阅读说明：本技术 用于一次模块壳体的一光输入/输出端口及设置于其中的一阵列波导光栅(awg)装置之间的间接光学耦合的技术 (Techniques for indirect optical coupling between optical input/output ports of sub-module housings and Arrayed Waveguide Grating (AWG) devices disposed therein ) 是由 何宜龙 彭罗汉 林恺声 马伦特斯·艾尔西 于 2018-06-05 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种用于弹性地耦接于光收发器壳体的光耦合插座/端口及位于其中的光学元件之间的技术。在一实施例中,光收发器壳体包括中间光纤,且中间光纤包括光学地耦接于光耦合端口的第一端及光学地耦接于多工器/解多工器装置,例如为阵列波导光栅(AWG)装置、PLC分光器等等,的第二端。中间光纤可以弯曲的半径被最佳化的方式绕设于收发器壳体以降低光纤弯曲损失。上述的技术同样地可应用于ROSA及光发射次组件模块且可用来达成用于多频道收发器装置的弹性耦合。(In embodiments, the optical transceiver housing includes an intermediate fiber that includes a end optically coupled to the optical coupling port and a second end optically coupled to a multiplexer/demultiplexer device, such as an Arrayed Waveguide Grating (AWG) device, a PLC splitter, etc. the intermediate fiber may be routed around the transceiver housing in a bend radius optimized manner to reduce fiber bend loss.)

用于一次模块壳体的一光输入/输出端口及设置于其中的一 阵列波导光栅(AWG)装置之间的间接光学耦合的技术

技术领域

本发明关于光发射器及收发器，尤其是关于用于利用单一的光纤将次模块壳体的输出/输入端口光学地耦接至位于其中的光学元件以允许输出/输入端口相对光学元件的弹性位置的技术。

背景技术

光收发器可用来发出及接收光学信号以适用于但不限于网络数据中心(internetdata center)、有线电视宽带(cable TV broadband)及光纤到户(fiber to the home，FTTH)等各种应用。举例来说，相较于以铜制成的线缆来传输，以光收发器来传输可在更长的距离及频宽下提供更高的速度。为了以较低的成本在较小的光收发器模块中提供较高的速度例如会面临维持光学效率、热管理(thermal management)、介入损失(insertionloss)及合格率(manufacturing yield)等挑战。

光收发器能包括用于传送及接收光学信号的一或多个光发射次组件(transmitter optical subassembly，TOSA)及光接收次组件(receiver opticalsubassembly，ROSA)。随着频道密度逐渐成为光收发器中重要的层面，在尺寸减小的情况下仍维持额定的收发器效能之能力引起数个不可忽视的(non-trivial)挑战。

具体实施方式

光收发器装置一般包括壳体及光输入/输出端口，其中壳体中设有用于发射及接收频道波长的各种光学元件，例如光接收次组件模块及光发射次组件模块，光输入/输出端口用于将光学元件光学地耦接至外部发送及/或接收光纤。输入/输出端口的特定位置可由特定的标准管控。举例来说，如图2所示，光收发器200实施包括一对光连接端口210的小型因数可插拔(small form factor pluggable，SFFP)架构，且光连接端口210例如为设置在壳体202的一端的LC连接端口。光连接端口210的特定位置限制了多频道光发射次组件206及多频道光接收次组件208的位置，其中多频道光发射次组件206及多频道光接收次组件208设置于壳体202的不同部分。举例来说，假设壳体202的空间限制，各个多频道光发射次组件206及光接收次组件208直接地邻设于连接端口210且各包括与各个光连接端口的光学中心线，例如光学中心线213a、213b同轴的光学中心线，例如光学中心线212a、212b。如附图所示，将光发射次组件206及光接收次组件208直接且共线地邻设于连接端口210，确保了光连接端口的位置符合特定的标准且光收发器的效能符合额定的功率需求。然而，直接性的光学耦合在此方式中显然地限制了光发射次组件206及光接收次组件208在壳体202中的位置。

因此，根据本发明实施例，提供一种用于光收发器壳体的光耦合插座/端口及其中的光学元件之间的弹性耦合的技术。在一实施例中，光收发器壳体包括具有第一端及第二端的中间光纤，其中第一端光学地耦接于光耦合端口，且第二端光学地耦接于诸如阵列波导光栅(arrayed waveguide grating，AWG)装置、PLC分光器(splitter)等的多工器/解多工器。中间光纤可以引入一或多个弯折的方式布线(routed)于收发器壳体中，且弯折的半径(也称为弯曲半径)可被最佳化以降低光纤弯折损失(fiber bending loss)。于此的技术同样地可应用于光接收次组件及光发射次组件模块，并可被用来达成用于多频道收发器装置的弹性耦合。

