TWI471622B - Optical coupling device (1) - Google Patents

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TWI471622B
TWI471622B TW101136971A TW101136971A TWI471622B TW I471622 B TWI471622 B TW I471622B TW 101136971 A TW101136971 A TW 101136971A TW 101136971 A TW101136971 A TW 101136971A TW I471622 B TWI471622 B TW I471622B
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Bing Hung Shih
Guo Shuen Huang
Chia Jan Lee
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Sintai Optical Shenzhen Co Ltd
Asia Optical Co Inc
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Description

光耦合裝置(一)
本發明係與光學裝置有關，更詳而言之是指一種光耦合裝置。
隨著光學科技之進步，利用光訊號來傳導資訊之設計與裝置越來越多元與普及，而其中又以光耦合裝置普及運用於許多領域中。
而習用光耦合裝置之設計如美利堅合眾國公告第7369328號專利「Optical path change type optical coupling element」所示，係於兩個光學連接器(optical connector)之間設計有一光學耦合元件，且該光學耦合元件之兩個面上分別有一組透鏡部，且該二透鏡部至該反射面之距離相同，祈以透過該二透鏡部改變光訊號特性之設計，使得該光耦合裝置在進行光耦合傳輸時能產生較低之損耗，而可具有較佳耦合效率。
然而，上述之光耦合裝置於組裝時，為避免光訊號傳輸時有損耗加大及失真之疑慮，則須透過手動或是機器對位之方式使各該光學連接器與該光耦合元件上之透鏡部對齊，不僅費時且亦容易產生誤差。是以，綜上說明可知，習用光耦合裝置之設計仍未臻完善，且尚有待改進之處。
有鑑於此，本發明之主要目的在於提供一種光耦合裝置具有對光校準時間所需耗費之時間低、光學定位準確度高等特性。
緣以達成上述目的，本發明所提供光耦合裝置包含有一光學耦合元件、一光電轉換模組、以及至少一條光導纖維(optical fiber)；其中，該光學耦合元件具有至少一透鏡部、一反射面、以及一第一下對位部，且光訊號係由該透鏡部進入該光學耦合元件內部，經由該反射面反射後離開該光學耦合元件，或是進入該光學耦合元件內部，經由該反射面反射後，由該透鏡部離開該光學耦合元件者；該光電轉換模組位於該光學耦合元件的一側，且具有一基板、一基座、以及至少一光電轉換元件；該基座以絕緣材料製成，且設於該基板上，並具有一容置部、以及一第二下對位部；該光電轉換元件設於該容置部中，用以接收電訊號並轉換成光訊號後，將該光訊號向外投射出、或接收光訊號，再將光訊號轉換成電訊號後輸出；該第二下對位部結合於該第一下對位部上，使該光電轉換模組與該光電耦合元件連接，並該光電轉換元件朝向該光學為合元件者；該光導纖維位於該光學耦合元件之的另一側，且其一端端面朝向該光學耦合元件；該光導纖維用以將自外部傳輸之光訊號射往該光學耦合元件、或接收來自該光學耦合元件之光訊號，並傳輸至外部。依據上述構思，該第一下對位部具有兩個凹槽，且該二凹槽分別位於該第一透鏡部之兩側；該第二下對位部具有兩個分 別與各該凹槽呈互補之凸柱，且分別位於該容置槽之兩側，而分別對應各該凹槽。
