具有光纤耦合插座的同轴光发射次模块(TOSA)的制作方法

本发明涉及光发射器和收发器，并且更具体地，涉及具有用于光收发器的光纤耦合插座的同轴光发射次模块(tosa)。

背景技术：

光收发器用于发送和接收用于各种应用的光信号，包括但不限于互联网数据中心，有线电视宽带和光纤到户(ftth)应用。举例而言，与铜电缆上的传输相比，光收发器在更长的距离上提供更高的速度和带宽。以较低的成本在更小的光收发器模块中提供更高速度的需求已经带来了例如关于维持光效率(功率)、热管理、插入损耗和制造产量的挑战。

光收发器模块通常包括一个或多个激光器封装，用于容纳激光器或激光二极管并用于为激光器提供电连接和光耦合。光收发器模块组件的一个挑战是以相对高的精度将光纤结合到激光器封装的过程，以减少可能由未对准或其他耦合问题导致的信号损失。随着结合到光收发器中的激光器封装的数量增加，组装困难可能增加，因为每个激光器封装通常需要单独的光纤结合连接。

技术实现要素：

根据本发明的实施例的具有光纤耦合插座的同轴光发射次模块(tosa)可以用在光收发器中，用于在一信道波长发射光信号。该光纤耦合插座允许将一套管端接的光纤插入插座中，该插座构造成以相对有效的方式提供光纤与激光器封装的耦合，同时减少了组装时间和成本，并提高了产量。光收发器可以包括多个同轴光发射次模块(tosa)，其中光纤耦合插座堆叠在收发器外壳中。

如本文所使用的，“信道波长”是指与光信道相关的波长，并且可包括围绕一中心波长的指定波长带。在一个示例中，信道波长可以由例如itu-t密集波分复用(dwdm)网格的国际电信(itu)标准来定义。本文所用的术语“耦合”是指任何连接、耦合、链接等，并且“光耦合”是指将光线从一个元件赋予另一元件的耦合。这种“耦合”装置不一定直接彼此连接，并且可以由可操纵或修改这些信号的中间组件或装置分隔开。

附图说明：

图1a及图1b是根据本发明的实施例的多信道光收发器的功能方框图。

图2是包括具有光纤耦合插座的同轴光发射次模块(tosa)的光收发器模块的一实施例的透视图。

图3a及图3b分别是包括具有光纤耦合插座的同轴光发射次模块(tosa)的光收发器模块的另一实施例的顶部及底部透视图。

图4是用于图2、图3a及图3b中所示的光收发器模块中，具有光纤耦合插座的同轴光发射次模块(tosa)的一实施例的横截面图。

图5是图4中所示的光纤耦合插座的套筒组件的透视图。

图6是同轴光发射次模块(tosa)的横截面图，该同轴光发射次模块(tosa)具有接收另一实施例的套管端接光纤的光纤耦合插座。

图7是根据本发明的实施例的光纤到插座的组装的图式。

图8是包括具有图6中所示的光纤耦合插座的同轴光发射次模块(tosa)的光收发器模块另一实施例的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图，并结合实施例对本发明做进一步的说明。

请参考图1a，示出并描述了根据本公开的实施例的光收发器100。在该实施例中，光收发器100使用四个不同的信道波长(λ1、λ2、λ3、λ4)发送和接收四(4)个信道，并且可以具有每一信道至少大约10gbps的传输速率。在一个示例中，信道波长λ1、λ2、λ3、λ4可分别是1270纳米(nm)、1290纳米(nm)、1310纳米(nm)以及1330纳米(nm)。光收发器100也可能够具有2公里(km)到至少大约10公里(km)的传输距离。光收发器100可例如用于互联网数据中心应用或光纤到户(ftth)应用。

