一種光纖耦合模塊的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型屬于有源光纜中的光學(xué)組件，具體地說是涉及一種高密度的多模光纖 耦合模塊。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的來臨，流媒體、社交網(wǎng)絡(luò)和云計(jì)算等帶寬消耗型互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用得 到蓬勃發(fā)展，作為其支撐的數(shù)據(jù)中心的規(guī)模也越來越大，數(shù)據(jù)中心內(nèi)部的機(jī)柜之間需要大 量的數(shù)據(jù)交換，對(duì)互連速度和密度提出更高的要求。傳統(tǒng)的電子互連技術(shù)不能滿足新型數(shù) 據(jù)中心的需求，目前普遍采用有源光纜(A0C)進(jìn)行機(jī)柜之間的互連。在高性能計(jì)算機(jī)、大容 量存儲(chǔ)器等系統(tǒng)中，也往往采用有源光纜，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的高速互連。
[0003] 有源光纜是一種集成的光電模塊，它由一對(duì)光纖收發(fā)模塊和一條帶狀光纜組成， 如圖1所示。在A端，數(shù)據(jù)輸入為電子信號(hào)，通過電光轉(zhuǎn)換組件將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為特定波長(zhǎng)的光 信號(hào)，光信號(hào)經(jīng)光纜傳輸?shù)竭_(dá)B端后，再通過電光轉(zhuǎn)換組件轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)輸出。
[0004]光纖收發(fā)模塊包括半導(dǎo)體激光器陣列-光纖陣列耦合組件（即發(fā)射組件）、光纖陣 列-光探測(cè)器陣列耦合組件（即接收組件），以及激光器陣列和光探測(cè)器陣列的驅(qū)動(dòng)電路。大 型數(shù)據(jù)中心急需高密度的互連技術(shù)，因此需要將光纖收發(fā)模塊中的各組件以最緊湊的形式 集成起來。
[0005] 目前的有源光纜技術(shù)主要有三類:第一類是將發(fā)射組件和接收組件各自封裝成獨(dú) 立的模塊，這種方案的模塊總體積為集成方案的兩倍。第二類是將半導(dǎo)體激光器和光探測(cè) 器排成一個(gè)線陣，與光纖陣列進(jìn)行耦合并封裝為一個(gè)集成模塊，這種方案的缺點(diǎn)是，當(dāng)限定 模塊的寬度時(shí)，能夠容納的并行收發(fā)端口數(shù)有限。第三類是將半導(dǎo)體激光器和光探測(cè)器排 成一個(gè)2XN的陣列，以兩個(gè)光纖陣列分別與激光器陣列和光探測(cè)器陣列耦合，封裝成一個(gè) 集成的收發(fā)模塊，這種方案能容納最多的并行收發(fā)端口數(shù)。
[0006] 對(duì)上述第三類光纖收發(fā)模塊，韓國(guó)電子通信研究院的科學(xué)教報(bào)道了一種技術(shù)方 案，他們將一個(gè)2 X N端口的二維光纖陣列，端面拋光成45°斜面，通過貼裝于光纖陣列下表 面的微透鏡陣列與激光器陣列和光探測(cè)器陣列進(jìn)行耦合。這種技術(shù)方案對(duì)光纖陣列的制作 工藝有非常高的要求，因?yàn)閷?duì)二維光纖陣列，很難保證兩排光纖之間的定位精度。
[0007] 鑒于以上情況，現(xiàn)有的有源光纜存在模塊體積較大、收發(fā)端口數(shù)量有限、工藝復(fù)雜 等缺點(diǎn)。 【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0008] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)體積較大、收發(fā)端口數(shù)量有限、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)，本實(shí)用新型提出一 種新型的光纖耦合模塊，旨在解決以上技術(shù)的問題。
[0009] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型提供了一種光纖耦合模塊，其特征在于，所述光纖耦 合模塊包括:激光器陣列、45°端面的光纖陣列、光纖連接器、平端面光纖陣列、微透鏡陣列、 直角三棱鏡、光探測(cè)器陣列和和基底；
[0010]所述激光器陣列和所述光探測(cè)器陣列設(shè)置在所述基底上;所述微透鏡陣列粘貼在 所述直角三棱鏡的入射直角面上;所述45°端面的光纖陣列與所述平端面光纖陣列背靠背 粘貼在一起，所述45°端面的光纖陣列的尾纖與所述平端面光纖陣列的尾纖均穿入所述光 纖連接器中；
