利用單波長通信的光收發機的製作方法

2023-05-21 07:54:31

專利名稱：利用單波長通信的光收發機的製作方法
技術領域：
本發明通常涉及一種單波長雙向光收發機，包括具有相同波長的發射器和接收器，更特別的，涉及一種雙路單波長光收發機，具有用於阻止或攔截光路的結構，以防止來自發射器的光信號入射到接收器內，從而克服接收器將從發射器輸出的信號檢測並識別為前向信號，而該輸出的信號並非前向信號(從對應的光收發機發射的信號)的問題，也就是光串擾效應的問題。
背景技術：
近幾年，隨著有線/無線通信應用的增長，需要更高容量、更低損耗以及更高速度的通信系統來實現更多數據的快速傳輸。滿足上述條件的光通信系統成為關注的焦點。光通信根據使用的傳輸方式可分為全雙工類型和雙向類型。雙向傳輸類型又可以細分為單波長傳輸技術和雙波長傳輸技術。使用單波長傳輸技術時，需要在通信系統的兩端使用相同的光收發機。單波長雙向傳輸意味著數據可同時在相同的傳輸線上以單波長進行雙向傳輸。圖1是通常的單波長雙向傳輸方法示意圖。如圖1所示，在單波長雙向傳輸方法中應用兩個單波長雙向光收發機。單波長雙向光收發機包括結合成一體的發射器和接收器。 另外，使用單波長需要用50 50的濾光器(或3dB分光器)來替代波分多路復用濾光器， 從而使信號相互分離。就安裝和維護成本而言，單波長雙向傳輸方法比其他的傳輸方法更加經濟，因為能夠通過相同的光纖傳輸數據。另外，由於提供方和接收方使用相同的波長以及相同的光收發機，因此，該方法還具有易於安裝的優點。單波長雙向光收發機能夠以相同波長發射/接收信號，這需要具有50% -發射和 50%-反射性能的濾光器或分光器。如上所述，當發射器開啟後，光信號的50%被發射，而剩餘的50%被反射。在這種情況中，只有被發射的50%的光信號將與光纖耦合，而其餘被反射的50%的光信號中的一些信號被反射併入射到接收器內。這被稱為「光串擾」效應，其中，前向信號受到來自發射器的一些信號入射到接收器內的影響。光串擾是單波長雙向光學組件(bi-directional optical sub-assembly, B0SA)結構中的重要問題。如上所述，雖然單波長雙向光收發機由於易於安裝且維護成本低而廣泛應用，但是，在現實世界環境中，光串擾可能導致通信業務的信號靈敏度差。

發明內容
本發明用於解決上述描述的相關技術中的問題，本發明的一個方面在於，提供一種單波長雙向光收發機，其能夠阻止光發射信號產生光串擾的第一路徑，該光發射信號從發射器輸出，被濾光器反射，又被機身內壁部分後向反射併入射到接收器內。本發明的另一個方面在於，提供一種單波長雙向光收發機，能夠阻止光發射信號產生光串擾的第二路徑，該光發射信號通過濾光器發射，被光纖反射且不與該光纖耦合，又被濾光器後向反射併入射到接收器內。
根據本發明的一個方面，通過提供一種通過光通信系統來發射/接收具有相同波長的光信號的單波長雙向光收發機，可實現上述及其他目的，該單波長雙向光收發機包括 發射器，該發射器包括隔離裝置並將外部輸入信號轉換為光發射信號；濾光器，用以反射光發射信號的一部分並發射光發射信號的剩餘部分；光纖，用以將濾光器發射的光發射信號傳輸到對應的光收發機；接收器，用以通過光纖接收來自對應的光收發機的光接收信號； 以及機身，用以容納發射器的一部分、濾光器、光纖的一部分和接收器的一部分，其中，對發射器的中心軸和光纖的中心軸之間形成的入射角度(θ2)進行調整，以允許光發射信號傾斜入射到光纖內，從而在發射器將光發射信號發射到光纖時，減少光纖對於沒有與光纖耦合的光發射信號的反射。發射器的入射角度(θ 2)可以通過纖芯折射率(Ii1)以及光纖的剖面法線和光纖的中心軸之間形成的角度(θ D來確定。當光纖的纖芯折射率(Ii1)為1.4682時(當波長(λ) = 1550納米時)，如果光纖的剖面法線和光纖的中心軸之間形成的角度，則發射器的入射角度(θ 2)可能為2.827°，如果光纖的剖面法線和光纖的中心軸之間形成的角度(Q1)為8°，則發射器的入射角度(θ 2)可能為3. 