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CN116626819A - 光模块 - Google Patents

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CN116626819A
CN116626819A CN202210132834.2A CN202210132834A CN116626819A CN 116626819 A CN116626819 A CN 116626819A CN 202210132834 A CN202210132834 A CN 202210132834A CN 116626819 A CN116626819 A CN 116626819A
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CN
China
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optical
light
unit
wavelength
prism
Prior art date
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CN202210132834.2A
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蒋栋彪
罗建洪
陈富
郑祥
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Global Technology Inc China
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Global Technology Inc China
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Publication date
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Abstract

本发明公开一种光模块，包含封装壳、多个光主动单元以及光路转折单元；光主动单元和光路转折单元设置于封装壳的气密空间内；光路转折单元用以改变这些光主动单元至少其中一者的光路方向。

Description

光模块
技术领域
本发明涉及一种光通讯装置，特别涉及一种搭载于光通讯装置中的光模块。
背景技术
在现代高速光通网络中，通常有光通讯器件安装于电子通信设备中。随着通信系统的升级和各种因特网服务对通讯带宽需求的快速增加，现有通信系统存在着内部容置空间不足和能耗大的两大问题需要克服。如何在提升带宽和传输速率的前提下提供小尺寸、高内部空间利用率以及低能耗的通讯系统，是本技术领域目前重要的课题之一。
对于部分通信系统如数据中心和光纤到家(Fiber-to-the-home，FTTH)通信网络设备，为了提高信号传输效率以及传输距离，现有光模块的制作成本高昂，且整体体积也明显增加。更具体来说，由于长途传输应用面临户外环境恶劣的问题，采用气密封装设计的光模块具有较佳的应用前景。然而，气密封装设计对于光模块内部的器件配置有较多限制，例如因光模块尺寸限制而无法配置多条光纤，因此采用气密封装设计的现有光模块大多会被制作成单纤单向(也就是单条光纤只发送光信号或是只接收光信号)的类型来满足市场对于微型化光模块的需求以及降低制造成本。由于未来光模块的发展趋势需要兼顾小尺寸及高传输量，相较于单纤双向的类型，采用单纤单向技术的光模块其传输速率和传输量很难有更进一步的提升。因此，如何将采用气密封装设计的光模块制作成单纤双向类型，是本技术领域的一个研究课题。
发明内容
本发明在于提供一种光模块，有助于解决现有气密封装设计的光模块难以兼顾单纤双向传输的问题。
本发明所揭露的光模块包含封装壳、多个光主动单元以及光路转折单元。封装壳具有气密空间。光主动单元设置于气密空间内。光路转折单元设置于气密空间内，且光路转折单元用以改变至少其中一个光主动单元的光路方向。
