CN103163605A - 接收器光学模块和装配该接收器光学模块的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便于装配的接收器光学模块。所述接收器光学模块包括中间组件，所述中间组件包括分别安装在上部基板上的光学多路分离器和光学反射器以及安装在子底座上的透镜和PD。安装在子底座上的透镜和PD所构成的组件安装在壳体的底部上；而安装在上部基板上的光学多路分离器和光学反射器构成的组件通过下部基板也安装在所述底部上。所述上部基板与所述底部分离并且平行于所述底部而延伸以形成安装放大电路的剩余空间。
Description
技术领域
本发明涉及一种待安装在光收发器内的接收器光学模块，特别地，本发明涉及接收波长多路复用光学信号的接收器光学模块。
背景技术
波分多路复用（WDM）系统已经在光学通信系统中普及。一个在先的专利申请已经公开了一种光收发器，其采用分别能够以10Gbps的速度操作的4个发射器光学子组件（TOSA）、分别能够以10Gbps的速度操作的4个接收器光学子组件、光学多路复用器以及光学多路分离器。这样的光收发器已经实现40Gbps的传输速度。
图8A是实现光学多路分离功能的部件的光学布置的平面图，而图8B是其侧视图。由外部光纤1提供的多路复用光学信号在被反射镜4反射之后通过光学介质5，并且被光学反射器5a完全反射。滤光器5b在其第一部分处仅透射带有特定波长λ1的其中一个光学信号而反射剩余的光学信号。在剩下的光学信号通过光学介质5并且被反射器5a反射之后，其中仅一个带有另一特定波长λ2的光学信号可以在滤光器的第二部分处透过滤光器，并且进一步剩下的光学信号在滤光器5b的第二部分中被滤光器5b反射。滤光器5b的第三部分可以透射仅一个带有第三特定波长λ3的光学信号，并且滤光器5b的第四部分可以透射剩下的带有第四特定波长λ4的光学信号。因此，带有多个波长λ1～λ4的光学信号可以被相应的光电二极管（在下文中由PD表示）7a多路分离（解复用）和接收。
用于多路复用光学信号的传统的光学模块，以及诸如光学多路分离器、镜座、透镜、PD等的光学部件被二维地布置在基板上，基板扩大了部件的占用范围（footprint）。近来的光收发器被迫进一步缩减尺寸。对于这样的需求，光学部件的二维布置成为妨碍将光学模块安装在紧凑的光收发器内的致命因素。
发明内容
本申请的一个方面涉及接收各自具有彼此不同的特定波长的光学信号的光学模块。根据一个实施例的光学模块包括第一组件、第二组件以及壳体。所述第一组件包括多个PD和分别对应于各个PD的多个聚光透镜。所述PD和聚光透镜安装在子底座上。所述第二组件包括光学多路分离器和光学反射器。所述光学多路分离器根据所述特定波长将光学信号多路分离。所述光学反射器朝向各个PD反射经多路分离的光学信号。所述光学多路分离器和光学反射器安装在上部基板（基体）上。所述壳体具有底部，所述第一组件和所述第二组件安装在所述底部上。根据实施例的光学模块的一个特征在于所述第一组件的子底座直接安装在所述壳体的底部上；而所述第二组件的上部基板通过下部基板而间接安装在所述壳体的底部上。
所述上部基板的主要表面大致平行于所述壳体的底部而延伸，所述光学多路分离器和光学反射器安装在所述主要表面上。所述光学反射器、所述聚光透镜以及所述PD相对于所述壳体的底部竖直布置，这使得安装光学部件的面积变窄并且形成了安装电气部件的剩余空间。
本申请的另一方面涉及一种装配光学模块的方法，所述光学模块包括光学多路分离器、光学反射器、多个聚光透镜以及多个PD。所述方法包括下述步骤：（1）参考所述PD的外形尺寸和聚光透镜的外形尺寸将所述PD直接安装在子底座上并且通过间隔件将所述聚光透镜间接安装在所述子底座上，其中所述PD、所述聚光透镜以及所述子底座形成第一中间组件；（2）参考在上部基板的表面上准备的对准标记将所述光学多路分离器和光学反射器安装在所述上部基板上，其中所述光学多路分离器、所述光学反射器以及所述上部基板形成第二中间组件；（3）将所述第一中间组件安装在壳体的底部上的预设位置处；以及（4）在将所述光学多路分离器与所述PD光学对准的同时将所述第二中间组件安装在所述壳体内。
