RU226905U1

RU226905U1 - Оптоэлектронный фотоприемный модуль

Info

Publication number: RU226905U1
Application number: RU2024110091U
Authority: RU
Inventors: Виктор Юрьевич Ильин; Михаил Юрьевич Рейман
Original assignee: Виктор Юрьевич Ильин
Filing date: 2024-04-13
Publication date: 2024-06-28

Abstract

Полезная модель относится к квантовой электронике и может быть использована для организации цифровых каналов передачи данных в волоконно-оптических линиях передачи данных. Раскрывается оптоэлектронный фотоприемный модуль, включающий корпус модуля, печатную плату, оптическую головку, включающую корпус оптической головки, в котором установлены фотодиод и втулка, внутри которой размещено оптическое волокно, при этом печатная плата соединена с фотодиодом, где торец оптического волокна, направленный в сторону фотодиода, снабжен коллиматором. 6 з.п. ф-лы.

Description

Полезная модель относится к квантовой электронике и может быть использована для организации цифровых каналов передачи данных в волоконно-оптических линиях передачи данных с высокими требованиями по достоверности передачи данных и безаварийной работе в жестких условиях воздействия внешних неблагоприятных факторов.

Наиболее близким по технической сущности является оптоэлектронный модуль по патенту РФ на полезную модель № 155668, опубл. 20.10.2015, включающий оптоэлектронный элемент, установленный на оси распространения оптического излучения, металлический корпус и внешние электрические выводы.

Существенными недостатками известного оптического модуля являются высокие потери потока излучения на пути от места выхода излучения из волокна до фотоприемника, и, как следствие, невозможность обеспечить максимальную чувствительность оптоэлектронного модуля. Указанный недостаток связан с тем, что часть потока излучения теряется на узле стыковки волоконно-оптической линии передачи данных и фотоприемника. Данные потери значительно уменьшают эффективность преобразования оптического сигнала в электрический. Величина данных потерь может достигать до 20% в зависимости от конструкции узла, типа используемого волокна и длины волны излучения. В совокупности данный недостаток приводит к потерям эквивалентным ослаблению излучения в волоконно-оптической линии передачи данных длиной до 80 км.

Известные способы решения данной проблемы заключаются либо в использовании фотодиодов с большим диаметром фоточувствительно элемента (от 250 мкм до 1000 мкм) для волокна с диаметром сердцевины не более 9 мкм, что ограничивает максимальную частоту детектирования до 10-100 МГц, либо использованием дополнительного оптического элемента – цилиндрической градиентной линзы или конической линзы. Данные линзы имеют значительные размеры: в длину до 5 мм, — что увеличивает габаритные размеры фотоприемного модуля.

Технический результат заключается в уменьшении потерь потока излучения, передаваемого по оптическому волокну в точке сопряжения с плоскостью фотоприемника, при одновременном сохранении габаритов фотоприемного модуля.

Указанный технический результат достигается тем, что на торцевой поверхности отрезка оптического волокна, обращенного в сторону фотоприемника, формируется микролинза, выполняющая роль градиентной линзы, таким образом торец волокна выполняет роль коллиматора, формирующего параллельный пучок для направления его на линзу фотодиода.

В результате изменяется диаграмма пространственного распределения потока излучения в воздушном зазоре между торцом оптического волокна и линзой фотодиода. Для стандартного одномодового волокна угол расходимости составляет 22 градуса (0,77 радиан), в то время как в предлагаемом устройстве угол расходимости становится менее 0,1 градуса (0,003 радиан), что за счет направления большей части потока излучения на фотоприемник позволяет уменьшить потери в 200 и более раз. Это значение соответствует повышению чувствительности конечного фотоприемного модуля на величину от 2 дБм до 8 дБм.

Таким образом, предложен оптоэлектронный фотоприемный модуль, включающий корпус модуля, печатную плату, оптическую головку, включающую корпус оптической головки, в котором установлены фотодиод и втулка, внутри которой размещено оптическое волокно, при этом печатная плата соединена с фотодиодом, при этом торец оптического волокна, направленный в сторону фотодиода, снабжен коллиматором.

Возможны варианты развития основного технического решения:

корпус модуля может быть выполнен сборным, или сборно-разборным, или цельным;

корпус может содержать основание с металлическими выводами, к которым подключается печатная плата;

фотодиод может быть снабжен линзой или защитным стеклом в виде линзы, которая установлена на фокусном расстоянии от фоточувствительного элемента.

Также коллиматор в оптоэлектронном фотоприемном модуле может быть выполнен в виде микролинзы, приклеен к торцу оптического волокна или образован за одно целое с торцом оптического волокна.

Полезная модель поясняется фигурами, где:

на фиг. 1 изображен оптоэлектронный фотоприемный модуль в сборе,

на фиг. 2 изображена передача оптического излучения на фотоприемник.

