一种光路无胶、小型化MUX和DEMUX光组件的制作方法

一种光路无胶、小型化mux和demux光组件
技术领域
1.本发明涉及光通讯和5g技术领域，尤其是一种光路无胶、小型化mux和demux光组件。


背景技术：

2.波分复用（wdm，wavelength division multiplexing)是将两种或多种不同波长的光载波信号（携带各种信息）在发送端经复用器(亦称合波器，multiplexer，简称mux)汇合在一起，并耦合到光线路的同一根光纤中进行传输的技术；在接收端，经解复用器(亦称分波器，demultiplexer，简称demux)将各种波长的光载波分离，然后由光接收机作进一步处理以恢复原信号。这种在同一根光纤中同时传输两个及以上不同波长光信号的技术，称为波分复用。波分复用技术可以实现单根光纤对多个波长信号的传输，这会成倍提升光纤的传输容量，dwdm（密集波分复用）和cwdm（粗波分复用）器件已经被广泛应用在光通讯的中长距离传输和数据中心的互联中。
3.随着2019年被确定为5g商用启动的元年，5g时代正在加速到来，5g网络大规模的部署即将展开，5g通信预计在随后几年有望迅速普及。众所周知，在5g的接入和承载网中，前传占用光纤资源非常巨大，因此从节约光纤成本考虑，业界普遍的共识是采用wdm技术，示意图如图1和2所示，该技术已经被写入5g承载网白皮书中。随着5g在全球的大规模建设，市场对wdm器件每年的需求量预计高达数千万个。
4.在wdm 器件中，为了实现波分复用（mux）和解复用(demux)，最核心的光器件就是mux和demux光组件，其中z-block和awg(阵列波导光栅)是两种最常用、最典型的小型化mux和demux光组件。此外，在cwdm和lwdm的光收发器（transceiver）中，为了实现波mux和demux功能，也需要用到小型化mux和demux光组件，每个光收发器至少需要一个mux和demux光组件，其示意图如图3所示，市场的年需求量巨大，在几百万个以上。
5.相比awg，z-block具有低插入损耗、宽光谱带宽、低通道串扰、低温度敏感度等优点。现有技术下，z-block 的典型结构如图4所示，其包括前后两面抛光的实心平行四边形玻璃平板，玻璃平板的前侧分别包含镀有增透膜和高反膜的区域，后侧几个区域分别贴有多个镀有不同中心波长wdm滤光膜的滤光片，滤光片的数量大于等于2个。含有多个波长的准直光束从入射端依设计角度射入，经过一系列的滤光膜透射和反射后，将不同波长的光信号分离开，进而实现demux，反之则实现mux。
6.mux和demux光组件作为5g和光通讯网络的核心光无源器件，其在满足行业内各项标准和高可靠性要求的同时，追求小型化、低成本、易量产和同时具备高性能是未来不变的发展趋势。
7.市场上现有的z-block产品，如前所述，由于滤光片是直接用胶水贴合在实心玻璃平板的前侧或后侧，光路在传输过程中需要通过胶层，光通讯行业对于光路胶的选择及可靠性要求非常严苛，如果胶水遴选不当或者在装配过程中对胶层质量控制不好，则可能导致产品在可靠性过程中出现诸如开胶等失效问题，这无疑对有严苛可靠性要求的器件来说
是具有较高风险的；此外，由于wdm滤光片在镀膜后膜层的应力很大，会造成滤光片存在严重的翘曲，在滤光片和实心玻璃基板的贴合过程中，翘曲会导致胶层厚度的不均匀，翘曲和不均匀的胶层厚度会导致从z-block出射的各光束之间平行度变差且平行度随温度变化较大，最终会严重影响mux和demux器件的插入损耗，这大大限制了现有z-block产品在某些条件严苛、高可靠性要求场景的应用。


技术实现要素：

8.针对现有技术的情况，本发明的目的在于提供一种光路无胶、插入损耗低、光谱随温度变化系数小、可靠性高的光路无胶、小型化mux和demux光组件。