7905°。與光發射信號相耦合的光纖剖面可能是塗有抗反射塗層的，從而為該剖面提供高透射比。在機身的反射點上可以形成吸收裝置，以防止光發射信號在被濾光器反射，又被機身後向反射之後，入射到接收器內。在機身的反射點上可以形成孔洞，以防止光發射信號在被濾光器反射，又被機身後向反射之後，入射到接收器內。形成在反射點上的吸收裝置可以包括黑色環氧樹脂(black epoxy resin)或吸收結構。濾光器的傾斜角度(θ 3)可以通過光纖的剖面法線和光纖的中心軸之間形成的角度(θ J以及發射器的入射角度(θ 2)確定，以便沒有與光纖耦合且被濾光器後向反射併入射到接收器內的光發射信號的量可以降到最低，且光接收信號可垂直入射。如果光纖的剖面法線和光纖的中心軸之間形成的角度(θ》為6°，則濾光器的傾斜角度(θ 3)可以為46. 41°，如果光纖的剖面法線和光纖的中心軸之間形成的角度(θ》 為8°，則濾光器的傾斜角度(θ 3)可以為45. 9°。光纖剖面的傾斜方向可以與濾光器的傾斜方向一致，從而被光纖反射的光可以被引導到吸收裝置，以提供最低限度的反射。


本發明的上述及其他方面、特徵和其他優點將結合附圖，通過下面的詳細描述得以充分理解，其中圖1為通常的單波長雙向傳輸方法示意圖；圖2表示使用傳統的單波長雙向傳輸方法時光收發機內光串擾的第一路徑的示意圖；圖3表示使用傳統的單波長雙向傳輸方法時光收發機內光串擾的第二路徑的示意圖；圖4表示根據本發明一個實施例的利用單波長雙向光收發機的結構阻止光串擾的第一路徑的框圖；圖5A表示根據本發明一個實施例的可應用於單波長雙向光收發機的機身的吸收結構示意圖；圖5B表示根據本發明一個實施例的可應用於單波長雙向光收發機的機身的吸收結構的剖視圖；圖6表示根據本發明一個實施例的利用單波長雙向光收發機的結構阻止光串擾的第二路徑的框圖；圖7表示根據本發明一個實施例的在單波長雙向光收發機內光發射信號和光纖之間的接觸表面的詳細示意圖；圖8表示根據本發明一個實施例的在單波長雙向光收發機內根據發射器角度和光纖剖面角度的變化而反射的光信號的詳細示意圖；圖9表示根據本發明另一實施例的在單波長雙向光收發機內濾光器和光纖的詳細示意圖；圖IOA表示根據本發明一個實施例的當單波長雙向光收發機的濾光器傾斜角度為47°時反射的光信號的詳細示意圖；圖IOB表示根據本發明另一實施例的當單波長雙向光收發機的濾光器傾斜角度為45°時反射的光信號的詳細示意圖；圖IlA表示在傳統的單波長雙向光收發機內產生光串擾的示意圖；圖IlB表示根據本發明一個實施例的在單波長雙向光收發機內沒有出現光串擾時的詳細示意圖；圖12表示根據本發明一個實施例在單波長雙向光收發機內將光纖的傾斜方向配置為與濾光器的傾斜方向相反時反射光信號的傳送路徑示意圖；圖13A表示在通常的BOSA上進行光路跟蹤仿真的結果示意圖；圖1 表示根據本發明一個實施例的在單波長雙向光收發機內將光纖的傾斜方向配置為與濾光器的傾斜方向相反時，進行光路跟蹤仿真的結果示意圖；圖13C表示根據本發明一個實施例的在單波長雙向光收發機內將光纖的傾斜方向配置為與濾光器的傾斜方向一致時，進行光路跟蹤仿真的結果示意圖。
具體實施例方式優選實施例將參照附圖進行詳細描述。之前描述的通常的單波長雙向光收發機的配置和操作將結合附圖在下面進行概述。單波長雙向光收發機通常包括發射器10、接收器20、濾光器30、光纖40和機身50。 在接收到外部信號之後，發射器10將接收到的外部信號轉換為光形式的光發射信號。發射器10可以包括隔離裝置(isolator) 15。在利用半導體雷射(或T0-LD)作為光源的光通信中，隔離裝置15用來阻擋一些從半導體雷射器光源射出且從光部件或連接器反射回來的光。通常地，發射器10可以是雷射二極體(LD)。接收器20接收從對應的光收發機發射的光發射信號並將其轉換為電信號。通常地，接收器20是光電二極體(PD)。