CN103969769B - 组装发射器光学子组件的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种组装发射器光学组件的方法，该光学组件安装有两个透镜，其中一个透镜会聚从激光二极管发射的光束，另一个透镜将前一个透镜所会聚的光束准直。该方法的特征在于，首先将第一透镜定位在将来自激光二极管的光束准直的位置，然后将第一透镜移动到相对于激光二极管远离前一个位置的位置，以便会聚光束。所公开的方法执行如下步骤：利用治具来定位透镜，以便将穿过第一透镜的光束引导到壳体的外侧。

Description

组装发射器光学子组件的方法

技术领域

本申请涉及组装发射器光学子组件（在下文中表示为TOSA）的方法，具体地说，本申请涉及具有波分多路复用（在下文中表示为WDM）功能的TOSA。

背景技术

已公开了实现WDM功能的多种TOSA。例如，美国专利USP8,036,533B公开了一种TOSA，这种TOSA具有封装在封装件中的光源、阵列透镜和光多路复用器。来自相应光源的光束经阵列透镜而准直，以倾斜角进入光多路复用器，在光多路复用器中反复地发生内反射并与其它光束多路复用，并输出为单独一条多路复用光束。光多路复用器的倾斜角和厚度确定光束的轴线。

日本专利申请公开No.H01-101511A公开了一种光学系统，该光学系统将从激光二极管（在下文中表示为LD）输出并被准直透镜准直的各条光束多路复用。准直光束在彼此不同的点进入会聚透镜。会聚透镜将如此进入的准直光束会聚在一点上。

随着所要传输的信息量的急剧增加，已开发出被广泛地称为百形状因数可拔插光组件（Centum Form factor Pluggable，在下文中表示为CFP）的新型光收发器。然而，对以有限的能耗来进一步增大传输容量的要求是没有止境的。本领域中迫切需要与CFP相比尺寸更小且能耗更低的光收发器。这种光收发器一般要求外部光纤与光信号源之间的耦合效率高。上述现有技术中公开的那些光学系统未必满足要求。

发明内容

本申请的一个实施例涉及一种组装发射器光学组件的方法，所述方法包括以下步骤：准备中间组件，所述中间组件包括半导体激光二极管（在下文中表示为LD）、基板和壳体，所述LD被安装到所述基板上，安装有所述LD的所述基板被安装到所述壳体中；使用辅助治具来使从所述LD输出的光束偏移，以便将所述光束引导到所述壳体的外侧；在监测所述光束的同时，将第一透镜对准到如下位置：所述第一透镜的光轴与所述LD的光轴重合并且穿过所述第一透镜的光束变为准直光束；以及在监测穿过所述第一透镜的光束的同时，将所述第一透镜移动到另一个位置，在该位置处所述LD定位在所述第一透镜的焦点处。

所述辅助治具可以包括两个棱镜，所述两个棱镜分别反射从所述LD输出的光束，从所述辅助治具输出的光束大致平行于从所述LD输出的光束的光轴。

将所述第一透镜对准的步骤包括如下步骤：二维地监测从所述辅助治具输出的光束的二维图像。具体地说，可以将所述第一透镜对准，以使与最大强度相对应的位置变成二维图像的中心，并且所述二维图像具有预定的尺寸。

移动所述第一透镜的步骤包括如下步骤：在保持最大强度为所述二维图像的中心的同时，移动所述第一透镜，以使所述第一透镜距所述LD为预定的距离。

所述方法可以包括在移动所述第一透镜之后固定所述第一透镜的步骤，固定所述第一透镜的步骤包括以下步骤：稍微提升所述第一透镜；向提升起来的所述第一透镜下方的所述基板上施加粘合树脂；使所述第一透镜下降到所述基板上；以及通过以紫外线照射和/或加热所述树脂来使所述粘合树脂固化。

附图说明

根据以下结合附图对本发明的优选实施例所做的详细描述，可以更清楚地理解本发明的以上和其它目的、方面以及优点，其中：

图1是根据一个实施例的发射器光学组件的平面图；

图2是图1所示的发射器光学组件的侧视图；

图3是组装图1所示的发射器光学组件的工序的流程图；

图4示意性地示出组装安装在发射器光学组件中的第一透镜的工序；

图5是组装第一透镜的工序的流程图；

图6示意性地示出在图4所示的布置方式中测得的光束的强度分布；

图7示意性地示出从图4所示的工序变型而来的工序；

图8示意性地示出在图4所示的工序之后将第一透镜定位的工序；

图9示出在图5所示的工序之后组装第二透镜的工序的流程图；以及

图10示意性地示出组装第二透镜的工序。

具体实施方式

下面将参考附图来描述一些实施例。在描述附图时，将用彼此相同或相似的附图标记或标号来表示彼此相同或相似的元件，并省略重复的说明。另外，在附图中，附图部件P₁至P₇表示按照这个顺序设置的各个基准平面。

