CN109100838B - 一种可控温的集成单纤双向器件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种可控温的集成单纤双向器件，包括封装壳体、发射器、接收器、光接口、波分复用器以及TEC，发射器、接收器与波分复用器均封装在所述封装壳体内部；发射器与接收器共用光接口，波分复用器位于光接口以及发射器/所述接收器之间，使得发射器的出光信号经过波分复用器后耦合进光纤，光纤入光信号由波分复用器耦合进接收器；TEC位于发射器一侧，用于调整发射器内激光器的工作温度进而调整出光中心波长。本发明采用BOX封装代替传统的TO封装，发射端及接收端共用一个光接口，并通过波分复用器连接，系统结构紧凑、工艺简单；同时，通过TEC调整激光器工作温度，可实现出光波长精确可调，提高器件可替换性。

Description

一种可控温的集成单纤双向器件

【技术领域】

本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种可控温的集成单纤双向器件。

【背景技术】

单纤双向组件(Bidirectional Optical Subassembly，简写为BOSA，)是集发射和接收于一体的光电转换器件，其采用一根光纤实现数据双向传输的功能，是现代光通信的核心器件。

常用的单纤双向组件如图1所示，一般是采用TO-CAN封装形式，由单通道的发射器01、单通道的接收器02、滤光片03、一体式插针的光接口04和圆方管体05组成，该结构使用单片或多片滤光片作为发射器和接收器的分光元件，使用单根光纤同时完成一种波长光信号的发射和另一种波长光信号的接收。然而，采用这种常规的TO封装形式使模块尺寸较大，工艺复杂，不易于批量生产，由于受到TO-CAN底座高频性能影响，这种封装形式的器件单通道传输速率较难高于25Gbps；并且由于目前市面上暂时无配合TO-CAN封装形式的TEC，TO-CAN封装发射器无内置TEC，而温度的不稳定会导致发射光中心波长漂移，不能实现发射器波长的稳定控制，导致不同通道间产生串扰。为避免温度失控造成发射光中心波长的漂移，往往只能采用CWDM芯片的方案，这种设计远远不能满足5G传输网对器件性能及传输距离的要求。同时由于发射器波长固定，器件必须配对使用，器件不具有很好的可替换性，增加了组网的成本，降低了光纤波分复用的通信能力。

鉴于此，克服上述现有技术所存在的缺陷是本技术领域亟待解决的问题。

【发明内容】

本发明需要解决的技术问题是：

目前常用的单纤双向组件采用TO-CAN封装，模块尺寸较大、工艺复杂，不易于批量生产，且TO-CAN封装发射器无内置TEC，温度的不稳定会导致发射光中心波长漂移，发射端波长难以稳定控制。

本发明通过如下技术方案达到上述目的：

第一方面，本发明提供了一种可控温的集成单纤双向器件，包括封装壳体1、发射器2、接收器3、光接口4以及波分复用器5，所述发射器2、所述接收器3与所述波分复用器5均封装在所述封装壳体1内部，所述光接口4设置在所述封装壳体1上；

所述发射器2与所述接收器3共用所述光接口4，所述波分复用器5用于连接所述发射器2、所述接收器3与所述光接口4，使得所述发射器2的出光信号经过所述波分复用器5后耦合进光纤，光纤入光信号由所述波分复用器5耦合进所述接收器3；其中，所述发射器2内设有TEC，用于调整所述发射器2内激光器的工作温度进而调整出光中心波长。

优选的，所述波分复用器5包括玻璃底板51、棱镜52、出光滤光片53、入光滤光片54以及实心玻片55，所述棱镜52、所述出光滤光片53、所述入光滤光片54以及所述实心玻片55均固定在所述玻璃底板51上，两个滤光片位于所述棱镜52与所述实心玻片55之间；其中，所述出光滤光片53与所述入光滤光片54均为带通滤波片。

优选的，所述出光滤光片53与所述发射器2相对设置，所述入光滤光片54与所述接收器3相对设置，且所述出光滤光片53和所述入光滤光片54之间的间距与所述发射器2和所述接收器3之间的间距一致。

优选的，在发射端的出光波长范围内，所述出光滤光片53对于短波的透过率低于对于长波的透过率；其中，在短波范围内，透过率随波长增加而增加；在长波范围内，透过率高于50％。

