CN114460698B - 一种光发射模块 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光发射模块，该光发射模块包括PCBA以及设置在所述PCBA上的金属底板，其中，金属底板上设置有多个不同波长的激光器芯片、与激光器芯片个数相对应的透镜以及波分复用光纤组件，PCBA上设置有与激光器芯片个数相对应的激光器驱动芯片，在多个激光器驱动芯片的驱动下，不同波长的激光器芯片发射出不同波长的光信号并经过对应透镜后进入波分复用光纤组件，波分复用光纤组件将不同波长的光信号复用为单路光信号以对外发射。本发明提高了光发射模块的集成性，结构简单、封装工艺难度小，且还能扩展光通道数量，实现在体积基本不变的情况下可以封装更多光通道的目的。
Description
技术领域
本发明涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光发射模块。
背景技术
随着大数据、人工智能、物联网的兴起，带动了超大规模数据中心的建设。光模块作为数据中心信息传输的核心承载体，正从100G的主流方案进化为400G甚至更高速率的主流方案。随着光模块速率的成倍提升，同时还不能牺牲光模块封装小型化、高可靠性、低成本的优势特点，这些条件使得对光模块的封装设计提出了更加苛刻的要求。
传统的100G-400G单模光发射模块方案中，主要采用四通道C波段波分复用方案的光路架构，该架构基于BOX管壳+PCBA电路板的封装形式，发射器件管壳和PCBA通过软带焊接电性连接，光口适配器通过激光焊接进行对准耦合固定，具有结构复杂、封装工艺难度大等劣势，且只能支持四路光通道，不能进行光通道的扩展。
鉴于此，如何克服该现有技术所存在的缺陷，解决上述传统光发射模块集成性差、结构复杂、封装工艺难度大、光通道少的问题，是本技术领域亟待解决的难题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光发射模块，提高了光发射模块的集成性、结构简单、封装工艺难度小、在体积基本不变的情况下可以封装更多的光通道。
本发明实施例采用如下技术方案：
本发明提供了一种光发射模块，包括PCBA以及设置在所述PCBA上的金属底板，其中，所述金属底板上设置有多个不同波长的激光器芯片、与所述激光器芯片个数相对应的透镜以及波分复用光纤组件，所述PCBA上设置有与所述激光器芯片个数相对应的激光器驱动芯片，在多个激光器驱动芯片的驱动下，不同波长的激光器芯片发射出不同波长的光信号并经过对应透镜后进入所述波分复用光纤组件，所述波分复用光纤组件将不同波长的光信号复用为单路光信号以对外发射。
进一步的，所述波分复用光纤组件包括设置在所述金属底板上的基板、设置在所述基板上的合波组件、隔离器、准直透镜、光纤以及光纤适配器，不同波长的光信号在进入所述波分复用光纤组件时，先是经过所述合波组件复用为单路的光信号，然后通过所述隔离器后经过所述准直透镜聚焦到光纤中，最后通过所述光纤适配器与外部光系统连接。
进一步的，所述合波组件包括第一合波元件，所述第一合波元件的入射面设有与所述透镜个数相同、位置对应的第一滤光片，所述第一合波元件在与所述第一滤光片相对的面上设有第一反射面以及第一出射口，所述第一出射口位置与所述隔离器位置相对应，不同波长的光信号从对应的第一滤光片处进入所述第一合波元件，经过多次反射后合并成单路的光信号从所述第一出射口射出，以射向所述隔离器。
进一步的，所述第一滤光片并列设置有四个，所述透镜、所述激光器芯片以及所述激光器驱动芯片均并列设置有四个。
进一步的，所述合波组件包括上下叠层设置的第二合波元件、第三合波元件以及设置在所述第二合波元件和所述第三合波元件之间的转折三角棱镜，相对应的，所述透镜、所述激光器芯片以及所述激光器驱动芯片均设置有上下两层且分别与所述第二合波元件、第三合波元件的入射面对应，从上层激光器芯片发出的光信号依次经过上层透镜、第二合波元件后，从所述第二合波元件的第二出射口射向所述隔离器，从下层激光器芯片发出的光信号依次经过下层透镜、第三合波元件、转折三角棱镜后，在所述第二合波元件的第二出射口反射并射向所述隔离器。
