一種光纖耦合模塊的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于有源光纜中的光學組件，具體地說是涉及一種高密度的多模光纖 耦合模塊。
【背景技術】
[0002] 隨著大數據時代的來臨，流媒體、社交網絡和云計算等帶寬消耗型互聯網應用得 到蓬勃發展，作為其支撐的數據中心的規模也越來越大，數據中心內部的機柜之間需要大 量的數據交換，對互連速度和密度提出更高的要求。傳統的電子互連技術不能滿足新型數 據中心的需求，目前普遍采用有源光纜(A0C)進行機柜之間的互連。在高性能計算機、大容 量存儲器等系統中，也往往采用有源光纜，以實現設備之間的高速互連。
[0003] 有源光纜是一種集成的光電模塊，它由一對光纖收發模塊和一條帶狀光纜組成， 如圖1所示。在A端，數據輸入為電子信號，通過電光轉換組件將電信號轉換為特定波長的光 信號，光信號經光纜傳輸到達B端后，再通過電光轉換組件轉換為電子信號輸出。
[0004]光纖收發模塊包括半導體激光器陣列-光纖陣列耦合組件（即發射組件）、光纖陣 列-光探測器陣列耦合組件（即接收組件），以及激光器陣列和光探測器陣列的驅動電路。大 型數據中心急需高密度的互連技術，因此需要將光纖收發模塊中的各組件以最緊湊的形式 集成起來。
[0005] 目前的有源光纜技術主要有三類:第一類是將發射組件和接收組件各自封裝成獨 立的模塊，這種方案的模塊總體積為集成方案的兩倍。第二類是將半導體激光器和光探測 器排成一個線陣，與光纖陣列進行耦合并封裝為一個集成模塊，這種方案的缺點是，當限定 模塊的寬度時，能夠容納的并行收發端口數有限。第三類是將半導體激光器和光探測器排 成一個2XN的陣列，以兩個光纖陣列分別與激光器陣列和光探測器陣列耦合，封裝成一個 集成的收發模塊，這種方案能容納最多的并行收發端口數。
[0006] 對上述第三類光纖收發模塊，韓國電子通信研究院的科學教報道了一種技術方 案，他們將一個2 X N端口的二維光纖陣列，端面拋光成45°斜面，通過貼裝于光纖陣列下表 面的微透鏡陣列與激光器陣列和光探測器陣列進行耦合。這種技術方案對光纖陣列的制作 工藝有非常高的要求，因為對二維光纖陣列，很難保證兩排光纖之間的定位精度。
[0007] 鑒于以上情況，現有的有源光纜存在模塊體積較大、收發端口數量有限、工藝復雜 等缺點。 【實用新型內容】
[0008] 針對現有技術體積較大、收發端口數量有限、工藝復雜等缺點，本實用新型提出一 種新型的光纖耦合模塊，旨在解決以上技術的問題。
[0009] 為實現上述目的，本實用新型提供了一種光纖耦合模塊，其特征在于，所述光纖耦 合模塊包括:激光器陣列、45°端面的光纖陣列、光纖連接器、平端面光纖陣列、微透鏡陣列、 直角三棱鏡、光探測器陣列和和基底；
[0010]所述激光器陣列和所述光探測器陣列設置在所述基底上;所述微透鏡陣列粘貼在 所述直角三棱鏡的入射直角面上;所述45°端面的光纖陣列與所述平端面光纖陣列背靠背 粘貼在一起，所述45°端面的光纖陣列的尾纖與所述平端面光纖陣列的尾纖均穿入所述光 纖連接器中；
[0011]所述激光器陣列與所述45°端面光纖陣列直接耦合，構成該光纖耦合模塊中的發 射組件；
[0012] 所述平端面光纖陣列與所述光探測器陣列通過所述直角三棱鏡和所述微透鏡陣 列進行耦合，構成該光纖耦合模塊的接收組件。
[0013] 優選地，所述激光陣列為VCSEL激光器陣列；
[0014] 優選地，所述光纖連接器為2 XN芯ΜΡ0光纖連接器；
[0015] 優選地，所述微透鏡陣列為多晶硅材料制作的微透鏡陣列。
