專利名稱：通過光纖雙向傳輸信息的光電設備及制造該設備的方法
通過光纖雙向傳輸信息的光電設備及制造該設備的方法本發明涉及一種光電設備，如權利要求1的前序部分所限定的，該光電設備使用在中心站中或者鄰近于中心站的收發機，在分布式用戶和中心站之間借助于(電磁)輻射通過玻璃纖維來雙向傳輸信息。所述設備例如被用在根據“光纖到戶”原理運行的通信網絡中，其中必須從針對“最后一英里”的多種妥協中做出明智的選擇。用戶可以，如果需要的話被物理地接合在一起成為較大的束(bundle)——每一束都構成一個子單元，或者被實現為單獨訂戶(subscriber)。本發明的目標是將多個雙向收發機集成在單個模塊中。每一個單獨的收發機包括一個輻射源和一個光檢測器。雙向收發機將一個波長分離器增加到其中，以便使得可以通過單個玻璃纖維進行下行通信和上行通信。應注意，本文中無論何處使用術語“玻璃纖維”， 該術語都涉及日常用語習慣。可以使用玻璃纖維，但是可使用替代材料的纖維，所述替代材料例如石英或者可能地合成樹脂材料。關鍵參數尤其是裝備的所需容量、生產成本和運行功率消耗。根據某些發射參數， 1260-1360nm的波段用于上行發射，1480-1580nm或者1480-1500nm的波段用于下行發射 (根據標準I EEE 802. 3ah)。典型的生產成本數字為50%用于收發機的部件、50%用于封
裝，一個收發機的功率消耗例如為約1W，一個模塊的尺寸是大約1x1x5 em。
2在用于例如12個玻璃纖維的模塊的制造中，不同部件的對準是極為關鍵的。尤其是諸如激光器的輻射源(的有源區)的尺寸為僅大約幾個微米。另一方面，光檢測器的有源區相當大，例如為大約50微米。因此，有利的是，使用光檢測器的有源區的相當大的表面區域檢測所接收的輻射。發明人已認識到，輻射源和光檢測器相對于彼此的物理固定的布置以及到檢測器的輻射路徑的延長使得該設備的設計是因果設計，從而可以固有的方式對準光檢測器。根據本發明，在下行色彩(downstream color)和上行色彩(upstream color)之間實現空間分離，在該空間分離之后，輻射被進一步傳輸。

發明內容
因此，本發明的一個目標尤其是提供輻射源的空間布置到光檢測器的空間布置的耦合，以使得多集成收發機的制造變為因果的。為實現此目標，本發明的一個方面的特征在于，一組若干個玻璃纖維以具有預定間距的陣列的形式被連接至一個多操作耦合元件，所述多操作耦合元件設有透鏡，從而引導來自玻璃纖維的下行輻射和上行輻射通過一個多操作波長分割器，所述多操作波長分割器實現下行輻射和上行輻射之間的空間分離，使得所述下行輻射和上行輻射被成像在空間分離的輻射源和光檢測器上，如權利要求1的特征部分所限定的。下面描述的實施方案可被使用以對構造多收發機系統有利。應注意，措詞“透鏡”在此以其日常意義被使用。“透鏡”可以是具有光學透鏡功能的任何系統，例如像常規透鏡和聚焦鏡。從美國專利6，736，553已知一種設備本身，其中在光學構件和子模塊的元件之間提供對準，但是在該構造中不存在通過單個光學波導的二向通信。在“光纖到戶”的情況下， 通常涉及通過單個光學波導的二向或雙向通信，因此不能使用該技術。根據一個優選實施方案，所述輻射源和/或光檢測器被布置在光學平臺上，所述光學平臺形成用于所述中心站的光電連接元件的一部分。同時所述光電連接元件提供到所述中心站的電連接。這導致了一個緊湊結構，尤其是如果所述輻射源和光檢測器在所述陣列中相互固有地對準的話。在許多情況下，所有所需要的是對準輻射源的兩個信道，以實現一個完全的XY配準。根據本發明的一個優選實施方案，所述輻射源和光檢測器相對于彼此以固定且基本均勻的距離被固定在承載體上。由此通常簡化了機械布置中的調節(accommodation)。根據本發明的一個優選實施方案，所述輻射源和光檢測器被一起固定在承載體上，以基本位于一個平面內。由此通常簡化了機械布置中的調節。根據本發明的一個優選實施方案，所述輻射源被構造為垂直激光器。已發現這在許多情況下導致簡單的配置。根據本發明的一個優選實施方案，所述輻射源基本位于各個透鏡的焦點中，而相關聯的光檢測器位于焦點外，即相比于所述焦點被進一步移動。