具有光学调节灵活性的波分复用器/解复用器

摘要

本文中公开了复用器装置和解复用器装置。在各种实施方式中，解复用器装置包括：接收器，其具有准直透镜并且被配置成接收入射光；基板；反射器，其安装至基板并且被配置成反射入射光。反射器在装配期间是固定的或可调节的。解复用器装置还包括：解复用器块，其耦接至基板并且被配置成接收来自反射器的入射光并将入射光分成多个波长；耦接至基板的折叠棱镜，其接收多个波长并且将多个波长折射通过基板；以及聚焦透镜阵列，其耦接至基板以接收多个波长的焦点。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年5月18日提交的题为“Wavelength Division Multiplexer/Demultiplexer with Flexibility of Optical Adjustment”的序列第15/598,518号的美国发明专利申请的优先权和权益，该申请又要求于2016年7月13日提交的题为“WavelengthDivision Multiplexer/Demultiplexer with Flexibility of Optical Adjustment”的美国临时申请第62/361,865号的优先权和权益，这两个专利通过引用以其全部内容并入本文中。

背景技术

无源光网络(passive optical network，PON)是一种用于在最后一英里提供网络接入的系统。PON可以是无源分路器位于光分配网络(optical distribution network，ODN)中以使得来自中心局的单个馈电光纤能够服务于多个客户驻地的点对多点(point-to-multipoint，P2MP)网络。PON可以采用一个波长用于单个光纤上的上行流量，并且可以采用另一波长用于单个光纤上的下行流量。例如，上行流量可以由1310纳米(nm)波长的光携载，下行流量可以由1490nm波长的光携载。因此，PON收发器可以采用发送器光学子组件(transmitter optical sub-assembly，TOSA)封装和接收器光学子组件(receiveroptical sub-assembly，ROSA)封装，以将从发送器发出的出射光与单个光纤光学地耦合，并且还将来自单个光纤的入射光与接收器耦合。

波分复用器/解复用器广泛用于电信和数据中心工业中的光纤TOSA/ROSA封装。在目前的市场中，对小尺寸和低成本模块(如四通道小型可插拔28(QSFP28和uQSFP28)封装)的需求正在增加。在数据中心应用中尤其如此，所述数据中心应用要求TOSA/ROSA封装的小型化和低成本。典型的复用器/解复用器(multiplexer/demultiplexer,mux/demux)由封装中的多个独立部件(如光纤接收器、准直透镜、光复用器/解复用器块和聚焦透镜阵列)构成。将这些部件集成到单件单片部件中是减小尺寸和成本的典型解决方案。例如，单片部件可以由塑料制成，由于塑料具有稳定的机械特性和热特性，因此其广泛用于光学封装。现有技术的波分复用器/解复用器的示例可以在美国专利第6,201,908号中找到，该专利公开了光纤接收器、准直透镜、内部反射器以及在单件中模制的非球面透镜。

发明内容

根据本公开内容的一个方面，提供了一种光波分解复用器，该光波分解复用器包括：接收器，其具有准直透镜并且被配置成接收入射光；基板；反射器，其安装至基板并且被配置成反射入射光并将入射光分成多个波长；解复用器块，其耦接至基板并且被配置成接收来自反射器的入射光；折叠棱镜，其耦接至基板并且被配置成接收来自解复用器块的所述多个波长并将所述多个波长折射通过基板；以及聚焦透镜阵列，其与折叠棱镜基本上相对地耦接至基板并且被配置成接收折射后的多个波长并对所述折射后的多个波长进行聚焦。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：反射器是固定反射器或可调节地附加的反射器。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：反射器是外部反射器或内部反射器。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：反射器的表面涂覆有高反射涂层或金属层中至少之一。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：接收器、基板和折叠棱镜是单个模制件的一部分，并且反射器与单个模制件分离并且在对准之后被接合至单个模制件。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：反射器在被附加至基板之前在线性位置和角度取向两者上进行调整，以控制反射到解复用器块中的入射光的入射角和入射位置。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：入射光的光路在第一平面中被引导通过反射器和解复用器块到达折叠棱镜，并且所述折射后的多个波长沿基本上垂直于第一平面的方向离开聚焦透镜阵列。

