CN111665599A - 光模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了光模块，包括壳体、设置在壳体内的基板、设置在壳体内的光学器件以及设置在基板上的多个光发射元件和多个光接收元件，多个光发射元件和多个光接收元件设于所述光学器件和所述基板之间，光学器件设置于多个光发射元件和多个光接收元件上方，光学器件包括器件本体以及设置于器件本体上的光收发接口和透镜阵列，所述多个光发射元件发出的光信号经过所述光收发接口传输至光模块外，所述光模块外传递来的光信号经过所述光收发接口到达所述多个光接收元件，透镜阵列能够使所述多个光发射元件与光收发接口之间、光收发接口与多个光接收元件之间进行光学耦合，光学耦合路径上设置辅助透镜。缩小光发散角，获取更大的耦合效率。

Description

光模块

技术领域

本发明涉及光通讯技术领域，尤其是涉及一种光模块。

背景技术

近年来，光互连技术得到了广泛的应用，它是一种在系统设备内部和设备之间或在光学模块之间以高速传输信号的技术。也就是说，光互连是一种将光学器件视为电气组件，并将光学器件安装在主板或电路基板上的技术，例如用于个人计算机、车辆和光收发器。

随着技术的快速发展，对光通信模块提出了传输速率更快成本更低的要求，要求同样密度的模块能有数倍通信速率和通信量。目前多模大多采用多通道并行方式进行，但是其成本较高，传输速率不能满足更快的要求。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种传输速率更快、成本低的光模块。

为实现上述发明目的，本发明提供一种光模块，包括壳体、设置在壳体内的基板、设置在壳体内的光学器件以及设置在基板上的多个光发射元件和多个光接收元件，所述多个光发射元件和多个光接收元件设于所述光学器件和所述基板之间，所述光学器件设置于多个光发射元件和多个光接收元件上方，所述光学器件包括器件本体以及设置于器件本体上的光收发接口和透镜阵列，所述多个光发射元件发出的光信号经过所述光收发接口传输至光模块外，所述光模块外传递来的光信号经过所述光收发接口到达所述多个光接收元件，所述透镜阵列能够使所述多个光发射元件与光收发接口之间、光收发接口与多个光接收元件之间进行光学耦合，所述透镜阵列包括：

多个光发射透镜，其沿与所述多个光发射元件对应的排列方向排列，并位于所述器件本体面向所述多个光发射元件的第一面上，从所述多个光发射元件各自发射的光分别射入该多个光发射透镜；

多个光接收透镜，其沿与所述多个光接收元件对应的排列方向排列，并位于所述器件本体面向所述多个光接收元件的第一面上，射入所述多个光接收元件各自接收的光分别来自该多个光接收透镜；

反射面，相对于所述第一面具有预设角度，所述反射面反射通过所述多个光发射透镜各自的光到所述光收发接口，或反射来自所述光收发接口的光到所述多个光接收透镜；

光学滤波器，其与所述反射面平行设置，所述光学滤波器反射来自所述光收发接口的光到所述多个光接收透镜并通过由所述反射面反射的所述多个光发射透镜各自的光，或反射通过所述多个光发射透镜各自的光到所述光收发接口并通过来自所述光收发接口的光；

多个光收发透镜，其沿所述多个光发射透镜的排列方向排列而形成在所述器件本体的第二面上，所述多个光收发透镜接收来自所述反射面或滤光片的反射光，将射向所述光收发接口的光导引到所述滤光片或反射面；

所述透镜阵列还包括至少一个辅助透镜，所述至少一个辅助透镜设置于多个光发射元件与光收发接口之间的光学耦合路径上或光收发接口与多个光接收元件之间的光学耦合路径上。

作为本发明一实施例的进一步改进，所述反射面与所述发射透镜位置对应，所述反射面反射第二光信号到所述收发透镜，所述辅助透镜设置于所述接收透镜和所述第一倾斜表面之间。

作为本发明一实施例的进一步改进，所述器件本体上设有第一斜面槽，所述第一斜面槽具有贴装面以及自贴装面向下的内凹空间，所述滤光片贴装在所述贴装面上并且伸入所述内凹空间，由所述光收发接口入射至光学器件的光线经过所述内凹空间后到达所述滤波器。

