一种光学模组、光学系统、光收发模块、激光雷达和光放大系统的制作方法

本技术实施例涉及光传输领域，尤其涉及一种光学模组、光学系统、光收发模块、激光雷达和光放大系统。

背景技术：

1、针对于光通信技术领域的光收发组件，分为光发送侧组件和光接收侧组件。发送侧组件将电信号转化为光信号，并将光信号耦合到光纤进行光传输的核心单元。接收侧组件将光纤中传输的光信号耦合到接收机，并将光信号转化为电信号的核心单元。

2、在光通信系统中，光收发器件进一步组装成光收发模块。传统的双纤双向光收发模块一般有两个端口，光发送侧组件对应光发射端口，连接一根光纤，光接收侧组件对应光接收端口，连接另一根光纤。单纤双向(bi-direction，bi-di)光模块只有一个端口，连接一根光纤，同时实现光信号的发送和接收。因此，bi-di光模块最主要的优势是节省光纤资源，并减少对光传输系统链路中其它系统端口的浪费。然而，现有的bi-di光模块存在占用空间大、插损大和成本高的问题。

技术实现思路

1、本技术实施例提供了一种光学模组以及与光学模组相关的装置，该光学模组的集成度较高，便于实现小型化，并且引入的插损较低。

2、第一方面，本技术实施例提供了一种光学模组，该光学模组包括：第一端口、第二端口、第三端口、第一偏振合分束模块、第二偏振合分束模块、偏振调节模块和磁体。第一端口和第三端口设置在第一偏振合分束模块的第一端面，第二端口设置在第二偏振合分束模块的第一端面。偏振调节模块和磁体位于第一偏振合分束模块与第二偏振合分束模块之间。偏振调节模块上除了在第一方向上的两个端面外的至少一个端面与磁体贴合，磁体用于给偏振调节模块提供磁性。其中，第一方向指的是在光发送方向上光输入偏振调节模块的方向，第二方向指的是在光接收方向上光输入偏振调节模块的方向，第一方向与第二方向相反。

3、在光发送方向上，第一偏振合分束模块用于对从第一端口输入的第一光束进行偏振分束得到具有第一偏振态的第一偏振光和具有第二偏振态的第二偏振光。其中，第一偏振态和第二偏振态相互正交。接下来，第一偏振光经过偏振调节模块之后仍为第一偏振光，第二偏振光经过偏振调节模块之后仍为第二偏振光。进而，第二偏振合分束模块用于对第一偏振光和第二偏振光进行偏振合束得到第二光束，其中，第二光束从第二端口输出。在光接收方向上，第二偏振合分束模块还用于对从第二端口输入的第三光束进行偏振分束得到具有第一偏振态的第三偏振光和具有第二偏振态第四偏振光。接下来，第三偏振光经过偏振调节模块之后变为具有第二偏振态的第五偏振光，第四偏振光经过偏振调节模块之后变为具有第一偏振态的第六偏振光。进而，第一偏振合分束模块还用于对第五偏振光和第六偏振光进行偏振合束得到第四光束，其中，第四光束从第三端口输出。

4、在该实施方式中，光学模组利用偏振分光的原理实现了光的双向传输，该光学模组的集成度较高，便于实现小型化，引入的插损较低。并且，从第一端口输入的光束可以采用双偏振光束，从而使得第一端口能连接正常光纤而非保偏光纤，有利于节约成本。第一端口和第三端口并排设置在光学模组的同侧，第一端口用于连接光发射模组，第三端口用于连接光接收模组，光发射模组与光接收模组能设计地更紧凑而不用相隔太远。另外，磁体和偏振调节模块都设置在第一偏振合分束模块与第二偏振合分束模块之间，使得光学模组的整体结构更紧凑。

5、在一些可能的实施方式中，第一光束是多波长光束，以便于适配多波长传输的场景。

6、在一些可能的实施方式中，第一光束中第一部分波长的光束具有第一偏振态，第一光束中第二部分波长的光束具有第二偏振态。或者，第一光束中至少一个波长的光束包括第一偏振态和第二偏振态。这里介绍了多波长输入的多种实现方式，扩展了本方案的应用场景。

