述接收信号分为多个与所述多个并列的光输出端口分别对应的分光接收信号，并传输不同的所述分光接收信号至不同的光输出端口。
在本示例性实施例中，光导组件5内置有合束波导结构和分束波导结构。合束波导结构可包括波导结构和合束器。分束波导结构可包括波导结构和分束器。通过合束波导结构实现多个光输入端口入射的多个所述发射信号进行合并，并传输合并后的所述发射信号至所述双向光传输组件3，通过分束波导结构实现将所述双向光传输组件3输出的所述接收信号分为多个与所述多个并列的光输出端口分别对应的分光接收信号，并传输不同的所述分光接收信号至不同的光输出端口，如此通过光导组件5扩充单光纤双向收发装置的发射信号的个数和用于进行信号探测的信号个数。
在具体应用时，多个光输入端口输入多个单一波长的光，通过合束波导结构将多个单一波长的光合并为一束复合光传输至双向光传输组件3。通过分束波导结构将光纤传输的复合光分束为多个单一波长的光传输至多个光输出端口输出，供光信号检测组件获取。
在一些实施例中，所述光导组件为PLC芯片。
在本示例性实施例中，光导组件可以是同时具有合波和分波功能的小型PLC集成芯片。PLC芯片用于合波的输出端波导和用于分波的输入波导之间可以近距离设计，使得芯片整体尺寸较小，进而缩小了双向光传输组件的结构尺寸，从而在单光纤双向收发装置实现单根光纤双向光收发功能的同时，使整个装置集成化、紧凑化。
在一些实施例中，图3为根据一示例性实施例示出的双向光传输组件的结构示意图一。图4为根据一示例性实施例示出的双向光传输组件3的结构示意图二。如图3和图4所示，所述双向光传输组件内沿所述第一端面至所述第二端面的方向，依次包括：
第一传输组件、第二传输组件和第三传输组件，其中：
所述第一传输组件包括在竖直方向上相粘接的第一偏振分光棱镜38和所述第一偏振分光棱镜38粘接的光路偏移棱镜39，其中：所述第一偏振分光棱镜38具有第一端面和第二端面，所述第一端面上具有第一偏振分光膜381，所述第二端面上具有第一反射膜382，所述光路偏移棱镜39具有第三端面和第四端面，所述第四端面上具有第二反射膜391，所述第三端面与所述第一端面粘接；
所述第二传输组件包括法拉第旋转片35以及粘接在法拉第旋转片35表面的第一半波片37、第二半波片36和第三半波片34，其中：所述第一半波片37和所述第二半波片36均粘接在所述法拉第旋转片35的第一表面，所述第一半波片37粘接在所述第一表面的上半部分，所述第二半波片36粘接在所述第一表面的下半部分；所述第三半波片34粘接在所述法拉第旋转片35的第二表面的下半部分，与所述第二半波片36正对；所述第一表面和所述第二表面为所述法拉第旋转片35平行正对的两个面；
所述第三传输组件包括在竖直方向上相粘接的第二偏振分光棱镜32和三角棱镜33，其中：所述第二偏振分光棱镜32具有第五端面和第六端面，所述第五端面上具有第二偏振分光膜321，所述第六端面上具有第三反射膜322，所述第五端面与所述三角棱镜33的斜面相粘接，所述三角棱镜33在竖直方向上的垂面与所述第三半波片34正对。
在本示例性实施例中，所述第一偏振分光膜381用于入射到所述第一偏振分光棱镜38的第一端面上供具有第一偏振角度的光信号透射，以及反射具有第二偏振角度的光信号；
所述第一反射膜用于反射所有的光信号；
所述第二偏振分光膜321，用于入射到所述偏振分光棱镜的第三端面上供具有第一偏振角度的光信号透射，以及反射具有第二偏振角度的光信号；
所述第三反射膜用于反射所有光信号；
所述第一半波片37和所述法拉第旋转片35具有同向相等的偏振偏转角度，用于从所述第一偏振分光棱镜38传输至所述第二偏振分光棱镜32的具有所述第一偏振角度的光信号的偏振角度转换为所述第二偏振角度；以及
所述第一半波片37和所述法拉第旋转片35具有反向相等的偏振偏转角度，用于从所述第二偏振分光棱镜32传输至所述第一偏振分光棱镜38的具有所述第二偏振角度的光信号的偏振角度不变；
所述第二半波片36和所述法拉第旋转片35具有反向相等的偏振偏转角度，用于从所述第一偏振分光棱镜38传输至所述第二偏振分光棱镜32的具有所述第二偏振角度的光信号的偏振角度不变；以及
所述第二半波片36和所述法拉第旋转片35具有同向相等的偏振偏转角度，用于从所述第二偏振分光棱镜32传输至所述第一偏振分光棱镜38的具有所述第二偏振角度的光信号的偏振角度转换为所述第一偏振角度；
