专利名称：具有抑制背反射杂光的光学次模块结构的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光学次模块的结构，特别是一种具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，可抑制背反射杂光并将光束导入光波导的核芯层。
背景技术：
光学次模块是将光讯号与电讯号两者之间作转换，如光讯号转换成电讯号或将电讯号转换成光讯号；而光学次模块的众多应用的其中一项重要应用为光收发器(optical transceiver)。光收发器则是光纤通讯系统中十分重要的元件，光收发器可将语音或数据系统产生的高频电讯号转换成高频光讯号，然后通过单模光纤或多模光纤传递至远程，再经由另一个光收发器将高频光讯号转换成高频电讯号以提供给语音或数据系统，如此便完成讯号的长距离传输。其中一种常用的光学次模块是将光源所发出的光束导入光波导(如光纤)中，兹叙述如下。
公知的光源与光波导的间的光耦合结构如图1所示，由光源11，耦光组件组12与光波导13组成。光束自光源11射出后由一耦光组件组12收集，转换成与光波导相近的场型，而后传递至光波导13的端面，进而耦合至波导核芯中，使得光讯号得以在核芯中前进。
上述公知的光源11，从实际应用角度考虑，可以是半导体雷射或发光二极管；；光波导13可以是光纤或平面型积体光学波导；而耦光组件组12可以是球面透镜、非球面透镜、折射率渐变透镜、柱状透镜、或是以上透镜的组合。由于这些耦光组件12具有较大的体积，并不利于光电模块轻薄化的需求，且三件式的组合(光源、耦光组件组、光波导)会增加封装时的成本与困难度。故此，如图2所示，另一改良型结构，有光源21、核芯层23、被覆层24及工作距离25，其中透镜22直接与光波导20结合，以缩小组件体积。
以光纤波导为例，改良型的设计演变繁多，图3列举几种常见的结构。其中图3(b)、图(c)和图(d)直接在光纤波导上形成耦光透镜，不需另外衔接另一光学组件，最为经济。而图3(a)、图3(e)和图3(f)的设计则需要额外的微小光学组件。但不论哪种设计，其工作距离25都很短，约为10μm左右，故组装上困难。另外，此一极小的工作距离容易产生相对较大的透镜端面反射光，故易造成光源的不稳定。
为了增长工作距离25与降低背反射杂光效应，亦有发明者，如图4(a)所示，组件有光源41、发散角42、波导I43的口径431、波导II的核芯层44及被覆层45，在原先波导前端引进另一个口径较大的波导I43，通过这一缓冲波导以增加其工作距离46。图4(b)所示为上述理念的代表结构，其中大口径波导43是利用高温热扩散的方式产生。光束在其中渐近传播，最后导入原先口径较小的核芯层。其缺点为产生此一波导所需的时间很久，约1-2小时，视所需口径而定，且与光纤的特性相关，故并不是一种十分经济简便的方式。
在上述技术中所提及的光耦合方式均无法有效避免背反射光对光源，如半导体雷射光源所造成的干扰问题，因此需要以特殊的方式以达成抑制背反射杂光的效果。图5所示为一背反射光对光源(如半导体雷射光源)造成背反射杂光的示意图，其组件分别是光纤波导的核芯层531及被覆层532。由光源51发出的光束511在自由空间传播一段距离52后抵达光纤端面53，由于端面的效应，入射光束511自光纤端面53产生一沿同一机械中心轴的反射光束512。此背反射杂光光束512将对半导体雷射光源51造成模态跳跃与输出功率不稳定等干扰问题，进而影响光收发器的传输特性。
为解决此问题，过去公知的避免背反射杂光的方式如下，<1>利用具有角度的光纤，如图6所示，其组件是工作距离62、斜角光纤63、光纤波导的核芯层631及被覆层632，由于斜角光纤63的斜角使入射光束611与反射光束612将沿不同机械中心轴行进，因此不会对光源61造成干扰问题，也不会影响光收发器的传输特性。<2>如图7所示，其组件是光源71及入射光束711，于耦光组件组中加入光隔绝器72，利用其物理上的单一方向性以达到对背反射光束712阻绝的效果。<3>如图8(1a)所示，组件是反射光束8112、工作距离812、光波导813的核芯层8131及被覆层8132，将光源811倾斜使入射光束8111以斜角入射至光波导813中。其中第<1>、<2>项使用的组件成本太高，且制作程序繁复，并非一有竞争力的设计。