作为本发明一实施例的进一步改进，所述内凹空间包括与所述第一面平行设置的底壁以及连接底壁的侧壁，所述多个辅助透镜设置于所述底壁上。

作为本发明一实施例的进一步改进，所述器件本体上还设有第二斜面槽，所述反射面由所述第二斜面槽的侧壁形成。

作为本发明一实施例的进一步改进，所述光模块还包括驱动所述光发射元件的驱动芯片及驱动所述光接收元件的TIA芯片，所述多个光发射元件、驱动芯片、多个光接收元件以及TIA芯片均贴装于所述基板上。

作为本发明一实施例的进一步改进，所述基板为部分区域密集填铜的PCB，所述多个光发射元件、驱动芯片、多个光接收元件以及TIA芯片均贴装在所述密集填铜区域。

作为本发明一实施例的进一步改进，所述基板为嵌铜基板，所述多个光发射元件、驱动芯片、多个光接收元件以及TIA芯片均贴装在所述嵌铜基板上。

作为本发明一实施例的进一步改进，所述器件本体包括本体凹槽，所述本体凹槽的槽底形成所述第一面，至少所述多个光发射元件和所述多个光接收元件对应于所述本体凹槽。

作为本发明一实施例的进一步改进，所述基板上设有基板凹槽，至少所述多个光发射元件和所述多个光接收元件位于所述基板凹槽内。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：通过在光路增加辅助透镜，纠正位置偏差，获取更大的耦合效率和公差范围。另外，在保证光路通畅的情况下使得光发射端与光接收元件可以并排平行放置，在满足性能要求的前提下，使得透镜阵列结构变小，尺寸上完全满足小型化封装的要求。

附图说明

图1是本发明优选的实施方式中光模块的一部分的立体分解示意图；

图2是图1中光模块的光路原理示意图，图中示出了光光发射元件到光收发接口之间、光收发接口到光接收元件之间的光路原理；

图3是图1中光模块的光路原理示意图，光纤到光接收元件之间的光路原理；

图4是图1中光模块的基板的剖视示意图；

图5是图1中光学器件的主视图；

图6是图5中光学器件的俯视图；

图7是图5中光学器件的仰视图；

图8是图5中光学器件的侧视图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

如图1到图8所示，本发明的一个实施方式中，光模块包括壳体(图未示)、设置在壳体内的基板10、设置在基板10上的电子元件、设置在基板上的光发射元件30和光接收元件40以及设置在壳体内的光学器件20，光发射元件30和光接收元件40设于光学器件20和基板10之间，光学器件20设置于光发射元件30和光接收元件40上方。光学器件20包括器件本体21以及设置在器件本体21上的收发接口211和透镜阵列，光发射元件30发出的光信号经过光收发接口211传输至光模块外，光模块外传递来的光信号经过光收发接口211到达光接收元件40，透镜阵列能够使光发射元件30与光收发接口211之间、光收发接口211与光接收元件40之间进行光学耦合。

本实施例中优选的，器件本体21可由塑料开模制成，光收发接口211设置在器件本体21的一个侧面，光收发接口211用于连接光纤，透镜阵列用于转换从光收发接口211输出的第一光信号的第一光路和输入到光收发接口211的第二光信号的第二光路，第一光信号的波长与第二光信号的波长可以不同，也就是说，同一个光收发接口211可以接收和发射波长不同的两路信号，因此可以简化光学器件20的结构，光模块使用同一根光纤实现光的发射和接收，省掉一半的光纤，从而降低成本。

本实施例中，光发射元件30和光接收元件40间隔对应设置在基板10上，光学器件20罩设在光发射元件30和光接收元件40的上方。其中，基板10构造为PCB板，PCB板上有相应的电子元件和电子芯片，也具有光学芯片。光发射元件30与光接收元件40均设置多个并且沿同一方向阵列设置，多个光发射元件30的阵列方向与多个光接收元件40的阵列方向平行。光模块还包括驱动光发射元件30的驱动芯片32以及驱动光接收元件40的TIA(跨阻抗放大器)芯片42。光发射元件30包括VCSEL(垂直腔面发射激光器)芯片，光接收元件40包括PD(光电二极管)芯片。VCSEL芯片和PD芯片与对应的驱动芯片和TIA芯片对齐。VCSEL芯片和PD芯片可以直接焊接在PCB板上，也可以焊接在金属板上，通过导线与对应的驱动芯片和TIA芯片电性连接。本实施例中，多个光发射元件30、多个光接收元件40、驱动多个光发射元件30的驱动芯片32以及驱动多个光接收元件40的TIA芯片42均贴装于基板上10，优选的，基板10上设有基板凹槽11，至少多个光发射元件30和多个光接收元件40位于基板凹槽11内，当然也可以是多个光发射元件30、多个光接收元件40、驱动多个光发射元件30的驱动芯片32以及驱动多个光接收元件40的TIA芯片42均位于该基板凹槽11内，以此缩小光模块的整体体积，可以根据芯片的高度调整槽深，光学器件20可以贴装于该基板凹槽11的上方，避免贴装的时候碰撞损坏。形成基板凹槽11的方式可以有多种，如基板为部分区域密集填铜的PCB，该部分区域可以形成基板凹槽，多个光发射元件30、驱动芯片32、多个光接收元件40以及TIA芯片42均贴装在密集填铜区域。也可以是基板为嵌铜基板，嵌铜基板形成基板凹槽，多个光发射元件30、驱动芯片32、多个光接收元件40以及TIA芯片42均贴装在嵌铜基板上。嵌铜基板可以与壳体导热连接，实现较好的散热。

