专利名称：晶体管外壳封装的光纤接收界面和方法
技术领域：
本申请包含的主题涉及同一申请日提交的、本申请人共同拥有的、名称为“用于激光器的光电子晶体管外壳封装件(晶体管外壳-package)和方法”(律师摘要第50156/SAH/E349号)的美国专利申请的主题。
技术领域背景技术在光接收器配件(receiver optical sub-assembly)(ROSA)中，封装在晶体管外壳(TO)(或封装件)中的光电二极管芯片一般被用来探测通过光纤接收到的光信号。在用于接收10Gbps(每秒十亿字节)或更高传输率的光信号的传统晶体管外壳中，光电二极管芯片设在晶体管外壳管座的中心。光电二极管芯片的这种中心定位就使得光电二极管芯片的有效区域与光纤共轴。然而，将光电二极管芯片的位置限制在晶体管外壳的中心会导致其结构不可弯曲。在这种处于中心的光电二极管芯片结构中，很难将其它的部件放置在将减小其间距离的位置处，或者很难放置于减小与例如用于引线接合的引线间距离之位置。
另外，当光电二极管与光纤共轴时，将产生较高的回波损耗，其原因在于该光信号的反射与该光纤的光输出相干涉。因而，通常使光纤的边缘倾斜一定的角度，以减少入射到光纤上的反射。然而，这种边缘倾斜一般会导致很低的光耦合效率，例如这种低耦合效率是由于当光线穿过透镜的外围，光信号的主光线弯曲时而产生的光学像差引起的。
发明内容
在本发明的一个示范实施例中，在位于具有末端的光纤和光电二极管之间提供一种光学界面。该光学界面包括一个透镜，该透镜之设置使得在该末端输出的光信号的主光线横穿该透镜的中心。
在依照本发明的另一个示范实施例中，提供一种光组件。该光组件包括一个具有芯和末端的光纤；一个具有有效区域的光电二极管和一个设在该光纤和该光电二极管之间的透镜，该透镜之设置使得在该末端输出的光信号的主光线横穿该透镜的中心。
在依照本发明的又一个示范实施例中，提供一种方法，其使用一个具有有效区域的光电二极管探测在一光纤末端输出的光信号的主光线。该方法包括倾斜该光纤的该末端，使得该主光线以相对于该末端表面的一定角度被输出；设置该光电二极管，使得该主光线能够大体不弯曲地入射到该光电二极管的有效区域上。
在依照本发明的再一个示范实施例中，在一种包括光纤和光电器件的光组件中，提供一种提高光纤和光电器件间耦合效率的方法及该光电器件。该方法包括倾斜与该光电器件光学接合的该光纤的边缘；放置该光电器件，使得一个光信号的主光线能够在该光纤的该倾斜边缘和该光电器件之间基本上不弯曲地行进。
通过在此的描述和所附的附图，可以更容易地理解本发明这些和其它细节。
图1是依照本发明一个示范实施例的位于光纤和光电二极管芯片之间的光学界面的示意图；图2是示出依照本发明另一个示范实施例的位于光纤和光电二极管芯片之间的光学界面的示意图；图3是依照本发明一个示范实施例的晶体管外壳封装件的顶视图；图4是一个表示出光耦合效率和光电二极管芯片的位置及光纤倾斜端角之间的关系的曲线图；图5是一个表示出当采用球透镜时，光回波损耗与偏离光电二极管中心的偏移量之间的关系的曲线图；图6是在依照本发明一个示范实施例的插座晶体管外壳封装件中的光学界面的横截面图。
具体实施例方式
在依照本发明的一个示范实施例中，提供一种具有偏心光电二极管芯片的光纤接收器晶体管外壳封装件(或晶体管外壳罐)。通过将光电二极管芯片放置偏离晶体管外壳封装件的中心，就能够灵活地制作晶体管外壳罐。通过将光电二极管芯片放置在适当的位置，就能够实现晶体管外壳封装接收器光学子系统很高的光强度耦合效率和很低的回波损耗。从而，就可以提高接收器的电学性能。
图1是依照本发明一个示范实施例的位于光纤102和光电二极管芯片105之间的光学界面的示意图。光纤102可以是一段光纤光缆的端部，也可以是封入一插座(未示出)内的光纤短线。例如，该光纤光缆或光纤短线可以是SMF-28或者任何其它适合的光纤。当光纤102是光纤短线时，该光纤短线和插座一起也可以称作LC插座。在其它的实施例中，其它类型的插座，像SC、MU、FC等都可以使用。光纤102的末端可被裂开，或在该末端(或边缘)处被抛光倾斜。例如，该末端处的角度是8度。当然，在下述的其它实施例中，该边缘角可以是大于或者小于8度的合适角度。
