CN103630990B - 平行光学通信模块及此模块中的操作方法 - Google Patents

Abstract

在平行光学通信模块中，相对于支架紧固的光电子装置的阵列和也相对于所述支架紧固的光学装置的光学元件的阵列不受归因于所述支架和光学装置的热膨胀的相对移动的限制。所述支架和光学装置可由具有类似热膨胀系数的材料制成。随着所述支架中的热膨胀致使所述光电子装置移动，所述光学装置中的类似热膨胀致使所述光学元件移动到类似程度。所述光电子装置和光学元件到类似程度的此共同移动促进持续维持光电子元件与对应光学元件之间的光学对准。

Description

平行光学通信模块及此模块中的操作方法

技术领域

本发明涉及平行光学通信模块及此模块中的操作方法。

背景技术

在光学通信系统中，通常有必要将光纤耦合到光电发射器、接收器或收发器装置，且又将所述装置耦合到例如交换系统或处理系统等电子系统。可通过使收发器装置模块化来促进这些连接。此些光收发器模块包含安装有光电子元件、光学元件及电子元件(例如，一个或一个以上光源(例如，激光器)、光传感器(例如，光电二极管)、透镜及其它光学器件、数字信号驱动器及接收器电路等)的外壳。另外，收发器模块通常包含可在光纤缆线的末端处耦合到配合连接器的光连接器。已知各种光收发器模块配置。举例来说，具有细长外壳的光收发器模块(细长外壳具有矩形横截面形状，其中模块的后部插入到前面板箱的底板中，且模块的前部接受光纤插头)通常被称作小形状因子可插拔或SFP。

光收发器模块或具有可平行操作的多个类似光电子装置(例如，多个激光器或多个光电二极管)的其它光学通信模块通常被称作平行光学通信模块。光电子元件(例如，激光器或光电二极管)、衬底、透镜、透镜支架及光信号路径中的其它元件间的差异热膨胀可能损害恰当模块操作。更具体来说，响应于温度的增加，光信号路径中的由具有不同热膨胀系数(CTE)的材料制成的元件相对于彼此移动不同的量。举例来说，如图1A到1B中关于三轴(x、y、z)参照系(也被称作笛卡尔坐标系)所说明，具有砷化镓的单片平行激光器芯片10或类似衬底可在x轴方向上膨胀及收缩到不同于平行塑料透镜阵列12的程度，其中芯片10的每一激光器14期望与透镜阵列12的透镜16中的一者光学对准以界定光信号(光束)路径18。如果发生此差异膨胀，那么激光器14中的任一给定激光器及透镜16中的对应透镜可变得彼此对准不良，即，不再在所期望光信号路径18上对准。为了抑制差异热膨胀的不利影响，此些元件通常由具有尽可能彼此类似的CTE的材料制成。举例来说，具有砷化镓激光器芯片的模块通常包含玻璃或石英透镜阵列而非塑料透镜阵列，这是因为与塑料的CTE同砷化镓的CTE的接近程度相比，玻璃和石英的CTE更接近于砷化镓的CTE。然而，将需要使用塑料透镜而非玻璃或石英透镜，这是因为塑料透镜比玻璃或石英透镜更经济。

发明内容

本发明的实施例涉及一种平行光学通信模块和操作方法。在示范性实施例中，平行光学通信模块包含：模块外壳；所述模块外壳内的电子电路组合件；所述模块外壳内的支架；沿着轴排列且相对于所述支架紧固的多个单片光电子装置；多个柔性电导体，其将每一光电子装置电连接到所述电子电路组合件；以及光学器件组合件，其安置于所述模块外壳内，且可耦合到多个光纤。每一光电子装置(可为光源或光传感器)包含多个光电子元件。这些光电子元件因此沿着轴排列。每一光电子装置不受相对于所述光电子装置中的其它装置的沿着所述轴的热膨胀移动的限制。所述光学器件组合件包括一个或一个以上光学装置。每一光学装置包括相对于排列所述光电子元件所沿的轴对应地排列的多个光学元件。所述光学装置以将每一光学元件沿着光路径紧固成与所述光电子元件中的对应一个光电子元件标称对准的方式相对于所述支架紧固。

