CN212905591U - 一种光电收发一体模块 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及数据传输领域，特别是涉及一种光电收发一体模块。包括发射模块、接收模块和控制模块；发射模块包括第一同轴mini BOSA和第一调制解调元件，第一同轴mini BOSA的出光口向外部发射光信号，第一同轴mini BOSA与第一调制解调元件连接；接收模块包括第二同轴mini BOSA和第二调制解调元件，第二同轴mini BOSA的入光口接收外部光信号，第二同轴mini BOSA与第二调制解调元件连接；控制模块的控制接口分别和发射模块的控制接口以及接收模块的控制接口连接。本实用新型通过2个同轴mini BOSA配合调制解调元件实现数据的发送和接收，通过成熟封装工艺降低了工艺难度，提高了稳定性，降低了物料成本，并且具有可维修性。

Description

一种光电收发一体模块

【技术领域】

本实用新型涉及数据传输领域，特别是涉及一种光电收发一体模块。

【背景技术】

当下，数据中心建设成本压力巨大，运营商和设备商对光电模块的成本提出了非常苛刻的要求，更倾向于选择具备低成本和高可靠性的光电模块产品。在5G移动基站网络中，所需要的光电模块速率均比现在4G的更高， 100G光电模块是5G建设中的主打产品。

目前常见的100G光电模块解决方案中，光电模块器件采用的封装技术为混合集成封装，调制技术为不归零码(Non-Return to Zero，简写为： NRZ)调幅。该解决方案中，采用BOX封装底壳，工艺成本较高、密封工艺复杂。另一方面，由于混合集成封装的光路较长，需要使用5个准直透镜进行5次耦合，物料和工艺成本高，良品率和可靠性下降。并且，由于采用单一调幅的调制方式，发送端和接收端各需要4个25G芯片，物料成本高、耗电量大，维修成本高。

鉴于此，如何克服该现有技术所存在的缺陷，降低100G光电模块器件的工艺复杂度和成本，是本技术领域亟待解决的问题。

【实用新型内容】

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型解决了现有100G光电模块工艺复杂且成本较高的问题。

本实用新型实施例采用如下技术方案:

第一方面，本实用新型提供了一种光电收发一体模块，包括发射模块1、接收模块2和控制模块3；发射模块1包括第一同轴mini BOSA11和第一调制解调元件12，第一同轴miniBOSA11的出光口向外部发射光信号，第一同轴mini BOSA11与第一调制解调元件12连接；接收模块2包括第二同轴mini BOSA21和第二调制解调元件22，第二同轴mini BOSA21的入光口接收外部光信号，第二同轴mini BOSA21与第二调制解调元件22连接；控制模块3的控制接口分别和发射模块1的控制接口以及接收模块2 的控制接口连接。

优选的，第一同轴mini BOSA11包括第一激光器11-1、第二激光器 11-2和复用器11-3，第一激光器11-1的信号输入口和第二激光器11-2 的信号输入口分别与第一调制解调元件12连接，第一激光器11-1输出口和第二激光器11-2的输出口分别与复用器11-3连接，复用器11-3的出光口作为第一同轴mini BOSA11的出光口。

优选的，第二同轴mini BOSA21包括第一探测器21-1、第二探测器 21-2和解复用器21-3，第一探测器21-1的信号输出口和第二探测器21-2 的信号输出口分别与第二调制解调元件22连接，第一探测器21-1的输入口和第二探测器21-2的输入口分别与解复用器21-3连接，解复用器21-3 的入光口作为第二同轴mini BOSA21的入光口。

优选的，第一同轴mini BOSA11使用TO38封装，第二同轴mini BOSA21使用TO33封装。

优选的，第一调制解调元件12和第二调制解调元件22使用PAM4调制解调芯片。

优选的，控制模块3包括印制电路板31，印制电路板31上的控制芯片与第一调制解调元件12的控制接口以及第二调制解调元件22的控制接口耦合。

优选的，控制模块3还包括柔性电路板32，印制电路板31上的控制芯片与第一调制解调元件12以及第二调制解调元件22的控制接口通过柔性电路板32连接。

优选的，第一激光器11-1和第二激光器11-2使用FP型激光器芯片或DFB型激光器芯片。

优选的，第一探测器21-1和第二探测器21-2使用PIN-TIA型接收器芯片或APD-TIA型接收器芯片。

优选的，还包括外壳4，外壳4使用QSFP+、QSFP28或CFP4封装。

与现有技术相比，本实用新型实施例的有益效果在于：通过2个同轴 mini BOSA配合调制解调元件实现数据的发送和接收，通过成熟封装工艺降低了工艺难度，提高了稳定性，降低了物料成本，并且具有可维修性。在本实施例的优选方案中，采用2个激光器芯片完成光信号发送，2个探测器芯片完成光信号接收，不仅减少了激光器芯片和探测器芯片的数量，降低了成本和器件体积，也减少了激光器波长数量，降低了光路复杂度，降低了加工难度，提高了可靠性。

