CN100451709C - 高耦合效率光电模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光电模块、一种光电方法和一种制造光电模块的方法。在一个方面中，光电模块包括激光器、球透镜、基座、反射器和聚焦透镜。激光器可操作来产生沿光轴的发散光束。球透镜具有中心。基座具有支撑激光器和对准结构的表面。对准结构在平行于基座表面的平面内和垂直于基座表面的方向上配准球透镜，使球透镜的中心基本与光轴对准，球透镜使发散光束平行而成为准直光束。反射器布置来偏转准直光束，以在与基座表面相交的平面内产生偏转准直光束。聚焦透镜布置来聚焦偏转准直光束。

Description

高耦合效率光电模块
技术领域
本发明涉及一种高耦合效率光电模块。
背景技术
光电模块已被开发来发送光信息或者接收光信息，或者两者兼具。光电模块通常包括至少一个主动器件(例如光接收器或光发送器)以及用于在主动器件和光缆的光纤之间耦合光线的透镜。光电模块通常包括具有孔的连接器，该孔配置来容纳用于保持光缆光纤的套筒。该孔将光纤的末端定位于光电模块的透镜焦点处。
在制造光电模块的过程中，光学元件彼此对准，并与光缆的光纤对准，以优化主动器件与光纤之间的耦合效率。在一种主动对准方法中，机械地操作容纳套筒的连接器，直到由该套筒保持的光纤和该光电模块内的主动器件之间实现最优耦合。在实现最优耦合之后，连接器被结合到光电模块。此过程需要人工交互或者自动将连接器高频抖动到最优位置的昂贵设备。
某些类型的光电模块使用机加工零件来对准主动器件和耦合光学器件。这种机加工零件对准精度较低。为了补偿这些设计中所固有的较大的累积对准失配，连接器通常要在三个维度上主动对准聚焦透镜，以实现与光纤之间的高耦合效率。然而，在三个维度上主动对准增加了光学对准过程的成本和复杂度。
已经开发了平面晶片级光学组件，用于在外部光缆和光电模块的主动元件之间耦合光线。这些光学组件简化了封装主动器件和将耦合光学器件对准外部光缆的任务。这些设计的发送器光路中的耦合光学器件包括将来自激光器的发散光束聚焦到光纤接收端上的单个透镜。使用这种聚焦透镜对沿着激光器和聚焦透镜之间的发送器光路上的光学元件的设计施加了显著的限制。此外，在使用单个球透镜将来自激光器的光聚焦到外部光纤的设计中，球透镜引入了显著的像差，这种像差降低了激光器和外部光纤之间的耦合效率。
发明内容
本发明公开了一种光电模块、一种光电方法以及一种制造光电模块的方法。
在一个方面中，本发明公开了一种光电模块，该光电模块包括激光器、球透镜、基座、反射器和聚焦透镜。激光器可操作来产生沿光轴的发散光束。球透镜具有中心。基座具有支撑激光器和对准结构的表面。对准结构在平行于基座表面的平面内和垂直于基座表面的方向上配准球透镜，使球透镜的中心与光轴基本对准，并且球透镜使发散光束平行而成为准直光束。反射器布置来偏转准直光束，以在与基座平面相交的平面内产生偏转准直光束。聚焦透镜布置来使偏转准直光束聚焦。
在本发明的另一个方面中，产生沿光轴的发散光束。使该发散光束平行，成为准直光束。将该准直光束沿偏转光路偏转。使该偏转准直光束聚焦。
本发明还公开了一种制造上述光电模块的方法。
从下述的说明书，包括附图和权利要求，本发明的其他特征和优点将变得清楚。
附图说明
图1是光电模块的实施例的框图。
图2是光电方法的实施例的流程图。
图3是制造图1中示出的光电模块的方法的实施例的流程图。
图4是图1中示出的光电模块的激光部件的一个实现方案的框图。
图5是图1中示出的光电模块的激光部件的另一个实现方案的框图。
图6A-6C是通过图1中示出的光电模块的光束路径的图解视图，其中，激光器和球透镜之间存在不同程度的轴向偏移，而聚焦透镜和由光电模块的激光部件产生的准直光束之间存在不同程度的横向偏移。
图7A是图1所示的光电模块的实施例中的耦合效率(CE)的曲线图，该曲线图被绘制为激光器和准直透镜之间的轴向偏移的函数。
