專利名稱：模塊化光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)模塊，尤其涉及用來形成更為復(fù)雜的光學(xué)元件的主要部分的光學(xué)模塊。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的光學(xué)模塊，如分別在圖1和圖2公開的波分復(fù)用(WDM)中心件1a和1b，包括被裝入雙芯光纖管箍4內(nèi)并被光學(xué)耦合到準(zhǔn)直透鏡6的一根輸入光纖2和一根第一輸出光纖3，透鏡6將從輸入光纖3發(fā)射的光束準(zhǔn)直到WDM濾光片7上。通常，WDM濾光片7被設(shè)計成將一個或多個所選擇的波長信道傳遞到聚焦透鏡8，同時將其余的波長信道通過透鏡6反射回第一輸出光纖3。聚焦透鏡8將透射的光束聚焦到裝入光纖管箍11內(nèi)的第二輸出光纖9上。
一種用來如圖1所示裝配中心件的元件的方法，包括用選擇用來粘接玻璃元件的粘接劑將所有界面12粘接到一起。上述的方面相對來說勞動強度較大，并且會導(dǎo)致光路中有粘接劑。
為了將裝配工序自動化以及在光路中無需粘接劑，開發(fā)了一種涉及金屬套筒，例如不銹鋼套筒，的方法。圖2示意了這種方法，在此方法中，管箍4和11及透鏡6和8被固定在金屬套筒13中，套筒13是通過焊錫或焊接14與這些部件固定在一起的。然而可惜的是，在焊接過程中會產(chǎn)生不一致性，尤其是焊接后的元件位移會產(chǎn)生偏差。
圖3示意了一種傳統(tǒng)的光學(xué)元件，即，摻鉺光纖放大器(EDFA)，其包括由多達12個不同接頭20連接在一起的多達11個的分離模塊。輸入光纖21通到第一抽頭耦合器22發(fā)射要放大的主信號，該耦合器將主信號的一部分傳至初始光電二極管接收器23。隔離器24確保光通過該系統(tǒng)時不會向后傳輸。如圖1和2中所示的那些WDM中心件26，通過摻鉺光纖27傳輸主信號以實施放大，同時通過它反射來自泵激光器28的泵頻信號。第二抽頭耦合器29將經(jīng)放大的信號的一部分傳至終端光電二極管31以實施增益測量和控制。從本設(shè)計可以明顯地看出，該裝配過程勞動強度相當(dāng)大，并且接頭20太多會有更多機會產(chǎn)生過多損耗。
本發(fā)明的目的是通過提供結(jié)合有多種功能的簡化模塊克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足，該模塊本身就是一個更大元件中的一部分。
發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明涉及一種光學(xué)模塊，包括裝入第一光纖管箍內(nèi)，用來傳輸光束的第一光纖；用來準(zhǔn)直來自所述第一光纖的光束的第一透鏡；用來支撐其中的光學(xué)元件的金屬外殼，所述金屬外殼包括通過其外壁延伸以容納所述第一透鏡的第一通道，所述透鏡將光束傳至所述光學(xué)元件中；固定到所述第一光纖管箍上，用來將所述第一光纖管箍安裝到所述金屬外殼上的第一玻璃套筒；及用來將所述第一玻璃套筒固定到所述金屬外殼上的粘接劑。
本發(fā)明的另一方面涉及一種光學(xué)元件，包括用來密封一個光學(xué)系統(tǒng)的主外殼，所述主外殼包括在其外壁上的第一間隙；及裝入所述第一間隙中的第一模塊，包括用來支撐其中的第一光學(xué)元件的第一模塊外殼，所述第一模塊外殼包括通過其第一外壁延伸的第一通道，及通過其第二外壁延伸的第二通道；置于第一通道中，用來將光束對準(zhǔn)所述第一光學(xué)元件的第一透鏡；第一光纖，其一端裝入第一光纖管箍內(nèi)并與所述第一透鏡光耦合，用來將光束傳輸?shù)剿龅谝还鈱W(xué)元件；置于所述第二通道中，用來接收來自所述第一光學(xué)元件的光束的第二透鏡；第二光纖，其一端裝入第二光纖管箍內(nèi)并與所述第二透鏡光耦合，用來從其中接收光束，而其另一端與所述光學(xué)系統(tǒng)光耦合；其中所述第一模塊外殼在所述第一間隙的任一面與所述主外殼的外壁匹配，從而所述第一模塊外殼的所述第一外壁與所述主外殼的外壁形成一個基本上連續(xù)的壁面；及其中所述第一光纖從所述連續(xù)壁面向外延伸，而所述第二光纖在所述主外殼內(nèi)部延伸。
