CN105278054B - 具有位于反射面上的光束分离器的光学模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学模块及光收发器。该光学模块设置有半导体激光二极管和监测光电二极管。半导体激光二极管和监测光电二极管安装在模块基板上，该模块基板还安装有树脂主体。树脂主体包括镜面，该镜面使来自半导体激光二极管的光束朝向设置在树脂主体的一侧的内部光纤发生全内反射。镜面还设置有标志物以使光束的部分朝向监测光电二极管发生折射。

Description

具有位于反射面上的光束分离器的光学模块

技术领域

本发明涉及一种光学模块，该光学模块设置有位于反射镜上的光束分离器以使垂直腔面发射激光二极管(在下文中表示为VCSEL)的光轴以大致直角弯曲。

背景技术

在本领域中，已知的各种技术将来自安装在基准平面上的VCSEL的光束进行分离，以便通过分离的光束监测VCSEL的状态。日本专利申请公开No.2012-194372A和No.2007-171427A以及美国专利申请公开US2009/0154877A1已经公开了此类技术。

然而，常规技术在覆盖VCSEL的壳体中需要复杂的结构，以便朝向同样安装在基准平面上的监测光电二极管(在下文中表示为PD)引导分离的光束。长期存在对简单且可靠的装置的需求。

发明内容

本发明的一个方面涉及一种光学模块。根据实施例的光学模块包括：基板；垂直腔面发射激光二极管(VCSEL)，其安装在基板上；监测光电二极管(PD)，其安装在基板上；以及树脂主体，其安装在基板上。VCSEL和监测PD安装在树脂主体中，并且树脂主体设置有与基板成45°角的镜面以使来自VCSEL的光束发生全内反射。

实施例的特征在于：镜面包括至少一个标志物，该至少一个标志物使光束的部分朝向监测PD发生折射。

本发明的另一方面涉及一种光收发器，该光收发器包括：主板；光学插座；光学模块，其安装有多个光源；以及内部光纤，其将光学模块与光学插座耦合。主板的中心部分设置有开口，光学模块设置在该开口中。光学插座接纳外部光学连接器。光学模块通过挠性印刷电路(FPC)板与主板电连接。

根据实施例的光收发器的特征在于：光学模块包括：模块基板；多个VCSEL，其安装在模块基板上作为相应光源；多个监测PD，其布置在模块基板上的VCSEL的一侧；以及树脂主体，其安装在模块基板上以将VCSEL和监测PD安装在树脂主体中。树脂主体设置有镜面，该镜面朝向耦合在树脂主体的一侧的内部光纤反射分别从VCSEL输出的光束，并且使光束的部分朝向监测PD发生折射。

附图说明

根据在下文中参考附图对本发明的优选实施例所作的详细描述，可以更好地理解上述目的、方面和优点及其它目的、方面和优点，其中：

图1是示出根据本发明的实施例的安装有子模块的光收发器的内部的透视图；

图2是子模块的透视图；

图3A和图3B分别示出从正面上方和正面下方看到的子模块，而图3C是示出子模块的内部的平面图；

图4是子模块的侧剖视图，示出了从VCSEL到监测光电二极管以及到外部光纤的光轴；

图5放大了标志物周围的用于反射和折射来自VCSEL的光的结构；

图6A和图6B示意性地示出标志物的位置；以及

图7示出根据本发明的变型例的子模块的侧剖视图。

具体实施方式

接下来，对根据本发明的一些优选实施例进行描述。在对附图的描述中，彼此相同或相似的附图标记表示彼此相同或相似而不需重复说明的元件。

图1是示出根据本发明的实施例的光收发器100的内部的透视图。图1所示的光收发器是所谓的十万兆位形态因数可插拔(在下文中表示为CFP)光收发器的类型，在多源协议(MSA)之一中限定了物理尺寸以及电子规格和光学规格的细节。光收发器100设置有位于主板101上的电子电路和作为前面板103中的光学元件之一的光学插座102。本实施例的光学插座102具有所谓的MT连接器的类型，在MT连接器处固定多根光纤，并且在前面板103处露出光学插座102的空腔。该空腔接纳外部MT连接器。

