CN1519600A

CN1519600A - 模块化光学元件

Info

Publication number: CN1519600A
Application number: CNA2004100032899A
Authority: CN
Inventors: 国周・泰; 国周·泰; H・李维斯; 沃伦·H·李维斯; 朗·杨
Original assignee: JDS Uniphase Corp
Current assignee: Viavi Solutions Inc
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2004-02-03
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2024-02-03
Also published as: US20040151444A1; US6932520B2; CN100347576C

Abstract

本发明涉及用于较大电光元件中的光学模块，如掺铒光纤放大器。本发明的一方面涉及光学模块，该模块包括输入和/或输出光纤管箍，其由用合适的粘接剂固定在金属外壳上的玻璃套筒环绕。优选的是，所述光学模块包括一个或多个光学元件，如隔离器，WDM滤光片和分束器，用于在光进出电光元件的主外壳之前对通过它的光进行处理。本发明的另一方面涉及电光元件，包括在外壁上带有间隙，用来容纳光学模块的主外壳。优选的是，所述光学元件包括一个电光系统，该系统有激光器，掺铒光纤，集成电路板和控制器硬件。本发明提供一个完全集成的系统，同时省去了传统电光元件中所需的大量光学接头。

Description

模块化光学元件

技术领域

本发明涉及光学模块，尤其涉及用来形成更为复杂的光学元件的主要部分的光学模块。

背景技术

传统的光学模块，如分别在图1和图2公开的波分复用(WDM)中心件1a和1b，包括被装入双芯光纤管箍4内并被光学耦合到准直透镜6的一根输入光纤2和一根第一输出光纤3，透镜6将从输入光纤3发射的光束准直到WDM滤光片7上。通常，WDM滤光片7被设计成将一个或多个所选择的波长信道传递到聚焦透镜8，同时将其余的波长信道通过透镜6反射回第一输出光纤3。聚焦透镜8将透射的光束聚焦到装入光纤管箍11内的第二输出光纤9上。

一种用来如图1所示装配中心件的元件的方法，包括用选择用来粘接玻璃元件的粘接剂将所有界面12粘接到一起。上述的方面相对来说劳动强度较大，并且会导致光路中有粘接剂。

为了将装配工序自动化以及在光路中无需粘接剂，开发了一种涉及金属套筒，例如不锈钢套筒，的方法。图2示意了这种方法，在此方法中，管箍4和11及透镜6和8被固定在金属套筒13中，套筒13是通过焊锡或焊接14与这些部件固定在一起的。然而可惜的是，在焊接过程中会产生不一致性，尤其是焊接后的元件位移会产生偏差。

图3示意了一种传统的光学元件，即，掺铒光纤放大器(EDFA)，其包括由多达12个不同接头20连接在一起的多达11个的分离模块。输入光纤21通到第一抽头耦合器22发射要放大的主信号，该耦合器将主信号的一部分传至初始光电二极管接收器23。隔离器24确保光通过该系统时不会向后传输。如图1和2中所示的那些WDM中心件26，通过掺铒光纤27传输主信号以实施放大，同时通过它反射来自泵激光器28的泵频信号。第二抽头耦合器29将经放大的信号的一部分传至终端光电二极管31以实施增益测量和控制。从本设计可以明显地看出，该装配过程劳动强度相当大，并且接头20太多会有更多机会产生过多损耗。