在示范性实施例中，一种上文所提到的平行光学通信模块的操作方法包括：通过多个柔性电导体来激活所述光电子装置中的一者或一者以上，所述多个柔性电导体将所述一个或一个以上光电子装置电连接到所述电子电路组合件；以及所述光电子装置中的一者或一者以上响应于所述支架的热膨胀而经历相对于所述多个光电子装置中的其它光电子装置的沿着所述轴的移动，而所述光学元件中的一者或一者以上也响应于所述光学装置的热膨胀而经历相对于所述多个光学元件中的其它光学元件的沿着所述轴的移动，其中每一光电子装置的多个所述光电子元件沿着所述轴排列，且所述光学装置的多个光学元件相对于排列所述光电子元件所沿的所述轴对应地排列。

所述领域的一般技术人员在仔细查看以下附图和具体实施方式后，其它系统、方法、特征和优势将或将变得显而易见。希望所有此类额外的系统、方法、特征和优点包含在此描述中，属于说明书的范围之内，并受所附权利要求书的保护。

附图说明

参考以下附图可以更好地理解本发明。附图中的组件不必按比例绘制，而是将重点放在清晰地说明本发明的原理上。

图1A是根据现有技术的与透镜阵列对准的平行激光器芯片的示意性说明。

图1B类似于图1A，从不同于图1A的方向展示了平行激光器芯片和透镜阵列。

图2是根据本发明的示范性实施例的平行光收发器模块的透视图。

图3是类似于图2的部分分解图，其展示收发器组合件及外壳。

图4是图3的收发器组合件的放大透视图，其中为了清楚起见而移除了准直透镜装置。

图5是图3到4的收发器组合件的热导体的平面图。

图6类似于图4，展示嵌入于支架中的热导体的部分。

图7是图3到6的收发器组合件和光学装置的部分分解正视图，其展示光路径的部分。

图8是类似于图7的正视图。

图9是图7到8的组合件的透明光纤聚焦装置的透视图。

图10是图7到8的组合件的透明准直透镜装置的俯透视图。

图11是图8的组合件的部分和弹簧夹的另一正视图。

图12是图11的部分的放大，其展示光路径。

具体实施方式

如图2和3中所说明，在本发明的说明性或示范性实施例中，光收发器模块20包括或包含细长外壳22、光纤缆线24和收发器组合件26。通过螺钉28将收发器组合件26保持在外壳22的底部中。外壳22除了覆盖及保护其内部所遮罩的电子、光电和光学元件之外，主要是由压铸或冲压金属制成，且充当散热器以散发由电子和光电子元件的操作所产生的热。如下文所描述，对收发器元件进行热补偿以使热膨胀的不利影响最小化。尽管在示范性实施例中，如下文所描述对光收发器模块20的元件进行热补偿，但在其它实施例(未图示)中，可以基本上与所描述的方式相同的方式来对光收发器模块或光接收器模块的元件进行热补偿。

如图4中所进一步说明，收发器组合件26包含基底30、印刷电路板(PCB)32、支架34、热导体结构36、控制器集成电路芯片38、光源40及光传感器42。支架34安装于PCB32的表面上，PCB32又安装于基底30的表面上。支架34为具有在四个侧上由支架34的其它部分围封的开放中心区域41的四面结构。控制器集成电路芯片38安装于PCB32的在支架34的中心区域41内的区域上。引线接合43将控制器集成电路芯片38电连接到PCB32、光源40及光传感器42。支架34的上表面包含与准直透镜装置48(图10)的下表面中的对应形状的凹座46(图10)匹配的锥状凸台44，准直透镜装置48以下文所描述的方式装配在支架34的顶部上或覆盖支架34。

如图5中所说明，热导体结构36包括彼此各自平行的第一指状伸长热导体50、第二指状伸长热导体52及第三指状伸长热导体54。光源40安装于第一伸长热导体50的远端上，且光传感器42安装于第二伸长热导体52的远端上。在示范性实施例中第三伸长热导体54的远端上没有安装任何元件，但第三伸长热导体54用以说明可存在任何数目个此些伸长热导体。在其它实施例(未图示)中，任何数目个光源、光传感器或其它光电子装置可安装于任何对应数目个此些伸长热导体的远端上。热导体50、52和54的近端终止于垂直于热导体50、52和54的热导体结构36的共同基底部分56中。

