一种单纤双向光器件结构的制作方法

本发明涉及光纤通信的技术领域，特别是涉及一种单纤双向光器件结构。

背景技术：

在第四代通信系统已经完全商用、5g时代即将来临的时代背景下，光通信系统与我们的生活已经越来越密不可分。在光纤通信系统建设成本分布中，光纤光缆的铺设成本占据超过40％。初略估计，一公里的直埋光缆的施工费用不会低于10000元，光缆一旦掩埋完成，想继续扩增光纤的数量将十分困难。所以提升光纤利用率，降低单根光纤平均铺设成本的是重要而又棘手的问题。

传统光模块光接口实现方式，有“双纤双向”与“单纤双向”两种。顾名思义，第一种方案使用两根光纤完成收发传输，第二种方案使用一根光纤完成收发传输。显然，“单纤双向”的实现方式更加节省光纤资源，提高了光纤利用效率。这两种实现方式的核心区别就是光器件设计方案。“双纤双向”方案光器件部分由：tosa(光发射组件)与rosa(光接收组件)两个部分组成，发射端一根光纤，接收端一根光纤；“单纤双向”方案光器件由bosa(bidirectional-osa)组成，收发共用同一根光纤，上下行用不同的波长来区别，其光学原理是使用镀膜光学元件来实现不同波长光波的“合波”与“分波”。传统bosa器件的核心组件有：receptacle(适配器)、发射组件、接收组件以及方管体。其中发射组件可以为to封装形式,也可以为box封装形式；接收组件一般为to封装形式；方管体中包括了金属件、滤波片、隔离器等部件。光发射接收组件tosa和光接收组件rosa两者组合在一起即为bosa，如图1所示为发射端为传统形式的bosa组件，发射to组件1固定安装于发射端to封焊管体2，发射to组件1的发射端设有方管体组件5，方管体组件5的两侧安装有接收to组件3及适配器4，接收to组件3的轴线垂直于发射to组件1的轴线，适配器4的轴线与发射to组件1的轴线重合，方管体组件5内安装有金属件、滤波片、隔离器等部件。由于在传统bosa器件的设计中发射to组件1、接收to组件3与方管体组件5采用分立式设计，这样会造成bosa器件体积比较大，对方管体内部加工精度以及组装精度的要求也特别高。因此现有光模块内部可用的布局空间有限,“小型化、集成化”是器件发展必然趋势。

技术实现要素：

本发明提供了一种单纤双向光器件结构，解决了现有技术中各组件采用分立式设计而导致现有bosa器件体积较大、对方管体内部加工精度以及组装精度的要求也特别高和光模块内部可用的布局空间有限的技术问题。

本发明解决上述技术问题的方案如下：一种单纤双向光器件结构，所述单纤双向光器件结构包括壳体及to系列探测器，所述壳体内从一端到另一端依次设有合滤玻片组件、氮化铝基板、coc及tec，所述氮化铝基板上固定有隔离器及准直透镜，所述壳体上靠近所述合滤玻片组件的一端外部安装有准直适配器，所述coc、准直透镜、隔离器及准直适配器依次相对设置，所述to系列探测器安装于所述壳体的一侧，所述to系列探测器与所述准直适配器相垂直，所述coc与所述tec电连接。

进一步，所述壳体内还安装有热敏电阻，所述热敏电阻靠近安装于所述tec，所述热敏电阻与所述tec及coc均电连接。

进一步，所述壳体上安装有盖板并采用气密性安装。

进一步，所述合滤玻片组件包括小角度滤波片、反射片，所述小角度滤波片与水平面之间的夹角为逆时针旋转5度-25度之间，经小角度滤波片反射的接收光经反射片反射后变成平行光射回所述to系列探测器。

进一步，所述合滤玻片组件还包括偏移反射棱镜，所述偏移反射棱镜包括两个相互平行且均与水平面顺时针旋转45度角的棱镜，经小角度滤波片反射的接收光经反射片反射后变成平行光射到其中一棱镜，继续向下射到其中另一棱镜，直至变成平行光射回所述to系列探测器。

进一步，所述合滤玻片组件包括45度滤波片，所述45度滤波片与水平面之间的夹角为顺时针旋转45度。

进一步，所述to系列探测器的外围安装有探测器套筒。

本发明的有益效果是：本发明提供了一种单纤双向光器件结构，具有以下优点：

1、通过将合滤玻片组件、氮化铝基板、隔离器、准直透镜、coc及tec等各元器件封装在一个壳体内并集成至发射器件内，结构紧凑便于布局设计且对壳体内部的加工精度及组装精度的要求较低，解决了现有技术中各组件采用分立式设计而导致现有bosa器件体积较大、对方管体内部加工精度以及组装精度的要求也特别高和光模块内部可用的布局空间有限的技术问题；

