微型同波長(zhǎng)單芯雙向光收發(fā)模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及使用一根光纖進(jìn)行雙向光信號(hào)傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)模塊，尤其涉及使用相同波長(zhǎng)和波長(zhǎng)組，不需要波長(zhǎng)配對(duì)的單芯雙向傳輸?shù)墓馐瞻l(fā)模塊，并具有結(jié)構(gòu)小型化的特點(diǎn)。
【背景技術(shù)】
[0002]數(shù)據(jù)的高速傳輸是現(xiàn)代信息社會(huì)的基石，隨著信息量的海量增長(zhǎng)，要求在一根光纖中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)容量越來(lái)越大。除了提高數(shù)據(jù)調(diào)制速率、使用更多的波長(zhǎng)外，在一根光纖中雙向傳輸，使用低成本的光收發(fā)模塊使光纖中的數(shù)據(jù)傳輸容量翻倍，是一個(gè)行之有效并在通信領(lǐng)域已采用的方法。
[0003]另外，現(xiàn)代通信網(wǎng)對(duì)時(shí)鐘同步的要求也越來(lái)越高。傳統(tǒng)的光收發(fā)模塊采用兩根光纖分別進(jìn)行光信號(hào)的發(fā)射和接收，實(shí)際應(yīng)用中兩根光纖的長(zhǎng)度差會(huì)造成兩路信號(hào)的傳播時(shí)延不一致，給時(shí)鐘同步造成很大困難。使用單根光纖雙向傳輸可以滿足時(shí)鐘同步的要求。
[0004]普遍米用的單芯雙向光收發(fā)模塊方案如圖1所不。在傳輸光纖(101)兩段的光收發(fā)模塊(102)和(103)的發(fā)射和接收波長(zhǎng)具有不同的配置，如光收發(fā)模塊(102)發(fā)射波長(zhǎng)是X1，接收波長(zhǎng)是λ2;光收發(fā)模塊(103)發(fā)射波長(zhǎng)是λ2，接收波長(zhǎng)是λ1?5光收發(fā)模塊
(102)和(103)中的波長(zhǎng)濾波片(104)和(105)也具有不同的光學(xué)濾波特性，如波長(zhǎng)濾波片
(104)對(duì)λ !透射，對(duì)λ 2反射；波長(zhǎng)濾波片(105)對(duì)λ 2透射，對(duì)λ I反射。
[0005]可以看到，圖1所示現(xiàn)有技術(shù)中的雙波長(zhǎng)單芯雙向方案，需要準(zhǔn)備兩個(gè)不同型號(hào)的光收發(fā)模塊，在實(shí)際應(yīng)用中配對(duì)使用。這不僅增加了庫(kù)存壓力，對(duì)工程實(shí)施也增加了一定的難度。另外，兩個(gè)不同的波長(zhǎng)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(shí)延差，不能滿足對(duì)時(shí)鐘同步要求很高的應(yīng)用場(chǎng)景的需求。
[0006]使用同一波長(zhǎng)在同一光纖中雙向傳輸，是解決這些問(wèn)題的途徑。如圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)方案中(中國(guó)專利申請(qǐng)?zhí)?201110282629.6)，光纖兩端的光收發(fā)模塊(202)和
(203)的發(fā)射和接收采用相同的波長(zhǎng)λ，并使用分束器(204)和(205)替代圖1方案中的波長(zhǎng)濾波片。分束器的功能是使入射其上的光信號(hào)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(chǎn)生的多余反射光由黑色吸光體(206)和(207)吸收，以免對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生串?dāng)_。這樣，光纖兩端的光收發(fā)模塊(202)和(203)是完全一樣的,不需要配對(duì)使用。
[0007]圖2所示的現(xiàn)有技術(shù)有一個(gè)重大不足，就是分束器(204)和(205)會(huì)產(chǎn)生總共6dB的鏈路損耗。在很多應(yīng)用場(chǎng)合，這個(gè)額外的6dB損耗不可接受。
