CN106908912A - 用于高速收发系统的单纤双向bosa光学结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构，采用双面分立结构，利用壳体内的中间隔板将发射端TOSA光学结构和接收端ROSA光学结构分开。利用TOSA光学结构中的波分复用合光结构和ROSA光学结构中的波分解复用光学结构对光束进行合光和分光，TOSA结构和ROSA结构共用折光PBS组合棱镜、分光PBS组合棱镜和光口准直器，且利用折光PBS组合棱镜将从光口准直器出射的光束往下层折射，实现将TOSA光束和ROSA光束分开。采用此设计，利用一个壳体和一个光口实现单纤双向传输，使得本发明具有结构简单、插损小、耦合效率较高、易于装配调试、体积也较小、可节约成本等优点，具有很好的应用前景。

Description

用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构

技术领域

本发明涉及光纤通信技术中的光收发模块，特别涉及一种用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构。

背景技术

随着通讯领域的日益发展，传统的传输技术已经很难满足传输容量及速度的要求，在典型的应用领域如数据中心、网络连接、搜索引擎、高性能计算等领域，为防止宽带资源的不足，承运商和服务供应商们对规划新一代高速网络协议进行了部署，这就需要相应的高速收发模块以满足高密度高速率的数据传输要求。在高速的信息收发系统中，需要用高密度的光模块替代传统的光模块，采用多通道光收发技术，可以把更多的转发器和接收器集中在更小的空间中去，尤其在40Gbps或100Gbps的光纤解决方案中，采用4通道的传输技术，以每通道10Gbps或者更高的速度进行数据传输，其容量可以达到传统单通道传输的4倍甚至更高。而在这样的高速收发模块中，其核心组件即是模块中BOSA结构。

传统的BOSA结构是采用两个壳体分立的结构方式，其中一个为TOSA发射模块，另一个是ROSA接收模块，这就会使BOSA模块的体积庞大，并且造成资源的浪费，即使把TOSA和ROSA装在同一个模块中，也需要两个光纤跳线接口来进行发射和接收，若需发射和接收共用一根光纤，则需要接入外加环形器，这无疑又增加了运行成本和光路的难度。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种结构简单、插损小、易于装配调试、耦合效率较高、并且体积也较小的用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构。该BOSA光学结构可以直接在一根光纤上进行上行和下行传输，无需外接器件或设备，大大简化了系统结构，降低了运营成本。

为达到上述目的，本发明所提出的技术方案为：一种用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构，包括一壳体，所述壳体内设有一中间隔板和被所述中间隔板分开的发射端TOSA光学结构和接收端ROSA光学结构，所述发射端TOSA光学结构包括依次设置于发射光路中的波分复用激光器组、准直透镜组、波分复用合光结构、偏振相关隔离器、第四反射镜、第一半波片、折光PBS组合棱镜、第二半波片、法拉第旋转片、分光PBS组合棱镜以及光口准直器，还包括设置于法拉第旋转片左侧的磁块；所述接收端ROSA光学结构包括依次设置于接收光路中的光口准直器、分光PBS组合棱镜、法拉第旋转片和第二半波片、折光PBS组合棱镜、第一半波片、合光PBS组合棱镜、波分解复用光学结构、聚焦透镜组以及接收PD组，还包括设置于法拉第旋转片左侧的磁块、设置于法拉第旋转片和第二半波片右侧的第三半波片和光程补偿片；所述发射端TOSA光学结构和接收端ROSA光学结构共用一个折光PBS组合棱镜、分光PBS组合棱镜和光口准直器，所述光口准直器射出端与光学连接器连接，从光口准直器出射的光束经过分光PBS组合棱镜和折光PBS组合棱镜后再通过中间隔板的通孔入射到接收端ROSA光学结构中的合光PBS组合棱镜。

进一步的，所述TOSA光学结构中的波分复用合光结构包括第一膜片组、反射镜组、45度半透半反分光片和吸光片，所述第一膜片组包括第一膜片和第二膜片，所述反射镜组包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜；第一反射镜和第二反射镜分别设于第一光路λ1和第二光路λ2中，第三光路λ3和第四光路λ4中分别依次设有第一膜片和第三反射镜、第二膜片和45度半透半反分光片；第一膜片用于反射第一反射镜的反射光和透射第三光路λ3的光线，后皆被第三反射镜反射进入45度半透半反分光片，第二膜片用于反射第二反射镜的反射光和透射第四光路λ4的光线，后皆进入45度半透半反分光片。

