CN202693849U - 透镜阵列装置及包含其的并行光模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种透镜阵列装置，包含第一光束输入透镜阵列、监控输出透镜阵列和斜面分光装置。进一步的，本实用新型的透镜阵列装置还包含第二光束输入透镜阵列和第二光束输出透镜阵列。本实用新型还公开了采用上述透镜阵列装置的并行光模块，其具有光发射功率监控功能。本实用新型的透镜阵列装置结构和制造工艺简单，采用准直透镜提高了光的耦合效率。斜面分光装置透射大部分的入射光，并将小部分光反射到监控装置，实现分光功能，并降低了来自端面的反射对激光器的影响。并行光模块的制造可以采用直接对准耦合的方式，避免了需要转角度耦合的弊端，提高了耦合效率，降低了生产成本。

Description

透镜阵列装置及包含其的并行光模块

技术领域

本实用新型涉及光通信领域，尤其涉及一种透镜阵列装置及包含其的并行光模块。

背景技术

云计算以其海量的资源、高度的灵活性、可用性和开放性成为无可争议的IT大趋势。云计算业务需求的持续快速增长对于支撑它的数据中心提出更高的挑战。在数据中心里，云计算可以利用仓储里海量的并行服务器进行分布式运算。为了有效地利用这些分布的服务器资源，人们需要提供一个在各服务器之间实现富裕连接的平坦网络。并行光技术就是用来实现大量的服务器和交换机之间连接的有效途径。

相对于在长距离网络中人们对频谱效率和距离-比特率的关注，在数据中心的内部网络中，用来连接的光纤仅仅从几米到几公里，人们更关注的是空间能耗效率和端口速率密度。所以，并行光纤互连在短距离传输如数据中心内的通信中起到一个很重要的作用。同串行光传送方式相比，并行方式可以降低每根光纤是的传输速率，从而降低对系统其它器件的要求，并且可以在需要的时候，适当提高每根光纤上的传输速率，以提高系统总吞吐量。同时，通过增加并行数据传输通道可以实现带宽的无限扩展。并行光互连技术在实现上主要采用并行多模光纤带。

垂直腔面发射激光器（VCSEL）的面发射特性使得它成为并行光收发器的最佳选择，VCSEL与多模光纤阵列容易耦合极大的促进了它的短距离并行光通信上的应用。。另外，VCSEL的线宽较窄，其发光波长对温度漂移也较小。VCSEL的阈值电流也较小、功耗较低，并且不容易产生啁啾。并行光收发器可以充分利用VCSEL的上述优点，并且并行的数据连接和数据中心的并行处理机制也相匹配。

在许多应用中，激光器的优化输出依赖于光源输出的光的强度或功率，许多因素可以影响光功率的输出，例如，环境温度和工作时间。因此，需要监控VCSEL的光功率，并根据监控调整驱动电流，来保障优化稳定的输出和操作安全。VCSEL的光功率可以经监控光探测器转变成电流信号，电流信号再被用作反馈，反馈到VCSEL的驱动电路系统中，来调整VCSEL的驱动电流，从而使得VCSEL的发射光功率更稳定。

对于并行的VCSEL阵列，为了保障通道的性能，需要对每个VCSEL芯片的输出进行功率监控，并根据监控对驱动电流做相应的调整。目前有一种已知类型的并行通道的光路阵列，该光路阵列基于衍射光学技术设计，它采用具有衍射特性的计算机生成的全息图像或光栅，把VCSEL输出的光束按一定的比例衍射一部分， 然后再反射到光探测器上，而实现各个通道光功率得监控。这种设计的光路需经多次反射才能到达光探测器，制造工艺比较复杂，并且透镜的设计制造比较复杂，而且会对光模块光路的耦合容差提出较高的要求。

发明内容

本实用新型为了克服以上的不足，提出了一种透镜阵列装置及并行光模块，并行光模块具有光发射功率监控功能。

本实用新型的技术问题通过以下的技术方案予以解决： 

一种透镜阵列装置，包含第一光束输入透镜阵列、监控输出透镜阵列，所述第一光束输入透镜阵列和监控输出透镜阵列分布在透镜阵列装置的第一侧，所述透镜阵列装置的第二侧包含分光装置，所述分光装置使来自第一光束输入透镜阵列的第一光束的第一部分光通过，用以传输光信号，并将第一光束的第二部分光反射到监控输出透镜阵列，用以监控发射光，所述第一部分光大于第二部分光，所述透镜阵列装置的主体为体光学材料。

