一种用于高速BOSA器件的小型集成化光组件的制作方法

本实用新型涉及光通讯和5g技术领域，尤其是用于高速bosa器件的小型集成化光组件。

背景技术：

随着2019年被确定为5g商用启动的元年，5g时代已经来临，5g网络大规模的部署已经如火如荼的展开，5g通信预计在随后几年有望迅速普及。众所周知，在5g的承载网中，单纤双向（bidi）方案是一种关键光收发模块技术方案，相比双纤双向方案，它不仅节约了一半的光纤资源，而且还能满足对上下行时延对称性要求较高的应用场景。随着5g网络在全球大规模建设的开展，预计市场对光收发模块的需求量将呈现出爆炸式增长，尤其是对bidi高速光收发模块的需求量将高达数百万个。

bosa（bi-directionalopticalsub-assembly），又称单纤双向光收发次组件，它是bidi光收发模块中核心的器件。现有的bosa器件中，技术方案主要有两种，一种是利用不同波长的波分复用（wdm）来实现，另外一种是利用相同（或不同）波长结合环形器来实现，示意图如图1、图2所示；其中，相比环形器方案，业内建议优选wdm方案。

对于采用wdm方案的高速（≥25gb/s）bosa器件，其典型的光路结构如图3所示，主要包含发射端激光器（ld）及耦合组件、光隔离器、45度分光片、带通滤光片、接收端光电二极管（pd）及耦合组件、公共端光纤插芯组件，光路中的传输光束通常为非准直光束。其中，光隔离器、45度分光片和带通滤光片是bosa光路中的三个关键光学元件：隔离器用来隔离器系统中的反射光，防止回到发射端干扰光源，这在高速bosa中必不可少；45度分光片不具有偏振相关性，用来将发射信号λ1和接受信号λ2分开，一路透射一路反射，实现wdm功能；带通滤光片放在接收端前面，用来隔离除接收信号λ2之外的噪声信号，降低串扰。在此种典型的光路结构中，45度分光片是实现wdm功能最关键的元件，当发射信号和接受信号波长间隔△λ=|λ1-λ2|大于等于40nm时，比如λ1=1270nm，λ2=1310nm时，45度分光片制作起来虽有难度，但仍可以量产；然而，当波长间隔小于15nm时，比如λ1=1296nm，λ2=1309nm，考虑到发射和接收信号波长的带宽，以及接收信号波长的非偏振相关性（注：45度入射时，s偏振光和p偏振光的光谱分离很大），并且需要入射角满足较大容差以适应非准直光路，45度分光片镀膜的难度高、成品率低，这会导致bosa的高成本和低量产可行性。

综上所述，我们可以看出：现有技术下基于wdm方案的bosa光路结构存在各个光学元件相互分立、装配调试繁杂费时、尺寸难以做到小型化、成本高、45度滤光片很难实现发射和接收信号波长间隔短的应用场景。

技术实现要素：

针对现有技术的情况，本实用新型的目的在于提供一种结构小型且集成化、易制造和量产且成本低、性能优良兼具可靠性高等优点的用于高速bosa器件的小型集成化光组件。

为了实现上述的技术目的，本实用新型所采用的技术方案为：

一种用于高速bosa器件的小型集成化光组件，其包括依序贴合设置的偏振片、第一滤光片、半波片、法拉第旋转片和偏振分光体；

所述偏振分光体与法拉第旋转片相邻的一侧面上还依序贴合设置有四分之一波片和反射镜；

所述偏振分光体与法拉第旋转片相邻的另一侧面上还贴合设置有第二滤光片。

其中，本方案所提及的

偏振片为吸收型偏振片，其透过方向与发射端激光器偏振方向平行；

第一滤光片为带通滤光片，入射光中心光线以接近0度小角度入射，该滤光片可以实现对发射端输入波长信号的高透过率，同时高反射率隔离公共端的输入信号；

半波片为单半波片或组合半波片结构，其光轴与入射光偏振方向成22.5度夹角；

偏振分光体由两个45度直角棱镜贴合固定为一体，他们其中的一个直角棱镜斜面镀有偏振分光膜；其中，贴合方式采用胶合或光胶，若采用胶合，胶合所用胶水包括uv胶、热固化胶、双固化胶等其中的一种或多种；