依據上述構思，該二凸柱之中心軸線共面形成之平面與該容置部之其中一個面位於同一平面上。
依據上述構思，該光學耦合元件具有兩個透鏡部，分別為一第一透鏡部以及一第二透鏡部；其中，該第一透鏡部位於該光耦合元件朝向該光電轉換模組之一側，且該第一下對位部與該第一透鏡部位於同一側；而該第二透鏡部位於該光耦合元件朝向該光導纖維之另一側上。
依據上述構思，該光電轉換模組包含有兩個光電轉換元件，分別為一光訊號產生元件以及一光訊號接收元件；該光訊號產生元件具有至少一光投射部，用以在該光訊號產生元件接收電訊號並轉換成光訊號後，將該光訊號向外投射出；該光訊號接收元件具有至少一光接收部，用以接收光訊號，再由該光訊號接收元件轉換成電訊號後輸出；另外，該光耦合裝置包含有兩條光導纖維，其中一條用以將自外部傳輸之光訊號射往該光學耦合元件，而另外一條用以接收來自該光學耦合元件之光訊號，並傳輸至外部。
依據上述構思，該基座之容置部具有兩個容置槽，分別為一第一容置槽與一第二容置槽；另外，該光訊號產生元件位於該第一容置槽，而該光訊號接收元件位於該第二容置槽。
依據上述構思，該二容置槽之中間線至左右兩側凸柱中心 點之間的間距相等。
依據上述構思，該基板上具有複數個金屬墊，且該等金屬墊與該光電轉換元件電性連接。
依據上述構思，該基板為一印刷電路板，佈設有電路佈局(conductor pattern)，且該光訊號產生元件以及該光訊號接收元件與該電路佈局電性連接。
依據上述構思，該基板為一軟硬複合印刷電路板，且該電路佈局位於該軟硬複合印刷電路板中。
依據上述構思，該光訊號產生元件為一面射型雷射(vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)；該光訊號接收元件為一光電二極體(photodiodes，PD)。
依據上述構思，該第二下對位部結合於該第一下對位部上時，該光訊號產生元件之光投射部及該光訊號接收元件之光接收部分別對向該第一透鏡部。
藉此，透過上述之設計，該光耦合裝置不僅對光校準時間所需耗費之時間低，更可具有光學定位準確度高之特性。
為能更清楚地說明本發明，茲舉較佳實施例並配合圖示詳細說明如後。
請參閱圖1與圖2，本發明較佳實施例之光耦合裝置用以適用於現行較為廣泛被使用之四發四收之收發器(transceiver) 以及MT型帶狀光導纖維連接器。該光耦合裝置包含有一光學耦合元件10、一光電轉換模組20、一線架30以及數條光導纖維(optical fiber)40。其中：該光學耦合元件10具有一本體12以及一透鏡架14。其中：請參閱圖3，該本體12上具有一第一透鏡部121、一第一下對位部122以及一反射面123。該第一透鏡部121具有十二個非球面透鏡，且最靠近兩側之八個透鏡分別為四個第一輸入透鏡121a以及四個第一輸出透鏡121b。該第一下對位部122與該第一透鏡部121位於同一表面上，於本實施例中，該第一下對位部122具有兩個分別位於該第一透鏡部121兩側之凹槽。
請參閱圖4，該透鏡架14以可分離之方式與該本體12連接，於本實施例中，該透鏡架14朝向該本體12之面上具有一第一前對位部141，而該本體12上則對應具有一第二前對位部124，該第一前對位部141具有兩個凹槽，而該第二前對位部124具有兩個與各該凹槽呈互補之凸柱，藉以透過將各該凹槽與對應之各該凸柱結合之方式，使該透鏡架14與該本體12連接。另外，該透鏡架14上具有一第二透鏡部142，具有十二個非球面透鏡，且最靠近兩側之八個透鏡分別為四個第二輸出透鏡142a以及四個第二輸入透鏡142b。再者，請參閱圖5及圖6，該等透鏡更符合下列條件：1.)0.9≦α≦1.2； 2.)28°≦γ≦35°；其中，α為該等透鏡之中心厚度T1與邊緣厚度T2之比值；γ為該等透鏡的邊緣切線交角；請參閱圖7，該光電轉換模組20具有一基板22、一基座