9.为了实现上述的技术目的，本发明所采用的技术方案为：一种光路无胶、小型化mux和demux光组件，其包括：光学平板，其具有贯穿其相对两侧面的通槽；n个第一wdm滤光膜，其具有不同的工作波长且并列跨设在光学平板其中一侧的通槽上；m个光学膜片，其跨设在光学平板的另一侧通槽上且与n个第一wdm滤光膜对应，m个光学膜片用于部分反射、部分透过或全反射n个第一wdm滤光膜反射回的光信号。
10.作为一种可能的实施方式，进一步，所述的光学平板呈平行四边形或梯形结构，所述的光学平板为光学玻璃、陶瓷、硅或光学晶体材料制成。
11.作为一种可能的实施方式，进一步，所述光学平板垂直于通槽方向的截面轮廓为u形或环形结构。
12.作为一种可能的实施方式，进一步，所述的m个光学膜片为m个不同工作波长的第二wdm滤光膜。
13.其中，第一wdm滤光膜和第二wdm滤光膜接近光学平板的端面镀设有不同工作波长的wdm膜，另一端面镀设有增透膜。
14.作为一种较优的选择，优选的，所述光学平板对应m个光学膜片设置侧的通槽一端留有供光信号输入的间隙，光信号输入后，射入n个第一wdm滤光膜一端的第一wdm膜上且由该第一wdm滤光膜将与其工作波长适应的光信号透过，与其工作波长不同的光信号反射至m个光学膜片一端的光学膜片上，并依此规律往复反射至其余的第一wdm滤光膜和光学膜片上。
15.即，在空心光学平板的前后两平行平面通槽处的不同位置分别依序贴有n m(n和m均≥1) 片镀有不同中心波长wdm滤光膜的滤光片，滤光膜一侧作为贴合面，作为mux使用，输入信号分布在光学平板的两侧，输出信号分布在玻璃平板的一侧；作为demux使用，输入信号分布在光学平板的一侧，输出信号分布在光学平板的两侧。
16.作为一种可能的实施方式，进一步，所述的m个光学膜片为m个全反射膜。
17.作为一种较优的选择，优选的，m个全反射膜为一体成型的全反射膜上的m个全反射区。
18.所述镀有高反膜的反射片，其一面镀有对所述wdm波段高反射率的反射膜。
19.作为一种较优的选择，优选的，所述光学平板对应n个第一wdm滤光膜设置侧的通槽一端留有供光信号输入的间隙，光信号输入后，射入n个第一wdm滤光膜一端的第一wdm膜
上且由该第一wdm滤光膜将与其工作波长适应的光信号透过，与其工作波长不同的光信号反射至m个光学膜片一端的光学膜片上，并依此规律往复反射至其余的第一wdm滤光膜和光学膜片上。
20.即，在空心光学平板前后两平行平面的一面贴有一片镀有高反膜的反射镜，反射膜一侧作为贴合面，另外一面则分别依序贴有若干镀有不同中心波长wdm滤光膜的滤光片，滤光膜一侧作为贴合面。作为mux使用，输入信号分布在光学平板的一侧，输出信号分布于光学平板的一侧，可与输入信号同侧或异侧；作为demux使用，输入信号分布在光学平板的一侧，输出信号分布于光学平板的一侧，可与输入信号同侧或异侧。
21.对于上述的两种实施方式，贴合滤光片和反射片均可以采用uv固化胶水，或双固化（需uv和热固化的）胶水。
22.本方案可通过设计入射角度、光学基板前后面间距、以及出射节距（pitch）来实现组件尺寸的小型化和性能指标的最优化，入射角度范围为2度到45度，节距范围从0.5mm到5mm。
23.作为一种可能的实施方式，进一步，所述的n个第一wdm滤光膜为swdm、cwdm、lanwdm、dwdm或mwdm中的一种或几种混合。
24.作为一种可能的实施方式，进一步，所述的n个第一wdm滤光膜和m个光学膜片与光学平板上通槽正对的区域为通光区，其余区域为非通光区，所述n个第一wdm滤光膜和m个光学膜片与光学平板贴合的非通光区通过胶合、光胶或深化光胶固定在光学平板上。
25.本方案可实现对n（n≥3）个wdm波长的输入或输出光信号的mux和demux功能。