主板101独立于设置在光收发器100的后端中的插接板105。在下面的描述中，前方、后方、上方和下方仅用于说明的目的，并且根本不会限制本发明的范围。插接板105设置有电子插头105a，电子插头105a与设置在主机板中的电连接器配合，光收发器100设置在该主机板上。光收发器100在电路板101的两侧还设置有紧固杆108，在光收发器100与主机连接器配合之后，通过旋转旋钮103a来使杆108的后端与设置在主机系统的电连接器中的螺孔配合。因此，光收发器100可以与主机系统进行插接从而与主机系统电通信。

实施例的光收发器100还设置有多个子模块10A－10C，其中，各个子模块10A－10C设置在主板101的中心处的开口106中。子模块10A－10C通过相应的MT连接器11A－11C经由多根内部光纤F(在图1中未完全示出)与光学插座102光耦合。如上所述的子模块10A－10C独立于主板101，相应的挠性印刷电路(下文中表示为FPC)板12A－12C将子模块10A－10C与主板101电连接。FPC板12A－12C有效地吸收由MT连接器11A－11C引起的应力。主板101还设置有许多个钩101b。内部光纤F通过与钩101b钩接而布置在壳体内。主板101的周边被弹性垫圈101a包围，以电屏蔽壳体的内部。图1仅示出了上面安装有光学元件和电气元件的下壳体。通过用上壳体覆盖下壳体使得垫圈101a设置在它们的周边之间，可以有效地屏蔽壳体的内部。

图2示出了子模块10A，但省略了MT连接器11A和FPC板12A。子模块10A设置有树脂主体10a和模块基板10b，树脂主体10a以及光学器件和电气器件安装在模块基板10b上。树脂主体10a覆盖模块基板10b上的光学器件和电气器件。模块基板10b还设置有沿着后边缘的多个电极10c和将电极10c与树脂主体10a中的器件电连接的互连电路10d。子模块10A可以经由FPC板12A与主板101电连接，FPC板12A与模块基板10b的顶表面和底表面上的电极10c连接。也就是说，模块基板10b是顶表面、底表面和中间表面具有互连电路的多层电路板的类型。电极10c形成在与FPC板12A连接的顶表面和底表面中。子模块10B和10C具有与在上下文中描述的子模块10A相同的构造。

同样参考图1，光收发器100设置有三个子模块10A－10C。然而，本发明并不限制子模块的数量。光收发器100在壳体中可以安装四个以上的子模块或两个以下的子模块。

接下来，对子模块10的进一步的细节进行描述。

图3A是树脂主体10a的透视图，具体而言，图3A放大了根据本发明的实施例的子模块10A的树脂主体10a。图1至图3所示的子模块10A是所谓的能够发射多个光信号的并行子模块。

树脂主体10a主要包括光学部30A和电气部30B。这两个部分30A和30B被树脂主体10a两侧的切口30C分开。光学部30A安装有多个半导体发光器件，具体而言，本实施例的子模块10A在光学部30A中以阵列形式安装有垂直腔面发射激光器(在下文中表示为“VCSEL”)。VCSEL以阵列形式布置在模块基板10b上。模块基板10b还安装有同样以阵列形式布置的多个监测光电二极管(下文中表示为“m-PD”)以及用于接收通过内部光纤F提供的光信号的其它PD。也就是说，VCSEL和PD安装在模块基板10b上，使得VCSEL和m-PD沿着子模块10A的横向形成彼此平行的两行，而VCSEL和PD并排布置。稍后将对光学部30A的细节进行描述。

电气部30B安装有驱动VCSEL并/或放大从PD输出的电信号的电路。由于附图所示的实施例安装有四个VCSEL、与之相伴的四个m-PD和用于光信号的四个PD，因此子模块10A中配备有相同数量的驱动器和放大器。本实施例设置有一体形式的驱动器和放大器，即：四个驱动器整体集成在单一器件上，四个放大器集成在另一器件上，并且这些器件安装在设置于树脂主体10a的电气部30B中的第二空腔26中。第二空腔26的后端局部敞开，以使互连电路从中延伸通过。

