光学耦合结构、光发射次模块及光模块的制作方法

1.本发明涉及光纤通信中的光模块技术领域，特别是一种光学耦合结构、光发射次模块及光模块。


背景技术：

2.近年来，随着5g技术的成熟，商用的逐步推进，基站的建设将带来海量光器件的需求。光器件是光传输网络中对光信号进行转换、传输的功能器件，是光传输系统的重要组成部分。其中发射光组件(tosa)因其结构、工艺复杂，一直是光器件生产制造中的重点、难点，成本压力也较大；一般来说，常见的tosa主体光学结构方案是激光器、玻璃透镜和插芯的组合。激光器、玻璃透镜和插芯的光学结构方案中，玻璃透镜成本高，玻璃透镜折射率较小而使得产品封装尺寸较大。在使用过程中，模块内的温度升高，激光器出光效率降低，光功率变小，通常需要使用tec控温。
3.使用tec控温增加了产品的体积和成本。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于：针对现有技术存在的现有的tosa光学结构方案中为适应高温高功率应用场景而需要tec控温导致产品体积大和成本高的问题，提供一种光学耦合结构，通过使用包含硅透镜的透镜组将激光器发射的光会聚，会聚光焦点位于插芯端面远离硅透镜的一侧；当温度升高时，由于硅透镜有较大的热光效应，会聚光焦点向靠近插芯端面的方向移动，耦合光功率增高，能够有效平衡激光器因温度升高导致的光功率变小。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种光学耦合结构，包括依次设置的激光器、透镜组和插芯；所述激光器出射光束，所述光束入射至所述透镜组，从所述透镜组射出后形成会聚光，所述会聚光入射至所述插芯；所述透镜组在远离所述激光器的一侧具有虚拟的会聚光焦点；所述插芯具有端面；所述会聚光焦点位于所述插芯的端面远离所述透镜组的一侧；所述透镜组包括至少一个硅透镜；所述硅透镜为会聚透镜。
6.当温度升高时，所述会聚光焦点向靠近所述插芯的端面方向移动。
7.通常的仅使用玻璃透镜的光学耦合结构中，会聚光的会聚光焦点位于透镜组和插芯之间，在调整插芯接收的光功率时，将插芯向透镜组靠近，光功率由小变大，直至达到光功率要求。
8.本发明的方案采用的透镜组中包括硅透镜。利用硅透镜在温度升高时，具有较大的热光效应，即透镜的折射率随着温度变化会急剧的变化，折射率增加，会聚光的焦点向靠近插芯端面的方向移动，耦合光功率增高，能够有效平衡激光器因温度升高导致的光功率变小。通过使用多个硅透镜组合实现光路调节，以满足不结构性能的要求。
9.作为本发明的优选方案，所述硅透镜为平凸透镜。
10.作为本发明的优选方案，所述硅透镜为双凸透镜。
11.作为本发明的优选方案，所述透镜组包括硅透镜和玻璃透镜。
12.作为本发明的优选方案，所述玻璃透镜位于所述硅透镜和所述激光器之间。
13.作为本发明的优选方案，所述玻璃透镜位于所述硅透镜和所述插芯之间。
14.根据结构性能要求不同，在硅透镜和插芯之间或者硅透镜和激光器之间设置玻璃透镜，作为调节光路的器件。
15.作为本发明的优选方案，还包括辅助器件，所述辅助器件包括反射镜、监控二极管、隔离器、分波器中的一种或几种。
16.作为本发明的优选方案，还包括基板，所述基板具有相对的第一表面和第二表面；所述激光器连接于所述基板的第一表面，其中一个硅透镜连接于所述基板的第二表面。
17.一种光发射次模块，包括如上所述的光学耦合结构。
18.一种光模块，包括如上所述的光发射次模块。
19.综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：1、本发明的光学耦合结构，通过使用包含硅透镜的透镜组，且透镜组的会聚光焦点位于所述插芯的端面远离所述透镜组的一侧，利用硅透镜在温度升高时，具有较大的热光效应，折射率增加，会聚光的焦点向靠近插芯端面的方向移动，耦合光功率增高，能够有效平衡激光器因温度升高导致的光功率变小。通过使用多个硅透镜组合实现光路调节，以满足不结构性能的要求。
20.在光通信领域，单模通信窗口在1000~2000nm之间，硅透镜对该范围的光波有99%以上的透过率。并且对于该波长，硅透镜常温下折射率3.4~3.5，远大于常用光学玻璃透镜，如bk7的1.5。硅透镜热光系数较光学玻璃透镜大数个数量级，使用本方案进行温度/光学补偿作用明显。
21.2、本发明的光发射次模块或者光模块，通过使用含有硅透镜的光学耦合结构，在温度升高时，会聚光焦点移动带来的光功率增加能够平衡激光器因温度升高导致的光功率变小。无需使用tec控温，大大降低了光模块的体积，降低了成本。
