技术领域
[0001] 本本
发明涉及光学装置，并且涉及包括用于提高光学装置的防表面翘曲性的特征的光学装置。
背景技术
[0002] 光纤技术日益地用于经由通信网络的数据的传输中。利用光纤技术的网络称为光学通信网络，并且该网络的典型特征在于高带宽、可靠的高速数据传输。 [0003] 为了经由使用光纤技术的光学通信网络进行通信，使用诸如光纤收发器或应答器的光学部件来发送和接收光
信号。通常，光纤收发器包括具有光换能器的一个或多个光学子组件(“OSA”)。例如，发射器光学子组件(“TOSA”)具有用于发送
光信号的光电换能器，并且，接收器光学子组件(“ROSA”)具有用于接收光信号的光电换能器。更具体地说，TOSA接收电学数据信号，并且将该电学数据信号转换为光学数据信号，以便传输到光学网络上。ROSA从光学网络接收光学数据信号，并且将接收到的光学数据信号转换为电学数据信号，以便进一步使用和/或处理。TOSA和ROSA均包括用于执行这种功能的特定光学部件。
[0004] 例如，典型的TOSA包括用于将光
信号传输到光纤或光
波导的光发射器，例如，发光
二极管或
激光二极管。光发射器通常被至少部分透明的盖帽
覆盖，该盖帽保护光发射器，同时允许光发射器将光信号传输到光缆。该盖帽可以包括用于使光信号传输聚焦的透镜。 [0005] 典型的ROSA包括
光接收器，例如，PIN
光电二极管或
雪崩光电二极管(“APD”)。光接收器通常被至少部分透明的盖帽覆盖，该盖帽保护光接收器，同时允许光接收器从光缆接收光信号。该盖帽可以包括用于使从光缆接收到的光信号传输聚焦的透镜。 [0006] 透镜和其它光学部件通常被压配合到相应的OSA中。当光学部件被压配合到保持器时，压缩
力可以改变该光学部件的表面轮廓。如果光学部件使用诸如塑料的软的或可
变形的材料，则这可能会尤其明显。此外，在OSA工作时，可以使光学部件经受大量的
热能。热能使得光学部件相对于保持器膨胀，由于保持器和光学部件的膨胀系数(CTE)不同而导致在光学部件上产生
压缩力，该压缩力可能会导致在光学部件的表面上产生
应力。光学部件的表面上的应力可能会导致材料的折射率和/或双折射率改变。这样的改变可以通过改变聚焦光斑尺寸、图像的
位置和/或图像的
质量来影响光学部件的有效工作。 [0007] 以前的用于减少由于压配合和/或
热膨胀所引起的光学部件的表面上的应力的尝试包括使用具有相似的CTE的保持器和光学部件。这样的方法通常是不切实际的，因为可能会难以获得这样的材料并且/或者材料选择可能会至少部分地受产品规格的限制。其它的尝试包括使用柔性的(compliant)
粘合剂材料来将光学部件结合到保持器。至少部分是由于与获得和使用这些材料相关联的附加工艺步骤和附加成本而导致这种方法的成本可能是昂贵的。
发明内容
[0008] 在至少一个实例中，一种光学部件包括邻近光轴的中心光学表面、从该中心光学表面径向地延伸的外围部分、以及在该中心光学表面和该外围部分之间的阶梯部分。该阶梯部分可以被形成为使该中心光学表面凸出在 该外围部分之上。
[0009] 在另一个实例中，一种光学部件包括具有从其中延伸通过的光轴的光学表面、与该光学表面相邻的外围部分、以及与该外围部分相邻的边界部分。在该实例中，该外围部分中的至少一部分在该边界部分和该光学表面之间限定凹部。
[0010] 在另一个实例中，一种光学子组件包括光学机械保持器和固定到该光学机械保持器的光学部件。该光学部件可以包括邻近光轴的中心光学表面、从该中心光学表面径向地延伸的外围部分、以及在该中心光学表面和该外围部分之间的阶梯部分，其中，该阶梯部分被形成为使该中心光学表面凸出在该外围部分之上。
[0011] 本发明的这些和其它特征将从下面描述和所附
权利要求中变得更加清楚，或者可以通过如下文所述的那样实施本发明来了解。
附图说明
[0012] 为了进一步澄清本发明的某些方面，将参考在附图中公开的本发明的特定
