微型同波長單芯雙向光收發模塊的制作方法
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及使用一根光纖進行雙向光信號傳輸的光收發模塊，尤其涉及使用相同波長和波長組，不需要波長配對的單芯雙向傳輸的光收發模塊，并具有結構小型化的特點。
【背景技術】
[0002]數據的高速傳輸是現代信息社會的基石，隨著信息量的海量增長，要求在一根光纖中傳輸的數據容量越來越大。除了提高數據調制速率、使用更多的波長外，在一根光纖中雙向傳輸，使用低成本的光收發模塊使光纖中的數據傳輸容量翻倍，是一個行之有效并在通信領域已采用的方法。
[0003]另外，現代通信網對時鐘同步的要求也越來越高。傳統的光收發模塊采用兩根光纖分別進行光信號的發射和接收，實際應用中兩根光纖的長度差會造成兩路信號的傳播時延不一致，給時鐘同步造成很大困難。使用單根光纖雙向傳輸可以滿足時鐘同步的要求。
[0004]普遍采用的單芯雙向光收發模塊方案如圖1所示。在傳輸光纖(101)兩段的光收發模塊(102)和(103)的發射和接收波長具有不同的配置，如光收發模塊(102)發射波長是A1，接收波長是λ 2;光收發模塊(103)發射波長是λ 2，接收波長是λ-光收發模塊(102)和(103)中的波長濾波片(104)和(105)也具有不同的光學濾波特性，如波長濾波片(104)對A1透射，對λ 2反射；波長濾波片(105)對λ 2透射，對λ i反射。
[0005]可以看到，圖1所示現有技術中的雙波長單芯雙向方案，需要準備兩個不同型號的光收發模塊，在實際應用中配對使用。這不僅增加了庫存壓力，對工程實施也增加了一定的難度。另外，兩個不同的波長由于色散的影響，即使在同一根光纖中傳輸，也存在一定的時延差，不能滿足對時鐘同步要求很高的應用場景的需求。
[0006]使用同一波長在同一光纖中雙向傳輸，是解決這些問題的途徑。如圖2所示的現有技術方案中(中國專利申請號:201110282629.6)，光纖兩端的光收發模塊(202)和(203)的發射和接收采用相同的波長λ，并使用分束器(204)和(205)替代圖1方案中的波長濾波片。分束器的功能是使入射其上的光信號部分反射，部分透射，分束比通常是50%比50%。由分束器(204)和(205)產生的多余反射光由黑色吸光體(206)和(207)吸收，以免對系統產生串擾。這樣，光纖兩端的光收發模塊(202)和(203)是完全一樣的，不需要配對使用。
[0007]圖2所示的現有技術有一個重大不足，就是分束器(204)和(205)會產生總共6dB的鏈路損耗。在很多應用場合，這個額外的6dB損耗不可接受。
[0008]為避免圖2所示技術方案的額外損耗問題，中國專利申請201110373606.6披露了一種技術方案，如圖3所示。該技術方案采用了一組光學元件(303)至(310)實現相同波長發射和接收。具體講，從光纖(301)傳輸的光信號輸入到光收發模塊(300)的輸入輸出端口(302)，通常含有第一和第二兩個偏振態(圖中分別用“ I ”和“.”表示)，通過第一偏振分束器(303)后，兩個偏振態分離；第一偏振態的光信號經法拉第旋轉器(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)后到達光接收器(312);第二偏振態的光信號經反射鏡(304)和第三偏振分束器(310)后到達光接收器(312)。
[0009]從光發射器(311)發出的光信號為第一偏振態(“ I ”)，經第二偏振分束器(308)、半波片(307)法拉第旋轉器(305)和第一偏振分束器(303)后，到達輸入輸出端(302)。
[0010]磁環(306)提供法拉第旋轉器(305)所需的磁場。
[0011]圖3所示的技術方案，實現了相同波長的單芯雙向傳輸，避免了過大的損耗。但該技術方案采用的光學元件過多，增加了成本；兩個偏振態的傳輸路徑在空間上有較大的分離，也造成體積難以進一步縮小。美國專利US7039278B1中也披露了與圖3所示方案類似的結構，存在同樣的體積和成本的問題。
[0012]美國專利US7039278B1中還披露了一種較為緊湊的結構，如圖4所示。收發模塊(400)的輸入輸出端(401)輸入的光信號經第一準直透鏡(402)準直后入射到第一偏振分束器(403)，并分解為兩個互相垂直的第一和第二偏振態光信號，第二偏振態光信號經第二偏振分束器(403)反射，再次被一個1/4波片(404)和反射鏡(405)的組合反射，偏振態旋轉90度，并透射經過第一偏振分束器(403)，經第二準直透鏡(406)匯聚到達光探測器(407)接收。
