一种光模块的制作方法

1.本技术涉及光通信技术领域，尤其涉及一种光模块。


背景技术：

2.在平行光系统中，因光发射器的发散角为光纤发散角的4至5倍，则系统的放大倍数为4至5倍，以实现模式匹配。系统的放大倍数为4至5倍即光发射器移动约1微米则耦合到光纤适配器中的汇聚光斑移动4至5微米。因此，光发射器相对汇聚光斑的位置非常敏感。
3.传统光模块，首先，利用第一准直透镜对第一光发射器发出的光做准直处理得到平行光束。其次，利用聚焦透镜将该平行光束汇聚为汇聚光斑，射入光纤中。此时，光纤与聚焦透镜的位置被固定下来。在装配第二光发射器时，只能通过调整第二光发射器的位置进行耦合。
4.但由于两个光发射器的发散角接近，均为光纤发散角的4至5倍，因此，光发射器与光纤适配器中的汇聚光斑的相对位置对耦合非常敏感。


技术实现要素：

5.本技术提供了一种光模块，实现了光发射器与光纤适配器中的汇聚光斑的相对位置对耦合不敏感。
6.一种光模块，包括：
7.电路板；
8.光发射次模块，设置于电路板上，内设置有光发射器件、第二透镜和第三透镜；
9.光发射器件内设置有光发射器和第一透镜，以使得光发射器件的发散角与单模光纤的发散角之差小于0
°
至15
°
；
10.光发射器，用于发射发散光束；
11.第一透镜，用于将发散光束汇聚为与单模光纤发散角接近的光束；
12.第二透镜，用于将与单模光纤发散角接近的光束汇聚为平行光束；
13.第三透镜，用于将平行光束汇聚为一个汇聚光斑，耦合至光纤中。
14.一种光模块，包括：
15.电路板；
16.光收发次模块，与电路板电连接，包括圆方管体、光发射器件和光学组件；
17.圆方管体，表面设置第一接口，内设置有光学组件；
18.光发射器件，嵌入第一管口，内设置有光发射器和第一透镜，以使得发散角与单模光纤的发散角之差小于0
°
至15
°
；
19.光学组件，包括第二透镜和第三透镜；
20.光发射器，用于发射发散光束；
21.第一透镜，用于将发散光束汇聚为与单模光纤发散角接近的光束；
22.第二透镜，用于将与单模光纤发散角接近的光束汇聚为平行光束；
23.第三透镜，用于将平行光束汇聚为一个汇聚光斑，耦合至光纤中。
24.有益效果：本技术提供了一种光模块，包括电路板和位于电路板上的光发射次模块。光发射次模块内腔内设置有光发射器件、第二透镜和第三透镜。光发射器件内设置有光发射器和第一透镜，以使得光发射器件的发散角与单模光纤的发散角之差小于0
°
至15
°
。光发射器用于发射发散角较大的发散光束。第一透镜用于将发散角较大的发散光束整理为与单模光纤发散角接近的光束。第二透镜用于将与单模光纤发散角接近的光束汇聚为平行光束。第三透镜用于将平行光束汇聚为一个汇聚光斑，耦合至光纤中。本技术中，将光发射器与第一透镜封装于一体，使得光发射器件的发散角与单模光纤发散角接近，使得光发射器件发射出与单模光纤发散角接近的光束。由于光发射器件的发散角与单模光纤发散角接近，则说明系统的放大倍数约为1。在平行光系统中系统的放大倍数约为1，即光发射器件移动约1微米则耦合到光纤适配器中的汇聚光斑移动约1微米，从而使得发射器件相对于光纤适配器中的汇聚光斑的相对位置不敏感。
附图说明
25.为了更清楚地说明本技术的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
26.图1为光通信终端连接关系示意图；
27.图2为光网络单元结构示意图；
28.图3为本技术实施例中提供的一种光模块的结构示意图；
29.图4为本技术实施例中提供的一种光模块的分解结构示意图；
30.图5为本技术实施例中提供的光发射次模块的结构示意图；
31.图6为本技术实施例中提供的另一种光发射次模块的结构示意图；
32.图7为本技术实施例提供的另一种光模块的结构示意图；
33.图8为本技术实施例提供的光收发次模块的结构示意图；
34.图9为本技术实施例提供的光模块的光路示意图。
具体实施方式
35.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.光纤通信的核心环节之一是光、电信号的相互转换。光纤通信使用携带信息的光信号在光纤/光波导等信息传输设备中传输，利用光在光纤/光波导中的无源传输特性可以实现低成本、低损耗的信息传输；而计算机等信息处理设备使用的是电信号，为了在光纤/光波导等信息传输设备与计算机等信息处理设备之间建立信息连接，就需要实现电信号与光信号的相互转换。
