CN105247401B - 微型双向光学次模块 - Google Patents

Abstract

BOSA封装仅包括一个含ROSA和TOSA的圆柱形TO封装，和与所述ROSA和所述TOSA进行光学通信的光学端口。还公开了用于发送第一光信号的含TOSA的TO封装，用于接收第二光信号的ROSA，光学通信窗口以及薄膜滤波器(TFF)，放置TFF使得所述TFF朝所述光学通信窗口反射从所述TOSA发送的所述第一光信号且接收自所述光学通信窗口的所述第二光信号经过所述TFF到所述ROSA。

Description

微型双向光学次模块

相关申请案交叉申请

本发明要求2013年5月31日由苗容生等人递交的发明名称为“微型双向光学次模块”的第61/829,818号美国临时专利申请案的在先优先权，以及要求2013年由苗容生等人递交的发明名称为“微型双向光学次模块”的第14/066,001号美国专利申请案的在先优先权，这些在先申请的内容以全文引入的方式并入本文本中，如全文再现一般。

技术领域

本发明涉及网络通信领域，以及在具体实施例中，涉及微型双向光学次模块。

背景技术

无源光网络(PON)是用于在最后一英里提供网络接入的一种系统。PON可以是一种点到多点(P2MP)网络，具有位于光分配网络(ODN)中的无源分路器，以使得来自中心局的单根反馈光纤能够服务多个客户驻地。PON可以采用单根光纤上的一个波长用于上游流量，另一个波长用于下游流量。例如，上游流量可由1310纳米(nm)波长光束携带而下游流量可由1490nm波长光束携带。例如，PON收发器可以采用双向光学次模块(BOSA)以将从发射器发射出的出射光以光学方式与单根光纤耦合以及将来自单根光纤的入射光耦合到接收器。BOSA模块可由单独的光发射次模块(TOSA)封装和光接收次模块(ROSA)封装一起封装在金属外壳中制成。一些BOSA模块可将TOSA和ROSA组合到单个晶体管外形(TO)封装以尝试减少外形因素和降低成本。

发明内容

在一项实施例中，本发明包括仅含圆柱形TO封装的BOSA封装，所述圆柱形TO封装包括ROSA和TOSA，和与所述ROSA和所述TOSA进行光学通信的光学端口。

在另一项实施例中，本发明包括用于发送第一光信号的含TOSA的TO封装，用于接收第二光信号的ROSA，光学通信窗口以及薄膜滤波器(TFF)，放置TFF使得所述TFF朝所述光学通信窗口反射从所述TOSA发送的所述第一光信号由且接收自所述光学通信窗口的所述第二光信号经过所述TFF到所述ROSA。

在另一项实施例中，本发明包括光学路由方法，所述方法包括从光学发射器沿第一轴发射第一光信号，TFF沿第二轴朝光学通信端口以约九十度反射所述第一光信号以及光学接收器经由所述TFF沿所述第二轴接收来自所述光学通信端口的第二光信号。

在又一项实施例中，本发明包括BOSA封装，所述BOSA封装主要包括含顶面的TO头、安装到所述TO头顶面的TOSA、安装到所述TO头顶面的ROSA、附于所述TO头的平面窗口TO盖、透镜、将所述TO头、所述TO盖和所述透镜包在内的塑料外壳以及耦合到所述塑料外壳的光学连接器，其中所述透镜位于所述TO盖和所述光学连接器之间。

结合附图和权利要求书，可从以下的详细描述中更清楚地理解这些和其它特征。

附图说明

为了更透彻地理解本发明，现参阅结合附图和具体实施方式而描述的以下简要说明，其中的相同参考标号表示相同部分。

图1是容器外形的BOSA模块的实施例的示意图。

图2是辫子外形的BOSA模块的实施例的示意图。

图3是光学路由方案的实施例的示意图。

图4是硅块上的微型BOSA的实施例的示意图。

图5是光学路由方案的另一实施例的示意图。

图6A是包含BOSA的TO头模块的实施例的示意图。

图6B是用于组合TOSA和ROSA的组合部分的实施例的示意图。

图7是包含具有球型透镜的BOSA的TO头模块的另一实施例的示意图。

图8是包含具有监控器二极管的BOSA的TO头模块的另一实施例的示意图。

图9是容器外形的微型BOSA模块的实施例的示意图。

图10是辫子外形的微型BOSA模块的另一实施例的示意图。

具体实施方式

首先应理解，尽管下文提供一项或多项实施例的说明性实施方案，但所公开的系统和/或方法可使用任何数目的技术来实施，无论该技术是当前已知还是现有的。本发明决不应限于下文所说明的说明性实施方案、附图和技术，包括本文所说明并描述的示例性设计和实施方案，而是可在所附权利要求书的范围以及其等效物的完整范围内修改。