7、在一些可能的实施方式中，偏振调节模块的第一端面与第一偏振合分束模块的第二端面贴合，偏振调节模块的第二端面与第二偏振合分束模块的第二端面贴合，第一偏振合分束模块的第一端面与第二端面相互平行，第二偏振合分束模块的第一端面与第二端面相互平行。即光学模组为一体化结构，即光学模组中的各组成部分无缝拼接在一起，使得光学模组的整体结构更紧凑，有利于实现光学模组的小型化。

8、在一些可能的实施方式中，偏振调节模块的两侧端面是分别与第一偏振合分束模块和第二偏振合分束模块完全对齐贴合的，使得光学模组的整体结构更规整。

9、在一些可能的实施方式中，光学模组还包括第一反射元件、第二反射元件和第三反射元件。第一反射元件设置在第一偏振合分束模块的第三端面，第二反射元件设置在第一偏振合分束模块的第四端面，第三反射元件设置在第二偏振合分束模块的第三端面。第一偏振合分束模块的第三端面、第一偏振合分束模块的第四端面和第二偏振合分束模块的第三端面相互平行。在光发送方向上，第一反射元件用于对从第一端口输入的第一光束进行反射。第一偏振合分束模块用于透射第一偏振光并反射第二偏振光。第二反射元件用于将第一偏振光反射至偏振调节模块。第三反射元件用于对经过偏振调节模块的第二偏振光进行反射。第二偏振合分束模块用于透射第一偏振光并反射第二偏振光以得到第二光束。在光接收方向上，第二偏振合分束模块还用于透射第三偏振光并反射第四偏振光。第三反射元件还用于将第四偏振光反射至偏振调节模块。第二反射元件还用于对经过偏振调节模块的第五偏振光进行反射。第一偏振合分束模块还用于透射第六偏振光并反射第五偏振光以得到第四光束。这里提供了一种光学模组中的光路设计方式，整体光路较为简单，并且使得两种偏振态的光在光学模组中的光程相近或相同，实现效果更好。

10、在一些可能的实施方式中，第一端口、第二端口和第三端口都连接多模光纤。或者，第一端口连接单模光纤，第二端口和第三端口连接多模光纤。又或者，第一端口和第二端口连接单模光纤，第三端口连接多模光纤。应理解，目前在单纤双向场景中主要都是搭配单模光纤，本技术设计的光学模组也可以搭配多模光纤，扩展了本技术的应用场景。

11、在一些可能的实施方式中，偏振调节模块包括第一偏振调节装置和第二偏振调节装置。在光发送方向上，第一偏振调节装置用于对沿第一方向输入的第一偏振光进行偏振调节得到第一偏振光，第二偏振调节装置用于对沿第一方向输入的第二偏振光进行偏振调节得到第二偏振光。在光接收方向上，第一偏振调节装置还用于对沿第二方向输入的第三偏振光进行偏振调节得到具有第二偏振态的第五偏振光，第二偏振调节装置还用于对沿第二方向输入的第四偏振光进行偏振调节得到具有第一偏振态的第六偏振光。在该实施方式中，偏振调节模块可以由两个偏振调节装置组成，每个偏振调节装置用于处理与之对应的一路偏振光，扩展了本方案的实现方式。

12、在一些可能的实施方式中，第一偏振调节装置包括第一法拉第旋转器(faradayrotator，fr)和第一半波片(half-wave plate，hwp)，第二偏振调节装置包括第二fr和第二hwp。在光发送方向上，第一fr用于将第一偏振光的偏振态朝第五方向旋转45°，第一hwp用于将经过第一fr的偏振光的偏振态朝第六方向旋转45°以得到第一偏振光，第五方向与第六方向相反。在光发送方向上，第二fr用于将第二偏振光的偏振态朝第五方向旋转45°，第二hwp用于将经过第二fr的偏振光的偏振态朝第六方向旋转45°以得到第二偏振光。在光接收方向上，第一hwp还用于将第三偏振光的偏振态朝第五方向旋转45°，第一fr还用于将经过第一hwp的偏振光的偏振态朝第五方向旋转45°以得到第五偏振光。在光接收方向上，第二hwp还用于将第四偏振光的偏振态朝第五方向旋转45°，第二fr还用于将经过第二hwp的偏振光的偏振态朝第五方向旋转45°以得到第六偏振光。该实施方式提供了一种第一偏振调节装置和第二偏振调节装置的具体实现方式，提高了本方案的可实现性。