进一步的，所述第二合波元件包括第二滤光片、第二反射面以及所述第二出射口，其中，所述第二滤光片在所述第二合波元件的入射面并列设置有四个，相对应的，上层的激光器驱动芯片、激光器芯片以及透镜也分别设有四个，上层四个激光器芯片发出的光信号在进入所述第二合波元件后，通过所述第二反射面进行多次反射后合并成单路的光信号从所述第二出射口射出以射向所述隔离器。
进一步的，所述第三合波元件包括第三滤光片、第三反射面、反射斜面以及第三出射口，其中，所述反射斜面与所述第三出射口成45度角设置，所述第三滤光片在所述第三合波元件的入射面并列设置有四个，相对应的，下层的激光器驱动芯片、激光器芯片以及透镜也分别设有四个，下层四个激光器芯片发出的水平光信号在进入所述第三合波元件后，通过所述第三反射面进行多次反射后合并成单路的水平光信号，并在所述反射斜面反射成垂直光信号，最后从所述第三出射口射出以射向所述转折三角棱镜。
进一步的，所述转折三角棱镜包括转折入射面、转折反射面以及转折出射面，所述转折入射面平行设置在所述第三出射口上方，所述第三出射口射出的光信号从所述转折入射面进入所述转折三角棱镜后，在所述转折反射面进行反射并从所述转折出射面射出以射向所述第二出射口，最后在所述第二出射口反射为平行光信号并射向所述隔离器。
进一步的，所述第二出射口上镀有分光膜层，所述分光膜层对上层激光器芯片发射的第一组波长范围内的光信号起全透射效果，对下层激光器芯片发射的第二组波长范围内的光信号起全反射效果。
进一步的，每个所述激光器驱动芯片上还设置有MPD，以实现对光发射模块的光功率监控。
与现有技术相比，本发明实施例的有益效果在于：通过将波分复用光纤组件与PCBA相结合，将波分复用光纤组件集成在PCBA上一同封装，提高了光发射模块的集成性，结构简单、封装工艺难度小，另外，还能通过叠层设置的合波组件来扩展光通道数量，使相同空间内可封装的光通道增多，实现在体积基本不变的情况下可以封装更多光通道的目的。
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，下面将对实施例或现有技术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它的附图。
图1为本发明实施例1所述的一种光发射模块的结构示意图；
图2为本发明实施例1所述的金属底板处的放大示意图；
图3为本发明实施例1所述的第一合波元件结构示意图；
图4为本发明实施例1所述的整体光路示意图；
图5为本发明实施例1所述的激光器准直光路原理图；
图6为本发明实施例1所述的波分复用光纤组件光路原理图；
图7为本发明实施例2所述的光路剖视示意图；
图8为本发明实施例2所述的合波组件结构示意图。
具体实施方式
在本发明的描述中，术语“内”、“外”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明而不是要求本发明必须以特定的方位构造和操作，因此不应当理解为对本发明的限制。另外，各个实施例中的技术特征，若无冲突便可任意组合。
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的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示，本发明的优选实施例1提出一种光发射模块，包括PCBA1以及设置在所述PCBA1上的金属底板2，其中，所述金属底板2上设置有多个不同波长的激光器芯片3、与所述激光器芯片3个数相对应的透镜4以及波分复用光纤组件5，所述PCBA1上设置有与所述激光器芯片3个数相对应的激光器驱动芯片6以及其他常规的电学元器件，PCBA1与金属底板2上各个光电元件互相配合，以实现光电信号的转换。上述模块的使用过程如下：在多个激光器驱动芯片6的驱动下，不同波长的激光器芯片3发射出不同波长的光信号并经过对应透镜4后进入所述波分复用光纤组件5，所述波分复用光纤组件5将不同波长的光信号复用为单路光信号以对外发射。
