准直光纤适配器和光纤收发器的制作方法

1.本公开涉及光通信技术领域，特别是涉及一种准直光纤适配器和光纤收发器。


背景技术：

2.光模块(optical module)由光纤收发器、功能电路和光接口等组成。光纤收发器包括发射和接收两部分，其中，发射部分用于将电信号转换成光信号，接收部分用于将光信号转换成电信号。
3.在光纤收发器中，为了便于光路设计以及对光信号进行分波和合波处理，通常需要将光路设计为平行光路，这就需要在光纤耦合处设置准直光纤适配器。
4.如何提高准直光纤适配器的耦合效率和适用性，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。


技术实现要素：

5.本公开实施例提供了一种准直光纤适配器和光纤收发器，以提高准直光纤适配器的耦合效率，从而提高光纤收发器的性能与可靠性。
6.根据本公开的一个方面，提供一种准直光纤适配器，包括：基座，具有安装孔腔，安装孔腔的一端具有定位结构；超表面准直透镜，与定位结构配合连接；套筒，位于安装孔腔内，套筒的远离定位结构的一端用于与光纤装配；以及，光纤插芯，位于安装孔腔内并且与套筒的靠近定位结构的一端装配，光纤插芯的远离定位结构的一侧端面用于与光纤光学耦合，光纤插芯的靠近定位结构的一侧端面与超表面准直透镜相对并且两者之间的间距与超表面准直透镜的焦距相匹配。
7.在一些实施例中，定位结构为定位凹槽，超表面准直透镜与定位凹槽的底壁固定连接。
8.在一些实施例中，定位凹槽为圆环形定位凹槽或方环形定位凹槽。
9.在一些实施例中，超表面准直透镜包括基板以及位于基板的一侧或两侧的纳米结构层，纳米结构层包含呈圆形阵列排布的多个纳米结构单元，并且纳米结构层的中心与基板的中心相重合。
10.在一些实施例中，定位结构为圆环形定位凹槽，基板为方形基板。
11.在一些实施例中，超表面准直透镜与光纤插芯的同轴度≤5微米。
12.在一些实施例中，基座包括可拆卸连接并且围合成安装孔腔的第一部分和第二部分，第一部分和第二部分的内侧分别设有安装凹槽，套筒位于第一部分和第二部分的安装凹槽内。
13.在一些实施例中，安装孔腔的另一端具有倒角。
14.在一些实施例中，套筒为c型开口陶瓷套筒或者为闭口陶瓷套筒，光纤插芯与套筒的靠近定位结构的一端过盈装配。
15.根据本公开的一个方面，提供一种光纤收发器，包括前述任一实施例的准直光纤
适配器。
16.根据本公开的一个或多个实施例，一方面可以使准直光纤适配器的轴向尺寸更小、结构更加紧凑，另一方面，平面状的透镜结构也更容易与设于安装孔腔一端的定位结构精准装配，从而实现与光纤插芯的轴向对准。因此，可以提高准直光纤适配器的耦合效率，从而提高光纤收发器的性能与可靠性。
17.根据在下文中所描述的实施例，本公开的这些和其它方面将是清楚明白的，并且将参考在下文中所描述的实施例而被阐明。
附图说明
18.在下面结合附图对于示例性实施例的描述中，本公开的更多细节、特征和优点被公开，在附图中：
19.图1是相关技术中的一种准直光纤适配器的内部结构示意图；
20.图2是本公开一些实施例的准直光纤适配器沿轴向剖切的截面结构示意图；
21.图3是本公开一些实施例的准直光纤适配器的端侧结构示意图(沿图1中a向观看)；
22.图4是本公开一些实施例的准直光纤适配器沿图1中b-b向剖切的截面结构示意图。
23.附图标记：
24.相关技术中：
25.001-准直光纤适配器；012-准直透镜；013-套筒；014-光纤插芯。
26.本公开实施例中：
27.100-准直光纤适配器；110-基座；111-安装孔腔；112-定位结构；120-超表面准直透镜；
28.130-套筒；140-光纤插芯；1110-定位凹槽；1210-基板；1211-纳米结构层；
29.1212-纳米结构单元；1101-第一部分；1102-第二部分；1103-安装凹槽。1104-倒角。
具体实施方式
30.在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本公开的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。