图7B是图1所示的光电模块的实施例中的耦合效率(CE)曲线图，该曲线图被绘制为外部光纤和聚焦透镜之间的横向偏移的函数。
具体实施方式
在以下描述中，相同的标号用于标示相同的元件。此外，附图意在以图示的方式来解释示例性实施例的主要特征。这些附图无意描绘实际实施例的每个特征，也不是要描绘所示元件的相对尺寸，也未按比例绘制。
下面详细描述的光电模块包括具有对准结构的激光部件，该对准结构用来将激光器和准直球透镜高精度对准。分离的聚焦透镜将来自激光部件的准直光束耦合到外部光纤。激光器和准直球透镜之间的高对准精度放宽了准直的激光与聚焦透镜之间的对准容限，这些对准容限是获得与外部光纤的高耦合效率所需的。此外，在激光部件中对激光进行准直增加了设计这些光电模块的耦合光学部件的灵活性。例如，在一些实现方案中，激光部件和耦合光学部件可以设计并优化为分离的模块元件，从而，可以将单个激光部件设计与不同的耦合光学部件组合来满足不同的应用需要。
图1示出了包括激光部件12和耦合光学部件14的光电模块10的一个实施例。激光部件12包括激光器16、球透镜18和基座20。基座20具有支撑激光器16和对准结构22的表面，对准结构22使球透镜18与由激光器16产生的光束38的光轴40配准。耦合光学部件14包括光学基座24、聚焦透镜26、光学隔离器28和光纤连接器30。光纤连接器30构造来容纳保持光纤34接收端的套筒32。反射器36将来自激光部件12的激光耦合到耦合光学部件14的聚焦透镜26。
图2示出了光电模块10用来将来自激光器16的光耦合到光纤34的接收端的方法的实施例。激光器16产生沿光轴40的发散光束38(框42)。球透镜18使发散光束38平行，成为准直光束44(框46)。反射器36使准直光束44偏转，以产生偏转准直光束48(框50)。聚焦透镜26将偏转准直光束48聚焦到光纤34的接收端上(框52)。
图3示出了制造光电模块10的方法的实施例。
激光部件12按如下步骤制造。首先，提供具有支撑对准结构22的表面的基座20(框60)。一般来说，基座20可以由可在其上形成对准结构22的任意类型的材料形成，包括半导体材料(例如硅)、陶瓷材料和某些塑料材料(例如PTFE)。对准结构22包括一个或多个以高精度设定大小并排列的配准形状(registration feature)。在一些实现方案中，使用±5微米(μm)精度的光刻工艺来设定这些配准形状的大小并排列它们。
图4示出了激光部件12的实现方案，其中对准结构22包括配准层62，其界定了定位腔64和与激光器16的激光输出端紧邻的挡边66。配准层62可以由任意类型的材料形成，只要可以使用薄膜沉积法沉积到基座20的表面上并使用光刻工艺蚀刻。在一种实现中方案，配准层62是旋涂在基座20表面上的聚酰亚胺光刻胶层，经穿过界定定位腔64和挡边66的掩模的紫外光曝光，并显影以在配准层62的未显影区域中形成定位腔64和挡边66。
图5示出了激光部件12的实现方案，在该激光部件中，对准结构22由在基座20中形成的定位腔70构成。在一种实现方案中，光刻胶蚀刻掩膜沉积在基座20的表面上。蚀刻掩膜以光刻方式显影来界定定位腔70的开口。基座20中通过蚀刻掩膜而被曝光的区域被蚀刻以形成定位腔70。在一些实现方案中，使用诸如反应离子蚀刻之类的各向同性蚀刻工艺来蚀刻基座20，形成基本垂直于基座20表面的侧壁。在形成定位腔70后，使用溶剂除去蚀刻掩膜。
定位腔64、70中的每个都在配准层62的顶表面处具有开口，该开口的大小使球透镜18的中心在基座20的表面以上的高度与光轴40的高度一致，以使球透镜18在垂直于基座20的方向(Z)上垂直对准。定位腔的开口可以具有任意的合适形状，包括诸如等边三角形、正方形之类的正多边形和圆形。相对于激光器16的位置，定位腔64的位置被设计来在平行于基座20表面的平面内的方向(X，Y)上对准球透镜18。在一种示例性实现方案中，球透镜18的中心与光轴40在横向(Z)上的±10μm的对准容限范围内对准，球透镜18的中心与光轴40在垂直于光轴40的平行平面内的横向(Y)上的±10μm的对准容限范围内对准，并且球透镜18的中心与光轴40在沿着光轴40的轴向(X)上的±5μm的对准容限范围内对准。这里使用的术语“轴向”指沿着光束轴线的方向，而术语“横向”指在垂直于光束轴线的平面内的方向。
