CN113703102A - 一种光模块 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种光模块，通过将基板作为承载器件的光学平台，其上表面设置垫片，其中，垫片包括绝缘导热层、布设在绝缘导热层上表面的接地金属层以及高速信号线，将激光芯片的阴极固定在上述接地金属层上、阳极通过打线与高速信号线电连接。另外，垫片的高速信号线通过打线与电路板连接，这样，便可以将来自电路板的电信号传输至光接收芯片，实现光模块的光发射功能，同时，将电路板端部的下表面还固定基板上，还能保证垫片与电路板相对位置的稳定性，保证器件的性能稳定性。因此，利用基板替代现有的壳体，结构简单，有效降低了光发射次光模的物料成本，并且，基板上为开放式结构，进而可以解决因空间小所存在的封装困难的问题。

Description

一种光模块

技术领域

本申请涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光模块。

背景技术

在云计算、移动互联网、视频等新型业务和应用模式，均会用到光通信技术。光模块在光通信技术领域中实现光电转换的功能，是光通信设备中的关键器件之一。

通常在光模块中设置光发射部分，用于光信号的发射。为了固定光发射用相关元器件，通常光发射部分包括盖板及腔体。在模块封装时，首先，在腔体内固定半导体制冷器、光发射芯片、透镜等元器件，另外，将电路板或柔性板从腔体的一侧壁的开口插入腔体内，以实现电路板与光发射芯片的电连接；然后，盖板从上方盖合腔体，并通过电阻焊的方式或利用胶水将两者固定在一起。

但是，随着光模块通信速率的提高，使得光发射部分的腔体内需要布设的器件越来越多，而目前光模块越来越小型化，对器件的外形尺寸要求做的越小越好。所以，会导致光发射部分的腔体内空间非常小，不方便生产操作。

发明内容

针对现有的光发射部分中的壳体结构复杂、封装工艺难度高的问题，本实施例提供了一种光模块。

本实施例提供的光模块，主要包括：

上壳体和下壳体；

电路板，设置在所述上壳体和所述下壳体之间；

基板，其下表面与所述下壳体相接触，所述电路板端部的下表面设置在所述基板端部的上表面；

垫片，设置在所述基板的上表面，包括绝缘导热层、布设在所述绝缘导热层上表面的接地金属层以及高速信号线；所述高速信号线的端部通过打线与所述电路板电连接，用于将来自所述电路板的电信号传输至激光芯片；

所述激光芯片，阴极固定在所述接地金属层上、阳极通过打线与所述高速信号线电连接，用于基于所述电信号发射光信号。

由上述实施例可见，本实施例通过将基板作为承载器件的光学平台，其上表面设置垫片，其中，垫片包括绝缘导热层、布设在绝缘导热层上表面的接地金属层以及高速信号线，将激光芯片的阴极固定在上述接地金属层上、阳极通过打线与高速信号线电连接。另外，垫片的高速信号线通过打线与电路板连接，这样，便可以将来自电路板的电信号传输至光接收芯片，实现光模块的光发射功能，同时，将电路板端部的下表面还固定基板上，还能保证垫片与电路板相对位置的稳定性，保证器件的性能稳定性。因此，利用基板替代现有的壳体，结构简单，有效降低了光发射次光模的物料成本，并且，基板上为开放式结构，进而可以解决因空间小所存在的封装困难的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为光通信终端连接关系示意图；

图2为光网络单元结构示意图；

图3为本申请实施例中提供的一种光模块的结构示意图；

图4为本申请实施例中提供的一种光模块的分解结构示意图；

图5为本申请实施例提供的光发射部分与电路板的结构示意图；

图6为本申请实施例提供的光发射部分与电路板的分解结构示意图；

图7为本申请实施例提供的光发射部分的分解结构示意图；

图8为本申请实施例提供的光发射部分的组装结构示意图；

图9为图8中A区域的局部放大示意图；

图10为本申请实施例提供的打线保护部件与电路板的分解结构示意图；

图11为本申请实施例提供的打线保护部件的结构示意图；

图12为本申请实施例提供的电路板与光发射部分的俯视图；

图13为本申请实施例提供的电路板与光发射部分的侧视图；

图14为图13中B部分的放大图；

图15为本申请实施例提供的基板的结构示意图；

图16为本实施例提供的光发射部分的俯视图；

图17为本申请实施例提供的隔离器、增透片与光纤适配器的第一拆分结构示意图；

图18为本申请实施例提供的隔离器、增透片与光纤适配器的第二拆分结构示意图；

图19为本申请实施例提供的聚焦透镜与光纤适配器的第一结构示意图；

图20为本申请实施例提供的聚焦透镜与光纤适配器的第二结构示意图；

图21A为现有技术提供的一种光发射部分光路结构示意图；

图21B为图21A中光路结构耦合效率仿真图；

图22A为已有技术提供的光发射部分光路结构示意图；

图22B为图22A中光路结构耦合效率仿真图；

图23为光轴通过第二透镜中心射入倾斜光纤插芯的耦合效率仿真图；

图24A为本申请实施例提供的光发射部分光路结构示意图；

图24B为图24A中光路结构耦合效率仿真图。

具体实施方式

下面将结合本实施例中的附图，对本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。基于本申请中的实施例，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。