而第<3>项的设计将造成光源机械中心轴与光波导中心轴815的偏移量814过大，通常因为机械上的限制与同心度问题，使其无法顺利组装于光收发模块的卡槽内。再者，由于偏移量814的产生，将会增加光次模块在封装过程时的耦光时间。此一问题可由图8(1b)、图8(1c)及图8(1d)来陈述，各个组件分别是光源811、入射光束8114、倾斜的入射光束8115、光波导813、小的搜寻半径816、大的搜寻半径817、耦光组件组818、及机械中心轴819；由图8(1b)及图8(1c)中可知，如果光源不倾斜且没有偏移量因素，在耦光时所需搜寻的区域约为半径816的小圆。而相反的，由图8(1b)及图8(1d)可知，如果光源倾斜且考虑偏移问题，耦光所需搜寻的区域约为半径817的大圆，其中偏移量814约等于大的搜寻半径817，这当然会大大增加耦光过程所需花费的时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，克服现有技术中的背反射杂光对光源造成的干扰问题、中心轴偏移量过大造成机构同心度问题、及耦光时效的问题。
本发明的目的可通过如下措施来实现一种具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，包括一光源，发射光束；一光波导，接收光源的光束，使该核芯层再将光束继续向前传送；以及一耦光模块，由至少一个可透光组件构成，此耦光模块置于光源与光波导中间，使光束穿过该耦光模块而有效地耦合至该光波导核芯层中，并且有抑制背反射杂光的功能。
所述光源为一半导体组件。
所述半导体组件为半导体雷射二极管或半导体发光二极管。
所述的光源所发出的光束垂直或倾斜入射至耦光模块。
所述光源选自晶粒形式及既晶粒封装形式中的一种。
所述光学次模块结构可选自同轴插拔式光学次模块形式、牵引式或猪尾型形式、蝶型光学次模块形式、矩型光学次模块形式中的一种。
所述耦光模块还包括金属、塑料及陶瓷组件。
所述可透光组件由可使波长介于0.2μm-2.0μm的光束穿透的任一材质制成。
所述可透光组件为一个平板透镜，此平板透镜倾斜一个角度且置于光源与光波导之间。
所述可透光组件为一个棱镜透镜，此棱镜在面向光源处具有削角且置于光源与光波导之间。
所述的透镜的表面具有抗反射镀膜，为抑制透镜表面产生的反射光以促使无反射光或极少量反射光返回光源。
所述的透镜的表面为一曲面，以增加抑制背反射杂光的能力。
所述光源与光波导中间置放多个可透光组件，且相邻的两个可透光组件的倾角方向相反，将光束平直的导入光波导中且降低背反射杂光。
所述的多个可透光组件中至少一个可透光组件的表面具有抗反射镀膜。
所述的多个可透光组件中至少一个可透光组件的表面为一曲面，以增加抑制背反射杂光的能力。
本发明相比现有技术具有如下优点(1)本发明的光学次模块可有效地避免背反射光对光源造成的干扰问题，提升光收发器的传输特性，并可修正光学次模块在组装过程因中心轴位置偏移而产生的同心度问题，大幅降低光收发器组装上的困难。
(2)由于本发明的光学次模块的耦光组件具有增长工作距离的功能，从而使得在制作光学次模块上更加容易，因此可有效降低其生产成本。
图1为公知的光源与光波导间的耦合结构；图2为公知的用于精简光耦合组件体积的改良型结构；
图3(b)、图3(c)和图3(d)为几种公知的基于原先光波导结构的改良型设计；图3(a)、图3(e)和图3(f)为几种公知的在光波导本体上再衔接微小光学组件的设计；图4(a)为公知的用于增加工作距离的改良型光耦合结构；图4(b)为以热扩散法形成的大口径缓冲光波导结构。
图5为背反射光对半导体雷射光源造成背反射杂光的示意图；图6为公知的用有角度光纤避免背反射杂光的结构；图7为公知的用光隔绝器避免背反射杂光的结构；图8(1a)为使用倾斜光源来避免背反射杂光的结构；图8(1b)为使用倾斜光源与未倾斜光源的结构时光源与耦光搜寻区域半径相对关系的示意图；图8(1c)为使用未倾斜光源的结构在耦光时，光源、耦光元组件、光波导、机械中心轴与耦光搜寻区域半径相对关系的示意图；图8(1d)为使用倾斜光源的结构在耦光时，光源、耦光元组件、光波导、机械中心轴与耦光搜寻区域半径相对关系的示意图；图8(2a)为本发明的使用一平板透镜作为耦光组件来抑制背反射杂光的结构；图8(2b)为本发明的使用一削角棱镜作为耦光组件来抑制背反射杂光的另一结构；图8(2c)为使用两个平板透镜组合而成的透镜组作为耦光组件来抑制背反射杂光的另一结构。