24、一光訊號產生元件26以及一光訊號接收元件28。其中：該基板22為一印刷電路板，並佈設有電路佈局(conductor pattern)(圖未示)，且該基板22上具有複數個金屬墊221與該電路佈局電性連接。於本實施例中，該基板22為軟硬複合印刷電路板，且該電路佈局佈設於該軟硬複合印刷電路板中。
該基座24以絕緣材料製成，且設於該基板22上，並具有一第一容置槽241、一第二容置槽242以及一第二下對位部243。該第一容置槽241之位置對應該等第一輸入透鏡121a，而該第二容置槽242之位置則對應該等第一輸出透鏡121b。該第二下對位部243用以供與該光學耦合元件10之該第一下對位部122結合。於本實施例中，該第二下對位部243具有兩個分別位於該二容置槽241、242外側之凸柱，且其形狀與該第一下對位部122之凹槽形狀互補。另外，請參閱圖8，左右兩側凸柱中心點至該第一容置槽241與該第二容置槽242之中間線M1、M2之間的間距相等，且該第二下對位部243之二凸柱中心軸線共面形成之平面S與該等 容置槽241、242之槽壁D3、D4位於同一平面上。
該光訊號產生元件26具有數個光投射部，且設於該第一容置槽241中且貼抵該第一容置槽241之槽壁D1、D3，進而對應該等第一輸入透鏡121a，用以將接收之電訊號轉換成光訊號後，透過該等光投射部射往該光學耦合元件10。於本實施例中，該光訊號產生元件26為一面射型雷射(vertical cavity surface emitting laser，VCSEL)。
該光訊號接收元件28具有數個光接收部，且設於該第二容置槽242中且貼抵該第二容置槽242之槽壁D2、D4，進而對應該等第一輸出透鏡121b，用以透過該等光接收部接收光訊號後，轉換成電訊號輸出。於本實施例中，該光訊號接收元件28為一光電二極體(photodiodes，PD)。
另外，該光訊號產生元件26與該基板22上一部份之該等金屬墊221電性連接，而該光訊號接收元件28則與另外一部份之該等金屬墊221電性連接。藉此，該光訊號產生元件26以及該光訊號接收元件28便可透過該等金屬墊221與該基板22之電路佈局電性連接。
該線架30以可分離之方式與該光學耦合元件10之該透鏡架14連接，於本實施例中，該線架30朝向該透鏡架14之面上具有一第三前對位部32，而該透鏡架14上則對應具有一第四前對位部143。該第三前對位部32具有兩個凹槽，而該第四前對位部143具有兩個分別與該第三前對位部32各該凹槽 呈互補之凸柱，藉以透過將各該凹槽與對應之各該凸柱結合之方式，使該線架30與該透鏡架14連接。
該等光導纖維40設於該線架30上而位於該光學耦合元件10之的一側，且其各一端端面分別朝向該第二透鏡部142。該等光導纖維最接近兩側分別為四個第一光導纖維40a以及四個第二光導纖維40b，其中，該等第一光導纖維40a分別對應各該第二輸出透鏡142a，用以接收光訊號並傳輸至外部；而該等第二光導纖維40b則分別對應各該第二輸入透鏡142b，用以將自外部傳輸之光訊號傳遞到該光學耦合元件10。