這樣檢測輻射光斑的尺寸適合于可獲得的檢測器。根據本發明的一個優選實施方案，波導在光檢測器的方向上被布置在波長分離元件中。這具有如下優勢輻射源和光檢測器被放置在距離彼此相當大的距離處，所述輻射光斑的尺寸不再是限制因素。根據本發明的一個優選實施方案，聚焦鏡被布置在波長分離器和光檢測器之間。 這提供了容易定尺寸的相同優勢。根據本發明的一個優選實施方案，波長分離器包括針對第一波長的濾波器以及針對第二波長的鏡，該濾波器和鏡以它們被提及的這個順序串聯地光學連接，從波長分離器發出的或者進入波長分離器的輻射束基本垂直于輻射源和光檢測器的安裝表面。顯然可使用濾波器而非鏡，因而在此措詞“鏡”還包括濾波器。在該實施方案的一個有利改型中，波長分離器相對于所述輻射束和所述安裝表面處于一傾斜角度。這使得易于以簡單且可靠的方式來制造不僅設備本身，而且還有其部件，例如尤其是波長分離器。本發明還涉及一種制造如上所述的設備的方法。所述設備可以被容易且廉價地生產，并且大規模地用在當今的通信網絡中。在從屬權利要求中陳述了本發明的多個有利方面。


現在將參考本發明的優選實施方案，并且尤其參考附圖，在下面更加詳細地描述本發明的上述和其他特性、方面和優點，附圖中圖1是一個其中實現了本發明的陣列的三維視圖；圖2示出了具有MT套管(ferrule)的12-芯(12 — fold) MPO連接器；圖3示出了具有90°的鏡角度的光學耦合元件；圖4示出了具有直線波束路徑的光學耦合元件；圖5a、圖恥示出了微光學波長分離器的兩個實施方案；
圖6是光學平臺的平面圖；圖7示出了輻射源和檢測器之間的高度差；圖8示出了微光學波長分離器中的波導91 ；圖9示出了波長分離器和波導纖維之間的透鏡系統112 ；圖10示出了波長分離器和輻射源/檢測器之間的分立透鏡陣列113，同時該透鏡陣列113用作光學平臺；圖11示出了用于所接收的輻射的聚焦鏡；圖12描繪了多個波長分離器的使用；以及圖13示出了本發明的另一實施方案。
具體實施例方式圖1示出了根據本發明的針對多個帶有子元件的集成雙向收發機的基于陣列的解決方案。示出的子系統通常將構成中心站的一部分，或者被放置在中心站中，或者鄰近于中心站放置。塊30是一個子組件用于該設備的安裝底部或封裝。還參看圖2，實際的纖維由34表示，并且從塊32出來。塊36是一個光學耦合元件，該光學耦合元件包括象征性顯示的光學部件，該光學部件將在下面被進一步地更加詳細地描述。塊40是一個波長分割器，也被表示為WDM (波分復用器)。塊42是一個支撐輻射源(激光器)44和光檢測器46的光學平臺。塊48是帶有至外部世界的電氣或電子連接器的印刷電路板(PCB)。在橫切于所示出的圖的方向上，連續的輻射路徑之間通常存在均勻間距，其比率(ratio)等于波束34 中的連續纖維的間距。原理上可行的是，在纖維34之間實現的間距不同于該組件的其他部分的間距。具體而言，該排玻璃纖維在精確限定的距離處。它們被耦合至一個透鏡系統(參看 38)，所述透鏡系統保持各個信道之間的相對距離。所述塊36的輻射被耦合進波長分割器塊40中，該波長分割器塊40分離用于整排信道的發射波長和接收波長。這些被分離的信道被耦合至輻射源44用于發射，并被耦合至光檢測器46用于接收所述輻射的相應的特定波長。誠然，對于輻射源和光檢測器，它們可由分立元件構造，或者被構造為間距已合適的陣列。優選地，來自輻射源的輻射用于對準。然后，至少兩個輻射源——其都被對準—— 被要求用于整個陣列的對準過程。這兩個輻射源優選地是最外面的兩個。在特定情況下， 固定的縮放因子可在信道部分的間距之間被引入。圖2以前視圖示出了帶有MT套管的12-芯MPO連接器，即信道被橫切于圖的平面指引，并且信道由21表示。連續纖維之間的距離，即間距，通常是250+/-1 μπι。元件23和 25例如是裝配到一個相對地定位的連接器的凹口中的銷。所示出的其他元件與本發明沒有直接關聯。套管的材料可以是例如用嵌入的玻璃顆粒增強的合成樹脂。這樣的材料易于處理，例如通過拋光成光滑表面，在該光滑表面中嵌入玻璃纖維。在該技術中措詞“套管”是標準的。