图8(3a)为在平板透镜的入射面与反射面镀上抗反射膜抑制背反射杂光的示意图；图8(3b)为在棱镜的入射面与反射面镀上抗反射膜抑制背反射杂光的示意图；及图9为三种设计结构的光功率L-驱动电流I的光电特性曲线。
具体实施例方式
本发明通过在光源与光波导之间加入一适当设计的耦光模块，可将欲耦合的光源发出的光束先行传播至耦光模块上，再经由耦光模块的偏折后，使光束汇聚于光波导的核芯层中，进而完成光耦合的机制。此耦光模块系由透镜组(至少一个可透光组件)、金属、塑料、陶瓷组件所构成。
光源选自晶粒(chip)形式及既晶粒封装形式(TO(Transmissionoptics)CAN形式)中的一种。
具有抑制背反射杂光的光学次模块架构，可选自同轴插拔式光学次模块(co-axial receptacle OSA)形式，牵引式或猪尾型(pigtail OSA)形式，蝶型光学次模块(Butterfly OSA)形式，矩型光学次模块(DualIn-line Package(DIP)OSA)形式中的一种。
在各图中与下文中所提及的透镜均是指某种可透光的组件，并非限制其形状及涵盖范围。
本发明如图8(2a)所示，组件包括反射光束82lb、第二反射光束821d、工作距离822、光波导的被覆层8232及机械中心轴824；，其主体部分称为″可抑制杂散光的平板透镜光耦合次模块″，包含一个光源821，如半导体雷射光源，一个平板透镜825a与一个光波导823。此平板透镜825a的折射率大小为n、倾斜角8253大小为θ、长度8251为L，而厚度8252为T。其中θ的范围介于零度至玖拾度之间，厚度8252的范围介于0.1厘米至数十厘米之间，视光源821的发散角大小而定。平板透镜的粗糙度与平行度可由机械抛光及精密研磨方式控制。在光学透镜产业，此技术已很成熟，此处并不详加陈述。特别要提及的是光波导与光源的中心轴偏移量(814)的控制主要是由平板透镜的折射率n及平板透镜的斜角θ(8253)来决定。适当的折射率、斜角与厚度选择可以达到完全同心的效果。因此，本发明的改良型光耦合机制是基于原有的光学次模块结构，不需额外复杂的光学组件，故可充分简化过程，缩小组件体积。
有关上述发明光源与光波导耦合结构的设计原理说明如下如图8(2a)所示，由光源821所发出的光束821a于自由空间传播一段距离后抵达平板透镜825a的端面，由于平板透镜折射率n与斜角8253θ的效应，光束821a在空气与平板透镜825a的接口上需满足斯涅尔定律(Snell’s Law)，故光束821a通过倾斜的平板透镜825a时会产生反射与折射效应，反射光束821b因为斜角效应故其不会反射回半导体雷射光源821，而穿透光束821c会传递至光波导的核芯层8231，进而于核芯层8231中持续传播，于是完成光源821与光波导823的耦合机制。明显的，本发明设计同时解决了背反射杂光与机构同心度的问题，并可有效缩短耦光过程。
为了更有效地简化整个光学次模块的封装与设计上的困难，发明者亦提出了另一改良方案，如图8(2b)所示。在本方案中，光源(如半导体雷射光源)不需倾斜角度；只需把原来的平板透镜825a改为一个有削角的棱镜825b即可。此改良方案的结构，包含一个光源821，一个有削角的棱镜825b，与原先的光波导823。此一有削角的棱镜825b具有的折射率大小为np，削角8255大小为θp，厚度8254为Tp。其中θp的范围介于零度至玖拾度之间，厚度8254Tp的范围介于0.1厘米至数十厘米之间，视光源821的发散角大小而定。削角棱镜的削角8255可由机械抛光与精密研磨方式产生，此技术已很成熟，此处并不详加陈述。特别要提及的是棱镜的削角8255决定了背反射杂光的大小，亦即决定了光学次模块光功率L-驱动电流I光电特性的好坏。一般而言，较大的削角会有较佳的L-I光电特性，但也会有较差的耦合效率，因此两者之间需要做一权衡。
有关上述改良方案结构的设计原理说明如下如图8(2b)所示，由光源821所发出的光束821a于自由空间传播一段距离后抵达削角棱镜825b表面，由于棱镜本身折射率np与削角θp8255的效应，光束821a在空气与棱镜的接口上需满足斯涅尔定律(Snell’s Law)，故光束821a通过削角棱镜时会产生反射与折射效应，反射光束821b因为削角效应故其不会反射回半导体雷射光源，而穿透光束821c会传递至光波导的核芯层8231，进而于核芯层8231中持续传播，于是完成光源821与光波导823的耦合机制。明显的，在光波导接口的反射光束821d因斯涅尔定律故亦不会直接返回半导体光源而产生干扰，故可解决背反射杂光对半导体光源的干扰的问题。