所述第三半波片34，用于从所述第一偏振分光棱镜38传输至所述第二偏振分光棱镜32的具有所述第二偏振角度的光信号的偏振角度转换为所述第一偏振角度，以及用于从所述第二偏振分光棱镜32传输至所述第一偏振分光棱镜38的具有所述第一偏振角度的光信号的偏振角度转换为所述第二偏振角度；
所述三角棱镜33，用于传输从所述第三半波片34接收的光信号至所述第二偏振分光棱镜32的第一端面，以及传输从所述第二偏振分光棱镜32接收的光信号至所述第三半波片34；
光路偏移棱镜39，用于接收自所述第一偏振分光棱镜38传输至所述第二偏振分光棱镜32的经所述第一偏振分光膜381透射的光信号，以及接收自所述第二偏振分光棱镜32传输至所述第一偏振分光棱镜38的经所述第一偏振分光膜381透射和反射的光信号，并传输接收到的所有所述光信号至所述光路偏移棱镜39的第四端面；
所述第二反射膜，用于反射所述光路偏移棱镜39接收到的所述光信号至所述光输出端口。
在一些实施例中，单光纤双向收发装置，如图2所示，还包括：
第一准直透镜41，位于所述光导组件5与所述双向光传输组件3之间，用于对所述合束波导结构输出的合并后的所述发射信号进行准直；
第二准直透镜42，与所述第一准直透镜并列设置，用于对所述双向光传输组件3输出的所述接收信号进行准直；
第三准直透镜12，位于所述双向光传输组件3与所述光纤之间，用于对传导至所述复合光传输端口1上的所述发射信号进行准直，以及用于对所述光纤传输至所述双向光传输组件3的所述接收信号进行准直。
在本示例性实施例中，第一准直透镜的输入端与合束波导结构的输出端相对，第一准直透镜的输出端与双向光传输组件3的第一端点相对，以将准直后的发射信号所在光束传输至环形光路。
在本示例性实施例中，第二准直透镜的输入端与双向光传输组件3相对，第二准直透镜的输出端与分束波导结构的输入端相对，以将双向光传输组件3输出的从光纤接收的接收信号准直后传输至光导组件5中，通过分束波导结构进行分束。
在本示例性实施例中，第三准直透镜的输入端与双向光传输组件3的第二端点相对，第三准直透镜的输出端与光纤相对，以对通过光纤传输的信号进行准直，将光纤输入或输出的光转变为准直光。
在一些实施例中，如图2所示，单光纤双向收发装置，还包括：
透镜阵列6，位于所述多个光输入端口与所述光导组件5之间，所述透镜阵列6中的准直透镜与所述多个光输入端口中的各个光输入端口一一对应，用于将所述多个光输入端口输入的发射信号耦合到所述的光导组件的合束波导中。
在本示例性实施例中，透镜阵列6中的透镜并列设置，以形成与所述多个光输入端口中的各个光输入端口一一对应。
在一些实施例中，图7为根据一示例性实施例示出的单光纤双向收发装置中分束波导结构信号传输末端局部放大图。如图7所示，所述光导组件5中所述分束波导结构54的信号传输末端开设有与所述多个光输出端口一一对应的多个信号反射斜面55，所述分束波导结构54输出的多个所述分光接收信号通过所述信号反射斜面55反射至所述光输出端口。
在本示例性实施例中，反射斜面镀有反射膜，可以将分束波导结构中的光反射到近似垂直方向，入射到光导组件5上表面的光信号检测组件8中，例如探测器阵列的光敏面中。
在本示例性实施例中，单光纤双向收发装置，还包括：
设置在所述法拉第旋转片35外围的磁块，所述磁块用于电磁驱动所述法拉第旋转片35具有旋转角度。
本公开提供的单光纤双向收发装置通过单光纤便可实现双向光收发功能，既减少了光纤使用数量，又降低了装置维护成本，同时集成度高，体积小，可应用于100G或400G以上通信速率的紧凑型光模块。
在本示例性实施例中，单光纤双向收发装置，还包括：
外壳，光导组件5、双向光传输组件3、各个透镜均设置在外壳内，所述外壳的第一端面上开设有与多个光输入端口和多个光输出端口对应的传输端口；所述外壳的第二端面开设有与复合光传输端口1对应的传输端口。所述外壳的第二端面向外延伸出并带有通孔。所述通孔与所述复合光传输端口1对接。所述通孔内还设置有光纤插针。
在一些实施例中，所述双向光传输组件内部具有环形光路；