此外，根据本公开内容的一个方面，提供了一种方法，该方法包括：在具有准直透镜的接收器处接收入射光；由安装至基板的反射器以某一角度对入射光进行反射；由耦接至基板的解复用器块接收来自反射器的入射光；由解复用器块将入射光分成多个波长；由耦接至基板的折叠棱镜接收来自解复用器块的多个波长；由折叠棱镜将所述多个波长折射通过基板；以及由与折叠棱镜基本上相对地耦接至基板的聚焦透镜阵列对折射后的多个波长进行聚焦。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：反射器是固定反射器或可调节地附加的反射器。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：反射器是外部反射器或内部反射器。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：反射器的表面涂覆有高反射涂层或金属层中至少之一。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：接收器、基板和折叠棱镜是单个模制件的一部分，并且反射器与单个模制件分离并且在对准之后被接合至单个模制件。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：反射器在被附加至基板之前在线性位置和角度取向两者上进行调整，以控制反射到解复用器块中的入射光的入射角和入射位置。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：入射光的光路在第一平面中被引导通过反射器和解复用器块到达折叠棱镜，并且所述折射后的多个波长沿基本上垂直于第一平面的方向离开聚焦透镜阵列。

此外，根据本公开内容的一个方面，提供了一种光波分复用器，该光波分复用器包括：基板，其具有第一侧和第二侧；聚焦透镜阵列，其耦接至基板的第一侧并且被配置成接收要用于传输的多个波长并且对所述要用于传输的多个波长进行聚焦；折叠棱镜，其与聚焦透镜阵列基本上相对地耦接至基板的第二侧并且被配置成：接收来自聚焦透镜阵列的所述多个波长并且将所述多个波长折射通过基板；复用器块，其耦接至基板的第二侧并且被配置成接收来自折叠棱镜的所述多个波长，其中，复用器块将多个波长组合成组合光束；反射器，其安装至基板的第二侧并且被配置成以某一角度反射组合光束；以及接收器，其具有准直透镜并且被配置成接收来自反射器的组合光束并且发出出射光。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：反射器是固定反射器或可调节地附加的反射器。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：反射器是外部反射器或内部反射器。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：接收器、基板和折叠棱镜是单个模制件的一部分，并且反射器与单个模制件分离并且在对准之后被接合至单个模制件。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：反射器在被附加至基板之前在线性位置和角度取向两者上进行调整，以控制反射到接收器中的组合光束的入射角和入射位置。

可选地，在前述方面中的任一方面中，该方面的另一实现方式提供：组合光束在第一平面中被沿光路从折叠棱镜引导通过复用器块和反射器，并且所述要用于传输的多个波长沿基本上垂直于第一平面的方向进入聚焦透镜阵列。

可以将上述实施方式中的任一实施方式与其他上述实施方式中的任一实施方式进行组合以创建新的实施方式。根据结合附图和权利要求的以下详细描述，将更清楚地理解这些特征和其他特征。

附图说明

为了更完整地理解本公开内容，现在参考结合附图和详细描述的以下简要描述，其中相同的附图标记表示相同的部件。

图1A、图1B和图1C示出了根据本公开内容的各种实施方式的复用/解复用装置的多视图正交投影；

图2A和图2B示出了根据本公开内容的各种实施方式的具有内部反射器的复用/解复用装置；

图3A和图3B示出了根据本公开内容的各种实施方式的具有外部反射器的复用/解复用装置；

图4示出了根据本公开内容的各种实施方式的解复用块中的多个波长的示例性解复用；

图5A、图5B和图5C示出了根据本公开内容的各种实施方式的折叠棱镜和折叠棱镜内部的光路；

图6A、图6B和图6C示出了根据本公开内容的各种实施方式的阶梯式折叠棱镜和阶梯式折叠棱镜内部的光路；

图7示出了根据本公开内容的各种实施方式的封装的解复用器的立体图；

图8示出了根据本公开内容的各种实施方式的从封装的解复用器的中心线偏移的焦点；以及

图9示出了多个波长的光学解复用的示例性方法的流程图。

具体实施方式

首先应该理解，虽然下面提供了一个或更多个实施方式的说明性实现方式，但是所公开的系统和/或方法可以使用任何数量的技术(无论是当前已知的还是现有的)来实现。本公开内容绝不应该限于以下示出的说明性实现方式、附图和技术，包括本文中示出和描述的示例性设计和实现，而是可以在所附权利要求的范围内以及它们的等同内容的全部范围内进行修改。

