通过光纤双向传输信息的光电设备及制造该设备的方法

xiaoxiao2020-7-2  2

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专利名称:通过光纤双向传输信息的光电设备及制造该设备的方法
通过光纤双向传输信息的光电设备及制造该设备的方法本发明涉及一种光电设备,如权利要求1的前序部分所限定的,该光电设备使用在中心站中或者邻近于中心站的收发机,在分布式用户和中心站之间借助于(电磁)辐射通过玻璃纤维来双向传输信息。所述设备例如被用在根据“光纤到户”原理运行的通信网络中,其中必须从针对“最后一英里”的多种妥协中做出明智的选择。用户可以,如果需要的话被物理地接合在一起成为较大的束(bundle)——每一束都构成一个子单元,或者被实现为单独订户(subscriber)。本发明的目标是将多个双向收发机集成在单个模块中。每一个单独的收发机包括一个辐射源和一个光检测器。双向收发机将一个波长分离器增加到其中,以便使得可以通过单个玻璃纤维进行下行通信和上行通信。应注意,本文中无论何处使用术语“玻璃纤维”, 该术语都涉及日常用语习惯。可以使用玻璃纤维,但是可使用替代材料的纤维,所述替代材料例如石英或者可能地合成树脂材料。关键参数尤其是装备的所需容量、生产成本和运行功率消耗。根据某些发射参数, 1260-1360nm的波段用于上行发射,1480-1580nm或者1480-1500nm的波段用于下行发射 (根据标准I EEE 802. 3ah)。典型的生产成本数字为50%用于收发机的部件、50%用于封
装,一个收发机的功率消耗例如为约1W,一个模块的尺寸是大约1x1x5 em。
2在用于例如12个玻璃纤维的模块的制造中,不同部件的对准是极为关键的。尤其是诸如激光器的辐射源(的有源区)的尺寸为仅大约几个微米。另一方面,光检测器的有源区相当大,例如为大约50微米。因此,有利的是,使用光检测器的有源区的相当大的表面区域检测所接收的辐射。发明人已认识到,辐射源和光检测器相对于彼此的物理固定的布置以及到检测器的辐射路径的延长使得该设备的设计是因果设计,从而可以固有的方式对准光检测器。根据本发明,在下行色彩(downstream color)和上行色彩(upstream color)之间实现空间分离,在该空间分离之后,辐射被进一步传输。

发明内容
因此,本发明的一个目标尤其是提供辐射源的空间布置到光检测器的空间布置的耦合,以使得多集成收发机的制造变为因果的。为实现此目标,本发明的一个方面的特征在于,一组若干个玻璃纤维以具有预定间距的阵列的形式被连接至一个多操作耦合元件,所述多操作耦合元件设有透镜,从而引导来自玻璃纤维的下行辐射和上行辐射通过一个多操作波长分割器,所述多操作波长分割器实现下行辐射和上行辐射之间的空间分离,使得所述下行辐射和上行辐射被成像在空间分离的辐射源和光检测器上,如权利要求1的特征部分所限定的。下面描述的实施方案可被使用以对构造多收发机系统有利。应注意,措词“透镜”在此以其日常意义被使用。“透镜”可以是具有光学透镜功能的任何系统,例如像常规透镜和聚焦镜。从美国专利6,736,553已知一种设备本身,其中在光学构件和子模块的元件之间提供对准,但是在该构造中不存在通过单个光学波导的二向通信。在“光纤到户”的情况下, 通常涉及通过单个光学波导的二向或双向通信,因此不能使用该技术。根据一个优选实施方案,所述辐射源和/或光检测器被布置在光学平台上,所述光学平台形成用于所述中心站的光电连接元件的一部分。同时所述光电连接元件提供到所述中心站的电连接。这导致了一个紧凑结构,尤其是如果所述辐射源和光检测器在所述阵列中相互固有地对准的话。在许多情况下,所有所需要的是对准辐射源的两个信道,以实现一个完全的XY配准。根据本发明的一个优选实施方案,所述辐射源和光检测器相对于彼此以固定且基本均勻的距离被固定在承载体上。由此通常简化了机械布置中的调节(accommodation)。根据本发明的一个优选实施方案,所述辐射源和光检测器被一起固定在承载体上,以基本位于一个平面内。由此通常简化了机械布置中的调节。根据本发明的一个优选实施方案,所述辐射源被构造为垂直激光器。已发现这在许多情况下导致简单的配置。