所述环形光路包括在所述环形光路上位置不同的第一端点301和第二端点302，所述第一端点301位于所述第一偏振分光棱镜的第一端面，所述第二端点302位于所述第二偏振分光棱镜的第五端面，其中：从所述第一端点301到所述第二端点形成包含有第一光路和第二光路的输出光路，所述输出光路用于输出在所述第一端点301以第一入射方向输入的发射信号；
从所述第二端点302到所述第一端点形成包含有第三光路和第四光路的输入光路，所述输入光路用于输入在所述第一端点以第一出射方向输出的接收信号；所述第一入射方向和所述第一出射方向不同；所述第一光路和所述第三光路的传输方向相反，所述第二光路和所述第四光路的传输方向相反。
在本示例性实施例中，发射信号和接收信号均可以通过加载到光载波上的形式入射至单光纤双向收发装置中。发射信号所在的传输光路可以以第一入射方向在第一端点入射，经过环形光路传输后，从第二端点出射，通过复合光传输端口进入光纤中。
与此同时，光纤输出的接收信号在第二端点302进入环形光路30，经过环形光路30传输后，接收信号所在的传输光路以第一出射方向在第一端点301出射至光输出端口，供光信号检测组件获取，其中由于发射信号的第一入射方向和接收信号的第一出射方向不同，造成接收信号通过输入光路输入时，在离开环形光路后的出射方向与发射信号进入环形光路时的入射方向不同，从而使得单光纤双向收发装置同时进行信号收发时，将接收信号和发射信号区分开，进而保证单光纤双向收发装置进行双向收发时，能够正常通信。
在本示例性实施例中，第一入射方向和第一出射方向的相差角度范围在0～180度之间，只要发射信号在进入环形光路前所在的传输光路和接收信号从环形光路出射后所在的传输光路不重合即可。例如，在第一端点301处，第一入射方向和第一出射方向的相差角度为90度，即第一入射方向和第一出射方向垂直，包括发射信号的传输光路在第一端点301以水平方向输入至环形光路和接收信号在第一端点301以竖直方向出射环形光路。
在本示例性实施例中，环形光路的第二端点302与复合光传输端口相对，复合光传输端口与单光纤耦合。进入环形光路的发射信号在第二端点302出射，通过复合光传输端口传输至单光纤，与此同时通过单光纤接收的接收信号通过复合光传输端口在第二端点进入环形光路。据此，复合光传输端口即用于传输发射信号又用于传输接收信号。
在本示例性实施例中，光信号发生组件包括可进行信号调制的激光器，用于发射加载了发射信号的激光束。
在本示例性实施例中，光信号检测组件包括光探测器，用于在光输出端口获取从光纤接收的接收信号。
在本示例性实施例中，如图3和图4所示，复合光传输端口为COM端口，光输入端口为TOSA光输入端口，光输出端口为ROSA光输出端口。在图3中，发射信号从TOSA光输入端口输入通过传输光路在第一端点(即图中从TOSA向COM方向，P光和S光的第一次相交处)进入环形光路(图中P光和S形成)，通过环形光路后，在第二端点(即图中从TOSA向COM方向，P光和S光的第二次相交处)输出，进入COM端口。
在图4中，接收信号从COM端口输入在第二端点(即图中从COM向ROSA方向，P光和S光的第一次相交处)入射至环形光路(图中P光和S形成)，在第一端点(即图中从COM向ROSA方向，P光和S光的第二次相交处)输出，通过传输光路出射至光输出端口。
在图3中，P光和S形成的光路为环形光路中的用于输出在第一端点以第一入射方向输入的发射信号的输出光路。在图4中，P光和S形成的光路为环形光路中的用于输入在第一端点以第一出射方向的接收信号的输入光路。
在一些实施例中，所述第一光路和所述第三光路上均包括：
所述第一偏振分光棱镜、所述光路偏移棱镜、所述第一半波片、所述法拉第旋转片以及所述第二偏振分光棱镜；
所述第二光路和所述第四光路上均包括：
所述第一偏振分光棱镜、所述第二半波片、所述法拉第旋转片、所述第三半波片、所述三角棱角以及所述第二偏振分光棱镜。
在本示例性实施例中，所述第一光路和所述第三光路上包含的光学器件相同，但第一光路和第三光路的传输方向相反。所述第二光路和所述第四光路上包含的光学器件相同，但第二光路和第四光路的传输方向相反。
在本示例性实施例中，第一光路和第四光路的传输方向均可以为顺时针方向，第二光路和第三光路的传输方向均可以为逆时针方向。
