CN110007410A - 基于pcb硬板和软板的并行光模块光路结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于PCB硬板和软板的并行光模块光路结构，包括PCB板、激光器、圆柱透镜和光纤，所述PCB板包括PCB硬板和PCB软板，多个所述PCB硬板之间通过所述PCB软板电性连接，所述激光器安装在其中一个所述PCB硬板上，所述圆柱透镜安装于所述激光器与所述光纤之间。本发明将多个PCB硬板通过PCB软板连接，既便于设置若干复杂电路，又便于将激光器以COB方式封装在PCB硬板上，还可以尽量节省空间，实现模块小型化封装并降低封装难度；采用圆柱透镜替换传统的微透镜阵列，简化了光路，提高了耦合效率并降低了封装成本。

Description

基于PCB硬板和软板的并行光模块光路结构
技术领域
本发明涉及一种并行光模块光路结构，尤其涉及一种基于PCB硬板和软板的并行光模块光路结构。
背景技术
并行光传输模块即并行光模块作为高速光互联、智能光网络最为核心的器件，集合了高速光调制技术、光器件耦合及封装等多种高新技术于一体，已成为各大公司研究开发的热点与设备商青睐的对象。并行光模块采用一种特殊的光通信技术，在链路两端发射并接收信号，所以也被称为并行光收发器。在传统光模块不能满足高速传输(如40G光传输)的情况下，并行光模块的并行光通信技术为解决40/100G光传输提供了有效而又节约成本的方案。
光路设计作为光模块整体的一个重要环节，其关键是将激光器发出的光束有效耦合进光纤，这也是高速短距离数据通信应用中的关键技术之一。
工程上，QSFP+光模块的光路部分采用的是多通道并行传输设计，垂直腔表面发射激光器阵列作为激光源发射信号，光纤端面同激光束成90。。光纤的透镜阵列是在一条直线上等距离分布的，需要将每个透镜都与光电芯片进行髙精度的对准，实现光路的高效传输，同时为了满足模块小型化的要求，务必使得在光纤中传输的光束水平于电路板，因此设计使得光束发生90°偏转的光耦合结构十分重要。
目前，传统并行光模块光路结构及其缺陷如下：
1、将激光器发射出的光通过微透镜会聚，直接耦合至光纤；这种结构的组装工艺虽然较简单，但增加了光收发模块的高度，不符合光模块小型化封装的发展趋势，不利于集成化，且光纤装配时需要弯曲，增加了信号的损耗。
2、光路部分采用配有45°反射面的微透镜阵列实现光路90°转角，微透镜阵列配有引导柱与光纤阵列对准；这种结构多采用微透镜阵列与45°镜面结合，阵列器件繁多，光路十分复杂，不利于封装，成本较高，而且增加了模块装配难度及成本，不利于现实生产。
3、采用柔性的PCB板即PCB软板使电路弯折90°，便于光信号耦合进光纤；这种结构在弯折的电路板上贴装激光器芯片使出射光与光纤耦合，不利于模块散热，且在PCB软板上封装芯片的难度和成本极高。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种基于PCB硬板和软板的并行光模块光路结构。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种基于PCB硬板和软板的并行光模块光路结构，包括PCB板、激光器和光纤，还包括圆柱透镜，所述PCB板包括PCB硬板和PCB软板，多个所述PCB硬板之间通过所述PCB软板电性连接，所述激光器安装在其中一个所述PCB硬板上，所述圆柱透镜安装于所述激光器与所述光纤之间。
PCB硬板即硬质PCB板，PCB软板即软质PCB板，PCB硬板和PCB软板上均设有复杂电路，将多个PCB硬板通过PCB软板连接，一方面可以设置若干复杂电路，满足使用需求，另一方面便于将激光器以COB(板上芯片封装)方式封装在PCB硬板上，再者可以改变PCB硬板之间的放置位置和角度，尽量节省空间，实现模块小型化封装并降低封装难度；采用圆柱透镜替换传统的微透镜阵列，能提高耦合效率并降低成本。
作为优选，所述PCB硬板为两个，所述PCB软板为一个。
作为优选，所述圆柱透镜由去掉包层的多模光纤纤芯制作，所述多模光纤纤芯的折射率为1.48、数值孔径为0.2、半径为50mm。
作为进一步优选，所述圆柱透镜的焦距f为0.077mm，所述圆柱透镜与所述激光器之间的距离为0.077mm。
本发明的有益效果在于：
本发明将多个PCB硬板通过PCB软板连接，既便于设置若干复杂电路，又便于将激光器以COB方式封装在PCB硬板上，还可以尽量节省空间，实现模块小型化封装并降低封装难度；采用圆柱透镜替换传统的微透镜阵列，简化了光路，提高了耦合效率并降低了封装成本；采用由去掉包层的多模光纤纤芯制作的圆柱透镜，并优选圆柱透镜的焦距以及圆柱透镜与激光器之间的距离，压缩光的垂直发散角，使出射光束易于和光纤耦合，减少了光信号入纤前的损耗，保证了耦合效率，实现了高效耦合，仿真耦合效率可达到81％，同时使出射光束在传输相同距离后的串扰现象得到很好改善，光束在传输中彼此独立，互不干扰，一定程度上减少了光串扰现象。
附图说明
图1是本发明所述基于PCB硬板和软板的并行光模块光路结构的主视结构示意图；