下面參照代表優(yōu)選實施例的附圖詳細描述本發(fā)明，其中圖1是一個傳統(tǒng)的光學(xué)元件的橫截面圖；圖2也是一個傳統(tǒng)的光學(xué)元件的橫截面圖；圖3是一個傳統(tǒng)的光放大系統(tǒng)的示意圖；圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個光學(xué)模塊的橫截面圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的一個光學(xué)模塊的橫截面圖；圖6是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的一個光學(xué)模塊的橫截面圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的一個光學(xué)模塊的頂視圖；圖8a，8b，8c和8d分別是根據(jù)本發(fā)明另一個實施例的一個光學(xué)模塊的端視圖，頂視圖，端視圖和側(cè)視圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明包括圖7和圖8中的光學(xué)模塊的一個光學(xué)元件的頂視圖；及圖10是圖9中的光學(xué)元件的等角圖。
具體實施例方式
參照圖4和5，根據(jù)本發(fā)明的模塊31形成一個更大元件的構(gòu)件，其包括金屬外殼32，透鏡33和光纖管箍34。外殼32由一種或多種材料做成，例如科伐(Kovar)，因瓦(Invar)或銅/鎢(Cu/W)合金，就熱膨脹率而言，它們與都由玻璃做成的透鏡33和管箍34相匹配。外殼32適合于密封任何數(shù)量的光學(xué)元件36，如隔離器，分束器，WDM濾光片，轉(zhuǎn)換器，交織器，放大器。通過一個通道37形式的端口接近外殼32，通道37通過金屬殼32的一個壁面延伸，以容納透鏡33。透鏡33用任何適當(dāng)?shù)姆绞奖还潭ㄔ谕ǖ乐?，如膠水或摩擦裝配。管箍34包含裝在其中的輸入光纖38和輸出光纖39的末端。采用單芯或雙芯管箍，以及使用一個或多個通道端口都包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。玻璃套筒41用來將管箍34固定到外殼32上。在裝配過程中，一種合適的粘接劑，例如一種熱硫化環(huán)氧樹脂，如Epo-Tek353ND，被涂在管箍34和套筒41，及套筒41和外殼32之間。在硫化粘接劑之前，管箍34的位置可以在X，Y，Z三個方向調(diào)節(jié)以在光纖38和39及光學(xué)元件36之間得到最大光學(xué)耦合。
在圖4中，管箍34的直徑比透鏡33的直徑大，因此透鏡33可以從外殼32向外延伸到套筒41中。相反，如圖5所示，管箍34的直徑可以做得比透鏡33的直徑小，從而管箍34可以延伸到通道37中。
圖6示意了本發(fā)明的一個可選實施例，其中提供了帶有相應(yīng)透鏡33的多個端口，以接近前述許多不同的光學(xué)元件36a，36b，36c，36d和36e。
圖7示意了根據(jù)本發(fā)明的一個模塊的優(yōu)選實施例。如圖9和10所示，模塊51構(gòu)成EDFA或其它放大媒介元件的輸入模塊。模塊51包括外殼52，其由前面提到的熱膨脹系數(shù)(CTE)與玻璃相近的合適金屬做成。外殼52包括一個第一通道53形式的第一端口，用來容納第一透鏡54。光纖56的一端被裝入單芯管箍57中，管箍57通過玻璃套筒58與外殼52相連，如前面參照圖4，5和6所述。還提供第二通道61形式的第二端口用來容納第二透鏡62。兩根光纖63和64的端頭被裝入雙芯管箍66中，雙芯管箍66用第二玻璃套筒67被固定在外殼52上。