37.光模块在光纤通信技术领域中实现上述光、电信号的相互转换功能，光信号与电信号的相互转换是光模块的核心功能。光模块通过其内部电路板上的金手指实现与外部上
位机之间的电连接，主要的电连接包括供电、i2c信号、数据信号以及接地等；采用金手指实现的电连接方式已经成为光模块行业的主流连接方式，以此为基础，金手指上引脚的定义形成了多种行业协议/规范。
38.图1为光通信终端连接关系示意图。如图1所示，光通信终端的连接主要包括光网络终端100、光模块200、光纤101及网线103之间的相互连接；
39.光纤101的一端连接远端服务器，网线103的一端连接本地信息处理设备，本地信息处理设备与远端服务器的连接由光纤101与网线103的连接完成；而光纤101与网线103之间的连接由具有光模块200的光网络终端100完成。
40.光模块200的光口对外接入光纤101，与光纤101建立双向的光信号连接；光模块200的电口对外接入光网络终端100中，与光网络终端100建立双向的电信号连接；在光模块内部实现光信号与电信号的相互转换，从而实现在光纤与光网络终端之间建立信息连接；具体地，来自光纤的光信号由光模块转换为电信号后输入至光网络终端100中，来自光网络终端100的电信号由光模块转换为光信号输入至光纤中。
41.光网络终端具有光模块接口102，用于接入光模块200，与光模块200建立双向的电信号连接；光网络终端具有网线接口104，用于接入网线103，与网线103建立双向的电信号连接；光模块200与网线103之间通过光网络终端100建立连接，具体地，光网络终端将来自光模块的信号传递给网线，将来自网线的信号传递给光模块，光网络终端作为光模块的上位机监控光模块的工作。
42.至此，远端服务器通过光纤、光模块、光网络终端及网线，与本地信息处理设备之间建立双向的信号传递通道。
43.常见的信息处理设备包括路由器、交换机、电子计算机等；光网络终端是光模块的上位机，向光模块提供数据信号，并接收来自光模块的数据信号，常见的光模块上位机还有光线路终端等。
44.图2为光网络终端结构示意图。如图2所示，在光网络终端100中具有电路板105，在电路板105的表面设置笼子106；在笼子106内部设置有电连接器，用于接入金手指等光模块电口；在笼子106上设置有散热器107，散热器107具有增大散热面积的翅片等凸起部。
45.光模块200插入光网络终端中，具体为光模块的电口插入笼子106内部的电连接器，光模块的光口与光纤101连接。
46.笼子106位于电路板上，将电路板上的电连接器包裹在笼子中，从而使笼子内部设置有电连接器；光模块插入笼子中，由笼子固定光模块，光模块产生的热量传导给笼子106，然后通过笼子上的散热器107进行扩散。
47.图3为本发明实施例提供的一种光模块结构示意图，图4为本发明实施例提供光模块分解结构示意图。如图3、图4所示，本发明实施例提供的光模块200包括上壳体201、下壳体202、解锁部件203、电路板300、光发射次模块301及光接收次模块400；
48.上壳体201盖合在下壳体202上，以形成具有两个开口的包裹腔体；包裹腔体的外轮廓一般呈现方形体，具体地，下壳体包括主板以及位于主板两侧、与主板垂直设置的两个侧板；上壳体包括盖板，盖板盖合在上壳体的两个侧板上，以形成包裹腔体；上壳体还可以包括位于盖板两侧、与盖板垂直设置的两个侧壁，由两个侧壁与两个侧板结合，以实现上壳体盖合在下壳体上。
49.两个开口具体可以是在同一方向的两端开口(204、205)，也可以是在不同方向上的两处开口；其中一个开口为电口204，电路板的金手指从电口204伸出，插入光网络终端等上位机中；另一个开口为光口205，用于外部光纤接入以连接光模块内部的光发射次模块301和光接收次模块400；电路板300、光发射次模块301和光接收次模块400等光电器件位于包裹腔体中。
50.采用上壳体、下壳体结合的装配方式，便于将电路板300、光发射次模块301和光接收次模块400等器件安装到壳体中，由上壳体、下壳体形成光模块最外层的封装保护壳体；上壳体及下壳体一般采用金属材料，利于实现电磁屏蔽以及散热；一般不会将光模块的壳体做成一体部件，这样在装配电路板等器件时，定位部件、散热以及电磁屏蔽部件无法安装，也不利于生产自动化。
