硅光隔离器引擎

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，尤其涉及一种硅光隔离器引擎。

背景技术

随着光通信技术的飞速发展和波分复用技术的广泛应用，用于光信号传输、处理的器件向高集成的方向发展，出现了高度集成的激光模块，但光从激光器出来后在后续光纤传播时偏振态会发生不受控制的改变，无法应用于不允许偏振态发生变化的光纤干涉仪和一些光纤激光器中，进而影响使用效果。并且光波信号在经过连接器端面时会有4％的光返回原有光路中，影响激光器性能以及降低光路信号质量。再者由于现有激光模块外接的在线式隔离器使用的偏振片晶体中O光和E光的折射率不同，速度不同，在经过隔离器后光信号色散大，在100G或者更高速率的光通信中，信号的完整性保真度受到很大的影响。

目前市场上广为应用的隔离器有偏振相关自由空间隔离器。如图1所示,自由空间隔离器有起偏器，法拉第旋转器，检偏器组成。经过起偏器后的光只有一个偏振态，比如90°偏振态，再经过法拉第旋转器旋转45°后，偏振光发生了45度的旋转，再经过检偏器出来，此时光的偏振态变成45°，如果用光的偏振态作为信息传输，那么这种隔离器只能传输1种偏振态信息。

市场上另外一种偏振无关在线隔离器由准直器和隔离器芯组成。如图2，隔离器原理主要是利用LiNbO3晶体对O光,E光的双折射原理来达到隔离器效果，因为在LiNbO3晶体中双折射时，O,E光的速度不同，引起器件的PMD大，在100G或者更高的速率的光通信中，容易引起信号的失真。并且此方案中由于法拉第旋转片对光的偏振态旋转了45度，器件依然不能保证进光出光偏振一致性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能传输任何偏振态的光信号，并且能保证从硅光出来的光经过隔离器模块后依然保持偏振态不发生改变,即进光出光偏振态一致性，色散小，几乎PMD＝0,保证信号完整性，同时提高系统冗余度的硅光隔离器引擎。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：硅光隔离器引擎，包括母基板，所述母基板上由母基板一端向另一端依次设置有第一子基板、第二子基板、第三子基板、第四子基板、第五子基板、第六子基板；

所述第一子基板上设置有硅光与波导组；所述硅光与波导组沿竖向均匀分布；且每个硅光与波导组包括硅芯片以及波导；

所述第二子基板上阵列有锥型光纤；

所述第三子基板上阵列有第一透镜；

所述第四子基板的一端设置有所有通道共用的隔离器；另一端设置有二分之一波长玻片；所述隔离器包括横向依次设置的正晶体楔形片、GMF法拉第片、负晶体楔形片；

所述第五子基板上阵列有第二透镜；

所述第六子基板上阵列有单纤光纤头；所述单纤光纤头上连接有保偏光纤；

所述硅光与波导组、锥型光纤、第一透镜、第二透镜、单纤光纤头一一对应。

进一步的，所述正晶体楔形片和负晶体楔形片均采用双折射晶体，且均具有一个斜面和一个垂直面；两者的斜面平行；

所述垂直面为S1；所述正晶体楔形片的光轴为光轴A，所述负晶体楔形片的光轴为光轴B，光轴A和B成45°角。

进一步的，所述二分之一波长玻片采用双折射晶体，所述二分之一波长玻片具有的光轴在正向通光的水平方向。

进一步的，所述保偏光纤一端连接光纤连接头，所述光纤连接头可以根据需要做成MT,FC/PC,FC/APC,LC/PC,LC/APC或其他类型的光纤连接头。

进一步的，所述锥形光纤一端设置有第一固定光纤头，另一端设置有第二固定光纤头；所述第二固定光纤头具有的斜8度面与第一透镜的斜8度面平齐。

本发明的有益效果是：本发明所述的硅光隔离器引擎，由于采用保偏光纤和偏振无关隔离器，因此系统能传输任何偏振态的光信号，并且能保证从硅光出来的光经过隔离器后依然保持偏振态不发生改变。其次，由于系统包括横向依次设置的正晶体楔形片、GMF法拉第片、负晶体楔形片和二分之一波长玻片，通过正晶体楔形片、GMF法拉第片、负晶体楔形片和二分之一波长玻片的共同作用，从而使o光和e光在晶体中传输的总光程差保持一致，即使得系统整体传输光信号时色散小(几乎PMD＝0)，能够保证信号完整性；最后，具有多个通道传输相同或者不同波长信号，能够提高系统冗余度。