如图2所示，为本优选实施例中金属底板2处的放大示意图，其中，所述波分复用光纤组件5包括设置在所述金属底板2上的基板51、设置在所述基板51上的合波组件52、隔离器53、准直透镜54、光纤55以及光纤适配器56，不同波长的光信号在进入所述波分复用光纤组件5时，先是经过所述合波组件52复用为单路的光信号，然后通过所述隔离器53后经过所述准直透镜54聚焦到光纤55中，最后通过所述光纤适配器56与外部光系统连接。在本优选实施例中，每个所述激光器驱动芯片6上还设置有MPD7(Monitor Photodiode，监控探测器，简写为MPD)，以实现对光发射模块的光功率监控。在本优选实施例中，准直透镜54、光纤55以及光纤适配器56还可以统一用一个准直光纤适配器来代替。
在本优选实施例中，所述合波组件52包括第一合波元件521，参考图3所示，所述第一合波元件521的入射面设有与所述透镜4个数相同、位置对应的第一滤光片5211，所述第一合波元件521在与所述第一滤光片5211相对的面上设有第一反射面5212以及第一出射口5213，所述第一出射口5213位置与所述隔离器53位置相对应，不同波长的光信号从对应的第一滤光片5211处进入所述第一合波元件521，经过多次反射后合并成单路的光信号从所述第一出射口5213射出，以射向所述隔离器53。上述设置中，所述第一滤光片5211并列设置有四个，所述透镜4、所述激光器芯片3以及所述激光器驱动芯片6均并列设置有四个，另外，第一合波元件521的入射面以及第一反射面5212均与所述激光器芯片3发射的光信号呈一定的倾斜角度，以使光信号可以在第一合波元件521内多次反射并最后合并为单路光信号从第一出射口5213射出。
在上述设置下，本实施例的光、电结构分别由四个通道组成。四个波长的激光器芯片3、四个独立的透镜4以及波分复用光纤组件5可以通过贴装固定在金属底板上；激光器驱动芯片6可以贴装在PCBA上，用于控制激光器芯片3的光信号发射；MPD7可以贴装在激光器驱动芯片6的表面，用于实现光模块的光功率监控。
如图4所示，为本实施例的整体光路示意图，在本优选实施例中，四路并列的激光器芯片3发射的光信号分别为波长λ1、λ2、λ3、λ4的发散光，这些光信号经过对应透镜4后准直成为平行准直光(将发散光准直为平行准直光的过程可参考图5所示的激光器准直光路原理图)，然后每四路不同波长的光信号在第一合波元件521内复用为单路的准直光信号，单路的准直光信号通过隔离器53后，经过准直透镜54聚焦到光纤55中，最后通过光纤适配器56与外部光系统连接(该过程可参考图6所示的波分复用光纤组件光路原理图)。
继续参考图4，在本优选实施例中，每两个激光器芯片3之间的间距为d，相应的，每两个透镜4、第一合波元件521的每两个通道之间的间距均为d，且和激光器芯片3一一对准。参考图3，第一合波元件521主体为玻璃载体，第一反射面5212上镀有全反射膜，以增强反射性能，第一出射口5213处镀有增透膜，以增强透射性能。
基于上述结构与光路，本优选实施例接下来还对提供的光发射模块的封装方法过程进行详细说明。
本优选实施例中光发射模块的封装分两大步，需要先封装波分复用光纤组件5，然后以波分复用光纤组件5为整体来封装光发射模块。
具体的，对于波分复用光纤组件5的封装，参考图2、图3，本实施例将第一合波元件521、隔离器53和准直光纤适配器(也即准直透镜54、光纤55以及光纤适配器56)贴装固定在基板51上，第一合波元件521中每两个相邻的第一滤光片5211通道间距为d；隔离器53和准直光纤适配器中心对准，并对准第一合波元件521的第一出射口5213的光路中心。第一合波元件521中从下至上分别为通道1、通道2、通道3、通道4，通道1的光信号经过对应第一滤光片5211后，在玻璃载体中反射12次后从第一出射口5213输出；通道2的光信号经过对应第一滤光片5211后，在玻璃玻璃载体中反射8次后从第一出射口5213输出；通道3的光信号经过对应第一滤光片5211后，在玻璃载体中反射4次后从第一出射口5213输出；通道4的光信号经过对应第一滤光片5211后，直接从第一出射口5213输出。通过四个第一滤光片5211、玻璃载体以及镀有的全反射膜和增透膜，即可实现四个通道波长光信号的波分复用功能。