[0013]在第一偏振分束器(403)分解的第一偏振態光信號透射經過第一偏振分束器(403)，經一個1/2波片(408)和法拉第旋轉器(409)后偏振態旋轉90度，在第二偏振分束器(410)上被反射至反射鏡(411)，被反射鏡(411)反射、第二偏振分束器(410)再次反射后，反向通過法拉第旋轉器(409)和1/2波片(408)，由于法拉第旋轉器(409)的非互易性，返回的光信號與第一偏振態光信號的偏振態垂直，從而被第一偏振分束器(403)反射，通過第二準直透鏡(406)匯聚到達光探測器(407)接收。
[0014]從激光器芯片(413)發出的輸出光信號，具有單一的偏振態，經第三準直透鏡(412)成為準直光束后，透射經過第二偏振分束器(410)，經法拉第旋轉器(409)和1/2波片(408)，偏振態維持不變，進一步透射經過第一偏振分束器(403)，經第一準直透鏡(402)聚焦到輸入輸出端(401)輸出。
[0015]上述方案仍舊使用了較多的光學元件，體積大成本高，裝配困難。此外，由于第一偏振態光信號相比第二偏振態光信號來回多走過第二偏振分束器兩次，到達光探測器(407)的時間有差別，造成很大的偏振模式色散。該偏振模式色散取決于第二偏振分束器的大小和折射率，即使其尺寸小到I毫米，折射率為1.5，產生的偏振模式色散約為10皮秒，不適合高速信號(10G以上)的接收。
[0016]美國專利申請US20140054657和US20080042050以及前述美國專利US7039278B1，都還披露了使用一對雙折射晶體，中間插入半波片和法拉第旋轉器使得發射和接收通道分離，但基本的限制是發射和接收通道分離的距離正比于雙折射晶體的長度，為使發射和接收有足夠的位置分離，光學元件的長度接近10毫米。
[0017]美國專利US7039278B1還披露了使用一對契形雙折射晶體，中間加上法拉第旋轉器，使發射和接收通道在角度上分離，并使用一個透鏡使角度分離轉化為發射激光器和光探測器的位置分離。但該方案需要集成一體的發射和接收芯片，工藝不易實現，成本高。另外發射和接收芯片接近，從發射激光器芯片發出的光信號在透鏡表面反射來的回波很容易進入到光探測器，由于發射激光器芯片發出的光信號很強，即使很小的回波也會對接收端產生不可接受的串擾。
[0018]綜上所述，現有同波長單芯雙向技術方案或多或少存在著性能、大小和成本方面的不足，一個低成本，沒有較大串擾和損耗，以及微小尺寸的同波長單芯雙向光收發模塊新技術是需要的。特別是新技術提供的幾何結構與尺寸如果與圖1所示的現有技術相容，就能最大限度地利用現有平臺，大幅降低成本，并同時得到同波長單芯雙向技術所帶來的通信系統的簡化和便捷。
【實用新型內容】
[0019]為適應光通信器件集成化、小型化的需求，本實用新型提供了一種低成本、結構緊湊的同波長單芯雙向光收發模塊，以及相同波長組的單芯雙向光收發模塊。
[0020]本實用新型是這樣實現的:一種單芯雙向光收發模塊，其特征在于，包含有:
[0021]—個輸入輸出端，用于輸入和輸出光信號；
[0022]—個偏振分束合束器，用于偏振分束和偏振合束；
[0023]第一偏振反射器；
[0024]第二偏振反射器；
[0025]至少一個光信號發射單元；
[0026]—個光信號接收單元；
[0027]所述第一偏振反射器和第二偏振反射器至少一個是45度法拉第旋轉器和一個亞波長光柵偏振反射器組成，所述亞波長光柵偏振反射器可以反射某一偏振的光信號，透射偏振態與之垂直的光信號。
[0028]所述輸入輸出端接收包含至少一個波長的入射光信號，并將接收的入射光信號耦合到所述偏振分束合束器。入射光信號被所述偏振分束合束器分解成互相垂直的第一偏振態光信號和第二偏振態光信號，分別沿著透射路徑和反射路徑傳播，被所述的第一偏振反射器和第二偏振反射器反射，偏振態各自變為垂直偏振態，并返回至所述的偏振分束合束器，分別反射和透射，形成同方向的兩個光束并傳播至所述的光信號接收單元接收。
[0029]所述的至少一個光信號發射單元，所發出的光信號稱為發射光信號，至少含有一個波長，具有單一的偏振態，其偏振態的安排使得發射光信號