31.将理解的是，尽管术语第一、第二、第三等等在本文中可以用来描述各种元件、部件、区、层和/或部分，但是这些元件、部件、区、层和/或部分不应当由这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件、部件、区、层或部分与另一个元件、部件、区、层或部分相区分。因此，下面讨论的第一元件、部件、区、层或部分可以被称为第二元件、部件、区、层或部分而不偏离本公开的教导。
32.诸如“在
…
下面”、“在
…
之下”、“较下”、“在
…
下方”、“在
…
之上”、“较上”等等之类的空间相对术语在本文中可以为了便于描述而用来描述如图中所图示的一个元件或特征与另一个(些)元件或特征的关系。将理解的是，这些空间相对术语意图涵盖除了图中描绘
的取向之外在使用或操作中的元件的不同取向。例如，如果翻转图中的元件，那么被描述为“在其它元件或特征之下”或“在其它元件或特征下面”或“在其它元件或特征下方”的元件将取向为“在其它元件或特征之上”。因此，示例性术语“在
…
之下”和“在
…
下方”可以涵盖在
…
之上和在
…
之下的取向两者。诸如“在
…
之前”或“在
…
前”和“在
…
之后”或“接着是”之类的术语可以类似地例如用来指示光穿过元件所依的次序。元件可以取向为其它方式(旋转90度或以其它取向)并且相应地解释本文中使用的空间相对描述符。另外，还将理解的是，当层被称为“在两个层之间”时，其可以是在该两个层之间的唯一的层，或者也可以存在一个或多个中间层。
33.本文中使用的术语仅出于描述特定实施例的目的并且不意图限制本公开。如本文中使用的，单数形式“一个”、“一”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文清楚地另有指示。将进一步理解的是，术语“包括”和/或“包含”当在本说明书中使用时指定所述及特征、整体、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组的存在或添加一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元件、部件和/或其群组。如本文中使用的，术语“和/或”包括相关联的列出项目中的一个或多个的任意和全部组合，并且短语“a和b中的至少一个”是指仅a、仅b、或a和b两者。
34.将理解的是，当元件或层被称为“在另一个元件或层上”、“连接到另一个元件或层”、“耦合到另一个元件或层”或“邻近另一个元件或层”时，其可以直接在另一个元件或层上、直接连接到另一个元件或层、直接耦合到另一个元件或层或者直接邻近另一个元件或层，或者可以存在中间元件或层。相反，当元件被称为“直接在另一个元件或层上”、“直接连接到另一个元件或层”、“直接耦合到另一个元件或层”、“直接邻近另一个元件或层”时，没有中间元件或层存在。然而，在任何情况下“在
…
上”或“直接在
…
上”都不应当被解释为要求一个层完全覆盖下面的层。
35.本文中参考本公开的理想化实施例的示意性图示(以及中间结构)描述本公开的实施例。正因为如此，应预期例如作为制造技术和/或公差的结果而对于图示形状的变化。因此，本公开的实施例不应当被解释为限于本文中图示的区的特定形状，而应包括例如由于制造导致的形状偏差。因此，图中图示的区本质上是示意性的，并且其形状不意图图示元件的区的实际形状并且不意图限制本公开的范围。
36.除非另有定义，本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员所通常理解的相同含义。将进一步理解的是，诸如那些在通常使用的字典中定义的之类的术语应当被解释为具有与其在相关领域和/或本说明书上下文中的含义相一致的含义，并且将不在理想化或过于正式的意义上进行解释，除非本文中明确地如此定义。
37.如本文使用的，术语“衬底”可以表示经切割的晶圆的衬底，或者可以指示未经切割的晶圆的衬底。类似地，术语芯片和裸片(die)可以互换使用，除非这种互换会引起冲突。应当理解，术语“层”包括薄膜，除非另有说明，否则不应当解释为指示垂直或水平厚度。
