CN101030818B - 光发射器组件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光发射器组件，包括插芯套筒和组件插芯，该组件插芯具有与插芯套筒紧密适配的侧面、面向激光器的受光端面和可与跳线插芯紧密对接的出光端面，该组件插芯开有贯通上述两端面的孔，激光可通过该孔对准并耦合进跳线插芯光纤。本发明的精度高，稳定性好，组件插芯内无需埋设光纤，工艺简单，成本低，还有降低反射干扰和防尘的优点。

Description

光发射器组件

技术领域

本发明涉及光纤通信领域，尤其是一种带有插芯的光发射器组件。

背景技术

随着光纤通信技术的发展，光收发一体模块广泛用于光纤用户网中。光发射器组件(TOSA)是单模SC型光收发模块中的重要部件，负责把本端的信号转换成光信号，把激光耦合到光纤里，实现信号的远距离传输。根据信号传输的距离，要求TOSA耦合到光纤的光功率稳定在一定范围，在工作期间光功率不允许出现超出稳定范围的变化。TOSA的工作原理是把激光器的焦点垂直对准光纤，把光功率耦合到光纤中，如图1所示。影响光功率变化的主要因素是光纤与激光输出的光斑是否对准。光纤与激光输出光斑对准，则耦合到光纤中的光功率是稳定的，反之耦合到光纤的光功率是变化的，超出要求的范围则影响正常工作。现有的单模SC型TOSA有两种规格，一种是高精度高成本，另一种是低精度低成本。

高精度高成型的TOSA采用了埋光纤陶瓷插芯，其结构如图2所示。埋光纤陶瓷插芯(Fiber Stub)是高精密部件，其外直径尺寸为2.4999±0.0005mm，而光纤跳线陶瓷插芯(Ferrule)其外直径尺寸同样是2.4999±0.0005mm，其装配在陶瓷套筒(Zirconia Sleeve)内时有3.0N～5.0N的光纤跳线插拔力，插拔功率变化可以达到＜0.5dBm，。如图3所示，当跳线插芯插进TOSA时，套筒将会把埋光纤插芯和跳线插芯紧箍着，利用两个配件外直径尺寸的高精密度保证埋光纤插芯与跳线插芯同轴心，此时埋光纤插芯中的光纤与跳线插芯光纤是同圆心对准的，光功率损失＜0.2dB。埋光纤插芯、跳线插芯和套筒紧密配合，其精度达到±0.0005mm，因此当跳线受到外力作用时跳线插芯不产生位移，保证光纤圆心对准，从而保证光功率的稳定性。在激光耦合进光纤的过程中，光纤端面的表面粗糙度Ra具有重要影响，表面粗糙度越大，则耦合时光功率损失越大，因此需要对埋光纤陶瓷插芯进行复杂的镜面研磨，使其端面的表面粗糙度Ra＜20nm。陶瓷插芯一端研磨成PC(Physical Connection)面，另一端研磨成8°斜面。生产埋光纤陶瓷插芯一般需经过剥光纤、穿纤粘胶、烤胶、研磨、检验等步骤，而上述的镜面研磨又可分为以下六个步骤：

(1)用30μm金刚砂纸、玻璃垫加水研磨3～4分钟；

(2)用30μm金刚砂纸、橡胶垫研磨2分钟，加水研磨至3分钟；

(3)用9μm金刚砂纸、橡胶垫研磨2分钟，加水研磨至3分钟；

(4)用3μm金刚砂纸、橡胶垫研磨2分钟，加水研磨至2.5分钟；

(5)用1μm金刚砂纸、橡胶垫研磨1.2分钟，加水研磨至2.5分钟；

(6)用0.5μm氧化铝抛光垫研磨抛光30秒。

埋光纤插芯PC平面和8°斜面都必须经过以上六个研磨步骤，研磨完毕须使用专用的光学放大设备检验两个端面，不能有划痕。由于埋光纤插芯的研磨工艺复杂，且要求严格，导致其成本高。

另一方面，在埋光纤插芯方案中，激光必须经过光发射组件插芯中的光纤再进入跳线插芯中的光纤。由于结构原因，组件插芯的光纤端面极难清洗，假设使用环境稍微恶劣或者防尘保护不够，空气中的尘粒可能粘在陶瓷插芯的光纤端面上。由于光纤端面极微小，直径只有0.009mm，因此一颗尘粒都会极大地影响进入跳线插芯光纤的光功率，影响光功率稳定性。

低精度低成本型TOSA的结构如图4，该组件中未设置插芯。如图5所示，此方案的TOSA直接把激光耦合进跳线插芯光纤。这种方案的TOSA结构简单，成本低，但由于全部是机加工的金属零件，一般精度只能达到±0.01mm，与插芯要求的公差±0.0005mm存在较大差距，当跳线插芯受外力作用时，有可能偏离圆心0.02mm，而光纤直径只有0.009mm，因此耦合进光纤的光功率将会产生很大的变化。因此，这种方案的TOSA插拔一致性差，输出功率变化大。