附图说明

图1为现有技术中偏振相关自由空间隔离器的光路原理示意图；

图2为现有技术中偏振无关在线隔离器的结构示意图；

图3为本发明实施例中硅光隔离器引擎的结构示意图；

图4为现有技术中波导出来的光与圆柱形平端面的光纤进行直接耦合的示意图；

图5为现有技术中波导出来的光通过透镜与圆柱形平端面的光纤进行直接耦合的示意图；

图6为本发明实施例中波导出来的光与锥形光纤直接耦合的示意图；

图7为本发明实施例中锥形光纤的结构示意图；

图8为本发明实施例中隔离器的爆炸示意图；

图9为本发明实施例中隔离器的正向通光和反向通光的原理图；

图10为本发明实施例中隔离器正晶体楔形片和负晶体楔形片的光轴夹角示意图；

图11为本发明实施例中在母基板1上调试安装第二子基板、第三子基板的结构视图；

图12为在图11的基础上调试安装第一子基板的示意图；

图13为在图12的基础上调试安装第五子基板以及第六子基板的示意图；

图14为本发明实施例中隔离器的结构示意图；

图15为本发明实施例中隔离器的测试系统的示意图；

图16为本发明实施例中隔离器进行测试的示意图；

图17为本发明实施例中调试完成后的硅光隔离器引擎的结构示意图。

图中标示：1-母基板，10-第一子基板，20-第二子基板，30-第三子基板，40-第四子基板，80-第五子基板，90-第六子基板，4-正晶体楔形片，5-GMF法拉第片，6-负晶体楔形片，7-二分之一波长玻片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如图1至图16所示，本发明所述的硅光隔离器引擎，包括母基板1，所述母基板1上由母基板1一端向另一端依次设置有第一子基板10、第二子基板20、第三子基板30、第四子基板40、第五子基板80、第六子基板90；

所述第一子基板10上设置有硅光与波导组；所述硅光与波导组沿竖向均匀分布；且每个硅光与波导组包括硅芯片101以及波导102；

所述第二子基板20上阵列有锥型光纤201；

所述第三子基板30上阵列有第一透镜301；

所述第四子基板40的一端设置有所有通道共用的隔离器；另一端设置有二分之一波长玻片7；所述隔离器包括横向依次设置的正晶体楔形片4、GMF法拉第片5、负晶体楔形片6；

所述第五子基板80上阵列有第二透镜801；

所述第六子基板90上阵列有单纤光纤头902；所述单纤光纤头902上连接有保偏光纤901；

所述硅光与波导组、锥型光纤201、第一透镜301、第二透镜801、单纤光纤头902一一对应。

具体的，所述正晶体楔形片4和负晶体楔形片6均采用双折射晶体，且均具有一个斜面和一个垂直面；两者的斜面平行；

所述垂直面为S1；所述正晶体楔形片4的光轴为光轴A，所述负晶体楔形片6的光轴为光轴B，光轴A和B成45°角。

具体的，所述二分之一波长玻片7采用双折射晶体，所述二分之一波长玻片7具有的光轴在正向通光的水平方向。所述保偏光纤901一端连接光纤连接头。所述锥形光纤201一端设置有第一固定光纤头202另一端设置有第二固定光纤头203；所述第二固定光纤头203具有的斜8度面与第一透镜301的斜8度面平齐。

参考图3，在硅光与波导阵列中，第一通道的硅芯片101发出线偏振光波长λ1，假设偏振态为90°，此线偏振光耦合进入波导102，再由波导102经过多级正向Taper反射和多级反向Taper型反射进行模式转换后，耦合进入锥形光纤201中。

从波导出来的光与光纤的耦合实质是两者之间的模场匹配，图4是现有方案中，用圆柱形平端面的光纤进行直接耦合，因为模场失配，其耦合效率很低，约为10％，因此现有改善方案如图5，是在此处增加一个透镜，通过透镜的匹配将光耦合进入圆柱形光纤中。参考图6，本发明使用锥形光纤进行光波的直接耦合，即可以提高耦合效率，又可以省掉透镜的使用，降低了成本。锥形光纤的特点是光纤的包层和纤芯的直径沿光纤轴向均逐渐变细，可认为在整个锥区，包层和纤芯的直径之比是保持恒定的。

图7是锥形光纤的剖面图，α1，α2是不同的光纤锥度，L1，L2是对应不同锥度时的光锥长度，a1,a2是光纤锥的粗端半径，b1,b2是尖端半径。

由两条平行直线被第三条直线所截，内错角相等可以推到出：α3＝α1，α4＝α2，因此有：

由几何图可以看出：

b1＜b2 α1＜α2 L1＞L2

可见当光纤的直径，材料已经设定的情况下，尖端半径b越大，锥角α越大；光纤的锥形过渡区越短，光锥长度L越小，锥角α就越大，锥形变化也就越大。

在制作锥形光纤时，通过控制尖端半径b和光锥长度L的参数，使光波传到光锥尖端的模场与波导出来的光的模场匹配，使插损耦合最低。

本发明使用锥形光纤进行光的耦合，既提高了耦合效率，又节省了此处透镜的使用，降低了成本以及工艺难度。

由于普通光纤在传播光波时，会使光波的偏振态发生不可控制的改变。为保持从硅光与波导阵列出来的线偏振光的偏振态不发生改变，本发明中的锥形光纤采用保偏光纤(保偏光纤(PMF或者PM光纤)是内部的输入线性保偏光波的偏振在光纤内部传播期间不发生变化、或者换句话说内部的光纤的偏振模式之间仅出现较小(或者优选没有)交叉耦合的光纤)。所以线偏振光λ1，偏振态为90°经过保偏光纤的传播后，波长和偏振态保持不变，依然为波长λ1，偏振态为90°。