在本实用新型的一个实施例中，在所述第一侧还包含第二光束输出透镜阵列，在所述第二侧还包含第二光束输入透镜阵列。本实用新型在同一个透镜阵列装置上集成第二光束输入和输出透镜阵列，可以应用在同一个光模块中实现发射和接受一体化。

在本实用新型的一个实施例中，所述分光装置由一个斜面和镀在其上的分光薄膜组成。

在本实用新型的一个实施例中，所述透镜阵列装置还包含定位插销，以与并行光纤可插拔接口上设置的定位孔连接固定。透镜阵列装置上的定位插销与并行光纤可插拔接口的定位槽相对应，方便对准和链接。

在本实用新型的一个实施例中，所述体光学材料为聚合物。

在本实用新型的一个实施例中，所述体光学材料为本征吸收材料。采用本征吸收材料可以吸收光路中的杂散光，降低对所传输光信号的干扰。

在本实用新型的一个实施例中，所述透镜阵列装置还包含制作在其表面的金属网格，用来抑制电磁干扰。本实用新型进一步将电磁屏蔽罩与透镜阵列装置集成一体，减少了零部件数目，降低了装配复杂度，简化了生产工艺。

在本实用新型的一个实施例中，所述准直透镜为非球透镜。该非球透镜的一个面的各处的曲率半径随离光轴的高度而变化，从而实现最小球差，并且可以实现球面透镜很难做到的短焦距聚光。

本实用新型还公开了一种并行光模块，包含激光器阵列、激光器驱动芯片、监控光电二极管阵列、陶瓷衬底、柔性板、电路基板、外壳、并行光纤可插拔接口和透镜阵列装置。所述激光器阵列和激光器驱动芯片粘贴在连接柔性板的陶瓷衬底上，并且与电路基板电连接。所述透镜阵列装置包含第一光束输入透镜阵列、监控输出透镜阵列，所述第一光束输入透镜阵列和监控输出透镜阵列分布在透镜阵列装置的第一侧，所述透镜阵列装置的第二侧包含分光装置。所述并行光纤可插拔接口与分光装置耦合对准，所述激光器阵列与第一光束输入透镜阵列耦合对准，所述监控光电二极管阵列与监控输出透镜阵列耦合对准。所述分光装置使来自第一光束输入透镜阵列的第一光束的第一部分光通过，用以传输光信号，并将第一光束的第二部分光反射到监控输出透镜阵列，用以监控发射光，所述第一部分光大于第二部分光。所述透镜阵列装置的主体为体光学材料。

在本实用新型的一个实施例中，还包含探测器阵列和探测器跨阻放大器（TIA）芯片，所述探测器阵列和探测器跨阻放大器芯片粘贴在连接柔性板的陶瓷衬底上，并且与电路基板电连接。所述透镜阵列装置在所述第一侧还包含第二光束输出透镜阵列，在所述第二侧还包含第二光束输入透镜阵列。所述并行光纤可插拔接口的第一部分与分光装置耦合对准，并行光纤可插拔接口的第二部分与第二光束输入透镜阵列耦合对准，所述探测器阵列与第二光束输出透镜阵列耦合对准。

本实用新型的透镜阵列装置可以灵活用作并行光发射模块或者并行光收发一体模块，简化了组件设计。采用准直透镜提高了激光器发射光的耦合效率，并降低了来自端面的反射对激光器的影响。本实用新型的透镜阵列对光模块光路具有较大的耦合容差，并且结构和制造工艺简单。采用斜面装置来透射大部分的入射光，并将小部分光反射到监控装置，实现分光功能，该方案结构简单，容易加工。在并行光模块的设计和制造中，VCSEL和PIN探测器等光器件与准直透镜之间可以采用直接对准耦合的方式进行耦合，避免了需要转角度耦合的弊端，提高了耦合效率，降低了生产成本。

