CN102866470A - 一种高耦合效率的光收发器件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种高耦合效率的光收发器件，包括：本体；光纤插芯；光发射组件，光发射组件包括激光器芯片和透镜，激光器芯片发射的光束经过所述透镜后发射到光发射组件外；光接收组件；滤光片，倾斜设置于光纤插芯和光发射组件之间，所述光发射组件发出的光束穿过所述滤光片射入光纤插芯，所述光纤插芯发出的光束被所述滤光片反射后射入光接收组件，所述激光器芯片和光发射组件的中轴线之间存在激光器芯片偏移量dx。本发明的有益效果主要体现在：通过横向上偏移的设置光发射组件中的激光器芯片，补偿发射到光纤插芯上的光线的角度偏移，在提高了耦合效率的同时，生产和装配简单。

Description

一种高耦合效率的光收发器件及其制造方法

技术领域

本发明涉及光纤传输领域，尤其涉及一种光收发器件及其制造方法。

背景技术

随着光纤到户FTTH(Fiber TO The Home)的普及，市场上对于小型热插拔封装的单纤双向光模块需求量逐步增大，但同时市场给予光模块的成本压力也在加大。例如，作为EPON(Ethernet Passive Optical Network )和GPON(Gigabit Passive Optical Network )光模块的关键器件，单纤双向光器件(BOSA)占据了光模块成本的60%以上。因此，如何降低光器件的成本成为光模块生产厂家的重中之重。

目前，光器件厂商降本的主要方法是降低PON光器件中的LD TO（Laser Diode Transistor Outline）成本。而降低LD TO成本的途径主要是将非球透镜更改为球透镜。然而，一般地，非球透镜的耦合效率可以达到30%以上，而球透镜一般为20%，两者相差达到10%以上，这就使耦合效率成为低成本PON光器件中设计、生产中的关键因素。因此，采用低成本LD TO，也就是球透镜LD TO，如何有效提高耦合效率已成为研发和生产中的关键因素。

以传统的GPON光收发器件为例，如图1所示，其包含本体101，光纤插芯102，收端的PD TO（Photodiode Detector）光接收组件103，发端的LD TO 光发射组件104，成45°设置的滤光片105。其基本工作原理为：出射光从光发射组件104发出，直接透过45°滤光片 105，由光纤插芯102接收；而接收光从光纤插芯102射入，经过45°滤光片105反射进入光接收组件103。

目前业界,普遍采用如下的方法来提高耦合效率：

方法1，采用特殊设计的光纤插芯，以提高耦合效率。如图2所示，该方法中的光收发器件基本结构和前述传统GPON光收发器件类似，具有本体201，光纤插芯202，光接收组件103，光发射组件104及滤光片105，它和传统光收发器件的差异为将光纤插芯202中的收光部件倾斜一定角度设置。该方法的基本原理如图3所示，根据菲涅尔定律，若收光部件的倾斜角为8°，此时折射到光纤中的主光线对应的入射光线与光纤的光轴夹角为3.79°，假定光纤纤芯介质折射率n2=1.4676,入射波长1550nm，空气折射率n1=1。因此，相比之下，斜8°收光部件206的耦合效率会比平端光纤有不少下降，这主要是斜8°收光部件206端面的反射以及斜8°收光部件206数值孔径与光发射组件204出射激光的数值孔径不匹配造成的。为提高耦合效率，容易想到将斜8°收光部件206按照倾斜3.79°安装，此时由光发射组件204发出的光线入射到收光部件206上，就相当于直接入射到平端光纤上。因此，此种插芯设计相比斜8°插芯设计，可以提高耦合效率。但此法的缺点是光纤插芯202制造工艺复杂，成本高昂，并且光纤插芯202可靠性仍无法保证。

方法2，如图4所示，该方法中的光收发器件基本结构和前述传统GPON光收发器件类似，具有本体401，光纤插芯402，光接收组件403，光发射组件404及滤光片405，它和传统光收发器件的差异为将光纤插芯202与本体401按照一定角度焊接装配。容易看出此法的原理类似于方法1。该法的缺点是，生产过程中插芯与本体需按照一定角度装配，对人员及夹、治具的要求极高，同时对激光焊接系统也提出苛刻的要求，不利于生产。