在示范性实施例中，光源40和光传感器42沿着轴58排列。在三轴(x,y,z)参照系中，轴58与x轴对准，且热导体50、52和54在与y轴对准且垂直于x和z轴的方向上延伸或伸长。尽管在示范性实施例中，热导体50、52和54相对较直，即其在y轴或z轴方向上无实质偏差，但在其它实施例中，此些热导体可具有任何合适的形状。举例来说，尽管热导体具有在x轴方向上伸长的整体形状，但热导体可具有沿着其长度(例如)弯曲、成Z字形、狗腿形等且因此在具有y轴或z轴分量的方向上延伸而偏离x轴方向的部分。(术语“长度”在此上下文中指代热导体在y轴方向上的伸长的总程度。)在示范性实施例中，热导体50和52从基底部分56延伸到其远端，光源40和光传感器42分别安装于所述远端上。还应注意，尽管在示范性实施例中，热导体50、52和54为平坦、条状金属区域，但在其它实施例中，此些热导体可具有其它形态。

光源40为具有发光元件60的阵列的单片半导体装置。类似地，光传感器42为具有光接收元件62的阵列的单片半导体装置。举例来说，光源40可包括垂直腔表面发射激光器(VCSEL)的1x4阵列(即，四个VCSEL的一维阵列)。类似地，光传感器42可包括光电二极管的1x4阵列。因为光源40和光传感器42安装于热导体50和52上，所以光源40和光传感器42在操作中所产生的热由热导体50和52带走到基底部分56。在完全组装的光收发器模块20(图1)中，基底部分56与外壳22的部分接触，外壳22从基底部分56带走热，且因此充当散热器。尽管在示范性实施例中，光电子装置包含具有发光元件60的1x4阵列的光源40和具有光接收元件62的1x4阵列的光传感器42，但其它实施例可包含任何其它类型和数目的光电子装置。举例来说，另一实施例(未图示)可包含沿着轴排列的四个单片光源，每一光源具有发光元件(例如，VCSEL)的1x4阵列。

如图6中所进一步说明，平行热导体50、52和54的部分嵌入于制成支架34的塑料材料内，且由此塑料材料的平行区划边界或彼此分开。尽管在示范性实施例中，热导体50、52和54完全嵌入于(除了其远端之外)支架34内，但在其它实施例(未图示)中，此些热导体可以任何其它合适的方式相对于此支架紧固。举例来说，在其它实施例中，此些热导体的部分可保持暴露或在塑料材料外部。热导体50、52和54在其被固定在支架34中的意义上相对于支架34紧固，且因此无法相对于支架34移动，除了支架34的部分的热膨胀所引起的移动之外。再次参看图5，在支架34的部分随着温度增加而膨胀(且对应地随着温度降低而收缩)时，光源40和光传感器42在由箭头所指示的方向上与支架34的那些部分一起移动(但指示相反方向的箭头出于清楚的目的未展示于图5中)。如本文中所使用，术语“热膨胀”在其含义的范围内包含膨胀和收缩两者。

如图7到10所说明，光学器件组合件64包含与光纤聚焦装置66组合的准直透镜装置48。准直透镜装置48覆盖或安装到支架34的上表面上。光纤聚焦装置66安装于准直透镜装置48的上表面上。为了方便此安装，光纤聚焦装置66的下表面包含分别与准直透镜装置48的上表面中的对应形状的凹座72和74(图10)匹配的凸台68和70(图9)。尽管在示范性实施例中，光学器件组合件64的光学装置包含与光纤聚焦装置66组合的准直透镜装置48，但在其它实施例(未图示)中，此光学器件组合件可包含任何其它数目和类型的光学装置。