根据本发明的一个优选实施方案,所述辐射源基本位于各个透镜的焦点中,而相关联的光检测器位于焦点外,即相比于所述焦点被进一步移动。这样检测辐射光斑的尺寸适合于可获得的检测器。根据本发明的一个优选实施方案,波导在光检测器的方向上被布置在波长分离元件中。这具有如下优势辐射源和光检测器被放置在距离彼此相当大的距离处,所述辐射光斑的尺寸不再是限制因素。根据本发明的一个优选实施方案,聚焦镜被布置在波长分离器和光检测器之间。 这提供了容易定尺寸的相同优势。根据本发明的一个优选实施方案,波长分离器包括针对第一波长的滤波器以及针对第二波长的镜,该滤波器和镜以它们被提及的这个顺序串联地光学连接,从波长分离器发出的或者进入波长分离器的辐射束基本垂直于辐射源和光检测器的安装表面。显然可使用滤波器而非镜,因而在此措词“镜”还包括滤波器。在该实施方案的一个有利改型中,波长分离器相对于所述辐射束和所述安装表面处于一倾斜角度。这使得易于以简单且可靠的方式来制造不仅设备本身,而且还有其部件,例如尤其是波长分离器。本发明还涉及一种制造如上所述的设备的方法。所述设备可以被容易且廉价地生产,并且大规模地用在当今的通信网络中。在从属权利要求中陈述了本发明的多个有利方面。


现在将参考本发明的优选实施方案,并且尤其参考附图,在下面更加详细地描述本发明的上述和其他特性、方面和优点,附图中图1是一个其中实现了本发明的阵列的三维视图;图2示出了具有MT套管(ferrule)的12-芯(12 — fold) MPO连接器;图3示出了具有90°的镜角度的光学耦合元件;图4示出了具有直线波束路径的光学耦合元件;图5a、图恥示出了微光学波长分离器的两个实施方案;
图6是光学平台的平面图;图7示出了辐射源和检测器之间的高度差;图8示出了微光学波长分离器中的波导91 ;图9示出了波长分离器和波导纤维之间的透镜系统112 ;图10示出了波长分离器和辐射源/检测器之间的分立透镜阵列113,同时该透镜阵列113用作光学平台;图11示出了用于所接收的辐射的聚焦镜;图12描绘了多个波长分离器的使用;以及图13示出了本发明的另一实施方案。
具体实施例方式图1示出了根据本发明的针对多个带有子元件的集成双向收发机的基于阵列的解决方案。示出的子系统通常将构成中心站的一部分,或者被放置在中心站中,或者邻近于中心站放置。块30是一个子组件用于该设备的安装底部或封装。还参看图2,实际的纤维由34表示,并且从块32出来。块36是一个光学耦合元件,该光学耦合元件包括象征性显示的光学部件,该光学部件将在下面被进一步地更加详细地描述。块40是一个波长分割器,也被表示为WDM (波分复用器)。块42是一个支撑辐射源(激光器)44和光检测器46的光学平台。块48是带有至外部世界的电气或电子连接器的印刷电路板(PCB)。在横切于所示出的图的方向上,连续的辐射路径之间通常存在均勻间距,其比率(ratio)等于波束34 中的连续纤维的间距。原理上可行的是,在纤维34之间实现的间距不同于该组件的其他部分的间距。具体而言,该排玻璃纤维在精确限定的距离处。它们被耦合至一个透镜系统(参看 38),所述透镜系统保持各个信道之间的相对距离。所述块36的辐射被耦合进波长分割器块40中,该波长分割器块40分离用于整排信道的发射波长和接收波长。这些被分离的信道被耦合至辐射源44用于发射,并被耦合至光检测器46用于接收所述辐射的相应的特定波长。诚然,对于辐射源和光检测器,它们可由分立元件构造,或者被构造为间距已合适的阵列。优选地,来自辐射源的辐射用于对准。然后,至少两个辐射源——其都被对准—— 被要求用于整个阵列的对准过程。这两个辐射源优选地是最外面的两个。在特定情况下, 固定的缩放因子可在信道部分的间距之间被引入。图2以前视图示出了带有MT套管的12-芯MPO连接器,即信道被横切于图的平面指引,并且信道由21表示。连续纤维之间的距离,即间距,通常是250+/-1 μπι。元件23和 25例如是装配到一个相对地定位的连接器的凹口中的销。所示出的其他元件与本发明没有直接关联。套管的材料可以是例如用嵌入的玻璃颗粒增强的合成树脂。这样的材料易于处理,例如通过抛光成光滑表面,在该光滑表面中嵌入玻璃纤维。在该技术中措词“套管”是标准的。