根据本发明揭露的光模块，配置有光路转折单元能够有助于让光模块采用现有气密封装设计的同时被制作成单纤双向类型。例如，一般而言只能容置单一光发射单元或光接收单元的现有TO封装结构，在TO封装结构内配置有本发明光路转折单元的情况下能实现一个光发射单元搭配一个光接收单元、两个光发射单元或两个光接收单元的组合。
此外，现有的单纤双向类型光模块组件会采用波分复用器(WDM)或双向器(Duplexer)等光器件来设计光路和进行合波，这会有占用光模块周围的外部空间的问题。相对地，本发明揭露的光模块将光路转折单元和光发射单元及/或光接收单元集成到单一封装壳内，不仅能满足微型化光模块的市场需求，光路转折单元在制造成本方面也比波分复用器或双向器更有优势。
以上的关于本发明内容的说明及以下的实施方式的说明系用以示范与解释本发明的精神与原理，并且为本发明的保护范围提供更进一步的解释。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例的光模块的示意图；
图2为图1中光模块的光接收器件的示意图；
图3为图1中光模块的光发射器件的示意图；
图4和图5为图1中光模块的光路示意图；
图6为根据本发明第二实施例的光模块的示意图；
图7为图6中光模块的光路示意图；
图8为根据本发明第三实施例的光模块的示意图；
图9为图8中光模块的光路示意图。
【附图标记说明】
1a、1b、1c 光模块
10 封装壳
20 光主动单元
20A、20C 光发射单元
20B、20D 光接收单元
30 光路转折单元
310 直角棱镜
311 通光面
312 光学面
320 斜方棱镜
321 通光面
322 光学面
110 气密空间
120 气密窗
40 基座
50 陶瓷电路板
60 密封焊料
2 焊环
3 金属套筒
4 光隔离器
5 耦合透镜
6 光纤插芯
7 光纤
TX、RX、TX’、RX’ 光路
具体实施方式
以下在实施方式中详细叙述本发明的详细特征以及优点，其内容足以使本领域技术人员了解本发明的技术内容并据以实施，且根据本说明书所揭露的内容、保护范围及附图，本领域技术人员可轻易地理解本发明相关的目的及优点。以下的实施例系进一步详细说明本发明的观点，但非以任何观点限制本发明的范畴。
根据本发明一实施例揭露的光模块可包含一封装壳、光主动单元以及光路转折单元。请参照图1至图5，其中图1为根据本发明第一实施例的光模块的示意图，图2为图1中光模块的光接收器件的示意图，图3为图1中光模块的光发射器件的示意图，且图4和图5为图1中光模块的光路示意图。在本实施例中，光模块1a可包含封装壳10、多个光主动单元20以及光路转折单元30。
封装壳10例如但不限于是TO(TO-CAN)封装壳，其具有一气密空间110以及与气密空间110相连的气密窗120。光主动单元20和光路转折单元30设置于气密空间110内，并且其中一个光主动单元20与封装壳10的气密窗120同轴。
此外，光模块1a还包含基座40以及陶瓷电路板(Feedthru)50，其中基座40设置于封装壳10的气密空间110内，且陶瓷电路板50设置于封装壳10。基座40例如但不限于是金属热沉，其承载光主动单元20及光路转折单元30并被配置成可帮助光主动单元20进行散热。陶瓷电路板50借助密封焊料60固定于封装壳10，且陶瓷电路板50与一或多个光主动单元20可借助打线接合相互电性连接。采用陶瓷电路板50实施光主动单元20的电信号收发能满足高带宽及降低射频损耗的需求。
在本实施例中，光模块1a还进一步包含焊环2、金属套筒3、光隔离器4、耦合透镜5以及光纤插芯(Ferrule)6。焊环2形成于封装壳10的外表面。金属套筒3插设于焊环2内并被配置以减少电磁干扰。光隔离器4设置于封装壳10内，且耦合透镜5和光纤插芯6设置于金属套筒3内。光隔离器4、耦合透镜5与光纤插芯6被配置以实施光主动单元20与单条光纤7的光耦合。
