一种基于波分复用技术的多芯多模光收发模块

本发明涉及的是一种基于波分复用技术的多芯多模光收发模块，可用于数据中心短距离的多波长收发双工光纤通信传输，属于光纤通信器件。

背景技术：

1、光通信技术是一种利用光学信号传输信息的技术，具有高速、稳定、安全等优点，被广泛应用于信息传输﹑数据处理和设备控制等领域，随着数字化和信息化的深入发展，光通信技术将会越来越受到重视，并在不同领域中发挥更加重要的作用。

2、光通信传输技术基于光波传输原理，将光信号作为信息载体进行传输。光通信传输系统主要由发射器、光纤、接收器等部分组成。发射器通过电信号控制激光器产生光信号，经过光纤传输到接收器，接收器将光信号转换成电信号。光通信传输技术的关键技术在于光纤的制造和光信号的调制与解调。光纤的制造需要高精度的材料加工和光纤连接技术，光信号的调制与解调需要高速﹑高精度的电子学器件来实现。光通信传输技术按照不同的传输方式和应用场景可以分为多种不同类型，包括单模光纤传输、多模光纤传输﹑自由空间光通信等。其中，单模光纤传输具有传输距离长﹑传输速度快、抗干扰性强等特点，适用于长距离高速传输。多模光纤传输则具有成本低、应用范围广等特点，适用于短距离和中距离传输。光通信传输技术的特点是传输速度快﹑容量大、抗干扰性强、安全性高等。光通信传输速度可达到几十gb/s，比传统的电信传输方式快数十倍甚至上百倍。光通信传输容量也很大，光纤的传输带宽可达到几百thz，可同时传输大量的数据。

3、随着网络和宽带业务的快速发展，互联网流量从2000年以来以每10年约100倍的速度增长。通过扩展传输窗口的光学带宽和增强频谱效率等先进技术，常规单模单芯光纤(single-mode single-corefiber，sm-scf)的传输容量在过去几十年也在呈指数级增长。目前，常规的sm-scf传输系统已经实现了高达100tb/s的传输容量。然而，由于放大器带宽、非线性噪声和光纤熔断现象的限制，现有的常规sm-scf的容量已不再满足不断增长的容量需求，且正接近其100tbls的香农传输极限。按照目前的流量增长趋势，预计在不久的将来会出现容量紧缩问题。物理上讲，增加并充分利用空间维度是进一步提高光纤通信容量的唯一手段，同时也为网络交换提供了一个新的自由度。在空分复用的传输系统中，不同的信号能通过多空间路径同时传输。从空分复用光纤的角度看，有两种方法可以将多空间路径引人光纤。第一种方法是将多个独立的纤芯合并到一根光纤中，一个包层中含有多根纤芯，光纤的传输容量随着纤芯数量的增长而成倍增加，这种光纤被称为多芯光纤(multi corefiber，mcf)。第二种方法是利用光纤中的多种不同模式，光纤的传输容量随着模式数量的增长而成倍增加，这种光纤被称为多模光纤(multi mode fiber，mmf)。从空间密度的角度来看，理论上mmf的空间信道数(spatial channel count，scc)在包层直径为125um时可扩展到30多个，因此mmf可以大幅提高光纤的空间信道数和传输容量。

4、从近年以来，数据中心对光通信技术的需求开始超过电信运营商，全球网络ip流量超过99％与数据中心相关，全球数据中心的流量年复合增长率超过25％，势头增长强劲。在数据中心内部，设备之间的连接距离较短(几米到几百米不等)，基于成本考虑，主要使用多模光纤和多模光模块进行内部通信。其中多模光纤(mmf)实现了单根光纤中的波分复用，具有更高的传输速率，更长的传输距离，更少的光纤芯数，以及较低的布线成本。光收发模块是光纤通信系统的核心器件之一，是光通信设备最重要的组成部分，主要作用是实现光电信号转换。光收发模块主要由光发射组件(transmitter optical sub assembly，tosa)、光接收组件(receiver optical sub assembly，rosa)、收发一体驱动芯片、控制器(microcontroller unit，mcu)组成。tosa将电信号变成光信号，rosa将光信号变成电信号，收发驱动芯片负责驱动光发射组件和光接收组件。数据中心内部的主要由交换机、光收发模块以及服务器机架组成，限制数据中心通信容量增长的瓶颈在于交换机面板端口的密度，过多的线缆端口限制了数据中心的通信容量增长。因此，数据中心的进一步发展迫切地需要一种高速率、高接口密度、低功耗、低延迟、成本经济的光通信链接器件。