26.采用上述的技术方案，本发明与现有技术相比，其具有的有益效果为：本方案具有光路无胶、插入损耗低、光谱随温度变化系数小、可靠性高、小型化等特点，可实现自动化装配，易量产、成本低的优点。
附图说明
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明方案做进一步的阐述：图1为5g前传中的wdm技术方案之一（点到点）；图2为5g前传中的wdm技术方案之二（wdm-pon）；图3为transceiver结构中mux和demux光组件；图4为典型的z-block结构示意图；图5为本发明实施实例1的三维视角简要示意图；图6为本发明方案光学平板的实施结构之一示意图；图7为本发明方案光学平板的实施结构之二示意图；图8为本发明实施实例1的光路示意图；图9为本发明实施实例2的三维视角简要示意图；图10为本发明实施实例2的光路示意图（入射光和出射光在异侧）；图11为本发明实施实例2入射光和出射光在同侧的光路示意图。
具体实施方式
28.实施例1
如图5至图8之一所示，本实施例光路无胶、小型化mux和demux光组件，其包括：光学平板1，其具有贯穿其相对两侧面的通槽； n个第一wdm滤光膜2，其具有不同的工作波长且并列跨设在光学平板1其中一侧的通槽上；m个光学膜片3，其跨设在光学平板1的另一侧通槽上且与n个第一wdm滤光膜2对应，m个光学膜片3用于部分反射、部分透过n个第一wdm滤光膜2反射回的光信号。
29.其中，作为一种可能的实施方式，进一步，所述的光学平板1可以呈平行四边形或梯形结构，而所述的光学平板1的材质为光学玻璃、陶瓷、硅或光学晶体材料制成，而所提及的通槽开设方式可以是光学平板1垂直于通槽方向的截面轮廓为u形或环形结构,具体参见图6或图7。
30.在本实施例中，所述的m个光学膜片3为m个不同工作波长的第二wdm滤光膜。
31.第一wdm滤光膜2和第二wdm滤光膜接近光学平板1的端面镀设有不同工作波长的wdm膜，另一端面镀设有增透膜。
32.在本实施例中，所述光学平板1对应m个光学膜片3设置侧的通槽一端留有供光信号输入的间隙，光信号输入后，射入n个第一wdm滤光膜2一端的第一wdm膜上且由该第一wdm滤光膜将与其工作波长适应的光信号透过，与其工作波长不同的光信号反射至m个光学膜片3（即第二wdm滤光膜）一端的光学膜片上，并依此规律往复反射至其余的第一wdm滤光膜和光学膜片上。
33.即，在空心光学平板的前后两平行平面通槽处的不同位置分别依序贴有n m(n和m均≥1) 片镀有不同中心波长wdm滤光膜的滤光片，滤光膜一侧作为贴合面，作为mux使用，输入信号分布在光学平板的两侧，输出信号分布在玻璃平板的一侧；作为demux使用，输入信号分布在光学平板的一侧，输出信号分布在光学平板的两侧，具体的，本实施例中的n和m均为3，即第一wdm滤光膜2为3片，光学膜片3为3片。
34.本实施例结构的具体光路参见图8，输入光信号包含有6个不同中心波长λ1、λ2、
…
、λ6的wdm准直光信号以所设计的角度自左侧入射进入空心光学平板，然后依次呈z字形光路入射到对应的wdm滤光片上，wdm滤光片对相应中心波长范围的光信号低损耗透过，其余波长的光信号被全部反射，在经过6片wdm滤光片后，包含有6个不同中心波长的wdm准直光信号被逐一分离出来，实现了demux功能。
35.同理，由于本发明光组件中的光路传输是可逆的，将上述6个不同中心波长的光信号作为输入信号，则可以将它们合束为一束wdm光信号，实现mux功能，作为mux光组件使用。
36.本实施实例可以作为mux和demux光组件应用在5g前传的6通道wdm器件中。
37.不难理解，本实施实例的通道数量可以拓展至n（n≥3）个通道，当n=12时，则可以应用于5g前传的12通道wdm器件中。
