CN104656286B - 微型同波长单芯双向光收发模块 - Google Patents

微型同波长单芯双向光收发模块 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种同波长单芯双向光收发模块。使用了亚波长光栅和法拉第旋转器，重用同一个元件实现偏振复用和解复用功能，在很小的空间内实现光信号的发射和接收。具有光学元件少、结构紧凑、成本低的特点，满足现代光通信***对于小型化、集成化、大容量光收发模块的需求。

Description

微型同波长单芯双向光收发模块
技术领域
本发明涉及使用一根光纤进行双向光信号传输的光收发模块，尤其涉及使用相同波长和波长组，不需要波长配对的单芯双向传输的光收发模块，并具有结构小型化的特点。
背景技术
数据的高速传输是现代信息社会的基石，随着信息量的海量增长，要求在一根光纤中传输的数据容量越来越大。除了提高数据调制速率、使用更多的波长外，在一根光纤中双向传输，使用低成本的光收发模块使光纤中的数据传输容量翻倍，是一个行之有效并在通信领域已采用的方法。
另外，现代通信网对时钟同步的要求也越来越高。传统的光收发模块采用两根光纤分别进行光信号的发射和接收，实际应用中两根光纤的长度差会造成两路信号的传播时延不一致，给时钟同步造成很大困难。使用单根光纤双向传输可以满足时钟同步的要求。
普遍采用的单芯双向光收发模块方案如图1所示。在传输光纤(101)两段的光收发模块(102)和(103)的发射和接收波长具有不同的配置，如光收发模块(102)发射波长是λ1，接收波长是λ2；光收发模块(103)发射波长是λ2，接收波长是λ1。光收发模块(102)和(103)中的波长滤波片(104)和(105)也具有不同的光学滤波特性，如波长滤波片(104)对λ1透射，对λ2反射；波长滤波片(105)对λ2透射，对λ1反射。
可以看到，图1所示现有技术中的双波长单芯双向方案，需要准备两个不同型号的光收发模块，在实际应用中配对使用。这不仅增加了库存压力，对工程实施也增加了一定的难度。另外，两个不同的波长由于色散的影响，即使在同一根光纤中传输，也存在一定的时延差，不能满足对时钟同步要求很高的应用场景的需求。
使用同一波长在同一光纤中双向传输，是解决这些问题的途径。如图2所示的现有技术方案中(中国专利申请号：201110282629.6)，光纤两端的光收发模块(202)和(203)的发射和接收采用相同的波长λ，并使用分束器(204)和(205)替代图1方案中的波长滤波片。分束器的功能是使入射其上的光信号部分反射，部分透射，分束比通常是50％比50％。由分束器(204)和(205)产生的多余反射光由黑色吸光体(206)和(207)吸收，以免对***产生串扰。这样，光纤两端的光收发模块(202)和(203)是完全一样的，不需要配对使用。
图2所示的现有技术有一个重大不足，就是分束器(204)和(205)会产生总共6dB的链路损耗。在很多应用场合，这个额外的6dB损耗不可接受。
为避免图2所示技术方案的额外损耗问题，中国专利申请201110373606.6披露了一种技术方案，如图3所示。该技术方案采用了一组光学元件(303)至(310)实现相同波长发射和接收。具体讲，从光纤(301)传输的光信号输入到光收发模块(300)的输入输出端口(302)，通常含有第一和第二两个偏振态(图中分别用“ι”和“·”表示)，通过第一偏振分束器(303)后，两个偏振态分离；第一偏振态的光信号经法拉第旋转器(305)、半波片(307)、第二偏振分束器(308)、半波片(309)和第三偏振分束器(310)后到达光接收器(312)；第二偏振态的光信号经反射镜(304)和第三偏振分束器(310)后到达光接收器(312)。
从光发射器(311)发出的光信号为第一偏振态(“ι”)，经第二偏振分束器(308)、半波片(307)法拉第旋转器(305)和第一偏振分束器(303)后，到达输入输出端(302)。
磁环(306)提供法拉第旋转器(305)所需的磁场。
图3所示的技术方案，实现了相同波长的单芯双向传输，避免了过大的损耗。但该技术方案采用的光学元件过多，增加了成本；两个偏振态的传输路径在空间上有较大的分离，也造成体积难以进一步缩小。美国专利US7039278B1中也披露了与图3所示方案类似的结构，存在同样的体积和成本的问题。
美国专利US7039278B1中还披露了一种较为紧凑的结构，如图4所示。收发模块(400)的输入输出端(401)输入的光信号经第一准直透镜(402)准直后入射到第一偏振分束器(403)，并分解为两个互相垂直的第一和第二偏振态光信号，第二偏振态光信号经第二偏振分束器(403)反射，再次被一个1/4波片(404)和反射镜(405)的组合反射，偏振态旋转90度，并透射经过第一偏振分束器(403)，经第二准直透镜(406)汇聚到达光探测器(407)接收。
