CN105093436B - 具有多条信号通道的光学组件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包括多于一条信号通道的光学组件的制造方法，每条信号通道设置有半导体激光二极管(LD)、第一透镜和第二透镜。该方法首先把第一透镜设置在使得从LD输出的光束变为准直光束的位置，之后，稍微地移动第一透镜以远离LD，以便把光束转换成会聚光束。第二透镜首先设置在使得从第一透镜输出的光束变为准直光束的位置，之后，移动第二透镜以远离第一透镜，使得通过耦合光纤所得到的光输出变为在预定范围内。

Description

具有多条信号通道的光学组件的制造方法

技术领域

本申请涉及实现了多条信号通道的光学组件的制造方法。

背景技术

当安装在光发射器组件中且被提供足够的偏压电流的激光二极管(LD)与外部光纤牢固地耦合时，光发射器组件有时会导致光功率超过极限值，该极限值是从例如人眼安全的角度进行控制的。当调整或减小偏压电流来降低光输出功率时，LD降低共振频率，这意味着光发射器组件的高频性能会下降。

提出了一个解决方案：即光发射器组件使LD的焦点从光纤的端部移开。具体来说，当接收LD输出的光的外部光纤通过光连接器与光学组件耦合时，提议的解决方案是把光连接器，准确说是把光纤的端部，物理上地从LD所输出的光的焦点处移开。光纤的端部相对于焦点的偏差改变了进入光纤的芯部中的光束的一部分，因此，可以降低从光纤输出的光的输出功率。这种机理经常被称为离焦(de-focusing)。

在能够输出基于波长而多路复用多条光束的光信号的光学组件中，可以适当地对一条光束执行上述离焦处理。然而，用于一条光束的该离焦处理对于其余光束而言并不总是足够的。与光纤耦合的各条光束相互独立地穿过各通道或光学耦合***。因此，各个光束并不总是以与经过离焦的一条光束相同的角度或相同的条件和光纤进行耦合。

发明内容

本发明的一方面涉及一种光学组件的制造方法，所述光学组件设置有：半导体激光二极管，其用作光源；第一透镜，其与所述半导体激光二极管耦合；第二透镜，其与所述第一透镜耦合；第三透镜，其与所述第二透镜耦合；以及耦合光纤，其与所述第三透镜耦合。本发明的所述光学组件经由所述耦合光纤输出光信号。所述方法包括以下步骤：(a)将所述第一透镜设置在第一位置，在所述第一位置处，所述第一透镜把从所述半导体激光二极管输出的光束转换成准直光束；(b)移动所述第一透镜，在该步骤中，沿着将所述半导体激光二极管与所述第一透镜连接的光轴移动所述第一透镜从而使所述第一透镜离开所述半导体激光二极管预定距离；(c)将所述第二透镜设置在第二位置，在所述第二位置处，所述第二透镜把从所述第一透镜输出且穿过所述第二透镜的光束转换成准直光束；以及(d)调整光功率，在该步骤中，通过使所述第二透镜从所述第二位置朝所述第三透镜移动来将经由所述耦合光纤输出的光功率调整到预定范围内。

附图说明

结合附图，从本发明的优选实施例的以下详细描述中，可以更好地理解上述和其它目的、方面和优点，其中：

图1示出本实施例的光学组件的内部；

图2是示出光学组件内部的俯视图；

图3示意地示出本实施例的光学组件的光学耦合***；

图4A示出使第一透镜与LD对准的处理，图4B示出使第二透镜对准在第二透镜产生准直光束的初始位置的处理，图4C示出设置虚设口的处理，图4D示出朝虚设口移动第二透镜来得到在预定范围内的输出功率的处理；

图5A示出当朝第一透镜方向移动第二透镜时的耦合公差，图5B示出当朝第三透镜方向移动第二透镜时的耦合公差；

图6示出当第二透镜沿着其光轴移动时的背向反射；

图7示意地示出在常规的离焦对准中导致失败的机理。

具体实施方式

下面参考附图来描述根据本发明的一些实施例。在附图的描述中，彼此相同或相似的标号或标记指代彼此相同或相似的元件，而不做重复解释。

图1示出本实施例的光学组件的内部，图2是示出光学组件内部的俯视图。本实施例的光学组件1是光发射组件的类型，其设置有盒形外壳2和带有凸缘的圆柱形套筒单元3，光学组件1具有多条信号通道，在图1和图2所示的本光学组件中具有4条通道。具体来说，光学组件1在外壳2内部包括：四个激光二极管(LD)11a至11d、四个第一透镜12a至12d、分束器(BS)13、四个第二透镜14a至14d、两个波分复用(WDM)滤波器14和15、反射镜17、隔离器18以及偏振光合束器(PBC)19。LD 11a至11d中的一个、第一透镜12a至12d中的一个和第二透镜中的一个与信号通道相对应。

