CN103443680A - 用于实现部件无源对准的光接收和发送装置及用于无源地对准部件的方法 - Google Patents

用于实现部件无源对准的光接收和发送装置及用于无源地对准部件的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及用于实现部件的无源对准的光发射和接收装置及用于无源地对准部件的方法，更具体地，涉及如下光发射和接收装置和无源对准方法，其中，通过使用设置在基板(110)上的标准对准单元(115)无源地对准光学元件单元(111)和透镜光纤连接单元(120)。为了无源对准部件，将标准对准单元(115)的连接柱(115b)与基板孔(114)结合，基于在所述标准对准单元(115)中彼此相对地设置的对准孔(115a)，发光元件(111a)和受光元件(111b)以特定间隔对准成一排，并且基于所述对准孔(115a)对准透镜光纤连接单元(120)，通过将构成所述透镜光纤连接单元(120)的棱镜的表面(122b)设置到光学对准点来对准光纤(133)。此外，所述光纤(133)被光纤销(131)固定，接着被与外壳固定销(141)结合的金属外壳(143)覆盖。用于实现部件的无源对准的光发射和接收装置通过以无源且简单的方式进行多通道光学对准使对准误差最小，并且小型化和简化了光学模块的结构，并且使部件的数量最小，因而降低了光学模块的价格。

Description

用于实现部件无源对准的光接收和发送装置及用于无源地对准部件的方法
技术领域
本发明涉及用于实现部件无源对准的光学装置及其方法，更具体地涉及利用设置在基板上的对准基准部件将光学元件部件与透镜光纤连接部件无源地对准的光学装置及其方法。
背景技术
已经在长距离通信中广泛使用的基于光纤(optical fiber)的信号传输方法提供了宽频带和抗电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)的优点，并且因此用于高容量数字媒体传输，例如用于需要高速，高密度数据传输的高清晰度数字视频显示设备。
然而，在基于光纤的传统信号传输方法中，用于将发光元件与光纤结合或者用于使从光纤发出的光(light)与受光元件结合的光学装置不仅非常昂贵(high cost)，而且很难在进行光学对准(optical alignment)中使用。
特别地，在传统光学对准方法中，通过附接发光元件和用于感测发光元件的光输出的受光元件，并且通过结合用于收集来自发光元件的光信号的透镜来实现光发射器部件。然后，插入光纤，用插入的光纤执行有源光学对准，光纤被固定在最优位置，以完成光发射器的光学对准。
有源光学对准是指以下的光学对准方法，其中对发光元件施加电流以发射光信号，由此所发射的光信号穿过透镜以在特定距离产生图像，在该位置对准光纤，并且，随着进入光纤的光信号的检测量根据对准的程度改变，发现检测到最高光信号值的位置。在涉及光纤和光学元件的大多数对准和封装应用中使用该方法。
光接收器部件包括使光纤与受光元件对准，并且其装配过程非常类似于光发射器部件的装配过程。
发光元件或受光元件被直接驱动并且实时感测与光纤的对准程度以得到最优对准程度的有源光学对准方法，需要费时的制造过程以及昂贵的装配设备。
尽管有源光学对准方法涉及通过激光焊接生产光学模块并且同时实时地检测光输出或光电流，无源光配置方法是以下的对准方法，其不需要直接驱动光学元件并且是指用于仅仅基于预定的位置信息的装配技术，以在大量生产中非常有利。
发明内容
技术问题
本发明的一个方面提供了一种光学装置，所述光学装置包括更小并且更简单结构的光学模块并且使用最小数量的部件，使得可以降低光学模块的成本，并且可用简单的方式针对多个通道无源地执行光学对准。
本发明的另一个方面提供了一种无源地对准光学装置的部件的方法，即使当使用光学模块进行针对发光元件、受光元件、透镜和多通道光纤的对准时，其仍可以使对准误差最小。
技术方案
为了解决以上技术问题，本发明的一个方面提供了一种用于部件的无源对准的光学装置，所述光学装置包括：基板110；安装在所述基板上的光学元件装置111，所述光学元件装置111包括发光元件111a和受光元件111b；用于实现与光学元件装置111的光通信的光纤133；用于收集光、改变光路以及固定并对准光纤133的透镜光纤连接装置120；以及，被设置在基板110上的用于无源地对准光学元件装置111和透镜光纤连接装置120的对准基准装置115。
