集成透镜和具有该透镜的光收发器、以及制造和使用方法
【专利说明】集成透镜和具有该透镜的光收发器、以及制造和使用方法
相关申请
[0001 ] 本申请是对美国申请US 14/426,326(申请日:2015/3/5，事务所文件编号SP-340-L)某种程度的延续。该美国申请为PCT/CN2015/072957(申请日:2015/2/12)的国家阶段。PCT和美国申请都在此一并作为参考。
技术领域
[0002]本发明涉及光通信领域，尤其是多模光或光电通信光模块。
技术背景
[0003]目前，光通信已是高速化和小型化。由于光模块在促进光通信业发展和现代化中扮演了重要角色，更小，更快的光模块始终是我们追求的目标。小型化使有限器件空间内集成了越来越多的功能模块和/或结构，因此光模块和通信系统间的连接和/或接口变得更加复杂。
[0004]光模块中光信号传输和转换是光通信的基础。为此，光模块中设置了大量光发射器，接收器和光电探测器。由于印刷电路板的使用，光发射器，接收器和光电探测器都设置在光模块中PCB某些位置上。PCB上的电路用于将器件正确地连接起来。这样，光模块的生产成本显著降低，同时器件结构变得更加紧凑。
[0005]—个光耦合和/或连接器件通常用于将来自光模块中PCB上光发射器的光信号发送，或将来自外部光器件(比如，客户端)的入射光信号引导至光模块中PCB上的光电探测器。但是，传统光耦合和/或连接器件的成本和复杂性较高。许多传统光耦合和/或连接器件采用了多个独立光学透镜来汇聚，改变或引导光信号的光路，且此类独立透镜的安装和生产可能异常复杂，高成本和/或低效。
[0006]该“技术背景”仅用于提供背景资料。该“技术背景”的陈述不承认在“技术背景”中的主题披露对现有披露构成现有技术，以及该“技术背景”不可用作承认该申请的任何一部分，包括该“技术背景”部分，对现有披露构成现有技术。
发明概述
[0007]本发明目的在于克服本技术领域的一个或多个不足，并提供了一种带一个或多个透镜和如反射镜的其他光学表面的集成透镜(比如，光親合和/或连接器件)。光路親合和链接可利用一个或多个透镜在光模块中的发射器或接收器中实现。
[0008]为了实现本目的，一方面，本发明涉及一种带多重光学结构和/或表面的集成透镜，包括第一腔室(比如，用于一个或多个光电器件的外壳或空间)，第二腔室(比如，第二个腔室)，和光纤适配器。第一腔室在集成透镜的第一面，而第二腔室在集成透镜的第二面。光纤适配器和集成透镜的第一光学表面(比如，反射镜或其他反射表面)沿光纤适配器和第一光学表面间的光路光轴面对面设置，且光纤适配器的中轴与集成透镜的底部平行。光耦合器具有延伸入第一腔室的第一集成透镜。第一透镜通常为凸透镜，且设置在光电发射或接收器件上方，比如激光二极管或光电二极管。第二腔室通常构成了第一光学表面并可构成可选的第二光学表面，比如反射镜(比如，在发射器实施例中)。第一和第二光学表面为平面镜，且在某些实施例中，互相以160-175°相交。光纤适配器包括延伸进入集成透镜的第二透镜。第二透镜可以是凸透镜或凹透镜。
[0009]此外，在与光电发射器适用集成透镜相关的实施例中，第一腔室还可包含构成第三光学表面(例如，反射镜或其他反射表面)的子腔室，且所述第三光学表面通常为平面且相对于第一腔室一个或多个平坦表面呈预定角度倾斜。所述子腔室一般邻近或接近光纤适配器(例如，在第一透镜和光纤适配器之间)。
[0010]第三光学表面与第一腔室平坦表面间夹角为第一预定角，其中所述第一腔室平坦表面与集成透镜最上和最下平坦表面平行。以此平坦表面作为参照平面，在某些实施例中，第一预定角为101° ±x°，其中X为< 15(例如，101° ±7° ,101° ±3°，等)的正数。相反地，该角度为79° ±x°。在此类实施例中，第三光学表面的光接收表面面向第三光学表面的光反射表面。在其他实施例中，第三光学表面相对第一腔室的平坦表面呈第二预定角，其中所述第一腔室平坦表面与集成透镜最上和最下平坦表面平行。以此平坦表面作为参照平面，在某些实施例中，第二预定角为60° 土y°，其中y为< 15(例如，60° ±5° ,60° ±3°，等)的独立地正数。所述子腔室结构简单，对于集成透镜制造可采用低成本注塑一次成型。
[0011]这样，当第二光学表面的反射光信号入射到第三光学表面，入射角的总和就大于总的反射临界角。即，利用第三光学表面以最小损失将光信号反射至光监控探测器(比如，光电二极管[PD]或雪崩光电二极管[APD])。在与光发射器相关的实施例中，所述监控探测器位于第一腔室，在第三光学表面下方。这种结构相对简单，且实现了更高的反射效率。
