CN105572819A - 集成透镜和具有该透镜的光收发器、以及制造和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露了一种用于光通信的集成功能性光学表面的集成透镜。本集成透镜包括第一和第二腔室和光纤适配器。所述装置还包括集成的第一和第二透镜。第一腔室容纳了一个或多个光发送和/或接收器件。第二腔室设置有第一光学表面和可选的第二光学表面。光纤适配器设置有所述第二透镜。本集成透镜尺寸小，重量轻，耦合度高且传输效率高，还可通过注塑一次成型。本集成透镜适用于光学单耦合，光纤连接，光模块，和光或光电通信。

Description

集成透镜和具有该透镜的光收发器、以及制造和使用方法

相关申请

本申请是对美国申请US14/426,326(申请日：2015/3/5，事务所文件编号SP-340-L)某种程度的延续。该美国申请为PCT/CN2015/072957(申请日：2015/2/12)的国家阶段。PCT和美国申请都在此一并作为参考。

技术领域

本发明涉及光通信领域，尤其是多模光或光电通信光模块。

技术背景

目前，光通信已是高速化和小型化。由于光模块在促进光通信业发展和现代化中扮演了重要角色，更小，更快的光模块始终是我们追求的目标。小型化使有限器件空间内集成了越来越多的功能模块和/或结构，因此光模块和通信系统间的连接和/或接口变得更加复杂。

光模块中光信号传输和转换是光通信的基础。为此，光模块中设置了大量光发射器，接收器和光电探测器。由于印刷电路板的使用，光发射器，接收器和光电探测器都设置在光模块中PCB某些位置上。PCB上的电路用于将器件正确地连接起来。这样，光模块的生产成本显著降低，同时器件结构变得更加紧凑。

一个光耦合和/或连接器件通常用于将来自光模块中PCB上光发射器的光信号发送，或将来自外部光器件(比如，客户端)的入射光信号引导至光模块中PCB上的光电探测器。但是，传统光耦合和/或连接器件的成本和复杂性较高。许多传统光耦合和/或连接器件采用了多个独立光学透镜来汇聚，改变或引导光信号的光路，且此类独立透镜的安装和生产可能异常复杂，高成本和/或低效。

该“技术背景”仅用于提供背景资料。该“技术背景”的陈述不承认在“技术背景”中的主题披露对现有披露构成现有技术，以及该“技术背景”不可用作承认该申请的任何一部分，包括该“技术背景”部分，对现有披露构成现有技术。

发明概述

本发明目的在于克服本技术领域的一个或多个不足，并提供了一种带一个或多个透镜和如反射镜的其他光学表面的集成透镜(比如，光耦合和/或连接器件)。光路耦合和链接可利用一个或多个透镜在光模块中的发射器或接收器中实现。

为了实现本目的，一方面，本发明涉及一种带多重光学结构和/或表面的集成透镜，包括第一腔室(比如，用于一个或多个光电器件的外壳或空间)，第二腔室(比如，第二个腔室)，和光纤适配器。第一腔室在集成透镜的第一面，而第二腔室在集成透镜的第二面。光纤适配器和集成透镜的第一光学表面(比如，反射镜或其他反射表面)沿光纤适配器和第一光学表面间的光路光轴面对面设置，且光纤适配器的中轴与集成透镜的底部平行。光耦合器具有延伸入第一腔室的第一集成透镜。第一透镜通常为凸透镜，且设置在光电发射或接收器件上方，比如激光二极管或光电二极管。第二腔室通常构成了第一光学表面并可构成可选的第二光学表面，比如反射镜(比如，在发射器实施例中)。第一和第二光学表面为平面镜，且在某些实施例中，互相以160-175°相交。光纤适配器包括延伸进入集成透镜的第二透镜。第二透镜可以是凸透镜或凹透镜。

此外，在与光电发射器适用集成透镜相关的实施例中，第一腔室还可包含构成第三光学表面(例如，反射镜或其他反射表面)的子腔室，且所述第三光学表面通常为平面且相对于第一腔室一个或多个平坦表面呈预定角度倾斜。所述子腔室一般邻近或接近光纤适配器(例如，在第一透镜和光纤适配器之间)。

第三光学表面与第一腔室平坦表面间夹角为第一预定角，其中所述第一腔室平坦表面与集成透镜最上和最下平坦表面平行。以此平坦表面作为参照平面，在某些实施例中，第一预定角为101°±x°，其中x为≤15(例如，101°±7°,101°±3°,等)的正数。相反地，该角度为79°±x°。在此类实施例中，第三光学表面的光接收表面面向第三光学表面的光反射表面。在其他实施例中，第三光学表面相对第一腔室的平坦表面呈第二预定角，其中所述第一腔室平坦表面与集成透镜最上和最下平坦表面平行。以此平坦表面作为参照平面，在某些实施例中，第二预定角为60°±y°，其中y为≤15(例如，60°±5°,60°±3°,等)的独立地正数。所述子腔室结构简单，对于集成透镜制造可采用低成本注塑一次成型。

这样，当第二光学表面的反射光信号入射到第三光学表面，入射角的总和就大于总的反射临界角。即，利用第三光学表面以最小损失将光信号反射至光监控探测器(比如，光电二极管[PD]或雪崩光电二极管[APD])。在与光发射器相关的实施例中，所述监控探测器位于第一腔室，在第三光学表面下方。这种结构相对简单，且实现了更高的反射效率。

在其他与适用于光电发射器的集成透镜相关实施例中，第一腔室还可包含第三透镜。第三透镜为凸透镜，且位于第一透镜和第三光学表面之间(例如，在光监控探测器上方)，邻近或接近第三光学表面与第一腔室平坦表面相交位置，与集成透镜最上和最小平坦表面平行。第三光学表面的光(比如，至少部分的光信号)由第三透镜汇聚在第三光学表面下方的光学监控探测器。相比没有第三透镜的情况，通过第三透镜可更高效地将第三光学表面反射的光信号汇聚在光监控探测器上，从而提高反射效率。