以下，进一步说明本实施例的光主动单元20和光路转折单元30。如图1至图2所示，这些光主动单元20包含一个光发射单元20A和一个光接收单元20B的组合。具体来说，光发射单元20A可以是光模块1a的光发射次模组(TOSA)中的激光二极管，且此光发射次模组除了光发射单元20A以外还可包含有准直透镜、滤光片和监控用光学二极管(MPD)等其他单元。光接收单元20B可以是光模块1a的光接收次模组(ROSA)中的光电二极管、且此光接收次模组除了光发射单元20B以外还可包含有准直透镜、反射镜等其他单元。在图1中，光发射单元20A与封装壳10的气密窗120和光纤7同轴，并且光发射单元20A可以发出波长为1270纳米的光信号，且光接收单元20B可以接收并响应波长为1330纳米的光信号，但所述光信号波长并非用以限制本发明。在其他实施例中，光主动单元可发出或接收波长适用于长距离传输的光信号，例如波长为1270纳米以上的光信号，且各个光主动单元可发出或接收不同波长的光信号。此处提到的光信号波长可以是指一个光谱线宽(Spectral linewidth)中的峰值，且所述不同波长可以是指两个光信号的峰值不同。
光路转折单元30设置于封装壳10的气密空间110内，且光路转折单元30用以改变这些光主动单元20至少其中一者的光路方向。在本实施例中，光路转折单元30可改变入射至光接收单元20B的接收光光路方向。
如图1和图3所示，光路转折单元30包含直角棱镜310以及斜方棱镜320。直角棱镜310具有与光发射单元20A的光路TX实质上垂直的通光面311以及相对于光发射单元20A的光路TX倾斜的光学面312。直角棱镜310的通光面311和光学面312对于光发射单元20A产生的光信号波长(1270纳米)为穿透面，也就是说通光面311和光学面312对于光发射单元20A产生的光信号具有高穿透率，因此光发射单元20A产生的光信号可行进经过通光面311和光学面312而能在不转折光路TX的方向的情况下沿着原本行进方向继续传递至光纤7。
斜方棱镜320具有与光接收单元20B的光路RX实质上垂直的两个通光面321以及相对于光接收单元20B的光路RX倾斜的两个光学面322，並且直角棱镜310的光学面312与斜方棱镜320的其中一个光学面322接合。斜方棱镜320的通光面321对于光接收单元20B所接收并响应的光信号波长(1330纳米)为穿透面，且光学面322对于光接收单元20B所接收并响应的光信号波长(1330纳米)为反射面。也就是说，通光面321对于光接收单元20B所接收的光信号具有高穿透率，因此从外部经由光纤7传递到光模块1a内的光信号可行进经过通光面321，并且光学面322反射此光信号而使光路RX有两次转折，最终能被光接收单元20B接收。斜方棱镜320的通光面321和光学面322对于光发射单元20A产生的光信号波长(1270纳米)为穿透面。此处提到的“高穿透率”是指满足光信号传输需求的穿透率，例如以相关技术领域标准来说要满足光通讯应用需要至少95％以上的穿透率。
在本实施例中，通光面311、光学面312和通光面321对于特定光信号波长(例如1270纳米或1330纳米)为穿透面的具体技术手段可以是分别在通光面311和光学面312贴上滤片膜，其中所述滤片膜对于特定光信号波长具有95％以上的穿透率。并且，光学面322对于特定光信号波长(例如1330纳米)为反射面的具体技术手段可以是在和光学面312贴上滤片膜，其中所述滤片膜对于特定光信号波长具有99％以上的反射率。
参照图2和图4，光发射单元20A对应直角棱镜310设置，且光接收单元20B对应斜方棱镜320设置。陶瓷电路板50对光发射单元20A供电以使光发射单元20A产生光信号，且光信号行进通过直角棱镜310和斜方棱镜320后被耦合透镜5汇聚而耦合至光纤7。
進一步参照图3和图5，来自外部的光信号经由光纤7通过耦合透镜5和光隔离器4并被耦合透镜5调整成平行光入射至光模块1a内部。外部光信号依序通过斜方棱镜320的通光面321、光学面322、另一个光学面322以及另一个通光面321，并且光路RX在两个光学面322分别被转折一次因而总共改变两次方向。外部光信号最终能被与光纤7不同轴的光接收单元20B接收。光接收单元20B可响应接收到的光信号而将其转换成电信号后输出给陶瓷电路板50。
根据图1至图5的实施例，通过光路转折单元30改变外部光信号的光路RX的方向，以使外部光信号可以被与光纤7不同轴的光接收单元20B接收。藉此，配置有此光路转折单元30的光路设计能让光模块1a采用现有气密封装设计的同时被制作成一收一发的单纤双向类型，例如光模块1a可以采用现有的TO封装(同轴封装)结构，但除了与光纤7同轴设置的光发射单元20A之外还能额外配置与光纤7非同轴的光接收单元20B。
