[发明专利]双向耦合光学器件

说明书

本发明公开了双向耦合光学器件。描述了用于将光双向地耦合到光纤中的方法和装置。所公开的装置可以廉价地单件式地来制造，并且集成在具有小外形规格的高速光学收发器中。所描述的方法和装置能够在这样的收发器中实现OTDR功能，并且与安装在布线板或电路板上的传感器部件兼容。

政府支持

本发明是在美国海军授予的补助金N00024-14-C-4060下由政府支持进行的。美国政府对本发明具有一定的权利。

技术领域

本公开内容涉及光学双向耦合装置以及应用光学双向耦合装置的方法。根据本公开内容的实施方式可以被应用于将来自光源的光耦合到光纤中，用于集成在具有小外形规格的低成本封装中的光学时域反射计(OTDR)功能。

背景技术

光纤(与光学纤维同义的术语)为高速数据通信提供了高数据速率和电磁干扰抗扰度。虽然光纤被用于长距离链路，但是现在光纤在短距离应用中——例如在数据中心、飞行器系统和船载系统中——变得流行。这些系统将受益于具有高分辨率的光学时域反射计(OTDR)，以确定光纤故障、断裂、不连续或结构变化的精确位置。

光学收发器被广泛用于使用光纤进行的高速数据传输中。这样的收发器的典型示例是小外形规格可插拔(SFP)，该SFP本质上是为各种网络设备提供即时光纤连接的紧凑的热插拔连接器。外形规格和电气接口是在小外形规格委员会(Small Form FactorCommittee)的支持下由多源协议(MSA)来规定的。

由于光学收发器在光学网络中的大量使用，因此在某些情况下，非常希望将OTDR功能添加到这样的收发器。OTDR功能的这样的集成应当是成本效益高的。作为示例，SFP光学模块是常用类型的收发器，并且为了保持竞争力，向SFP光学模块添加任何新功能诸如OTDR需要是成本低廉的实现。这给嵌入式OTDR系统的设计带来了严峻的挑战。此外，所设计的OTDR系统应该足够小以装配在SFP机械壳体中。在电信领域中已知的是：与外形规格相关的要求是严格的，这是由来自MSA标准的严格规范所强加的。这样的OTDR系统的另一个设计挑战是增加的功能不应该分散数据传输和/或使传输长时间段停止。

大多数现有的嵌入式OTDR系统仅被设计用于仅一种模式的光可以通过的单模光纤(而不用于多种模式的光可以通过的多模光纤)，并且这些OTDR系统通常提供例如大约几十米的较低的分辨率。现有解决方案的另一个问题是使用具有非平面电气接口的多个独立部件的实现通常更昂贵并且需要更大的空间。此外，已知的是非平面电气接口不适用于需要更高速度和更低噪声的数据传输的应用。

现有系统可以用于光纤到户(FTTH)应用，在这些应用中来自中心局的光纤路径可以被分成各个家庭/街区的多条路径。由于距离通常大于几十米，因此低分辨率OTDR系统可以足以满足FTTH应用。然而，存在需要更高的分辨率的其他应用。一个示例是部署了浮点数据中心的军用船只。在这样的系统中，光纤绕船延伸返回到数据中心，并且在某些情况下，感兴趣的光纤长度可能小于10米。在这种类型的应用中，非常需要在更小的距离(例如，低至厘米范围)中调试光纤断裂。这意味着应该实现更高分辨率的OTDR系统(使用数百皮秒范围内的脉冲宽度)。此外，部署在这样的船上的人员通常不擅长调试光纤网络。这意味着集成的OTDR系统应该是即插即用的并且非常容易使用。

贯穿本公开内容使用的术语的定义

贯穿本公开内容，术语“低速光检测器”将用于描述被设计成在kHz范围或更低范围内操作的光检测器。术语“高速光检测器”将用于描述被设计成在GHz范围或更高范围内操作的光检测器。术语“高速数据通信”将用于指代以千兆比特/秒的速率或更高的速率进行的数据传输或接收。

发明内容