CN115598777A - 一种多通道并行光模块组件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种多通道并行光模块组件，包括PCBA板以及设置于PCBA板上方依次耦合连接的硅光芯片、FA组件、阵列透镜、阵列隔离器、耦合透镜组和激光器组，所述硅光芯片包括多路输入波导和输出波导，FA组件具有多个模场渐变的光纤，且该光纤的小模场一端与硅光芯片的输入波导、输出波导一一对应，FA组件上与硅光芯片的输入波导对应的光纤的大模场一端与阵列透镜对应，FA组件上与硅光芯片的输出波导对应的光纤的大模场一端通过光纤线缆连接光接口。该发明中通过设计FA组件采用模场渐变的光纤与硅光芯片波导区进行耦合连接，有效解决了现有技术中由于硅光芯片波导区材质折射率与光缆内的光纤折射率差异大，两波导直接耦合存在模式失配的问题。

Description

一种多通道并行光模块组件
技术领域
本发明属于光通信技术领域，具体涉及一种多通道并行光模块组件。
背景技术
对于多通道并行光组件，多用于40Gpbs以上速率的场景，如40G、100G 、200G以及400G、800G等应用中，在数据中心的应用中，通常是中短距离的数据传输，传输距离为50-2Km，使用的是SR、DR、FR等多种产品。通过400G、800G等高速光模块而言，光纤的色散是制约光模块传输距离的主要因素，EML型激光器以获得窄谱宽、外调制的方法是获得稳定调制并且色散低的技术方案，也是现今市场的主流的选择，如专利CN110764202A。然而应用于400G、800G速率的EML型激光器芯片，属于高端有技术瓶颈的核心芯片，价格昂贵，而并行光组件意味着采用多路EML芯片，所以光组件的物料成本很高。如何降低并行光组件的成本一直是业界努力的方向。专利CN202120785128.9、CN202110412405.6采用的硅光集成芯片方案，适用于单波长并行传输，光接口处的光纤是多通道类似，并不能适用于诸如CWDM4等多波长并行传输的情形。另外，现有多通道并行光组件中硅光芯片波导与光缆波导采用波导间直接耦合方式，而由于硅光芯片波导区材质折射率与光缆内的光纤折射率差异大，两波导直接耦合存在模式失配的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种多通道并行光模块组件，至少可以解决现有技术中存在的部分缺陷。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种多通道并行光模块组件，包括PCBA板以及设置于PCBA板上依次耦合连接的硅光芯片、FA组件、阵列透镜、阵列隔离器、耦合透镜组和激光器组，所述硅光芯片包括多路输入波导和输出波导，所述FA组件具有多个模场渐变的光纤，且该光纤的小模场一端与硅光芯片的输入波导、输出波导一一对应，所述FA组件上与硅光芯片的输入波导对应的光纤的大模场一端与阵列透镜对应，所述FA组件上与硅光芯片的输出波导对应的光纤的大模场一端通过光纤线缆连接光接口。
进一步的，所述硅光芯片包括芯片本体，所述芯片本体内集成有多路输入波导、用于分光的分路器单元、用于调制光信号的调制器单元、用于将光信号转换成光电流的监控探测器单元、用于波分复用的波分复用波导区单元以及两路输出波导；所述输入波导与所述分路器单元的输入端连接，所述调制器单元包括多个调制器，所述监控探测器单元包括多个监控探测器，所述调制器和监控探测器与分路器单元分光后的光路对应，所述波分复用波导区单元包括两个波分复用波导区，两个所述波分复用波导区分别位于硅光芯片两侧，多个所述调制器通过传输波导分别连接至两个波分复用波导区，两个所述波分复用波导区分别与两路输出波导连接。
进一步的，所述分路器单元包括多个3dB分路器和多个第一比例分路器，每路所述输入波导上对应一个3dB分路器，经3dB分路器分光成两路光路，其中一光路上对应设置一个调制器，另一光路上对应设置一个第一比例分路器，经第一比例分路器按比例分成两路光路上分别设置一个调制器和监控探测器，经各所述3dB分路器分光的光路上调制器连接至一个波分复用波导区，经各所述第一比例分路器分光的光路上调制器连接至另一个波分复用波导区。
进一步的，所述输出波导与波分复用波导区之间的光路上设有第二比例分路器，输出波导经第二比例分路器分光成两路光路，其中一路光路对应波分复用波导区，另一光路对应一个监控探测器，所述监控探测器用于监控反向输入光信号。
进一步的，所述硅光芯片与所述FA组件在壳外耦合组装成半成品组件，并通过反向输入光信号、探测硅光芯片输出波导的光电流的方式实现耦合组装。