在波分复用光纤组件5封装后即可开始封装整个光发射模块，过程如下。
第一步，将PCBA1与金属底板2进行胶粘连接。
第二步，通过芯片贴装设备，将激光器驱动芯片6、激光器芯片3按照设计好的贴装坐标贴装在PCBA1和金属底板2相应位置上，激光器芯片3的间距也为d；将波分复用光纤组件5贴装在金属底板2上，并保持各个第一滤光片5211中心和激光器芯片3中心一一对准。
第三步，通过激光器驱动芯片6给激光器芯片3加直流电信号，通过有源光耦合方法，将四个通道的透镜4分别耦合固定在光路的正确位置，最终完成光发射模块的封装制作。
通过以上方法，即可完成光发射模块的封装。整个封装结构紧凑，工艺步骤简单。目前传统100G\400G光模块，发射端器件分立且内部光学结构元件数量众多，导致整体封装方法复杂，物料成本和制造成本都较高。而本实施例提出的光发射模块，采用了波分复用光纤组件5，整个封装步骤可缩减1/3以上，且整体结构紧凑，封装过程简单，集成度高，可降低光模块大规模量产的成本，利于批量商用。
实施例2
基于实施例1提供的光发射模块，本实施例2还可以对其合波组件52部分进行扩展，以增加光通道数量，实现在体积基本不变的情况下可以封装更多光通道的目的。具体的，如图7所示，为本实施例2的光路剖视示意图，本实施例2提供的合波组件52包括上下叠层设置的第二合波元件522、第三合波元件523以及设置在所述第二合波元件522和所述第三合波元件523之间的转折三角棱镜524。相对应的，所述透镜4、所述激光器芯片3以及所述激光器驱动芯片6均设置有上下两层且分别与所述第二合波元件522、第三合波元件523的入射面对应，从上层激光器芯片3发出的光信号依次经过上层透镜4、第二合波元件522后，从所述第二合波元件522的第二出射口5223射向所述隔离器53，从下层激光器芯片3发出的光信号依次经过下层透镜4、第三合波元件523、转折三角棱镜524后，在所述第二合波元件522的第二出射口5223反射并射向所述隔离器53。参考图8，在本优选实施例中，设置在上层的第二合波元件522和设置在下层的第三合波元件523分别都有四个光通道每层也可以为更多个光通道，本实施例只是以常见的四通道为例进行说明，上下两层合起来就有八个光通道，相较于传统只布置一层结构的设置，本实施例可以布置更多的光通道。
如图8所示，为本实施例2提供的合波组件52结构示意图。参考图7、图8，在本优选实施例中，第二合波元件522包括第二滤光片5221、第二反射面5222以及所述第二出射口5223，其中，所述第二滤光片5221在所述第二合波元件522的入射面并列设置有四个，相对应的，上层的激光器驱动芯片6、激光器芯片3以及透镜4也分别设有四个图中未示出，上层四个激光器芯片3发出的光信号在进入所述第二合波元件522后，通过所述第二反射面5222进行多次反射后合并成单路的光信号从所述第二出射口5223射出以射向所述隔离器53。其中，四个第二滤光片5221可分别通过一种波长的光信号，也即可以使四种波长的光信号进入第二合波元件522内；第二反射面5222上镀有增反膜，可以增强反射效率；第二出射口5223上镀有增透膜，可以增强透射效率。