【附图说明】

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，下面将对本实用新型实施例中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，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他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种光电收发一体模块结构示意图；

图2是一种现有的光电收发一体模块结构示意图；

图3是另一种现有的光电收发一体模块结构示意图；

图4是CWDM4 QSFP28封装结构和尺寸示意图；

图5是本实用新型实施例提供的另一种光电收发一体模块结构示意图；

图6是本实用新型实施例提供的另一种光电收发一体模块结构示意图；

图7是本实用新型实施例提供的另一种光电收发一体模块封装示意图；

图8是本实用新型实施例提供的另一种光电收发一体模块结构示意图；

其中，附图标记如下：

1：发射模块，11：第一同轴mini BOSA，11-1：第一激光器，11-2：第二激光器，11-3：复用器，12：第一调制解调元件，

2：接收模块，21：第二同轴mini BOSA，21-1：第一探测器，21-2：第二探测器，21-3：解复用器，22：第二调制解调元件，

3：控制模块，31：印制电路板，32：柔性电路板，

4：外壳，5：激光器，6：接收器，7：隔离器，8：分光片，9：球透镜。

【具体实施方式】

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

本实用新型是一种特定功能系统的体系结构，因此在具体实施例中主要说明各结构模组的功能逻辑关系，并不对具体软件和硬件实施方式做限定。

此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。下面就参考附图和实施例结合来详细说明本实用新型。

实施例1：

5G移动基站网络的结构中，终端一侧的射频天线和射频拉远单元 (Radio RemoteUnit，简写为：RRU)会一体化成为活跃天线单元(Active Antenna Unit，简写为：AAU)，原4G的室内基带处理单元(Building Base Band Unit，简写为：BBU)分离为集中单元(Centralized Unit，简写为： CU)和分布单元(Distributed Unit，简写为：DU)，在CU和DU之间，需要使用100G通信网络连接。为了降低5G网络的建设成本、提高5G网络的稳定性、加快5G网络的推广，本实用新型提供了一种成本低、加工工艺简单、稳定性高的通信网络中使用的光电收发一体模块。

下面结合图1说明本实用新型提供的光电收发一体模块的具体结构：

包括发射模块1、接收模块2和控制模块3。

光电收发一体模块需要同时具备将接收到的电信号转化为光信号发射，以及将接收到光信号转换为电信号的功能，因此需要具备发射模块1 和接收模块2，以及对发射和接收进行控制的控制模块3。发射模块1根据接收到的电信号对光信号进行调制，并向外发射与电信号携带同样信息的光信号。接收模块2用于接收光信号，并将光信号中携带的信息转换为电信号。控制模块3向发射模块1输入需要发射的电信号，并接收经过接收模块2转换得到的电信号。

目前，常规的100G光电模块解决方案使用的器件采用混合集成封装，调制技术为NRZ调幅。采用混合集成封装的光电模块器件结构复杂，如图2所示，为现有光电模块器件的发射结构，接收结构与发射结构基本一致。现有光电模块器件的发射结构一般包括BOX底壳、分光片和反射镜组合件、以及5个准直透镜。BOX底壳价格高，密封工艺复杂；分光片和反射镜组合件要求高精度贴装；由于器件整体光路较长，还需要使用5个准直透镜进行平行光耦合，并为每个准直透镜进行一次耦合工序，物料和工艺成本都很高，良品率和可靠性下降。另一方面，如图3所示，采用 MRZ调幅为单一调幅的调制方式，发射端需要4个25G激光器芯片，每个激光器承载1路25G信号；接收端也需要4个25G探测器芯片，物料成本高，耗电量也增大。由于结构和封装的原因，现有光收发模块只要发射端有一个激光器失效就需要更换全部发射端组件，只要接收端有一个探测器失效就需要更换全部接收端组件，返修维护成本高。