进一步的，所述FA组件包括底板、盖板、设置于底板与盖板之间的多个模场渐变的光纤以及用于固结FA组件与光纤线缆的尾胶，所述底板与盖板粘接，且底板与盖板之间设有供光纤穿过的V槽，所述FA组件靠近硅光芯片的一端面设置为0度，且与硅光芯片的输入波导和输出波导所在端面贴合并通过折射率匹配胶粘接固定，所述FA组件远离硅光芯片的一端面设置为8度倾斜角的斜面。
进一步的，所述FA组件上与硅光芯片的输入波导对应的光纤位于FA组件的中部，所述FA组件上与硅光芯片的输出波导对应的光纤位于FA组件的两侧。
进一步的，所述阵列透镜、阵列隔离器、耦合透镜组和激光器组均具有多通道，其通道数与硅光芯片的输入波导数相同，且一一对应。
进一步的，所述PCBA板上具有贯通其上下表面的窗口，所述窗口处设有支撑板，所述支撑板为两层台阶结构，其中低层台阶位于窗口的下方并完全覆盖所述窗口且紧贴所述PCBA板下表面，高层台阶置于所述窗口内部，所述硅光芯片设在该高层台阶上，所述窗口内部还设有热尘，所述热尘通过高导热胶粘接在低层台阶上，所述阵列透镜、阵列隔离器、耦合透镜组和激光器组设置于所述热尘上。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
(1)本发明提供的这种多通道并行光模块组件中FA组件采用模场渐变的光纤与硅光芯片波导区进行耦合连接，有效解决了现有技术中由于硅光芯片波导区材质折射率与光缆内的光纤折射率差异大，两波导直接耦合存在模式失配的问题；同时FA组件中间四路采用的模场渐变的光纤的模场直径接近普通光模光纤的模场直径，可以采用业界已经成熟的激光芯片+透镜+单模光纤的耦合光路，利用成熟的透镜，一方面可以减少透镜订制成本，同时采用已经成熟的耦合平台，减少了成本。
(2)本发明提供的这种多通道并行光模块组件采用硅光芯片，通过集成的分路器单元、调制器单元、监控探测器单元以及波分复用波导区单元，实现多通道传输，具有性能优良、较低成本、结构简单、可靠性高等优点，且满足低插入损耗、低回波损耗、低光学串扰的要求；另外，在硅光芯片中集成波分复用波导区单元可以减少零件数量，降低封装难度，提高良率。
(3)本发明提供的这种多通道并行光模块组件中硅光芯片和FA组件能够在壳外耦合并组装成半成品组件，将该半成品组件组装到这种多通道并行光模块组件中，不仅可以通过反向输入光信号、探测硅光芯片输出波导的监控探测器光电流的方式实现耦合组装，而且这种壳外组装方式在组装时空间大、易操作、并且该半成品组件可以独立组装，该组装工序先于输入部分的元件组装，避免在组装时工夹与输入部分的元件（如激光器芯片组、透镜组）的碰撞，提高产品良率，同时提高工时工效。另外这种壳外组装方式可以由外协加工厂商加工完成，提高资源的利用率及降低成本。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明多通道并行光模块组件中硅光芯片的结构示意图；
图2是本发明多通道并行光模块组件的结构示意图；
图3是本发明多通道并行光模块组件的俯视图；
图4是本发明多通道并行光模块组件的侧视图；
图5是本发明多通道并行光模块组件的局部放大图；
图6是图5的俯视图；
图7是图5的侧视图；
图8是本发明多通道并行光模块组件中FA组件与光接口连接示意图；
图9是本发明多通道并行光模块组件中FA组件的剖面图；
图10是本发明多通道并行光模块组件中FA组件的光纤渐变模场折射率分布示意图。
具体实施方式
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，还可以是抵触连接或一体地连接；对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
如图2所示，本实施例提供了一种多通道并行光模块组件，包括PCBA板以及设置于PCBA板上依次耦合连接的硅光芯片、FA组件、阵列透镜、阵列隔离器、耦合透镜组和激光器组，所述硅光芯片包括多路输入波导和输出波导，所述FA组件具有多个模场渐变的光纤，且该光纤的小模场一端与硅光芯片的输入波导、输出波导一一对应，所述FA组件上与硅光芯片的输入波导对应的光纤的大模场一端与阵列透镜对应，所述FA组件上与硅光芯片的输出波导对应的光纤的大模场一端通过光纤线缆连接光接口。本实施例中FA组件采用模场渐变的光纤与硅光芯片波导区进行耦合连接，有效解决了现有技术中由于硅光芯片波导区材质折射率与光缆内的光纤折射率差异大，两波导直接耦合存在模式失配的问题。