濾光器30可以使用50% -發射/50% -反射的濾光器或能以相同波長發射/接收信號的分光器。光纖40與發射的光發射信號耦合併將該信號傳輸到對應的光收發機。機身50容納發射器10的一部分、接收器20的一部分、濾光器30 和光纖40的一部分。機身50用於保護光收發機的組件並阻礙外部信號。傳統的單波長雙向光收發機內的光串擾現象將通過下述三條路徑來描述。圖2表示傳統的單波長雙向光收發機內光串擾的第一路徑的示意圖。如圖2所示， 當從發射器10輸出的光發射信號穿過濾光器30時，產生光串擾的第一路徑。50%-50%濾光器30將從發射器10輸出的光發射信號中的50%朝向機身50的內壁1』反射，同時將剩餘的50%的光發射信號朝向光纖40發射。此時，朝向機身50的內壁1』反射的光，從內壁後向反射並穿過濾光器30入射到接收器20內。該路線被稱為光串擾的第一路徑。圖3表示傳統的單波長雙向光收發機內光串擾的第二路徑的示意圖。如圖3所示， 光串擾的第二路徑在光發射信號穿過濾光器30後產生。穿過濾光器30的光發射信號朝向光纖40傳送且部分地與光纖的剖面2』耦合。此時，光發射信號沒有耦合的部分朝向濾光器30反射，並被濾光器30後向反射到接收器20內。該路線被稱為光串擾的第二路徑。最後，光串擾的第三路徑由光信號的耦合部分產生(圖中未示出)。該耦合的部分光信號被對應的光收發機的連接器終端反射，穿過光纖40傳輸，然後被濾光器30後向反射到接收器20內。光串擾由上述提到的光路徑產生。在這些路徑中，通過第一路徑和第二路徑產生的光串擾是信號噪聲的主要來源。因此，為了克服第一和第二光串擾，本發明實施例意圖阻止機身50產生的信號反射1，和光纖40產生的信號反射2，。圖4表示根據本發明一個實施例的通過單波長雙向光收發機的結構來阻止光串擾的第一路徑的框圖。如圖4所示，本發明的單波長雙向光收發機採用下述方法消除第一光串擾減少被機身50中與濾光器30反射的光發射信號相接觸的內壁部分1』所反射的光信號。為了減少反射的光信號，可採取下述方式在機身50的內壁部分1』內使用吸收裝置，如環氧樹脂或任何吸收結構，以減少反射的光信號的數量；或者，在內壁部分1』內形成溝槽或孔洞，以改變反射的光信號的路徑。圖5A表示可應用於本發明的單波長雙向光收發機的機身50的反射點的吸收結構的實例示意圖，圖5B是該吸收結構的剖視圖。如圖5A和圖5B所示，吸收結構具有內部呈階梯狀且為錐形的剖面，以防止光信號被直接反射。另外，內部階梯狀且為錐形的剖面邊緣為圓形，以適於漫反射。通過在機身50的內壁部分1』上附加或應用這樣的吸收結構，可以防止機身產生的後向反射。圖6表示通過本發明的單波長雙向光收發機的結構來阻止光串擾的第二路徑的框圖。如圖6所示，本發明的單波長雙向光收發機採用增加與光纖40相耦合的光信號的方法來消除第二光串擾。增加耦合的光信號相當於減少被光纖40反射的光信號。增加耦合的方法實例可以包括在光纖40的耦合剖面2，上形成抗反射(Anti-ReflectiVe，AR)塗層， 以便提供高透射比。另外，用幾何方式增加耦合的方法實例可以包括將發射器10的入射角度θ2(參見圖7)改變特定的度數。圖7表示在本發明的單波長雙向光收發機內光發射信號和光纖40之間的接觸表面的詳細示意圖。如圖7所示，光纖40常用的剖面被切割為傾斜角度為6°至8°的傾斜截面，以減少菲涅耳反射。這裡，假定光纖40的剖面的法線和光纖40的中心軸之間形成的角度為剖面角(section angle) θ工，發射器10的傾斜角度θ 2由斯涅耳定律(nlSin θ = n2sine2)確定。就是說，發射器10的入射角度θ 2由纖芯折射率ηι和光纖40的剖面角Q1 確定。相應的，假定光纖40的纖芯折射率Ii1為1.4682(當波長λ = 1550納米時)，如果光纖40的剖面角QiSe。，則發射器10的入射角度92為2.827°，如果光纖40的剖面角QiSS。，則發射器10的入射角度92為3.7905°。