为了缩小光模块的整体体积，也可以是器件本体21包括本体凹槽29，本体凹槽29的槽底形成第一面218，至少多个光发射元件30和多个光接收元件40对应于本体凹槽29，即可以位于本体凹槽29内，或者位置对应。

另外，光发射元件30还可以为DFB激光器、EML激光器或者为其它类型的激光器芯片，同样的，光接收元件40也还可以为PIN芯片、ADP芯片或者其它的探测器芯片。另外，光模块还可以包括设置在PCB板上的MPD芯片(背光探测器芯片)，其作用是接收VCSEL芯片发出的一部分光束，并产生背光电流监控，以实现光功率控制。

具体的，透镜阵列包括：多个光发射透镜25、多个光接收透镜26、反射面23、光学滤波器22、多个光收发透镜27以及至少一个辅助透镜28。

多个光发射透镜25，其沿与多个光发射元件30对应的排列方向排列，并位于器件本体21面向多个光发射元件30的第一面218上，从多个光发射元件30各自发射的光分别射入该多个光发射透镜25。

多个光接收透镜26，其沿与多个光接收元件40对应的排列方向排列，并位于器件本体21面向多个光接收元件40的第一218上，射入多个光接收元件40各自接收的光分别来自该多个光接收透镜26。

反射面23，相对于第一面218具有预设角度，反射面23反射通过多个光发射透镜25各自的光到光收发接口211，或反射来自光收发接口的光到多个光接收透镜。

光学滤波器22，其与反射面23平行设置，光学滤波器22反射来自光收发接口211的光到多个光接收透镜26并通过由反射面23反射的多个光发射透镜25各自的光，或反射通过多个光发射透镜各自的光到所述光收发接口并通过来自所述光收发接口的光。

多个光收发透镜27，其沿多个光发射透镜25的排列方向排列而形成在器件本体21的第二面216上，多个光收发透镜27接收来自反射面23或滤光片的反射光，将射向光收发接口211的光导引到光学滤波器22或反射面；

至少一个辅助透镜27设置于多个光发射元件30与光收发接口211之间的光学耦合路径上或光收发接口211与多个光接收元件40之间的光学耦合路径上。优选的，该至少一个辅助透镜27可以位于器件本体21的第一面215和滤波片22之间或第一面215和反射面23之间。更优选的，辅助透镜的数量可以与光发射透镜25或光接收透镜26的数量一致并且位置一一对应。

通过在光路中设置辅助透镜28，在光学器件20的光路较长时可以更好的压缩光斑，获取更大的耦合效率和公差范围。

本实施例中，光学器件20将光发射元件30发出的第一光信号经过透镜阵列的导向作用传导至光收发接口211，即第一光路L1的转换；光学器件20还将光收发接口211传输来的第二光信号经过透镜阵列的导向作用传导至光接收元件40，即第二光路L2的转换。具体的，器件本体21可以通过焊接或者粘接的方式固定在PCB板上，发射透镜25与光发射元件30位置对应并位于光发射元件30的上方，设置发射透镜25能够纠正光路上的细小偏差，从而降低耦合难度。接收透镜26与光接收元件40位置对应并位于光接收元件40的上方，同样的设置接收透镜26也能够纠正光路上的细小偏差，从而降低耦合难度。反射面23位于发射透镜25的上方，光学滤波器22设置于器件本体21上并形成第一倾斜表面222，第一倾斜表面222与接收透镜26位置对应并位于接收透镜26上方，光学滤波器的设置能够实现光路上无胶。这样，光学滤波器22反射第一光信号到接收透镜26，反射面23反射第二光信号到收发透镜27，辅助透镜28则设置于接收透镜6和光学滤波器22之间。