在防尘保护方面，低成本TOSA由于激光器与光纤跳线间没有陶瓷插芯，因此尘埃很容易进入，从而污染激光器透镜。

此外，实际产品的激光器所发的激光光束不是标准的圆锥型，不是所有光线都收束在焦点上，对于低成本TOSA，发散的光线照射在跳线陶瓷插芯端面上会反射回聚焦透镜，聚焦后再照射在激光器芯片上，从而引起严重的信号干扰，因此其在使用时稍微受外力作用就会产生功率变化，整体性能差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种既具有高精度、高稳定性，又不需埋光纤而制造成本低的光发射器组件。

本发明进一步所要解决的技术问题是提供一种能减小尘埃对光功率的影响的光发射器组件。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种光发射器组件，包括组件插芯和插芯套筒，该组件插芯具有与插芯套筒紧密配合的侧面、面向激光器的受光端面和可与跳线插芯紧密对接的出光端面，其特征是，该组件插芯开有贯通上述两个端面的孔，激光可通过该孔对准并耦合进跳线插芯光纤。

优选地，该孔为锥形孔，其小孔口覆盖跳线插芯光纤的端面，激光可由其大孔口射入，并从该小孔口耦合进跳线插芯光纤。

优选地，该孔与该组件插芯同轴。

优选地，该小孔口的孔径为0.23mm。

优选地，该孔的锥度与激光器透镜的聚焦角度相匹配，收束于焦点的光线直接落在该小孔口中，而偏散的光线经锥壁反射后落在该小孔口中。

优选地，该孔的锥度与激光器透镜的聚焦角度同为22度。

优选地，所述两个端面与侧面垂直。

优选地，所述两个端面与侧面之间通过过渡斜面连接。

优选地，所述过渡斜面与所述端面、侧面之间呈45度夹角。

本发明有以下有益的技术效果：

本发明光发射器组件带有组件插芯，组件插芯开有贯通其两个端面的孔，激光光束可从通孔一端射入，汇聚后进入与通孔另一端相接的跳线插芯光纤，组件插芯与外接跳线插芯在插芯套管的约束下是同轴紧密配合的，跳线插芯在外力作用下位移小，跳线插拔时可以保证跳线插芯精确定位，因此光功率稳定，具有很好的拔插一致性，同时本发明组件插芯又不埋光纤，从而省去了埋光纤插芯的研磨制作工艺，降低了成本。另一方面，因为组件插芯不埋光纤，还解决了埋光纤插芯其光纤在受尘埃污染后会大大影响光功率的问题。

对于本发明光发射器组件，尘粒可能通过插芯通孔进入而污染激光器的聚焦透镜，但如果将该通孔接跳线插芯的那一端的孔径设置得足够小，例如通孔采用出光端孔径较小的锥形，则与透镜面积相比，可进入的尘粒其大小可以忽略，因此能进一步降低尘埃对光功率的影响。

附图说明

图1是现有高精度高成本SC光发射器组件光导原理图；

图2是图1的光发射器组件结构示意图；

图3是图1的光发射器组件插接跳线插芯后的示意图；

图4是现有低精度低成本SC光发射器组件结构示意图；

图5是现有图4的光发射器组件插接跳线插芯后的光导原理图；

图6是本发明实施例插芯的侧剖视图；

图7是本发明实施例光发射器组件的结构示意图；

图8是图7的光发射器组件插接跳线插芯后的光导原理图；

图9是本发明实施例所接激光器发射光线的聚焦示意图；

图10是本发明实施例插芯作用于偏斜光线的示意图；

图11a是本发明实施例的插芯主视图；

图11b是本发明实施例的插芯后视图；

图11c是本发明实施例的插芯俯视图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式并结合附图对本发明作进一步说明。

请参阅图1、图2和图3，现有高精度高成本的SC光发射器组件具有陶瓷插芯2，在陶瓷套管6的约束下，陶瓷插芯2和与插入光发射器组件的跳线陶瓷插芯5同轴地紧密配接在一起。陶瓷插芯2中埋设有标准单模光纤21，标准单模光纤21与跳线插芯光纤51对准连接于位置b，陶瓷插芯2一端的8°斜面2a用于接收激光器4发出的激光，另一端的PC面2b与跳线插芯5的端面对接。激光器发出的光线汇聚后形成的光斑首先落在与标准单模光纤21对准的位置a上，接着通过光纤21传导至PC面2b，并从位置b耦合进入跳线插芯光纤51。图4和图5是现有低精度低成本的SC光发射器组件，其不带任何陶瓷插芯，光发射器组件直接把来自激光器4的光束耦合进跳线插芯光纤51。