作为本实施例的优化方案，如图1所示，所述硅光芯片包括芯片本体，所述芯片本体内集成有多路输入波导、用于分光的分路器单元、用于调制光信号的调制器单元、用于将光信号转换成光电流的监控探测器单元、用于波分复用的波分复用波导区单元以及两路输出波导；所述输入波导与所述分路器单元的输入端连接，所述调制器单元包括多个调制器，所述监控探测器单元包括多个监控探测器，所述调制器和监控探测器与分路器单元分光后的光路对应，所述波分复用波导区单元包括两个波分复用波导区，两个所述波分复用波导区分别位于硅光芯片两侧，多个所述调制器通过传输波导分别连接至两个波分复用波导区，两个所述波分复用波导区分别与两路输出波导连接。本实施例的这种硅光芯片通过集成的分路器单元、调制器单元、监控探测器单元以及波分复用波导区单元实现多通道传输，具有性能优良、较低成本、结构简单、可靠性高等优点，且满足低插入损耗、低回波损耗、低光学串扰的要求；另外，在硅光芯片中集成波分复用波导区单元可以减少零件数量，降低封装难度，提高良率。
具体的，本实施例中硅光芯片以芯片本体内集成4路输入波导为例进行具体说明，如图1所示，硅光芯片采用长方体结构，在芯片本体内部集成有四路输入波导，对应图中的标号分别是101-1、101-2、101-3、101-4，还集成有四个3dB分路器，对应图中的标号分别是102-1、102-2、102-3、102-4，集成有四个第一比例分路器，对应图中的标号分别是103-1、103-2、103-3、103-4，两个第二比例分路器，对应图中的标号分别是103-5、103-6，八个调制器可以是MZ波导型调制器，对应图中的标号分别是104-1、104-2、104-3、104-4、104-5、104-6、104-7、104-8，芯片本体内部还集成有八路传输波导，对应图中的标号分别是105-1、105-2、105-3、105-4、105-5、105-6、105-7、105-8，集成有六个监控探测器，对应图中的标号分别是106-1、106-2、106-3、106-4、106-5、106-6，两个波分复用波导区，对应图中的标号分别是107-1、107-2，两路输出波导，对应图中标号分别是108-1、108-2。在芯片外表面集成有高速信号焊盘区109、直流控制信号焊盘区110-1、110-2。硅光芯片的材质可采用不限于硅基材料、薄膜铌酸锂材料等。
其中，四路输入波导101-1、101-2、101-3、101-4，两路输出波导108-1、108-2，总计6条波导，全部位于硅光芯片最下端的边界端部，四路输入波导101-1、101-2、101-3、101-4位于中间区域，输入波导101-1、101-2、101-3、101-4之间采用等间距分布，以0.8～2毫米为宜；在输入波导101-1的左侧是输出波导108-1、在输入波导101-4的右侧是输出波导108-2，输入波导101-1与输出波导108-1之间的间距、输入波导101-4与输出波导108-2之间的间距以1～2毫米为宜。
在输入波导101-1、101-2、101-3、101-4的上方依次是3dB分路器102-1、102-2、102-3、102-4，其中输入波导101-1对应3dB分路器102-1、输入波导101-2对应3dB分路器102-2、输入波导101-3对应3dB分路器102-3、输入波导101-4对应3dB分路器102-4。在3dB分路器102-1上方设置第一比例分路器103-1和MZ波导型调制器104-2，其中第一比例分路器103-1位于左侧，在第一比例分路器103-1输出两条波导，其中左侧波导臂上方设置MZ波导型调制器104-1，右侧波导臂上方设置监控探测器106-1；在3dB分路器102-2上方设置第一比例分路器103-2和MZ波导型调制器104-4，其中第一比例分路器103-2位于左侧，在第一比例分路器103-2输出两条波导，其中左侧波导臂上方设置MZ波导型调制器104-3，右侧波导臂上方设置监控探测器106-2；在3dB分路器102-3上方设置第一比例分路器103-3和MZ波导型调制器104-6，其中第一比例分路器103-3位于左侧，在第一比例分路器103-3输出两条波导，其中左侧波导臂上方设置MZ波导型调制器104-5，右侧波导臂上方设置监控探测器106-3；在3dB分路器102-4上方设置第一比例分路器103-4和MZ波导型调制器104-8，其中第一比例分路器103-4位于左侧，在第一比例分路器103-4输出两条波导，其中左侧波导臂上方设置MZ波导型调制器104-7，右侧波导臂上方设置监控探测器106-4。在本实施例中，第一比例分路器103-1、103-2、103-3、103-4可采用97:3比例分路器，其输出的两条波导中，对应MZ波导型调制器一侧波导臂分光比例是97%，对应监控探测器一侧波导臂分光比例是3%；当然，该第一比例分路器所选用的分光比不限于此，可根据功率需要调整，调整范围95：5～99.5：0.5之间或0.5：99.5～5：95均可。