CN1721899A - 小型光学分组件 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种小型发送器光学分组件(OSA)，该发送器光学分组件可用于小型光学收发器。为了限制背反射进入激光器腔内，所述激光器以与所述OSA的纵向光轴成一个锐角安装在硅光具座(SiOB)上。来自所述激光器腔的光的一部分穿过所述激光器腔的后端，以使监测光电二极管对其进行测量。后光束转向透镜将所述光的一部分重新导入位于所述SiOB中的v型沟槽中，并从一个反射表面离开二到达所述监测光电二极管，所述反射表面形成于所述v型沟槽的端部，而所述监测光电二极管面向下放置并位于所述v型槽沟的上方。
Description
交叉引用的相关申请
[1]本发明主张于2004年2月11日提交的美国专利申请No.60/543,726的优先权，通过参考将该专利申请合并到本发明中。
技术领域
[2]本发明涉及一种小型光学分组件(OSA)，特别地，本发明涉及一种包括光源的发送器光学分组件(TOSA)，所述光源以与输出光轴成一个角度安装。
发明背景
[3]发送器制造业的驱动力正在于减小外型尺寸、提高数据传输速度并降低成本。为了实现所有的这些目标，常规的蝶式或晶体管外形(TO)罐设计方法必须由更加奇特的部件包装方法来取代。不过，为了提供能够用于大范围的数据传输速度和产品的OSA，这种OSA必须在OSA芯片与所述收发器电子装置之间的高速RF电信号通路中采用受控的阻抗连接。而且，部件的总数必须减少，且能够用现有的可获取的材料制造。这种组装过程，包括光学准直，必须进行简化和/或使其自动化，以降低劳动力成本和提高生产速度，且纤维插座部件应支持不同的波长。
[4]常规的OSA设计，如在1996年7月16日授权公告的、申请人为Cina等人并转让给现在的申请人的美国专利No.5,537,504中所公开的OSA设计，包括一个安装在容器25中的光电子(O/E)变换器4，该容器25由一个窗口26密封。实心金属导线23和24延伸穿过所述容器25的后部，以焊接到其它导线或直接焊接到收发器印刷电路板。Cina等人的装置在高速数据传输速度中的信号完整性较差，因为RF信号需要穿过所述导线23和24传输，这限制了传输的质量和所述收发器印刷电路板的定位。软带导电性布线的使用已在1991年4月9日授权公告的，申请人为Arvanitakis等人并转让给现在的申请人的美国专利No.5,005,939中公开，但仅用于将OSA的现有导线连接到所述收发器印刷电路板。而且，Arvanitakis等人的专利中的装置并没有公开高质量高数据速度信号所要求的受控信号阻抗导体的使用。
[5]与光学耦合器的光轴准直的常规OSA会产生并不想要的背反射。消除接收器光学分组件中的背反射的方法包括以一个角度在光纤/透镜界面处安装光电探测器和/或在光纤/透镜界面处提供一个折射率匹配的块，如在共同待审的、于2004年1月26日提交的美国专利申请No.60/539,219中所公开的那样，通过参考的方式将该专利合并到本发明之中。作为选择，透镜光轴可从主光轴偏移以使光束倾斜，如在共同待审的、于2004年2月2日提交的美国专利申请No.60/541,076中所公开的那样，通过参考的方式将该专利合并到本发明之中。令人遗憾的是，在这些解决方法中没有一个适用于TOSA设计，特别是对于带有后多面体监测光电二极管的TOSA的应用。
[6]本发明的一个目的在于通过提供具有受控的信号阻抗的光学分组件来克服现有技术中的缺陷，这种受控的信号阻抗位于变换器芯片与所述收发器PCB之间。