光学部30A包括前表面21、底表面24和顶表面25。在前表面21的大致中心位置露出光学端口20。十二个透镜20a以阵列布置的方式暴露在光学端口20中。透镜阵列20a可以与树脂主体10a一体形成。在光学端口20的两侧设置有一对引导销21a，以对准与光学端口20或透镜20a光耦合的MT连接器。前壁21的各个拐角设置有较小的凸出部21b，以抵接与子模块10A连接的MT连接器的前表面来形成空间。也就是说，较小突出部21b的自前表面21起的凸出长度确定了从透镜20a的顶部到MT连接器的前表面的距离(即光纤的末端露出的距离)。

光学端口20设置有台阶20b，台阶20b具有带有圆角的矩形形状，而光学端口20的边缘是在各个拐角中具有四个圆圈的平行四边形。台阶20b可以设置平板形式的光衰减器。市售的VCSEL通常表现出相对于驱动电流的分散性能，特别是分散的发射效率。安装在相应模块基板10b上的阵列形式的VCSEL，即使在彼此大致相同的电气条件下执行它们的驱动，相应VCSEL的光输出功率有时也可能会发生很大变化。从VCSEL的高频性能的观点来看，在电气驱动条件下所进行的光输出功率的控制(即调节驱动电流的大小)是不可取的。因此，需要除了这些电气调节之外的另一种技术。子模块10A－10C可以将光衰减器设置在光学端口20中的台阶20b上，光衰减器能够有效地衰减从子模块10A－10C的单元中的端口20输出的光学功率。

参考图3B，图3B是树脂主体10a的仰视图，光学部30A的底部设置有第一凹部23，在第一凹部23中安装有阵列形式的VCSEL、m-PD和PD的光学器件。VCSEL阵列和m-PD沿阵列方向横向延伸，而不是前后纵向延伸。也就是说，VCSEL和m-PD沿与MT连接器的光轴垂直的方向形成横向延伸的两行，MT连接器与子模块10A连接；而阵列形式的VCSEL和PD沿横向并排布置。第一凹部23的深端部(即其顶板)设置有同样横向延伸的两个透镜阵列23a和23b。靠近前表面21的透镜阵列23b面向m-PD，而另一透镜阵列23a面向VCSEL。与形成在光学端口20中的透镜阵列20a类似，这两个透镜阵列23a和23b可以与树脂主体10a形成为一体。

如上所述，本实施例的子模块10A是设置有四个VCSEL、四个m-PD和四个PD的光发射器/光接收器组件的类型。如上所述布置的四个VCSEL和四个m-PD与两行透镜阵列相对应，而用于接收来自内部光纤F的光信号的PD沿第一透镜阵列23a布置。也就是说，第一透镜阵列23a的四个透镜面向VCSEL，而同样在第一透镜阵列23a中的其它四个透镜面向PD。

参考图3B，图3B示出了子模块10A的后部。树脂主体10a的后部中的大部分设置用于包括第二凹部26在内的电气部30B。第二凹部26接纳并覆盖驱动VCSEL的驱动器和放大从各个PD输出的电信号的放大器。第二凹部26还可以设置有通常称为自动功率控制(APC)电路的电路，该电路通过接收m-PD的输出并控制供应至VCSEL的驱动电流来控制VCSEL的光输出功率。APC电路可以集成有分别与相应VCSEL对应的四个电路。作为选择，向各个VCSEL和PD独立地提供驱动器、放大器和APC电路。第二凹部26的后端是敞开的，以便从安装在第二凹部26中的这些电路引出互连电路。

两个引导销24a在第一凹部23的两侧从底表面24突起。引导销24a相对于模块基板10b对准树脂主体10a。也就是说，通过参考设置在模块基板10b的顶部上的对准标记，将VCSEL、m-PD和PD安装在模块基板10b上。对准标记与内部插入有引导销24a的孔的位置对准。从而模块基板10b上的器件与树脂主体10a光学对准。

树脂主体10a的底表面24在光学部30A和电气部30B的各个拐角中还设置有凸台24b。当树脂主体10a设置在凸台24b上时，凸台24b的顶部抵靠模块基板10b的顶表面。凸台24b抵接模块基板10b的顶表面来形成间隙。也就是说，除了树脂主体10a的后开口26a之外，树脂主体10a的第一凹部23和第二凹部26向周围敞开。换言之，对安装在模块基板10b上的VCSEL 10e、m-PD 10f、PD 10h等光学器件和电子器件10g不作气密性封闭。