在本示例性实施例中，第一偏振分光膜和第二偏振分光膜均为棱镜型偏振分光膜。棱镜型偏振分光膜利用布儒斯特角入射时界面的偏振效应。当光束以布儒斯特角入射到两种材料界面时，则不论薄膜层数有多少，其水平方向振动的反射光总为零，而垂直分量振动的反射光则随薄膜层数的增加而增加，只要层数足够多，就可以实现透过光束基本是水平方向振动的光，而反射光束基本上时垂直方向振动的光，从而达到偏振分光的目的。由于由空气入射不可能达到两种薄膜材料界面上的布儒斯特角，所以薄膜镀制在棱镜上，此时入射介质不是空气而是玻璃。在本示例性实施例中，第一偏振分光膜和第二偏振分光膜均镀制在棱镜的端面上，薄膜层数足够多形成对垂直分量振动的光的反射。
在本示例性实施例中，在第一偏振分光棱镜38的第一端面镀制第一偏振分光膜381形成第一端点，入射光可直接入射在第一端面的第一偏振分光膜381上。在第二偏振分光棱镜32的第五端面镀制第二偏振分光膜321形成第二端点，接收信号可直接从光纤入射至第二偏振分光膜321上。
在本示例性实施例中，第一半波片，位于所述第一偏振分光棱镜与所述第二偏振分光棱镜之间；
法拉第旋转片，位于所述第一半波片与所述第二偏振分光棱镜之间。
在本示例性实施例中，所述第一偏振分光棱镜38的第一端面镀有第一偏振分光膜381形成所述第一端点，所述第一偏振分光棱镜38的第二端面镀有第一反射膜382，所述第一偏振分光棱镜38的第一端面与所述第一偏振分光棱镜38的第二端面相对；
所述第二偏振分光棱镜32的第五端面镀有第二偏振分光膜321形成所述第二端点，所述第二偏振分光棱镜32的第六端面镀有第三反射膜322，所述第二偏振分光棱镜32的第五端面与所述第二偏振分光棱镜32的第六端面相对。
在一些实施例中，如图3和图4所示，在所述第一光路中，所述第一偏振分光棱镜38、所述第一半波片37、法拉第旋转片35以及第二偏振分光棱镜32均彼此平行设置，其中：
所述第一偏振分光棱镜38的所述第一端面在水平方向上的中轴线与所述第一半波片37的中轴线对齐；
所述第一半波片37的中轴线与所述法拉第旋转片35的上半部分的中轴线对齐；
所述法拉第旋转片35的上半部分的中轴线与所述第二偏振分光棱镜32的第六端面在水平方向上的中轴线对齐。
在本示例性实施例中，第一偏振分光棱镜38的第一端面可以是45度的倾斜面。第一偏振分光膜381镀制在倾斜面上。同时第一偏振分光棱镜38、所述第一半波片37、法拉第旋转片35以及第二偏振分光棱镜32均彼此平行设置，可使得平行入射至45度倾斜面的光束，透射第一偏振分光膜381后可平行出射至第一半波片37，进而平行入射至后续器件中，或光束经第一偏振分光膜381反射也可以垂直向下或向上输出，从而实现平行入射光束平行或垂直方向输出，以方便光束传输方向调整。
在本示例性实施例中，第二半波片，位于所述第一偏振分光棱镜与所述第二偏振分光棱镜之间；
所述法拉第旋转片，位于所述第二半波片与所述第二偏振分光棱镜之间；
第三半波片，位于所述法拉第旋转片与所述第二偏振分光棱镜之间。
在一些实施例中，如图3和图4所示，在所述第二光路中，所述第一偏振分光棱镜38、第二半波片36、所述法拉第旋转片35、第三半波片34以及所述第二偏振分光棱镜32均彼此平行设置，其中：
所述第一偏振分光棱镜38的所述第二端面在水平方向上的中轴线与所述第二半波片36的中轴线对齐；
所述第二半波片36的中轴线与所述法拉第旋转片35的下半部分的中轴线对齐；
所述法拉第旋转片35的下半部分的中轴线与所述第三半波片34的中轴线对齐。
在本示例性实施例中，第二偏振分光棱镜32的第一端面也可以是45度的倾斜面。第二偏振分光膜321镀制在倾斜面上。从光纤接收的接收信号平行入射至倾斜面上，透射第二偏振分光膜321平行出射，或经第二偏振分光膜321反射垂直方向输出。第二偏振分光棱镜32的第五端面与三角棱镜33的斜面粘接。第二偏振分光膜321粘接在第二偏振分光棱镜32的第五端面与三角棱镜33的斜面之间，使得透射第二偏振分光膜321的光束平行入射至三角棱镜33，以在三角棱镜33的垂直面平行出射。同时各器件之间中轴线对齐，有利于光束传输和光束传输方向调整。
在本示例性实施例中，三角棱镜，位于所述第三半波片与所述第二偏振分光棱镜之间，所述三角棱镜的斜面与所述第二偏振分光棱镜的第五端面相对。
在本示例性实施例中，如图3和图4所示，所述第三半波片34的中轴线与所述三角棱镜33中与所述第三半波片34相对的垂直平面的中轴线对齐；
