本发明属于光通信和光互连领域的无源光模块，更具体地，涉及一种单片集成的波分复用单纤双向数据传输模块。
背景技术
互联网应用的蓬勃发展促进了数据中心的大规模建设，数据中心服务器之间的高速数据传输只能通过光纤互连技术实现，光纤互连技术经历了多模光纤并行传输、单模光纤并行传输和单模光纤波分复用传输阶段。与电信网应用热衷的dwdm(密集波分复用)技术不同，在数据中心应用中，为了降低成本，一般采用cwdm(粗波分复用)技术，常用1270、1290、1310、1330nm四个工作波长。早期的cwdm技术方案是基于分立元器件的，以多个薄膜滤光片构成cwdm波分复用器。为了进一步缩小光纤收发模块的尺寸，人们开发了基于集成光学技术的粗波分复用awg(阵列波导光栅)。
现有的基于单模光纤cwdm传输的光纤收发模块，需要两根光纤进行双向数据传输，一收一发。然而，数据中心的光纤资源非常有限，进一步提出了单纤双向传输的需求，人们希望将光环行器整合到光纤收发模块中。现有的光环行器都是带尾纤的，在光纤收发模块中需要进行熔纤和绕纤处理，不利于模块的小型化。人们希望将光环行器集成在光纤收发模块中，因此对数据传输模块提出了小型化、集成化需求。
传统的波分复用收发模块需要将波分复用器、光环形器等多个部件进行连接，在数据中心使用时会有体积过大、集成度低、成本过高、工作带宽不相符的问题。
技术实现要素：
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种单片集成的波分复用单纤双向数据传输模块，旨在解决现有技术中由于采用分离器件连接而成且光环形器针对1310nm中心波长进行设计导致传统数据传输模块体积过大、集成度低、不便于在数据中心使用的问题。
本发明提供了一种单片集成的波分复用单纤双向数据传输模块，包括：波分复用模块，波分解复用模块和光环形器；在所述波分复用模块上集成有第一梳状滤波器、第二梳状滤波器和第三梳状滤波器，第一梳状滤波器的第一端和第二端、第二梳状滤波器的第一端和第二端分别作为波分复用模块的输入端用于接收四路不同波长的光信号，第一梳状滤波器的第三端与第三梳状滤波器的第一端连接，第二梳状滤波器的第三端与第三梳状滤波器的第二端连接，第三梳状滤波器的第三端作为波分复用模块的输出端；在所述波分解复用模块上集成有第四梳状滤波器、第五梳状滤波器和第六梳状滤波器，第四梳状滤波器的第一端和第二端、第五梳状滤波器的第一端和第二端分别作为波分解复用模块的输出端用于输出四路不同波长的光信号，第四梳状滤波器的第三端与第六梳状滤波器的第一端连接，第五梳状滤波器的第三端与第六梳状滤波器的第二端连接，第六梳状滤波器的第三端作为波分解复用模块的输入端；所述光环形器的t1端与波分复用模块的输出端相连，t2端与传输端相连，t3端与波分解复用模块的输入端相连。
其中，工作时，波长为1270nm和1310nm的光信号从第一梳状滤波器的第一端和第二端输入后从第三端复合输出；波长为1290nm和1330nm的光信号从第二梳状滤波器的第一端和第二端输入后从第三端复合输出；第一梳状滤波器和第二梳状滤波器的输出光信号从第三梳状滤波器的第一端和第二端输入，从第三端复合输出；波分复用信号从第六梳状滤波器的第三端输入，分成波长为1270nm和1310nm、1290nm和1330nm两路光信号分别从第六梳状滤波器第二端和第三端输出；第六梳状滤波器第二端输出的光信号从第四梳状滤波器的第三端输入，分成波长为1270nm、1310nm两路光信号分别从第四梳状滤波器第二端和第三端输出；第六梳状滤波器第二端输出的光信号从第五梳状滤波器的第三端输入，分成波长为1290nm、1330nm两路光信号分别从第五梳状滤波器第二端和第三端输出。