51.解锁部件203位于包裹腔体/下壳体202的外壁，用于实现光模块与上位机之间的固定连接，或解除光模块与上位机之间的固定连接。
52.解锁部件203具有与上位机笼子匹配的卡合部件；拉动解锁部件的末端可以在使解锁部件在外壁的表面相对移动；光模块插入上位机的笼子里，由解锁部件的卡合部件将光模块固定在上位机的笼子里；通过拉动解锁部件，解锁部件的卡合部件随之移动，进而改变卡合部件与上位机的连接关系，以解除光模块与上位机的卡合关系，从而可以将光模块从上位机的笼子里抽出。
53.电路板300上设置有电路走线、电子元件(如电容、电阻、三极管、mos管)及芯片(如mcu、激光驱动芯片、限幅放大芯片、时钟数据恢复cdr、电源管理芯片、数据处理芯片dsp)等。
54.电路板通过电路走线将光模块中的用电器件按照电路设计连接在一起，以实现供电、电信号传输及接地等电功能。
55.电路板一般为硬性电路板，硬性电路板由于其相对坚硬的材质，还可以实现承载作用，如硬性电路板可以平稳的承载芯片；当光收发器件位于电路板上时，硬性电路板也可以提供平稳的承载；硬性电路板还可以插入上位机笼子中的电连接器中，具体地，在硬性电路板的一侧末端表面形成金属引脚/金手指，用于与电连接器连接；这些都是柔性电路板不便于实现的。
56.部分光模块中也会使用柔性电路板，作为硬性电路板的补充；柔性电路板一般与硬性电路板配合使用，如硬性电路板与光收发器件之间可以采用柔性电路板连接。
57.光发射次模块301位于电路板300的边缘，光发射次模块301与光接收次模块400在电路板300表面错开设置，利于实现更佳的电磁屏蔽效果。
58.光发射次模块301设置在电路板300表面，在另一种常见的封装方式中，光发射次模块与电路板物理分离，通过柔性板实现电连接；光接收次模块400设置在电路板300表面，在另一种常见的封装方式中，光接收次模块与电路板物理分离，通过柔性板实现电连接。
59.光发射次模块位于由上、下壳体形成包裹腔体中，电路板300设置有缺口，用于放置光发射次模块；该缺口可以设置在电路板的中间，也可以设置在电路板的边缘；光发射次模块通过嵌入的方式设置在电路板的缺口中，便于电路板伸入光发射次模块内部，同样便于将光发射次模块与电路板固定在一起。
60.光发射次模块301用于发出光信号。光接收次模块400用于接收光信号。
61.如图4所示，光模块还包括光纤适配器500。光发射次模块301依次通过光纤适配器500及光纤600实现与光纤插座700的连接。光纤600一端连接光纤适配器500，另一端连接光纤插座700；
62.光纤适配器500用于插入光发射次模块301中，以接收光发射次模块301输出的汇聚光；光纤插座700分别与光纤600及光模块外部的光纤插头连接，用于实现光模块内与光模块外之间的光连接，从而形成光发射次模块301的光通过光纤适配器500接入光纤600，由光纤600传输至光纤插座700，经光纤插座700传输至光模块外。
63.图5为本技术实施例提供的光发射次模块的结构示意图，图6为本技术实施例提供的另一种光发射次模块的结构示意图。如图5和6所示，本技术实施例提供的光发射次模块301内设置有光发射器件3011、第二透镜3012和第三透镜3013。具体的，
64.为了使光发射器件3011的发散角与单模光纤的发散角之差小于0
°
至15
°
，本技术实施例中，将光发射器30111与第一透镜30112封装于一体。光发射器件3011内设置有光发射器30111和第一透镜30112，以使得光发射器件3011的发散角与单模光纤的发散角之差小于0
°
至15
°
。具体的，光发射器30111为光发射芯片，光发射芯片发出光信号。光发射器30111内还设置有金属化陶瓷和半导体制冷器。将光发射芯片设置于金属化陶瓷的表面，金属化陶瓷表面形成电路团，可以为光发射芯片供电。同时金属化陶瓷具有较佳的导热性能，可以作为光发射芯片的热沉进行散热。半导体制冷器直接或间接设置在光发射次模块腔体的底面，金属化陶瓷设置在半导体制冷器表面，半导体制冷器用于平衡热量以维持激光芯片的设定工作温度。
65.光发射芯片发出的光信号呈发散状态，为发散光束。为了便于后续的光路设计及光耦合进行光纤，都需要对进行汇聚处理。常见的汇聚为将发散角较大的发散光束汇聚为平行光束、发散角较小的发散光束，将发散光束、平行光束汇聚为汇聚光束。