下文描述假设前侧对应于套筒单元的安装侧，后侧对应于相反侧。然而，这些假设仅仅是为了说明，绝不是为了限定本发明的范围。

光学组件1驱动相互独立的各LD 11a至11d。即各LD 11a至11d可以独立于其余LD来发射光束。第一透镜12a至12d把各光束朝第二透镜14a至14d会聚。第二透镜14a至14d因此可以把入射光束转换成各准直光束。位于第一透镜12a至12d侧的第二透镜14a至14d的各自焦点大体上与位于第二透镜14a至14d侧的第一透镜12a至12d的各自焦点重合。因此，可以经由第一和第二透镜把从LD 11a至11d输出的发散光束转换成各准直光束。光学组件1的光学***处理这些准直光束。

图3示意地示出本实施例的光学组件的光学***。第二透镜14a至14d输出的准直光束被包括波分复用滤波器15和16、反射镜17、隔离器18和偏振光合束器19在内的光学***多路复用，并穿过设置在外壳2的前壁上的窗口2a输出到套筒单元3。套筒单元3在内部安装有第三透镜4和插芯(stub)6。第三透镜4把如此经过处理的准直光束会聚到耦合光纤5的紧固在插芯6的中心处的端部。

常规的组件，即常规的发射器组件通过使耦合光纤的端部的位置偏离获得最大功率的位置(即，会聚透镜的焦点)来调整发射器组件的光输出功率，这也常常被称为离焦。另一方面，本实施例的光学组件也对耦合光纤执行用于控制光耦合效率的离焦，但是离焦是通过第二透镜14a至14d来执行的，第二透镜14a至14d是准直透镜而不是靠近耦合光纤的会聚透镜。第二透镜14a至14d用于相应的通道。因此，一条通道上的离焦不会影响其它通道上的离焦。

在本实施例的光学组件中，LD 11a至11d产生的光束是发散光束。第二透镜14a至14d使这些发散光束准直成各个准直光束。安装在第二透镜14a至14d的下游的光学***将各个准直光束多路复用，并且第三透镜把这些多路复用的光束会聚到耦合光纤的端部上。因此，只要各准直光束进入第三透镜的有效区域内，即使第二透镜14a至14d偏离发散光束被转换成准直光束的各位置，准直光束还是可以和耦合光纤的端部耦合。

由普通的驱动信号直接驱动的LD可以发出平均功率大约是10dBm的光。从LD到耦合光纤端部的光学***不可避免地表现出大约2到3dB的光耦合损耗。因此，耦合光纤输出的光功率变成大约7到8dB。另一方面，由IEEE规定的100G-base LR4的一个标准定义了最大光功率为4.5dBm。因此，在没有对耦合光纤5进行光耦合效率的任何调整的情况下，光学组件固有地显示出过功率状态。

补偿光输出功率的常规方法是使光纤的端部从第三透镜的焦点处移开，这种方法常常被称作离焦技术。然而，这种技术仅仅对一条通道管用。当光学组件包括多于两条通道且每条通道独立地与耦合光纤的端部光学耦合时，即每个通道相对于耦合光纤的端部实际上表现出相应的公差，这使得对所有通道平等地使用离焦技术变得困难。

参考附图7，将详细说明光耦合效率的公差或发散的原因。当准直光束进入第三透镜4(即会聚透镜)且各光束的光轴与第三透镜的光轴偏离时，对于各光束来说，各光束相对于耦合光纤端部的入射角变得不相同。然而各光束的光轴在第三透镜的有效范围内，所以第三透镜可以把各光束会聚到耦合光纤5的端部上。

然而，当耦合光纤的端面从第三透镜的焦点处移开以调整从光学组件输出的光功率时，由于各光束具有不相等的入射角，各准直光与耦合光纤的耦合效率可能不能均等地变化。通过使耦合光纤端部的位置相对于一条光束的焦点离焦来得到足够的输出功率，剩余光束的耦合效率有时会变得不足。