本发明的目的是通过提供结合有多种功能的简化模块克服现有技术中的不足，该模块本身就是一个更大元件中的一部分。

发明内容

因此，本发明涉及一种光学模块，包括：

装入第一光纤管箍内，用来传输光束的第一光纤；

用来准直来自所述第一光纤的光束的第一透镜；

用来支撑其中的光学元件的金属外壳，所述金属外壳包括通过其外壁延伸以容纳所述第一透镜的第一通道，所述透镜将光束传至所述光学元件中；

固定到所述第一光纤管箍上，用来将所述第一光纤管箍安装到所述金属外壳上的第一玻璃套筒；及

用来将所述第一玻璃套筒固定到所述金属外壳上的粘接剂。

本发明的另一方面涉及一种光学元件，包括：

用来密封一个光学系统的主外壳，所述主外壳包括在其外壁上的第一间隙；及

装入所述第一间隙中的第一模块，包括：

用来支撑其中的第一光学元件的第一模块外壳，所述第一模块外壳包括通过其第一外壁延伸的第一通道，及通过其第二外壁延伸的第二通道；

置于第一通道中，用来将光束对准所述第一光学元件的第一透镜；

第一光纤，其一端装入第一光纤管箍内并与所述第一透镜光耦合，用来将光束传输到所述第一光学元件；

置于所述第二通道中，用来接收来自所述第一光学元件的光束的第二透镜；

第二光纤，其一端装入第二光纤管箍内并与所述第二透镜光耦合，用来从其中接收光束，而其另一端与所述光学系统光耦合；

其中所述第一模块外壳在所述第一间隙的任一面与所述主外壳的外壁匹配，从而所述第一模块外壳的所述第一外壁与所述主外壳的外壁形成一个基本上连续的壁面；及

其中所述第一光纤从所述连续壁面向外延伸，而所述第二光纤在所述主外壳内部延伸。

附图说明

下面参照代表优选实施例的附图详细描述本发明，其中：

图1是一个传统的光学元件的横截面图；

图2也是一个传统的光学元件的横截面图；

图3是一个传统的光放大系统的示意图；

图4是根据本发明的一个光学模块的横截面图；

图5是根据本发明另一个实施例的一个光学模块的横截面图；

图6是根据本发明另一个实施例的一个光学模块的横截面图；

图7是根据本发明另一个实施例的一个光学模块的顶视图；

图8a，8b，8c和8d分别是根据本发明另一个实施例的一个光学模块的端视图，顶视图，端视图和侧视图；

图9是根据本发明包括图7和图8中的光学模块的一个光学元件的顶视图；及

图10是图9中的光学元件的等角图。

具体实施方式

参照图4和5，根据本发明的模块31形成一个更大元件的构件，其包括金属外壳32，透镜33和光纤管箍34。外壳32由一种或多种材料做成，例如科伐(Kovar)，因瓦(Invar)或铜/钨(Cu/W)合金，就热膨胀率而言，它们与都由玻璃做成的透镜33和管箍34相匹配。外壳32适合于密封任何数量的光学元件36，如隔离器，分束器，WDM滤光片，转换器，交织器，放大器。通过一个通道37形式的端口接近外壳32，通道37通过金属壳32的一个壁面延伸，以容纳透镜33。透镜33用任何适当的方式被固定在通道中，如胶水或摩擦装配。管箍34包含装在其中的输入光纤38和输出光纤39的末端。采用单芯或双芯管箍，以及使用一个或多个通道端口都包括在本发明的范围之内。玻璃套筒41用来将管箍34固定到外壳32上。在装配过程中，一种合适的粘接剂，例如一种热硫化环氧树脂，如Epo-Tek353ND，被涂在管箍34和套筒41，及套筒41和外壳32之间。在硫化粘接剂之前，管箍34的位置可以在X，Y，Z三个方向调节以在光纤38和39及光学元件36之间得到最大光学耦合。

在图4中，管箍34的直径比透镜33的直径大，因此透镜33可以从外壳32向外延伸到套筒41中。相反，如图5所示，管箍34的直径可以做得比透镜33的直径小，从而管箍34可以延伸到通道37中。

图6示意了本发明的一个可选实施例，其中提供了带有相应透镜33的多个端口，以接近前述许多不同的光学元件36a，36b，36c，36d和36e。

图7示意了根据本发明的一个模块的优选实施例。如图9和10所示，模块51构成EDFA或其它放大媒介元件的输入模块。模块51包括外壳52，其由前面提到的热膨胀系数(CTE)与玻璃相近的合适金属做成。外壳52包括一个第一通道53形式的第一端口，用来容纳第一透镜54。光纤56的一端被装入单芯管箍57中，管箍57通过玻璃套筒58与外壳52相连，如前面参照图4，5和6所述。还提供第二通道61形式的第二端口用来容纳第二透镜62。两根光纤63和64的端头被装入双芯管箍66中，双芯管箍66用第二玻璃套筒67被固定在外壳52上。