66.如图5所示，第一透镜30112，为聚焦透镜，设置于光发射器30111的出光光路上，将发散角较大的发散光束整理为发散角较小的发散光束，用于将发散角较大的发散光束汇聚为与单模光纤发散角接近的光束。
67.第一透镜的焦距为0.8毫米。
68.由于光发射器件3011的发散角与单模光纤发散角接近，则说明系统的放大倍数约为1。在平行光系统中系统的放大倍数约为1，即光发射器件3011移动约1微米则耦合到光纤适配器中的汇聚光斑移动约1微米，从而使得发射器件相对于光纤适配器中的汇聚光斑的相对位置不敏感。
69.第二透镜3012，为准直透镜，设置于第一透镜30112和第三透镜3013之间，将发散光束汇聚为平行光束，用于将第一透镜30112输出的与单模光纤发散角接近的光束汇聚为平行光束。发散光束传输时，光束容易向各处发散，很难集中传输至一点，容易造成光束损失。平行光束传输时，光束不容易向各处发散，容易集中传输至一点，不容易造成光束损失，方便光束长距离传输。
70.第二透镜的焦距为2.13毫米。
71.第三透镜3013，为聚焦透镜，设置于光纤适配器500一侧，将平行光束汇聚为汇聚光束，将平行光束汇聚为一个汇聚光斑，耦合至光纤适配器500中。
72.平行光束虽然经过第三透镜3013产生了汇聚，但汇聚前后光轴方向并未改变，即
平行光束沿第三透镜3013的中心射入，这一射入方向可以最大程度的保证汇聚后的光保有汇聚前的模斑分布，呈现规则的圆形汇聚光斑，利于后续耦合过程提高效率；平行光束沿第三透镜3013的中心射入，具体指光束通过第三透镜3013的中心进行汇聚，理想状态下，光束的中心经过第三透镜3013的中心。
73.如图5所示，本技术实施例提供的光发射次模块包括一个光发射器件3011、一个第二透镜3012和一个第三透镜3013。光发射器件3011发出的光束经过第二透镜3012进行准直处理得到平行光束，平行光束经过第三透镜3013的汇聚后得到汇聚光斑耦合至光纤适配器500中。
74.如图6所示，本技术实施例提供的光发射次模块包括多个光发射器件3011，多个第二透镜3012、一个光复用组件3014和第三透镜3013，其中，光发射器件3011与第二透镜3012的数量相等。多个光发射器件3011发出的光束经过对应的第二透镜3012进行准直处理得到多个平行光束，多个平行光束利用光复用组件3014汇聚为一个总平行光束，该总平行光束经过第三透镜3013的汇聚后得到汇聚光斑耦合至光纤适配器500中。
75.本技术提供了一种光模块，包括电路板和位于电路板上的光发射次模块。光发射次模块内腔内设置有光发射器件、第二透镜和第三透镜。光发射器件内设置有光发射器和第一透镜，以使得光发射器件的发散角与单模光纤的发散角之差小于0
°
至15
°
。光发射器用于发射发散角较大的发散光束。第一透镜用于将发散角较大的发散光束整理为与单模光纤发散角接近的光束。第二透镜用于将与单模光纤发散角接近的光束汇聚为平行光束。第三透镜用于将平行光束汇聚为一个汇聚光斑，耦合至光纤中。本技术中，将光发射器与第一透镜封装于一体，使得光发射器件的发散角与单模光纤发散角接近，使得光发射器件发射出与单模光纤发散角接近的光束。由于光发射器件的发散角与单模光纤发散角接近，则说明系统的放大倍数约为1。在平行光系统中系统的放大倍数约为1，即光发射器移动约1微米则耦合到光纤适配器中的汇聚光斑移动约1微米，从而使得发射器件相对于第三透镜的相对位置不敏感。
76.本技术中的结构不仅应用于上述光模块中，还可以应用另一种光模块。图7为本技术实施例提供的另一种光模块的结构图。如图8所示，该光模块200'包括上壳体201'、下壳体202'、解锁手柄203'、电路板300'、光收发次模块400'。上壳体201'与下壳体202'形成具有两个端口的包裹腔体，该腔体内设置有电路板300'、光收发次模块400'。
77.光收发次模块400'，与电路板300'的一端电连接，用于发射光信号和接收光信号，进而实现光模块200'发射和接收光信号。
78.图8为本技术实施例提供的光收发次模块的结构示意图。如图8所示，本技术实施例提供的光收发次模块400'包括圆方管体500'、光发射器件600'、光接收器件700'、光纤适配器800'和光学组件900'。具体的，