实施例来对本发明进行更加具体的描述。应该理解，这些附图仅仅示出本发明的示例实施例，因此并不视为对本发明的范围的限制。通过使用附图来更具体地、更详细地描述和解释本发明的各方面，在附图中：
[0013] 图1A至1D示出根据一个实例的光学部件；
[0014] 图2示出与光学机械保持器相配合的光学部件；
[0015] 图3A公开示例的光学子组件；
[0016] 图3B公开图3A的光学子组件的各方面；
[0017] 图4A公开被配置为控制图3A和3B的光学子组件中的背反射光的光学装置；以及 [0018] 图4B公开用于图4A的光学装置的设计方法的各方面。
具体实施方式
[0019] 在本文中提供用于减小由于诸如压配合、热膨胀和/或热收缩之类的因素所引起的压缩力而在光学部件的表面上产生的压力的装置、系统和方法。在至少一个实例中，光学部件包括至少一个光学表面、外围部分和边界部分。该光学部件在外围部分和光学表面之间具有至少一个阶梯部分，所述至少一个阶梯部分使得光学表面相对于外围部分凸出，从而形成凸出光学表面。这种的结构可以至少部分地使凸出光学表面与作用在该凸出光学表面的其它部分上的应力隔离开。可以使边界部分相对于外围部分和凸出光学表面凸出，从而在凸出光学表面和边界部分之间形成浮雕。这种的结构可以允许边界部分给凸出光学表面既提供轴向保护又提供径向保护。
[0020] 可以在各种OSA中实施具有凸出光学表面的光学部件，所述OSA包括被集成到光电收发器和应答器模
块中的任何OSA。另外，在任何OSA中都可以实施具有凸出光学表面的光学部件，而不受
数据速率、工作
波长、传输标准、
外壳温度范围、连接器类型、模块类型以及OSA服务范围的影响。
[0021] 图1A至1D示出光学部件10。具体地说，图1A示出顶透视图，图1B示出底透视图，图1C示出平面图，图1D示出从图1C沿截面1D-1D截取的剖面图。为了便于参考，光学部件10被描述为大致同心的光学部件，该光学部件关于轴11是同心的，其中，轴11可以与这样的组件的光轴对准：该光学部件是该组件的一部分，因此，轴向尺寸可以大致对应于深度尺寸，而径向尺寸可以大致对应于宽度尺寸。此外，为了便于参考，将描述光学部件10的一侧。该描述可以同样地适合于光学部件10的另一侧。此外，虽然示出了倾斜的光学表面(angled optical surface)，但是光学部件可以包括平坦的表面、球形表面和/或非球形表面，以形成透镜、棱镜或其它类型的光学装置。
[0022] 如图1D所示，光学部件10通常包括邻近中心部分的凸出光学表面12，例如，凸出的透镜表面或凸出的棱镜表面。外围部分13被示出为从凸出光学表面12径向地延伸。在至少一个实例中，凸出光学表面12可以通过阶梯部分14凸出并与外围部分13分隔开。因此，阶梯部分14在凸出光学表面12和外围部分13之间提供轴向分离。
[0023] 在至少一个实例中，光学部件10还包括边界部分15。边界部分15可以从外围部分13横向地、轴向地延伸。具体地说，可以将边界部分15的尺寸调整为轴向地延伸到凸出光学表面12之外，从而在凸出光学表面12和边界部分15之间产生沟槽。 [0024] 边界部分15延伸到凸出光学表面12之外，可以允许边界部分15保护凸出光学表面12。边界部分15径向地延伸到外围部分13之外，以及外围部分13和阶梯部分14的结构，可以通过减少凸出光学表面12上的应力来减少
热应力和/或机械应力对光学部件10的性能的影响。这种应力可能是由于在固定到光学子组件的光学部件工作时存在的压缩力和/或热力而引起。