下面，详细描述一种使所有光束独立地得到足够的光耦合效率的方法。图3示意地示出本实施例的光学组件的光学耦合***。如图3所示，本实施例的光学组件采用三透镜***，即第一透镜12a至12d：以5到6的放大率会聚由LD 11a至11d产生的每个光束，这里已知5到6的放大率是将分布反馈(DFB)激光二极管(LD)的光输出与单模光纤(SFM)耦合的最佳比率。第二透镜14a至14d使被第一透镜12a至12d会聚的光束准直。第三透镜4设置在外壳2外部，即套筒单元3内部，并把从外壳2输出的准直光束会聚到耦合光纤5上。

第一透镜12a至12d的焦距是0.45mm并且放大率是5到6。第二透镜14a至14d的焦距是0.85mm并且放大率是1。第三透镜4的焦距是0.85mm并且放大率是1。因为第二透镜14a至14d和第三透镜4的放大率是1而第一透镜12a至12d的放大率大于1，所以需要精确地把第一透镜12a至12d对准。另一方面，第二透镜14a至14d的放大率相比较而言小于第一透镜12a至12d的放大率，也就是说，第二透镜14a至14d对于光学对准而言是不灵敏的，并且适用于调整与耦合光纤5的光耦合效率。

此外，即使光学***构造成准直***，当准直光学***是双透镜***时，需要按0.3μm以内的精度使准直透镜对准。另一方面，准直光学***如同本实施例中一样为三透镜***，第二透镜的位置精度放宽至1.5μm。当准直光学***中的光学部件在光学对准之后被例如紫外线固化型树脂等粘合剂固定时，粘合剂或树脂的硬化不可避免地伴随有收缩。因此，这些光学部件是坚硬的或大体上不能以小于1μm的精度来装配或固定。

此外，放大率为5到6的第一透镜12a至12d可以减小经第二透镜14a至14d准直的光束的直径或场尺寸。在本实施例的透镜***中，准直光束的场尺寸变为ф0.6mm或更小，或者准直光束的直径减小至接近0.2mm。

下面将描述一种将光学组件1中的透镜对准的方法。首先，LD11a至11d被固定在各自的位置处，并被接线以进行电力激活。然后，执行随后的对准处理，具体来说，将第一透镜12a至12d与相应的LD 11a至11d对准；相对于第一透镜12a至12d将第二透镜14a至14d设置在相应的初始位置；以及使第二透镜14a至14d移开来得到与第三透镜足够的耦合效率。

在下述的描述中，该处理示例性地选择第一LD 11a、第一透镜12a和第二透镜14a的第一通道。其余通道，第二至第四通道可以采用与第一通道相同的方式来执行。如图4A所示，把第一透镜12a与LD 11a对准。该处理使用特殊的对准工具，该对准工具具有两个反射镜，每个反射镜相对于LD 11a的光轴成45度角并设置成彼此平行。该特殊工具是潜望镜的类型。为穿过第一透镜12a的光束设置该特殊工具可以将光束引导到光学组件1的外部。此外，监测装置(典型为红外摄像机)设置为远离光学组件1，例如距光学组件1m远处。之后，对穿过第一透镜12a并被上述特殊工具引到光学组件1外部的光束进行研究。通过用特殊工具对从第一透镜12a输出到监测装置30的光束进行引导，将第一透镜12a对准使得被监测的光束变成准直光束。

当第一透镜12a产生准直光束时，第一透镜或在LD 11a侧的焦点正好在发射光束的点处。通过使第一透镜12a从第一透镜产生准直光束的点处远离LD 11a而偏移开预定的距离，第一透镜12a起到放大率大约为5的会聚透镜的作用。

然后，如图4B所示，对准处理确定第二透镜14a相对于第一透镜12a的初始位置。具体来说，通过将上述特殊对准工具设置在第二透镜14a的下游进而引出穿过第二透镜14a的光束并且使用装置30监测光束，将第二透镜14a设置为使装置30所监测的光束变成准直光束。第二透镜14a的设置点是其初始位置。

下面如图4C所示，准备好包括虚设透镜44和虚设光纤45的虚设口40。虚设口40虚拟第三透镜4和耦合光纤5。即虚设透镜44和虚设光纤45之间的位置关系与第三透镜4和耦合光纤5之间的位置关系相同。此外，虚设透镜44相对于外壳2的位置与第三透镜4和外壳2的位置正好相同。