在使用中，光束离开光纤56，并被透镜54传至分束器68。分束器68将光束的一部分导入输入光电二极管接收器69以获得一个初始功率读数。光电二极管69被置于外壳52的第三通道71中。电导线72从光电二极管69向外延伸以便与一个印刷电路板(参见图9)连接。其余的光束通过隔离器73传播到WDM滤光片74，WDM滤光片74将光束传播到第二透镜62，并到光纤63中。光纤64的必要性将在下文中参照图9和图10进行讨论。外壳52还包括一个带有小孔76的法兰75以容纳一个扣件(没有示出)，用来将模块51装入EDFA元件(见图9)。另外，在外壳52的外表面有两个凹口77和78，用来与EDFA元件上的相应配对表面匹配，如下文中所述。

图8a-8d示意了图9和10中所示的EDFA元件的输出模块81。输出模块81包括由热膨胀系数(CTE)与玻璃相近的合适金属做成的外壳82，如前文所述。外壳82包括一个第一通道83形式的第一端口，用来容纳第一透镜84。光纤86的一端被装入单芯管箍87中，管箍87通过玻璃套筒88与外壳82连接，如前面参照图4，5和6所述。还提供一个第二通道91形式的第二端口用来容纳第二透镜92。光纤93的端头被装入单芯管箍96中，管箍96用第二玻璃套管97被固定在外壳82上。

在使用中，光束离开光纤86，并被透镜84通过隔离器98传至分束器99。分束器99将光束的一部分导入输出光电二极管接收器101以获得一个最终功率读数。光电二极管101被置于外壳82内的第三通道102中。电导线103从光电二极管101向外延伸以便与一个印刷电路板(见图9)相连。其余的光束被透镜92聚焦到光纤93。外壳82还包括一个带有小孔106的法兰104以容纳一个扣件(没有示出)，用来将模块81装入EDFA元件(见图9)中。另外，在外壳82的外表面有两个凹口107和108，用来与EDFA元件上的相应配对表面匹配，如下文中所述。

图9和图10描绘了完整的EDFA元件110，其包括一个在外壁上带有间隙以容纳输入模块51(图7)和输出模块81(图8a到8d)的主外壳111。在间隙的每一侧面，主外壳111都包括突出的配合表面112以与相应的凹口77，78，107和108互连。主外壳111还包括一个用扣件114固定在底座116上的盖子113(图10)，底座116从外壳111的基座117向上延伸。

当用作放大器时，光纤63和86与绕在卷盘121上的掺铒光纤115接合。或者，可以通过为光纤63和86提供掺铒光纤并将它们接合在一起，或分别提供从输入模块51和输出模块81延伸出来的单根掺铒光纤，来省去一个或两个接头。提供一个或多个产生某一合适波长的光的泵激光器122，用来给输入光提供必要的光功率。泵激光器122通过一个合适的波导123入射光到光纤64中，该光束被WDM滤光片反射入光纤63以放大其中的信号。放大器的增益由电路板126上安装的集成电路芯片控制器124控制。分别来自光电二极管69和101的导线72和103也与电路板126电连接以给控制器124发送输入和输出功率读数，控制器124接着相应地控制泵激光器122。

从下列描述中可以看出，EDFA元件中的接头数可以从图3中的传统器件所需的超过十个减到大约两到三个，因此大大降低了制造时间和成本。而且，模块51和81的外壳52和82分别成为主外壳111的一部分，因此无需通道或额外的接头。