图3C是安装有光学器件和电气器件10e－10j和树脂主体10a的模块基板10b的平面图，其中，树脂主体10a被剖开以示出第一凹部23和第二凹部26)。如上所述，VCSEL阵列10e和m-PD 10f被布置在正面和背面；同时VCSEL阵列10e和PD 10f以面向第一透镜23a的形式并排设置。这些光学器件10e－10g安装在第一凹部23中。VCSEL阵列10e的后面安装有驱动器10h，而放大器10j安装在PD 10g的后面。电子器件10h和10j这两者都设置在树脂主体10a的第二凹部26中。第二凹部26的后端敞开，以使互连电路从中通过。

接下来，参考图4和图5对光学器件和光纤之间的光耦合进行描述。图4是树脂主体10a和模块基板10b的剖视图，光学器件10e－10g、电气器件10h和10j、以及树脂主体10a安装在模块基板10b上。光学器件(即VCSEL 10e和m-PD 10f)安装在树脂主体10a的前侧的第一凹部23中。如图4中的虚线所示，从VCSEL 10e垂直射出的光信号通过透镜23a进入树脂主体10a。如上所述，透镜23a一体地形成在树脂主体10a的表面中。进入树脂主体10a的光信号的一部分在界面29a处以大致直角反射而朝向光学端口20，并且通过形成在光学端口20的界面处的透镜20a进行聚焦。

具体而言，在树脂主体10a的顶部设置有延伸至第三凹部22的反射镜凹部29，在第三凹部22处，反射镜27设置在台阶22a上。反射镜凹部29形成有两个倾斜面29a和29b，倾斜表面29a相对于水平面倾斜约45°，而倾斜面29b相对于倾斜面29a成大于90°的角度。如上所述，进入树脂主体10a的光信号的一部分在面29a处被部分地反射，而光信号的另一部分透过面29a、在面29a处发生折射并且向反射镜27进发。

透过表面29a并且被反射镜27反射的光信号向第二面29b进发并且在第二面29b处折射而朝向安装在VCSEL 10e附近的m-PD 10f。由于第二面29b与第一面29a成钝角，并且由反射镜27反射的光信号的光轴相对于第二面29b成入射角，所以使得在第二面29b处折射的光以大致直角折射而向m-PD 10f进发。也就是说，两个面29a和29b、两个透镜23a和23b之间的距离、以及从面29a和29b到反射镜27的距离设置为从VCSEL 10e垂直行进的光在被折射过两次和被反射镜27反射之后大致垂直地进入m-PD 10f。

参考图3A，反射镜27具有平行四边形的平面形状。第三凹部22同样具有平行四边形的形状。因此，反射镜27无法设置在台阶22a的顶侧背部中。因此，当反射镜27设置有滤光器并且该滤光器选择性地反射具有与从VCSEL 10e发射出的光的波长对应的波长的光时，反射镜27的平面形状和第三凹部22的平面形状变得很有效。

本实施例的树脂主体10a在面29a中提供了一种特征。参考图5，图5是第一面29a的剖视图并且放大了第一面29a的反射和折射来自VCSEL 10e的光的部分。标志物29c由两个面形成，其中的一个面29d是几乎垂直于模块基板10b的水平顶表面的表面，而另一个面29e相对于模块基板10b的水平顶表面成一定角度，该角度与第二面29b的角度大致相等。具体而言，这样选择面29b的角度：使来自VCSEL的光不会引起全内反射，并且该角度小于面29a与模块基板10b的水平顶表面所成的角度。尽管本发明的附图示出了面29d垂直于水平顶表面，但面29d没必要一定垂直于水平顶表面。这样选择面29d的角度：不会引起在面29d上折射的杂散光。因此，在第一面29a处反射来自第一透镜23a的光的主要部分，而在标志物的面29e处折射光的大部分。面29e可以称为折射面；而面29d被称为垂直面。在标志物29c的本实例中，面29e相对于第一面29a成160°的角度，这意味着面29e相对于模块基板10b的水平顶表面成25°(155°)的角度。因此，第二面29b与模块基板10b的顶表面成25°的角度。通过调节面29e与第一面29a的角度和第二面29b的角度，可选地选择VCSEL 10e与m-PD 10f之间的距离。此外，第一面29a中的标志物29c的数量可以控制进入m-PD 10f的光学功率。也就是说，标志物29c的数量能够可选地调节进入m-PD 10f的光学功率与进入光纤的光学功率之比。