进一步的，所述第一膜片与第一反射镜、所述第二膜片与第二反射镜以及所述第三反射镜与45度半透半反分光片均相互平行设置。

进一步的，所述吸光片设于45度半透半反分光片的侧面，用于吸收从45度半透半反分光片侧面出射的光束。

进一步的，所述偏振相关隔离器的入射端光轴方向为水平方向，其出射端光轴方向与水平方向成45度。

进一步的，所述ROSA光学结构中的波分解复用光学结构包括斜方棱镜和第二膜片组，所述第二膜片组包括第三膜片、第四膜片、第五膜片和第六膜片，所述第三膜片、第四膜片、第五膜片和第六膜片均采用相应的光学折射率匹配胶等间距地粘贴固定在斜方棱镜的出射端面上。

进一步的，所述斜方棱镜入射端面的入射位置镀有针对所有入射光波长的增透膜，且该入射端面的其他位置上镀有针对需要被反射的入射光波长的高反射膜。

进一步的，所述发射端TOSA光学结构和接收端ROSA光学结构利用法拉第旋转片和第二半波片来实现发射和接收光束偏振态的正交变换，使发射光束和接收光束在折光PBS组合棱镜上产生不同的走向，实现单纤双向的功能。

进一步的，所述光口准直器由准直透镜、金属套筒和陶瓷插芯组成，所述陶瓷插芯两端均带有斜角，避免从TOSA端传出的光束在该端面上被反射回到ROSA端。

进一步的，所述光口准直器射出端与光学连接器采用跳线连接。

本发明所述的单纤双向BOSA光学结构，在发射端TOSA结构中通过准直透镜组对激光光束进行准直，然后通过波分复用合光结构将四路不同波长的光合为两路光，再通过45度半透半反分光片合为一路光，再依次进入第四反射镜、第一半波片、折光PBS组合棱镜、第二半波片、法拉第旋转片和分光PBS组合棱镜，最后进入光口准直器。在接收端ROSA，从光口准直器出射的光束进入到分光PBS组合棱镜，利用PBS的偏振特性将光束往下层折射，从而实现接收端ROSA接收光束和发射端TOSA发射光束的分离，然后通过波分解复用结构将光束分开导向各自对应的PD进行接收。该结构可以很好的利用壳体的长度和宽度空间，结构紧凑，并且灵活多变，耦合效率高，有良好的温度性能，有利于光信号的长距离传输，具有切实的可行性。

附图说明

图1为本发明所述的发射端TOSA光学结构的原理结构示意图。

图2为本发明所述的接收端ROSA光学结构的原理结构示意图。

图3为本发明所述的用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构的原理结构示意图。

其中：100.波分复用激光器组，101.准直透镜组，102.第一膜片，103.第二膜片，104.第一反射镜，105.第二反射镜，106.第三反射镜，107.45度半透半反分光片，108.吸光片，109.偏振相关隔离器，110.第四反射镜，111.第一半波片，112.折光PBS组合棱镜，113.第二半波片，114.法拉第旋转片，115.光程补偿片，116.第三半波片，117.分光PBS组合棱镜，118.磁块，119.光口准直器，120.第一膜片组，121.反射镜组，122.第二膜片组，200.接收PD组，201.聚焦透镜组，202.第三膜片，203.第四膜片，204.第五膜片，205.第六膜片，206.斜方棱镜，207.合光PBS组合棱镜，208.壳体，209.中间隔板。

具体实施方式

所述用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构，采用双面分立结构，包括一壳体208，所述壳体内设有一带有通孔的中间隔板209和被所述中间隔板209分开的发射端TOSA光学结构和接收端ROSA光学结构。

下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。

如图1所示，所述发射端TOSA光学结构包括依次设置于发射光路中的波分复用激光器组100、准直透镜组101、波分复用合光结构、偏振相关隔离器109、第四反射镜110、第一半波片111、折光PBS组合棱镜112、第二半波片113、法拉第旋转片114、分光PBS组合棱镜117以及光口准直器119，还包括设置于法拉第旋转片左侧的磁块118。所述波分复用合光结构包括第一膜片组120、反射镜组121、45度半透半反分光片107和吸光片108，所述第一膜片120组包括第一膜片102和第二膜片103，所述反射镜组121包括第一反射镜104、第二反射镜105和第三反射镜106；第一反射镜104和第二反射镜105分别设于第一光路λ1和第二光路λ2中，第三光路λ3和第四光路λ4中分别依次设有第一膜片102和第三反射镜106、第二膜片103和45度半透半反分光片107。