本发明的另一个方面提供了一种用于部件无源对准的方法，其包括：(a)将对准基准装置115的连接柱115b结合到基板孔114；(b)参照在对准基准装置115中彼此相对设置的对准孔115a，将一个或者更多个发光元件111a和一个或者更多个受光元件111b以特定间隔对准成一排；(c)参照对准孔115a，对准透镜光纤连接装置120；并且(d)用位于形成透镜光纤连接装置120的一部分的棱镜的表面122b上的光学对准点，把光纤133对准。
有益效果
根据本发明，光纤133a被对准为与棱镜的表面122b紧密接触，使得光纤的对准不需要额外的结构，并且可以通过折射率匹配的环氧树脂来降低反射面处的反射损耗量。
并且，透镜光纤连接部件120包括用于收集和引导光的会聚透镜123；改变光的行进方向的棱镜122；以及固定并对准光纤133的光纤连接器121，这些部件形成为单个结构，从而可以减少部件数量。
因此，本发明提供了以下优点：简化了针对多通道的无源光学对准，以最小化对准误差，并且减少和简化了光学模块的结构以及使所使用部件的数量最小，以降低光学模块的成本。
由于不必为光学对准应用大而复杂的精密设备，所以可以减少光学对准所需的时间，并且每次确保精确的对准，在效率和便利性方面提供了益处。
此外，本发明使得可以大量生产在结构和装配方法两方面都简单的双向光学装置，使得可以用低成本改进在家和在办公室的数据传输速率，为因特网的更大发展打下基础。
附图说明
图1例示了根据本发明的光学装置的组成结构。
图2例示了根据本发明的光发射器中的透镜部件的组成结构和光路。
图3a例示了根据本发明的针对在光发射器中会聚透镜被靠近发光元件设置的示例的透镜部件的组成结构。
图3b例示了根据本发明的针对在光发射器中会聚透镜被远离发光元件设置的示例的透镜部件的组成结构。
图4例示了根据本发明的光接收器中的透镜部件的组成结构和光路。
图5是根据本发明的透镜光纤连接部件的组成结构的详细例示图。
图6是根据本发明的光纤销的组成结构的详细例示图。
图7是根据本发明的对准基准部件的组成结构的详细例示图。
图8是用于描述根据本发明的使用对准基准部件对准发光元件和受光元件的方法的例示图。
图9例示了根据本发明的分开时的以及结合时的金属外壳和外壳固定销。
图10a是描述在基板上对准发光元件和受光元件的方法的例示图。
图10b例示了根据本发明的、结合在一起的透镜光纤连接部件和光纤。
图10c例示了根据本发明的模块，在该模块中光纤销结合到光纤以固定光纤。
图11例示了根据本发明的另一个实施方式的在不使用对准基准部件的情况下参照基板中的孔来对准部件的方法。
(附图标记的描述)
110：基板
111a：发光元件
111b：受光元件
111：光学元件部件
113：光电转换部件
114：基板孔
115：对准基准部件
120：透镜光纤连接部件
125：透镜部件
123：会聚透镜
122：棱镜
121：光纤连接器
131：光纤销
133：光纤
141：外壳固定销
143：金属外壳
具体实施方式
以下参照附图描述本发明的具体实施方式。
图1例示了根据本发明的光学装置的组成结构。
参照图1，本发明的光学装置100包括：基板110；包括发光元件111a和受光元件111b的光学元件部件111；驱动电路112；包括光学元件部件和驱动电路在内的光电转换部件113；基板孔114；设置在基板110上的用于光学元件部件111与透镜光纤连接部件120的无源对准的对准基准部件115；用于收集光，改变光路以及固定并对准光纤133的透镜光纤连接部件120；光纤销131；用于实现与光学元件部件111的光通信的光纤133；外壳固定销141和金属外壳143。
驱动电路112被安装在基板110上，光学元件部件111被安装在基板110的上部。基板孔114包括两个孔，对准基准部件115上的两个连接柱115b可被压配合到孔中以进行连接。
对于光纤133，使用了多通道带状光纤(Multi-channel ribbon optical fiber)，其包括集成形式的一条或者更多条光纤。
透镜光纤连接部件120包括用于收集和引导光的会聚透镜123和改变光行进方向的棱镜122，并包括固定并对准光纤133的光纤连接器121，全部这些部件形成为单个结构。
根据本发明，以下参照附图提供了对透镜部件125的组成结构及其操作原理的详细描述。
图2例示了根据本发明的光发射器中的透镜部件的组成结构和光路。
参照图2，本发明的发射器光学部件126包括：发光元件111a、会聚透镜123、棱镜122和发射器部光纤133a。
透镜部件125可用于光发射器或光接收器，并可以使用一个或更多个会聚透镜123。