集成透镜还包含允许空气或其他气体自由进出第一腔室的通气孔。在某些实施列中，所述通气孔位于集成透镜与光纤适配器相对的一端或部分，但它的位置不是固定的。所述透气孔贯穿集成透镜，有一端外露在集成透镜外表面且另一端与第一腔室连接。

集成透镜最底表面可利用光学胶一类的粘合剂附着在如PCB的基板上。尽管第一腔室含空气，但第一腔室中空气可从集成透镜下方通过通-气孔排出，与集成透镜最上表面建立气态联系。同时，光模块运行期间PCB上器件(比如激光二极管，光电二极管等)产生的热量可通过通气孔消散，以便降低PCB上器件的运行温度并保证模块稳定运行。

所述集成透镜可通过注塑一次成型(即，不需要其他组件)。第一腔室，第二腔室，第一和第二透镜，第一光学表面，第二光学表面，第三光学表面，第四光学表面，第二透镜，第三透镜和通气孔结构可通过注塑一次性一体成型。因此，制造所述集成透镜的方法可包括将集成透镜材料注入具有集成透镜形状的模具，然后将注塑材料从模具取出。所述方法还包括在注塑入模具前将集成透镜材料加热，然后在将注塑材料从模具取出之前和/或之后，冷却注塑材料。由于具有操作简单，成本低，和生产效率高的特点，本方法有益于产品制造。本集成透镜可包括高透光度，化学和机械性质稳定的可注塑成型材料制成或由其制成，诸如玻璃，聚醚酰亚胺(PEI),聚醚砜(PES)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚苯乙烯(PS)，或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

优选地，所述集成透镜由PEI制成。PEI的玻璃化温度为216℃。PEI具备高绝缘强度，天然阻燃性，和极低的起烟性。PEI具有极好的机械特性(比如高刚度或弹性系数)且可连续使用，可达到340°F(170℃)。标准，未填充的PEI(比如，来自马萨诸塞州皮茨菲尔德的沙特基础工业公司的ULTEM100商用材料)标准热导性为0.22W/(m·K)。PEI是光学透镜的良好原材料。

优选地，以集成透镜的最底表面为参照平面，第二光学表面和集成透镜最底表面之间的夹角为135°±15°，而用样以集成透镜的最底表面为参照平面，第三光学表面和集成透镜最底表面之间的夹角为150°±15°。

本集成透镜适用于来自将来自光纤的光信号耦合和/或连接到光接收器，或将来自光发射器的光信号耦合和/或连接到光纤。此外，在光收发器中，用于接收器和发射器的集成透镜可互相接近和/或平行。

此外，用于光接收器的集成透镜(此处简称“接收器集成透镜”)包括第一腔室，其上带第一光学表面的第二腔室，第一透镜，和光纤适配器。所述第一光学表面可以是反射镜。所述接收器集成透镜还可包括位于光纤适配器最内端的准直透镜(即，光纤适配器延伸入集成透镜的那一端)。接收集成透镜中的光纤适配器连接和/或接收光信号传输光纤。

此外，光接收器或收发器还包括设置于第一透镜下方的光电二极管(PD,比如雪崩光电二极管[APD])。通常，所述PD以照PD和TIA在PCB上的安装位置(比如，在第一腔室中)与一跨阻放大器(TIA)电连接。

所述接收器集成透镜透过光纤适配器最内端的透镜接收来自光信号传输光纤的光信号，所述透镜可将光信号汇聚到第一光学表面(比如反射镜)。光信号入射到所述光学表面(比如，用于信号全反射)，然后光信号被反射到第一透镜(比如，到第一腔室)，所述第一透镜用于将光信号汇聚到接收器PD。入射到接收器PD的信号将光信号转换为电信号，由TIA接收。TIA将电信号放大并放大信号提供给与TIA连接的下游器件。

此外，用于光发射器的集成透镜(“发射器透镜”)包括第一腔室，其上带第一和第二光学表面的第二腔室，第一透镜，第三光学表面(位于第一腔室中子腔室上)，和光纤适配器。对于接收器集成透镜，第一光学表面包括反射镜，发射器集成透镜则还包括位于光纤适配器最内端的准直透镜(即，光纤适配器延伸入集成透镜最深的那一端)，而光纤适配器则连接和/或接收光信号传输光纤。

与接收器集成透镜类似，发射器继承透镜在第一腔室中光信号发射器上方粘贴到PCB(比如，在光模块中)。来自光信号发射器的光信号垂直入射且由第一透镜汇聚或校准。所述光信号再入射到第二腔室上的第一和第二光学表面。由第一光学表面反射的光信号由第二透镜汇聚到与光信号传输光纤与光纤适配器连接的一端，并发送至光网络中一个或多个器件。第二光学表面反射的光信号在第三光学表面入射，这里光信号被反射到第三光学表面下方(即，在第一腔室中)的光信号探测器(比如监控光电二极管)。第三光学表面反射的光信号一般在光信号探测器上垂直入射。发射器集成透镜下方的光信号探测器可以是PD或APD。

本发明还涉及包括所述集成透镜的光收发器。所述集成透镜实现了光信号在光模块中的发送和接收。因此，在某些实施例中，光模块包括了与接收器集成透镜接近和/或平行的发射器集成透镜，发射器集成透镜下方的光发射器(比如，激光二极管)，用于发送光信号，和接收器集成透镜下方的光接收器(比如，光电二极管)，用于接收光信号。

此外，光收发器还可发送和/或接收不同波长的光信号(比如，多模光通信)。本发明的集成透镜可用于单模或多模发射和/或接收。本集成透镜的多重表面结构实现了光信号耦合的大波长覆盖范围(比如，在光纤和发射器或接收器之间)和高反射效率，并在多模通信具有光明的应用前景。