在使用中，光束離開光纖56，并被透鏡54傳至分束器68。分束器68將光束的一部分導(dǎo)入輸入光電二極管接收器69以獲得一個初始功率讀數(shù)。光電二極管69被置于外殼52的第三通道71中。電導(dǎo)線72從光電二極管69向外延伸以便與一個印刷電路板(參見圖9)連接。其余的光束通過隔離器73傳播到WDM濾光片74，WDM濾光片74將光束傳播到第二透鏡62，并到光纖63中。光纖64的必要性將在下文中參照圖9和圖10進行討論。外殼52還包括一個帶有小孔76的法蘭75以容納一個扣件(沒有示出)，用來將模塊51裝入EDFA元件(見圖9)。另外，在外殼52的外表面有兩個凹口77和78，用來與EDFA元件上的相應(yīng)配對表面匹配，如下文中所述。
圖8a-8d示意了圖9和10中所示的EDFA元件的輸出模塊81。輸出模塊81包括由熱膨脹系數(shù)(CTE)與玻璃相近的合適金屬做成的外殼82，如前文所述。外殼82包括一個第一通道83形式的第一端口，用來容納第一透鏡84。光纖86的一端被裝入單芯管箍87中，管箍87通過玻璃套筒88與外殼82連接，如前面參照圖4，5和6所述。還提供一個第二通道91形式的第二端口用來容納第二透鏡92。光纖93的端頭被裝入單芯管箍96中，管箍96用第二玻璃套管97被固定在外殼82上。
在使用中，光束離開光纖86，并被透鏡84通過隔離器98傳至分束器99。分束器99將光束的一部分導(dǎo)入輸出光電二極管接收器101以獲得一個最終功率讀數(shù)。光電二極管101被置于外殼82內(nèi)的第三通道102中。電導(dǎo)線103從光電二極管101向外延伸以便與一個印刷電路板(見圖9)相連。其余的光束被透鏡92聚焦到光纖93。外殼82還包括一個帶有小孔106的法蘭104以容納一個扣件(沒有示出)，用來將模塊81裝入EDFA元件(見圖9)中。另外，在外殼82的外表面有兩個凹口107和108，用來與EDFA元件上的相應(yīng)配對表面匹配，如下文中所述。
圖9和圖10描繪了完整的EDFA元件110，其包括一個在外壁上帶有間隙以容納輸入模塊51(圖7)和輸出模塊81(圖8a到8d)的主外殼111。在間隙的每一側(cè)面，主外殼111都包括突出的配合表面112以與相應(yīng)的凹口77，78，107和108互連。主外殼111還包括一個用扣件114固定在底座116上的蓋子113(圖10)，底座116從外殼111的基座117向上延伸。
當(dāng)用作放大器時，光纖63和86與繞在卷盤121上的摻鉺光纖115接合?；蛘?，可以通過為光纖63和86提供摻鉺光纖并將它們接合在一起，或分別提供從輸入模塊51和輸出模塊81延伸出來的單根摻鉺光纖，來省去一個或兩個接頭。提供一個或多個產(chǎn)生某一合適波長的光的泵激光器122，用來給輸入光提供必要的光功率。泵激光器122通過一個合適的波導(dǎo)123入射光到光纖64中，該光束被WDM濾光片反射入光纖63以放大其中的信號。放大器的增益由電路板126上安裝的集成電路芯片控制器124控制。分別來自光電二極管69和101的導(dǎo)線72和103也與電路板126電連接以給控制器124發(fā)送輸入和輸出功率讀數(shù)，控制器124接著相應(yīng)地控制泵激光器122。