在图1中，波分复用激光器组100，包括四路激光器，每个激光器发射不同波长的激光，在激光器的出射端设置准直透镜组101，用于将激光器发出的发散光束进行准直。下面对其合光原理进行详细说明，首先4个激光器发射的光都为水平偏振状态（P光），第一光路中波长为λ1的光经过准直透镜准直后进入第一反射镜104，经反射后进入第一膜片102，再经第一膜片102反射进入第三反射镜106，经第三反射镜106反射后进入45度50%：50%半透半反分光片107反射进入偏振相关隔离器109；第三光路中波长为λ3的光经过准直透镜准直后进入第一膜片102，经第一膜片102透射进入第三反射镜106，再经第三反射镜106反射后进入45度50%：50%半透半反分光片107，经107反射后进入偏振相关隔离器109；第二光路中波长为λ2的光经过准直透镜准直后进入第二反射镜105，经第二反射镜105反射后进入第二膜片103，再经第二膜片103反射进入45度50%：50%半透半反分光片107透射进入偏振相关隔离器109；第四光路中波长为λ4的光经过准直透镜准直后进入第二膜片103，经第二膜片103透射进入45度50%：50%半透半反分光片107，经分光片107透射进入偏振相关隔离器109；因此，λ1，λ2，λ3，λ4均在45度50%：50%半透半反分光片107处合光，然后均以水平偏振态P光进入偏振相关隔离器109，由于45度半透半反分光片107是50%：50%的半透半反镜，因此4个波长的光在通过45度半透半反分光片107后强度均只有原来的一半，另一半强度的光束从分光片的另外一个方向输出，被设在45度半透半反分光片107侧面的吸光片108所吸收。由于偏振相关隔离器109的入射端光轴方向为水平方向，其出射端光轴方向与水平方向成45度，所以4个波长的光经偏振相关隔离器109后偏振态被旋转成与水平方向成45度，然后经第四反射镜110反射进入第一半波片111，其将4个波长的偏振态旋转为与水平方向垂直（S光）后进入折光PBS组合棱镜112，折光PBS组合棱镜112与分光PBS组合棱镜117的形状相同，只是摆放位置相互垂直，因此偏振态与水平方向垂直的4个波长的光在折光PBS组合棱镜112内直接透射通过，然后进入第二半波片113，第二半波片113的光轴与水平方向成67.5度，因此与水平方向垂直的4个波长的光通过第二半波片113后偏振方向与水平方向成45度，然后进入法拉第旋转片114，该方向传播的光束在法拉第旋转片114内偏振态旋转的方向与第二半波片113内的旋转方向相同，旋转角度同样是45度，因此出射的4个波长的光束经第二半波片113和法拉第旋转片114后偏振方向总共旋转了90度。磁块118是给114提供足够的磁场以使光束偏振方向的改变得以顺利完成。这样，光束以水平偏振态进入到分光PBS组合棱镜117，先在分光PBS组合棱镜117的斜面上反射后进入PBS胶合面，由于是P光入射，所以直接透射进入光口准直器119。至此，发射端TOSA完成了四路光的合束与传输。

其中第一膜片102与第一反射镜104、第二膜片103与第二反射镜105以及第三反射镜106与45度半透半反分光片107均可相互平行设置。

如图2所示，所述接收端ROSA光学结构包括依次设置于接收光路中的光口准直器119、分光PBS组合棱镜117、法拉第旋转片114和第二半波片113、折光PBS组合棱镜112、第一半波片111、合光PBS组合棱镜207、波分解复用光学结构、聚焦透镜组201以及接收PD组200，还包括设置于法拉第旋转片左侧的磁块118、设置于法拉第旋转片和第二半波片右侧的第三半波片116和光程补偿片115。所述分解复用光学结构包括斜方棱镜206和第二膜片组122，所述第二膜片组122包括第三膜片202、第四膜片203、第五膜片204和第六膜片205，所述第三膜片202、第四膜片203、第五膜片204和第六膜片205均采用相应的光学折射率匹配胶等间距地粘贴固定在斜方棱镜206的出射端面上。

