一种小型化波分解复用光接收组件的制作方法

本实用新型涉及光学通讯技术及器件领域，尤其是一种小型化波分解复用光接收组件。

背景技术：

波分复用（wdm，wavelengthdivisionmultiplexing)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或众多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，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。

在光收发器（transceiver）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mux/demux子组件。相比awg，z-block具有低插入损耗低、宽光谱带宽、低通道串扰、低温度敏感度等优点，被更为广泛的应用在40g、100g以及400g等高速qsfp、osfp光收发器中，在每个光收发器中，通常存在一对z-block，分别用于mux和demux，其示意图如图1所示。

z-block的典型结构如图2所示，其包括前后两面抛光的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，后侧几个区域分别镀有多个不同波长的wdm（波分复用）滤光膜或贴有多个分别镀有不同波长wdm滤光膜的滤光片，滤光膜或滤光片的数量通常为4个或8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。

波分解复用光接收组件的主要功能就是将光纤接入的多波长wdm光进行准直、解波分复用，然后高效率的耦合到pd中。作为光收发器中的核心器件，以4通道波分解复用光接收组件为例，现有的技术方案包括：

现有技术方案1：采用各分立元件依次单独组装的方法进行装配，实现波分解复用。分立的元件包括光纤准直器、wdm滤光片、反射镜、耦合透镜、棱镜或分光镜，各个元件需要主动调节对准，组装效率低、成本高，且难以做到小型化。

现有技术方案2：采用z-block作为demux子组件，入射端也采用光纤准直器，但在z-block之后采用4个光纤准直器进行接收，或者采用4个单独的透镜进行耦合，这种方法也需要主动调节对准，存在组装效率低、成本高，无法做到小型化。

现有技术方案3：采用awg作为demux子组件，采用光纤头与awg输入端波导进行直接耦合的方法进行装配，经过awg的输出端直接与pd阵列进行耦合。这种装配方法虽然具有简单、高效和低成本优势，但由于现有技术的awg的性能相比z-block还存在一定差距，也只能用于某些对性能和环境要求不高的场景中。

近年来，随着大数据、云存储/服务、物联网、ar/vr和移动互联终端设备的高速发展和广泛普及，全球对网络带宽的需求呈现出爆炸式增长，这不仅大大推动了各大互联网巨头和通信运营商在数据中心建设方面的加大投入，而且还加速了5g时代的到来。光收发器作为光通讯领域的核心器件之一，近年来市场的需求量在急剧上升。当前基于cwdm4技术的100g光收发器已经成为市场主流，未来几年基于cwdm4和cwdm8的400g光收发器将会成为下一代产品。市场对光收发器需求量急速上升的同时，价格和能耗却在相应下降，低成本、低能耗和小型集成化是光收发器的发展方向。特别是在5g前传的应用上，还需要光收发器满足工业级的标准以适应室外严苛的环境要求。波分解复用光接收组件作为光收发器中的核心光组件，其在满足业内各项标准的同时，追求低成本、小型集成化和同时具备高性能是未来不变的发展趋势。

技术实现要素：

针对现有技术的情况，本实用新型的目的在于提供一种易装配、低成本、高性能、可实现量产自动化的小型化波分解复用光接收组件。

为了实现上述的技术目的，本实用新型采用的技术方案为：

一种小型化波分解复用光接收组件，其包括：

光纤准直器，用于输入准直的信号光；

波分解复用子组件，用于将光纤准直器输入的信号光解复成若干束准直光；

直角棱镜，其一直角面与波分解复用子组件的输出端相对且用于接收被波分解复用子组件解复成的若干束准直光，然后经其斜面反射后，将若干束准直光从直角棱镜的另一直角面输出；也可采用非直角棱镜来替代，实现直角棱镜的功能；

透镜阵列，设于直角棱镜的两个直角面上或其中一直角面上；

光学基板，用于相对固定安装光纤准直器、波分复用子组件和直角棱镜。

进一步，所述光纤准直器还连接有光纤插芯组件。

优选的，所述的光纤插芯组件为lc插座或lc连接器，但并不局限于这两种。

其中，光纤准直器是由光纤头、准直透镜和套管组成；光纤头可以是玻璃光纤头或陶瓷光纤头，其端面经过研磨和抛光加工，为了提升回损（rl）指标，可以选择加工成4度到9度的角度，端面可以选择镀增透膜；准直透镜是平凸玻璃透镜，为了提升rl指标，平面端可以选择加工成4度到9度的角度以便与光纤头角度匹配，平面和凸面都镀有增透膜；套管是玻璃套管或金属套管；光纤头和准直透镜通过胶水被装配在同一套管内，形成准直器。

