CN104238027A - 分光透镜阵列元件 - Google Patents

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胡定坤
徐红春
曹芳
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    • G02B6/24—Coupling light guides
    • G02B6/42—Coupling light guides with opto-electronic elements

Abstract

本发明涉及一种分光透镜阵列元件，包括一主体，波长为850nm的入射光进入所述主体内进行全反射的临界角小于45°；第一侧面设有A微透镜阵列和C微透镜阵列，第二侧面设有B微透镜阵列，第三侧面向内凹设有两个凹槽，两个凹槽的底面为倾斜面，并分别形成第一光学界面和第二光学界面，第一光学界面和第二光学界面与第一侧面的夹角均为45°，且第一光学界面垂直于第二光学界面，透过A微透镜阵列的光线经过第一光学界面进行全反射后，一部分光线经过第二光学界面全反射进入C微透镜阵列，另一部分光线直接射入B微透镜阵列，而进入C微透镜阵列的光线则用来实现背光监测功能，分光透镜阵列元件可实现QSFP+光学封装的背光监测功能，结构简单、成本较低。

Description

分光透镜阵列元件
技术领域
本发明涉及一种分光透镜阵列元件，属于光纤通信领域。 
背景技术
目前，QSFP+是为了满足市场对高密度高速可插拔方案的需求而诞生的一种光纤解决方案，QSFP+的接口广泛用于：交换机，路由器，主机适配器总线，企业存储，高密度、高速的I/O及多通道互联。QSFP+ 4通道的可插拔接口传输速率可达40Gbps，可在XFP相同的端口体积下以每通道速度10Gbps支持四个通道的数据传输，所以QSFP+的传输密度可以达到XFP产品的4倍，SFP+产品的3倍。 
附图1、图2以及图3为传统透镜阵列元件的QSFP+模块光学封装部分的一种解决方案，该方案的核心为具有光路弯折功能的透镜阵列元件。对于4发4收QSFP+模块：透镜An的A1-A4对应4路VCSEL阵列端的透镜，透镜An的A5-A8透镜处于空置状态，透镜An的A9-A12对应4路PD阵列端的透镜；透镜Bn的B1-B4对应MT12连接器1-4路的透镜，透镜Bn的B5-B8透镜处于空置状态，透镜Bn的B9-B12对应MT12连接器9-12路的透镜，但是该元件不能实现QSFP+模块的背光监测功能。 
而附带背光监测功能的QSFP+模块，背光电流的大小某种程度上能反应模块的工作状态。当模块发生故障时（如模块前向出光变小），能快速对模块故障原因进行排查，但QSFP+模块增加背光监测功能，会相应的增加光学封装的难度，导致其结构复杂，成本较高。 
因此有必要设计一种分光透镜阵列元件，以克服上述问题。 
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术之缺陷，提供了一种具有背光监测功能，且结构简单、成本较低的分光透镜阵列元件。 
本发明是这样实现的： 
本发明提供一种分光透镜阵列元件，包括一主体，所述主体呈长方体，所述主体由光学塑料制成，波长为850nm的入射光进入所述主体内进行全反射的临界角小于45°，所述主体具有第一侧面、第二侧面以及第三侧面，所述第一侧面与所述第二侧面相邻设置，所述第一侧面与所述第三侧面相对设置；所述第一侧面设有A微透镜阵列和C微透镜阵列，所述第二侧面设有B微透镜阵列，所述第三侧面向内凹设有两个凹槽，两个凹槽的底面为倾斜面，并分别形成第一光学界面和第二光学界面，所述第一光学界面和所述第二光学界面与所述第一侧面的夹角均为45°，且所述第一光学界面垂直于所述第二光学界面，透过所述A微透镜阵列的光线经过所述第一光学界面进行全反射后，一部分光线经过所述第二光学界面全反射进入所述C微透镜阵列，另一部分光线直接射入所述B微透镜阵列。
进一步地，所述A微透镜阵列包括12个透镜，所述B微透镜阵列包括12个透镜，所述C微透镜阵列包括6个透镜。 
进一步地，各个透镜的透镜面型为球面或者非球面。 
进一步地，所述主体的第二侧面上设有两个圆柱体导柱，用于与一通用MT12连接器连接。 
进一步地，所述第一光学界面的光学作用面积大于所述第二光学界面的光学作用面积。 
进一步地，所述主体采用注塑成型。 
进一步地，所述分光透镜阵列元件还包括VCSEL芯片和MPD芯片，VCSEL芯片对应所述A微透镜阵设置，MPD芯片对应所述C微透镜阵列设置。 
本发明具有以下有益效果： 
透过所述A微透镜阵列的光线经过所述第一光学界面进行全反射后，一部分光线经过所述第二光学界面全反射进入所述C微透镜阵列，另一部分光线直接射入所述B微透镜阵列，而进入所述C微透镜阵列的光线则用来实现背光监测功能，射入所述B微透镜阵列则完成分光透镜阵列元件的正常工作。所述分光透镜阵列元件可实现QSFP+光学封装的背光监测功能，并且结构简单、成本较低。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。 
图1为传统透镜阵列元件的结构示意图； 
图2为传统透镜阵列元件发射端原理图；
图3为传统透镜阵列元件接收端原理图；
图4为本发明实施例提供的分光透镜阵列元件的结构示意图；
图5为本发明实施例提供的分光透镜阵列元件的侧视图；
图6为图5中的E-E剖视图；
图7为本发明实施例提供的分光透镜阵列元件发射端的原理图；
图8为本发明实施例提供的分光透镜阵列元件接收端的原理图；
图9为本发明实施例提供的分光透镜阵列元件处于工作状态下的结构示意图；