本发明还涉及包括本集成透镜的光器件，光模块和光通信器件。此外，本发明还提供了利用集成透镜发送和/或接收光信号的方法。

相对于现有技术，具有多重光学表面并包括第一腔室，第二腔室，和光纤适配器的这种集成透镜具有很多有益效果。第一腔室位于集成透镜的最低表面或底部，而第二腔室则位于集成透镜的最上表面或顶部。光纤适配器位于集成透镜的前端或正面，且光纤适配器的中轴线与集成透镜的最底表面平行。第一透镜延伸进入第一腔室，且可设置在与位于基板(比如，PCB)上光发射器对应的位置，而所述基板用于安装或固定集成透镜。第一和第二平坦光学表面(比如反射镜)设置在发射器集成透镜中第二腔室的底面上。第一和第二平坦光学表面可在160-175°的角度相交。第一光学表面和第二光学表面在一条直线上相交，而所述直线与集成透镜的平坦横截面平行，垂直于光纤适配器的中轴。接收器集成透镜包括位于第二腔室底面上的第一平坦光学表面。光纤适配器的最内端包括为凸透镜的第二透镜。所述集成透镜适用于光模块且可设置在光发射器或接收器上方的PCB。所述集成透镜可一次注塑成型，工艺简单，成本低且效率高。

一种利用具备多重光学表面的本集成透镜发送光信号的方法包括利用第一透镜将来自光发射器(可设置在PCB上)的光信号调整到或汇聚到第一光学表面，将来自第一光学表面的光信号发射到光纤适配器一面上的第二透镜，然后将反射光纤汇聚到光纤适配器中的光纤上。所述发送光信号的方法还包括将部分汇聚光信号从第二光学表面反射至第三光学表面，然后再讲反射光信号反射至监控探测器。绝大多数汇聚光信号都会被第二光学表面反射掉。

一种使用具有多重光学表面的此种集成透镜接收光信号的方法包括利用第二透镜将来自光纤适配器中光纤的光信号调整或汇聚到第一光学表面，将来自第一光学表面的光信号反射到第一透镜，然后利用第一透镜把反射光信号汇聚到光接收器(可设置在PCB上)。

本器件和方法不仅实现了光纤和光发射器和/或接收器间的连接，而且还实现了光信号从光发射器到光纤和光纤到接收器的光耦合。此外，发射器集成透镜还可将小部分来自发射器的光信号反射至监控光电二极管，用于光信号检测和/或功率测量。本器件和光信号接收方法可在光发射器或接收器中实现光信号同步检测。集成透镜包括多重集成透镜和光学表面，取代了单独或分散的无源光器件，优化了光路和器件结构，极大地降低了生产成本，结构简单，光耦合效率高，尺寸小，重量轻，适用于各种光信号耦合连接。

附图说明

图1所示为基于本发明一个或多个实施例的适用于光或光电收发器的集成透镜典型安装和结构。

图2为基于本发明一个或多个实施例的典型接收器集成透镜剖视图。

图3为基于本发明一个或多个实施例的典型发射集成透镜剖视图。

图4为基于本发明一个或多个实施例的典型接收器集成透镜的光路图和/或运行图。

图5为基于本发明一个或多个实施例的典型发射器集成透镜剖视图。

图6为基于本发明一个或多个实施例的另一发射器集成透镜的光路图和/或运行图。

图7为基于本发明一个或多个实施例的另一发射器集成透镜的剖视图。

图8为基于本发明一个或多个实施例的另一发射器集成透镜的光路图和/或运行图。

图9为图8另一发射器集成透镜的部分放大视图。

图10A的剖面图所示为基于一个或多个本发明实施例的另一个发射器集成透镜，而图10B为图10A发射器集成透镜的外视图。

本发明的各种实施例都会有详细的参照。参照的例证会在附图中得到阐释。本发明会用随后的实施例说明，但本发明不仅限于这些实施例的说明。相反的，本发明还意欲涵盖，可能包括在由附加权利要求规定的本发明的主旨和值域内的备选方案，修订条款和等同个例。而且，在下文对本发明的详细说明中，指定了很多特殊细节，以便对本发明的透彻理解。但是，对于一个所属技术领域的专业人员来说，本发明没有这些特殊细节也可以实现的事实是显而易见的。在其他实例中，都没有详尽说明公认的方法，程序，部件和电路，以避免本公开的各方面变得含糊不清。

随后的一部分详细说明需要用到过程，程序，逻辑块，功能块，处理，和其他代码上的操作符号来表示，数据位，或计算机，处理器，控制器和/或存储器中的数据流方面的术语。数据处理技术领域的专业人员通常用这些说明和表述来把他们工作的实质有效地传达给所属技术领域的其他专业人员。此处的，过程，程序，逻辑块，功能，方法等等通常都视为导向期望的和/或预期的结果的步骤或指令中的继发事件。步骤通常包括物理数量的物理操作。虽然未必，但这些数量通常以在计算机或数据处理系统中的电子，磁力，光，或存储的，转移的，组合的，对照的量子信号及其他被操控的形式表现。对一般用途而言，事实证明，参考这些信号，如位，流，值，要素，符号，特征，项，数字或类似的事物，和它们在计算机程序或软件中的表现形式，如代码仅是为了方便这类说明和表述。无论如何，我们都应该记住所有这些及类似的术语都与适当的物理量和/或信号有关，并且它们仅仅是适用于这些量和/或信号的符号而已。

除非有特别说明和/或否则就如下所述一样显而易见，用贯穿本申请的论述术语诸如“处理”“操作”，“计算”，“判定”或者诸如此类的涉及电脑或数据处理系统的动作或步骤，或类似装置(如，电气，光学或量子计算，处理装置或电路)来处理和转换数据表示物理量(如，电子)都是允许的。这类术语涉及，在电路，系统或构造(比如，寄存器，存储器，其他这样的信息存储，传输或显示装置等等)的部件值域内，把物理量处理或转换成在相同或者不同系统或构造的其他部件值域中类似的物理量。