藉此，透過將該第一下對位部122與該第二下對位部243結合、將該第一前對位部141與該第二前對位部124結合、以及將該第三前對位部32與該第四前對位部143結合後，便可在組裝該光耦合裝置時，快速且準確地使該光訊號產生元件26之光投射部對向該等第一輸入透鏡121a、使該光訊號接收元件28之光接收部對向該等第一輸出透鏡121b、使該等第一光導纖維40a對向該等第二輸出透鏡142a，以及使該等第二光導纖維40b則對向該等第二輸入透鏡142b。另外，該第二下對位部243之該二凸柱的中心軸線共面形成之平面S與等容置槽241、242之槽壁D3、D4位於同一平面上、以及該第一容置槽241與該第二容置槽242之中間線M1、M2之間的間距相等之設計，將可使得該光訊號產生元件26以及該光訊號接收元件28分別設置於各該容置槽241、242中時，可透過貼抵 該槽壁D1、D2、D3、D4之方式來達到快速定位之效果。
請參閱圖9，當該光訊號產生元件26接收到電訊號後，便轉換成光訊號並透過光投射部射往該光學耦合元件10，光訊號由該第一輸入透鏡121a進入該光學耦合元件10之主體12後，經由該反射面16反射而離開主體12並進入該透鏡架14，而後，由該第二輸出透鏡142a離開該光學耦合元件10射至該第一光導纖維40a，而將該光訊號傳輸至外部。反之，請參閱圖10，當外部之光訊號傳輸至該第二光導纖維40b後，由該第二光導纖維40b射往該光學耦合元件10，此時，光訊號將由該第二輸入透鏡142b進入該透鏡架14以及該主體12，並經由該反射面16反射後，由該第一輸出透鏡121b離開該主體12至該光訊號接收元件28之光接收部而轉換成電訊號。
藉此，由上述說明可得知，該光耦合裝置不僅具有微小體積雙向傳輸的特色，亦同時具有快速對光校準之效果、以及光學定位準確度高之特性。另外，透過上述第二透鏡部142之該等透鏡之條件設計，更可使該光學耦合元件10具有較大之光訊號產生元件26之適用範圍，進而使其具有對光校準時間所需耗費之時間低、光學定位準確度高之優點。再者，該透鏡架14之可分離設計，除了可使用在光纖傳輸的效率提升與準直對光等相關應用外，亦可使得該光耦合裝置可依據所選用之光導纖維40的數值孔徑(number aperture)、依設置環境、系統需求與傳輸對象之不同，而可選擇具有不同材質、曲率半徑之球 面透鏡或非球面透鏡之透鏡架，來達到提升光傳導效果之功能。
必須說明的是，以上所述僅為本發明較佳可行實施例而已，除同時使用光訊號接收元件與光訊號產生元件之兩種光電轉換元件之設計外，亦可依需求僅使用單一種光電轉換元件來達到收或發光訊號之目的。另外，舉凡應用本發明說明書及申請專利範圍所為之等效結構變化，理應包含在本發明之專利範圍內。
10‧‧‧光學耦合元件
12‧‧‧本體
121‧‧‧第一透鏡部
121a‧‧‧第一輸入透鏡
121b‧‧‧第一輸出透鏡
122‧‧‧第一下對位部
123‧‧‧反射面
124‧‧‧第二前對位部
14‧‧‧透鏡架
141‧‧‧第一前對位部
142‧‧‧第二透鏡部
142a‧‧‧第二輸出透鏡
142b‧‧‧第二輸入透鏡
143‧‧‧第四前對位部
20‧‧‧光電轉換模組
22‧‧‧基板
221‧‧‧金屬墊
24‧‧‧基座
241‧‧‧第一容置槽
242‧‧‧第二容置槽
243‧‧‧第二下對位部
26‧‧‧光訊號產生元件
28‧‧‧光訊號接收元件
30‧‧‧線架
32‧‧‧第三前對位部
40‧‧‧等光導纖維
40a‧‧‧第一光導纖維
40b‧‧‧第二光導纖維
D1、D2、D3、D4‧‧‧槽壁
M1、M2‧‧‧中間線
S‧‧‧平面
圖1為本發明較佳實施例之分解圖；圖2為本發明較佳實施例之立體圖；圖3為光學耦合元件本體之立體圖；圖4為光學耦合元件透鏡架之立體圖；圖5揭示透鏡之中心厚度與邊緣厚度；圖6揭示透鏡的鏡面切線交角；圖7為光電轉換模組之立體圖；圖8為基座之立體圖；圖9與圖10為本發明較佳實施例收發光訊號時之光路圖。