光电二极管105可以是任何能够探测高比特率(例如10Gbps或更高)光信号的合适光电二极管。该光电二极管应当与产生850纳米(nm)波长光信号的VCSEL、产生1310和/或1550nm波长光信号的边缘发射激光器、DFB(分布式反馈)激光器和/或FP(法布里一玻罗)激光器相适应。例如，该光电二极管105是PIN二极管或APD(雪崩光电二极管)。
该光学界面包括一个透镜104，该透镜104是用来聚焦在其中穿过的光束的正(即会聚)透镜。在该示范实施例中，主光线穿过透镜104的中心，随着该主光线从光纤102行进到光电二极管105，在从光纤末端出射后，该光线在透镜104中基本上被矫直。主光线被定义为穿过光线追迹的主点远离目标的光线，所属技术领域的技术人员熟知这一点。
在该示范实施例中，主光线位于光轴内，即主光线基本上与光轴重叠(或基本匹配)。这样，由主光线穿过透镜104外围(或远离中心)附近而引起的像差就被减小(在光纤末端倾斜和光电二极管处于晶体管外壳管座中心的情形下)。这类共轴操作能产生很高的耦合效率，因为像差如散光和彗差被减少，这些都会由离轴操作(即主光线穿过透镜的外围)产生。
在该示范实施例中，光纤和有效区域(即探测区域)并不共轴。事实上，晶体管外壳管座的中心线108基本上与光纤102的轴(即光纤芯)对准，但穿过光电二极管芯片105的有效区域106中心的光电二极管中心线112偏离晶体管外壳管座的中心线108。横向穿过透镜104中心的透镜中心线110位于晶体管外壳管座中心线108和光电二极管中心线112之间。
光电二极管105例如安装在晶体管外壳封装件的晶体管外壳管座上，透镜104可以安装在晶体管外壳封装件的晶体管外壳透镜支架(未示出)上。
光纤102在其输出端(或边缘)处倾斜(或裂开)θ角。光纤102的该倾斜端被用来减少光纤末端表面产生的回波损耗。该倾斜可以借助于抛光和/或劈裂来实现。在光纤102上传递的光信号例如可以具有10Gbps或更高的比特率。由于斯涅耳定律，光束的主光线在光纤的倾斜输出端处弯曲α角，然后送入安装在晶体管外壳透镜架(未示出)的透镜104内。根据斯涅耳定律，α角确定如下α＝arcsin[sinθ/n_core]，其中例如在1310nm处n_core＝1.4677，在1550nm处n_core＝1.4682。
为了获得与晶体管外壳管座中心线108适当地偏离，将透镜104设置偏离晶体管外壳管座的中心线108。而且，透镜104相对于透镜中心线110的垂线倾斜α角，以使主光线穿过透镜中心来降低透镜104的像差所产生的影响。当将该光学系统的放大率选择为大约是1∶1时，光电二极管的中心线112远离晶体管外壳管座中心线108的距离是透镜中心线110远离晶体管外壳管座中心线108的两倍。从而，具有相同α角的入射主光线照射光电二极管的有效区域106(尺寸＝-20至35μm，直径)。在其它的实施例中，放大率可以设置介于约0.8和约1.5之间。在该示范的实施例中，入射到有效区域106上的光束的光斑尺寸例如介于约9μm和约15μm之间。当然，在其它实施例中，光束的光斑尺寸可以不同。
在图1示出的该示范实施例中，光纤102的芯基本上与晶体管外壳管座的中心线108对准，透镜的中心线110偏离晶体管外壳管座的中心线108。然而，在其它的实施例中，透镜的中心线可以基本上与晶体管外壳管座的中心线对准，而光纤的芯可以沿相反的方向(如同图1中透镜中心线110的偏离方向)偏离晶体管外壳管座中心线相同的量。在这种情形下，也应当移动光电二极管芯片来接收其有效区域上的主光线。换句话说，只要保持光纤、透镜和光电二极管间的空间关系，晶体管外壳管座的中心线就可以灵活地或者与光纤的中心线大体对准或者与透镜的中心线大体对准。