光纤通信的核心环节之一是光电信号的转换。光纤通信使用携带信息的光信号在光纤/光波导中传输，利用光在光纤中的无源传输特性可以实现低成本、低损耗的信息传输。而计算机等信息处理设备采用的是电信号，这就需要在信号传输过程中实现电信号与光信号的相互转换。

光模块在光纤通信技术领域中实现上述光电转换功能，光信号与电信号的相互转换是光模块的核心功能。光模块通过电路板上的金手指实现与外部上位机之间的电连接，主要的电连接包括供电、I2C信号、传输数据信号以及接地等，金手指实现的电连接方式已经成为光模块行业的标准方式，以此为基础，电路板是大部分光模块中必备的技术特征。

图1为光通信终端连接关系示意图。如图1所示，光通信终端的连接主要包括光网络单元100、光模块200、光纤101及网线103；

光纤的一端连接远端服务器，网线的一端连接本地信息处理设备，本地信息处理设备与远端服务器的连接由光纤与网线的连接完成；而光纤与网线之间的连接由具有光模块的光网络单元完成。

光模块200的光口与光纤101连接，与光纤建立双向的光信号连接；光模块200的电口接入光网络单元100中，与光网络单元建立双向的电信号连接；光模块实现光信号与电信号的相互转换，从而实现在光纤与光网络单元之间建立连接；具体地，来自光纤的光信号由光模块转换为电信号后输入至光网络单元100中，来自光网络单元100的电信号由光模块转换为光信号输入至光纤中。光模块200是实现光电信号相互转换的工具，不具有处理数据的功能，在上述光电转换过程中，信息并未发生变化。

光网络单元具有光模块接口102，用于接入光模块，与光模块建立双向的电信号连接；光网络单元具有网线接口104，用于接入网线，与网线建立双向的电信号连接；光模块与网线之间通过光网络单元建立连接，具体地，光网络单元将来自光模块的信号传递给网线，将来自网线的信号传递给光模块，光网络单元作为光模块的上位机监控光模块的工作。

至此，远端服务器通过光纤、光模块、光网络单元及网线，与本地信息处理设备之间建立双向的信号传递通道。

常见的信息处理设备包括路由器、交换机、电子计算机等；光网络单元是光模块的上位机，向光模块提供数据信号，并接收来自光模块的数据信号，常见的光模块上位机还有光线路终端等。

图2为光网络单元结构示意图。如图2所示，在光网络单元100中具有电路板105，在电路板105的表面设置笼子106；在笼子106中设置有电连接器，用于接入金手指等光模块电口；在笼子106上设置有散热器107，散热器107具有增大散热面积的翅片等凸起结构。

光模块200插入光网络单元中，具体为光模块的电口插入笼子106中的电连接器，光模块的光口与光纤101连接。

笼子106位于电路板上，将电路板上的电连接器包裹在笼子中；光模块插入笼子中，由笼子固定光模块，光模块产生的热量通过光模块壳体传导给笼子，最终通过笼子上的散热器107进行扩散。

图3为本申请实施例提供的一种光模块200的结构示意图，图4为本实施例提供光模块200的分解结构示意图。如图3和图4所示，本申请实施例提供的光模块200包括上壳体201、下壳体202、解锁手柄203、电路板30、光发射部分40和光接收部分50。

上壳体201盖合在下壳体202上，以形成具有两个开口的包裹腔体；包裹腔体的外轮廓一般呈现方形体，具体地，下管壳包括主板以及位于主板两侧、与主板垂直设置的两个侧板；上壳体包括盖板，盖板盖合在上壳体的两个侧板上，以形成包裹腔体；上壳体还可以包括位于盖板两侧、与盖板垂直设置的两个侧壁，由两个侧壁与两个侧板结合，以实现上壳体盖合在下管壳上。

两个开口具体可以是在同一方向的两端开口(204、205)，也可以是在不同方向上的两处开口；其中一个开口为电口204，电路板的金手指从电口204伸出，插入光网络单元等上位机中；另一个开口为光口205，用于外部光纤接入以连接光模块内部的光发射部分40和光接收部分50；电路板30、光发射部分40和光接收部分50等光电器件位于包裹腔体中。

采用上壳体、下管壳结合的装配方式，便于将电路板30、光发射部分40和光接收部分50等器件安装到壳体中，由上壳体、下管壳形成光模块最外层的封装保护壳体；上壳体及下管壳一般采用金属材料，利于实现电磁屏蔽以及散热；一般不会将光模块的壳体做成一体结构，这样在装配电路板等器件时，定位部件、散热以及电磁屏蔽结构无法安装，也不利于生产自动化。