所述三角棱镜33的斜面与所述第二偏振分光棱镜32的第五端面粘接。
在本示例性实施例中，发射信号入射至第一偏振分光棱镜38的第一端面，经第一偏振分光膜381分为具有第一偏振角度的第一偏振光束和具有第二偏振角度的第二偏振光束；第一偏振光束透射第一偏振分光膜381、第一半波片37和法拉第旋转片35至第二偏振分光棱镜32，并经第二偏振分光棱镜32的第三反射膜322反射至第二偏振分光棱镜32的第一端面处后经第二偏振分光膜321反射至复合光传输端口1上。
在本示例性实施例中，第二偏振光束经第一偏振分光膜381反射至第一偏振分光棱镜38的第二端面，经第一反射膜382反射至第二半波片36后，透射第二半波片36、法拉第旋转片35、第三半波片34和三角棱镜33至第二偏振分光棱镜32的第一端面，并透射第二偏振分光膜321至复合光传输端口1上。
在本示例性实施例中，接收信号入射至第二偏振分光棱镜32的第三端面，经第二偏振分光膜321分为具有第一偏振角度的第三偏振光束和具有第二偏振角度的第四偏振光束；第三偏振光束透射第二偏振分光膜321、三角棱镜33、第三半波片34、法拉第旋转片35以及第二半波片36至第一偏振分光棱镜38的第二端面，并经第一反射膜382反射至第一偏振分光棱镜38的第一端面后透射第一偏振分光膜381至光输出端口。
在本示例性实施例中，第四偏振光束经第二偏振分光膜321反射至第二偏振分光棱镜32的第六端面后，经第三反射膜322反射至法拉第旋转片35，并透射法拉第旋转片35和第一半波片37至第一偏振分光棱镜38的第一端面，以及经第一偏振分光膜381反射至光输出端口。
在一些实施例中，所述第三半波片的偏振偏转角度大小为所述法拉第旋转片的偏振偏转角度大小的两倍。
在本示例性实施例中，第一半波片37、第二半波片36和法拉第旋转片35的偏振偏转角度在0～90度之间，可为0～90度间的一个角度值。例如，第一半波片37、第二半波片36和法拉第旋转片35的偏振偏转角度可均为45度，第三半波片34的偏振偏转角度可为90度。
在本示例性实施例中，第一偏振角度可为0度，第二偏振角度可为90度。
当第一偏振光束透射第一半波片37和法拉第旋转片35时，第一偏振光束的振动平面与第一半波片37的光轴的夹角为22.5度，法拉第旋转片35的旋转角度为45度，从而实现第一偏振光束透射第一半波片37和法拉第旋转片35后，第一偏振光束的偏振角度由第一偏振角度转换为第二偏振角度。
当第二偏振光束透射第二半波片36、法拉第旋转片35和第三半波片34时，第二偏振光束的振动平面与第二半波片36的光轴的夹角为-22.5度，法拉第旋转片35的旋转角度为45度，透射法拉第旋转片35后的第二偏振光束的振动平面与第三半波片34的光轴的夹角为-45度，从而实现第二偏振光束透射第二半波片36、法拉第旋转片35和第三半波片34后，第二偏振光束的偏振角度由第二偏振角度转换为第一偏振角度。
当第三偏振光束透射第三半波片34时，第三偏振光束的振动平面与第三半波片34的光轴的夹角为45度，从而实现第三偏振光束透射第三半波片34后，第三偏振光束的偏振角度由第一偏振角度转换为第二偏振角度。
当透射第三半波片34后的第三偏振光束透射法拉第旋转片35和第二半波片36时，法拉第旋转片35的旋转角度为45度，第三偏振光束的振动平面与第二半波片36的光轴的夹角为22.5度，从而实现第三偏振光束透射法拉第旋转片35和第二半波片36后，第三偏振光束的偏振角度由第二偏振角度转换为第一偏振角度。
当第四偏振光束透射法拉第旋转片35和第一半波片37时，法拉第旋转片35的旋转角度为45度，第四偏振光束的振动平面与第一半波片37的光轴的夹角为-22.5度，使得第四偏振光束透射法拉第旋转片35和第一半波片37后，第四偏振光束的偏振状态不变。
在本示例性实施例中，光路偏移棱镜39的第一端面与所述第一偏振分光棱镜38的第一端面可粘接。第一偏振分光膜可粘接在光路偏移棱镜39的第一端面与所述第一偏振分光棱镜38的第一端面之间。光路偏移棱镜39主要用于对接收信号经过第一偏振分光膜后进行光路延伸，使得接收信号所在输出光路通过光路偏移棱镜39传输至光输出端口，以便于进一步将发射信号和接收信号区分开。
在本公开中，复合光传输端口为COM端口，光输入端口为TOSA光输入端口，光输出端口为ROSA光输出端口。