图3示出了带有内含角度(incorporated angle)和光学辐射轴线53的光学耦合元件55的一部分。元件60例如是辐射源,元件34是波导纤维。所述耦合元件包括光学元件58,该光学元件58是反射镜或聚焦镜。所述耦合元件符合应当保持连续辐射束的间距这一要求。如果需要,所述间距可被增大或减小,只要所有纤维对之间的预定关系及伴随的精确度保持不变。图4示出了具有沿着中心辐射轴线51的直线路径的光学耦合元件。在此,玻璃纤维34发射发散的辐射束的阵列。对于每一纤维,通过光学元件50、52,发散束在外壳56内被准直到会聚点讨中。图fe、图恥示出了微光学波长分离器。借助于镜62在分离块中发生根据波长分割的复用,所述镜62在图fe中的朝上方向上传送来自辐射源63的一个波长,而将接收自该朝上方向的另一波长朝向检测器65向右反射。第二镜64实现了下行(63)辐射和上行 (65)辐射之间的相当大的位移。两个波束的端部位于图1的光学平台42的平面中。发明人已认识到,相应地辐射源应当被相当精确地聚焦在光学耦合元件上。优选地将垂直激光器用作辐射源,例如VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser,垂直腔表面发射激光器)。所述激光器的波束发散度小于常规激光器——例如,DFB (分布式反馈)激光器或者FP (法布里-珀罗)激光器——的波束发散度。此外,可以简单的方式将垂直激光器设置在光学平台42 (图1)上,假定辐射束在光学平台上的竖直方向上辐射。各个辐射束之间的相互关系不受图5a、图恥的子元件的配置干扰,或者仅略微受图5a、图恥的子元件的配置干扰。具体而言,图如还包括光学平台67,在光学平台67上/中设有辐射源和光检测器。在图恥中省去了该平台。为了清楚起见,所述平台还在多个其他图中存在,而每次通常并未示出对应于图恥的形式。在本实施例中,在图恥中指示的尺寸L1、L2和L3分别为 100 μ m、300 μ m 禾口 100 μ mo L4 是 6 μ m, L5 是 68 μ m,而 L7 是 84 μ m。在此,L6 是 500 μ m。图6是图1的光学平台例如元件42的平面图。垂直激光器101和相关联的发射机控制电子器件以及光检测器103和相关联的接收机控制电子器件优选地被放置在光学平台上,在同一平面105中。这些元件各被放置在辐射源阵列和检测器阵列中的相应一个中。辐射源具有在此对应于光检测器的间距的限定间距X。辐射源阵列和光检测器阵列之间的距离也是被限定的。辐射束以发散方式入射在光检测器的例如最大达80 μ m的较大的有源区上。相应地,对准容差可以是约ΙΟμπι的数量级。由于所述激光器的约6μπι的较小的有源区,针对这些激光器的对准容差为Iym的数量级。在图1的实施方案中,控制电子器件已被布置在一个相对地定位的PC板48上,并且原理上光学平台包括仅那些提供电光转换的元件(辐射源和光检测器)。现在将首先讨论微光学波长分离器的若干设计方面。通常,待从光学耦合元件接收的信号具有的波长不同于待被发射的信号的波长。在此描述的本发明的波长分离元件使得有可能分离所接收的辐射信号。因而,波长分离元件将符合如下规范a.用于待被接收的信号和待被发射的信号的不同波长以这些波长之间的预定距离被入射在一表面上;b.由于该元件的形状,x、y和ζ方向上的容差是相当宽的;c.可针对信号阵列执行该过程。通过图5a、图恥中的实施例示出的元件基于一辐射源,该辐射源相对于辐射源的最大值(FWHM)在例如9°处具有强度对半值。这是对于VCSEL (垂直腔表面发射激光器) 的一个典型值。其他类型——例如,FP (法布里-珀罗)激光器——的FWHM值通常高得多, 这限制了其应用可能性。
