CN109521519A - 一种阵列波导光栅的封装装置和光学系统 - Google Patents

一种阵列波导光栅的封装装置和光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种阵列波导光栅的封装装置，所述封装装置包括设置有容置腔的透镜基体；所述容置腔用于容置阵列波导光栅；所述透镜基体还设置有连通所述容置腔和所述透镜基体外部的第一开口，以及设置在所述第一开口、用于对接收的容置在所述容置腔内的阵列波导光栅出射的第一发散光进行会聚、输出会聚光束的光学模组；所述透镜基体和所述光学模组一体成型。

Description

一种阵列波导光栅的封装装置和光学系统
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，具体涉及一种阵列波导光栅的封装装置和光学系统。
背景技术
为提升光纤的通信容量，使光纤的带宽资源能得到充分的利用，阵列波导光栅(AWG，Arrayed Waveguide Grating)因其具有能实现光通信网中多波长信道的互联、交换、回路的技术优势，和批量生产的工艺成熟度，作为波分复用(WDM，Wavelength DivisionMultiplex)系统中最核心的光器件，在光通信行业被越来越多的光模块制造商青睐。
图1为阵列波导光栅的示意图；结合图1所示，由于AWG 1的光波导输出为高斯发散光，在自由空间中发散很快，且垂直传播方向的横截面上XY两个方向的光斑尺寸也不一样，因此在实际应用中，AWG与激光器芯片或光电探测器的光耦合过程中，会发生耦合效率低、耦合容差小的问题。
一种解决方式是AWG与贴装在印刷电路板(PCBA，Printed Circuit Board+Assembly)上的激光器芯片或光电探测器直接耦合，但因AWG出射的高斯发散光束在空气中迅速发散导致光路的传播方向耦合十分困难，因此需要控制AWG与PCBA上的激光器芯片或光电探测器的距离非常近，通常需要控制在微米级别；由于AWG的前端有45度反射面，在实际耦合过程中非常容易发生AWG前端的45度反射面刮伤激光器芯片或光电探测器的表面从而造成不可逆转的物料损坏的问题，降低产品良率；另外这种方式耦合容差小，可靠性差，如温度变化等因素以及各元件热膨胀系数不同，导致光路发生位移，因此在不同的环境下极易导致产品不良。
另一种解决方式是在AWG与贴装在PCBA上的激光器芯片或光电探测器的耦合光路中，加入透镜以提升耦合效率和耦合容差，透镜通过胶水粘在承载支架上，承载支架通过胶水粘在PCBA上，AWG经过承载支架承载的透镜与PCBA上的激光器芯片或光电探测器进行光路的耦合，这种方式的缺点是：工艺过程复杂，粘接面太多，可靠性低，且体积大，不利于光器件的小型化封装。
发明内容
为解决现有存在的技术问题，本发明实施例提供一种阵列波导光栅的封装装置和光学系统。
为达到上述目的，本发明实施例的技术方案是这样实现的：
本发明实施例提供了一种阵列波导光栅的封装装置，所述封装装置包括阵列波导光栅设置有容置腔的透镜基体；所述容置腔用于容置阵列波导光栅；
所述透镜基体还设置有连通所述容置腔和所述透镜基体外部的第一开口，以及设置在所述第一开口处、用于对接收的容置在所述容置腔内的阵列波导光栅出射的第一发散光进行会聚、输出会聚光束的光学模组；所述透镜基体和所述光学模组一体成型。
上述方案中，所述容置腔的第一表面设置有用于对所述容置腔内容置的阵列波导光栅进行装配限位的限位台阶。
上述方案中，所述透镜模组为柱面透镜；所述柱面透镜用于接收容置在所述容置腔内的阵列波导光栅出射的发散椭圆光、将所述发散椭圆光整形为圆形光，输出所述圆形光；
所述柱面透镜的光轴平行于所述阵列波导光栅的出射光光轴。
上述方案中，所述光学模组为透镜阵列；所述透镜阵列用于接收容置在所述容置腔内的阵列波导光栅出射的发散椭圆光，对所述发散椭圆光进行会聚，输出会聚后的椭圆光；
所述透镜阵列包括多个透镜；每个透镜的光轴平行于所述阵列波导光栅的出射光光轴。
上述方案中，所述透镜模组包括：柱面透镜和透镜阵列；所述透镜阵列包括多个透镜；
所述柱面透镜，用于接收容置在所述容置腔内的阵列波导光栅出射的发散椭圆光，将所述发散椭圆光整形为圆形光，输出所述圆形光；