在一特定的示例性实施例中，光收发器装置包括光发射次组件壳体部及光接收次组件壳体部。各个光发射次组件及光接收次组件壳体部可用于一起耦接以共同形成收发器装置。各个光发射次组件及光接收次组件壳体部可相关于光学耦合插座/端口以将各个光发射次组件及光接收次组件模块光学地耦接至相关的光耦合端口。在此实施例中，光发射次组件可包括多工装置，且多工装置具有用于从激光器组件接收不同频道波长的多个输入端口，以及用于输出具有多个频道波长的信号的单一输出端口。多工装置可相对光耦合端口位于收发器壳体的远端。单一的光纤可耦接于多工装置的输出端口，并布线通过收发器壳体以光学地耦接于收发器壳体中的各个光输出端口。因此，收发器壳体的光输出端口及多工装置的输出端口无须为接近的，且其各自的光学中心线也不用彼此同轴。同样地，光接收次组件壳体部的光接收次组件模块可通过中间光纤光学地耦接于收发器壳体的相应光输入端口。因此，光接收次组件模块的位置无须直接地相邻及/或与光收发器壳体的光输入端口同轴。

使用单一的中间光纤来将光发射次组件及/或光接收次组件模块耦接至相应的光连接端口提供了许多优点。举例来说，诸如激光器组件、多工装置、解多工装置等的光学元件可设置于光收发器壳体中独立于光收发器壳体的各个光耦合端口的各个位置。这允许光发射次组件及光接收次组件得以被设置于收发器壳体中独立的部分以最佳化可使用的空间。

在此使用的“频道波长(channel wavelength)”是指与光学频道相关的波长，且可包括中心波长附近的特定波长带。在一示例中，频道波长可由国际电信(InternationalTelecommunication，ITU)标准定义，例如ITU-T低密度分波多工(coarse wavelengthdivision multiplexing，CWDM)或高密度波长分波多工(dense wavelength divisionmultiplexing，DWDM)网格(grid)。在此使用的“安装(mount)”是指将两个结构物理性地接合，例如借由焊接或使用环氧树脂或其他物质或用于接合的装置。在此使用的用语“耦合”指任何连接、耦接、连结或相似的关系，且“光学地耦合”指光从一个元件传递(impart)到另一个元件的耦合关系。这种“耦合”装置彼此并不需要直接地连接，且可由中间元件或能控制或修改这样的信号等装置分隔开。相似地，在此使用的用语“直接耦合”或“直接光学地耦合”是指任何无需使用如光纤等中间装置而能使光从一个元件传递到另一个元件的光学连接关系。

请参阅图1，图1呈现及描述根据本发明实施例的光收发器100。在本实施例中，光收发器100使用四个不同的频道波长(λ₁、λ₂,λ₃,λ₄)发出并接收四个频道，且可用于低密度分波多工(CWDM)，但其他数量的频道也可属于本发明的范畴。在一示例中，频道波长λ₁、λ₂、λ₃、λ₄可分别约为1270纳米(nm)、1290nm、1310nm及1330nm。光收发器100能具有至少约每频道25Gbps的传输速度。光收发器100也能用于诸如数十公尺的短程传输至2公里或更远的距离。光收发器100例如可用于网络数据中心应用(internet data center applications)或是光纤到户(fiber to the home，FTTH)应用。

在一实施例中，光收发器100实施为QSFP(Quad Small Form-Factor Plugging)收发器。举例来说，光收发器100可于符合出版于2013年5月10日的《SFF CommitteeSpecification SFF-8665for QSFP+28Gb/s 4X Pluggable Transceiver Solution(QSFP28)》的QSFP接收器中实施。在此公开的方式及实施例可使用于其他类型的收发器中，且无须以QSFP或QFSP+收发器为限。

光收发器100包括用于在频道波长(例如λ₁、λ₂、λ₃、λ₄)发送光学信号的多频道光发送次模块及在频道波长(例如λ₁、λ₂、λ₃、λ₄)接收光学信号的光接收次组件130。多频道光发射次组件120及多频道光接收次组件130位于收发器壳体102中。在壳体102中，发射连接电路104及接收连接电路108分别提供电性连接至多频道光发射次组件120及多频道光接收次组件130。发射连接电路104电性连接于多频道光发射次组件120中的电子元件(例如激光器、监测光二极管等等)，且接收连接电路108电性连接于多频道光接收次组件130中的电子元件(例如光二极管、TIA等等)。发射连接电路104及接收连接电路108至少包括导电路径(conductive path)以提供电性连接，且也可包括额外的电路。发射连接电路104及接收连接电路108可通过数据总线与外部的系统通讯，且数据总线例如为符合实体连接器QSFP标准及数据通讯协议(data communication protocols)的38接脚连接器。