圖3示出了帶有內含角度(incorporated angle)和光學輻射軸線53的光學耦合元件55的一部分。元件60例如是輻射源，元件34是波導纖維。所述耦合元件包括光學元件58，該光學元件58是反射鏡或聚焦鏡。所述耦合元件符合應當保持連續輻射束的間距這一要求。如果需要，所述間距可被增大或減小，只要所有纖維對之間的預定關系及伴隨的精確度保持不變。圖4示出了具有沿著中心輻射軸線51的直線路徑的光學耦合元件。在此，玻璃纖維34發射發散的輻射束的陣列。對于每一纖維，通過光學元件50、52，發散束在外殼56內被準直到會聚點討中。圖fe、圖恥示出了微光學波長分離器。借助于鏡62在分離塊中發生根據波長分割的復用，所述鏡62在圖fe中的朝上方向上傳送來自輻射源63的一個波長，而將接收自該朝上方向的另一波長朝向檢測器65向右反射。第二鏡64實現了下行(63)輻射和上行 (65)輻射之間的相當大的位移。兩個波束的端部位于圖1的光學平臺42的平面中。發明人已認識到，相應地輻射源應當被相當精確地聚焦在光學耦合元件上。優選地將垂直激光器用作輻射源，例如VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser，垂直腔表面發射激光器)。所述激光器的波束發散度小于常規激光器——例如，DFB (分布式反饋)激光器或者FP (法布里-珀羅)激光器——的波束發散度。此外，可以簡單的方式將垂直激光器設置在光學平臺42 (圖1)上，假定輻射束在光學平臺上的豎直方向上輻射。各個輻射束之間的相互關系不受圖5a、圖恥的子元件的配置干擾，或者僅略微受圖5a、圖恥的子元件的配置干擾。具體而言，圖如還包括光學平臺67，在光學平臺67上/中設有輻射源和光檢測器。在圖恥中省去了該平臺。為了清楚起見，所述平臺還在多個其他圖中存在，而每次通常并未示出對應于圖恥的形式。在本實施例中，在圖恥中指示的尺寸L1、L2和L3分別為 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。圖6是圖1的光學平臺例如元件42的平面圖。垂直激光器101和相關聯的發射機控制電子器件以及光檢測器103和相關聯的接收機控制電子器件優選地被放置在光學平臺上，在同一平面105中。這些元件各被放置在輻射源陣列和檢測器陣列中的相應一個中。輻射源具有在此對應于光檢測器的間距的限定間距X。輻射源陣列和光檢測器陣列之間的距離也是被限定的。輻射束以發散方式入射在光檢測器的例如最大達80 μ m的較大的有源區上。相應地，對準容差可以是約ΙΟμπι的數量級。由于所述激光器的約6μπι的較小的有源區，針對這些激光器的對準容差為Iym的數量級。在圖1的實施方案中，控制電子器件已被布置在一個相對地定位的PC板48上，并且原理上光學平臺包括僅那些提供電光轉換的元件(輻射源和光檢測器)。現在將首先討論微光學波長分離器的若干設計方面。通常，待從光學耦合元件接收的信號具有的波長不同于待被發射的信號的波長。在此描述的本發明的波長分離元件使得有可能分離所接收的輻射信號。因而，波長分離元件將符合如下規范a.用于待被接收的信號和待被發射的信號的不同波長以這些波長之間的預定距離被入射在一表面上；b.由于該元件的形狀，x、y和ζ方向上的容差是相當寬的；c.可針對信號陣列執行該過程。通過圖5a、圖恥中的實施例示出的元件基于一輻射源，該輻射源相對于輻射源的最大值(FWHM)在例如9°處具有強度對半值。這是對于VCSEL (垂直腔表面發射激光器) 的一個典型值。其他類型——例如，FP (法布里-珀羅)激光器——的FWHM值通常高得多， 這限制了其應用可能性。