從下列描述中可以看出，EDFA元件中的接頭數(shù)可以從圖3中的傳統(tǒng)器件所需的超過十個減到大約兩到三個，因此大大降低了制造時間和成本。而且，模塊51和81的外殼52和82分別成為主外殼111的一部分，因此無需通道或額外的接頭。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)模塊，包括裝入第一光纖管箍內(nèi)，用來傳輸光束的第一光纖；用來準(zhǔn)直來自所述第一光纖的光束的第一透鏡；用來支撐其中的光學(xué)元件的金屬外殼，所述金屬外殼包括通過其外壁延伸以容納所述第一透鏡的第一通道，所述透鏡將光束傳至所述光學(xué)元件中；固定到所述第一光纖管箍上，用來將所述第一光纖管箍安裝到所述金屬外殼上的第一玻璃套筒；及用來將所述第一玻璃套筒固定到所述金屬外殼上的粘接劑。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)模塊，其中所述金屬外殼和所述玻璃套筒具有基本上相同的熱膨脹系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)模塊，其中所述金屬外殼由選自因瓦(Invar)，科伐(Kovar)，和銅鎢合金的組合中的一種或多種材料做成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)模塊，其中所述粘接劑包括熱硫化環(huán)氧樹脂。
5.根據(jù)權(quán)利要求4的光學(xué)模塊，其中所述粘接劑包括Epo-Tek353ND環(huán)氧樹脂。
6.根據(jù)權(quán)利要求1的光學(xué)模塊，還包括裝入第二光纖管箍中，用來傳輸光束的第二光纖；在通過所述外殼的外壁延伸的第二通道中容納的第二透鏡，用來將來自所述光學(xué)元件的光束聚焦到所述第二光纖上；及固定到所述第二光纖管箍上，用來將所述第二光纖管箍安裝到所述金屬外殼上的第二玻璃套筒。
7.根據(jù)權(quán)利要求6的光學(xué)模塊，其中所述光學(xué)元件包括一個用來阻止光束進入所述第一光纖的光隔離器。
8.根據(jù)權(quán)利要求7的光學(xué)模塊，還包括置于所述金屬外殼中所述光隔離器和所述第二透鏡之間，用來分離出一部分光束的分束器；以及用來測量這部分光束的特性的接收器。
9.根據(jù)權(quán)利要求6的光學(xué)模塊，還包括處于所述金屬外殼外壁上的第一配合表面和第二配合表面；用來密封一個光學(xué)系統(tǒng)的主外殼，所述主外殼在其外壁上包括一個間隙，在所述間隙的一面上有第三配合表面，另一面上有第四配合表面，以便分別與第一和第二配合表面相匹配，從而所述金屬外殼的外壁與所述主外殼的外壁形成一個連續(xù)的外壁；其中所述第一光纖從所述連續(xù)外壁向外延伸，而所述第二光纖在所述主外殼內(nèi)部延伸。
10.一種光學(xué)元件，包括用來密封一個光學(xué)系統(tǒng)的主外殼，所述主外殼包括在其外壁上的第一間隙；及裝入所述第一間隙中的第一模塊，包括用來支撐其中的第一光學(xué)元件的第一模塊外殼，所述第一模塊外殼包括通過其第一外壁延伸的第一通道，及通過其第二外壁延伸的第二通道；置于所述第一通道中，用來將光束對準(zhǔn)所述第一光學(xué)元件的第一透鏡；第一光纖，其一端裝入第一光纖管箍內(nèi)并與所述第一透鏡光耦合，用來將光束傳輸?shù)剿龅谝还鈱W(xué)元件；置于所述第二通道中，用來接收來自所述第一光學(xué)元件的光束的第二透鏡；及第二光纖，其一端裝入第二光纖管箍內(nèi)并與所述第二透鏡光耦合，用來從其中接收光束，而其另一端與所述光學(xué)系統(tǒng)光耦合；其中所述第一模塊外殼在所述第一間隙的任一面與所述主外殼的外壁匹配，從而所述第一模塊外殼的所述第一外壁與所述主外殼的外壁形成一個基本上連續(xù)的壁面；及其中所述第一光纖從所述連續(xù)壁面向外延伸，而所述第二光纖在所述主外殼內(nèi)部延伸。