下面参考图1和图2来描述实施例的发射器光学组件。发射器光学组件2包括：驱动器10、子支架11a至11d、半导体激光二极管（LD）12a至12d、第一透镜13a至13d、分束器14、监测光电二极管（mPD）15a至15d、第二透镜16a至16d、以及光多路复用器17。第一透镜13a至13d的类型是会聚透镜，第二透镜16a至16d的类型是准直透镜。发射器光学组件2还包括基板1a、壳体1b和输出口18，其中，基板1a安装有上述电学元件和光学元件，壳体1b的一侧设置有输出口18并将上述元件和基板1a封装于壳体1b中。输出口18设置有与设置在壳体1b一侧的开口连续的孔。输出口18的孔的中心大致与壳体1b的开口的中心对准。

基板1a设置有表面1a₁，该表面用于安装上述电学元件和光学元件。在本实施例中，LD12a至12d具有彼此相同的结构，并利用相应的子支架11a至11d沿着第一基准平面P₁设置在基板1a的主表面1a₁上。LD12a至12d分别发射波长彼此不同的特定波长的光束。

结构彼此相同的第一透镜13a至13d利用粘合树脂J₁沿着第二基准平面P₂设置在基板1a的主表面1a₁上。第二基准平面P₂与第一基准平面P₁平行。第一透镜13a至13d分别将来自相应的LD12a至12d的光束B₁会聚到第四基准平面P₄上，第四基准平面P₄也与第一基准平面P₁及第二基准平面P₂平行。设置在第二基准平面P₂与第四基准平面P₄之间的分束器14将从第一透镜13a至13d输出的光束B₂分成两部分，其中一部分B_2b穿过分束器14透射并射向第二透镜16_a至16d，另一部分则朝均安装在分束器14上的mPD15_a至15d前进。当将LD12a至12d设置在第一基准平面P₁上并将第一透镜13a至13d设置在第二基准平面P₂上时，从第一透镜13a至13d输出并被分束器14部分地反射的光束B₂聚焦在相应的mPD15a至15d的主表面上而成为光束B_2a。

尽管mPD15a至15d沿着第三基准平面P₃设置，但是分束器14的横向中心偏离第三基准平面P3，也就是说，参考图2，分束器14的两个棱镜之间的界面相对于基板1a的主表面1a₁的角度小于45°。因此，光束B_2a以偏离mPD15a至15d法线的倾斜角进入相应的mPD15a至15d。mPD15a至15d和分束器14的这种光学布置方式防止了在mPD15a至15d的表面上反射的光返回并进入LD12a至12d中。再次进入LD的光将导致LD中的光噪声。在本实施例中，mPD15a至15d具有彼此相同的结构，并且可以具有所谓的顶部照射或背部照射的类型。

第二透镜16a至16d的类型是准直透镜。第二透镜16a至16d也利用粘合树脂J₂沿着第五基准平面P₅定位在基板1a的主表面1a₁上。第五基准平面P₅与第一基准平面P₁至第四基准平面P₄平行。第二透镜16a至16d分别将从分束器14输出并聚焦在第四基准平面P₄上的光束B_2b转换成准直光束B₃。

光多路复用器17将分别从相应的第二透镜16a至16d输出的光束B₃根据波长进行多路复用，并且向输出口18输出单独一条光束B₄。单独一条光束B₄是准直光束并包含四种波长。设置在壳体1b的外侧的第三透镜19将从光多路复用器17输出并穿过输出口18的光束B₄会聚到外部光纤20的端部。

下面将参考图3至图10来描述组装发射器光学组件2的工序。尽管以下描述集中于组装一个第一透镜13a和一个第二透镜16a的工序，但与以下所描述的技术大致相同的技术将适用于其余的第一透镜13b至13d以及其余的第二透镜16b至16d。