方法3，如在专利US2012/0148257A1中提到的，采用光发射组件与本体按照特定角度装配的方法来提高耦合效率。同样地，也存在与方法2相同的弊端，对生产工艺要求苛刻，不易于实现。

发明内容

本发明所要解决的技术问题为，提供一种能提高耦合效率，并简化生产操作的光收发器件及其制造方法。

本发明的目的通过提供以下一种光收发器件实现：

一种高耦合效率的光收发器件，包括：本体；光纤插芯，一端位于本体中；光发射组件，至少部分位于本体中，所述光发射组件和光纤插芯相对设置，光发射组件包括激光器芯片和透镜，激光器芯片发射的光束经过所述透镜后发射到光发射组件外；光接收组件，至少部分位于本体中；滤光片，倾斜设置于光纤插芯和光发射组件之间，所述光发射组件发出的光束穿过所述滤光片射入光纤插芯，所述光纤插芯发出的光束被所述滤光片反射后射入光接收组件，所述激光器芯片和光发射组件的中轴线之间存在激光器芯片偏移量dx。

优选的，所述透镜为球透镜。

优选的，所述光纤插芯和所述光发射组件同轴设置，所述光纤插芯的光纤端面和所述光纤的中轴线的垂线成角度θ, 角度θ位于6度至10度之间。

优选的，所述激光器芯片偏移量Dx的值为tan(a)*(L2-f)/M，其中a为光线偏移角度，在3度至5度之间；L2为球透镜到光纤插芯的收光位置的距离；f为所述球透镜的后截距；M为球透镜的放大倍数。

优选的，所述角度θ为8度，所述角度a为3.79度。

优选的，所述滤光片和所述光纤插芯的中轴线成45度角设置，所述光接收组件的中轴线和光纤插芯的中轴线成90度设置。

本发明的目的还通过提供以下一种光收发器件制造方法实现，其包括以下步骤：提供一本体；在本体上安装一光纤插芯，使光纤插芯的一端位于本体中；提供一光发射组件，光发射组件包括激光器芯片和透镜，将激光器芯片偏离光发射组件的中轴线设置，设置偏移距离为激光器芯片偏移量Dx；在本体上安装所述光发射组件，使光发射组件和光纤插芯相对布置；在本体上安装一光接收组件；在本体中安装一滤光片，滤光片倾斜的位于光纤插芯和光发射组件之间，使得光发射组件发出的光束穿过所述滤光片射入光纤插芯，所述光纤插芯发出的光束被所述滤光片反射后射入光接收组件。

优选的，所述透镜为球透镜，所述光纤插芯和所述光发射组件同轴设置，所述光纤插芯的光纤端面和所述光纤的中轴线的垂线成角度θ, 角度θ位于6度至10度之间。

优选的，设置偏移距离为激光器芯片偏移量dx具体包括以下步骤：根据公式Dx=tan(a)*(L2-f)/M得到所述激光器芯片偏移量dx，其中a为光线偏移角度，在3度至5度之间；L2为球透镜到光纤插芯的收光位置的距离；f为所述球透镜的后截距；M为球透镜的放大倍数。

优选的，所述角度θ为8度，所述光线偏移角度a为3.79度。

本发明的有益效果主要体现在：通过横向上偏移的设置光发射组件中的激光器芯片，补偿发射到光纤插芯上的光线的角度偏移，在提高了耦合效率的同时，生产和装配简单。

附图说明

图1为传统的GPON光收发器件结构图。

图2为现有技术中方法1的光收发器件结构图。

图3为现有技术中方法1的原理图。

图4为现有技术中方法2的光收发器件结构图。

图5为本发明具体实施方式的光发射组件第一示意图。

图6为本发明具体实施方式的光发射组件第二示意图。

图7为本发明具体实施方式的原理图。

具体实施方式

本发明的具体实施方式提供了一种能够提高耦合效率的光收发器件，和现有的光收发器件类似，其包括本体，以及安装在本体上或本体中的光纤插芯，光发射组件，光接收组件和滤光片。具体的，光纤插芯和光发射组件相对的设置，分别设置于本体的两端，且均至少部分进入到本体中，光纤插芯和光发射组件优选的同轴设置，即它们的中轴线重合。滤光片位于它们两者之间，优选的倾斜45度角设置。光接收组件同样至少部分进入到本体中，但设置在本体的一侧，其在光纤插芯和光发射组件的轴向上位于光纤插芯和光发射组件之间，且光接收组件的自身中轴线方向和光纤插芯的中轴线方向垂直。