[0025] 图2示出固定到光学机械保持器20的光学部件10的剖面图。光学部件10可以被压配合和/或结合到光学机械保持器。光学部件中的应力可能至少部分是由于光学机械保持器20和光学部件10之间的尺寸不同而引起的。例如，在将光学部件10压配合到光学机械保持器20的过程中，可能会出现机械应力。具体地说，当光学部件10的外部尺寸稍微大于光学机械保持器20的内部尺寸时，可以实现压配合。这样的尺寸差异导致产生压缩力，该压缩力将光学装置相对于光学机械保持器20固定在期望的位置和取向。 [0026] 当对光学部件10和/或光学机械保持器20加热时，可能会出现热应力。具体地说，当光通过光学部件时，一部分光可能会被光学部件10吸收。当光被吸收时，光学部件10变热并膨胀。光学机械保持器20可以不吸收那么多光，并且/或者可以由这样的材料制成：对于给定的温度差，该材料比光学部件膨胀得少。其它热条件可以使光学机械保持器20比光学部件10更快地冷却和/或收缩。这些和其它的差异可以导致光学机械保持器20小于光学部件10。结果可能是在光学部件10上产生附加的压缩力，从而导致在光学部件10中产生应力。
[0027] 光学部件10的结构可以减少这种应力对凸出光学表面12的影响。具体地说，当光学部件10例如被上述的光学机械保持器压缩时，该应力可能会首先压缩边界部分15。边界部分15与凸出光学表面12相隔一沟槽。结果，从边界部分15传递到光学部件10的其它部分的应力传递到了外围部分13。
[0028] 可以从外围部分13传递到光学部件的其余部分的应力可能会受阶梯部分14的影响。具体地说，来自外围部分的应力可以集中在阶梯部分14的内边界(inner limit)处或在其附近。这可能部分是由于该部分的几何结构在阶梯部分14处的突变所引起的。不管什么原因，光学部件10的结构减少了作用在凸出光学表面12上的应力。 [0029] 光学部件的结构有助于减少光学表面上的应力，以及有助于在经受温度升高、温度降低和/或由于压配合或其它操作而引起的压缩力时实现更加均匀的表面变形。因此，不管应力源是什么，光学部件的结构都有助于减少光学表面上的应力，以及有助于实现更加均匀的表面变形。
[0030] 图3A和3B公开示例OSA 100。OSA 100是发射器光学子组件(TOSA)。然而，由于本发明的示例实施例可以结合到TOSA或ROSA中，所以，OSA 100可以是接收器光学子组件(ROSA)。
[0031] OSA 100包括筒体102。筒体102与TO-Can 104连接。如图3B所示，TO-Can 104部分地设置在筒体102内。TO-Can 104包括具有多条电引线108的顶盖(header)106，所述多条电引线108被配置为将TO-Can104的部件与装配有OSA 100的光电收发器或应答器模块的印刷
电路板和相关电路(未示出)电连接。引线108使得能够将电功率和
电信号传输到TO-Can 104以及从TO-Can 104传输电功率和电信号。TO-Can104还包括与顶盖106相连接的盖帽110。盖帽110形成气密的
真空罩112，用于各种TO-Can部件，如本文中的其它处所公开的那样。
[0032] TO-Can 104还可选择性地包括部分地设置在盖帽110中的透镜114。图3A和3B所示的透镜114包括凸出光学表面、外围部分和边界部分。在边界部分和凸出光学表面之间限定浮雕部分。尽管所示的透镜114是球透镜，但是透镜114可以是其它类型的透镜，包括但不限于半球透镜。可供选择的是，在至少盖帽110的相应部分可透光的情况下可以除去透镜114，或者，可以用与盖帽110相配合的窗替代透镜。
[0033] 示例OSA 100包括与第二腔117开放式通信的第一腔116，这两个腔由筒体102限定。第一腔116和第二腔117可以是真空的，或者可以包含某一种气体，例如空气。OSA 100还包括用于控制背反射光的光学装置200。下面结合图4A和4B更加详细地讨论光学装置200。在本实施例中，光学装置200设置在第二腔117内。OSA 100还包括由筒体102限定的第三腔118。第三腔118与第二腔117相对。邻近第三腔118是端口120。端口120限定在筒体102的一端。端口120被配置为接收诸如光纤