将虚设口40暂时固定在外壳2的将要装配套筒单元3的位置处。然后，将第二透镜14a对准，使得通过虚设光纤监测到的光功率变为预定范围。具体来说，如图4D所示，使第二透镜从在先前处理中确定的初始设置点处沿着光轴朝虚设口40移动。因为第二透镜14a移动远离第一透镜12a，所以穿过第二透镜14a的光束变为会聚光束而在第二透镜14a和虚设透镜44之间形成束腰，并且虚设透镜44的在虚设光纤45侧的焦点变为在虚设光纤45内。即虚设透镜44的在虚设光纤45的端部处的场图案变得模糊以降低从虚设光纤45输出的光功率。在第二透镜14a的对准之后，使用粘合剂(具体来说是紫外线固化型树脂)固定第二透镜14a。

该处理随后对离开虚设口40的第二到第四通道执行光学对准。也就是说，将第二通道的透镜12b和14b相对于虚设口40对准，从而使得虚设光纤45输出的光功率变为在预设范围，并且第三通道中的透镜12c和14c以及第四通道中的透镜12d和14d也采用与第一通道中的透镜相同的方式相对于虚设口来对准。

以上描述假设首先将第一通道对准，并且顺次将第二到第四通道对准。尽管对准顺序是可选的，但是优选的是对伴随有更多次反射的通道执行对准。参考附图3，在本实施例中，最左边的通道从第二透镜14a到第三通道产生了5次反射，这意味着容易发生失准，或者难以完成合适的对准。因此本实施例首先对最左边的通道12a和14a执行对准，随后对中间两个透镜执行对准，这是因为中间两个透镜的每个通道均伴随有两次反射，并且最后对最右边通道12d和第二透镜14d执行对准。

在将所有第一透镜12a至12d和第二透镜14a至14d相对于虚设口40对准之后，本实施例的对准处理将虚设口40从外壳2上移除。然后，在把包括第三透镜4和耦合光纤5的套筒单元3沿着耦合光纤的光轴对准在与外壳的光轴垂直的平面(即外壳的外表面)中之后，把套筒单元3固定到外壳2，从而使各LD 11a至11d和耦合光纤之间的耦合效率恢复为采用虚设口40时所得到的值。具体来说，通过监测从耦合光纤5输出的光功率，将套筒单元3设置在输出功率变为最大值的位置。然后，调整耦合光纤5和第三透镜4之间的距离从而使从耦合光纤5输出的光功率恢复为采用虚设口40时所得到的值。因为利用虚设口40将所有第二透镜14a至14d的输出功率调整到预设范围内，所以通过耦合光纤5所得到的输出功率可以在预设范围内，或者绝不超过说明书所规定的最大功率。套筒单元3可以采用例如YAG激光焊接法来固定到外壳2。

上述对准处理朝虚设口40移动第二透镜14a至14d来调整光功率。然而，第二透镜14a至14d的移动可以表现出与实施例相同的作用。换言之，第二透镜14a至14d朝第一透镜12a至12d的移动可以起到相同作用，即降低与虚设透镜44的光耦合效率。

然而，如图5B所示，与第二透镜朝第一透镜方向移动的情形相比，朝第三透镜4的移动可以扩大耦合公差，其中，图5A示出当第二透镜14a至14d朝第一透镜移动120μm和150μm时，沿着与光轴垂直的方向的耦合公差，并且图5B示出第二透镜14a至14d朝第三透镜4移动120μm和150μm时的耦合公差。如图5B所示，当第二透镜14a至14d朝第三透镜4移动时，耦合公差扩大。另一方面，当第二透镜14a至14d朝第一透镜移动时，耦合公差大体上没有变化，也就是说，没有表现出恶化但也没有任何改善。

