浅谈透镜在5G光器件产品中的应用

2022-11-18 金梦

光通信中只要有光路传输的地方几乎都会用到关键部件——透镜。在耦合光路中，透镜主要起到发散光汇聚的作用，将汇聚到光纤、探测器、硅波导等等上。按照我们的光通信产品应用，大部分有源器件产品会用到1颗或者2颗，乃至3颗透镜。本篇文章主要给大家讲述单双透镜在移动通信5G产品上的应用，性能特点，以及光路封装结构。

ICC讯光通信中只要有光路传输的地方几乎都会用到关键部件——透镜。在耦合光路中，透镜主要起到发散光汇聚的作用，将汇聚到光纤、探测器、硅波导等等上。按照我们的光通信产品应用，大部分有源器件产品会用到1颗或者2颗，乃至3颗透镜。本篇文章主要给大家讲述单双透镜在移动通信5G产品上的应用，性能特点，以及光路封装结构。

一、单透镜产品及在5G光模块中应用

单透镜的种类较多，形状有球面，非球面，材质主要有玻璃、硅、塑料等介质。在不同的光器件产品应用中，所需要的透镜的类型及封装结构也完全不一样。单透镜主要特点是光路路程短，器件封装结构尺寸小，结构简单;缺点是单透镜耦合效率较低，一般来说球透镜耦合效率10~15%，非球透镜30~50%。图1给出了球面透镜和非球面透镜的光路示意。

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从移动通信5G承载光模块应用场景及需求来看，目前前传传输速率主要以25Gb/s为主。光纤直连和有源WDM/OTN设备间采用短距灰光模块;点到点WDM、无源WDM方案中AAU到DU之间的连接则采用彩光模块。这些模块中的器件封装形式一般以TO同轴封装为主。功耗低，尺寸小，成本低，是器件和模块的不二选择。

5G通信用的25G器件结构大都采用TO-can同轴封装单透镜结构。透镜采取跟管帽烧结的方式形成一体，再将管帽电阻焊形式与TO-header焊接形成气密性光器件。

单透镜除了与TO管帽相结合的方式，另外还有方形透镜，柱形透镜等在数据中心产品、5G中回传50G器件上也有广泛应用。

如数据中心的非气密性器件400G,800G短距离传输，使用环境不是太严苛，对于芯片大都使用DML类型，器件光路较为简单，单透镜则可满足耦合效率要求。

二、双透镜的应用场合及性能特点

为了解决单透镜的耦合效率低，光程短不易放入其他光路元器件，所以需要再增加一颗透镜，采用准直光路延长光程，同时也能进一步提高耦合效率，另外对于透镜的耦合容差也有所提升。在我们的多通道波分复用组件(TFF BLOCK/ AWG)都是采用双透镜光路。这种产品的耦合工艺较单颗透镜亦要复杂得多。

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双透镜的典型应用包括：

1.多通道波分复用产品

在100G、200G波分复用产品中，将多种波长集成到1根光纤进行传输，则需要使用双透镜的光路方案。实现方式一般有两种。第一种采用薄膜滤波片(TFF)方式(如上图)，在LENS1与LENS2的准直光路中间加入一个Z-BLOCK无源器件，实现CWDM，DWDM, LWDM多波长的复用。还有一种则采用低成本，集成度较高的阵列波导光栅(AWG)方案, 但插损，带宽，温度稳定性都比TFF的差。所以一般客户都不会将AWG方式作为TX端使用，而是配合TFF，将AWG作为RX端使用。

2.50G BIDI的双透镜光路应用

在5G中回传的50G传输距离40km的应用需求中，可以采用LAN-WDM两波长进行对接传输。这种应用中如果采用BOX 封装结构，则器件成本较为高昂。那可不可以采用BIDI的低成本结构呢，答案是可以的。但是在激光器的TX端则需要使用双透镜方式。

为什么不能采用常规BOSA 45°Filter方式单透镜方案进行设计呢?那是因为45°Filter做不到。常规的灰光模块BOSA 波长采用的是1270nm跟1310nm，中间间隔40nm带宽，对于45°Filter的通止带隔离度来说制作就容易得多。目前45°Filter的能做到波长的最小间隔在20nm。而对于50G的BIDI波长来讲，间隔只有15nm左右。那只能采用一个办法减小Filter的角度来适用较小间隔的两波长。

新推出的50G ER BIDI光器件产品支持到50G10km、40km的应用，设计上采用双透镜，耦合效率达到60%以上。一方面减少光纤的用量，节约成本，另一方面单纤双向BIDI消除光纤不对称性延时，同时接入层采用50G PAM4 BIDI更好的满足带宽，同步等指标的要求。该产品以卓越的产品性能和市场表现在2020光连接大会上，荣获“2020年度最具影响力光组件产品”奖项。

从以上应用实例我们可以看到，激光芯片到光纤直连，光程短，无其他光学元器件，耦合效率要求不是太高，则采用单颗透镜，封装类型TO封装、BOX封装，以TO封装应用最为广泛，而在波分复用场合，光程长有较多光路元器件，需要较高耦合效率提升传输距离应用产品上，则必须采用双透镜的设计光路。

光纤广泛应用于不同的领域，它们在长距离光通信中起着重要作用。在实际中，将光发射到光纤中，尤其是单模光纤，可能是一项具有挑战性的任务，必须仔细选择光纤耦合透镜。在本例中，我们选择了两个市售的镜头，它们具有相同的有效焦距，但表面类型不同。使用这两种透镜分别将光耦合到单模光纤，根据重积分计算耦合效率，并从耦合效率方面来评估它们的性能。