[7]本发明的另一个目的在于功能的最大化，而同时减小变换器芯片的尺寸，以符合对小型设计限制的要求。
发明概述
相应地，本发明涉及一种发送器光学分组件，包括：
一个外壳，用于支承由宽度所限定的所述发送器光学分组件；
一个光学耦合器，附在所述外壳上并用于接收沿着纵向光轴的光纤；
一个激光组件，包括位于所述外壳之中的一个激光器和一个调制器，所述激光组件用于产生包括所述光学数据信号的光，所述激光器用于从前面沿着一个激光光轴发射光束，所述激光光轴与所述纵向光轴成一个锐角，所述激光器还用于从后面沿着所述激光光轴释放所述光的一部分；
一个电连接器，用于从主电子装置向所述激光器传输电数据信号；
一个前透镜化装置，用于将所述光束从所述激光组件导向所述光学耦合器；
一个监测光电探测器，用于从所述后面接收所述光的一部分，所述监测光电探测器提供所述光束的信号指示；
一个后光束转向透镜，用于将来自所述激光光轴的所述光的一部分重新导向到所述纵向光轴，并将所述光的一部分会聚到所述监测光电探测器上，因此就能够减小所述外壳的宽度。
附图简述
[08]本发明将参考附图进行详细描述，这些附图表示本发明的优选实施例，其中：
[09]图1是根据本发明的发送器光学分组件(TOSA)的截面等轴测视图；
[10]图2是图1中的TOSA的外壳的等轴测视图；
[11]图3是图1中的TOSA的陶瓷馈入装置(feed-through)的分解等轴测视图；
[12]图4是图1中的TOSA的俯视图，该TOSA的外壳盖已取下；
[13]图5是图1和图4中的TOSA的内部光学和电子装置的俯视图；
[14]图6是图1、图4和图5中的TOSA的光具座的俯视图；
[15]图7是用于将光导向所述监测光电探测器的所述后光束转向布置的侧视图；
[16]图8是图6中的光具座的突出显示部分的俯视图；
[17]图9是图1和图2中的TOSA的电路图；
[18]图10是图8和图9中的光具座的集成阻抗的俯视图；
[19]图11是图1和图2中TOSA的另一种电路图；和
[20]图12是图1和图4中的安装在光学收发器中的TOSA的等轴测视图。
发明详细描述
[21]参照图1到图4，根据本发明的一般由1所表示的发送器光学分组件(TOSA)包括光学耦合器2、主外壳3和电连接器4。所述光学耦合器2限定了一个钻孔6，该钻孔6带有一个氧化锆分离套7，所述氧化锆分离套7用于接收安装在光纤的一端上的光纤套管，正如在现有技术中所熟知的那样，所述光纤优选安装在LC光学连接器上。角抛光套管8被安装在所述光学耦合器2中，以从所述外壳将光传输到沿着主光轴OA的光纤。
[22]优选所述主外壳3包括带有盖子11的金属铸模(MIM)密封封装9，用热膨胀系数相对较低的材料制成，如Kovar，但也可使用任何适当的构成方法和材料。聚焦透镜12将所述外壳3的前面或光学端密封，而多层陶瓷电馈入装置13将所述外壳3的后面或电学端密封。采用激光组件形式的光电变换器包括激光器14，如外调制光腔激光(EML)二极管和安装在所述主外壳13中的硅光具座16上的调制器15。在所述聚集透镜12与所述激光器14之间放置一个光学隔离器17，以避免来自所述光纤的光进入所述激光器14。
[23]在所述光具座16的下面放置一个热电冷却器(TEC)18，该热电冷却器(TEC)18优选由碲化铋(BiTe)元件阵列构成，该碲化铋(BiTe)元件阵列位于两片陶瓷片之间。包括所述TEC 18的目的在于将所述激光器14冷却或保持在一个预定的固定操作温度。当在固定的温度操作所述激光器14时，就会提高其性能，并且能够在延长的纤维距离上传输光学信号，如超过100km。特别地，能够稳定所述激光器14的运行波长，而且能够减少已调制的波长的变化(啁啾)。温度稳定的激光器在电学到光学传输特性上也有较少的变化，这样就会减少激光驱动器电子装置的调制要求。