光收发器件能够实现光信号的双向传输。光发射组件发出的光线经过滤光片后进入到光纤插芯中，而光纤插芯发出的光纤经过滤光片反射，偏转45度角进入光接收组件中。

如前所述的，光纤插芯中的光纤收光的端面相对光纤插芯的中轴线的垂线具有一个角度θ，该角度θ会导致入射的光纤偏转一定角度，从而造成耦合效率降低。本发明的具体实施方式通过设置特殊的光发射组件来克服该缺陷，提高耦合效率。

如图5和图6，光发射组件504包括位于其内的激光器芯片511和位于端部上的透镜，透镜优选为球透镜512，球透镜512能够节约光发射组件的制造成本。球透镜512和光发射组件同轴设置，而激光器芯片511的横向移动会导致经过球透镜后的光线产生角度偏移。如图6，激光器芯片511和光发射组件504的中轴线之间则存在激光器芯片偏移量dx。这样，激光器芯片511经过球透镜512后会偏转一个光线偏移角度a投射到光纤插芯的收光位置，该光线偏移角度a设置的等于光线沿光纤插芯的中轴线射入光纤插芯时产生的偏移角度，这样，不需要的光线偏移得到补偿，激光器芯片511发出的光线射入到光纤中后方向不变。

以下介绍激光器芯片偏移量dx的选择方式。

如图7，L1为激光器芯片发光面到球透镜的距离，L2为光纤插芯收光位置到球透镜的距离，dx如前所述为激光器芯片偏移量，dy为发送到光纤插芯的收光位置的光纤偏移量，D为球透镜512的直径，f为球透镜512的后截距，而a为期望的光线偏移角度。

根据光学和几何学原理，可以推出如下公式：

Tan(a)=dy/(L2-f)         (1)

Dy/dx=M                  (2)

由（1），（2）可得，

Dx=tan(a)*(L2-f)/M       (3)

在具体的实施方式中，球透镜放大倍数M，光纤插芯收光位置到球透镜的距离L2和球透镜后截距f均为已知的，那么，只需要确定从激光器芯片511中发出的光线偏移特定的光线偏移角度a，既可以得出激光器芯片偏移量dx。如前所述的，光线偏移角度a和光纤插芯的光纤端面倾斜的角度θ具有对应关系，角度θ通常位于6度到10度之间，而光线偏移角度a通常位于3度到5度之间，优选的，角度θ为8度，而光线偏移角度a为3.79度。

按照本发明的该具体实施方式，可以按如下的方式容易的进行光收发器件的制造，该制造方法包括以下步骤：

提供一本体；在本体上安装一光纤插芯，使光纤插芯的一端位于本体中；提供一光发射组件，光发射组件包括激光器芯片511和透镜，将激光器芯片511偏离光发射组件的中轴线设置，设置偏移距离为激光器芯片偏移量Dx；在本体上安装所述光发射组件，使光发射组件和光纤插芯相对布置；在本体上安装一光接收组件；在本体中安装一滤光片，滤光片倾斜的位于光纤插芯和光发射组件之间，使得光发射组件发出的光束穿过所述滤光片射入光纤插芯，所述光纤插芯发出的光束被所述滤光片反射后射入光接收组件。

在该制造方法中，所述透镜为球透镜512，所述光纤插芯和所述光发射组件同轴设置，所述光纤插芯的光纤端面和所述光纤的中轴线的垂线成角度θ, 角度θ位于6度至10度之间。