所述透镜阵列，用于对所述柱面透镜输出的所述圆形光进行会聚，输出会聚后的圆形光；
所述柱面透镜的光轴、每个透镜的光轴和所述阵列波导光栅的出射光光轴均互相平行。
上述方案中，所述柱面透镜的中心点与所述第一开口的第一开口面之间的距离与所述柱面透镜的焦距相关；
所述第一开口面为所述透镜基体的外表面在所述第一开口处的延伸面。
上述方案中，所述透镜阵列中每个透镜的中心点与所述第一开口的第一开口面之间的距离与所述透镜的焦距相关；
所述第一开口面为所述透镜基体的外表面在所述第一开口处的延伸面。
上述方案中，所述柱面透镜的中心点与所述透镜阵列的中心点之间的距离与所述柱面透镜的焦距相关；
所述透镜阵列中每个透镜的中心点与所述第一开口的第一开口面之间的距离与所述透镜的焦距相关；
所述第一开口面为所述透镜基体的外表面在所述第一开口处的延伸面。
上述方案中，所述光学模组，还用于接收第二发散光，对所述第二发散光进行会聚，输出会聚光束至所述阵列波导光栅。
本发明实施例还提供了一种光学系统，所述光学系统包括本发明实施例所述的阵列波导光栅的封装装置和光电探测器；
所述光电探测器，用于接收所述封装装置的光学模组输出的会聚光束。
上述方案中，所述光学系统还包括激光器芯片，用于发出第二发散光；所述第二发散光被所述封装装置的光学模组接收并会聚，使所述封装装置中的阵列波导光栅接收到所述光学模组的会聚光束。
本发明实施例提供的阵列波导光栅的封装装置和光学系统，所述封装装置包括设置有容置腔的透镜基体；所述容置腔用于容置阵列波导光栅；所述透镜基体还设置有连通所述容置腔和所述透镜基体外部的第一开口，以及设置在所述第一开口处、用于对接收的容置在所述容置腔内的阵列波导光栅出射的第一发散光进行会聚、输出会聚光束的光学模组；所述透镜基体和所述光学模组一体成型。采用本发明实施例的技术方案，通过一体成型的透镜基体和光学模组，无需粘接，一体成型工艺简单，大大提升了光器件的可靠性，有效的降低了封装成本；且相比于粘接的封装方式可大大缩小装置的体积，有利于光器件的小型化发展。
附图说明
图1为阵列波导光栅的示意图；
图2a和图2b分别为本发明实施例的阵列波导光栅的封装装置的一种结构示意图；
图3为本发明实施例的阵列波导光栅的封装装置的应用示意图；
图4为本发明实施例的阵列波导光栅的封装装置的另一种结构示意图；
图5a和图5b为本发明实施例的阵列波导光栅的封装装置的又一种结构示意图；
图6a至图6c为采用本发明实施例的阵列波导光栅的封装装置和现有的封装装置的融合容差曲线对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
本发明实施例提供了一种阵列波导光栅的封装装置。图2a和图2b分别为本发明实施例的阵列波导光栅的封装装置的一种结构示意图；结合图2a和图2b所示，所述封装装置包括阵列波导光栅1设置有容置腔8的透镜基体2；所述容置腔8用于容置阵列波导光栅1；
所述透镜基体2还设置有连通所述容置腔8和所述透镜基体2外部的第一开口11，以及设置在所述第一开口11处、用于对接收的容置在所述容置腔8内的阵列波导光栅1出射的第一发散光进行会聚、输出会聚光束的光学模组；所述透镜基体2和所述光学模组一体成型。
本发明实施例中，透镜基体2设置有容置腔8，容置腔8的容置空间能够放置阵列波导光栅1，即透镜基体2起到保护阵列波导光栅1的作用，可以理解，容置腔8的形状可依据阵列波导光栅1的轮廓形状进行设置。另外，当阵列波导光栅1容置于容置腔8内时，容置腔8的内壁与阵列波导光栅1之间具有一定距离，以防止容置腔8的内壁刮伤阵列波导光栅1的45度反射面，具体可参照图3所示。
由此，可选地，所述容置腔8的第一表面13设置有用于对所述容置腔8内容置的阵列波导光栅1进行装配限位的限位台阶4。如图1所示，由于阵列波导光栅1的出光面其自身具有的特定结构10，使得当阵列波导光栅1装配在本实施例的封装装置中时，该特定结构10会紧贴限位台阶4，使得阵列波导光栅1固定于该限位台阶4对应的位置。