10‧‧‧光學耦合元件
12‧‧‧本體
123‧‧‧反射面
124‧‧‧第二前對位部
14‧‧‧透鏡架
141‧‧‧第一前對位部
143‧‧‧第四前對位部
20‧‧‧光電轉換模組
22‧‧‧基板
24‧‧‧基座
243‧‧‧第二定位部
26‧‧‧光訊號產生元件
28‧‧‧光訊號接收元件
30‧‧‧線架
32‧‧‧第三前對位部
40‧‧‧光導纖維

Claims (8)

  1. 一種光耦合裝置，包含有：一光學耦合元件，具有至少一透鏡部、一反射面、以及一第一下對位部，且光訊號係由該透鏡部進入該光學耦合元件內部，經由該反射面反射後離開該光學耦合元件，或是進入該光學耦合元件內部，經由該反射面反射後，由該透鏡部離開該光學耦合元件者；一光電轉換模組，位於該光學耦合元件的一側，且具有一基板、一基座、以及至少一光電轉換元件；該基座以絕緣材料製成，且設於該基板上，並具有一容置部、以及一第二下對位部；該光電轉換元件設於該容置部中，用以接收電訊號並轉換成光訊號後，將該光訊號向外投射出、或接收光訊號，再將光訊號轉換成電訊號後輸出；該第二下對位部結合於該第一下對位部上，使該光電轉換模組與該光電耦合元件連接，並該光電轉換元件朝向該光學耦合元件者；以及至少一條光導纖維(optical fiber)，位於該光學耦合元件的另一側，且其一端端面朝向該光學耦合元件；該光導纖維用以將自外部傳輸之光訊號射往該光學耦合元件、或接收來自該光學耦合元件之光訊號，並傳輸至外部；其中，該光學耦合元件具有兩個透鏡部，分別為一第一透鏡部以及一第二透鏡部；該第一透鏡部位於該光耦合元件朝向該光電轉換模組之一側，且該第一下對位部與該第一透鏡部位於同一側 上；而該第二透鏡部位於該光耦合元件朝向該光導纖維之另一側。
  2. 一種光耦合裝置，包含有：一光學耦合元件，具有至少一透鏡部、一反射面、以及一第一下對位部，且光訊號係由該透鏡部進入該光學耦合元件內部，經由該反射面反射後離開該光學耦合元件，或是進入該光學耦合元件內部，經由該反射面反射後，由該透鏡部離開該光學耦合元件者；一光電轉換模組，位於該光學耦合元件的一側，且具有一基板、一基座、以及至少一光電轉換元件；該基座以絕緣材料製成，且設於該基板上，並具有一容置部、以及一第二下對位部；該光電轉換元件設於該容置部中，用以接收電訊號並轉換成光訊號後，將該光訊號向外投射出、或接收光訊號，再將光訊號轉換成電訊號後輸出；該第二下對位部結合於該第一下對位部上，使該光電轉換模組與該光電耦合元件連接，並該光電轉換元件朝向該光學耦合元件者；以及至少一條光導纖維(optical fiber)，位於該光學耦合元件的另一側，且其一端端面朝向該光學耦合元件；該光導纖維用以將自外部傳輸之光訊號射往該光學耦合元件、或接收來自該光學耦合元件之光訊號，並傳輸至外部；其中，該光電轉換模組包含有兩個光電轉換元件，分別為一光訊號產生元件以及一光訊號接收元件；該光訊號產生元件具有至少一光投射部，用以在該光訊號產生元件接收電訊號並轉換成光 訊號後，將該光訊號向外投射出；該光訊號接收元件具有至少一光接收部，用以接收光訊號，再由該光訊號接收元件轉換成電訊號後輸出；另外，該光耦合裝置包含有兩條光導纖維，其中一條用以將自外部傳輸之光訊號射往該光學耦合元件，而另外一條用以接收來自該光學耦合元件之光訊號，並傳輸至外部；其中，該基座之容置部具有兩個容置槽，分別為一第一容置槽與一第二容置槽；另外，該光訊號產生元件位於該第一容置槽，而該光訊號接收元件位於該第二容置槽；其中，該第一下對位部具有兩個凹槽，且該二凹槽分別位於該第一透鏡部之兩側；該第二下對位部具有兩個分別與各該凹槽呈互補之凸柱，且分別位於該容置部之兩側，而分別對應各該凹槽。