图10为本发明实施例提供的分光透镜阵列元件另一工作状态下的结构示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。 
如图4至图8，本发明实施例提供一种分光透镜阵列元件，包括一主体，所述主体采用注塑成型。所述主体由光学塑料制成，波长为850nm的入射光进入所述主体内进行全反射的临界角小于45°，其透射率满足QSFP+光学封装的要求。 
如图4至图10，所述主体呈长方体，其尺寸大小满足QSFP+光学封装的要求。所述主体具有第一侧面1、第二侧面2以及第三侧面3，所述第一侧面1与所述第二侧面2相邻设置，所述第一侧面1与所述第三侧面3相对设置，所述主体的第二侧面2上设有两个圆柱体导柱，用于与一通用MT12连接器连接。 
如图4至图10，所述第一侧面1设有A微透镜阵列和C微透镜阵列，所述第二侧面2设有B微透镜阵列。所述A微透镜阵列包括12个透镜，定义An，标号为A1-A12；所述B微透镜阵列包括12个透镜，定义Bn，标号为B1-B12；所述C微透镜阵列包括6个透镜，定义Cn，标号为C1-C6。各个透镜的透镜面型为球面或者非球面，起光束整形作用，保证耦合效率。 
如图4至图10，所述分光透镜阵列元件还包括VCSEL芯片和MPD芯片，VCSEL芯片对应所述A微透镜阵设置，MPD芯片对应所述C微透镜阵列An设置。 
如图4至图10，所述第三侧面3向内凹设有两个凹槽4，两个凹槽4的底面为倾斜面，并分别形成第一光学界面a和第二光学界面b，所述第一光学界面a和所述第二光学界面b与所述第一侧面1的夹角均为45°，且所述第一光学界面a垂直于所述第二光学界面b。光线射入所述第一光学界面a和所述第二光学界面b时均发生全反射。透过所述A微透镜阵列An的光线经过所述第一光学界面a进行全反射后，一部分光线经过所述第二光学界面b全反射进入所述C微透镜阵列An，另一部分光线直接射入所述B微透镜阵列An。对于发射端，所述第一光学界面a的光学作用面积大于所述第二光学界面b的光学作用面积，所述第一光学界面a和所述第二光学界面b通过尺寸大小和相对位置的设定可将VCSEL芯片的入射光能量进行分割，分割比例范围包括1:99-99:1，优选分割比例为1:1，即透过所述A微透镜阵列An正中心的光线经过所述第一光学界面a进行全反射后，恰好直接射入所述B微透镜阵列An。 
所述分光透镜阵列元件工作原理如下： 
 a)发射端，如图4：A微透镜阵列An对VCSEL芯片出射光进行准直，再通过第一光学界面a和第二光学界面b的全反射实现光路的弯折，第二光学界面b通过尺寸大小的设定可将VCSEL芯片的入射光能量进行分割，分割比例范围包括1:99-99:1，优选分割比例为1:1，。光能量被分割成两部分后，分别经过C微透镜阵列Cn和B微透镜阵列Bn汇聚耦合进MPD芯片和多模光纤（MMF），光线进入MPD芯片被转化为背光电流，从而可实现背光监测功能，其中n=1-6；
b)接收端，如图7：B微透镜阵列Bn对由多模光纤（MMF）出射的光进行准直，第一光学界面a的全反射实现光路弯折，在经由A微透镜阵列An耦合进入PD，其中n=7-12。
当所述分光透镜阵列元件用于四路发射、四路接收的QSFP+ 40Gbps模块封装时： 
a)如图9所示： A1-A4为VCSEL芯片阵列端的透镜，A5-A8透镜处于空置状态，A9-A12为PD阵列端的透镜；
b) 如图9所示：B1-B4为MT12转接器多模光纤E1-E4对应的透镜，B5-B8透镜处于空置状态，B9-B12为MT12转接器多模光纤E9-E12对应的透镜；
c）如图9所示：C1-C4为MPD芯片线性阵列端的透镜，C5-C6处于空置状态；
d）发射部分的光路如图4所示：VCSEL芯片出射光有20-30 o的发散角，经A1-A4透镜整形后变成平行光，由第一光学界面a反射实现光路弯折，再由第二光学界面b实现光能量分割。反射光能量部分经透镜B1-B4聚焦后耦合进MPD芯片，光线进入MPD芯片被转化为背光电流，从而可实现背光监测功能，透射光能量部分经透镜C1-C4聚焦后耦合进MT12连接器的多模光纤的E1-E4通道；
e）接收部分的光路如图5所示：MT转接器E9-E12多模光纤中传输光经C9-C12透镜整形后变成平行光，由第一光学界面a反射实现光路弯折，平行光再经透镜A9-A12聚焦耦合进PD芯片阵列。
当所述分光透镜阵列元件用于六路发射、六路接收的QSFP+ 40Gbps模块封装时： 
a)如图10所示： A1-A6为VCSL芯片线性阵列端的透镜， A7-A12为PD阵列对应的透镜；
b) 如图10所示：B1-B6为MT转接器多模光纤E1-E6对应的透镜， B7-B12为MT转接器多模光纤E7-E12对应的透镜；
c）如图10所示：C1-C6为MPD芯片线性阵列端的透镜；
d）发射部分的光路如图4所示：VCSEL芯片出射光有20-30 o的发散角，经A1-A6透镜整形后变成平行光，由第一光学界面a反射实现光路弯折，再由第二光学界面b实现1:1分光。反射光经透镜B1-B6聚焦后耦合进MPD芯片，光线进入MPD芯片被转化为背光电流，从而可实现背光监测功能，透射光经透镜C1-C6聚焦后耦合进MT连接器的多模光纤的E1-E6通道；
e）接收部分的光路如图7所示：MT12转接器E7-E12多模光纤中传输的光经C7-C12透镜整形后变成平行光，由第一光学界面a反射实现光路弯折，平行光再经透镜A7-A12聚焦耦合进PD芯片阵列。
综上所述，所述分光透镜阵列元件可对VCSEL阵列芯片出光光能量进行适当比例分割，分割后部分光能量能耦合进MPD转化为背光电流，进而实现QSFP+模块背光监测功能，所述分光透镜阵列元件结构简单，成本较低，可广泛应用于QSFP+模块的生产。 
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 