其中，所述透镜基体2还设置有用于装配阵列波导光栅1的第二开口12；以便于阵列波导光栅1可通过第二开口12装配在透镜基体2的容置腔8内。所述容置腔8内与所述第二开口12相对的内表面称为第二表面14；则所述限位台阶4与所述第二表面14之间的距离L与所述阵列波导光栅1的出光部件的长度相关，例如所述限位台阶4与所述第二表面14之间的距离大于所述阵列波导光栅1的出光部件的长度，以便于阵列波导光栅1装配在透镜基体2的容置腔8内时，通过限位台阶4限制阵列波导光栅1的位置，避免容置腔8的内壁刮伤阵列波导光栅1的45度反射面。
本实施例中，所述光学模组可采用注塑方式一体成型工艺，所述光学模组和透镜基体2采用一体成型工艺。
在本发明的一种可选实施例中，所述光学模组为透镜阵列；所述透镜阵列用于接收容置在所述容置腔8内的阵列波导光栅1出射的发散椭圆光，对所述发散椭圆光进行会聚，输出会聚后的椭圆光；其中，所述透镜阵列包括多个透镜；每个透镜的光轴平行于所述阵列波导光栅1的出射光光轴。
本实施例具体可参照图2a、图2b和图3所示；其中，透镜阵列3包括的透镜数量与阵列波导光栅1的输出通道的数量相关。其中，阵列波导光栅1的输出通道的数量可以是4、8、16或32等等，则透镜阵列3包括的透镜数量可以是4、8、16或32等等；图中仅以四个透镜为例进行说明，但本发明实施例中的透镜数量不限于是四个。
其中，透镜的作用在于对接收到的光进行会聚；则阵列波导光栅1发出发散椭圆光；透镜接收到发散椭圆光，对该发散椭圆光进行会聚，获得会聚后的椭圆光。可以理解，透镜将接收到的大椭圆光会聚为小椭圆光，从而使得输出的光斑尺寸减小，能够满足作为接收端的光电探测器的光斑尺寸需求，提升耦合效率和耦合容差。
其中，可选地，所述透镜阵列3中每个透镜的中心点与所述第一开口的第一开口面15之间的距离与所述透镜的焦距相关；所述第一开口面15为所述透镜基体2的外表面在所述第一开口处的延伸面。
在本发明的一种可选实施例中，所述透镜模组为柱面透镜；所述柱面透镜用于接收容置在所述容置腔8内的阵列波导光栅1出射的发散椭圆光、将所述发散椭圆光整形为圆形光，输出所述圆形光；其中，所述柱面透镜的光轴平行于所述阵列波导光栅1的出射光光轴。
本实施例具体可参照图4所示；本实施例中，第一开口处设置的光学模组为柱面透镜5；所述柱面透镜5的作用在于对接收到的发散椭圆光的长轴方向进行会聚，而对发散椭圆光的短轴方向不作任何改变，从而获得会聚的圆形光。基于此，本实施例中柱面透镜5可采用具有上述功能的任一中透镜类型，例如平凸柱面透镜5等等。本实施方式通过一个柱面透镜5对阵列波导光栅1的出射光进行会聚，相比于透镜阵列的方式，简化了开模工艺，降低了成本；另外通过柱面透镜5将接收的发散椭圆光整形为圆形光，也提升了耦合效率和耦合容差。
其中，可选地，所述柱面透镜5的中心点与所述第一开口11的第一开口面15之间的距离与所述柱面透镜5的焦距相关；参照图2b所示，所述第一开口面15为所述透镜基体2的外表面在所述第一开口11处的延伸面。
在本发明的一种可选实施例中，所述透镜模组包括：柱面透镜和透镜阵列；所述透镜阵列包括多个透镜；
所述柱面透镜，用于接收容置在所述容置腔8内的阵列波导光栅1出射的发散椭圆光，将所述发散椭圆光整形为圆形光，输出所述圆形光；
所述透镜阵列，用于对所述柱面透镜输出的所述圆形光进行会聚，输出会聚后的圆形光；
所述柱面透镜的光轴、每个透镜的光轴和所述阵列波导光栅1的出射光光轴均互相平行。
本实施例结合了前述两种实施方式，具体可参照图5a和图5b所示，第一开口11处设置的光学模组为柱面透镜6和透镜阵列7；阵列波导光栅1出射的发散椭圆光先经过柱面透镜6，柱面透镜6输出的圆形光再经过透镜阵列7的透镜。其中，所述柱面透镜6的作用在于对接收到的发散椭圆光的长轴方向进行会聚，而对发散椭圆光的短轴方向不作任何改变，从而获得会聚的圆形光；透镜的作用在于对接收到的光进行会聚，从而将接收到的圆形光会聚为更小的圆形光。相比于前述两种实施方式，本实施方式适用于更高规格要求的耦合光路，提升耦合效率和耦合容差。
其中，可选地，所述柱面透镜6的中心点与所述透镜阵列7的中心点之间的距离与所述柱面透镜6的焦距相关；所述透镜阵列7中每个透镜的中心点与所述第一开口11的第一开口面之间的距离与所述透镜的焦距相关；参照图2b所示，所述第一开口面15为所述透镜基体2的外表面在所述第一开口11处的延伸面。