图2中，从光口准直器119出射的准直光束，包含有四路不同波长的光λ1、λ2、λ3、λ4，该光束通过分光PBS组合棱镜117时（对应图1中的117），被分为偏振状态不同的两束光，P光和S光，其中水平偏振的P光直线透射通过分光PBS组合棱镜117，而S光则被其反射而从另一端出射。由于入射光方向与TOSA端的出射光方向相反，因此，光束在法拉第旋转片114内旋转方向与第二半波片113内的旋转方向相反，均旋转了45度，但是由于旋转方向相反，光束偏振方向又回到水平方向，经过折光PBS组合棱镜112反射后往下层传输，从下层出射后进入第一半波片111，由于第一半波片111的光轴与水平方向成45度，因此，光束通过第一半波片111后偏振方向旋转了90度，在合光PBS组合棱镜207的PBS胶合面上反射后进入波分解复用光学结构；从分光PBS组合棱镜117出射的另外一束光（S光）入射到第三半波片116上，由于第三半波片116的光轴方向与水平方向成45度，所以S光经过第三半波片116后旋转了90度，偏振方向变为了水平方向，经过光程补偿片115后光束偏振方向保持不变，经过折光PBS组合棱镜112反射后往下层传输，从下层出射后进入合光PBS组合棱镜207，先在合光PBS组合棱镜207的反射面上反射后通过PBS胶合面透射后进入波分解复用光学结构。其中光程补偿片115的作用是使由分光PBS组合棱镜117分开的两束光到达合光PBS组合棱镜207合光后两束光经过的光程相等。在图2中为了原理叙述的方便，没有严格的按照实际结构画出分层图，在图3的侧视图中可以更直观的看出该接收端ROSA光学结构，实际上折光PBS组合棱镜112将光束往下层折射，如图3所示。

在图2中，从折光PBS组合棱镜112下部出射的两束光，在合光PBS组合棱镜207上又被重新合成为一束光，但是该光束已经从壳体的上层空间转到了下层空间传输，并不会干扰到发射端TOSA结构的发射组件。重新合光后的光束包含有四路不同波长的光λ1、λ2、λ3、λ4，该光束入射到斜方棱镜206上，该斜方棱镜206入射端面的入射位置上镀有针对四路不同的光波长λ1、λ2、λ3、λ4的增透膜，在该入射端面的其余位置是镀有针对需要被反射的入射光波长的高反射膜，如与第五膜片204相对的入射端面上镀有针对不同光波长λ2、λ3、λ4的高反射膜，与第四膜片203相对的入射端面上镀有针对不同光波长λ3、λ4的高反射膜，与第三膜片202相对的入射端面上镀有针对光波长λ4的高反射膜等。当进入斜方棱镜206的光到达第六膜片205时，由于该膜片只允许波长为λ1的光无损耗通过，而其他波长λ2、λ3、λ4的光则会被反射，于是光束被分为了两束光，其中一束波长为λ1的光透过第六膜片205，另外一束包含了波长λ2、λ3、λ4的光在第六膜片205上反射到斜方棱镜206的入射端面上，由于该入射端面镀有相对应光波长的高反射膜，故将该光束反射到第五膜片204上，同时第五膜片204也将该光束分为两束光，其中波长为λ2的光被透射，而波长为λ3和λ4的光则被反射到斜方棱镜206的入射端面上，后被该端面发射到第四膜片203上，同理，第四膜片203透射了波长为λ3的光，反射了波长为λ4的光，第三膜片202透射了波长为λ4的光。至此，包含了四个波长的光束被第二膜片组122中的不同膜片选择后一一分开，并平行入射到聚焦透镜组201，聚焦透镜组201将各个准直光束进行聚焦，并入射到接收PD组200，其中每束光入射到各自对应的接收PD上，至此完成了光束的分解和接收。

图3为用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构的原理结构示意图，其中208为壳体，209为壳体中间隔板，用于将发射端TOSA光学结构和接收端ROSA光学结构分开，从而可以更合理的利用壳体的高度和宽度空间。上层为发射端TOSA光学结构，依次包括波分复用激光器组100，准直透镜组101，第一膜片组120，反射镜组121，45度半透半反分光片107，偏振相关隔离器109，折光PBS组合棱镜112，分光PBS组合棱镜117等。从波分复用激光器组100发射的四路激光经合束后同时进入光口准直器119，光口准直器119出射端与光学连接器采用跳线连接。下层为接收端ROSA光学结构，依次包括接收PD组200，聚焦透镜组201，第二膜片组122，斜方棱镜206，合光PBS组合棱镜207，折光PBS组合棱镜112，分光PBS组合棱镜117和光口准直器119，从光口准直器119入射的光束经过折光PBS组合棱镜112后往下层方向折射，实现将ROSA光束和TOSA光束分开的目的。发射端TOSA光学结构和接收端ROSA光学结构共用一个折光PBS组合棱镜112、分光PBS组合棱镜117和光口准直器119，使得结构更为简单，更加易于装配调试。