在第一偏振分束器(403)分解的第一偏振态光信号透射经过第一偏振分束器(403)，经一个1/2波片(408)和法拉第旋转器(409)后偏振态旋转90度，在第二偏振分束器(410)上被反射至反射镜(411)，被反射镜(411)反射、第二偏振分束器(410)再次反射后，反向通过法拉第旋转器(409)和1/2波片(408)，由于法拉第旋转器(409)的非互易性，返回的光信号与第一偏振态光信号的偏振态垂直，从而被第一偏振分束器(403)反射，通过第二准直透镜(406)汇聚到达光探测器(407)接收。
从激光器芯片(413)发出的输出光信号，具有单一的偏振态，经第三准直透镜(412)成为准直光束后，透射经过第二偏振分束器(410)，经法拉第旋转器(409)和1/2波片(408)，偏振态维持不变，进一步透射经过第一偏振分束器(403)，经第一准直透镜(402)聚焦到输入输出端(401)输出。
上述方案仍旧使用了较多的光学元件，体积大成本高，装配困难。此外，由于第一偏振态光信号相比第二偏振态光信号来回多走过第二偏振分束器两次，到达光探测器(407)的时间有差别，造成很大的偏振模式色散。该偏振模式色散取决于第二偏振分束器的大小和折射率，即使其尺寸小到1毫米，折射率为1.5，产生的偏振模式色散约为10皮秒，不适合高速信号(10G以上)的接收。
美国专利申请US20140054657和US20080042050以及前述美国专利US7039278B1，都还披露了使用一对双折射晶体，中间***半波片和法拉第旋转器使得发射和接收通道分离，但基本的限制是发射和接收通道分离的距离正比于双折射晶体的长度，为使发射和接收有足够的位置分离，光学元件的长度接近10毫米。
美国专利US7039278B1还披露了使用一对契形双折射晶体，中间加上法拉第旋转器，使发射和接收通道在角度上分离，并使用一个透镜使角度分离转化为发射激光器和光探测器的位置分离。但该方案需要集成一体的发射和接收芯片，工艺不易实现，成本高。另外发射和接收芯片接近，从发射激光器芯片发出的光信号在透镜表面反射来的回波很容易进入到光探测器，由于发射激光器芯片发出的光信号很强，即使很小的回波也会对接收端产生不可接受的串扰。
综上所述，现有同波长单芯双向技术方案或多或少存在着性能、大小和成本方面的不足，一个低成本，没有较大串扰和损耗，以及微小尺寸的同波长单芯双向光收发模块新技术是需要的。特别是新技术提供的几何结构与尺寸如果与图1所示的现有技术相容，就能最大限度地利用现有平台，大幅降低成本，并同时得到同波长单芯双向技术所带来的通信***的简化和便捷。
发明内容
为适应光通信器件集成化、小型化的需求，本发明提供了一种低成本、结构紧凑的同波长单芯双向光收发模块，以及相同波长组的单芯双向光收发模块。
本发明实施例提供一种单芯双向光收发模块，其包含有：
一个输入输出端，用于输入和输出光信号；
一个偏振分束合束器，用于偏振分束和偏振合束；
第一偏振反射器；
第二偏振反射器；
至少一个光信号发射单元；
一个光信号接收单元；
所述第一偏振反射器和第二偏振反射器至少一个是45度法拉第旋转器和一个亚波长光栅偏振反射器组成，所述亚波长光栅偏振反射器反射某一偏振的光信号，透射偏振态与之垂直的光信号；
所述输入输出端接收包含至少一个波长的入射光信号，并将接收的入射光信号耦合到所述偏振分束合束器；入射光信号被所述偏振分束合束器分解成互相垂直的第一偏振态光信号和第二偏振态光信号，分别沿着透射路径和反射路径传播，被所述的第一偏振反射器和第二偏振反射器反射，偏振态各自变为垂直偏振态，并返回至所述的偏振分束合束器，分别反射和透射，形成同方向的两个光束并传播至所述的光信号接收单元接收；
所述的至少一个光信号发射单元，所发出的光信号称为发射光信号，至少含有一个波长，具有单一的偏振态，其偏振态的安排使得发射光信号透射通过所述的第一或第二偏振反射器，并在透射后偏振态与所述第一偏振态光信号或第二偏振态光信号的偏振态一致，进一步被所述偏振分束合束器透射或反射至所述输入输出端。
在一个实施例中，所述光信号发射单元的位置和角度安排使得发射光信号透射通过所述的第一或第二偏振反射器后，与所述第一偏振态光信号或第二偏振态光信号的位置重合，方向相反。
在一个实施例中，所述亚波长光栅偏振反射器是亚波长介质、亚波长金属、亚波长介质与金属混合三种光栅中的一种，或是直接在所述45度法拉第旋转器的一个通光面上通过微细加工工艺形成上述三种光栅中的一种而成。
在一个实施例中，包含有两个光信号发射单元，每个光信号发射单元包含至少一个波长；所述第一和第二偏振反射器都由45度法拉第旋转器和亚波长光栅偏振反射器组成。