为了进一步阻绝背反射杂光、提升光学次模块的光电特性，发明者亦提出了另一改良方案，如图8(2c)所示。在本方案中，主要是把原来的一个平板透镜825a改为两个倾斜角大小约相等但倾斜方向相反的平板透镜I825c及平板透镜II824d所组合而成的透镜组，即可达到进一步减少背反射杂光且改善光源(如半导体雷射光源)的光电特性的效果。而且，由于两片平板透镜的倾斜角大小约相等但倾斜方向相反，因此具有补偿中心轴偏移量814的效果，因此光源(如半导体雷射光源)并不需要特别倾斜角度。此一改良方案的结构，包含一个光源821，两个倾斜角大小相等但方向相反的平板透镜825c及824d所组合而成的透镜组，与原先的光波导823。此平板透镜825c及825d具有的折射率大小分别为nI及nII，倾斜角8258和82511的大小分别为θI及θII，长度8256和8259分别为LI及LII，与厚度8257和82510分别为TI及TII。其中θI的范围介于零度至玖拾度之间，θII的范围介于负零度至负玖拾度之间，厚度TI及TII的范围介于0.1厘米至数十厘米之间，视光源821的发散角大小而定。特别要提及的是光波导与半光源的同心度偏移量814控制主要是由两个平板透镜825c和825d的折射率nI及nII与斜角θI及θII来决定。适当的折射率、斜角与厚度选择可以达到完全同心的效果。理论上，两个倾斜角大小相等但方向相反的平板透镜组即可达到完全补偿偏移量的效果。
有关上述发明光源与光波导耦合结构的设计原理说明如下如图8(2c)所示，由光源821所发出的光束821a于自由空间传播一段距离后抵达平板透镜I825c的端面，由于平板透镜I825c折射率nI与斜角8258 θI的效应，光束821a在空气与平板透镜I825c的接口上需满足斯涅尔定律(Snell’s Law)，故光束821a通过倾斜的平板透镜I825c时会产生反射与折射效应，反射光束821b因为斜角效应故其不会反射回光源；穿透光束821c会传递至平板透镜II825d，根据斯涅尔定律产生第二反射光束821d及第二穿透光束821e，而第二穿透光束821e会传递至光波导的核芯层8231，进而于核芯层中持续传播，于是完成光源与光波导的耦合机制。明显的，在光波导接口的第三反射光束821f与在平板透镜II825d的第二反射光束821d因斯涅尔定律故也不会直接返回光源而产生干扰，故可解决背反射杂光对光源(如半导体雷射光源)的干扰的问题。
为了更进一步降低背反射杂光的干扰；使其可应用于对光电特性要求高的模拟光通讯系统；如光纤有线电视系统，本发明也提出了有效的解决方案。如图8(3a)和图(3b)所示，可于平板透镜835a、835c、835d或棱镜835b的入射面8351a、8351b、8351c、8351d与出射面8352a、8352b、8352c、8352d镀上抗反射膜亦或把入射面8351a或8351b设计成一有曲率的曲面，以上的两种设计亦可有效地降低背反射杂光对光源(如半导体雷射光源)的干扰。
上述置于耦光模块中的可透光组件，如平板透镜或棱镜或透镜组是由可让波长介于0.2μm至2.0μm的光束穿透的材料所构成。而上述改良方案中所述的两个平板透镜组合而成的透镜组中的可透光组件不限于平板透镜，也可是棱镜，可透光组件个数也不限于二个，组合方式也可是平板透镜与棱镜的各种组合。
为了验证本发明发明的可行性的实验结果，如图9所示。可以看出以上平板透镜设计的L-I曲线92与棱镜设计的L-I光电特性曲线93明显较单纯未加透镜设计所得的L-I曲线91优越，换言之，不论是平板透镜设计或棱镜设计两者皆可有效解决背反射杂光干扰，维持良好的L-I曲线的线性度。
如以上的说明，本发明大幅降低背反射杂光量，改善光学次模块的光电特性，可提升光收发模块的传输距离；并且减少光源与光波导中心轴的位置偏移量，缩短耦光时程。
权利要求
1.一种具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，包括一光源，发射光束；一光波导，接收光源的光束，由该光波导的核芯层再将光束继续向前传送；以及一耦光模块，由至少一个可透光组件构成，此耦光模块置于光源与光波导中间，使光束穿过该耦光模块而有效地耦合至该光波导核芯层中，并且有抑制背反射杂光的功能。