输出波导108-1上方是第二比例分路器103-5，第二比例分路器103-5输出两条波导，其中左侧波导臂上方设置波分复用波导区107-1，右侧波导臂上方设置监控探测器106-5；输出波导108-2上方是第二比例分路器103-6，第二比例分路器103-6输出两条波导，其中左侧波导臂上方设置监控探测器106-6，右侧波导臂上方设置波分复用波导区107-2；其中，第二比例分路器103-5选用97：3比例分路器，其输出的左侧波导臂分光比例是97%，输出的右侧波导臂分光比例是3%，第二比例分路器103-6选用3：97比例分路器，其输出的左侧波导臂分光比例是3%，输出的右侧波导臂分光比例是97%。
八个MZ波导型调制器从左到右依次是104-1、104-2、104-3、104-4、104-5、104-6、104-7、104-8，8个MZ波导型调制器通过传输波导105-1、105-2、105-3、105-4、105-5、105-6、105-7、105-8连接2个波分复用波导区107-1、107-2，其中传输波导105-1、105-3、105-5、105-7连接波分复用波导区107-1，传输波导105-2、105-4、105-6、105-8连接波分复用波导区107-2。传输波导105-2与传输波导105-3、105-5、105-7空间上存在交叉，设置成垂直交叉，传输波导105-4与传输波导105-5、105-7空间上存在交叉，设置成垂直交叉，传输波导105-6与传输波导105-7空间上存在交叉，设置成垂直交叉。传输波导105-1、105-3、105-5、105-7、波分复用波导区107-1、第二比例分路器103-5和输出波导108-1是一组波分复用元件，传输波导105-2、105-4、105-6、105-8、波分复用波导区107-2、第二比例分路器103-6和输出波导108-2是一组波分复用元件。在波分复用波导区107-1的左侧是直流控制信号焊盘区110-1，在波分复用波导区107-2的右侧是直流控制信号焊盘区110-2，在八个MZ波导型调制器区域上方是高速信号焊盘区109，高速信号焊盘区109位于硅光芯片的长边界的一侧，并平行于硅光芯片的长边界，直流控制信号焊盘区110-1、110-2位于硅光芯片的短边界的一侧，并平行于短边界。
监控探测器106-1、106-2、106-3、106-4的作用是用来监控四个输入波导101-1、101-2、101-3、101-4的光功率并通过负反馈方式控制输入光功率的稳定；监控探测器106-5、106-6的作用是监控输出波导108-1、108-2在反向输入光功率时的功率值，用于光组件的耦合。
特别说明的是，将第一比例分路器103-1、103-2、103-3、103-4设置在3dB分路器102-1、102-2、102-3、102-4的一个分支波导上，而不是设置在输入波导101-1、101-2、101-3、101-4的波导上，目的是为了防止监控探测器106-1、106-2、106-3、106-4在模块级电压采样值的饱和问题。模块工作时，通常采用采样电阻串联监控探测器106，形成一个采样电压，该采样电压对于某些常规的信号处理芯片而言，存在数据饱和的问题，即当采样电压值较大而满档时出现数据饱和，数据溢出而无法分析。举例说明，硅光芯片采用的大功率激光器芯片出光功率通常在70mW以上，耦合进入硅光芯片的光功率大于35mW，若将第一比例分路器103设置在输入波导101的波导上，监控探测器106的电流值大于1mA，采样电压大于10V，该电压值超出数据处理芯片的档位，而设置在3dB分路器102的一个分支波导上时，采用电压会下降一半，满足采样范围要求。
输入波导101-1、101-2、101-3、101-4是经过特殊设计的稳模波导，长度大于1毫米，具有约1dB的插入损耗，使得从外界输入的任意光束通过输入波导101-1、101-2、101-3、101-4之后具有稳定的单模场、单偏振模，任意光束包括倾斜入射的光束、超过或小于波导理论单模口径的光束、不均匀的光束、多横模场的光束、强度多峰的光束等等。由于发射输入波导101-1、101-2、101-3、101-4是稳模波导，所以输入到3dB分路器的光波是均匀的单模场，3dB分路器的分光比例非常稳定，从而也确保了四个第一比例分路器、八个MZ波导型调制器以及四个监控探测器的输入模场的稳定性。