在一个实施例中，所述亚波长光栅偏振反射器是亚波长介质、亚波长金属、亚波长介质与金属混合三种光栅中的一种，或是直接在所述45度法拉第旋转器的一个通光面上通过微细加工工艺形成上述三种光栅中的一种而成。
在一个实施例中，所述偏振分束合束器是多层介质薄膜型偏振分束合束器。
在一个实施例中，所述偏振分束合束器是亚波长光栅型偏振分束合束器。
在一个实施例中，所述第一或第二偏振反射器是由一个1/4波片和一个反射镜组成。
在一个实施例中，所述反射镜是由所述1/4波片的一个通光面镀高反射金属膜或高反射多层介质薄膜中的一种形成。
在一个实施例中，所述第一或第二偏振反射器是由一个45度法拉第旋转器和一个反射镜组成。
在一个实施例中，所述反射镜是由所述45度法拉第旋转器的一个通光面镀高反射金属膜或高反射多层介质薄膜中的一种形成。
在一个实施例中，所述输入输出端为尾纤，端面倾斜。
在一个实施例中，还包含至少一个准直透镜，位于输入输出端与所述偏振分束合束器之间，或偏振分束合束器与所述光信号接收单元或光信号发射单元之间。
在一个实施例中，所述光信号发射单元是一个光发射器阵列，所述光信号接收单元是一个光探测器阵列，所述输入输出端是一个光波导阵列。
在一个实施例中，所述光发射器阵列前还包含一个透镜阵列，所述光探测器阵列前还包含一个透镜阵列。
在一个实施例中，所述光信号发射单元由一个波长复用器和一个光发射器阵列组成；所述光信号接收单元由一个波长解复用器和一个光探测器阵列组成。
在一个实施例中，在所述输入输出端与所述偏振分束合束器之间，还包含一个波长复用解复用器，所述的光信号发射单元是一个光发射器阵列，所述的光信号接收单元是一个光探测器阵列。
在一个实施例中，在所述波长复用解复用器与所述偏振分束合束器之间，还包含一个准直透镜阵列。
在一个实施例中，所述波长复用器或波长解复用器是阵列波导光栅、衍射光栅、薄膜滤波器组或级联马赫-曾德尔干涉仪中的一种。
在一个实施例中，所述波长复用解复用器是阵列波导光栅、衍射光栅、薄膜滤波器组或级联马赫-曾德尔干涉仪中的一种。
本发明提供的一种微型同波长单芯双向光收发模块，采用了基于亚波长光栅结构的偏振反射器，使得所需光学元件数量减少，光学结构大大简化，同时减少了成本。亚波长光栅的基本特征是光栅周期小于波长，此时只有零级衍射光存在，加上亚波长光栅对偏振的敏感性，可以实现对某一偏振反射，对另一垂直偏振透射的功能。
附图说明
图1现有双波长单芯双向光收发模块的原理图
图2现有单波长单芯双向光收发模块的原理图
图3现有单波长单芯双向光收发模块的原理图
图4现有单波长单芯双向光收发模块的原理图
图5a本发明使用的亚波长光栅偏振反射器,使用了亚波长介质光栅
图5b本发明使用的亚波长光栅偏振反射器,使用了亚波长金属光栅
图6本发明提供的微型化同波长单芯双向光收发模块的原理图
图7a本发明提供的第一或第二偏振反射器的第一种组成
图7b本发明提供的第一或第二偏振反射器的第二种组成
图8a本发明提供的第一或第二偏振反射器，入射光信号反射前后的偏振态变化
图8b本发明提供的第一或第二偏振反射器，发射光信号透射前后的偏振态变化
图9a本发明提供的偏振分束合束器的第一种型态，采用多层介质薄膜
图9b本发明提供的偏振分束合束器的第二种型态，采用亚波长光栅
图10本发明提供的单个波长的单芯双向光收发模块
图11本发明提供的多个波长的单芯双向光收发模块第一种型态
图12本发明提供的多个波长的单芯双向光收发模块第二种型态，收发使用同一个元件实现复用解复用功能
图13本发明提供的微型化同波长单芯双向光收发模块，有两组波长复用的情况
图14本发明提供的微型化同波长单芯双向光收发模块实施例1
图15本发明提供的微型化同波长单芯双向光收发模块实施例2
图16本发明提供的微型化同波长单芯双向光收发模块实施例3
图17本发明提供的微型化同波长单芯双向光收发模块实施例4
具体实施方式
通过分析现有技术方案，可以看到使用一对或更多双折射晶体，一对或更多多层薄膜型偏振分束器，是现有技术方案物理尺寸不能进一步减小的限制因素。本发明提供的同波长单芯双向光收发模块方案，采用了基于亚波长光栅结构的偏振反射器，使得所需光学元件数量减少，光学结构大大简化，同时减少了成本。亚波长光栅的基本特征是光栅周期小于波长，此时只有零级衍射光存在，加上亚波长光栅对偏振的敏感性，可以实现对某一偏振反射，对另一垂直偏振透射的功能。
文献J.Opt.12(2010)015703报道了如图5a所示的亚波长介质光栅，基底(501)由二氧化硅材料组成，光栅(502)材料是硅，入射到光栅的光信号(504)含有两个互相垂直的偏振态(对光栅而言是TE模式和TM模式)。一个光栅周期内还有子结构，通过优化设计光栅周期T和子结构的空气隙(503a和503b)的长度，使得TE模式(505)反射，TM模式(506)透射。