Claims (7)

1.一种分光透镜阵列元件，其特征在于，包括一主体，所述主体呈长方体，所述主体由光学塑料制成，波长为850nm的入射光进入所述主体内进行全反射的临界角小于45°，所述主体具有第一侧面、第二侧面以及第三侧面，所述第一侧面与所述第二侧面相邻设置，所述第一侧面与所述第三侧面相对设置；
所述第一侧面设有A微透镜阵列和C微透镜阵列，所述第二侧面设有B微透镜阵列，所述第三侧面向内凹设有两个凹槽，两个凹槽的底面为倾斜面，并分别形成第一光学界面和第二光学界面，所述第一光学界面和所述第二光学界面与所述第一侧面的夹角均为45°，且所述第一光学界面垂直于所述第二光学界面，透过所述A微透镜阵列的光线经过所述第一光学界面进行全反射后，一部分光线经过所述第二光学界面全反射进入所述C微透镜阵列，另一部分光线直接射入所述B微透镜阵列。
2.如权利要求1所述的分光透镜阵列元件，其特征在于：所述A微透镜阵列包括12个透镜，所述B微透镜阵列包括12个透镜，所述C微透镜阵列包括6个透镜。
3.如权利要求2所述的分光透镜阵列元件，其特征在于：各个透镜的透镜面型为球面或者非球面。
4.如权利要求1所述的分光透镜阵列元件，其特征在于：所述主体的第二侧面上设有两个圆柱体导柱，用于与一通用MT12连接器连接。
5.如权利要求1所述的分光透镜阵列元件，其特征在于：所述第一光学界面的光学作用面积大于所述第二光学界面的光学作用面积。
6.如权利要求1所述的分光透镜阵列元件，其特征在于：所述主体采用注塑成型。
7.如权利要求1所述的分光透镜阵列元件，其特征在于：所述分光透镜阵列元件还包括VCSEL芯片和MPD芯片，VCSEL芯片对应所述A微透镜阵设置，MPD芯片对应所述C微透镜阵列设置。
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