在图1的示范实施例中，显示出光电二极管芯片105平坦地安装在晶体管外壳管座上。在其它的实施例中，可以相对于晶体管外壳管座的表面以一定角度安装光电二极管芯片，以使来自光电二极管芯片表面的任何反射都被引向远离光纤。当光电二极管芯片以一定角度安装在晶体管外壳管座表面上时，光信号的主光线应当仍然入射到光电二极管的有效区域上。
图2的示意图示出依照本发明另一个示范实施例的位于光纤122和光电二极管芯片125之间的光学界面。光纤122可以是一段光纤光缆的端部，或者可以是封入插座(未示出)内的光纤短线。该光纤光缆或光纤短线例如可以是SMF-28或者任何其它适合的光纤。当光纤122是光纤短线时，该光纤短线和插座一起也可以称作LC插座(例如，根据插座的类型，也可称作SC、MU、FC插座)。
图2的光学界面类似于图1的光学界面，只是图2中使用的是球透镜。此外，图2示出光电二极管125以一定的角度δ安装在晶体管外壳管座(未示出)上，以便进一步减少由反射信号引起的光信号的回波损耗。
该光学界面包括一个球透镜124(“微球透镜”)，用于将于其中穿过的光束进行聚焦。一主光线穿过球透镜124的中心，并且当其从光纤122行进到光电二极管芯片125基本上不弯曲。这样，将减小由于将主光线穿过球透镜124的外围附近而引起的像差(即彗差或散光)。
在本实施例中，光纤和有效区域(即探测区域)并不共轴。事实上，晶体管外壳管座的中心线128基本上与光纤122的轴(即光纤芯)对准，但穿过光电二极管芯片125之有效区域126中心的光电二极管中心线132偏离晶体管外壳管座的中心线128。穿过透镜124中心的透镜中心线130位于晶体管外壳管座中心线128和光电二极管中心线132之间。
光电二极管125例如安装在晶体管外壳封装件的晶体管外壳管座上，球透镜124可以安装在晶体管外壳透镜支架(未示出)上。光电二极管125基本上与图1的光电二极管105相同，可以是PIN二极管或APD。
光纤122在其输出端处倾斜(或裂开)一定的角度(θ)。光纤122的倾斜端被用来减少由入射到光纤末端表面的反射产生的回波损耗。这种倾斜可以借助于抛光和/或劈裂来实现。在该光纤122上传递的光信号例如可以具有10Gbps或更高的比特率。根据斯涅耳定律，光束的主光线在光纤的倾斜端处以α角进行传输，然后送入安装在晶体管外壳透镜架(未示出)上的球透镜124内。根据斯涅耳定律，α角确定下来α＝arcsin[sinθ/n_core]，其中例如在1310nm处n_core＝1.4677，在1550nm处n_core＝1.4682。
为了获得与晶体管外壳管座中心线128的适当偏离，将球透镜124设置偏离晶体管外壳管座的中心线128。球透镜124不必相对于中心线倾斜α角来使弯曲的主光线穿过透镜中心，因为球透镜124是球形的，而且关于球中心对称。当将该光学系统的放大率选择为大约是1∶1时，光电二极管125之有效区域126的中心线132远离晶体管外壳管座中心线128的距离是穿过球透镜124中心的透镜中心线130远离晶体管外壳管座中心线128距离的两倍。从而，具有相同α角的入射主光线照射光电二极管的有效区域126(尺寸＝-20至35μm，直径)。在其它的实施例中，放大率可以介于约0.8和约1.5之间。
如图2所示，光电二极管125被倾斜以进一步降低回波损耗，同时并不降低耦合效率。例如，光电二极管125可以相对于晶体管外壳管座的表面以δ角倾斜。从而，光电二极管的入射角是(α+δ)，其大于α。光电二极管芯片可以例如通过压印晶体管外壳管座的表面来在晶体管外壳管座倾斜。