将所述第二中间组件安装在所述壳体内的步骤包括下述步骤：使所述第二中间组件的前端抵靠所述壳体的内前侧面，朝向所述壳体的内后侧面使所述第二中间组件位移预设距离，以及沿着垂直连接所述壳体的内前侧面和内后侧面的第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向进行所述第二中间组件的精细对准。
附图说明
从参考附图对本发明的优选实施例的以下详细描述中，可以更好地理解前述目的和其他目的、方面以及优点，其中：
图1是根据本发明的实施例的接收器光学模块的局部剖切透视图；
图2A是图1中所示的接收器光学模块的侧剖视图，而图2B放大地示出PD与光学多路分离器之间的光学耦合状态；
图3A和图3B示出了安装在上部基板上的光学部件的实施例，而图3C和图3D示出了光学部件的变型例；
图4A和图4B是示出了为了将光学多路分离器和光学反射器安装在上部基板的表面上而在该表面上准备的对准标记的平面图；
图5A示出了与下部基板装配在一起的第二中间组件，该第二中间组件包括安装在上部基板上的光学多路分离器和光学反射器，而图5B示出了第二组件的变型例；
图6示出了第二组件的另外一个变型例；
图7A到图7C示出了第一模块的布置，其中透镜支架由金属基板通过间隔件支撑，以便将聚光透镜设置为远离PD；以及
图8A是在传统光学模块中实现的光学耦合状态的平面图，而图8B是其侧视图。
具体实施方式
接下来，将参考附图描述根据本发明的一些实施例。在对附图的描述中，彼此相同或相似的数字或符号将指代彼此相同或相似的元件，不做重复解释。图1是在光收发器内应用的接收器光学模块的透视图，其中接收器光学模块的一部分被移除以示出模块的内部，图2A是模块的侧剖视图，而图2B放大地示出使安装在模块中的光学器件与外部光纤耦合的主要部分。
在图1和图2中示出的接收器光学模块10包括耦合单元11、壳体12以及电连接器13。耦合单元11设置有套筒14、连接套筒15（在下文中称为J套筒）、接头16、插头17以及第一透镜18。具有盒形形状的壳体12设置有侧面20、底部21以及盖体22。壳体的前侧面20设置有由保持件23保持的光学窗口19。在底部21上安装有模块的主要部分。该主要部分包括上部基板25、光学多路分离器26以及光学反射器27，其中光学多路分离器26和光学反射器27安装在上部基板25上，并且上部基板25通过下部基板24而间接地安装在底部21上。主要部分还包括多个PD29、聚光的多个第二透镜28以及放大器电路32，其中PD29直接安装在子底座30上。带有子底座30的PD29、第二透镜以及放大器电路通过金属基板31而安装在底部21上。
套筒14以其前部接纳固定在图中未示出的外部光纤的末端的插芯，而套筒14的靠近壳体12的剩余部分接纳插头17的末端部分。插头17的根部压配合在衬套35内。J套筒15将PD29与外部光纤光学耦合。具体地，通过调节接头16在J套筒15内的插入深度来实施沿着图中箭头所表示的光轴的光学对准，而通过使衬套35在J套筒15的端面上滑动来实施垂直于光轴的光学对准。
壳体12具有盒形形状。侧面20可由金属制成，典型地由通常被称为柯伐合金（Kovar）的铁、镍、钴的合金制成；而底部21可由例如铜钼合金（CuMo）、铜钨合金（CuW）等金属制成。盖体22气密地密封壳体12的内部。电连接器13是顶面带有多个电子衬垫（electronics pad）的一种多层陶瓷。
可由金属制成的接头16焊接在保持件23上，并且保持件23固定在壳体12的前侧面20上。接头16将第一透镜18保持在其中。第一透镜使由设置在套筒14中的外部光纤提供的光线准直。经准直的光线穿过窗口19而通向光学多路分离器26。
光学多路分离器26将光线多路分离成多条光束。具体地，从外部光纤入射至光学模块10的光线包括多个光学信号，每个光学信号具有彼此不同的特定波长，并且光学多路分离器26根据光学信号的波长将光线分成各个光学信号。稍后将描述光学多路分离器26的细节。被多路分离的光学信号进入光学反射器27，被光学反射器27反射，然后进入PD29。光学多路分离器26和光学反射器27由上部基板25支撑，并且上部基板25由下部基板24支撑。也就是说，光学多路分离器26和光学反射器27安装在上部基板25的底表面上，并且上部基板25安装在下部基板24上，使得上部基板25的底表面面向壳体12的底部21并且与壳体12的底部21大致平行。