套管的光学连接器，以便有助于将光纤与OSA 100耦合。在另一实施例中，端口120可以配置为接收对应于光波导的光连接器，以便有助于将光波导与OSA 100耦合。
[0034] 如上所述，TO-Can可以包括各种部件。例如，OSA 100的TO-Can 104包括设置在真空罩112内的发射器122。发射器122可以是任何类型的发射器。例如，发射器122可以是法布里-珀罗
激光器、DFB激光器或其它边缘式发射源(emitter)。发射器122还可以是VCSEL或LED。发射器122使用由引线108供应的电功率来将由引线108供应的电信号转换为相应的光信号150。
[0035] 在图3A和3B的实例中，OSA 100被配置成这样：由发射器122产生的光信号150进入真空罩112并通过使光信号150聚焦的透镜114。然后，光信号150通过第一腔116，通过光学装置200，通过第三腔118，并且进入端口120。当将光缆的光连接器(未示出)插入到端口120时，光信号150可以进入光缆，从而通过光缆被输送到另一个部件。当光信号150通过光学装置200时，光学装置200使光信号150在其进入光纤或波导之前弯曲一次或多次。除了别的以外，这样弯曲减少由于背反射光引起的发射器122的性能劣化或者避免该性能劣化。
[0036] 继续参照图3A和3B，并且，现在也参照图4A，更加详细地公开示例光学装置200的各方面。可以利用各种装置来执行示例光学装置200的功能。光学装置200包括凸出光学表面。光学装置200还包括外围部分和边界部分。在边界部分和凸出光学表面之间限定浮雕部分。因此，示例光学装置200的结构包括用于控制背反射光的装置的仅仅一个示例结构实施方案。
[0037] 因此，应该理解，在本文中仅仅通过举例来公开这种结构实施方案，但是无论如何该结构实施方案都不应当被解释为对本发明的范围的限制。更确切地说，同样地可以使用有效用于实施本文所公开的功能的任何其它结构或结构组合。举例来说，在本文所公开的示例OSA的一些实施例中，可以使用能够两次弯曲光信号的任何透光装置来替代光学装 置200。
[0038] 示例光学装置200可以与筒体102分离地或一体地形成。另外，根据具体应用的需要，光学装置200可以由与筒体102相同的材料或与筒体102不同的材料形成。光学装置200可以由包括但不限于任何透光玻璃或塑料的任何透光材料形成。例如，光学装置200和筒体102中的一个或两个可以由 塑料形成。为了允许光信号150通过光学装置200，形成光学装置200的材料必须是透光的。
[0039] 光学装置200包括两个倾斜表面，为了从OSA 100射出，光信号150必须通过这两个倾斜表面。本文中所使用的“倾斜”是指与限定的光路的纵向轴，例如OSA/光轴152，不垂直的表面。OSA/光轴152定义为在发射器152的表面上的产生光信号150的点与光信号150最终引导入其中的光纤或光波导上的中心点之间的路径，如图4B所公开的那样。示例OSA 100中的OSA/光轴152还与OSA 100的纵向轴一致。例如，光学装置200的第一表面
202和第二表面204相对于OSA/光轴152成一定
角度。
[0040] 倾斜表面202和204中的一个或两个可以是平面的、球面的、或非球面的，或者可以是它们的任何组合。当倾斜表面202和204中的一个或两个是球面的或非球面的时，球形表面的轴可以与倾斜表面202和204成期望的角度。在一些应用中，对于倾斜表面202和204中的一个或两个，使用球形表面或非球形表面可以组合透镜114和(一个或多个)倾斜表面的功能，从而消除对透镜114的需要。组合上述一个或多个方面可以使得能够细调表面轮廓，从而实现最佳的光斑尺寸、耦合效率、背反射光减少和对准
