CN111679382A - 一种单透镜耦合方法和光发射器 - Google Patents

一种单透镜耦合方法和光发射器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种单透镜耦合方法和多通道的光发射器，属于光通信技术领域，光发射器包括：激光器芯片组件、透镜、垫块、平面光波导的波分复用组件及基板。将激光器组件及波分复用组件贴装到基板上，使各路激光器的发光条与波分复用组件的各路波导对准；将垫块置于激光器组件与波分复用组件之间，透镜置于垫块上方，激光器发出的激光信号通过透镜耦合进对应的波分复用组件波导中，垫块通过胶水与透镜和基板固定。通过本发明能降低固化过程光功率漂移现象，改变透镜固化过程中的位移方向，提高耦合容差与产品良率，提高光器件长期可靠性。波分复用组件通过胶水与基板连接，简化了装配工艺，提高了封装效率，保证了光发射器的稳定性与可靠性。

Description

一种单透镜耦合方法和光发射器
技术领域
本发明属于光通信技术领域，更具体地，涉及一种单透镜耦合方法和多通道的光发射器。
背景技术
近年来，随着接入网及数据中心的高速发展，为寻求更加经济有效的扩展带宽的方式，多通道的光发射器被大范围使用。在多通道的系统中，激光器芯片一般与介质薄膜滤波器组件(Thin Film Filter，TFF)和阵列波导光栅组件(Array Waveguide Grating，AWG)进行耦合。如图1所示，在多通道的TFF系统中，不同通道的激光器发出的光在TFF组件内部发生不同次数的反射，导致不同通道的光路存在差异，反射次数越多的通道对光路位移越敏感，光功率稳定性越差，该现象一方面会限制多通道器件的通道数，另一方面也会降低器件的耦合容差，增加耦合工艺难度。
当波分复用器使用AWG方案时，可避免不同通道光路存在较大差异的问题。业内通常使用无源贴装的方式固定AWG，然后用有源方式，在某通道激光器加电条件下，将AWG与单芯光纤阵列(Fiber Array，FA)进行耦合对准。该混合集成工艺经历多次的光路对准与耦合，工艺较复杂，生产成本较高。
现有单透镜耦合的方案如图2所示，第一透镜2在耦合的过程中，需要在一定的空间范围内移动，以找到最佳耦合位置；然后第一透镜2的下表面通过胶水3固化与第一基板4连接，使第一透镜2固定到由第一激光器芯片组件1发送的光路中。该方案的透镜下胶层较厚(胶厚＞50um)，由于胶水固有的收缩效应，胶水3在固化过程中存在一定比例收缩，胶层越厚，胶水收缩量越大，第一透镜2在垂直于光路方向上的位移越大。而耦合效率与第一透镜2垂直方向位置极为敏感，第一透镜2垂直方向上微小的位移都会造成光功率大比例漂移。因此该方案的光功率稳定性稍差，无法保证较高的良品率；另一方面，在器件长期工作状态下，可能存在胶水因环境影响导致体积发生变化的情况，尤其是目前为降成本考虑采用非气密封装的光器件，外界环境对于胶水的影响程度增加，因此较厚的胶层对光器件的长期可靠性同样存在影响。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种单透镜耦合方法和光发射器，可以提高耦合容差与产品良率，提高光器件长期可靠性。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种光发射器，包括：激光器芯片组件、透镜、垫块、平面光波导的波分复用组件及基板；
所述基板包括凹槽，所述激光器芯片组件及所述平面光波导的波分复用组件均贴装于所述基板上的非凹槽区域，所述凹槽位于所述激光器芯片组件及所述平面光波导的波分复用组件之间，所述垫块位于所述凹槽表面，所述透镜位于所述垫块上方，各所述激光器芯片组件的发光条与所述平面光波导的波分复用组件的各路波导一一对准，各所述激光器芯片组件发出的激光信号通过与其对应的透镜，耦合进对应的波分复用组件的波导中。