根据本发明一实施例揭露的光主动单元可以包含两个光发射单元的组合。请参照图6和图7，其中图6为根据本发明第二实施例的光模块的示意图，图7为图6中光模块的光路示意图。在本实施例中，光模块1b包含多个光主动单元，且这些光主动单元包含光发射单元20A和光发射单元20C的组合。光发射单元20A、20C可以是光模块1b的光发射次模组中的激光二极管。关于光模块1b中各个部件的具体构造以及与其他部件的相对空间位置关系，可参考图1至图5的对应部件，在此不加以赘述。
在本实施例中，与光纤7同轴的光发射单元20A可以发出波长为1270纳米的光信号，且与光纤7非同轴的光发射单元20C可以发出波长为1330纳米的光信号。光路转折单元30可改变光发射单元20C的光路方向。直角棱镜310的通光面311和光学面312对于光发射单元20A产生的光信号波长(1270纳米)为穿透面。斜方棱镜320的通光面321对于光发射单元20C产生的光信号波长(1330纳米)为穿透面，且光学面322对于光发射单元20C产生的光信号波长(1330纳米)为反射面。斜方棱镜320的通光面321和光学面322对于光发射单元20A产生的光信号波长(1270纳米)为穿透面。
参照图7，光发射单元20A对应直角棱镜310设置，且光发射单元20C对应斜方棱镜320设置。陶瓷电路板50对光发射单元20A、20C供电以产生光信号。光发射单元20A产生的光信号行进通过直角棱镜310和斜方棱镜320后被耦合透镜5汇聚而耦合至光纤7。另外。光发射单元20C产生的光信号依序通过斜方棱镜320的通光面321、光学面322、另一个光学面322以及另一个通光面321，并且光路TX’在两个光学面322分别被转折一次因而总共改变两次方向。光发射单元20C产生的光信号最终能被耦合至光纤7。
通过光路转折单元30改变光发射单元20C产生的光信号的光路TX’方向，以使与光纤7不同轴的光发射单元20C發出的光信号能夠被耦合至光纤7。藉此，配置有此光路转折单元30的光路设计能让光模块1b采用现有气密封装设计的同时被制作成双发射的单纤双向类型，例如光模块1b可以采用现有的TO封装(同轴封装)结构，但除了与光纤7同轴设置的光发射单元20A之外还能额外配置与光纤7非同轴的光发射单元20C。
根据本发明一实施例揭露的光主动单元可以包含两个光接收单元的组合。请参照图8和图9，其中图8为根据本发明第三实施例的光模块的示意图，图9为图8中光模块的光路示意图。在本实施例中，光模块1c包含多个光主动单元，且这些光主动单元包含光接收单元20B和光接收单元20D的组合。光接收单元20B、20D可以是光模块1c的光接收次模组(ROSA)中的光电二极管。关于光模块1c中各个部件的具体构造以及与其他部件的相对空间位置关系，可参考图1至图5的对应部件，在此不加以赘述。
在本实施例中，与光纤7同轴的光接收单元20B可以接收并响应波长为1270纳米的光信号，且与光纤7非同轴的光接收单元20D可以接收并响应波长为1330纳米的光信号。光路转折单元30可改变光接收单元20D的光路方向。直角棱镜310的通光面311和光学面312对于入射至光接收单元20B的光信号波长(1270纳米)为穿透面。斜方棱镜320的通光面321对于入射至光接收单元20D的光信号波长(1330纳米)为穿透面，且光学面322对于入射至光接收单元20D的光信号波长(1330纳米)为反射面。斜方棱镜320的通光面321和光学面322对于入射至光接收单元20B的光信号波长(1270纳米)为穿透面。
参照图9，光接收单元20B对应直角棱镜310设置，且光接收单元20D对应斜方棱镜320设置。来自外部的光信号经由光纤7通过耦合透镜5和光隔离器4并被耦合透镜5调整成平行光入射至光模块1c内部。当外部光信号的波长为1270纳米时，外部光信号行进通过通光面311和光学面312并能被光接收单元20B接收。当外部光信号的波长为1330纳米时，依序通过斜方棱镜320的通光面321、光学面322、另一个光学面322以及另一个通光面321，并且光路RX’在两个光学面322分别被转折一次因而总共改变两次方向。外部光信号最终能被与光纤7不同轴的光接收单元20D接收。