进一步，所述的波分解复用子组件为z-block，其输出端具有若干个不同工作波长的滤光片或滤光膜，其包括前后两面抛光的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，后侧几个区域分别镀有多个（典型值为4个或8个）不同波长的wdm（波分复用）滤光膜或贴有多个（通常为4个或8个）分别镀有不同波长wdm滤光膜的滤光片，通过设计z-block的入射角度和出射节距（pitch），可以实现z-block尺寸的小型化，z-block的入射角度范围为3度至45度，通常为8度或13.5度，节距范围从0.25mm到2mm。

优选的，所述的透镜阵列包括若干个与z-block上滤光膜或滤光片一一对应的平凸透镜，且平凸透镜的平面侧与直角棱镜连接，所述透镜阵列包含有多个（通常为4个或8个）高精度节距（pitch）的平凸透镜，材料通常为si或融石英，通常采用光刻工艺或模压工艺来实现，节距范围从0.25mm到2mm，透镜的凸面镀有对空气增透膜，平面镀有对胶水增透膜。

优选的，所述透镜阵列与直角棱镜连接的连接面上设有增透膜。

优选的，所述的z-block为四通道z-block或8通道z-block。

进一步，所述的的光学基板为玻璃、硅或陶瓷材料制成。

进一步，所述的直角棱镜为si材质或玻璃材质成型，根据材料折射率的不同来设计直角棱镜的角度，确保出射光与出射面的法线成一定夹角，夹角范围是4度到10度，这有利于提升系统的rl指标，所述直角棱镜的一个面与透镜阵列的平面采用胶水贴合，胶水可以选择热固化胶或（紫外固化和热固化皆可固化的）双固化胶，所述直角棱镜的两个直角面，其中，与透镜阵列胶合的面镀有对胶增透膜或不镀膜（此时透镜阵列折射率和胶水折射率相匹配），另外一个面镀有对空气增透膜，当两个直角面均连接有透镜阵列时，则都设置增透膜。除了相互贴合的结构以外，所述直角棱镜和透镜阵列可以采用刻蚀或模压的工艺做成一个整体，分别在入射面和出射面镀对空气增透膜；

或者，所述的直角棱镜，也可采用非直角棱镜来替代，可实现上述直角棱镜的所有功能。

所述光学基板是一种光学材料，如玻璃或硅，或陶瓷材料基板，通过激光打标或光刻掩模等方法可在基板上按照设计制作出一系列高精度位置对位线；

所述光纤准直器、波分解复用子组件和贴合有透镜阵列的直角棱镜，分别与基板上的位置对位线进行调节对位，对位完成后，用胶水将他们快速精确的固定、组装在基板上，胶水可以选择紫外固化胶或双固化胶。

一种小型化波分解复用光接收组件的装配方法，其包括如下步骤：

（1）在光纤准直器上标识出射光与套管底面完全平行的位置点及对应转90度所偏离的角度δφ；

（2）在光学基板上用激光打标或光刻掩模的工艺加工出了的对位线；

（3）将波分解复用子组件和贴合有透镜阵列的直角棱镜按照对位线位置进行贴合固定于光学基板上；

（4）将光纤准直器则按照标定的位置并转δφ进行角度偏离的补偿，然后将其与光学基板进行贴合固定。

本实用新型可以实现的功能是：将从光纤插芯组件一端所接入的多波长波分复用（wdm）信号通过光纤准直器进行准直，wdm准直光进入波分解复用子组件后被解复用为多个节距相同的单波长准直光，多个节距相同的单波长准直光进入具有对应高精度节距的透镜阵列和直角棱镜中，经过透镜的聚焦和直角棱镜斜面的反射，将多个信号光聚焦在与透镜阵列具有相同节距的光电二极管阵列（pdarray）接收面上，最后实现光电信号的转换。

通过上述的技术方案，本实用新型与现有技术相比，其具有的有益效果为：

本实用新型的分件可以根据装配布局做到结构紧凑且小型化；通过优化设计光纤准直器的准直透镜，透镜阵列和直角棱镜的参数，选择最佳折射率的材料，可以大大提升接收组件的性能指标，降低组件的装配难度，包括实现低插入损耗、低串扰、高回损等关键指标。相比现有技术下的awg波分解复用接收组件，本实用新型具有波长随温度变化系数小、高通带带宽、低插入损耗、低串扰等显著的性能优势，完全满足行业内工业级要求标准，尤其是可以满足5g前传应用场景对光器件工业级环境条件的苛刻要求。