解锁手柄203位于包裹腔体/下壳体202的外壁，用于实现光模块与上位机之间的固定连接，或解除光模块与上位机之间的固定连接。

解锁手柄203具有与上位机笼子匹配的卡合结构；拉动解锁手柄的末端可以在使解锁手柄在外壁的表面相对移动；光模块插入上位机的笼子里，由解锁手柄的卡合结构将光模块固定在上位机的笼子里；通过拉动解锁手柄，解锁手柄的卡合结构随之移动，进而改变卡合结构与上位机的连接关系，以解除光模块与上位机的卡合关系，从而可以将光模块从上位机的笼子里抽出。

电路板30上设置有电路走线、电子元件(如电容、电阻、三极管、MOS管)及芯片(如微处理器MCU2045、激光驱动芯片、限幅放大器、时钟数据恢复CDR、电源管理芯片、数据处理芯片DSP)等。

电路板30通过电路走线将光模块中的用电器件按照电路设计连接在一起，以实现供电、电信号传输及接地等电功能。

电路板30一般为硬性电路板，硬性电路板由于其相对坚硬的材质，还可以实现承载作用，如硬性电路板可以平稳的承载芯片；硬性电路板还可以插入上位机笼子中的电连接器中，具体地，在硬性电路板的一侧末端表面形成金属引脚/金手指，用于与电连接器连接；这些都是柔性电路板不便于实现的。

部分光模块中也会使用柔性电路板，作为硬性电路板的补充；柔性电路板一般与硬性电路板配合使用，如硬性电路板与光收发器件之间可以采用柔性电路板连接。

光模块还包括光发射部分及光接收次模块，光发射部分及光接收次模块可以统称为光学次模块。如图4所示，本发明实施例提供的光模块包括光发射部分40及光接收部分50。其中，光发射部分40用于将电信号转换为光信号，生成的光信号经光纤插座60传输至光模块外部；光接收部分50用于经光纤插座60所接收的光信号转换为电信号，本实施例中将光接收部分50设置在电路板30表面，在另一种常见的封装方式中，光接收次模块与电路板物理分离，通过柔性板实现电连接。

针对一些光模块使用环境相对较好，例如，在数据中心内部有空调进行控制温度和湿度，所以对器件的密封性要求不高，而对成品成本要求更高。另外，针对于光发射部分采用管壳的封装方式，管壳通常采用机加工或是开模管壳，所以管壳设计相对复杂、生产成本较高，并且，在模块封装时，需要将半导体制冷器、光发射芯片、透镜等元器件固定在管壳内，光发射部分的腔体内空间非常小，不方便生产操作的问题。图5为本申请实施例提供的光发射部分与电路板的结构示意图，图6为本申请实施例提供的光发射部分与电路板的分解结构示意图。如图5和6所示，本实施例中的光发射部分40采用非气密方式封装，与电路板30物理分离，通过金属材质的打线实现电连接、例如通过金线实现电连接。其中，对于光发射部分40，本实施例采用将基板作为光学平台，激光芯片、半导体制冷器等器件放于基板上的封装方式。

需要说明的是，本实施例中的光发射部分40包括4个同波长的光通路，通过增加光路数量实现提升数据传输速率，在其它实施例中还可以设置为其它数目。另外，下面的实施例是以其中的一个光通路为例对本实施的方案进行说明。

图7为本申请实施例提供的光发射部分的分解结构示意图，图8为本申请实施例提供的光发射部分的组装结构示意图。如图7和8所示，为降低生产成本，以及为激光芯片、半导体制冷器等器件提供一个平整的承载面，本实施例中光发射部分40包括一个基板41作为光学平台，在基板41上表面设置有TEC(Thermoelectric cooler，半导体制冷器)42、垫片43、激光芯片44、准直透镜45、隔离器46、增透片(AR片)47、光纤适配器48等器件。

为更有利于设置在基板41上表面的各元器件的散热，基板41的下表面可以可通过导热胶与光模开的壳体、如下壳体201固定在一起。这样，光发射部分40中的元器件产生的热量可以通过基板41传导给光模块的壳体，然后通过光模块壳体传导至光模块外部。进一步的，考虑到散热效果、加工精度以及热膨胀等因素，本实施例中基板41采用钨铜、即钨和铜组成的合金制成，当然，在其它实施例中还可以采用其它材料制成，如采用陶瓷等材料制成。

TEC42用于将激光芯片44产生的热量由基板41导出。具体地，TEC42包括上热交换面和下热交换面。上热交换面的顶部设置垫片43，上热交换面用于吸收垫片43传递来的激光芯片44产生的热量。上热交换面的底部与下热交换面连接，而下热交换面固定在基板41的上表面，因此，可利用基板41将TEC42的下热交换面的热量导出到光模块的外部。