附图说明

图1是本实用新型的实施例一的透镜阵列装置的立体图；

图2是本实用新型的实施例一的透镜阵列装置的发射光路示意图；

图3是本实用新型的实施例二的透镜阵列装置的立体图；

图4是本实用新型的实施例二的透镜阵列装置的左视图；

图5是本实用新型的实施例二的透镜阵列装置的右视图；

图6是本实用新型的实施例二的透镜阵列装置的发射和接收光路示意图；

图7是本实用新型的并行光模块的立体图；

图8是本实用新型的并行光模块的装配示意图。

具体实施方式

下面通过具体的实施方式并结合附图对本实用新型做进一步详细说明。

实施例一：

如图1和图2所示，一种透镜阵列装置，包含分布在第一侧（图2中的左侧）的第一光束输入透镜阵列611、监控输出透镜阵列613和分布在第二侧（图2中的右侧）的分光装置，在本实施例中，分光装置为一个斜面630和镀在其上的分光薄膜，斜面630的倾斜角为8度。主体600为体光学材料。本实施例的第一光束输入透镜阵列611和监控输出透镜阵列613为十二路并列等间距设置的准直透镜。本实施例的准直透镜为非球透镜，两两的间距为250微米。在本实施例中，透镜阵列装置的主体600上还包含两个定位插销651和652，用来与并行光纤可插拔接口上设置的定位孔连接固定。

在光路的传输上，包含十二束并行发射光的第一光束经第一光束输入透镜阵列611的十二个准直透镜准直入射，在体光学材料中传输。被准直透镜汇聚在斜面分光装置后，斜面分光装置使第一光束的95%的光通过并输出，用以传输发射信号，并将第一光束的5%的光反射到监控输出透镜阵列613的十二个准直透镜输出，用以监控发射光。图2示出了发射光经由体光学材料传输，并经包含斜面630的分光装置透射和反射的光路。

本实用新型的第一光束输入透镜阵列611和监控输出透镜阵列613可以为其他数目的多路并行光学装置，比如4路、10路、36路并行准直透镜。

实施例二：

如图3所示，本实施例与实施例一的区别在于，在第一光束输入透镜阵列611和监控输出透镜阵列613的同一侧还包含第二光束输出透镜阵列622，在斜面分光装置的同一侧还包含第二光束输入透镜阵列621。本实施例的第一光束输入透镜阵列611、监控输出透镜阵列613、第二光束输入透镜阵列621和第二光束输出透镜阵列622分别为四个并列等间距设置的准直透镜。本实施例的准直透镜为非球透镜，两两的间距为250微米。斜面分光装置为一个斜面630和镀在其上的分光薄膜，斜面630的倾斜角为8度。主体600的体光学材料为本征吸收材料，从而可以吸收掉多余的杂散光。图4为本实施例的透镜阵列装置的左视图，示出了第一光束输入透镜阵列611、监控输出透镜阵列613和第二光束输出透镜阵列622的布置情况，图5为本实施例的透镜阵列装置的右视图，示出了分光装置包含的斜面630和第二光束输入透镜阵列621的布置情况。

在光路的传输上，如图6所示，包含四束并行发射光的第一光束经第一光束输入透镜阵列611的四个准直透镜准直入射，在体光学材料中传输。被准直透镜汇聚在斜面分光装置后，斜面分光装置使第一光束的95%的光通过并输出，用以传输发射信号，并将第一光束的5%的光反射到监控输出透镜阵列613的四个准直透镜输出，用以监控发射光。图5示出了发射光经由体光学材料传输，并经斜面分光装置透射和反射的光路。包含四束并行接收光的第二光束经第二光束输入透镜阵列621的四个准直透镜准直入射，并被准直透镜转换成平行光在体光学材料中传输，到达第二光束输出透镜阵列622的四个准直透镜，经准直耦合输出，用以传输接收信号。

本实用新型的第一光束输入透镜阵列611、监控输出透镜阵列613、第二光束输入透镜阵列621和第二光束输出透镜阵列622可以分别为其他数目的多路并行光学装置，比如10路、12路、36路并行准直透镜。