2、增强器件光路稳定性，降低了器件高低温下光功率变化；

3、统一了bosa器件结构，使得一种bosa结构可以应对各种模块封装以及应用场景。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为现有技术中提供的一种单纤双向光器件结构的结构示意图；

图2为本发明提供的一种单纤双向光器件结构的立体结构示意图；

图3为图2提供的一种单纤双向光器件结构(省去盖板后)的内部结构示意图；

图4为图2提供的一种单纤双向光器件结构中的一种光路结构示意图；

图5为图2提供的一种单纤双向光器件结构中采用45°分光片时的另一种光路结构示意图。

附图中，各标号所代表的部件列表如下：

1、发射to组件；2、发射端to封焊管体；3、接收to组件；4、适配器；5、方管体组件；001、准直适配器；002、壳体；003、to系列探测器；004、探测器套筒；005、tec；006、coc；007、热敏电阻；008、准直透镜；009、氮化铝基板；010、隔离器；011、合滤玻片组件；012、盖板；013、小角度滤波片；014、反射片；015、偏移反射棱镜；016、45度滤波片。

具体实施方式

以下结合附图2-5对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。在下列段落中参照附图以举例方式更具体地描述本发明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

需要说明的是，当组件被称为“固定于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“连接”另一个组件，它可以是直接连接到另一个组件或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

如图2-5所示，本发明提供了一种单纤双向光器件结构，所述单纤双向光器件结构包括壳体002及to系列探测器003，所述壳体002内从一端到另一端依次设有合滤玻片组件011、氮化铝基板009、coc006及tec005，所述氮化铝基板009上固定有隔离器010及准直透镜008，所述壳体002上靠近所述合滤玻片组件011的一端外部安装有准直适配器001，所述coc006、准直透镜008、隔离器010及准直适配器001依次相对设置，所述to系列探测器003安装于所述壳体002的一侧，所述to系列探测器003与所述准直适配器001相垂直，所述coc006与所述tec005电连接。

可以理解的是，根据现有技术可知，准直适配器器001可以包括c-lens光纤准直器、陶瓷插芯、开口陶瓷套筒及金属外壳，陶瓷插芯内设有单模光纤。准直适配器器001的作用是将平行光耦合到光纤中去；壳体002由两个光窗支架、管壳、陶瓷电路高温烧结而成。

上述实施例中提供了一种单纤双向光器件结构，通过将合滤玻片组件011、氮化铝基板009、隔离器010、准直透镜008、coc006及tec005等各元器件封装在一个壳体002内并集成至发射器件内，结构紧凑便于布局设计且对壳体002内部的加工精度及组装精度的要求较低，解决了现有技术中各组件采用分立式设计而导致现有bosa器件体积较大、对方管体内部加工精度以及组装精度的要求也特别高和光模块内部可用的布局空间有限的技术问题。

当然，to系列探测器003可适用所有类型的to型探测器。tec005，即为thermoelectriccooler(热电致冷器)，上下两面基板为aln材料，导热系数200w/m.k，冷热面间为串联pn结，用于保持发射端光路元部件温度稳定。coc006(chiponcarrier)，包括ldchip、mpd及陶瓷基板，陶瓷基板上预制au80sn20焊料，ldchip共晶焊到陶瓷基板009上，mpd共晶焊到陶瓷基板009上，陶瓷基板材料为aln；准直透镜008，将coc006中包含的ldchip发出的发散光耦合为准直光；氮化铝基板009，上表面做镀金图案，用于coc、隔离器定位；隔离器010，磁光材料与磁环组成，用于隔离001准直器反射回来的光。

需要指出的是，壳体002上设有两个光窗支架，一个在管壳正面，一个在管壳侧面，侧面光窗预留给接收端使用；探测器to套筒004用于匹配壳体002上侧面光窗与to系列探测器003。这样取消了常规bosa器件结构中方管体部件，在box壳体上在制备两个光窗，做成单纤双向器件。

优选的，所述壳体002内还安装有热敏电阻007，所述热敏电阻007靠近安装于所述tec005，所述热敏电阻007与所述tec005及coc006均电连接，用于反馈tec005实际控温的温度。

优选的，所述壳体002上安装有盖板012并采用气密性安装。

优选的，如图4所示，所述合滤玻片组件011包括小角度滤波片013、反射片014，所述小角度滤波片013与水平面之间的夹角为逆时针旋转5度-25度之间，经小角度滤波片013反射的接收光经反射片014反射后变成平行光射回所述to系列探测器003。

通过将所述小角度滤波片013与水平面之间的夹角为逆时针旋转5度-25度之间，可应用于收发两端波长间隔小于50nm的应用场景，能够很好地通过同一根光纤进行分波至接收端。因为当收发两端波长间隔小于50nm时，如果滤波片与水平面之间的夹角为45度，则准直适配器001中陶瓷插芯部件的单模光纤发出的光线将会穿过滤波片返回发射端部分的coc006，不能到达接收端部分的to系列探测器003，从而无法实现单纤双向的功能。