图9为图8中A区域的局部放大示意图。如图9所示，本实施例中的垫片43包括绝缘导热层431和金属化电路图案(又称走线)，绝缘导热层431可以选用热传导性能好、绝缘性能好且加工精度高的陶瓷材料制成，当然也不限于陶瓷。其中，为了便于垫片43上各电元件的安装，本实施例中，设置在绝缘导热层431上表面的金属化电路图案包括高速信号线432和地线433，绝缘导热层431的下表面与TEC42的上表面相接触。激光芯片44的阴极可以通过焊接或导电胶水等方式固定在垫片43的地线433上，激光芯片44的阳极可以通过打线与高速信号线432连接。

需要说明的是，高速信号线432和地线433的设计形状以及布局并不限于本实施例所提供的方式，在其它实施例中，可以根据信号的传输速率、以及布设的元器件等需求设计。

由于在光模块工作的过程中，来自上位机的高频数据电信号通过电路板30上的金手指传输给设置在电路板上的时钟数据恢复芯片、激光驱动芯片等芯片，利用上述时钟数据恢复芯片、激光驱动芯片等芯片对光模块接收的高频数据电信号进行信号整形、幅值调整等处理，为将整形后的高频数据电信号传输给设置在垫片43上的激光芯片44，以使激光芯片发射数据光信号，以及，本实施例在电路板30上也布设有地线和高频信号线(图中未示出)。同时，将电路板30上的高频信号线通过打线与垫片43上的高速信号线432连接，电路板30上的地线通过打线垫片43上的地线433连接，进而可将来自电路板30的电信号传输给激光芯片44。需要说明的是，垫片43上还可以设置背光探测器、电阻、电容等元器件，各元器件可以通过布设在垫片45上的相应的走线与电路板30电连接，以实现激光芯片44的稳定发光。

图10为本申请实施例提供的打线保护部件与电路板的分解结构示意图。如图10所示，本实施例中，由于电路板30与垫片43之间的打线直径通常比较细，为了防止电路板30与垫片43的相对位置的移动导致打线断开，并且，考虑到阻抗匹配等问题，对于连接电路板30与垫片43上的高频信号线的打线的长度也是有要求的。因此，为了确保电路板30与垫片43相对位置的稳定性，本实施例将电路板30靠近基板41的端部的下表面固定在基板41的上表面。

图11为本申请实施例提供的打线保护部件的结构示意图。如图10和11所示，为了避免上述连接电路板30与垫片43打线被碰触到，本实施例在电路板30上设置打线保护部件70，为防止打线保护部件70导电，其可以采用非金属材质制成，例如采用塑料材质，并使用非导电胶水固定在电路板30上，用于连接垫片43与电路板30的打线被罩设在打线保护部件70下方，进而可以避免打线被碰触造成压塌、破损等问题。

进一步的，为便于位于打线保护部件70下方的器件的散热以及减少打线保护部件70在电路板上的占地面积，如图11所示，本实施例将打线保护部件70设置为由保护板71、两个或两个以上的支撑件72组成，其中，保护板71为一平板状结构，其具体形状可以根据电路板30的布板需要设定，例如，本实施例将其设计为L型结构。支撑件72的一端与保护板71的下表面固定连接、另一端与通过胶水等非导电固定在电路板30的上表面。

图12为本申请实施例提供的电路板与光发射部分的俯视图。如图12所示，由于激光芯片44与垫片43之间也是通过打线连接，因此，本实施例除了将连接电路板30与垫片43打线设置在打线保护部件70中的保护板71的下方之外，还将垫片43也设置在打线保护部件70中的保护板71的下方。另外，激光芯片44所接收的高频数据信号、偏置信号等信号，需要设置在电路板30上的激光驱动芯片(图中未示出)进行相应的处理后再发送给激光芯片44，而激光驱动芯片通常也是通过打线与电路板30电连接，因此，本实施例也将器驱动芯片靠近垫片43设置，同时将其设置在打线保护部件70下方。

因此，本实施例利用基板41替代现有的光发射部分的壳体，结构简单，有效降低了光发射次光模的物料成本，并且，基板41上方为开放式结构，进而可以解决因壳体内空间小所存在的封装困难的问题。另外，通过设置基板41与电路板30之间的装配方式、设置打线保护部件70，可以有效保证模块的使用性能。

图13为本申请实施例提供的电路板与光发射部分的俯视图，图14为图13中B部分的放大图。如图13和14所示，由于激光芯片44所发出的光为发散光，而光纤的入光口径一般较小，因此，为提高光耦合效率，本实施例设置聚焦透镜45的入光面朝向激光芯片44的出光面设置、聚焦透镜45的出光面朝向光纤适配器48的入光面设置。利用聚焦透镜45将激光芯片44所发出的光为发散光光耦合进入光纤适配器48中的光纤。由于光纤的入光口径一般较小，因此，为保证光耦合效率，本实施例通过调整聚焦透镜45的位置，使聚焦透镜45的焦点位于光纤插芯803中光纤的端面附近。