圖8表示在本發明的單波長雙向光收發機內，根據發射器10的入射角度θ 2和光纖40的剖面角Q1的變化而反射的光信號的詳細示意圖。發射器10相當於位於圖7所示設備左側的設備，接收器20相當於位於圖7所示設備下方的設備。從圖8可以看出，當發射器角度θ 2調整時，無論光纖40的剖面角為6°還是8°，被反射併入射到接收器20內的光信號的數量都顯著減少。另外，在本實施例中，可以看出，當使用剖面角Q1S^的光纖40，且發射器10的入射角度θ 2改變特定度數以增加耦合時，被反射併入射到接收器20 內的光信號的數量最少。圖9表示根據本發明另一實施例的在單波長雙向光收發機內濾光器30和光纖40 之間關係的詳細示意圖。從圖9中可以看出，濾光器30的傾斜角度θ3基於濾光器30和光纖40的中心軸的法線之間形成的角度確定。在本實施例中，濾光器30的傾斜角度93通常在42°至45°的範圍之內，以便從發射器10輸出的光可被接收器20沒有損耗地接收。如上所述，光纖40的剖面角Q1可以為6°或8°。如果光纖40的剖面角0工為 6°，則發射器10的入射角度θ 2變成2. 82°。此時，根據公式90-2( θ 3)+2. 82，得知濾光器30的傾斜角度θ 3變成46. 41 °。根據公式90- θ 3可知，為了將濾光器30的傾斜角度 θ 3設置為46. 41°，則濾光器支架(filter holder)的角度變為43. 59°。就是說，當濾光器支架的角度變為43. 59°，即濾光器30的傾斜角度θ 3變成46. 41°時，光以直角入射到接收器20內且損耗最低。另外，如果光纖40的剖面角QiSs。，當濾光器30的傾斜角度 93為45.9°時，損耗可能最低，也就是說，濾光器支架的角度為43. 1°。圖IOA表示當本發明的單波長雙向光收發機的濾光器30的傾斜角度93為47°， 即濾光器支架角度為43°時，反射的光信號的詳細示意圖，圖IOB表示當本發明的單波長雙向光收發機的濾光器30的傾斜角度93為45°，即濾光器支架角度為45°時，反射的光信號的詳細示意圖。通過比較圖IOA與圖IOB可以看出，與濾光器30的傾斜角度93為45° 時相比，當濾光器30的傾斜角度93為47°時光串擾進一步降低。光串擾降低程度增加的原因在於，當濾光器30的傾斜角度93為47°時，由於被濾光器30反射的光信號擴散，導致將要入射到濾光器30內的光信號的輸出變弱。圖IlA表示在傳統的單波長雙向光收發機內產生光串擾的示意圖，圖IlB表示在本發明的單波長雙向光收發機內沒有發生光串擾的詳細示意圖。如圖IlA和圖IlB所示， 在本發明的單波長雙向光收發機內沒有發生光串擾，但是在傳統的單波長雙向光收發機內產生了光串擾。圖12表示在本發明的單波長雙向光收發機內當光纖40的傾斜方向配置為與濾光器30的傾斜方向相反時反射的光信號的路徑示意圖。從圖12中可以看出，由於光信號的入射角度等於其相對於光纖40剖面的法線的反射角度，因此，入射後被反射的光朝向吸收裝置傳輸，而不是朝向發射器10。
圖13A表示在通常的BOSA上的光路跟蹤仿真的結果示意圖，圖1 表示在本發明的單波長雙向光收發機內將光纖40的傾斜方向配置為與濾光器30的傾斜方向相反時的光路跟蹤仿真的結果示意圖；圖13C表示在本發明的單波長雙向光收發機內將光纖40的傾斜方向配置為與濾光器30的傾斜方向一致時的光路跟蹤仿真的結果示意圖。從仿真結果可以看出，當光纖40的傾斜方向與濾光器30的傾斜方向一致時，如果反射路徑朝向吸收裝置移動，則內部反射可以被減少。根據優選實施例，單波長雙向光收發機能夠阻止光發射信號產生光串擾的第一路徑，該光發射信號從發射器輸出，被濾光器反射，又被機身內壁部分後向反射併入射到接收器內。進一步的，根據優選實施例，單波長雙向光收發機能夠阻止光發射信號產生光串擾的第二路徑，該光發射信號通過濾光器發射，由光纖反射且不與該光纖耦合，又被濾光器後向反射併入射到接收器內。應當理解，描述的實施例和附圖用於解釋目的，本發明通過下述權利要求來限定。 而且，根據所附的權利要求，在不背離本發明的範圍和精神的前提下，本領域技術人員所作的不同的修改、附加和替換都是允許的，而且均應涵蓋在本發明的範圍之內。