通过光路转折单元30改变光路RX’方向，以使与光纤7不同轴的光接收单元20D能够接受外部光信号。藉此，配置有此光路转折单元30的光路设计能让光模块1c采用现有气密封装设计的同时被制作成双发射的单纤双向类型，例如光模块1c可以采用现有的TO封装(同轴封装)结构，但除了与光纤7同轴设置的光接收单元20B之外还能额外配置与光纤7非同轴的光接收单元20D。
综上所述，根据本发明揭露的光模块，配置有光路转折单元能够有助于让光模块采用现有气密封装设计的同时被制作成单纤双向类型。例如，一般而言只能容置单一光发射单元或光接收单元的现有TO封装结构，在TO封装结构内配置有本发明光路转折单元的情况下能实现一个光发射单元搭配一个光接收单元、两个光发射单元或两个光接收单元的组合。
此外，现有的单纤双向类型光模块组件会采用波分复用器(WDM)或双向器(Duplexer)等光器件来设计光路和进行合波，这会有占用光模块周围的外部空间的问题。相对地，本发明揭露的光模块将光路转折单元和光发射单元及/或光接收单元集成到单一封装壳内，不仅能满足微型化光模块的市场需求，光路转折单元在制造成本方面也比波分复用器或双向器更有优势。

Claims (12)

1.一种光模块，其特征在于，包含：
一封装壳，具有一气密空间；
多个光主动单元，设置于该气密空间内；以及
一光路转折单元，设置于该气密空间内，且该光路转折单元用以改变该多个光主动单元至少其中一者的光路方向。
2.如权利要求1所述的光模块，其特征在于，其中该封装壳为TO封装壳。
3.如权利要求2所述的光模块，其特征在于，更包含一基座以及一陶瓷电路板，该基座承载该多个光主动单元及该光路转折单元并且设置于该气密空间内，且该陶瓷电路板设置于该封装壳。
4.如权利要求3所述的光模块，其特征在于，其中该陶瓷电路板借助一密封焊料固定于该封装壳。
5.如权利要求1所述的光模块，其特征在于，其中该多个光主动单元至少其中一者与该封装壳的一气密窗同轴。
6.如权利要求1所述的光模块，其特征在于，其中各个该多个光发射单元可发出波长为1270纳米以上的光或是可响应波长为1270纳米以上的接收光。
7.如权利要求1所述的光模块，其特征在于，其中该多个光主动单元包含一个光发射单元和一个光接收单元的组合、两个光发射单元的组合及两个光接收单元的组合至少其中一者。
8.如权利要求1所述的光模块，其特征在于，其中该光路转折单元包含一斜方棱镜，该斜方棱镜具有与该光主动单元光路实质上垂直的二第一通光面以及相对于该光主动单元光路倾斜的二第一光学面，该斜方棱镜的该二第一通光面对于一第一特定光波长为穿透面，且该斜方棱镜的该二第一光学面对于该第一特定光波长为反射面。
9.如权利要求8所述的光模块，其特征在于，其中该光路转折单元更包含一直角棱镜，该直角棱镜具有与该光主动单元光路实质上垂直的一第二通光面以及相对于该光主动单元光路倾斜的一第二光学面，该直角棱镜的该第二通光面对于与该第一特定光波长相异的一第二特定光波长为穿透面，该直角棱镜的该第二光学面与其中一该第一光学面接合且对于该第二特定光波长为穿透面。
10.如权利要求9所述的光模块，其特征在于，其中该多个光主动单元包含对应该斜方棱镜设置的一光接收单元以及对应该直角棱镜设置的一光发射单元，该光接收单元可响应具有该第一特定光波长的接收光，该光发射单元可发出具有该第二特定光波长的光，且该斜方棱镜改变入射至该光接收单元的接收光光路方向。
11.如权利要求9所述的光模块，其特征在于，其中该多个光主动单元包含分别对应该斜方棱镜与该直角棱镜设置的二光发射单元，该二光发射单元分别可发出具有该第一特定光波长及具有该第二特定光波长的光，且该斜方棱镜改变具有该第一特定光波长的该光发射单元的光路方向。
12.如权利要求9所述的光模块，其特征在于，其中该多个光主动单元包含分别对应该斜方棱镜与该直角棱镜设置的二光接收单元，该光接收单元分别可响应具有该第一特定光波长及具有该第二特定光波长的接收光，且该斜方棱镜改变入射至该光接收单元的具有该第一特定光波长的接收光光路方向。
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