输入波导101-1、101-2、101-3、101-4以及输出波导108-1、108-2所在的硅光芯片的端面设置成0度平面或者4～8度倾斜角的斜面，本实施例优先0度平面方式。
波分复用波导区107-1、107-2的光学结构不限，可以是AWG型、MZ干涉型、刻蚀光栅型、MMI型等，作用是将来自于传输波导105-1、105-3、105-5、105-7以及传输波导105-2、105-4、105-6、105-8的四个波长分别合波到第二比例分路器103-5的97%波导和第二比例分路器103-6的97%波导，实现低插入损耗、低回波损耗、低光学串扰的要求。
对于多通道并行光模块组件的一种具体实施方式，如图2、图3和图4所示，在PCBA板201的上表面中部设置DSP芯片211，在上表面右侧约3/4位置处设置窗口212，窗口212完全贯通PCBA板201。硅光芯片203、激光器组204、耦合透镜组205、阵列隔离器206、阵列透镜207、玻璃条208、FA组件209全部位于窗口212的区域之内。窗口212处设有支撑板401，如图5所示，支撑板401有两层台阶，即高层台阶502和低层台阶，其中低层台阶位于窗口212的下方，并且完全覆盖窗口212，紧贴PCBA板201的下表面，通过结构胶固化粘接在PCBA板201的下方，支撑板401的高层台阶502完全设置在窗口212内部；支撑板401呈现长方形，在水平方向，四周与窗口212之间预留0.05～0.15毫米的间隙，在支撑板401的高层台阶502上，通过高导热胶固定硅光芯片203，硅光芯片203完全覆盖支撑板401的高层台阶502，在高度上硅光芯片203的上表面平行或者略高于PCBA板201的上表面约0～0.15mm，在支撑板401的低层台阶的上方、窗口212的内部设置热尘501，热尘501通过高导热胶粘接在支撑板401的低层台阶的上方。在热尘501上方设置激光器组204、耦合透镜组205、阵列隔离器206以及阵列透镜207。
硅光芯片203的设置方向满足：高速信号焊盘区109位于左侧，靠近窗口212的左侧边界，直流控制信号焊盘区110-1位于下方、直流控制信号焊盘区110-2位于上方，靠近窗口212的下方边界，按此方式，硅光芯片203的6条输入/输出波导全部位于右侧。PCBA板201根据不同的电芯片方案，可以采用DSP芯片211直接驱动硅光芯片203，也可以采用采用分级式驱动，即采用DSP芯片211驱动driver芯片、driver芯片驱动硅光芯片203。本实施例采用DSP芯片211直接驱动硅光芯片203，按此方案，在PCBA板201靠近窗口212的左侧边界处，设置高频走线以及引脚焊盘，引脚焊盘与硅光芯片203的高速信号焊盘区109直接进行金丝键合，在PCBA板201靠近窗口212的下侧边界处，设置控制信号走线以及引脚焊盘，引脚焊盘与硅光芯片203的直流控制信号焊盘区110-1、110-2直接进行金丝键合。
如图3和图4所示，整个光模块组件包含两大部分，第一部分是PCBA板201（含DSP芯片211），其余部分均为光路部分。光路部分又包含输入与输出两组部件，其中输入部件包含激光器组204、耦合透镜组205、阵列隔离器206、阵列透镜207、FA组件209中间四路光纤803-2、803-3、803-4、803-5以及硅光芯片的四个输入波导101-1、101-3、101-3、101-4，输出部分包含硅光芯片的两个输出波导108-1和108-2、FA组件209的两路光纤803-1和803-6、光纤线缆210-1、210-2以及LC/XMD型光接口202-1、202-2。
输入部分的激光器组204、耦合透镜组205、阵列隔离器206和阵列透镜207的通道数相同，本实施例中采用4通道，即激光器组204包含4个激光器芯片，波长优选CWDM4的四个波长，比如1271nm、1291nm、1311nm和1331nm，每个激光器芯片均设置在一个由高导热材料制成的载体上，呈等间距分布，在高导热材料制成的载体上表面、激光器芯片的侧边设置一个电容，用于滤波，激光器芯片是直流型大功率激光器芯片，芯片本身不需要加高频信号，仅供直流电流，在激光器组204的侧边、热尘501的上表面设置热敏电阻（图中未画），用于监控激光器芯片的温度。耦合透镜组205、阵列隔离器206和阵列透镜207各自的4个通道的物理参数相同，各通道呈等间距分布，间距与激光器的间距相同。
如图2和图3所示，输入部分的激光器组204、耦合透镜组205、阵列隔离器206和阵列透镜207位于中间区域，FA组件209的右侧，上侧是光纤线缆210-2，下侧是光纤线缆210-1。激光器芯片的出光方向朝向左侧，即朝向硅光芯片方向，激光器芯片的出光方向、耦合透镜组205和阵列隔离器206均平行于硅光芯片的短边界，并且激光器芯片的出光方向与耦合透镜组205同轴设置，所以激光器芯片出射的光束经过耦合透镜组205、阵列隔离器206之后仍平行于硅光芯片203的短边界。