优选地，所述垫块的上表面一侧向上延伸形成透镜安装部，所述透镜固定于所述透镜安装部上，且所述透镜下表面距离所述垫块的上表面一预设高度。
优选地，所述透镜的非通光位置与所述透镜安装部的侧壁接触。
优选地，所述透镜的通光球面非居中，其位于所述透镜上部。
优选地，所述垫块的下表面通过胶水与所述凹槽表面固定，所述透镜通过胶水固定于所述透镜安装部。
优选地，所述波分复用组件由AWG芯片和带LC光接口的单芯FA组成，其中，所述AWG芯片与所述单芯FA波导对准后固定。
优选地，各所述激光器芯片组件以相同间隔贴装于所述基板。
按照本发明的另一方面，提供了一种单透镜耦合方法，包括：
将各激光器芯片组件贴装到基板的非凹槽区域，将平面光波导的波分复用组件贴装到基板的非凹槽区域，使各所述激光器芯片组件的发光条与所述波分复用组件的各路波导一一对准；
将各垫块分别置于各所述激光器芯片组件与所述波分复用组件之间的所述基板的凹槽区域，在各所述垫块上方放置透镜，使各所述激光器芯片组件发出的激光信号通过与其对应的透镜，耦合进对应的波分复用组件波导中。
优选地，所述垫块的下表面通过胶水与所述凹槽表面固定，所述透镜通过胶水固定于所述垫块。
优选地，所述垫块的上表面一侧向上延伸形成透镜安装部，将所述透镜固定于所述透镜安装部上，移动所述透镜使其非通光位置与所述透镜安装部进行接触，保证所述透镜安装部侧壁处的胶水充分浸润二者的接触面，然后通过移动所述透镜位置进行耦合，找到目标光功率值。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明采用设备贴装的方式，直接将波分复用组件贴装到基板上，使用胶水进行连接固定。该方案简化了波分复用组件的装配工艺，提高了封装效率。
通过在激光器器件结构中引入异形垫块，减少了固定透镜所需的胶水厚度，减少透镜固化过程中的位移大小，并改变透镜固化过程中的位移方向，使透镜在对光功率变化不敏感的光路方向上进行位移，降低耦合固化过程中光功率漂移情况，提高耦合容差与产品良率，提高光器件长期可靠性。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种现有TFF方案的光发射器结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种现有透镜耦合的结构示意图；
图3是本发明实施例提供的一种波分复用组件贴装方案示意图；
图4是本发明实施例提供的一种异形垫块点胶位置与异形垫块在结构中所处位置示意图；
图5是本发明实施例提供的一种透镜耦合结构示意图；
图6是本发明实施例提供的一种完成耦合状态的装置结构图；
其中，1为第一激光器芯片组件，2为第一透镜，3为胶水，4为第一基板，5为激光器芯片组件，6为基板，7为AWG芯片，8为带LC光接口的单芯FA，9为平面光波导的波分复用组件，10为垫块，11为第一点胶位置，12为第二点胶位置，13为透镜。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明实例中，“第一”、“第二”等是用于区别不同的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
本发明使用平面波导的波分复用组件进行合波，该平面波导的波分复用组件由AWG芯片和带LC光接口的单芯FA组成。采用设备贴装的方式，直接将波分复用组件贴装到基板上，使用胶水进行连接固定。该方案各通道耦合容差一致，简化了波分复用组件的装配工艺，提高了封装效率，同时波分复用组件下表面足够薄的胶层厚度也保证了光发射器的稳定性与可靠性。