本实用新型的装配方法可采用直接将分件与基板对位线进行被动对位（passivealignment）的装配方法，相比现有技术的单片滤光片和单片透镜主动（active）对位调节的耦合方法，本实用新型装配方法简单、效率高、成本低，可以实现自动化装配和大批量生产，可以满足数据中心和未来5g光收发器中对本实用新型组件大规模商用的需求。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型方案做进一步的阐述：

图1是现有技术中典型的transceiver结构，其包含一对独立的mux和demux；

图2是现有技术中典型的z-block结构图；

图3是本实用新型实施例1的3d结构示意图；

图4是本实用新型实施例1的俯视结构及光路示意图；

图5是本实用新型实施例1的侧视结构示意图；

图6是图5中a处的局部结构放大示意图；

图7是本实用新型实施例1的一种变形结构俯视示意图；

图8是本实用新型实施例1的一种变形结构侧视示意图；

图9是本实用新型实施例2的俯视结构示意图；

图10是本实用新型实施例2的侧视结构示意图；

图11是本实用新型实施例2的一种变形结构俯视示意图；

图12是本实用新型实施例2的一种变形结构侧视示意图；

图13是本实用新型实施例3的俯视结构示意图；

图14是本实用新型实施例3的侧视结构示意图；

图15是图14中a处的局部结构放大示意图；

图16是本实用新型方案中凸面下沉透镜阵列示意图；

图17是本实用新型实施例4的俯视结构示意图；

图18是本实用新型实施例4的侧视结构示意图；

图19是图18中a处的局部结构放大示意图；

图20是本实用新型实施例5的俯视结构示意图；

图21是本实用新型实施例5的侧视结构示意图；

图22是图21中a处的局部结构放大示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更清楚明白，以下结合附图及实施实例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施实例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例1

如图3至6之一所示，本实用新型一种小型化波分解复用光接收组件，其包括：

光纤准直器1，用于输入准直的信号光；

波分解复用子组件2，用于将光纤准直器输入的信号光解复成若干束准直光；

直角棱镜3，其一直角面与波分解复用子组件的输出端相对且用于接收被波分解复用子组件解复成的若干束准直光，然后经其斜面反射后，将若干束准直光从直角棱镜的另一直角面输出；

透镜阵列4，设于直角棱镜3的一直角面上，该直角面是与波分解复用子组件3相对的直角面；

光学基板5，用于相对固定安装光纤准直器1、波分复用子组件2和直角棱镜3。

其中，所述光纤准直器1还连接有光纤插芯组件6；优选的，所述的光纤插芯组件6为lc插座或lc连接器，但并不局限于这两种。

另外，光纤准直器是由光纤头、准直透镜和套管组成；光纤头可以是玻璃光纤头或陶瓷光纤头，其端面经过研磨和抛光加工，为了提升回损（rl）指标，可以选择加工成4度到9度的角度，端面可以选择镀增透膜；准直透镜是平凸玻璃透镜，为了提升rl指标，平面端可以选择加工成4度到9度的角度以便与光纤头角度匹配，平面和凸面都镀有增透膜；套管是玻璃套管或金属套管；光纤头和准直透镜通过胶水被装配在同一套管内，形成准直器。

在本实施例中，所述的波分解复用子组件2为4通道z-block，其输出端具有若干个不同工作波长的滤光片21或滤光膜，其包括前后两面抛光的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，后侧几个区域分别镀有4个不同波长的wdm（波分复用）滤光膜或贴有4个分别镀有不同波长wdm滤光膜的滤光片，通过设计z-block的入射角度和出射节距（pitch），可以实现z-block尺寸的小型化，z-block的入射角度通常为8度或13.5度，节距范围从0.25mm到2mm；优选的，所述的透镜阵列4包括若干个与z-block上滤光膜21或滤光片一一对应的平凸透镜，且平凸透镜的平面侧与直角棱镜连接，所述透镜阵列包含有4个高精度节距（pitch）的平凸透镜，材料通常为si或融石英，通常采用光刻工艺或模压工艺来实现，节距范围从0.25mm到2mm，透镜的凸面镀有对空气增透膜，平面镀有对胶水增透膜；优选的，所述透镜阵列与直角棱镜连接的连接面上设有增透膜。