如图5、图6和图7所示，为便于图示输入部分的元件，将光纤线缆210-1和光纤线缆210-2截断不显示，仅保留尾胶802-1、802-2。FA组件209设置在硅光芯片203的右侧，阵列透镜207设置在FA组件209的右侧，在光学上，FA组件209的四个光纤803-2、803-3、803-4、803-5与硅光芯片203的4个输入波导101-1、101-2、101-3、101-4是一一对齐的，阵列透镜207的四个通道的透镜中心与FA组件的4个四个光纤803-2、803-3、803-4、803-5是一一对齐的，阵列透镜207通过高精度自动贴片机贴装在热尘501上，并通过胶水固定。在阵列透镜207的右侧是阵列隔离器206，是常规的磁光型隔离器，由四个磁光晶体和磁块组成，磁光晶体的中心与阵列透镜207的四个透镜的中心一一对齐。在阵列隔离器206的右侧是耦合透镜组205，耦合透镜组205是4个单独的透镜，通过高精度耦合机耦合之后，再由紫外双固化胶直接固定在热尘501上。在耦合透镜组205的右侧是激光器组204，激光器组204位于热尘501的右端。
对于输出部分的元件，包含硅光芯片203的两个输出波导108-1和108-2、FA组件209的两路光纤803-1和803-6、光纤线缆210-1、210-2和LC/XMD型光接口202-1、202-2。如图8所示，FA组件209是6通道元件，包含6根光纤，其中光纤803-1和803-6分别位于两侧，光纤803-2、803-3、803-4、803-5位于中间区域，优选的，6根光纤803-1、803-2、803-3、803-4、803-5和803-6等间距分布。在光路上，光纤803-1和803-6与硅光芯片203的两个输出波导108-1和108-2是一一对齐的，光纤线缆210-1、210-2的左端延伸在FA组件209的内部，形成光纤803-1和803-6，所以，光纤线缆210-1、210-2与光纤803-1和803-6就一一对应的。FA组件209、光纤线缆210和LC/XMD型光接口202-1、202-2组成一个光口半成品组件，方便整个光组件的耦合与封装。FA组件209与硅光芯片203是通过高精度耦合机实现精准定位的，经过高精度耦合后，在FA组件209与硅光芯片203之间涂折射率匹配胶，并设置一个玻璃条208，玻璃条208的作用是加强FA组件209与硅光芯片203之间的结合力。
如图8和图9所示，FA组件209包含底板901、盖板902、光纤803-1、803-2、803-3、803-4、803-5、803-6以及尾胶802-1、802-2。尾胶802-1、802-2用于粘接并牢固FA组件209与光纤线缆210，确保光纤线缆210的可靠性。底板901和盖板902通过胶水粘接在一起，形成的组件有两个工作表面端面，如图9所示，左侧表面设置成0度，左侧表面与硅光芯片203的输入输出面贴合并通过折射率匹配胶粘接在一起，组件的右侧表面设置成8度角。在底板901与盖板902之间是6根光纤803-1、803-2、803-3、803-4、803-5和803-6，其中光纤803-2、803-3、803-4、803-5是一段光纤，连通底板901与盖板902形成的组件的左右两个工作面。
光纤线缆210连接光接口202的光纤通常是业界非常用的单模光纤或者微弯光纤，模场直径约9um。由于硅光芯片203波导区材质折射率与光纤线缆210内的光纤折射率通常并不一致，特别的，当硅光芯片采用铌酸锂材质（折射率约2.2）时，两个材质的折射率差异较大，由菲涅尔折射率公式可知，若硅光芯片采用斜8度角，FA组件209的工作面需要设置成约12.2度的斜角，会导致FA组件209朝向PCBA板201的方向倾斜，导致FA组件209撞到PCBA板201，引起光纤线缆210的可靠性风险，严重时存在折断风险。在本实施例中，将硅光芯片203的工作面与FA组件209左侧工作面都设置成0度平面，避免这个问题。但是由于硅光芯片203波导区材质折射率与光纤线缆210内的光纤折射率差异大，根据基模理论可知，铌酸锂材质的波导内的模场直径约3.5um，两者差异巨大，如果两波导采用波导间直接耦合的方式，存在约3dB的插入损耗，是不可接受的，存在模式失配的问题，本实施例中采用模场渐变光纤解决两波导模式失配的问题。