再次参考图3，在已提供基座20后(框60)，激光器16被安装到基座上(框72)。激光器16可以是边发射激光器，例如法布里-珀罗激光器。激光器16可以使用精密模压配装方法(precision die attachmentmethod)结合到基座20的表面。在图4中示出的实现方案中，激光器16的激光输出端紧靠配准层62的挡边66定位。
在激光器16已安装到基座20之后(框72)，将球透镜18配装到对准结构22(框74)。球透镜18可以由具有期望折射率的光学透明材料形成(例如蓝宝石或石英)。在图4和5中示出的实现方案中，球透镜18分别置于定位腔64、70内，并且使用诸如环氧树脂粘合剂之类的粘合剂将球透镜18粘结到基座20。如上面所解释的，定位腔64、70的开口具有严格控制的尺寸，使得球透镜18的中心与光束38的光轴40以高精度对准。
在球透镜18已经配装到对准结构22之后(框74)，提供反射器36(框76)。反射器36包括将准直光束44偏转为偏转准直光束48的平面反射表面。在图示的实现方案中，反射器36是沉积在插入器基座78的侧壁上的反射材料(例如金)薄层，该插入器基座耦合在激光部件基座20和耦合光学部件14的光学基座24之间。在其他的实现方案中，反射器36可以形成为激光部件12的一部分，或者耦合光学部件14的一部分。例如，在一些实现方案中，激光器16、球透镜18和对准结构22形成在基座20中形成的腔内，并且通过将反射材料(例如金层)沉积在该腔的倾斜侧壁上，而将反射器36形成为激光部件12的一部分。
在一些实现方案中，将反射器36的平面反射表面定向为与准直光束44的轴线成45°角，使得偏转准直光束48的轴线垂直于基座20的表面。在其他实现方案中，将反射器36的平面反射表面定向为与准直光束44的轴线成不同于45°的角。例如，在这些实现方案之一中，将反射器36的平面反射表面定向为与准直光束44的轴线成49°角，在这种情形中，偏转准直光束48的轴线相对于基座20的表面成98°角。使偏转准直光束48相对于基座20的表面倾斜一个不同于90°的角度减少了可能对激光器16的性能产生不利影响的背反射。
图6A-6C中的每个分别示出了一组三束模拟激光光路，组中的每条激光光路在激光器16和球透镜18之间具有不同程度的轴向偏移。图6A-6C中示出的模拟光路是基于光电模块10的示例性实现方案计算得来的，其中激光器16具有直径2μm的孔径和0.5的数值孔径(NA)，球透镜18由蓝宝石制成并具有300μm的直径，光学基座24沿偏转准直光束48的轴向具有500μm的厚度，聚焦透镜26由硅制成并沿偏转准直光束48的轴向具有650μm的厚度，光学隔离器28沿偏转准直光束48的轴向具有1100μm的厚度。对于图6A-6C中示出的每个模拟，将反射器36定向为与准直光束44的轴线成49°角，使最终的偏转光束48定向为与基座20的表面成98°角。
在图6A中：模拟光路82对应于聚焦透镜26的轴线与光束48的轴线对准，且激光器16的输出位于球透镜18的焦点上的情况；模拟光路84对应于聚焦透镜26的轴线与光束48的轴线对准，且激光器16的输出相对于球透镜18的焦点偏移+10μm的情况；而模拟光路86对应于聚焦透镜26的轴线与光束48的轴线对准，且激光器16的输出相对于球透镜18的焦点偏移-10μm的情况。