[0011]所述激光器陣列與所述45°端面光纖陣列直接耦合，構(gòu)成該光纖耦合模塊中的發(fā) 射組件；
[0012] 所述平端面光纖陣列與所述光探測(cè)器陣列通過所述直角三棱鏡和所述微透鏡陣 列進(jìn)行耦合，構(gòu)成該光纖耦合模塊的接收組件。
[0013] 優(yōu)選地，所述激光陣列為VCSEL激光器陣列；
[0014] 優(yōu)選地，所述光纖連接器為2 XN芯ΜΡ0光纖連接器；
[0015] 優(yōu)選地，所述微透鏡陣列為多晶硅材料制作的微透鏡陣列。
[0016] 總體而言，通過本實(shí)用新型所構(gòu)思的以上技術(shù)方案，與現(xiàn)有技術(shù)相比，、能夠取得 以下技術(shù)有益效果：
[0017] (1)本實(shí)用新型提出一種新型的光纖耦合模塊，以45°斜端面光纖陣列與激光器陣 列耦合，以一個(gè)平端面光纖陣列通過直角棱鏡和微透鏡陣列與光探測(cè)器耦合，并將發(fā)射組 件和接收組件集成在一個(gè)模塊中，模塊結(jié)構(gòu)緊湊、互連密度高，并具有工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。
【附圖說明】
[0018] 圖1是典型的有源光纜結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖2是本實(shí)用新型所述的高密度光纖耦合模塊結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020] 圖3是45°端面光纖陣列的三視圖，（a)為主視圖，（b)為俯視圖，（c)為左視圖；
[0021 ]圖4是平端面光纖陣列的三視圖，（a)為主視圖，（b)為俯視圖，（c)為左視圖；
[0022]圖5是光纖端面至光探測(cè)器端面的光路示意圖；
[0023]圖6是微透鏡陣列的三視圖，（a)為主視圖，（b)為俯視圖，（c)為左視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 為了使本實(shí)用新型的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施 例，對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋 本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0025] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步說明：
[0026]如圖2所示，本實(shí)用新型所述的高密度光纖收發(fā)模塊包括VCSEL激光器陣列1、45° 端面的光纖陣列2、2XN芯ΜΡ0光纖連接器3、平端面光纖陣列4、微透鏡陣列5、直角三棱鏡6、 光探測(cè)器陣列7和和陶瓷基底8。其中激光器陣列1和光探測(cè)器陣列7以高精度的貼片機(jī)貼裝 在同一個(gè)陶瓷基底8上;微透鏡陣列5粘貼在直角三棱鏡6的入射直角面上;45°端面的光纖 陣列2與平端面光纖陣列4以膠水背靠背粘貼在一起，尾纖均穿入ΜΡ0光纖連接器3中，制成 可插拔式的光纖收發(fā)模塊。
[0027] VCSEL激光器陣列1與45°端面光纖陣列2直接近距離耦合，構(gòu)成該光纖收發(fā)模塊中 的發(fā)射組件。激光器陣列發(fā)出的豎直向上的激光束，在45°端面光纖陣列的斜端面發(fā)生全反 射，折向水平方向在光纖中傳輸。為了保證光束的耦合效率，光纖應(yīng)盡量貼近激光器陣列的 表面，因此在制作光纖陣列時(shí)，讓光纖突出定位基片一定長(zhǎng)度，如圖3所示。
[0028] 平端面光纖陣列4與光探測(cè)器陣列7通過直角三棱鏡6和微透鏡陣列5進(jìn)行耦合，構(gòu) 成該光纖收發(fā)模塊的接收組件。平端面光纖陣列4如圖4所示，從光纖輸出的光束沿水平方 向傳輸，經(jīng)直角三棱鏡6的斜面反射之后，入射在光探測(cè)器陣列7上。由于光纖發(fā)出的是發(fā)散 光束，為了保證耦合效率，在三棱鏡的入射直角面上貼裝微透鏡陣列5。
[0029] 在裝配過程中，首先通過精密光學(xué)調(diào)整架，將激光器陣列1與光纖陣列2調(diào)節(jié)至精 確對(duì)準(zhǔn)并固定。背靠背粘貼的45°端面光纖陣列2與平端面光纖陣列4之間的相對(duì)定位精度 是沒有工藝保證的，在光纖陣列2與激光器陣列1精確對(duì)準(zhǔn)的前提下，光纖陣列4與光探測(cè)器 陣列7之間則非精確對(duì)準(zhǔn)，可以通過調(diào)節(jié)三棱鏡6的傾角來糾正二者之間的對(duì)準(zhǔn)誤差。