13、在一些可能的实施方式中，第一偏振调节装置包括第一fr和第一hwp，第二偏振调节装置包括第二fr和第二hwp。在光发送方向上，第一hwp用于将第一偏振光的偏振态朝第五方向旋转45°，第一fr用于将经过第一hwp的偏振光的偏振态朝第六方向旋转45°以得到第一偏振光，第五方向与第六方向相反。在光发送方向上，第二hwp用于将第二偏振光的偏振态朝第五方向旋转45°，第二fr用于将经过第二hwp的偏振光的偏振态朝第六方向旋转45°以得到第二偏振光。在光接收方向上，第一fr还用于将第三偏振光的偏振态朝第六方向旋转45°，第一hwp还用于将经过第一fr的偏振光的偏振态朝第六方向旋转45°以得到第五偏振光。在光接收方向上，第二fr还用于将第四偏振光的偏振态朝第六方向旋转45°，第二hwp还用于将经过第二fr的偏振光的偏振态朝第六方向旋转45°以得到第六偏振光。该实施方式提供了另一种第一偏振调节装置和第二偏振调节装置的具体实现方式，提高了本方案的灵活性。

14、在一些可能的实施方式中，第一fr与第二fr在第三方向上贴合，第三方向与第一方向垂直。磁体用于给第一fr和第二fr提供磁性，以保证第一fr和第二fr的正常工作。

15、在一些可能的实施方式中，第一fr在第三方向上除了与第二fr贴合的端面外的另一个端面与磁体贴合，第二fr在第三方向上除了与第一fr贴合的端面外的另一个端面与磁体贴合。

16、在一些可能的实施方式中，第一fr在第四方向上的两个端面中的至少一个端面与磁体贴合，第一fr在第四方向上的两个端面中的至少一个端面与磁体贴合，第四方向与第一方向和第三方向分别垂直。

17、在一些可能的实施方式中，第二端口优选连接端面为斜面的apc(angledphysical contact，apc)光纤连接器。apc光纤连接器的端面通常研磨成8°斜面，反射光通过斜面角度反射到包层而不是直接沿原光路返回光源，从而最大程度地减少了连接器端面背向反射对发射端以及接收端的影响。

18、在一些可能的实施方式中，对于光接收方向，如果第一偏振调节装置和第二偏振调节装置的实现效果不理想，则可能存在部分的光从第一端口输出并传输至光源。为了避免这种情况，可以在第一端口与光源之间增加隔离器，通过隔离器对从第一端口输出的光束进行隔离。

19、第二方面，本技术实施例提供了一种光学模组，该光学模组包括：第一端口、第二端口、第三端口、第一偏振合分束模块、第二偏振合分束模块、偏振调节模块和磁体。第一端口和第三端口设置在第一偏振合分束模块的第一端面，第二端口设置在第二偏振合分束模块的第一端面。偏振调节模块和磁体位于第一偏振合分束模块与第二偏振合分束模块之间。偏振调节模块上除了在第一方向上的两个端面外的至少一个端面与磁体贴合，磁体用于给偏振调节模块提供磁性。其中，第一方向指的是在光发送方向上光输入偏振调节模块的方向，第二方向指的是在光接收方向上光输入偏振调节模块的方向，第一方向与第二方向相反。