参考图3，该工序首先在步骤S₁中准备中间组件1，中间组件1包括基板1a、LD12a至12d、分束器14、mPD15a至15d以及光多路复用器17，其中，将后四种器件12a至17精确地设置在基板1a上的相应位置，并预先将组装有这些器件12a至17的基板1a设置在壳体1b中。将经过这样处理的中间组件1设置在可横向移动的平台26上，如图4所示。

在后续的步骤S₂至步骤S₁₀中，将第一透镜13a和中间组件1组装起来。具体地说，在步骤S₂中，将辅助治具21设置在LD12a与分束器14之间，或设置在分束器14与光多路复用器17之间。辅助治具21将两个棱镜21a、21b与平行六面体21c组装起来，其中，棱镜21a和21b的彼此面对的斜面被用作反射镜。利用辅助治具21的各界面21a和21b处的两次反射，能够将从LD12a输出并穿过第一透镜13a的光束B₁从壳体1b导出为光束B₇。

步骤S₃中的工序使用由定位器25支撑的透镜保持器25a来暂时地调节设置在辅助治具21与第一LD12a之间的第一透镜13a的位置。透镜保持器25a的类型是例如通常在半导体工序中使用的真空夹具和/或机械卡盘。定位器25或透镜保持器25a沿上下方向移动第一透镜13a，并且有时围绕透镜保持器25a的轴线旋转地移动第一透镜13a。在步骤S₄中，实际地激活LD12a以发射光束B₁。

在步骤S₅中，在观察从辅助治具21输出并由图像检测器22检测到的光束B₇的图像的同时，将第一透镜12a实际地对准在第七基准平面P₇上。当第一LD12a（更准确地是第一LD12a的前表面）与第一透镜13a之间的相对距离变为第一透镜13a的焦距时，从LD12a输出的光束B₁被转换成不会聚焦在一点上的准直或平行光束B₆。假设光束变成平行光束时的第一透镜13a的位置是第七基准平面P₇。

参考图4至图6来更具体地描述步骤S₅。步骤S₅包括两个子步骤S_5a和S_5b，如图5所示。与图像分析器23及定位器25协作的控制器24利用定位器25来调节第一透镜13a的位置，从而在利用图像检测器23二维地检测图像的强度的同时，使最大值K₁变为图像检测器23的监测器中心，且同时保持图像的轴对称性。利用图像分析器23计算光束B₇的强度的峰值位置K₁。当第一透镜13a的光轴的位置偏离LD12a的轴线时，图像将从轴对称状态变形。

在步骤S_5b中，控制器24利用定位器25来进一步调节第一透镜13a的位置，从而使光束B₇的图像的直径L₁变得最小，最小直径大致与相对于最大强度B的1/e²相对强度对应。尽管光束B₇的强度分布非常取决于LD12_a的远场图案，但可以估计最小轮廓的最小直径。因此，图像分析器23可以基于由图像检测器22二维地检测到的光束B₇的图像来估计图像的最大强度和尺寸。由此确定的第一透镜13a的位置与LD12a精确地对准并且正好位于第七基准平面P₇上。

与图像分析器25协作的控制器24控制定位器25和可移动的平台26。例如，定位器25可以沿上下方向移动第一透镜13_a，同时可移动的平台26可以横向地移动LD12a。图像检测器22相对于定位器25固定在相对位置。也就是说，图像检测器22可以与定位器25相关联地移动。

尽管上述步骤S₅使用了图像分析器23和控制器24，但可以在没有这些装置的情况下将第一透镜13a定位在第七基准平面P₇上。如图7所示，将图像检测器22的输出信号导入可视监测器22a，可视监测器22a利用明暗图案（light and shade patterns）来二维地表示光束B₇的轮廓。因此，可以手动地将定位器25（也就是第一透镜13a）和可移动的平台26（也就是LD12a）定位，从而明暗图案的峰值K₁和尺寸L₁变为相应的设计状态。

步骤S6将第一透镜13a从第七基准平面P₇上的位置进一步移动到第二基准平面P₂上的设计位置，第二基准平面P₂在光轴方向上距第七基准平面P₇的距离为L₂。具体地说，在辅助治具21监测光束B₇的图像轮廓的同时，第一透镜13a逐渐远离LD12a。随着定位器25或可移动的平台26使得第一透镜13a与LD12a之间的距离增加，图像检测器22所监测的图像变得清楚且清晰。然而，通过保持图像的中心以及较清晰的图像的形状，保持第一透镜13a的光轴与LD12a的光轴对准。