另外，为使经过聚焦透镜45产生了会聚，但会聚前后光轴方向并未改变，即光沿聚焦透镜的中心射入，这一射入方向可以最大程度的保证会聚后的光保有会聚前的模斑分布，呈现规则的圆形光斑，利于后续耦合过程提高效率。因此，本实施例中可以设置激光芯片44所发出的光沿聚焦透镜45的中心射入，具体指光通过聚焦透镜的中心进行会聚，理想状态下，激光芯片44所发出的光束的中心经过聚焦透镜45的光轴，因此，为了实现激光芯片44与聚焦透镜45的对准，以及，结合现有的透镜以及激光芯片尺寸特点，本实施例将聚焦透镜45设置在TEC42的上表面，即利用垫片43来弥补激光芯片44与聚焦透镜45之间的高度差。

由于光纤的入光口径一般较小，因此，聚焦透镜45与光纤适配器48之间的相对位置的稳定性也非常重要。基于上述原因，本实施例也将光纤适配器48固定在基板41的上表面。为了使聚焦透镜45所射出的光可以更多的进入光纤支配器48的光纤内，理想状态下，聚焦透镜45与光纤支配器48的光轴要处于同一水平面或近似处于同一水平面。

图15为本申请实施例提供的基板的结构示意图。如图15所示，为实现聚焦透镜45与光纤支配器48的对准，本实施例还对基板41进行设计，其中，在基板41的中部区域开设有凹陷部412，这样，基板41的上表面被凹陷部412分为第一上表面411和第二上表面413，第一上表面411和第二上表面413分别位于凹陷部412的两侧。

第一上表面411用于与电路板30端部的下表面固定连接；第二上表面413上用于设置光纤适配器48；凹陷部412用于设置半导体制冷器42，其中，半导体制冷器42的下表面与凹陷部的底部相接触、上表面设有垫片43和聚焦透镜45，垫片43的上表面设置激光芯片44，以使垫片43的上表面与电路板30的上表面处于同一水平面或近似处于同一水平面，以方便打线，另外，还可以使光纤适配器48的光轴与聚焦透镜45的光轴处于同一水平面或近似处于同一水平面，以提高光耦合效率。本实施例通过将基板41设置为具有凹陷部的结构，不仅实现了其承载功能，还有效实现了各器件之间的对准功能，与平板型的基板41相比，更方便封装，还可以有效节省用于调整器件高度用的原材料。

如图14所示，为实现对光路中反射光的隔离，在本实施例在的出光侧，通常还会设置一个隔离器46。基于激光芯片44所发出的光为发散光的特点，本实施例将隔离器46设置在聚焦透镜45的出光侧，另外，基于TEC42上可用空间较小等原因，本实施例将隔离器46设置在基板41的第二上表面413上。

本实施例中的隔离器46是基于通过光的偏振原理，仅允许光单方向通过。基于隔离器46的工作原理，通过对激光芯片所发出的激光偏振方向与隔离器46的偏振方向之间的夹角的调整，实现激光芯片44与隔离器46耦合功率的调整，进而可以实现光模块的输出光功率的控制。

另外，对于高速率的光模块，例如，400G产品，其对光功率耦合效率提出了更高要求，而光从空气进入光纤时大约会有4％的光发射，进而造成耦合效率损失，因此，本实施例还在在隔离器46和光纤适配器48中间设置增透片47，进而可以有效减小光纤适配器48处的端面发射。

图16为本实施例提供的光发射部分的俯视图。如图16所示，为了减少隔离器46反射的光返回至激光芯片44以及减低回损，本实施例设置隔离器46的光入射面法线(或称入光面法线)与聚焦透镜45的光轴具有夹角θ，该夹角值可以根据需要设定，例如，设置为5°、10°等，需要说明的是本实施例以激光芯片44所发出光束的光轴(或称为激光芯片44的出光方向)与聚焦透镜45的光轴重合或近似重合为例，在其它实施例中，两者也可以不重合，进而上述隔离器46的光入射面法线与聚焦透镜45的光轴具有夹角θ，则为隔离器46的光入射面法线与激光芯片44所发出光束的光轴具有夹角θ。

这样，激光芯片44发出的光依次聚焦透镜45、隔离器46以及增透片47后，通过空气射光纤适配器48中的光纤中。其中，如果光纤垂直射入光纤的端面，采用这种方式易于控制激光芯片出光方向与光纤插芯的角度关系，但是垂直入射会使反射光沿原光路返回，返回的光回到激光芯片44处，进而会影响激光芯片44的出光。