79.圆方管体500'，表面设置有第一管口和第二管口，用于承载固定光发射器件600'和光接收器件700'。具体的，第一管口和第二管口分别设置在圆方管体500'上相邻的侧壁上。第一管口设置在圆方管体500'长度方向的侧壁上，第二管口设置在圆方管体500'宽度方向的侧壁上。光发射器件600'嵌入第一管口，光接收器件700'嵌入第二管口。
80.圆方管体500'，一般为金属材料，有利于实现光发射器件600'和光接收器件700'的电磁屏蔽以及散热。具体的，光发射器件600'和光接收器件700'直接压配到圆方管体
500'中，圆方管体500'分别与光发射器件600'和光接收器件700'直接或通过导热介质接触。如此圆方管体500'可用于光发射器件600'和光接收器件700'的散热，保证光发射器件600'和光接收器件700'的散热效果。
81.圆方管体500'内还设置有光学组件900'，表面还设置有第三管口。光学组件900'用于调整光发射器件600'发射的光束以及调整入射至光接收器件700'的光束。
82.光发射器件600'用于发出光束。光接收器件700'用于接收光束。
83.光纤适配器800'，第一端嵌入第三管口，第二端连接外部光纤，用于光收发次模块连接光纤。具体的，光纤适配器800'镶嵌入第三管口，光发射器件600'和光接收器件700'分别与光纤适配器800'建立光连接，光收发次模块中发出的光及接收的光均经由光纤适配器800'中的同一根光纤进行传输，即光纤适配器800'中的同一根光纤是光收发次模块进出光的传输通道，光收发次模块400'实现单纤双向的光传输模式。
84.光学组件900'设置于圆方管体500'的内腔，光学组件900'用于调整光发射器件600'发射的激光以及调整入射至光接收器件700'的激光。
85.图9为本技术实施例提供的光模块的光路示意图。如图8和9所示，光发射器件600'内设置有光发射器601'和第一透镜602'，以使得光发射器件600'的发散角与单模光纤的发散角之差小于0
°
至15
°
。光发射器601'为发出发散角较大的发散光束。第一透镜602'，为聚焦透镜，设置于光发射器601'的出光光路上，将发散角较大的发散光束整理为发散角较小的发散光束，用于将发散角较大的发散光束整理为与单模光纤发散角接近的光束。第一透镜602'的焦距为0.8毫米。
86.由于光发射器件600'的发散角与单模光纤发散角接近，则说明系统的放大倍数约为1。在平行光系统中系统的放大倍数约为1，即光发射器件600'移动约1微米则耦合到光纤适配器800'中的汇聚光斑移动约1微米，从而使得发射器件600'相对于光纤适配器800'中汇聚光斑的相对位置不敏感。
87.光学组件900'包括第二透镜901'和第三透镜902'。具体的，
88.第二透镜901'，为准直透镜，设置于光发射器件600'和第三透镜902'之间，将发散光束汇聚为平行光束，用于将第一透镜602'输出的与单模光纤发散角接近的光束汇聚为平行光束。发散光束传输时，光束容易向各处发散，很难集中传输至一点，容易造成光束损失。平行光束传输时，光束不容易向各处发散，容易集中传输至一点，不容易造成光束损失，方便光束长距离传输。第二透镜901'的焦距为2.13毫米。
89.第三透镜902'，为聚焦透镜，设置于光纤适配器800'一侧，将平行光束汇聚为汇聚光，将平行光束汇聚为一个汇聚光斑，耦合至光纤适配器800'中。
90.平行光束虽然经过第三透镜902'产生了汇聚，但汇聚前后光轴方向并未改变，即平行光束沿第三透镜902'的中心射入，这一射入方向可以最大程度的保证汇聚后的光保有汇聚前的模斑分布，呈现规则的圆形汇聚光斑，利于后续耦合过程提高效率；平行光束沿第三透镜902'的中心射入，具体指光束通过第三透镜902'的中心进行汇聚，理想状态下，光束的中心经过第三透镜的中心。
91.由于两个光发射器件600'分别位于圆方管体500'相邻的侧面，其中一个光发射器件600'发出的光束与第三透镜902'的入射光相垂直。为了将该光发射器件600'发出的光束入射至第三透镜902'中，本技术实施例中，光学组件900'还包括反射片。反射片，位于第二
透镜901'与第三透镜902'之间，用于将第二透镜901'发射的平行光束平行入射至第三透镜902'。
92.本技术实施例中，光发射器件600'可设置2个，光学组件900'和反射片的数量均为1个。
93.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。