在图6B中：模拟光路88对应于聚焦透镜26的轴线相对于光束48的轴线偏移+30μm，且激光器16的输出位于球透镜18的焦点上的情况；模拟光路90对应于聚焦透镜26的轴线相对于光束48的轴线偏移+30μm，且激光器16的输出相对于球透镜18的焦点偏移+10μm的情况；而模拟光路92对应于聚焦透镜26的轴线相对于光束48的轴线偏移+30μm，且激光器16的输出相对于球透镜18的焦点偏移-10μm的情况。
在图6C中：模拟光路94对应于聚焦透镜26的轴线相对于光束48的轴线偏移-30μm，且激光器16的输出位于球透镜18的焦点上的情况；模拟光路96对应于聚焦透镜26的轴线相对于光束48的轴线偏移-30μm，且激光器16的输出相对于球透镜18的焦点偏移+10μm的情况；而模拟光路98对应于聚焦透镜26的轴线相对于光束48的轴线偏移-30μm，且激光器16的输出相对于球透镜18的焦点偏移-10μm的情况。
在下面的表1中，列出了与图6A-6C中示出的各元件的不同布置有关的模拟耦合效率。
Figure C20051008999000111
表1
基于这些模拟确定：为了维持上述光电模块10的示例性实现方案中的2dB或更小的耦合效率下降，激光器16和球透镜18应该在±4μm的容限范围内对准，并且聚焦透镜26和光纤34应该在±3.5μm的容限范围内对准。此外，这些模拟说明，在激光器16和球透镜18轴向偏移-10μm的情况下，背反射功率水平最高(-43dB)。要注意的是，当将反射器36定向为与准直光束44的轴成45°角时，背反射功率水平为-19dB。
再参考图3，在提供了反射器36之后(框76)，提供聚焦透镜26(框100)。通常，聚焦透镜26可以是任意类型的透镜，包括任意类型的折射透镜和任意类型的衍射透镜。在图示的实施例中，聚焦透镜26是使用粘合剂粘接到光学基座24的折射微透镜。在其他实施例中，聚焦透镜26以光刻方式形成在光学基座24中。光学基座24可以由对偏转的准直激光束48基本透明的任意材料形成。在一种实现方案中，光学基座24由硅形成。在另一实现方案中，光学基座24和聚焦透镜26由蓝宝石形成。
提供聚焦透镜26的过程(框100)包括将连接器30与偏转准直光束48对准。连接器30在聚焦透镜26上方被结合到光学基座24的顶表面。在图示的实施例中，连接器30包括光隔离器28。在其他实施例中，光隔离器28可以位于沿通过光电模块10的激光光路的不同位置处。某些实施例可能不包括光隔离器28。偏转光束48的准直允许通过在垂直于光学基座24的顶表面的平面内简单调整连接器30的位置(所谓的“被动Z对准”)来使连接器30与偏转光束48对准，从而降低光学对准过程的成本和复杂度。
对激光部件12中的激光进行准直还增加了设计光电模块10的耦合光学部件14的灵活性。例如，偏转光束48的准直允许独立于激光部件12对光学基座24的厚度和聚焦透镜26的轴向位置进行优化。
此外，图7A和7B中的曲线图证明，偏转光束48的准直放宽了对聚焦透镜26的横向对准容限的限制。这些曲线图是基于光电模块10的示例性实现方案计算得来的，该光电模块10具有直径为300μm的蓝宝石球透镜18、数值孔径(NA)为0.5的边发射激光器16、球面聚焦透镜26和单模光纤SFM-28。
图7A示出了光电模块10的模拟耦合效率曲线图，其绘制为激光器16和球透镜18之间沿着平行于基座20表面的平面内光轴40的轴向(X)的偏移的函数。图7B示出的模拟耦合效率曲线图绘制为光纤34与聚焦透镜26之间沿着垂直于偏转准直光束48的平面内的横向(Y，Z)的横向偏移的函数。如图7A和7B所示，耦合效率对激光器16和球透镜18之间的轴向偏移远比对光纤34和聚焦透镜26之间的横向偏移敏感。这样，在一些实现方案中，球透镜18的中心与光轴40在第一对准容限范围内轴向对准，而聚焦透镜26与偏转准直光束48在第二对准容限范围内横向对准，其中第二对准容限范围大于第一对准容限范围。
其他实施例也在权利要求的范围之内。

Claims (19)

1.一种光电模块，包括：