光口准直器119由准直透镜、金属套筒和陶瓷插芯组成，光口准直器119内的陶瓷插芯两端均带有斜角，这样可以避免从发射端TOSA传出的光束在该端面被反射回到ROSA端。

本发明采用微光学原理设计，可以极大地降低插损，提高耦合效率，组装调试过程简单快捷，具有良好的温度性能，有利于光信号的长距离传输。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构，包括一壳体，所述壳体内设有一带有通孔的中间隔板和被所述中间隔板分开的发射端TOSA光学结构和接收端ROSA光学结构，其特征在于，所述发射端TOSA光学结构包括依次设置于发射光路中的波分复用激光器组、准直透镜组、波分复用合光结构、偏振相关隔离器、第四反射镜、第一半波片、折光PBS组合棱镜、第二半波片、法拉第旋转片、分光PBS组合棱镜以及光口准直器，还包括设置于法拉第旋转片左侧的磁块；所述接收端ROSA光学结构包括依次设置于接收光路中的光口准直器、分光PBS组合棱镜、法拉第旋转片和第二半波片、折光PBS组合棱镜、第一半波片、合光PBS组合棱镜、波分解复用光学结构、聚焦透镜组以及接收PD组，还包括设置于法拉第旋转片左侧的磁块、设置于法拉第旋转片和第二半波片右侧的第三半波片和光程补偿片；所述发射端TOSA光学结构和接收端ROSA光学结构共用一个折光PBS组合棱镜、分光PBS组合棱镜和光口准直器，所述光口准直器射出端与光学连接器连接，从光口准直器出射的光束经过分光PBS组合棱镜和折光PBS组合棱镜后再通过中间隔板的通孔入射到接收端ROSA光学结构中的合光PBS组合棱镜。

2.如权利要求1所述的一种用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构，其特征在于，所述TOSA光学结构中的波分复用合光结构包括第一膜片组、反射镜组、45度半透半反分光片和吸光片，所述第一膜片组包括第一膜片和第二膜片，所述反射镜组包括第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜；第一反射镜和第二反射镜分别设于第一光路λ1和第二光路λ2中，第三光路λ3和第四光路λ4中分别依次设有第一膜片和第三反射镜、第二膜片和45度半透半反分光片；第一膜片用于反射第一反射镜的反射光和透射第三光路λ3的光线，后皆被第三反射镜反射进入45度半透半反分光片，第二膜片用于反射第二反射镜的反射光和透射第四光路λ4的光线，后皆进入45度半透半反分光片。

3.如权利要求2所述的一种用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构，其特征在于，所述第一膜片与第一反射镜、所述第二膜片与第二反射镜以及所述第三反射镜与45度半透半反分光片均相互平行设置。

4.如权利要求2所述的一种用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构，其特征在于，所述吸光片设于45度半透半反分光片的侧面，用于吸收从45度半透半反分光片侧面出射的光束。

5.如权利要求1或2所述的一种用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构，其特征在于，所述偏振相关隔离器的入射端光轴方向为水平方向，其出射端光轴方向与水平方向成45度。

6.如权利要求1所述的一种用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构，其特征在于，所述ROSA光学结构中的波分解复用光学结构包括斜方棱镜和第二膜片组，所述第二膜片组包括第三膜片、第四膜片、第五膜片和第六膜片，所述第三膜片、第四膜片、第五膜片和第六膜片均采用相应的光学折射率匹配胶等间距地粘贴固定在斜方棱镜的出射端面上。

7.如权利要求6所述的一种用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构，其特征在于，所述斜方棱镜入射端面的入射位置镀有针对所有入射光波长的增透膜，且该入射端面的其他位置上镀有针对需要被反射的入射光波长的高反射膜。

8.如权利要求1、2或6中任一项所述的一种用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构，其特征在于，所述发射端TOSA光学结构和接收端ROSA光学结构利用法拉第旋转片和第二半波片来实现发射和接收光束偏振态的正交变换，使发射光束和接收光束在折光PBS组合棱镜上产生不同的走向，实现单纤双向的功能。

9.如权利要求1、2或6中任一项所述的一种用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构，其特征在于，所述光口准直器由准直透镜、金属套筒和陶瓷插芯组成，所述陶瓷插芯两端均带有斜角，避免从TOSA端传出的光束在该端面上被反射回到ROSA端。

10.如权利要求1所述的一种用于高速收发系统的单纤双向BOSA光学结构，其特征在于，所述光口准直器射出端与光学连接器采用跳线连接。