步骤S₇至步骤S₁₀将处于设计位置的第一透镜固定在第二基准平面P₂上。首先，定位器25或可移动的平台26稍微提升第一透镜13a，以便相对于基板1a形成间隙。然后，在步骤S₈中向表面1a₁上施加粘合树脂。粘合树脂的类型是紫外线固化型树脂和/或热固化型树脂。在步骤S₉中，定位器25或可移动的平台26使第一透镜13a下降到基板1a上。最后，在步骤S₁₀中，通过用紫外线照射或者加热来使在步骤S₈施加的粘合树脂固化，以将第一透镜13a刚性地并永久性地固定在基板1a上的第二基准平面P₂上。然后，将使第二透镜16a定位。在将第一透镜13a固定在基板1a上之后，移除辅助治具21。

因为第一透镜13a如上所述地沿着第二基准平面P₂精确地对准，所以mPD15a也可以精确地定位在第三基准平面P₃上。当第一透镜13a定位在第二基准平面P₂上时，即使mPD15a偏离分束器14上的设计位置，第一透镜13a的焦距仍然设置在mPD15a的光接收表面15a₁上。具体地说，即使分束器14偏离设计位置，或者设置在分束器14上的mPD15a偏离在分束器14上的设计位置，mPD15a仍然可以有效地检测光束，以在分束器14上找到光束B_2a的焦点。

步骤S₁₁至S₁₇将第二透镜16a对准并固定在中间组件1的设计位置。在步骤S₁₀之后，在步骤S₁₁中，透镜保持器25a保持第二透镜16a并将第二透镜16a粗略地设置在基板1a上的设计位置。在步骤S₁₂中实际地激活一个LD12a，并且在由图像检测器22监测光束B₈的同时，定位器25将第二透镜16a移动到第五基准平面P₅上，以使图像检测器22所检测到的二维图像具有位于中心处的最大强度并具有预定的尺寸，这与将第一透镜13a对准到第七基准平面_P7上的那些操作大致相同。第五基准平面P₅上用于第二透镜16a的位置是使光束B₈的监测强度变为最大值的位置。控制器24基于图像检测器22所检测到的强度分布，利用定位器25来操作透镜保持器25a。由于光多路复用器17使输入的光束的光轴偏移，所以图像检测器22的轴线相对于所要对准的第二透镜16a的轴线偏离预定的偏移量。由于第二透镜16a是准直透镜而透镜27a是会聚透镜，所以第二透镜16a的与设计位置的偏差反应在图像轮廓的不对称性上。

然后，用具有与会聚透镜27a组装起来的光纤27b的辅助器件取代图像检测器22，并用强度监测器28检测从光纤27b导出的光学输出，如图10所示。辅助器件首先与从壳体1b的输出口18输出的光束B₈对准，从而使透镜27a所会聚的强度变为最大值。在对准辅助器件的同时，使第二透镜16a沿着光轴更精确地对准，以便强度监测器28获得最大强度。将辅助器件相对于光多路复用器17或壳体1b的输出口18的位置记录下来供以后使用。

然后，在步骤S₁₄至S₁₇中将第二透镜16a固定在基板1a上的第五基准平面P₅上。步骤S₁₄将第二透镜16a从步骤S₁₁至S₁₃中限定的对准位置稍微提升，然后向基板1a上施加粘合树脂；步骤S₁₆将第二透镜16a下置到限定位置；并且步骤S₁₇将粘合树脂固化。用于第二透镜16a的粘合树脂可以与前述步骤中用于第一透镜13a的粘合树脂相同或相似。具体地说，粘合树脂的类型是紫外线固化型树脂和/或热固化型树脂。可以通过用紫外线照射来使前一种树脂固化，而通过加热来是后一种树脂固化。因此，形成了用于固定第二透镜16a的固化树脂J₂。

步骤S₁至S₁₀使其余的第一透镜13b至13b与相应的LD12b至12d对准，步骤S₁₁至S₁₇使其余的第二透镜16b至16d对准和固定。然而，用于将辅助器件相对于壳体1b定位的步骤可以代替将辅助器件定位在已记录的位置的工序。这样，第一透镜13a至13d以及第二透镜16a至16d与相应的LD12a至12d对准。