Claims

1.一种光学模块，包括：

装入第一光纤管箍内，用来传输光束的第一光纤；

用来准直来自所述第一光纤的光束的第一透镜；

用来将所述第一玻璃套筒固定到所述金属外壳上的粘接剂。

2.根据权利要求1的光学模块，其中所述金属外壳和所述玻璃套筒具有基本上相同的热膨胀系数。

3.根据权利要求1的光学模块，其中所述金属外壳由选自因瓦(Invar)，科伐(Kovar)，和铜钨合金的组合中的一种或多种材料做成。

4.根据权利要求1的光学模块，其中所述粘接剂包括热硫化环氧树脂。

5.根据权利要求4的光学模块，其中所述粘接剂包括Epo-Tek353ND环氧树脂。

6.根据权利要求1的光学模块，还包括：

装入第二光纤管箍中，用来传输光束的第二光纤；

在通过所述外壳的外壁延伸的第二通道中容纳的第二透镜，用来将来自所述光学元件的光束聚焦到所述第二光纤上；及

固定到所述第二光纤管箍上，用来将所述第二光纤管箍安装到所述金属外壳上的第二玻璃套筒。

7.根据权利要求6的光学模块，其中所述光学元件包括一个用来阻止光束进入所述第一光纤的光隔离器。

8.根据权利要求7的光学模块，还包括：置于所述金属外壳中所述光隔离器和所述第二透镜之间，用来分离出一部分光束的分束器；以及用来测量这部分光束的特性的接收器。

9.根据权利要求6的光学模块，还包括：

处于所述金属外壳外壁上的第一配合表面和第二配合表面；

用来密封一个光学系统的主外壳，所述主外壳在其外壁上包括一个间隙，在所述间隙的一面上有第三配合表面，另一面上有第四配合表面，以便分别与第一和第二配合表面相匹配，从而所述金属外壳的外壁与所述主外壳的外壁形成一个连续的外壁；

其中所述第一光纤从所述连续外壁向外延伸，而所述第二光纤在所述主外壳内部延伸。

10.一种光学元件，包括：

装入所述第一间隙中的第一模块，包括：

置于所述第一通道中，用来将光束对准所述第一光学元件的第一透镜；

置于所述第二通道中，用来接收来自所述第一光学元件的光束的第二透镜；及

11.根据权利要求10的光学元件，还包括：

在所述第一间隙一面上的所述主外壳外壁中的第一配合表面；

在所述第一间隙另一面上的所述主外壳外壁中的第二配合表面；

在所述第一模块的第一外壁中用来与所述第一配合表面互连的的第三配合表面；及

在所述第一模块的第一外壁中用来与所述第二配合表面互连的第四配合表面。

12.根据权利要求10的光学元件，还包括：

所述主外壳中的第二间隙；及

在所述第二间隙中安装的第二模块，包括：

用来支撑其中的第二光学元件的第二模块外壳，所述第二模块外壳包括通过其第三外壁延伸的第三通道，和通过其第四外壁延伸的第四通道；

置于所述第三通道中，用来将光束指向所述第二光学元件的第三透镜；

一端装入第三光纤管箍并与所述第三透镜光学耦合，以将来自所述光学系统的光束传输到所述第二光学元件的第三光纤；

置于所述第四通道中，用来接收来自所述第二光学元件的光束的第四透镜；

一端装入第四光纤管箍中并与所述第四透镜光学耦合以从其中接收光束的第四光纤；及

其中所述第二模块外壳在所述第二间隙的任何一面与所述主外壳的外壁匹配，从而所述第二模块外壳的所述第一外壁与所述主外壳的外壁形成一个基本上连续的壁面；及

其中所述第四光纤从所述连续壁面向外延伸，并且所述第三光纤在所述主外壳内部延伸。

13.根据权利要求12的光学元件，还包括：

置于所述第一模块外壳中所述第一透镜和所述第二透镜之间，用来分离出光束的第一部分的第一分束器；

用来测量所述光束的第一部分的特性的第一接收器；

置于所述第二模块外壳中所述第三透镜和所述第四透镜之间，用来分离出光束的第二部分的第二分束器；及

用来测量所述光束的第二部分的特性的第二接收器。

14.根据权利要求13的光学元件，其中所述光学系统包括：

在所述第二和第三光纤之间光耦合的放大媒介；及

用来发射泵频激光信号的泵激光器；以及

其中所述第一模块包括用来复用所述泵频激光信号和所述光束的复用器，从而所述泵频激光信号在所述放大媒介中将所述光束放大。

15.根据权利要求10的光学元件，还包括：

固定在所述第一光纤管箍和所述第一模块外壳上，用来将所述第一光纤相对所述第一透镜固定的第一套筒；及

固定在所述第二光纤管箍和所述第一模块外壳上，用来将所述第二光纤相对所述第二透镜固定的第二套筒。

16.根据权利要求15的光学元件，其中第一和第二套筒具有基本上与所述第一模块外壳匹配的热膨胀系数。

17.根据权利要求16的光学元件，其中所述第一和第二套筒包括玻璃，所述第一模块外壳包括选自因瓦(Invar)，科伐(Kovar)，和铜/钨合金的组合中的一种金属；及

其中所述第一和第二套筒用一种热硫化环氧树脂被固定到所述第一模块外壳上。