Hybrid器件概述

前言

近年来,集成光无源器件体积更小、工艺日趋成熟,占据了相当一部分市场份额。作为光通信关键器件之一,掺铒光纤放大器(EDFA)的集成化、小型化、多功能、低成本,已成为众多厂家竞争的技术焦点。混合光无源器件的集成,并不是采用集成技术去制作器件,而是把分离器件集成到一起。光隔离器、波分复用(WDM)器件、光环形器和分光器(TAP)等集成到一个混合器件里面,可以实现EDFA的上述竞争优势。同时,制作混合光无源器件的工艺,也是实现上述EDFA技术竞争优势的关键因素之一。

光信号在光纤中传输时,通常具有一定的损耗。因此,在光纤网络中需要掺铒光纤放大器(EDFA)对光进行放大,以弥补插入损耗引起的能量损失。作为中远距离光纤网络中非常重要的光放大器件,EDFA在光纤网络里面主要有三种应用,包括中继放大、前置放大和后置放大,以确保光信号能够传输几百、甚至几千公里。除此之外,EDFA还被应用在激光雷达(Lidar)和数据中心(Datacenter)等领域。

本文围绕EDFA的小型化,对混合器件的原理和应用进行了介绍。图1是EDFA模块的原理简图,可以看出,在光模块的输出、输入端均需要小分光比耦合器、隔离器、合波器等。我们把输入端的集成器件称为前置型(一般包括Isolator、WDM、Coupler),而把输出端的集成器件称为后置型(一般包括Isolator和WDM)。


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图1 EDFA原理图


一种典型的在线式光隔离器如图2所示,里面包含几个主要元件:磁环(Magnetic tube)、法拉第旋转片(Faraday Rotator)、半波片(Half wave plate,HWP)、两片铌酸锂(LiNbO3)楔角片(LN Wedge),配合一对光纤准直器。如图2(a)所示,从准直器发射的平行光束经过隔离器芯后,被分开成两束O光和E光,通过接收准直器耦合到出射光纤端口。如图2(b)所示,从out端发射的平行光束经过隔离器芯后,依然被分开成两束O光和E光,但此时O光会变成E光,E光会变成O光,因为O光和E光被分开,故In准直器并不能把这两束光耦合进光纤,从而起到反向隔离光的作用。

 

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 图2 光隔离器原理图


器件一:光隔离器和增益平坦滤波器混合

如图3所示,把光隔离器和增益平坦滤波器(GFF)混合,制作成一个器件,兼具两者的功能,又可以减小尺寸。光隔离器功能如上所述,可以阻止反向光输入。这个器件的混合比较简单,在光隔离器芯后面加一个滤波片即可。滤波片上镀薄膜,透射谱正好与隔离器芯透射谱增益互补,即起到增益平坦的作用。这种光无源混合器件主要用在EDFA和拉曼放大器,具有尺寸小、精确的增益分布匹配、光路无胶和兼容ROHS标准等。


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图3 光隔离器与GFF混合原理图


这种器件可以和光耦合器或者波分复用器件集成,不仅能够使EDFA模块尺寸变小,还可以具有光隔离和增益平坦等功能。其主要指标包括中心波长、插损、回波损耗、偏振独立损耗(PDL)、偏振模色散(PMD)和隔离度等等。


器件二、1x2波分复用和光隔离混合器件(1x2 IWDM)

如图4所示,为1x2 WDM和隔离器混合器件的功能图。由带斜端面的双纤准直器、薄膜技术实现的可调波长滤波片(TFF)、隔离器和带斜端面的单纤准直器组成。从光纤1入射的一束宽带光(如黑色箭头所示),经过渐变折射率透镜(GLENS)准直,光束变成平行光。TFF波片紧贴在GLENS出射端面,并且只允许某个中心波长通过,其余波长光会被反射,通常TFF滤波片通带带宽20nm。TFF片选择某波长透射过去(如绿色箭头所示),从光纤3端口输出。同时,其余波长的光(如红色箭头所示)被TFF波片反射回光纤2端口。


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图4 1x2 混合波分复用和光隔离器件


这种1x2的波分复用和隔离器混合器件(1x2 IWDM),可以用在对隔离度要求较高的EDFA中,既能保证光隔离度达到要求,又能减小整个EDFA模块的尺寸。泵浦光也可以从光纤2端口入射到掺铒光纤(EDF),从而起到光放大的作用,如图1所示。隔离器在这里起到反向隔离的作用,进一步确保WDM器件的隔离度达到EDFA的要求。