从发光元件111a发出的光122c在穿过会聚透镜123后被收集，此处所述收集涉及通过在用于结合到发射器部光纤133a的发射器部棱镜的反射面122a处的全反射来改变发射器部光束122c的光路。
发射器部光纤133a以与棱镜的表面122b紧密接触的方式被对准，从而提供了不需要额外结构来对准光纤的益处。
并且，如果所述固定包括在发射器部光纤133a和棱镜的表面122b之间使用具有相似折射率的环氧树脂粘接剂，则消除了空气层，使光纤的对准更简单，并且可减少在反射面处发生的反射损耗。
通过在光发射单元111a发射光的方向上将会聚透镜123安装在棱镜122的下表面，可以减小发射器光学部件126的大小，从而减小用于光引导的大小。
入射在发射器部光纤133a上的光122c必须具有小于或者等于NA(numericalaperture，数值孔径)的入射角度，以与发射器部光纤133a耦合。因此，光122c入射在发射器部光纤133a上的行进角度越小在与发射器部光纤133a的耦合中提供越大的光耦合效率。
因此，为了增强发射器部光纤133a处的光耦合效率，会聚透镜123被安装在靠近发光元件111a的位置，因为这样能减小光122c在发射器部光纤133a上的入射角。
图3a和图3b分别例示了针对会聚透镜被靠近发光元件111a和远离发光元件111a设置的示例的透镜部件的组成结构。
参照图3a和图3b，在其他方面相同的情况下，比较会聚透镜123靠近和远离发光元件111a的情况，这样的比较示出会聚透镜123靠近发光元件111a的情况比会聚透镜远离的情况，在光最大直径方面减小了1.5倍(d1＜d2)，并且在最大角度方面减小了2.5倍(θ1＜θ2)。
因而，可以看出将会聚透镜123靠近发光元件111a设置，即，设置在从发光元件111a发射的光直接被一次接收的位置，比会聚透镜123远离设置，即，设置在发光元件111a发射的光在通过棱镜后被二次接收的位置，在与发射器部光纤133a的光耦合效率方面具有更大的优点。
图4例示了根据本发明的光接收器中的透镜部件的组成结构和光路。
参照图4，本发明的接收器光学部件126’包括受光元件111b、会聚透镜123’、棱镜122’和接收器部光纤133b。
穿过接收器部光纤133b传输的光122c’被发射，穿过棱镜122’，在接收器部棱镜的反射面122a’被全反射以改变光路，穿过会聚透镜123’，并且被收集，以与受光元件111b耦合。
参照图3和图4，本发明的发射器部和接收器部光纤133以与棱镜的表面122紧密接触的方式被对准，使得当对准光纤133时不需要附加结构。另外一个优点是如果所述固定包括在光纤133和棱镜的表面122之间使用具有相似折射率的环氧树脂粘接剂，则消除了空气层，使得光纤的对准更简单，并且可以减小在反射面处发生的反射损耗。
以下参照附图提供根据本发明的透镜光纤连接部件120的组成结构和操作的详细描述。
图5是根据本发明的透镜光纤连接部件的组成结构的详细例示图。
参照图5，本发明的透镜光纤连接部件120包括：用于收集并引导光的会聚透镜123；用于改变光传播方向的棱镜122以及用于固定并对准光纤133的光纤连接器121，所有这些部件形成为单个结构，从而可以减少部件数量。
在透镜光纤连接部件120上的对准柱127与对准基准部件115无源地结合，以实现发光元件111a和受光元件111b二者与光纤133之间的光学对准(optical alignment)。
下面提供根据本发明的组成和固定光纤销的方法的描述。
图6是根据本发明的光纤销的组成结构的详细例示图。参照图6，本发明的光纤销131包括“V”形凹槽132以将光纤133固定在准确的位置。
虽然本发明使用了包括“V”形凹槽132的光纤销131，但显然本发明不限于此，而是可以采用各种变型。
以下参照附图提供了根据本发明的关于对准基准部件115的组成结构和使用对准基准部件115来对准部件的方法的详细描述。
图7是根据本发明的对准基准部件的组成结构的详细例示图。
参照图7，本发明的对准基准部件115包括形状为圆形缩进凹口的对准孔115a，以及用于连接基板孔114的连接柱115b。
对准基准部件115的上表面和下表面关于主体弯曲以形成大致形，并且包括作为对准基准点使用的两个对准孔115a，以及两个连接柱115b。
图8是用于描述根据本发明的使用对准基准部件对准发光元件和受光元件的方法的例示图。
参照图7和图8，根据本发明的部件对准方法包括，首先将连接柱115b固定在基板的孔114中，然后参照对准基准部件115中的两个对准孔115a将发光元件111a和受光元件111b无源地对准成一排。
接着，在无源地结合对准基准部件115的两个对准孔115a和透镜光纤连接部件120的对准柱127之后，进行光学对准使得透镜部件125和发光元件111a和受光元件111b被对准成一排。