[0012]在其他与适用于光电发射器的集成透镜相关实施例中，第一腔室还可包含第三透镜。第三透镜为凸透镜，且位于第一透镜和第三光学表面之间(例如，在光监控探测器上方)，邻近或接近第三光学表面与第一腔室平坦表面相交位置，与集成透镜最上和最小平坦表面平行。第三光学表面的光(比如，至少部分的光信号)由第三透镜汇聚在第三光学表面下方的光学监控探测器。相比没有第三透镜的情况，通过第三透镜可更高效地将第三光学表面反射的光信号汇聚在光监控探测器上，从而提高反射效率。
[0013]集成透镜还包含允许空气或其他气体自由进出第一腔室的通气孔。在某些实施列中，所述通气孔位于集成透镜与光纤适配器相对的一端或部分，但它的位置不是固定的。所述透气孔贯穿集成透镜，有一端外露在集成透镜外表面且另一端与第一腔室连接。
[0014]集成透镜最底表面可利用光学胶一类的粘合剂附着在如PCB的基板上。尽管第一腔室含空气，但第一腔室中空气可从集成透镜下方通过通-气孔排出，与集成透镜最上表面建立气态联系。同时，光模块运行期间PCB上器件(比如激光二极管，光电二极管等)产生的热量可通过通气孔消散，以便降低PCB上器件的运行温度并保证模块稳定运行。
[0015]所述集成透镜可通过注塑一次成型(即，不需要其他组件)。第一腔室，第二腔室，第一和第二透镜，第一光学表面，第二光学表面，第三光学表面，第四光学表面，第二透镜，第三透镜和通气孔结构可通过注塑一次性一体成型。因此，制造所述集成透镜的方法可包括将集成透镜材料注入具有集成透镜形状的模具，然后将注塑材料从模具取出。所述方法还包括在注塑入模具前将集成透镜材料加热，然后在将注塑材料从模具取出之前和/或之后，冷却注塑材料。由于具有操作简单，成本低，和生产效率高的特点，本方法有益于产品制造。本集成透镜可包括高透光度，化学和机械性质稳定的可注塑成型材料制成或由其制成，诸如玻璃，聚醚酰亚胺(PEI)，聚醚砜(PES)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚苯乙烯(PS)，或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。
[0016]优选地，所述集成透镜由PEI制成。PEI的玻璃化温度为216°C WEI具备高绝缘强度，天然阻燃性，和极低的起烟性。PEI具有极好的机械特性(比如高刚度或弹性系数)且可连续使用，可达到340°F(170°C )。标准，未填充的PEI(比如，来自马萨诸塞州皮茨菲尔德的沙特基础工业公司的ULTEM100商用材料)标准热导性为0.22W/(m.K) IEI是光学透镜的良好原材料。
[0017]优选地，以集成透镜的最底表面为参照平面，第二光学表面和集成透镜最底表面之间的夹角为135° ±15°，而用样以集成透镜的最底表面为参照平面，第三光学表面和集成透镜最底表面之间的夹角为150° ±15°。
[0018]本集成透镜适用于来自将来自光纤的光信号耦合和/或连接到光接收器，或将来自光发射器的光信号耦合和/或连接到光纤。此外，在光收发器中，用于接收器和发射器的集成透镜可互相接近和/或平行。
[0019]此外，用于光接收器的集成透镜(此处简称“接收器集成透镜”)包括第一腔室，其上带第一光学表面的第二腔室，第一透镜，和光纤适配器。所述第一光学表面可以是反射镜。所述接收器集成透镜还可包括位于光纤适配器最内端的准直透镜(即，光纤适配器延伸入集成透镜的那一端)。接收集成透镜中的光纤适配器连接和/或接收光信号传输光纤。
[0020]此外，光接收器或收发器还包括设置于第一透镜下方的光电二极管(PD，比如雪崩光电二极管[Aro])。通常，所述ro以照ro和TIA在PCB上的安装位置(比如，在第一腔室中)与一跨阻放大器(TIA)电连接。
[0021]所述接收器集成透镜透过光纤适配器最内端的透镜接收来自光信号传输光纤的光信号，所述透镜可将光信号汇聚到第一光学表面(比如反射镜)。光信号入射到所述光学表面(比如，用于信号全反射)，然后光信号被反射到第一透镜(比如，到第一腔室)，所述第一透镜用于将光信号汇聚到接收器PD。入射到接收器PD的信号将光信号转换为电信号，由TIA接收。TIA将电信号放大并放大信号提供给与TIA连接的下游器件。
[0022]此外，用于光发射器的集成透镜(“发射器透镜”