20、在光发送方向上，第一偏振合分束模块用于透射从第一端口输入的第一光束，其中，第一光束具有第一偏振态。接下来，第一光束经过偏振调节模块之后仍为第一光束。进而，第二偏振合分束模块用于透射第一光束，其中，第一光束从第二端口输出。在光接收方向上，第二偏振合分束模块还用于对从第二端口输入的第二光束进行偏振分束得到具有第一偏振态的第一偏振光和具有第二偏振态第二偏振光。接下来，第一偏振光经过偏振调节模块之后变为具有第二偏振态的第三偏振光。第二偏振光经过偏振调节模块之后变为具有第一偏振态的第四偏振光。进而，第一偏振合分束模块还用于对第三偏振光和第四偏振光进行偏振合束得到第三光束，其中，第三光束从第三端口输出。

21、在该实施方式中，光学模组利用偏振分光的原理实现了光的双向传输，该光学模组的集成度较高，便于实现小型化，引入的插损较低。并且，该光学模组在光发送方向上支持从第一端口输入单偏振光束，扩展了光学模组适配的应用场景。第一端口和第三端口并排设置在光学模组的同侧，第一端口用于连接光发射模组，第三端口用于连接光接收模组，光发射模组与光接收模组能设计地更紧凑而不用相隔太远。另外，磁体和偏振调节模块都设置在第一偏振合分束模块与第二偏振合分束模块之间，使得光学模组的整体结构更紧凑。

22、在一些可能的实施方式中，第一光束是多波长光束，以便于适配多波长传输的场景。

23、在一些可能的实施方式中，偏振调节模块的第一端面与第一偏振合分束模块的第二端面贴合，偏振调节模块的第二端面与第二偏振合分束模块的第二端面贴合，第一偏振合分束模块的第一端面与第二端面相互平行，第二偏振合分束模块的第一端面与第二端面相互平行。即光学模组为一体化结构，即光学模组中的各组成部分无缝拼接在一起，使得光学模组的整体结构更紧凑，有利于实现光学模组的小型化。

24、在一些可能的实施方式中，偏振调节模块的两侧端面是分别与第一偏振合分束模块和第二偏振合分束模块完全对齐贴合的，使得光学模组的整体结构更规整。

25、在一些可能的实施方式中，光学模组还包括第一反射元件、第二反射元件和第三反射元件。第一反射元件设置在第一偏振合分束模块的第三端面，第二反射元件设置在第一偏振合分束模块的第四端面，第三反射元件设置在第二偏振合分束模块的第三端面。第一偏振合分束模块的第三端面、第一偏振合分束模块的第四端面和第二偏振合分束模块的第三端面相互平行。在光发送方向上，第一反射元件用于对从第一端口输入的第一光束进行反射。第二反射元件用于将透过第一偏振合分束模块的第一光束反射至偏振调节模块，并透过第二偏振合分束模块传输至第二端口。在光接收方向上，第二偏振合分束模块还用于透射第一偏振光并反射第二偏振光。第三反射元件还用于将第二偏振光反射至偏振调节模块。第二反射元件还用于对第三偏振光进行反射。第一偏振合分束模块还用于透射第四偏振光并反射第三偏振光以得到第三光束。这里提供了一种光学模组中的光路设计方式，整体光路较为简单，并且使得两种偏振态的光在光学模组中的光程相近或相同，实现效果更好。

26、在一些可能的实施方式中，第一端口、第二端口和第三端口都连接多模光纤。或者，第一端口连接单模光纤，第二端口和第三端口连接多模光纤。又或者，第一端口和第二端口连接单模光纤，第三端口连接多模光纤。应理解，目前在单纤双向场景中主要都是搭配单模光纤，本技术设计的光学模组也可以搭配多模光纤，扩展了本技术的应用场景。

27、在一些可能的实施方式中，偏振调节模块包括第一偏振调节装置和第二偏振调节装置。在光发送方向上，第一偏振调节装置用于对沿第一方向输入的第一光束进行偏振调节得到第一光束。在光接收方向上，第一偏振调节装置还用于对沿第二方向输入的第一偏振光进行偏振调节得到具有第二偏振态的第三偏振光，第二偏振调节装置还用于对沿第二方向输入的第二偏振光进行偏振调节得到具有第一偏振态的第四偏振光。在该实施方式中，偏振调节模块可以由两个偏振调节装置组成，每个偏振调节装置用于处理与之对应的一路偏振光，扩展了本方案的实现方式。