稳定性。 [0041] 光学装置200设置在筒体102内，从而光信号150必须通过光学装置200，以便通过端口120从OSA 100射出。具体地说，光信号150 首先入射在第一表面202上，然后通过第二表面204从光学装置200射出。在一个示例实施例中，第一倾斜表面202可以可选择地涂敷有抗反射涂层，以有助于当光信号150通过第一倾斜表面202时减少或避免背反射光。
[0042] 通常，通过光学装置200使光信号150弯曲的量是第一表面202和第二表面204的表面角度的函数。因此，可以通过改变第一表面202和第二表面204的表面角度中的一个或两个来实现各种期望的效果。
[0043] 当光信号150通过第一倾斜表面202时，第一倾斜表面202的角度使得光信号150相对于OSA/光轴152弯曲“λ”度。类似地，当光信号150通过第二倾斜表面204时，第二倾斜表面204的角度使得光信号150相对于OSA/光轴152以“ω”度的角度弯曲，从而进入插入端口120中的任何光纤。通常，角度“ω”在插入到端口120中的任何光纤的数值孔径内。
[0044] 现在参照图4B，公开了示例性光学装置200的设计方法的各方面。为了便于参考，光学表面被示出为平坦的。应该理解，光学装置可以包括凸出光学表面、外围部分和边界部分，其中，阶梯部分在凸出光学表面和边界部分之间限定浮雕部分。总的来说，图4B公开了相对于光学装置200
定位在这样的位置的光缆210，即：如果光缆210被插入图3A至4A的OSA 100的端口120中，则该光缆210就处于该位置。图4B公开第一距离d1和第二距离d2。第一距离d1定义为光信号150分别通过第一表面202进入和通过第二表面204射出的点之间的沿着y轴的距离。第二距离d2定义为光信号150通过第二表面204射出的点和光信号150入射在光纤208的面206上的点之间的沿着y轴的距离。光纤208可以包括被插入到端口120中的光缆210的一部分，如图3B和4A所公开的那样。在一个示例实施例中，第一距离d1近似等于第二距离 d2，然而，在其它实施例中，第一距离d1与第二距离d2不相等。
[0045] 继续参照图4B，角度β(贝塔)是第一倾斜表面202和实质上垂直于OSA/光轴152的虚拟表面之间的角度。第一倾斜表面202的角度β的大小使得当光信号150入射在第一倾斜表面202时几乎或根本没有产生将光信号向发射器122返回引导的背反射光。角度α(阿尔法)是第二倾斜表面204和垂直于OSA/光轴152的虚拟表面之间的角度。在一个示例实施例中，角度β和α不相等，然而，在其它实施例中，角度β和α彼此实质上相等。
[0046] 如上所述，光信号150被光学装置200弯曲的程度分别是第一表面202的表面角度β和第二表面204的表面角度α的函数。图4B所公开的角度θ1-θ5(太塔-下脚标1至太塔-下脚标5)最终由角度β和α以及形成光学装置200的材料确定。角度β和α的相对值部分地由对要入射在邻近光缆210的光纤208的中心且处于光纤208的数值孔径内的表面206上的光信号150的需要决定。图2B中的法线212、214、218和220均垂直于光学装置200的倾斜表面202或204中的一个。
[0047] 如图4B所公开的那样，用于确定平表面的角度β和α的一种方法可以由下面三个公式表达：
[0048] 1)sinθ1＝n*sinθ2
[0049] 2)sinθ4＝n*sinθ3
[0050] 3)-θ1+θ2-θ3+θ4＝θ5
[0051] 其中：
[0052] n是构造光学装置200的材料的折射率；
[0053] θ1是在光信号150通过第一倾斜表面202之前的光信号150和法线212之间的角度；
[0054] θ2是在光信号150通过第一倾斜表面202之后的光信号150和法线212之间的角度；
[0055] θ3是在光信号150通过第一倾斜表面202之后但在光信号150通过第二倾斜表面204之前的光信号150和法线214之间的角度；