FA组件209中6根模场渐变的光纤803-1、803-2、803-3、803-4、803-5和803-6制作方法如下：首先，采用小模场光纤的特种光纤，通过火焰烧结的方式将小模场光纤制作成模场渐变的光纤，模场分布如图10所示，小模场光纤原模场直径为w0，与硅光芯片的模场直径接近，烧结后形成渐变区域并形成大模场区域，模场直径为w1，w1约9um，与常规单模光纤接近；再将烧结好的四根渐变模场光纤803-2、803-3、803-4、803-5穿入FA组件209的底板与盖板之间的四个V槽内，确保大模场区域位于FA组件的斜8度面位置，通过胶水固定该四根光纤；进行第一次研磨，形成FA组件的斜8度面；清洁FA组件后，将烧结好的另外两根渐变模场光纤803-1、803-6与常规单模光纤或微弯光纤通过电火花放电方式焊接在一起，并形成两根光纤线缆210-1、210-2；然后，将两根光纤线缆210-1、210-2的渐变模场区域穿入FA组件的两侧V槽内，通过胶水固定该两根光纤，采用尾胶将火花放电熔接位置保护，形成尾胶802-1、802-2；进行第二次研磨，形成FA组件的0度面。通过合理设计火焰烧结的参数、FA组件的长度、研磨的深度，可以确保803-2、803-3、803-4、803-5四根光纤，在FA组件的0度端面处是小模场区域，斜8度端面处是大模场区域；可以确保803-1、803-6两根光纤，在FA组件的0度端面处是小模场区域。
由于FA组件中间四路采用的模场渐变的光纤的模场直径接近普通光模光纤的模场直径，可以采用业界已经成熟的激光芯片+透镜+单模光纤的耦合光路，利用成熟的透镜，一方面可以减少透镜订制成本，同时采用已经成熟的耦合平台，减少了成本。
FA组件209与热尘501并没有直接接触，而是悬空在热尘501的上方。FA组件209与光纤线缆210是一体的，光纤线缆210悬空在PCBA板201的上方，光纤线缆210的端部连接LC/XMD型光接口202-1、202-2，LC/XMD型光接口202-1、202-2是满足国际标准的光接口。
硅光芯片和FA组件能够在壳外耦合并组装成半成品组件，将该半成品组件组装到这种多通道并行光模块组件中，不仅可以通过反向输入光信号、探测硅光芯片输出波导的监控探测器光电流的方式实现耦合组装，而且这种壳外组装方式在组装时空间大、易操作、并且该半成品组件可以独立组装，该组装工序先于输入部分的元件组装，避免在组装时工夹与输入部分的元件（如激光器芯片组、透镜组）的碰撞，提高产品良率，同时提高工时工效。另外这种壳外组装方式可以由外协加工厂商加工完成，提高资源的利用率及降低成本。
FA组件209与硅光芯片203是通过高精度耦合机实现精准定位的，其耦合方法如下：(1)光接口202-1、202-2分别外接一个稳定输入光源，光信号逆向通过光口半成品组件到达FA组件的0度端面；(2)给硅光芯片203供电，可以监控探测器106-5、106-6的响应电流；(3)通过高精度耦合机，夹持FA组件209靠近硅光芯片203，通过硅光芯片203的Mark标识、FA组件209光波导位置，进行粗对准；(4)通过高精度耦合机六维空间耦合，进行精对准，通过监控探测器106-5、106-6的响应电流，找到两探测器响应度同时最大时的位置，记录该位置；(5)通过点胶机在硅光芯片203与FA组件209接触位置点折射率匹配胶；(6)放置玻璃条208至硅光芯片203与FA组件209接触位置；(7)重新耦合步骤(4)；(8)紫外灯固化折射率匹配胶，以固定硅光芯片203与FA组件209；(9)补胶，以加固硅光芯片203与FA组件209。
对于上述输入部分的元件组装步骤如下：(1)采用高精度贴片机，识别硅光芯片203的Mark点以及激光器芯片的标识点，将激光器组件204按标识距离贴装；(2)将阵列隔离器206贴装在设定位置；(3)通过高精度耦合机夹持阵列透镜207进行初步耦合，在固定工作距离情况下，进行二维耦合，找到最大光功率后通过紫外双固化胶固定；(4)通过高精度耦合机夹持耦合透镜组205中的第一通道，通过三维耦合找到最大功率后通过紫外双固化胶固定，之后依次夹持耦合透镜组205中的第二、三、四通道，通过三维耦合找到各自通道的最大功率后通过紫外双固化胶固定。