[24]虽然举例说明的实施例采用了已冷却的TOSA的形式，但类似的未经冷却的TOSA装置也可以用这种外型构成，并且随着集成度的进展可能会包括驱动器芯片。这种配置会非常适合于吸收由激光驱动器集成电路所产生的热能。此外，随着波长锁闭元件的集成使元件尺寸的继续减小，这种外型可以用来将波长锁闭功能集成到收发器装置之中，所述波长锁闭功能在密集波分复用(DWDM)用途中是必需的。
[25]参照图2和图3，所述多层陶瓷馈入装置13包括五个主要陶瓷层131到135，这五个主要陶瓷层131到135为向所述激光器14传播高速RF数据信号提供低电感接地连接、RF接地参考平面和微带信号传输结构。所述中间层133包括19a到19i的导电轨迹阵列，其中的六个导电轨迹19a和19b以及19f到19i为所述光具座16上的不同元件提供功率、控制和监测功能，如监测光电探测器和热变电阻器。轨迹19c和19e是用于高频信号轨迹19d的接地轨迹。导电导孔20从轨迹19c和19e向下延伸，以分别与第一接地平面21连接，该接地平面21在所述第二陶瓷层132上形成并位于所述第二和第三陶瓷层132和133之间。在所述第二到第五陶瓷层132到135的后部中形成的城堡型结构22从所述第一接地层21向上延伸到第二接地层23，该第二接地层23在所述第四陶瓷层134上形成并分别位于所述第四和第五陶瓷层134和135之间。所述信号轨迹19d的宽度、所述信号轨迹19d与接地轨迹19c和19e之间的间隔、以及所述第三和第四陶瓷层133和134的厚度被设计用来提供所希望得到的阻抗，如25Ω或50Ω，以与所述激光器14的阻抗相匹配。在所述第三和第四层133和134之间以及第二和第三层132和133之间可提供另外的陶瓷层以达到所需的厚度。所述第一和第五陶瓷层131和135的顶部和底部分别用金属进行处理并硬焊到所述外壳9上。
[26]所述电连接器4包括一个多层柔性电路，称为微带传输线路，该微带传输线路具有一个信号层、一个接地层和一个掩模层。所述信号层包括两条RF数据信号传输线路、两条或多条接地线路，以及四条或更多条控制线路。利用BGA焊接球或其它适当的方式，将所述RF数据信号传输线路的一端连接到所述陶瓷馈入装置13上的RF数据信号垫上。类似地，焊接球或其它适当的方式也用于将所述控制线路的一端连接到所述陶瓷馈入装置13上的控制垫上，而所述接地线路的一端连接到所述陶瓷馈入装置13上的接地连接垫上。所述线路的其它端包括用于连接到所述收发器PCB的焊接垫。所述接地层包括多个开口，供进入所述控制线路，也有供进入所述RF数据信号线路的开口。所述接地线路在不同点与所述接地层连接。所述掩模层为所述铜接地层提供了焊接掩模或覆盖，并包括多个开口，供进入所述陶瓷馈入装置13的底部上的焊接垫。
[27]正如在图2和图4中所明显示出的那样，引线框电导线24可以与所述柔性电路4一起使用或用来替代所述柔性电路4，以将所述陶瓷馈入装置13连接到所述主收发器装置中的PCB。当与所述柔性电路4一起使用时，对所述引线框电导线24进行调节、焊接到所述柔性电路4并弯成如图1中所示出的外形。
