CN105372770A - 一种光纤耦合模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤耦合模块，属于有源光缆中的光学组件，现有技术中的有源光缆存在模块体积较大、收发端口数量有限、工艺复杂等缺点；本发明提供的光纤耦合模块，以45°斜端面光纤阵列与激光器阵列耦合，以一个平端面光纤阵列通过直角棱镜和微透镜阵列与光探测器耦合，并将发射组件和接收组件集成在一个模块中，模块结构紧凑、互连密度高，并具有工艺简单的优势。

Description

一种光纤耦合模块

技术领域

本发明属于有源光缆中的光学组件，具体地说是涉及一种高密度的多模光纤耦合模块。

背景技术

随着大数据时代的来临，流媒体、社交网络和云计算等带宽消耗型互联网应用得到蓬勃发展，作为其支撑的数据中心的规模也越来越大，数据中心内部的机柜之间需要大量的数据交换，对互连速度和密度提出更高的要求。传统的电子互连技术不能满足新型数据中心的需求，目前普遍采用有源光缆(AOC)进行机柜之间的互连。在高性能计算机、大容量存储器等系统中，也往往采用有源光缆，以实现设备之间的高速互连。

有源光缆是一种集成的光电模块，它由一对光纤收发模块和一条带状光缆组成，如图1所示。在A端，数据输入为电子信号，通过电光转换组件将电信号转换为特定波长的光信号，光信号经光缆传输到达B端后，再通过电光转换组件转换为电子信号输出。

光纤收发模块包括半导体激光器阵列-光纤阵列耦合组件(即发射组件)、光纤阵列-光探测器阵列耦合组件(即接收组件)，以及激光器阵列和光探测器阵列的驱动电路。大型数据中心急需高密度的互连技术，因此需要将光纤收发模块中的各组件以最紧凑的形式集成起来。

目前的有源光缆技术主要有三类：第一类是将发射组件和接收组件各自封装成独立的模块，这种方案的模块总体积为集成方案的两倍。第二类是将半导体激光器和光探测器排成一个线阵，与光纤阵列进行耦合并封装为一个集成模块，这种方案的缺点是，当限定模块的宽度时，能够容纳的并行收发端口数有限。第三类是将半导体激光器和光探测器排成一个2×N的阵列，以两个光纤阵列分别与激光器阵列和光探测器阵列耦合，封装成一个集成的收发模块，这种方案能容纳最多的并行收发端口数。

对上述第三类光纤收发模块，韩国电子通信研究院的科学教报道了一种技术方案，他们将一个2×N端口的二维光纤阵列，端面抛光成45°斜面，通过贴装于光纤阵列下表面的微透镜阵列与激光器阵列和光探测器阵列进行耦合。这种技术方案对光纤阵列的制作工艺有非常高的要求，因为对二维光纤阵列，很难保证两排光纤之间的定位精度。

鉴于以上情况，现有的有源光缆存在模块体积较大、收发端口数量有限、工艺复杂等缺点。

发明内容

针对现有技术体积较大、收发端口数量有限、工艺复杂等缺点，本发明提出一种新型的光纤耦合模块，旨在解决以上技术的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种光纤耦合模块，其特征在于，所述光纤耦合模块包括：激光器阵列、45°端面的光纤阵列、光纤连接器、平端面光纤阵列、微透镜阵列、直角三棱镜、光探测器阵列和和基底；

所述激光器阵列和所述光探测器阵列设置在所述基底上；所述微透镜阵列粘贴在所述直角三棱镜的入射直角面上；所述45°端面的光纤阵列与所述平端面光纤阵列背靠背粘贴在一起，所述45°端面的光纤阵列的尾纤与所述平端面光纤阵列的尾纤均穿入所述光纤连接器中；

所述激光器阵列与所述45°端面光纤阵列直接耦合，构成该光纤耦合模块中的发射组件；

所述平端面光纤阵列与所述光探测器阵列通过所述直角三棱镜和所述微透镜阵列进行耦合，构成该光纤耦合模块的接收组件。

优选地，所述激光阵列为VCSEL激光器阵列；

优选地，所述光纤连接器为2×N芯MPO光纤连接器；

优选地，所述微透镜阵列为多晶硅材料制作的微透镜阵列。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，、能够取得以下技术有益效果：

(1)本发明提出一种新型的光纤耦合模块，以45°斜端面光纤阵列与激光器阵列耦合，以一个平端面光纤阵列通过直角棱镜和微透镜阵列与光探测器耦合，并将发射组件和接收组件集成在一个模块中，模块结构紧凑、互连密度高，并具有工艺简单的优势。

附图说明

图1是典型的有源光缆结构示意图；

图2是本发明所述的高密度光纤耦合模块结构示意图；

图3是45°端面光纤阵列的三视图,(a)为主视图，(b)为俯视图，(c)为左视图；

图4是平端面光纤阵列的三视图,(a)为主视图，(b)为俯视图，(c)为左视图；

图5是光纤端面至光探测器端面的光路示意图；

图6是微透镜阵列的三视图,(a)为主视图，(b)为俯视图，(c)为左视图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图2所示,本发明所述的高密度光纤收发模块包括VCSEL激光器阵列1、45°端面的光纤阵列2、2×N芯MPO光纤连接器3、平端面光纤阵列4、微透镜阵列5、直角三棱镜6、光探测器阵列7和和陶瓷基底8。其中激光器阵列1和光探测器阵列7以高精度的贴片机贴装在同一个陶瓷基底8上；微透镜阵列5粘贴在直角三棱镜6的入射直角面上；45°端面的光纤阵列2与平端面光纤阵列4以胶水背靠背粘贴在一起，尾纤均穿入MPO光纤连接器3中，制成可插拔式的光纤收发模块。