在本优选实施例中，所述第三合波元件523包括第三滤光片5231、第三反射面5232、反射斜面5233以及第三出射口5234，其中，所述反射斜面5233与所述第三出射口5234成45度角设置，所述第三滤光片5231在所述第三合波元件523的入射面并列设置有四个，相对应的，下层的激光器驱动芯片6、激光器芯片3以及透镜4也分别设有四个，下层四个激光器芯片3发出的水平光信号在进入所述第三合波元件523后，通过所述第三反射面5232进行多次反射后合并成单路的水平光信号，并在所述反射斜面5233反射成垂直光信号，最后从所述第三出射口5234射出以射向所述转折三角棱镜524。其中，四个第三滤光片5231可分别通过一种波长的光信号，也即可以使四种波长的光信号进入第三合波元件523内；第三反射面5232上镀有增反膜，可以增强反射效率；反射斜面5233上镀有增反膜，可以增强反射效率；第三出射口5234上镀有增透膜，可以增强透射效率。
在本优选实施例中，所述转折三角棱镜524包括转折入射面5241、转折反射面5242以及转折出射面5243，所述转折入射面5241平行设置在所述第三出射口5234上方，所述第三出射口5234射出的光信号从所述转折入射面5241进入所述转折三角棱镜524后，在所述转折反射面5242进行反射并从所述转折出射面5243射出以射向所述第二出射口5223，最后在所述第二出射口5223反射为平行光信号并射向所述隔离器53。其中，转折入射面5241上镀有增透膜，可以增强透射效率；转折反射面5242上镀有增反膜，可以增强反射效率；转折出射面5243上镀有增透膜，可以增强透射效率。
在本优选实施例中，所述第二出射口5223上镀有分光膜层，所述分光膜层对上层激光器芯片3发射的第一组波长范围内的光信号起全透射效果，对下层激光器芯片3发射的第二组波长范围内的光信号起全反射效果。其中，四个第二滤光片5221可通过的光信号的波长处于第一组波长范围内，四个第三滤光片5231可通过的光信号的波长处于第二组波长范围内，本实施例中第一组波长范围以及第二组波长范围分别为长波以及短波。另外，由于分光膜层的波长选择功能主要取决于入射角，例如为了满足粗波分复用CWDM系统对波长的要求，分光膜层的入射角必须小于21度，优选的小于16度。随着入射角的增大，长波与短波的相邻波长可能会出现混合。基于该情况，从转折出射面5243射向第二出射口5223的光信号与水平面的夹角需要小于21度，优选的小于16度。
综上所述，本实施例2在实施例1的基础上，对合波组件52进行扩展，通过叠层设置的第二合波元件522以及第三合波元件523来增加光通道数量，使相同空间内可封装的光通道增多，实现在体积基本不变的情况下可以封装更多光通道的目的。
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种光发射模块，其特征在于，包括PCBA(1)以及设置在所述PCBA(1)上的金属底板(2)，其中，所述金属底板(2)上设置有多个不同波长的激光器芯片(3)、与所述激光器芯片(3)个数相对应的透镜(4)以及波分复用光纤组件(5)，所述PCBA(1)上设置有与所述激光器芯片(3)个数相对应的激光器驱动芯片(6)，在多个激光器驱动芯片(6)的驱动下，不同波长的激光器芯片(3)发射出不同波长的光信号并经过对应透镜(4)后进入所述波分复用光纤组件(5)，所述波分复用光纤组件(5)将不同波长的光信号复用为单路光信号以对外发射；
所述波分复用光纤组件(5)包括隔离器(53)和合波组件(52)，所述合波组件(52)包括上下叠层设置的第二合波元件(522)、第三合波元件(523)以及设置在所述第二合波元件(522)和所述第三合波元件(523)之间的转折三角棱镜(524)，相对应的，所述透镜(4)、所述激光器芯片(3)以及所述激光器驱动芯片(6)均设置有上下两层且分别与所述第二合波元件(522)、第三合波元件(523)的入射面对应，从上层激光器芯片(3)发出的光信号依次经过上层透镜(4)、第二合波元件(522)后，从所述第二合波元件(522)的第二出射口(5223)射向所述隔离器(53)，从下层激光器芯片(3)发出的光信号依次经过下层透镜(4)、第三合波元件(523)、转折三角棱镜(524)后，在所述第二合波元件(522)的第二出射口(5223)反射并射向所述隔离器(53)。