Как видно из фиг. 1, оптоэлектронный фотоприемный модуль имеет корпус 1 модуля, выполненный из электропроводного и коррозийно-стойкого материала толщиной порядка 0,1–2,5 мм. Корпус может быть выполнен герметичным и заполнен контролируемой газовой или твердой средой. Также корпус 1 модуля может быть выполнен сборным, или сборно-разборным, или цельным.

Печатная плата 2 располагается внутри корпуса 1 модуля и представляет собой многослойную печатную плату из высокочастотного материала с расположенными на ней SMD-компонентами, интегральными микросхемами и другими электронными компонентами.

Для соединения с внешними электрическими цепями в основании корпуса 1 модуля, изготовленном, например, из сплава 29НК по ГОСТ 10994-74 или аналога, предусмотрены металлические выводы 9, расположенные в соответствии с международным стандартом DIL-14. Для обеспечения их нормированного волнового сопротивления в качестве их изоляторов используется известное специальное стекло.

Оптическая головка 3 включает корпус 4 оптической головки, в котором установлены фотодиод 5 с системой его юстировки, втулка 6, внутри которой размещено оптическое волокно 7. Фотодиод 5 соединен с печатной платой 2. Конструкция оптической головки 3 может быть предназначена для соединения с любым стандартным оптическим коннектором, например, для стыковки с внешней оптической линией передачи данных может использоваться стандартный соединитель типа FC в варианте «оптическая розетка».

На выступающем из керамической втулки участке волокна 7 сформирован коллиматор 8, выполняющий функцию градиентной линзы и создающий параллельный пучок, выходящий из оптического волокна 7. Коллиматор 8 может быть выполнен в виде микролинзы, в свою очередь, микролинза может как приклеиваться к торцу волокна, так и может быть сформирована за одно целое с торцом волокна, например, путем придания торцу волокна выпуклой формы.

Фотодиод содержит линзу 10 или защитное стекло в виде линзы 10, которая фокусирует параллельный пучок от оптического волокна 7, сформированный коллиматором 8, на фоточувствительный элемент 11. Для этого линза 10 располагается на фокусном расстоянии от фоточувствительного элемента 11.

На фиг. 2 укрупненно показан узел сопряжения оптического волокна 7 и фотодиода 5 и диаграмма пространственного распределения потока излучения в воздушном зазоре между торцом оптического волокна 7 и линзой 10 фотодиода. В традиционном исполнении (стандартное одномодовое волокно с перпендикулярным плоским срезом на торце) выходящий из волокна 7 пучок будет расходиться под углом 22 градуса (0,77 радиан). В то же время параллельный пучок, сформированный коллиматором 8 по настоящей полезной модели, будет иметь угол расходимости менее 0,05 градуса (0,00087 радиана). Принимая стандартную величину зазора между торцом волокна и фокусирующей линзой фотоприемника равной 3,2 мм, сравним площадь засветки, создаваемую пучком излучения в плоскости установки линзы 10 фотодиода. Формула площади для равномерного конического пучка будет S=π·(L·tgα)² , где S — площадь засветки, L — величина зазора, α — угол расходимости пучка. Подставив значения получим, что в первом случае площадь засветки равна 5,23 мм², во втором случае — 2,44·10^-5 мм². При этом диаметр линзы 10 фотодиода составляет 2 мм (площадь 3,14 мм²). Таким обозом, в первом случае пятно засветки в 1,67 раз больше площади линзы 10 фотодиода, а во втором случае значительно меньше (площадь засветки фактически равна площади сечения волокна диаметром 9 мкм – 6,3·10^-5 мм²). Основываясь на данных расчетах, можно говорить о сокращении потерь при передаче оптической мощности из оптического волокна 7 на фотодиод 5 по меньшей мере на 67% за счет уменьшения площади засветки.

Claims

1. Оптоэлектронный фотоприемный модуль, включающий корпус модуля, печатную плату, оптическую головку, включающую корпус оптической головки, в котором установлены фотодиод и втулка, внутри которой размещено оптическое волокно, при этом печатная плата соединена с фотодиодом, отличающийся тем, что торец оптического волокна, направленный в сторону фотодиода, снабжен коллиматором.

2. Оптоэлектронный фотоприемный модуль по п. 1, отличающийся тем, что корпус модуля выполнен сборным, или сборно-разборным, или цельным.

3. Оптоэлектронный фотоприемный модуль по п. 1, отличающийся тем, что корпус модуля содержит основание с металлическими выводами, к которым подключается печатная плата.

4. Оптоэлектронный фотоприемный модуль по п. 1, отличающийся тем, что фотодиод снабжен линзой или защитным стеклом в виде линзы, которая установлена на фокусном расстоянии от фоточувствительного элемента.

5. Оптоэлектронный фотоприемный модуль по п. 1, отличающийся тем, что коллиматор выполнен в виде микролинзы.

6. Оптоэлектронный фотоприемный модуль по п. 1, отличающийся тем, что коллиматор приклеен к торцу оптического волокна.

7. Оптоэлектронный фотоприемный модуль по п. 1, отличающийся тем, что коллиматор образован за одно целое с торцом оптического волокна.