图2是本发明所述圆柱透镜的光束整形效果图；
图3是本发明所述光纤端面接收光功率的显示示意图；
图4是本发明所述并行光模块光路结构的耦合效率与激光器的轴向误差之间的关系示意图；
图5是本发明所述并行光模块光路结构的耦合效率与激光器的间隙误差之间的关系示意图；
图6是本发明所述并行光模块光路结构的耦合效率与激光器的轴向角度误差之间的关系示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
如图1所示，本发明所述基于PCB硬板和软板的并行光模块光路结构，包括PCB硬板1、PCB软板2、激光器3、圆柱透镜4和光纤5，两个PCB硬板1之间通过一个PCB软板2电性连接，激光器3安装在其中一个PCB硬板1上，圆柱透镜4安装于激光器3与光纤5之间，圆柱透镜4由去掉包层的多模光纤纤芯制作，所述多模光纤纤芯的折射率为1.48、数值孔径为0.2、半径为50mm，圆柱透镜的焦距f为0.077mm，所述圆柱透镜与所述激光器之间的距离为0.077mm。上述并行光模块光路结构尤其适用于40Gbit/s QSFP+(四通道小型可插拔)并行光模块。
下面以实际应用和仿真验证为例，对本发明所述基于PCB硬板和软板的并行光模块光路结构的优选应用进行具体说明。
在工程应用中，一般将1×4/1×12的激光器3(本例采用VCSEL，即垂直腔面发射激光器)直接封装在PCB硬板1上，本发明在1×4的激光器3的阵列中，每两个激光器3之间的中心间距为250μm。通过Zemax(Zemax是美国Radiant Zemax公司所发展出的光学设计软件，可做光学组件设计与照明系统的照度分析，也可建立反射，折射，绕射等光学模型，并结合优化，公差等分析功能，是套可以运算sequential及Non-Sequential的软件)设计圆柱透镜4对激光器3出射光束进行准直，得到如图2所示效果，从该图中可以看出经过圆柱透镜4后的光束聚焦效果好，满足光纤5的耦合条件。
根据近轴相似原理，圆柱透镜4的焦距可表示为代入数据可得圆柱透镜4的焦距f为0.077mm。移动圆柱透镜4的的位置，当其与激光器3之间的间距L达到最佳时，耦合效率最高。在Zemax中建模，对其进行优化，当圆柱透镜4与激光器3之间的间距L等于透镜焦距即0.077mm时效果最佳。如图3所示，通过查看光纤5的端面探测器可得到其端面接收到的光功率为0.81W，激光器3的输出光功率为1W，因此可得到耦合效率为81％。
下面进行误差分析：
通过在Light Tools(Light Tools软件由美国Optical Research Associates(ORA)公司于1995年开发而成的光学系统建模软件，可增进光学系统设计效率)中使用布尔运算工具建立激光器3的模型，利用几何形状建立透镜与光纤模型，根据设计材料参数表，改变布放坐标，在光纤5的接收面放置光场接收器，通过调整激光器3的轴向、间隙、角度的偏移，可得到各种位置误差对耦合效率的影响。
如图4所示，激光器3在X轴(即横轴)的偏移对耦合效率影响较小，但在Y轴(即纵轴)的偏移达到5um以后其对耦合效率影响明显增大，所以在加工中尤其应确保激光器3与圆柱透镜4在竖直方向上高精度对准。
如图5所示，激光器3的间隙偏移对耦合效率影响较大，应尽量确保圆柱透镜4与激光器3之间的间距L等于透镜焦距即0.077mm。
如图6所示，激光器3在α方向(即横向旋转方向)和β方向(即纵向旋转方向)的偏移对耦合效率影响较小，但在γ方向(即自旋转方向)的偏移达到1°以后其对耦合效率影响明显增大，所以在加工中尤其应确保激光器3在γ方向上对准圆柱透镜4。
在实际加工中保持每个通道的精确对准是十分困难的，只要保持每个通道的偏移量在允许范围内，理论上就可保持整个光路较高的耦合效率。
上述实施例只是本发明的较佳实施例，并不是对本发明技术方案的限制，只要是不经过创造性劳动即可在上述实施例的基础上实现的技术方案，均应视为落入本发明专利的权利保护范围内。

Claims (4)

1.一种基于PCB硬板和软板的并行光模块光路结构，包括PCB板、激光器和光纤，其特征在于：还包括圆柱透镜，所述PCB板包括PCB硬板和PCB软板，多个所述PCB硬板之间通过所述PCB软板电性连接，所述激光器安装在其中一个所述PCB硬板上，所述圆柱透镜安装于所述激光器与所述光纤之间。
2.根据权利要求1所述的基于PCB硬板和软板的并行光模块光路结构，其特征在于：所述PCB硬板为两个，所述PCB软板为一个。
3.根据权利要求1或2所述的基于PCB硬板和软板的并行光模块光路结构，其特征在于：所述圆柱透镜由去掉包层的多模光纤纤芯制作，所述多模光纤纤芯的折射率为1.48、数值孔径为0.2、半径为50mm。
4.根据权利要求3所述的基于PCB硬板和软板的并行光模块光路结构，其特征在于：所述圆柱透镜的焦距f为0.077mm，所述圆柱透镜与所述激光器之间的距离为0.077mm。
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