更进一步地，各个梳状滤波器结构相同，均包括：第一mzi耦合模块、第二mzi耦合模块、第三mzi耦合模块和光波导；第一个mzi耦合模块的右侧两端口连接两段长度差为δl的光波导，再连接第二个mzi耦合模块的左侧两端口；第二个mzi耦合模块的右侧两端连接两段长度差为2δl的光波导，再连接第三个mzi耦合模块的左侧两端口。改变梳状滤波器光波导的长度，就可以改变滤波器的通道间隔，获得不同的滤波效果。
更进一步地，第一mzi耦合模块、第二mzi耦合模块和第三mzi耦合模块结构相同，均包括：第一mmi耦合器、第二mmi耦合器和光波导；第一mmi耦合器的右侧两端口连接两段路径差为δlc的光波导，再连接第二mmi耦合器的左侧两端口，mzi耦合模块使用了mmi多模干涉原理，将一束输入光分为两束输出。
更进一步地，光环形器包括：光波导芯片，第一偏振转换组件和第二偏振转换组件；在所述光波导芯片上集成有五个偏振分束器(pbs1～pbs5)，第一偏振分束器pbs1的第一端作为三端口光环形器的光信号输入端t1，第二偏振分束器pbs2的第三端作为三端口光环形器的光信号传输端t2，第三偏振分束器pbs3的第一端作为三端口光环形器的光信号输出端t3；所述第一偏振分束器pbs1的第二端通过所述第一偏振转换组件连接至所述第四偏振分束器pbs4的第一端，第一偏振分束器pbs1的第三端通过所述第一偏振转换组件连接至所述第五偏振分束器pbs5的第一端；所述第三偏振分束器pbs3的第二端通过所述第一偏振转换组件连接至所述第四偏振分束器pbs4的第二端，所述第三偏振分束器pbs3的第三端通过所述第一偏振转换组件连接至所述第五偏振分束器pbs5的第二端；所述第四偏振分束器pbs4的第三端通过所述第二偏振转换组件连接至所述第二偏振分束器pbs2的第一端，所述第五偏振分束器pbs5的第三端通过所述第二偏振转换组件连接至所述第二偏振分束器pbs2的第二端。
其中，工作时，当光信号从t1端口传输到t2端口时，入射的随机偏振光被pbs1分成te偏振光和tm偏振光，经过第一偏振转换组件后，te偏振光和tm偏振光的偏振态保持不变，分别进入pbs4和pbs5，再通过第二偏振转换组件后偏振态依旧不变，最后这两路te偏振光和tm偏振光被pbs2合并，从t2端口输出；当光信号从t2端口传输到t3端口时，入射的随机偏振光被pbs2分成te偏振光和tm偏振光，经过第二偏振转换组件后，两束光分别发生te→tm和tm→te的偏振变换，然后分别经过pbs4和pbs5，传输到第一偏振转换组件的下部，并再次发生tm→te和te→tm的偏振变换，最后这两路te和tm偏振光被pbs3合并，从t3端口输出。
更进一步地，各个偏振分束器与第一偏振转换组件或第二偏振转换组件之间通过单模光波导连接。
更进一步地，在连接各个偏振分束器的单模光波导的横向设置有第一刻槽和第二刻槽，且所述第一偏振转换组件插入所述第一刻槽中，所述第二偏振转换组件插入所述第二刻槽中。
更进一步地，在单模光波导中，设置有第一刻槽或第二刻槽处第一波导的波导宽度大于其他位置第二波导的波导宽度。
更进一步地，在所述第一波导与所述第二波导之间通过锥区进行过渡衔接。
更进一步地，第一偏振转换组件和所述第二偏振转换组件的结构相同；且所述第一偏振转换组件和所述第二偏振转换组件均用于实现当光从一侧通过时，偏振方向旋转90度；当光从另一侧通过时，偏振方向不发生旋转。
