一种多波长耦合光发射装置的制作方法

本申请涉及光学器件技术领域，具体而言，涉及一种多波长耦合光发射装置。

背景技术：

目前，光模块是现代光通信网络的重要组成部件，它为通信网络提供了gbit高速数据物理通道，而光发射器件是光模块中最为核心的部件。随着当前数据中心网络的快速建设与升级，数据中心对光模块提出了多波长通道、高速率、小尺寸、低成本等诉求。

现有技术中，针对数据中心应用，ieee已定义了基于四波长和八波长的lanwdm、cwdm标准。对于该多波长光发射器件，介质薄膜滤光片方案是当前普遍使用的多波长合束方案，但该已有方案仍存在一些不足与挑战，如各波长传播光程不一致，波长相关损耗明显，对八波长合路光路结构复杂，光器件尺寸偏大等等。

技术实现要素：

本申请实施例的目的在于提供一种多波长耦合光发射装置，该多波长耦合光发射装置可以实现简化光路结构和实现工艺、降低波长相关损耗的技术效果。

本申请实施例提供了一种多波长耦合光发射装置，包括半波片、偏振合束镜和合束器，所述半波片用于偏转第一偏振光信号组，所述第一偏振光信号组至少包括两束偏振光信号；所述偏振合束镜设置于所述半波片之后，所述第一偏振光信号组入射到所述偏振合束镜的第一面并由所述偏振合束镜反射；第二偏振光信号组入射到所述偏振合束镜的第二面并透射，第二偏振光信号组中的偏振光信号与所述第一偏振光信号组的偏振光信号两两合束为第三偏振光信号组；所述合束器设置于所述偏振合束镜的第一面前方，用于将所述第三偏振光信号组中的偏振光信号合束并发射。

在上述实现过程中，该多波长耦合光发射装置通过半波片，使第一偏振光信号组的偏振光偏振态旋转90°，然后通过偏振合束镜将第一偏振光信号组和第二偏振光信号组两两合束为第三偏振光信号组，从而在第三偏振光信号组中合束后的每组偏振光信号都是彼此正交的，最后通过合束器将第三偏振光信号组合束为一束信号并发射；因此，该多波长耦合光发射装置通过偏振合束镜即可将偏振光信号两两合并为互相正交的偏振光信号，可以实现简化光路结构和实现工艺、降低波长相关损耗的技术效果。

进一步地，所述装置还包括第一激光器组和第一准直透镜组，所述第一激光器组设置于所述半波片之前，用于发射所述第一偏振光信号组的偏振光信号；所述第一准直透镜组设置于所述第一激光器组和所述半波片之间，用于准直所述第一偏振光信号组的偏振光信号。

在上述实现过程中，第一激光器组用于产生和发射第一偏振光信号组的偏振光信号，第一准直透镜组则准直第一偏振光信号组的偏振光信号。

进一步地，所述装置还包括第二激光器组和第二准直透镜组，所述第二激光器组设置于所述偏振合束镜的第二面之前，用于发射所述第二偏振光信号组；所述第二准直透镜组设置于所述第二激光器组和所述偏振合束镜之间，用于准直所述第二偏振光信号组的偏振光信号。

在上述实现过程中，第二激光器组用于产生和发射第二偏振光信号组的偏振光信号，第二准直透镜组则准直第二偏振光信号组的偏振光信号。

进一步地，所述合束器为波分光合波器，所述波分光合波器包括多个输入端和一个输出端，所述波分光合波器的输入端与所述第三偏振光信号组的偏振光信号一一对应对应。

在上述实现过程中，波分光合波器使用波分复用技术，将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术。

进一步地，所述装置还包括会聚透镜，所述会聚透镜设置于所述波分光合波器的输出端之后。

在上述实现过程中，会聚透镜可以进一步聚拢第三偏振光信号组合束后的光信号，从而提高光信号的传输效率。

进一步地，所述合束器为大通光孔径会聚透镜。

在上述实现过程中，大通光孔径会聚透镜可以使第三偏振光信号组中的各个光信号实现空间合束；其与波分光合波器先比，存在调试困难的问题，但是具有结构简单、成本较低的优点。