由于光學耦合元件中的透鏡被設計為使得來自輻射源的輻射被最佳地捕獲，因此所接收的信號將以非聚焦狀態到達檢測器。然而，因為光檢測器具有比輻射源大得多的有源表面，這并不是一個嚴重的劣勢。輻射源的有源區和相關聯的光檢測器之間的距離必須足夠大，以便定位輻射源和檢測器。實踐中，這將意味著約Imm的距離。假定輻射源的輻射角為如上所提及的，激光器的有源區為6μπι(典型值)，將伴隨152μπι的光斑。某些檢測器具有僅80 μ m的有源區。可按如下方式來解決太寬的輻射束的問題1.減小輻射源和檢測器之間的距離；參閱針對此在圖53/ 中給出的尺寸，其中所接收的輻射光斑具有約68 μ m的直徑。在這方面，圖fe提供了一個額外的光學平臺67， 在所述光學平臺67上安裝有輻射源63和光檢測器65。在圖恥中不存在這樣的共享平臺。 它還適用于下面將討論的其他實施方案，在該其他實施方案中，可能存在或者可能不存在所述的共享光學平臺。2.在具有所示的尺寸的輻射源81和檢測器83之間提供一高度差，例如在圖7中。 在該布置中，激光器81將處于較低的高度，在本實施例中，低400 μ m(500 μ m-100 μ m)。圖 7的其他元件對應于圖5中的元件。3.在具有如圖8中所示的配置的微光學波長分離器中使用波導91 ；波導91被設置在波長分離器中。現在，光斑尺寸變得獨立于輻射源和檢測器之間的距離。用于波導的非限制性優選寬度在30 μ m和50 μ m之間。在許多情況下，對于波長分離器，所要求的定位精度變為約ΙΟμπι。所述豎直距離由光學耦合元件上的光斑尺寸限制。圖8的布置還包括與圖恥相同的元件。4a.圖9示出了光學耦合元件的改型(112)。在此，波長分離器是一個插入元件。 該實施方案具有如下優勢額外的透鏡陣列可用于將輻射束最佳地成像在輻射源和光檢測器上。在此，輻射源和光檢測器被安裝在板103上。4b.使用具有集成的附加透鏡系統的透明的光學平臺113，在如圖10中所示的波長分離器117中執行波長分離，在該光學平臺上還容納有輻射源和光檢測器。透鏡可以鄰近于輻射源和/或光檢測器存在。4c.借助于聚焦鏡121將所接收的輻射成像在檢測器1 上，如圖11中所示。可以多種有利的方式機械地實現波長分離元件。如果輸入輻射橫切于光學平臺入射，三個透明主體121、123、125可從左至右接合在一起，如圖5中所示，帶有前兩個主體之間的薄的波長分離涂層，以及在第二主體和第三主體之間提供足夠完全的反射的分離層。如果輻射基本平行于光學平臺的平面到達，可獲得相同的結果。波長分離器獨立于輻射方向。還可以省略第三主體125的配置實現上述結果，在該情況下，全反射在外表面處發生。還可以省略第一主體121的配置實現上述結果，使得頻率特定的反射發生在外表面處。顯然，后兩個改型可彼此組合。可借助于合適的涂層來實現完全反射。另一個可能性是使用固有的全反射。在這種情況下，中間主體123可具有相互平行但是與光學平臺的平面包圍一角度的上表面或下表面。
圖12示出了具有多個波長分離塊130、132的組合的另一實施方案，來自輻射源 134的輻射束和用于光檢測器136的輻射束被單獨地引導穿過所述分離塊130、132。這導致了輻射源和光檢測器之間的更大的空間距離。在該圖中，輻射源可被定位在左側(或者可能地在右側)，并且光檢測器可被定位在右側(或者可能地在左側)，還取決于兩個波長分離元件的涂層。輻射源和光檢測器均可以這種方式被對焦。然而，這不是必需的。圖13示出了本發明的另一實施方案。在該實施方案中，波長分離塊40相對于輻射束處于一傾斜角度。為了對比，以虛線示出波長分離塊400，如與圖5a、圖恥對應的，波長分離塊400具有更直的位置。該實施方案的各部件被給予與這些較后面的圖的實施方案中相同的參考標號。該實施方案的主要優勢——實際是根據本發明的光電設備的其他實施方案的主要優勢——是，來自源63以及入射在檢測器65上的輻射束以及從塊40發出的波束全部至少基本垂直于其上安裝有輻射源和光檢測器的安裝表面67。所述安裝表面還可被表示為“光學平臺”。這便于根據本發明的設備的可靠實現。該實施方案的另一主要優勢是，其部件的制造——尤其是波長分離塊40的部件的制造——是容易且相當廉價的。可容易地在一個平面(透明)板中一個接一個地制造大量的塊，為此目的，所述平面(透明)板在兩側設有濾波器62和鏡64。這可以實現原因在于，所述板的兩側涂覆有鏡像/濾波層，隨后借助于光刻法將所述鏡像/濾波層圖案化。還可使用替代的平版印刷技術，例如所謂的剝離(lift-off)技術。隨后可借助于分離技術例如鋸切來獲得單獨的波長分離塊40。
權利要求