28、在一些可能的实施方式中，第一偏振调节装置包括第一fr和第一hwp，第二偏振调节装置包括第二fr和第二hwp。在光发送方向上，第一fr用于将第一光束的偏振态朝第五方向旋转45°，第一hwp用于将经过第一fr的偏振光的偏振态朝第六方向旋转45°以得到第一光束，第五方向与第六方向相反。在光接收方向上，第一hwp还用于将第一偏振光的偏振态朝第五方向旋转45°，第一fr还用于将经过第一hwp的偏振光的偏振态朝第五方向旋转45°以得到第三偏振光。在光接收方向上，第二hwp还用于将第二偏振光的偏振态朝第五方向旋转45°，第二fr还用于将经过第二hwp的偏振光的偏振态朝第五方向旋转45°以得到第四偏振光。该实施方式提供了一种第一偏振调节装置和第二偏振调节装置的具体实现方式，提高了本方案的可实现性。

29、在一些可能的实施方式中，第一偏振调节装置包括第一fr和第一hwp，第二偏振调节装置包括第二fr和第二hwp。在光发送方向上，第一hwp用于将第一光束的偏振态朝第五方向旋转45°，第一fr用于将经过第一hwp的偏振光的偏振态朝第六方向旋转45°以得到第一光束，第五方向与第六方向相反。在光接收方向上，第一fr还用于将第一偏振光的偏振态朝第六方向旋转45°，第一hwp还用于将经过第一fr的偏振光的偏振态朝第六方向旋转45°以得到第三偏振光。在光接收方向上，第二fr还用于将第二偏振光的偏振态朝第六方向旋转45°，第二hwp还用于将经过第二fr的偏振光的偏振态朝第六方向旋转45°以得到第四偏振光。该实施方式提供了另一种第一偏振调节装置和第二偏振调节装置的具体实现方式，提高了本方案的灵活性。

30、在一些可能的实施方式中，第一fr与第二fr在第三方向上贴合，第三方向与第一方向垂直。磁体用于给第一fr和第二fr提供磁性，以保证第一fr和第二fr的正常工作。

31、在一些可能的实施方式中，第一fr在第三方向上除了与第二fr贴合的端面外的另一个端面与磁体贴合，第二fr在第三方向上除了与第一fr贴合的端面外的另一个端面与磁体贴合。

32、在一些可能的实施方式中，第一fr在第四方向上的两个端面中的至少一个端面与磁体贴合，第一fr在第四方向上的两个端面中的至少一个端面与磁体贴合，第四方向与第一方向和第三方向分别垂直。

33、在一些可能的实施方式中，第二端口优选连接端面为斜面的apc光纤连接器。apc光纤连接器的端面通常研磨成8°斜面，反射光通过斜面角度反射到包层而不是直接沿原光路返回光源，从而最大程度地减少了连接器端面背向反射对发射端以及接收端的影响。

34、在一些可能的实施方式中，对于光接收方向，如果第一偏振调节装置和第二偏振调节装置的实现效果不理想，则可能存在部分的光从第一端口输出并传输至光源。为了避免这种情况，可以在第一端口与光源之间增加隔离器，通过隔离器对从第一端口输出的光束进行隔离。

35、第三方面，本技术实施例提供了一种光学系统，该光学系统包括：合波器和如第一方面以及第二方面任一实施方式介绍的光学模组。合波器包括反射元件、hwp、偏振合束器、第一输入端口、第二输入端口和输出端口。反射元件用于将从第一输入端口输入的具有第一偏振态和第一波长的第一偏振光反射至hwp。hwp用于对第一偏振光进行偏振调节得到具有第二偏振态的第二偏振光，第一偏振态和第二偏振态相互正交。偏振合束器用于对第二偏振光和从第二输入端口输入的具有第一偏振态和第二波长的第三偏振光进行偏振合束得到合波光束，并将合波光束从输出端口传输至光学模组的第一端口。通过上述光学系统中的合波器可以将多个偏振态相同但波长不同的光束合波为多波长的双偏振光束输入到光学模组，在多波长的场景下具有较好的实用效果。应理解，实际应用中可以在上述两个波长合波的基础上扩展到更多波长合波的场景。