四分之一波片为单四分之一波片或组合四分之一波片结构，其光轴方向与入射光偏振方向成45度夹角；

反射镜是一面镀有高反介质膜或金属膜的抛光玻璃片；

第二滤光片为带通滤光片，入射光中心光线以接近0度入射角入射，该滤光片可以实现对公共端输入信号的高透过率，同时高反射率隔离发射端的输入信号；

上述各元件，相互之间按一定顺序胶合在一起。

胶合后的装配件形成自由空间隔离器结构，此结构具有同时隔离反向传输的发射端信号和公共端输入信号的功能；

优选的，所述第二滤光片、偏振分光体、四分之一波片和反射镜，自下而上依序胶合在一起，与胶合在偏振分光体左侧的法拉第旋转片、半波片和第一滤光片一起，实现公共端输入的非偏振光信号的偏振分光和合光功能；

优选的，该光组件中胶合所用胶水包括uv胶、热固化胶、双固化胶等其中的一种或多种；

进一步的，为了降低插入损耗，可以在有光路经过的胶合界面，根据材料折射率的不同，采用镀对胶增透膜的方法来降低或消除界面反射损耗，若胶水固化后折射率与光学元件的材料折射率接近，则无需镀增透膜；

作为一种可能的实施方式，进一步，所述的法拉第旋转片为45度自带磁法拉第旋转片或外加磁场法拉第旋转片，为外加磁场法拉第旋转片时，所述的法拉第旋转片外周侧设有磁场发生装置。

作为一种可能的实施方式，进一步，所述的偏振分光体为两个45度直角棱镜的斜面贴合固定为一体形成，且贴合的斜面之间设有偏振分光膜。

作为一种较优的选择方案，优选的，所述的偏振分光体为两个45度直角棱镜的斜面通过胶合、光胶或深化光胶贴合固定为一体。

作为一种可能的实施方式，进一步，所述的反射镜为镀设形成的高反射介质膜或为具有金属膜的抛光玻璃片。

作为一种可能的实施方式，进一步，所述偏振片远离第一滤光片的端面形成发射端，所述第二滤光片远离偏振分光体的端面形成接收端，所述偏振分光体远离法拉第旋转片的端面形成公共端。

进一步的，为了降低输入/输出信号的插入损耗，在光组件的接收端、发射端和公共端上均镀有增透膜。

作为一种较优的选择方案，优选的，所述发射端的一侧设有ld组件，且ld组件和偏振片之间还设有第一耦合组件，所述接收端的一侧设有pd组件，且pd组件和偏振分光体之间还设有第二耦合组件；所述公共端的一侧设有光纤插芯组件。

作为一种较优的选择方案，优选的，所述的第一耦合组件和第二耦合组件均为准直透镜。

作为一种较优的选择方案，优选的，所述的发射端、接收端和公共端上均设置有楔角片。

作为一种实施变形，可以将所述的半波片和法拉第旋转片位置互换或将半波片和第一滤光片的位置互换。

本方案可以采用两片0度（小角度）入射的滤光片与偏振分光元件的组合，实现了现有技术下bosa需要45度滤光片所要实现的单纤双向（bidi）功能，大大降低了滤光片的制造难度。尤其是在高速长距（速率≥25gb/s，距离40km）的bosa中，为了降低色散导致的时延差，要求发射端和接收端波长间距必须尽量小，而在这种情况下，制造非偏振相关的45度滤光片，由于存在s偏振和p偏振光谱分离较大，并且需要入射角满足较大容差以适应非准直光路，现有镀膜技术很难实现；而对于接近0度（小角度）入射的滤光片，则要容易得多。

采用上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，其具有的有益效果为：本实用新型将隔离器、滤光片、偏振分光与合光的功能集成为一体，既做到了小型集成化、大大节约了物料成本和光路调节难度，又无需对现有的bosa结构进行大的改动；本实用新型采用两片0度入射滤光片和偏振分光元件的组合，实现了现有技术下bosa需要45度滤光片所要达到的单纤双向（bidi）功能，大大降低了滤光片的制造难度和成本。与传统bosa中的分离光学元件布局相比，本方案将隔离器、分光片、偏振分光与合光的功能集成为一体，做到了小型集成化，大大节约了物料成本和光路调节难度；此外，本实用新型还具有易加工和量产、成本低、性能优良和可靠性高等优点，本实用新型的隔离度、差损等主要性能指标完全满足行业内对应的高标准要求，具有广阔的市场商用前景。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型方案做进一步的阐述：