[0008]為避免圖2所示技術(shù)方案的額外損耗問(wèn)題，中國(guó)專利申請(qǐng)201110373606.6披露了一種技術(shù)方案，如圖3所示。該技術(shù)方案采用了一組光學(xué)元件(303)至(310)實(shí)現(xiàn)相同波長(zhǎng)發(fā)射和接收。具體講，從光纖(301)傳輸?shù)墓庑盘?hào)輸入到光收發(fā)模塊(300)的輸入輸出端口(302)，通常含有第一和第二兩個(gè)偏振態(tài)(圖中分別用“ I ”和“?”表示)，通過(guò)第一偏振分束器(303)后,兩個(gè)偏振態(tài)分離；第一偏振態(tài)的光信號(hào)經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)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(dá)光接收器(312);第二偏振態(tài)的光信號(hào)經(jīng)反射鏡(304)和第三偏振分束器(310)后到達(dá)光接收器(312)。
[0009]從光發(fā)射器(311)發(fā)出的光信號(hào)為第一偏振態(tài)(“ I ”)，經(jīng)第二偏振分束器(308)、半波片(307)法拉第旋轉(zhuǎn)器(305)和第一偏振分束器(303)后，到達(dá)輸入輸出端(302)。
[0010]磁環(huán)(306)提供法拉第旋轉(zhuǎn)器(305)所需的磁場(chǎng)。
[0011]圖3所示的技術(shù)方案，實(shí)現(xiàn)了相同波長(zhǎng)的單芯雙向傳輸，避免了過(guò)大的損耗。但該技術(shù)方案采用的光學(xué)元件過(guò)多，增加了成本；兩個(gè)偏振態(tài)的傳輸路徑在空間上有較大的分離，也造成體積難以進(jìn)一步縮小。美國(guó)專利US7039278B1中也披露了與圖3所示方案類似的結(jié)構(gòu)，存在同樣的體積和成本的問(wèn)題。
[0012]美國(guó)專利US7039278B1中還披露了一種較為緊湊的結(jié)構(gòu)，如圖4所示。收發(fā)模塊(400)的輸入輸出端(401)輸入的光信號(hào)經(jīng)第一準(zhǔn)直透鏡(402)準(zhǔn)直后入射到第一偏振分束器(403),并分解為兩個(gè)互相垂直的第一和第二偏振態(tài)光信號(hào),第二偏振態(tài)光信號(hào)經(jīng)第二偏振分束器(403)反射,再次被一個(gè)1/4波片(404)和反射鏡(405)的組合反射,偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90度，并透射經(jīng)過(guò)第一偏振分束器(403)，經(jīng)第二準(zhǔn)直透鏡(406)匯聚到達(dá)光探測(cè)器(407)接收。
[0013]在第一偏振分束器(403)分解的第一偏振態(tài)光信號(hào)透射經(jīng)過(guò)第一偏振分束器(403)，經(jīng)一個(gè)1/2波片(408)和法拉第旋轉(zhuǎn)器(409)后偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)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(guò)法拉第旋轉(zhuǎn)器(409)和1/2波片(408)，由于法拉第旋轉(zhuǎn)器(409)的非互易性，返回的光信號(hào)與第一偏振態(tài)光信號(hào)的偏振態(tài)垂直，從而被第一偏振分束器(403)反射，通過(guò)第二準(zhǔn)直透鏡(406)匯聚到達(dá)光探測(cè)器(407)接收。
[0014]從激光器芯片(413)發(fā)出的輸出光信號(hào)，具有單一的偏振態(tài)，經(jīng)第三準(zhǔn)直透鏡(412)成為準(zhǔn)直光束后，透射經(jīng)過(guò)第二偏振分束器(410)，經(jīng)法拉第旋轉(zhuǎn)器(409)和1/2波片(408)，偏振態(tài)維持不變，進(jìn)一步透射經(jīng)過(guò)第一偏振分束器(403)，經(jīng)第一準(zhǔn)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(xué)元件，體積大成本高，裝配困難。此外，由于第一偏振態(tài)光信號(hào)相比第二偏振態(tài)光信號(hào)來(lái)回多走過(guò)第二偏振分束器兩次，到達(dá)光探測(cè)器(407)的時(shí)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(chǎn)生的偏振模式色散約為10皮秒，不適合高速信號(hào)(10G以上)的接收。