因此，为了防止反射光沿原光路返回，光路设计上使光非垂直入射光纤端面；为了实现光非垂直入射光纤端面，本实施例将光纤适配器48的入光面设置为成斜面。

图17为本申请实施例提供的隔离器、增透片与光纤适配器的第一拆分结构示意图，图18为本申请实施例提供的隔离器、增透片与光纤适配器的第二拆分结构示意图。如图17所示和18所示，基于上述隔离器46的光入射面法线与聚焦透镜45的光轴具夹角、光纤适配器48的入光面也是具有一定倾角的设计，以及，为方便将隔离器46、增透片47和光纤适配器48固定在基板41上，本实施例利用胶水、银胶等方式将三者固定在一起，其中，可以将增透片47固定在光纤适配器48的入光端面，然后，将隔离器46固定在增透片47上。模块封装时，垫片43、激光芯片44以及聚焦透镜45可以采用无源方式贴装，然后，有源耦合上述隔离器46、增透片47和光纤适配器48组成的光组件。

如图18所示，通过将光纤适配器48的端面设置具有第一倾角θ₁，其中，该倾角等于光纤适配器48的端面法线与聚焦透镜45的光轴之间的夹角，进而隔离器46与光纤适配器48贴装在一体后，隔离器46的光入射面法线与聚焦透镜45的光轴便也具有第一倾角θ₁。另外，如图18所示，本实施例中将光纤适配器48中用于插入光纤的端口482设置为锥形结构，封装时，通过该端口482插入至光纤适配器48中，然后，在该锥形的端口482中灌入胶水，这样，方便光纤的固定。

在本实施例中，光纤适配器48中可以设置光纤插芯，光纤插芯由陶瓷柱体包裹光纤构成，光纤插芯的中轴线与光纤的中轴线相同，光纤插芯的入光面研磨成斜面，即将光纤的入光面研磨成同样的斜面，进而可以实现光纤适配器48的入光面具有一定的倾角，或者，同时也将光纤适配器48的也同时设置成与光纤的入光面同样的斜面。进一步，光纤由不同折射率的芯层与包层构成，光在芯层与包层的交界面发生全反射，从而约束在芯层中传输。

全反射发生的前提是具备足够大的入射角。因此光在光纤中发生全反射，要求光在光纤入光面处发生折射后，折射角足够小，以满足光在光纤内再次反射时拥有足够大的入射角。而折射后形成足够小的折射角，需要折射时具有足够小的入射角；为实现较佳的耦合效率，要求进入光纤后的光轴与光纤的中轴线平行，进入光纤的光束成中心轴对称。由此，射入光纤入光面的光具有特定的入射角度范围。

而上述将光纤适配器48的入光面设置为具有一定的倾角后，会使得经聚焦透镜45会聚后的光束，尤其是近光轴的光束，以非垂直方向射入至光纤的入光面，入射角增大，折射角也减增大，进而不利于进入光纤的光线在光纤芯层与包层的交界面发生全反射，进而降低了耦合效率。针对上述问题，本实施例将光纤适配器器48在基板41上的摆放位置进行优化，使其在平行或近似平行于基板41上表面的平面内，光纤适配器48倾斜设置在在基板41上，以使光纤适配器48中的光纤的中轴线与聚焦透镜45的光轴不平行。

图19为本申请实施例提供的聚焦透镜与光纤适配器的第一结构示意图。如图19所示，本实施例中将光纤适配器48中的端面设置为具有第一倾角θ₁，例如，设置为7°、8°等但并不限于该数值，同时，相适应的使其内部光纤(图中未示出)的入光面也具有第一倾角θ₁，然后，再顺着光纤适配器48的端面倾斜方向，设置光纤适配器48的中轴线相对于聚焦透镜45的光轴具有第二倾角θ₂，例如，设置为3°、2°等但并不限于该数值。

另外，由于本实施例将隔离器46和增透片47固定在光纤适配器48的端面上，进而可以使隔离器46的入光面相对于聚焦透镜45具有倾角θ、即隔离器46的光入射面法线与聚焦透镜45的光轴具有夹角θ。

图20为本申请实施例提供的聚焦透镜与光纤适配器的第二结构示意图。如图20所示，通过上述设置，便可以使折射进入光纤的光束的光轴方向平行或接近平行于光纤的中轴线,进而可以有效提高光耦合效率。

下面将针对本实施例提供的方案与现有方案进行比对说明。激光芯片44射出的光以光轴呈中心对称，进入光纤中的光也以光轴呈中心对称，以三条典型光线为例进行图示，以光轴处的光线进行示意说明。

图21A为现有技术提供的一种光发射部分光路结构示意图，图21B为图21A中光路结构耦合效率仿真图。如图21A所示，本实施例中聚焦透镜由第一透镜45a和第二透镜45b组成。光纤适配器(图中未示出)的中轴线与激光芯片44的出光光束的光轴方向平行，设定光纤适配器的中轴线与光纤插芯(图中未示出)的中轴线平行，光纤插芯的中轴线与光纤插芯中光纤481的中轴线平行(理想状态下为重合)。激光芯片44发出的发散光经第一透镜45a会聚为平行光，平行光经第二透镜45b会聚后射入光纤481的入光面。经过两次会聚之后的光保持原光轴方向，光斑形态未改变，理想状态下为圆形光斑。会聚后的光满足光纤全反射的角度要求，会聚光的光轴与光纤入光面垂直。如图21B所示，光线经聚焦透镜的中心实现会聚，会聚后的光耦合至光纤481中，大部分的光通过光纤进行传输，光纤周围分布有较少的光线，图21A的光路结构实现了较高的耦合效率。