优选的，所述出光滤光片53包括基底和膜系结构，所述基底的材质为BK7，所述膜系结构铺设在所述基底表面，且所述膜系结构由高折射率的Ti₂O₅与低折射率的S_iO₂交叉镀层形成；其中，所述膜系结构中两种材料的铺设层数以及每层铺设厚度通过模拟计算得到。

优选的，所述发射器2及所述接收器3使用满足线性调制方式的光电芯片，以支持PAM4调制方式。

优选的，所述发射器2使用DML或EML调制形式的激光器芯片。

优选的，所述发射器2使用LAN-WDM、CWDM或DWDM激光器芯片。

优选的，所述波分复用器5为两通道或四通道的形式。

优选的，所述光接口4采用尾纤形式或一体式插针的形式。

本发明的有益效果是：

本发明提供的一种可控温的集成单纤双向器件，采用BOX封装代替传统的TO封装形式，发射端及接收端共用一个光接口，通过波分复用器连接，简化了系统结构，结构紧凑、工艺难度低，更适合批量生产；同时，发射器端可设置TEC来调整激光器工作温度，发射器出光中心波长实现精确可调，可满足同波长或lan-WDM或DWDM密集波分复用的应用需求，且使用单只器件实现多波功能，提高器件可替换性；对于激光器出光滤光片进行透过率设计，改善了激光器低温时出射光过大、眼图裂化的现象。

【附图说明】

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。

图1为目前常用的一种TO-CAN封装的单纤双向器件；

图2为本发明实施例提供的一种可控温的集成单纤双向器件的平面示意图；

图3为本发明实施例提供的一种可控温的集成单纤双向器件的立体视图；

图4为图3所示集成单纤双向器件中波分复用器的立体视图；

图5为本发明实施例提供的一种出光滤光片的透射光谱图。

【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。

在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”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，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。

此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本发明。

实施例1：

本发明实施例提供了一种可控温的集成单纤双向器件，如图2和图3所示，包括封装壳体1、发射器2、接收器3、光接口4以及波分复用器5，所述发射器2、所述接收器3与所述波分复用器5均封装在所述封装壳体1内部，所述光接口4设置在所述封装壳体1上；所述发射器2以及所述接收器3位于所述波分复用器5的一侧，所述光接口4位于所述波分复用器5的另一侧，并用于与外部光纤实现连接，通过所述波分复用器5连接所述发射器2、所述接收器3和所述光接口4，相对于传统的滤光片方案，使用波分复用器5连接的工艺较为简单，易于批量生产。所述发射器2与所述接收器3共用光接口4，极大地减少了光收发系统中光纤的数量，简化了系统结构，尤其适用于光纤资源有限和LAN-WDM、DWDM密集波分复用技术的应用场景。同时器件尺寸满足业内流行的小型高速光模块QSFP28或CSFP等标准封装要求，可实现高带宽、低成本传输。

其中，光信号收发过程如下：所述发射器2的出光信号经过所述波分复用器5后耦合进光纤，光纤入光信号由所述波分复用器5耦合进所述接收器3。需要注意的是，为避免收发光路互相干扰，收发光信号中心波长需有一定的波长间隔。由于改用了BOX封装，可在所述发射器2内部设计安装所述TEC，通过所述TEC来调整所述发射器2内部的激光器工作温度，进而调整激光器出光中心波长。

本发明提供的一种可控温的集成单纤双向器件中，尤其适用于光纤资源有限和LAN-WDM、DWDM密集波分复用技术的应用场景。采用BOX封装代替传统的TO封装形式，发射端及接收端共用一个光接口，并通过波分复用器连接，极大地减少了光收发系统中光纤的数量，简化了系统结构，使系统结构紧凑，工艺难度低，更适合批量生产；同时通过设置TEC，使得发射器出光中心波长实现精确可调，使用单只器件即可实现多波功能，提高器件可替换性。