具体的，光发射元件30发出波长为γ1的第一光信号，通过发射透镜25后转换为平行光，平行光到达反射面23，反射面23沿水平面倾斜预设角度设置，预设角度大致为45度，经过反射面23的全反射，光路发生90度方向的改变，如图2中箭头所示，光从向上传播改向向左传播，之后到达光学滤波器22。光学滤波器22可以构造为滤光片，滤光片上镀γ1带通膜，因此向左传播的光能够通过滤光片，使第一光信号到达光收发接口211的收发透镜27，最终通过收发透镜27汇聚到光纤内，自光发射元件30到收发透镜27的光路即形成了第一光路L1。

同时光纤发射波长为λ2的第二光信号，通过收发透镜27转换为平行光后，到达滤光片，滤光片同时镀λ2反射膜，而且滤光片也沿水平面倾斜预设角度设置，预设角度大致为45度，经过滤光片的全反射，光路发生90度方向的改变，如图2中箭头所示，光从向右传播改向向下传播，之后到达辅助透镜28重新汇聚一次，再通过接收透镜26汇聚到光接收元件40，自收发透镜27到光接收元件40的光路即形成了第二光路L2。

光模块还包括安装在光收发接口211的光纤50，光纤50的端部具有8度左右的切口面51，可以采用激光切割，以有效的减小光路反射。

根据上述实施方式，光纤50出光通过光纤段透镜27，转为平行光，经过滤光片镀膜面反射到辅助透镜28，此时光路太长平行光会发散，辅助透镜28可以重新汇聚，通过接收透镜26汇聚到光接收元件40上，可以更好的压缩光斑，获取更大的耦合效率和公差范围。

继续参照图2和图3，器件本体41的上方设有第一斜面槽213和第二斜面槽214，两个斜面槽可以在上端贯通设置，即两个斜面槽部分贯通，也可以两个斜面槽单独并间隔设置。第一斜面槽213上形成有贴装面212以及自贴装面212向下的内凹空间215，由光收发接口211入射至光学器件20的光线经过内凹空间215后到达光学滤波器22。滤光片固定于贴装面212并伸入到内凹空间内215，滤光片的材质可以是玻璃或者PEI(聚醚酰亚胺)材质，通过胶粘的方式固定到器件本体21上，如贴装到贴装面212上。其中，滤光片的第一倾斜表面222与器件本体21之间具有空气间隙，也就是说光纤发射波长为λ2的第二光信号先穿过空气层再到达第一倾斜表面222，然后从第一倾斜表面222反射到空气层再到达辅助透镜28，可以认为滤光片贴装于光学器件20的非光学功能区，空气与滤光片有大的折射率差更容易进行分光。由于滤光片可以镀任意透过率的分光膜，因此，可以很容易选择出光的比例，操作简单，而且成本较低。另外，内凹空间215具有与第一面218平行设置底壁以及连接底壁的侧壁，侧壁与底壁呈大于90度小于100度的钝角，可以将辅助透镜28设置在底壁上，由此简化光学器件的制造工艺。辅助透镜28可以单独设置，也可以一体成型在器件本体21上。

进一步的，第二斜面槽214具有第二倾斜表面，即第二斜面槽214的侧壁，第二倾斜表面即为反射面23，经光发射元件30发出的第一光信号能够被反射面23反射到收发透镜27。

另外，参照图5到图8所示，本实施例中，整个光学器件20内部包含8路，可以选择8路或4路或2路或1路，8路呈阵列设置或者8路分成两组，两组之间阵列设置。

当然，在其它实施方式中，也可以是光发射元件、发射透镜与滤光片的位置对应，而光接收元件与反射面的位置对应，辅助透镜设置于临近光接收元件的第二光路上，也可以设置在临近光发射元件的第一光路上。比如，第一倾斜表面与发射透镜位置对应，光学滤波器光学滤波器光学滤波器反射第二光信号到收发透镜；反射面与接收透镜位置对应，反射面反射第一光信号到接收透镜，辅助透镜设置于接收透镜和反射面之间。