准直透镜装置48包含形成于准直透镜装置48的下侧中的凹座77中的准直透镜76(图7和10)的两个1x4阵列。这些阵列中的一者的准直透镜76沿着对应光路径78(图7)安置。发光元件60(图5)中的对应一些发光元件在光路径78上发射光信号(即，光束)。类似地，阵列中的另一者的准直透镜76沿着对应光路径80(图7)安置。光感测元件62(图5)中的对应一些光感测元件在光路径80上接收光信号(即，光束)。出于清楚的目的，光路径78和80在图7中以概念方式(由虚线所指示)而非以几何方式指示。因此，出于清楚的目的，光路径78和80中的方向改变在图7中未指示。

光纤聚焦装置66包含反射元件82(图9)，其使光束从光路径78的一个部分改向到另一个部分，且从光路径80的一个部分改向到另一个部分。光纤聚焦装置66还包含孔84，其保持光纤缆线24(图1)的光纤(未单独展示)的末端。因此，由光源40的发光元件60发射的光束由准直透镜76准直且由反射元件82改向到保持于孔84中的光纤末端上。四个发光元件60、四个准直透镜76的第一群组、四个反射元件82的第一群组和四个孔84的第一群组均沿着光路径78对准。类似地，由保持于孔84中的光纤末端发射的光束在撞击于光传感器42的光接收元件62上之前由反射元件82改向且由准直透镜76准直。四个光接收元件62、四个准直透镜76的第二群组、四个反射元件82的第二群组和四个孔84的第二群组均沿着光路径80对准。尽管在示范性实施例中，光学元件包含准直透镜76、反射元件82和孔84的末端，但在其它实施例中，一个或一个以上光学装置可包含任何其它类型的一个或一个以上光学元件。

上文所描述的光学装置以使每一光学元件沿着光路径78和80保持与光电子元件中的对应一个光电子元件标称对准的方式相对于支架34紧固。如本文中所使用的术语“标称对准”的意思是，要不是倾向于使元件不再对准的热膨胀的不合需要的影响，此些元件就会对准。

关于图11到12进一步说明上文所描述的元件的与光路径78和80有关的操作。包括PCB32、支架34、准直透镜装置48和光纤聚焦装置66的组合件展示于图11中。弹簧夹86帮助将这些元件紧固地保持在外壳22(图2到3)中。

凸台88将支架34紧固到PCB32。凸台88实质上定位在支架34的相对于x轴的中心，且支架34的在凸台88的任一侧(相对于x轴)的部分未以任何方式紧固到PCB32。也就是说，支架34的在凸台88的任一侧(相对于x轴)的部分浮在PCB32的表面上。支架34因此在相对于x轴的基本上单个点处通过凸台88紧固到PCB32。因此，支架34的在所述点的“左”侧(相对于x轴)的部分自由向左热膨胀以远离所述点，且支架34的在所述点的“右”侧(相对于x轴)的部分自由向右热膨胀以远离所述点。注意，术语“左”和“右”在此上下文中仅用以方便表示相反方向且对应于图5中的箭头。

为了清楚起见，在图12中展示图11的放大部分90。对图11中所示的组合件进行热补偿。在示范性实施例中，支架34、准直透镜装置48和光纤聚焦装置66由彼此相同的塑料材料制成，且各自经模制为塑料材料的单个或整体件或块，使得其上文所描述的光学元件与光学装置的所有其它部分一起形成一整体。此塑料材料具有某一热膨胀系数(CTE)。在其它实施例中，此些光学装置可由塑料或具有并非恰好相同但彼此接近的CTE的类似的经济材料制成。因为制成支架34的塑料材料响应于热而膨胀，所以热导体50、52和54因为其所嵌入的塑料材料的膨胀而在x轴方向上移动或位移与塑料材料的CTE有关的量。光源40和光传感器42(及其相应的发光元件60和光接收元件62)与分别安装有光源40和光传感器42的热导体50和52一起移动或位移。