更进一步地，第一偏振转换组件包括：法拉第旋光片和半波片；法拉第旋光片与半波片紧密贴合，法拉第旋光片与第一偏振分束器pbs1和第三偏振分束器pbs3相连并靠近t1和t3端口；半波片与第四偏振分束器pbs4和第五偏振分束器pbs5相连并靠近t2端口；所述法拉第旋光片用于对光信号的偏振态旋转45度，所述半波片用于让光的偏振态绕其快轴作镜像偏转。其中，半波片的中心波长为1285nm。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于光环形器使用了集成技术制造，减小了器件体积，并针对数据中心使用的cwdm(粗波分复用)所适用的1260-1340nm的带宽优化，使光环形器的半波片中心波长和旋光片中心波长错开，解决了普通光环形器在边缘带宽隔离度较低的问题；波分复用和解复用模块使用三级梳状滤波器替代了原来了传统的awg，干涉级次更高，带宽特性更好，更适合在cwdm中使用；创新性的将波分复用模块、波分解复用模块、光环形器整合在一起，缩小了整体器件的体积，提高了集成度，简化了制造工艺，优化了通带性能，更适合在数据中心的大规模单纤双向数据传输中使用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的单片集成的波分复用单纤双向数据传输模块的结构；
图2为本发明实施例提供的波分复用模块结构图；
图3为本发明实施例提供的三级干涉梳状滤波器的结构；
图4为本发明实施例提供的mzi(马赫-曾德尔干涉仪)耦合模块的结构；
图5为本发明实施例提供的三种梳状滤波器的结构两端口透过率随波长变化的曲线图，其中(a)是第三梳状滤波器和第六梳状滤波器的曲线图，(b)是第一梳状滤波器和第四梳状滤波器的曲线图，(c)是第二梳状滤波器和第五梳状滤波器的曲线图；
图6为本发明实施例提供的集成三端口光环形器结构，表示光信号从t1端口输入t2端口输出的情况；
图7为本发明实施例提供的集成三端口光环形器结构，表示光信号从t2端口输入t3端口输出的情况；
图8为本发明实施例提供的光环形器中使用的偏振分束器(pbs)的结构图；
附图标记说明：1为波分复用模块，2为波分解复用模块，3为集成光环形器，4为第一梳状滤波器，5为第二梳状滤波器，6为第三梳状滤波器，7为第四梳状滤波器，8为第五梳状滤波器，9为第六梳状滤波器，10为第一mzi耦合模块，11为第二mzi耦合模块，12为第三mzi耦合模块，13为第一mmi耦合器、14为第二mmi耦合器，15为第一刻槽，16为第二刻槽，17为第一偏振转换组件，18为第二偏振转换组件，19为第一3db耦合器，20为第二3db耦合器，21为宽波导，22为单模光波导。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提出了一种单片集成的波分复用单纤双向数据传输模块，如图1所示，波分复用单纤双向数据传输模块包括：波分复用模块1、波分解复用模块2和集成三端口光环形器3；四个波长(1270nm、1290nm、1310nm、1330nm)的输出信号经过波分复用模块1复用进传输波导，从光环形器的t1端口输入t2端口输出，进行传输。传输过来的波分复用光信号从光环形器t2端口输入t3端口输出，经过波分解复用模块2分成四个波长的光信号输出。
本发明相对于分立器件，使用单片集成光学技术制造梳状滤波器和光环形器，具有尺寸较小、工艺简单、成本较低的优点，还改善了通带特性；且基于光波导技术将波分复用/解复用器和光环形器集成在一个芯片上，设计了一种小型化波分复用单纤双向数据传输模块。
在本发明实施例中，波分复用模块1和波分解复用模块2的结构是相同的，如图2所示，均由三个三级干涉梳状滤波器(interleaver)连接而形成。三级干涉梳状滤波器相比传统的awg，干涉级次更高，带宽特性更好。