这样，本发明通过无源对准可以容易地将光学元件对准在其期望的位置。
以下参照附图提供根据本发明的通过金属外壳143和外壳固定销141来固定部件的方法的详细说明。
图9例示了根据本发明的在分开时的和结合时的金属外壳和外壳固定销。
参照图9，金属外壳143包围发光元件111a、受光元件111b和驱动电路以保护它们免受外部环境影响，并且还压在光纤销131上以稳固地固定光纤。
外壳固定销141通过表面装配技术(Surface Mount Technology，SMT)结合到基板110以将基板110和金属外壳143稳固地结合。
根据本发明的用于无源地对准光学装置的部件的处理序列可以概括为如下。
作为第一步，对准基准部件115的连接柱115b被结合到基板的孔114。
在第二步中，参照对准基准部件115的两个对准孔115a，发光元件111a和受光元件111b以特定间隔对准成一排。
在第三步中，参照在对准基准部件115中彼此相对设置的两个对准孔115a，对准透镜光纤连接部件120。
在第四步中，用形成透镜光纤连接部件120的一部分的棱镜的表面122b处设置的光学对准点，把光纤133对准。
在第五步中，用光纤销131固定光纤133，之后盖上金属外壳143并金属外壳143与外壳固定销141结合。
以下参照图10a到图10c提供关于实现以上从第一步骤到第四步骤的方法的描述。
图10a是描述在基板上对准发光元件和受光元件的方法的例示图。
图10a示出了通过两个基板孔114与对准基准部件115的两个连接柱115b的结合而结合在一起的基准对准部件115和基板110。
此处，由于参照结合到基板110的对准基准部件115中的两个对准孔115a的中心连成的一条线，以特定间隔对准发光元件111a和受光元件111b，所以可以忽略对准基准部件115的对准可能发生的任何误差。
图10b例示了根据本发明的被结合在一起的透镜光纤连接部件和光纤。
参照对准基准部件115的两个圆形对准孔115a中的每一个，对准透镜光纤连接部件120。
此处，对准基准部件115的对准孔115a被用作发光元件111a和受光元件111b的对准点，以及用于透镜光纤连接部件120的对准。
并且，根据本发明，通过压紧光纤销131以无源地结合光纤133与透镜光纤连接部件120来实现与会聚透镜123的光学对准。
图10c例示了根据本发明的模块，在该模块中光纤销被结合到透镜光纤连接部件和光纤以固定光纤。
图10c示出了通过无源地对准光纤销131而被固定在适当位置的光纤133。
图11例示了根据本发明的另一个实施方式的、在不使用对准基准部件的情况下参照基板中的孔来对准部件的方法。
实现发明的示例
参照图11，根据另一个实施方式的部件对准方法包括：第一步骤，在基板110上用基板的孔114作为对准点，以特定间隔对准发光元件111a和受光元件111b；第二步骤，用基板的孔114作为对准点对准透镜光纤连接部件120；以及第三步骤，将光纤133与光纤连接器121对准以完成光学对准。
使用这样的方法，使用基板孔114作为光学对准的基准，从而可以去除用于光学对准的对准基准部件115，并且可以减少部件数量。
可以通过注射成型来制造以上描述的本发明的光学装置中包括的主要组成部件，并且由于会聚透镜123和棱镜122的部件必须透射光，这些可通过用透明材料的注射成型(inject molding)来制成。
虽然主要使用光学装置的示例提供了以上描述，但是同样可应用于光发射器、光接收器和光收发器中的任一个。虽然以上已经参照附图描述了本发明的技术精神，该描述仅旨在提供本发明的优选示例，并非旨在限制本发明。并且，显然的事实是本发明所属领域的普通技术人员能够以不同的方式修改或复制该技术精神，而没有背离本发明的范围。
工业实用性
本发明例如可以优选地应用于光收发器。
而且，通过体现了本发明中公开的部件的手动对准的光收发器以及部件的手动对准方法，能够大量地生产双向光收发器。

Claims (16)

1.一种用于部件无源对准的光学装置，所述光学装置包括：
基板(110)；
安装在所述基板(110)上并且被构造为发射光或接收光的光学元件装置(111)；
用于实现与所述光学元件装置(111)的光通信的光纤(133)；
用于收集光、改变光路以及固定并对准所述光纤(133)的透镜光纤连接装置(120)；
被设置在所述基板(110)上的用于无源地对准所述光学元件装置(11)和所述透镜光纤连接装置(120)的对准基准装置(115)。