在图2示出的示范实施例中，光纤122的芯基本上与晶体管外壳管座的中心线128对准，透镜的中心线130偏离晶体管外壳管座的中心线128。然而，在其它的实施例中，透镜的中心线可以基本上与晶体管外壳管座的中心线对准，而光纤的芯可以沿相反的方向(如同图2中透镜中心线130的偏离方向)偏离晶体管外壳管座中心线相同的量。在这种情形下，也应当移动光电二极管芯片来接收其有效区域上的主光线。换句话说，只要保持光纤、透镜和光电二极管间的空间关系，晶体管外壳管座的中心线就可以灵活地或者与光纤的中心线大体对准或者与透镜的中心线大体对准。
图3是依照本发明一个示范实施例的晶体管外壳封装件140的顶视图。该晶体管外壳封装件140例如可以是用于10Gbps光纤接收器的晶体管外壳-46封装件。该晶体管外壳封装件140包括IC晶粒142，该IC晶粒142例如包含互阻抗放大器(TIA)。在本实施例和其它的实施例中，该IC晶粒142还可以包含其它的电路。
从图3可以看出，IC晶粒142设在晶体管外壳封装件140的中心附近。由于其位置在中心周围，因此可以在IC晶粒142和四个晶体管外壳管座引线148a-d的每一个之间形成相对短的引线接合连接。引线148a和148b例如可以用于晶体管外壳封装件140的不同输出。另外，引线148c例如可以用于向TIA提供DC电源。引线148d可以用于测量光电二极管(PD)的偏流以监控光电二极管144。
光电二极管144具有探测光信号的有效区域146。可以看出，光电二极管有效区域146的中心线154偏离晶体管外壳封装件的中心线150一个光电二极管偏移量158。同时在图3中还可以看出，透镜的中心线152偏离晶体管外壳封装件的中心线150一个透镜偏移量156。例如，当光电二极管偏移量158是透镜偏移量156的两倍时，晶体管外壳封装件具有约1∶1的放大比。
图4是一个曲线图160，其示出光耦合效率和光电二极管芯片的位置及输入光纤倾斜端的角度之间的函数关系。该曲线图160是对于高速接收器而生成的，其中该高速接收器具有球透镜半径为1.0mm、光电二极管有效区域直径为25μm的晶体管外壳封装件。通过优化输入光纤的倾斜端角，以使输入光信号的主光线穿过球透镜中心，从而减少来自透镜像差的影响，可以获得很高的光耦合效率。曲线图160上具有五个不同的曲线，曲线162对应于14.5度的裂角，曲线164对应于12度的裂角，曲线166对应于10度的裂角，曲线168对应于8度的裂角，曲线170对应于6度的裂角。
从曲线170可以看出，对于具有6度裂角的光纤，当光电二极管的有效区域大约偏离光纤芯轴0.28mm的偏移量时，得到最佳的耦合效率(大约是92％)。对于具有8度裂角的光纤，如曲线168所示，在大约0.4mm的偏移量处得到最佳的耦合效率(大约91％)。对于具有10度裂角的光纤，如曲线166所示，在大约0.5mm的偏移量处得到最佳的耦合效率(大约90％)。对于具有12度和14.5裂角的光纤，如曲线164和162分别所示，在大约0.6mm和0.7mm的偏移量处得到最佳的耦合效率(大约90％)。
图5是一个曲线图180，其示出当透镜是典型的球透镜时，光回波损耗与偏离光电二极管中心的偏移量之间的函数关系。从图表180可以看出，光回波损耗随着光电二极管中心的偏移量从0增加到250μm而从-24dB增加到-55dB。
图6是在依照本发明一个示范实施例的插座晶体管外壳封装件200中的光学界面的横截面图。该插座晶体管外壳封装件200也称作光接收器配件(“ROSA”)。该插座晶体管外壳封装件200包括LC插座202，其包括插座211和光纤(即光纤短线)212。光纤212具有倾斜的端部，例如，可以是SMF-28。LC插座202与支撑球透镜206的透镜支架204相接合。在其它的实施例中，球透镜206可以被任何其它合适的聚焦光束的正(即会聚)透镜来代替。透镜支架204安装在晶体管外壳管座208上，该晶体管外壳管座208具有3+1根引线或其它的插脚布置。光电二极管210安装在晶体管外壳管座208上且偏离中心一定的偏移量。该插座晶体管外壳封装件200例如可以在10Gbps或更快的比特率下工作。图6示出的实施例也可应用在光纤接收器的引出线晶体管外壳封装件。