本文所公开的是借助于具有重新配置的光学路径、模块放置和使用模压的塑料树脂代替金属的修改后的光学路由方案的实施例，将TOSA和ROSA集成为单个微型BOSA TO封装的机制。所公开的实施例可以消除激光焊接、降低制造复杂度和降低整体成本。在一项实施例中，本发明描述了包含TOSA、ROSA和TFF的紧凑型单个TO头模块，其中可通过使用组合部分有效地组合TOSA和ROSA。组合部分可以包括TFF支托和非球面透镜。TO头模块可以安装在包在外壳中的TO头的顶面上并且耦合到光学端口，该光学端口可能是容器或光纤插芯。组合部分、透镜、外壳和容器或光纤插芯可能由塑料树脂制成，从而实现环氧树脂粘接。在另一项实施例中，本发明描述了具有重新配置的上游和下游光路径的光学路由方案，该方案可方便单个TO头的使用、简化对准过程和提升性能。所公开的实施例可设计用于单模光纤应用并且可适用于光网络单元(ONU)收发器。应注意，本发明示出了使用具有约1310nm波长的光信号用于上游传输和具有约1490nm波长的光信号用于下游接收的光学路由方案。然而，所属领域技术人员将理解该光学路由方案可应用于具有其它波长的光信号。

具有TOSA和ROSA的BOSA模块可安装在PON收发器中以将从TOSA发射出的光束以光学方式耦合到光纤以及将接收自光纤的另一光束耦合到ROSA。在容器外形或辫子外形中的BOSA模块可能可用。图1是容器外形的BOSA模块100的实施例的示意图。BOSA模块100可包括两个密封的TO封装，TOSA封装101和ROSA封装102。可使用容器104通过金属外壳103将TOSA封装101和ROSA封装102粘接在一起，其中可嵌有TFF。容器104可以是光纤连接器，该光纤连接器安装有具有套圈的纵剖套管。套圈可用于防护光纤。容器104可将光纤连接至TOSA封装101和ROSA封装102。TFF可用于分离下游光信号和上游光信号，它们可携带于不同的波长中。例如，PON可采用分别以1310nm和1490nm运行的上游和下游波长信道。

TO封装可包括TO头和TO盖。TO头可提供顶面以供安装光学模块。TO盖可附于TO头以形成密封容器，从而在头和盖内封装光学模块以形成功能性封装。在BOSA模块100中，TOSA封装101和ROSA封装102可以是行业标准TO-56封装，其中TO头的直径可为约7毫米(mm)或更少(例如，5.6mm)。TO封装，101和102还包括其它光学部件。例如，TOSA封装101可包括激光二极管(LD)，所述LD可发射激光信号用于到光纤的上游传输，ROSA封装102可包括p-i-n(例如，p区域和n区域之间掺入的本质区)二极管(PD)或雪崩二极管，可将从光纤接收到的光信号转换为电信号用于下游处理。

图2是辫子外形的组装BOSA模块200的实施例的示意图。BOSA模块200可基本上类似于BOSA模块100，但可包括光纤尾纤204而不是容器104。具体而言，光纤尾纤204可通过金属外壳203与TOSA封装201和ROSA封装202粘接。光纤尾纤204可以是短光纤，其中一端预安装有光连接器且在另一端暴露光纤的长度。光纤尾纤204可将光纤连接至TOSA封装201和ROSA封装202。BOSA模块100和200的生产可能需要使用激光焊和金属部件，成本可能很高。

图3是可在BOSA模块100或200等BOSA模块中采用的光学路由方案300的实施例的示意图。可使用TFF330实现光学路由方案300，其中对TFF330进行镀膜使得可以反射约1490nm波长的光信号且可以通过约1310nm波长的光信号。可将TFF330按约四十五度放置，这样来自外部光纤340的具有约1490nm波长的入射下游光352可由TFF330反射到与其原始方向呈约九十度的方向以到达APD320，而从LD310发射出的具有约1310nm波长的出射上游光351可通过TFF330并且耦合到外部光纤340用于传输。光学路由方案300所需的LD310、TFF330和外部光纤340之间的对准可能很难执行。