梳状滤波器是一种周期波形的三端口滤波器，具有通带特性好和串扰低的特点，在电信网应用中，它可以把一路dwdm信号分成两路，信道间隔扩展为原来的两倍。面向数据中心应用，将梳状滤波器的信道间隔设计为cwdm波长间隔(即20nm)，三个梳状滤波器连接在一起，可以实现四个cwdm波长的复用或者解复用，其功能与四波长awg相同，而通带特性更好。
具体地，波分复用模块中使用了三种梳状滤波器，第一梳状滤波器4的滤波周期为80nm，第一端输入1270nm光信号，第二端输入1310nm光信号，最后将两路输入光合束从第三端输出进入第三梳状滤波器6的第一端。第二梳状滤波器5的滤波周期为80nm，一路输入1290nm光信号，另一路输入1330nm光信号，最后将两路输入光合束从第三端输出进入第三梳状滤波器6的第二端。第三梳状滤波器6的滤波周期为40nm，第一端输入1270nm和1310nm波分复用光信号，另一路输入1290nm和1330nm波分复用光信号，最后将两路输入光合束从第三端输出。
具体地，波分解复用模块中也使用了三种梳状滤波器，第六梳状滤波器9的滤波周期为40nm，四波长波分复用光信号从第三端输入后被分成两束，第一端输出1270nm和1310nm光信号进入第四梳状滤波器7的第三端，第二端输出1290nm和1330nm光信号进入第五梳状滤波器8的第一端。第四梳状滤波器7的滤波周期为80nm，光信号输入后被分成两束，第一端输出1270nm光信号，第二端输出1310nm光信号。第五梳状滤波器8的滤波周期为80nm，光信号输入后被分成两束，第一端输出1290nm光信号，第二端输出1330nm光信号。
如图3所示，梳状滤波器由三个mzi(马赫-曾德尔干涉仪)耦合模块(10～12)和光波导串联而成，第一个mzi耦合模块10的左侧两端口作为输入端口(w1，w2)，右侧两端口连接两段长度差为δl的光波导，再连接第二个mzi耦合模块11的左侧两端口；第二个mzi耦合模块11的右侧两端连接两段长度差为2δl的光波导，再连接第三个mzi耦合模块12的左侧两端口；第三个mzi耦合模块12的右侧端口w4作为输出端口，w3端口弃用。改变梳状滤波器光波导的长度，就可以改变滤波器的通道间隔，获得不同的滤波效果；δl满足以下条件：
如图4所示，mzi耦合模块包括两个2×2端口3dbmmi(多模干涉)耦合器(13、14)和单模光波导，第一个mmi耦合器13的左侧两端口作为输入端口(m1，m2)，第一个mmi耦合器13的右侧两端口连接两段路径差为δlc的光波导，再连接第二个mmi耦合器14的左侧两端口；第二个mmi耦合器14的右侧两端口作为输出端口(m3，m4)。mzi耦合模块使用了mmi多模干涉原理，将一束输入光分为两束输出。其传输矩阵为：
图5表示了三种梳状滤波器的透过率随波长变化的曲线图，实线表示第一端口，虚线表示第二端口。其中(a)是第三梳状滤波器6和第六梳状滤波器9的曲线图，(b)是第一梳状滤波器4和第四梳状滤波器7的曲线图，(c)是第二梳状滤波器5和第五梳状滤波器8的曲线图。
图6表示集成光环形器的结构图，它由五个偏振分束器(pbs1～pbs5)、两个刻槽(15、16)、两个偏振转换组件(17、18)和连接各元件的单模光波导构成，其中pbs均以集成光学技术制备在一个光波导芯片上，而偏振转换组件17、18由分立器件技术的法拉第旋光片和半波片组成。在连接各个pbs的单模光波导的横向，制作了两个截断单模光波导的刻槽15、16，两个偏振转换组件分别插入槽中。