优选的，如图4所示，所述合滤玻片组件011还包括偏移反射棱镜015，所述偏移反射棱镜015包括两个相互平行且均与水平面顺时针旋转45度角的棱镜，经小角度滤波片013反射的接收光经反射片014反射后变成平行光射到其中一棱镜，继续向下射到其中另一棱镜，直至变成平行光射回所述to系列探测器003。

通过在合滤玻片组件011中加入偏移反射棱镜015，可任意调整接收端位置，便于对接收端的to系列探测器上下调节位置。

优选的，如图5所示，所述合滤玻片组件011包括45度滤波片016，所述45度滤波片016与水平面之间的夹角为顺时针旋转45度，可应用于收发两端波长间隔大于50nm的工作场景。由于收发两端的波长间隔大于50nm，准直适配器001中陶瓷插芯部件的单模光纤发出的光线不能穿过45度滤波片016，从而45度滤波片016起到反射片的作用，使得光线返回至to系列探测器003中。

优选的，所述to系列探测器003的外围安装有探测器套筒004。

本发明中一种单纤双向光器件结构的组装方式如下：

步骤1：tec005固定粘接在壳体002上,称为第一组件；将氮化铝基板009固定粘接在第一组件上：称为第二组件；将coc006固定粘接在第二组件上，称为第三组件；将007热敏电阻固定粘接在第三组件的coc006上，以上是通过导电胶粘接的。

步骤2：将隔离器010粘接在第三组件的氮化铝基板009上，为第四组件；将合滤波片组件011粘接在第四组件上，为第五组件；以上使用环氧树脂胶粘接；

步骤3：第五组件使用金丝键合工艺完成电器连接后成为第六组件；

步骤4：第六组件与准直适配器001的固定使用激光焊接的方式完成，称为第七组件；

步骤5：第七组件与准直透镜008，通过胶水固定，称为第八组件；

步骤6：使用平行封焊工艺，将第八组件与012盖板封盖后成气密封装，称为第九组件；

步骤7：使用激光焊工艺将004探测器套筒焊接在第九组件的002壳体部件的侧面光窗上，称为第十组件；将to系列探测器003与第十组件进行耦合，使用胶固化工艺粘接。

上述组件全部组装完毕。

需要指出的主要有以下几点：

1、对于温度不敏感激光器芯片或者应用场景，tec005可以换成等体积金属块；

2.对于某些场景应用，壳体002是气密封装的，可以换成非气密封装的金属件；电器连接通过柔性电路板实现；

3.步骤1中，可以使用焊料或者焊料片代替导电胶粘接固定；

4.准直适配器001可以用“非球透镜+适配器”或者“球透镜+适配器”的形式代替；

5.对于45度滤波片016分波方案，“准直透镜008+准直适配器001”光路方案可以使用“会聚透镜+适配器”代替。

6.步骤5中，准直透镜008固定工艺可以为共晶焊或者激光焊接固定；

本发明的具体工作原理及使用方法为：

正向线路：由coc006发出发散光，经过准直透镜008后变为准直平行光，平行光经过隔离器010、合滤波片组件011,到达准直适配器001的陶瓷插芯部件的单模光纤中。

反向线路：经过陶瓷插芯部件的单模光纤传送的光到达器件后由准直适配器001的clens组件变为平行光，平行光经过合滤波片组件011，达到to系列探测器003，to系列探测器003帽上的准直透镜008将平行光转换为汇聚光到达探测器芯片光敏面上。

在反向线路中，当收发两端波长间隔小于50nm时，所述合滤玻片组件011可设计为包括小角度滤波片013、反射片014、偏移反射棱镜015，所述小角度滤波片013与水平面之间的夹角可设计为逆时针旋转5度-25度之间，经小角度滤波片013反射的接收光经反射片014反射后变成平行光射到其中一棱镜，继续向下射到其中另一棱镜，直至变成平行光射回所述to系列探测器003。

在反向线路中，当收发两端波长间隔大于50nm时，由于收发两端的波长间隔大于50nm，所述合滤玻片组件011可设计为包括45度滤波片016，准直适配器001中陶瓷插芯部件的单模光纤发出的光线不能穿过45度滤波片016，从而45度滤波片016起到反射片的作用，使得光线返回至to系列探测器003中。

本发明提供了一种单纤双向光器件结构，具有以下优点：

1.器件集成化，为模块级pcb布局节省了布局空间；

2.增强器件光路稳定性，降低了器件高低温下光功率变化；

3.统一了bosa器件结构，使得一种bosa结构可以应对各种模块封装以及应用场景；

4.传统bosa器件在高低温下更容易发生功率变化的情况，最主要的原因是各部件之间的结构变化导致光路变化，本发明减少部件数量有利于减少高低温下器件功率变化。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。