其中，所述光接口4可采用尾纤形式或一体式插针的形式。图3给出的附图即为一体式插针形式的光接口；所述波分复用器5可以是粗波分复用器也可以是密集波分复用器，可以是两通道的形式也可以是四通道的形式，则所述单纤双向器件可实现单发单收或双发双收的功能。相对于常规TO封装形式，BOX封装形式由于管壳高频特性好，信号链路阻抗匹配程度高，发射端芯片可选择带宽超25Gbps的激光器芯片。其中，所述发射器2具体可采用DML或EML调制形式的激光器，DML为直接调制激光器，EML为电吸收调制激光器；从波长密集程度上来看，所述发射器2具体可采用LAN-WDM、CWDM或DWDM激光器芯片，其中，LAN-WDM激光器对应的波长间隔为5nm，CWDM激光器对应的波长间隔可达到20nm，DWDM激光器对应的波长间隔为0.4nm、0.8nm或1.6nm。同时，所述发射器2及所述接收器3还可使用满足线性调制方式的光电芯片，以支持PAM4调制方式，通过结合PAM4技术可将25G或10G的光电器件传输速率翻倍，实现高速光信号的传输，提高光纤通信能力。

在本发明实施例中，以基于PAM4调制方式、传输速率为50Gbps的单纤双向BOSA器件为例，所述封装管壳1为陶瓷组件与金属壳体烧结而成的气密封装壳体1，陶瓷组件上层为直流信号层，陶瓷组件下层为交流信号层。所述发射器2的芯片采用单通道25G EML芯片，中心波长为1552.5nm，该芯片工作电流一般为30mA-100mA。由于激光器的阈值电流会随着芯片温度的升高而逐渐变大，通常在常温工作条件下，激光器的阈值电流只有10mA左右；而在工作温度在50℃时，激光器的阈值电流增加到25mA左右。其中，该芯片工作波段在C波段，应用环境为50GHz、收发光波长间隔为0.45nm的密集波分复用系统。所述接收器3的芯片为单通道25G PIN芯片，响应波长为1200nm-1600nm，所配跨阻放大器为线性放大器芯片，支持PAM4调制格式。其中，发射端的EML芯片与接收端的PIN芯片物理尺寸间隔为2.25mm。

参考图4，本实施例所用波分复用器5有两个通道，所述波分复用器5包括玻璃底板51、棱镜52、出光滤光片53、入光滤光片54以及实心玻片55，所述棱镜52、所述出光滤光片53、所述入光滤光片54以及所述实心玻片55均固定在所述玻璃底板51上，两个滤光片位于所述棱镜52与所述实心玻片55之间，且两个滤波片的右端固定在所述实心玻片55的左端，各结构之间的固定方式可使用环氧树脂胶粘接。其中，本实施例中所述棱镜52具体可采用45°转折棱镜，所述出光滤光片53与所述入光滤光片54均为带通滤波片，所述出光滤光片53与所述发射器2相对设置，所述入光滤光片54与所述接收器3相对设置，且所述出光滤光片53和所述入光滤光片54之间的间距与所述发射器2和所述接收器3之间的间距一致。在上述收发光波长间隔为0.45nm的具体实施例中，所述出光滤光片53可透过1552.5nm波长光，反射1557nm光，所述入光滤光片54可透过1557nm波长光，两通道间隔尺寸为2.25mm，即所述出光滤光片53与所述入光滤光片54之间的物理间隔为2.25mm。

其中，所述发射器以及外部输入光的光路可参考图2，所述发射器2内部的激光器产生光信号，经所述出光滤光片53以及所述实心玻片55后，由所述光接口4出射并耦合进光纤；而外部输入光信号由光纤发射后经由所述光接口4进入所述波分复用器5，经过所述实心波片55后由所述出光滤光片53反射，再经所述实心波片55上反射后经过所述入光滤光片54耦合进所述接收器3。

一般情况下，激光器的典型工作温度为50℃，此时的输出光波中心波长为1552.5nm。为实现发射端的激光器芯片波长可调，需要使用TEC来调节所述发射器2内的激光器芯片工作温度，将温度控制在20-65℃。本实施例中，设置工作温度为50℃时，激光器芯片出光波长为1552.5nm，偏置电流约为50mA，激光器芯片出光中心波长与温度的关系为λ＝λ₀+0.08(T-50)，其中λ₀为芯片工作在50℃的中心波长。因此，通过TEC分别调整激光器工作温度为20℃、25℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃，即可得到中心波长为1550.1nm-1553.7nm、波长间隔为0.45nm的光信号。如此一来，实现了发射器2出光波长的精确控制，使用单只器件即可实现多波功能，提高器件的可替换性。

