微型同波长单芯双向光收发模块的制作方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]普遍米用的单芯双向光收发模块方案如图1所不。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X1，接收波长是λ2;光收发模块(103)发射波长是λ2，接收波长是λ1?5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λ !透射，对λ 2反射；波长滤波片(105)对λ 2透射，对λ I反射。
[0005]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。
[0006]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，以免对系统产生串扰。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。
[0007]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。
[0008]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“ I ”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)。
[0009]从光发射器(311)发出的光信号为第一偏振态(“ I ”)，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)。
[0010]磁环(306)提供法拉第旋转器(305)所需的磁场。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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。
[0014]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。
[0015]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I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。
[0016]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，中间插入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。
[0017]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。
[0018]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系统的简化和便捷。
【发明内容】
[0019]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。
[0020]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。
[0021]文献J.0pt.12(2010)015703报道了如图5a所示的亚波长介质光栅，基底(501)由二氧化娃材料组成，光栅(502)材料是娃,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。
[0022]另外一种亚波长光栅是亚波长金属光栅，米用金属线作光栅材料，如图5b所不，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。
[0023]本发明利用