进一步地，所述装置还包括光导纤维，所述光导纤维设置于所述合束器之后，用于传输所述第三偏振光信号组合束后的偏振光信号。

在上述实现过程中，光导纤维是利用“光的全发射”传输原理，由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具，其具有频带宽、重量轻、抗干扰能力强、保真度高和工作性能可靠的优点。

进一步地，所述装置还包括光隔离器，所述光隔离器设置于所述光导纤维和所述合束器之间。

在上述实现过程中，光隔离器是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性。通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，提高光波传输效率。

进一步地，所述装置还包括电路板，所述电路板的第一部分设置于所述偏振合束镜的第二面之前，所述电路板的第二部分设置于所述半波片之前。

在上述实现过程中，电路板可称为印刷线路板或印刷电路板，为多波长耦合光发射装置提供电子硬件支持。

进一步地，所述装置还包括热沉，所述热沉的第一部分设置于所述电路板的第一部分和所述偏振合束镜的第二面之间，所述热沉的第二部分设置于所述电路板的第二部分和所述半波片之间。

在上述实现过程中，热沉为高导热率的材料，如金属铜等。由于产生光信号的器件(如激光二极管等)在工作时会产生较多热量，需要将产生光信号的器件安装在热沉上，以帮助散热，从而稳定工作温度，提高器件的稳定性和安全性。

本公开的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，或者，部分特征和优点可以从说明书推知或毫无疑义地确定，或者通过实施本公开的上述技术即可得知。

为使本申请的上述目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举较佳实施例，并配合所附附图，作详细说明如下。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请实施例提供的一种多波长耦合光发射装置的示意性框图；

图2为本申请实施例提供的一种多波长耦合光发射装置的示意性结构图；

图3为本申请实施例提供的一种多波长耦合光发射装置的示意性结构图；

图4为本申请实施例提供的一种多波长耦合光发射装置的示意性结构图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

在本申请中，术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“中”、“竖直”、“水平”、“横向”、“纵向”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。这些术语主要是为了更好地描述本申请及其实施例，并非用于限定所指示的装置、元件或组成部分必须具有特定方位，或以特定方位进行构造和操作。

并且，上述部分术语除了可以用于表示方位或位置关系以外，还可能用于表示其他含义，例如术语“上”在某些情况下也可能用于表示某种依附关系或连接关系。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解这些术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“安装”、“设置”、“设有”、“连接”、“相连”应做广义理解。例如，可以是固定连接，可拆卸连接，或整体式构造；可以是机械连接，或点连接；可以是直接相连，或者是通过中间媒介间接相连，又或者是两个装置、元件或组成部分之间内部的联通。对于本领域普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

此外，术语“第一”、“第二”等主要是用于区分不同的装置、元件或组成部分(具体的种类和构造可能相同也可能不同)，并非用于表明或暗示所指示装置、元件或组成部分的相对重要性和数量。除非另有说明，“多个”的含义为两个或两个以上。

本申请实施例提供了一种多波长耦合光发射装置，可应用于光学器件，如用于多波长偏振光的耦合合束中；该多波长耦合光发射装置通过半波片，使第一偏振光信号组的偏振光偏振态旋转90°，然后通过偏振合束镜将第一偏振光信号组和第二偏振光信号组两两合束为第三偏振光信号组，从而在第三偏振光信号组中合束后的每组偏振光信号都是彼此正交的，最后通过合束器将第三偏振光信号组合束为一束信号并发射；因此，该多波长耦合光发射装置通过偏振合束镜即可将偏振光信号两两合并为互相正交的偏振光信号，可以实现简化光路结构和实现工艺、降低波长相关损耗的技术效果。

请参见图1，图1为本申请实施例提供的一种多波长耦合光发射装置的示意性框图，该多波长耦合光发射装置包括半波片100、偏振合束镜200和合束器300。

示例性地，半波片100用于偏转第一偏振光信号组，第一偏振光信号组至少包括两束偏振光信号。

示例性地，半波片100是具有一定厚度的双折射晶体，当法向入射的光透过时，寻常光(o光)和非常光(e光)之间的位相差等于π或其奇数倍，这样的晶片称为二分之一波片，简称半波片。在该多波长耦合光发射装置中，半波片的作用使第一偏振光信号组的偏振态旋转90°。