尽管示出并描述了目前考虑到的示例性实施例，但本领域的技术人员将会理解，可以在不脱离本发明实质范围的情况下做出多种其它变型，并且可以做出等同替换。另外，可以在不脱离本文所描述的核心发明概念的情况下做出多种变型来适应本发明的教导的特定情况。因此，应该认为本发明不限于所公开的具体实施例，而是包括落入所附权利要求书的范围内的全部实施例。

Claims (14)

1.一种组装发射器光学组件的方法，包括以下步骤：

步骤a：准备中间组件，所述中间组件包括半导体激光二极管、基板和壳体，所述半导体激光二极管被安装到所述基板上，安装有所述半导体激光二极管的所述基板被安装到所述壳体中；

步骤b：通过在所述基板上设置辅助治具，将从所述半导体激光二极管输出的光束引出到所述壳体的外部，所述辅助治具包括两个棱镜，所述两个棱镜分别反射从所述半导体激光二极管输出的光束，所述辅助治具使从所述半导体激光二极管输出的光束偏移，以使从所述辅助治具输出的光束平行于从所述半导体激光二极管输出的光束；

步骤c：在监测穿过所述辅助治具的光束的同时，将第一透镜对准在如下位置：使所述第一透镜的光轴与所述半导体激光二极管的光轴重合，并使穿过所述第一透镜的光束变为准直光束；以及

步骤d：在监测穿过所述第一透镜的光束的同时，将所述第一透镜移动至另一位置，使所述半导体激光二极管位于所述第一透镜的一个焦点处。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，

将所述第一透镜对准的步骤包括如下步骤：二维地监测从所述辅助治具输出的光束的二维图像。

3.根据权利要求2所述的方法，其中，

将所述第一透镜对准的步骤包括如下步骤：将所述第一透镜对准成使所述二维图像在中心处具有最大强度。

4.根据权利要求2所述的方法，其中，

将所述第一透镜对准的步骤包括如下步骤：将所述第一透镜对准成使所述二维图像变为预定的尺寸。

5.根据权利要求1所述的方法，其中，

移动所述第一透镜的步骤包括如下步骤：滑动所述第一透镜，以使所述第一透镜距所述半导体激光二极管为预定的距离。

6.根据权利要求1所述的方法，还包括以下步骤：

步骤e：在步骤d之后，将所述第一透镜固定在所述基板上。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，

固定所述第一透镜的步骤进一步包括以下步骤：

步骤e-1：提升所述第一透镜；

步骤e-2：向提升起来的所述第一透镜下方的所述基板上施加粘合树脂；

步骤e-3：使所述第一透镜下降到所述基板上；以及

步骤e-4：使所述粘合树脂固化，以将所述第一透镜固定在所述基板上。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，

所述粘合树脂选自包括紫外线固化型树脂和热固化型树脂在内的群组。

9.根据权利要求7所述的方法，其中，

所述发射器光学组件还包括：第二透镜，其将从所述第一透镜输出的光束准直；窗口，经所述第二透镜准直的光束从所述窗口穿过；以及第三透镜，其将穿过所述窗口的光束会聚到外部光纤上，

其中，在步骤e-4之后，所述方法还包括以下步骤：

步骤f：使所述第三透镜与所述窗口对准，以使所述第三透镜的光轴穿过所述窗口的中心；

步骤g：将所述辅助治具从所述壳体移除；以及

步骤h：在监测穿过所述第一透镜、所述第二透镜和所述第三透镜而产生二维图像的光束的同时，将所述第二透镜对准成使所述光束在所述二维图像的中心处具有最大强度。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，

使所述第三透镜与所述窗口对准的步骤是以机械方式执行的。

11.根据权利要求9所述的方法，还包括以下步骤：

在将所述第二透镜对准的步骤之前并且在移除所述辅助治具的步骤之后，激活所述半导体激光二极管。

12.根据权利要求1所述的方法，其中，

所述发射器光学组件还包括分束器，所述分束器将从所述半导体激光二极管输出并穿过所述第一透镜的光束分成两条光束，一条光束透射穿过所述分束器，另一条光束被所述分束器反射，并且

透射穿过所述分束器的光束的轴线与被所述分束器反射的光束的轴线成锐角。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，

透射穿过所述分束器的光束的轴线沿着进入所述分束器的光束的轴线。

14.根据权利要求12所述的方法，其中，

所述发射器光学组件还包括安装在所述分束器上的监测光电二极管，并且

所述方法还包括如下步骤：使所述分束器上的所述监测光电二极管与被所述分束器反射的光束的轴线对准。