1.一種光電設備，其用于借助于中心站的收發機在邏輯分布的用戶和所述中心站之間通過玻璃纖維雙向傳輸信息，其特征在于一組若干個玻璃纖維(32)以具有預定間距的陣列的形式被連接至一個多操作耦合元件(36)，所述多操作耦合元件(36)設有透鏡，并且引導來自所述玻璃纖維的下行輻射和上行輻射通過一個多操作波長分割器(40)，所述多操作波長分割器(40)實現所述下行輻射和上行輻射之間的空間分離，使得所述下行輻射和上行輻射分別被成像在輻射源(44)和光檢測器(46)上，所述輻射源與所述光檢測器空間分離。
2.根據權利要求1所述的光電設備，其中所述輻射源(44)和/或光檢測器(46)借助于用于所述中心站的光電連接元件(48)上的承載體(42)而被定位。
3.根據權利要求1所述的光電設備，其中當所述輻射源相對于玻璃纖維的所述陣列被對準時，所述光檢測器(46)全部相互固有地對準。
4.根據權利要求1所述的光電設備，其中所述輻射源(44)和所述光檢測器(46)相對于彼此以固定且基本均勻的距離被固定在承載體(42)上。
5.根據權利要求1所述的光電設備，其中所述輻射源(44)和光檢測器(46)被固定在承載體(42)上，基本在一個平面中。
6.根據權利要求1所述的光電設備，其中所述輻射源(44)被構造為垂直激光器。
7.根據權利要求1所述的光電設備，其中所述輻射源(44)基本位于各個透鏡(50，52) 的焦點中，而相關聯的光檢測器(65)位于焦點外，即相比于所述焦點被進一步移動。
8.根據權利要求1所述的光電設備，其中帶有透鏡(113)的透明光學平臺被放置在所述波長分離器(40)的平面和所述輻射源(44)/光檢測器(46)之間，用于使所述下行輻射和/或上行輻射的輻射束適應。
9.根據權利要求1所述的光電設備，其中所述輻射源(44)和光檢測器(46)在高度上不同，以便使所接收的輻射束的尺寸適應所述光檢測器(44)的尺寸。
10.根據權利要求1所述的光電設備，其中波導(91)被布置在所述波長分離器和所述光檢測器(46)之間，用于使所述上行輻射的輻射束適應。
11.根據權利要求1所述的光電設備，其中聚焦鏡(127)被布置在所述波長分離器和所述光檢測器(46)之間。
12.根據權利要求1所述的光電設備，其中所述波長分離器(40)包括針對第一波長的濾波器(62)以及針對第二波長的鏡(64)，該濾波器(62)和鏡(64)以它們被提及的這個順序串聯地光學連接，從所述波長分離器(40)發出或者進入所述波長分離器(40)的輻射束基本上垂直于所述輻射源(44，63 )和所述光檢測器(46，65 )的安裝表面(42，67 )。
13.根據權利要求12所述的光電設備，其中所述波長分離器(40)相對于所述輻射束和所述安裝表面(42，67)處于一傾斜角度。
14.一種制造光電設備的方法，所述光電設備借助于中心站的收發機在邏輯分布的用戶和所述中心站之間通過玻璃纖維雙向傳輸信息，其特征在于一組若干個玻璃纖維(32)以具有預定間距的陣列的形式被連接至一個多操作耦合元件(36)，所述多操作耦合元件(36)設有透鏡，并且引導來自所述玻璃纖維的下行輻射和上行輻射通過一個多操作波長分割器(40)，所述多操作波長分割器(40)實現所述下行輻射和上行輻射之間的空間分離，使得所述下行輻射和上行輻射分別被成像在輻射源(44)和光檢測器(46)上，所述輻射源與所述光檢測器空間分離。
全文摘要
一種光電設備，其用于借助于中心站的收發機在邏輯分布的用戶和所述中心站之間通過玻璃纖維雙向傳輸信息。具體地，一組若干個玻璃纖維(32)以具有預定間距的陣列的形式被連接至一個多操作耦合元件(36)，所述多操作耦合元件(36)設有透鏡，并且引導來自玻璃纖維的下行輻射和上行輻射通過一個多操作波長分離器(40)，所述多操作波長分離器(40)實現所述下行輻射和上行輻射之間的空間分離，使得所述下行輻射和上行輻射分別被成像在輻射源(44)和光檢測器(46)上，所述輻射源與所述光檢測器空間分離。
文檔編號G02B6/42GK102597839SQ201080051458
公開日2012年7月18日 申請日期2010年9月2日 優先權日2009年9月15日
發明者G·N·范登霍溫, M·M·德拉特, R·L·德伊杰 申請人:吉耐克西斯有限公司