本发明的单透镜耦合方法通过引入异形垫块，可减少透镜胶层厚度，并改变透镜固化过程中的位移方向，由对光功率变化比较敏感的垂直方向位移优化为对光功率变化不敏感的光路方向位移，从而降低耦合固化过程中光功率漂移情况，提高耦合容差与产品良率，降低对耦合机台的精度要求，从而降低成本；该耦合方法能够提高固化完成后透镜相对位置的长期稳定性，提高光器件长期可靠性。
实施例一
本发明实施例提供的一种光发射器包括：激光器芯片组件5、透镜13、垫块10、平面光波导的波分复用组件9及基板6；
基板6包括凹槽，激光器芯片组件5及平面光波导的波分复用组件9均贴装于基板6上的非凹槽区域，凹槽位于激光器芯片组件5及平面光波导的波分复用组件6之间，垫块10位于凹槽表面，透镜13位于垫块10上方，各激光器芯片组件5的发光条与平面光波导的波分复用组件9的各路波导一一对准，各激光器芯片组件5发出的激光信号通过与其对应的透镜13，耦合进对应的波分复用组件的波导中。
在本发明实施例中，垫块10的上表面一侧向上延伸形成透镜安装部，透镜13固定于透镜安装部上，且透镜13下表面距离垫块10的上表面一预设高度。
在本发明实施例中，透镜13的非通光位置与透镜安装部的侧壁接触。
在本发明实施例中，透镜13的通光球面非居中，其位于透镜13上部。
在本发明实施例中，垫块10的下表面通过胶水与凹槽表面固定，透镜13通过胶水固定于透镜安装部。
在本发明实施例中，波分复用组件9由AWG芯片和带LC光接口的单芯FA组成，AWG芯片与单芯FA波导对准，粘接固定。
在本发明实施例中，各激光器芯片组件5以相同间隔贴装于基板6上。
实施例二
本发明实施例提供了一种单透镜耦合方法，包括：
将各激光器芯片组件5贴装到基板6的非凹槽区域，将平面光波导的波分复用组件9贴装到基板6的非凹槽区域，使各激光器芯片组件5的发光条与波分复用组件9的各路波导一一对准；
将各垫块10分别置于各激光器芯片组件5与波分复用组件9之间的基板6的凹槽区域，在各垫块10上方放置透镜13，使各激光器芯片组件5发出的激光信号通过与其对应的透镜13，耦合进对应的波分复用组件波导中。
以下以四路激光器芯片组件5为例对本发明进行详细说明。
如图3所示，先将四路激光器芯片组件5以相同间隔贴装到基板6上，再将波分复用组件9贴装到基板6的指定位置，使四路激光器芯片组件5的发光条分别与波分复用组件9的四路波导一一对准，保证四路激光光束均能够进入波分复用组件。
在本发明实施例中，波分复用组件9由AWG芯片7和带LC光接口的单芯FA 8组成。
在本发明实施例中，可以采用贴片机进行贴装作业。胶水的涂敷与预固化均在设备中进行，装配工艺简单，封装效率高。
完成波分复用组件的无源贴装后，进行透镜的有源耦合。如图4所示，在垫块10的下表面的第一点胶位置11点胶水，在垫块10的侧壁处的第二点胶位置12点胶水，并将垫块10置于激光器芯片组件5与波分复用组件9之间的基板6凹槽表面。
如图5所示，使用自动耦合机，将透镜13置于垫块10上方，移动透镜13使其通光面的非通光位置与垫块10的侧壁进行接触，保证垫块10侧壁处的胶水充分浸润二者的接触面。然后使用常规的耦合方式，通过移动透镜13位置进行耦合，找到目标光功率值。
在本发明实施例中，透镜13的通光球面非居中设计，而是位于透镜13上部，保证透镜13与垫块10的粘接位置为非通光位置。
由于胶水提供的粘附力，能够保证在耦合过程中，透镜13在光路方向上远离垫块10移动时，垫块10可与透镜13一同移动，不发生粘接面脱离现象。
耦合完成后，通过固化垫块10下表面与侧壁处的胶水，实现垫块10与基板6、垫块10与透镜13的连接固定。激光器发出的激光信号通过透镜的汇聚作用，耦合进对应的波分复用组件波导中。