5、针对数据中心光纤通信传输的方式诸多，专利号为cn 116540361 a的专利中采用扇入扇出器件进行多芯传输，所用扇入扇出器件的单模端为多根单模单芯光纤，扇入扇出器件的多芯光纤端为一个多芯光纤。该专利可有效减少了光纤传输时的光纤数量，但与终端设备所连接的光纤数量仍未改变。专利号为cn 11 2804007b的专利中主要提升了系统通信容量同时降低器件成本，但并未减少接口光纤数量。专利号为cn113141212b的专利中提出的同步传输方法降低了调制运算复杂度，但仍未提高数据中心容量。专利号为wo 2019/129158a1的专利中主要解决了光模块的封装工艺问题，但不适用于多波长通信传输，并且未能解决终端密度的问题。

6、本发明公开了一种基于波分复用技术的多芯多模光收发模块。可用于数据中心短距离的多波长光纤通信，可广泛用于短距离光纤通信传输。该模块通过通过改变光纤端面形状使不同波长的光信号相互分离，利用光学透镜组对光束进行分离整形，优化了与光收发系统中探测器的耦合效率，降低了解调难度，推动了多芯多模光纤在短距离通信传输中的应用，为大容量通信技术奠定了基础。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种适用于数据中心的波分复用的多芯多模光收发模块。该技术可以缓解数据中心通信容量不足的问题，实现数据中心通信容量的增长。

2、本发明的目的是这样实现的：

3、发明一种波分复用的光收发模块，该模块包括：光纤，用于传输光信号以及连接光模块；光耦合系统，由光学镜组以及光纤端头组成，用于分离不同波长光信号；光收发系统，由激光器、探测器、透镜、半透半反镜以及分束镜组成，用于多波长传输以及实现收发双工。

4、所述光纤为多芯光纤或多芯多模光纤，将光纤的两端研磨成锥型，磨锥角度范围为19～30度，每个纤芯可与磨锥面对应，其作用为改变不同波长光束的发散角，在进入光模块时不同波长光束间距扩大，便于光耦合系统更好的进行光束整形，进一步地，光纤端面形状可以为圆锥型、圆台型、方台型。

5、所述光耦合系统中光学镜组可以由两个或多个光学透镜组成，所用透镜可以为凸透镜、凹透镜、平凸透镜、平凹透镜，合成具有发散特性的透镜组，该光学镜组能增大不同波长光的分散距离，也使光信号能更好的耦合入光收发系统中不同的探测器接收，降低解调难度。

6、所述光纤入射光与光学镜组满足以下规律。

7、当入射光进入光收发模块时，假设孔径角u很小时，这时，光线在光轴附近很小的区域内，这个区域称为近轴区，在近轴区，光轴上物点在近轴区内以细光束是完善的。那么在近轴区物像关系：

8、

9、式中f为焦距，u为物距，即光纤到透镜的距离。v为像距，即光信号通过聚合凸透镜后到分束镜的距离。每一个光信号通过聚合凸透镜后，其焦点都需落在分束镜上。

10、当所用光学镜组多于两个光组组合时，通过光线投射高度和角度追迹计算可得出组合系统是否满足，只要计算最后的出射光纤与光轴的夹角(称孔径角)uk′，则

11、

12、h1是平行于光轴光线的投射高度。

13、对于任意一个单独的光组来说，将高斯公式(2)两边同乘以共轭点的光线在其上的投射高度h有

14、

15、又因有所以

16、

17、利用过渡公式li＝l′i-1-di-1和tan ui-1＝tan ui，得到同一条计算光线在相邻两个光组上的投射高度关系为

18、hi＝hi-1-di-1 tanu′i-1                      (6)

19、所述模块中的光收发系统由激光器、探测器、透镜、半透半反镜以及分束镜组成，该光收发系统作用有两个，一是接收光耦合系统的光束；二是实现收发双工的功能。

20、与在先技术相比，本发明提出的一种基于波分复用技术的多芯多模光收发模块至少具有以下几个优点：

21、(1)器件结构简单，光纤磨锥加工可行性高，适合批量制作。

22、(2)减少光纤数量，降低数据中心终端接线密度。

23、(3)可扩展性强，可用于各种不同纤芯数量的光纤进行匹配。

24、(4)耦合方式可控，可根据不同场景需求，改变磨锥角度，设置光学镜组参数，实现多样化应用。

25、(5)光束整形效果显著，通过光耦合系统进行处理后，不同波长光束径向焦点间距显著扩大，便于探测器在不同位置接收。