此外，在本申请的背景下，术语“信号”和“总线”涉及任何已知的结构，构造，排列，技术，方法和/或步骤，用于在电路中将电信号从一个点物理地转移到另一个点。并且，除非事先注明，否则，从就只能从此处的大前提下使用，术语“指定的”，“固定的”，“已知的”和“预定的”来提及值，数量，参数，约束，条件，状态，过程，程序，方法，实践或他们的理论可变组合，但是这种可变往往是事先约定的，并且此后，一经使用便不可更改的。同样地，为了方便起见，虽然术语“时间”，“比率”，“周期”和“频率”通常是可交换的并且可以交替使用，但是赋予他们的含义通常是在此类技术上公认的。并且，为了简便，虽然术语“数据”，“数据流”，“位”，“位串”和“信息”可能会交替使用，如术语“耦合到”和“与……交流”(指间接或者直接的连接，耦合或相通)，但是通常赋予它们的是此类技术上公认的含义。

除非有特别说明，为方便起见，属于“光的”和“光电的”在文中都可交替使用，相互包涵。此外，术语“收发器”指具有至少一个接收器和至少一个发送器的装置，且除非文中另有详细说明，术语“收发器”的使用也包含“接收器”和/或“发射器”。同样，为方便起见，术语“连接到”，“与…耦合”，“与…通信”和“耦合至”(该术语同时也指连接的、耦合的和/或交流要素间的直接和/或间接关系，除非文中另有详细说明)都可以交替使用。

文中所披露的各种实施例和/或例子都可与其他实施例和/或例子组合，只要这样的组合是适宜，有必要或有利的。下面将结合典型的实施例对本发明进行详细说明。

典型接收器和发射器集成透镜

本发明涉及用于接收器集成透镜(比如，接收器光耦合和/或连接器件)和发射器集成透镜(比如，发射器光耦合和/或连接器件)的外壳。如图1所示，接收器集成透镜1和发射器集成透镜2在PCB3的相应或邻近位置并排设置。监控光电二极管和发光器件(比如，激光二极管一类的发射器)4设置在发射集成透镜2的下方。同样，光电二极管(PD，比如雪崩光电二极管[APD])6也设置在接收器集成透镜1的下方，并与跨阻放大器(TIA)7电连接。

如图2所示，接收器集成透镜1包括带第一透镜1-1的第一腔室1-A，第二腔室1-B，和光纤适配器1-C。第二腔室1-B的内或最内表面(比如，底面)具有镜面1-2。接收器集成透镜1还包括设置在光纤适配器1-C最内端的凸面光准直透镜1-3(比如，从集成透镜本体延伸进入光纤适配器)。

光纤适配器1-C接收并连接光信号传输光纤。来自光信号传输光纤的光信号被发送至透镜1-3，汇聚到第二腔室1-B的镜面1-2，然后反射到(比如，全部或基本全部)第一腔室1-A的第一透镜1-1。尽管反射材料可设置或形成在集成透镜的光学表面(比如，在第二腔室1-B的底部)，但没有必要这样做，因为集成透镜空气接口也就相当于反射表面。第一透镜1-1随后将反射光信号汇聚到PD，将光信号转换为电信号并将其发送给TIA7进行放大和进一步下游处理。

如图3所示，发射器集成透镜2为集成了带多光学表面，且包括第一腔室2-A，第二腔室2-B，和光纤适配器2-C的集成透镜。第一腔室2-A位于集成透镜2的底面或最低表面，而第二腔室2-B位于集成透镜2的顶面或最上表面。光纤适配器2-C在集成透镜2的前端或前端面，而光纤适配器2-C的中轴线与集成透镜2的最低面平行。

第一透镜2-1延伸进入第一腔室2-A，且第一透镜2-1可以是凸透镜，设置在基板的光发射器上方(比如，PCB；图3未显示)。发射器集成透镜2中第二腔室2-B的第一和第二内表面(比如，在底部)包含第一和第二平面光学表面2-3和2-2，且它们以160-175°相交。第一和第二平面光学表面2-3和2-2(和所有文中所述平面光学表面)都可以是或包括反射镜或其他反射表面。发射器集成透镜2具有设置在光纤适配器2-C最内端的第二透镜2-5(其可能是凸透镜)。

优选地，第一光学表面2-3和集成透镜2的最底面间夹角为135°±15°，以集成透镜最底面为参考平面。相反地，第一光学表面2-3和集成透镜2最底面间夹角为45°±15°，以集成透镜最底面为参考平面。在某些实施例中，第一光学表面2-3和集成透镜2最底面间夹角的理想值为45°或135°。

优选地，第二光学表面2-2与集成透镜2最底面间夹角为150°±15°，以集成透镜最底面为参考平面。相反地，第二光学表面2-2与集成透镜2最底面间夹角为30°±15°，以集成透镜最底面为参考平面。如图3所示，第二光学表面2-2与集成透镜2最底面间夹角为35°或145°，且第一和第二光学表面2-3和2-2间夹角为170°。

集成了多光学表面的集成透镜2设置在PCB(比如，图1所示的光模块PCB)的光信号发射器(比如，图1所示的激光二极管4)上方。来自光信号发射器4的光信号垂直入射第一透镜2-1(图3)且被其汇聚和/或准直化，然后再由第一和第二光学表面2-3和2-2反射。第一光学表面2-2沿与集成透镜2底部平行或基本平行的路径或光纤适配器2-C的中轴线将光信号反射至第二透镜2-5。反射光信号随后由第二透镜2-5汇聚至插入和/或连接光纤适配器的光信号传输光纤，在此得以将光信号发送到一个或多个其他装置(比如，在光网络中)。第二光学表面2-2部分反射光信号(比如，5-10％的光信号反射至第三光学表面2-4[参见图4])。

集成透镜1和2可包括或可以由高透光，高弹性系数的材料制成，比如玻璃，PEI，PET，PS或PMMA。举例来说，发射器和接收器集成透镜都可由PEI制成。在其他例子中，发射器和接收器集成透镜都可以是单一单元，且由注塑一次成型。