如图2所示，本发明的单光纤双向收发装置，包括复合光传输端口(光收发端口)1、焊接基板2、双向光传输组件3、准直透镜组4、光导组件5、准直透镜阵列6、光信号发生组件(激光器阵列组件)7、光信号检测组(探测器阵列)8、散热基板9组成。其中复合光传输端口1通过激光焊接在焊接基板2的一端；双向光传输组件3、准直透镜组4、光导组件5、透镜阵列6依次通过胶水固定在焊接基板2的上表面；光信号发生组件7通过导热胶固定在散热基板9一侧的上表面。散热基板9另一侧与通过胶水粘接固定在焊接基板2的下表面。探测器位于光导组件5中分波芯片的上表面。
TOSA，是Transmitter Optical Subassembly的缩写，中文为光发射次模块，主要应用在电信号转化成光信号(E/O转换)。性能指标有光功率，阈值等。
ROSA，是Receiver Optical Subassembly的缩写，中文为光接收次组件，主要应用光信号转化成电信号(O/E转换)。主要性能指标有灵敏度(Sen)等。
本公开所述的双向光传输组件3结构如图3、图4所示。包括COM端口、TOSA光输入端口、ROSA光输出端口，从COM端口到TOSA或ROSA端口方向，依次粘接有第一偏振分光棱镜38、三角棱镜33、第三半波片34、法拉第旋转片35、第一半波片37、第二半波片36、第二偏振分光棱镜32、光路偏移棱镜39，其中所有棱镜的斜面部分均为45度。更进一步的，所述的第二偏振分光棱镜32和三角棱镜33之间有第二偏振分光膜321，第一偏振分光棱镜38和光路偏移棱镜39之间有第一偏振分光膜381，第一偏振分光棱镜38、第二偏振分光棱镜32、光路偏移棱镜39与偏振分光膜相对的另一侧均镀有反射膜；所述的第一半波片37和第二半波片36均与法兰第旋转片35组成旋光单元，但第一半波片37与第二半波片36的光轴方向分别为22.5度和-22.5度，实现的效果是从COM端口到TOSA或ROSA端口光路方向，法兰第旋转片35和第二半波片36组合实现光路偏振方向旋转90度，法兰第旋转片35和第一半波片37组合实现光路偏振方向不变，从TOSA或ROSA端口到COM端口光路方向，法兰第旋转片35和第二半波片36组合实现光路偏振方向不变，法兰第旋转片35和第一半波片37组合实现光路偏振方向旋转90度；所述法拉第旋转片35两侧粘有磁块31。
本发明所述的光路环行芯件组件3其功能满足经TOSA光输入端口输入的光从COM端口输出，从COM端口输入的光从ROSA光输出端口输出；其中，
从TOSA光输入端口到COM端口的光路工作原理如图2所示：TOSA端口光输入到第一偏振分光棱镜38后，通过第一偏振分光膜381被分成两路。一路是被反射的S光，被第一反射膜382再次反射后进入由第二半波片36和法兰第旋转片35组成的旋光单元，并保持S光输出。通过第三半波片34旋转90度，变为P光透射输出到COM端口。另一路是被经过第一偏振分光膜381透射的P光，透射进入由第一半波片37和法兰第旋转片35组成的旋光单元，并旋转成S光。S光进入第二偏振分光棱镜32后，被第二反射膜322反射，再被第二偏振分光膜321反射输出到COM端。
从COM端口到ROSA光输出端口的光路工作原理如图4所示：COM端口光输入到第二偏振分光棱镜32后，通过第二偏振分光膜321被分成两路。一路是被反射的S光，被第二反射膜322再次反射后进入由第一半波片37和法兰第旋转片35组成的旋光单元，并保持S光输出进入光路偏移棱镜39。被第一偏振分光膜381和第三反射膜391两次反射后从ROSA光输出端口输出。另一路是透射的P光，通过三角棱镜后进入第三半波片34旋转90度，变为S光。S光透射进入由第二半波片36和法兰第旋转片35组成的旋光单元，并旋转成P光。P光进入第一偏振分光棱镜38后，被第一反射膜382反射，再透射通过第一偏振分光膜381进入光路偏移棱镜39。最后被第三反射膜391反射后从ROSA光输出端口输出。