另外一种亚波长光栅是亚波长金属光栅，采用金属线作光栅材料，如图5b所示，基底(507)由光学玻璃材料如二氧化硅材料、BK7组成(其它光学玻璃亦可),其上有金属线光栅，金属可以是金银铜铝等。光栅一个周期T内由金属线(508)和填充材料(509)组成，光栅周期T小于一个波长。入射到光栅的光信号(510)含有两个互相垂直的偏振态(对光栅而言是TE模式和TM模式)。入射到金属线的光场在金属表面激发出表面等离子体基元，由于金属线的狭长特性，表面等离子体基元在光栅方向和与之垂直的方向上的行为不同，使得TE模式(511)反射，TM模式(512)透射。通常，亚波长光栅(含基底)的两侧通光面镀多层光学介质膜，以减少界面的菲涅耳反射，提高偏振消光比。
本发明利用上述亚波长光栅的偏振特性，结合法拉第旋转器的非互易特性，及复用一个偏振分束合束器，来实现同波长单芯双向光收发模块的微型化、低成本化。
如图6所示，本发明提供的光收发模块(600)，包含：
1.一个输入输出端(601)，用于输入和输出光信号；
2.一个偏振分束合束器(602)；
3.第一偏振反射器(603)；
4.第二偏振反射器(604)；
5.至少一个光信号发射单元(605)；
6.一个光信号接收单元(606)。
所述的输入输出端(601)接收包含至少一个波长的入射光信号，并将接收的入射光信号耦合到所述的偏振分束合束器(602)，偏振分束合束器将入射光信号分解成两个偏振态互相垂直的第一偏振态光信号(607)和第二偏振态光信号(608)，并使第一偏振态光信号透射，使第二偏振态光信号反射。
所述的至少一个光信号发射单元(605)，一般为调制激光器或其阵列，所发出的光信号称为发射光信号，至少含有一个波长，具有单一的偏振态。
所述的第一和第二偏振反射器，使第一和第二偏振态光信号反射，并使其偏振态转变为垂直偏振态，成为第三偏振态光信号(609)和第四偏振态光信号(610)。第三和第四偏振态光信号再次经所述偏振分束合束器(602)反射和透射，到达光信号接收单元(606)。
为了说明方便，图6及后续图中使用线偏振态，并用“ι”和“·”分别表示第一和第二偏振态光信号的偏振方向。第一和第二偏振态光信号的偏振方向也可互换，不违背本发明的精神。
图7a和图7b表示所述第一和第二偏振反射器可以有的两种构成方式。
图7a所示的偏振反射器(701)由一个1/4波片(702)和一个反射镜(703)组成。所述1/4波片的光轴与入射光信号偏振方向成45度角。入射光信号(704)在经历了1/4波片、反射镜反射，再次经过1/4波片后，成为偏振态旋转90度的光信号(705)。图7a中的1/4波片(702)也可以用一个45度法拉第旋转器代替，光信号在两次经过45度法拉第旋转器后偏振方向也会旋转90度。
图7b所示的偏振反射器(706)由一个45度法拉第旋转器(707)和一个亚波长光栅偏振反射器(708)组成。入射光信号(709)在经历了45度法拉第旋转器后，偏振方向旋转45度，被所述亚波长光栅偏振反射器(708)反射，再次经45度法拉第旋转器，偏振方向沿同方向继续旋转45度，成为偏振态旋转90度的光信号(710)。所述的亚波长光栅偏振反射器(708)除了对某一偏振态反射外，还可对另一垂直偏振态透射。一般取入射光信号(709)和光信号发射单元发出的发射光信号(711)分别从所述亚波长光栅偏振反射器(708)的两侧入射，一个反射，一个透射。所述发射光信号(711)的偏振态、位置、角度的安排使得它通过所述亚波长光栅偏振反射器(708)，成为与入射光信号(709)方向相反、位置相同、偏振态一致的发射光信号(712)，根据光路可逆原理，它可以反向传播至光信号的输入输出端。
所述的第一和第二偏振反射器中至少一个是由图7b所示的组合构成，允许至少一个光信号发射单元的发射光信号透射通过所述的第一或第二偏振反射器。图7b中的亚波长光栅偏振反射器(708)可以是亚波长介质光栅、亚波长金属光栅或亚波长介质与金属混合光栅的一种。
回到图6并结合图8a和图8b进一步说明光信号发射单元的发射光信号是如何耦合到所述的输入输出端(601)。为说明方便，图6中第一偏振反射器采取了图7b所示的结构，第二偏振反射器采取了图7a所示的结构。图8a的子图(1)表示第一偏振态光信号(607)入射到所述的第一偏振反射器前的偏振方向；图8a的子图(2)表示第一偏振态光信号(607)通过所述的第一偏振反射器中的45度法拉第旋转器后的偏振方向，相对于图8a的子图(1)，图8a的子图(2)所示偏振方向顺时针旋转45度(逆时针旋转也是可以的)；图8a的子图(3)表示第一偏振态光信号(607)被所述的第一偏振反射器反射后的偏振方向(经过两次45度法拉第旋转器)，与入射前的偏振方向垂直。