可操作来产生沿光轴的发散光束的激光器；
具有中心的球透镜；
基座，所述基座具有支撑所述激光器和对准结构的表面，所述对准结构在平行于所述基座表面的平面内和垂直于所述基座表面的方向上配准所述球透镜，使所述球透镜的所述中心与所述光轴基本对准，并且所述球透镜使所述发散光束平行而成为准直光束，其中，所述激光器和所述球透镜直接安装在所述基座上；
反射器，布置来偏转所述准直光束，以在与所述基座表面相交的平面内产生偏转准直光束；和
布置来聚焦所述偏转准直光束的聚焦透镜。
2.如权利要求1所述的光电模块，其中，所述球透镜的所述中心在第一对准容限范围内与所述光轴对准，并且所述聚焦透镜在大于所述第一对准容限范围的第二对准容限范围内与所述偏转准直光束对准。
3.如权利要求2所述的光电模块，其中，所述球透镜的所述中心在±10μm的对准容限范围内在垂直方向上与所述光轴对准，所述球透镜的所述中心在±10μm的对准容限范围内在垂直于所述光轴的所述平行平面内的横向上与所述光轴对准，并且所述球透镜的所述中心在±5μm的对准容限范围内在沿所述光轴的轴向上与所述激光器对准。
4.如权利要求3所述的光电模块，其中，所述第二对准容限范围是±30μm。
5.如权利要求1所述的光电模块，其中，所述对准结构包括定位腔，所述球透镜部分布置在所述定位腔中。
6.如权利要求5所述的光电模块，其中，所述定位腔具有基本垂直于所述基座表面的侧壁。
7.如权利要求5所述的光电模块，其中，所述定位腔在所述基座中。
8.如权利要求5所述的光电模块，其中，所述定位腔在所述基座表面上的材料层中。
9.如权利要求8所述的光电模块，其中，所述材料层具有紧邻所述激光器的挡边。
10.如权利要求1所述的光电模块，其中，所述反射器布置来将所述准直光束偏转超过90°。
11.如权利要求1所述的光电模块，还包括在所述基座之上并支撑所述聚焦透镜的第二基座。
12.一种制造光电模块的方法，包括：
提供具有支撑激光器和对准结构的表面的基座；
将可操作来产生沿光轴的发散光束的激光器直接地安装到所述基座；
将具有中心的球透镜配装到所述对准结构并直接地安装到所述基座，所述对准结构在平行于所述基座表面的平面内和垂直于所述基座表面的方向上配准所述球透镜，使所述球透镜的所述中心与所述光轴基本对准，并且所述球透镜使所述发散光束平行而成为准直光束；
提供反射器，该反射器布置来偏转所述准直光束，以在与所述基座平面相交的平面内产生偏转准直光束；并且
提供布置来聚焦所述偏转准直光束的聚焦透镜。
13.如权利要求12所述的方法，其中，所述球透镜的所述中心在第一对准容限范围内与所述光轴对准，并且所述聚焦透镜在大于所述第一对准容限范围的第二对准容限范围内与所述偏转准直光束对准。
14.如权利要求13所述的方法，其中，所述球透镜的所述中心在±10μm的对准容限范围内在垂直方向上与所述光轴对准，所述球透镜的所述中心在±10μm的对准容限范围内在垂直于所述光轴的所述平行平面内的横向上与所述光轴对准，并且所述球透镜的所述中心在±5μm的对准容限范围内在沿所述光轴的轴向上与所述激光器对准。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述第二对准容限范围是±30μm。
16.如权利要求12所述的方法，其中，提供所述基座的步骤包括形成定位腔，所述定位腔用于容纳所述球透镜的一部分并具有基本垂直于所述基座表面的侧壁。
17.如权利要求16所述的方法，其中，形成所述定位腔的步骤包括在所述基座上形成材料层以及在所述材料层中蚀刻出所述定位腔。
18.如权利要求12所述的方法，其中，所述反射器布置来将所述准直光束偏转超过90°。
19.如权利要求12所述的方法，还包括提供在所述基座之上并支撑所述聚焦透镜的第二基座。
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