我刚进入光模块行业时，自媒体没现在这么多，网络上光模块相关的基础知识很少，更要命的是这个行业有很多热词、新词，例如SFP、CWDM4、MSA、PON......，对初学者很不友好。
光模块光学设计相关的信息那就更少了，当年着实焦虑了好久......
后来，有机会接触到其他项目的光学设计工程文件，逐字逐句学习消化，之前百思不解的问题都豁然开朗。
仅以此文，给准备入行或入行不久的新手光学工程师们，希望可以帮助入行初期踌躇莫展的你，快速进入状态。
首先，讨论下为什么是“光模块”。
说光模块之前呢，给大家再普及一个知识点。现代社会，电作为最接近人类社会的能源，它代表着生命线，万物都离不开电。
而我们人类产生和传递信息的第一个载体往往就是电，例如电脑里面大部分都是电，但若是使用电为载体的传输信号，存一定的劣势，如传输距离短、带宽低、耗能大等。
人类也一直在探索更好的方案，在高锟提出光纤的插损要求，康宁拉出可用的光纤之后，使用光作为载体进行信号传输成为主流，光通信行业日渐蓬勃发展。
那再说回本文，我们知道信息产生时运转的载体是电，传输时的载体是光。那么，必然存在一个将光转换为电，并将电转换为光的互换过程，我们称其便是光模块。
每次说到光模块这个名字，我忍不住想吐槽三万次，不知道是谁英译后决定将这三个字引入并定义为行业专用词，对非专业人士或刚入行的同学来说，很容易造成误解和歧义。
光模块，乍一听到按字面意思理解是不是以为将光学部件组合在一起的模组？而实际上，光模块的英文全称是Optical Transceiver，正确的翻译是光收发模块，这个术语在笔者看来比光模块这三个字更精准。
光模块中的光学设计，主要实现两大功能：耦合和合分波。这里，我们先聊聊耦合。
光模块是光纤通信中很小、但不可或缺的一个环节，用于实现光电和电光转换。因此它的一端是电口，连接交换机/网卡等；另一端是光口，连接光纤。
由于光电/电光转换元件的不同，从而产生了各种光学设计需求。但是，光模块中的光学设计最终目的就是将光高效/高质地耦合进入光纤。
根据光纤的不同，可以把光模块分为单模和多模两种。这两种光模块内部的光学耦合差别较大。
单模光模块中的光耦合
对于单模光模块而言，光纤中只能传播一个模式，那么必然要求将电光转换元件的输出光整形到匹配的单模，才能实现高效率耦合。
这句话比较虚，我们接下来一步一步拆解。
- 光纤中的模式是啥？光纤对于光而言是束缚，是边界条件，只有满足一定条件的光才能在单模光纤内部稳定传输，满足全部条件的光便是这个模式。打个职业通道的比喻，职员在职场中能走多远，取决于他的技能和成果是否匹配职业通道的要求。假设从工程师升级到部门经理需要十个技能和十项成果，如果一个工程师都满足，那么他便可以在这个职业通道中稳步前进；如果只满足50%，那么他大概率只能走到组长的位置。
- 单模是啥样子？在光通信行业中，大量使用的单模光纤是满足G.652标准的光纤，纤芯直径约为9um，能在这种光纤中稳定传输的光，充盈着整个纤芯，从截面上观察，光的强度呈高斯函数分布：中心强，边缘弱，衡量这个截面上光场大小的指标是模场直径，大概在9um左右，不同波长的光的模场直径不同。
- 模式匹配是指什么？模式是指满足一定条件的光，而模式匹配便是入射光的参数与光纤能够允许传输的模式一摸一样。简单来讲，光可以由波长，幅度，相位来描述，那么要实现高效率耦合，入射光的幅度和相位，必然要与光纤能够允许传输的光场强度和相位相同。例如，将激光器出射光耦合到G.652光纤中，便需要用到透镜，将激光器的模场，变换成直径9um，相位为常数的光场，并在这个位置与光纤端面重叠。
简而言之，单模光耦合的本质是模式匹配。
多模光模块中的光耦合
与单模光模块不同，多模光模块中的光耦合机理更加复杂，但是工程应用却更简单。
多模光纤能够同时传输很多个模式，例如现在大规模使用的OM3多模光纤，能够稳定传输的模式可以达到数百个：除去基模之外，还有很多高阶模式。
在多模光模块中，光源往往是多模VCSEL，它的输出光包含了多个模式。从模式匹配的角度看，似乎需要将光源分解成各个模式，并一一计算各个模式的耦合效率，汇总后得到总的耦合效率。
另外，还需要注意的一点是，多模光纤中各个模式会相互耦合，且某个模式的入射光也可能激发其他模式。
综合考虑这些因素，多模耦合的机理十分复杂，但是在工程上，我们却没有必要这样来计算。
由于多模光纤的模式很多，光的波动特性并不显著，此时可以用几何光学来描述和理解光模耦合。
回忆一下几何光学对光纤的描述，入射光在光纤内部发生全反射，是光纤导光的物理基础。基于此，在做多模耦合的时候，需要完成两点就够了：
- 对光源的光束进行整形，使得数值孔径（入射角）不大于多模光纤的数值孔径（收光角）；
- 整形后入射到多模光纤上的光斑，需要完全落在纤芯内。
简而言之，多模光模块中的光学耦合可视为是数值孔径配合。 |
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