帶多重光學結(jié)構(gòu)和/或表面的集成透鏡，及其光模塊和收發(fā)器，和制造及使用方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光通信領(lǐng)域，尤其是適用于多模光或光電通信的光模塊。
技術(shù)背景
[0002]目前的光模塊是高度小型化和高速化的。由于光模塊在促進光通信工業(yè)發(fā)展和現(xiàn)代化中起到了重要作用，所以需要更小和更快的光模塊。小型化使越來越的功能模塊和/或結(jié)構(gòu)集成到有限的裝置空間，且相應(yīng)地，光模塊和通信系統(tǒng)間的連接和/或接口界面也變得更復(fù)雜。
[0003]光模塊中光信號的傳輸和轉(zhuǎn)換是光通信的基礎(chǔ)。為此，光模塊采用了大量光發(fā)射器，接收器和光電探測器。由于應(yīng)刷電路板的使用，光發(fā)射器，光模塊中接收器和光電探測器都集成到了 PCB上。PCB上的電路用于將器件準確鏈接。這樣，光模塊的生產(chǎn)成本大幅下降，同時器件結(jié)構(gòu)也變得更緊湊。
[0004]技術(shù)人員通常利用光耦合和/或連接裝置在光模塊中發(fā)送來自PCB上光發(fā)射器的光信號，或?qū)碜酝獠抗馄骷?比如，客戶端)的入射光信號引導(dǎo)至光模塊中PCB上的光探測器。但，傳統(tǒng)光耦合和/或連接器的成本和復(fù)雜度都較高。許多傳統(tǒng)光耦合和/或連接器采用復(fù)數(shù)個獨立光透鏡匯聚，改變或引導(dǎo)光信號的光路，和此類獨立透鏡的安裝和制造可能會讓人難以接受地復(fù)雜，高成本和/或低效。
[0005]本“技術(shù)背景”部分僅用于提供背景信息?！凹夹g(shù)背景”的陳述并不意味著本“技術(shù)背景”部分的主旨向本發(fā)明許可了現(xiàn)有技術(shù)，并且本“技術(shù)背景”的任何部分，包括本技術(shù)背景”本身，都不能用于向本發(fā)明許可現(xiàn)有技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明目的在于克服本技術(shù)領(lǐng)域的一個或多個缺陷，并提供一種配備一個或多個透鏡及其他光學表面(比如，反射鏡)的集成透鏡(比如，光耦合和/或連接器件)。光路耦合和鏈接可在光模塊發(fā)射器或接收器中利用一個或多個透鏡實現(xiàn)。
[0007]為了實現(xiàn)本目標，一方面，本發(fā)明涉及帶多重光學結(jié)構(gòu)和/或表面的集成透鏡，包括第一腔室(比如，適用于一個或多個光電裝置的外罩或空間)，第二腔室(比如，第二腔室)，和光纖適配器。所述第一腔室位于集成透鏡的第一側(cè)，而所述第二腔室位于集成透鏡的第二側(cè)。所述光纖適配器和集成透鏡的第一光學表面(比如，反射鏡或其他反射表面)沿光纖適配器和第一光學表面間的光路光軸彼此相對，且光纖適配器的中軸與集成透鏡的底部平行。光耦合器具有延伸進入第一腔室的第一集成透鏡。第一透鏡通常為凸透鏡，且設(shè)置在光電發(fā)射或接收器件上方，比如激光二極管或光電二極管。第二腔室通常構(gòu)成了第一光學表面和備選的第二光學表面，比如反射鏡(比如，在發(fā)射器實施例中)。第一和第二光學表面為平面，而在某些實施例中，以160-175°的角度相交。所述光纖適配器包括延伸進入集成透鏡的第二透鏡，所述第二透鏡可以是凸狀或凹狀的。
[0008]此外，在涉及光電發(fā)射器集成透鏡的實施例中，第一腔室還包括構(gòu)成第三光學表面(比如，反射鏡或其他反射表面)的子腔室，其中所述第三光學表面通常是平面的且以預(yù)定角相對第一腔室的一個或多個平坦表面傾斜設(shè)置。所述子腔室通常接近或鄰近光線適配器(比如，在第一透鏡和光線適配器之間)。
[0009]第三光學表面和第一腔室平面表面之間的夾角為第一預(yù)定角，其中所述第一腔室平面表面與集成透鏡的最上端和最下端平面表面平行。將本平面表面作為參考平面，所述第一預(yù)定角在某些實施例中為101° ±x°，其中X為小于或等于15的正整數(shù)(比如，101° ±7° , 101° ±3°，等)。相反地，所述角就為79° ±x°。在這樣的實施例中，第三光學表面的光接收表面面向第二光學表面的光反射表面。在其他實施例中，所述第三光學表面相對于第一腔室平面表面以第二預(yù)定角設(shè)置，其中所述第一腔室平面表面與集成透鏡的最上端和最下端平面表面平行。將本平面表面作為參考平面，所述第二預(yù)定角度在某些實施例中就等于60° ±y°，其中y為小于或等于15的正數(shù)(比如，60° ±5° ,60° ±3°，等)。所述子腔室使制造集成透鏡的注塑成型工藝變得更簡單，更低成本。