在该制造方法中，设置偏移距离为激光器芯片偏移量dx具体包括以下步骤：根据公式Dx=tan(a)*(L2-f)/M得到所述激光器芯片偏移量dx，其中a为光线偏移角度，在3度至5度之间；L2为球透镜到光纤插芯的收光位置的距离；f为所述球透镜的后截距；M为球透镜的放大倍数。

在该制造方法中，所述角度θ为8度，所述光线偏移角度a为3.79度。

通过上述的方式，在实际的生产中就可以通过简单的将数据代入公式获得需要的激光器芯片偏移量dx，照此进行光发射组件的封装，而在GPON OSA的实际生产中，只要按照上述分析所要求的LD chip发射出的主光线与插芯光轴成特定角度进行插芯、LD TO装配，即可提高耦合效率。相比现有方法，此法极大简易生产工艺，降低了夹具、治具的要求。

本发明并不限于前述实施方式，本领域技术人员在本发明技术精髓的启示下，还可能做出其他变更，但只要其实现的功能与本发明相同或相似，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高耦合效率的光收发器件，包括：本体；光纤插芯，一端位于本体中；光发射组件，至少部分位于本体中，所述光发射组件和光纤插芯相对设置，光发射组件包括激光器芯片和透镜，激光器芯片发射的光束经过所述透镜后发射到光发射组件外；光接收组件，至少部分位于本体中；滤光片，倾斜设置于光纤插芯和光发射组件之间，所述光发射组件发出的光束穿过所述滤光片射入光纤插芯，所述光纤插芯发出的光束被所述滤光片反射后射入光接收组件，其特征在于，所述激光器芯片和光发射组件的中轴线之间存在激光器芯片偏移量dx。

2.根据权利要求1所述的一种高耦合效率的光收发器件，其特征在于，所述透镜为球透镜。

3.根据权利要求2所述的一种高耦合效率的光收发器件，其特征在于，所述光纤插芯和所述光发射组件同轴设置，所述光纤插芯的光纤端面和所述光纤的中轴线的垂线成角度θ, 角度θ位于6度至10度之间。

4.根据权利要求3所述的一种高耦合效率的光收发器件，其特征在于，所述激光器芯片偏移量Dx的值为tan(a)*(L2-f)/M，其中a为光线偏移角度，在3度至5度之间；L2为球透镜到光纤插芯的收光位置的距离；f为所述球透镜的后截距；M为球透镜的放大倍数。

5.根据权利要求4所述的一种高耦合效率的光收发器件，其特征在于，所述角度θ为8度，所述角度a为3.79度。

6.根据权利要求5所述的一种高耦合效率的光收发器件，其特征在于，所述滤光片和所述光纤插芯的中轴线成45度角设置，所述光接收组件的中轴线和光纤插芯的中轴线成90度设置。

7.一种高耦合效率的光收发器件的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一本体；

在本体上安装一光纤插芯，使光纤插芯的一端位于本体中；

提供一光发射组件，光发射组件包括激光器芯片和透镜，将激光器芯片偏离光发射组件的中轴线设置，设置偏移距离为激光器芯片偏移量Dx；

在本体上安装所述光发射组件，使光发射组件和光纤插芯相对布置；

在本体上安装一光接收组件；

在本体中安装一滤光片，滤光片倾斜的位于光纤插芯和光发射组件之间，使得光发射组件发出的光束穿过所述滤光片射入光纤插芯，所述光纤插芯发出的光束被所述滤光片反射后射入光接收组件。

8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述透镜为球透镜，所述光纤插芯和所述光发射组件同轴设置，所述光纤插芯的光纤端面和所述光纤的中轴线的垂线成角度θ, 角度θ位于6度至10度之间。

9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，设置偏移距离为激光器芯片偏移量dx具体包括以下步骤：根据公式Dx=tan(a)*(L2-f)/M得到所述激光器芯片偏移量dx，其中a为光线偏移角度，在3度至5度之间；L2为球透镜到光纤插芯的收光位置的距离；f为所述球透镜的后截距；M为球透镜的放大倍数。

10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述角度θ为8度，所述光线偏移角度a为3.79度。

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