CN107209405A - 一种准直透镜以及包括其的光模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种准直透镜，包括前凸非球透镜、第一偏振片、法拉第旋转FR晶体、第二偏振片、后凸非球透镜；所述前凸非球透镜耦合到所述准直透镜的第一端面，所述后凸非球透镜耦合到所述准直透镜的第二端面；所述第一偏振片耦合到所述前凸非球透镜与所述FR晶体之间，所述第二偏振片耦合到所述FR晶体与所述后凸非球透镜之间。本发明实施例提供的光模块与现有技术一相比，由于准直透镜兼具准直透镜和隔离器的功能，所以可以将原先封装结构中的隔离器去掉，可以使用TO‑CAN封装来降低成本。另外，由于Etalon滤波器不需要倾斜一定的角度，因此，也没有现有技术二中的插损增大、滤波器半高宽加宽以及腔内反射造成的性能劣化问题。

Description

一种准直透镜以及光模块 技术领域
本发明涉及通信领域，尤其涉及一种准直透镜以及光模块。
背景技术
随着用户对带宽需求的不断增长，传统的铜线宽带接入系统越来越面临带宽瓶颈。与此同时，带宽容量巨大的光纤通信技术日益成熟，应用成本逐年下降，光纤接入网成为下一代宽带接入网的有力竞争者，其中尤其PON(Passive Optical Network，无源光网络)系统更具竞争力。图1示出了PON系统的一般网络结构，PON系统通常包括一个位于中心局的OLT(Optical Line Terminal，光线路终端)，一个用于分支/耦合或者复用/解复用的ODN(Optical Distribution Network，光分配网络)以及若干ONU(Optical Network Unit，光网络单元)。
在PON系统中，光模块作为收发系统的物理实现主体，是至关重要的器件。激光器作为信息载体、通信光波的发射装置，更是重中之重。在PON领域的许多应用场合，我们需要激光器的发射波长稳定在一定值，以确保符合光通信标准或满足物理传输上的技术指标。因此，在许多应用场景中，光模块中的激光器通常附带有半导体制冷器(Thermo electric Cooler，TEC)或加热膜片来调节激光器的波长，并需要利用一定的波长监控(或波长对准)光路来实现反馈调节，而基于光滤波器的激光锁波技术是目前最普遍也最高效的一项技术。
图2示出了激光器与滤波器波长对准示意图。基于光滤波器的激光锁波技术是利用滤波器对激光波长进行选模，由于滤波器针对不同波长的激光具有不同的透射率(或反射率)，因此当激光器波长漂移时，经过滤波器前后的光功率就会发生变化，由此可以监控激光波长的漂移。如图2所示，图2为典型的多通道梳状滤波曲线，W1、W2和W3为激光波长，A、B和C为其对应的滤波器滤波斜边位置。显然，对于激光器波长变动的最直接反映在于滤波器滤波斜边位置的改变，并由此产生激光透射率(或反射率)的变化。对于锁波而言，就是确保波长对应的滤波器位置位于滤波曲 线的峰值，即对应滤波器通透过滤最大的位置。
图3示出了现有技术一提供的一种基于普通锁波方式的TOSA(Transmitter Optical Subassembly，光发射次模块)封装结构，激光器(DFB)、准直透镜、隔离器、光滤波器(Etalon)和聚焦透镜连成一线。这里，由于干涉式Etalon需要准直光注入，因此必须在DFB和Etalon间加入准直透镜，同时为防止反射光进入DFB器件影响性能，在准直透镜和Etalon间加入隔离器，这样由Etalon部分反射的和回路反射的光都不会进入DFB。Etalon由于滤波选模的功能需要，反射功能是必须存在的，而光纤回路的反射也是同样无法避免的。这种方案为了抗反射影响，在气密室中加入了隔离器的这种直线平铺的光学结构的总体尺寸较大，直接导致TO封装无法实现，只能采用更加昂贵的XMD(X Mini Dimension，其中“X”是罗马数字的10)封装。
图4示出了现有技术二提供的一种基于滤波器倾角模式的TO光锁波方式。与现有技术一不同的是，该方案将隔离器从TOSA的气密室里提出，放置在外部，这样可以缩小气密部分的封装体积，使原先的XMD封装变为便宜的TO-Can(Transistor-Outline，同轴封装)封装。当然，这样做需要处理隔离器提出后带来的光反射问题。显然，光纤回路的反射仍然可以被放置在外面的隔离器消除，不过内部Etalon端面的反射依旧存在。该方案用于解决Etalon反射的办法是将Etalon入射面倾斜一定角度，使反射光偏移一定角度，避免其直射进入DFB产生影响，如图5所示。
采用现有技术二这种倾斜Etalon角度的方式来抗反射会付出一些无法避免的代价，主要有：
(1)Etalon是共振型器件，倾斜一定角度会造成峰值插损增加，如图5所示，4度角时已经有1.5dB的额外损耗。
(2)倾斜角度同样造成半高宽的展宽，4度角时已经劣化了20G，那么滤波效果极大降低。