当激光器工作温度不断升高时，同样的偏置电流下，出射光功率会逐渐变小。为此，在调节激光器的工作温度时，需要同时不断调节激光器的偏置电流。一般情况下，工作温度每增加5℃，出射功率下降1dBm到1.5dBm，这就意味着电流需上调5mA到10mA。激光器的最佳工作电流一般在30mA-100mA，而低于30mA电流，出射眼图会裂化比较严重；如果电流太高，同样会因为出射光功率过大，导致眼图不好，不能满足协议要求。其中，当激光器芯片工作温度在40-65℃时，激光器偏置电流可在30mA-80mA间调节，进而得到满足协议要求的出光强度。而工作温度在20-40℃时，如果不降低偏置电流，出光功率过大会导致接收端眼图差；如果降低偏置电流，会使工作电流低于30mA，出射眼图会裂化。因此，当工作温度在40-65℃时，可通过调节电流来调整出射光功率；而当工作温度在20-40℃时，通过调节电流已经难以得到满足要求的出光功率。

在本实施例中，为解决低温(20℃-40℃)时激光器出光功率过大、接收端眼图裂化的问题，在发射端的出光波长范围内，将所述出光滤光片53设计为短波方向透过率较低，长波方向透过率较高，其中，在短波范围内，透过率随波长增加而增加；在长波范围内，透过率高于50％。具体为：在低温范围(20℃-40℃)内通过调节电流难以得到满足要求的出光功率，低温范围内出光波长较短，归为短波，短波范围的光信号透过率需设计为较低，且波长越短，透过率越低；在高温范围(40℃-65℃)内的出光波长较长，归为长波，长波范围的光信号透过率需设计为较高，透射曲线如图5所示，从而避免了低温时出光功率过大的问题。其中，图5中的横坐标表示波长范围，纵坐标表示对应波长下的透过率，由图5可知，20℃时对应的1550.1nm光信号透过率为不大于50％，此时可调节激光器出光功率约为0dbm；从20℃到40℃，出光波长由1550.1nm逐渐增加至1552.5nm，对应的光信号透过率逐渐增加；65℃时对应的1553.7nm滤光片透过率为99％，出光功率约为0dbm。

为实现上述透射效果，所述出光滤光片53具体包括基底和膜系结构，所述基底的材质为BK7，折射率n_SUB＝1.52，所述膜系结构铺设在所述基底表面，且所述膜系结构由高折射率的Ti₂O₅与低折射率的S_iO₂交叉镀层形成。其中，高折射率材料Ti₂O₅的折射率n_H＝2.06，低折射率材料S_iO₂的折射率n_L＝1.45。在该具体实施例中，根据图5所示的透射曲线，通过计算机仿真模拟与计算，设计得到的满足图5中透射曲线的膜系结构为A/(HL)6H2LH(LH)6L(HL)7H2LH(LH)7L(HL)7H2LH(LH)7L(HL)6H2LH(LH)6/G。其中，所述膜系结构中两种材料的铺设层数以及每层铺设厚度通过模拟计算得到，在本实施例中，Ti₂O₅与S_iO₂共交叉铺设有88层，每层的厚度通过计算机模拟设计确定。由此得到的所述出光滤光片通道损耗小于0.3dbm，通道宽度为3nm，中心波长为1552.5nm，中心波长插入损耗为-0.11db；满足50GHz滤光片要求指标。

其中，本发明实施例中所使用的波长值、温度值以及具体的透过率值均是为了便于描述而做出的举例，并不用以限制本发明，在本发明实施例的基础上，还可根据实际需要选择其他的波长及透过率值等，此处不再赘述。