示例性地，偏振合束镜200设置于半波片100之后，第一偏振光信号组入射到偏振合束镜200的第一面并由偏振合束镜200反射；第二偏振光信号组入射到偏振合束镜200的第二面并透射，第二偏振光信号组中的偏振光信号与第一偏振光信号组的偏振光信号两两合束为第三偏振光信号组。

示例性地，第一偏振光信号组和第二偏振光信号组在入射偏振合束镜200之前，偏振状态相同；在第二偏振光信号组中的偏振光信号与第一偏振光信号组的偏振光信号两两合束为第三偏振光信号组之后，由于半波片的作用，第三偏振光信号组中每对偏振光信号的偏振态都是互相正交的。

示例性地，偏振合束镜又可称之为偏振分束器(polarizingbeamsplitter，pbs)，偏振合束镜包括一个偏振分束膜(thinfilmpolarizer)，可以使一个偏振态会反射，另一个偏振态会透射，如此就能把两束不同方向传来的偏振不同的光会合在一起。

示例性地，合束器300设置于偏振合束镜200的第一面前方，用于将第三偏振光信号组中的偏振光信号合束并发射。

示例性地，合束器300可以将第三偏振光信号组的偏振光信号合束为一束，从而完成将第一偏振光信号组和第二偏振光信号组中的各个偏振光信号合束为一束的技术效果。

可选地，合束器300为波分光合波器，波分光合波器包括多个输入端和一个输出端，波分光合波器的输入端与第三偏振光信号组的偏振光信号一一对应对应。

示例性地，波分光合波器使用波分复用(wdm，wavelengthdivisionmultiplexing)技术，将两种或多种不同波长的光载波信号(携带各种信息)在发送端经复用器(亦称合波器，multiplexer)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输；换言之，波分光合波器可以实现在同一根光纤中同时传输两个或众多不同波长光信号的技术效果。

可选地，该多波长耦合光发射装置还包括会聚透镜，会聚透镜设置于波分光合波器的输出端之后。

示例性地，会聚透镜可以进一步聚拢第三偏振光信号组合束后的光信号，从而提高光信号的传输效率。

可选地，合束器300为大通光孔径会聚透镜。

示例性地，大通光孔径会聚透镜可以使第三偏振光信号组中的各个光信号实现空间合束；其与波分光合波器先比，存在调试困难的问题，但是具有结构简单、成本较低的优点。

在一些实施场景中，该多波长耦合光发射装置通过半波片100，使第一偏振光信号组的偏振光偏振态旋转90°，然后通过偏振合束镜200将第一偏振光信号组和第二偏振光信号组两两合束为第三偏振光信号组，从而在第三偏振光信号组中合束后的每组偏振光信号都是彼此正交的，最后通过合束器300将第三偏振光信号组合束为一束信号并发射；因此，该多波长耦合光发射装置通过偏振合束镜即可将偏振光信号两两合并为互相正交的偏振光信号，可以实现简化光路结构和实现工艺、降低波长相关损耗的技术效果。

请参见图2，图2为本申请实施例提供的一种多波长耦合光发射装置的示意性结构图，该多波长耦合光发射装置包括半波片100、偏振合束镜200、波分光合波器310、会聚透镜311、第一激光器组410、第一准直透镜组420、第二激光器组510、第二准直透镜组520、光导纤维600、光隔离器700、电路板800和热沉900，其中和“●”表示偏振光信号的偏振态。

其中，半波片100、偏振合束镜200、波分光合波器310和会聚透镜311已在上文中说明，为避免重复，此处不再赘述。

示例性地，第一激光器组410和第一准直透镜组420，其中第一激光器组410设置于半波片100之前，用于发射第一偏振光信号组的偏振光信号；第一准直透镜组420设置于第一激光器组410和半波片100之间，用于准直第一偏振光信号组的偏振光信号。

示例性地，第二激光器组510和第二准直透镜组520，其中第二激光器组510设置于偏振合束镜200的第二面之前，用于发射第二偏振光信号组；第二准直透镜组520设置于第二激光器组510和偏振合束镜200之间，用于准直第二偏振光信号组的偏振光信号。