  3. 一種光耦合裝置，包含有：一光學耦合元件，具有至少一透鏡部、一反射面、以及一第一下對位部，且光訊號係由該透鏡部進入該光學耦合元件內部，經由該反射面反射後離開該光學耦合元件，或是進入該光學耦合元件內部，經由該反射面反射後，由該透鏡部離開該光學耦合元件者；一光電轉換模組，位於該光學耦合元件的一側，且具有一基板、一基座、以及至少一光電轉換元件；該基座以絕緣材料製成，且設於該基板上，並具有一容置部、以及一第二下對位部；該光電轉換元件設於該容置部中，用以接收電訊號並轉換成光訊號後，將該光訊號向外投射出、或接收光訊號，再將光訊號轉換成 電訊號後輸出；該第二下對位部結合於該第一下對位部上，使該光電轉換模組與該光電耦合元件連接，並該光電轉換元件朝向該光學耦合元件者；以及至少一條光導纖維(optical fiber)，位於該光學耦合元件的另一側，且其一端端面朝向該光學耦合元件；該光導纖維用以將自外部傳輸之光訊號射往該光學耦合元件、或接收來自該光學耦合元件之光訊號，並傳輸至外部；其中，該第一下對位部具有兩個凹槽，且該二凹槽分別位於該透鏡部之兩側；該第二下對位部具有兩個分別與各該凹槽呈互補之凸柱，且分別位於該容置部之兩側，而分別對應各該凹槽。
  4. 如請求項3所述光耦合裝置，其中，該二凸柱之中心軸線共面形成之平面與該容置部之其中一個面位於同一平面上。
  5. 如請求項2所述光耦合裝置，其中，該二容置槽之中間線至左右兩側凸柱中心點之間的間距相等。
  6. 一種光耦合裝置，包含有：一光學耦合元件，具有至少一透鏡部、一反射面、以及一第一下對位部，且光訊號係由該透鏡部進入該光學耦合元件內部，經由該反射面反射後離開該光學耦合元件，或是進入該光學耦合元件內部，經由該反射面反射後，由該透鏡部離開該光學耦合元件者；一光電轉換模組，位於該光學耦合元件的一側，且具有一基板、一基座、以及至少一光電轉換元件；該基座以絕緣材料製成， 且設於該基板上，並具有一容置部、以及一第二下對位部；該光電轉換元件設於該容置部中，用以接收電訊號並轉換成光訊號後，將該光訊號向外投射出、或接收光訊號，再將光訊號轉換成電訊號後輸出；該第二下對位部結合於該第一下對位部上，使該光電轉換模組與該光電耦合元件連接，並該光電轉換元件朝向該光學耦合元件者；以及至少一條光導纖維(optical fiber)，位於該光學耦合元件的另一側，且其一端端面朝向該光學耦合元件；該光導纖維用以將自外部傳輸之光訊號射往該光學耦合元件、或接收來自該光學耦合元件之光訊號，並傳輸至外部；其中，該基板為一軟硬複合印刷電路板，佈設有電路佈局(conductor pattern)，且該光訊號產生元件以及該光訊號接收元件與該電路佈局電性連接。
  7. 如請求項1所述光耦合裝置，其中，該光電轉換模組包含有兩個光電轉換元件，分別為一光訊號產生元件以及一光訊號接收元件；該光訊號產生元件具有至少一光投射部，用以在該光訊號產生元件接收電訊號並轉換成光訊號後，將該光訊號向外投射出；該光訊號接收元件具有至少一光接收部，用以接收光訊號，再由該光訊號接收元件轉換成電訊號後輸出；另外，該光耦合裝置包含有兩條光導纖維，其中一條用以將自外部傳輸之光訊號射往該第二透鏡部，而另外一條用以接收來自該第二透鏡部之光訊號，並傳輸至外部。
  8. 如請求項7所述光耦合裝置，其中，該第二下對位部結合於該第一下對位部上時，該光訊號產生元件之光投射部及該光訊號接收元件之光接收部分別對向該第一透鏡部。
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