[0016]美國(guó)專利申請(qǐng)US20140054657和US20080042050以及前述美國(guó)專利US7039278B1，都還披露了使用一對(duì)雙折射晶體，中間插入半波片和法拉第旋轉(zhuǎn)器使得發(fā)射和接收通道分離，但基本的限制是發(fā)射和接收通道分離的距離正比于雙折射晶體的長(zhǎng)度，為使發(fā)射和接收有足夠的位置分離，光學(xué)元件的長(zhǎng)度接近10毫米。
[0017]美國(guó)專利US7039278B1還披露了使用一對(duì)契形雙折射晶體，中間加上法拉第旋轉(zhuǎn)器，使發(fā)射和接收通道在角度上分離，并使用一個(gè)透鏡使角度分離轉(zhuǎn)化為發(fā)射激光器和光探測(cè)器的位置分離。但該方案需要集成一體的發(fā)射和接收芯片，工藝不易實(shí)現(xiàn)，成本高。另外發(fā)射和接收芯片接近，從發(fā)射激光器芯片發(fā)出的光信號(hào)在透鏡表面反射來(lái)的回波很容易進(jìn)入到光探測(cè)器，由于發(fā)射激光器芯片發(fā)出的光信號(hào)很強(qiáng)，即使很小的回波也會(huì)對(duì)接收端產(chǎn)生不可接受的串?dāng)_。
[0018]綜上所述，現(xiàn)有同波長(zhǎng)單芯雙向技術(shù)方案或多或少存在著性能、大小和成本方面的不足，一個(gè)低成本，沒(méi)有較大串?dāng)_和損耗，以及微小尺寸的同波長(zhǎng)單芯雙向光收發(fā)模塊新技術(shù)是需要的。特別是新技術(shù)提供的幾何結(jié)構(gòu)與尺寸如果與圖1所示的現(xiàn)有技術(shù)相容，就能最大限度地利用現(xiàn)有平臺(tái)，大幅降低成本，并同時(shí)得到同波長(zhǎng)單芯雙向技術(shù)所帶來(lái)的通信系統(tǒng)的簡(jiǎn)化和便捷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0019]為適應(yīng)光通信器件集成化、小型化的需求，本發(fā)明提供了一種低成本、結(jié)構(gòu)緊湊的同波長(zhǎng)單芯雙向光收發(fā)模塊，以及相同波長(zhǎng)組的單芯雙向光收發(fā)模塊。
[0020]通過(guò)分析現(xiàn)有技術(shù)方案，可以看到使用一對(duì)或更多雙折射晶體，一對(duì)或更多多層薄膜型偏振分束器，是現(xiàn)有技術(shù)方案物理尺寸不能進(jìn)一步減小的限制因素。本發(fā)明提供的同波長(zhǎng)單芯雙向光收發(fā)模塊方案，采用了基于亞波長(zhǎng)光柵結(jié)構(gòu)的偏振反射器，使得所需光學(xué)元件數(shù)量減少，光學(xué)結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，同時(shí)減少了成本。亞波長(zhǎng)光柵的基本特征是光柵周期小于波長(zhǎng)，此時(shí)只有零級(jí)衍射光存在，加上亞波長(zhǎng)光柵對(duì)偏振的敏感性，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)某一偏振反射，對(duì)另一垂直偏振透射的功能。
[0021]文獻(xiàn)J.0pt.12(2010)015703報(bào)道了如圖5a所示的亞波長(zhǎng)介質(zhì)光柵，基底(501)由二氧化娃材料組成，光柵(502)材料是娃,入射到光柵的光信號(hào)(504)含有兩個(gè)互相垂直的偏振態(tài)(對(duì)光柵而言是TE模式和TM模式)。一個(gè)光柵周期內(nèi)還有子結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)光柵周期T和子結(jié)構(gòu)的空氣隙(503a和503b)的長(zhǎng)度，使得TE模式(505)反射，TM模式(506)透射。
[0022]另外一種亞波長(zhǎng)光柵是亞波長(zhǎng)金屬光柵，米用金屬線作光柵材料，如圖5b所不，基底(507)由光學(xué)玻璃材料如二氧化硅材料、BK7組成(其它光學(xué)玻璃亦可)，其上有金屬線光柵，金屬可以是金銀銅鋁等。光柵一個(gè)周期T內(nèi)由金屬線(508)和填充材料(509)組成，光柵周期T小于一個(gè)波長(zhǎng)。入射到光柵的光信號(hào)(510)含有兩個(gè)互相垂直的偏振態(tài)(對(duì)光柵而言是TE模式和TM模式)。入射到金屬線的光場(chǎng)在金屬表面激發(fā)出表面等離子體基元，由于金屬線的狹長(zhǎng)特性，表面等離子體基元在光柵方向和與之垂直的方向上的行為不同，使得TE模式(511)反射，TM模式(512)透射。通常，亞波長(zhǎng)光柵(含基底)的兩側(cè)通光面鍍多層光學(xué)介質(zhì)膜，以減少界面的菲涅耳反射，提高偏振消光比。
[0023]本發(fā)明利用