进一步的，锥形光纤阵列包含有四条光纤，并且每条光纤与硅光阵列耦合的一端成锥形，以便提高耦合效率。第一通道的第一光纤201的另一端纤芯在透镜301的焦点处。每一个通道的光纤右边的纤芯都在该通道的透镜的焦点处。因为从光纤纤芯出来的光为发散光，经过透镜的焦点处传播后，再经过透镜的准直就成了准直平行光。为降低回波损耗，锥形光纤阵列与透镜连接面均采用斜8度来进行光的耦合。

此时，波长λ1的线偏振光经过第一透镜出来的光为准直的线偏振光，偏振态依然为90°。

晶体楔形片4、GMF法拉第片5和负晶体楔形片6构成一个所有通道共用的隔离器。本发明只举例一个通道波长通过此隔离器的原理。

如图8，正晶体楔形片4和负晶体楔形片6都是双折射晶体，两者的斜面平行，垂直面为S1。正晶体楔形片4的光轴定义为光轴A，负晶体楔形片6的光轴定义为光轴B，光轴A和B成45°，在二维坐标显示如图10，取光轴A方向为x轴。

如图9，正向通光时，水平方向的准直光入射到楔形片4时发生双折射现象，产生o光和e光，根据双折射原理，o光波的振动方向垂直于其传播方向与光轴A形成的平面，e光波的振动方向水平于其传播方向与光轴A形成的平面。经过法拉第5和楔形片6时，o光和e光的振动方向都逆时针(从正向光传播方向看，即从左往右边方向)旋转45°，参考图10，o光的振动方向相当于从垂直于其传播方向与光轴A形成的平面，逆时针转到垂直于其传播方向与光轴B所形成的平面。而e光的振动方向相当于从平行于其传播方向与光轴A形成的平面，逆时针转到平行于其传播方向与光轴B所在的平面。此时，再入射到楔形片6时，o光波的振动方向垂直于其传播方向与光轴B形成的平面，e光波的振动方向水平于其传播方向与光轴B形成的平面,因此两束光在两个楔形片中的偏振态分别是o→o和e→e，两个楔型片的组合对正向光相当于一个平行平板，正向光通过后方向不变，依然是水平方向，但经过法拉第的旋转，偏振态逆时针旋转了45°后，又经过二分之一玻片7顺时针旋转45度，就保持了和入射光一样的偏振态。

二份之一玻片7也是双折射晶体，但是其光轴在正向通光的水平方向，光在晶体内部沿光轴传播时不发生双折射，所以，二分之一玻片7只起旋转45°的作用，不会发生双折射现象，就不会影响o光和e光的光程差。

反向通光时，水平方向的准直光入射到楔形片6时发生双折射现象，产生o光和e光，根据双折射原理，o光波的振动方向垂直于其传播方向与光轴B形成的平面，e光波的振动方向水平于其传播方向与光轴B形成的平面。再经过法拉第5和楔形片4，根据法拉第对光的旋转非互易性，o光和e光的振动方向仍逆时针(从正向光传播方向看，即从左往右边方向)旋转45°，参考图10，o光的振动方向相当于从垂直于其传播方向与光轴B形成的平面，逆时针转到垂直于其传播方向与y轴形成的平面,而y轴与光轴A垂直，所以，此时o光变成了平行于其传播方向与光轴A形成的平面，即变成了e光。而e光的振动方向相当于从平行于其传播方向与光轴B的平面，逆时针转到平行于其传播方向与y轴所在的平面，由于y轴与光轴A垂直，因此，e光的振动方向变成了垂直于其传播方向与光轴A形成的平面，变成了o光。因此两束光在两个楔形片中的偏振态分别是o→e和e→o，相当于经过一个沃拉斯顿棱镜。参考图10，反向光通过后偏离原方向，不能耦合进入输入端光纤，达到了反向隔离的效果。

普通的隔离器的两个楔形片组合通常是采用同样材料LiNbO3负晶体，其折射率no＝2.286ne＝2.203,正向通光时，光波经过晶体发生双折射后，o光和e光在晶体内部的折射率不同，速度不同，路径也不同，因此，o光和e光的传播存在光程差，这个光程差对于100G或者更高速率的光通信系统是一个很大的噪声，会引起器件PMD即色散大，信号保真度减弱。本发明中,楔形片4采用正晶体，ne>no,楔形片6采用负晶体ne