图6示出该插座晶体管外壳封装件200具有处于偏离晶体管外壳管座208的中心线一定偏移量的球透镜206中心。该插座晶体管外壳封装件200也示出光纤212基本上与晶体管外壳管座208的中心线对准。在其它的实施例中，球透镜206的中心可以与晶体管外壳管座208的中心线基本上对准，同时光纤短线被设置偏离晶体管外壳管座208的中心一定的偏移量。因此，只要倾斜端部的光纤和球透镜间的相对位置被保持，它们就能灵活地相对于晶体管外壳管座208来设置。
所属技术领域的技术人员应当理解，只要不脱离本发明的精神或基本特征，本发明也可以具体实施为其它的特定形式。因此，应当认为本发明所有的方面都是说明性而不是限定性的。本发明的范围由所附权利要求来限定，所有其等同物的意义和范围都应包含在此。例如，在其它实施例中，光学界面可以包括两个或多个透镜。而且，光学界面可以包括一个或多个位于光路上的折叠反射镜，以将光束引向所需的位置。
权利要求
1.一种位于一个光纤和一个光电二极管之间的光学界面，该光纤具有一个末端，其特征在于该光学界面包括一个透镜，设置该透镜使得在该末端输出的光信号的主光线横穿该透镜的中心。
2.根据权利要求1所述的光学界面，其特征在于该该透镜被定位得使该主光线基本上与该透镜的光轴重叠。
3.根据权利要求1所述的光学界面，其特征在于该光电二极管被安装在一个晶体管外壳管座上，且偏离该晶体管外壳管座的中心线一定的偏移量，其中该主光线作用在该光电二极管的有效区域上，和其中该晶体管外壳管座的中心线基本上与该光纤的芯以及透镜的中心对准。
4.根据权利要求3所述的光学界面，其特征在于该晶体管外壳管座的中心线和该光电二极管的该有效区域中心间的距离是该晶体管外壳管座的中心线和该透镜中心间的第二距离的两倍。
5.根据权利要求1所述的光学界面，其特征在于该光电二极管被以一定的角度设置在该晶体管外壳管座上，以减小返回至该光纤倾斜端的光信号的反射。
6.一种光组件，其特征在于所述光组件包括一个具有芯和末端的光纤；一个具有有效区域的光电二极管；和一个设在该光纤和该光电二极管之间的透镜，该透镜被设置得使在该末端输出的光信号的主光线横穿该透镜的中心。
7.根据权利要求6所述的光组件，其特征在于该透镜被定位得使该主光线基本上与该透镜的光轴重叠，並且还包括一个晶体管外壳管座，其中该光电二极管被安装在该晶体管外壳管座上，且偏离该晶体管外壳管座的中心线一定的偏移量，该主光线作用在该光电二极管的有效区域上，该晶体管外壳管座的中心线基本上与该光纤的芯对准，和其中该晶体管外壳管座的中心线基本上与该透镜的中心对准。
8.根据权利要求7所述的光组件，其中该晶体管外壳管座的中心线和该光电二极管其有效区域中心间的距离是该晶体管外壳管座的中心线和该透镜中心间的第二距离的两倍。
9.一种使用具有有效区域的光电二极管以探测在一光纤末端输出的光信号的主光线的方法，包括倾斜该光纤的该末端，使得该主光线以相对于该末端表面的一定角度被输出；放置该光电二极管，使得该主光线能够大体矫直地入射到该光电二极管的有效区域上；並且还包括在该光纤和该光电二极管之间放置一透镜，使得该主光线基本上与该透镜的光轴对准。
10.一种在一包括光纤和光电器件的光组件中提高光纤和光电器件间耦合效率的方法，该方法包括倾斜与该光电器件光学接合的该光纤的边缘；放置该光电器件，使得一光信号的主光线能够在该光纤的该倾斜边缘和该光电器件之间基本上矫直地行进。
全文摘要
本发明提供一种位于光纤和光电二极管之间的光学界面。该光纤具有一个末端，该光学界面包括一个透镜，该透镜之设置使得在该末端输出的光信号的主光线横穿该透镜的中心。该透镜可以是球透镜或者是具有定向的透镜，使得主光线基本垂直地向透镜中心入射。
文档编号G02B6/42GK1573388SQ20041003798
公开日2005年2月2日 申请日期2004年5月14日 优先权日2003年6月19日
发明者罗欣, 布赖恩·L·凯斯伯尔, 柯诚礼, 楼小明 申请人:昂科公司