示例性地，上述激光器组中的激光器，可以是半导体激光器。半导体激光器又称激光二极管(laserdiode，ld)，是用半导体材料作为工作物质的激光器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓(gaas)、硫化镉(cds)、磷化铟(inp)、硫化锌(zns)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

其中，激光二极管包括单异质结(sh)、双异质结(dh)和量子阱(qw)激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低，输出功率高的优点，是市场应用的主流产品。同激光器相比，激光二极管具有效率高、体积小、寿命长的优点，但其输出功率小(一般小于2mw)，线性差、单色性不太好，使其在有线电视系统中的应用受到很大限制，不能传输多频道，高性能模拟信号。在双向光接收机的回传模块中，上行发射一般都采用量子阱激光二极管作为光源。

示例性地，准直透镜是指能将来自孔径栏中每一点的光线变成一束平行的准直光柱的仪器。

示例性地，光导纤维600设置于合束器300之后，用于传输第三偏振光信号组合束后的偏振光信号。

在上述实现过程中，光导纤维可以是单模光纤。其中单模光纤(singlemodefiber，smf)，其中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光纤。因此，其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。后来又发现在1.31μm波长处，单模光纤的材料色散和波导色散一为正、一为负，大小也正好相等。这样，1.31μm波长区就成了光纤通信的一个很理想的工作窗口，也是现在实用光纤通信系统的主要工作波段1.31μm常规单模光纤的主要参数是由国际电信联盟itu－t在g652建议中确定的，因此这种光纤又称g652光纤。

单模光纤相比于多模光纤可支持更长传输距离，在100mbps的以太网以至1g千兆网，单模光纤都可支持超过5000m的传输距离。

从成本角度考虑，由于光端机非常昂贵，故采用单模光纤的成本会比多模光纤光缆的成本高。

折射率分布和突变型光纤相似，纤芯直径只有8～10μm，光线以直线形状沿纤芯中心轴线方向传播。因为这种光纤只能传输一个模式(两个偏振态简并)，所以称为单模光纤，其信号畸变很小。

示例性地，光隔离器700设置于光导纤维600和合束器300之间。

示例性地，光隔离器700是一种只允许单向光通过的无源光器件，其工作原理是基于法拉第旋转的非互易性。通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离。光隔离器主要利用磁光晶体的法拉第效应。光隔离器的特性是：正向插入损耗低，反向隔离度高，回波损耗高。光隔离器是允许光向一个方向通过而阻止向相反方向通过的无源器件，作用是对光的方向进行限制，使光只能单方向传输，通过光纤回波反射的光能够被光隔离器很好的隔离，提高光波传输效率。

示例性地，电路板800的第一部分设置于偏振合束镜200的第二面之前，电路板800的第二部分设置于半波片100之前。

示例性地，电路板800可称为印刷线路板或印刷电路板(printedcircuitboard，pcb)，为多波长耦合光发射装置提供电子硬件支持。

示例性地，热沉900的第一部分设置于电路板800的第一部分和偏振合束镜200的第二面之间，热沉900的第二部分设置于电路板800的第二部分和半波片100之间。

示例性地，热沉900为高导热率的材料，如金属铜等。由于产生光信号的器件(如激光二极管等)在工作时会产生较多热量，需要将产生光信号的器件安装在热沉900上，以帮助散热，从而稳定工作温度，提高器件的稳定性和安全性。

可选地，热沉900可以是l型直角热沉。

在一些实施方式中，该多波长耦合光发射装置中第一激光器组410和第二激光器组510各自包括两个半导体(ld)激光器；四路ld激光器平行贴装在l型直角热沉900上，其中四路ld激光器分别发射λ1、λ2、λ3、λ4不同波长，且λ1、λ3与λ2、λ4两组光束垂直放置；此时四路ld光偏振态均平行。在每路ld激光器前放置准直透镜，实现对四路波长光束的准直。λ2、λ4光束通过半波片100，设置半波片100入射时线偏振光的振动态和半波片晶体主截面之间的夹角为45°，则透射出的线偏振光的振动态从原来的方位转过90度角。故λ1、λ3与λ2、λ4光偏振态相互正交。所述偏振合束镜200的胶合平面镀有偏振分束膜，使得偏振态垂直的光信号λ2、λ4被反射，使得偏振态平行的光信号λ1、λ3被透射。从而将所述四路光束经偏振合束为2路平行光束。