图4是硅块上的微型BOSA模块400的实施例的示意图。在微型BOSA模块400中，TOSA可包括LD410和硅微透镜480，ROSA可包括PD420、硅微透镜440和前置放大器490，前置放大器490可由硅微透镜470支撑。微型BOSA模块400可以采用光学路由方案300，其中上游光束451，其可基本上类似于上游光束351，可从LD410发射，通过上游路径中的微透镜480，通过波分复用(WDM)滤波器430，并且可通过球型透镜460耦合到外部光纤中。来自外部光纤的下游光束452，其可基本上类似于下游光束352，可在WDM光纤430处以约九十度反射，并且可通过下游路径中的微透镜440以到达PD420。尽管微型BOSA模块400将TOSA和ROSA组合到单个封装中，但是由于支撑TOSA和ROSA所需的部件数目和硅块470的使用，TO封装的大小保持大于标准TO-56封装。因此，微型BOSA模块400可能需要专门制作的较大非标准TO封装，成本可能很高。或者，可以采用平面光波导功率分光器(PLC)以实现光点大小转换用于耦合到外部光纤和从外部光纤耦合的直接激光，而不是微型BOSA模块400中的透镜。尽管PLC可以简化装配过程，但是采用PLC而不是透镜可能导致约4分贝(dB)的高耦合损耗。

图5示出了光学路由方案500的实施例。在光学路由方案500中，当与光学路由方案300比较时交换接收到的下游光束和发送的上游光束的光学路径。可通过如图5所示配置的LD510、APD520、TFF530和外部光纤540说明光学路由方案500。LD510可以是在TOSA处发射适用于光学传输的相干光信号的半导体设备。APD520可以是在ROSA处将光信号转换为电信号以供接收器处理的半导体设备。TFF530可以是提供光谱滤波(例如，WDM)的具有薄膜镀膜的光学滤波器。外部光纤540可耦合到光学传输系统。例如，LD510可发射约1310nm波长的光信号用于上游传输，APD520可接收约1490波长的光信号并且将接收到的光信号转换为电信号用于下游处理，可对TFF530进行镀膜使得可以反射约1310nm的光信号并且可以通过约1490nm的光信号。如图5所示，从LD510反射的约1310nm波长的上游光束551可由TFF530反射到与上游光束551的原始方向呈约九十度的方向并且随后可耦合到外部光纤540中。从外部光纤540接收到的约1490nm波长的下游光束552可通过TFF530并且耦合到APD520。如光学路由方案500中所示的光学路径的重新配置可实现减小设备大小和简化对准过程。

图6A是TO头模块600的实施例的示意图，TO头模块600可包括安装在单个TO头680的顶面上的TOSA610和ROSA620，并且可采用光学路由方案500。TOSA610和ROSA620还可包括其它光学部件。例如，TOSA610可包括LD(例如，LD510)和监控器PD，而ROSA620可包括APD(例如，APD520)、跨阻放大器(TIA)和电容器。为了促成光学路由方案500和减小TO头模块600的外形尺寸(例如，TO-56)，TOSA610、ROSA620和TFF630可通过组合部分670组合和支撑。TFF630可基本上类似于TFF530。组合部分670可位于TO头680的顶面上。ROSA620可位于组合部分670下方的空间中。TFF630可安装在组合部分670上。TOSA610和准直透镜650可安装在金属基座690上并且可位于组合部分670的一侧上。因此，可充分利用TO头模块600上的空间。应注意，可能如微型BOSA模块400中一样无需基板来支撑TO头模块600中的部件，因此设备大小可能减小。

在TO头模块600中，准直透镜650可以是硅透镜、球型透镜或用于准直光束的其它透镜。球型透镜的成本可以低于硅透镜，但会导致较低耦合效率。为了进一步降低成本，TO头模块600可以采用由具有高热电阻的塑料树脂制成的透镜，例如而不是玻璃透镜。可使用防反射镀膜对透镜进行镀膜以通过减少不必要的反射量来提高性能。

图6B是用于组合TOSA和ROSA的组合部分670的实施例的示意图。组合部分670可包括聚焦透镜671、通孔672和槽673。聚焦透镜671和通孔672可以模压到第一平面中，第一平面由x轴和y轴的呈直角的交叉形成。槽673可沿z轴位于第一平面上。组合部分可安装在TO头的顶面上，这样如图6A所示，第一平面可与TO头的顶面平行放置。聚焦透镜671可以是非球面透镜、球型透镜或用于聚焦光束的任何其它透镜。为了机械稳定性和电性连接，通孔672可允许金属钉贯穿组合部分。槽673可与第一平面呈约四十五度角。图6A的TO头模块600的TFF630可位于槽673中。组合部分670、槽673和通孔672可由具有高热电阻的塑料树脂，例如制成并且模压到单独一块中。聚焦透镜671还可由塑料树脂，例如制成并且模压到组合部分670中而不是使用单独的玻璃透镜，并且还可使用防反射镀膜对聚焦透镜671进行镀膜以减少反射。