以上实施例均为阵列波导光栅1作为分波元件，即阵列波导光栅1出射至少一路发散光、经光学模组的会聚后输出会聚光束。在其他实施方式中，阵列波导光栅1还可作为合光元件，即阵列波导光栅1接收经光学模组的会聚处理后的会聚光束。即所述光学模组，还用于接收第二发散光，对所述第二发散光进行会聚，输出会聚光束至所述阵列波导光栅1。
其中，所述光学模组的中心点与所述阵列波导光栅1之间的距离与所述光学模组的焦距相关，以便于阵列波导光栅1较好的接收会聚后的所述第二发散光
本实施例中，所述光学模组可以是透镜阵列，或者柱面透镜，或者透镜阵列和柱面透镜的组合，具体的实现方式可参照前述实施例以及图2a、图2b、图3、图4、图5a和图5b所示，其光的传输过程为前述实施例中光传输的逆过程，这里不再赘述。
本发明实施例还提供了一种光学系统，所述光学系统包括本发明上述实施例所述的阵列波导光栅的封装装置和光电探测器；所述光电探测器，用于接收所述封装装置的光学模组输出的会聚光束。
本实施例中，所述光电探测器的光接收组件(例如光敏面)接收所述封装装置的光学模组输出的会聚光束。实际应用中可将封装装置的透镜基体2的外表面与光电探测器所在的PCBA进行粘接，使得光电探测器的光接收组件(例如光敏面)对应于光学模组的光轴，以便于光电探测器的光接收组件(例如光敏面)对光学模组输出的光进行接收。
在本发明的第一种可选实施例中，所述封装装置的光学模组为透镜阵列时，如图2a、图2b和图3所示，透镜阵列3中的每个透镜的中心点与所述第一开口11的第一开口面15之间的距离与所述透镜的焦距相关，使得当阵列波导光栅1的封装装置与PCBA上的光电探测器耦合时，即透镜基体2粘贴在PCBA上使得透镜输出的会聚后的椭圆光射入光电探测器的光敏面上时，光电探测器能够基于透镜的焦距接收会聚后的椭圆光。
在本发明的第二种可选实施例中，所述封装装置的光学模组为柱面透镜时，如图4所示，所述柱面透镜5的中心点与所述第一开口的第一开口面之间的距离与所述柱面透镜5的焦距相关，使得当阵列波导光栅1的封装装置与PCBA上的光电探测器耦合时，即透镜基体2粘贴在PCBA上使得柱面透镜5输出的圆形光射入光电探测器的光敏面上时，光电探测器能够基于柱面透镜5的焦距接收圆形光。
在本发明的第三种可选实施例中，所述封装装置的光学模组为柱面透镜和透镜模组时，如图5a和图5b所示，所述柱面透镜6的中心点与所述透镜阵列7的中心点之间的距离与所述柱面透镜6的焦距相关，所述透镜阵列7中的每个透镜的中心点与所述第一开口的第一开口面之间的距离与所述透镜的焦距相关，使得当阵列波导光栅1的封装装置与PCBA上的光电探测器耦合时，即透镜基体2粘贴在PCBA上使得透镜输出的会聚后的椭圆光射入光电探测器的光敏面上时，光电探测器能够基于透镜的焦距接收圆形光。
在本发明的一种可选实施例中，所述光学系统还包括激光器芯片，用于发出第二发散光；所述第二发散光被所述封装装置的光学模组接收并会聚，使所述封装装置中的阵列波导光栅接收到所述光学模组会聚后的会聚光束。
本实施例中，所述激光器芯片出射第二发散光，使得所述封装装置的光学模组接收到所述第二发散光。实际应用中可将封装装置的透镜基体2的外表面与激光器芯片所在的PCBA进行粘接，使得激光器芯片的光出射组件对应于光学模组的光轴，以便于光学模组对激光器芯片出射的第二发散光进行接收，再对第二发散光进行会聚后输出至阵列波导光栅1。
本实施例中，所述光学模组可以是透镜阵列，或者柱面透镜，或者透镜阵列和柱面透镜的组合，具体的实现方式可参照前述实施例所示，其光的传输过程为前述实施例中光传输的逆过程，这里不再赘述。
采用本发明实施例的封装方案，假设AWG波导出光的模场直径为8*16μm，透镜阵列中的每个透镜为球透镜，光电探测器的光敏面直径为20μm，沿着光路方向为Z轴，垂直光路方向为X轴和Y轴。
图6a至图6c为采用本发明实施例的阵列波导光栅的封装装置和现有的封装装置的融合容差曲线对比示意图。假设不加透镜方案的耦合过程中，AWG距离光电探测器位置可以小到几个μm(耦合至极限位置)，假设AWG没有刮伤光电探测器的光敏面，光学理论仿真计算的加集成透镜和不加集成透镜的耦合容差曲线分别如图6a至图6c所示；其中，图6a为Z轴的耦合容差曲线，图6b为X轴耦合容差曲线，图6c为Y轴耦合容差曲线；图中的实线表示采用本发明实施例的封装装置的耦合容差曲线；图中的虚线表示采用现有的不加透镜的封装方式(即直接耦合方式)的耦合容差曲线。可以看出，Z轴、X轴和Y轴的耦合容差都有提升，尤其是Z轴，提升了2倍以上。