例如，图6A和图6B示出了相对于光束图案的第一面29a上的标志物的结构。在图6A和图6B中，在透镜23a作为横轴的中心的情况下，横轴与VCSEL 10e发射出的光束的横向扩展范围对应；而纵轴与光束的相对量值对应。由于VCSEL 10e具有用来射出光束的呈环形形状的上电极并且通过该环形电极注入载流，因此光束图案会在其中心处下降。另外，第一透镜23a放大了光束，使得通过第一透镜23a的光束变为具有约50μm的横向尺寸的准直光束。

面29e不仅使来自VCSEL 10e的光束发生折射而且还引起内反射。然而，面29e相对于光束的光轴成倾斜角度；因此，在面29e处发生内反射的光形成与入射光束的光轴不重合的光轴。因此，内反射的光绝不会返回到VCSEL 10e。

图6A与如下结构对应：第一面29a设置有三个标志物29c，每个标志物均具有7μm的宽度和50μm的到相邻标志物的跨度。如上所述，模块基板10b上的VCSEL 10e通过引导销24a与树脂主体10a光学对准。不必执行主动的对准。因此，标志物29c可能会造成相对于光束图案的偏移。当在第一面29a中仅设置有限数量的标志物时，设置在外侧的标志物可能无法覆盖光束的足够功率。

图6B示意性地示出了标志物与光束之间的位置关系。在本实例中，第一面29a设置有五个标志物，每个标志物具有4μm的宽度和到相邻标志物的可变距离。也就是说，本实例的第一面29a在与透镜23a的中心对应的位置设置有中心标志物，中间标志物以距中心标志物的距离为35μm的方式将中心标志物放置在它们之间，而外部标志物以距中间标志物的距离为25μm的方式进行设置。因此，中间标志物与外部标志物之间的距离不同于中心标志物与中间标志物之间的距离。此外，如上所述，光束使环形场图案反映VCSEL的上电极的形状，并且在该位置处的中间标志物与光束轮廓的峰值位置对应。因此，即使树脂主体10a偏离光学器件10e和10f的位置，大部分标志物也可以覆盖光束轮廓。

树脂主体10a可以由具有以下特性的树脂制成：良好的耐热性、对于波长从850nm～1600nm的光具有优异的透光度、优良的流动性、以及良好的机械强度。通过注射成型，聚醚酰亚胺或聚醚砜是适用于树脂主体10a的典型材料。

没有任何标志物的第一面29a会使来自VCSEL 10e的光发生全内反射，而这样不会产生折射光束。

在前面的详细描述中，参考本发明的具体示例性实施例描述了根据本发明的光学模块。然而，显而易见的是，在不背离本发明的更广义的要旨和范围的情况下，可以对这些实施例做出各种修改和改变。例如，参考图7，上述实施例设置有滤光器或反射镜27，以朝向PD 10f反射在标志物29c处发生折射的光。然而，支撑基板27A可以设置在台阶22a上以代替反射镜或滤光器27，并且支撑基板27A可以以颠倒结构安装监测PD 10f。此外，本说明书专注于作为发光器件的VCSEL。然而，具有标志物29c的树脂主体10a不会限制VCSEL的发光器件。例如边缘发射LD等发光器件的其它结构可以安装在具有树脂主体10a的模块基板上。因此，本说明书及其附图应当相应地被视为是说明性的而非限制性的。

Claims (16)

1.一种光学模块，包括：

基板；

半导体激光二极管，其安装在所述基板上；

监测光电二极管，其安装在所述基板上；以及

树脂主体，其安装在所述基板上，并且所述半导体激光二极管和所述监测光电二极管安装在所述树脂主体中，所述树脂主体设置有与所述基板成45°角的镜面以使来自所述半导体激光二极管的光束发生全内反射，