为了避免目前解决方案中的问题，简化器件结构和工艺复杂度、降低成本、提高系统稳定性和可维护性，本实施例的解决方案采用光收发一体组件(Bi-DirectionalOptical Sub-Assembly，简写为：BOSA)作为模块的核心。本实施例中以100G光收发一体模块为例进行说明，在实际使用中，通信协议及加工工艺允许的情况下，可以通过更换BOSA中不同功率的激光器和接收器等方式改变光收发一体模块的功率。100G光模块需要符合多源协议(multi-source agreement，简写为：MSA)中CWDM4 QSFP28的外形尺寸，具体尺寸如图4所示，只有小型化BOSA才能装配进管壳，因此需要使用mini BOSA作为本实施例提供的解决方案的核心器件。进一步的，为了降低工艺复杂度和成本、提高可靠性，本实施例提供的解决方案使用的BOSA为TO封装的同轴mini BOSA，同轴mini BOSA采用当下最成熟的同轴平台工艺，使用的元件数量较少、元件成本较低、结构简单，因此在物料成本、工艺成本和可靠性方面都比采用混合集成封装的器件具有优势；另一方面，同轴器件的加工难度低、成品率高、交付周期短，进一步提高了使用同轴器件的模块的成本和稳定性优势。

发射模块1包括第一同轴mini BOSA11和第一调制解调元件12，第一同轴miniBOSA11的出光口向外部发射光信号，第一同轴mini BOSA11与第一调制解调元件12连接。本实施例中，需要发射的通信数据由第一调制解调元件12调制为电信号，第一同轴miniBOSA11接受到电信号后将电信号转换为与电信号携带相同通信数据的光信号，并通过出光口向外部输出携带通信数据的光信号，完成光电转换和信号发送。

接收模块2包括第二同轴mini BOSA21第二调制解调元件22，第二同轴miniBOSA21的入光口接收外部光信号，第二同轴mini BOSA21与第二调制解调元件22连接。由第二同轴mini BOSA21的入光口输入的光信号被接收后，转换为携带相同通信数据的电信号，并输出至第二调制解调元件22进行解调，完成光电转换和信号接收。

控制模块3的控制接口分别和发射模块1以及接收模块2的控制接口连接。控制模块3以电信号的形式向发射模块1中的第一调制解调元件12 发送需要发射的通信数据，接收经第二调制解调元件22解调后的携带着与接收到的光信号相同通信数据的电信号，并对发射模块1和接收模块2 进行其它类型的控制。

为了满足CWDM4 QSFP28的外形尺寸的需求，在本实施例的优选方案中，第一同轴mini BOSA11使用TO38封装，第二同轴mini BOSA21使用 TO33封装。目前常用的BOSA器件一般使用TO56封装，即TO底座的外径为5.6mm的一种封装方式，主要的应用范围是常规光器件，因为5.6mm大小适中，与常规的SFP模块、XFP模块结构均能够吻合，所以得到了巨大的发展，目前主要应用于LD-TO器件。本实施里中使用的同轴mini BOSA 采用外径3.8mm的TO38封装和外径3.3mm的TO33封装，主要应用于小型 10G或者25G光器件，有效减少了整个BOSA的外形尺寸，并符合CWDM4 QSFP28的管壳装配要求。

在现有技术方案中，如图3所示，实现100G信号传输需要使用包括4 个波长分别为1270nm、1290nm、1310nm和1330nm的5G激光器芯片、4个 25G探测器芯片和2个调制解调芯片的复杂光路设计和封装结构。在本实施例中，如图5所示，实现100G信号收发只需2个25G激光器芯片、2个 25G探测器芯片和2个调制解调芯片，成本和工艺优势明显。

发射模块1中使用的第一同轴mini BOSA11包括第一激光器11-1、第二激光器11-2和复用器11-3，第一激光器11-1的信号输入口和第二激光器11-2的信号输入口分别与第一调制解调元件12连接，第一激光器11-1 输出口和第二激光器11-2的输出口分别与复用器11-3连接，复用器11-3 的出光口作为第一同轴mini BOSA11的出光口。由第一调制解调元件12 调制后的电信号分别输入第一激光器11-1和第二激光器11-2的信号输入口，分别由第一激光器11-1和第二激光器11-2将电信号转换为与电信号携带相同通信数据的光信号，再经过复用器11-3合光后，经复用器13的出光向外部输出，完成光电转换和信号发送。