光收发器100的本实施例包括用于在不同信道波长上发送光信号的多个光发射次模块(tosa)120a-d以及用于接收不同信道波长上的光信号的多信道光接收次模块(rosa)130。光发射次模块(tosa)120a-d和多信道光接收次模块(rosa)130位于收发器外壳102中。发射连接电路104和接收连接电路108在收发器外壳102中分别提供到光发射次模块(tosa)120a-d和多信道光接收次模块(rosa)130的电连接。发射连接电路104电连接到每个光发射次模块(tosa)120a-d中的电子部件(例如，激光器、监测光电二极管等)，并且接收连接电路108电连接到多信道光接收次模块(rosa)130中的电子部件(例如，光电二极管、互阻抗放大器(tia)等)。发射连接电路104和接收连接电路108至少包括导电路径以提供电连接，并且还可以包括附加电路。

mpo(multi-fiberpushon)连接器110提供到外壳102内的光发射次模块(tosa)120a-d和多信道光接收次模块(rosa)130的光学连接。mpo连接器110分别通过发射光纤122和接收光纤132光耦合到光发射次模块(tosa)120a-d和多信道光接收次模块(rosa)130。mpo连接器110构造成耦合到一匹配的mpo连接器112，使得光收发器100中的光纤122、132光耦合到外部光纤114。

光发射次模块(tosa)120a-d中的每一个可以是同轴光发射次模块(tosa)，该同轴光发射次模块(tosa)具有同轴构造，一端电连接到发射连接电路104上的导电路径，并且另一端光耦合到相应的一个光纤122。光发射次模块(tosa)120a-d中的每一个可包括用于产生指定信道波长的激光的激光器和用于将激光耦合到相应光纤122中的光学器件。光发射次模块(tosa)120a-d中的激光器因此将通过发射连接电路104接收的电数据信号(tx_d1至tx_d4)转换为通过发射光纤122发射的经调制的光信号。举例而言，这些激光器可包括具有衍射光栅的分布式反馈(dfb)激光器。光发射次模块(tosa)120a-d中的每一个还可包括用于监测由激光器发射的光线的监测光电二极管。光发射次模块(tosa)120a-d中的每一个还可包括用于控制激光器的温度的一个或多个温度控制装置，例如电阻加热器和/或热电冷却器(tec)，例如用以控制或稳定激光器的波长。

多信道光接收次模块(rosa)130包括光电检测器阵列134，光电检测器阵列134包括例如光耦合到由接收光纤132的端部形成的光纤阵列133的光电二极管。多信道光接收次模块(rosa)130还包括电连接到光电检测器阵列134的多信道互阻抗放大器136。光电检测器阵列134和互阻抗放大器136检测从光纤阵列133接收的光信号并将其转换成通过接收连接电路108输出的电数据信号(rx_d1到rx_d4)。

光收发器100的本实施例不包括光多路复用器或多路解复用器。光信号可以在光收发器100外部多路复用和解复用。

请参考图1b，光收发器100'的另一实施例包括与光多路复用器111和光多路解复用器113在一起的上述相同的光引擎(例如，光发射次模块(tosa)120a-d和光接收次模块(rosa)130)。光多路复用器111和光多路解复用器113两者都可包括阵列波导光栅(awg)。光多路复用器111光耦合到发射光纤122，并且光多路解复用器113光耦合到接收光纤132。光多路复用器111多路复用在发射光纤122上发射的光信号，以在输出光纤115上提供多路复用的光信号。光多路解复用器113对在输入光纤117上接收的多路复用的光信号进行多路分解，以在接收光纤132上提供接收的光信号。输出光纤115和输入光纤117分别耦合到输出光连接器116和输入光连接器118。

光收发器100'的本实施例包括4个信道并且可构造用于稀疏波分复用(cwdm)，但是其它数量的信道也是可能的。光收发器100'的本实施例还能够具有2公里(km)到至少大约10公里(km)的传输距离和每一信道至少大约10gbps的传输速率，并且可以用于互联网数据中心应用或光纤到户(ftth)应用。

请参考图2，更详细地描述和示出了具有mpo连接器210的光收发器模块200的实施例。光收发器模块200可设计为具有相对小的形状因子和最小的空间。光收发器模块200包括一个收发器外壳202，在外壳202的一个区域中堆叠在一起的四个同轴光发射次模块(tosa)220，以及位于外壳202的另一区域中的多信道光接收次模块(rosa)230。同轴光发射次模块(tosa)220电连接到位于外壳202的一端的发射柔性印刷电路板(fpc)204，并通过发射光纤222光耦合到位于外壳202另一端的mpo连接器210。多信道光接收次模块(rosa)230电连接到位于外壳202的一端的接收柔性印刷电路板(fpc)208，并通过接收光纤232光耦合到位于外壳202另一端的mpo连接器210。