在本实施例中，光发射次组件120包括光学地耦接于光多工器122的多个光发射次组件模块124-1至124-4，其中光多工器122于同一侧具有多工输入端口126-1至126-4及多工输出端口128。在同一侧具有多工输入端口及多工输出端口的光多工器的一示例更详细地描述于公告号2018-0017745(申请号15/210,193)的美国专利申请，该专利在此供参考。

光发射次组件模块124-1至124-4可使用光纤耦接于光多工器122的多工输入端口122-1至122-4。光多工器122可为阵列波导光栅或是反向PLC分光器。作为光多工器使用的反向PLC分光器的一示例更详细地描述于公告号2017-0359126的美国专利申请(申请号15/176,404)，该专利在此供参考。PLC分光器的另一个优点是与波长无关，因而可较不易受波长偏移(例如因温度改变所造成)的影响。

虽然光多工器122在此示意图中呈现为邻近于光发射次组件模块124-1至124-4，但如以下所详细描述，光多工器122可位于收发器壳体102中远离光发射次组件模块124-1至124-4的远端。光发射次组件模块124-1至124-4于不同的各自的频道波长(例如λ₁、λ₂、λ₃、λ₄)产生光学信号，且光多工器122结合或多工那些光学信号以提供多工的光学信号给耦接于输出光纤115的多工输出端口128。输出光纤115耦接于如LC连接器的输出光连接器116。

光发射次组件模块124-1至124-4各可具有同轴的模式而使得光发射次组件模块的一端电性连接至发射连接电路104上的导电路径，而另一端光学地耦接。各个光发射次组件模块124-1至124-4可与输出光连接器116间接地对齐，例如偏轴(off-axis)，并与其通过中间光纤光学地耦接。如以下所进一步描述，这允许光发射次组件模块124-1至124-4无须直接地对齐于输出光连接器116而被设置于壳体102中的各种位置。

接下来，各个光发射次组件模块124-1至124-4可包括激光器及光学结构，其中激光器用于在所指定的频道波长产生激光，而光学结构用于将激光光耦合至光多工器122的各个多工输入端口中。光发射次组件模块124-1至124-4中的激光器因而可将通过发射连接电路104接收的电性数据信号(TX_D1至TX_D4)转换成耦合到光多工器122中的调变光学信号。激光器例如可包括具有绕射光栅的分布回馈(distributed feedback，DFB)激光器。各个光发射次组件模块124-1至124-4也可包括监测光二极管(monitor photodiode)，用于监测激光器所发出的光。各个光发射次组件模块124-1至124-4可还包括一或多个温度控制装置，例如电阻加热器(resistive heater)及/或热电致冷器(thermoelectric cooler，TEC)，以控制激光器的温度而例如控制或稳定激光器波长。

在本实施例中，多频道光接收次组件130包括耦接于光感测器阵列134的光解多工器132，其中光感测器阵列134例如包括光二极管。光解多工器132解多路复用或分离于输入光纤117所接收且经多路复用的光学信号，以于不同的频道波长提供所接收的光学信号，此可由光感测器阵列134中的各个光感测器所侦测。输入光纤117耦接于如LC连接器的输入光连接器118。多频道光接收次组件130也包括电性连接于光感测器阵列134的多频道跨阻抗放大器136。光感测器阵列134及跨阻抗放大器136侦测从光解多工器132接收的光学信号，并将此光学信号转换成通过接收连接电路108输出的电性数据信号(RX_D1至RX_D4)。

虽然描述有多频道光接收次组件130的一示例，但光收发器100可包括其他类型或实施例的光接收次组件。在其他实施例中，多频道的光发射器可包括发射电路104、多频道光发射次组件120及输出光连接器116(即，发射部)，且不具有接收电路108、多频道光接收次组件130及输入光连接器118(即，接收部)。多频道光接收次组件130可间接地对齐于输入光连接器118，例如偏轴，且与其通过中间光纤光学地耦接。如以下所进一步描述，这可允许多频道光接收次组件130被设置于壳体102中的各种位置，且无须直接地对齐于输入光连接器118。