[28]图5示出了在图4中突出显示的光电元件25。所述EML激光器14由激光器腔所限定，该激光器14产生光并沿着激光器光轴LA将光束发射进入所述调制器15之中。所述激光器光轴LA一般沿着所述主光轴OA放置；但是为了限制从所述调制器/空气界面处反射并回到所述激光器腔内的光量，根据本发明的所述激光器光轴LA以与所述主光轴OA成一个锐角的位置放置，如θ＝25°到45°，优选33°，并且将所述调制器15弯曲，以将光束从沿着所述激光器光轴LA传播重新导向成沿着所述主光轴OA传播，因此，所述光束就会穿过准直透镜26和所述光学隔离器17传播而到达所述聚焦透镜12，并穿过所述光学耦合器2而到达所述光学耦合器2中的光纤。作为选择，如果所述调制器并未弯曲，透镜或其它的一些光学装置也能够将所述光束从所述激光器光轴LA重新导向到所述主光轴OA。
[29]在所述激光器14的后多面体(facet)的后部放置一个监测光电探测器，如光电二极管27，该光电二极管27用于对从所述激光器14的后多面体的后部漏出的少量监测光进行测量，以提供所发射的穿过所述前多面体的光束的功率指示。提供后光束转向透镜28以将所述监测光从所述激光器光轴LA重新导向到一个平行于所述主光轴OA的光电二极管光轴。可根据其它的准直要求将所述光电二极管光轴以与所述主光轴OA成一个小的角度放置，只要将所述监测光向所述主光轴OA倾斜以节省所述光具座16上的空间即可。正如在图7中所明显示出的那样，所述后光束转向透镜28安装在所述光具座16中的腔体29中并将所述监测光向下导入一个v形槽沟30，该v形槽沟30从所述光具座16蚀刻并从所述腔体29延伸。在所述槽沟30的端部提供一个反射面31，以将所述监测光重新导向到所述光电二极管27上，该光电二极管27面向下并位于所述槽沟30的上方。该光电二极管27以接面(junction)向上后照射方式或接面向下覆晶(flip-chip)方式安装。所述后光束转向透镜28还将所述监测光会聚到所述光电二极管27上，因此就提高了监测电流并降低了噪音。
[30]将所述光电二极管27面向下放置，即并不以其一个边放置，就会使其方向能够独立于所述光电二极管芯片的边而被调节。本发明并不要求以其一边安装的光电二极管所需的高度精确的安装位置，而是使所述光电二极管27能够以任何x、y和θ方向准直。
[31]一般的做法会将监测光电二极管垂直直接安装在所述后多面体后部的后面，在这种做法中，将所述监测光电二极管沿着所述激光器光轴LA放置。在传输和接收光学端口之间的用于小型LC双工纤维连接器的行业标准间隔是6.25mm；因此，所述外壳3的宽度必须小于6mm，以确保所述ROSA和TOSA之间的适当间隔。相应地，沿着所述激光器光轴LA确定所述光电二极管27的位置会导致这个临界尺寸被超过。而且，沿着所述激光器光轴LA蚀刻带有所述反射面31的所述槽沟30会困难得多，要求更大的蚀刻，因为它们并不沿着所述光具座的晶体平面。
[32]安装在所述光具座16上的其它光电元件包括用于测量所述激光器14的温度的热变电阻器33和限定高偏压过滤器的电容器34，该高偏压过滤器用作高频偏压扼流圈。
[33]参照图8到图10，在所述光具座16中结合有一个用于将RF信号传输到所述激光组件的同平面传输线路35，所述激光器组件即调制器15。所述传输线路35包括一个薄膜电阻器36，该薄膜电阻器36被结合到邻近于所述传输线路35的所述光具座16之中，用于提供与所述传输线路35并联的电阻，以使所述传输线路35的阻抗匹配于所述激光组件的阻抗。在所述传输线路35中还结合有一个另外的薄膜电阻器37，该薄膜电阻器37用于提供串联阻抗，以减少频率相对较高的微波反射，如大于5GHz的频率。采用一种粘合漆包线38(图10)来连接所述传输线路35和所述并联电阻器36，所述粘合漆包线38的电感在图9中用Lp表示。类似地，采用一种粘合漆包线39来连接所述传输线路35和所述激光组件，即所述调制器15，所述粘合漆包线39的电感在图9中用Ls表示。V1表示外部光源，而T1表示所述传输线路35。C1、C2、R4和R5表示所述调制器15的等效电容和阻抗。