由于制造限制，先前讨论的单片光学封装可能在优化光学性能和部件布局方面具有缺点。由于所有部件都被模制在单件中，因此复用器/解复用器在装配期间不允许任何光学调整。因此，进入复用器/解复用器的入射角以及光学焦点的间距和位置的精确度由部件的精确度以及键合过程的精确度预先确定。这会导致不利的光学性能和装配成本。因此，本公开内容确定了对光学封装中改进的小型化、降低的成本和光学性能的需求。

本文中公开了具有单个模制部件的复用装置/解复用装置，该单个模制部件包括接收器、解复用器块、折叠棱镜或其组合，这可以产生更精确且节省成本的复用装置和解复用装置。复用装置/解复用装置还包括可以在装配期间被固定或可调节地附加的反射器。固定的反射器是单件模制装置的一部分。在反射器被对准之后，将可调节地附加的反射器接合至单个模制部件，并且在装配过程期间针对光学性能调整可调节地附加的反射器。可以调整可调节地附加的反射器，以利用解复用器块来控制入射角和入射位置二者。此外，限定第一平面的光束通过反射器和解复用器行进到折叠棱镜并且在基本上垂直于第一平面的方向上离开折叠棱镜的光路和光焦点位于装置的中心线之外。

本文中公开的各种实施方式将被描述为解复用器，但是相同的实施方式也可以通过反转光路被实现为复用器。公开的复用器/解复用器可以用于高速TOSA/ROSA应用。此外，由于单个模制部件的封装的高度集成并且由于反射器的灵活光学调节，复用器/解复用器可能是有利的。

根据各种实施方式，图1A、图1B和图1C示出了光波分解复用器100的第一侧投影视图、顶侧投影视图和第二侧投影视图。光波分解复用器100包括：接收器110，其具有准直透镜111并且被配置成接收入射光114；基板120，其具有第一侧122和第二侧124；反射器130，其安装至基板120的第二侧124并且被配置成以一定角度反射入射光114；解复用器块140，其耦接至基板120的第二侧124并且被配置成从反射器130接收入射光114，其中解复用器块140将入射光114分成多个波长(λ1、λ2、λ3和λ4)；折叠棱镜150，其耦接至基板120的第二侧124并且被配置成接收来自解复用器块140的所述多个波长并对所述多个波长进行折射；以及聚焦透镜阵列160，其与折叠棱镜150基本上相对地耦接至基板120的第一侧122并且被配置成接收折射后的多个波长并对所述折射后的多个波长进行聚焦。虽然示出了四个波长(λ1、λ2、λ3和λ4)，但是更多或更少的波长落在本公开内容的范围内。

接收器110可以经由光学接口来支持通信。此外，来自嵌入在接收器110中的光纤112的入射光114(单模或多模)通过准直透镜111变为准直的光束116。

在各种实施方式中，反射器130安装至基板120并且被配置成反射准直光束116，例如以基本上直角反射准直光束116。例如，准直光束116以离开反射器130的准直光束116的方向相对于进入反射器130的方向为90°(度)、85°至95°或者80°至100°被反射。反射器130根据全内反射将准直光束116朝向解复用器块140反射作为反射光束117。在各种实施方式中，如图1所示，反射器130是固定反射器并且被模制为装置的一部分。在其他实施方式中，反射器130是可调节的，并且在装配过程期间在对准之后被安装至基板120。