光轴与入光面垂直，此时发生的折射具有最小的入射角(0°)以及最小的折射角。图21A采用的光路设计，可以满足光纤全反射的角度要求，光斑形态也有利于光耦合，但是在光纤入光面产生的反射光会沿原光路返回，进而影响激光芯片44的出光。

因此，图21A及图21B这种光路设计的优点是采用聚焦透镜的中心进行光路会聚，可以保持较好的光斑模斑形态，缺点是光纤入光面产生的反射光会沿原光路回到激光芯片中。

图22A为已有技术提供的光发射部分光路结构示意图，图22B为图22A中光路结构耦合效率仿真图。需要说明的是，在平面图中，光纤斜面的倾斜方向不同仅是视图角度的不同，光纤是圆柱体，旋转视角看到斜面的倾斜方向不同。如图22A所示，光纤481的中轴线与激光芯片44的出光光轴方向平行，激光芯片44发出的发散光经第一透镜45a会聚为平行光，平行光经第二透镜45b会聚后射入光纤481的入光面。为了防止反射光可逆的反射回激光芯片，光纤481的入光面为斜面。为了利用折射原理使进入光纤的光满足全反射的条件，光射入第二透镜45b的非中心位置，光经第二透镜45b的非中心进行会聚，经第二透镜45b改变光的光轴方向后，射入光纤481的入光斜面上；在入光斜面发生光折射从而射入光纤481中。

如图22A所示，与图21A相比，光纤的入光面为斜面，而光纤插芯中的光纤中轴线未改变，为了使折射后的光满足全反射的条件，会聚光肯定不能保持图21A这种传播方向。具体地，光轴保持图21A中的方向，与激光芯片的出光光轴方向平行，则以非垂直方向射入光线的入光面，入射角减小，折射角也减小，不利于发生全反射。为了增大入射角，图22A的方案中改变了图21A中的光轴方向，经过第二透镜45b会聚后的光轴方向与激光芯片的出光光轴方向不平行，以增大折射时的入射角。

通过图22B中的仿真图可知，经过第二透镜45b会聚后的光，其光轴方向发生改变，以使得会聚后的光与图21B中的传播方向不同，此时光线经第二透镜45b的非中心位置进行会聚。为了实现光线中的全反射，射入光纤481入光面的光具有特定的入射角度范围，该角度范围也限定了经过第二透镜45b会聚的光，不能通过第二透镜45b的中心进行会聚。

但是，采用图22A这种光路设计，光轴未通过第二透镜45b的中心，光经过第二透镜45b后改变了光轴的方向，光斑会发生较大的形变，光斑形状扭曲，光斑的模场分布不规则，耦合进光纤的效率明显降低。

图22A及图22B这种光路设计的优点是防止光纤入光面产生的反射光会沿原光路回到激光芯片中，缺点是未采用第二透镜45b的中心进行光路会聚，会聚后的光斑模斑形态产生较大的劣变。

图23为光轴通过第二透镜中心射入倾斜光纤插芯的耦合效率仿真图。如图23所示，光纤481的入光面为斜面，激光芯片44发出的光经第一透镜45a准直后，由第二透镜45b会聚射入光纤适配器的光纤481中；光经第二透镜45b的中心进行会聚，光纤的中轴线与第二透镜45b的光照平行，光经折射后耦合进光纤481中，可以看到大量的光线从光纤适配器的光纤481中射出，耦合效率较低。

图24A为本申请实施例提供的光发射部分光路结构示意图，图24B为图24A中光路结构耦合效率仿真图。如图24A所示，本实施例设置光纤481的中轴线与光纤适配器的中轴线平行，设置光纤适配器的中轴线与激光芯片的出光光轴不方向，进而激光芯片的出光光轴方向与光纤的中轴线不平行；激光芯片44发出的发散光经第一透镜45a会聚为平行光，平行光经第二透镜45b会聚后射入光纤481的斜面。

为了防止反射光可逆的反射回激光芯片，光纤的入光面为斜面；为了利用折射原理将光射入光纤中，激光芯片发出的光通过第二透镜45b的中心射出，聚焦过程中没有改变原光轴方向，射入光纤481的斜面入光面时，通过光纤481的入光面光折射进入光纤481中。信号光通过斜面折射进入光纤481，协调控制斜面的倾斜角以及光纤适配器的倾斜角，使折射进入光纤481的信号光的光轴方向平行或接近平行于光纤481的中轴线。