图1为现有bidi光收发模块中的技术方案之一；

图2为现有bidi光收发模块中的技术方案之二；

图3为采用wdm方案的高速bosa器件中的典型光路结构；

图4为本实用新型实施实例的三维视角示意图；

图5为本实用新型实施实例的光路示意图之一，其示出了光信号从发射端到公共端的传播示意；

图6为本实用新型实施实例的光路示意图之二，其示出了光信号从公共端到接收端的传播示意；

图7为本实用新型应用结构示意图一，其为非准直光路；

图8为本实用新型应用结构示意图二，其为准直光路；

图9为本实用新型光组件，发射端、公共端和接收端增加楔角片后的示意图。

具体实施方式

如图4至图6之一所示，本实用新型用于高速bosa器件的小型集成化光组件，其包括依序贴合设置的偏振片1、第一滤光片2、半波片3、法拉第旋转片4和偏振分光体5；

所述偏振分光体5与法拉第旋转片4相邻的一侧面上还依序贴合设置有四分之一波片6和反射镜7；

所述偏振分光体5与法拉第旋转片4相邻的另一侧面上还贴合设置有第二滤光片8。

该方案结构具有三个输入/输出端口，分别对应bosa器件的发射端、公共端和接收端。

其中，在所述偏振片1远离第一滤光片2的端面形成发射端，所述第二滤光片8远离偏振分光体5的端面形成接收端，所述偏振分光体5远离法拉第旋转片4的端面形成公共端。

另外，本方案所提及的偏振片1为吸收型偏振片，其透过方向与发射端激光器偏振方向平行；第一滤光片2为带通滤光片，入射光中心光线以接近0度小角度入射，该第一滤光片2可以实现对发射端输入波长信号的高透过率，同时高反射率隔离公共端的输入信号；半波片3为单半波片或组合半波片结构，其光轴与入射光偏振方向成22.5度夹角；法拉第旋转片4为45度自带磁法拉第旋转片或外加磁场法拉第旋转片，当为外加磁场法拉第旋转片时，其外周侧上设有磁场发生装置；偏振分光体5由两个45度直角棱镜贴合固定为一体，他们其中的一个直角棱镜斜面镀有偏振分光膜，其贴合方式采用胶合或光胶；四分之一波片6为单四分之一波片或组合四分之一波片结构，其光轴与入射光偏振方向成45度夹角；反射镜7是一面镀有高反介质膜或金属膜的抛光玻璃片；第二滤光片8为带通滤光片，入射光中心光线以接近0度入射角入射，该滤光片可以实现对公共端输入信号的高透过率，同时高反射率隔离发射端的输入信号。

本方案结构的工作原理为：

参见图5所示，其示出了本实施例由发射端到公共端的光路示意图，发射端光信号λ1(中心波长为1295.56nm)是p偏振光，偏振方向平行于纸面，光信号入射到透射方向平行于p光偏振方向的偏振片1中并高透过率穿过，然后射入第一滤光片2，第一滤光片2对于发射端光信号λ1具有高透过率，经过第一滤光片2后，光信号射入半波片3中，半波片3光轴与x轴成-22.5度夹角，经过半波片3后，光信号的偏振方向相对p光顺时针旋转45度，与x轴成-45度夹角，然后入射到45度法拉第旋转片4中，经过旋转片后，光信号被逆时针旋转45度，重新变为p光，然后射入偏振分光体5，偏振分光体5对p光透射（s光反射），经过偏振分光体后，光信号进入公共端。

在此光路中，偏振片1、半波片3、法拉第旋转片4和偏振分光体5组成了正向通过反向隔离的隔离器结构，此结构具有同时隔离反向传输的发射端信号和公共端输入信号的功能。

如图6所示，其示出了本实施例由公共端到接收端的光路示意图，从公共端输出的光信号λ2(中心波长为1309.14nm)是非偏振光，入射到偏振分光体5后，被分离为s偏振光和p偏振光，其中：

对于s光：其经由偏振分光体5后，光被反射朝上转向90度，然后射入四分之一波片，四分之一波片的光轴与s光偏振方向成45度夹角，穿过四分之一波片6后，s偏振光变为圆偏振光，然后进入反射镜7，反射镜7的反射面在对空气一侧，光信号经过被反射镜7反射后原路返回，再次经过四分之一波片6，圆偏振光转变为p偏振光，然后再次射入并完全透过偏振分光体5，然后进入第二滤光片8，第二滤光片8对公共端输出光信号λ2具有高透过率，经过第二滤光片8后，光信号进入接收端。