在TO头模块600中，可放置装配零件使得可实现图5的光学路由方案500。TO头模块600可耦合到TO头680上的光学通信窗口，TO头680中可安装有外部光纤(例如，外部光纤540)。例如，可将ROSA620、TFF630和聚焦透镜671在与TO头680的顶面垂直的轴上对准，这样从光学通信窗口接收到的下游光束可通过TFF630、聚焦透镜671，并且传递到ROSA620。可将TOSA610、准直透镜650和TFF630在与TO头680的顶面平行的轴上对准，这样从TOSA610的LD发射的上游光束可通过准直透镜650，以与TFF630呈约九十度的方向反射，以及耦合到光学通信窗口中。该配置可以简化对准过程。

图7是TO头模块700的另一实施例的示意图。TO头模块700可类似于TO头模块600，但可包括球型透镜710而不是硅透镜650。为了补偿球型透镜中的较低耦合效率，球型透镜710可设置在硅V型槽基板720上以实现高精确度放置。

图8是TO头模块800的另一实施例的示意图。TO头模块800可类似于TO头模块600，但可包括额外部件，例如监控器二极管以提供额外的监控功能。监控器二极管810可安装在组合部分上，组合部分例如TFF之后的组合部分670，TFF例如TFF630。在这种情况下，可将TFF830进行镀膜以允许小部分上游光束通过TFF830和进入监控器二极管810而大多数上游光束仍可反射进入光学通信窗口用于传输。应注意，光学监控器二极管810仅是额外部件的示例并且可根据特定应用所需代替其它应用特定部件。

TO头模块600、700和800可被组装成容器形状或辫子形状的最终封装。图9是微型BOSA模块900的实施例的示意图。在微型BOSA封装900中，TO头模块905可使用平面窗口TO盖904盖面焊缝到单个TO封装。随后，TO封装可与非球面透镜903、外壳902、外壳901粘接在一起以构成容器形状的微型BOSA模块900。TO头模块905可包括如图6、7或8分别所示的TO头模块600、700或800中的任一个。容器901还可包括用于防护光纤的纵剖套管和陶瓷插芯。非球面透镜903可被模压到外壳902中，外壳902具有非球面透镜903和TO盖904之间的气隙。非球面透镜903可聚焦传输期间从TO头上的激光二极管发射到外部光纤的激光，并且准直接收期间从外部光纤到TO封装的入射光。外壳902、非球面透镜903和容器901可由具有高热电阻的塑料树脂制成，例如而不是不锈钢。因此，可使用环氧树脂粘接过程替代激光焊接以粘接外壳902、非球面透镜903和容器901。

图10是微型BOSA模块1000的另一实施例的示意图。微型BOSA模块100可类似于微型BOSA模块900，但可包括与外部光纤1007粘接的光纤插芯1006而不是容器901。外壳1002、非球面透镜1003、TO盖1004和TO头模块1005可分别基本上类似于外壳902、非球面透镜903、TO盖904和TO头模块905。外壳1002、非球面透镜1003和光纤插芯1006可由具有高热电阻的塑料树脂制成，例如并且可采用环氧树脂粘接过程粘接。

本发明公开至少一项实施例，且所属领域的普通技术人员对所述实施例和/或所述实施例的特征作出的变化、组合和/或修改均在本发明公开的范围内。因组合、合并和/或省略所述实施例的特征而得到的替代性实施例也在本发明的范围内。应当理解的是，本发明已明确阐明了数值范围或限制，此类明确的范围或限制应包括涵盖在上述范围或限制(如从大约1至大约10的范围包括2、3、4等；大于0.10的范围包括0.11、0.12、0.13等)内的类似数量级的迭代范围或限制。例如，每当公开具有下限R_l和上限R_u的数值范围时，具体是公开落入所述范围内的任何数字。具体而言，特别公开所述范围内的以下数字：R＝R₁+k*(R_u–R₁)，其中k为从1％到100％范围内以1％递增的变量，即，k为1％、2％、3％、4％、7％……70％、71％、72％……97％、96％、97％、98％、99％或100％。此外，还特此公开了，上文定义的两个R值所定义的任何数值范围。除非另有说明，否则术语“约”是指随后数字的+10％。相对于权利要求的某一要素，术语“可选择”的使用表示该要素可以是需要的，或者也可以是不需要的，二者均在所述权利要求的范围内。使用如“包括”、“包含”和“具有”等较广术语应被理解为提供对如“由……组成”、“基本上由……组成”以及“大体上由……组成”等较窄术语的支持。因此，保护范围不受上文所述的限制，而是由所附权利要求书定义，所述范围包含所附权利要求书的标的物的所有等效物。每项和每条权利要求作为进一步公开的内容并入说明书中，且权利要求书是本发明的实施例。所述揭示内容中的参考的论述并不是承认其为现有技术，尤其是具有在本申请案的在先申请优先权日期之后的公开日期的任何参考。本发明中所引用的所有专利、专利申请案和公开案的揭示内容特此以引用的方式并入本文本中，其提供补充本发明的示例性、程序性或其它细节。