2.根据权利要求1所述的光发射模块，其特征在于，所述波分复用光纤组件(5)包括设置在所述金属底板(2)上的基板(51)、设置在所述基板(51)上的合波组件(52)、准直透镜(54)、光纤(55)以及光纤适配器(56)，不同波长的光信号在进入所述波分复用光纤组件(5)时，先是经过所述合波组件(52)复用为单路的光信号，然后通过所述隔离器(53)后经过所述准直透镜(54)聚焦到光纤(55)中，最后通过所述光纤适配器(56)与外部光系统连接。
3.根据权利要求2所述的光发射模块，其特征在于，所述合波组件(52)包括第一合波元件(521)，所述第一合波元件(521)的入射面设有与所述透镜(4)个数相同、位置对应的第一滤光片(5211)，所述第一合波元件(521)在与所述第一滤光片(5211)相对的面上设有第一反射面(5212)以及第一出射口(5213)，所述第一出射口(5213)位置与所述隔离器(53)位置相对应，不同波长的光信号从对应的第一滤光片(5211)处进入所述第一合波元件(521)，经过多次反射后合并成单路的光信号从所述第一出射口(5213)射出，以射向所述隔离器(53)。
4.根据权利要求3所述的光发射模块，其特征在于，所述第一滤光片(5211)并列设置有四个，所述透镜(4)、所述激光器芯片(3)以及所述激光器驱动芯片(6)均并列设置有四个。
5.根据权利要求1所述的光发射模块，其特征在于，所述第二合波元件(522)包括第二滤光片(5221)、第二反射面(5222)以及所述第二出射口(5223)，其中，所述第二滤光片(5221)在所述第二合波元件(522)的入射面并列设置有四个，相对应的，上层的激光器驱动芯片(6)、激光器芯片(3)以及透镜(4)也分别设有四个，上层四个激光器芯片(3)发出的光信号在进入所述第二合波元件(522)后，通过所述第二反射面(5222)进行多次反射后合并成单路的光信号从所述第二出射口(5223)射出以射向所述隔离器(53)。
6.根据权利要求5所述的光发射模块，其特征在于，所述第三合波元件(523)包括第三滤光片(5231)、第三反射面(5232)、反射斜面(5233)以及第三出射口(5234)，其中，所述反射斜面(5233)与所述第三出射口(5234)成45度角设置，所述第三滤光片(5231)在所述第三合波元件(523)的入射面并列设置有四个，相对应的，下层的激光器驱动芯片(6)、激光器芯片(3)以及透镜(4)也分别设有四个，下层四个激光器芯片(3)发出的水平光信号在进入所述第三合波元件(523)后，通过所述第三反射面(5232)进行多次反射后合并成单路的水平光信号，并在所述反射斜面(5233)反射成垂直光信号，最后从所述第三出射口(5234)射出以射向所述转折三角棱镜(524)。
7.根据权利要求6所述的光发射模块，其特征在于，所述转折三角棱镜(524)包括转折入射面(5241)、转折反射面(5242)以及转折出射面(5243)，所述转折入射面(5241)平行设置在所述第三出射口(5234)上方，所述第三出射口(5234)射出的光信号从所述转折入射面(5241)进入所述转折三角棱镜(524)后，在所述转折反射面(5242)进行反射并从所述转折出射面(5243)射出以射向所述第二出射口(5223)，最后在所述第二出射口(5223)反射为平行光信号并射向所述隔离器(53)。
8.根据权利要求7所述的光发射模块，其特征在于，所述第二出射口(5223)上镀有分光膜层，所述分光膜层对上层激光器芯片(3)发射的第一组波长范围内的光信号起全透射效果，对下层激光器芯片(3)发射的第二组波长范围内的光信号起全反射效果。
9.根据权利要求1-8任一所述的光发射模块，其特征在于，每个所述激光器驱动芯片(6)上还设置有MPD(7)，以实现对光发射模块的光功率监控。
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