附图说明
22.图1是本发明的光学耦合结构的结构示意图。
23.图2是图1在圆圈a处的放大图示意图。
24.图3是本发明的光学耦合结构的光路图示意图。
25.图4是实施例2中的光学耦合结构的光路图示意图。
26.图5是对比例1中的光学耦合结构的结构示意图。
27.图6是图5在圆圈b处的放大图示意图。
28.图7是本发明的光模块的结构示意图。
29.图标：1-激光器；2-硅透镜；21-会聚光焦点；3-插芯；31-端面；4-玻璃透镜；5-基板；100-光发射次模块；200-光接收次模块。
具体实施方式
30.下面结合附图，对本发明作详细的说明。
31.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
32.实施例1一种光学耦合结构，如图1和图2所示，包括依次设置的激光器1、透镜组和插芯3；所述激光器1出射光束，所述光束入射至所述透镜组，从所述透镜组射出后形成会聚光，所述会聚光入射至所述插芯3；还包括基板5，所述基板5具有相对的第一表面和第二表面；所述激光器1连接于所述基板5的第一表面，其中一个硅透镜2连接于所述基板5的第二表面。
33.所述透镜组在远离所述激光器1的一侧具有虚拟的会聚光焦点21；所述插芯3具有端面31；所述会聚光焦点21位于所述插芯3的端面31远离所述透镜组的一侧；所述透镜组包括至少一个硅透镜2；所述硅透镜2为会聚透镜。所述硅透镜2为平凸透镜。
34.如图3所示，会聚光焦点21位于所述插芯3内，插芯3的端面31位于会聚光焦点21和硅透镜2之间。
35.激光器1通过共晶焊或者通过胶水粘接在基板5上。硅透镜2通过胶水粘接在基板5上。tosa的光学耦合是指将透镜的会聚激光耦合进插芯3内，并满足特定的耦合光功率要求。
36.激光器1工作时出射激光经过上方的硅透镜2进行会聚。tosa进行光学耦合时，通常使插芯3相对于会聚光做xyz空间三维的移动并实时监控耦合进插芯3中的光功率大小。为方便描述，此处规定光轴方向为z轴方向。插芯3耦合至会聚光焦点21处会有最大的耦合光功率p1，此时使插芯3继续沿着z轴朝透镜移动并微调插芯3的xy轴，直到实时耦合光功率p2满足tosa的产品规格便完成了tosa的光学耦合反向离焦。p2一般都会明显比p1小，也就是说插芯3会向会聚光焦点21的下方移动，会聚光焦点21的位置会高过插芯3的表面。
37.当温度升高时，如图1，硅透镜2有较大的热光效应，即透镜的折射率随着温度变化会急剧的变化。会聚光焦点21向下沿箭头方向向下移动，会聚光焦点21和端面31之间的距离变小，耦合光功率增加。同时当温度升高时，激光器1出光效率变低，光功率变小；本方案配合使用的反向离焦技术，热光效应的效果使得会聚光焦点21向下移动向着插芯3端面31移动，使得耦合光功率变大；很好的给高温激光器1出光效率变低做了补偿；该方案的tosa有着优良的高低温光功率性能。
38.本实施例仅着重描述了光学耦合结构的基本结构；实际方案实施中，基板5激光器1透镜等原件都是被管帽密封在to-can封装中；tosa结构中其他的元件并未进行描述。也可以是cob或者box等封装形式。
39.实施例2本实施例与实施例1的差别在于，所述透镜组包括硅透镜2和玻璃透镜4。所述玻璃透镜4位于所述硅透镜2和所述插芯3之间。所述硅透镜2为平凸透镜。所述玻璃透镜4为双凸透镜。光路图如图4所示。
40.其他的方案中，所述玻璃透镜4位于所述硅透镜2和所述激光器1之间。
41.其他的方案中，还包括辅助器件，所述辅助器件包括反射镜、监控二极管、隔离器、
分波器中的一种或几种。
42.实施例3本实施例与实施例2的差别在于，将玻璃透镜4替换为另一个硅透镜2。即在本实施例中，透镜组包括一个平凸透镜和一个双凸透镜，两个透镜均为硅透镜2。
43.对比例1如图5和图6所示，常规的tosa光学耦合结构的离焦方式为正向离焦。会聚光焦点21的位置会低于插芯3的端面31，温度升高时，会聚光焦点21向下移动，会聚光焦点21和插芯3的端面31之间的距离增加，光功率下降。
44.实施例4一种光模块，如图7所示，包括光发射次模块100和光接收次模块200。所述光发射次模块100包括如实施例1或者实施例2或者实施例3中的光学耦合结构。
45.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。