[0056] θ4是在光信号150通过第二倾斜表面204之后的光信号150和法线214之间的角度；以及
[0057] θ5是在光信号150通过第二倾斜表面204之后但在光信号150通过光缆210的光纤208的表面206之前的光信号150和OSA/光轴152之间的角度。
[0058] 例如，应用上述公式，如果角度θ1＝7°并且光学装置200由具有1.63的折射率的 形成，则角度θ2＝4.3°，角度θ3＝8°，角度θ4＝12.7°，角度θ5＝2°。另外，角度β＝7°，角度α＝11°。尽管光学装置200被配置为使角度θ5大于
0°，但是光学装置200也被配置为确保角度θ5不大于与OSA100连接的光缆210的数值孔径。如本文中所使用的术语“数值孔径”是指可以进入并被限制在光缆210的光纤208内与光纤208的纵向轴所成的最大角度。在本实例中，光纤208的纵向轴对应于OSA/光轴
152。
[0059] 如本文中其它处所公开的那样，当光信号150入射在OSA 100内的一个或多个表面上时，在一些情形中可以产生背反射光。例如，当一部分光信号150被光缆210的光纤208的表面206反射而不是通过表面206进入光纤208时，可以形成背反射光222。然而，由于光信号150以角度θ5入射在表面206上的事实而导致将任何背反射光222以角度θ6引导至光学装置200。角度θ6是背反射光222和OSA/光轴152之间的角度。在一个示例实施例中，角度θ6实质上等于角度θ5。如图4B的实例中所公开的那样，当背反射光222通过第二倾斜表面204和第一倾斜表面202时，它被弯曲两次。当与初始角度θ6的作用结合时，这样弯曲导致背反射光222的最后的传播方向224，其中，传播方向224远离发 射器122，如图4B所公开的那样。例如，如果光信号150以偏离光纤208的纵向轴的2°的角度入射在表面206上，则背反射光222的最后的传播方向224可能是偏离光纤208的纵向轴的5°。
[0060] 因此，本文中所公开的光学装置的示例实施例可以用若干方式控制背反射光的负面作用。当光学装置结合到TOSA中时，该光学装置的第一倾斜表面使得在第一倾斜表面上产生的任何背反射光改变方向，从而将背反射光引导至远离TOSA内的敏感的光电发射器。类似地，光学装置的倾斜表面使得在光纤或光波导的表面上产生的任何背反射光同样地改变方向，从而将背反射光引导至远离TOSA的发射器。当光学装置结合到ROSA中时，该光学装置的倾斜表面可以使在ROSA内产生的任何背反射光改向远离ROSA的端口的方向，从而背反射光不会作为光学反馈而通过光缆或光波导来返回到远程TOSA内的敏感的光电发射器。
[0061] 此外，本文所公开的示例光学装置可以被一体地模制为OSA的筒体的一部分。将光学装置一体地形成为OSA的筒体的一部分，使得形成光学装置的材料的成本被并吞到筒体的成本中。此外，将光学装置一体地形成为OSA的筒体的一部分，消除了将光学装置组装到OSA的成本。
[0062] 在图3A至4B所公开的布置的另一种替换中，多个光学装置200可以包含在单一的OSA内，从而进一步隔离OSA内的任何背反射光。因此，可以考虑这样的示例实施例：多个光学装置200
串联地布置在OSA内。另外，示例光学装置200可以与用于减少背反射光的其它已知的装置结合使用。另外，为了就光学隔离背反射光而言实现期望的效果，可以将光学装置200与四分之一波片结合使用。
[0063] 当光学装置200与四分之一波片结合使用时，例如，四分之一波片 可以设置在激光器122和透镜114之间、透镜114和光学装置200之间或光学装置200和光纤208之间的任何位置。此外，光学装置200可以用于其它光学应用中。例如，光学装置200可以用于考虑背反射的任何光学部件的金属端口中。
[0064] 在不脱离本发明的精神或实质特性的情况下，可以用其它特定的形式实施本发明。所描述的实施例在所有的方面上都仅仅被视为示例性的、非限制性的。