图5为根据一示例性实施例示出的单光纤双向收发装置的TOSA部分光路工作原理示意图。如图5所示，光信号发生组件(激光器阵列组件)7中的激光器芯片71产生并输出激光，经过透镜阵列6汇聚到光导组件5中的合束波导结构53内，经过光导组件5合波从公共端口51输出，再经过准直透镜组4中的第一准直透镜41准直，进入到双向光传输组件3的TOSA光输入端口，从双向光传输组件3的COM端口输出，并最终通过复合光传输端口(光收发端口)1内第三准直透镜12汇聚到光纤插针11内输出。所述的激光器阵列组件7包括激光器芯片71、激光器芯片基板72和半导体制冷片73，整体高度设计与波导高度匹配。对于无制冷型半导体制冷片73可由导热率高的钨铜基板或氮化铝基板替代。
图6为根据一示例性实施例示出的单光纤双向收发装置的ROSA部分光路工作原理示意图。如图6所示，接收光从光收发端口1输入并通过准直透镜12准直后，进入到光路的光环形芯件组件3的COM端口，从光环形芯件组件3的ROSA端口输出，再经过透镜组4中的第二准透镜42汇聚到光导组件5中的公共端口52内，通过光导组件5中的分束波导结构54进行分束。分束波导结构54一端刻蚀有40度到50度的反射斜面。反射斜面镀有反射膜。如图6所示，水平波导中传输的光从分束波导结构54输出，到达刻蚀形成的反射斜面55后被反射到芯片上表面，并由芯片上表面的光信号检测组(探测器阵列)8的光敏面接收。
本公开案例所述的光导组件5可以是集成芯片，同时包含有合波芯片和分波芯片，但不排除可以使用两个独立的合波芯片和分波芯片。
本公开所述的准直透镜组4用于实现准直光和波导模场的匹配，透镜阵列6实现激光器模场和波导模场的匹配。
本公开所述的焊接基板2材料为可伐，可与复合光传输端口(光收发端口)1焊接。
本公开所述的散热基板9为钨铜或氮化铝基板，实现激光器的快速散热。
为降低光路反射影响，本公开所述的单光纤双向收发装置光路透射方向的端面均镀有增透膜。
所述的光信号发生组件(激光器阵列组件)7包括激光器芯片71、激光器芯片基板72和半导体制冷片73，整体高度设计与波导高度匹配。对于无制冷型半导体制冷片73可由导热率高的钨铜基板或氮化铝基板替代；
所述的焊接基板2材料为可伐，可与复合光传输端口(光收发端口)1焊接；
所述的散热基板9为钨铜或氮化铝基板，实现激光器的快速散热；
所述的单光纤双向收发装置光路透射方向的端面均镀有增透膜。
本公开的优势在于利用平面光波导器件集成的特点，实现了单个芯片同时满足分波和合波的需求，再通过与双向光传输组件耦合，整个器件结构紧凑稳定，可应用于紧凑型光模块中。
本公开还提供一种光纤通信系统。该光纤通信系统包括上述各实施例中的单光纤双向收发装置，既减少了光纤使用数量，又降低了系统维护成本。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由下面的权利要求指出。
应当理解的是，本发明并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本发明的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种单光纤双向收发装置，其特征在于，包括：
光输入端口、光输出端口以及复合光传输端口；所述光输入端口，位于第一端面，用于供输入的发射信号输出至所述复合光传输端口；
所述光输出端口，与所述光输入端口并列位于所述第一端面，用于输出从所述复合光传输端口输入的接收信号；
所述复合光传输端口，位于所述第二端面，其中，所述第二端面与所述第一端面相反设置，用于与光纤耦合；
双向光传输组件以及光导组件，均位于所述第一端面与所述第二端面之间，所述双向光传输组件位于所述第二端面与所述光导组件之间，所述光导组件位于所述第一端面与所述双向光传输组件之间，其中：
所述双向光传输组件，用于传输从所述复合光传输端口输入的接收信号至所述光导组件，以及传输从所述光导组件输出的所述发射信号至所述复合光传输端口；
所述光导组件，用于传输从所述光输入端口输入的所述发射信号至所述双向光传输组件，以及传输从所述双向光传输组件输出的所述接收信号至所述光输出端口。
2.根据权利要求1所述的单光纤双向收发装置，其特征在于，所述光输入端口为多个并列设置的光输入端口，所述光输出端口为多个并列设置的光输出端口；
所述光导组件，包括：并列设置有合束波导结构和分束波导结构；
所述合束波导结构，输入端朝向所述多个光输入端口，输出端朝向所述双向光传输组件；用于对所述多个光输入端口入射的多个所述发射信号进行合并，并传输合并后的所述发射信号至所述双向光传输组件；所述分束波导结构，输入端朝向所述双向光传输组件，且输出端朝向多个光输出端口，用于对所述双向光传输组件输出的所述接收信号分为多个与所述多个并列的光输出端口分别对应的分光接收信号，并传输不同的所述分光接收信号至不同的光输出端口。