本实施例的多通道并行光模块组件的光路传输路径如下：激光器芯片发射直流光波，经过耦合透镜组205、阵列隔离器206、阵列透镜207之后进入FA组件209的四个光纤803-2、803-3、803-4、803-5，之后进入硅光芯片203的输入波导101-1、101-2、101-3、101-4，之后通过3dB分路器102-1、102-2、102-3、102-4、第一比例分路器103-1、103-2、103-3、103-4之后，主光波进入MZ波导型调制器104，少量光波进入监控探测器106-1、106-2、106-3、106-4，通过监控探测器106-1、106-2、106-3、106-4的响应电流值，通过反馈的方式可控制激光器芯片的能量输出。进入MZ波导型调制器104的光波通过MZ波导型调制器104的高频调制后变成交流的高频信号光束，但是光束的横模场仍满足单模条件，高频信号光束之后通过传输波导105传输到波分复用波导区107，之后被合波到第二比例分路器103-5和第二比例分路器103-6的97%分支波导，之后进入输出波导108，之后进入FA组件209的803-1、803-6，经过光纤线缆210-1、210-2进入LC/XMD型光接口202-1、202-2。光模块组件工作时LC/XMD型光接口处外接标准的光纤跳线。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种多通道并行光模块组件，其特征在于：包括PCBA板以及设置于PCBA板上依次耦合连接的硅光芯片、FA组件、阵列透镜、阵列隔离器、耦合透镜组和激光器组，所述硅光芯片包括多路输入波导和输出波导，所述FA组件具有多个模场渐变的光纤，且该光纤的小模场一端与硅光芯片的输入波导、输出波导一一对应，所述FA组件上与硅光芯片的输入波导对应的光纤的大模场一端与阵列透镜对应，所述FA组件上与硅光芯片的输出波导对应的光纤的大模场一端通过光纤线缆连接光接口。
2.如权利要求1所述的多通道并行光模块组件，其特征在于：所述硅光芯片包括芯片本体，所述芯片本体内集成有多路输入波导、用于分光的分路器单元、用于调制光信号的调制器单元、用于将光信号转换成光电流的监控探测器单元、用于波分复用的波分复用波导区单元以及两路输出波导；所述输入波导与所述分路器单元的输入端连接，所述调制器单元包括多个调制器，所述监控探测器单元包括多个监控探测器，所述调制器和监控探测器与分路器单元分光后的光路对应，所述波分复用波导区单元包括两个波分复用波导区，两个所述波分复用波导区分别位于硅光芯片两侧，多个所述调制器通过传输波导分别连接至两个波分复用波导区，两个所述波分复用波导区分别与两路输出波导连接。
3.如权利要求2所述的多通道并行光模块组件，其特征在于：所述分路器单元包括多个3dB分路器和多个第一比例分路器，每路所述输入波导上对应一个3dB分路器，经3dB分路器分光成两路光路，其中一光路上对应设置一个调制器，另一光路上对应设置一个第一比例分路器，经第一比例分路器按比例分成两路光路上分别设置一个调制器和监控探测器，经各所述3dB分路器分光的光路上调制器连接至一个波分复用波导区，经各所述第一比例分路器分光的光路上调制器连接至另一个波分复用波导区。
4.如权利要求2所述的多通道并行光模块组件，其特征在于：所述输出波导与波分复用波导区之间的光路上设有第二比例分路器，输出波导经第二比例分路器分光成两路光路，其中一路光路对应波分复用波导区，另一光路对应一个监控探测器，所述监控探测器用于监控反向输入光信号。
5.如权利要求1所述的多通道并行光模块组件，其特征在于：所述硅光芯片与所述FA组件在壳外耦合组装成半成品组件，并通过反向输入光信号、探测硅光芯片输出波导的光电流的方式实现耦合组装。
6.如权利要求1所述的多通道并行光模块组件，其特征在于：所述FA组件包括底板、盖板、设置于底板与盖板之间的多个模场渐变的光纤以及用于固结FA组件与光纤线缆的尾胶，所述底板与盖板粘接，且底板与盖板之间设有供光纤穿过的V槽，所述FA组件靠近硅光芯片的一端面设置为0度，且与硅光芯片的输入波导和输出波导所在端面贴合并通过折射率匹配胶粘接固定，所述FA组件远离硅光芯片的一端面设置为8度倾斜角的斜面。
7.如权利要求6所述的多通道并行光模块组件，其特征在于：所述FA组件上与硅光芯片的输入波导对应的光纤位于FA组件的中部，所述FA组件上与硅光芯片的输出波导对应的光纤位于FA组件的两侧。
8.如权利要求1所述的多通道并行光模块组件，其特征在于：所述阵列透镜、阵列隔离器、耦合透镜组和激光器组均具有多通道，其通道数与硅光芯片的输入波导数相同，且一一对应。
9.如权利要求1所述的多通道并行光模块组件，其特征在于：所述PCBA板上具有贯通其上下表面的窗口，所述窗口处设有支撑板，所述支撑板为两层台阶结构，其中低层台阶位于窗口的下方并完全覆盖所述窗口且紧贴所述PCBA板下表面，高层台阶置于所述窗口内部，所述硅光芯片设在该高层台阶上，所述窗口内部还设有热尘，所述热尘通过高导热胶粘接在低层台阶上，所述阵列透镜、阵列隔离器、耦合透镜组和激光器组设置于所述热尘上。
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