图8b的子图(1)表示光信号发射单元发出的发射光信号入射到所述的第一偏振反射器前的偏振态方向，与8a的子图(1)比较，方向逆时针旋转45度，在透射过所述的亚波长光栅偏振反射器后，如图8b的子图(2)所示，偏振态不变；进一步通过45度法拉第旋转器，如图8b的子图(3)所示，其偏振方向与第一偏振态光信号入射到第一偏振反射器前的偏振方向一致。回到图6，光信号发射单元发出的发射光信号(611)在通过了所述的第一偏振反射器(603)成为与第一偏振态光信号的偏振方向一致的发射光信号(612)，并且如前所述，它的角度和位置安排使得它与第一偏振态光信号方向相反，位置重合，它将进一步透射过所述的偏振分束合束器(602)，耦合到输入输出端(601)。
可以看到通过复用偏振分束合束器(602)，使之既起到偏振分束的作用，又起到了偏振合束的作用，结合图7b的第一或第二偏振反射器，使发射光信号通过极紧凑的光路耦合到输入输出端。实际实现过程中，从光信号发射单元到输入输出端仅需1到2毫米，实现了同波长单芯双向光收发模块的微型化。
所述的偏振分束合束器(602)也可以采用如图9a、图9b所示的两种形式。图9a表示采用多层介质薄膜型的偏振分束合束器(901)，图9b表示采用亚波长光栅型的偏振分束合束器(908)。入射光信号(902)包含有两个互相垂直的偏振态，分别被所述偏振分束合束器透射和反射，成为分别沿透射和反射路径传播的光信号(903和904)，当它们被前述第一和第二偏振反射器反射后，偏振态分别变换为与原偏振态垂直的光信号(906和905)，分别被偏振分束合束器(901或908)反射和透射，合并为同方向的光信号(907)。
光信号接收和发射单元可以是单波长的，也可以是多波长的。
在传输波长为单波长的情形下，如图10所示，所述的光信号接收单元为单个光探测器(1008)；所述的光信号发射单元为单个调制激光器(1007)；而发射光信号由单个调制激光器发射的单一波长组成。图中(1004)为偏振分束合束器与第一和第二偏振反射器的组合。
在传输波长为多波长的情形下，采用如图11所示的结构，所述的光信号接收单元(1108)为波长解复用器(1106)和光探测器阵列(1102)的组合；从偏振分束合束器与第一和第二偏振反射器的组合(1104)传播来的入射光信号的多个波长λ1、λ2···λn经波长解复用器(1106)分解成独立的波长，分别输入到光探测器阵列(1102)的每个光探测器；所述的光信号发射单元(1107)为波长复用器(1105)与调制激光器阵列(1101)组成。调制激光器阵列(1101)中的每个调制激光器分别发射λ1、λ2···λn的发射光信号，输入到波长复用器(1105)合波。
在传输波长为多个波长的情形下，也可采用如图12所示的结构，使用了一个波长复用解复用器(1201)。多个波长的入射光信号λ1、λ2···λn经所述的波长复用解复用器分解成各自独立的波长，输入到偏振分束合束器(1202)，分解成两组偏振态垂直的光信号，再经其后的第一和第二偏振反射器(图中省略)反射，再次经偏振分束合束器(1202)合束，耦合到光探测器阵列(1208)接收；所述的光信号发射单元是一个调制激光器阵列(1207)，调制激光器阵列中的每个调制激光器分别发射λ1、λ2···λn的光信号，具有单一偏振态，逆向通过第一或第二偏振反射器(图中省略)、偏振分束合束器(1202)，输入到波长复用解复用器(1201)合波后输出。可以看到，波长解复用和复用使用了同一元件(1201)，并且波长分离方向(1206)与偏振分束合束器(1202)透射和反射路径组成的平面(1205)垂直。
所述波长复用器、波长解复用器、波长复用解复用器，可以是阵列波导光栅、衍射光栅、薄膜滤波器组或级联马赫-曾德尔干涉仪中的一种。
本发明还进一步提供了有两个光信号发射单元的单芯双向光收发模块，如图13所示。通过输入输出端来的多个波长λ1、λ2···λn的入射光信号，首先经过偏振分束合束器(1304)分解成偏振态相互垂直的第一和第二偏振态光信号，分别沿透射和反射路径传播，并被第一和第二偏振反射器(1302、1305)反射，偏振态转换成与原偏振态垂直，再经偏振分束合束器(1304)合束，传播至光信号接收单元(1306)接收。第一光信号发射单元(1301)发射的光信号为第一组发射光信号，波长为λ1、λ3···λn-1,并具有单一偏振态，第一组发射光信号透射通过第一偏振反射器(1302)后与入射光信号透射路径上的第一偏振态光信号的偏振态一致，其预设角度和位置使得第一组发射光信号通过偏振分束合束器(1304)后耦合到输入输出端；第二光信号发射单元(1303)发射的光信号为第二组发射光信号，波长为λ2、λ4···λn,并具有单一偏振态，第二组发射光信号透射通过第二偏振反射器(1305)后与入射光信号反射路径上第二偏振态光信号偏振态一致，其预设角度和位置使得第二组发射光信号通过偏振分束合束器(1304)后耦合到输入输出端。