实施例三：

本实用新型的并行光模块，具有光发射功率监控功能，包含激光器阵列、激光器驱动芯片、监控光电二极管阵列、陶瓷衬底1、柔性板2、电路基板3、外壳4、并行光纤可插拔接口5和透镜阵列装置6。所述激光器阵列和激光器驱动芯片粘贴在连接柔性板2的陶瓷衬底1上，并且与电路基板3电连接。本实施例为十二路并行光，采用实施例一中的透镜阵列装置。如实施例一，透镜阵列装置6包含分布在第一侧的第一光束输入透镜阵列611、监控输出透镜阵列613和分布在第二侧的分光装置，分光装置为斜面630和镀在其上的薄膜，斜面630的倾斜角为8度。本实施例中，第一光束输入透镜阵列611和监控输出透镜阵列613为十二路并列等间距设置的准直透镜。本实施例的准直透镜为非球透镜，两两的间距为250微米。透镜阵列装置的主体600上还包含两个定位插销651和652，用来与并行光纤可插拔接口上设置的定位孔连接固定。激光器为垂直腔面发射激光器（VCSEL），VCSEL阵列的十二个VCSEL激光器并列等间距设置，两两的间距为250微米，并与第一光束输入透镜阵列611的十二个等间距的准直透镜耦合对准。监控光电二极管阵列的十二个光电二极管并列等间距设置，两两的间距也为250微米，并与监控输出透镜阵列613的十二个等间距的准直透镜耦合对准。并行光纤可插拔接口5与斜面分光装置对准。

工作时，VCSEL阵列的发射光经准直透镜阵列耦合，并在透镜阵列装置6的体光学材料中传播，被准直透镜阵列汇聚在分光装置的斜面630上，分光装置将95%的光透射，并输出到并行光纤可插拔接口5，用以传输光信号，将5%的光反射到监控输出透镜阵列613的十二个等间距的准直透镜，并耦合输出到监控光电二极管阵列，用以监控发射光和对系统进行诊断。

同样的，本实用新型的第一光束输入透镜阵列611和监控输出透镜阵列613可以分别为其他数目的多路并行光学装置，比如4路、10路、36路并行准直透镜。

实施例四：

本实施例与实施例三的区别在于，并行光模块还包含探测器阵列和探测器跨阻放大器（TIA）芯片。所述探测器阵列和探测器跨阻放大器芯片粘贴在连接柔性板2的陶瓷衬底1上，并且与电路基板3电连接。本实施例为四路并行光，采用实施例二中的透镜阵列装置。如实施例二，透镜阵列装置6包含分布在一侧的第一光束输入透镜阵列611、监控输出透镜阵列613、第二光束输出透镜阵列622和分布在另一侧的斜面分光装置、第二光束输入透镜阵列621。本实施例的第一光束输入透镜阵列611、监控输出透镜阵列613、第二光束输入透镜阵列621和第二光束输出透镜阵列622分别为四个并列等间距设置的准直透镜。本实施例的准直透镜为非球透镜，两两的间距均为250微米。斜面分光装置为一个斜面630和镀在其上的分光薄膜，斜面630的倾斜角为8度。透镜阵列装置的主体600上还包含两个定位插销651和652，用来与并行光纤可插拔接口上设置的定位孔连接固定。本实施例中，激光器为垂直腔面发射激光器（VCSEL），探测器为PIN光电二极管。VCSEL阵列的四个VCSEL激光器并列等间距设置，并与第一光束输入透镜阵列611的四个等间距的准直透镜耦合对准。监控光电二极管阵列的四个光电二极管并列等间距设置，并与监控输出透镜阵列613的四个等间距的准直透镜耦合对准。探测器阵列的四个PIN光电二极管并列等间距设置，并与第二光束输出透镜阵列622的四个等间距的准直透镜耦合对准。并行光纤可插拔接口5包含十二个通道，左侧的四个通道与斜面分光装置对准，右侧的四个通道与第二光束输入透镜阵列621的四个等间距的准直透镜耦合对准。