11.根據(jù)權(quán)利要求10的光學(xué)元件，還包括在所述第一間隙一面上的所述主外殼外壁中的第一配合表面；在所述第一間隙另一面上的所述主外殼外壁中的第二配合表面；在所述第一模塊的第一外壁中用來與所述第一配合表面互連的的第三配合表面；及在所述第一模塊的第一外壁中用來與所述第二配合表面互連的第四配合表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求10的光學(xué)元件，還包括所述主外殼中的第二間隙；及在所述第二間隙中安裝的第二模塊，包括用來支撐其中的第二光學(xué)元件的第二模塊外殼，所述第二模塊外殼包括通過其第三外壁延伸的第三通道，和通過其第四外壁延伸的第四通道；置于所述第三通道中，用來將光束指向所述第二光學(xué)元件的第三透鏡；一端裝入第三光纖管箍并與所述第三透鏡光學(xué)耦合，以將來自所述光學(xué)系統(tǒng)的光束傳輸?shù)剿龅诙鈱W(xué)元件的第三光纖；置于所述第四通道中，用來接收來自所述第二光學(xué)元件的光束的第四透鏡；一端裝入第四光纖管箍中并與所述第四透鏡光學(xué)耦合以從其中接收光束的第四光纖；及其中所述第二模塊外殼在所述第二間隙的任何一面與所述主外殼的外壁匹配，從而所述第二模塊外殼的所述第一外壁與所述主外殼的外壁形成一個基本上連續(xù)的壁面；及其中所述第四光纖從所述連續(xù)壁面向外延伸，并且所述第三光纖在所述主外殼內(nèi)部延伸。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的光學(xué)元件，還包括置于所述第一模塊外殼中所述第一透鏡和所述第二透鏡之間，用來分離出光束的第一部分的第一分束器；用來測量所述光束的第一部分的特性的第一接收器；置于所述第二模塊外殼中所述第三透鏡和所述第四透鏡之間，用來分離出光束的第二部分的第二分束器；及用來測量所述光束的第二部分的特性的第二接收器。
14.根據(jù)權(quán)利要求13的光學(xué)元件，其中所述光學(xué)系統(tǒng)包括在所述第二和第三光纖之間光耦合的放大媒介；及用來發(fā)射泵頻激光信號的泵激光器；以及其中所述第一模塊包括用來復(fù)用所述泵頻激光信號和所述光束的復(fù)用器，從而所述泵頻激光信號在所述放大媒介中將所述光束放大。
15.根據(jù)權(quán)利要求10的光學(xué)元件，還包括固定在所述第一光纖管箍和所述第一模塊外殼上，用來將所述第一光纖相對所述第一透鏡固定的第一套筒；及固定在所述第二光纖管箍和所述第一模塊外殼上，用來將所述第二光纖相對所述第二透鏡固定的第二套筒。
16.根據(jù)權(quán)利要求15的光學(xué)元件，其中第一和第二套筒具有基本上與所述第一模塊外殼匹配的熱膨脹系數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的光學(xué)元件，其中所述第一和第二套筒包括玻璃，所述第一模塊外殼包括選自因瓦(Invar)，科伐(Kovar)，和銅/鎢合金的組合中的一種金屬；及其中所述第一和第二套筒用一種熱硫化環(huán)氧樹脂被固定到所述第一模塊外殼上。
全文摘要
本發(fā)明涉及用于較大電光元件中的光學(xué)模塊，如摻鉺光纖放大器。本發(fā)明的一方面涉及光學(xué)模塊，該模塊包括輸入和/或輸出光纖管箍，其由用合適的粘接劑固定在金屬外殼上的玻璃套筒環(huán)繞。優(yōu)選的是，所述光學(xué)模塊包括一個或多個光學(xué)元件，如隔離器，WDM濾光片和分束器，用于在光進出電光元件的主外殼之前對通過它的光進行處理。本發(fā)明的另一方面涉及電光元件，包括在外壁上帶有間隙，用來容納光學(xué)模塊的主外殼。優(yōu)選的是，所述光學(xué)元件包括一個電光系統(tǒng)，該系統(tǒng)有激光器，摻鉺光纖，集成電路板和控制器硬件。本發(fā)明提供一個完全集成的系統(tǒng)，同時省去了傳統(tǒng)電光元件中所需的大量光學(xué)接頭。
文檔編號G02B6/42GK1519600SQ200410003289
公開日2004年8月11日 申請日期2004年2月3日 優(yōu)先權(quán)日2003年2月3日
發(fā)明者國周·泰, 沃倫·H·李維斯, 朗·楊, H 李維斯, 國周 泰 申請人:Jds尤尼費斯公司