采用本发明实施例的技术方案，通过一体成型的透镜基体和光学模组，集成了透镜阵列、透镜支架和保护罩功能，一体成型，工艺简单，大大简化了制作工艺，在很大程度上也简化了对原材料的来料管控，有效的降低了封装成本；并且省去了透镜阵列与透镜支架之间、透镜支架与PCBA之间、保护罩与阵列波导光栅之间的粘接，大大提升了光器件的可靠性；且相比于粘接的封装方式可大大缩小装置的体积，有利于光器件的小型化发展。
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以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种阵列波导光栅的封装装置，其特征在于，所述封装装置包括阵列波导光栅设置有容置腔的透镜基体；所述容置腔用于容置阵列波导光栅；
所述透镜基体还设置有连通所述容置腔和所述透镜基体外部的第一开口，以及设置在所述第一开口处、用于对接收的容置在所述容置腔内的阵列波导光栅出射的第一发散光进行会聚、输出会聚光束的光学模组；所述透镜基体和所述光学模组一体成型。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述容置腔的第一表面设置有用于对所述容置腔内容置的阵列波导光栅进行装配限位的限位台阶。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透镜模组为柱面透镜；所述柱面透镜用于接收容置在所述容置腔内的阵列波导光栅出射的发散椭圆光、将所述发散椭圆光整形为圆形光，输出所述圆形光；
所述柱面透镜的光轴平行于所述阵列波导光栅的出射光光轴。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光学模组为透镜阵列；所述透镜阵列用于接收容置在所述容置腔内的阵列波导光栅出射的发散椭圆光，对所述发散椭圆光进行会聚，输出会聚后的椭圆光；
所述透镜阵列包括多个透镜；每个透镜的光轴平行于所述阵列波导光栅的出射光光轴。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述透镜模组包括：柱面透镜和透镜阵列；所述透镜阵列包括多个透镜；
所述柱面透镜，用于接收容置在所述容置腔内的阵列波导光栅出射的发散椭圆光，将所述发散椭圆光整形为圆形光，输出所述圆形光；
所述透镜阵列，用于对所述柱面透镜输出的所述圆形光进行会聚，输出会聚后的圆形光；
所述柱面透镜的光轴、每个透镜的光轴和所述阵列波导光栅的出射光光轴均互相平行。
6.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述柱面透镜的中心点与所述第一开口的第一开口面之间的距离与所述柱面透镜的焦距相关；
所述第一开口面为所述透镜基体的外表面在所述第一开口处的延伸面。
7.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述透镜阵列中每个透镜的中心点与所述第一开口的第一开口面之间的距离与所述透镜的焦距相关；
所述第一开口面为所述透镜基体的外表面在所述第一开口处的延伸面。
8.根据权利要求1至7任一项所述的装置，其特征在于，所述光学模组，还用于接收第二发散光，对所述第二发散光进行会聚，输出会聚光束至所述阵列波导光栅。
9.一种光学系统，其特征在于，所述光学系统包括权利要求1至8任一项所述的阵列波导光栅的封装装置和光电探测器；
所述光电探测器，用于接收所述封装装置的光学模组输出的会聚光束。
10.根据权利要求9所述的光学系统，其特征在于，所述光学系统还包括激光器芯片，用于发出第二发散光；所述第二发散光被所述封装装置的光学模组接收并会聚，使所述封装装置中的阵列波导光栅接收到所述光学模组的会聚光束。
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