进一步，所述的的光学基板为玻璃或硅，或陶瓷材料基板，通过激光打标或光刻掩模的方法可在基板上按照设计制作出一系列高精度位置对位线。

进一步，所述的直角棱镜为si材质或玻璃材质成型，根据材料折射率的不同来设计直角棱镜的角度，确保出射光与出射面的法线成一定夹角，夹角范围是4度到10度，这有利于提升系统的rl指标，所述直角棱镜的一个面与透镜阵列的平面采用胶水贴合，胶水可以选择热固化胶或（紫外固化和热固化皆可固化的）双固化胶，所述直角棱镜的两个直角面，其中，与透镜阵列胶合的面镀有对胶增透膜，另外一个面镀有对空气增透膜，当两个直角面均连接有透镜阵列是，则都设置增透膜。除了相互贴合的结构以外，所述直角棱镜和透镜阵列可以采用刻蚀或模压的工艺做成一个整体，分别在入射面和出射面镀对空气增透膜。

本实施例中包含有中心波长为1271nm、1291nm、1311nm和1331nm的wdm光信号从左侧标准的光纤插芯组件6lcreceptacle接入，经过光纤准直器1后，变成准直光束，准直光的设计束腰直径通常为150微米到300微米之间；准直光束以13.5度的入射角射入z-block镀有ar膜的区域并进入到z-block中，经过z-block后，4个波长的wdm信号被解复用为4束准直光，4束光两两之间的节距（pitch）是750微米；4束节距为750微米的准直光进入贴在直角棱镜前面的耦合透镜阵列中，透镜阵列的节距及公差为750+/-1微米，经过透镜阵列后，准直光束变为会聚光束，然后经过棱镜斜面的全反射，朝下传输，最后射出棱镜底面，出射光与棱镜底面法线的夹角为6°～10°，然后聚焦在透镜阵列的焦平面上，焦平面上通常放置有节距为750+/-1微米的pd阵列，聚焦光被高效率的耦合到pd阵列的有效区域中，实现光电信号的转化。

本实施例中，可以通过设计光纤准直器1的准直透镜和耦合透镜的焦距差异，从理论上得到最佳的聚焦点光斑束腰大小。例如，光纤的模场直径为8.6微米，设计准直透镜的焦距为1.2mm，耦合透镜阵列的焦距为1mm，理论设计上可以满足聚焦点束腰直径为8.6/1.2=7.167微米，这比现有的高速接收pd阵列的有效耦合区域直径16微米要小很多，这有助于降低装配的公差和灵敏度要求。需要注意的是，聚焦点的束腰也不能太小，太小会导致光束的发散角过大，进而导致聚焦光斑的大小随焦平面前后距离的变化而迅速增大，这会大大增加系统的耦合敏感度，不利于装配。

本实施例中，由于聚焦透镜阵列4具有非常高精度的节距（pitch），这就保证了四束从z-block出射的、相互之间平行度较好的平行光，在经过透镜阵列聚焦后，四个光斑中心点的间隔精度非常高。通常情况下，接收端的pd阵列也具有同样高精度的节距，这就保证了四个聚焦光斑的中心点全部进入pd阵列有效区域范围的中心区域。

本实施例中，可以通过选择棱镜的材料折射率，来延长或缩短耦合透镜阵列后焦距的长度，使得装配的结构更合理。比如，采用折射率为3.5左右的si棱镜和采用折射率为1.5左右的硼硅酸盐玻璃棱镜相比，对于相同的耦合透镜，在有效焦距（efl）一致的情况下，si棱镜的后焦距会更长。可以这么理解，在透镜阵列到聚焦平面距离不变的情况下，若采用si棱镜，则对应耦合透镜的有效焦距可以更短；因为聚焦平面上光斑的位置变化δd与有效焦距f和角度偏离θ之间的关系是δd=f*tan(θ)，当θ很小时，δd=f*θ，因此，短的有效焦距，则意味着光斑随角度的位移变化越小，亦即角度敏感度越低，对装配的对位要求也越低。