请参阅图3A至3C，详细描述及呈现有多频道光收发器300的一实施例的发射部。光收发器300包括容纳光发射次组件元件及光接收次组件元件(图中未示出)的收发器壳体302。在本实施例中，诸如LC连接器的光输出端口316实质上平行于壳体302的长轴350延伸。光发射次组件模块324-1至324-4及光多工器322也可实质上平行于长轴350延伸，但本发明并不以此为限。

此外，在一侧具有多工输入端口及输出端口的光多工器322位于光收发器壳体302的远端302a。在所说明的实施例中，光多工器322邻靠(abut)于收发器壳体302的远端墙301。在其他实施例中，光多工器322可相邻于远端墙301但无须邻靠远端墙301。光多工器322可固定于从壳体302延伸的多个结构303之间。

接下来参照图3A，光输出端口316，或光输出插座316，包括光学中心线(概略性地呈现为沿着长轴351延伸)，且该光学中心线从各个光发射次组件模块324-1至324-4(更具体地来说是光发射次组件光耦合模块340-1至340-4)的光学中心横向偏移一偏移距离D。举例来说，光发射次组件模块324-1的光中心包括相对于光输出端口316的光学中心线的偏移355。在某些情况中，各个偏移至少为2毫米(millimeter)。此外，光输出端口316的光学中心线可相对光多工器322的多工输出端口353的光学中心线355横向地偏移。相似地，光发射次组件模块324-1至324-4的各个光学中心线可相对各个相对应的多工输入端口的光学中心线偏移，此概略性地以354呈现。

继续参照图3A，光纤327包括第一端及第二端，其中第一端光学地耦接于光输出端口316，而第二端光学地耦接于壳体302中的光多工器322的多工输出端口353。相似地，光纤325-1至325-4包括第一端及第二端，第一端光学地耦接于各个光发射次组件模块324-1至324-4，而第二端光学地耦接于以355呈现的各个多工输入端口。光输出端口316可因此准确地被描述为间接地耦接于多工器装置322。此有利地允许光输出端口316弹性地耦接于多工器装置322的光纤阵列，例如光纤325-1至325-3，且无须考量光输出端口316相对光多工器装置322及/或光发射次组件模块324-1至324-4的确切位置。

继续参照图3A，光多工器322包括多个多工输入端口354及多工输出端口354，其中多个多工输入端口354于图3B中分别以326-1至326-4呈现，多工输出端口354都位于同一侧321(在此称为光耦合侧)。如图3A所示，光多工器322的远侧323(例如相对于光耦合侧321)邻近于或邻靠于收发器壳体302的远端墙301，且光耦合侧321指向(directed)收发器壳体302中的其他光发射次组件元件。这种布置方式促使光多工器322在使用光纤325-1至325-4进行耦合时无须弯折光纤，进而有利地降低光纤弯折损失。

光多工器322可为具有输入端口及输出端口的阵列波导光栅，且输入端口及输出端口位于同一侧或阵列波导光栅芯片的晶面(facet)。光多工器322也可为具有分光器输入端口(作为多工输出端口使用)及分光器输出端口(作为多工输入端口使用)的反向平面光波电路(planar lightwave circuit，PLC)分光器，且分光器输入端口及分光器输出端口位于同一侧或PLC分光器芯片的晶面。反向的PLC分光器的额外优点是与波长无关，因此可较不易受波长偏移(例如由温度变化所造成)的影响。

如图3B及图3C所详细呈现，并额外参照图3A，光纤阵列***356用于将输入光纤325-1至325-4及输出光纤327维持对齐，并可用于将输入光纤325-1至325-4及光纤327光学地耦接于位在光多工器322的光耦合侧321的各个多工输入端口326-1至326-4及多工输出端口353。在本实施例中，光纤阵列***356包括基部352及顶部357，其中基部352包括容纳各个光纤的V形槽359，而顶部357可将光纤固定于V形槽354中。光耦合侧321可与正交于光多工器322的顶及/或底面的线段具有一角度α。光纤阵列***356具有相对应的倾斜耦合面以使有角度的光纤端能耦接于有角度的多工输入端口，此降低了背侧反射(backreflection)并提升了耦合效率。在一示例中，具有光纤阵列***356的光多工器322的长度可短于15毫米，更具体来说是约为12.2毫米，且光多工器222的宽度可小于5毫米，更具体来说是约为4毫米。