根据上述实施例中，辅助透镜可以位于临近发射透镜的第一光路上，也可以位于临近接收透镜的第二光路上，还可以是第一、第二光路上均设置辅助透镜。

上述实施例中，通过在光路增加辅助透镜，缩小光发散角，能够更好的压缩光斑，获取更大的耦合效率和公差范围。另外，在保证光路通畅的情况下使得光发射端与光接收元件可以并排平行放置，在满足性能要求的前提下，使得透镜阵列结构变小，尺寸上完全满足小型化封装的要求。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光模块，包括壳体、设置在壳体内的基板、设置在壳体内的光学器件以及设置在基板上的多个光发射元件和多个光接收元件，所述多个光发射元件和多个光接收元件设于所述光学器件和所述基板之间，所述光学器件设置于多个光发射元件和多个光接收元件上方，所述光学器件包括器件本体以及设置于器件本体上的光收发接口和透镜阵列，，所述多个光发射元件发出的光信号经过所述光收发接口传输至光模块外，所述光模块外传递来的光信号经过所述光收发接口到达所述多个光接收元件，所述透镜阵列能够使所述多个光发射元件与光收发接口之间、光收发接口与多个光接收元件之间进行光学耦合，所述透镜阵列包括：

多个光发射透镜，其沿与所述多个光发射元件对应的排列方向排列，并位于所述器件本体面向所述多个光发射元件的第一面上，从所述多个光发射元件各自发射的光分别射入该多个光发射透镜；

多个光接收透镜，其沿与所述多个光接收元件对应的排列方向排列，并位于所述器件本体面向所述多个光接收元件的第一面上，射入所述多个光接收元件各自接收的光分别来自该多个光接收透镜；

反射面，相对于所述第一面具有预设角度，所述反射面反射通过所述多个光发射透镜各自的光到所述光收发接口，或反射来自所述光收发接口的光到所述多个光接收透镜；

光学滤波器，其与所述反射面平行设置，所述光学滤波器反射来自所述光收发接口的光到所述多个光接收透镜并通过由所述反射面反射的所述多个光发射透镜各自的光，或反射通过所述多个光发射透镜各自的光到所述光收发接口并通过来自所述光收发接口的光；

多个光收发透镜，其沿所述多个光发射透镜的排列方向排列而形成在所述器件本体的第二面上，所述多个光收发透镜接收来自所述反射面或滤光片的反射光，将射向所述光收发接口的光导引到所述滤光片或反射面；

其特征在于：

所述透镜阵列还包括至少一个辅助透镜，所述至少一个辅助透镜设置于多个光发射元件与光收发接口之间的光学耦合路径上或光收发接口与多个光接收元件之间的光学耦合路径上。

2.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述反射面与所述发射透镜位置对应，所述反射面反射第二光信号到所述收发透镜，所述辅助透镜设置于所述接收透镜和所述第一倾斜表面之间。

3.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述器件本体上设有第一斜面槽，所述第一斜面槽具有贴装面以及自贴装面向下的内凹空间，所述滤光片贴装在所述贴装面上并且伸入所述内凹空间，由所述光收发接口入射至光学器件的光线经过所述内凹空间后到达所述滤波器。

4.根据权利要求3所述的光模块，其特征在于，所述内凹空间包括与所述第一面平行设置的底壁以及连接底壁的侧壁，所述多个辅助透镜设置于所述底壁上。

5.根据权利要求4所述的光模块，其特征在于，所述器件本体上还设有第二斜面槽，所述反射面由所述第二斜面槽的侧壁形成。

6.根据权利要求1所述的光模块，其特征在于，所述光模块还包括驱动所述光发射元件的驱动芯片及驱动所述光接收元件的TIA芯片，所述多个光发射元件、驱动芯片、多个光接收元件以及TIA芯片均贴装于所述基板上。

7.根据权利要求6所述的光模块，其特征在于，所述基板为部分区域密集填铜的PCB，所述多个光发射元件、驱动芯片、多个光接收元件以及TIA芯片均贴装在所述密集填铜区域。

8.根据权利要求6所述的光模块，其特征在于，所述基板为嵌铜基板，所述多个光发射元件、驱动芯片、多个光接收元件以及TIA芯片均贴装在所述嵌铜基板上。

9.根据权利要求6所述的光模块，其特征在于，所述器件本体包括本体凹槽，所述本体凹槽的槽底形成所述第一面，至少所述多个光发射元件和所述多个光接收元件对应于所述本体凹槽。

10.根据权利要求6至9中的一个所述的光模块，其特征在于，所述基板上设有基板凹槽，至少所述多个光发射元件和所述多个光接收元件位于所述基板凹槽内。

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