在本发明实施例中，可以选用UV胶和UV灯进行胶水固化。垫块下表面的第一点胶位置11处选用黏度较低的UV胶水，可保证垫块与基板间的胶层厚度足够小，第一点胶位置11处的胶水固化过程中产生的体积收缩足够小，故对透镜产生的垂直方向位移可忽略。垫块侧壁的第二点胶位置12处的胶水选用黏度稍大的UV胶水，第二点胶位置12处的胶水充分浸润透镜后，胶层厚度可控制在10um内，第二点胶位置12处的胶水在固化过程中产生体积收缩，使透镜13在光路方向上发生微小位移，透镜13在光路方向上的位移对于光功率漂移的影响远小于其他方向的位移，透镜13在光路方向上有更大的耦合容差。
在本发明实施例中，第一点胶位置11处的胶水和第二点胶位置12处的胶水同步固化。
如图6所示，按照上述单透镜耦合方法，依次完成剩余通道的透镜耦合。
本发明实施例所示的激光器器件为四通道器件，在其他实施例中，该激光器器件可以为其他通道数的多通道器件。
作为一种可选的实施方式，透镜与垫块的粘接区域可以变化。可将朝向波分复用组件的透镜表面作为与垫块的粘接面。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光发射器，其特征在于，包括：激光器芯片组件、透镜、垫块、平面光波导的波分复用组件及基板；
所述基板包括凹槽，所述激光器芯片组件及所述平面光波导的波分复用组件均贴装于所述基板上的非凹槽区域，所述凹槽位于所述激光器芯片组件及所述平面光波导的波分复用组件之间，所述垫块位于所述凹槽表面，所述透镜位于所述垫块上方，各所述激光器芯片组件的发光条与所述平面光波导的波分复用组件的各路波导一一对准，各所述激光器芯片组件发出的激光信号通过与其对应的透镜，耦合进对应的波分复用组件的波导中。
2.根据权利要求1所述的光发射器，其特征在于，所述垫块的上表面一侧向上延伸形成透镜安装部，所述透镜固定于所述透镜安装部上，且所述透镜下表面距离所述垫块的上表面一预设高度。
3.根据权利要求2所述的光发射器，其特征在于，所述透镜的非通光位置与所述透镜安装部的侧壁接触。
4.根据权利要求3所述的光发射器，其特征在于，所述透镜的通光球面非居中，其位于所述透镜上部。
5.根据权利要求2至3任意一项所述的光发射器，其特征在于，所述垫块的下表面通过胶水与所述凹槽表面固定，所述透镜通过胶水固定于所述透镜安装部。
6.根据权利要求5所述的光发射器，其特征在于，所述波分复用组件由AWG芯片和带LC光接口的单芯FA组成，其中，所述AWG芯片与所述单芯FA波导对准后固定。
7.根据权利要求6所述的光发射器，其特征在于，各所述激光器芯片组件以相同间隔贴装于所述基板。
8.一种单透镜耦合方法，其特征在于，包括：
将各激光器芯片组件贴装到基板的非凹槽区域，将平面光波导的波分复用组件贴装到基板的非凹槽区域，使各所述激光器芯片组件的发光条与所述波分复用组件的各路波导一一对准；
将各垫块分别置于各所述激光器芯片组件与所述波分复用组件之间的所述基板的凹槽区域，在各所述垫块上方放置透镜，使各所述激光器芯片组件发出的激光信号通过与其对应的透镜，耦合进对应的波分复用组件波导中。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述垫块的下表面通过胶水与所述凹槽表面固定，所述透镜通过胶水固定于所述垫块。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述垫块的上表面一侧向上延伸形成透镜安装部，将所述透镜固定于所述透镜安装部上，移动所述透镜使其非通光位置与所述透镜安装部进行接触，保证所述透镜安装部侧壁处的胶水充分浸润二者的接触面，然后通过移动所述透镜位置进行耦合，找到目标光功率值。
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