工作时，VCSEL阵列的四束并行发射光经准直透镜阵列耦合，并在透镜阵列装置6的体光学材料中传播，被准直透镜阵列汇聚在分光装置的斜面630上，分光装置将95%的光透射，并输出到并行光纤可插拔接口5的第一部分，用以传输光信号，将5%的光反射到监控输出透镜阵列613的四个等间距的准直透镜，并耦合输出到监控光电二极管阵列，用以监控发射光和对系统进行诊断。四束并行接收光经并行光纤可插拔接口5的第二部分耦合到第二光束输入透镜阵列621的四个准直透镜，并被准直透镜转换成平行光在体光学材料中传输，到达第二光束输出透镜阵列622的四个准直透镜，经准直耦合输出到探测器阵列的四个PIN光电二极管，用以接收光信号并转换成电信号。该电信号再经过探测器TIA进行处理。

同样的，本实用新型的第一光束输入透镜阵列611、监控输出透镜阵列613、第二光束输入透镜阵列621和第二光束输出透镜阵列622可以分别为其他数目的多路并行光学装置，比如10路、12路、36个并行准直透镜。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施只局限于这些说明。对于本实用新型所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，例如变动透镜阵列或斜面分光装置的位置、形状，或者改变并行光路的数目也即透镜阵列中透镜的数目等，都应当视为属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种透镜阵列装置，其特征在于，包含第一光束输入透镜阵列、监控输出透镜阵列，所述第一光束输入透镜阵列和监控输出透镜阵列分布在透镜阵列装置的第一侧，所述透镜阵列装置的第二侧包含分光装置，所述分光装置使来自第一光束输入透镜阵列的第一光束的第一部分光通过，用以传输光信号，并将第一光束的第二部分光反射到监控输出透镜阵列，用以监控发射光，所述第一部分光大于第二部分光，所述透镜阵列装置的主体为体光学材料。

2.根据权利要求1所述的透镜阵列装置，其特征在于，在所述第一侧还包含第二光束输出透镜阵列，在所述第二侧还包含第二光束输入透镜阵列。

3.根据权利要求1或2所述的透镜阵列装置，其特征在于，所述分光装置由一个斜面和镀在其上的分光薄膜组成。

4.根据权利要求1或2所述的透镜阵列装置，其特征在于，所述透镜阵列装置还包含定位插销，以与并行光纤可插拔接口上设置的定位孔连接固定。

5.根据权利要求1或2所述的透镜阵列装置，其特征在于，所述体光学材料为聚合物。

6.根据权利要求1或2所述的透镜阵列装置，其特征在于，所述体光学材料为本征吸收材料。

7.根据权利要求1或2所述的透镜阵列装置，其特征在于，所述透镜阵列装置还包含制作在其表面的金属网格，用来抑制电磁干扰。

8.根据权利要求1或2所述的透镜阵列装置，其特征在于，所述准直透镜为非球透镜。

9.一种并行光模块，包含激光器阵列、激光器驱动芯片、监控光电二极管阵列、陶瓷衬底、柔性板、电路基板、外壳、并行光纤可插拔接口和透镜阵列装置，其特征在于，所述激光器阵列和激光器驱动芯片粘贴在连接柔性板的陶瓷衬底上，并且与电路基板电连接，所述透镜阵列装置包含第一光束输入透镜阵列、监控输出透镜阵列，所述第一光束输入透镜阵列和监控输出透镜阵列分布在透镜阵列装置的第一侧，所述透镜阵列装置的第二侧包含分光装置，所述并行光纤可插拔接口与分光装置耦合对准，所述激光器阵列与第一光束输入透镜阵列耦合对准，所述监控光电二极管阵列与监控输出透镜阵列耦合对准，所述分光装置使来自第一光束输入透镜阵列的第一光束的第一部分光通过，用以传输光信号，并将第一光束的第二部分光反射到监控输出透镜阵列，用以监控发射光，所述第一部分光大于第二部分光，所述透镜阵列装置的主体为体光学材料。

10.根据权利要求9所述的并行光模块，其特征在于，还包含探测器阵列和探测器跨阻放大器芯片，所述探测器阵列和探测器跨阻放大器芯片粘贴在连接柔性板的陶瓷衬底上，并且与电路基板电连接，所述透镜阵列装置在所述第一侧还包含第二光束输出透镜阵列，在所述第二侧还包含第二光束输入透镜阵列，所述并行光纤可插拔接口的第一部分与分光装置耦合对准，并行光纤可插拔接口的第二部分与第二光束输入透镜阵列耦合对准，所述探测器阵列与第二光束输出透镜阵列耦合对准。

Images