38.相关技术中，如图1所示，准直光纤适配器001包括同轴对准的套筒013、光纤插芯014和准直透镜012，其中，套筒013的一端插入光纤插芯014，套筒013的另一端用于插入光纤(图中未示出)，准直透镜012采用传统曲面透镜设计，用于将光路调整为准直。
39.该相关技术存在以下技术缺陷：光纤插芯014和准直透镜012的同轴精度难以保
证，最大误差可达20微米，导致准直光纤适配器001的点精度(即出射光束与准直光纤适配器001的轴线的夹角θ)最大可达1度，从而影响到准直光纤适配器001的耦合效率(即准直光纤适配器001的输出光能量与接收光能量的比值)；由于准直透镜012的结构特点，准直光纤适配器001不适合做小体积设计，因此难以应用在高速传输的紧凑型光纤收发器中。
40.本公开实施例提供了一种准直光纤适配器和光纤收发器，以提高准直光纤适配器的耦合效率和适用性。
41.如图2和图3所示，本公开实施例提供的准直光纤适配器100，包括基座110、超表面准直透镜120、套筒130和光纤插芯140。基座110具有安装孔腔111，安装孔腔111的一端具有定位结构112，超表面准直透镜120与定位结构112配合连接。套筒130位于安装孔腔111内，套筒130的远离定位结构112的一端用于与光纤(图中未示出)装配。光纤插芯140位于安装孔腔111内并且与套筒130的靠近定位结构112的一端装配，光纤插芯140的远离定位结构112的一侧端面用于与光纤光学耦合，光纤插芯140的靠近定位结构112的一侧端面与超表面准直透镜120相对，并且两者之间的间距与超表面准直透镜120的焦距相匹配(例如，相等)。
42.超表面是指一种结构尺寸小于波长的人工二维材料。超表面元件的基本结构单元为纳米结构单元，其尺寸小于工作波长，处于纳米量级。超表面可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活、精准调控。超表面具有超轻超薄的性质，基于超表面制作的超表面元件，相比于传统光学元件，具有光学性能优异，体积小、可集成度高的特点。超表面透镜是一种基于超表面技术的平面状光学器件。
43.在本公开实施例中，采用了基于超表面设计的超表面准直透镜120。如图3所示，超表面准直透镜120包括基板1210以及位于基板1210的一侧或两侧的纳米结构层1211，该纳米结构层1211包含呈圆形阵列排布的多个纳米结构单元1212，基板1210的中心与纳米结构层1211的中心相重合。如图2所示，通过纳米结构层1211对光线的调控，可以将光纤经过光纤插芯140传输过来的光转变成准直平行光。
44.本公开实施例的准直光纤适配器100，由于采用了基于超表面设计的超表面准直透镜120，相比相关技术，一方面可以使器件的轴向尺寸更小、结构更加紧凑，另一方面，平面状的透镜结构也更容易与定位结构112精准装配，从而实现与光纤插芯140的轴向对准。在一些实施例中，准直光纤适配器100的光纤插芯140和超表面准直透镜120的同轴精度误差可以控制在5微米以内，准直光纤适配器100的点精度可以控制在0.3度以下，相比相关技术得到明显改善。
45.本公开实施例的准直光纤适配器100具有较高的同轴装配精度，而且可以基于超表面准直透镜120的光学调控设计获得精准的光学调控效果，因而，可以显著提高准直光纤适配器100的耦合效率。此外，由于准直光纤适配器100的结构可以基于超表面准直透镜120的光学调控设计而灵活调整，因此，准直光纤适配器100可以应用在多种类型的光纤收发器中，适用性大大提升，尤其适于应用在高速传输的紧凑型光纤收发器或者长光路设计的光纤收发器中，并且非常适合批量生产。
46.在本公开实施例中，基座110作为安装基体，用于为超表面准直透镜120、套筒130、光纤插芯140等部件提供支撑、定位和安装空间。基座110可以为金属件，具有屏蔽外部电磁干扰的效果。
47.如图2所示，在一些实施例中，基座110在安装孔腔111的另一端(即与定位结构112相对的一端)设有倒角1104，这样便于光纤从该端插入到安装孔腔111，继而插入到套筒130中与光纤插芯140的端面光学耦合。光纤插芯140可以采用圆柱体形状的陶瓷光纤插芯，用于引导光在其中传播。