多工输入光纤325-1至325-4使用光发射次组件光耦合组件340-1至340-4光学地耦接于多个光发射次组件模块324-1至324-4。光发射次组件模块324-1至324-4位于壳体302的另一部分，而使得光多工器322间隔于光发射次组件模块324-1至324-4，以降低来自光发射次组件模块324-1至324-4产生的热量的热效应(thermal effect)。光发射次组件光耦合组件340-1至340-4可包括一或多个光耦合套管342-1至342-4(请参阅图3B)，光耦合套管342-1至342-4插设于从光发射次组件模块324-1至324-4延伸的耦合插座，以提供光学校准及耦合。可使用现有的光耦合组件，例如LC/UPC耦合套管。光多工器322的多工输出端口353使用输出光纤327(请参照图3A)光学地耦接于输出光连接器316。输出光连接器316可为现有的光连接器，例如LC插座。

请参阅图4，呈现并详细描述多频道光收发器400的一实施例的接收部。在本实施例中，光输出端口418，例如LC连接器，实质上平行壳体402的长轴450延伸。解多工装置432设置于壳体402中并邻近于壳体402的远侧423。如附图所示，光纤427设置于壳体402中且包括第一端及第二端，其中第一端耦接于光输入端口418且第二端光学地耦接于解多工装置432的光耦合插座/组件442。在解多工装置432中相对光耦合插座442的远端，多工装置可耦接于相关的电路，例如光二极管阵列、跨阻抗放大器(TIA)、接收电路等等。因此，解多工器装置432中相邻于光耦合插座442的一端可称为光耦合端，且解多工器装置432的相对端可称为电性耦合端。

如附图所示，光纤427以相对较大的弯折半径的方式绕设，以有利地降低弯折损失。弯折半径的这种增加至少可部分地通过多工装置432于壳体402中的位置来达成。多工装置432的额外示例及相关的光纤的最终弯折半径更详细地描述于公告号为_____________的美国专利申请(申请号为15/242,005)，该专利在此供参考。

继续参照图4，光耦合插座442呈现为通过光纤427间接且光学地耦接于解多工装置432。详细来说，光耦合插座442的光学中心线451水平地以距离D偏移。距离D可量测为介于2毫米至10毫米之间，但其他的偏移量也属于本发明的范畴。此水平的偏移可为光输入端口418相对多工装置432的位置的函数。在某些情况中，光输入端口418的位置根据为特定的形成因子(form-factor)及模式建立的标准所固定(fixed)，例如小形成因子规范(smallform-factor specification)。另一方面，解多工装置432的位置可依据基于光纤427的弹性的所需模式而改变。

请再参照图5，根据一实施例呈现有具有分区壳体的光收发器模块500。如附图所示，多频道收发器300的壳体302耦接于多频道光接收次组件400的壳体402，并共同形成光收发器500。分区的光收发器壳体的一示例更详细地描述于公告号为_____________的美国专利申请(申请号为15/242,017)，该专利在此供参考。分区的光收发器壳体具有为各个光发射次组件及光接收次组件部分提供分离的工件的额外优点，这降低了损坏感侧元件的潜在机会并降低制程的整体复杂度。

根据本发明一实施例公开一种光收发器。光收发器包括壳体、光多工装置、第一光耦合端口及第一光纤。壳体包括沿长轴从第一端延伸到第二端的多个侧壁，其中这些侧壁界定出具有第一长轴中心线的腔体。光多工装置至少部分设置于腔体中并具有输入端口，且输入端口具有第一光学中心线。第一光耦合端口位于壳体的这个第一端。光耦合端口具有第二光学中心线。第一光纤具有光学地耦接于光耦合端口的第一端及光学地耦接于多工装置的第二端。多工装置的输入的第一光学中心线水平地以距离D从光耦合端口的第二光学中心线偏移。

根据本发明另一实施例公开有一种多频道光收发器。多频道光收发器包括发射器壳体、多个光发射次组件(TOSA)模块、光输出端口以及光多工器。光发射次组件模块位于发射器壳体中而用于在不同的各个频道波长发出多个光学信号。光输出端口设置于发射器壳体的一端而用于光学地耦接于外部光纤。光多工器位于发射器壳体的远端并光学地耦接于光发射次组件模块而用于将多个光学信号多路复用成包括不同的频道波长的经多路复用的光学信号。光多工器包括光学地耦接于各个光发射次组件模块的多个多工输入端口及光学地耦接于光输出端口的多工输出端口，其中多工输入端口具有用于接收各个光学信号的输入光纤，且多工输出端口通过中间光纤光学地耦接于光输出端口。

虽然本发明的原理已在此描述，但是可以理解的是，本领域技术人员可理解这些叙述仅为示例性的而不用于限定本发明的范围。除了在此描述及呈现的示例性实施例之外，其他的实施例也属于本发明的范畴。本领域技术人员当可进行一些修改及替换，且这些修改及替换也位于本发明的范围内并仅以下述的权利要求为限。