实际的耦合***中，还可以使用一个准直透镜，其位置可以在输入输出端和偏振分束合束器间，或者在偏振分束合束器与光信号接收或光信号发射单元间。所述的光信号发射单元和光信号接收单元也可含有耦合透镜。
一般情况下，输入输出端为尾纤的形式，尾纤的端面倾斜以防止输入和输出光的反射回波，倾斜角为6到8度。
所述的45度法拉第旋转器，可将传播的光束偏振态顺时针或逆时针旋转45度，由具有法拉第效应的材料组成，通常需要一个磁场以维持该效应，所述的磁场可以是外部磁体提供的磁场，也可以是材料内建磁场。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
[实施例1]
如图14所示，本发明提供的微型化同波长单芯双向光收发模块(1400)的一个实施例，包含：
1.一个输入输出端(1401)，用于输入和输出光信号；
2.一个亚波长光栅型偏振分束合束器(1403)；
3.第一偏振反射器(1404)；
4.第二偏振反射器(1405)；
5.一个光信号发射单元(1406)；
6.一个光信号接收单元(1407)。
所述的输入输出端(1401)接收包含一个波长的入射光信号，并将接收的入射光信号输入到所述的亚波长光栅型偏振分束合束器(1403)上，被分解成两个互相垂直的第一和第二偏振态光信号，分别沿透射和反射路径传播至所述的第一和第二偏振反射器(1404，1405)。
所述的第一偏振反射器(1404)由一个45度法拉第旋转器(1410)和一个亚波长金属光栅(1411)组成，接收所述偏振分束合束器(1403)来的第一偏振态光信号。
所述的第二偏振反射器(1405)由一个1/4波片(1408)和一个反射镜(1409)组成，接收所述偏振分束合束器(1403)来的第二偏振态光信号。所述1/4波片的光轴与所述偏振分束合束器(1403)反射路径来的入射光信号偏振方向成45度角。
所述的第一和第二偏振态光信号，被所述第一和第二偏振反射器反射后，偏振方向各自旋转90度，反向传播至所述偏振分束合束器(1403)，分别反射和透射至所述的光信号接收单元(1407)并被接收。光信号接收单元(1407)是带有会聚透镜的同轴封装光探测器。
所述的光信号发射单元(1406)，为带有会聚透镜的调制激光器，所发出的发射光信号含有一个波长，具有单一的偏振态。发射光信号的偏振方向、位置和角度安排使得它反向通过第一偏振反射器(1404)后，与入射光信号透射路径上第一偏振态光信号的偏振态一致，位置重合，传播方向相反，从而进一步通过偏振分束合束器(1403)，到达输入输出端(1401)。
输入输出端为端面倾斜的尾纤，倾斜角度为6到8度。
[实施例2]
如图15所示，本发明提供的同波长单芯双向光收发模块(1500)的一个实施例，包含：
1.一个输入输出端(1501)，用于输入和输出光信号；
2.一个准直透镜(1502)；
3.一个多层介质薄膜型偏振分束合束器(1503)；
4.第一偏振反射器(1504)；
5.第二偏振反射器(1505)；
6.第一光信号发射单元(1506)和第二光信号发射单元(1510)；
7.第一光信号接收单元(1507)第二光信号接收单元(1513)；
8.一个多层介质薄膜型波长滤波片(1514)。
所述的输入输出端(1501)接收包含两个波长的入射光信号，波长为λ1和λ2，并将接收的入射光信号通过准直透镜(1502)准直后输入到所述多层介质薄膜型偏振分束合束器(1503)上，被分解成两个互相垂直的第一和第二偏振态光信号，都包含波长为λ1和λ2的入射光信号，分别沿透射和反射路径传播。
所述的第一和第二偏振反射器(1504，1505)具有相同的构成，由45度法拉第旋转器(1511，1508)和亚波长金属光栅(1512，1509)组成。
第一和第二偏振态光信号传播至所述的第一和第二偏振反射器，被反射后，偏振方向各自旋转90度，反向传播至所述偏振分束合束器(1503)，分别反射和透射至所述的多层介质薄膜型波长滤波片(1514)，波长为λ1的入射光信号透射至第一光信号接收单元(1507)接收，波长为λ2的入射光信号反射至第二光信号接收单元(1513)接收。
第一和第二光信号接收单元是带有准直透镜的同轴封装光探测器。
本实施例含有两个光信号发射单元(1506)和(1510)，为带有准直透镜的调制激光器，所发出的光信号称为第一发射光信号和第二发射光信号，波长分别为λ1和λ2。第一发射光信号和第二发射光信号反向通过所述第一和第二偏振反射器(1504，1505)后，它们的偏振态和位置分别与入射光信号透射和反射路径上的第一和第二偏振态光信号的偏振态和位置一致，传播方向相反，因此分别透射和反射经过所述偏振分束合束器(1503)，并经过准直透镜(1502)聚焦到达输入输出端(1501)。
输入输出端为端面倾斜的尾纤，倾斜角度为6到8度。
[实施例3]