由光学多路分离器26多路分离的各个光学信号中的每一个被第二透镜28聚焦并且然后由PD29接收。PD29通过子底座30而安装在金属基板31上。透镜28可集成在PD29上或者如同光学多路分离器26和光学反射器27一样安装在上部基板25的底表面上，稍后将对此进行详细描述。
如在图2B中示意性示出的那样，光学多路分离器26和光学反射器27布置在上部基板25中。具体地，光学多路分离器26和光学反射器27在上部基板25的底表面上布置为远离壳体12的底部21。另一方面，PD29和聚光透镜28通过子底座30和金属基板31而布置在底部21上，使得PD29、聚光透镜28和光学反射器27竖直地布置。因此，从光学多路分离器26到子底座30的光学部件三维地设置在壳体12中，在壳体12内形成了剩余空间，以便在无需扩大壳体12尺寸的情况下安装与PD29靠近的放大电路32。
图3A到图3D示出了安装在上部基板25中的光学多路分离器26和光学反射器27的各种布置。在图3A和图3B中所示的光学多路分离器26A将滤光器26b1与光学反射器26a1分开。在图3A和图3B中所示的这一布置中，每个光学反射器26a1具有反射带有所考虑的所有波长λ1~λ4的光线的特征；而每个滤光器26b1仅透射带有特定波长的其中一个光学信号而反射其他光学信号。具体地，接收带有λ1到λ4波长的光学信号的第一滤光器26b1可以仅透射带有λ1波长的光学信号而反射带有λ2到λ4的波长的其他光学信号，带有λ2到λ4波长的光学信号被第一反射器26a1反射并且进入第二滤光器26b1。第二滤光器26b1仅透射带有λ2波长的光学信号而反射带有λ3和λ4波长的光学信号，带有λ3和λ4波长的光学信号被第二反射器26a1反射并且进入第三滤光器26b1。第三滤光器26b1仅透射带有λ3波长的光学信号而反射带有λ4波长的光学信号，带有λ4波长的光学信号被末级反射器26a1反射并且进入末级滤光器26b1。末级滤光器26b1仅透射带有λ4波长的光学信号。当入射到光学模块10中的光学信号仅具有λ1到λ4波长而没有任何其他波长时，可以省略末级滤光器26b1。
反射器27例如由带有涂有反射介质的反射表面27a的玻璃制成，或是一种由玻璃材料制成的棱镜。整体反射器27的反射表面相对于光学多路分离器26的光轴和PD29的光轴形成45°角。被多路分离器26多路分离的各个光学信号被反射表面27a朝向聚光透镜28反射进而被PD29接收。
图3C和图3D示出了光学多路分离器26B的另一布置。此光学多路分离器26B将单个光学反射器26a2和各自与透明体26c连接的滤光器26b2一体化。入射到光学模块10中的带有λ1到λ4波长的光学信号进入透明体26c，透明体26c由对带有λ1到λ4波长的光学信号透明的材料制成。第一滤光器26b2仅透射带有λ1波长的光学信号而反射带有λ2到λ4波长的其他光学信号，带有λ2到λ4波长的光学信号穿透透明体26c，被光学反射器26a2反射，再次穿透透明体26c并且进入滤光器26b2。第二滤光器26b2仅透射带有λ2波长的光学信号而反射其他光学信号，与图3A和图3B中所示的上述布置类似地以此类推。
当滤光器26b1和26b2是带通型滤光器时，其布置不限于按照波长顺序的布置。另一方面，当滤光器26b1和26b2是高通型或低通型滤光器时，其布置顺序需要为波长的顺序。
图4A和图4B解释了将光学多路分离器26安装在上部基板25的底表面25a上的方法的实例。上部基板例如由诸如氧化铝（Al2O3）等陶瓷制成并且具有对准标记，对准标记具有图4A所示的线26m1和27m1或者具有图4B所示的二维形状26m2和27m2。用于光学多路分离器26的对准标记具有L形的线26m1或直角三角形形状26m2。光学多路分离器26在其角部与L形的线26m1的角或与三角形26m2的直角对准。光学反射器27在其前边缘与线27m1或与带27m2的边缘对准。光学多路分离器26和光学反射器27与上部基板25装配在一起，并且可以作为第二中间组件而被操作为一个部件。