36、第四方面，本技术实施例提供了一种光收发模块，该光收发模块包括：光发射模组、光接收模组和如第一方面以及第二方面任一实施方式介绍的光学模组。光发射模组用于向光学模组的第一端口发送光束。光接收模组用于接收来自光学模组的第三端口的光束。

37、在一些可能的实施方式中，光收发模块还包括合波器和分波器。合波器用于对光发射模组发射的n路不同波长的光束进行合波，并将合波后的光束发送至光学模组的第一端口。分波器用于对来自光学模组的第三端口的光束进行分波得到n路不同波长的光束，并将分波后的n路不同波长的光束发送至光接收模组。其中，n为大于1的整数。

38、在一些可能的实施方式中，光收发模块还包括合分波器，合分波器包括n个上行端口和n个下行端口，n为大于1的整数。光发射模组用于将n路不同波长的光束分别发射至合分波器的n个上行端口。合分波器用于对来自光源的n路不同波长的光束进行合波，并将合波后的光束发送至光学模组的第一端口。合分波器还用于对来自光学模组的第三端口的光束进行分波得到n路不同波长的光束，并将分波后的n路不同波长的光束发送至光接收模组。

39、在一些可能的实施方式中，光收发模块还包括合分波器，合分波器包括合分波模块、上行波导、下行波导和n个双向波导。光发射模组用于将n路不同波长的光束分别发射至n个双向波导。合分波模块用于对来自光源的n路不同波长的光束进行合波，并将合波后的光束通过上行波导发送至光学模组的第一端口。合分波模块还用于通过下行波导接收来自光学模组的第三端口的光束，对来自光学模组的第三端口的光束进行分波得到n路不同波长的光束，并通过n个双向波导分别将分波后的n路不同波长的光束发送至光接收模组。

40、第五方面，本技术实施例提供了一种激光雷达，该激光雷达包括：光源、光电探测器和如第一方面以及第二方面任一实施方式介绍的光学模组。光源用于向光学模组的第一端口发送光束。其中，从光学模组的第二端口输出的光束向目标物传输，经目标物反射后的光束传输至光学模组的第二端口。光电探测器用于接收来自光学模组的第三端口的光束。

41、第六方面，本技术实施例提供了一种光放大系统，该光放大系统包括：光源、第一光放大器、第二光放大器、反射镜和如第一方面以及第二方面任一实施方式介绍的光学模组。第一光放大器用于对光源发射的光束进行放大并将放大后的光束传输至光学模组的第一端口。第二光放大器用于对来自光学模组的第二端口的光束进行放大并将放大后的光束传输至反射镜。第二光放大器还用于对来自反射镜的光束进行放大并将放大后的光束传输至光学模组的第二端口。

42、本技术实施例提供了一种光学模组，利用偏振分光的原理实现了光的双向传输。即光学模组包括第一端口、第二端口和第三端口，发送侧的光路是从第一端口传输至第二端口，接收侧的光路是从第二端口传输至第三端口。该光学模组的集成度较高，便于实现小型化，引入的插损较低。并且，从第一端口输入的光束可以采用双偏振光束，从而使得第一端口能连接正常光纤而非保偏光纤，有利于节约成本。第一端口和第三端口并排设置在光学模组的同侧，第一端口用于连接光发射模组，第三端口用于连接光接收模组，光发射模组与光接收模组能设计地更紧凑而不用相隔太远。另外，磁体和偏振调节模块都设置在第一偏振合分束模块与第二偏振合分束模块之间，使得光学模组的整体结构更紧凑。