由于光学耦合元件中的透镜被设计为使得来自辐射源的辐射被最佳地捕获,因此所接收的信号将以非聚焦状态到达检测器。然而,因为光检测器具有比辐射源大得多的有源表面,这并不是一个严重的劣势。辐射源的有源区和相关联的光检测器之间的距离必须足够大,以便定位辐射源和检测器。实践中,这将意味着约Imm的距离。假定辐射源的辐射角为如上所提及的,激光器的有源区为6μπι(典型值),将伴随152μπι的光斑。某些检测器具有仅80 μ m的有源区。可按如下方式来解决太宽的辐射束的问题1.减小辐射源和检测器之间的距离;参阅针对此在图53/ 中给出的尺寸,其中所接收的辐射光斑具有约68 μ m的直径。在这方面,图fe提供了一个额外的光学平台67, 在所述光学平台67上安装有辐射源63和光检测器65。在图恥中不存在这样的共享平台。 它还适用于下面将讨论的其他实施方案,在该其他实施方案中,可能存在或者可能不存在所述的共享光学平台。2.在具有所示的尺寸的辐射源81和检测器83之间提供一高度差,例如在图7中。 在该布置中,激光器81将处于较低的高度,在本实施例中,低400 μ m(500 μ m-100 μ m)。图 7的其他元件对应于图5中的元件。3.在具有如图8中所示的配置的微光学波长分离器中使用波导91 ;波导91被设置在波长分离器中。现在,光斑尺寸变得独立于辐射源和检测器之间的距离。用于波导的非限制性优选宽度在30 μ m和50 μ m之间。在许多情况下,对于波长分离器,所要求的定位精度变为约ΙΟμπι。所述竖直距离由光学耦合元件上的光斑尺寸限制。图8的布置还包括与图恥相同的元件。4a.图9示出了光学耦合元件的改型(112)。在此,波长分离器是一个插入元件。 该实施方案具有如下优势额外的透镜阵列可用于将辐射束最佳地成像在辐射源和光检测器上。在此,辐射源和光检测器被安装在板103上。4b.使用具有集成的附加透镜系统的透明的光学平台113,在如图10中所示的波长分离器117中执行波长分离,在该光学平台上还容纳有辐射源和光检测器。透镜可以邻近于辐射源和/或光检测器存在。4c.借助于聚焦镜121将所接收的辐射成像在检测器1 上,如图11中所示。可以多种有利的方式机械地实现波长分离元件。如果输入辐射横切于光学平台入射,三个透明主体121、123、125可从左至右接合在一起,如图5中所示,带有前两个主体之间的薄的波长分离涂层,以及在第二主体和第三主体之间提供足够完全的反射的分离层。如果辐射基本平行于光学平台的平面到达,可获得相同的结果。波长分离器独立于辐射方向。还可以省略第三主体125的配置实现上述结果,在该情况下,全反射在外表面处发生。还可以省略第一主体121的配置实现上述结果,使得频率特定的反射发生在外表面处。显然,后两个改型可彼此组合。可借助于合适的涂层来实现完全反射。另一个可能性是使用固有的全反射。在这种情况下,中间主体123可具有相互平行但是与光学平台的平面包围一角度的上表面或下表面。
图12示出了具有多个波长分离块130、132的组合的另一实施方案,来自辐射源 134的辐射束和用于光检测器136的辐射束被单独地引导穿过所述分离块130、132。这导致了辐射源和光检测器之间的更大的空间距离。在该图中,辐射源可被定位在左侧(或者可能地在右侧),并且光检测器可被定位在右侧(或者可能地在左侧),还取决于两个波长分离元件的涂层。辐射源和光检测器均可以这种方式被对焦。然而,这不是必需的。图13示出了本发明的另一实施方案。在该实施方案中,波长分离块40相对于辐射束处于一倾斜角度。为了对比,以虚线示出波长分离块400,如与图5a、图恥对应的,波长分离块400具有更直的位置。该实施方案的各部件被给予与这些较后面的图的实施方案中相同的参考标号。该实施方案的主要优势——实际是根据本发明的光电设备的其他实施方案的主要优势——是,来自源63以及入射在检测器65上的辐射束以及从块40发出的波束全部至少基本垂直于其上安装有辐射源和光检测器的安装表面67。所述安装表面还可被表示为“光学平台”。这便于根据本发明的设备的可靠实现。该实施方案的另一主要优势是,其部件的制造——尤其是波长分离块40的部件的制造——是容易且相当廉价的。可容易地在一个平面(透明)板中一个接一个地制造大量的块,为此目的,所述平面(透明)板在两侧设有滤波器62和镜64。这可以实现原因在于,所述板的两侧涂覆有镜像/滤波层,随后借助于光刻法将所述镜像/滤波层图案化。还可使用替代的平版印刷技术,例如所谓的剥离(lift-off)技术。随后可借助于分离技术例如锯切来获得单独的波长分离块40。
权利要求