在各种实施方式中，解复用器块140耦接至基板120，并且被配置成接收来自反射器130的反射光束117。解复用器块140包括具有反射表面142的光学块141和多个滤光器143或滤光区域。反射表面142涂覆有反射层以对反射光束117进行反射。反射层可以是例如金、铝或类似金属。所述多个滤光器143被配置成：对反射光束117内的多个波长(λ1、λ2、λ3和λ4)进行滤光。反射光束117在所述多个滤光器143与反射表面142之间的解复用器块140中以Z形图案被反射。当反射光束117进入所述多个滤光器143中的每个滤光器时，光的n个不同的多个波长(λ1、λ2、λ3和λ4)中的一个波长透射通过所述多个滤光器143中的每个滤光器，并且分离的多个波长(λ1、λ2、λ3和λ4)沿着光路径朝向折叠棱镜150移动。

例如并且参照图4，具有多个波长(λ1、λ2、λ3和λ4)的反射光束117以入射角进入解复用器块140。反射光束117在反射表面142上被反射，并且到达所述多个滤光器143中的第一滤光器144。第一滤光器144被配置成：基本上允许第一波长λ1通过，并且将剩余波长(λ2、λ3和λ4)反射回反射表面142。反射表面142将剩余波长(λ2、λ3和λ4)反射回所述多个滤光器143中的第二滤光器145。所述多个滤光器143中的第二滤光器145被配置成：允许第二波长λ2基本上通过，并且将剩余波长(λ3和λ4)反射回反射表面142。该过程在所述多个滤光器143的第三滤光器146和第四滤光器147处重复，直到反射光束117被解复用为四个单独的波长为止。尽管该示例呈现了四个波长，但是光波分解复用器100可以被配置成：解复用任何数量的波长。

在各种实施方式中，解复用器块140可以由玻璃或模制塑料形成。然而，应该理解，可以采用其他光学材料来形成解复用器块140。此外，解复用器块140也可以与光波分解复用器100接合，或者可以形成为光波分解复用器100的一部分。

折叠棱镜150耦接至基板120并且被配置成：接收来自解复用器块140的经过滤的多个波长(λ1、λ2、λ3和λ4)并对所述多个波长(λ1、λ2、λ3和λ4)进行折射。如图1A和图1C所示，在折叠棱镜150内部行进的多个波长(λ1、λ2、λ3和λ4)向下朝向基板120被折射到竖直方向或接近竖直的方向上。在各种实施方式中，折叠棱镜150由折叠镜代替，折叠镜以与折叠棱镜150相同或相似的功能进行操作。

聚焦透镜阵列160包括与折叠棱镜150相对地耦接至基板120的的聚焦透镜160A至160D，并且聚焦透镜160A至160D被配置成接收折射后的多个波长(λ1、λ2、λ3和λ4)并对折射后的多个波长(λ1、λ2、λ3和λ4)进行聚焦。尽管示出了四个聚焦透镜160A至160D，但是聚焦透镜阵列160可以被配置成用于任何数目的波长。通过折叠棱镜150折射的光的多个波长(λ1、λ2、λ3和λ4)在通过聚焦透镜160A至160D中的每个聚焦透镜并到达相应的光电二极管(未示出)时被聚焦。聚焦透镜阵列160可以被注射成型到基板120。聚焦透镜阵列160的每个聚焦透镜106A至160D中的透镜可以是球透镜或非球面透镜，并且聚焦透镜阵列160的间距与解复用器块(如解复用器块140)的间距大约相同。另外，聚焦透镜160A至160D的表面可以涂覆有抗反射层以减少背反射。抗反射层可以包括具有不同折射率的多层材料。

在各种实施方式中，反射器130可以是内部反射器。图2A和图2B示出了与光波分解复用器100类似的光波分解复用器200。光波分解复用器200包括内部反射器230和解复用器块140。输入光束在第一侧231上经过内部反射器230，反射离开内部反射器230的内壁232，反射后的光束经过第三侧233到达解复用器块140。可以通过旋转内部反射器230来调整初始光束与离开光束之间的入射角。