38.实施例2如图9至图11之一所示，本实施例与实施例1大致相同，其不同之处在于，所述的m个光学膜片3为m个全反射膜，作为一种较优的选择， m个全反射膜可以为一体成型的全反射膜上的m个全反射区。
39.其中，所述光学平板1对应n个第一wdm滤光膜2设置侧的通槽一端留有供光信号输入的间隙，光信号输入后，射入n个第一wdm滤光膜2一端的第一wdm膜上且由该第一wdm滤光
膜将与其工作波长适应的光信号透过，与其工作波长不同的光信号反射至m个光学膜片3一端的光学膜片上，并依此规律往复反射至其余的第一wdm滤光膜和光学膜片上。
40.即，在空心光学平板1前后两平行平面的一面贴有一片镀有高反膜的反射镜，反射膜一侧作为贴合面，另外一面则分别依序贴有若干镀有不同中心波长wdm滤光膜的滤光片，滤光膜一侧作为贴合面。作为mux使用，输入信号分布在光学平板的一侧，输出信号分布于光学平板的一侧，可与输入信号同侧或异侧；作为demux使用，输入信号分布在光学平板的一侧，输出信号分布于光学平板的一侧，可与输入信号同侧或异侧。
41.着重参见图10所示，输入光信号包含有4个不同中心波长λ1、λ2、λ3、λ4的wdm准直光信号以所设计的角度自左侧入射进入空心光学基板，然后依次呈z字形光路入射到光学基板右侧对应的wdm滤光片上和空心光学基板左侧的反射片上，wdm滤光片对相应中心波长范围的光信号低损耗透过，其余波长的光信号则被全部反射，反射片对本实例中所有波长的光信号具有高反射率，在经过4片wdm滤光片和1片反射片后，包含有4个不同中心波长的wdm准直光信号被逐一分离出来，实现了demux功能。
42.同理，由于本发明光组件中的光路传输是可逆的，将上述4个不同中心波长的光信号作为输入信号，则可以将它们合束为一束wdm光信号，实现mux功能，作为mux光组件使用。
43.在本实施实例中，wdm信号光的入射端和出射端分布在光学基板两侧；不难理解，如果将入射端与滤光片放在空心光学平板1的同一侧，反射片在空心光学平板1的另一侧，则可实现入射端和出射端同时分布在光学基板的同侧，如图11所示，这种结构在某些应用场景中可以使得wdm器件的结构更紧凑。
44.本实施实例可以应用在cwdm和lwdm的光收发器（transceiver）中，实现mux和demux功能。
45.不难理解，本实施实例的通道数量可以拓展至n（n≥3）个通道。
46.在上述实施实例中，由于光学平板1是空心的，只有滤光片周围的非通光区域被胶水贴合在光学基板指定位置的边框区域，这不仅保证了整个光路的传输路径是无胶的，还大大改善了滤光片翘曲带来的胶水不均匀性，进而保证了本发明组件具有低插入损耗、较小的光谱随温度变化系数和高可靠性。
47.在上述实施实例的加工和装配工艺中，空心光学基板可以采用在前后两面磨砂或抛光好的长条基板上进行切割开槽、激光开槽或打孔、cnc开槽或打孔等加工工艺实现，也可以采用玻璃模压的方法直接成型来实现，最典型的两种空心光学基板如图6或图7所示，光学平板1（亦可称为光学基板）加工工艺简单、易量产、成本低廉。本发明组件的装配可直接采用现有技术下实心z-block的自动化贴片方式，贴片效率高、成品率高，可以低成本、大批量生产。具体的工艺细节，在此不多赘述。
48.对于上述的两种实施方式，贴合滤光片和反射片均可以采用uv固化胶水，或双固化（需uv和热固化的）胶水。
49.本方案可通过设计入射角度、光学基板前后面间距、以及出射节距（pitch）来实现组件尺寸的小型化和性能指标的最优化，入射角度范围为2度到45度，节距范围从0.5mm到5mm。
50.作为一种可能的实施方式，进一步，所述的n个第一wdm滤光膜为swdm、cwdm、lanwdm、dwdm或mwdm中的一种或几种混合。
51.尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上对本发明所做出的各种变化，均为本发明的保护范围。