集成透镜(即，1或2)包括通气孔(图2所示1-D和图3所示2-D)。通气孔1-D或2-D通常为集成透镜1或2上离光纤适配器1-C或2-C较远的部分，且与第一腔室1-A或2-A相连，从而使空气能进出第一腔室，使运行期间第一腔室1-A或2-A能与外界进行热交换。通过防止空气在第一腔室1-A或2-A中滞留并排出粘合剂中溶剂或其他烟气或副产物，通气孔1-D和2-D还能帮助利用如光学胶一类粘合剂将集成透镜1和2的最底面粘贴到如图1PCB3一类的基板。

此外，在发射器集成透镜2中，光发射集成透镜1上的第一腔室还包含第三光学表面2-4，为子腔室2-E从第一腔室2-A上延伸进入发射器集成透镜2的斜面。子腔室2-E通常设置在光纤适配器2-C和第一透镜2-1,第一光学表面2-3，和/或第二光学表面2-2之间。

而且，第三光学表面2-4(图3)下方还设置有光信号探测器(比如，图1，如光电二极管5一类的光学监控探测器)。来自光发射器(比如，图1，激光二极管4)的光信号垂直入射第一透镜(图3)并被汇聚到第一和第二光学表面2-3和2-2。第二光学表面2-2将所述光信号部分反射值第三光学表面2-4，而第三光学表面2-4将被反射的光信号折射至光信号探测器5(图1)。

一种典型发射器集成透镜

如图3所示，集成了多光学表面的集成透镜2包括第一腔室2-A，第二腔室2-B，和光纤适配器2-C。第一腔室2-A位于集成透镜2的底部。第二腔室2-B位于集成透镜的顶部。光纤适配器2-C位于集成透镜2的前端或前端面。第一腔室2-A具有延伸进入第一腔室2-A，且位于光发射器上方(比如，图1中激光二极管5)的第一凸透镜2-1。第二腔室2-B构成第一和第二平面光学表面2-3和2-2，它们以160-175°相交。集成透镜2包括位于光纤适配器2-C最内端的第二凸透镜2-5。

此外，如图3所示，发射器集成透镜2还包括位于第一腔室2-A子腔室2-E上的第三，倾斜光学表面2-4，接近光纤适配器2-C。第三光学表面2-4倾向于有关集成透镜25的底部。回到图3，还有一个第四光学表面2-6也与第三光学表面的顶部相交，但在第四光学表面2-4位于集成透镜2里或上时，第四光学表面2-6仅定义了子腔室2-E的第二斜面。

此外，如图3所示，以集成透镜2的最底面为参考平面，第三光学表面2-4和集成透镜2面向光纤适配器2-C的最底面之间的夹角为锐角(即，小于90°)。这使集成透镜2的注塑模具制造更加简单，成本更低，结构简单，且量率也较高。举例来说，第三光学表面2-4和集成透镜面向光纤适配器2-C的最底面之间的夹角为65°至85°(比如，79°±5°)。

在本实施例中，图4利用直箭头指出了发送光信号的传输路径。集成透镜2设置在光模块PCB(未显示)上光信号发射器4的上方。来自光信号发射器4的光信号从第一透镜2-1入射并被被其对齐，然后由第一和第二光学表面2-3和2-2反射。在被第一光学表面2-3反射后，光信号由第二透镜2-5汇聚，然后进入与光纤适配器2-C连接的光信号传输光纤(未显示)。另外，由第二光学表面2-2从来自光信号发射器4发射至第三光学表面2-4的光信号部分再次由第三光学表面2-4反射至监控光电二极管5。

另一种典型发射器集成透镜

如图5所示，具有多集成光学表面的发射器集成透镜2′包括第一腔室2-A，第二腔室2-B，和光纤适配器2-C，与图3的发射器集成透镜2相同或类似。图5的发射器集成透镜2′具有延伸进入第一腔室2-A的第一凸透镜2-1，位于光发射器之上(比如，图6，激光二极管4)。第二腔室2-B包含第一和第二平面光学表面2-3和2-2，以160°-175°相交。比如发射器集成透镜2′，发射器集成透镜2′包括位于光纤适配器2-C最内端的第二凸透镜2-5。

但是，如图5所示，发射器集成透镜1具有位于光纤适配器2-C和第一透镜和第二平面光学表面2-2两者间至少一者之间的，定义了第四光学表面2-4′，且位于第一腔室2-A的子腔室2-E′。以集成透镜2′的最底面作为参考平面，第四光学表面2-4′和集成透镜2′面向光纤适配器2-C的最底面间的夹角为钝角(即，大于90°)。举例来说，第四光学表面2-4′和集成透镜2′面向光纤适配器2-C的最底面间的夹角为91°至116°(比如，101°±10°)，以集成透镜2′的最底面作为参考平面。这样，当被第二光学表面2-3反射的光信号入射第四光学表面2-4′时，它的入射角就大于反射的临界角。即，第二和第四光学表面2-3和2-4′能以最小损失将光信号反射至光学监控探测器。光学监控探测器(比如，图6，光电二极管5)设置在第四光学表面2-4′的下方。所以，本结构较简单，且反射率高。

图6为本发明实施例中发射光信号的传输路径。集成透镜设置在诸如光模块PCB(未显示)的基板上光信号发射器4上方。来自光信号发射器4的光信号在第一透镜2-1入射并被其汇聚到第一和第二光学表面2-3和2-2。第一光学表面2-3将光信号反射到第二透镜2-5，将光信号汇聚到与光纤适配器2-C连接的光信号传输光纤(或一端或预设的内部位置)。

此外，来自光信号发射器4的部分光信号通过第二光学表面2-2反射到第四光学表面2-4′，而所述第四光学表面将光信号再反射至光信号探测器(比如，光电二极管)5。由于第二和第四光学表面2-2和2-4′间夹角较大，所以来自第二光学表面光在第四光学表面的入射角总是比反射角大很多。因此，第四光学表面2-4′能以最小损失将光信号反射至光信号探测器5。