每个同轴光发射次模块(tosa)220包括激光器封装250，激光器封装250容纳激光器底座226，子安装座226上的二极管激光器227，以及透镜223。激光器子安装座226例如使用引线键合将二极管激光器227电连接到相应的发射柔性印刷电路板(fpc)204。透镜223将激光器227光耦合到相应的发射光纤222。每一个同轴光发射次模块(tosa)220具有同轴构造，使得电连接由光发射次模块(tosa)220的一端制成，并且光耦合由光发射次模块(tosa)220的另一端制成。在一些实施例中，激光器封装可以是长方体型to封装(transistoroutlinepackage)，例如在名称为“具有长方体型to激光器封装的同轴光发射次模块(tosa)和包括它的光收发器”的美国专利申请序列号14/720,336中更详细地描述，其全部内容通过引用并入本文。如本文所用，“长方体型to封装”是指具有大致长方体或平行六面体外形的激光器封装结构，该外形由至少三个大致平坦且正交的外表面形成。

多信道光接收次模块(rosa)230包括光耦合到光电探测器阵列234的光纤阵列233和电连接到光电探测器阵列234的互阻抗放大器(tia)236。光纤阵列233中的光纤232的端面可以成角度(例如，45°)，使得光从成角度的面反射，以与光电探测器阵列234中相应的光电二极管耦合。互阻抗放大器(tia)236例如使用引线键合电连接到接收柔性印刷电路板(fpc)208。

请参考图3a和3b，图3a和3b更详细地示出了包括光多路复用器和光多路解复用器的光收发器模块200'的另一实施例。光收发器模块200'包括如上所述的同轴光发射次模块(tosa)220，多信道光接收次模块(rosa)230和柔性印刷电路板(fpc)204、208。光收发器模块200'的本实施例还包括阵列波导光栅(awg)外壳部分202a，阵列波导光栅(awg)外壳部分202a容纳多路复用阵列波导光栅(awg)211和多路分解阵列波导光栅(awg)213。阵列波导光栅(awg)外壳部分202a可耦合到收发器外壳202和/或从收发器外壳202延伸出。多路复用阵列波导光栅(awg)211通过发射光纤222光耦合到同轴光发射次模块(tosa)220，并且多路分解阵列波导光栅(awg)213通过接收光纤232光耦合到光接收次模块(rosa)230。多路复用阵列波导光栅(awg)211和多路分解阵列波导光栅(awg)213分别通过输出光纤215和输入光纤217分别光耦合到输出光学连接器216和输入光连接器218。

光收发器模块200、200'的这些实施例可以包括具有光纤耦合插座和激光器封装的同轴光发射次模块(tosa)220，如下面将更详细地描述。具有光纤耦合插座和激光器封装的同轴光发射次模块(tosa)220也可以用于其他类型的光收发器，例如在光线路终端(olt)中使用的多信道收发器，例如在美国专利申请公开号2014/0161459中更详细地描述，其全部内容通过引用并入本文。具有光纤耦合插座和激光器封装的同轴光发射次模块(tosa)220也可以使用在没有光接收次模块(rosa)的光发射器中。

现在请参考图4，同轴光发射次模块(tosa)220包括从激光器封装250的光耦合端延伸出的光纤耦合插座402。光纤耦合插座构造成允许光纤222有效连接到光发射次模块(tosa)220。激光器封装250如前所述，包括用于产生激光信号的激光器或激光二极管227和用于将激光聚焦到焦点440的透镜223。在一些实施例中，可以在激光的路径中采用附加的光学部件，例如光隔离器412，用以减少朝向激光器二极管的背反射。

光纤耦合插座402构造成在光纤222的端部接收光纤端接套管450，用于通过保持在光纤耦合套管404中的中间光纤段430耦合到激光器封装250。插座402包括外壳，外壳可以由一个或多个外壳部件408、409形成，外壳部件408、409构造成为插座402提供外壳或结构。该插座可以是圆柱形的，其具有如图所示的z方向上的纵向轴线。外壳部件可以任何合适的方式设置以实现该目的，其中一个实施例在图4中示出。在本实施例中，z形环410构造成允许插座402连接、对准和紧固到激光器封装250，如下面将更详细地描述。