由于光的频率f＝1/T,速度C＝λ/T＝λf，ne＝C/ve,no＝C/vo,得出C＝ne*ve＝no*vo。所以在负晶体中，当nevo,e光比o光走得快；在正晶体中，当ne>no时，有ve

综上所述，本发明所述的硅光隔离器引擎，能传输任何偏振态的光信号，并且能保证从硅光出来的光经过隔离器阵列后依然保持偏振态不发生改变。其次，经过双折射晶体后，o光和e光的光程差保持一致，色散小(几乎PMD＝0)，能够保证信号完整性；最后，具有多个通道传输相同或者不同波长信号，能够提高系统冗余度。

实施例

本发明由母基板1，子基板10、20、30、40、80、90，以及基板10上的硅光与波导阵列，基板20上的锥型光纤阵列，基板30上的第一透镜阵列，基板40上的正晶体楔形片4、GMF法拉第片5、负晶体楔形片6、二分之一波长玻片7，基板80上的第二透镜阵列、基板90上的单纤光纤头阵列和连接头阵列组成。子基板固定在母基板上。

本发明可以做成单通道或者多通道波长模块，本发明只举例四通道说明实施方案。具体实施方案如下：

步骤一：如图11，调试通道一：在光耦合调试系统上，将保偏光纤的一端接到光源上输入波长为λ1的光波，将调试准直器A01的光纤接到功率计，调整第一光纤201的光纤头203的斜8度面与透镜301的斜8度面平齐后，系统进行调试，将插损调试至符合规格要求并调试至最小后，将光纤头203用胶水固定在子基板20上，将透镜301用胶水固定在子基板30上。用胶水暂时固定调试准直器A01。

步骤二：如图12，将子基板20上的保偏光纤接光源的一端加工成锥形光纤，并用透光材质的光纤头202固定住锥形的一头。

步骤三：如图12，将已经调试好的硅光模块(每个通道的硅光芯片101和波导102已调试并排列固定好在子基板10上)作为光源。将调试准直器A01的光纤接入功率计，调试调整光纤头202的位置，使硅光模块通道一的光耦合进入锥形光纤201中，并通过上一步调试好的光路耦合进入功率计中。调试至插损符合规格并最小后，固定光纤头202在子基板20上。

步骤四：重复步骤一到步骤三，将其他通道的锥形光纤和透镜调试好并固定在子基板上。此时，子基板10，20，30上的器件已经调试好并固定在基板上。取下调试准直器A01。

步骤五：如图13，将保偏光纤901的尾纤接到功率计上，调试通道一时，调整透镜801和光纤头902的斜八度面对齐后，调试光路，光由硅光芯片发出经波导后耦合进入锥形光纤，再经过透镜301的准直后进入透镜801，再经透镜801会聚进入光纤901后，进入功率计中。调试光路至插损符合规格并至最小后，用胶水固定透镜801在子基板80上，用胶水固定光纤头902在子基板90上。

步骤六：重复步骤五，调试其他通道并将子基板80上的透镜固定好在相应通道位置上，将子基板90上的光纤头用胶水固定在相应通道位置上。

此时，子基板10，20，30，80，90上的器件已经调试好并固定好，并且这些子基板是都固定好在母基板上的。

步骤七：隔离器芯的制作；

隔离器芯是先将大片隔离器调试出来，测试合格后，再经过切割工艺切割成符合规格的小尺寸隔离器芯，然后固定在子基板40上。

如图14，将大片正晶体楔形片4、大片GMF法拉第片5、大片负晶体楔形片6用透光胶水粘贴在一起，经过高温烘烤后，用测试系统(图15)测试插损和隔离度参数，参数必须符合规格要求。测试合格后，用切割工艺将大片隔离器切割成符合规格要求的多个小尺寸隔离器芯，然后经过清洗干净，检查外观合格，进入下一工序。

参考图16，将隔离器芯装到基板40上，并用胶水固定，然后装上二分之一玻片7,并用胶水固定在基板上。并用测试系统再次测试插损、隔离度规格参数。

步骤八：参考图17，将调试好的隔离器芯与子基板40整体放入模块中，并调试光路插损最小后，用胶水固定子基板40在母基板1上。

步骤九：参考图3，整个模块调试好之后，将基板90上的光纤连接功率计的一端穿管制作成光纤连接头，根据需要可以制作成MT,LC/PC,LC/APC/,FC/PC,FC/APC等型号连接头，然后固定在基板90上，方便使用时直接插拔。

至此，硅光隔离器引擎模块已经全部调试好，经过烘烤，测试，验证便可以使用。