2.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述对准基准装置(115)在其上表面、主体和下表面弯曲以形成大致
Figure FPA00001735441800011
的形状，并且所述对准基准装置(115)具有用作对准基准点的对准孔(115a)，以及用于连接到所述基板(110)中形成的基板孔(114)的连接柱(115b)。
3.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述透镜光纤连接装置(120)在其下端包括对准柱(127)，并且
所述对准柱(127)与所述对准基准装置(115)无源地结合。
4.根据权利要求1所述的光学装置，所述光学装置还包括：一个或者更多个发光元件(111a)和一个或者更多个受光元件(111b)以实现单通道或者多通道的光学装置。
5.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述光纤(133)包括具有集成形式的一条或者更多条光纤的多通道带状光纤(Multi-channel ribbon optical fiber)。
6.根据权利要求1所述的光学装置，其中，所述透镜光纤连接装置(120)包括作为单个结构的以下部件：
被构造为收集并引导光(light)的会聚透镜(123)；
被构造为改变光(light)的行进方向的棱镜(122)；以及
被构造为固定并对准所述光纤(133)的光纤连接器(121)，并且
所述会聚透镜(123)、所述棱镜(122)和所述光纤连接器(121)由透明材料制成并且通过注射成型来制造。
7.根据权利要求6所述的光学装置，其中，所述会聚透镜(123)被设置在使所述光学元件装置(111)发出的光(light)直接被一次接收的位置处。
8.根据权利要求6所述的光学装置，其中，所述光纤(133)被对准为与所述棱镜(122)的表面紧密接触。
9.根据权利要求8所述的光学装置，其中，所述光纤(133)和所述棱镜的所述表面通过之间涂覆的具有相似折射率的环氧树脂粘接剂彼此紧密接触设置。
10.根据权利要求1所述的光学装置，所述光学装置还包括：用于固定所述光纤(133)的光纤销(131)，所述光纤销(131)连接到所述透镜光纤连接装置(120)的一端。
11.根据权利要求10所述的光学装置，其中，所述光纤销(131)包括用于固定所述光纤(133)的V形凹槽(132)。
12.根据权利要求1所述的光学装置，所述光学装置还包括：金属外壳(143)，所述金属外壳(143)用于保护所述光学元件装置(111)免受外部环境影响并且固定所述透镜光纤连接装置(120)。
13.根据权利要求1所述的光学装置，所述光学装置还包括：安装在所述基板(110)的上部的驱动电路(112)、一个或者更多个发光元件和一个或者更多个受光元件。
14.一种用于部件无源对准的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)将对准基准装置(115)的连接柱(115b)结合到基板孔(114)；
(b)关于在所述对准基准装置(115)中彼此相对设置的对准孔(115a)，将一个或者多个发光元件(111a)和一个或者更多个受光元件(111b)以特定间隔对准成一排；
(c)通过无源地结合所述对准孔(115a)和在所述透镜光纤连接装置(120)的下端包括的对准柱(127)，对准透镜光纤连接装置(120)；
(d)用位于形成所述透镜光纤连接装置(120)的一部分的棱镜的表面(122b)上的光学对准点，把所述光纤(133)对准；并且
(e)用光纤销(131)固定所述光纤(133)，盖上金属外壳(143)，并且把所述金属外壳(143)和外壳固定销(141)结合在一起。
15.一种用于部件无源对准的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)用基板孔(114)处的对准点将一个或者更多个发光元件(111a)和一个或者更多个受光元件(111b)以特定间隔对准成一排；
(b)用所述基板孔处(114)的对准点对准透镜光纤连接装置(120)；并且
(c)把光纤(133)与光纤连接器(121)对准。
16.根据权利要求14或权利要求15所述的方法，其中，所述发光元件(111a)和所述受光元件(111b)通过表面装配技术(Surface Mount Technology，SMT)平行地安装在基板(110)上。
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