[34]可选地，如图11所示，分别用于并联电阻36和串联电阻37的粘合漆包线38和39可以连接到所述调制器，从而将微波反射减到最小。
[35]图12示出了根据本发明的所述TOSA 1，该TOSA 1安装在邻近于一个ROSA 52的小型光学收发器外壳51之中。所述收发器外壳51包括一个在其前端上的LC光学耦合器53(或其它适当的耦合器)，所述收发器外壳51具有一个从其另一端54伸出的电连接器。在所述外壳51中安装有一个印刷电路板，以便为TOSA 1和ROSA 2两者均提供控制和监测电路。
Claims (20)
1.一种发送器光学分组件，用于将电数据信号变换成光学数据信号，包括：
一个外壳，用于支承由宽度所限定的所述发送器光学分组件；
一个光学耦合器，附在所述外壳上并用于接收沿着纵向光轴的光纤；
一个激光组件，包括位于所述外壳之中的一个激光器和一个调制器，所述激光组件用于产生包括所述光学数据信号的光，所述激光器用于从前面沿着一个激光光轴发射光束，所述激光光轴与所述纵向光轴成一个锐角，所述激光器还用于从后面沿着所述激光光轴释放所述光的一部分；
一个电连接器，用于从主电子装置向所述激光器传输电数据信号；
一个前透镜化装置，用于将所述光束从所述激光组件导向所述光学耦合器；
一个监测光电探测器，用于从所述后面接收所述光的一部分，所述监测光电探测器提供所述光束的信号指示；
一个后光束转向透镜，用于将来自所述激光光轴的所述光的一部分重新导向到所述纵向光轴，并将所述光的一部分会聚到所述监测光电探测器上，因此就能够减小所述外壳的宽度。
2.如权利要求1所述的TOSA，其特征在于，所述后光束转向透镜将所述光的所述部分沿着所述纵向光轴或平行于所述纵向光轴重新导引。
3.如权利要求1所述的TOSA，还包括一个光具座，所述光具座用于支承所述激光器、所述后光束转向透镜和所述监测光电探测器。
4.如权利要求3所述的TOSA，其特征在于，所述后光束转向透镜将所述光的所述部分重新导入位于所述监测光电探测器下面的光具座中的沟槽之中，所述沟槽包括一个反射表面，所述反射表面用于将所述光的所述部分反射进入所述监测光电探测器，所述监测光电探测器面朝下安装在所述沟槽的上方。
5.如权利要求4所述的TOSA，其特征在于，所述监测光电探测器以接面向上后照射方式或接面向下覆晶方式，面朝下安装在所述沟槽的上方。
6.如权利要求3所述的TOSA，其特征在于，所述光具座包括与所述传输线路并联连接到所述激光器，以使所述传输线路的阻抗匹配于所述激光器的阻抗的第一阻抗匹配电阻器，以及与所述传输线路串联连接到所述激光器，以减少频率大于5GHz的微波反射的第二阻抗匹配电阻器。
7.如权利要求6所述的TOSA，其特征在于，所述第二阻抗匹配电阻器直接电气连接到所述调制器上。
8.如权利要求6所述的TOSA，其特征在于，所述第一阻抗匹配电阻器是一个薄膜电阻器，所述薄膜电阻器位于结合到所述光具座之中的一个同平面微带传输线路中。
9.如权利要求1所述的TOSA，其特征在于，所述电连接器包括一个多层陶瓷馈入装置，该多层陶瓷馈入装置用于将受控阻抗电数据信号导向所述激光器，所述多层陶瓷馈入装置包括：
在所述陶瓷层的两层之间，从所述馈入装置的一侧延伸到另一侧的分隔开的信号和接地轨迹；