由此，插损的增加会造成系统功率预算的下降，而半高宽的展宽直接导致信号光锁波精度下降，而通过提高Etalon前后端面反射率来压缩滤波曲线半高宽，则会带来更大峰值插损，因此这一弊端是无法避免的。
发明内容
本发明的实施例提供一种准直透镜以及光模块，用于解决现有技术存在的成本高、性能低的技术问题。
为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：
第一方面，一种准直透镜，包括：所述准直透镜包括前凸非球透镜、第一偏振片、法拉第旋转FR晶体、第二偏振片、后凸非球透镜；所述前凸非球透镜耦合到所述准直透镜的第一端面，所述后凸非球透镜耦合到所述准直透镜的第二端面；所述第一偏振片耦合到所述前凸非球透镜与所述FR晶体之间，所述第二偏振片耦合到所述FR晶体与所述后凸非球透镜之间。
结合第一方面，在第一方面的第一种可能的实现方式中，所述第一偏振片和第二偏振片的主光轴呈45度角。
结合第一方面或第一方面的第一种可能的实现方式，在第一方面的第二种可能的实现方式中，所述第一偏振片、第二偏振片的组成材料为方解石和树脂。
结合第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式，在第一方面的第三种可能的实现方式中，所述FR晶体的组成材料为钇铝石榴石YIG。
结合第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式，在第一方面的第四种可能的实现方式中，所述前凸非球透镜、后凸非球透镜的组成材料为玻璃。
结合第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式，在第一方面的第五种可能的实现方式中，所述前凸非球透镜的厚度为0.2毫米，曲率半径为6.2毫米。
结合第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式，在第一方面的第六种可能的实现方式中，所述第一偏振片的厚度为0.5毫米。
结合第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式，在第一方面的第七种可能的实现方式中，所述第二偏振片的厚度为0.5毫米。
结合第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式，在第一方面的 第八种可能的实现方式中，所述后凸非球透镜的厚度为0.7毫米，曲率半径为5.9毫米。
第二方面提供一种光模块，所述光模块包括激光器、准直透镜、滤波器、聚焦透镜，其中，所述激光器、准直透镜、滤波器、聚焦透镜依次耦合到所述光模块中，且中心点位于同一水平线，其中，所述准直透镜如第一方面或第一方面的任意一种可能的实现方式所述的准直透镜。
本发明实施例提供的准直透镜、光模块实现了低成本单TO的小型化封装，既降低了成本又保证了性能。
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他的附图。
图1为激光器与滤波器波长对准示意图；
图2为基于普通锁波方式的TOSA封装结构示意图；
图3为基于滤波器倾角模式的TO光锁波结构示意图；
图4为滤波器倾角变化引起的滤波性能劣化示意图；
图5为普通双凸非球准直透镜的结构示意图；
图6为本发明实施例提供的一种准直透镜结构示意图；
图7为本发明实施例提供的一种准直透镜的制备方法示意图；
图8为本发明实施例提供的一种光模块的结构示意图。
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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如前所述，利用光滤波器来实现激光波长对准的技术中，较多的光器 件使封装大多采用XMD形式，成本较高。而诸如将滤波器倾斜一定角度而将隔离器移出气密室的做法，虽然可以使XMD封装简化为TO-Can封装，但是带来链路功率预算、锁波精度的劣化问题。
本发明针对以上问题，提出了既可以实现低成本单TO的小型化封装，又能保证性能的技术方案。具体方案如下：
本发明实施例提供一种能够隔离光的准直透镜。如图6所示，所述准直透镜包括：前凸非球透镜、第一偏振片、FR(Faraday rotation，法拉第旋转)晶体、第二偏振片、后凸非球透镜，其中，所述第一偏振片耦合到所述前凸非球透镜与所述FR晶体之间，所述第二偏振片耦合到所述FR晶体与所述后凸非球透镜之间。
其中，所述第一偏振片和第二偏振片的主光轴呈45度角。
在本发明实施例中，可选地，所述前凸非球透镜、后凸非球透镜的组成材料为玻璃。
在本发明实施例中，可选地，所述FR晶体的组成材料为钇铝石榴石(YIG)。
在本发明实施例中，可选地，所述第一偏振片、第二偏振片的组成材料为方解石和树脂。