虽然本发明中已提供若干实施例，但应理解，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，本发明所公开的系统和方法可以以许多其他特定形式来体现。本发明的实例应被视为说明性而非限制性的，且本发明并不限于本文本所给出的细节。例如，各种元件或部件可以在另一系统中组合或合并，或者某些特征可以省略或不实施。

此外，在不脱离本发明的范围的情况下，各种实施例中描述和说明为离散或单独的技术、系统、子系统和方法可以与其它系统、模块、技术或方法进行组合或合并。展示或论述为彼此耦合或直接耦合或通信的其它项也可以采用电方式、机械方式或其它方式通过某一接口、设备或中间部件间接地耦合或通信。其他变化、替代和改变的示例可以由本领域的技术人员在不脱离本文精神和所公开的范围的情况下确定。

Claims (6)

1.一种双向光学次模块封装，其特征在于，包括：

仅一个圆柱形晶体管外形封装，包括光接收次模块和光发射次模块，晶体管外形头和附于所述晶体管外形头的晶体管外形盖，其中所述晶体管外形头包括顶面，并且其中所述光发射次模块和所述光接收次模块都安装在所述晶体管外形头顶面上；以及

与所述光接收次模块和所述光发射次模块进行光学通信的光学端口；其中所述光发射次模块处有发射适用于光学传输的相干光信号的半导体设备激光二极管，光接收次模块处有将光信号转换为电信号以供接收器处理的半导体设备雪崩二极管，所述激光二极管用于发射1310nm波长的上游光束用于上游传输，所述雪崩二极管用于接收1490nm波长的下游光束并将所述接收到的光信号转换为电信号用于下游处理，其中所述激光二极管反射的1310nm波长的上游光束由薄膜滤波器反射到与所述上游光束的原始方向呈九十度的方向并且随后耦合到外部光纤，从所述外部光纤接收到的1490nm波长的所述下游光束通过所述薄膜滤波器耦合到所述雪崩二极管；其中所述薄膜滤波器进行镀膜使得该薄膜滤波器反射1310nm的光信号并且通过1490nm的光信号；

所述晶体管外形封装进一步包括组合部分，所述光发射次模块,光接收次模块和TFF通过所述组合部分组合和支撑，所述组合部分位于晶体管外形头的顶面上，所述光接收次模块位于组合部分下方的空间中，所述光发射次模块和准直透镜安装在位于所述组合部分一侧的金属基座上，所述组合部分包括聚焦透镜、通孔和槽，所述聚焦透镜和所述通孔模压到第一平面中，所述第一平面由x轴和y轴呈直角的交叉形成，所述槽位于与所述第一平面呈约九十度的第二平面中，所述槽与所述第一平面呈四十五度角，所述薄膜滤波器位于所述槽中。

2.根据权利要求1所述的双向光学次模块封装，其特征在于，进一步包括耦合到所述光学端口的外壳，其中所述外壳将所述晶体管外形封装和所述透镜包在内。

3.根据权利要求2所述的双向光学次模块封装，其特征在于，所述外壳和所述光学端口由模压的塑料树脂制成，并且所述外壳和所述光学端口使用环氧树脂粘接，所述外壳和所述光学端口不通过激光焊接粘接。

4.根据权利要求1所述的双向光学次模块封装，其特征在于，所述晶体管外形封装包括约7毫米或更小的直径。

5.根据权利要求1所述的双向光学次模块封装，其特征在于，所述光学端口包括光纤容器，其中所述光纤容器将纵剖套管包在内，所述纵剖套管将用于接收单模光纤的套圈包在内。

6.根据权利要求1所述的双向光学次模块封装，其特征在于，所述光学端口包括装配有单模光线的光纤插芯。