位于所述信号和接地轨迹上面的第一接地平面，在所述第一接地平面和所述信号和接地轨迹之间具有至少一个陶瓷层，所述陶瓷层有一个第一厚度；
位于所述信号和接地轨迹下面的第二接地平面，在所述第二接地平面和所述信号和接地轨迹之间具有至少一个陶瓷层，所述陶瓷层有一个第二厚度；和
垂直穿过位于所述信号和接地轨迹上面和下面的陶瓷层的导电导孔，所述导电导孔用于将所述第一接地平面、所述接地轨迹和所述第二接地平面进行电气连接；
从而，对所述信号和接地轨迹之间的间隔以及所述第一和第二厚度进行选择，以提供所需要的阻抗。
10.如权利要求9所述的TOSA，其特征在于，所述电连接器包括附在所述陶瓷馈入装置上的柔性电路，所述柔性电路包括一个导电接地层和一个导电信号层，所述导电接地层和导电信号层用于沿着受控阻抗传输线路传输所述电数据和控制信号。
11.如权利要求1所述的TOSA，还包括一个热电冷却器，以将所述激光器保持在一个稳定的运行温度。
12.如权利要求4所述的TOSA，其特征在于，所述外壳的宽度约为6mm，以安装在行业标准的小型收发器之中。
13.如权利要求1所述的TOSA，其特征在于，所述调制器将所述光束从所述激光光轴重新导向所述纵向光轴。
14.如权利要求13所述的TOSA，其特征在于，所述前透镜化装置包括一个准直透镜和一个聚焦透镜，所述准直透镜邻近于所述激光组件并用于准直所述光束，所述聚焦透镜被安装在所述外壳中并用于将所述光束会聚到所述光纤上。
15.一种发送器光学分组件，用于将电数据信号变换成光学数据信号，包括：
一个外壳，用于支承由宽度所限定的所述发送器光学分组件；
一个光学耦合器，附在所述外壳上并用于接收一个光纤；
一个激光组件，包括位于所述外壳之中的一个激光器和一个调制器，所述激光组件用于产生包括所述光学数据信号的光，所述激光器用于从前面沿着一个激光光轴发射光束，并用于从后面沿着所述激光光轴释放所述光的一部分；
一个电连接器，用于从主电子装置向所述激光器传输电数据信号；
一个前透镜化装置，用于将所述光束从所述激光组件导向所述光学耦合器；
一个监测光电探测器，用于从所述后面接收所述光的一部分，所述监测光电探测器提供所述光束的信号指示；
一个后光束转向透镜，用于将来自所述激光光轴的所述光的一部分重新导向到一个光电探测器轴，所述光电探测器轴与所述激光光轴成一个锐角，并用于将所述光的一部分会聚到所述监测光电探测器上。
16.如权利要求15所述的TOSA，还包括一个光具座，所述光具座用于支承所述激光器、所述后光束转向透镜和所述监测光电探测器。
17.如权利要求16所述的TOSA，其特征在于，所述后光束转向透镜将所述光的所述部分重新导入位于所述监测光电探测器下面的光具座中的沟槽之中，所述沟槽包括一个反射表面，所述反射表面用于将所述光的所述部分反射进入所述监测光电探测器，所述监测光电探测器面朝下安装在所述沟槽的上方。
18.如权利要求17所述的TOSA，其特征在于，所述监测光电探测器以接面向上后照射方式或接面向下覆晶方式，面朝下安装在所述沟槽的上方。
19.如权利要求16所述的TOSA，其特征在于，所述光具座包括与所述传输线路并联连接到所述激光器，以使所述传输线路的阻抗匹配于所述激光器的阻抗的第一阻抗匹配电阻器，以及与所述传输线路串联连接到所述激光器，以减少频率大于5GHz的微波反射的第二阻抗匹配电阻器。
20.如权利要求19所述的TOSA，其特征在于，所述第一阻抗匹配电阻器是一个薄膜电阻器，所述薄膜电阻器位于结合到所述光具座之中的一个同平面微带传输线路中。
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