如图16所示，本发明提供的同波长单芯双向光收发模块(1600)的一个实施例，包含：
1.一个输入输出端(1601)，用于输入和输出光信号；
2.一个波长复用解复用器(1602)；
3.一个偏振分束合束器(1603)；
4.第一偏振反射器；
5.第二偏振反射器；
6.一个光信号发射单元组(1606)；
7.一个光信号接收单元组(1607)。
所述的输入输出端(1601)接收包含多个波长的入射光信号，波长为λ1、λ2···λn,并输入到所述的波长复用解复用器(1602)，不同波长的入射光信号在与所述的偏振分束合束器的透射和反射路径所在平面(1604)垂直的方向(1605)上分离，入射到所述的偏振分束合束器(1603)。所述的偏振分束合束器(1603)进一步将不同波长的入射光信号分解成位置分离、偏振态互相垂直的第一偏振态光信号组和第二偏振态光信号组，分别沿透射路径和反射路径传播。
与实施例1同，所述的第一偏振反射器(图中未画出)由一个45度法拉第旋转器和一个亚波长金属光栅组成，接收所述偏振分束合束器(1603)来的第一偏振态光信号组。
与实施例1同，所述的第二偏振反射器(图中未画出)由一个1/4波片和一个反射镜组成，接收所述偏振分束合束器(1603)来的第二偏振态光信号组。所述1/4波片的光轴与所述偏振分束合束器(1603)反射路径来的入射光信号偏振方向成45度角。
所述的第一和第二偏振态光信号组，被所述第一和第二偏振反射器反射后，偏振方向各自旋转90度，反向传播至所述偏振分束合束器(1603)，分别反射和透射至所述的光信号接收单元组(1607)并被接收。光信号接收单元组(1607)是带有会聚透镜阵列的光探测器阵列。
所述的光信号发射单元组(1606)是由会聚透镜阵列和调制激光器阵列组成，调制激光器阵列发出的多个波长λ1、λ2···λn，具有单一的偏振态，依次通过其上的会聚透镜阵列、第一偏振反射器、偏振分束合束器到达所述的波长复用解复用器(1602)，在此，多个波长的发射光信号合波，输出到所述的输入输出端(1601)。
本实施例采用的波长复用解复用器的一个优选方案是基于平面波导回路(PLC-Planar Light Circuit)的阵列波导光栅(AWG-Arrayed Waveguide Grating)。所述偏振分束合束器(1603)可以是图9a所示的多层介质薄膜型或图9b所示的亚波长光栅型。
输入输出端为端面倾斜的尾纤，倾斜角度为6到8度。
[实施例4]
如图17所示，本发明提供的同波长单芯双向光收发模块(1700)的一个实施例，包含：
1.一个光波导阵列型输入输出端(1701)，用于输入和输出光信号；
2.一个偏振分束合束器(1703)；
3.第一偏振反射器；
4.第二偏振反射器；
5.一个光信号发射单元组(1706)；
6.一个光信号接收单元组(1707)。
所述的光波导阵列型输入输出端(1701)接收多路入射光信号，多路入射光信号波长可以相同也可以不同，并将多路入射光信号输入到所述的偏振分束合束器(1703)。多路入射光信号在与所述的偏振分束合束器(1703)的透射和反射路径所在平面(1704)垂直的方向(1705)上排列。所述的偏振分束合束器(1703)进一步将多路入射光信号分解成偏振态互相垂直的第一偏振态光信号组和第二偏振态光信号组，分别沿透射路径和反射路径传播。
与实施例1同，所述的第一偏振反射器(图中未画出)由一个45度法拉第旋转器和一个亚波长金属光栅组成，接收所述偏振分束合束器(1703)来的第一偏振态光信号组。
与实施例1同，所述的第二偏振反射器(图中未画出)由一个1/4波片和一个反射镜组成，接收所述偏振分束合束器(1703)来的第二偏振态光信号组。所述1/4波片的光轴与所述偏振分束合束器(1703)反射路径来的入射光信号偏振方向成45度角。
所述的第一和第二偏振态光信号组，被所述第一和第二偏振反射器反射后，偏振方向各自旋转90度，反向传播至所述偏振分束合束器(1703)，分别反射和透射至所述的光信号接收单元组(1707)并被接收。光信号接收单元组(1707)是带有会聚透镜阵列的光探测器阵列。
所述的光信号发射单元组(1706)是由会聚透镜阵列和调制激光器阵列组成，调制激光器阵列发出的多路发射光信号具有单一的偏振态，波长可以相同也可以不同，依次通过其上的会聚透镜阵列、第一偏振反射器、偏振分束合束器到达所述的光波导阵列型输入输出端(1701)。
为了避免入射和发射光信号的回波，所述的光波导阵列型输入输出端(1701)的端面倾斜一定角度，倾斜角度为6到8度。

Claims (20)

1.一种单芯双向光收发模块，其特征在于，包含有：
一个输入输出端，用于输入和输出光信号；
一个偏振分束合束器，用于偏振分束和偏振合束；
第一偏振反射器；
第二偏振反射器；
至少一个光信号发射单元；
一个光信号接收单元；
