一种光模块的制作方法

1.本技术涉及通信技术领域，尤其涉及一种光模块。


背景技术：

2.传统光模块包括光发射次模块和光接收次模块，光发射次模块和光接收次模块分别与电路板通过金属引脚连接。光发射次模块包括激光发射器和光纤适配器组件，激光发射器包括管帽和管座。管帽，罩设于管座上，与管座围城一个腔体。该腔体内设置有光发射芯片。由于管帽的底部设置有聚焦透镜，则光发射芯片发出的发散光经聚焦透镜汇聚后汇聚于光纤适配器组件内的光纤插芯内，并经光纤插芯射入外部光纤中。
3.由于单个聚焦透镜的像差大，光发射次模块发出的光发散光经单个聚焦透镜汇聚于光纤插芯接收端的光信号较少，使得光发射次模块的耦合效率低。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种光模块，提高了光模块的耦合效率。
5.一种光模块，包括：
6.电路板；
7.光发射次模块，与电路板电连接；
8.光发射次模块包括激光发射器、透镜环和光纤适配器组件；
9.激光发射器包括管座和管帽；
10.管帽，套设于管座上，侧边设置有平窗，与管座围城一个腔体；
11.腔体内设置有光发射芯片和准直透镜；
12.准直透镜，用于将光发射芯片发射的光信号准直，得到准直光；
13.平窗，用于将准直光射入透镜环；
14.透镜环内设置有聚焦透镜，光纤适配器组件内设置有光纤插芯；
15.光纤插芯，用于接收经聚焦透镜汇聚耦合后的光信号。
16.有益效果：本技术提供了一种光模块，包括电路板和与电路板电连接的光发射次模块。光发射次模块包括激光发射器、透镜环和光纤适配器组件。激光发射器包括管座和管帽。管帽，套设于管座上，侧边设置有平窗，与管座围城一个腔体。腔体内设置有光发射芯片和准直透镜。准直透镜，用于将光发射芯片发射的光信号准直，得到准直光。平窗，用于将准直光射入透镜环。透镜环内设置有聚焦透镜，光纤适配器组件内设置有光纤插芯。光纤插芯，用于接收经聚焦透镜汇聚耦合后的光信号。本技术中，管帽的侧边设置有平窗，在管座和套帽围城的腔体内设置有准直透镜，在透镜环内设置有聚焦透镜，使得光发射芯片发射的光信号经准直透镜准直后，经平窗射入聚焦透镜，最后经聚焦透镜汇聚耦合至光纤插芯内。由于准直透镜和聚焦透镜组合的像差小于单个聚焦透镜的像差，则准直透镜和聚焦透镜组合的耦合效率大于单个聚焦透镜的耦合效率。由于本技术中采用准直透镜和聚焦透镜的组合，相对于仅有单个聚焦透镜的传统光模块来说，整体的像差小，能更好匹配光纤插
芯，则经准直透镜准直和聚焦透镜汇聚于光纤插芯接收端的光信号较多，光发射次模块的耦合效率高。因此，本技术提供的光模块，通过一个准直透镜准直和一个聚焦透镜汇聚，相对于单个聚焦透镜的传统光模块有更小的像差，能更好地匹配光纤插芯的模场，使得光纤插芯接收端接收到更多的光信号，提高光模块的耦合效率。
附图说明
17.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为光通信终端连接关系示意图；
19.图2为光网络单元结构示意图；
20.图3为本技术实施例提供的一种光模块结构示意图；
21.图4为本技术实施例提供的光模块分解结构示意图；
22.图5为本技术实施例提供的光发射次模块分解结构示意图；
23.图6为图5的剖面图剖面图；
24.图7为本技术实施例提供的光发射次模块剖面图；
25.图8为本技术实施例提供的光发射次模块光路结构示意图；
26.图9为本技术实施例提供的激光发射器结构示意图；
27.图10为本技术实施例提供的透镜环分解结构示意图；
28.图11为本技术实施例提供的管体分解结构示意图。
具体实施方式
29.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，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，都属于本技术保护的范围。
30.本技术使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本技术。在本技术和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
31.下面结合附图，对本技术的一些实施方式作详细说明，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
32.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。
33.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；光模块通过光接口实现与外部光纤的光连接，外部光纤的连接方式有多种，衍生出多种光纤连接器类型；在电接口处使用金手指实现电连接，已经成为光模块行业在的主流连接方式，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；采用光接口与光纤连接器实现的光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，光纤连接器也形成了多种行业标准，如lc接口、sc接口、mpo接口等，光模块的光接口也针对光纤连接器做了适配性的结构设计，在光接口处设置的光纤适配器组件因此具有多种类型。
34.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；
35.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。
36.光模块200的光接口对外接入光纤101，与光纤101建立双向的光信号连接；光模块200的电接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双向相互转换，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101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101中。
37.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(一般为以太网协议的电信号，与光模块使用的电信号属于不同的协议/类型)；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。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，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。
38.常见的本地信息处理设备包括路由器、家用交换机、电子计算机等；常见的光网络终端包括光网络单元onu、光线路终端olt、数据中心服务器、数据中心交换机等。
39.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，用于接入光模块的电接口(如金手指等)；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。
40.光模块200插入光网络终端中，光模块的电接口插入笼子106内部的电连接器，光模块的光接口与光纤101连接。
41.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。
42.图3为本技术实施例提供的一种光模块结构示意图，图4为本技术实施例提供的光模块分解结构示意图。如图3、图4所示，本技术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400和光接收次模块500。
43.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。
44.两个开口具体可以是位于光模块同一端的两处开口(204、205)，也可以是在光模块不同端的两处开口；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400和光接收次模块500；电路板300、光发射次模块400和光接收次模块500等光电器件位于包裹腔体中。
45.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400和光接收次模块500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。
46.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。
47.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。
48.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。
49.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。
50.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。
51.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。
52.光发射次模块400，与电路板300电连接，用于发射光信号。
53.光接收次模块500，一端与外部光纤连接，另一端与电路板300通过管脚和柔性板电连接，用于接收外部光纤传输来的光信号。
54.图5为本技术实施例提供的光发射次模块分解结构示意图。图6为图5的剖面图剖
面图。图7为本技术实施例提供的光发射次模块剖面图。图8为本技术实施例提供的光发射次模块光路结构示意图。图9为本技术实施例提供的激光发射器结构示意图。图10为本技术实施例提供的透镜环分解结构示意图。图11为本技术实施例提供的管体分解结构示意图。如图5-11所示，本技术实施例中，光发射次模块400包括激光发射器401、管体402、透镜环403、调节环404、光纤适配器组件405和散热件406。具体的，
55.激光发射器401包括管座4011和管帽4014。具体的，
56.管帽4014，套设于管座4011上，与管座4011围城一个腔体。具体的，管帽4014包括底部和侧面，侧面的一端与底部连接，侧面的另一端罩设于管座4011上。管帽4014的底部和侧面形成一个钟形结构。其中，底部设置有平窗，侧面为空心圆柱体玻璃。平窗，用于将激光发射器401发射的光信号平行射入管体402。
57.腔体内设置有光发射芯片4012、准直透镜4013和导热件4015。具体的，
58.光发射芯片4012，通过导电基板固定于导热件4015上，用于发射光信号。具体的，导热件4015的一端固定于管座4011上。导电基板，固定于导热件4015上，一端与管座4011连接。由于管座4011与电路板300电连接，电路板300上的控制信号通过管座4011和导电基板传输给光发射芯片4012。光发射芯片4012根据接收到的控制信号发射光信号。
59.准直透镜4013，采用有源耦合通过胶水粘贴在导热件4015上，用于将光发射芯片4012发射的光信号准直，得到准直光。具体的，光发射芯片4012发射的发散光信号经准直透镜4013准直，得到准直光。
60.由于激光发射器401中管座4011与管帽4014围城的腔体内设置有光发射芯片4012和准直透镜4013，且管帽4014的底部设置有平窗。则平窗用于将激光发射器401发射的光信号平行射入管体402，具体的是：光发射芯片4012发射的光信号经准直透镜4013准直后得到准直光，该准直光经平窗平行射入管体402。其中，该准直光为激光发射器401发射的光信号。
61.本技术实施例中，准直透镜4013采用有源耦合粘贴于导热件4015上，这对光发射芯片4012贴片精度要求较低，增加了光发射芯片4012与准直透镜4013的可允许误差。
62.导热件4015，用于为光发射芯片4012和准直透镜4013导热。具体的，导热件4015，材料为钨铜，可将光发射芯片4012和准直透镜4013工作产生的热量传输给管座4011。
63.导热件4015，也用于为准直透镜4013提供支撑件，以使得光发射芯片4012发射的光信号均通过准直透镜4013进行准直。具体的，导热件4015和导电基板使得光发射芯片4012的中心线与准直透镜4013的中心线位于同一水平线上。当光发射芯片4012的中心线与准直透镜4013的中线线位于同一水平线时，光发射芯片4012发射的光信号均可通过准直透镜4013进行准直。
64.管体402，一端罩设于激光发射器401上，另一端与透镜环403的一端连接，内设置有隔离器4021。具体的，管体402为空心圆柱体，管体402内设置有空心圆柱体的第一置物槽，第一置物槽的外壁固定于管体402的内壁，该第一置物槽内设置有隔离器4021。
65.隔离器4021，用于防止准直光返回至准直透镜4013内。具体的，由于隔离器4021允许光单方向通过，反方向被阻拦，防止准直光返回至准直透镜4013内。
66.透镜环403，内设置有聚焦透镜4031。具体的，透镜环403为空心圆柱体，透镜环403内设置有空心圆柱体的第二置物槽，第二置物槽的外壁固定于透镜环403的内壁，该第二置
物槽内用于放置聚焦透镜4031。
67.聚焦透镜4031，用于将准直光汇聚耦合至光纤适配器组件405内。聚焦透镜4031采用有源耦合固定于透镜环403内。聚焦透镜4031采用有源耦合固定于透镜环403内，对光发射芯片4012贴片精度要求较低，增加了光发射芯片4012与聚焦透镜4031的可允许误差。
68.聚焦透镜4031，为非球形聚焦透镜。由于球形聚焦透镜的像差相对于非球形聚焦透镜的像差大，经球形聚焦透镜汇聚于光纤插芯接收端的光信号少于经非球形聚焦透镜汇聚于光纤插芯接收端的光信号，则球形聚焦透镜的耦合效率小于非球形聚焦透镜的耦合效率。因此，本技术实施例中，聚焦透镜4031为非球形聚焦透镜。
69.调节环404，一端与透镜环403的另一端连接，另一端与光纤适配器组件405连接，用于连接透镜环403和光纤适配器组件405，以使得透镜环403内的聚焦透镜4031汇聚后的光信号耦合至光纤适配器组件405内。具体的，调节环404为空心圆柱体，一端与透镜环403胶水粘接，另一端内壁套设于光纤适配器组件405外壁，将透镜环403和光纤适配器组件405连接。调节环404可以伸缩，便于将光纤适配器组件405置于聚焦透镜4031的焦点位置处，使得透镜环403内的聚焦透镜4031汇聚的光信后耦合至光纤适配器组件405内。
70.光纤适配器组件405，内设置有光纤插芯4051。具体的，光纤适配器组件405，一端通过调节环404连接透镜环403，另一端通过光纤插座与光纤连接。光纤插芯4051设置于光纤适配器组件405的中心位置处。光纤插芯4051，用于接收经聚焦透镜4031汇聚耦合后的光信号。
71.为了防止射入光纤插芯4051内发生反射的反射光可逆的反射回光发射芯片4012，光纤插线4051的接收端为斜面。光纤插芯4051的轴线方向与光纤适配器组件405的轴线方向之间的夹角为6
°
。为了利用折射原理将非聚焦透镜4031耦合后的光信号射入光纤插芯4051中，光发射芯片4012发出的光通过聚焦透镜4031的中心射出，聚焦过程中没有改变原光轴方向，射入光纤插芯4051的入光斜面时，通过光折射进入光纤插芯4051中。
72.本技术中的光路原理如下：激光发射器401的光发射芯片4012发射的光信号经准直透镜4013准直后，得到准直光。准直光经平窗平行射入管402内的隔离器4021。透过隔离器4021的准直光射入透镜环403内的聚焦透镜4031。准直光经聚焦透镜4031汇聚耦合至光纤插芯4051内。
73.传统光模块的光发射次模块的激光发射器内仅设置有光发射芯片，且激光发射器的管帽底部设置有聚焦透镜，光发射芯片发射的光信号经单个聚焦透镜耦合至光纤适配器组件中。而本技术中光发射次模块500的激光发射器401内不仅设置有光光射芯片4012，还采用有源耦合设置有准直透镜4013，准直透镜4013的形状为非球形，激光发射器401的管帽4014的底部设置有平窗，光发射芯片4012发射的光信号，首先经准直透镜4013准直，再经平窗平行射入聚焦透镜4031，最后经聚焦透镜4031耦合至光纤适配器组件405中。
74.由于球形聚焦透镜的像差相对于非球形聚焦透镜的像差大，经球形聚焦透镜汇聚于光纤插芯接收端的光信号少于经非球形聚焦透镜汇聚于光纤插芯接收端的光信号，则球形聚焦透镜的耦合效率小于非球形聚焦透镜的耦合效率。又由于准直透镜和非球形聚焦透镜组合的像差小于单个非球形聚焦透镜的像差，则准直透镜和非球形聚焦透镜组合的耦合效率大于单个非球形聚焦透镜的耦合效率，更大于单个球形聚焦透镜的耦合效率。由于本技术中采用准直透镜和非球形聚焦透镜的组合，相对于仅有聚焦透镜(包括小球、大球及非
球形聚焦透镜)的传统光模块来说，整体的像差小，能更好匹配光纤插芯的模场，则经准直透镜准直和非球形聚焦透镜汇聚于光纤插芯接收端的光信号较多，光发射次模块的耦合效率高。
75.另外，本技术中，光发射次模块400内准直透镜和非球形聚焦透镜组合，能拉长光程，使得光发射次模块400内有足够的空间再次进行结构设计。例如在光路中插入其它的光学器件。
76.还有，本技术中，光发射次模块400内准直透镜和非球形聚焦透镜均采用有源耦合固定于光发射次模块400内，对光发射芯片4012贴装精度要求较低。这也可以说本技术相对于仅有单个球形聚焦透镜的传统光模块，增加了光发射芯片、聚焦透镜和光纤插芯之间的可允许误差。即使光模块内的光发射芯片、非球形聚焦透镜和光纤插芯之间存在安装误差，光发射芯片发射的光信号也可经准直透镜准直，非球形聚焦透镜汇聚耦合至光纤插芯内，提高光模块的耦合效率。
77.为了进一步提供耦合效率，本技术实施例中，准直光经聚焦透镜4031汇聚耦合至光纤插芯4051的接收端面的中心位置。具体体现在结构上为：准直透镜4013、隔离器4021、聚焦透镜4031和光纤插芯4051的中心线位于同一水平线上，且光发射芯片4012发射的光信号的中心线与上述中心线位于同一水平线。
78.散热件406，设置于管体402的外壳，用于调节光发射次模块400的温度。具体的，当光发射次模块400内的温度高时，腔体内的导热件4015将温度传递给管座4011，管座4011将温度传递给管体402，管体402将温度传递给散热件406进行散热，使得光发射次模块400内的温度稳定，以达到调节光发射次模块400温度的功能。
79.如图4-10所示，本技术实施例中，光发射次模块400还包括管脚4016。具体的，
80.由于管座4011上设置有很多通孔。管脚4016，一端设置于管座4011上，另一端与电路板300电连接。管脚4016的一端通过管座4011上的通孔连接于腔体内的导电基板，使得光发射芯片4012通过管脚4016连接于电路板300。管脚4016的设置，便于将电路板300与光发射次模块400电连接。除了本技术的管脚4016可以实现光发射次模块400与电路板300的电连接，还可以通过柔性板实现光发射次模块400与电路板300的电连接。因此，本技术对此不作限定，可根据具体情况具体设计。
81.本技术提供了一种光模块，包括电路板和与电路板电连接的光发射次模块。光发射次模块包括激光发射器、透镜环和光纤适配器组件。激光发射器包括管座和管帽。管帽，套设于管座上，侧边设置有平窗，与管座围城一个腔体。腔体内设置有光发射芯片和准直透镜。准直透镜，用于将光发射芯片发射的光信号准直，得到准直光。平窗，用于将准直光射入透镜环。透镜环内设置有聚焦透镜，光纤适配器组件内设置有光纤插芯。光纤插芯，用于接收经非球形聚焦透镜汇聚耦合后的光信号。本技术中，管帽的侧边设置有平窗，在管座和套帽围城的腔体内设置有准直透镜，在透镜环内设置有聚焦透镜，使得光发射芯片发射的光信号经准直透镜准直后，经平窗射入聚焦透镜，最后经聚焦透镜汇聚耦合至光纤插芯内。由于准直透镜和聚焦透镜组合的像差小于单个聚焦透镜的像差，则准直透镜和聚焦透镜组合的耦合效率大于单个聚焦透镜的耦合效率。由于本技术中采用准直透镜和聚焦透镜的组合，整体的像差小，能更好匹配光纤插芯，则经准直透镜准直和聚焦透镜汇聚于光纤插芯接收端的光信号较多，光发射次模块的耦合效率高。因此，本技术提供的光模块，通过一个准
直透镜准直和一个聚焦透镜汇聚，相对于单个聚焦透镜的传统光模块有更小的像差，能更好地匹配光纤插芯的模场，使得光纤插芯接收端接收到更多的光信号，提高光模块的耦合效率。
82.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，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技术各实施例技术方案的精神和范围。