需要说明的是，本发明实施例提供的准直透镜，相对于传统的统一材质的纯准直透镜而言，将引入不同折射率匹配的问题，必须通过结构、尺寸、厚度设计来确保准直功能。本领域普通技术人员清楚，该结构、尺寸、厚度的设计一般通过模拟仿真软件实现。比如ZMAX软件。
本发明实施例将通过ZMAX仿真软件来设计准直透镜各个组件的尺寸。比如，FR的折射率为1.8～2.5，取2进行仿真；偏振片的材料为方解石和树脂，通常地，方解石含量高一些，取折射率1.6583进行仿真；前后凸非球透镜材质为玻璃，取1.5进行仿真；由于FR晶体需要实现45度偏振旋转，长度尺寸取为固定的450微米，通过ZMAX软件仿真，获得本发明实施例提供的一种尺寸，如下：
在一种优选的实施方式中，前凸非球透镜的厚度为0.2毫米，曲率半径为6.2毫米。
在一种优选的实施方式中，所述第一偏振片的厚度为0.5毫米。
在一种优选的实施方式中，所述第二偏振片的厚度为0.5毫米。
在一种优选的实施方式中，所述后凸非球透镜的厚度为0.7毫米，曲率半径为5.9毫米。
本领域普通技术人员应当清楚，上述的取值只是一个具体的实施例，普通技术人员还可以根据不同的取值，获得不同的尺寸。应清楚，这些不同的尺寸、厚度也应受到本发明的保护，本发明实施对尺寸不做任何限制。
图7示出了一种准直透镜的制造方法，所述制造方法包括：
步骤701：将FR晶片抛光后在其两个端面分别键合上第一偏振片和第二偏振片，其中，两片偏振片的主光轴角度偏差45度。
优选地，在所述两片偏振片外部键合上前凸非球透镜和后凸非球透镜，其中，这两个球镜的尺寸应该满足光学准直功能。
优选地，所述前凸非球镜和后凸非球镜采取集成微透镜光刻工艺来制造。
步骤702：将前凸非球透镜和后凸非球透镜的阵列晶圆键合到第一和第二偏振片上。
优选地，将晶圆切割成多个小片，以实现规模化低成本生产。
图8示出了本发明实施例提供的一种光模块TOSA，所述光模块包括：激光器、准直透镜、光滤波器Etalon、聚焦透镜，其中，所述激光器、准直透镜、Etalon、聚焦透镜依次耦合到光模块内，且上述器件的中心点位于同一水平线。所述的准直透镜即为本发明实施例提供的如图6所示的准直透镜。本发明实施例提供的光模块与现有技术一相比，由于准直透镜兼具准直透镜和隔离器的功能，所以可以将原先封装结构中的隔离器去掉，可以使用TO-CAN封装来降低成本。另外，由于Etalon滤波器不需要倾斜一定的角度，因此，也没有现有技术二中的插损增大、滤波器半高宽加宽以及腔内反射造成的性能劣化问题。
综上所述，本发明实施例提供的准直透镜兼具准直镜和隔离器的功能，因此，可以省掉现有技术中的隔离器，可以实现结构紧凑的TO封装，在减少器件的同时还降低了封装成本。另外，Etalon滤波器可以垂直光轴 摆放，其各性能参数比如插损、半高宽不受影响，且不存在TO-Can内腔镜的反射。最后，本发明实施例提供的准直透镜制作工艺适合批量生产，降低器件的生产成本。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

  1. 一种准直透镜，其特征在于，包括：
    所述准直透镜包括前凸非球透镜、第一偏振片、法拉第旋转FR晶体、第二偏振片、后凸非球透镜；
    所述前凸非球透镜耦合到所述准直透镜的第一端面，所述后凸非球透镜耦合到所述准直透镜的第二端面；
    所述第一偏振片耦合到所述前凸非球透镜与所述FR晶体之间，所述第二偏振片耦合到所述FR晶体与所述后凸非球透镜之间。
  2. 根据权利要求1所述的准直透镜，其特征在于，所述第一偏振片和第二偏振片的主光轴呈45度角。
  3. 根据权利要求1或2所述的准直透镜，其特征在于，所述第一偏振片、第二偏振片的组成材料为方解石和树脂。
  4. 根据权利要求1～3任意一项所述的准直透镜，其特征在于，所述FR晶体的组成材料为钇铝石榴石YIG。
  5. 根据权利要求1～4任意一项所述的准直透镜，其特征在于，所述前凸非球透镜、后凸非球透镜的组成材料为玻璃。
  6. 根据权利要求1～5任意一项所述的准直透镜，其特征在于，所述前凸非球透镜的厚度为0.2毫米，曲率半径为6.2毫米。
  7. 根据权利要求1～6任意一项所述的准直透镜，其特征在于，所述第一偏振片的厚度为0.5毫米。
  8. 根据权利要求1～7任意一项所述的准直透镜，其特征在于，所述第二偏振片的厚度为0.5毫米。
  9. 根据权利要求1～8任意一项所述的准直透镜，其特征在于，所述后凸非球透镜的厚度为0.7毫米，曲率半径为5.9毫米。
  10. 一种光模块，其特征在于，所述光模块包括激光器、准直透镜、滤波器、聚焦透镜，其中，所述激光器、准直透镜、滤波器、聚焦透镜依 次耦合到所述光模块中，且中心点位于同一水平线，其中，所述准直透镜如权利要求1～9任意一项所述的准直透镜。
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