本发明实施例的光发射器组件参见图6～图8。光发射器组件包括插芯套筒6、装配在插芯套筒6内的组件插芯1、激光器接口套件7以及跳线接口套件8。组件插芯1具有外侧面1c、与该外侧面1c垂直的受光端面1a和出光端面1b，两个端面1a、1b分别通过过渡斜面B、B′与外侧面1c相连，与过渡斜面呈45度夹角。组件插芯1的外侧面1c与陶瓷套筒6内侧紧密配合，组件插芯1的受光端面1a朝向激光器4，接收从激光器透镜发出的激光光束，组件插芯1的出光端面1b为磨平的平面，其与跳线插芯5的端面紧密对接。组件插芯1内开有贯通该受光端面1a和出光端面1b的锥形通孔3，该锥形通孔3与组件插芯1、跳线插芯5同轴。锥形通孔3孔径大的开口位于受光端面1a，可引入激光，孔径小的开口位于出光端面1b，对准并覆盖跳线插芯光纤51的端面c(端面直径为0.09mm)，其直径为0.23mm。工作时，激光光束自大孔端入而由小孔端出，最后耦合进入跳线插芯光纤51。图9所示是本实施例光发射器组件配接的激光器4，其透镜焦距为6.35mm，所发射激光的聚焦角度为22度。与之相适配，本实施例中锥形孔3的锥度也设置为22度。实际中激光器聚焦的光线并不全是聚焦在焦点上，结合图10可以看到，有一部分光线发生偏斜而照射在组件插芯1的锥形孔壁上，根据本实施例锥形孔3的锥度设置，这些偏斜光线将按光学原理经孔壁多次反射后落入锥形孔3的小孔中。由于与跳线插芯5端面相接的小孔的直径只有0.23mm，与图4所示的低成本型相比，本实施例中光线可被反射的面积大大减小，反射的光线也相应大大减少，故能有效地减少反射干扰。

本实施例的插芯套筒6为陶瓷套筒6，组件插芯1采用陶瓷插芯，其材料为Zirconia(氧化锆)，利用跳线陶瓷插芯的生产工艺一次烧结成型，其外周径同为2.4999±0.0005mm。在陶瓷套筒6的约束下，保证跳线陶瓷插芯5与陶瓷组件插芯1同轴心，每次跳线插拔时使跳线陶瓷插芯5精确定位，确保激光器4的焦点对准跳线陶瓷插芯5中的光纤51。当外力作用在跳线陶瓷插5上时，跳线陶瓷插芯5最大的位移是0.001mm，而光纤直径是0.009mm，这样就可以始终保证跳线陶瓷插芯光纤51的端面c大部分面积在激光焦点里。

图11a、图11b和图11c分别是本发明实施例的插芯主视图、后视图和俯视图。组件插芯的外圆直径精度接近现有标准陶瓷插芯的外圆精度，光纤跳线的插拔力为3N～5N，而插拔功率变化小于0.5dBm，保证了其光功率的稳定性。下表1是对采用本陶瓷组件插芯的光发射器组件跳线拔插随机抽检的测试参数。

编号	一次插拔(dBm)	二次插拔(dBm)	三次插拔(dBm)	四次插拔(dBm)	插拔功率变化(dBm)
						T00032094	-5.22	-5.38	-5.30	-5.53	0.31
T00032095	-4.32	-4.20	-4.26	-4.38	0.18
						T00032096	-5.60	-5.67	-5.67	-5.53	0.14
T00032097	-4.44	-4.38	-4.44	-4.32	0.12
						T00032098	-5.22	-5.16	-5.30	-5.45	0.29

编号	一次插拔(dBm)	二次插拔(dBm)	三次插拔(dBm)	四次插拔(dBm)	插拔功率变化(dBm)
						T00032099	-4.09	-4.03	-4.16	-3.98	0.18
T00032100	-1.25	-1.25	-1.28	-0.79	0.49

表1

从以上测试结果中可以看出本发明的光发射器组件插拔一致性好，光功率稳定，具有良好的抗外力冲击性能。

本实施例TOSA中的陶瓷插芯采用锥形孔结构，不埋设光纤，可解决埋光纤陶瓷插芯TOSA易受尘埃污染而影响光功率的问题。相对于低成本不设插芯的TOSA，由于后者为机械加工，其孔径最小为0.5mm，而本实施例中的锥形孔与跳线端相接的孔径只有0.23mm，因此尘埃进入的几率更是小得多。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定的专利保护范围。

Claims (1)

1.一种光发射器组件，包括插芯套筒和组件插芯，该组件插芯具有与该插芯套筒紧密配合的侧面、面向激光器的受光端面和可与跳线插芯紧密对接的出光端面，该组件插芯开有贯通上述两个端面的孔，激光可通过该孔对准并耦合进跳线插芯光纤，其特征是，

该孔为锥形孔，其小孔口覆盖跳线插芯光纤的端面，激光可由其大孔口射入，并从该小孔口耦合进跳线插芯光纤；

该孔与该组件插芯同轴；

该小孔口的孔径为0.23mm；

该孔的锥度与激光器透镜的聚焦角度相匹配，收束于焦点的光线直接落在该小孔口中，而偏斜的光线经锥壁反射后落在该小孔口中；

该孔的锥度与激光器透镜的聚焦角度同为22度；

所述两个端面与侧面垂直；

所述两个端面与侧面通过过渡斜面连接；

所述过渡斜面与所述端面、侧面之间呈45度夹角；

所述组件插芯采用陶瓷插芯，其材料为氧化锆，利用跳线陶瓷插芯的生产工艺一次烧结成型。

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