因为制成准直透镜装置48和光纤聚焦装置66的塑料材料膨胀到与制成支架34的塑料材料相同的程度，即其膨胀与塑料材料的CTE有关的量，所以存在热补偿。注意，准直透镜装置48具有实质上类似于支架34的形状和大小的形状和大小，且准直透镜76实质上安置于相对于x轴的与其光学对准的发光元件60和光接收元件62中的对应一些元件相同的位置处。因此，准直透镜76相对于x轴移动或位移类似于此些对应发光元件60和光接收元件相对于x轴移动或位移的量的量。类似地，反射元件82和孔84的末端相对于x轴移动或位移类似于其光学对准的发光元件60和光接收元件中的对应一些元件相对于x轴移动或位移的量的量。光电子装置和光学元件到类似程度的此共同移动促进持续维持光电子元件与对应光学元件之间的光学对准(沿着光路径78和80)。

可注意到，光电子光源40或光电子光传感器42(其各自形成于单片半导体(例如，硅、砷化镓等)衬底上)相比于上文所描述的塑料光学装置，经历显著小的热膨胀，这是因为此衬底材料的CTE比此塑料材料的CTE低得多。换言之，单片半导体装置与塑料装置相比较并没有膨胀(或收缩)太多。因此，个别光电子元件60(例如，VCSEL)相对于彼此的移动或位移或者个别光电子元件62(例如，光电二极管)相对于彼此的移动或位移显著小于光电子光源40作为整体或光电子光传感器42作为整体的移动或位移。因此，例如，在每一光电子装置仅具有单个光电子元件(即，1x1阵列)的实施例(未图示)中，上文所描述的热补偿可维持近乎完美的光学对准，这是因为光电子元件将移动或位移到与其对准的光学元件相同的程度。然而，由于单个光电子装置中的光电子元件的数目增加，所以上文所描述的热补偿在维持光电子装置的光电子元件与光学装置的光学元件之间的光学对准方面变得不太有效。已发现，在单片光电子装置由至少约四个但不多于约八个光电子元件组成的实施例中，热补偿可为最有用的。因为需要提供数量为2的幂的元件，所以四个光电子元件(即，1x4阵列)或者八个光电子元件(即，1x8阵列)被认为是单个单片光电子装置中的光电子元件的最佳数目。而且，尽管本文中所描述的实施例涉及仅具有一行的元件阵列(例如，“1xN”，其中“1”为行数，且N为元件的数目)，但其它实施例可涉及具有一行以上的元件阵列。

上文已描述本发明的一个或一个以上说明性实施例。然而，应理解，本发明由所附权利要求书来界定，且不限于所描述的特定实施例。

Claims (21)

1.一种平行光学通信模块，其包括：

模块外壳；

所述模块外壳内的电子电路组合件；

所述模块外壳内的支架；

沿着轴排列且相对于所述支架紧固的多个单片光电子装置，每一单片光电子装置选自由光源和光传感器组成的群组，每一光电子装置具有沿着所述轴排列的多个光电子元件，每一光电子装置不受相对于所述多个光电子装置中的其它光电子装置的沿着所述轴的热膨胀移动的限制；

多个柔性电导体，其将每一光电子装置电连接到所述电子电路组合件；以及

包括光学装置的光学器件组合件，所述光学器件组合件安置于所述模块外壳内，且能够耦合到多个光纤，所述光学装置包括相对于所述轴与光电子元件对应地排列的多个光学元件，所述光学装置相对于所述支架紧固以将每一光学元件沿着光路径紧固成与所述光电子元件中的对应一个光电子元件标称对准，

其中：所述光学装置由具有光学装置热膨胀系数的材料制成，所述光学装置热膨胀系数与所述支架材料热膨胀系数的接近程度高于与所述光电子装置热膨胀系数的接近程度；且

其中所述支架和所述光学装置由彼此相同的材料制成。

2.根据权利要求1所述的平行光学通信模块，其中：

所述支架由具有支架材料热膨胀系数的材料制成；以及

每一光电子装置由具有光电子装置热膨胀系数的材料制成。

3.根据权利要求1所述的平行光学通信模块，进一步包括多个实质上平行伸长热导体，每一热导体在垂直于所述轴的方向上伸长，且具有安装有所述光电子装置中的一者的远端和耦合到所述多个实质上平行伸长热导体中的其它平行伸长热导体的近端的近端。