另一种典型发射器集成透镜

图7所示为带多集成光学表面的发射器集成透镜2″，包括第一腔室2-A，第二腔室2-B，和光纤适配器2-C。除还包括第三凸透镜2-7，发射器集成透镜2″与图5的发射器集成透镜2′基本相同。第三透镜2-7延伸进入第一腔室2-A并位于监控光电二极管5(参见图6)上方，接近第四光学表面2-4′的底部。除第四光学表面2-4′反射光信号是由第三透镜2-7汇聚到第四光学表面2-4′下方的监控光电二极管外，发射器集成透镜2″的工作模式基本与图5的发射器集成透镜2′。由第四光学表面2-4′反射并由第三透镜2-7汇聚的光信号可更有效地发送至光学探测器5，从而提高检测效率。

图8为本实施例中发射光信号的传输路径。集成透镜2″位于基板(比如，光模块PCB，未显示)上光信号发射器4的上方。来自光信号发射器4的光信号由第一透镜2-1准直和/或汇聚并按图4和6中集成透镜2和2′相同的方式由第一和第二光学表面2-3和2-2反射。第一光学表面2-3将光信号反射至第二透镜2-5，这样将反射光信号按图4和6中集成透镜2和2′相同的方式汇聚到光纤适配器2-C中的光信号传输光纤。

此外，部分在第二光学表面2-2入射的光信号以与图6中集成透镜2′相同的方式反射至第四光学表面2-4′，而第四光学表面2-4′还将部分所述光信号发射至第三透镜2-7，将光信号二次反射部分汇聚到光信号探测器5。图9为图8中集成透镜2″被虚线包围部分的放大图。第四光学表面2-4′下方的第三透镜2-7可收集第四光学表面2-4′反射的光并将其汇聚到光学探测器(比如，监控光电二极管5)。

另一种典型发射器集成透镜

图10A为基于本发明一个或多个实施例的具备多重集成光学表面的发射器集成透镜2″′剖视图。发射器集成透镜2″′包括具备贯穿集成透镜开口2-D的第一腔室2-A，第二腔室2-B，光纤适配器2-C，和第三腔室2-25E。第一腔室2-A容纳了光信号发射器(比如，激光器)4和监控探测器(比如光电二极管)5。第一和第二透镜2-1和2-7延伸进入第一腔室2-A，且分别设置在激光器4和监控探测器5的上方。

图10A展示了发射光信号的传输路径。集成透镜2″′设置于基板上的光信号发射器4上方(比如，光模块PCB；未显示)。来自光信号发射器4的光信号通过第一透镜2-1校准和/或汇聚然后由单光学表面2-2′同时向反射光学表面2-4″和第二透镜2-5反射，将反射光信号以图4，6和8中集成透镜2，2‘和2’‘’相同的方式汇聚到光纤适配器2-C中的光信号传输光纤。大部分反射光信号都可通过第二透镜2-5。部分反射光信号还可由反射光学表面2-4″发射到第三透镜2-7。第三透镜2-7将光学表面2-4″的反射光汇聚到监控探测器5。

图10B为图10A发射器集成透镜2″′的外视图。第二腔室2-B的深度大于第三腔室2-E使大部分光学表面2-2‘反射的光信号沿光路传播到第二透镜2-5。但是，第三腔室2-E的深度必须足够用于反射部分反射光信号到第三透镜2-7。总之，由光学表面2-4″反射到第三透镜2-7的反射光信号总量为1-10％(比如，3-5％)。

光学表面2-2′和反射光学表面2-4″都相对于发射器集成透镜2″′的最底表面呈45度。但是，光学表面2-2′和反射光学表面2-4″还可相对于发射器集成透镜2″′的最上表面或最底表面呈其他角度(比如，30°-60°)。在某个实施例中，光学表面2-2′和反射光学表面2-4″可相互垂直。

发射器集成透镜2″′中腔室和反射表面的安排通常对光信号发射器4，监控探测器5，和/或光纤适配器2-C中的光纤的位值失准有更高的包容性。换言之，在设计中采用发射器集成透镜2″′，光信号发射器4，监控探测器5，和/或光纤的设置和/或位置比其他发射器透镜变化更大(比如，集成透镜2,2′和2″)。

一种典型收发器

本发明还涉及包括本集成透镜(比如，光耦合和/或连接器件)的光器件，光模块和光通信装置。举例来说，所述光器件，光模块和光通信装置可以是光收发器，包括接收器集成透镜(比如，图2中典型集成透镜1)，其第一腔室中的光电二极管或其他光信号探测器，发射器集成透镜(比如，图3，5或7中典型集成透镜2，2′或2″)，和其第一腔室中激光二极管或其他光信号发射器。接收器集成透镜第一腔室中光电二极管(比如，接收器光电二极管)设置用于接收来自接收集成透镜第一透镜的入射光信号。接收器集成透镜第一腔室中激光二极管设置用于向集成透镜第一透镜发射出射光信号。

如文中所述，接收器集成透镜包括设置在集成透镜第一侧的第一腔室，延伸进入或远离第一腔室的第一透镜，设置在集成透镜背侧的第二腔室，位于第二腔室内表面的第一光学表面，用于接收光纤的光纤适配器(比如，接收器光纤)，和位于光纤适配器最内端的第二透镜。第一和第二透镜，第一光学表面，和光纤适配器都集成在接收器集成透镜中。如文中所述，发射器集成透镜包括位于发射器集成透镜第一侧的另一个第一腔室，延伸进入所述另一第一腔室的另一个第一透镜，位于发射器集成透镜第二侧的另一个第二腔室，与发射器集成透镜第一侧相对，位于所述另一个第二腔室第一内表面的另一个第一光学表面，另一个光纤适配器，用于接收另外的光纤(比如，发射器光纤)，位于所述另一个光纤适配器最内端的另一个第二透镜，位于所述另一个第二腔室的第二内表面的第二光学表面，所述第二光学表面邻近所述另一个光学表面，和从第一腔室延伸出的子腔室，其上带有第三光学表面。所述第三光学表面位于所述另一个光纤适配器和第二光学表面和另一个第一透镜中至少一者之间。所述另外的第一和第二透镜，另一个第一光学表面，另一个第二光学表面，另一个光纤适配器，和第三光学表面都集成在发射器集成透镜中。