[0030] 從光纖陣列4經(jīng)微透鏡陣列5和三棱鏡6至光探測(cè)器陣列7的光束傳播過程，如圖5 所示。由于光纖端面被置于微透鏡的焦面上，入射在光探測(cè)器上的是平行光，光束直徑W取 決于光纖的數(shù)值孔徑NA和微透鏡的焦距f，如式(1)。
[0031] ff=2f*NA (1)
[0032] 微透鏡陣列5如圖6所示，一般是通過微電子工藝在基底材料上刻蝕而成的單球面 透鏡陣列，透鏡焦距f取決于球面的曲率半徑R和基底材料的折射率n，如式(2);透鏡球面的 弧高Η取決于透鏡孔徑D和球面曲率半徑R，如式(3)。
[0033] (2)
[0034] (3)
[0035] 由式(2)可知，在給定基底材料折射率η的情況下，透鏡焦距f越小，則球面曲率半 徑R越小;而由式(3)可知，在給定透鏡孔徑D的情況下，透鏡曲率半徑R越小，則球面弧高Η越 大。由此構(gòu)成尺寸關(guān)系:f減小-R減小-Η增大。
[0036]根據(jù)式（1)，光斑尺寸W與透鏡的焦距f成正比，而為了實(shí)現(xiàn)高密度的互連，要求光 纖間距越小越好(通常為250微米），因此限制了透鏡孔徑D和光斑尺寸W，繼而要求透鏡焦距 f越小越好。根據(jù)上述尺寸關(guān)系，這會(huì)造成透鏡球面的弧高增加。
[0037]由于微透鏡陣列一般以微電子刻蝕工藝加工而成，球面弧高Η不能做到很大，實(shí)際 的工藝能力與高密度互連的需求相矛盾?？疾焐鲜龉?2)，對(duì)應(yīng)相同的焦距f(根據(jù)式（1) 對(duì)應(yīng)相同的光斑尺寸W)，當(dāng)微透鏡基底材料的折射率η增大時(shí)，球面曲率半徑R亦增大，從而 減小對(duì)透鏡球面弧高Η的要求。
[0038]微透鏡陣列通常以石英玻璃或者多晶硅制作，在有源光纜通常工作的850納米波 段，石英玻璃的折射率為1.45,多晶硅的折射率為3.44。根據(jù)式(2)，對(duì)應(yīng)同樣的光斑尺寸即 透鏡焦距，采用多晶硅材料制作的微透鏡陣列，較之石英玻璃材料，透鏡的球面曲率半徑增 加4.4倍，球面弧高可以大幅減小。
[0039]本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例而已，并不 用以限制本實(shí)用新型，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改 進(jìn)等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種光纖耦合模塊，其特征在于，所述光纖耦合模塊包括:激光器陣列、45°端面的光 纖陣列、光纖連接器、平端面光纖陣列、微透鏡陣列、直角三棱鏡、光探測(cè)器陣列和基底； 所述激光器陣列和所述光探測(cè)器陣列設(shè)置在所述基底上;所述微透鏡陣列粘貼在所述 直角三棱鏡的入射直角面上;所述45°端面的光纖陣列與所述平端面光纖陣列背靠背粘貼 在一起，所述45°端面的光纖陣列的尾纖與所述平端面光纖陣列的尾纖均穿入所述光纖連 接器中； 所述激光器陣列與所述45°端面光纖陣列直接耦合，構(gòu)成該光纖耦合模塊中的發(fā)射組 件； 所述平端面光纖陣列與所述光探測(cè)器陣列通過所述直角三棱鏡和所述微透鏡陣列進(jìn) 行耦合，構(gòu)成該光纖耦合模塊的接收組件。2. 如權(quán)利要求1所述的光纖耦合模塊，其特征在于，所述激光陣列為VCSEL激光器陣列。3. 如權(quán)利要求1所述的光纖耦合模塊，其特征在于，所述光纖連接器為2 X N芯MPO光纖 連接器。4. 如權(quán)利要求1所述的光纖耦合模塊，其特征在于，所述微透鏡陣列為多晶硅材料制作 的微透鏡陣列。
【專利摘要】本實(shí)用新型公開了一種光纖耦合模塊，屬于有源光纜中的光學(xué)組件，現(xiàn)有技術(shù)中的有源光纜存在模塊體積較大、收發(fā)端口數(shù)量有限、工藝復(fù)雜等缺點(diǎn)；本實(shí)用新型提供的光纖耦合模塊，以45°斜端面光纖陣列與激光器陣列耦合，以一個(gè)平端面光纖陣列通過直角棱鏡和微透鏡陣列與光探測(cè)器耦合，并將發(fā)射組件和接收組件集成在一個(gè)模塊中，模塊結(jié)構(gòu)緊湊、互連密度高，并具有工藝簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)。
【IPC分類】G02B6/42
【公開號(hào)】CN205263362
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201521037260
【發(fā)明人】羅志祥, 占爽, 萬助軍
【申請(qǐng)人】華中科技大學(xué)
【公開日】2016年5月25日
【申請(qǐng)日】2015年12月14日