48.在本公开的一些实施例中，如图4所示，基座110包括可拆卸连接并且围合成前述安装孔腔111的第一部分1101和第二部分1102，第一部分1101和第二部分1102的内侧分别设有安装凹槽1103，套筒130位于第一部分1101和第二部分1102的安装凹槽1103内。这样便于实现基座110与套筒130的安装以及保证套筒130的安装精度。第一部分1101和第二部分1102可以分别制作后焊接、粘接或者通过紧固件连接在一起。
49.如图4所示，在一些实施例中，套筒130为c型开口陶瓷套筒，光纤插芯140与套筒130可以是过盈装配。需要说明的是，在该实施例中，套筒130在设计时，其外径是略小于安装孔腔111的与其装配部分的内径，并且略大于光纤插芯140的外径的。当光纤插芯140与套筒130过盈装配后，光纤插芯140会将套筒130的外径略微撑大。套筒130的外壁与安装孔腔111的内壁之间可以是过盈装配。在一些实施例中，为了便于安装，套筒130的外壁与安装孔腔111的内壁之间也可以是间隙装配。在本公开的另一些实施例中，套筒还可以采用闭口陶瓷套筒，光纤插芯140与其是过盈装配。
50.在一些实施例中，为了实现光纤插芯140与套筒130之间的可靠固定，光纤插芯140与套筒130之间还可以同时固定连接(例如，通过点胶)。
51.可以基于套筒130与光纤插芯140的精密结构尺寸设计，使光纤与光纤插芯140的同轴度控制在1微米以内，从而使两者之间具有较高的耦合效率(即光纤插芯140接收的光能量与光纤输出的光能量的比值)。
52.在本公开实施例中，对于定位结构112的具体结构形式不做限定。如图2和图3所示，在一些实施例中，定位结构112为定位凹槽1110，定位凹槽1110的侧壁用于对超表面准直透镜120进行周向定位，定位凹槽1110的底壁与超表面准直透镜120可以固定连接(例如，通过点胶)。可以使用贴片机辅以影像识别技术将超表面准直透镜120贴片固定在定位凹槽1110中，使超表面准直透镜120与光纤插芯140实现高精度轴向对准。显然，相关技术中的准直光纤适配器，由于采用了传统准直透镜，因此不适合采用贴片工艺来装配，也就无法达到贴片工艺所能达到的装配精度。
53.在本公开实施例中，定位凹槽1110可以为图中所示的圆环形定位凹槽，超表面准直透镜120的基板1210为方形基板，超表面准直透镜120整体呈方形。超表面准直透镜120整体采用方形设计，便于裁切及批量生产。圆环形定位凹槽对于整体呈方形的超表面准直透镜120具有四点定位作用，使超表面准直透镜120与光纤插芯140可以实现高精度轴向对准。
54.在一些实施例在，定位凹槽还可以为方环形定位凹槽，方环形定位凹槽与整体呈方形的超表面准直透镜的形状相匹配，也可以使超表面准直透镜与光纤插芯实现高精度轴向对准。
55.在本公开的一些其它实施例中，定位结构还可以采用其它设计，例如，定位结构可以包括用于与超表面准直透镜的边缘相配合的一个或多个定位凸起，也能够对超表面准直透镜起到较好的定位效果。
56.本公开实施例还提供一种光纤收发器，包括前述任一实施例的准直光纤适配器
100。由于准直光纤适配器100的耦合效率提高，而且结构可以设计的紧凑小巧，因此光纤收发器的器件性能较佳，结构也可以设计的更加紧凑。
57.本公开实施例还提供一种光模块，包括前述实施例的光纤收发器。基于前述准直光纤适配器100的设计，光模块也具有相应的有益效果，具有较佳的传输性能。
58.例如，在一个对比例中，100g或400g光模块(传输速率为100g或400g)的光纤收发器采用了相关技术中的准直光纤适配器，准直光斑直径为250～400微米。由于准直度和点精度的误差难以保证，导致对光模块中波长激光器的耦合效率以及整个产品的稳定性影响很大。而若在100g或400g光模块中采用本公开实施例的准直光纤适配器，器件的准直度和点精度误差可以被明显改善，光模块中波长激光器的耦合效率也相应提升，不但可以改善光模块产品的性能，还能降低产品生产工艺难度，提高生产效率。