综上所述，相对于传统的TO封装形式的单纤双向器件，本发明实施例所提供的可控温的集成单纤双向器件具有以下优点：发射器与接收器封装在同一管壳内且共用一个光接口，简化了系统结构，结构紧凑、工艺难度低、工艺时间短，更适合批量生产；相比于滤光片方案，通过波分复用器连接发射器、接收器和光接口，工艺较为简单；通过TEC来调整激光器工作温度，进而调整激光器出光中心波长，从而实现了发射器出光中心波长的精确可调，使用单只器件实现多波功能，提高器件可替换性；将出光滤光片设计为为短波方向透过率较低，长波方向透过率较高，改善了激光器低温时出射光过大、眼图裂化的现象；相对与常规TO封装形式，BOX封装形式由于管壳高频特性好，信号链路阻抗匹配程度高，发射端芯片可选择带宽超25Gbps的激光器芯片，实现密集波分光信号的传输，提高光纤通信能力。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种可控温的集成单纤双向器件，其特征在于，包括封装壳体(1)、发射器(2)、接收器(3)、光接口(4)以及波分复用器(5)，所述发射器(2)、所述接收器(3)与所述波分复用器(5)均封装在所述封装壳体(1)内部，所述光接口(4)设置在所述封装壳体(1)上；

所述发射器(2)与所述接收器(3)共用所述光接口(4)，所述波分复用器(5)用于连接所述发射器(2)、所述接收器(3)与所述光接口(4)，使得所述发射器(2)的出光信号经过所述波分复用器(5)后耦合进光纤，光纤入光信号由所述波分复用器(5)耦合进所述接收器(3)；其中，所述发射器(2)内设有TEC，用于调整所述发射器(2)内激光器的工作温度进而调整出光中心波长；

所述波分复用器(5)包括玻璃底板(51)、棱镜(52)、出光滤光片(53)、入光滤光片(54)以及实心玻片(55)，所述棱镜(52)、所述出光滤光片(53)、所述入光滤光片(54)以及所述实心玻片(55)均固定在所述玻璃底板(51)上，两个滤光片位于所述棱镜(52)与所述实心玻片(55)之间；其中，所述出光滤光片(53)与所述入光滤光片(54)均为带通滤波片；

所述出光滤光片(53)具体包括基底和膜系结构，所述基底的材质为BK7，折射率n_SUB＝1.52，所述膜系结构铺设在所述基底表面，且所述膜系结构由高折射率的Ti₂O₅与低折射率的S_iO₂交叉镀层形成；其中，膜系结构为A/(HL)6H2LH(LH)6L(HL)7H2LH(LH)7L(HL)7H2LH(LH)7L(HL)6H2LH(LH)6/G；

在发射端的出光波长范围内，所述出光滤光片(53)对于短波的透过率低于对于长波的透过率；其中，在短波范围内，透过率随波长增加而增加；在长波范围内，透过率高于50％。

2.根据权利要求1所述的可控温的集成单纤双向器件，其特征在于，所述出光滤光片(53)与所述发射器(2)相对设置，所述入光滤光片(54)与所述接收器(3)相对设置，且所述出光滤光片(53)和所述入光滤光片(54)之间的间距与所述发射器(2)和所述接收器(3)之间的间距一致。

3.根据权利要求1所述的可控温的集成单纤双向器件，其特征在于，所述出光滤光片(53)包括基底和膜系结构，所述基底的材质为BK7，所述膜系结构铺设在所述基底表面，且所述膜系结构由高折射率的Ti₂O₅与低折射率的S_iO₂交叉镀层形成；其中，所述膜系结构中两种材料的铺设层数以及每层铺设厚度通过模拟计算得到。

4.根据权利要求1所述的可控温的集成单纤双向器件，其特征在于，所述发射器(2)及所述接收器(3)使用满足线性调制方式的光电芯片，以支持PAM4调制方式。

5.根据权利要求1所述的可控温的集成单纤双向器件，其特征在于，所述发射器(2)使用DML或EML调制形式的激光器芯片。

6.根据权利要求1所述的可控温的集成单纤双向器件，其特征在于，所述发射器(2)使用LAN-WDM、CWDM或DWDM激光器芯片。

7.根据权利要求1所述的可控温的集成单纤双向器件，其特征在于，所述波分复用器(5)为两通道或四通道的形式。

8.根据权利要求1所述的可控温的集成单纤双向器件，其特征在于，所述光接口(4)采用尾纤形式或一体式插针的形式。

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