图24A提供的光路设计，目的是光经会聚后保持较好的光斑模斑形态，并且与光纤481的入光斜面匹配，折射进入光纤481的信号光的光轴方向平行光纤481的中轴线，以完成光高效率耦合进光纤中。

为了使光经会聚后保持较好的光斑模斑形态，将光通过第二透镜45b的中心进行会聚，光通过第二透镜45b中心的射出，聚焦后的光轴方向没有改变，会聚之后的光保持会聚之前的光斑形态，理想状体下可以保持圆形光斑形态，这利于提高光耦合的效率。

为了防止光纤入光面产生的反射光会沿原光路回到激光芯片中，光纤插芯的入光面/光纤的入光面设计成斜面，然而，图21A示出的光路结构表明，当光通过第二透镜45b的中心进行会聚时，后续与之匹配的光纤入光面不能是斜面，才能满足在入光面处折射后的光可以发生全反射传输；图22A示出的光路结构表明，当入光面为斜面时，在前与之匹配的光不能通过第二透镜45b的中心进行会聚，才能满足在入光面处折射后的光可以发生全反射传输。

为了使耦合进光纤的光发生全反射，本申请实施例提供一种新的结构设计，通过将光纤适配器48在基板41上倾斜设置，让光纤481的中轴线与激光芯片的出光方向不平行，进而让光纤相对激光芯片出光方向倾斜一定的角度。

光折射进入光纤后，与光纤中轴线成特定的角度关系，这种角度关系在图21A、图22A及图24A中完全相同，这也是光在光纤中发生全发射的必然要求。

如图24B所示，采用图24A的光路结构，光线通过第二透镜45b的中心进行会聚，光纤的入光面呈斜面，经第二透镜45b会聚的光可以高效率的耦合进光纤中，大部分的光线进入了光纤中。

图22A与图24A中，以光纤入光斜面为参考，光入射的角度相同，光折射后的角度也相同。不同之处在于：图22A中的光纤中轴线与激光芯片的出光方向平行，光轴通过第二透镜45b的非中心区域；而图24A中光纤中轴线与激光芯片的出光方向不平行，光轴通过第二透镜45b的中心区域。进而本申请实施例提供的光路设计，实现折射进入光纤481的信号光的光轴方向平行于光纤的中轴线，完成光高效率耦合进光纤中。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种光模块，其特征在于，包括：

上壳体和下壳体；

电路板，设置在所述上壳体和所述下壳体之间；

基板，其下表面与所述下壳体相接触，所述电路板端部的下表面设置在所述基板端部的上表面；

垫片，设置在所述基板的上表面，包括绝缘导热层、布设在所述绝缘导热层上表面的接地金属层以及高速信号线；所述高速信号线的端部通过打线与所述电路板电连接，用于将来自所述电路板的电信号传输至激光芯片；

所述激光芯片，阴极固定在所述接地金属层上、阳极通过打线与所述高速信号线电连接，用于基于所述电信号发射光信号。

2.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述基板上开设有凹陷部，所述基板的上表面包括分别位于所述凹陷部两侧的第一上表面和第二上表面，其中：

所述电路板端部的下表面设置在所述第一上表面上；

所述凹陷部内设有半导体制冷器，所述半导体制冷器的下表面与所述凹陷部的底部相接触、上表面设有所述垫片，所述垫片的上表面与所述电路板的上表面处于同一水平面或近似处于同一水平面；

所述第二上表面上设有光纤适配器，所述光纤适配器的光轴与所述激光芯片所发射光束的光轴处于同一水平面或近似处于同一水平面。

3.根据权利要求2所述的光模块，其特征在于，所述半导体制冷器的上表面还设置有聚焦透镜，其中：

所述聚焦透镜，设置在所述激光芯片所发射光束的传输光路上，用于将所述光束会聚至所述光纤适配器。

4.根据权利要求2所述的光模块，其特征在于，所述第二上表面上还设有隔离器和增透片，其中：

所述增透片贴装在所述光纤适配器的端面上，所述隔离器贴装在所述增透片上。

5.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述光模块还包括：

打线保护部件，非导电固定在所述电路板的上表面，并且罩设在所述垫片以及连接所述垫片与所述电路板的所述打线上。

6.根据权利要求5所述的光模块，其特征在于，所述打线保护部件包括保护板、两个或两个以上的支撑件，其中：

所述支撑件的一端非导电固定在所述电路板的上表面、另一端与所述保护板的下表面固定连接；

所述垫片以及连接所述垫片与所述电路板的打线设置在所述保护板的下方。

7.根据权利要求4或5所述的光模块，其特征在于，所述电路板上还设有激光驱动芯片，其中：

所述激光驱动芯片通过打线与所述电路板电连接；

所述打线保护部件还罩设在所述激光驱动芯片上。

8.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述基板的下表面通过导热胶固定在所述光模块的壳体上。

9.根据权利要求1至6任一所述的光模块，其特征在于，所述基板为钨铜基板。

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