59.在另一个对比例中，combo pon olt光模块(combo,联合；pon,passive optical network,无源光纤网络；olt,optical line terminal,光线路终端)的光纤收发器需要在同轴器件中分离出波长为1270纳米和1310纳米的两个来自于onu端(optical network unit，光节点)的信号，由于两个波长很近，单用滤波片很难将非准直的光束在大角度下进行分离，因此也必须使用准直光纤适配器来对光路进行准直，准直光斑直径一般为250～500微米。该对比例中准直光纤适配器采用了传统c-lens(微透镜)，由于准直度和点精度误差较大，会导致1490纳米激光器和1577纳米激光器的耦合效率低，从而导致生产良品率低下，产品光路不稳定。而若在combo pon olt光模块中采用本公开实施例的准直光纤适配器，由于准直度和点精度误差被明显改善，使得光模块中1490纳米激光器和1577纳米激光器的耦合效率也相应提升，这样不但可以改善光模块产品的性能，还能降低产品生产工艺难度，提高生产效率，从而有效提升产品的竞争力。
60.本说明书提供了能够用于实现本公开的许多不同的实施方式或例子。应当理解的是，这些不同的实施方式或例子完全是示例性的，并且不用于以任何方式限制本公开的保护范围。本领域技术人员在本公开的说明书的公开内容的基础上，能够想到各种变化或替换，这些都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所附权利要求所限定的保护范围为准。

技术特征：
1.一种准直光纤适配器，其特征在于，包括：基座，具有安装孔腔，安装孔腔的一端具有定位结构；超表面准直透镜，与定位结构配合连接；套筒，位于安装孔腔内，套筒的远离定位结构的一端用于与光纤装配；以及光纤插芯，位于安装孔腔内并且与套筒的靠近定位结构的一端装配，光纤插芯的远离定位结构的一侧端面用于与光纤光学耦合，光纤插芯的靠近定位结构的一侧端面与超表面准直透镜相对并且两者之间的间距与超表面准直透镜的焦距相匹配。2.根据权利要求1所述的准直光纤适配器，其特征在于，定位结构为定位凹槽，超表面准直透镜与定位凹槽的底壁固定连接。3.根据权利要求2所述的准直光纤适配器，其特征在于，定位凹槽为圆环形定位凹槽或方环形定位凹槽。4.根据权利要求1所述的准直光纤适配器，其特征在于，超表面准直透镜包括基板以及位于基板的一侧或两侧的纳米结构层，纳米结构层包含呈圆形阵列排布的多个纳米结构单元，并且纳米结构层的中心与基板的中心相重合。5.根据权利要求4所述的准直光纤适配器，其特征在于，定位结构为圆环形定位凹槽，基板为方形基板。6.根据权利要求4所述的准直光纤适配器，其特征在于，超表面准直透镜与光纤插芯的同轴度≤5微米。7.根据权利要求1所述的准直光纤适配器，其特征在于，基座包括可拆卸连接并且围合成安装孔腔的第一部分和第二部分，第一部分和第二部分的内侧分别设有安装凹槽，套筒位于第一部分和第二部分的安装凹槽内。8.根据权利要求1所述的准直光纤适配器，其特征在于，安装孔腔的另一端具有倒角。9.根据权利要求1～8中任一项所述的准直光纤适配器，其特征在于，套筒为c型开口陶瓷套筒或者为闭口陶瓷套筒，光纤插芯与套筒的靠近定位结构的一端过盈装配。10.一种光纤收发器，其特征在于，包括根据权利要求1至9中任一项所述的准直光纤适配器。

技术总结
提供一种准直光纤适配器和光纤收发器。准直光纤适配器包括：基座，具有安装孔腔，安装孔腔的一端具有定位结构；超表面准直透镜，与定位结构配合连接；套筒，位于安装孔腔内，套筒的远离定位结构的一端用于与光纤装配；以及，光纤插芯，位于安装孔腔内并且与套筒的靠近定位结构的一端装配，光纤插芯的一侧端面用于与光纤光学耦合，光纤插芯的另一侧端面与超表面准直透镜相对并且两者之间的间距与超表面准直透镜的焦距相匹配。本公开实施例技术方案可以提高准直光纤适配器的耦合效率和适用性。提高准直光纤适配器的耦合效率和适用性。提高准直光纤适配器的耦合效率和适用性。


技术研发人员：陈海峰 孙磊
受保护的技术使用者：天津山河光电科技有限公司
技术研发日：2022.09.15
技术公布日：2023/2/9