本实施例结构的装配方法为：

一种小型化波分解复用光接收组件的装配方法，其包括如下步骤：

（1）在光纤准直器上标识出射光与套管底面完全平行的位置点及对应转90度所偏离的角度δφ；

（2）在光学基板上用激光打标或光刻掩模的工艺加工出了的对位线；

（3）将波分解复用子组件和贴合有透镜阵列的直角棱镜按照对位线位置进行贴合固定于光学基板上；

（4）将光纤准直器则按照标定的位置并转δφ进行角度偏离的补偿，然后将其与光学基板进行贴合固定。

本实施例整个装配过程，可以采用自动化对位和角度矫正的方法来完成，装配效率高、成本低。

在本实施例中，光纤准直器1、z-block（即波分解复用子组件2）、贴合有透镜阵列4的直角棱镜3和光学基板5，在装配后整体的尺寸可以做到长宽高不超过11×3.7×1.95mm，这个尺寸比相同节距的awg波分解复用接收组件的装配还要小，完全是一种小型化组件。

着重参见图7和图8，作为本实施实例的一种变形结构，本实施例是将光学基板5的长度加长，光学基板5的材料是光学玻璃或si材料，让直角棱镜3反射的光射入并透过光学基板5，然后聚焦在距离基板有微小距离的焦平面上。这种变形结构可以应用于光信号直接耦合进入光栅耦合器（gratingcoupler），然后再耦合进入波导，其余部件均与图3～6所示结构相同。

实施例2

参见图9和图10所示，本实施例与实施例1大致相同，其与实施例1不同之处在于4通道z-block变为8通道z-block，可以实现中心波长为1271nm，1291nm，1311nm，1331nm，1351nn，1371nm，1391nm和1411nm，共8个波长的波分解复用，相应的4通道透镜阵列也相应变为8通道。这种结构满足了400g的osfp光收发器中对高性能、小型化波分解复用接收组件的需求，其余部件均与图3～6所示结构相同。

参见图11和图12，作为本实施实例的一种变形结构，本实施例是将光学基板5的长度加长，光学基板5的材料是光学玻璃或si材料，让直角棱镜3反射的光射入并透过光学基板5，然后聚焦在距离基板有微小距离的焦平面上。这种变形结构可以应用于光信号直接耦合进入光栅耦合器（gratingcoupler），然后再耦合进入波导。

本实施例的安装实施方式与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例3

参见图13至图15，本实施例与实施例1大致相同，本实施例中，唯一与实施例1不同之处在于将透镜阵列4贴合在直角棱镜3的出射面上，此时可以选择焦距更短的透镜阵列4，以便在聚焦平面上获得更小尺寸的光斑，这种结构可以满足pd接收面积很小的应用场合。此时，可以通过严格控制光学基板的厚度来确保聚焦光斑焦平面的位置与pd接受面的位置相重合。

为了实现更小的相差，在选择透镜阵列时，可以采用如图16所示的凸面下沉透镜阵列（recessionlensarray）。此时凸面的台阶可以与棱镜的出射面贴合在一起。

本实施例的安装实施方式与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例4

参见图17至图19，本实施例与实施例3大致相同，本实施例中，与实施例3不同之处在于4通道z-block变为8通道z-block，相应的4通道透镜阵列也变为8通道。

为了实现更小的相差，在选择透镜阵列时，本实施例也可以采用图16所示的凸面下沉透镜阵列（recessionlensarray）。此时凸面的台阶可以与棱镜的出射面贴合在一起。

本实施例的安装实施方式与实施例1相同，在此不再赘述。

实施例5

参见图20至22，本实施例是实施例2和实施例4的结合，分别在直角棱镜3的前后面设置透镜阵列4（增加长焦距的透镜阵列（位于入射面）和短焦距的透镜阵列（位于出射面））。通过长焦距的透镜阵列（通常称之为weaklensarray），可以将准直光束进行收敛和缩小，然后经过直角棱镜3斜面反射后的收敛光束进入短焦距的透镜阵列中，最后聚焦在焦平面上。

本实施例可以将光斑聚焦到很小，并且由于光束收敛后，光斑大小随焦平面前后位置的变化敏感度很低，比较适用于osfp的波分解复用光接收组件。

为了实现更小的相差，在选择透镜阵列时，本实施例也可以采用凸面下沉透镜阵列（recessionlensarray）。此时凸面的台阶可以与棱镜的出射面贴合在一起。

本实施例的安装实施方式与实施例1相同，在此不再赘述。

需要说明的是，图3至图22所标示的部件标号均为相同名称部件标识相同标号。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本实用新型，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实用新型的精神和范围内，在形式上和细节上对本实用新型所做出的各种变化，均为本实用新型的保护范围。