1.一种光电设备,其用于借助于中心站的收发机在逻辑分布的用户和所述中心站之间通过玻璃纤维双向传输信息,其特征在于一组若干个玻璃纤维(32)以具有预定间距的阵列的形式被连接至一个多操作耦合元件(36),所述多操作耦合元件(36)设有透镜,并且引导来自所述玻璃纤维的下行辐射和上行辐射通过一个多操作波长分割器(40),所述多操作波长分割器(40)实现所述下行辐射和上行辐射之间的空间分离,使得所述下行辐射和上行辐射分别被成像在辐射源(44)和光检测器(46)上,所述辐射源与所述光检测器空间分离。
2.根据权利要求1所述的光电设备,其中所述辐射源(44)和/或光检测器(46)借助于用于所述中心站的光电连接元件(48)上的承载体(42)而被定位。
3.根据权利要求1所述的光电设备,其中当所述辐射源相对于玻璃纤维的所述阵列被对准时,所述光检测器(46)全部相互固有地对准。
4.根据权利要求1所述的光电设备,其中所述辐射源(44)和所述光检测器(46)相对于彼此以固定且基本均勻的距离被固定在承载体(42)上。
5.根据权利要求1所述的光电设备,其中所述辐射源(44)和光检测器(46)被固定在承载体(42)上,基本在一个平面中。
6.根据权利要求1所述的光电设备,其中所述辐射源(44)被构造为垂直激光器。
7.根据权利要求1所述的光电设备,其中所述辐射源(44)基本位于各个透镜(50,52) 的焦点中,而相关联的光检测器(65)位于焦点外,即相比于所述焦点被进一步移动。
8.根据权利要求1所述的光电设备,其中带有透镜(113)的透明光学平台被放置在所述波长分离器(40)的平面和所述辐射源(44)/光检测器(46)之间,用于使所述下行辐射和/或上行辐射的辐射束适应。
9.根据权利要求1所述的光电设备,其中所述辐射源(44)和光检测器(46)在高度上不同,以便使所接收的辐射束的尺寸适应所述光检测器(44)的尺寸。
10.根据权利要求1所述的光电设备,其中波导(91)被布置在所述波长分离器和所述光检测器(46)之间,用于使所述上行辐射的辐射束适应。
11.根据权利要求1所述的光电设备,其中聚焦镜(127)被布置在所述波长分离器和所述光检测器(46)之间。
12.根据权利要求1所述的光电设备,其中所述波长分离器(40)包括针对第一波长的滤波器(62)以及针对第二波长的镜(64),该滤波器(62)和镜(64)以它们被提及的这个顺序串联地光学连接,从所述波长分离器(40)发出或者进入所述波长分离器(40)的辐射束基本上垂直于所述辐射源(44,63 )和所述光检测器(46,65 )的安装表面(42,67 )。
13.根据权利要求12所述的光电设备,其中所述波长分离器(40)相对于所述辐射束和所述安装表面(42,67)处于一倾斜角度。
14.一种制造光电设备的方法,所述光电设备借助于中心站的收发机在逻辑分布的用户和所述中心站之间通过玻璃纤维双向传输信息,其特征在于一组若干个玻璃纤维(32)以具有预定间距的阵列的形式被连接至一个多操作耦合元件(36),所述多操作耦合元件(36)设有透镜,并且引导来自所述玻璃纤维的下行辐射和上行辐射通过一个多操作波长分割器(40),所述多操作波长分割器(40)实现所述下行辐射和上行辐射之间的空间分离,使得所述下行辐射和上行辐射分别被成像在辐射源(44)和光检测器(46)上,所述辐射源与所述光检测器空间分离。
全文摘要
一种光电设备,其用于借助于中心站的收发机在逻辑分布的用户和所述中心站之间通过玻璃纤维双向传输信息。具体地,一组若干个玻璃纤维(32)以具有预定间距的阵列的形式被连接至一个多操作耦合元件(36),所述多操作耦合元件(36)设有透镜,并且引导来自玻璃纤维的下行辐射和上行辐射通过一个多操作波长分离器(40),所述多操作波长分离器(40)实现所述下行辐射和上行辐射之间的空间分离,使得所述下行辐射和上行辐射分别被成像在辐射源(44)和光检测器(46)上,所述辐射源与所述光检测器空间分离。
文档编号G02B6/42GK102597839SQ201080051458
公开日2012年7月18日 申请日期2010年9月2日 优先权日2009年9月15日
发明者G·N·范登霍温, M·M·德拉特, R·L·德伊杰 申请人:吉耐克西斯有限公司

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