光纤耦合套管404保持相对短的光纤段430，光纤段430大致在光纤耦合套管404的长度上延伸。光纤耦合套管404是可以被夹紧或以其他方式紧固到光纤段430上的圆柱形部件。在一些实施例中，光纤耦合套管404可以由陶瓷材料制成。在图4所示的实施例中，光纤耦合套管404通过压配合(摩擦配合)插入或其他合适的技术固定到外壳部件409的内部。

光纤耦合插座402还可包括内套筒406，内套筒406构造成提供腔体414，腔体414通过第一开口端420接收光纤端接套管450。光纤端接套管450中的光纤222与光纤耦合套管404中的相对短的光纤段430配合或耦合，这将在下面更详细地说明。光纤端接套管450也可以是圆柱形陶瓷部件，其被夹紧或以其他方式固定到光纤222的端部上。光纤端接套管450可以成形为允许插入和装配到套筒406的腔体414中。光纤端接套管450可以在插入之后使用环氧树脂或其他合适的机构固定在腔体414中。插座402的第二开口端422允许激光到达套管404中的光纤段430的激光耦合端，例如到达光的焦点440。

在一些实施例中，光纤耦合插座402可以通过将光纤耦合套管404的一端插入第一外壳部件409中并将套筒406滑动到从第一外壳部件409突出的光纤耦合套管404的端部上来组装。然后，第二外壳部件408可以在套筒406上滑动并通过压配合附接到第一外壳部件409的外部。也可以使用其他组装方法和附接装置。

然后光纤耦合插座402可插入到z形环410中并通过压配合固定。该插入可产生沿z轴的选定偏移距离d，使得光纤段430的激光耦合端沿着z轴与激光的焦点440对准，以获得期望的激光信号的功率传输和所需的信号传输质量水平。另外，作为组装过程的一部分，z环410可以在xy平面中的一位置焊接到激光器封装250，使得光纤430的激光耦合端与xy中的焦点440对准，以获得期望的功率传输。与激光的焦点440相关联的对准位置的x，y，z坐标可以通过在将插座和z形环组装到激光器封装250之前由激光器产生的测试信号的功率测量来确定。

外壳部件408和409以及z形环410可制造成提供相对高的强度和刚度，而足以保持光纤端接套管450与光纤耦合套管404的对准(在插入之后)和光纤耦合套管404与焦点440的对准。套筒406可制造成具有足够的柔性，以允许插入光纤端接套管450而不需要一定程度的插入力，该插入力可能在插入期间促使或以其他方式引起未对准。在一些实施例中，举例而言如图5所示，套筒406可构造成“c”形开口套筒，其具有沿着z轴在套筒长度延伸的槽或通道502。在插入光纤端接套管450期间，该槽允许套筒的一些灵活性和自由移动。套管404、450和包括套筒406的插座部件以精确度或制造公差制造，足以确保光纤222、光纤段430和激光的焦点440的对准在参数之内，以实现所需水平的信号传输质量。可以制造套管、外壳部件和套筒，以使得在插入光纤端接套管450插入到插座402的腔体414中之后，所有部件的组装导致光纤222和光纤段430的同心对准(沿着z轴)。在一些实施例中，同心对准可获得大约0.5微米或更小的公差。

图6示出了插入光纤耦合插座402中并且定位或安置在光纤耦合套管404上的光纤端接套管450'的另一实施例。在本实施例中，光纤端接套管450包括一夹持旋钮604，用以辅助插入光纤端接套管450直到光纤222与光纤段430光耦合的过程。光纤端接套管450还可以在插入期间为光纤222提供机械保护。光纤端接套管450示出为在插入之后在耦合点602处与光纤耦合套管404配合或耦合，使得激光如前所述可有效地从光纤段430耦合到光纤222。在一些实施例中，光纤端接套管450可构造成为光纤222提供任何合适类型的工业标准连接，例如lc(朗讯连接器)类型连接。