[0016] 總體而言，通過本實用新型所構思的以上技術方案，與現有技術相比，、能夠取得 以下技術有益效果：
[0017] (1)本實用新型提出一種新型的光纖耦合模塊，以45°斜端面光纖陣列與激光器陣 列耦合，以一個平端面光纖陣列通過直角棱鏡和微透鏡陣列與光探測器耦合，并將發射組 件和接收組件集成在一個模塊中，模塊結構緊湊、互連密度高，并具有工藝簡單的優勢。
【附圖說明】
[0018] 圖1是典型的有源光纜結構示意圖；
[0019] 圖2是本實用新型所述的高密度光纖耦合模塊結構示意圖；
[0020] 圖3是45°端面光纖陣列的三視圖，（a)為主視圖，（b)為俯視圖，（c)為左視圖；
[0021 ]圖4是平端面光纖陣列的三視圖，（a)為主視圖，（b)為俯視圖，（c)為左視圖；
[0022]圖5是光纖端面至光探測器端面的光路示意圖；
[0023]圖6是微透鏡陣列的三視圖，（a)為主視圖，（b)為俯視圖，（c)為左視圖。
【具體實施方式】
[0024] 為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施 例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋 本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0025] 下面結合附圖對本實用新型做進一步說明：
[0026]如圖2所示，本實用新型所述的高密度光纖收發模塊包括VCSEL激光器陣列1、45° 端面的光纖陣列2、2XN芯ΜΡ0光纖連接器3、平端面光纖陣列4、微透鏡陣列5、直角三棱鏡6、 光探測器陣列7和和陶瓷基底8。其中激光器陣列1和光探測器陣列7以高精度的貼片機貼裝 在同一個陶瓷基底8上;微透鏡陣列5粘貼在直角三棱鏡6的入射直角面上;45°端面的光纖 陣列2與平端面光纖陣列4以膠水背靠背粘貼在一起，尾纖均穿入ΜΡ0光纖連接器3中，制成 可插拔式的光纖收發模塊。
[0027] VCSEL激光器陣列1與45°端面光纖陣列2直接近距離耦合，構成該光纖收發模塊中 的發射組件。激光器陣列發出的豎直向上的激光束，在45°端面光纖陣列的斜端面發生全反 射，折向水平方向在光纖中傳輸。為了保證光束的耦合效率，光纖應盡量貼近激光器陣列的 表面，因此在制作光纖陣列時，讓光纖突出定位基片一定長度，如圖3所示。
[0028] 平端面光纖陣列4與光探測器陣列7通過直角三棱鏡6和微透鏡陣列5進行耦合，構 成該光纖收發模塊的接收組件。平端面光纖陣列4如圖4所示，從光纖輸出的光束沿水平方 向傳輸，經直角三棱鏡6的斜面反射之后，入射在光探測器陣列7上。由于光纖發出的是發散 光束，為了保證耦合效率，在三棱鏡的入射直角面上貼裝微透鏡陣列5。
[0029] 在裝配過程中，首先通過精密光學調整架，將激光器陣列1與光纖陣列2調節至精 確對準并固定。背靠背粘貼的45°端面光纖陣列2與平端面光纖陣列4之間的相對定位精度 是沒有工藝保證的，在光纖陣列2與激光器陣列1精確對準的前提下，光纖陣列4與光探測器 陣列7之間則非精確對準，可以通過調節三棱鏡6的傾角來糾正二者之間的對準誤差。
[0030] 從光纖陣列4經微透鏡陣列5和三棱鏡6至光探測器陣列7的光束傳播過程，如圖5 所示。由于光纖端面被置于微透鏡的焦面上，入射在光探測器上的是平行光，光束直徑W取 決于光纖的數值孔徑NA和微透鏡的焦距f，如式(1)。
[0031] ff=2f*NA (1)