偏振转换组件(17、18)由45度法拉第旋光片(阴影方块)和半波片(白色方块)组成，法拉第旋光片使光的偏振态旋转45度，旋转方向取决于外加磁场方向。半波片的功能是让光的偏振方向绕其快轴作镜像偏转，设计其快轴角度与x轴方向夹角为22.5度，而偏转方向则取决于入射光偏振方向与快轴方向之间的关系。因此法拉第旋光片和半波片的组合功能是，当光从一侧通过时，偏振方向偏转90度；当光从另一侧通过时，偏振方向不发生偏转。并且半波片的中心波长从1310nm移到1285nm，而旋光片的中心波长保持1310nm不变，优化了整个带宽的隔离性能。
由于单模光波导被横向刻槽(15、16)截断，为了减小光信号在刻槽中的传输损耗和重新进入另一侧光波导时的耦合损耗，被截断的单模光波导在端口位置均需增加波导宽度，并在窄波导与宽波导之间通过锥区进行过渡衔接，以减小损耗。
图6表示光信号从t1端口传输到t2端口的情况，入射的随机偏振光被pbs1分成te和tm偏振光，经过偏振转换组件17之后，te和tm偏振光分别进入pbs4和pbs5，再通过偏振转换组件18，最后这两路te和tm偏振光被pbs2合并，从t2端口输出。
图7表示光信号从t2端口传输到t3端口的情况，入射的随机偏振光被pbs2分成te和tm偏振光，经过偏振转换组件18之后，两束光分别发生te→tm和tm→te的偏振变换，然后分别经过pbs4和pbs5，传输到偏振转换组件18的下部，并再次发生tm→te和te→tm的偏振变换，最后这两路te和tm偏振光被pbs3合并，从t3端口输出。
偏振分束器(pbs)的结构如图8所示，它是由两个3db耦合器(19、20)和一对干涉臂(21、22)构成的光波导器件，第一臂21由宽波导组成，第二臂22由单模光波导组成。光信号从c1端口输入，从c3和c4端口输出，c2端口弃用。输入光经第一个3db耦合器19分成两束，由于两个非对称臂21、22具有不同的波导宽度，te和tm偏振光的有效折射率对光波导宽度有不同的对应关系，第一臂21中te和tm光的有效折射率分别为n1te和n1tm，第二臂22中te和tm光的有效折射率分别为n2te和n2tm。非对称臂的传输使te和tm光分别积累不同的相位差。经过第一个3db耦合器19之后，进入两臂的两束te和tm偏振光均获得了π/2的初始相位差。经非对称臂到达第二个3db耦合器20时两束te偏振光的相位差增加2mπ(m为整数)即总相位差为2mπ+π/2；两束tm偏振光的相位差增加(2n+1)π(n为整数)即总相位差为2nπ+3π/2。除去2π整数倍的相位差，te和tm偏振光积累的相位差相差π，根据3db光耦合器的工作原理，te和tm偏振光将分别从第二个3db耦合器的两个端口输出，实现偏振分束功能。为满足上述相位关系，输入光波长λ、非对称干涉臂的臂长l与等效折射率应满足如下关系式：
(n1te-n2te)·l＝mλm为整数
(n1tm-n2tm)·l＝(n+1/2)λn为整数
3db耦合器(19、20)的结构，有两种实现方式，一种是方向耦合器，另一种是使用平板光波导实现的多模干涉耦合器。二者的功能都是将输入光等分后从两个端口输出，两束输出光存在一定的相位差，比如方向耦合器，相位差为π/2。偏振分束器中两臂(21、22)中光波导的长度和截面高度都相同，但第一臂宽度为w1，第二臂宽度为w2，在不同宽度的光波导中te和tm偏振光有效折射率不同。
本领域的技术人员容易理解，以上内容是结合具体的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或者替换，都应当视为包含在本发明的保护范围之内。