4.根据权利要求3所述的平行光学通信模块，其中所述多个实质上平行伸长热导体嵌入于所述支架的部分内，且仅通过制成所述支架的材料的部分而彼此分开。

5.根据权利要求4所述的平行光学通信模块，其中所述实质上平行伸长热导体包括金属指状物，其经由热路径耦合到散热器。

6.根据权利要求1所述的平行光学通信模块，其中所述支架和所述光学装置由塑料材料制成。

7.根据权利要求3所述的平行光学通信模块，其中所述多个光学元件包括在所述光学装置中形成整体的透镜，所述光学装置安装到所述支架。

8.根据权利要求3所述的平行光学通信模块，其中所述支架和所述平行伸长热导体的所述近端安装到衬底的表面。

9.根据权利要求8所述的平行光学通信模块，其中所述支架包括围绕所述电子电路组合件的控制器芯片的矩形框，且所述光学装置包括盖，所述盖将所述控制器芯片围封于由所述衬底、所述支架和所述光学装置在所有侧上界定的腔内。

10.根据权利要求8所述的平行光学通信模块，其中所述支架在沿着所述轴的单个点处紧固到所述衬底。

11.一种平行光学通信模块中的操作方法，所述平行光学通信模块包括：模块外壳；所述模块外壳内的电子电路组合件；所述模块外壳内的支架；沿着轴排列且相对于所述支架紧固的多个单片光电子装置；及包括光学装置的光学器件组合件，所述光学器件组合件安置于所述模块外壳内，且耦合到多个光纤，所述光学装置相对于所述支架紧固以将每一光学元件沿着光路径紧固成与所述光电子元件中的对应一个光电子元件标称对准，所述方法包括：

通过多个柔性电导体来激活所述光电子装置中的一者或一者以上，所述多个柔性电导体将所述一个或一个以上光电子装置电连接到所述电子电路组合件；

所述光电子装置中的一者或一者以上响应于所述支架的热膨胀而经历相对于所述多个光电子装置中的其它光电子装置的沿着所述轴的移动，其中每一光电子装置的多个所述光电子元件沿着所述轴排列；

所述光学元件中的一者或一者以上响应于所述光学装置的热膨胀而经历相对于所述多个光学元件中的其它光学元件的沿着所述轴的移动，其中所述光学装置的多个光学元件相对于所述轴与所述光电子元件对应地排列。

12.根据权利要求11所述的方法，其中：

所述支架由具有支架材料热膨胀系数的材料制成；

每一光电子装置由具有光电子装置热膨胀系数的材料制成；以及

所述光学装置由具有光学装置热膨胀系数的材料制成，所述光学装置热膨胀系数与所述支架材料热膨胀系数的接近程度高于与所述光电子装置热膨胀系数的接近程度。

13.根据权利要求11所述的方法，进一步包括多个实质上平行伸长热导体，每一热导体在垂直于所述轴的方向上伸长，且具有安装有所述光电子装置中的一者的远端和耦合到所述多个实质上平行伸长热导体中的其它平行伸长热导体的近端的近端。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个实质上平行伸长热导体嵌入于所述支架的部分内，且仅通过制成所述支架的材料的部分而彼此分开。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述实质上平行伸长热导体包括金属指状物，其经由热路径耦合到散热器。

16.根据权利要求14所述的方法，其中所述支架和所述光学装置由彼此相同的材料制成。

17.根据权利要求16所述的方法，其中所述支架和所述光学装置由塑料材料制成。

18.根据权利要求13所述的方法，其中所述多个光学元件包括在所述光学装置中形成整体的透镜，所述光学装置安装到所述支架。

19.根据权利要求13所述的方法，其中所述支架和所述平行伸长热导体的所述近端安装到衬底的表面。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述支架包括围绕所述电子电路组合件的控制器芯片的矩形框，且所述光学装置包括盖，所述盖将所述控制器芯片围封于由所述衬底、所述支架和所述光学装置在所有侧上界定的腔内。

21.根据权利要求19所述的方法，其中所述支架在沿着所述轴的单个点处紧固到所述衬底。