接收模块2中的第二同轴mini BOSA21包括第一探测器21-1、第二探测器21-2和解复用器21-3，第一探测器21-1的信号输出口和第二探测器 21-2的信号输出口分别与第二调制解调元件22连接，第一探测器21-1的输入口和第二探测器21-2的输入口分别与解复用器21-3连接，解复用器 21-3的入光口作为第二同轴mini BOSA21的入光口。由外部输入的光信号经解复用器21-3解复用后，分为两路光信号，分别被第一探测器21-1和第二探测器21-2接收并转换为携带相同通信数据的电信号，再输出至第二调制解调元件22进行解调，完成光电转换和信号接收。

为了减少激光器芯片和探测器芯片的数量，并减少激光器波长数量，在本实施例的优选方案中，第一调制解调元件12和第二调制解调元件22 使用4电平脉冲幅度调制码(4Pulse Amplitude Modulation，简写为： PAM4)调制解调芯片，PAM4信号是一种使用脉冲幅度调制技术的线路编码，有四个电压电平，分别对应逻辑比特00、01、10和11，因此PAM4编码的每个符号可以传输2个比特数据，传输带宽加倍。一个25G同轴 mini BOSA与一个PAM4调制解调芯片可以完成50G光电信号转换，两个 25G同轴mini BOSA与两个PAM4调制解调芯片则可以实现100G数据信号的传输。发送模块1中，第一调制解调芯片12在第一激光器11-1和第二激光器11-2上各加载一个25G信号，使用两个激光器可以获得100G信号。接收模块2中，第二调制解调芯片22可以将一个输入光信号解调出2 个50G信号，分别输入至第一探测器21-1和第二探测器21-1上。通过 PAM4调制解调芯片和同轴器件的配合使用，完成100G光信号的传输。

为了提高模块的集成性，并简化制作工艺，如图6所示，在本实施例的优选方案中，控制模块3包括印制电路板31。印制电路板31上的控制芯片与第一调制解调元件12和第二调制解调元件22的控制接口连接。通过印制电路板31上的电路和控制芯片，可以实现控制芯片电信号、调制解调芯片电信号与同轴mini BOSA光信号的相互转换。

为了提高模块的可靠性，避免模块弯折等外部因素导致的损坏，在本实施例的优选方案中，如图6所示，控制模块3包括柔性电路板32。印制电路板31上的控制芯片与第一调制解调元件12和第二调制解调元件22 的控制接口通过柔性电路板32连接。柔性电路板通过在可弯曲的轻薄塑料片上嵌入电路设计，使在窄小和有限空间中堆嵌大量精密元件，从而形成可弯曲的挠性电路。使用柔性电路连接印制电路板31和其它器件，具有可随意弯曲、折迭重量轻，体积小，散热性好，安装方便的优势。

在本实施的具体实施方案中，根据实际需要，第一激光器11-1和第二激光器11-2可以使用法布里-珀罗(Fabry-Perot，简写为：FP)型激光器芯片，功率高、低波段线宽、可以作为较长距离光源；也可以选用分布反馈(Distributed Feed Back，简写为：DFB)型激光器芯片，较易于产生特定要求的信号光。在本实施例的优选方案中，为了保证远距离传输功率，并符合通信协议要求，第一激光器11-1和第二激光器11-2使用 1270nm或1330nm波长的FP激光器芯片。

在本实施的具体实施方案中，根据实际需要，第一探测器21-1和第二探测器21-2可以使用P型半导体-杂质-N型半导体(positive- intrinsic-negative，简写为：PIN)型接收器芯片，结构简单、成本较低；也可以选用雪崩二极管(avalanche photodiode，简写为：APD)型接收器芯片，具有很高的灵敏度、暗电流很小、造成的噪声可以忽略。在本实施例的优选方案中，为了降低成本，第一探测器21-1和第二探测器 21-2使用PIN型接收器芯片。

为了对本实施例中的模块进行符合协议要求的封装，如图7所示，模块的外壳4可以根据需要选用CFP(Centum Form-factor Pluggable)、 CFP2、CFP4、CFP8、QSFP(GbpsQuad Small Form-factor Pluggable) 或QSFP+方式进行封装。在本实施例的优选方案中，为了减小模块体积、提高模块传输效率，选用QSFP+、QSFP28或CFP4方式进行封装，CFP4光模块的体积是CFP的四分之一，QSFP28光模块的封装样式比CFP4光模块更小，QSFP+相对于QSFP传输距离更长。进行封装后，为了保护内部元件，还可以将所有电路元件密封进机加工管体内。