3.根据权利要求2所述的单光纤双向收发装置，其特征在于，所述光导组件为PLC芯片。
4.根据权利要求1所述的单光纤双向收发装置，其特征在于，所述双向光传输组件内沿所述第一端面至所述第二端面的方向，依次包括：
第一传输组件、第二传输组件和第三传输组件，其中：
所述第一传输组件包括在竖直方向上相粘接的第一偏振分光棱镜和所述第一偏振分光棱镜粘接的光路偏移棱镜，其中：所述第一偏振分光棱镜具有第一端面和第二端面，所述第一端面上具有第一偏振分光膜，所述第二端面上具有第一反射膜，所述光路偏移棱镜具有第三端面和第四端面，所述第四端面上具有第二反射膜，所述第三端面与所述第一端面粘接；
所述第二传输组件包括法拉第旋转片以及粘接在法拉第旋转片表面的第一半波片、第二半波片和第三半波片，其中：所述第一半波片和所述第二半波片均粘接在所述法拉第旋转片的第一表面，所述第一半波片粘接在所述第一表面的上半部分，所述第二半波片粘接在所述第一表面的下半部分；所述第三半波片粘接在所述法拉第旋转片的第二表面的下半部分，与所述第二半波片正对；所述第一表面和所述第二表面为所述法拉第旋转片平行正对的两个面；
所述第三传输组件包括在竖直方向上相粘接的第二偏振分光棱镜和三角棱镜，其中：所述第二偏振分光棱镜具有第五端面和第六端面，所述第五端面上具有第二偏振分光膜，所述第六端面上具有第三反射膜，所述第五端面与所述三角棱镜的斜面相粘接，所述三角棱镜在竖直方向上的垂面与所述第三半波片正对。
5.根据权利要求2所述的单光纤双向收发装置，其特征在于，还包括：
第一准直透镜，位于所述光导组件与所述双向光传输组件之间，用于对所述合束波导结构输出的合并后的所述发射信号进行准直；
第二准直透镜，与所述第一准直透镜并列设置，用于对所述双向光传输组件输出的所述接收信号进行准直；
第三准直透镜，位于所述双向光传输组件与所述光纤之间，用于对传导至所述复合光传输端口上的所述发射信号进行准直，以及用于对所述光纤传输至所述双向光传输组件的所述接收信号进行准直。
6.根据权利要求5所述的单光纤双向收发装置，其特征在于，还包括：
透镜阵列，位于所述多个光输入端口与所述光导组件之间，所述透镜阵列中的透镜与所述多个光输入端口中的各个光输入端口一一对应，用于将所述多个光输入端口输入的发射信号耦合到所述的光导组件的合束波导中。
7.根据权利要求6所述的单光纤双向收发装置，其特征在于，所述光导组件中所述分束波导结构的信号传输末端开设有与所述多个光输出端口一一对应的多个信号反射斜面，所述分束波导结构输出的多个所述分光接收信号通过所述信号反射斜面反射至所述光输出端口。
8.根据权利要求4所述的单光纤双向收发装置，其特征在于，所述双向光传输组件内部具有环形光路；
所述环形光路包括在所述环形光路上位置不同的第一端点和第二端点，所述第一端点位于所述第一偏振分光棱镜的第一端面，所述第二端点位于所述第二偏振分光棱镜的第五端面，其中：从所述第一端点到所述第二端点形成包含有第一光路和第二光路的输出光路，所述输出光路用于输出在所述第一端点以第一入射方向输入的发射信号；
从所述第二端点到所述第一端点形成包含有第三光路和第四光路的输入光路，所述输入光路用于输入在所述第一端点以第一出射方向输出的接收信号；所述第一入射方向和所述第一出射方向不同；所述第一光路和所述第三光路的传输方向相反，所述第二光路和所述第四光路的传输方向相反。
9.根据权利要求8所述的单光纤双向收发装置，其特征在于，所述第一光路和所述第三光路上均包括：
所述第一偏振分光棱镜、所述光路偏移棱镜、所述第一半波片、所述法拉第旋转片以及所述第二偏振分光棱镜；
所述第二光路和所述第四光路上均包括：
所述第一偏振分光棱镜、所述第二半波片、所述法拉第旋转片、所述第三半波片、所述三角棱角以及所述第二偏振分光棱镜。
10.根据权利要求9所述的单光纤双向收发装置，其特征在于，所述第三半波片的偏振偏转角度大小为所述法拉第旋转片的偏振偏转角度大小的两倍。
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