作为光收发器的组装过程的一部分，光纤耦合插座402有利地提供了用于将光纤222耦合到同轴光发射次模块(tosa)220的相对有效的方法。这在包括多个光发射次模块(tosa)的光收发器模块且其中每个光发射次模块(tosa)需要将光纤的一端结合到与该光发射次模块(tosa)相关联的一激光器封装的实施例中可能特别重要。图7示出了根据本发明的实施例的组装过程的示例。在该示例中，四个光纤222耦合(例如，结合)到阵列波导光栅(awg)多路复用器111，其中每个光纤在相对端终止于光纤端接套管450中。这组部件可包括一多路复用器-光纤组件702，多路复用器-光纤组件702可以由一个或多个不同的供应商单独制造。在收发器模块制造过程的后期阶段，可以引入多路复用器-光纤组件702，并且每个光纤端接套管450插入到同轴光发射次模块(tosa)220中的一个的匹配插座402中，而不是直接连接到光发射次模块(tosa)激光器。因此，以这种方式使用光纤耦合插座可以提高制造过程的灵活性并可降低成本和提高可靠性。另外，例如在测试期间，在光发射次模块(tosa)激光器中的一个发生故障的情况下，光纤耦合插座402允许从发生故障的光发射次模块(tosa)中移除套管端接光纤并重新插入到新替换的光发射次模块(tosa)中。因此，仅需要更换发生故障的光发射次模块(tosa)而不是整个多路复用器-组件702，这样可使得产量增加。

图8是具有如图6所示的同轴光发射次模块(tosa)220的光收发器模块200'的另一实施例的俯视图，其中同轴光发射次模块(tosa)220具有接收光纤端接套管450的光纤耦合插座402。如上所述，同轴光发射次模块(tosa)220包括从激光器封装250延伸出的光纤耦合插座402。光纤端接套管450插入到光纤耦合插座402中，光纤222向外延伸以连接到阵列波导光栅(awg)多路复用器(未示出)。光纤耦合插座402可夹持在夹持旋钮604处，用于连接和断开。

因此，根据本文所述的实施例的同轴光发射次模块(tosa)包括光纤耦合插座，以允许将套管端接的光纤插入到该插座中，从而便于将光纤耦合到多信道光收发器中的多个同轴光发射次模块(tosa)中。

根据一个实施例，同轴光发射次模块(tosa)包括激光器封装，该激光器封装具有一光耦合端和与光耦合端相对的一电连接端。激光器封装包括：激光器基座，具有靠近电连接端的一导电路径，用于提供电连接；以及激光二极管，安装在激光器基座上并电连接到导电路径。同轴光发射次模块(tosa)还包括从激光器封装延伸出的一光纤耦合插座。光纤耦合插座包括外壳，外壳具有第一开口端，用于在光纤的一端接收光纤端接套管和用于保持光纤段的和光纤耦合套管。光纤耦合套管固定在外壳内，以通过外壳的与第一开口端相对的第二开口端将光纤段光耦合到光发射次模块(tosa)的一激光器。一套筒设置在外壳的内表面上，以提供腔体以固定光纤端接套管并将光纤对准光纤段。

根据另一实施例，光收发器模块包括收发器外壳，位于收发器外壳中的多个同轴光发射次模块(tosa)，用于传输不同信道波长的光信号，以及位于收发器外壳中的多信道光接收次模块(rosa)，用于接收不同信道波长的光信号。每个同轴光发射次模块(tosa)包括一激光器封装，激光器封装具有一光耦合端和与光耦合端相对的一电连接端。激光器封装包括：一激光器基座，具有靠近电连接端用于提供电连接的导电路径；以及一激光二极管，安装在激光器基座上并电连接到导电路径。同轴光发射次模块(tosa)还包括从激光器封装延伸出的一光纤耦合插座。光纤耦合插座包括外壳，外壳具有第一开口端，用于在光纤的一端接收光纤端接套管和保持光纤段的光纤耦合套管。光纤耦合套管固定在外壳内，以通过外壳的与第一开口端相对的第二开口端将光纤段光耦合到光发射次模块(tosa)的一激光器。一套筒设置在外壳的内表面上，以提供腔体以固定光纤端接套管并将光纤对准光纤段。

虽然本公开的原理描述如上，但是本领域技术人员应当理解的是本说明仅通过示例的方式进行而不作为对本公开范围的限制。除了这里表示及描述的示例实施例之外，其它实施例也属于本公开的范围内。在以下的权利要求所限定的本公开的范围内，本领域的技术人员可进行不同的修改和替换。