在本实施例使用的同轴mini BOSA内部，为了保证激光器5和接收器 6之间光路的独立，避免光路干扰，并对每个光路分别进行耦合，如图8所示，同轴mini BOSA内部光路还包括隔离器7、分光片8和两个球透镜9。隔离器7和分光片6位于激光器和接收器之间，用于隔离激光器5所在的出射光路和接收器6所在的入射光路。其中一个球透镜9位于激光器5和隔离器7之间的光路上，另一个球透镜9位于分光片8和接收器6之间的光路上，用于进行光路耦合。

本实施例提供的解决方案采用同轴平台工艺，无论是物料成本还是工艺成本以及可靠性，都比混合集成技术和平台占据优势，并且具有加工难度低、成品率高、交付周期短、可靠性较高的优点。本解决方案采用PAM4调制解调技术，不仅可以减少激光器芯片和探测器芯片的数量，还可以减少激光器波长数量，成本和工艺优势明显。本解决方案采用成熟封装工艺带来高可靠性，降低系统维护成本。本解决方案模块接收端和发射端也具有器件级的可维修性，大幅度降低后期成本。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光电收发一体模块，其特征在于：

包括发射模块(1)、接收模块(2)和控制模块(3)；

发射模块(1)包括第一同轴mini BOSA(11)和第一调制解调元件(12)，第一同轴miniBOSA(11)的出光口向外部发射光信号，第一同轴mini BOSA(11)与第一调制解调元件(12)连接；

接收模块(2)包括第二同轴mini BOSA(21)和第二调制解调元件(22)，第二同轴miniBOSA(21)的入光口接收外部光信号，第二同轴mini BOSA(21)与第二调制解调元件(22)连接；

控制模块(3)的控制接口分别和发射模块(1)的控制接口以及接收模块(2)的控制接口连接。

2.根据权利要求1所述的光电收发一体模块，其特征在于：第一同轴mini BOSA(11)包括第一激光器(11-1)、第二激光器(11-2)和复用器(11-3)，第一激光器(11-1)的信号输入口和第二激光器(11-2)的信号输入口分别与第一调制解调元件(12)连接，第一激光器(11-1)输出口和第二激光器(11-2)的输出口分别与复用器(11-3)连接，复用器(11-3)的出光口作为第一同轴mini BOSA(11)的出光口。

3.根据权利要求1所述的光电收发一体模块，其特征在于：第二同轴mini BOSA(21)包括第一探测器(21-1)、第二探测器(21-2)和解复用器(21-3)，第一探测器(21-1)的信号输出口和第二探测器(21-2)的信号输出口分别与第二调制解调元件(22)连接，第一探测器(21-1)的输入口和第二探测器(21-2)的输入口分别与解复用器(21-3)连接，解复用器(21-3)的入光口作为第二同轴mini BOSA(21)的入光口。

4.根据权利要求1所述的光电收发一体模块，其特征在于：第一同轴mini BOSA(11)使用TO38封装，第二同轴mini BOSA(21)使用TO33封装。

5.根据权利要求1所述的光电收发一体模块，其特征在于：第一调制解调元件(12)和第二调制解调元件(22)使用PAM4调制解调芯片。

6.根据权利要求1所述的光电收发一体模块，其特征在于：控制模块(3)包括印制电路板(31)，印制电路板(31)上的控制芯片与第一调制解调元件(12)的控制接口以及第二调制解调元件(22)的控制接口耦合。

7.根据权利要求6所述的光电收发一体模块，其特征在于：控制模块(3)还包括柔性电路板(32)，印制电路板(31)上的控制芯片与第一调制解调元件(12)以及第二调制解调元件(22)的控制接口通过柔性电路板(32)连接。

8.根据权利要求2所述的光电收发一体模块，其特征在于：所述第一激光器(11-1)和第二激光器(11-2)使用FP型激光器芯片或DFB型激光器芯片。

9.根据权利要求3所述的光电收发一体模块，其特征在于：所述第一探测器(21-1)和第二探测器(21-2)使用PIN-TIA型接收器芯片或APD-TIA型接收器芯片。

10.根据权利要求1所述的光电收发一体模块，其特征在于：还包括外壳(4)，外壳(4)使用QSFP+、QSFP28或CFP4封装。

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