器件三、2x4波分复用和光隔离混合器件(2x4 IWDM)

如图5所示,为2x4 WDM与隔离器混合器件的功能图。采用不同中心波长的2片TFF滤波片,就可实现2个1x2 WDM和隔离器混合器件的功能。这种器件采用一个四光纤准直器和一个双光纤准直器,光纤端面都采用斜端面,使回损值满足大于60dB的要求。由于采用四光纤准直器,对耦合工艺要求较高。


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图5 2x4 混合波分复用和光隔离器件


整个器件由一个四光纤准直器、一个双光纤准直器、一个隔离器和两片不同中心波长的TFF滤波片组成。泵浦光可以从光纤2端口和4端口分别入射到掺铒光纤(EDF),从而起到光放大的作用。由于具有两个泵浦光输入端口,因此可以同时输入不同波长的泵浦光,满足EDFA的灵活需求。此器件明显比两个分离的1x2 WDM和隔离器混合器件尺寸小,可以应用在具有更高要求的EDFA模块中,进一步降低其尺寸。


器件四、2x2波分复用器件-光隔离器-光分束混合器件(WDM-ITAP)

Test access port (TAP)/traffic access port(TAP)是一种新兴的用于网络监测的集成设备,其内部不需要提供电,属于无源光网络设备。它提供了一种在不断网络正常流量的情况下,获得网络流量的方法。因此,TAP可以用来实现监测网络性能、解决网络故障、分析网络流量和阻止恶意攻击等一系列功能。

如图6所示,为一个2x2波分复用器件,里面混合集成了隔离器和分光器。1端口连接掺铒光纤侧。输入光束经过双光纤准直器,光束被准直。准直光束通过双隔离器芯,分光棱镜把光束一分为二,其中一束光功率为99%,另一束光功率为1%,分别进入双纤准直器3和4端口。


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图6 WDM-ISO-TAP 混合器件


信号光在器件中的光路如图7所示。信号光从双光纤准直器以一定的离轴角度出射,通过隔离器时发生横向位移X mm,进入分光棱镜后被分成两束,1%的一束向上横移Y mm,99%的一束横向位移不变。这样,从分光棱镜出射的是两束功率比为99:1,间距为Y,夹角为Z°的平行光,恰能耦合到一个双光纤准直器中。


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图7 WDM-ISO-TAP混合光路原理

 

通常,EDFA后向泵浦部分采用WDM-ISO-TAP混合器件,实现起来难度大些。这种器件可以用在EDFA后向泵浦部分,采用混合器件结构,具有体积小、成本低的优势,而且光路也比较容易实现。


器件五、超小型高集成的光放大(OA)无源器件

在光器件小型化、集成化方向,业内提出 All in One的概念,在CIOE2018上展出了一系列超小型高集成的光放大(OA)无源器件,专门为小型/超小型EDFA提供器件级的解决方案,功能示意如图8所示。其中5in1 UHMC超级混合器件(Ultra Hybrid Mini OA Component)在一个φ3.5*25mm的器件内集成了Isolator + 1550/980 WDM + Isolator + Coupler + PD的功能,一支器件即可解决EDFA的无源器件方案。


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(a)

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(b)

图8 超级混合小型化光放大器:(a)功能图;(b)原理图


如图8所示,器件1部分为两个光隔离器芯原理图,光束从准直器入射,经过楔角片、法拉第片和楔角片,分成寻常光(O光)和非寻常光(E光)。由于正向入射时,O光和E分开距离很小,所以能够正常耦合进准直器2输出光纤。由于隔离器芯的作用,反向O光和E光分开距离比较大,无法正常耦合进准直器1的输入光纤,从而起到隔离效果。器件2部分为1x2的WDM器件原理图。从器件1入射的信号光光束,采用渐变折射率透镜对信号光进行二次准直,透镜出射端面贴有薄膜技术实现的可调波长滤波片(TFF),滤波片出射端面镀有特定反射膜,允许特定中心波长通过,剩余波长的光束被反射回2端口。同时,泵浦光从WDM合波器的另一个端口入射,泵浦光波长一般为980nm正向泵浦或者1480nm光反向泵浦。最终,信号光和泵浦光合成一束光,进入掺铒光纤(EDF)被放大。器件4采用分光棱镜把光束分为两束功率比99:1的光,其中1%的光输出到PD端供监测使用,99%的光作为信号光输出。

 作者:杨东堂

Reference

1. Zhujun Wan; Mingcui Cao; Fengguo Luo,etc. Semiconductor optoelectronics,2002.

 

 

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