[0010]在這樣的情況下，當?shù)诙鈱W表面反射的光信號在第三光學表面入射，入射角的總和大于全部反射臨界角。即，光信號可利用第三光學表面以最小損失反射至光學監(jiān)控探測器(比如，光電二極管[PD]或雪崩光電二極管)。在涉及光發(fā)射器的實施例中，監(jiān)控探測器設(shè)置在第一腔室，在第三光學表面下方。本結(jié)構(gòu)較簡單，且提供了更高的反射效率。
[0011 ] 在其他涉及適用于光電發(fā)射器的集成透鏡的實施例中，第一腔室還可包含第三透鏡。所述第三透鏡為凸透鏡且位于第一透鏡和第三光學表面之間(比如，在光學監(jiān)控探測器之上)，與第三光學表面和第一腔室的平面表面相交處鄰近或接近，其中所述平面表面與集成透鏡的最上端和最下端平面表面平行。第三光學表面反射的光(比如，至少部分光信號)由第三透鏡匯聚到第三光學表面下方的光學監(jiān)控探測器。第三光學表面反射的光信號可在有第三透鏡參與的情況下更有效地匯聚到光學監(jiān)控探測器，從而提高探測效率。
[0012]所述集成透鏡還包含通氣孔，用于讓空氣或其他氣體自由出入第一腔室。在某些實施例中，所述通氣孔設(shè)置在集成透鏡與光線適配器相對的一端，但它的位置并不是那樣局限。所述通氣孔延伸穿過集成透鏡，一端接觸集成透鏡的外部而另一端與第一腔室連接。
[0013]集成透鏡最底端表面可用光學膠之類的粘合劑粘貼到PCB —類的基板上。由于第一腔室包含空氣，第一腔室內(nèi)的空氣可從集成透鏡下方通過通氣孔排出，所述通氣孔與集成透鏡最上端表面有氣態(tài)連接。同時，光模塊運行期間PCB上器件產(chǎn)生熱量(比如，激光二極管，光電二極管，等)可通過通氣孔散出，降低PCB上器件的工作溫度并保持模塊工作穩(wěn)定。
[0014]集成透鏡可通過注塑一次成型(即，不要其他部件的輔助)。文中所述第一腔室，第二腔室，第一和第二透鏡，第一光學表面，第二光學表面，第三光學表面，第四光學表面，第二透鏡，第三透鏡和通氣孔結(jié)構(gòu)可通過注塑一次一體成形。因此，制造所述集成透鏡的方法可包括將集成透鏡材料注入具有集成透鏡形狀的模具，然后將注塑材料從模具分離。本發(fā)明還包括在將其注入模具前加熱集成透鏡材料，然后再冷卻注塑材料。由于具有操作簡單，成本低，和生產(chǎn)效率高的特點，本方法有益于產(chǎn)品制造。所述集成透鏡還由高透光性，化學和機械性能穩(wěn)定的材料制成，可注塑成型，比如玻璃，聚醚酰亞胺(PEI)，聚醚砜(PES)，聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)，聚苯乙烯(PS)，或有機玻璃(PMMA)。
[0015]優(yōu)選地，所述集成透鏡由PEI制成。PEI的玻璃化溫度為216°C。PEI具有高絕緣強度，阻燃性，和極低的煙生成。PEI具有極高的機械性能(比如，高剛度或彈性系數(shù))和連續(xù)使用性，最高可在170°C下持續(xù)使用。標準，未填充PEI (比如，馬薩諸塞州匹茲堡沙特基礎(chǔ)工業(yè)公司的商用級產(chǎn)品ULTEM 1000)具有0.22W/(m*K)的特有導(dǎo)熱性。PEI是制造光學透鏡的優(yōu)秀原材料。
[0016]優(yōu)選地，第二光學表面和集成透鏡最底端表面間夾角為135 ° ±15°，以集成透鏡最底端表面為參考平面，而第三光學表面和集成透鏡最底端表面間夾角為150° ±15°，同樣以集成透鏡最底端表面為參考平面。
[0017]所述集成透鏡適用于將來自光纖的光信號耦合和/或連接到光接收器，或?qū)碜怨獍l(fā)射器的光信號耦合和/或連接到光纖。而且，在光收發(fā)器中，用于接收器和發(fā)射器的集成透鏡可相互平行和/或接近。
[0018]此外，光接收器的集成透鏡(指文中“接收器集成透鏡”)包括第一腔室，其上帶又第一光學表面的第二腔室，第一透鏡，和光纖適配器。所述第一光學表面可以是反射鏡。所述接收器集成透鏡還可包括設(shè)置于光線適配器最內(nèi)端的準直透鏡(即，光線適配器最大程度延伸入集成透鏡的一端)。接收器集成透鏡中的光線適配器連接和/或接收光信號傳輸光纖。
[0019]而且，光接收器或收發(fā)器還包括設(shè)置在第一透鏡下方的光電二極管(PD，比如雪崩光電二極管[APD])。所述H)通常通過PCB上的觸點與跨組放大器(TIA)電連接，其中PCB用于承載ro和TIA的安裝(比如，在第一腔室中)。
[0020]接收器集成透鏡通過設(shè)置在光纖適配器最內(nèi)端的透鏡接收來光信號傳輸光纖的光信號，其中所述設(shè)置在光纖適配器最內(nèi)端的透鏡用于光信號匯聚到第一光學表面(比如，反射鏡)。光信號在光學表面入射(比如，用于信號的全反射)，然后