此外，将λ1、λ2与λ3、λ4两组平行光束输入波分光合波器，波分光合波器由2片介质薄膜滤光片和高反射膜构成，可简单实现对λ1、λ2与λ3、λ4四路波长的波分合束。合束后的四路光波长经一会聚透镜会聚，再经隔离器高效率地耦合进单模光纤。

显而易见，该多波长耦合光发射装置可以扩展至更多路不同波长光束的合束及耦合，如八路不同波长光束合束及耦合。

在一些实施方式中，合束器300可以采用大通光孔径会聚透镜；请参见图3，图3为本申请实施例提供的一种多波长耦合光发射装置的示意性结构图，该多波长耦合光发射装置包括半波片100、偏振合束镜200、大通光孔径会聚透镜320、第一激光器组410、第一准直透镜组420、第二激光器组510、第二准直透镜组520、光导纤维600、光隔离器700、电路板800和热沉900，其中和“●”表示偏振光信号的偏振态。

示例性地，λ1、λ2与λ3、λ4两组平行光束间距依赖于第一激光器组410及第二激光器组510中各个激光器的间距d，通常d为数百微米。以大通光孔径会聚透镜320对两组密集平行光束合束并耦合输入光导纤维600，此时光导纤维600为热扩芯光纤，可改善耦合效率。

可选地，光导纤维600也可以是光纤透镜，如球面或锥面透镜。

示例性地，热扩芯光纤(thermallyexpandedcorefibers，tecfibers)是一种新型的微透镜光纤，它的主要特征是其光纤局部的芯径大于普通单模光纤,并且外包层半径保持不变。

同样，该多波长耦合光发射装置可以扩展至更多路不同波长光束的合束及耦合，如八路不同波长光束合束及耦合。

在一些实施方式中，第一激光器组410可以包括两个或两个以上的激光器；相应地、第一准直透镜组420、第二激光器组510、第二准直透镜组520中相应设置。请参见图4，图4为本申请实施例提供的一种多波长耦合光发射装置。

示例性地，该多波长耦合光发射装置中，第一激光器组410包括4个激光器；相应地，第一准直透镜组420包括4个准直透镜、第二激光器组510包括4个激光器、第二准直透镜组520包括4个准直透镜。

可选地，根据需要，该多波长耦合光发射装置可以扩展至更多路不同波长光束的合束及耦合。

在一些实施场景中，该多波长耦合光发射装置通过半波片100，使第一偏振光信号组的偏振光偏振态旋转90°，然后通过偏振合束镜200将第一偏振光信号组和第二偏振光信号组两两合束为第三偏振光信号组，从而在第三偏振光信号组中合束后的每组偏振光信号都是彼此正交的，最后通过合束器300将第三偏振光信号组合束为一束信号并发射；因此，该多波长耦合光发射装置通过偏振合束镜即可将偏振光信号两两合并为互相正交的偏振光信号，可以实现简化光路结构和实现工艺、降低波长相关损耗的技术效果。

此外，在一些实施场景中，该多波长耦合光发射装置光路结构简单，有利于减小多波长发射光器件尺寸，还可以减小lan、wdm多波长光程差，从而改善波长相关损耗和出光功率一致性。

在本申请所有实施例中，“大”、“小”是相对而言的，“多”、“少”是相对而言的，“上”、“下”是相对而言的，对此类相对用语的表述方式，本申请实施例不再多加赘述。

应理解，说明书通篇中提到的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”意味着与实施例有关的特定特征、结构或特性包括在本申请的至少一个实施例中。因此，在整个说明书各处出现的“在本实施例中”、“本申请实施例中”或“作为一种可选的实施方式”未必一定指相同的实施例。此外，这些特定特征、结构或特性可以以任意适合的方式结合在一个或多个实施例中。本领域技术人员也应该知悉，说明书中所描述的实施例均属于可选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本申请所必须的。

在本申请的各种实施例中，应理解，上述各过程的序号的大小并不意味着执行顺序的必然先后，各过程的执行顺序应以其功能和内在逻辑确定，而不应对本申请实施例的实施过程构成任何限定。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应与权利要求的保护范围为准。