淺談透鏡在5G光器件產(chǎn)品中的應(yīng)用

  ICC訊 光通信中只要有光路傳輸?shù)牡胤綆缀醵紩玫疥P(guān)鍵部件——透鏡。在耦合光路中，透鏡主要起到發(fā)散光匯聚的作用，將匯聚到光纖、探測器、硅波導(dǎo)等等上。按照我們的光通信產(chǎn)品應(yīng)用，大部分有源器件產(chǎn)品會用到1顆或者2顆，乃至3顆透鏡。本篇文章主要給大家講述單雙透鏡在移動通信5G產(chǎn)品上的應(yīng)用，性能特點(diǎn)，以及光路封裝結(jié)構(gòu)。

  一、單透鏡產(chǎn)品及在5G光模塊中應(yīng)用

  單透鏡的種類較多，形狀有球面，非球面，材質(zhì)主要有玻璃、硅、塑料等介質(zhì)。在不同的光器件產(chǎn)品應(yīng)用中，所需要的透鏡的類型及封裝結(jié)構(gòu)也完全不一樣。單透鏡主要特點(diǎn)是光路路程短，器件封裝結(jié)構(gòu)尺寸小，結(jié)構(gòu)簡單;缺點(diǎn)是單透鏡耦合效率較低，一般來說球透鏡耦合效率10~15%，非球透鏡30~50%。圖1給出了球面透鏡和非球面透鏡的光路示意。

  從移動通信5G承載光模塊應(yīng)用場景及需求來看，目前前傳傳輸速率主要以25Gb/s為主。光纖直連和有源WDM/OTN設(shè)備間采用短距灰光模塊;點(diǎn)到點(diǎn)WDM、無源WDM方案中AAU到DU之間的連接則采用彩光模塊。這些模塊中的器件封裝形式一般以TO同軸封裝為主。功耗低，尺寸小，成本低，是器件和模塊的不二選擇。

  5G通信用的25G器件結(jié)構(gòu)大都采用TO-can同軸封裝單透鏡結(jié)構(gòu)。透鏡采取跟管帽燒結(jié)的方式形成一體，再將管帽電阻焊形式與TO-header焊接形成氣密性光器件。

  單透鏡除了與TO管帽相結(jié)合的方式，另外還有方形透鏡，柱形透鏡等在數(shù)據(jù)中心產(chǎn)品、5G中回傳50G器件上也有廣泛應(yīng)用。

  如數(shù)據(jù)中心的非氣密性器件400G,800G短距離傳輸，使用環(huán)境不是太嚴(yán)苛，對于芯片大都使用DML類型，器件光路較為簡單，單透鏡則可滿足耦合效率要求。

  二、雙透鏡的應(yīng)用場合及性能特點(diǎn)

  為了解決單透鏡的耦合效率低，光程短不易放入其他光路元器件，所以需要再增加一顆透鏡，采用準(zhǔn)直光路延長光程，同時(shí)也能進(jìn)一步提高耦合效率，另外對于透鏡的耦合容差也有所提升。在我們的多通道波分復(fù)用組件(TFF BLOCK/ AWG)都是采用雙透鏡光路。這種產(chǎn)品的耦合工藝較單顆透鏡亦要復(fù)雜得多。

  雙透鏡的典型應(yīng)用包括：

  1.多通道波分復(fù)用產(chǎn)品

  在100G、200G波分復(fù)用產(chǎn)品中，將多種波長集成到1根光纖進(jìn)行傳輸，則需要使用雙透鏡的光路方案。實(shí)現(xiàn)方式一般有兩種。第一種采用薄膜濾波片(TFF)方式(如上圖)，在LENS1與LENS2的準(zhǔn)直光路中間加入一個(gè)Z-BLOCK無源器件，實(shí)現(xiàn)CWDM，DWDM, LWDM多波長的復(fù)用。還有一種則采用低成本，集成度較高的陣列波導(dǎo)光柵(AWG)方案, 但插損，帶寬，溫度穩(wěn)定性都比TFF的差。所以一般客戶都不會將AWG方式作為TX端使用，而是配合TFF，將AWG作為RX端使用。

  2.50G BIDI的雙透鏡光路應(yīng)用

  在5G中回傳的50G傳輸距離40km的應(yīng)用需求中，可以采用LAN-WDM兩波長進(jìn)行對接傳輸。這種應(yīng)用中如果采用BOX 封裝結(jié)構(gòu)，則器件成本較為高昂。那可不可以采用BIDI的低成本結(jié)構(gòu)呢，答案是可以的。但是在激光器的TX端則需要使用雙透鏡方式。

  為什么不能采用常規(guī)BOSA 45°Filter方式單透鏡方案進(jìn)行設(shè)計(jì)呢?那是因?yàn)?5°Filter做不到。常規(guī)的灰光模塊BOSA 波長采用的是1270nm跟1310nm，中間間隔40nm帶寬，對于45°Filter的通止帶隔離度來說制作就容易得多。目前45°Filter的能做到波長的最小間隔在20nm。而對于50G的BIDI波長來講，間隔只有15nm左右。那只能采用一個(gè)辦法減小Filter的角度來適用較小間隔的兩波長。

  天孚通信新推出的50G ER BIDI光器件產(chǎn)品支持到50G10km、40km的應(yīng)用，設(shè)計(jì)上采用雙透鏡，耦合效率達(dá)到60%以上。一方面減少光纖的用量，節(jié)約成本，另一方面單纖雙向BIDI消除光纖不對稱性延時(shí)，同時(shí)接入層采用50G PAM4 BIDI更好的滿足帶寬，同步等指標(biāo)的要求。該產(chǎn)品以卓越的產(chǎn)品性能和市場表現(xiàn)在2020光連接大會上，榮獲“2020年度最具影響力光組件產(chǎn)品”獎項(xiàng)。

  從以上應(yīng)用實(shí)例我們可以看到，激光芯片到光纖直連，光程短，無其他光學(xué)元器件，耦合效率要求不是太高，則采用單顆透鏡，封裝類型TO封裝、BOX封裝，以TO封裝應(yīng)用最為廣泛，而在波分復(fù)用場合，光程長有較多光路元器件，需要較高耦合效率提升傳輸距離應(yīng)用產(chǎn)品上，則必須采用雙透鏡的設(shè)計(jì)光路。

  文章來源：微信公眾號“TFC天孚通信”，作者：天孚通信研發(fā)部