所述第一偏振反射器和第二偏振反射器至少一个是45度法拉第旋转器和一个亚波长光栅偏振反射器组成，所述亚波长光栅偏振反射器反射某一偏振的光信号，透射偏振态与之垂直的光信号；
所述输入输出端接收包含至少一个波长的入射光信号，并将接收的入射光信号耦合到所述偏振分束合束器；入射光信号被所述偏振分束合束器分解成互相垂直的第一偏振态光信号和第二偏振态光信号，分别沿着透射路径和反射路径传播，被所述的第一偏振反射器和第二偏振反射器反射，偏振态各自变为垂直偏振态，并返回至所述的偏振分束合束器，分别反射和透射，形成同方向的两个光束并传播至所述的光信号接收单元接收；
所述的至少一个光信号发射单元，所发出的光信号称为发射光信号，至少含有一个波长，具有单一的偏振态，其偏振态的安排使得发射光信号透射通过所述的第一或第二偏振反射器，并在透射后偏振态与所述第一偏振态光信号或第二偏振态光信号的偏振态一致，进一步被所述偏振分束合束器透射或反射至所述输入输出端。
2.根据权利要求1所述的一种单芯双向光收发模块，其特征在于，所述光信号发射单元的位置和角度安排使得发射光信号透射通过所述的第一或第二偏振反射器后，与所述第一偏振态光信号或第二偏振态光信号的位置重合，方向相反。
3.根据权利要求1所述的一种单芯双向光收发模块，其特征在于，所述亚波长光栅偏振反射器是亚波长介质、亚波长金属、亚波长介质与金属混合三种光栅中的一种，或是直接在所述45度法拉第旋转器的一个通光面上通过微细加工工艺形成上述三种光栅中的一种而成。
4.根据权利要求1所述的一种单芯双向光收发模块，其特征在于，包含有两个光信号发射单元，每个光信号发射单元包含至少一个波长；所述第一和第二偏振反射器都由45度法拉第旋转器和亚波长光栅偏振反射器组成。
5.根据权利要求4所述的一种单芯双向光收发模块，其特征在于，所述亚波长光栅偏振反射器是亚波长介质、亚波长金属、亚波长介质与金属混合三种光栅中的一种，或是直接在所述45度法拉第旋转器的一个通光面上通过微细加工工艺形成上述三种光栅中的一种而成。
6.根据权利要求1所述的一种单芯双向光收发模块，其特征在于，所述偏振分束合束器是多层介质薄膜型偏振分束合束器。
7.根据权利要求1所述的一种单芯双向光收发模块，其特征在于，所述偏振分束合束器是亚波长光栅型偏振分束合束器。
8.根据权利要求1所述的一种单芯双向光收发模块，其特征在于，所述第一或第二偏振反射器是由一个1/4波片和一个反射镜组成。
9.根据权利要求8所述的一种单芯双向光收发模块，其特征在于，所述反射镜是由所述1/4波片的一个通光面镀高反射金属膜或高反射多层介质薄膜中的一种形成。
10.根据权利要求1所述的一种单芯双向光收发模块，其特征在于，所述第一或第二偏振反射器是由一个45度法拉第旋转器和一个反射镜组成。
11.根据权利要求10所述的一种单芯双向光收发模块，其特征在于，所述反射镜是由所述45度法拉第旋转器的一个通光面镀高反射金属膜或高反射多层介质薄膜中的一种形成。
12.根据权利要求1所述的一种单芯双向光收发模块，其特征在于，所述输入输出端为尾纤，端面倾斜。
13.根据权利要求1-12所述的任一种单芯双向光收发模块，其特征在于，还包含至少一个准直透镜，位于输入输出端与所述偏振分束合束器之间，或偏振分束合束器与所述光信号接收单元或光信号发射单元之间。
14.根据权利要求1-11所述的任一种单芯双向光收发模块，其特征在于，所述光信号发射单元是一个光发射器阵列，所述光信号接收单元是一个光探测器阵列，所述输入输出端是一个光波导阵列。
15.根据权利要求14所述的一种单芯双向光收发模块，其特征在于，所述光发射器阵列前还包含一个透镜阵列，所述光探测器阵列前还包含一个透镜阵列。
16.根据权利要求1-12所述的任一种单芯双向光收发模块，其特征在于，所述光信号发射单元由一个波长复用器和一个光发射器阵列组成；所述光信号接收单元由一个波长解复用器和一个光探测器阵列组成。
17.根据权利要求1-12所述的任一种单芯双向光收发模块，其特征在于，在所述输入输出端与所述偏振分束合束器之间，还包含一个波长复用解复用器，所述的光信号发射单元是一个光发射器阵列，所述的光信号接收单元是一个光探测器阵列。
18.根据权利要求17所述的一种单芯双向光收发模块，其特征在于，在所述波长复用解复用器与所述偏振分束合束器之间，还包含一个准直透镜阵列。
19.根据权利要求16所述的一种单芯双向光收发模块，其特征在于，所述波长复用器或波长解复用器是阵列波导光栅、衍射光栅、薄膜滤波器组或级联马赫-曾德尔干涉仪中的一种。
20.根据权利要求17所述的一种单芯双向光收发模块，其特征在于，所述波长复用解复用器是阵列波导光栅、衍射光栅、薄膜滤波器组或级联马赫-曾德尔干涉仪中的一种。
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