[0032] 微透鏡陣列5如圖6所示，一般是通過微電子工藝在基底材料上刻蝕而成的單球面 透鏡陣列，透鏡焦距f取決于球面的曲率半徑R和基底材料的折射率n，如式(2);透鏡球面的 弧高Η取決于透鏡孔徑D和球面曲率半徑R，如式(3)。
[0033] (2)
[0034] (3)
[0035] 由式(2)可知，在給定基底材料折射率η的情況下，透鏡焦距f越小，則球面曲率半 徑R越小;而由式(3)可知，在給定透鏡孔徑D的情況下，透鏡曲率半徑R越小，則球面弧高Η越 大。由此構成尺寸關系:f減小-R減小-Η增大。
[0036]根據式（1)，光斑尺寸W與透鏡的焦距f成正比，而為了實現高密度的互連，要求光 纖間距越小越好(通常為250微米），因此限制了透鏡孔徑D和光斑尺寸W，繼而要求透鏡焦距 f越小越好。根據上述尺寸關系，這會造成透鏡球面的弧高增加。
[0037]由于微透鏡陣列一般以微電子刻蝕工藝加工而成，球面弧高Η不能做到很大，實際 的工藝能力與高密度互連的需求相矛盾。考察上述公式(2)，對應相同的焦距f(根據式（1) 對應相同的光斑尺寸W)，當微透鏡基底材料的折射率η增大時，球面曲率半徑R亦增大，從而 減小對透鏡球面弧高Η的要求。
[0038]微透鏡陣列通常以石英玻璃或者多晶硅制作，在有源光纜通常工作的850納米波 段，石英玻璃的折射率為1.45,多晶硅的折射率為3.44。根據式(2)，對應同樣的光斑尺寸即 透鏡焦距，采用多晶硅材料制作的微透鏡陣列，較之石英玻璃材料，透鏡的球面曲率半徑增 加4.4倍，球面弧高可以大幅減小。
[0039]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，并不 用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改 進等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【主權項】
1. 一種光纖耦合模塊，其特征在于，所述光纖耦合模塊包括:激光器陣列、45°端面的光 纖陣列、光纖連接器、平端面光纖陣列、微透鏡陣列、直角三棱鏡、光探測器陣列和基底； 所述激光器陣列和所述光探測器陣列設置在所述基底上;所述微透鏡陣列粘貼在所述 直角三棱鏡的入射直角面上;所述45°端面的光纖陣列與所述平端面光纖陣列背靠背粘貼 在一起，所述45°端面的光纖陣列的尾纖與所述平端面光纖陣列的尾纖均穿入所述光纖連 接器中； 所述激光器陣列與所述45°端面光纖陣列直接耦合，構成該光纖耦合模塊中的發射組 件； 所述平端面光纖陣列與所述光探測器陣列通過所述直角三棱鏡和所述微透鏡陣列進 行耦合，構成該光纖耦合模塊的接收組件。2. 如權利要求1所述的光纖耦合模塊，其特征在于，所述激光陣列為VCSEL激光器陣列。3. 如權利要求1所述的光纖耦合模塊，其特征在于，所述光纖連接器為2 X N芯MPO光纖 連接器。4. 如權利要求1所述的光纖耦合模塊，其特征在于，所述微透鏡陣列為多晶硅材料制作 的微透鏡陣列。
【專利摘要】本實用新型公開了一種光纖耦合模塊，屬于有源光纜中的光學組件，現有技術中的有源光纜存在模塊體積較大、收發端口數量有限、工藝復雜等缺點；本實用新型提供的光纖耦合模塊，以45°斜端面光纖陣列與激光器陣列耦合，以一個平端面光纖陣列通過直角棱鏡和微透鏡陣列與光探測器耦合，并將發射組件和接收組件集成在一個模塊中，模塊結構緊湊、互連密度高，并具有工藝簡單的優勢。
【IPC分類】G02B6/42
【公開號】CN205263362
【申請號】CN201521037260
【發明人】羅志祥, 占爽, 萬助軍
【申請人】華中科技大學
【公開日】2016年5月25日
【申請日】2015年12月14日