类似地，在各种实施方式中，反射器130可以是外部反射器。图3A和图3B示出了与光波分解复用器100类似的光波分解复用器300。光波分解复用器300包括外部反射器330和解复用器块140。输入光束从外部反射器330的侧面331的外部反射离开到解复用器块140。在该实施方式中，光束不经过外部反射器330。相反，外部反射器330的侧面331的反射表面涂覆有高反射涂层或金属层中至少之一，以便于输入光束的反射。

图2A和图2B所示的内部反射器230或者图3A和图3B所示的外部反射器330是可调节地附加的反射器，所述可调节地附加的反射器与准直透镜(如准直透镜111)分离和独立，因此在光波分解复用器100的形成期间是可调节的。由于外部反射器330在装配过程期间是可装卸的，因此可以调整外部反射器330。可以精确地调整线性位置和角度取向两者，以控制到解复用器块140中的入射角和入射位置。可以通过调整反射表面相对于准直透镜111的角度来调整角度取向。可以通过将外部反射器330的位置移动至更接近或更远离准直透镜111来调整外部反射器330的线性位置。入射角对每个通道的中心波长以及焦点的间距有影响。在完成调整之后，使用粘合剂等将可调节地附加的外部反射器330接合到适当的位置。

图5A、图5B和图5C示出了根据本公开内容的各种实施方式的折叠棱镜150和折叠棱镜150内的光路。图5A是折叠棱镜150的立体图，图5B是顶视图，图5C是端视图。折叠棱镜150具有第一表面151、第二表面152和第三表面153。第一表面151相对于竖直线156以角度Φ设置，如图5C所示。如图5B所示，入射光相对于第一表面151以入射角γ入射在折叠棱镜150上，其中光源自解复用器块(未示出)，例如图4的解复用器块140。折叠棱镜150由于光到第一表面151的入射角γ而将入射光以第三角度δ折射。第一表面151以第三角度δ将光在图5B中的水平面155中进行折射。折叠棱镜150由于第一表面151的角度Φ还在第一表面151处以第一角度α来折射光，其中在图5C中，进入光被向下折射几度。第一角度α的大小取决于折叠棱镜150的材料和任何涂层的折射率以及折叠棱镜150内的角度。光在第二表面152处由于全内反射而被进一步向下反射第二角度β。然后光通过第三表面153向下行进到聚焦透镜阵列(未示出)例如图1的聚焦透镜阵列160中。在一些实施方式中，当光离开折叠棱镜150时，光基本上垂直于第三表面153行进。

在各种实施方式中并且参照图6A、图6B和图6C，折叠棱镜150可以是具有阶梯表面651、第二表面652和第三表面653的阶梯式折叠棱镜650。图6A是阶梯式折叠棱镜650的立体图，图6B是顶视图，图6C是通过省略阶梯表面651的阶梯特征而简化的端视图。阶梯式折叠棱镜650包括一起形成阶梯表面651的光接收面654、655、656、657。如图6A所示，每个光接收面654、655、656、657以相同步距角度θ具有表面。如图6C所示，光接收面654、655、656、657还相对于竖直线660以角度Φ设置。如图6B所示，入射光相对于与阶梯表面651垂直的线661以入射角γ入射在阶梯式折叠棱镜650上，其中，光源自解复用器块(未示出)，例如图4的解复用器块140。阶梯式折叠棱镜650由于阶梯表面651的角度θ和入射光的入射角γ而将入射光折射了第三角度δ。图6A至图6C中的第三角度δ可以与图5A至图5C中的第三角度δ不同。阶梯表面651的面在图6B中的水平面662中以第三角度δ来折射光。在图6C中，阶梯式折叠棱镜650由于阶梯表面651的角度Φ还在阶梯表面651处以第一角度α来折射光，其中入射光向下折射了几度。光在第二表面652处由于全内反射而被进一步向下反射第二角度β。然后光向下行进通过第三表面653，进入聚焦透镜阵列(未示出)例如图1的聚焦透镜阵列160中。在一些实施方式中，当光离开阶梯式折叠棱镜650时，光基本上垂直于第三表面653行进。