此外，如图6所示，因为朝第三透镜4的移动扩大了相对于第一透镜12a至12d的空隙，所以可以减小背向反射。从第一透镜12a至12d输出的光束是会聚光束，而被第二透镜14a至14d反射的光束变为发散光束。因此，当第二透镜14a至14d远离第一透镜12a至12d时，第一透镜12a至12d投射在反射光束的发散图案上的面积相对地变得更小，并且背向反射到LD 11a至11d的杂散光变得更少。当第二透镜14a至14d各自的焦距大于20mm并且第二透镜14a至14d朝第三透镜4移动时，可以贯彻提高耦合公差并减小背向反射的作用。在先前的详细描述中，结合本发明的特定示例性实施例描述了本发明的方法和设备。然而，可以在不偏离本发明较广义的精神和范围的情况下，容易地对本发明进行各种修改和改变。本说明书和附图因此被视为是示例性的而非限制性的。

Claims (9)

1.一种光学组件的制造方法，所述光学组件设置有：半导体激光二极管，其用作光源；第一透镜，其与所述半导体激光二极管耦合；第二透镜，其与所述第一透镜耦合；第三透镜，其与所述第二透镜耦合；以及耦合光纤，其与所述第三透镜耦合，所述光学组件经由所述耦合光纤输出光信号，所述方法包括以下步骤：

将所述第一透镜设置在第一位置，在所述第一位置处，所述第一透镜把从所述半导体激光二极管输出的光束转换成准直光束；

移动所述第一透镜，在该步骤中，沿着将所述半导体激光二极管与所述第一透镜连接的光轴移动所述第一透镜从而使所述第一透镜离开所述半导体激光二极管预定距离；

将所述第二透镜设置在第二位置，在所述第二位置处，所述第二透镜把从所述第一透镜输出且穿过所述第二透镜的光束转换成准直光束；以及

调整光功率，在该步骤中，通过使所述第二透镜从所述第二位置朝所述第三透镜移动来将经由所述耦合光纤输出的光功率调整到预定范围内。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述第一透镜在借助移动所述第一透镜的所述步骤从所述第一位置移开的位置处具有5到6的放大率，并且，

所述第二透镜在借助调整光功率的所述步骤从所述第二位置移开的位置处放大率为1。

3.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述第一透镜设置在第一位置的所述步骤和将所述第二透镜设置在第二位置的所述步骤通过设置用于使从所述第一透镜输出的光束和从所述第二透镜输出的光束平行移动的工具来执行。

4.根据权利要求1所述的方法，其中，调整光功率的所述步骤包括如下步骤：

在所述第三透镜和所述耦合光纤的各设置位置设置虚设透镜和虚设光纤；

通过朝所述虚设透镜移动所述第二透镜来将通过所述虚设光纤所得到的光功率调整到所述预定范围内；以及

用所述第三透镜和所述耦合光纤替换所述虚设透镜和所述虚设光纤。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，

所述半导体激光二极管、所述第一透镜和所述第二透镜组成一条信号通道，并且所述光学组件还包括另一条信号通道，

所述方法还包括以下步骤：在用所述第三透镜和所述耦合光纤替换所述虚设透镜和所述虚设光纤之前，通过设置和移动所述另一条信号通道上的第一透镜并且设置和移动所述另一条信号通道上的第二透镜，将通过所述虚设光纤所得到的所述另一条信号通道的光功率调整到所述预定范围内。

6.根据权利要求4所述的方法，其中，

所述半导体激光二极管、所述第一透镜和所述第二透镜组成一条信号通道，并且所述光学组件还包括多条其余信号通道，

所述方法还包括以下步骤：在用所述第三透镜和所述耦合光纤替换所述虚设透镜和所述虚设光纤之前，通过基于各条信号通道中的光束在到达所述虚设透镜之前的反射次数而确定的顺序，设置和移动各个其余信号通道上的第一透镜并且设置和移动各个其余信号通道上的第二透镜，来将通过所述虚设光纤所得到的各个信号通道中每一条信号通道的光功率调整到所述预定范围内。

7.根据权利要求4所述的方法，其中，用所述第三透镜和所述耦合光纤替换所述虚设透镜和所述虚设光纤的所述步骤包括：

使所述第三透镜和所述耦合光纤对准在与将所述第三透镜连接至所述耦合光纤的光轴垂直的平面上，使得通过所述耦合光纤所得到的光功率变为最大值。

8.根据权利要求1所述的方法，还包括如下步骤：

在将所述第一透镜设置在所述第一位置之前，将所述半导体激光二极管设置在预定位置，并激活所述半导体激光二极管来产生光束。

9.根据权利要求1所述的方法，其中，在保持所述第三透镜和所述耦合光纤之间的位置关系的同时，执行调整光功率的所述步骤。