在光收发器的不同实施例中，接收器集成透镜和发射器集成透镜都相互接近并平行(比如，图1所示)。在其他实施例中，光收发器还包括发射器集成透镜第一腔室中的光信号探测器和/或接收器集成透镜第一腔室中的跨阻放大器(TIA)(如图1所示)。如文中所述，监控光电二极管用于接收部分从第三光学表面反射的出射光信号。TIA与接收器挂光电二极管电连接。监控光电二极管和接收器光电二极管都可以是雪崩光电二极管。

发送和接收光信号的典型方法

而且，本发明还提供了利用本集成透镜发送和接收光信号的方法。举例来说，接收挂钩信号的方法可包括向集成到集成透镜的接收透镜(比如，第二透镜)发送来自光纤的光信号，所述集成透镜具有接收光纤的光纤适配器，且所述接收透镜位于光纤适配器的最内端，用接收透镜将光信号汇聚到集成透镜第一侧上腔室上的接收光学表面(比如，第一光学表面)，将光信号反射到集成透镜下腔室中的另一透镜，所述下腔室位于与第一侧相反的集成透镜第二侧，和利用所述另一透镜将反射光信号汇聚到下腔室的光探测器。所述集成透镜具有光纤适配器，用于接收光纤，和位于光纤适配器最内端的接收透镜。所述接收光学表面(比如，第一光学表面或镜面)位于集成透镜第一侧的上腔室(比如，第二腔室)，和所述汇聚透镜(比如，第一透镜)设置在或延伸进入集成透镜另一侧上的下腔室(比如，第一腔室)。所述光学探测器(比如，光电探测器)位于下腔室中。

一种发送光信号的方法包括在集成透镜第一腔室中发射来自光发射器的光信号，利用第一透镜将光信号汇聚到第一和第二光学表面，所述第一透镜集成在集成透镜中且延伸入第一腔室，而第一和第二光学表面则位于集成透镜与第一腔室相反一侧的第二腔室，将来自第一光学表面的光信号反射至集成到集成透镜的第二透镜，所述集成透镜具有一体化的光纤适配器，用于接收光纤，且所述第二透镜位于光纤适配器的最内端，利用第二透镜将反射光信号汇聚到光纤，将来自第二光学表面的光信号部分反射至第一腔室子腔室上的第三光学表面，所述第三光学表面设置于光纤适配器和第二光学表面和第一透镜二者中至少一者之间，和在监控光电探测器接收光信号的反射部分。

结论

本发明的实施例有益地提供了一种带多集成光学表面和透镜的集成透镜。本集成透镜包括第一腔室，第二腔室，和光纤适配器。第一腔室位于集成透镜的下侧，第二腔室位于集成透镜的最上表面。光纤适配器位于集成透镜的前端和/或端面，且光纤适配器的中轴线与集成透镜最底表面平行。集成透镜的第一透镜延伸进入第一腔室。第一透镜可以是凸透镜，并位于光发射器某个位置之上。第二腔室的底部包含以160°-175°相交的第一和第二平面光学表面，并形成与集成透镜横截面平行的线或脊线，而所述集成透镜横截面又与光纤适配器的中轴线垂直。本集成透镜还包括位于光纤适配器最内端的第二透镜。第二透镜可以是凸透镜。本集成透镜适用于光模块且可设置在PCB上光发射器和/或光接收器耦合和/或连接到相应光纤(反之亦然)的位置。本集成透镜可通过注塑一次成型，操作简单，生产成本低且生产效率高。

在一个或多个光学表面和一个或多个透镜相互作用下，带多集成光学表面和透镜的接收器集成透镜实现了利用光纤适配器最内端透镜将来自光纤适配器(比如，在集成透镜的前端)中光纤的光信号汇聚到第一光学表面，将来自第一光学表面的光信号反射至集成透镜腔室中的透镜，并利用腔室中的透镜将反射光信号汇聚到基板上的光学检测器(比如，光电二极管)。在一个或多个光学表面和一个或多个透镜相互作用下，带多集成光学表面和透镜的发射器集成透镜实现了利用第一透镜将来自基板上光发射器的光信号汇聚到第一光学表面，将来自第一光学表面的光信号反射至光纤适配器最内端的第二透镜，并将发射光信号汇聚到光纤适配器中的光纤(比如，在集成透镜前端)。本发明的发射器集成透镜还能将来自邻近第一光学表面的第二光学表面的部分光信号反射到第三光学表面，然后第三光学表面再将光信号部分反射至光信号探测器(比如，监控光电二极管)。大部分来自发射器的光信号都通过第一光学表面进行反射。

本方法不仅实现了光发射器和传输光纤间的连接，还实现了光发射器光信号到光纤的耦合，和光纤光信号到光接收器的耦合。此外，本集成透镜还将部分来自发射器的光信号用于监控发射光信号，从而实现同步的光信号传输和检测。本集成透镜利用多光学表面替代分散和/或复杂光耦合和/或连接元件执行本方法，从而将光信号路径最佳化，简化装置结构，并极大地降低生产成本。本集成透镜结构简单紧凑，尺寸小，重量轻，且光耦合效率高，适用于各种光信号耦合连接。

而且，发射器集成透镜可设置在靠近接收器集成透镜的位置，与光收发器平行，便于在单个模块中发送和接收光信号。本集成透镜适用于光器件，光模块和光通信合装置。

图解和说明已经详细展示了前述的本发明的特殊实施例。本公开并不限于前述实施例，并且很明显，也可以鉴于以上所述的技术，对本发明进行修改和变更。本文选定实施例并对其进行描述，以便最精确地阐述本发明的原理及它的实际应用，从而使所属专业技术领域的其他人员能最大程度的利用本发明及带有各种修改的实施例，以适用于预期的特殊用途。即，由添加至此的权利要求和它们的等效叙述所定义的发明范围。