对于p光：自左向右观察，其直接透过偏振分光体后，进入45度法拉第旋转片4，经过法拉第旋转片4后，p光偏振方向逆时针旋转45度，与x轴成45度夹角，然后进入半波片3，半波片3光轴与x轴夹角为-22.5度，经过半波片3后，光的偏振方向变为平行于y轴的s光，然后入射到第一滤光片2的滤光膜上，由于第一滤光片2的滤光膜对公共端的入射光信号λ2是高反膜，光信号被反射后沿原路返回再次经过半波片3和45度法拉第旋转片4，s光的偏振态分别被逆时针旋转135度和45度，亦即旋转了180度，此时光的偏振态仍然为s光，然后再次射入偏振分光体5，光信号被反射朝下转向90度，进入第二滤光片8，第二滤光片8对光信号λ2具有高透过率，经过第二滤光片8后，光信号进入接收端。

为了达到s光和p光分束与合束的等光程性，我们可以通过设计加工反射镜的玻璃片厚度来实现，方法简单且不会引入额外的成本。

而本实施实例的结构亦不是唯一结构，其还可以将半波片3和法拉第旋转片4的位置可以互换，半波片3和第一滤光片2的位置亦可以互换，不会影响组件的任何性能。

本实施实例中，由于集成了隔离器功能、偏振分光与合光功能、两个带通滤光片对无关噪声信号的反射隔离功能，使得整个光组件具有非常优良的低串扰指标。

本实施实例中，为了降低插入损耗，在有光路通过的胶合界面，根据材料折射率的不同，采用镀对胶增透膜的方法来降低或消除界面反射损耗，若胶水固化后折射率与光学元件的材料折射率接近，则无需镀增透膜；同时，为了降低输入/输出信号的插入损耗，在本实用新型光组件的输入/输出端口，均镀有增透膜。因此，整个光组件具有非常优良的低插入损耗。

本实施实例中，如果发射端入射光信号是s光，相比前述结构，只需将偏振片1透射方向旋转90度，半波片3光轴相对s光偏振方向逆时针夹角22.5度，入射信号s光经过半波片3和45度法拉第旋转片4后，变为p光，即可实现相同的功能，工作原理在此不再赘述。

本实用新型的应用结构简要说明如下：

应用例1

如图7所示，本应用例所采用的光组件结构与前述一致，即，偏振片1、第一滤光片2、半波片3、法拉第旋转片4、偏振分光体5、四分之一波片6、反射镜7和第二滤光片8均与前述一致，本应用例中，其发射端由激光器11（激光二极管，ld）和耦合透镜12组成，耦合透镜12是单独的，或者与激光器封装在一起，发射端的出射光是偏振光；公共端是光纤插芯组件51，公共端的出射光是非偏振光、非准直光；接收端由光电二极管81(pd)和耦合透镜82组成，耦合透镜是单独的，或者与光电二极管封装在一起。此时，在光组件中的传输光束是非准直光束。

应用例2

如图8所示，本应用例所采用的光组件结构与前述一致，即，偏振片1、第一滤光片2、半波片3、法拉第旋转片4、偏振分光体5、四分之一波片6、反射镜7和第二滤光片8均与前述一致，本应用例中，发射端由ld11和准直透镜组12成，准直透镜12是单独的，或者与激光器封装在一起，发射端的出射光是偏振光；公共端由光纤插芯组件51和准直透镜组成，公共端的出射光是非偏振光、非准直光；接收端由pd81和耦合透镜82组成，耦合透镜82是单独的，或者与光电二极管封装在一起。此时，在光组件中的传输光束是准直光束。

本实施实例最典型的应用是在5g回传50gb/s、40km距离、波长为1295.56nm/1309.14nm的bosa中，指标完全满足高速率、长距离传输的光收发器需求。

参见图9，作为本实用新型设计方案的补充，为了提升环形器回波损耗（rl）性能，可以在本实用新型的发射端、公共端和接收端口通过胶合或光胶的工艺各增加一个角度相同的小角度楔角片9，此时出入射光束与端面非90°，可以提升rl性能。

作为本实用新型设计方案的进一步补充，为了提升环形器回波损耗（rl）性能，亦可以将整体结构的入射面与底面加工成非90°的关系。

需要特别指出的是，本实用新型光组件中的各个光学元件均可以按照最优长度预先加工成长条，然后将各长条对准对齐，无需经过复杂的调试和对位，然后采用胶合工艺组装集成在一起，最后再将长条切割成多个成品，这大大降低了装配和加工的费用，易量产。

本实用新型的小型集成化光组件尺寸可以做到小于1mm，小型集成化结构不仅有助于大幅降低物料成本，更有助于满足未来小型化bosa器件对微型光学元件的需求。

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