權利要求
1.一種通過光通信系統來發射/接收具有相同波長的光信號的單波長雙向光收發機， 包括發射器，該發射器包括隔離裝置並將外部輸入信號轉換為光發射信號；濾光器，用以反射光發射信號的一部分並發射光發射信號的剩餘部分；光纖，用以將濾光器發射的光發射信號傳輸到對應的光收發機；接收器，用以通過光纖接收來自對應的光收發機的光接收信號；和機身，用以容納發射器的一部分、濾光器、光纖的一部分和接收器的一部分，其中，對發射器的中心軸和光纖的中心軸之間形成的入射角度(θ 2)進行調整，以允許光發射信號傾斜入射到光纖內，從而在發射器將光發射信號發射到光纖時，減少光纖對於沒有與光纖耦合的光發射信號的反射。
2.根據權利要求1所述的單波長雙向光收發機，其中，發射器的入射角度(θ2)由纖芯折射率(Ii1)以及光纖的剖面法線和光纖的中心軸之間形成的角度(Q1)確定。
3.根據權利要求2所述的單波長雙向光收發機，其中，當光纖的纖芯折射率(Ii1)為 1.4682時(當波長(λ) = 1550納米時)，如果光纖的剖面法線和光纖的中心軸之間形成的角度(Q1)為6°，則發射器的入射角度(θ 2)為2. 827°，如果光纖的剖面法線和光纖的中心軸之間形成的角度，則發射器的入射角度(θ 2)為3. 7905°。
4.根據權利要求1所述的單波長雙向光收發機，其中，光纖的剖面是塗有抗反射塗層的，從而為與光發射信號耦合的剖面提供高透射比。
5.根據權利要求1所述的單波長雙向光收發機，其中，在機身的反射點上形成吸收裝置，以防止光發射信號在被濾光器反射，又被機身後向反射之後，入射到接收器內。
6.根據權利要求1所述的單波長雙向光收發機，其中，在機身的反射點上形成孔洞，以防止光發射信號在被濾光器反射，又被機身後向反射之後，入射到接收器內。
7.根據權利要求5所述的單波長雙向光收發機，其中，形成在反射點上的吸收裝置包括黑色環氧樹脂或吸收結構。
8.根據權利要求1所述的單波長雙向光收發機，其中，濾光器的傾斜角度(θ3)由光纖的剖面法線和光纖的中心軸之間形成的角度(θ D以及發射器的入射角度(θ 2)確定，以便沒有與光纖耦合而被濾光器後向反射併入射到接收器內的光發射信號的量可以降到最低， 且光接收信號可垂直入射。
9.根據權利要求8所述的單波長雙向光收發機，其中，如果光纖的剖面法線和光纖的中心軸之間形成的角度(Q1)為6°，則濾光器的傾斜角度(θ 3)為46. 41°，如果光纖的剖面法線和光纖的中心軸之間形成的角度(Q1)為8°，則濾光器的傾斜角度(θ3)為 45. 9°。
10.根據權利要求1所述的單波長雙向光收發機，其中，光纖剖面的傾斜方向與濾光器的傾斜方向一致，從而被光纖反射的光可被引導到吸收裝置，以提供最低限度的反射。
全文摘要
本發明公開了一種通過光通信系統發射/接收具有相同波長的光信號的單波長雙向光收發機。光收發機包括發射器，該發射器包括隔離裝置並將外部輸入信號轉換為光發射信號；濾光器，用以反射光發射信號的一部分並發射光發射信號的剩餘部分；光纖，用以將濾光器發射的光發射信號傳輸到對應的光收發機；接收器，用以通過光纖接收來自對應的光收發機的光接收信號；以及機身，用以容納發射器的一部分、濾光器、光纖的一部分和接收器的一部分。對發射器的中心軸和光纖的中心軸之間形成的入射角度(θ2)進行調整，以允許光發射信號傾斜入射到光纖內，從而在發射器將光發射信號發射到光纖時，減少光纖對沒有與光纖耦合的光發射信號的反射。
文檔編號H04B10/24GK102546030SQ201110282629
公開日2012年7月4日 申請日期2011年9月20日 優先權日2010年12月14日
發明者尹奭漢, 申東鎮, 鄭銀教, 黃美熙 申請人:光電解決方案有限公司