其中，所述镜面包括至少一个标志物以使所述光束的一部分朝向所述监测光电二极管发生折射，

所述标志物具有包括垂直面和折射面的三角形横截面，所述垂直面与所述基板垂直地延伸，所述折射面与所述基板成小于45°的角度以使所述光束发生折射，

所述树脂主体还包括反射镜和另一个折射面，并且

所述反射镜朝向所述另一个折射面反射被所述折射面折射的光束。

2.根据权利要求1所述的光学模块，其中，

所述另一个折射面与所述基板所成的角度大致等于所述折射面与所述基板所成的角度，并且

在所述另一个折射面处发生折射的光束进入布置在所述半导体激光二极管旁边的所述监测光电二极管。

3.根据权利要求1所述的光学模块，其中，

所述树脂主体设置有与所述半导体激光二极管相对的透镜，所述透镜准直从所述半导体激光二极管发出的光束。

4.根据权利要求1所述的光学模块，其中，

所述树脂主体设置有与所述监测光电二极管相对的另一个透镜以会聚被所述另一个折射面折射的光束。

5.根据权利要求1所述的光学模块，其中，

所述反射镜具有滤光器的功能以反射波长与所述半导体激光二极管对应的光束。

6.根据权利要求1所述的光学模块，其中，

所述树脂主体还包括支架，所述监测光电二极管安装在所述支架上以监测被所述至少一个标志物折射的所述光束的一部分。

7.根据权利要求1所述的光学模块，其中，

所述树脂主体包括两个或更多个标志物，并且

所述至少一个标志物位于所述半导体激光二极管的光束的中心。

8.根据权利要求7所述的光学模块，其中，

各标志物到最近标志物的相应距离彼此不同。

9.根据权利要求1所述的光学模块，其中，

所述树脂主体设置有引导销，并且所述基板设置有接纳所述引导销的孔，以便所述半导体激光二极管和所述监测光电二极管与所述标志物对准。

10.根据权利要求1所述的光学模块，还包括以阵列结构与所述半导体激光二极管一体形成的一个或多个其它半导体激光二极管以及沿着所述基板上的阵列式半导体激光二极管布置的一个或多个其它监测光电二极管，

其中，所述标志物沿着所述阵列式半导体激光二极管的纵轴线延伸。

11.根据权利要求1所述的光学模块，其中，

所述半导体激光二极管属于垂直腔面发射激光二极管的类型。

12.一种光收发器，包括：

主板，其中心部分设置有开口；

光学插座，其构造为接纳外部光学连接器；

光学模块，其包括多个光源，所述光学模块设置在所述主板的所述开口中并且通过挠性印刷电路板与所述主板电连接；以及

多根内部光纤，其构造为将所述光源与所述光学插座耦合，

其中，所述光学模块包括：

模块基板；

多个发光器件，其安装在所述模块基板上作为相应光源；

多个监测光电二极管，其设置在所述模块基板上的所述发光器件旁边；以及

树脂主体，其安装在所述模块基板上，并且所述发光器件和所述监测光电二极管安装在所述树脂主体中，所述树脂主体设置有镜面，所述镜面构造为朝向耦合在所述树脂主体的一侧的所述内部光纤反射分别从所述发光器件输出的光束，并且所述镜面还构造为包括至少一个标志物以使所述光束的部分朝向所述监测光电二极管发生折射，

所述标志物具有包括垂直面和折射面的三角形横截面，所述垂直面与所述基板垂直地延伸，所述折射面与所述基板成小于45°的角度以使所述光束发生折射，

所述树脂主体还包括反射镜和另一个折射面，并且

所述反射镜朝向所述另一个折射面反射被所述折射面折射的光束。

13.根据权利要求12所述的光收发器，其中，

所述内部光纤共同固定在光学连接器中，并且

所述树脂主体的一侧设置有引导销，所述引导销固定在所述光学连接器中以使所述内部光纤与所述发光器件光耦合。

14.根据权利要求13所述的光收发器，其中，

所述树脂主体设置有多个透镜，所述多个透镜构造为将由所述发光器件发出并且被所述镜面反射的光束会聚到固定在所述光学连接器中的所述内部光纤上。

15.根据权利要求13所述的光收发器，其中，

所述树脂主体的一侧设置有光衰减器，所述光衰减器将分别由所述发光器件发出的光束一起衰减。

16.根据权利要求12所述的光收发器，其中，

所述发光器件是以阵列形式一体布置的垂直腔面发射激光二极管。