图7示出了使用注射成型形成的单个模制件解复用器700的剖视图。在各种实施方式中，接收器110、准直透镜111和基板120是单个模制件解复用器700的一部分。例如，单个模制件解复用器700可以由通用电气塑料公司(GE Plastics)制造的聚醚酰亚胺(polyetherimide，PEI)制成。PEI比其他类似塑料具有更高的热稳定性和化学稳定性。另外，PEI可以在光束通过的表面处包括抗反射涂层以减少背反射。在各种实施方式中，单个模制件解复用器700还可以包括形成为单个模制件的一部分的反射器730(如图1A至图1C的反射器130)、解复用器块140、折叠棱镜150或其任意组合。在其他实施方式中，反射器730与单个模制件解复用器700分离并且在对准之后被接合至单个模制件解复用器700，以分别在线性位置和角度取向两者上被可调节地固定(如图2A至图2B以及图3A至图3B的内部反射器230和外部反射器330)，以控制到解复用器块140中的入射角和入射位置。反射器730和折叠棱镜150也可以由PEI制成并且可以包括抗反射涂层。

如图7所示，反射器730、解复用器块140和折叠棱镜150被设置在第一平面中或者平行于第一平面而设置，其中光路被与第一平面基本上平行和/或共面地引导通过反射器730、解复用器块140和折叠棱镜150。行进通过反射器730和解复用器块140到折叠棱镜150的光束的光路限定第一平面或者与第一平面基本上平行和/或共面。折射后的多个波长在垂直于或基本上垂直于第一平面并且与基板120正交(因此与第一平面正交)的方向上离开折叠棱镜150。例如，折射后的多个波长例如波长(λ1、λ2、λ3和λ4)以折射后的多个波长相对于第一平面离开折叠棱镜150的方向为90°、85°到95°或者80°到100°离开折叠棱镜150。

根据各种实施方式，解复用器封装(例如光波分复用器100)被设计成使得：通过解复用器块140的光路径基本上平行于基板120。另外，在一些实施方式中，聚焦透镜阵列160的光焦点定位成偏离解复用器封装的中心线。例如，图8示出了聚焦透镜160A至160D相对于解复用器封装800的中心线802偏移。该偏移为其他电子部件的布局创造了更多空间。例如，聚焦透镜160A至160D的偏移为射频(radio frequency，RF)迹线产生更多空间以扇出(fanout)。

图9是根据实施方式的多个波长的光学解复用的方法900的流程图。参照图9，光学解复用的示例性方法900包括以下步骤：在具有准直透镜的接收器处接收入射光910；由安装至基板的反射器以某一角度对入射光进行反射920；由耦接至基板的解复用器块接收来自反射器的入射光930；由解复用器块将入射光分成多个波长940；由耦接至基板的折叠棱镜接收来自解复用器块的多个波长950；由折叠棱镜对所述多个波长进行折射960；以及由与折叠棱镜相对地耦接至基板的聚焦透镜阵列对折射后的多个波长进行聚焦970。

尽管已经在本公开内容中提供了若干实施方式，但是可以理解，在不脱离本公开内容的精神或范围的情况下，公开的系统和方法可以以许多其他特定形式来实现。本示例被认为是说明性的而非限制性的，并且意图是不限于本文中给出的细节。例如，可以将各种元件或部件组合或集成在另一系统中，或者可以省略或不实现某些特征。

另外，在不脱离本公开内容的范围的情况下，在各种实施方式中描述和示出为离散或分离的技术、系统、子系统和方法可以与其他系统、模块、技术或方法组合或集成。示出或讨论为彼此耦接或直接地耦接或通信的其他项目可以通过一些接口、设备或中间部件光学地、机械地或以其他方式间接地耦接或通信。本领域技术人员可以确定改变、替换和变更的其他示例，并且可以在不脱离本文中公开的精神和范围的情况下进行改变、替换和变更。

尽管已经参考具体特征及其实施方式描述了本公开内容，但是明显的是，可以在不脱离本公开内容的范围的情况下对其进行各种修改和组合。因此，说明书和附图仅被视为如由所附权利要求限定的本公开内容的说明，并且意在涵盖落入本公开内容的范围内的任何和所有修改、变更、组合或等同内容。