图5A和图5B是将与下部基板24A或24B装配在一起的具有光学多路分离器26和光学反射器27的中间组件的透视图。在图5A中所示的下部基板24A具有U形横截面，其中侧面24a的末端固定于上部基板25的底表面25a的对应端部。U形形状中的两个侧面24a包围光学多路分离器26。U形形状中的底面24b将固定于光学模块10的壳体12的底部21。下部基板24可由线性膨胀系数接近于上部基板25的材料制成，例如氧化铝（Al2O3）、氮化铝（AlN）、铜钼合金（CuMo）、铜钨合金（CuW）等。
在图5B中所示的下部基板24B将图5A中U形形状中的两个侧面分为两个独立的侧面24b，两个侧面24b在上部基板25的对应侧上大致彼此平行布置。侧面24b的一端24c固定于上部基板25的底表面25a。尽管图5B中的下部基板24B在其侧面24b与上部基板25相独立，然而侧面24b也可以与上部基板25一体地形成。
如图2A和图2B中所示，带有上部基板25和下部基板24的组件将被安装到壳体12的底部21上，上部基板25上安装有光学多路分离器26和光学反射器27，下部基板24固定在上部基板25上。上部基板25的底表面25a独立于壳体12的底部21并且平行于壳体12的底部21而延伸。此布置可以充分地扩展面积以便在其上安装部件。
图6是示出下部基板24C的另外一个实施例的透视图。此下部基板24C在后部切割其侧面24a以留下鞍部24d。鞍部24d上安装有第二透镜28。本实施例的第二透镜28是一种包括如图7B中所示的多个透镜元件的被称为阵列透镜28B的类型。每个透镜元件与由光学多路分离器26多路分离的光学信号之一对应并且将光学信号会聚到对应的PD29。因此，图6所示的实施例形成将光学多路分离器26、光学反射器和第二透镜28一体化的中间组件。
图7A到图7C是分别示出包括第二透镜28和安装在子底座30上的PD29的透镜组件的透视图。在图7A中所示的实施例具有彼此独立并且与各个PD29分别对应的多个透镜元件28A。尽管在图7A中所示的透镜元件28A分别具有圆柱形状，然而透镜元件28A也可以是球面透镜。在本实施例中的透镜28A由透镜支架33a支撑，并且此透镜支架33a由设置在子底座30端部的间隔件34支撑。透镜支架33a可具有使由透镜28A会聚的光学信号通过以行进到各个PD29的孔。在图7A和图7B中所示的PD29具有多个PD；而在图7C中所示的PD29将多个元器件一体化为单个主体但具有彼此独立的光接收表面。
在图7B中所示的实施例具有所谓的阵列透镜28B，该阵列透镜28B包括与各个PD29分别对应的多个透镜元件并且由主体33b支撑。与前述实施例中的透镜支架33a类似地，主体33b在其两端由间隔件34支撑。图7C示出了PD29的可选方案，即所谓的阵列PD29。因此，安装在子底座30上的PD29和第二透镜28形成被操作为一个元件的中间组件，这有助于光学模块10的装配。
接下来，将描述装配接收器光学模块10的过程。首先，该过程首先将光学多路分离器26和光学反射器27装配在上部基板25的底表面25a上。在该装配步骤中，仅利用图4A或图4B中所示的对准标记来定位光学多路分离器26和光学反射器27。与光学多路分离器26的装配同时地，使PD29与第二透镜28光学对准。具体地，首先将PD29、间隔件34和放大电路32安装在子底座30上。接下来，使PD29与放大电路32引线结合。然后，使带有第二透镜28的支架33与PD光学对准。仅借助透镜28、透镜支架33以及间隔件34的外形尺寸来执行此对准，这是因为PD29的光学感应表面相对宽，其直径典型地为数十微米，这降低了透镜28与PD29之间的位置精度要求。
随后，将透镜28与PD29的中间组件安装在壳体12的底部21的位置。最后，在将光学多路分离器26与耦合单元11对准的同时将具有上部基板25的另一中间组件安装在壳体12的底部21上，上部基板25带有光学多路分离器26和整体反射器27。具体地，首先使中间组件的前边缘抵靠壳体12的前侧面20。然后，使中间组件在底部21上沿着光轴向后滑动预设距离。最后，在该位置附近沿着纵向和横向执行精细对准，直到在各个PD29与耦合单元11之间获得预设耦合效率为止。由于本接收器光学模块10采用两个中间分组件，其中一个分组件包括带有光学多路分离器26和光学反射器27的上部基板25，另一个分组件包括子底座30上的PD29和第二透镜28；因此可以便于完成装配接收器光学模块10的过程。