2.如权利要求1所述的具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，其特征在于，所述光源为一半导体组件。
3.如权利要求2所述的具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，其特征在于，所述半导体组件为半导体雷射二极管或半导体发光二极管。
4.如权利要求1所述的具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，其特征在于，所述的光源所发出的光束垂直或倾斜入射至耦光模块。
5.如权利要求1所述的具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，其特征在于，所述光源选自晶粒形式及既晶粒封装形式中的一种。
6.如权利要求1所述的具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，其特征在于，所述光学次模块结构可选自同轴插拔式光学次模块形式、牵引式或猪尾型形式、蝶型光学次模块形式、矩型光学次模块形式中的一种。
7.如权利要求1所述的具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，其特征在于，所述耦光模块还包括金属、塑料及陶瓷组件。
8.如权利要求1所述的具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，其特征在于，所述可透光组件由可使波长介于0.2μm-2.0μm的光束穿透的任一材质制成。
9.如权利要求1所述的具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，其特征在于，所述可透光组件为一个平板透镜，此平板透镜倾斜一个角度且置于光源与光波导之间。
10.如权利要求1所述的具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，其特征在于，所述可透光组件为一个棱镜透镜，此棱镜在面向光源处具有削角且置于光源与光波导之间。
11.如权利要求9或10所述的具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，其特征在于，所述的透镜的表面具有抗反射镀膜，为抑制透镜表面产生的反射光以促使无反射光或极少量反射光返回光源。
12.如权利要求9或10所述的具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，其特征在于，所述的透镜的表面为一曲面，以增加抑制背反射杂光的能力。
13.如权利要求1项所述的具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，其特征在于，所述光源与光波导中间置放多个可透光组件，且相邻的两个可透光组件的倾角方向相反，将光束平直的导入光波导中且降低背反射杂光。
14.如权利要求13所述的具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，其特征在于，所述的多个可透光组件中至少一个可透光组件的表面具有抗反射镀膜。
15.如权利要求13项所述的具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，其特征在于，所述的多个可透光组件中至少一个可透光组件的表面为一曲面，以增加抑制背反射杂光的能力。
全文摘要
本发明涉及一种具有抑制背反射杂光的光学次模块结构，该结构包括一光源，发射光束；一光波导，接收光源的光束，使该核芯层再将光束继续向前传送；以及一耦光模块，由至少一个可透光组件构成，此耦光模块置于光源与光波导中间，使光束穿过该耦光模块而有效地耦合至该光波导核芯层中，并且有抑制背反射杂光的功能；本发明的光学次模块结构可大幅改善光学次模块本身的光电特性品质、增加其传输距离、大幅降低光收发器在封装上的困难，还可有效降低其生产成本。
文档编号G02B6/42GK1530709SQ0312160
公开日2004年9月22日 申请日期2003年3月14日 优先权日2003年3月14日
发明者陈文宗, 杨建成, 张俊杰, 李俊德, 张志贤, 陈正大, 彭保仁 申请人:创威光电股份有限公司