CN109061814A - 一种基于环形器的单纤双向收发器 - Google Patents
一种基于环形器的单纤双向收发器 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及光通信技术领域,具体涉及一种基于环形器的单纤双向收发器,包括包括封装管体、发射器、接收器、光接口以及光环行器,发射器与接收器封装在封装管体内部,光环行器与封装管体固定,且光环形器用于连接发射器、接收器与光接口,使得发射器的出光信号经过光环形器后耦合进光接口,光接口入光信号经过光环形器后耦合进接收器;发射器内设有TEC,用于调整发射器内激光器工作温度,进而调整出光中心波长。本发明使用环形器作为分光元件,连接发射端、接收端及光接口,工艺简单、对位置精度要求低,易于批量生产;同时,通过TEC调整激光器工作温度,进而实现发射器出光波长的精确控制,使用单只器件实现多波功能,提高器件可替换性。
Description
【技术领域】
本发明涉及光通信技术领域,具体涉及一种基于环形器的单纤双向收发器。
【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,其采用一根光纤实现数据双向传输的功能,是现代光通信的核心器件。
常用的单纤双向组件如图1所示,一般是采用TO-CAN封装形式,由单通道的发射器01、单通道的接收器02、滤光片03、一体式插针的光接口04和圆方管体05组成,该结构使用单片或多片滤光片作为发射器和接收器的分光元件,使用单根光纤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。然而,使用滤光片作为分光元件时对位置精度要求较高,加工工艺复杂,不易于批量生产;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。并且由于目前市面上暂时无配合TO-CAN封装形式的TEC,TO-CAN封装发射器无内置TEC,而温度的不稳定会导致发射光中心波长漂移,导致不同通道间产生串扰,难以实现发射器波长的精确控制。为避免温度失控造成发射光中心波长的漂移,往往只能采用CWDM芯片的方案,这种设计远远不能满足5G传输网对器件性能及传输距离的要求。同时由于发射器波长固定,器件必须配对使用,器件不具有很好的可替换性,增加了组网的成本,降低了光纤波分复用的通信能力。
鉴于此,克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。
【发明内容】
本发明需要解决的技术问题是:
目前常用的单纤双向组件使用滤光片作为分光元件,对位置精度要求较高,工艺复杂,不易于批量生产,且TO-CAN封装发射器无内置TEC,温度的不稳定会导致发射光中心波长漂移,难以实现发射器波长的控制。
本发明通过如下技术方案达到上述目的:
本发明提供了一种基于环形器的单纤双向收发器,包括封装管体1、发射器2、接收器3、光接口4以及光环行器5,所述发射器2与所述接收器3封装在所述封装管体1内部,所述光环行器5与所述封装管体1固定,且所述光环形器5用于连接所述发射器2、所述接收器3与所述光接口4,使得所述发射器2的出光信号经过所述光环形器5后耦合进所述光接口4,所述光接口4入光信号经过所述光环形器5后耦合进所述接收器3;其中,所述发射器2内设有TEC 6,用于调整激光器的工作温度,进而调整发射端出光中心波长。
优选的,所述光环形器5包括顺次连接设置的第一偏振分光片51、法拉第旋转片52、半波片53以及第二偏振分光片54;其中,所述第一偏振分光片51用于将发射端产生的光信号进行偏振分光,所述第二偏振分光片54用于将由所述光接口4处进入的光信号进行偏振分光。
优选的,所述第一偏振分光片51表面铺设有膜系结构,使得在发射端的出光波长范围内,所述第一偏振分光片51对于短波的透过率低于对于长波的透过率;其中,在短波范围内,透过率随波长增加而增加;在长波范围内,透过率高于50%。
优选的,所述膜系结构由高折射率的Ti2O5与低折射率的SiO2交叉镀层形成;其中,所述膜系结构中两种材料的铺设层数以及每层铺设厚度通过模拟计算得到。
优选的,所述光环行器5通过胶粘或激光焊接的方式固定在所述封装管体1上。
优选的,所述发射器2与所述接收器3采用BOX封装或TO封装的形式,封装在所述封装管体1内部。
优选的,所述发射器2及所述接收器3使用满足线性调制方式的光电芯片,以支持PAM4调制方式。
优选的,所述发射器2使用DML或EML调制形式的激光器芯片。
优选的,所述发射器2使用LAN-WDM、CWDM或DWDM激光器芯片。
优选的,所述光接口4采用尾纤形式或一体式插针的形式。
本发明的有益效果是:
本发明提供的一种基于环形器的单纤双向收发器,使用环形器作为分光元件,连接发射端、接收端和光接口,器件粘接简单、对位置精度要求低,易于批量生产,可实现同一中心波长或不同中心波长光信号的发射和接收;同时,发射端可设置TEC来调整激光器工作温度,进而实现发射端出光波长的精确控制,且使用单只器件实现多波功能,提高器件可替换性;对于光环行器的偏振分光片进行透过率设计,改善了激光器低温时出射光过大、眼图裂化的现象。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案,下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地,下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为目前常用的一种以滤光片作为分光元件的单纤双向收发器件;
图2为本发明实施例提供的一种基于环形器的单纤双向收发器的结构示意图;
图3为本发明实施例提供的光环形器的原理示意图;
图4为本发明实施例提供的光环形器的结构示意图;
图5为本发明实施例提供的光环形器中第一偏振分光片的透射光谱图。
【具体实施方式】
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。
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。
此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。
本发明实施例提供了一种基于环形器的单纤双向收发器,如图2所示,包括封装管体1、发射器2、接收器3、光接口4以及光环形器5,所述发射器2与所述接收器3封装在所述封装管体1内部,所述光环行器5与所述封装管体1固定,所述光接口4设置在所述封装管体1上,并与外部光纤实现连接;所述发射器2与所述接收器3共用所述光接口4。所述光环形器5用于连接所述发射器2、所述接收器3和所述光接口4,使得所述发射器2的出光信号经过所述光环形器5后耦合进所述光接口4,所述光接口4入光信号经过所述光环形器5后耦合进所述接收器3。其中,在发射器2内采用激光器来产生和发射光信号,而激光器出光中心波长与温度有很大关系,本发明实施例中,在所述发射器2内设计安装所述TEC 6,通过所述TEC 6来调整激光器工作温度,进而调整发射端激光器出光中心波长。
相对于传统的滤光片方案,使用光环形器5作为分光元件,连接的工艺较为简单,对位置精度要求低,易于批量生产,可实现同一中心波长或不同中心波长光信号的发射和接收。所述发射器2与所述接收器3共用光接口4,极大地减少了光收发***中光纤的数量,简化了***结构,尤其适用于光纤资源有限和LAN-WDM、DWDM密集波分复用技术的应用场景。通过设置TEC,使得发射器出光中心波长实现精确可调,使用单只器件即可实现多波功能,提高器件可替换性。同时器件尺寸满足业内流行的小型高速光模块QSFP28或CSFP等标准封装要求,可实现高带宽、低成本传输。
下面结合附图,对本实施例所述单纤双向收发器的各部分结构进行详细介绍。所述封装管体1为常用的圆方管体;所述发射器2与所述接收器3可采用BOX封装或TO封装的形式,封装在所述封装管体1内部,图2中以采用TO封装为例进行说明;所述光接口4可采用尾纤形式或一体式插针的形式,图2中以一体式插针形式的光接口为例进行说明。
继续参考图2,所述光环行器5位于所述发射器2与所述光接口4之间,所述接收器3位于所述光环行器5的上侧。所述单纤双向收发器还包括环形器底座7,在安装制作过程中所述光环行器5粘接在所述环形器底座7上后与所述封装管体1固定,具体可通过胶粘或激光焊接的方式,并使用机械配合进行固定。所述单纤双向收发器还包括准直透镜8、第一汇聚透镜9和第二汇聚透镜10,则对于发射端,所述发射器2内激光器产生光信号,所述光信号为发散光,发散光经过所述准直透镜8后调整为准直光,经过所述光环行器5后到达所述第一汇聚透镜9,将准直光调整为汇聚光,最终耦合进所述光接口4输出,由输出端的光纤接收;对于接收端,由光纤通过所述光接口4输入光信号,经过所述第一汇聚透镜9变为准直光,经过所述光环行器5后到达所述第二汇聚透镜10,将光信号汇聚耦合进所述接收器3。
其中,所述发射器2具体可采用DML或EML调制形式的激光器,DML为直接调制激光器,EML为电吸收调制激光器;同时,所述发射器2及所述接收器3还可使用满足线性调制方式的光电芯片,以支持PAM4调制方式,通过结合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。在本发明实施例中,发射端和接收端的光信号可以是预定波长间隔的两种波长信号,也可以是相同波长的信号。其中,波长间隔能够根据应用要求而进行调整,当所述波长间隔为零时,所述单纤双向收发器即为单波长单纤双向收发器。那么,从波长密集程度上来看,所述发射器2具体可采用LAN-WDM、CWDM或DWDM激光器芯片,其中,LAN-WDM激光器对应的波长间隔为5nm,CWDM激光器对应的波长间隔可达到20nm,DWDM激光器对应的波长间隔为0.4nm、0.8nm或1.6nm。
参考图3和图4,所述光环形器5包括从左到右顺次连接设置的第一偏振分光片51、法拉第旋转片52、半波片53以及第二偏振分光片54,图中TX表示发射器,RX表示接收器,COM表示光接口。对于发射端,光从TX发射出经过所述光环形器5时,所述第一偏振分光片51对发射端来的光信号进行偏振分光,分为平行方向偏振光(P光)和垂直方向偏振光(S光)两束光;P光反射、S光透射后进入所述法拉第旋转片52和所述半波片53,偏振态发生变化,P光变为S光,S光变为P光。在所述第二偏振分光片54处,P光和S光合束后由COM输出;其中,若TX发射的光信号为线偏振光,并且偏振方向与偏振分束棱镜的P光或S光一致,则只走一个光路路由。对于接收端,光信号从COM端进入,所述第二偏振分光片54将COM进入的光信号进行偏振分光,分为P光和S光,P光反射、S光透射后进入所述半波片53和所述法拉第旋转片52,偏振态不发生变化,在所述第一偏振分光片51处,P光和S光合束后进入RX端口。
如图4,所述法拉第旋转片52设置在磁块55内,所述法拉第旋转片52的偏振方向旋转角度为45度,偏振旋转方向由所述磁块55的磁场方向决定。其中,为了避免激光器发出的光信号被反射回发射端,造成对激光器的损害,可将所述第一偏振分光片51相对于发射光信号的光路方向做一定角度的偏转,如图4所示。通常将角度设计为4°或8°,进而对发射端的激光器起到提高抗回损的保护作用。
在一个具体的实施例中,以基于PAM4调制方式、传输速率为50Gbps的单纤双向BOSA器件为例,所述发射器2采用陶瓷管壳气密封装形式,芯片采用单通道25G EML芯片,该芯片工作电流一般为30mA-100mA,中心波长为1552.5nm。由于激光器的阈值电流会随着芯片温度的升高而逐渐变大,通常在常温工作条件下,激光器的阈值电流只有10mA左右;而在工作温度在50℃时,激光器的阈值电流增加到25mA左右。此处,该芯片工作波段在C波段,应用环境为50GHz、收发光波长间隔为0.4nm的密集波分复用***。所述接收器3采用TO-CAN封装形式,芯片为单通道25G PIN芯片,响应波长为1200nm-1600nm,所配跨阻放大器为线性放大器芯片,支持PAM4调制格式。
一般情况下,激光器的典型工作温度为50℃,此时的输出光波中心波长为1552.5nm。为实现发射端的激光器芯片波长可调,使用所述TEC 6来调节所述发射器2内的激光器芯片工作温度,将温度控制在20-65℃。本实施例中,设置工作温度为50℃时,激光器芯片出光波长为1552.5nm,偏置电流约为50mA,激光器芯片出光中心波长与温度的关系为λ=λ0+0.08(T-50),其中λ0为芯片工作在50℃的中心波长。因此,通过所述TEC 6分别调整激光器工作温度为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃,即可得到中心波长为1550.1nm-1553.7nm、波长间隔为0.45nm的光信号。如此一来,实现了发射器2出光波长的精确控制,使用单只器件即可实现多波功能,提高器件的可替换性。
当激光器工作温度不断升高时,同样的偏置电流下,出射光功率会逐渐变小。为此,在调节激光器的工作温度时,需要同时不断调节激光器的偏置电流。一般情况下,工作温度每增加5℃,出射功率下降1dBm到1.5dBm,这就意味着电流需上调5mA到10mA。激光器的最佳工作电流一般在30mA-100mA,而低于30mA电流,出射眼图会裂化比较严重;如果电流太高,同样会因为出射光功率过大,导致眼图不好,不能满足协议要求。其中,当激光器芯片工作温度在40-65℃时,激光器偏置电流可在30mA-80mA间调节,进而得到满足协议要求的出光强度。而工作温度在20-40℃时,如果不降低偏置电流,出光功率过大会导致接收端眼图差;如果降低偏置电流,会使工作电流低于30mA,出射眼图会裂化。因此,当工作温度在40-65℃时,可通过调节电流来调整出射光功率;而当工作温度在20-40℃时,通过调节电流已经难以得到满足要求的出光功率。
在本实施例中,为解决低温(20℃-40℃)时激光器出光功率过大、接收端眼图裂化的问题,在所述第一偏振分光片51表面铺设膜系结构,使得在发射端的出光波长范围内,所述第一偏振分光片51设计为短波方向透过率较低,长波方向透过率较高;其中,在短波范围内,透过率随波长增加而增加;在长波范围内,透过率高于50%。具体为:在低温范围(20℃-40℃)内通过调节电流难以得到满足要求的出光功率,低温范围内出光波长较短,归为短波,短波范围的光信号透过率需设计为较低,且波长越短,透过率越低;在高温范围(40℃-65℃)内的出光波长较长,归为长波,长波范围的光信号透过率需设计为较高,透射曲线如图5所示,从而避免了低温时出光功率过大的问题。其中,图5中的横坐标表示波长范围,纵坐标表示对应波长下的透过率,由图5可知,20℃时对应的1550.1nm光信号透过率为不大于50%,此时可调节激光器出光功率约为0dbm;从20℃到40℃,出光波长由1550.1nm逐渐增加至1552.5nm,对应的光信号透过率逐渐增加;65℃时对应的1553.7nm滤光片透过率为99%,出光功率约为0dbm。
为实现上述透射效果,所述膜系结构铺设在所述第一偏振分光片51表面,所述膜系结构由高折射率的Ti2O5与低折射率的SiO2交叉镀层形成。其中,高折射率材料Ti2O5的折射率nH=2.06,低折射率材料SiO2的折射率nL=1.45。在该具体实施例中,根据图5所示的透射曲线,通过计算机仿真模拟与计算,设计得到的满足图5中透射曲线的膜系结构为A/(HL)6H2LH(LH)6L(HL)7H2LH(LH)7L(HL)7H2LH(LH)7L(HL)6H2LH(LH)6/G。其中,所述膜系结构中两种材料的铺设层数以及每层铺设厚度通过模拟计算得到,在本实施例中,Ti2O5与SiO2共交叉铺设有88层,每层的厚度通过计算机模拟设计确定。由此得到的所述出光滤光片通道损耗小于0.3dbm,通道宽度为3nm,中心波长为1552.5nm,中心波长***损耗为-0.11db;满足50GHz滤光片要求指标。
其中,本发明实施例中所使用的波长值、温度值以及具体的透过率值均是为了便于描述而做出的举例,并不用以限制本发明,在本发明实施例的基础上,还可根据实际需要选择其他的波长及透过率值等,此处不再赘述。
综上所述,相对于传统的单纤双向器件,本发明实施例所提供的基于环形器的单纤双向收发器具有以下优点:相对常规滤光片方案,使用环形器作为分光元件,器件粘接简单、对位置精度要求低、耦合容差大,易于批量生产;发射器与接收器共用一个光接口,通过光环形器连接发射器、接收器和光接口,可实现同一中心波长或不同中心波长光信号的发射和接收,工艺较为简单,简化了***结构;通过TEC来调整激光器工作温度,进而调整激光器出光中心波长,从而实现了发射器出光中心波长的精确可调,使用单只器件实现多波功能,提高器件可替换性;将光环行器上靠近发射器一端的偏振分光片设计为短波方向透过率较低,长波方向透过率较高,改善了激光器低温时出射光过大、眼图裂化的现象;发射器及接收器可使用满足线性调制方式的光电芯片,支持PAM4调制方式。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于环形器的单纤双向收发器,其特征在于,包括封装管体(1)、发射器(2)、接收器(3)、光接口(4)以及光环行器(5),所述发射器(2)与所述接收器(3)封装在所述封装管体(1)内部,所述光环行器(5)与所述封装管体(1)固定,且所述光环形器(5)用于连接所述发射器(2)、所述接收器(3)与所述光接口(4),使得所述发射器(2)的出光信号经过所述光环形器(5)后耦合进所述光接口(4),所述光接口(4)入光信号经过所述光环形器(5)后耦合进所述接收器(3);其中,所述发射器(2)内设有TEC(6),用于调整激光器的工作温度,进而调整发射端出光中心波长。
2.根据权利要求1所述的基于环形器的单纤双向收发器,其特征在于,所述光环形器(5)包括顺次连接设置的第一偏振分光片(51)、法拉第旋转片(52)、半波片(53)以及第二偏振分光片(54);其中,所述第一偏振分光片(51)用于将发射端产生的光信号进行偏振分光,所述第二偏振分光片(54)用于将由所述光接口(4)处进入的光信号进行偏振分光。
3.根据权利要求2所述的基于环形器的单纤双向收发器,其特征在于,所述第一偏振分光片(51)表面铺设有膜系结构,使得在发射端的出光波长范围内,所述第一偏振分光片(51)对于短波的透过率低于对于长波的透过率;其中,在短波范围内,透过率随波长增加而增加;在长波范围内,透过率高于50%。
4.根据权利要求3所述的基于环形器的单纤双向收发器,其特征在于,所述膜系结构由高折射率的Ti2O5与低折射率的SiO2交叉镀层形成;其中,所述膜系结构中两种材料的铺设层数以及每层铺设厚度通过模拟计算得到。
5.根据权利要求1所述的基于环形器的单纤双向收发器,其特征在于,所述光环行器(5)通过胶粘或激光焊接的方式固定在所述封装管体(1)上。
6.根据权利要求1所述的基于环形器的单纤双向收发器,其特征在于,所述发射器(2)与所述接收器(3)采用BOX封装或TO封装的形式,封装在所述封装管体(1)内部。
7.根据权利要求1所述的基于环形器的单纤双向收发器,其特征在于,所述发射器(2)及所述接收器(3)使用满足线性调制方式的光电芯片,以支持PAM4调制方式。
8.根据权利要求1所述的基于环形器的单纤双向收发器,其特征在于,所述发射器(2)使用DML或EML调制形式的激光器芯片。
9.根据权利要求1所述的基于环形器的单纤双向收发器,其特征在于,所述发射器(2)使用LAN-WDM、CWDM或DWDM激光器芯片。
10.根据权利要求1所述的基于环形器的单纤双向收发器,其特征在于,所述光接口(4)采用尾纤形式或一体式插针的形式。
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