尽管例举和说明了当前所认为的本发明的示例性实施例，但本领域技术人员将理解，在不背离本发明实际范围的情况下，可以做出各种其他变型以及用等同物来替代。另外，可在不背离本文所描述的中心发明点的情况下，做出多种变型以适应符合本发明的教导的特定情形。因此，本发明不限于所公开的特定实施例，而是本发明包括落入所附权利要求范围内的所有实施例。
Claims (12)
1.一种光学模块，其用于接收各自具有彼此不同的特定波长的光学信号，所述光学模块包括：
第一组件，其包括多个光电二极管和分别对应于各个光电二极管的多个聚光透镜，所述光电二极管和所述聚光透镜安装在子底座上；
第二组件，其包括根据所述特定波长将光学信号多路分离的光学多路分离器和朝向各个光电二极管反射经多路分离的光学信号的光学反射器，所述光学多路分离器和所述光学反射器安装在上部基板上；以及
壳体，其具有底部，所述第一组件和所述第二组件安装在所述底部上，
其中，所述第一组件的子底座直接安装在所述底部上并且所述第二组件的上部基板通过下部基板而间接安装在所述底部上。
2.根据权利要求1所述的光学模块，其中，
所述上部基板具有主要表面，所述光学多路分离器和所述光学反射器安装在所述主要表面上，所述主要表面大致平行于所述壳体的底部而延伸。
3.根据权利要求1所述的光学模块，其中，
所述光学反射器、所述聚光透镜以及所述光电二极管相对于所述壳体的底部竖直布置。
4.根据权利要求1所述的光学模块，其中，
所述光电二极管是一种在一个主体中包括彼此独立的多个光接收表面的阵列光电二极管。
5.根据权利要求1所述的光学模块，其中，
所述聚光透镜是一种包括分别与光电二极管之一对应的多个透镜元件的阵列透镜。
6.根据权利要求1所述的光学模块，其中，
所述光学多路分离器包括多个光学反射器和多个滤光器，并且
所述滤光器中的每一个具有不同于其他滤光器的特定带通波长，每个带通波长对应于所述光学信号的特定波长。
7.根据权利要求6所述的光学模块，其中，
所述光学反射器反射所有光学信号。
8.根据权利要求6所述的光学模块，其中，
所述光学多路分离器还包括对所述光学信号透明的主体，并且
所述光学反射器和所述滤光器附接于所述主体。
9.根据权利要求1所述的光学模块，还包括：
放大电路，其与所述光电二极管电连接，
其中，所述放大电路以及所述第一组件的子底座通过金属基板而安装在所述壳体的底部上。
10.一种装配光学模块的方法，所述光学模块包括光学多路分离器、光学反射器、多个聚光透镜、多个光电二极管以及将所述光学多路分离器、所述光学反射器、所述聚光透镜以及所述光电二极管安装在其内的壳体，所述方法包括下述步骤：
参考所述光电二极管的外形尺寸和所述聚光透镜的外形尺寸将所述光电二极管直接安装在子底座上并且通过支撑件将所述聚光透镜间接安装在所述子底座上以形成第一中间组件；
参考在上部基板的表面上准备的对准标记将所述光学多路分离器和所述光学反射器安装在所述上部基板上以形成第二中间组件；
将所述第一中间组件安装在所述壳体的底部上的预设位置处；以及
在将所述光学多路分离器与所述光电二极管光学对准的同时将所述第二中间组件安装在所述壳体内。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，
安装所述第二中间组件的步骤包括下述步骤：
使所述第二中间组件的前端抵靠所述壳体的内前侧面，
朝向所述壳体的内后侧面使所述第二中间组件位移预设距离，以及
沿着连接所述壳体的内前侧面和内后侧面的第一方向以及垂直于所述第一方向的第二方向进行精细对准。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，
执行所述精细对准的步骤，使得所述光电二极管通过所述光学多路分离器实际接收到各自具有彼此不同的特定波长的光学信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |