带多重光学结构和/或表面的集成透镜，及其光模块和收发器，和制造及使用方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光通信领域，尤其是适用于多模光或光电通信的光模块。
技术背景
[0002]目前的光模块是高度小型化和高速化的。由于光模块在促进光通信工业发展和现代化中起到了重要作用，所以需要更小和更快的光模块。小型化使越来越的功能模块和/或结构集成到有限的装置空间，且相应地，光模块和通信系统间的连接和/或接口界面也变得更复杂。
[0003]光模块中光信号的传输和转换是光通信的基础。为此，光模块采用了大量光发射器，接收器和光电探测器。由于应刷电路板的使用，光发射器，光模块中接收器和光电探测器都集成到了 PCB上。PCB上的电路用于将器件准确链接。这样，光模块的生产成本大幅下降，同时器件结构也变得更紧凑。
[0004]技术人员通常利用光耦合和/或连接装置在光模块中发送来自PCB上光发射器的光信号，或将来自外部光器件(比如，客户端)的入射光信号引导至光模块中PCB上的光探测器。但，传统光耦合和/或连接器的成本和复杂度都较高。许多传统光耦合和/或连接器采用复数个独立光透镜汇聚，改变或引导光信号的光路，和此类独立透镜的安装和制造可能会让人难以接受地复杂，高成本和/或低效。
[0005]本“技术背景”部分仅用于提供背景信息。“技术背景”的陈述并不意味着本“技术背景”部分的主旨向本发明许可了现有技术，并且本“技术背景”的任何部分，包括本技术背景”本身，都不能用于向本发明许可现有技术。
【发明内容】
[0006]本发明目的在于克服本技术领域的一个或多个缺陷，并提供一种配备一个或多个透镜及其他光学表面(比如，反射镜)的集成透镜(比如，光耦合和/或连接器件)。光路耦合和链接可在光模块发射器或接收器中利用一个或多个透镜实现。
[0007]为了实现本目标，一方面，本发明涉及带多重光学结构和/或表面的集成透镜，包括第一腔室(比如，适用于一个或多个光电装置的外罩或空间)，第二腔室(比如，第二腔室)，和光纤适配器。所述第一腔室位于集成透镜的第一侧，而所述第二腔室位于集成透镜的第二侧。所述光纤适配器和集成透镜的第一光学表面(比如，反射镜或其他反射表面)沿光纤适配器和第一光学表面间的光路光轴彼此相对，且光纤适配器的中轴与集成透镜的底部平行。光耦合器具有延伸进入第一腔室的第一集成透镜。第一透镜通常为凸透镜，且设置在光电发射或接收器件上方，比如激光二极管或光电二极管。第二腔室通常构成了第一光学表面和备选的第二光学表面，比如反射镜(比如，在发射器实施例中)。第一和第二光学表面为平面，而在某些实施例中，以160-175°的角度相交。所述光纤适配器包括延伸进入集成透镜的第二透镜，所述第二透镜可以是凸状或凹状的。
[0008]此外，在涉及光电发射器集成透镜的实施例中，第一腔室还包括构成第三光学表面(比如，反射镜或其他反射表面)的子腔室，其中所述第三光学表面通常是平面的且以预定角相对第一腔室的一个或多个平坦表面倾斜设置。所述子腔室通常接近或邻近光线适配器(比如，在第一透镜和光线适配器之间)。
[0009]第三光学表面和第一腔室平面表面之间的夹角为第一预定角，其中所述第一腔室平面表面与集成透镜的最上端和最下端平面表面平行。将本平面表面作为参考平面，所述第一预定角在某些实施例中为101° ±x°，其中X为小于或等于15的正整数(比如，101° ±7° , 101° ±3°，等)。相反地，所述角就为79° ±x°。在这样的实施例中，第三光学表面的光接收表面面向第二光学表面的光反射表面。在其他实施例中，所述第三光学表面相对于第一腔室平面表面以第二预定角设置，其中所述第一腔室平面表面与集成透镜的最上端和最下端平面表面平行。将本平面表面作为参考平面，所述第二预定角度在某些实施例中就等于60° ±y°，其中y为小于或等于15的正数(比如，60° ±5° ,60° ±3°，等)。所述子腔室使制造集成透镜的注塑成型工艺变得更简单，更低成本。
[0010]在这样的情况下，当第二光学表面反射的光信号在第三光学表面入射，入射角的总和大于全部反射临界角。即，光信号可利用第三光学表面以最小损失反射至光学监控探测器(比如，光电二极管[PD]或雪崩光电二极管)。在涉及光发射器的实施例中，监控探测器设置在第一腔室，在第三光学表面下方。本结构较简单，且提供了更高的反射效率。
[0011 ] 在其他涉及适用于光电发射器的集成透镜的实施例中，第一腔室还可包含第三透镜。所述第三透镜为凸透镜且位于第一透镜和第三光学表面之间(比如，在光学监控探测器之上)，与第三光学表面和第一腔室的平面表面相交处邻近或接近，其中所述平面表面与集成透镜的最上端和最下端平面表面平行。第三光学表面反射的光(比如，至少部分光信号)由第三透镜汇聚到第三光学表面下方的光学监控探测器。第三光学表面反射的光信号可在有第三透镜参与的情况下更有效地汇聚到光学监控探测器，从而提高探测效率。
[0012]所述集成透镜还包含通气孔，用于让空气或其他气体自由出入第一腔室。在某些实施例中，所述通气孔设置在集成透镜与光线适配器相对的一端，但它的位置并不是那样局限。所述通气孔延伸穿过集成透镜，一端接触集成透镜的外部而另一端与第一腔室连接。
[0013]集成透镜最底端表面可用光学胶之类的粘合剂粘贴到PCB —类的基板上。由于第一腔室包含空气，第一腔室内的空气可从集成透镜下方通过通气孔排出，所述通气孔与集成透镜最上端表面有气态连接。同时，光模块运行期间PCB上器件产生热量(比如，激光二极管，光电二极管，等)可通过通气孔散出，降低PCB上器件的工作温度并保持模块工作稳定。
[0014]集成透镜可通过注塑一次成型(即，不要其他部件的辅助)。文中所述第一腔室，第二腔室，第一和第二透镜，第一光学表面，第二光学表面，第三光学表面，第四光学表面，第二透镜，第三透镜和通气孔结构可通过注塑一次一体成形。因此，制造所述集成透镜的方法可包括将集成透镜材料注入具有集成透镜形状的模具，然后将注塑材料从模具分离。本发明还包括在将其注入模具前加热集成透镜材料，然后再冷却注塑材料。由于具有操作简单，成本低，和生产效率高的特点，本方法有益于产品制造。所述集成透镜还由高透光性，化学和机械性能稳定的材料制成，可注塑成型，比如玻璃，聚醚酰亚胺(PEI)，聚醚砜(PES)，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚苯乙烯(PS)，或有机玻璃(PMMA)。
[0015]优选地，所述集成透镜由PEI制成。PEI的玻璃化温度为216°C。PEI具有高绝缘强度，阻燃性，和极低的烟生成。PEI具有极高的机械性能(比如，高刚度或弹性系数)和连续使用性，最高可在170°C下持续使用。标准，未填充PEI (比如，马萨诸塞州匹兹堡沙特基础工业公司的商用级产品ULTEM 1000)具有0.22W/(m*K)的特有导热性。PEI是制造光学透镜的优秀原材料。
[0016]优选地，第二光学表面和集成透镜最底端表面间夹角为135 ° ±15°，以集成透镜最底端表面为参考平面，而第三光学表面和集成透镜最底端表面间夹角为150° ±15°，同样以集成透镜最底端表面为参考平面。
[0017]所述集成透镜适用于将来自光纤的光信号耦合和/或连接到光接收器，或将来自光发射器的光信号耦合和/或连接到光纤。而且，在光收发器中，用于接收器和发射器的集成透镜可相互平行和/或接近。
[0018]此外，光接收器的集成透镜(指文中“接收器集成透镜”)包括第一腔室，其上带又第一光学表面的第二腔室，第一透镜，和光纤适配器。所述第一光学表面可以是反射镜。所述接收器集成透镜还可包括设置于光线适配器最内端的准直透镜(即，光线适配器最大程度延伸入集成透镜的一端)。接收器集成透镜中的光线适配器连接和/或接收光信号传输光纤。
[0019]而且，光接收器或收发器还包括设置在第一透镜下方的光电二极管(PD，比如雪崩光电二极管[APD])。所述H)通常通过PCB上的触点与跨组放大器(TIA)电连接，其中PCB用于承载ro和TIA的安装(比如，在第一腔室中)。
[0020]接收器集成透镜通过设置在光纤适配器最内端的透镜接收来光信号传输光纤的光信号，其中所述设置在光纤适配器最内端的透镜用于光信号汇聚到第一光学表面(比如，反射镜)。光信号在光学表面入射(比如，用于信号的全反射)，然后