Claims (20)

1.一种具有多重集成光学表面和透镜的集成透镜，包括：

第一腔室，设置在集成透镜第一面；

延伸入所述第一腔室或从所述第一腔室延展出的第一透镜；

第二腔室，设置在与所述集成透镜上与第一面相反的第二面；

第二腔室的第一内表面上的第一光学表面；

光纤适配器，用于接纳光纤；和

所述光纤适配器最内端上的第二透镜，

其特征在于所述第一和第二透镜，第一光学表面，和光纤适配器都集成在集成透镜中。

2.如权利要求1所述的集成透镜，其特征在于所述第一和第二透镜都为凸面镜。

3.如权利要求1所述的集成透镜，其特征在于还包括贯穿所述集成透镜的通气孔，从所述第一腔室延伸至集成透镜第二面的裸露表面。

4.如权利要求1所述的集成透镜，其特征在于所述第一光学表面包含反射镜。

5.一种发射器集成透镜，包括如权利要求1所述的集成透镜，和第二腔室第二内表面上的第二光学表面，第二光学表面与第一光学表面相邻。

6.如权利要求5所述的集成透镜，其特征在于所述第一和第二光学表面都为平面镜，且它们之间的夹角为160°至175°。

7.如权利要求5所述的发射器集成透镜，其特征在于所述第一腔室还包括其上设置有第三光学表面的子腔室，所述第三光学表面位于光纤适配器和第二光学表面与第一透镜中至少一者之间。

8.如权利要求7所述的发射器集成透镜，其特征在于所述第一透镜用于将来自所述第一腔室的光信号在所述第一和第二光学表面上对准和/或汇聚，所述第一光学表面用于将所述光信号反射至所述第二透镜，和所述第二光学表面用于将所述光信号部分反射至所述第三光学表面。

9.如权利要求8所述的发射器集成透镜，其特征在于第三光学表面与集成透镜的最底面之间面向光纤适配器的夹角为65°至85°，以集成透镜最底面为参照平面。

10.如权利要求8所述的发射器集成透镜，其特征在于第三光学表面与集成透镜的最底面之间背离光纤适配器的夹角为60°±y°，同时以集成透镜最底面为参照平面，其中y为小于等于15的正数。

11.如权利要求7所述的发射器集成透镜，其特征在于还包括延伸进入第一腔室，与第三光学表面接近的第三透镜。

12.如权利要求1所述集成透镜，包括玻璃，聚醚酰亚胺(PEI),聚醚砜(PES)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚苯乙烯(PS)，或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

13.一种光收发器，包括：

接收器集成透镜，包括如权利要求1所述的集成透镜；

第一腔室中的光电二极管，接收来自第一透镜的入射光信号；

发射器集成透镜，包括：

发射器集成透镜第一面上的其他第一腔室；

其他第一透镜，延伸进入所述其他第一腔室；

其他第二腔室，位于与集成透镜第一面相反的集成透镜第二面之上；

其他第二腔室第一内表面上的其他第一光学表面；

其他光纤适配器，用于接纳其他光纤；

位于所述其他光纤适配器最内端的其他第二透镜；

所述其他第二腔室第二内表面上的第二光学表面，所述第二光学表面与所述其他第一光学表面相邻；和

第一腔室延伸出的子腔室，其上设置有第三光学表面，所述第三光学表面位于所述其他光纤适配器和第二光学表面与所述其他第一透镜中至少一者之间。

其中所述其他第一和第二透镜，其他第一光学表面，第二光学表面，所述其他光纤适配器，和第三光学表面都集成在所述发射器集成透镜中；和

所述其他第一腔室中的激光二极管，用于向所述其他第一透镜发送出射光信号。

14.如权利要求13所述的光收发器，其特征在于所述接收器集成透镜和发射器集成透镜相互靠近并并行。

15.如权利要求13所述的光收发器，其特征在于所述光电二极管为雪崩光电二极管。

16.如权利要求13所述的光收发器，其特征在于所述光电二极管与TIA电连接。

17.如权利要求13所述的光收发器，其特征在于还包括位于第一腔室中的光信号探测器，用于接收来自第三光学表面的部分出射光信号。

18.一种制作如权利要求1所述集成透镜的方法，包括将集成透镜材料注入具有集成透镜形状的模具，然后将集成透镜从模具取出。

19.一种接收光信号的方法，包括：

向集成在集成透镜中的接收透镜发送来自光纤的光信号，所述集成透镜具有用于接纳光纤的光纤适配器，且所述接收透镜位于光纤适配器的最内端；

利用接收透镜将光信号汇聚到集成透镜第一面中上腔室光学表面；

将光信号反射到集成透镜下腔室中的其他透镜，所述下腔室位于与第一面相反的集成透镜第二面；和

利用所述其他透镜将反射光信号汇聚到下腔室中的光探测器。

20.一种发射光信号的方法，包括：

发射来自集成透镜第一腔室中光发射器的光信号；

利用第一透镜将光信号汇聚到第一和第二光学表面，所述第一透镜集成在所述集成透镜中且延伸进入所述第一腔室，而所述第一和第二光学表面位于集成透镜一面中第二腔室与第一腔室的相对；

将来自第一光学表面的光信号反射至集成在集成透镜中的第二透镜，所述集成透镜设置有集成的光纤适配器，用于接纳光纤，而所述第二透镜则位于光纤适配器的最内端。

使用第二透镜汇聚所述反射光信号至光纤；

反射所述第二光学表面的部分所述光信号至所述第一腔室的子腔的第三光学表面，所述第三光学表面位于所述光纤适配器和所述第二光学表面与所述第一透镜中至少一者之间；

并接收在光电探测器上的反射部分光信号。