VCSEL激光器阵列1与45°端面光纤阵列2直接近距离耦合，构成该光纤收发模块中的发射组件。激光器阵列发出的竖直向上的激光束，在45°端面光纤阵列的斜端面发生全反射，折向水平方向在光纤中传输。为了保证光束的耦合效率，光纤应尽量贴近激光器阵列的表面，因此在制作光纤阵列时，让光纤突出定位基片一定长度，如图3所示。

平端面光纤阵列4与光探测器阵列7通过直角三棱镜6和微透镜阵列5进行耦合，构成该光纤收发模块的接收组件。平端面光纤阵列4如图4所示，从光纤输出的光束沿水平方向传输，经直角三棱镜6的斜面反射之后，入射在光探测器阵列7上。由于光纤发出的是发散光束，为了保证耦合效率，在三棱镜的入射直角面上贴装微透镜阵列5。

在装配过程中，首先通过精密光学调整架，将激光器阵列1与光纤阵列2调节至精确对准并固定。背靠背粘贴的45°端面光纤阵列2与平端面光纤阵列4之间的相对定位精度是没有工艺保证的，在光纤阵列2与激光器阵列1精确对准的前提下，光纤阵列4与光探测器阵列7之间则非精确对准，可以通过调节三棱镜6的倾角来纠正二者之间的对准误差。

从光纤阵列4经微透镜阵列5和三棱镜6至光探测器阵列7的光束传播过程，如图5所示。由于光纤端面被置于微透镜的焦面上，入射在光探测器上的是平行光，光束直径W取决于光纤的数值孔径NA和微透镜的焦距f，如式(1)。

W＝2f·NA(1)

微透镜阵列5如图6所示，一般是通过微电子工艺在基底材料上刻蚀而成的单球面透镜阵列，透镜焦距f取决于球面的曲率半径R和基底材料的折射率n，如式(2)；透镜球面的弧高H取决于透镜孔径D和球面曲率半径R，如式(3)。

$f=\frac{R}{n-1}---\left(2\right)$

$H=R-\sqrt{R^2-\frac{D^2}{4}}---\left(3\right)$

由式(2)可知，在给定基底材料折射率n的情况下，透镜焦距f越小，则球面曲率半径R越小；而由式(3)可知，在给定透镜孔径D的情况下，透镜曲率半径R越小，则球面弧高H越大。由此构成尺寸关系：f减小→R减小→H增大。

根据式(1)，光斑尺寸W与透镜的焦距f成正比，而为了实现高密度的互连，要求光纤间距越小越好(通常为250微米)，因此限制了透镜孔径D和光斑尺寸W，继而要求透镜焦距f越小越好。根据上述尺寸关系，这会造成透镜球面的弧高增加。

由于微透镜阵列一般以微电子刻蚀工艺加工而成，球面弧高H不能做到很大，实际的工艺能力与高密度互连的需求相矛盾。考察上述公式(2)，对应相同的焦距f(根据式(1)对应相同的光斑尺寸W)，当微透镜基底材料的折射率n增大时，球面曲率半径R亦增大，从而减小对透镜球面弧高H的要求。

微透镜阵列通常以石英玻璃或者多晶硅制作，在有源光缆通常工作的850纳米波段，石英玻璃的折射率为1.45，多晶硅的折射率为3.44。根据式(2)，对应同样的光斑尺寸即透镜焦距，采用多晶硅材料制作的微透镜阵列，较之石英玻璃材料，透镜的球面曲率半径增加4.4倍，球面弧高可以大幅减小。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种光纤耦合模块，其特征在于，所述光纤耦合模块包括：激光器阵列、45°端面的光纤阵列、光纤连接器、平端面光纤阵列、微透镜阵列、直角三棱镜、光探测器阵列和基底；

所述激光器阵列和所述光探测器阵列设置在所述基底上；所述微透镜阵列粘贴在所述直角三棱镜的入射直角面上；所述45°端面的光纤阵列与所述平端面光纤阵列背靠背粘贴在一起，所述45°端面的光纤阵列的尾纤与所述平端面光纤阵列的尾纤均穿入所述光纤连接器中；

所述激光器阵列与所述45°端面光纤阵列直接耦合，构成该光纤耦合模块中的发射组件；

所述平端面光纤阵列与所述光探测器阵列通过所述直角三棱镜和所述微透镜阵列进行耦合，构成该光纤耦合模块的接收组件。

2.如权利要求1所述的光纤耦合模块，其特征在于，所述激光阵列为VCSEL激光器阵列。

3.如权利要求1所述的光纤耦合模块，其特征在于，所述光纤连接器为2×N芯MPO光纤连接器。

4.如权利要求1所述的光纤耦合模块，其特征在于，所述微透镜阵列为多晶硅材料制作的微透镜阵列。